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대학생들의 물리실험에서 측정 활동 분석틀 개발 및 적용
Development and Implementation of the Analysis Frame for Measurement Activity in Undergraduate Physics Laboratory 원문보기

한국과학교육학회지 = Journal of the Korean association for science education, v.31 no.1, 2011년, pp.115 - 127  

신광문 (서울대학교) ,  강영창 (서울대학교) ,  이성묵 (서울대학교) ,  이재봉 (한국교육과정평가원)

초록
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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.

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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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (27)

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