[논문]예비교사의 물리 탐구 과정에서 드러난 불확실도의 개념

이재봉; 이성묵

doi:10.14697/jkase.2006.26.7.826

예비교사의 물리 탐구 과정에서 드러난 불확실도의 개념
The Pre-Service Teachers' Concept of Uncertainty Revealed in Physics Inquiry Activity 원문보기

한국과학교육학회지 = Journal of the Korean association for science education, v.26 no.7, 2006년, pp.826 - 834

초록
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본 연구의 목적은 예비교사를 대상으로 하여 측정 자료의 불확실도 개념을 조사하는 것이다. 연구의 대상은 서울시내 소재한 대학의 예비교사 27명이었다. 예비교사들에게 개방적인 탐구과제를 수행하게 하고 이것을 관찰 분석하는 방법을 사용하였다. 예비교사들의 개념을 조사하기 위해 2차례의 질문지를 제시하였으며, 일부에 대해서는 면담을 실시하였다. 응답한 자료를 분석하여 불확실도의 개념요소인 대표값의 표현, 정밀과 정확, 오차의 분석, 불확실도의 전파 등으로 나누어 예비교사들의 개념을 정리하였다. 연구결과에 의하면 예비교사들은 대표값의 표현에서 과학자들의 개념과 다른 개념을 가지고 있었으며, 정밀과 정확을 혼돈하여 사용하고 정밀한 실험을 실시하는데 소홀하였다. 또한 오차를 나열할 뿐 그 원인이나 실험에 영향을 미치는 정도를 분석하는 경우는 거의 없었다. 이러한 연구결과는 예비교사와 학생들이 올바른 개념을 가지게 하기 위한 교육과정이나 교수 학습 자료 개발에 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to examine the pre-service teachers' concept of measurement uncertainty. The subject of this study were 27 pre-service middle-school teachers in Seoul. They carried out open-ended inquiry tasks and surveyed two kinds of open questionnaires, and interviewed several persons. We analysed their behavior and responses. Through the analysis, we summarize pre-service teachers' concept about measurement uncertainty with representation data, precision and accuracy, error analysis, propagation of uncertainty. The results show that the teachers' concept is different from scientists' concept. They make a mistake in using term of precision and accuracy and pay no attention to measure precisely. Also they only point out sources of error but don't consider how the error affects the results of experiment. The results of study will give! 1 some implications for the curriculum and teaching material developers in order that pre-service teacher and student gain scientific concept.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 여러 선행연구들을 바탕으로 예비교사들이 실제 과학적인 탐구활동에서 어떠한 불확실도개념이 사용하고 있는지 분석하고자 한다.
이러한 면에서 측정값의 불확실도에 대해서 이해하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 예비교사를 대상으로 실제 물리 탐구 활동을 수행하게 하면서 이 과정에서 드러나는 불확실도 개념을 정리하였다.
예비교사들의 불확실도 개념을 조사하기 위해 본 연구에서는 대상자들에게 실제 물리 탐구 과제를 제시하여 이를 해결하고 과학적인 결론을 도출하는 과정을 분석하였다.
평가하는 것이다. 예비교사들이 자신이 측정한 자료와 다른 사람이 측정한 자료를 불확실도 개념을 이용해서 어떻게 비교하는지 알아보기 위해 다음과 같은 질문을 하고 반응을 알아보았다.

가설 설정

이를 근거로 공기와의 마찰을 무시하고, 적절한 질량 (실험에 사용한.것과 같이 약 300g 정도) 의진 자를。가 작은 범위에서 반복하여 실험하여 그 평균값을 중력가속도로 사용하는 것이 가장 적절했을 것이다.
셋째, 컴퓨터나 디지털기기를 사용하면 항상.정확한 실험을 할 수 있다고 생각한다.

제안 방법

예비교사들은 주어진 주제에 대해서 탐구활동을 진행하고 연구자가 제시한 질문에 대한 보고서를 제출하였다. 1차질문지는 표 1과 같이 탐구의 과정과 측정한 자료를 자세히 기록하고, 실험 결과에 대한 자신의 생각을 정리할 수 있는 질문들로 구성하였다. 실험과정을 비디오로 녹화한 자료와 작성한 보고서를 바탕으로 불확실도 개념을 명확히 드러낼 수 있도록 예비교사들의 보고서 응답에 반문하는 형식으로 추가 질문을 하여 2차 보고서를 작성하도록 하였다.
이재봉(2006)은 여러 연구를 바탕으로 불확실도에 대한 내용범주를 대표 값의 표현, 정밀과 정확, 오차의 분석, 불확실도의 전파, 실험결과의 평가로 나누었다. 본 연구에서는 이 분석 틀을 이용하여 예비교사들이 응답한 자료를 각 내용 요소별로 불확실도 개념을 분석 정리하였다.
1차질문지는 표 1과 같이 탐구의 과정과 측정한 자료를 자세히 기록하고, 실험 결과에 대한 자신의 생각을 정리할 수 있는 질문들로 구성하였다. 실험과정을 비디오로 녹화한 자료와 작성한 보고서를 바탕으로 불확실도 개념을 명확히 드러낼 수 있도록 예비교사들의 보고서 응답에 반문하는 형식으로 추가 질문을 하여 2차 보고서를 작성하도록 하였다. 이후 특별한 반응을 보이거나 보고서에 명확하게 자신의 생각을 표현하지 않은 응답자를 대상으로 면담을 실시하였다.
이후 특별한 반응을 보이거나 보고서에 명확하게 자신의 생각을 표현하지 않은 응답자를 대상으로 면담을 실시하였다. 연구에서 응답자들은 과제를 공동으로 수행하였으나, 질문지에 대한 답이나 면담은 개별적으로 이루어졌다.
측정 결과를 대표값으로 표현하는 것에 관한 예비교사들의 개념을 알아보기 위해 측정한 중력가속도를 어떻게 표현하는지를 분석하였다. 예비교사들은 진자의 길이나 질량 진자를 놓는 각도 등을 변화시켜가면서 실험을 실시하였으며, 중력가속도를 하나의 대표값으로 나타내었다. 예비교사들의 반응을 분석한 결과는 표 2와 같다.
다음 표 5는 보고서를 보고 예비교사들이 실험에 있어서 정확한 값을 가지는 것에 관심을 기울이는지 아니면 정밀한 측정하는데 관심을 기울이는지를 분석한 것이다. 예비교사들이 결과를 분석하는 데 있어서 많은 경우에 정밀한 실험과 정확한 실험을 혼동하여 사용하기 때문에, 보고서를 바탕으로 예비교사들이 특정한 하나의 값에 수렴하는데 집중하는지, 아니면 알려진 값에 가까이 가도록 하는데 집중하는지에 따라 연구자가 판단하여 분류하였다. 연구결과를 보면 연구에 참여한 대부분의 예비교사들이 정밀한 실험을 하려고 노력하지 않았다.
실험과정을 비디오로 녹화한 자료와 작성한 보고서를 바탕으로 불확실도 개념을 명확히 드러낼 수 있도록 예비교사들의 보고서 응답에 반문하는 형식으로 추가 질문을 하여 2차 보고서를 작성하도록 하였다. 이후 특별한 반응을 보이거나 보고서에 명확하게 자신의 생각을 표현하지 않은 응답자를 대상으로 면담을 실시하였다. 연구에서 응답자들은 과제를 공동으로 수행하였으나, 질문지에 대한 답이나 면담은 개별적으로 이루어졌다.
학생들 또한 이를 구별하여 표현하고, 실험의 정밀성과 정확성을 높일 수 있는 방안을 찾는 활동은 매우 중요하다. 정밀과 정확에 대한 개념을 알아보기 위해 실험과정에서사용하는 용어나 보고서에 제시된 진술, 그리고 면담을 통해 얻은 자료를 분석하였다.
주기를 측정하는데 있어서 실험자에 의한 우연 오차를 줄이기 위해 io번 진동하는 데에 걸리는 시간을 측정하여 이를 10으로 나눈 값을 취하였다. 이는 주기의 우연 오차가 1초라고 한다면 10번 측정하여 1초의 차이가 난 것이므로 한 번 진동하는 것에 대한 주기는 0.
하지만 가장 일반적으로 사용되는 것은 평균값이다. 측정 결과를 대표값으로 표현하는 것에 관한 예비교사들의 개념을 알아보기 위해 측정한 중력가속도를 어떻게 표현하는지를 분석하였다. 예비교사들은 진자의 길이나 질량 진자를 놓는 각도 등을 변화시켜가면서 실험을 실시하였으며, 중력가속도를 하나의 대표값으로 나타내었다.

대상 데이터

횟수를 더 늘리면 우연 오차를 더욱 줄일 수 있다고 생각할 수 있겠지만 실제로 실험을 하면 공기의 저항과 실험의 계통적 오차로 인해 진폭이 조금씩 작아지게 된다. 따라서 변인 통제를 위해 10회가 적당하다고 판단하여 10번 왕복하는 데 걸리는 시간을 측정하여 주기를 얻는 데이터로 활용했다.
연구는 서울지역 대학교에 재학 중인 물리전공 예비 중등교사 27(남 16명, 여 H)명을 대상으로 주로 질문지법 와 면담조사를 통하여 수행되었다. 예비교사들의 불확실도 개념을 조사하기 위해 본 연구에서는 대상자들에게 실제 물리 탐구 과제를 제시하여 이를 해결하고 과학적인 결론을 도출하는 과정을 분석하였다.

성능/효과

둘째, 예비교사들은 대부분의 경우 정밀한 실험을 하려고 하기보다 정확한 실험을 하려고 한다. 과학적으로 정밀과 정확 모두 실험 자료가 갖추어야 할 중요한 요소이다.
실험한 결과로서의 데이터가 많아야 한다. 따라서 2~3회 측정한 결과를 평균으로계산한 값을 내놓으면 실제의 값과 오차가 발생할 확률이 높다. 반대로 수많은 데이터에 대한 평균을 계산하면, 중간에 몇 개의 오류들이생길지라도 참값에는 큰 영향을 미치지 못한다.
유효숫자를 표현할 때도 물리적인 의미를 고려하여 바르게 표현하는 비율은 극히 낮았다. 또한 정밀과 정확의 개념을 혼동하여 사용하고, 정밀한 실험을 하기보다는 문헌값에 가까운 값을 찾는 경향을 보였다.
연구결과 첫째, 예비교사들은 정밀과 정확의 개념을 혼동하여 예비교사들마다 다르게 사용하고 있었다. 실제의 탐구 과정에서 어떻게 하면 자료가 하나의 값에 모이게 할 수 있는지(정밀)와 어떻게 하면 참값과 비슷하게 측정할 수 있는지(정확)를 구분하여 실험을 설계하고 수행해야 한다.
위 예비교사들은 모두 평균을 계산하는 것이 오차로 인한 측정값의 불확실도를 감소시켜 주고, 따라서 가능한 많이 자료를 모으는 것이 좋다는 것을 알고 있다. 그러나 변인을 바꾸어 주며 얻는 자료를 평균을 내는 것이 물리적으로 의미가 없다는 것을 인식하지 못하고 있다.

후속연구

교사들이 이러한 개념에 대해서 미리 알고, 학생들을 지도할 때 올바른 불확실도 개념을 사용하여 측정한 자료를 평가하고, 분석하는 활동을 장려해야만 학생들이 올바른 사고를 할 수 있을 것이다. 따라서 앞으로 이러한 개념을 체계적으로 학습시키기 위한 교사와 학생들을 위한 교수학습자료가 개발되어야 하겠다.
이러한 상황에서 학생들이 올바른 개념을 가지기 위해서는 교사의 역할이 중요하고 크게 영향을 미치므로, 교사가 어떠한 개념을 가지고 있는 지 파악하는것은 의미 있는 일이다. 이러한 연구는 교사와 학생들을 위한 교육프로그램 개빌-의 기초연구로 활용될 수있을 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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