[논문]시연을 활용한 물리 수업의 효과에 관한 연구

이은실; 조현지; 이종호

doi:10.18108/jeer.2012.15.3.3

시연을 활용한 물리 수업의 효과에 관한 연구
A Study on the Effect of Using Demonstrations in Physics Classroom 원문보기

공학교육연구 = Journal of engineering education research, v.15 no.3, 2012년, pp.3 - 11

이은실 (한동대학교 교육대학원) , 조현지 (한동대학교 글로벌 리더십 학부) , 이종호 (한양대학교)

초록
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본 연구는 시연을 활용한 일반물리 수업의 효과를 파악하기 위해 수업 수강 전과 후에 동일한 개념이해도 평가지를 이용하여 학생들의 개념이해도를 비교하였다. 수업효과를 측정하기 위해 Hake가 소개한 를 이용하였는데, 이것은 물리교육연구자들 사이에서 새로운 교수법의 효과를 알아보기 위해 널리 사용되는 방법이다. 연구 결과 시연을 사용한 물리학 수업의 효과가 기존 연구에서 밝혀진 전통적인 강의 중심 수업에 비해 향상된 것으로 나타났으며, 기초지식이나 시연의 경험이 많은 과학고 학생들에게 더 높은 것으로 나타났다. 또한 강의 전, 후 문항별 정답률을 비교하여 얻은 를 도입하여 특정 개념에 대한 이해정도를 파악함으로써 향후 강의 개선에 이용할 수 있음을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper discusses the effect that classroom demonstrations have on students' conceptual understanding in concepts in introductory physics. We used the same conceptual survey to probe the students' understanding on certain concepts before and after taking the course. We introduce Hake's , which is used to evaluate the effect of various kind of teaching methods, suggested by physics education research groups, on conceptual understanding of students who took the class. The effect of physics class using demonstration turned to be better than the traditional lecture, higher for students who graduated from science schools with higher prior knowledge and demonstration experience. Authors suggest to use to probe concepts which need more attention.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 대전된 부도체에서 전하가 잘 움직이지 않는 것에 대한 문제, 전기장에서의 전하의 운동과 포텐셜 에너지 개념, 도체 주변에 전하가 있을 때, 중성인 도체 내부의 전기장에 대한 문제, 전기력선과 전기력의 방향을 연관 짓는 문제이다. 또, 로렌츠 힘이해와 자기장에서 정지한 전하가 힘을 받는지에 대한 질문, 패러데이 법칙(유도전류)에 대한 이해를 살펴보는 질문이었다.
연구 결과 시연을 사용한 물리학 수업의 효과가 기존 연구에서 밝혀진 전통적인 강의 중심 수업에 비해 향상된 것으로 나타났으며, 기초지식이나 시연의 경험이 많은 과학고 학생들에게 더 높은 것으로 나타났다. 또한 강의 전, 후 문항별 정답률을 비교하여 얻은 [G]를 도입하여 특정 개념에 대한 이해정도를 파악함으로써 향후 강의 개선에 이용할 수 있음을 제안하였다.
본 연구는 P대학의 일반물리 수업개선의 사례를 통해 시연 중심의 물리 수업이 학생들의 물리 개념 이해도 증진에 어떤 영향을 미쳤는지 파악하는 것을 목적으로 시연이 활용된 역학과 전자기학 수업 전후의 이해도 증진 정도를 평가하였다. 역학개념 이해도검사와 전자기학개념 이해도검사를 사용하여 평가한 결과, 전통적인 수업에 시연을 활용한 시연활용 수업이 강의로만 진행하는 전통적인 강의중심 수업보다 학생들의 이해도 증진을 돕는 것으로 나타났다.
본 연구는 시연을 활용한 일반물리 수업의 효과를 파악하기 위해 수업 수강 전과 후에 동일한 개념이해도 평가지를 이용하여 학생들의 개념이해도를 비교하였다. 수업효과를 측정하기 위해 Hake가 소개한 [g]를 이용하였는데, 이것은 물리교육연구자들 사이에서 새로운 교수법의 효과를 알아보기 위해 널리 사용되는 방법이다.
본 연구에서는 전통적인 강의수업을 진행하면서 시연을 활용하는 경우 어느 정도의 수업효과가 있는지, 그 수업효과가 시연에 익숙한 대상과 그렇지 않은 대상에게 비슷하게 나타나는지를 비교하고자 한다. 시연활용 물리수업에서 학생들의 개념이해도를 측정한 후 그 결과를 비교함으로써 답을 얻고자 하는 연구문제는 아래와 같다.

제안 방법

개념 이해도 평가를 이용하여 강의 전, 후의 결과를 비교하는 것은 학습효과를 평가하는 것 뿐 아니라 문항분석을 통해 학생들의 이해도가 낮은 부분이 어느 곳인지 파악하는데 도움이 된다. 개념이해도 문항분석에서는 먼저 강의 전 정답률이 높은 문항과 낮은 문항, 강의 후 정답률이 높은 문항과 낮은 문항을 먼저 분석하였다. 그리고 강의효과가 높은 문항과 낮은 문항을 다루었는데 강의효과 측정은 문항별 gain, 즉 [G]로 계산하였다.
과연 시연활용 강의수업의 효과가 일반고 출신보다 과학고 출신학생들에게 더 높았는가를 알아보기 위해 두 그룹의 사전검사의 점수를 교정한 사후 성취수준에 대한 공분산분석을 실시하였고, 그 결과는 Table 6과 같다. 교정된 사후 성취수준의 차이를 보면 과학고의 교정된 사후점수 평균이 일반고 학생들의 교정된 사후점수보다 높게 나왔고 유의수준 .
개념이해도 문항분석에서는 먼저 강의 전 정답률이 높은 문항과 낮은 문항, 강의 후 정답률이 높은 문항과 낮은 문항을 먼저 분석하였다. 그리고 강의효과가 높은 문항과 낮은 문항을 다루었는데 강의효과 측정은 문항별 gain, 즉 [G]로 계산하였다. [G]는 수업 전 특정 문항의 정답률이 수업 후 얼마나 향상되었는지를 나타내는 지표이다.
FMCE에서 다루는 주제는 FCI와 비슷하나 FMCE는 운동량 개념이 추가된 것과, 주로 선형 운동과 시각적 표상에 초점을 두었다는 점에서 차이가 있다. 본 연구에 사용된 역학개념이해 평가지는 FCI, FMCE를 발췌, 번역한 것으로 총 36문항이다.
뿐만 아니라 수업 효과 면에서 과학고교 출신 학생들이 일반고교 학생들보다 높은 점수를 보여서 과학고 출신 학생들에게 시연이 활용된 수업의 효과가 더 높은 것으로 나타났다. 본 연구에서는 또한 수업 전과 수업 후 평가한 개념이해도 검사의 결과를 문항별로 분석하였다. 이는 학생들의 선행학습이 이뤄진 개념, 학습효과가 높은 개념, 시연을 활용하여도 이해가 어려운 개념 등을 파악하여 수업개선의 자료를 제공하였다는 의미가 있다.
본 연구의 대상은 2010년 P대학의 일반물리수업을 수강하는 학생 전체이다. 이들을 대상으로 2010년 1, 2학기 초에 강의 전 개념이해도(1학기 역학, 2학기 전자기)를 평가하고, 학기 말 동일한 문제로 강의 후 개념이해도를 평가하였다. 강의 전,후의 자료가 유효한 학생 수는 1학기 228명, 2학기 233명으로 이들의 자료가 분석되었다.

대상 데이터

이들을 대상으로 2010년 1, 2학기 초에 강의 전 개념이해도(1학기 역학, 2학기 전자기)를 평가하고, 학기 말 동일한 문제로 강의 후 개념이해도를 평가하였다. 강의 전,후의 자료가 유효한 학생 수는 1학기 228명, 2학기 233명으로 이들의 자료가 분석되었다. 성별 및 출신고교(과학고, 일반고)에 따른 응답자 분석은 Table 4와 같다.
본 연구의 대상은 2010년 P대학의 일반물리수업을 수강하는 학생 전체이다. 이들을 대상으로 2010년 1, 2학기 초에 강의 전 개념이해도(1학기 역학, 2학기 전자기)를 평가하고, 학기 말 동일한 문제로 강의 후 개념이해도를 평가하였다.
본 연구의 대상이 된 P대학은 일반물리 교수법을 2010년 1학기부터 강의중심수업에서 시연을 활용한 강의수업으로 개선하였다. 학생들의 이해도와 강의 만족도 상승을 목표로 한 시연활용 강의수업을 위해 이 대학은 데모강의실을 구축하고 수업에 필요한 데모기기를 자체 제작해오고 있다.

데이터처리

01). 출신고별로 수업 효과를 알아보기 위해 마찬가지로 paired t-test로 분석하였고, 일반고(t＝14.22, p＜0.01), 과학고(t＝9.99, p＜0.01) 모두 사전, 사후 점수의 차이가 유의하게 나타났다.

이론/모형

본 연구에서는 2010년 2학기에 진행된 데모활용 강의수업의 효과를 알아보기 위해 CSEM (Conceptual Survey in Electricity and Magnetism)을 사용하였다. CSEM은 학생들의 전자기학에 관련된 지식수준을 평가하기 위한 것으로 총 32문항의 다지 선다형으로 이루어져있다.

성능/효과

시연활용 수업은 강의와 함께 그 강의에서 다루는 개념을 잘 설명할 수 있는 시연종목을 강의 당 2-3개 배정하여 실시한다. 단, 시연 종목은 강의 담당 교수에 따라 약간 차이가 있고, 수업당 사용 종목 수 평균은 1.94로 나타났다. 연습문제풀이는 한 분반 당 시연 강의인원의 절반인 40명 정도이고, 50분 연습시간에는 강의 시간에 다루지 못했던 식의 구체적인 증명과정을 보여주거나 문제를 풀는데 사용한다.
데모 수업의 효과를 검증하기 위해 paired t-test로 분석한 결과, 수업 후 역학개념시험 평균점수(30.83점)가 수업 전 역학 개념시험 평균점수(29.06)보다 높았다(t＝7.82, p＜0.01). 이러한 수업 전후의 역학개념 이해도 차이는 일반고와 과학고 출신에게서 모두 나타났다(일반고 t＝5.
01). 데모 수업의 효과를 검증하기 위해 paired t-test로 분석한 결과, 수업 후 전자기 개념시험 전체 점수 평균(30.83)이 수업 전 전자기 개념시험 전체 점수(29.06)보다 통계적으로 유의하게 높았다(t＝17.36, p＜0.01). 출신고별로 수업 효과를 알아보기 위해 마찬가지로 paired t-test로 분석하였고, 일반고(t＝14.
시연강의는 앞서 서론에서 언급한 바와 같이 그 목표가 강의로만 이루어지던 내용을 실제로 시연을 통해 관찰하게 함으로써 학생들의 수업 집중도를 향상시키고, 물리에 대한 흥미를 진작시킴으로 물리 개념에 대한 이해를 도와주는데 있다. 본 연구의 결과를 바탕으로 할 때, P 대학교에서 2010학년도에 처음으로 실시한 시연강의는 소기의 목적을 달성했다고 평가할 수 있다. 특히 80명 규모의 강의임에도 불구하고, 전자기 개념의 경우 0.
연구대상이 된 P대학 학생들의 경우에 출신고교(일반고, 과학고)에 따라 이해도의 차이가 있어서 일반고교 출신과 과학고교 출신의 학생들 사이에는 기본 물리 개념에 대한 사전 지식의 차이가 있음이 확인됐다. 뿐만 아니라 수업 효과 면에서 과학고교 출신 학생들이 일반고교 학생들보다 높은 점수를 보여서 과학고 출신 학생들에게 시연이 활용된 수업의 효과가 더 높은 것으로 나타났다. 본 연구에서는 또한 수업 전과 수업 후 평가한 개념이해도 검사의 결과를 문항별로 분석하였다.
본 연구는 P대학의 일반물리 수업개선의 사례를 통해 시연 중심의 물리 수업이 학생들의 물리 개념 이해도 증진에 어떤 영향을 미쳤는지 파악하는 것을 목적으로 시연이 활용된 역학과 전자기학 수업 전후의 이해도 증진 정도를 평가하였다. 역학개념 이해도검사와 전자기학개념 이해도검사를 사용하여 평가한 결과, 전통적인 수업에 시연을 활용한 시연활용 수업이 강의로만 진행하는 전통적인 강의중심 수업보다 학생들의 이해도 증진을 돕는 것으로 나타났다. 이러한 수업효과는 특히 중등과정에서 선행학습이 이뤄진 역학부분 보다는 전자기학의 경우 더 높게 나타났다.
수업효과를 측정하기 위해 Hake가 소개한 [g]를 이용하였는데, 이것은 물리교육연구자들 사이에서 새로운 교수법의 효과를 알아보기 위해 널리 사용되는 방법이다. 연구 결과 시연을 사용한 물리학 수업의 효과가 기존 연구에서 밝혀진 전통적인 강의 중심 수업에 비해 향상된 것으로 나타났으며, 기초지식이나 시연의 경험이 많은 과학고 학생들에게 더 높은 것으로 나타났다. 또한 강의 전, 후 문항별 정답률을 비교하여 얻은 [G]를 도입하여 특정 개념에 대한 이해정도를 파악함으로써 향후 강의 개선에 이용할 수 있음을 제안하였다.
연구대상이 된 P대학 학생들의 경우에 출신고교(일반고, 과학고)에 따라 이해도의 차이가 있어서 일반고교 출신과 과학고교 출신의 학생들 사이에는 기본 물리 개념에 대한 사전 지식의 차이가 있음이 확인됐다. 뿐만 아니라 수업 효과 면에서 과학고교 출신 학생들이 일반고교 학생들보다 높은 점수를 보여서 과학고 출신 학생들에게 시연이 활용된 수업의 효과가 더 높은 것으로 나타났다.
전자기 사전 개념시험 점수를 보면 전체 평균 20.23이며 일반고 출신 학생들의 경우는 19.19, 과학고 출신 학생들은22.43으로, 과학고 출신 학생들의 사전 점수가 더 높게 나왔다(t＝4.98, p＜0.01). 데모 수업의 효과를 검증하기 위해 paired t-test로 분석한 결과, 수업 후 전자기 개념시험 전체 점수 평균(30.
이러한 수업효과는 특히 중등과정에서 선행학습이 이뤄진 역학부분 보다는 전자기학의 경우 더 높게 나타났다. 전자기학 개념이해도 검사인 CSEM 검사를 통해 시연 중심 물리 수업의 효과를 측정한 결과 [g]가 0.46으로 나타났는데 이는 Interactive Engagement방식, Workshop Physics방식 등의 수업효과와 비슷한 수준인 것으로 나타났다.
학생의 출신고별 자료에서는 역학 개념과 전자기 개념의 이해도 두 가지 모두 일반 고등학교 졸업생보다는 과학 고등학교 졸업생의 경우에 더 향상된 것으로 나타났다. 과학 고등학교 졸업생들의 [g]가 더 높게 나타난 것은 기초 지식이 있는 경우와 시연활동에 익숙한 경우 시연활용 강의수업의 학습 효과가 더 높다 할 수 있다.

후속연구

과학 고등학교 졸업생들의 [g]가 더 높게 나타난 것은 기초 지식이 있는 경우와 시연활동에 익숙한 경우 시연활용 강의수업의 학습 효과가 더 높다 할 수 있다. 따라서 일반 고등학교 출신 학생들 중에서 물리 기초지식이 충분하지 않은 학생들을 대상으로 한 예비 강의, 개별적 시연활동의 기회 제공, 수업 전 기초지식 확인활동 등을 병행한다면 시연을 활용한 강의의 효과가 더 높아지리라 기대할 수 있다.
본 연구는 시연 중심 교수법의 효과를 국내 대학생을 대상으로 연구한다는 의미가 있으며, 그 이해를 바탕으로 새로운 교수법의 도입이 일회성 교육방법 변화시도에서 멈추지 않고, 체계적인 수업개선으로 연결되는 토대를 마련할 것으로 기대된다.
본 연구는 시연활용 물리수업의 효과를 분석하면서 통제집단없이 선행연구에 나타난 기존의 수업, 즉 전통적인 강의중심 물리수업의 효과와 간접비교를 하였다는 한계가 있다. 그러나 본 연구는 국내 대학에서 물리교육연구를 시도하였음에 의미를 찾을 수 있다.
향후 후속연구에서는 시연활용 물리수업의 효과적인 운영에 대한 검토가 이뤄져야 하겠으며, 본 연구에서 다루지 않았던 정의적인 부분에서의 학습효과(예, 학생만족도, 물리학습에 대한 동기부여 등)에 대한 평가도 이어져야 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	개념 이해도 평가를 이용하여 강의 전, 후의 결과를 비교하는 것은 어떤 장점이 있는가?	개념 이해도 평가를 이용하여 강의 전, 후의 결과를 비교하는 것은 학습효과를 평가하는 것 뿐 아니라 문항분석을 통해 학생들의 이해도가 낮은 부분이 어느 곳인지 파악하는데 도움이 된다. 개념이해도 문항분석에서는 먼저 강의 전 정답률이 높은 문항과 낮은 문항, 강의 후 정답률이 높은 문항과 낮은 문항을 먼저 분석하였다.
	시연을 활용한 일반물리 수업의 효과를 파악하기 위해 수업 수강 전과 후에 동일한 개념이해도 평가지를 이용하여 학생들의 개념이해도를 비교한 결과는 어떠한가?	수업효과를 측정하기 위해 Hake가 소개한 를 이용하였는데, 이것은 물리교육연구자들 사이에서 새로운 교수법의 효과를 알아보기 위해 널리 사용되는 방법이다. 연구 결과 시연을 사용한 물리학 수업의 효과가 기존 연구에서 밝혀진 전통적인 강의 중심 수업에 비해 향상된 것으로 나타났으며, 기초지식이나 시연의 경험이 많은 과학고 학생들에게 더 높은 것으로 나타났다. 또한 강의 전, 후 문항별 정답률을 비교하여 얻은 를 도입하여 특정 개념에 대한 이해정도를 파악함으로써 향후 강의 개선에 이용할 수 있음을 제안하였다.
	FCI는 무엇인가?	역학 개념이해도 평가에 사용된 FCI(Force Concept Inventory)는 Hestenes, Wells, Swackhamer에 의해 1992년에 처음 만들어지고 1995년에 Halloun와 그 동료들에 의해 수정을 거쳐 현재 미국에서 가장 널리 사용되고 있는 개념이해도 평가도구이다. 이 도구는 주로 뉴턴 운동 법칙에 관련된 개념을 다루고 있다.

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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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