교육적 고찰을 강조한 사범대학 현대물리 실험 수업의 사례 연구

Abstract

Developing students ability to comprehend modern science and technology is recognized as a key objective of science education. To achieve this goal, Modern physics has been consistently argued to be a core area of science that should be taught in schools. In recent years, both domestic and international curricula have increasingly included contents related to modern physics. Experiments in modern physics play an indispensable role in substantiating emerging natural phenomena during the evolution of theoretical frameworks. Engaging in experimental activities provides valuable opportunities to understand the properties of microscopic phenomena and the nature of scientific inquiry. Despite these benefits, modern physics experiments are often perceived as challenging to teach, and their potential educational value is not fully realized in school settings. Therefore, it is essential to enhance the training of preservice teachers in modern physics; yet, empirical studies addressing this issue remain relatively scarce. In response to these concerns, this study investigated the characteristics and educational values of modern physics experiments within a teacher education program. Specifically, it examined the pedagogical considerations of preservice physics teachers during a modern physics experiment course. For this study, a modern physics experiment course offered as a mandatory course at a teachers college was selected. The course comprises seven distinct experimental activities: two experiments on quantization (a quantum analogy experiment and the Millikan oil drop experiment), two experiments on magnetic resonance (NMR and ESR), two experiments on the properties of light (the photoelectric effect experiment and a solar cell experiment), and one experiment on probability distributions (the Maxwell–Boltzmann distribution experiment). The researcher posited that preservice teachers can serve as reflective implementers, i.e., individuals who critically evaluate their own learning processes and deliberate on their future teaching practices. An instructional approach emphasizing pedagogical considerations (PC) in modern physics experiments was designed and implemented to facilitate this transformation. Specifically, a new PC section was added to the conventional lab report structure (Introduction–Method–Results–Discussion), enabling preservice teachers to reflect on and document modern physics experiments from an educational perspective. The PC elicited from the preservice teachers involved two key processes: (1) identifying the distinctive features of the experiments from a physics majors perspective, and (2) reflecting on their personal experimental learning experience through an educational lens. The study focused on the learning outcomes associated with these processes. For 7 weeks, lab reports incorporating PC were collected from 11 of the 15 preservice physics teachers who consented to participate. Additionally, semi-structured interviews were conducted with 7 participants, and the recordings were transcribed. The collected data were analyzed using qualitative case study methodology, which involved coding and categorizing the research materials. Then, I used concept mapping to clarify the context and analyze the features of each preservice teacher's PC. The findings indicated that integrating PC into modern physics experiments stimulated reflective thinking about experimental experiences from an educational perspective—a dimension largely absent in traditional instruction. This approach helped preservice teachers grasp the key aspects of modern physics experiments and fostered valuable reflections on education. For instance, during the magnetic resonance experiments, preservice teachers identified several distinguishing characteristics: (1) a high level of theoretical complexity, (2) experimental designs that preclude the possibility of experimenter intervention, and (3) the use of advanced instrumentation. Correspondingly, their reflection underscored the importance of (1) possessing solid background knowledge, (2) designing experiments that allow for experimenter interaction, and (3) acquiring a detailed understanding of the operating principles underlying the equipment. Overall, PCs emerged from the modern physics experiment course could be synthesized into four principal aspects. First, preservice teachers recognized the importance of visualization, noting that strategies such as modeling and the use of analogies can serve as effective tools in modern physics instruction. Second, they highlighted the significance of observation and measurement, observing that direct observation may offer more engaging and effective learning opportunities than indirect observation. Third, they recognized a dual nature in experimental apparatus. While advanced equipment deepens our understanding of the engineering applications of physics, its complex, "black box" design often makes it hard to see the underlying "science in action". Finally, a noticeable disparity between experimental and theoretical learning was observed, underscoring the necessity of an integrated approach that cohesively bridges these two facets. In summary, this case study—pedagogically emphasized modern physics experiment course—demonstrated a positive impact on the learning experiences of preservice physics teachers. The course not only deepened their understanding on the unique characteristics of modern physics experiments but also enabled them to critically assess the educational advantages and limitations of these experimental practices. As a case addressing a previously underemphasized aspect of teacher education, this study offers valuable insights into the exploration of modern physics experiments and their educational value from the perspective of future educators.

미래 사회를 살아갈 학생에게 현대 과학기술을 이해하는 소양을 길러 주는 것은 과학교육이 추구해야 할 중요한 목표 중 하나이다. 현대물리는 그 소양의 기반이 되는 핵심적인 과학 영역이기에 학교에서 가르칠 필요가 있다는 주장이 꾸준히 제기되었으며, 최근에는 국내외 교육과정에서도 관련 내용의 도입이 확장되는 추세이다. 현대물리에서의 실험은 이론의 태동 과정에서 새로운 자연 현상을 확인하는 핵심적인 역할을 한다. 따라서 실험 활동을 통한 현대물리 학습은 미시 세계의 성질과 과학의 본성을 이해하는 기회를 제공할 수 있다. 그러나 현대물리 실험은 교사들에게 가르치기 어려운 영역으로 꼽히고 그 교육적 가치들은 학교 현장에서 잘 구현되지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해서는 현대물리 영역에서 예비교사 교육의 개선이 필요하다. 그러나 이와 관련된 실증적 연구는 미흡한 실정이다. 이러한 배경에서 본 연구는 과학교사 양성 과정에서 현대물리 실험의 특징과 교육적 가치를 탐색하고자 한다. 이를 위해 예비물리교사들이 현대물리 실험수업에서 나타낸 교육적 고찰을 분석하였다. 연구의 맥락으로 서울 소재 S대학에 전공 강의로 개설된 현대물리 실험 수업을 선정하였다. S대학의 현대물리 실험 수업은 현대물리 분야의 대표적 실험에 해당하는 양자화에 대한 실험 2종(양자 비유 실험, 밀리컨 기름 방울 실험), 자기공명 실험 2종(NMR, ESR), 빛의 성질에 대한 실험 2종(광전효과 실험, 태양전지 실험), 확률 분포에 대한 실험(맥스웰-볼츠만 분포 실험) 1종 등 총 7종의 실험 활동으로 구성된다. 연구자는 예비교사가 자기의 학습활동을 반성하고 미래의 교수실행을 고민하는 반성적 실행가(reflective implementor)가 될 수 있을 것으로 보고, 현대물리 실험에 대한 교육적 고찰(pedagogical consideration, PC)을 강조하는 수업 방식을 설계 및 적용하였다. 기존 실험 보고서의 I(introduction)-M(method)-R(result)-D(discussion)구조에 교육적 고찰(PC) 항목을 새로이 추가하여 현대물리 실험 활동을 교육 전공자의 관점으로 성찰하여 기록할 수 있도록 하였다. 예비교사의 교육적 고찰에는 물리 전공자의 관점에서 실험의 특징을 파악(identify)하는 과정과 자신의 실험학습 과정을 교육 전공자의 관점에서 반성(reflect)하는 두 가지 과정이 포함되었으며, 연구자는 이 과정을 통해 일어나는 예비교사의 학습에 주목하였다. 수업을 수강한 예비 물리교사 15명 중 연구 참여에 동의한 11명의 교육적 고찰이 담긴 실험 보고서를 7주간에 걸쳐 수집하였다. 또한 이들 중 7명을 대상으로 면담을 진행하여 그 녹음 자료를 전사하였다. 수집된 자료들을 바탕으로 질적 사례연구 방법론에 따라 연구 자료를 코딩 및 범주화하였으며, 이후 '의미도 그리기' 방법을 통해 개별 예비교사가 수행한 교육적 고찰의 맥락을 이해하고 특징을 분석하였다. 연구 결과, 현대물리 실험에서 교육적 고찰은 기존 수업에서 이루어지지 않았던 교육적 관점을 활용한 실험 경험에 관한 반성적 사고를 일으켰다. 이는 예비교사가 현대물리 실험의 특징에 대해 더 깊게 파악하고, 그에 대한 교육적 반성을 할 수 있도록 도왔다. 예컨대, 자기 공명 실험에서 예비교사는 그 실험의 특징으로 (1) 이론의 높은 난이도, (2) 실험자의 개입이 불가능한 실험 설계, (3) 첨단 기기의 활용을 파악하고, 그에 대한 교육적 반성으로 (1) 배경 지식의 중요성, (2) 실험자가 개입할 수 있는 실험 설계의 필요성, (3) 기기의 세부 원리 학습의 필요성을 인식하였다. 예비교사들의 현대물리 실험 교육에서 교육적 고찰의 결과는 네 가지 측면으로 종합할 수 있다. 첫째, 예비교사들은 현대물리 실험 교육에서 '시각화의 중요성'을 발견하였다. 모델링, 비유 사용을 통한 시각화는 비가시적인 현대물리의 교수학습에 유용한 전략이 될 수 있음을 이해하였다. 둘째, 현대물리 실험 교육에서 '관찰과 측정을 통한 체감의 중요성'을 발견하였다. 예비 교사들은 실험의 간접 관찰의 한계를 느끼고, 직접 관찰이 학습자가 '체감'할 수 있는 더 흥미롭고 효과적인 방식이라 인식하였다. 셋째, 현대물리 실험 교육에서 '실험 기기의 양면성'을 발견하였다. 첨단 실험 기기를 경험하는 것은 물리학의 공학적 응용에 대한 이해를 높일 수 있다고 보았다. 반면, 기술적으로 복잡하고 닫힌 블랙박스 형태의 기기 특성은 내부의 작동원리를 이해하기 어렵게 만든다고 인식하였다. 넷째, 현대물리 실험 교육에서 '실험과 이론 학습 간 괴리'를 확인하였다. 그리하여 이론 학습과 실험 학습이 유기적으로 이루어지는 것이 중요하다고 인식하였다. 요약하면, 본 연구 사례인 교육적 고찰을 강조한 사범대학 현대물리 실험 수업은 현대물리 영역의 학습에서 긍정적으로 작용하였다. 예비 물리교사가 현대물리 실험의 특징을 더 깊이 이해할 수 있도록 하였으며, 현대물리 실험을 교육적으로 활용할 때의 장단점과 의의를 파악할 수 있도록 하였다. 본 연구는 기존의 사범대학 현대물리 실험 수업에서 부족하였던 교육적 고찰을 강조한 사례로서, 예비교사들이 이해한 현대물리 실험 교육의 특성과 교육적 가치를 탐색하는 데에 의의가 있다.