예비 물리 교사의 관 내 정상파 모형 발달에서 간섭무늬영상에 대한 시각적 지각과 해석의 역할

Abstract

관 내 정상파의 네 가지 모형유형 중에 예비교사는 미시·추상 모형만을 가지는 경우가 많으며, 이를 현상과 연계해 설명하지 못한다. 이에 예비교사의 구체·추상 모형을 발달시키고 이를 통해 전체 모형을 발달시킬 수 있는 방안에 대한 고민이 요구된다. 관내 정상파는 사실상 시각적으로 관찰 불가능하기 때문에 예비교사는 초기 모형을 통해 예상한 결과를 현상과 비교할 수가 없고, 따라서 모형을 발달시키는데 어려움을 겪는다. 이를 극복하기 위해서는 소리 관련 현상을 시각적 지각 가능하도록 하는 가시화가 선행되어야 할 것이다. 전자 광반점 간섭계(ESPI: Electronic Speckle Pattern Interferometer)는 정상파의 압력변화 현상을 거시적인 영역에서 가시화 할 수 있는 방법이기 때문에, 거시·구체 모형을 발달시킬 수 있을 것이다. 본 연구에서 사용된 전자 광반점 간섭계는 일반 물리 실험에서 사용되는 광학 기기들을 이용하여 연구자가 구성하였다. 영상처리는 연구자가 LabVIEW 2009로 제작한 영상감산 프로그램을 사용하여 거의 실시간으로 수행하였다. 활동은 4시간동안 진행되었으며, 서울 소재 대학의 물리교육과에 재학 중인 예비 물리교사 29명이 참여하였다. 활동 전과 후에 예비교사가 가지고 있는 모형유형과 모형전환을 알아보기 위하여, 정상파 관련 삽화요소의 의미와 각 표상에 대한 이해를 묻는 검사지를 수정 적용하였다. 예비교사가 작성한 활동지를 수집하였으며, 예비교사의 활동은 모두 녹화, 녹음하였다. 검사지와 활동지를 통해 수집한 자료는 모형유형, 모형조직화, 모형구조 차원에서 분석하였다. 모형유형은 전체 모형을 구성하는 네 가지의 부분 모형을 유형화 한 것으로 미시·구체, 미시·추상, 거시·구체, 거시·추상 등이 있다. 활동 전에 과학적인 거시·구체 모형을 가진 예비교사는 2명(6.9%)에 불과했다. 하지만, 9명(31.0%)의 예비교사가 활동 전의 거시·구체 모형에 비해 활동 후의 거시·구체 모형을 발달시켰다. 9명 중에 7명(77.8%)은 제공한 전자 광반점 간섭계의 간단한 설명을 이용해 간섭무늬영상을 해석하였다. 2명(22.2%)은 직관으로 간섭무늬영상을 해석하였다. 선행연구에서와 마찬가지로 예비교사는 과학적 거시·구체 모형을 갖기는 어려워했지만, 간섭무늬영상의 시각적 지각과 해석 활동을 통하여 거시·구체 모형유형을 발달시킬 수 있는 것으로 나타났다. 모형조직화는 네 가지 모형유형사이의 전환을 통하여 상위모형을 가지는 것을 의미하며, 본 연구에서는 모형전환을 통한 과학적인 모형유형 수의 증가로 모형조직화의 발달을 판단하였다. 활동 전에 예비교사가 사용한 과학적 모형유형의 수는 평균 0.76개였지만, 활동 후에는 1.31개로 증가하였다. 또한 활동 전에는 0개의 과학적 모형유형을 사용한 경우가 17명(58.6%)으로 제일 많았지만, 활동 후에는 2개의 과학적 모형유형을 사용한 경우가 10명(34.5%)으로 많이 나타났다. 본 연구에서는 모형조직화의 발달을 위한 활동으로 두 가지 순서로 모형전환을 적용하였다. 미시·추상, 거시·추상, 미시·구체, 거시·구체의 순서로 모형전환 활동에 참여한 예비교사는 8명이었고, 이 중 네 가지 모형유형이 모두 과학적인 경우는 1명(12.5%)이었으며 모든 과정에서 과학적으로 모형전환을 한 예비교사는 3명(37.5%)이었다. 거시·구체, 미시·구체, 미시·추상, 거시·추상의 순서로 모형전환 활동에 참여한 예비교사는 11명이었으며, 이 중 네 가지 모형이 모두 과학적인 경우는 8명(72.7%)이었으며, 이들은 모두 모든 과정에서 과학적으로 모형전환을 하였다. 이처럼 과학적으로 모형전환을 할 수 있는 경우는 모형조직화를 성공적으로 발달시킨다고 할 수 있다. 구체와 추상 사이의 모형전환은 미시와 거시 사이의 모형전환에 비해 비과학적이었는데, 특히 구체에서 추상으로의 전환보다 추상에서 구체로의 전환에서 비과학적인 전환이 많이 나타났다. 이는 정상파에서는 구체에서 추상으로의 모형전환이 모형조직화의 발달에 효과적이며, 구체적인 모형유형의 발달이 모형조직화의 발달을 위해 필수적임을 시사한다. 모형구조는 변인에 따른 각 모형유형의 변화를 의미하며, 네 가지 모형유형사이의 전환을 통하여 얻은 상위모형이 변인의 변화에도 얼마나 일관적인지로 모형구조의 발달을 판단할 수 있다. 본 연구에서는 모형구조의 발달을 판단하기 위해 진동수와 진폭, 두 변인의 변화에도 일관적인 모형전환을 사용하는 지를 평가하였다. 거시·구체, 미시·구체, 미시·추상, 거시·추상의 모든 전환 과정에서 과학적으로 모형전환을 하여 모형조직화를 발달시켰던 8명은 진동수의 변화에서도 모두 과학적인 모형전환을 하였지만, 진폭의 변화에서 모두 과학적인 모형전환을 한 경우는 단 2명뿐이었다. 즉 예비교사의 모형구조는 진폭의 변화보다 진동수의 변화에서 더 발달하였다. 진동수의 변화에 따른 간섭무늬영상의 변화를 바르게 시각적으로 지각한 예비교사는 25명(86.2%)이었고, 간섭무늬영상의 해석을 통해 거시·구체 모형유형의 변화를 설명한 14명 모두 밀한 부분과 소한 부분의 간격이 줄어든다.고 과학적으로 설명하였다. 반면 진폭의 변화에 따른 간섭무늬영상의 변화를 바르게 시각적으로 지각한 경우는 6명(20.7%)이었고, 간섭무늬영상의 해석을 통해 거시·구체 모형의 변화를 설명한 14명 중에 6명(42.9%)만이 소밀 차이 크다.고 과학적으로 설명하였다. 예비교사는 변인의 변화에 따른 간섭무늬영상의 변화를 시각적으로 잘 지각하지 못하는 경우, 거시·구체 모형유형의 변화를 과학적으로 설명하지 못한다. 거시·구체 모형유형의 모형전환을 통해 획득한 미시·구체, 미시·추상 및 거시·추상 모형유형의 변화가 기존에 알고 있던 모형유형의 변화와 다를 때, 예비교사는 모형전환을 통해 획득한 모형유형의 변화를 쉽게 포기하고 기존에 알던 모형유형의 변화를 기록한다. 그 결과 모형전환은 비과학적으로 나타나며, 이는 모형구조의 발달을 저해한다. 따라서 간섭무늬영상의 변화를 쉽게 시각적으로 지각할 수 있도록 하는 것이 모형구조의 발달을 위해 중요한 것으로 판단된다. 본 연구결과는 정상파 관련 모형구조와 모형조직화의 발달을 위해 예비교사의 거시·구체 모형을 발달시키는 것이 필수적이며, 가시화된 현상의 시각적 지각과 해석을 통해 거시·구체 모형유형의 발달을 이끌어 낼 수 있음을 시사한다. 또한 정상파 관련 모형 발달에서 구체적 모형 발달의 중요성을 강조하여, 추상적인 영역에 편중되어 현상과 이론을 연결하지 못하는 현재의 정상파 관련 수업에 시사점을 줄 수 있을 것으로 기대된다.