창의적 과학자 토마스 영(T. Young)의 빛의 간섭 이론 형성과정에서의 비유추론을 통한 문제해결과 과학창의성 교육적 함의 Thomas Young's Problem Solving through Analogical Reasoning in the Process of Light Inference Theory Formation and Its Implications for Scientific Creativity Education원문보기
본 연구에서는 토마스 영(T. Young)이 빛의 간섭 이론을 형성하는 과정에서 보인 창의적 사고과정을 분석하여 과학교육 특히 과학을 통한 창의성 교육에 대한 시사점을 도출하는 데 목적을 두었다. 이를 위해 영(Young)이 직접 집필한 빛의 간섭 이론에 대한 논문을 분석하는 문헌분석의 연구방법을 적용하였다. 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 영은 소리와 빛의 유사성을 추론하는 과정에서 비유추론을 사용했으며, 이 과정에서 영의 예리한 관찰력을 볼 수 있다. 둘째, 영은 파장이 같은 두 물결파가 나타내는 파동의 간섭 현상으로부터 귀추하여, 같은 근원의 두 빛이 어떤 거리에서 중첩될 때 밝고 어두운 연속적 무늬를 나타낼 수 있음을 추론하고 빛의 간섭 현상을 설명하는 가설을 설정하게 된다. 그리고 실험 장치를 개발하여 이를 증명하였으며 이것은 빛이 파동임을 증명하는 결정적인 실험이 된다. 이것으로부터 전혀 다를 것 같은 소리와 빛 사이의 유사성을 영이 발견한 것도 창의적이지만 그 유사성을 좀 더 높은 수준의 '파동성'으로 추론한 것뿐만 아니라 동일한 빛이 갈라졌다가 만날 때 밝고 어두운 무늬를 보이는 현상이 두 물결파가 만나 보강과 소멸을 보이는 현상과 동일한 이론으로 설명될 수 있음을 추론하여 빛의 간섭 현상을 설명하는 가설을 추론한 것 또한 성공한 귀추의 하나로 중요한 창의성 발현에 속한다. 끝으로 영은 물결파의 간섭현상을 보이기 위해 실험 장치를 고안하였으며, 파동의 중첩을 쉽게 설명하기 위해 슬라이더 장치를 고안하였다. 또한 빛의 간섭 현상을 보이기 위한 이중 슬릿 실험 장치를 고안하였다. 이상과 같이 영의 빛의 간섭 이론을 형성하는데 활용한 비유추론과 간섭 현상을 보이기 위한 실험 장치는 과학교육에서 창의성 교육에 적절히 활용할 수 있는 교육방법과 실험설계이다.
본 연구에서는 토마스 영(T. Young)이 빛의 간섭 이론을 형성하는 과정에서 보인 창의적 사고과정을 분석하여 과학교육 특히 과학을 통한 창의성 교육에 대한 시사점을 도출하는 데 목적을 두었다. 이를 위해 영(Young)이 직접 집필한 빛의 간섭 이론에 대한 논문을 분석하는 문헌분석의 연구방법을 적용하였다. 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 영은 소리와 빛의 유사성을 추론하는 과정에서 비유추론을 사용했으며, 이 과정에서 영의 예리한 관찰력을 볼 수 있다. 둘째, 영은 파장이 같은 두 물결파가 나타내는 파동의 간섭 현상으로부터 귀추하여, 같은 근원의 두 빛이 어떤 거리에서 중첩될 때 밝고 어두운 연속적 무늬를 나타낼 수 있음을 추론하고 빛의 간섭 현상을 설명하는 가설을 설정하게 된다. 그리고 실험 장치를 개발하여 이를 증명하였으며 이것은 빛이 파동임을 증명하는 결정적인 실험이 된다. 이것으로부터 전혀 다를 것 같은 소리와 빛 사이의 유사성을 영이 발견한 것도 창의적이지만 그 유사성을 좀 더 높은 수준의 '파동성'으로 추론한 것뿐만 아니라 동일한 빛이 갈라졌다가 만날 때 밝고 어두운 무늬를 보이는 현상이 두 물결파가 만나 보강과 소멸을 보이는 현상과 동일한 이론으로 설명될 수 있음을 추론하여 빛의 간섭 현상을 설명하는 가설을 추론한 것 또한 성공한 귀추의 하나로 중요한 창의성 발현에 속한다. 끝으로 영은 물결파의 간섭현상을 보이기 위해 실험 장치를 고안하였으며, 파동의 중첩을 쉽게 설명하기 위해 슬라이더 장치를 고안하였다. 또한 빛의 간섭 현상을 보이기 위한 이중 슬릿 실험 장치를 고안하였다. 이상과 같이 영의 빛의 간섭 이론을 형성하는데 활용한 비유추론과 간섭 현상을 보이기 위한 실험 장치는 과학교육에서 창의성 교육에 적절히 활용할 수 있는 교육방법과 실험설계이다.
The study aims to analyze Thomas Young's problem solving processes of analogical reasoning during the formation of the interference theory of light, and to draw its implications for secondary science education, particularly for enhancing creativity in science. The research method employed in the stu...
The study aims to analyze Thomas Young's problem solving processes of analogical reasoning during the formation of the interference theory of light, and to draw its implications for secondary science education, particularly for enhancing creativity in science. The research method employed in the study was literature review of the papers which Young himself had written about sound wave and property of light. His thinking processes and specific features in his thought that were obtained through analysis of his papers about light are as follows: Young reconsidered Newton's experiments and observations, and reinterpreted Newton's results in the new viewpoints. Through this analysis, Young discovered that Newton's interpretation about his own experiments and observations was faulty in a certain point of view and new interpretation is necessary. Based on the data, it is hypothesized that colors observed on thin plates and colors appeared repeatedly on Newton's ring are appeared because of the effect of light interference. Young used analogical reasoning during the process of inference of similarity between sound and light. And he formulated an hypothesis on the interference of light through using abductive reasoning from interference of water wave, and proved the hypothesis by constructing an creative experimental device, which is called a critical experiment. It is implicated that the analogical reasoning and experimental devices for explaining the light interference which Young created and used can be utilized for school science education enhancing creativity in science.
The study aims to analyze Thomas Young's problem solving processes of analogical reasoning during the formation of the interference theory of light, and to draw its implications for secondary science education, particularly for enhancing creativity in science. The research method employed in the study was literature review of the papers which Young himself had written about sound wave and property of light. His thinking processes and specific features in his thought that were obtained through analysis of his papers about light are as follows: Young reconsidered Newton's experiments and observations, and reinterpreted Newton's results in the new viewpoints. Through this analysis, Young discovered that Newton's interpretation about his own experiments and observations was faulty in a certain point of view and new interpretation is necessary. Based on the data, it is hypothesized that colors observed on thin plates and colors appeared repeatedly on Newton's ring are appeared because of the effect of light interference. Young used analogical reasoning during the process of inference of similarity between sound and light. And he formulated an hypothesis on the interference of light through using abductive reasoning from interference of water wave, and proved the hypothesis by constructing an creative experimental device, which is called a critical experiment. It is implicated that the analogical reasoning and experimental devices for explaining the light interference which Young created and used can be utilized for school science education enhancing creativity in science.
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문제 정의
이러한 내용을 과학수업에 활용하게 되면, 학생들은 새로운 과학 개념을 발견한 역사적 사실의 중요성뿐만 아니라 새로운 과학 실험 방법을 고안하는 것이 얼마나 창의적이고 중요한가 하는 것을 깨닫게 될 것이다. 따라서 본 연구에서는 토마스 영의 논문들을 분석하여 그 사고 과정을 정리하고, 이러한 내용이 창의성을 신장시키는 과학교육에 대해 어떤 시사점을 제시할 수 있는지를 논의하고자 한다.
영이 비유추론을 많이 사용한 것을 알게 된 것은 1804년에 쓴 자신의 논문에 대한 비평가들의 비판을 반박하는 논문을 읽고서였다. 이 논문에는 그가 뉴턴의 논문을 얼마나 분석적으로 읽었는지에 대해, 그리고 빛을 소리 및 물결파와 비유하게 되는 과정 등에 대해 간략하게 소개되어 있다. 이후 우리 연구진은 그 논문에 등장하는 영의 논문들을 수집하여 비유추론의 과정을 중심으로 읽었으며, 영의 논문들을 분석하고 정리하는 과정에서 논문 해석의 오류 가능성을 최대한 줄이기 위해 각 논문 내용에 대해 대학 연구실 세미나를 통해 논의하였고, 영의 논문들을 해석한 2차 논문들을 참고로 하였다.
이러한 영의 저술은 논문뿐만 아니라 강의를 정리한 기록도 잘 보관되어 있다. 이들 중에서 본 연구에서는 영이 1800년에서 1807년에 걸쳐 소리와 빛에 대해서 발표한 논문들을 분석하였다. 분석에 사용한 논문 목록과 개요는 <표 1>과 같다.
영은 이 과정에서 빛의 간섭에 대한 이론을 형성해 간다. 이와 같은 토마스 영의 탐구과정과 그 속에서 나타나는 과학적 사고 과정을 분석하여 창의성을 효율적으로 신장시킬 수 있는 과학교육에 대한 방법을 논의하고자 한다.
622). 이처럼 영은 빛도 회절 하지만 그 정도가 매우 적어서 빛이 직진하는 것처럼 보인다고 설명함으로써 빛이 파동일 수 있다는 근거와 가능성을 제시하였다.
가설 설정
넷째, 영은 파장이 같은 두 물결파가 나타내는 파동의 간섭 현상으로부터 귀추하여, 같은 근원의 두 빛이 어떤 거리에서 중첩될 때 밝고 어두운 연속적 무늬를 나타낼 수 있음을 추론하고 빛의 간섭 현상을 설명하는 가설을 설정하게 된다. 그리고 실험 장치를 개발하여 이를 증명하였으며 이것은 빛이 파동임을 증명하는 결정적인 실험이 된다.
제안 방법
셋째, 영은 물결파의 간섭현상을 보이기 위해 실험 장치를 고안하였으며, 파동의 중첩을 쉽게 설명하기 위해 조화 슬라이더 장치를 고안하였다. 또한 빛의 간섭 현상을 보이기 위한 이중 슬릿 실험 장치를 고안하였다. 이들은 현대 과학교육에서도 널리 쓰이거나 쓰일 수 있는 창의적 실험 설계들이다.
셋째, 영은 물결파의 간섭현상을 보이기 위해 실험 장치를 고안하였으며, 파동의 중첩을 쉽게 설명하기 위해 조화 슬라이더 장치를 고안하였다. 또한 빛의 간섭 현상을 보이기 위한 이중 슬릿 실험 장치를 고안하였다.
분석에 사용한 논문 목록과 개요는 <표 1>과 같다. 이 논문들을 분석한 결과를 중심으로 하여, 소리와 빛에 대한 유사성을 추론하는 사고과정, 뉴턴 입자설의 오류를 발견하는 과정, 입자설과 파동설의 비교우위 논증 과정, 빛의 간섭현상의 가설 형성 과정 및 이를 증명하는 실험 설계 과정에서 나타나는 특징을 추출하였다.
이 논문에는 그가 뉴턴의 논문을 얼마나 분석적으로 읽었는지에 대해, 그리고 빛을 소리 및 물결파와 비유하게 되는 과정 등에 대해 간략하게 소개되어 있다. 이후 우리 연구진은 그 논문에 등장하는 영의 논문들을 수집하여 비유추론의 과정을 중심으로 읽었으며, 영의 논문들을 분석하고 정리하는 과정에서 논문 해석의 오류 가능성을 최대한 줄이기 위해 각 논문 내용에 대해 대학 연구실 세미나를 통해 논의하였고, 영의 논문들을 해석한 2차 논문들을 참고로 하였다.
첫 번째 논문은 소리에 대해 실험한 결과와 소리와 빛의 관계를 논의한 내용으로, ‘소리와 빛에 대한 실험과 탐구에 대한 개요 Outlines of Experiments and Inquiries Respecting Sound and Light’이며, 두 번째 논문은 악기에서 나타나는 서로 다른 진동수를 실험하고 논의하는 내용으로, ‘음악에 대한 에세이 An Essay on Music’이다.
성능/효과
끝으로, 영은 그의 탐구 과정에서 뉴턴이 당시 대단히 권위 있는 과학자임에도 그 권위에 순응하지 않고 비판적으로 뉴턴의 글을 해석하였고, 빛의 파동 이론에 대한 논증의 과정에서도 자신의 가설이 유일하지 않을 수 있다는 개방적 마음을 보였다. 이러한 사례들은 과학 교육에서 비판성, 개방성이 무엇인가를 보여주는 자료가 될 수 있으며, 과학에서 비판적 태도, 개방적 태도의 중요성을 보여주는 좋은 사례들이다.
둘째, 과학에서 관찰의 이론의존성을 타파하는 것이 얼마나 중요한가 하는 것을 잘 보여준다. 가느다란 물체에 의해 나타나는 그림자 현상을 뉴턴과 영이 모두 관찰하였지만 뉴턴은 빛의 회절 현상으로 보지 않았고 영은 빛의 회절 현상으로 해석했다는 것이다.
둘째, 영은 빛의 분산과 착색 현상에 대해서 뉴턴의 입자설에서는 매우 복잡한 가정을 요구하며 이러한 복잡한 가정으로도 설명이 잘 되지 않는다고 지적하였다. 그러나 빛의 파동설에서는 빛의 색깔이 빛 에테르의 진동수에 따른다는 것은 얇은 막에서의 색깔과 오르간 파이프의 소리들의 비유에 의해서 추측할 수 있으며(Young, 1800a, pp.
둘째, 영은 소리가 회절 현상을 나타내듯이 빛도 회절 현상을 나타내는 것이 유사하다는 것을 발견했다. 이 과정에서는 영의 예리한 관찰력을 볼 수 있다.
셋째, 빛이 일부는 투과 또는 굴절하고 일부는 반사하는 부분 반사 현상은 소리 현상의 경우와 같이 파동으로 설명해야 잘 될 수 있음을 들어 빛이 파동일 수 있음을 비유추론하게 된다.
첫째, 광선의 일부는 반사되고 일부는 투과하는 부분반사 현상을 설명하는 데 있어, 빛의 입자설로는 설명하기가 어렵지만 파동설로는 설명이 가능하다는 것이다. 뉴턴은 부분반사가 빛 입자의 주기적인 지연으로 발생한다고 가정하고 있으나, 영은 이것으로는 광선의 분리가 설명되지 않는다고 보았으며, 반면에 빛의 파동이론에서는 필연적인 결과라고 보았다(Young, 1807b, p.
첫째, 영은 소리와 빛의 유사성을 추론하는 과정에서 비유추론을 사용했음을 알 수 있다. 파이프 오르간에서 파이프의 길이가 배수가 될 때마다 같은 음을 낸다는 것과 뉴턴 링에서 뉴턴 링 아래의 쐐기 부분의 공기층의 두께가 배수가 될 때마다 같은 색을 나타내는 것이 유사하다는 것이다.
첫째, 전혀 다를 것 같은 소리와 빛 사이의 유사성을 영이 발견한 것도 창의적이지만 그 유사성을 좀 더 높은 수준의 ‘파동성’으로 추론한 것은 그 이상의 창의성 발현의 하나로 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광학의 과학적 기초는 언제 정립되었는가?
광학의 과학적 기초는 17세기에 이르러 어느 정도 정립되었다. 1650년대에 발표된 페르마의 ‘최소시간의 원리’는 빛의 직진성, 반사의 법칙, 굴절의 법칙을 유도할 수 있게 했으며, 1678년에 작성되고, 1690년에 출판된 호이겐스(하위헌스)의 ‘빛에 관한 개론 Traite de la lumiere’에는 빛은 파동처럼 운동한다는 호이겐스의 원리가 들어 있다.
토마스 영이 빛의 파동적 성질을 발견하여 과학사에 어떤 변화를 일으켰는가?
이렇듯 당시 빛은 입자설로 설명하는 것이 지배적인 분위기이었으나, 영이 빛에 대한 이중 슬릿 실험의 결과를 발표함으로 인해 빛을 파동설로 설명하게 되는 과학사적 변화를 가져오게 된다. 그러나 영이 실제 빛을 파동으로 설명하게 되는 기반이 무엇이며 빛에 대한 이중 슬릿 실험은 어떤 과정을 거치면서 수행할 수 있게 되었는지의 사고 과정을 상세히 정리해 놓은 자료는 찾기 어렵다.
호이겐스의 원리는 무엇인가?
광학의 과학적 기초는 17세기에 이르러 어느 정도 정립되었다. 1650년대에 발표된 페르마의 ‘최소시간의 원리’는 빛의 직진성, 반사의 법칙, 굴절의 법칙을 유도할 수 있게 했으며, 1678년에 작성되고, 1690년에 출판된 호이겐스(하위헌스)의 ‘빛에 관한 개론 Traite de la lumiere’에는 빛은 파동처럼 운동한다는 호이겐스의 원리가 들어 있다. 그러나 1704년 뉴턴이 빛은 운동하는 입자로 구성되어 있다는 내용을 이론적으로 기술한 책인 ‘광학’을 출간하면서 빛의 입자설은 거의 1세기 이상이나 과학계를 지배하여 호이겐스의 이론을 완전히 압도하고 있었다(Mason, 1962; Serway, 1998).
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Young, T. (1807a). A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts, Vol. I, London: Printed for Joseph Johnson.
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