고등학교 물리학의 전자기파 내용 체계에 대한 기초 탐구

Abstract

This study addresses several concerns regarding the content structure of physics education. Previous research indicates that Korean science education lacks fundamental reflection on subject content (Lee et al., 2010), and physics teachers continue to struggle with rote learning due to insufficient concept hierarchy (Kang et al., 2015). Additionally, the lack of connectivity between content systems creates difficulties in textbook writing (Lee et al., 2019), and in electromagnetic wave units, content is often presented fragmentarily, making it difficult to establish organic connections between concepts (Lee, 2020; Kam, 2024). A potential solution to these structural issues can be found in the 2022 Revised National Curriculum. This curriculum emphasizes organizing physics content according to storylines (flow) and encourages students to reach core ideas that reveal the essence and framework (structure) of physics through the complementary development of three dimensions: knowledge/understanding, process/skills, and values/attitudes. While this direction shows promise in addressing current issues, the curriculum documents lack specific details about the flow and structure of physics. Recent studies (Shim et al., 2023, 2024; Lee et al., 2024) suggest that such flow and structure can be found within science's practice traditions. Science's practice tradition refers to science as human activity viewed from an 'essential-holistic' perspective. It encompasses scientific viewpoints on nature along with related core ideas, thinking methods, attitudes (values), and the organic, holistic relationships between these elements. Therefore, exploring science's practice tradition can lead to understanding the flow and structure of physics as presented in the 2022 Revised Curriculum. This study investigated science's practice tradition as one approach to concretizing the flow and structure of physics content. Specifically, we analyzed "The Evolution of Physics" (1938, EoP) and "Harvard Project Physics" (1970, HPP), both expected to embody science's practice tradition. We systematically analyzed the flow and structure of electromagnetic wave concepts in these texts to provide foundational material for establishing high school physics content systems. Additionally, considering that students can develop genuine understanding through science's practice tradition (Lee, Shim & Lee, 2024), we analyzed the understanding readers would achieve through these scientific classics. The results show distinct characteristics in both texts. EoP's content flow emphasizes paradigm shifts, highlighting the limitations of existing perspectives and the success of new ones, presenting historical flow in logical reconstruction. HPP focuses on narrative flow centered on historical events, emphasizing contemporary scientists' thoughts and ideas, featuring a natural storyline from theoretical predictions to experimental proof and practical applications. Regarding content structure, EoP demonstrates a systematic structure centered on contrasting viewpoints, while HPP shows a less distinct contrast between perspectives with somewhat weaker logical connections between elements. Understanding achieved through EoP encompasses five aspects of understanding (excluding 'application'), particularly emphasizing 'perspective' and 'self-knowledge.' HPP enables readers to reach all six aspects of understanding, with particular emphasis on 'explanation,' though somewhat lacking in meta-level 'self-knowledge.' These findings suggest that both texts reflect science's practice tradition and support students' development of 'genuine understanding,' albeit with distinct characteristics. These results can contribute to establishing new electromagnetic wave content systems in high school physics by combining EoP's macroscopic structure with HPP's detailed content elements. This open approach can incorporate elements from both new scientific classics and contemporary texts to address issues in electromagnetic wave content structure.

본 연구는 물리 교과 내용 체계와 관련된 다음과 같은 문제 인식을 배경으로 한다. 선행연구에 따르면, 우리나라 과학교육에서는 교과 내용에 대한 근본적인 고찰이 부족하며(이재봉 등, 2010), 개념 위계의 미흡으로 인해 물리 교사가 암기식 수업으로 어려움을 겪는 상황이 지속되고 있다(강현식 등, 2015). 또한, 내용 체계 간 연계성 부족이 교과서 집필의 어려움을 초래하며(이세연 등, 2019), 전자기파 단원에서는 교과서 내용이 단편적으로 나열되어 있어 개념 간의 유기적 연결을 구성하기 어려운 점이 보고되었다(이봉우, 2020; 감민주, 2024). 이상의 내용 체계의 문제를 해결할 수 있는 하나의 가능성은 2022 개정 교육과정에서 발견할 수 있다. 2022 개정 교육과정에서는 물리학 교과의 내용 체계를 스토리라인(흐름)에 따라 구성하고, 학생들이 각 내용 영역의 지식•이해, 과정•기능, 가치•태도의 세 가지 차원을 상호보완적으로 함양함으로써 물리학의 본질과 얼개(구조)를 드러내는 핵심 아이디어에 도달하는 것을 강조한다. 이러한 방향성은 현행 물리학 교육과정 내용 체계의 문제를 해결할 수 있는 하나의 가능성을 제시할 수 있다고 본다. 그러나 아쉽게도, 교육과정 문서에 물리학의 흐름과 구조에 대한 구체적인 내용은 제시되어 있지 않다. 한편, 최근 연구(심규철 등, 2023; 심규철 등, 2024; 이광표 등 2024)에 따르면, 이와 같은 물리학의 흐름과 구조는 과학의 실천전통 속에서 찾을 수 있다고 본다. 과학의 실천 전통이란 본질적-총체적 관점에서 바라본 인간 활동으로서의 과학을 의미한다. 과학의 실천 전통에는 자연을 바라보는 과학의 관점과 함께 이와 연관된 핵심 아이디어, 사고방식, 태도(가치)와 이러한 요소들 간의 유기적이며 총체적인 관계가 포함된다. 따라서 과학의 실천 전통에 대한 탐구는 2022 개정 교육과정에서 제시한 물리학의 흐름과 구조를 파악하는 것으로 이어질 수 있다고 본다. 이에 본 연구에서는 물리학 내용의 흐름과 구조를 구체화할 수 있는 방안의 하나로 과학의 실천전통을 탐구하고자 하였다. 특히, 본 연구는 과학의 실천전통을 담고 있을 것으로 기대되는 과학 고전 『The Evolution of Physics(1938)』(EoP)와 물리학 교과서 『Harvard Project Physics(1970)』(HPP)를 분석 대상으로 선정하였다. 두 교재에 나타난 전자기파 개념의 흐름과 구조를 체계적으로 분석하여 고등학교 물리학의 내용 체계 수립에 도움을 줄 수 있는 기초 자료로 제시하였다. 또한 과학의 실천전통 속에서 학생들은 진정한 이해를 형성할 수 있다는 점(이경호, 심규철, 이광표, 2024)을 고려하여 교재를 읽은 독자가 도달하게 될 이해를 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다. EoP 전자기파 내용 체계의 흐름은 관점의 변화를 중심으로 한 거대한 흐름을 중심으로 기존 관점의 한계와 새로운 관점의 성공을 강조하였다. 또한 역사적 흐름을 그대로 따라가지 않고 논리적으로 재구성하여 제시하였다. HPP의 흐름은 역사적 사건을 중심의 흐름으로 당대 과학자들이 가졌던 생각과 아이디어를 강조하였다. 또한 이론적 예측에 이어 실험적 증명, 그리고 실생활 활용으로 이어지는 자연스러운 스토리라인이 특징적이었으며, 전자기 스펙트럼이 실생활에 활용되는 사례를 자세하게 설명하였다. 내용 체계의 구조는 다음과 같다. EoP는 대비되는 두 관점을 중심으로 한 체계적인 구조가 돋보인 반면, HPP는 두 관점의 대비가 뚜렷하지 않아 요소들 간의 논리적인 연결이 다소 떨어지는 구조를 보였다. EoP를 읽은 독자들이 도달하게 될 이해의 측면의 특징은 다음과 같다. 적용을 제외한 나머지 5가지 측면의 이해에 골고루 도달할 수 있도록 서술되어 있었다. 특히, 관점을 통해 현상을 바라보고 해석할 수 있도록 서술되어 있고, 서로 다른 관점을 가지고 현상을 바라봤을 때의 차이를 메타적으로 바라볼 수 있는 자기지식의 측면이 강조되었다. 반면, 실생활 활용 등에 대한 내용이 부족하여 적용의 이해에는 도달하기 어려웠다. HPP를 읽은 독자들이 도달하게 될 이해의 측면의 특징은 다음과 같다. 이해의 6가지 측면에 모두 잘 도달할 수 있도록 서술되어 있었지만, 설명의 요소가 가장 두드러지게 나타났다. 또한 관점을 통해 현상을 바라보는 내용이 강조되지는 않다 보니, 특정 관점의 이해에는 도달할 수 있는 내용이 조금씩 있지만, 여러 관점을 통해 메타적으로 현상을 바라보는 자기지식의 이해의 측면에는 독자들이 도달하기에 다소 부족했다. 이상의 연구 결과를 종합하면, 두 교재 모두 과학의 실천 전통을 반영하고 있으며, 학생들이 '진정한 이해'에 도달하는 데 도움을 줄 수 있는 방향으로 서술되어 있다. 그러나 두 교재 간에는 차이점 또한 존재하였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 두 교재의 장단점을 비교하고 보완되어야 할 부분을 잘 파악함으로써 향후 고등학교 전자기파 내용 체계를 새롭게 정립하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 예를 들어, EoP가 보여주는 거시적 구조 위에 HPP의 세밀하고 다양한 내용 요소를 결합하는 방안을 제안할 수 있다. 이러한 접근은 열린 시도이므로, 새로운 과학 고전이나 최신 교재의 우수한 요소들을 적극적으로 반영해 나가면서 전자기파 내용 체계의 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.