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문제 정의
- 이재석과 이봉우(2010)는 초·중등 학생을 대상으로 물속에 있는 물체가 뜨고 가라앉는 현상에 대한 예상하는 문제로 부력의 존재의 인식을 조사하였고, 물위에 떠 있는 크기가 다른 나무도막에 작용하는 힘을 표시하여 부력의 크기에 영향을 주는 요인에 대한 학생의 인식을 조사하였다. 그리고, 아르케메데스의 왕관 일화에서의 부력 개념을 적용할 수 있는지를 조사하였다. 부력과 중력의 합력으로 물체를 운동하는 학생은 많지 않았고, 나무도막이 떠있는 경우, 나무도막에 작용하는 부력이 중력보다 크다고 응답하는 학생이 많았다.
- 부피가 같고 무게가 다른 물체가 물속에 잠겼을 때, 무게가 줄어드는 정도(즉 부력의 크기)를 질문하는 문항에 대한 학생들의 선개념은 에 제시하였다.
- 이형철과 이순자(2000)는 초등학교 교사들의 부력개념 이해도를 조사하였는데, 정답률이 약54%였다. 이 연구에서는 초등학교 교사들의 연수의 필요성 및 개념 변화 전략수립의 중요성을 제시하였다. 구정회(2002)의 연구에서는, 초등학교 교사들은 물속에서의 무게 개념에 대한 이해정도가 낮았으며, 물체가 물속에 잠기는 깊이, 물체의 모양, 무게, 부피 등이 부력의 크기에 영향을 준다고 생각하는 교사들이 많았다.
제안 방법
- 3. 물속에서 가벼워진 물체의 무게와 밀어낸 물의 무게 비교하기’를 토대로 아홉 문항을 선정하였다.
- 개발한 부력 개념 검사지를 석사과정 중인 교사 1인, 박사과정 1인, 물리교육 전공 교수 1인의 조언을 토대로 1차 수정하였다. 각 문항은 부력의 존재 알기(1번), 부력의 크기에 영향을 주는 요인 7 문항; 물체의 밑면의 넓이와 부력과의 관계(2번), 물체의 모양과 부력과의 관계(3번), 물체가 물에 잠긴 깊이와 부력과의 관계(4번), 물의 양과 부력과의 관계(5번), 물에 잠긴 정도와 부력과의 관계(6번), 물체의 부피와 부력과의 관계(7번), 물체의 무게와 부력간의 관계(8번) 그리고 대체된 유체의 양과 부력과의 관계(9번)를 묻는 문항으로 구성되었다.
- 정답선택률을 먼저 분석하고, 응답 이유를 분석하여 학생들의 선개념 유형을 분류하였다. 그리고, 학생들의 선개념을 과학적 개념, 부분 과학적 개념, 비과학적 개념, 무응답으로 분류하였다. 답지 선택을 정답으로 하였다고 하더라도, 응답 이유를 과학적으로 서술하지 않은 학생은 비과학적 개념으로 분류하였다.
- 각 문항은 부력의 존재 알기(1번), 부력의 크기에 영향을 주는 요인 7 문항; 물체의 밑면의 넓이와 부력과의 관계(2번), 물체의 모양과 부력과의 관계(3번), 물체가 물에 잠긴 깊이와 부력과의 관계(4번), 물의 양과 부력과의 관계(5번), 물에 잠긴 정도와 부력과의 관계(6번), 물체의 부피와 부력과의 관계(7번), 물체의 무게와 부력간의 관계(8번) 그리고 대체된 유체의 양과 부력과의 관계(9번)를 묻는 문항으로 구성되었다. 부력의 존재를 알고, 부력의 크기와 관련 있는 변인에 대해 학생들이 알고 있는지를 검사하는 문항으로, 답지 선택 후, 응답 이유를 같이 진술하게 하였다. 첫 번째 문항과 마지막 문항을 제외한 일곱 문항은 부력의 크기와 관계된 요인을 아는가를 알아보기 위한 것이었다.
- 첫 번째 문항과 마지막 문항을 제외한 일곱 문항은 부력의 크기와 관계된 요인을 아는가를 알아보기 위한 것이었다. 석사과정 중인 교사 3인, 박사과정 1인, 물리교육 전공 교수 2인이 내용타당도 검사를 실시하여 부력 개념 문항을 수정 보완하였다. 검사 도구는 <표 1>과 같이 구성하였다.
- 유체가 물체를 떠 받쳐주는 힘을 부력이라고 배운 학생들은 밑면적이 클수록 부력이 크다는 생각을 가질 수 있다. 이 문항에서는 모양, 부피, 무게가 같은 2개의 원뿔 모양의 물체를 물에 넣는 방향을 다르게 하였을 때의 무게를 비교하게 함으로써, 물체의 밑면적과 부력의 크기와의 관계에 대한 인식을 조사하였다. 학생들의 선개념은 <표 3>에 제시하였다.
- 물에 잠긴 물체의 깊이에 따라 부력의 크기가 달라진다는 응답이었다. 이 연구에서 학생들은 수압과 부력을 구분하지 않고 수압으로 부력을 설명하였다. 즉, 학생들은 수압의 차이에 의해서가 아니라, 수압에 의해 부력이 생긴다고 생각하고 있었다.
- 2007년 개정 과학과 교육과정 중학교 1학년에서 부력 개념을 학습한 학생을 대상으로 부력에 대한 선개념을 알아볼 필요가 있다. 이 연구에서는 중학생들의 부력의 존재 인식, 부력과 관계있는 요인 인식(물체의 밑면적의 넓이, 물체가 물속에 잠긴 깊이, 물체가 잠긴 물의 양, 물체의 부피, 물체의 무게) 그리고 밀려난 유체의 무게와 부력과의 관계 인식에 대한 응답 이유를 분석하였다. 이 결과를 통하여, 학생들의 부력 현상에 대한 해석과 부력의 크기와 관련되는 요인 인식 등에 대해 파악할 수 있을 것이다.
- 연구대상 140명 중 한 문제라도 답하지 않은 학생 8명을 제외한 132명에 대해 분석하였다. 정답선택률을 먼저 분석하고, 응답 이유를 분석하여 학생들의 선개념 유형을 분류하였다. 그리고, 학생들의 선개념을 과학적 개념, 부분 과학적 개념, 비과학적 개념, 무응답으로 분류하였다.
- 중학생들의 부력 개념 검사에서 응답 이유를 분석한 결과 대부분의 학생이 부력의 존재는 알고 있었으나, 부력의 크기에 영향을 주는 요인에 대하여는 바르게 인식하지 못하고 있었다. 학생들은 경험했던 현상으로 응답 이유를 서술하거나, 부력 대신 힘, 압력, 수압 등의 용어를 사용하여 서술하였다. 중학생들의 부력에 대한 선개념 유형을 보면, 물속에 들어가는 물체의 모양과 관련하여, 밑면적이 넓을수록 부력이 크다는 유형, 표면적이 넓을수록 부력이 크다는 유형이 있었고 수압과 부력을 구분하지 못하고 수압이 클수록 부력이 크다는 유형, 물체의 무게만큼 부력이 작용한다고 생각하는 유형, 물속에서는 중력이 작아진다고 생각하는 유형 등으로 분류할 수 있었다.
- 조사를 실시하기 전 편안한 마음을 갖도록 하고, 성적과는 무관하다는 것을 주지시켰다. 학생들이 문제 상황을 이해하지 못하는 경우가 없도록, 문제 상황에 대한 설명을 해 준 뒤, 답지 선택과 응답 이유를 적도록 하였다.
대상 데이터
- 물체의 무게와 부력은 무관하다고 응답한 학생은 47명이였으며, 그 중 17명이 ‘부피가 같으면 물속에서 무게가 줄어드는 정도는 같다’와 같은 과학적 개념으로 응답하였다.
- 연구 대상은 부산광역시에 소재한 7학년 4학급, 남학생 72명, 여학생 68명 총140명이다. 이 학생들은 ‘힘과 운동’ 영역에서, 중력, 전기력, 자기력, 마찰력, 탄성력, 부력 등의 여러 가지 힘에 대해 학습하는 과정에서 힘의 한 종류로써 부력 개념을 학습한 학생들이다.
- 이 학생들은 ‘힘과 운동’ 영역에서, 중력, 전기력, 자기력, 마찰력, 탄성력, 부력 등의 여러 가지 힘에 대해 학습하는 과정에서 힘의 한 종류로써 부력 개념을 학습한 학생들이다. 연구대상 140명 중 1문제라도 답하지 않은 학생 8명을 제외한 남학생 68명, 여학생 64명, 총 132명의 응답을 분석하였다.
- 연구대상 140명 중 한 문제라도 답하지 않은 학생 8명을 제외한 132명에 대해 분석하였다. 정답선택률을 먼저 분석하고, 응답 이유를 분석하여 학생들의 선개념 유형을 분류하였다.
- 3%였다. 정답을 한 학생 119명 중 비과학적 사고를 가진 학생이 42명이었다. 물속에서는 수압(압력, 중력 등)이 크기 때문에 물속에서의 무게가 가볍다고 생각하는 학생이 있는 반면에 수압(압력, 중력 등) 이 약해서 가볍다고 생각하는 학생도 있었다.
성능/효과
- 비과학적 개념 중 1～2명의 학생의 응답 유형이나, 관계를 설명하지 않고 단순 용어의 나열과 같은 응답은 기타로 분류하였다. 물속과 공기 중에서 물체의 무게를 비교하는 문항의 정답선택률은 90.2%로 높게 나타났다. 그러나, ‘물속에서 부력이 작용하여 공기 중 무게보다 가볍다’고 과학적으로 응답한 학생은 전체 학생 중 29.
- 권도현과 권성기(2000)는 초등학교 6학년을 대상으로 부력 개념형성과 인지수준의 관계를 조사하였다. 물에 뜨고 가라않는 것을 구분하는 문항, 물체의 크기, 무게 구성 물질에 따른 뜨고 가라앉는 현상에 대한 문항, 무게와 재질이 같은 공모양과 배모양에 따른 뜨고 가라앉는 것을 묻는 문항, 잠긴 정도에 따른 물체의 무게 변화를 묻는 문항에 대해 과학적으로 응답한 비율은 각각 2.2%, 2.0%, 5.7%, 14.6%이었다. 이은주(2003)의 연구에서는 초등학교 6학년 학생들이 부력 개념에 대한 응답에 일관성이 없으며, 물체의 무게, 물체의 재질, 공기의 유무 등으로 부력의 크기를 설명하였다.
- 이은주(2003)의 연구에서는 초등학교 6학년 학생들이 부력 개념에 대한 응답에 일관성이 없으며, 물체의 무게, 물체의 재질, 공기의 유무 등으로 부력의 크기를 설명하였다. 이 연구에서는 장독립적 학생이 장의존적 학생에 비해 과학적 개념 형성 수준이 유의미하게 높게 나타났다는 것을 보여주었다. 서윤정(2006)은 초등학교 6 학년생은 부력과 압력 개념을 정확히 구분하지 못하며, 부력과 관련된 변인을 압력과 관련지어 해석하거나 경험에 의존하여 눈에 보이는 물체의 모양이나 물의 양을 부력과 압력의 변인으로 잘못 알고 있다고 하였다.
- 즉, 부력과 압력, 압력의 차를 구별하지 못하였기 때문에 압력이 클수록 부력이 크다고 응답을 하였고, 부력의 크기에 영향을 주는 변인을 찾지 못한 것으로 보인다. 이러한 결과를 통하여, 부력을 학습하기 전에, 압력, 수압에 대한 학습이 필수적이며, 부력이 생기는 원인을 수압과 수압의 차와 관련지어 학습할 수 있도록 해야 함을 알 수 있었다.
- 학생들은 경험했던 현상으로 응답 이유를 서술하거나, 부력 대신 힘, 압력, 수압 등의 용어를 사용하여 서술하였다. 중학생들의 부력에 대한 선개념 유형을 보면, 물속에 들어가는 물체의 모양과 관련하여, 밑면적이 넓을수록 부력이 크다는 유형, 표면적이 넓을수록 부력이 크다는 유형이 있었고 수압과 부력을 구분하지 못하고 수압이 클수록 부력이 크다는 유형, 물체의 무게만큼 부력이 작용한다고 생각하는 유형, 물속에서는 중력이 작아진다고 생각하는 유형 등으로 분류할 수 있었다.
- Novak (1977)은 뜨고 가라앉는 현상의 학습은 무게와 부피의 보존개념이 형성된 후에 이루어져야 된다고 보고, 14, 15세 33명을 대상으로 학생들의 선개념을 조사하였다. 학생들은 물체의 구멍이 있느냐 없느냐의 여부, 공기가 있고 없고의 여부, 무겁고 가벼운 정도로 생각하는 것으로 뜨고 가라앉는 현상을 설명하는 것으로 나타났다. Stepans, Beiswenger, & Dyche (1986)은 재질과 모양이 다른 12개의 물체를 물에 넣었을 때 일어나는 현상을 예상하게 한 결과 중, 고, 대학생 간의 이해에는 차이가 거의 없었다고 하였다.
- 5%)보다는 높게 나타났다. 학생들은 부력의 존재에 대해서는 잘 알고 있었고, 물체가 물에 잠긴 부피가 클수록 부력의 크기가 크다는 것에 대해서는 알고 있었다. 비과학적으로 응답한 학생은 부력과 압력의 용어를 구분하지 않고 사용하거나, 물속에서 중력이 작아진다는 응답을 하였다.
후속연구
- 이 연구 결과로부터 중학생들의 부력에 영향을 주는 요인과 관련된 선개념을 파악하여, 부력 개념의 교수 학습에서의 주의점을 찾을 수 있을 것이다. 또한 차기 교육과 정에서 제시할 개념 선정에 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 이 연구에서는 중학생들의 부력의 존재 인식, 부력과 관계있는 요인 인식(물체의 밑면적의 넓이, 물체가 물속에 잠긴 깊이, 물체가 잠긴 물의 양, 물체의 부피, 물체의 무게) 그리고 밀려난 유체의 무게와 부력과의 관계 인식에 대한 응답 이유를 분석하였다. 이 결과를 통하여, 학생들의 부력 현상에 대한 해석과 부력의 크기와 관련되는 요인 인식 등에 대해 파악할 수 있을 것이다. 이 연구 결과로부터 중학생들의 부력에 영향을 주는 요인과 관련된 선개념을 파악하여, 부력 개념의 교수 학습에서의 주의점을 찾을 수 있을 것이다.
- 그리고, 힘의 한 종류로서 부력 개념을 가르칠 것이 아니라, 부력의 크기에 영향을 주는 다양한 변인을 탐색하는 과정을 거치게 할 필요가 있다. 이 연구 결과로 보아 새 교육과정을 개정할 때, 부력을 압력과 혼동하지 않도록 물속에서 물체에 작용하는 압력의 방향과 크기 등에 대해 먼저 학습할 수 있도록 구성하여야 할 것으로 보인다. 또한, 부력이 생성되는 원인에 대해 탐색할 수 있도록 구성해야 할 것으로 판단된다.
- 이 결과를 통하여, 학생들의 부력 현상에 대한 해석과 부력의 크기와 관련되는 요인 인식 등에 대해 파악할 수 있을 것이다. 이 연구 결과로부터 중학생들의 부력에 영향을 주는 요인과 관련된 선개념을 파악하여, 부력 개념의 교수 학습에서의 주의점을 찾을 수 있을 것이다. 또한 차기 교육과 정에서 제시할 개념 선정에 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
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