물리교사 대상 델파이 방법을 이용한 고등학교 양자물리 교육내용 탐색

Abstract

The purpose of this study is to investigate the perception of physics teachers who have teaching and learning experience on quantum physics content and to explore the appropriate quantum physics education content for high school students using the Delphi method. The perception of physics teachers related to quantum physics education was investigated in terms of student learning(student interest and difficulty in learning), content and operation of curriculum. The education contents of quantum physics appropriate for high school students were investigated in terms of the necessity of education, education goals, and elements of education content. in Physics I and Physics II, respectively. The research participants were 14 teachers who had experience in teaching both Physics I and II in the 2009 revision and Physics I in the 2015 revision. We tried to reach an agreement through three surveys, and in this process, open-ended questions were analyzed using evidence theory, one of the qualitative research methods, and closed questions were analyzed using statistical methods. The student's interest in quantum physics recognized by the study participants was classified as detailed factors related to student, science subject, and teaching and learning, and difficulties in learning was classified as detailed factors related to student, science subject, teaching, and teacher expertise. In addition, difficulties in terms of the content and operation of the curriculum related to quantum physics were classified into detailed factors related to the selection, organization, level, evaluation of education content, and curriculum operation. In Physics I, participants in the study responded to the need for quantum physics education as an understanding of the academic and technology achieved by modern society as a member of the future society. The education goals were to understand the characteristics of scientific methods and scientific knowledge through quantum physics education, to recognize the necessity and importance of physics, and to prepare for the future of individual students. As the elements of quantum physics content, key concepts such as particle-wave duality(14), discrete energy levels(14), phenomena such as photoelectric effect(14), de Broglie's matter wave(14), electron diffraction experiment(10), double slit experiment(8), and atomic theory such as line spectrum(12), energy band(12), Bohr's atomic model(10) should be dealt with in the context of scientific history. Application such as diode(12), LED(11), solar cells(11), and electron microscope(9) should be included at a qualitative level. In Physics II, participants in the study responded that the necessity of quantum physics education was to help science and engineering students with their career path and advancement. The education goals were to understand the basic concepts and application cases of quantum physics, cultivate scientific capabilities, and foster interest and scientific attitudes in physics. As the elements of quantum physics content, key concepts such as uncertainty principle(14), particle-wave duality(12), phenomenon such as quantum tunnel effect(12), compton effect(10), Davisson–Germer experiment(9), electron diffraction(8), and atomic theory such as atomic orbital model(10) should be included. They responded that in Physics II, unlike Physics I, wave functions and philosophical aspects of quantum physics should be included in the content elements. They responded that the wave function of quantum physics such as the probability of particle discovery(11), wave function(10), Schrödinger equation(8), and the philosophical aspects of quantum physics such as probabilistic interpretation(12), classical and quantum physics differences(10), epistemological interpretation(9), and scientists's controversy(8) should be dealt with in the context of scientific history. There was no consensus on the specific learning level of key concepts and application among the education content elements of quantum physics in Physics II. The significance of this study is to explore the education contents of quantum physics for high school students based on the experience of teachers who taught quantum physics to high school students. Therefore, it has a limitation that various expert opinions such as subject pedagogy, pedagogy, and subject related to curriculum development are not reflected. In order to overcome the limitations of this study, follow-up studies targeting various expert groups are needed.

본 연구의 목적은 양자물리 교수학습 경험이 있는 물리교사의 인식을 조사하고 이를 토대로 고등학생에게 적절한 양자물리 교육내용을 델파이 방법을 사용하여 탐색하는 것이다. 양자물리 교육 관련 물리교사의 인식은 학생의 학습 측면(학생의 흥미 및 학습의 어려움 측면)과 교육과정 내용 및 운영 측면에서 조사하였다. 고등학생에게 적절한 양자물리 교육내용은 물리학Ⅰ과 물리학Ⅱ의 교육의 필요성, 교육의 목표, 교육의 내용 측면에서 각각 조사하였다. 연구참여자는 2009개정의 물리Ⅰ∙Ⅱ와 2015 개정의 물리학Ⅰ 과목을 모두 지도한 경험이 있는 교사 14명이다. 3차례에 걸친 설문을 통해 합의를 도출하고자 하였으며 이 과정에서 개방형 질문은 질적 연구법 가운데 하나인 근거이론을 사용해 분석하였으며 폐쇄형 질문은 통계처리 방법을 사용해 분석하였다. 연구참여자들이 인식한 양자물리에 대한 학생의 흥미요인은 학생, 과학교과, 교수학습과 관련된 세부요인으로 분류되었으며, 학습에서의 어려움은 학생, 과학교과, 교수학습, 교사 전문성과 관련된 세부요인으로 분류되었다. 또한, 양자물리 관련 교육과정 내용 및 운영 측면에서의 어려움은 교육내용의 선정, 조직, 양, 수준, 평가 및 교과운영과 관련된 세부요인으로 분류되었다. 연구참여자들은 물리학Ⅰ에서 양자물리 교육의 필요성으로 미래 사회의 구성원으로서 현대 사회가 성취한 학문 및 기술에 대한 이해라는 응답을 하였다. 교육목표는 양자물리 교육을 통한 과학적 방법과 과학지식의 특징 이해, 물리학의 필요성 및 중요성 인식, 학생 개인의 미래 준비라는 응답을 하였다. 양자물리 내용요소로 핵심개념은 입자-파동 이중성(14명), 불연속적 에너지 준위(14명)를, 현상은 광전효과(14명), 드브로이의 물질파(14명), 전자의 회절실험(10명), 이중슬릿 실험(8명)을, 원자이론은 선스펙트럼(12명), 에너지 띠(12명), 보어의 원자모형(10명)을 과학사적 맥락에서 포함해야 한다고 응답하였다. 양자물리 내용요소로 응용사례는 다이오드(12명), LED(11명), 태양전지(11명), 전자 현미경(9명) 등을 정성적인 수준에서 포함해야 한다고 응답하였다. 연구참여자들은 물리학Ⅱ에서 양자물리 교육의 필요성으로 이공계열 학생의 진로 및 진학과 관련된 도움이라는 응답을 하였다. 교육목표로는 양자물리의 기본 개념 및 응용사례의 원리 이해, 과학역량의 함양, 물리학에 대한 흥미 및 과학적 태도의 함양이라고 응답하였다. 양자물리 내용요소로 핵심개념은 불확정성 원리(14명), 입자-파동 이중성(12명)을, 현상은 양자터널 효과(12명), 컴프턴 산란(10명), 데이비슨-저머 실험(9명), 전자의 회절 실험(9명), 이중슬릿 실험(8명)을, 원자이론은 원자궤도모형(10명)을, 응용사례는 트랜지스터(8명)와 전자현미경(8명)을 포함해야 한다고 응답하였다. 연구참여자들은 물리학Ⅱ에서는 물리학Ⅰ과 달리 파동함수와 양자물리의 철학적 측면을 내용요소에 포함해야 한다고 응답하였다. 양자물리의 파동함수는 입자가 발견될 확률(11명), 파동함수(10명), 슈뢰딩거 방정식(8명) 등의 의미를, 양자물리의 철학적 측면은 확률론적인 해석(12명), 고전물리와 양자물리의 차이점(10명), 인식론적인 해석(9명), 과학자들의 논쟁사례(8명) 등을 과학사적 맥락에서 포함해야 한다고 응답하였다. 물리학Ⅱ의 양자물리의 교육내용요소 중 핵심개념과 응용사례의 구체적인 학습 수준에 대해서는 합의가 도출되지 않았다. 본 연구의 의의는 현장에서 고등학생들을 대상으로 양자물리를 지도해 본 교사의 경험을 토대로 고등학생 대상 양자물리 교육내용을 탐색한 것이다. 따라서 교육과정 개발과 관련 있는 교과교육학, 교육학, 교과학문 등의 다양한 전문가 의견이 반영되지 않았다는 한계를 가진다. 본 연구의 한계를 극복하기 위해 다양한 전문가 집단들을 대상으로 한 후속 연구가 필요하다.