예비물리교사의 시스템 개념에 대한 인식과 보존법칙 문제풀이의 시스템 기반 이해

Abstract

과학자들은 연구의 편의성을 위해 연구 목적에 맞는 시스템을 선택하고 이상적인 시스템을 가정하며 연구를 설계하고 결과를 해석한다. 또한 시스템은 에너지, 물질, 구조, 기능, 안정성, 변화 등과 긴밀히 연관되어 물리학의 경계를 넘어 여러 과학 교과의 과학 개념들 사이의 연결고리 역할을 한다. 브루너는 교과 학습에서 지식의 구조를 파악해야 한다고 주장했다. 교과를 가르치는 교사는 해당 교과의 구조를 파악하고 이를 중심으로 내용 지식을 조직화해야 한다. 교과의 구조는 교과의 골격을 이루는 개념을 중심으로 구성될 수 있다. 이에 이 연구에서는 교과의 골격을 이루는 개념으로서 시스템을 제안하고 시스템이 물리 문제풀이의 각 과정에서 중심적인 역할을 함을 제안하고자 한다. 이 연구는 시스템에 대한 예비교사들의 이해와 이들의 물리학 보존법칙 문제풀이 과정을 살펴보고, 시스템에 기반한 이해의 과학교육적 시사점을 얻고자 한다. 이를 위해 연구자는 시스템 개념 관련된 과학교육 문헌들을 분석하였다. 그리고 선행 연구 분석을 토대로 물리적 상황을 시스템적으로 이해하기 위한 네 가지 단계를 제안하였다. 첫 번째 단계는 제시된 배경 상황의 구성요소들의 특성과 제한조건을 이해하는 것으로 배경 상황의 파악 단계이다. 두 번째 단계는 고려하고 있는 법칙과 원리가 적용되는 구성요소를 선택하는 것으로 경계의 명료화 단계이다. 세 번째 단계는 외부와의 유효한 상호작용을 선별하고 그 효과를 파악하는 것으로 상호작용의 평가 단계이다. 네 번째 단계는 시스템과 그 구성요소의 물리적 상태를 추정하는 것으로 시스템 상태의 추정 단계이다. 예비연구는 물리적 상황을 시스템적으로 이해하기 위한 조건들의 일부인 배경 상황의 파악 단계와 상호작용의 평가 단계에 대한 탐색을 목적으로 수행되었다. 예비연구의 자료 수집은 서울 소재 사범대학에 재학 중인 물리교육 전공자 40명을 대상으로 2012년 9월 첫째 주와 둘째 주에 걸쳐 실시하였다. 연구 참여자들은 학부 과정 2-4학년 예비교사들로 구성되었으며 모두 일반물리학 이상의 강좌를 수강한 경험이 있었다. 문항의 수준은 2009 개정 교육과정의 물리 I·II 수준을 넘지 않으며, 일반물리학 수준의 부력을 학습한 참여자들이 응답할 수 있는 수준으로 구성되었다. 문제 1은 동일한 액체에 잠긴 서로 다른 밀도가 갖는 물체들의 최종 위치를 묻는 문항이다. 문제 2와 3은 부력, 중력, 저항력을 적용하여 물체가 최종 위치에 이르는 과정에 대한 이해를 묻는 문항이다. 예비연구의 분석을 토대로, 문제에서 제시된 물리적 상황을 시스템적으로 이해하기 위해서는 제시된 구성요소들의 물리적 특성과 제한 조건을 파악해야 함을 알 수 있었다. 이 물리적 상황과 제한 조건은 상호작용을 결정하는 데 영향을 주었다. 그리고 시스템 내부의 물체의 최종상태를 추정하기 위해서는 시스템에 유효한 상호작용을 추출할 수 있어야 함을 알 수 있었다. 그러나 예비연구에서는 물리적 상황을 시스템적으로 이해하는 것의 전체 단계를 살펴보지 않았으며, 또한 시스템과 시스템의 경계 규정에 대한 예비교사들의 생각이 명시적으로 드러나지 못하는 어려움이 있었다. 따라서 이어지는 본 연구에서는 주제를 보존법칙 상황으로 제한하고, 시스템적으로 이해하기 위한 조건을 구체적으로 살펴보도록 연구 계획을 수립하였다. 본 연구는 설문과 심층면담으로 구성되었다. 설문 참여자들은 서울 소재 사범대학에서 물리교육을 전공하는 예비교사 63명이었다. 설문은 2014년 11월 말에서 12월 초까지 총 4회에 걸쳐 실시하였으며, 참여자들은 모두 일반물리학 수준 이상의 물리학 강좌를 수강한 경험이 있었다. 또한 2015년 7월에서 8월까지 6명의 물리교육 전공 예비교사를 대상으로 1시간 이상의 심층면담을 수행하였다. 연구의 첫 단계에서는 시스템에 대한 예비교사들의 이해 조사 단계로 설문과 심층면담을 수행되었다. 시스템에 대한 예비교사의 설명을 핵심어를 중심으로 분석한 결과, 공간(31.1%), 물질(24.4%), 관찰(13.3%), 상호작용(8.9%)을 사용하여 설명했다. 이는 부분들, 집합, 상호작용, 기능 등을 지적하였던 선행연구들의 결과와 차이가 있었다. 한편, 설문에 참여한 예비교사의 20%는 시스템을 설명하지 못하였다. 심층면담에서는 물리적 상황을 시스템적으로 이해하기 위한 조건인 배경 상황의 파악, 경계의 명료화, 상호작용의 평가, 시스템 상태 추정을 중심으로 분석이 이루어졌다. 예비교사들은 시스템의 구성요소로 공간에 대한 해석, 여러 입자들의 모임, 확연히 달라지는 구역, 자연을 이루는 여러 가지 요소들의 집합, 물질과 에너지가 교환되는 경계, 공통된 관점으로 인지하고자 하는 것들의 묶음 등으로 다양하게 이해하고 있었다. 시스템의 경계의 명료화에 대해서는 현상에 대한 해석이라는 목적에 적합한 시스템의 경계 잡기, 상호작용하는 물리량의 구분을 위해서, 질량 중심 또는 보존의 개념을 설명하기 위한 측면에서 강조하였다. 또한 시스템에서의 상호작용의 평가에서는 시스템의 경계 짓기에 따른 물리량 이해, 개념을 명확히 하기 위한 시스템을 경계로 한 상호작용 이해가 추출되었다. 마지막으로 시스템 상태의 추정에서는 타인의 해석이 담긴 시스템에 자신의 해석을 적용하기, 현상을 설명하고자 하는 목적에 따라 다양한 시스템을 스스로 결정, 패러다임의 변화 및 새로운 사고를 위한 시스템의 구성요소 추가 및 제외, 문제풀이에 필요한 요인을 선택하는 기준으로서의 기능으로 설명하였다. 본 연구의 두 번째 단계에서는 보존법칙 관련 문제풀이에 대한 예비교사들의 이해를 시스템 개념을 중심으로 살펴보았다. 고립계에 적용되는 보존법칙으로 운동량 보존법칙, 역학적에너지 보존법칙, 비고립계에서 적용되는 보존법칙의 예로 열역학 제 1법칙, 베르누이 법칙에 대한 문항들이 주어지고, 각 문항에 대한 예비교사들의 응답을 배경 상황의 파악, 경계의 명료화, 상호작용의 평가, 시스템 상태 추정의 측면에서 분석하였다. 이에 대한 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 배경 상황의 이해에서 예비교사들은 대상에 대한 물리적 제한 조건을 이해하고 물리적 상황을 이해하기 위해 필요한 요인을 추출하는 것에 어려움이 나타났다. 둘째, 경계의 명료화에서 예비교사들은 시스템과 주위를 대상 물체와 상호작용하는 물체들을 중심으로 구분했다. 그러나 적용해야 하는 법칙을 고려하여 시스템과 주위의 경계를 구분하는 것에서는 어려움이 나타났다. 셋째, 상호작용의 평가에서 예비교사들은 시스템과 유효한 상호작용을 추출하는 것에 어려움이 있었다. 이는 그들이 시스템과 주위의 상호작용인 힘, 에너지, 일, 열 등을 파악하기는 했지만 시스템의 상태와 관련성에 대해서는 이해가 부족했기 때문이다. 마지막으로 시스템의 상태 추정에서는 앞의 세 단계에 대한 이해의 부족으로 시스템 또는 시스템의 구성요소의 정확한 물리적 상태를 예측하는 데 어려움이 나타났다. 종합하면, 예비교사들은 시스템을 다양한 측면에서 서술하거나 시스템에 대해 명확하게 대답하지 못하였지만, 물리학의 대상이 되는 물체 및 현상과 그것을 다루는 방법에 대해서 그들 자신의 생각을 확립하고 있었다. 그러나 시스템에 대한 인식이 다르더라도 물리적 상황을 이해하기 위해서는 구체적인 논리적 단계를 통한 접근이 필요하다. 이 연구는 물리적 상황을 시스템적으로 인식하고 시스템을 중심으로 조직화하여 물리적 상태를 해석하는 일련의 과정을 제안한다. 또한 시스템은 물리학의 주요 개념들과 밀접히 관련되어 개념들에 대한 명확한 이해를 보조한다. 이는 주요 개념들에서 파생된 여러 하위 개념들의 이해와도 관련된다는 점에서 물리학을 구조화하는 개념으로서도 교육적 시사점을 제공한다.