예비교사를 위한 측정 불확도 개념이 강조된 물리 실험 설계틀 개발 및 적용

Abstract

본 연구에서는 물리 측정 실험 활동지 제작 과정에서 나타나는 물리 예비교사들의 어려움에 대해 분석하였고, 예비교사를 위한 측정 불확도 개념이 강조된 물리 실험 설계틀을 개발하였으며, 물리 측정 실험 활동지 제작에 설계틀을 적용해 보도록 함으로써 그 효과를 살펴보았다. 실험은 과학 연구의 수단이며, 과학과 교수 학습에서도 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 특히 실험은 과학을 다른 교과와 구별 짓는 큰 특징이며, 과학 교육의 중심으로 간주되기도 한다. 이처럼 과학 교육에서 실험수업이 중요하게 인식됨에도 불구하고, 정량적인 실험은 거의 이루어지지 않고 있으며 정성적인 관찰활동 형태로 불균형적인 실험 교육이 이루어지고 있다. 특히 정량적인 측정 실험에서는 측정 불확도 개념의 부재로 인해 학생들이 많은 어려움을 겪고 있다는 점으로부터 본 연구에서는 예비교사들을 대상으로 측정 실험 교육을 위한 활동지를 제작해보도록 하여 어려움을 분석해 보았고, 이에 대한 대안으로서 측정 불확도 개념이 강조된 물리 실험 설계틀을 제안하고, 그 효과를 살펴보았다. 연구 1에서는 측정 불확도 개념을 학습한 예비교사들을 대상으로 실험 활동지를 제작하도록 하여 실험 활동지 제작에서 겪는 예비교사들의 어려움을 살펴보았다. 먼저 물리교육을 전공한 예비교사 21명에게 중, 고등학교 교과서에 제시된 측정 실험을 선택하도록 하여 학생들에게 수업하기 위한 실험 활동지를 제작해 보도록 하였다. 예비교사들이 측정 불확도 개념을 학습하였다고 하더라도, 학습한 측정 불확도 개념을 실제 학교 현장에 바로 적용할 수 있다고 보기는 어렵다. 또한 2009 개정 물리 교과서에 따르면, 측정이 포함된 물리 실험이 많지 않으며, 측정 불확도를 고려한 탐구 활동 또한 충분하지 않다. 따라서 교사의 실험 활동지 구성 능력은 학교 현장의 실험 수업의 질에 영향을 줄 것이다. 이에 따라 중, 고등학교 교과서에 제시된 실험의 활동지를 구성하는 과정에서 나타나는 예비교사들의 어려움 분석은 중요한 의미를 지니게 된다. 어려움 분석을 위해 물리 측정 실험 활동지 평가를 위한 준거를 세우고, 준거에 맞추어 분석한 결과 변인 설정, 표 작성, 그래프 표현 및 분석, 측정 불확도 표현 및 분석의 영역에서 어려움이 발견되었다. 다음으로는 실험의 주제를 제한시켜서 측정 실험의 활동지 제작에서 나타나는 공통적인 예비교사들의 어려움을 살펴보기 위해 물리교육을 전공한 예비교사 15명과 물리교육을 전공한 대학원생 9명을 대상으로 물리상수 측정실험을 구성하기 위한 실험 활동지를 제작해 보도록 하였다. 단진자의 주기를 측정하여 중력가속도를 측정하는 실험을 제시해 주고, 실험 활동지를 제작하도록 하였을 때, 공통적으로 나타나는 어려움의 경향을 확인하였다. 그 결과 표 작성, 그래프 표현 및 분석, 측정 불확도 표현에서 공통적으로 나타나는 어려움을 확인할 수 있었다. 연구 2에서는 연구 1에서 살펴본 예비교사들의 어려움과 문헌을 기반으로 하여 측정 불확도를 고려한 실험 수업 구성을 돕는 측정 불확도 개념이 강조된 물리 실험 설계틀을 제작하였다. 그리고 개발한 설계틀을 물리교육을 전공한 예비교사 및 대학원생 18명에게 적용해 보았다. 그 결과 설계틀의 적용을 통해 측정 실험 활동지 구성 요소 및 측정 불확도 적용에 대한 예비교사들의 인식에 유의미한 변화가 있음을 확인할 수 있었다. 특히 예비교사의 측정 불확도 개념의 필요성에 대한 인식의 전환이 이루어졌음을 알 수 있었다. 또한 설계틀을 다른 물리 측정 실험에 적용해 보고, 예비교사들을 인터뷰한 결과에 따르면, 측정 불확도를 줄이는 방향으로 활동지를 수정하거나, 변수들의 합성 불확도를 고려하여 변수의 크기 및 범위를 설정하고, 측정기기를 선택하는 모습을 확인할 수 있었다. 그리고 설계틀에서 강조하는 그래프를 이용한 결론 도출 및 측정 불확도 분석의 두 가지 측면이 잘 드러나고 있으며, 오차 및 측정 불확도가 최소화된 물리 측정 실험 활동지를 구성하는데 도움이 된다는 응답을 얻을 수 있었다. 결론적으로 본 연구는 예비교사들의 정량적인 측정 실험 수업 설계 과정에서 어떠한 어려움을 겪고 있으며, 특히 측정 불확도를 고려하는 과정에서 겪는 어려움을 살펴보았다. 그리고 이러한 어려움을 돕기 위해서 측정 불확도 개념이 강조된 물리 실험 설계틀을 개발하고 적용하는 교육을 하였을 때, 예비교사들에게 유의미한 인식의 변화를 주고, 최소의 측정 불확도로 이론을 뒷받침할 수 있는 실험 조건을 지니는 실험 활동지를 제작하는 데 도움을 줄 수 있음을 확인하였다.