본 연구에서는 탐구 기능 가운데 자료 수집, 자료처리, 자료 해석과 관련하여 실험보고서 분석틀을 개발하였다. 또한 개발한 분석틀을 대학생들의 보고서 분석에 적용하여 오차와 불확도 개념을 중심으로 대학생들이 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있는가에대해 알아보았다. 물리실험 수업을 수강한 30명의 학생들에게 실시한 설문지와 학생들이 작성한 실험보고서를 분석하였다. 학생들은 자료 수집과 관련하여 반복 측정에 대해 인식을 하고 있으나 보고서에서는 이를 명확하게 표현하지 못하였다. 극값이나 기울기가급하게 변하면 더욱 정밀한 측정을 해야 하지만 학생들은 이 부분에서도 어려움을 지니고 있었다. 특히, 오차와 불확도와 관련하여 학생들은 많은 어려움을 표출하고 있었다. 오차와 불확도의 전파에 대한 이해도가 매우 낮은 상태에서 단순한 오차 전파공식도 이용하지 못하는 학생이 많았다. 오차와 불확도를 분석을 통해 자료를 해석하는 과정에서도 많은 어려움을 겪고 있었는데, 오차의 원인들이 결과에 어떻게 영향을 주는지를 정량적으로 분석할 수 있는 학생은 거의 없었다. 반면에 학생 대부분이 오차와 불확도 분석이 중요하다고 응답하였다. 학생들이 중요성을 인식하고 있으나 올바른 개념을 지니지 못하여 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있다는 결론을 내릴 수 있었다. 실험 수업에서 보고서를 통해 과학적 의사소통을 해야하는 학생들에게 물리 개념뿐만 아니라 자료를 수집하고 처리하고 해석하는 데 필요한 기본 개념에 대한 교육이 필요할 것이다.
본 연구에서는 탐구 기능 가운데 자료 수집, 자료처리, 자료 해석과 관련하여 실험보고서 분석틀을 개발하였다. 또한 개발한 분석틀을 대학생들의 보고서 분석에 적용하여 오차와 불확도 개념을 중심으로 대학생들이 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있는가에대해 알아보았다. 물리실험 수업을 수강한 30명의 학생들에게 실시한 설문지와 학생들이 작성한 실험보고서를 분석하였다. 학생들은 자료 수집과 관련하여 반복 측정에 대해 인식을 하고 있으나 보고서에서는 이를 명확하게 표현하지 못하였다. 극값이나 기울기가급하게 변하면 더욱 정밀한 측정을 해야 하지만 학생들은 이 부분에서도 어려움을 지니고 있었다. 특히, 오차와 불확도와 관련하여 학생들은 많은 어려움을 표출하고 있었다. 오차와 불확도의 전파에 대한 이해도가 매우 낮은 상태에서 단순한 오차 전파공식도 이용하지 못하는 학생이 많았다. 오차와 불확도를 분석을 통해 자료를 해석하는 과정에서도 많은 어려움을 겪고 있었는데, 오차의 원인들이 결과에 어떻게 영향을 주는지를 정량적으로 분석할 수 있는 학생은 거의 없었다. 반면에 학생 대부분이 오차와 불확도 분석이 중요하다고 응답하였다. 학생들이 중요성을 인식하고 있으나 올바른 개념을 지니지 못하여 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있다는 결론을 내릴 수 있었다. 실험 수업에서 보고서를 통해 과학적 의사소통을 해야하는 학생들에게 물리 개념뿐만 아니라 자료를 수집하고 처리하고 해석하는 데 필요한 기본 개념에 대한 교육이 필요할 것이다.
Analysis frame for undergraduate physics laboratory reports in collecting, processing, and analyzing data was developed. Using the frame and questionaries, we analyzed what difficulties students have in the concepts of error and uncertainty in writing laboratory reports. Students considered repetiti...
Analysis frame for undergraduate physics laboratory reports in collecting, processing, and analyzing data was developed. Using the frame and questionaries, we analyzed what difficulties students have in the concepts of error and uncertainty in writing laboratory reports. Students considered repetitive measurement for collecting data, but they didn't express it distinctly in their reports. They also had difficulties in measuring data around the extreme value or the large slope. Especially, most students have had difficulties with error and uncertainty. They can't apply the basic formulation to propagation of error and uncertainty. They also had the difficulties in analyzing data with concepts of error and uncertainty. While most students responded that error and uncertainty is important, there were few students who analyzed the influence of the cause of error on the results quantitatively. The result of the study showed that students have difficulties in writing the laboratory reports because they didn't have the correct concept of the error and uncertainty. So, it is needed to not only teach the physics concept about experiment but to teach basic concept of data collecting, processing, and analyzing specially about error and uncertainty for students as well.
Analysis frame for undergraduate physics laboratory reports in collecting, processing, and analyzing data was developed. Using the frame and questionaries, we analyzed what difficulties students have in the concepts of error and uncertainty in writing laboratory reports. Students considered repetitive measurement for collecting data, but they didn't express it distinctly in their reports. They also had difficulties in measuring data around the extreme value or the large slope. Especially, most students have had difficulties with error and uncertainty. They can't apply the basic formulation to propagation of error and uncertainty. They also had the difficulties in analyzing data with concepts of error and uncertainty. While most students responded that error and uncertainty is important, there were few students who analyzed the influence of the cause of error on the results quantitatively. The result of the study showed that students have difficulties in writing the laboratory reports because they didn't have the correct concept of the error and uncertainty. So, it is needed to not only teach the physics concept about experiment but to teach basic concept of data collecting, processing, and analyzing specially about error and uncertainty for students as well.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 탐구 기능 가운데 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석과 관련하여 실험보고서 분석틀을 개발하였다. 또한 개발한 분석틀을 대학생들의 보고서 분석에 적용하여 오차와 불확도 개념을 중심으로 대학생들이 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있는가에 대해 알아보았다. 물리실험 수업을 수강한 30명의 학생들에게 실시한 설문지와 학생들이 작성한 실험보고서를 분석하였다.
또한 학생들이 실험보고서를 작성할 때 어떠한 요소를 어려워하고 어떠한 요소를 중요하다고 생각하는지 그 인식도 조사해 보았다. 조사 결과 극값 근처나 기울기가 큰 값을 지니는 영역에서 더욱 정밀하게 측정하는 것에 대해 일정한 간격으로 측정하던 습관이나 시간적 제약, 번거로움 등의 이유를 들어 어렵다고 응답하였고, 오차와 불확도에 대해 배경 지식이 부족하고, 많이 접해보지 못했으며, 잘 몰라서 어렵다는 의견이 많았다.
본 연구에서는 학생들의 측정 개념 이해 정도를 측정 영역 전반에 대해 포괄적으로 파악하기 위해 측정 활동 관련 보고서 분석틀을 개발하였다. 또한, 이를 학생들의 실험 보고서 평가에 적용하여 학생들이 경험하는 어려움을 구체적으로 알아내고자 하였다.
본 연구에서는 탐구 기능 가운데 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석과 관련하여 실험보고서 분석틀을 개발하였다. 또한 개발한 분석틀을 대학생들의 보고서 분석에 적용하여 오차와 불확도 개념을 중심으로 대학생들이 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있는가에 대해 알아보았다.
본 연구에서는 탐구 기능 가운데 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석에서 측정 및 오차와 불확도와 관련하여 학생들의 보고서 분석을 위한 평가항목을 개발하였고 이를 물리교육을 전공하는 대학생들의 실험보고서 평가에 적용하여 학생들이 보고서 작성에서 어떤 어려움을 겪고 있는가에 대해 알아보았다. 대부분의 선행연구가 초보적인 수준의 자료 수집 능력을 파악하는 지표들에 국한되어 있기 때문에 대학생들의 보고서를 평가하는 데에는 부족한 부분이 있었다.
본 연구에서는 학생들의 보고서를 평가하기 위한 측정 개념이 강조된 평가 준거가 담긴 보고서 분석틀을 개발하였다. 실험의 과정은 측정 기구를 이용해 자료를 수집하고, 수집된 자료를 처리하여 결과를 분석해 내는 과정이라 할 수 있다.
본 연구에서는 학생들의 측정 개념 이해 정도를 측정 영역 전반에 대해 포괄적으로 파악하기 위해 측정 활동 관련 보고서 분석틀을 개발하였다. 또한, 이를 학생들의 실험 보고서 평가에 적용하여 학생들이 경험하는 어려움을 구체적으로 알아내고자 하였다.
본 연구에서는 학생들이 보고서 작성 시 겪는 어려움, 특히 측정 자료의 수집, 처리, 해석 과정에서의 어려움을 알아보고자 우선 보고서 평가 준거를 개발하였다. 이를 바탕으로 학생들이 평가 준거를 얼마나 이해하거나 중요성을 인지하고 있는지 알아보고자 설문 조사를 시행하고, 평가 준거를 기준으로 학생들의 보고서를 실제로 평가하여 학생들이 보고서 작성에서 실제 적용하는 것과의 차이를 분석해 보았으며, 학생들이 측정 개념과 관련하여 보고서 작성 시 겪는 어려움에 대해 분석해 보았다.
본 연구에서는 마이크로웨이브 실험을 선택한 13명의 자료를 분석하였다. 이를 통해 학생들이 보고서 작성에서 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석과 관련하여 겪는 어려움을 파악하였다. 또한, 측정과 관련하여 구체적으로 어떠한 어려움을 지니고 있는지에 대한 구체적인 사례를 살펴보고자 나머지 다른 실험에서 그 예를 찾아 분석하였다.
특히, 다양한 물리량을 측정하여 최종 결과 값의 대푯값과 불확도를 얻을 때, 필수적으로 필요한 불확도 전파에 대한 평가항목은 선행 연구에서는 찾아보기 어렵다. 이에 따라 본 연구에서는 불확도 전파 및 불확도를 이용하여 자료를 해석하는 부분에 대한 평가항목을 개발하였다. 또한, 학생들의 보고서 작성 결과와 설문 및 면담 결과를 통해 학생들이 실제로 자신들이 자료와 관련한 개념을 어떻게 사용하는지 알 수 있었고, 실험 결과를 의사소통하는 과정에서 겪는 어려움을 파악할 수 있었다.
학생들의 설문 응답을 분석한 결과 보고서 작성에서 어렵다고 생각하는 요소에 대해 알 수 있었다. [표 3]은 설문에 응답한 13명의 학생들이 어렵다고 생각하는 요소와 그 이유를 대분류에 따라 정리한 것이다.
학생들이 보고서 작성에서 측정과 관련하여 어려움을 겪는 국체적인 사례를 살펴보고자 다른 실험들에서 특징적인 사례를 살펴보았다. 예를 들어 프랑크헤르츠 실험에서는 극값을 찾기 위해 그 근처의 여러 값을 측정해야 한다.
제안 방법
따라서 보고서 평가 준거를 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석의 대범주로 나누고, 각각의 범주를 다시 행위별로 2~3개의 소범주로 구별하였다. 각각의 소범주에는 구체적인 세부항목을 구성하였다. 분석 기준은 Klopfer(1971)의 과학탐구과정 목표 분류틀, 백성혜와 박승재(1992)의 실험보고서 평가기준, Allie & Buffler(1998)의 ‘Report Assessment Schedule’ 을 기초로 하였다.
이를 위해서 Klopfer(1971)의 과학탐구과정 목표 분류틀과 백성혜와 박승재(1992)의 실험보고서 평가 기준을 토대로 외국 과학교육과정과 선행연구, 오차와 불확도 관련 문헌을 참고하여 연구자들의 토론을 거쳐 보고서 평가 준거가 나열된 분석틀을 개발하였다. 개발된 보고서 분석틀의 타당성을 검증하기 위해 두 명의 물리교육전공 교수와 11명의 대학원 석, 박사 과정 연구생, 일선 교사 등의 검토를 받아 최종적인 보고서 분석틀을 개발하였다.
이 과정에서 자신의 측정 결과가 정밀한지 그렇지 못한지를 판단하여 정밀하다는 판단을 했다면 계통오차의 원인을 찾았을 것이다. 그러나 보고서에서 학생은 정밀함에 대한 아무런 고려나 언급 없이 지구에서 위도에 따른 중력가속도 변화를 하나의 오차원인으로 제안했다. 반면에 다른 한 학생은 자신의 측정 결과가 중력가속도와 0.
다음으로 개발된 분석틀의 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석의 대분류 아래에 있는 총 48가지 세부 보고서 평가 준거에 대하여 학생들이 어떻게 인식하고 있는지, 그리고 그것이 보고서에 어떻게 표현되는 알아보았다. 이를 위해서 한 학기 동안 수행한 물리 실험 주제 가운데 한 가지를 선택하고, 자신이 택한 실험과 관련하여 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석의 세 영역별로 각각의 영역의 평가 준거의 항목에 대해 보고서를 작성할 때, 고려한 여부를 3점 리커트 척도로 선택하도록 하였다.
이후 학생들이 고려했다고 응답한 보고서 평가 준거와 중요하다고 생각하는 보고서 평가 준거가 실제로 보고서에 어떻게 작성되었는지를 평가해보았다. 동일한 세부 보고서 평가 준거를 이용하여 교사의 평가가 이루어졌고, 교사는 분석기준별로 해당 실험과 관련이 있는지를, 관련이 있다면 학생이 보고서에서 그 항목에 대해 잘 작성하였는지를 다음과 같은 기준에 의해 연구자 3인이 평가하였다.
실험의 과정은 측정 기구를 이용해 자료를 수집하고, 수집된 자료를 처리하여 결과를 분석해 내는 과정이라 할 수 있다. 따라서 보고서 평가 준거를 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석의 대범주로 나누고, 각각의 범주를 다시 행위별로 2~3개의 소범주로 구별하였다. 각각의 소범주에는 구체적인 세부항목을 구성하였다.
이를 통해 학생들이 보고서 작성에서 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석과 관련하여 겪는 어려움을 파악하였다. 또한, 측정과 관련하여 구체적으로 어떠한 어려움을 지니고 있는지에 대한 구체적인 사례를 살펴보고자 나머지 다른 실험에서 그 예를 찾아 분석하였다.
먼저 학생들의 보고서를 평가하기 위한 측정의 개념이 강조된 평가 준거를 개발하였다. 이를 위해서 Klopfer(1971)의 과학탐구과정 목표 분류틀과 백성혜와 박승재(1992)의 실험보고서 평가 기준을 토대로 외국 과학교육과정과 선행연구, 오차와 불확도 관련 문헌을 참고하여 연구자들의 토론을 거쳐 보고서 평가 준거가 나열된 분석틀을 개발하였다.
연구 결과의 분석에서는 설문의 결과를 파악하여 이를 기초로 분석을 진행하였다. 이를 위해 우선, 학생들이 자신이 수행한 7종의 실험 가운데 한 가지 실험을 선택하여 설문 문항에 응답하였다.
학생들이 수행한 실험은 물리와 관련된 전형적인 실험으로 프랑크-헤르츠 실험, 다이오드 특성 측정 실험, 물리진자 실험, 프레넬 회절 실험, 마이크로웨이브를 이용한 광학실험, 회전하는 액체 실험(다양한 액체의 회전 각속도에 따라 액체의 종단면을 측정하여 중력 가속도 값을 측정) 이다. 연구에서는 학생들이 자신이 수행한 7종의 실험 가운데 한 가지를 선택하여 설문에 응답하도록 하였다. 본 연구에서는 마이크로웨이브 실험을 선택한 13명의 자료를 분석하였다.
대수변환을 통한 정비례 관계 그래프 얻기, 의심스러운 값에 대한 해석, 추세선, 그래프에서 점들의 퍼짐 등 그래프와 관련하여 학부 전공 수준의 보고서 평가 준거에 대해서는 Taylor(1997), MacPherson & Jones(1974)의 내용을 참고하여 분석기준을 정하였다. 연구자들의 토론을 거쳐 완성된 보고서 평가 준거를 두 명의 물리 교육 전공 교수와 11명의 대학원 석, 박사 과정 연구생, 교사 등으로부터 평가를 받아 수정하여 최종적인 보고서 분석 기준을 개발하였다. [표 1]에 보고서 평가 준거를 나타내었다.
본 연구에서는 학생들이 보고서 작성 시 겪는 어려움, 특히 측정 자료의 수집, 처리, 해석 과정에서의 어려움을 알아보고자 우선 보고서 평가 준거를 개발하였다. 이를 바탕으로 학생들이 평가 준거를 얼마나 이해하거나 중요성을 인지하고 있는지 알아보고자 설문 조사를 시행하고, 평가 준거를 기준으로 학생들의 보고서를 실제로 평가하여 학생들이 보고서 작성에서 실제 적용하는 것과의 차이를 분석해 보았으며, 학생들이 측정 개념과 관련하여 보고서 작성 시 겪는 어려움에 대해 분석해 보았다.
연구 결과의 분석에서는 설문의 결과를 파악하여 이를 기초로 분석을 진행하였다. 이를 위해 우선, 학생들이 자신이 수행한 7종의 실험 가운데 한 가지 실험을 선택하여 설문 문항에 응답하였다. 학생들이 선택한 실험들이 서로 다르므로 가장 많은 13명이 선택을 한 마이크로웨이브 실험에 대한 설문응답만을 고려하여 연구 결과 ‘2.
먼저 학생들의 보고서를 평가하기 위한 측정의 개념이 강조된 평가 준거를 개발하였다. 이를 위해서 Klopfer(1971)의 과학탐구과정 목표 분류틀과 백성혜와 박승재(1992)의 실험보고서 평가 기준을 토대로 외국 과학교육과정과 선행연구, 오차와 불확도 관련 문헌을 참고하여 연구자들의 토론을 거쳐 보고서 평가 준거가 나열된 분석틀을 개발하였다. 개발된 보고서 분석틀의 타당성을 검증하기 위해 두 명의 물리교육전공 교수와 11명의 대학원 석, 박사 과정 연구생, 일선 교사 등의 검토를 받아 최종적인 보고서 분석틀을 개발하였다.
다음으로 개발된 분석틀의 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석의 대분류 아래에 있는 총 48가지 세부 보고서 평가 준거에 대하여 학생들이 어떻게 인식하고 있는지, 그리고 그것이 보고서에 어떻게 표현되는 알아보았다. 이를 위해서 한 학기 동안 수행한 물리 실험 주제 가운데 한 가지를 선택하고, 자신이 택한 실험과 관련하여 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석의 세 영역별로 각각의 영역의 평가 준거의 항목에 대해 보고서를 작성할 때, 고려한 여부를 3점 리커트 척도로 선택하도록 하였다. 이후 보고서 작성 시 고려한 보고서 평가 준거, 중요하다고 생각하는 보고서 평가 준거와 어렵다고 생각하는 보고서 평가 준거를 구분하여 기술하도록 하였다.
이를 위해서 한 학기 동안 수행한 물리 실험 주제 가운데 한 가지를 선택하고, 자신이 택한 실험과 관련하여 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석의 세 영역별로 각각의 영역의 평가 준거의 항목에 대해 보고서를 작성할 때, 고려한 여부를 3점 리커트 척도로 선택하도록 하였다. 이후 보고서 작성 시 고려한 보고서 평가 준거, 중요하다고 생각하는 보고서 평가 준거와 어렵다고 생각하는 보고서 평가 준거를 구분하여 기술하도록 하였다.
이후 학생들이 고려했다고 응답한 보고서 평가 준거와 중요하다고 생각하는 보고서 평가 준거가 실제로 보고서에 어떻게 작성되었는지를 평가해보았다. 동일한 세부 보고서 평가 준거를 이용하여 교사의 평가가 이루어졌고, 교사는 분석기준별로 해당 실험과 관련이 있는지를, 관련이 있다면 학생이 보고서에서 그 항목에 대해 잘 작성하였는지를 다음과 같은 기준에 의해 연구자 3인이 평가하였다.
학생들의 실태 분석을 위해 설문에 응답한 결과와 보고서를 분석한 결과를 비교하였다. 학생들은 자신들이 고려했다고 생각한 요소들을 보고서에 잘 드러내지 못하고 있었다.
학생이 실험 보고서 상에 고려했다고 응답한 보고서 평가 준거 요소가 실제로 보고서 상에서 올바르게 나타났는지를 분석하였다. 학생들이 모든 실험에 대해 기억할 수 없는 상황이었기 때문에 자신이 가장 기억에 남는 실험을 선택하여 해당 실험을 참고로 질문에 응답하도록 하였다. 그 가운데 동일한 실험인 마이크로웨이브 실험을 선택한 학생이 모두 13명이었고, 이들의 응답 결과를 분석에 이용하였다.
분석틀에 기초한 학생들의 보고서 분석 결과’ 를 얻었다. 학생들이 보고서에 포함하였다고 하는 항목과 보고서 작성 과정에서 중요하다고 생각하는 항목이 실제로 정확히 표현되었는지를 위의 4가지 기준에 맞추어 평가하였다. 그리고 구체적인 사례분석에서는 마이크로웨이브 실험 보고서를 포함한 전체 실험 보고서에서 특징적인 사례를 분석하여 연구결과 ‘3.
학생들은 그 이전에 3~4과목의 실험 과목을 수강하고 3학년 2학기 ‘물리실험 및 시범’ 과목을 수강하는 학생들이다. 학생들이 수행한 실험은 물리와 관련된 전형적인 실험으로 프랑크-헤르츠 실험, 다이오드 특성 측정 실험, 물리진자 실험, 프레넬 회절 실험, 마이크로웨이브를 이용한 광학실험, 회전하는 액체 실험(다양한 액체의 회전 각속도에 따라 액체의 종단면을 측정하여 중력 가속도 값을 측정) 이다. 연구에서는 학생들이 자신이 수행한 7종의 실험 가운데 한 가지를 선택하여 설문에 응답하도록 하였다.
학생은 보고서의 논의 부분에 ‘좀 더 정밀한 그래프를 얻고자 전류가 1 A씩 증가 또는 감소할 때마다 전압을 측정하였고 증가하다 감소하는 순간 주위에서는 좀 더 정밀히 측정해 보았다.
학생이 실험 보고서 상에 고려했다고 응답한 보고서 평가 준거 요소가 실제로 보고서 상에서 올바르게 나타났는지를 분석하였다. 학생들이 모든 실험에 대해 기억할 수 없는 상황이었기 때문에 자신이 가장 기억에 남는 실험을 선택하여 해당 실험을 참고로 질문에 응답하도록 하였다.
대상 데이터
그 가운데 동일한 실험인 마이크로웨이브 실험을 선택한 학생이 모두 13명이었고, 이들의 응답 결과를 분석에 이용하였다. 구체적으로 살펴보면, [표 1]의 보고서 평가 준거에서 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석에 대해 13명의 학생이 고려했다고 응답한 총 응답 수는 자료 수집 120개, 자료 처리 148개, 자료 해석 102개 이었다. 이들 각각에 대해 실험과 관련이 있고 올바르게 작성하였는지(T-G), 실험과 관련이 있으나 올바르게 작성하지 못하였는지(TB), 실험과 관련이 있으나 보고서에 나타나지 않았는지(T-NS), 실험과 관련이 없는지(T-NR)를 분류한 결과가 [그림 1]과 같다.
구체적으로 자료 수집과 처리, 해석에서 학생들의 보고서에 드러난 어려움을 알아내고자 7종목 210개의 실험 보고서를 자세히 분석하였다. 극값 근처에서 여러 값 측정하기, 측정 자료 변환하기, 추세선 그리기, 대푯값 계산과 표현, 유효숫자, 불확도 전파, 그래프 해석, 오차의 원인 파악과 처치, 정확과 정밀의 개념을 구분하여 사용하기, 가장 주요한 오차 원인 결정하기, 실험값을 이론값과 비교하기 등 전 영역에 걸쳐 다양한 어려움을 파악할 수 있었다.
학생들이 모든 실험에 대해 기억할 수 없는 상황이었기 때문에 자신이 가장 기억에 남는 실험을 선택하여 해당 실험을 참고로 질문에 응답하도록 하였다. 그 가운데 동일한 실험인 마이크로웨이브 실험을 선택한 학생이 모두 13명이었고, 이들의 응답 결과를 분석에 이용하였다. 구체적으로 살펴보면, [표 1]의 보고서 평가 준거에서 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석에 대해 13명의 학생이 고려했다고 응답한 총 응답 수는 자료 수집 120개, 자료 처리 148개, 자료 해석 102개 이었다.
또한 개발한 분석틀을 대학생들의 보고서 분석에 적용하여 오차와 불확도 개념을 중심으로 대학생들이 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있는가에 대해 알아보았다. 물리실험 수업을 수강한 30명의 학생들에게 실시한 설문지와 학생들이 작성한 실험보고서를 분석하였다. 학생들은 자료 수집과 관련하여 반복 측정에 대해 인식을 하고 있으나 보고서에서는 이를 명확하게 표현하지 못하였다.
연구에서는 학생들이 자신이 수행한 7종의 실험 가운데 한 가지를 선택하여 설문에 응답하도록 하였다. 본 연구에서는 마이크로웨이브 실험을 선택한 13명의 자료를 분석하였다. 이를 통해 학생들이 보고서 작성에서 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석과 관련하여 겪는 어려움을 파악하였다.
본 연구에서는 서울시 소재 대학교에서 물리교육을 전공하는 3, 4학년 학생 30명을 대상으로 이루어졌다. 학생들은 그 이전에 3~4과목의 실험 과목을 수강하고 3학년 2학기 ‘물리실험 및 시범’ 과목을 수강하는 학생들이다.
이론/모형
여기에 측정 도구의 사용, 반복 측정, 간단한 표, 그래프 그리기 관련한 보고서 평가 준거는 싱가포르의 중등과학교육 과정(Ministry of Education, 2001)과 Allie, S.(1997)의 연구 내용을 참고하였다. AAAS(1993)의 과학적 소양을 위한 기준에서 수학세계(the mathematical world) 단원의 수(number), 관계(symbolic relationships), 불확도(uncertainty), 추론(reasoning)과 관련한 학년별 학습목표를 참고하였다.
(1997)의 연구 내용을 참고하였다. AAAS(1993)의 과학적 소양을 위한 기준에서 수학세계(the mathematical world) 단원의 수(number), 관계(symbolic relationships), 불확도(uncertainty), 추론(reasoning)과 관련한 학년별 학습목표를 참고하였다. 싱가포르의 대학 입학 자격시험(GCE A Level Examination)의 평가목표(Singapore Examination and Assesment Board, 2006) 에서 대푯값, 유효숫자, 측정 및 불확도 관련 평가목표를 참고하였다.
대수변환을 통한 정비례 관계 그래프 얻기, 의심스러운 값에 대한 해석, 추세선, 그래프에서 점들의 퍼짐 등 그래프와 관련하여 학부 전공 수준의 보고서 평가 준거에 대해서는 Taylor(1997), MacPherson & Jones(1974)의 내용을 참고하여 분석기준을 정하였다.
분석 기준은 Klopfer(1971)의 과학탐구과정 목표 분류틀, 백성혜와 박승재(1992)의 실험보고서 평가기준, Allie & Buffler(1998)의 ‘Report Assessment Schedule’ 을 기초로 하였다.
AAAS(1993)의 과학적 소양을 위한 기준에서 수학세계(the mathematical world) 단원의 수(number), 관계(symbolic relationships), 불확도(uncertainty), 추론(reasoning)과 관련한 학년별 학습목표를 참고하였다. 싱가포르의 대학 입학 자격시험(GCE A Level Examination)의 평가목표(Singapore Examination and Assesment Board, 2006) 에서 대푯값, 유효숫자, 측정 및 불확도 관련 평가목표를 참고하였다. 또한, 국제 물리올림피아드 출제 요목에서는 오차 및 불확도의 전파, 불확도 요인의 정량적 분석과 관련한 내용을 참고 하였다(IPho 2006, 2006).
성능/효과
2) 확장불확도는 신뢰도에 따라 측정값의 분포할 수 있는 구간을 나타내는 불확도로 합성표준불확도에 확장계수를 곱하여 구할 수 있다.
또한 [표 2]에서 보면 학생들은 물리적, 수학적 모델을 통한 실험 해석에 대한 중요성을 강조한 것을 볼 수 있다. 구체적인 이유로는 실험의 올바른 수행 및 실험 개선을 위해 필요하다는 의견이 있었으며, 이러한 모델을 통해 설명할 때 물리적 의미를 잘 이해할 수 있다는 의견이 있었다. 마이크로웨이브 실험은 수행된 실험 모두 물리적, 수학적 모델을 기초로 하여 수행된 실험이었기에 이러한 의견이 많았던 것으로 보인다.
구체적으로 자료 수집과 처리, 해석에서 학생들의 보고서에 드러난 어려움을 알아내고자 7종목 210개의 실험 보고서를 자세히 분석하였다. 극값 근처에서 여러 값 측정하기, 측정 자료 변환하기, 추세선 그리기, 대푯값 계산과 표현, 유효숫자, 불확도 전파, 그래프 해석, 오차의 원인 파악과 처치, 정확과 정밀의 개념을 구분하여 사용하기, 가장 주요한 오차 원인 결정하기, 실험값을 이론값과 비교하기 등 전 영역에 걸쳐 다양한 어려움을 파악할 수 있었다. 특히, 오차와 불확도와 관련한 요소에서 학생들이 많은 어려움을 경험하고 있음을 알 수 있었다.
본 연구를 통해 실험 마지막 학기인 학생들이 보고서 작성에서 얼마나 많은 어려움과 문제점을 지니고 있는지를 알 수 있었다. 내용이 어렵거나 생소한 것도 있었지만, 매우 기초적인 부분에서도 어려움을 드러내고 있음을 알 수 있었다.
즉, 그래프, 표 그리기에 대한 기초적인 교육이 올바르게 이루어지지 못했음을 알 수 있었다. 세 가지 영역을 모두 합한 전체 결과에서는 학생들이 고려했다고 응답했지만 보고서에 나타나지 않거나 잘하지 못한 요소의 비율이 40.9%나 되었다. 즉 측정 자료의 수집, 처리, 해석과 관련된 올바른 이해를 위한 체계적인 교육과 결과를 보고서에 표현하는 방법에 대한 교육이 필요함을 알 수 있었다.
실제로 이 학생의 중력가속도 측정 결과는 정확도와 정밀도에서 다른 학생들의 결과보다 좋았다. 오차와 불확도 분석을 통해 실험을 개선하고 이를 통해 정밀도와 정확도가 더욱 향상된 실험결과를 얻을 수 있음을 보여준다.
또한 학생들이 실험보고서를 작성할 때 어떠한 요소를 어려워하고 어떠한 요소를 중요하다고 생각하는지 그 인식도 조사해 보았다. 조사 결과 극값 근처나 기울기가 큰 값을 지니는 영역에서 더욱 정밀하게 측정하는 것에 대해 일정한 간격으로 측정하던 습관이나 시간적 제약, 번거로움 등의 이유를 들어 어렵다고 응답하였고, 오차와 불확도에 대해 배경 지식이 부족하고, 많이 접해보지 못했으며, 잘 몰라서 어렵다는 의견이 많았다. 중요하다고 생각하는 요소에는 정확한 데이터를 얻으려면 반복측정이 중요하다고 인식하였다.
반면에 학생 대부분이 오차와 불확도 분석이 중요하다고 응답하였다. 학생들이 중요성을 인식하고 있으나 올바른 개념을 지니지 못하여 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있다는 결론을 내릴 수 있었다. 실험 수업에서 보고서를 통해 과학적 의사소통을 해야 하는 학생들에게 물리 개념뿐만 아니라 자료를 수집하고 처리하고 해석하는 데 필요한 기본 개념에 대한 교육이 필요할 것이다.
후속연구
본 연구는 7가지 실험 종목에 대한 보고서만을 분석하였기 때문에 문헌을 참고하여 개발한 분석 요소 모두를 반영한 연구를 했다고 볼 수는 없다. 실제로 실험에 따라 분석 요소 가운데 관련이 없을 수가 있기 때문에 다양한 유형의 실험에 대한 적용을 통해 유사한 연구가 이루어진다면 실험 교육과 관련하여 많은 시사점을 얻을 수 있을 것이다.
학생들이 중요성을 인식하고 있으나 올바른 개념을 지니지 못하여 보고서 작성에서 어려움을 겪고 있다는 결론을 내릴 수 있었다. 실험 수업에서 보고서를 통해 과학적 의사소통을 해야 하는 학생들에게 물리 개념뿐만 아니라 자료를 수집하고 처리하고 해석하는 데 필요한 기본 개념에 대한 교육이 필요할 것이다.
이상의 결과에서 자료 처리 및 해석의 영역에 걸쳐서 불확도 개념에 대한 교육이 필요함을 알 수 있다.
9%나 되었다. 즉 측정 자료의 수집, 처리, 해석과 관련된 올바른 이해를 위한 체계적인 교육과 결과를 보고서에 표현하는 방법에 대한 교육이 필요함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미국, 싱가포르, 영국 등 외국의 교육과정에서는 측정의 불확도와 관련한 개념을 포함하여 어떠한 내용을 중등학교 교육 과정에 명시하고 있는가?
미국이나 싱가포르, 영국 등 외국의 교육과정에서는 측정의 불확도와 관련한 개념을 포함하여, 탐구 및 실험에서 필요한 측정 자료 수집, 측정 자료 처리, 측정 자료 해석 관련 내용을 중등학교 교육 과정에 명시하고 있다. 예를 들어, 미국의 Project 2061의 Benchmark에는 측정 활동과 관련하여 초∙중등 교육과정에서 학년별 성취 목표를 상세하게 제시하고 있다(AAAS, 1993).
실험 결과가 주장을 뒷받침하려면 어떤 전제가 필요한가?
이렇듯 실험은 과학에서 핵심적인 자리를 차지하고 있다. 그런데 실험 결과가 주장을 뒷받침하는 근거가 되려면 측정 결과가 신뢰로워야 한다. 이를 위해서는 무엇보다도 실험 결과가 재현성을 가지고 있고, 정밀해야 한다.
이론적으로 제시되는 모형은 실험을 통해 검증되는데, 그 예로 상대성 이론과 관련된 것은 어떤 것이 있었는가?
빛의 입자성과 파동성에 대한 논란에서 입자성을 지지하는 실험, 파동성을 지지하는 실험이 고안되었고 각각의 실험 결과로 과학자들은 각자의 주장을 피력하였다. 상대성 이론에서 에테르의 존재 여부를 둘러싼 논쟁에서도 과학자들은 자신의 주장을 뒷받침할 수 있는 실험을 고안하고 결과를 제시했다(Krane, 1996). 이렇듯 실험은 과학에서 핵심적인 자리를 차지하고 있다.
참고문헌 (27)
김태일 (2007). 한국과 싱가포르의 과학 교과서 탐구활동의 특징 비교. 서울대학교 대학원 석사 학위 논문.
백성혜, 박승재 (1992). 계통도 분석법을 이용한 실험보고서 평가의 효과 분석. 한국과학교육학회지, 12(1), 93-101.
Allie, S., Buffler, A., Lubben, F. & Campbell, B. (2001). Point and set paradigms in students' handling of experimental measurements. Science Education, 331-336.
American Association for the Advancement of Science (1993). Benchmarks for science literacy. New York: Oxford University Press.
Becker, S. F. (1995). Guest comment: Teaching writing to teach physics. American Journal of Physics, 63, 587.
Buffler, A., Allie, S., Lubben, F. & Campbell, B. (2001). The development of first year physics students' ideas about measurement in terms of point and set paradigms. International Journal of Science Education, 23(11) 1137-1156.
Gott, R. & Duggan S. (1995). Investigative Work in the Science Curriculum. UK: Open University Press.
Gott, R. & Duggan S. (1996). Practical Work: its role in the understanding of evidence in science. International Journal of Science Education, 18(7), 791-806.
IPho 2006. (2006). The syllabus. Retrieved August 11, 2006, from the World Wide Web: http://www.ipho2006.org/
Kalman, J. & Kalman, C. (1996). Writing to learn. American Journal of Physics, 64, 955.
Klopfer, (1971). "Evaluation and Learning in Science". in Bloom, B., Hastings, T. & Madaus, G. (1971). Handbook on Formative and Summative Evaluation of Student Learning. New York : McGraw-Hill, 559-641.
Krane, K. S. (1996). Modern Physics. 2nd ed., NY: John Wiley.
Lubben, F., Campbell, B., Buffler, A. & Allie, S. (2001). Point and set reasoning in practical science measurement by entering university freshmen. Science Education, 85(4), 311-327.
Lubben, F., & Millar, R. (1996). Children's ideas about the reliability of experimental data. International Journal of Science Education, 18(8), 955-968.
MacPherson, I. S. & Jones, B. R. (1974). The interpretation of graphs in physics. London: Hutchinson Educational.
Ministry of Education. (2001). Science syllabus lower secondary. Retrieved October 1, 2006, from the World Wide Web: http://www. moe.gov.sg/
Mullin, W. J. (1989). Writing in physics. The Physics Teacher, 27, 342.
Taylor, J. R. (1997). An introduction to error analysis. California: University Science Books.
Singapore Examination and Assesment Board. (2006). GCE Physcis advanced level syllabus, Retrieved September 24, 2006, from the World Wide Web:http://www.seab.gov.sg/
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.