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문제 정의
- 7차 초등 교육과정에서 볼록렌즈와 오목렌즈의 상이 있었다가 새 교육과정에 상위 학년으로 옮겨진 것도 학생들이 이해하기 힘들기(김대현과 왕경순, 2007) 때문이었다. 따라서 이 연구에서는 교사들이 광선작도 활동을 통해 굴절을 이해하기 쉽도록 시각적 형상화를 돕는 광선작도 활동과 개념을 적용할 수 있는 개념검사문항을 개발하여 동료교수법 수업에 적용한 후, 빛의 굴절에 대한 초등교사와 예비교사의 개념변화 정도를 알아보고자 한다.
- 3이하이면 개념변화가 거의 일어나지 않은 수업이라고 하였다. 본 연구에서는 개념 변화가 적절히 이루어 졌는지 알아보기 위해서 사전검사와 사후검사의 문항을 제작할 때 사후검사의 문항이 조금 더 어렵도록 난이도를 고려하여 검사 문항을 제작하였다.
- 전문가 타당도 검증 과정에서 ‘빨대가 꺾여서 떠 보이는 이유’를 탐구하는 활동을 추가할 것인가의 여부에 대하여 의논하였다.
제안 방법
- 구체적으로 살펴보면 1번 문항의 사전검사는 빛이 물에 닿으면서 굴절되는 개념을 묻는 문제이다. 1번 문항의 사후검사는 선행연구(김선아와 김태규, 2002)에서 빛이 굴절하여 물에서 공기로 나아갈 때 빛의 경로를 정확히 파악하고 있지 못한 선개념에 대해 개념변화가 제대로 일어났는지를 평가하고자 검사문항을 제작하였다. 물속에서 밖으로 보는 것을 머릿속으로 그려야 하기 때문에 사전검사에서 나온 빛의 경로를 반대로도 생각할 수 있어야 한다.
- 2번 문항의 사전검사는 렌즈를 반 가렸을 때의 현상을 묻는 것이며 볼록렌즈를 통과한 빛의 경로를 제대로 이해하고 있어야 하는 문제이다. 2번 문항의 사후검사는 사전검사와 달리 위, 아래를 모두 가렸을 때 빛의 경로를 물음으로써 개념변화가 일어났는지를 평가하였다.
- 일반적으로 렌즈를 통과한 빛을 광선작도할 때 렌즈의 측면에서 빛의 진행과정을 그리기 때문에 렌즈를 통과한 빛이 스크린에 도달하였을 때 어떻게 보일 것인지를 잘 생각하여 보지 않는다. 개념검사문항은 렌즈를 통과한 빛의 진행과정을 잘 학습하였는지 확인하기 위하여 점광원과 오목렌즈, 스크린을 일직선상에 배치하였을 때 스크린이 비치는 모습을 찾도록 구성하였다(그림 8).
- 이 연구에서는 이를 위하여 광선작도 활동이 포함된 동료교수법 교사연수 프로그램을 개발하여 초등교사와 예비교사에게 적용하였다. 개념을 학습한 이후에는 직접 손으로 광선을 그리지 않고도 머릿속으로 빛의 진행경로를 형상화할 수 있도록 정착화하는 과정이 필요한데, 이 연구에서는 이를 위하여 동료교수법을 적용하였다. 상호 토론 과정에서 그림을 사용하거나 혹은 머릿속으로 형상화하는 연습을 하게 된다.
- 개발된 교사연수 자료의 전문가 타당도 검증과 수정 과정에는 물리교육전문가 1명과 현직 교사인 과학교육 석․박사 과정 대학원생 5명이 참여하였다. 개발된 교사연수 프로그램을 표 3과 같이 과학교사 전문성 신장 연수와 교육대학원 강의 등 총 4회에 걸쳐 예비 투입하였다. 이러한 예비 투입 과정을 거친 이유는 교사연수 자료가 프로그램 개발과 검증 의도와 다르게 받아들여질 수 있기 때문이다(Ding et al.
- 그 후, 이 교사연수 자료를 통한 개념 변화의 정도를 측정할 수 있는 사전·사후 검사 문항을 개발하였다.
- 이러한 개발 방향에 따라 전체적인 수업의 흐름은 기본적으로 동료교수법의 방식을 따라서 광선작도 활동을 포함한 미니강의, 개념 검사문항 제시, 투표, 동료토론, 재투표, 확인의 순으로 내용을 조직하였다(Mazur, 1997). 그리고 내용의 특징에 맞게 미니강의에서 광선작도 활동이 들어가거나 강의 없이 문제를 풀고 이에 대한 내용을 광선작도로 익히는 방식으로 동료교수법을 변형하여 구성하였다. 특히 개념검사문항을 각 단계별 개념에 맞게 삽입하여 개념을 확인하는 동시에 원활한 동료토론을 이끌 수 있도록 하고 개념 변화를 더욱 도울 수 있도록 하였다.
- 동일한 개념에 대해서 맥락을 달리하여 사전검사와 사후검사를 고안하였다. 구체적으로 살펴보면 1번 문항의 사전검사는 빛이 물에 닿으면서 굴절되는 개념을 묻는 문제이다.
- ①은 한 매질 내의 물체가 다른 매질에서 어떻게 보이는가를 알아보고자 하는 활동이다. 동전이 물속에 떠 보이는 현상과 굴절이 어떤 관련이 있는지 이해하지 못하는 선개념(이재봉 등, 2004)을 변화 시키기 위하여 물속에 든 물체를 공기 중에서 관찰하는 것과 동일한 상황을 아크릴판을 이용하여 만들었다.
- 2차원 상에서 광선작도를 할 때에는 교수자가 3차원적으로 형상화하여야 한다는 것을 학습자에게 주지시키는 수준에 그치고 직접적으로 보여줄 수는 없지만, 3차원으로 가능하다면 시각적으로 직접 구현이 가능할 것이기 때문이다. 둘째, 이 프로그램은 초중등 교사를 위한 교사연수 프로그램으로 계획되었다. 연구에 참여한 초등교사 뿐 아니라 예비교사들의 개념 이해도도 높았기 때문에 교육대학교나 대학원 수업에서도 사용 가능할 것으로 기대된다.
- 둘째, 주요 개념의 배치 단계에 맞게 광선작도 활동을 개발하여, 연구 참여자가 광선작도 활동을 통하여 빛의 굴절 현상을 시각적으로 형상화할 수 있도록 구성하였다. 이때 광선작도 활동의 내용은 McDermott & Shaffer(2002)의 「Tutorials in Introductory Physics」를 참고하여 구성하였다.
- 볼록렌즈의 경우 거리에 따라 상의 위치가 달라지기 때문에 광선작도를 통해 원리를 이해하지 않으면 나타나는 현상만 기계적으로 외우게 된다. 따라서 볼록렌즈로 물체를 관찰하고 멀리 있는 물체가 역전되어 보이는 이유, 가까이 있는 물체가 커 보이는 이유를 광선작도를 해봄으로써 원리를 이해하도록 구성하였다. 멀리 있는 물체와 가까이 있는 물체를 관찰하고 광선작도를 한 후에는 「Tutorials in Introductory Physics」의 문제를 참조하여 개념검사문항을 만들었고 이를 통해 개념을 확인할 수 있도록 구성하였다.
- 개발 단계에서는 각 개념에 따른 간단한 강의 내용을 작성하고 이 개념을 정착시킬 수 있는 광선작도 활동을 구성하였다. 또한 광선작도 활동을 통해 학습한 개념을 적용해볼 수 있는 개념검사 문항을 개발하였다. 그 후, 이 교사연수 자료를 통한 개념 변화의 정도를 측정할 수 있는 사전·사후 검사 문항을 개발하였다.
- 멀리 있는 물체와 가까이 있는 물체를 관찰하고 광선작도를 한 후에는 「Tutorials in Introductory Physics」의 문제를 참조하여 개념검사문항을 만들었고 이를 통해 개념을 확인할 수 있도록 구성하였다. 또한 추가적으로 빛의 직진(이지원 등, 2013) 프로그램에서 학습한 바늘구멍사진기를 통해 보이는 모습과 볼록렌즈를 통해 생긴 상의 차이를 비교함으로써 둘 다 동일하게 상이라고 생각하는 선개념을 수정할 수 있도록 만들었다. 또한 이 자료를 통해 광선이 볼록렌즈의 중앙으로만 통과하여 상이 거꾸로 생기게 된다는 선개념(Galili, 1996; Galili & Hazan, 2000)이 잘못된 것임을 이해할 수 있게 된다(그림 6).
- 따라서 볼록렌즈로 물체를 관찰하고 멀리 있는 물체가 역전되어 보이는 이유, 가까이 있는 물체가 커 보이는 이유를 광선작도를 해봄으로써 원리를 이해하도록 구성하였다. 멀리 있는 물체와 가까이 있는 물체를 관찰하고 광선작도를 한 후에는 「Tutorials in Introductory Physics」의 문제를 참조하여 개념검사문항을 만들었고 이를 통해 개념을 확인할 수 있도록 구성하였다. 또한 추가적으로 빛의 직진(이지원 등, 2013) 프로그램에서 학습한 바늘구멍사진기를 통해 보이는 모습과 볼록렌즈를 통해 생긴 상의 차이를 비교함으로써 둘 다 동일하게 상이라고 생각하는 선개념을 수정할 수 있도록 만들었다.
- 이를 위해 어두운 교실에서 볼록렌즈를 이용하여 상을 만들고 이를 관찰하였다. 볼록렌즈와 스크린이 우리의 눈과 같다는 것을 확인하고, 흰 종이와 볼록렌즈를 이용하여 교실 곳곳에서 상을 만드는 활동을 하였다. 활동 후 개념검사문항은 「Tutorials in Introductory Physics」를 참고하여 만들어졌다.
- 셋째, 광선작도 활동을 통하여 생성된 개념이 정착할 수 있도록 개념검사문항을 개발하였다. 개념 검사문항은 기본적으로 광선작도 활동에서 학습한 개념을 새로운 맥락에서 적용할 수 있도록 개발되었으며, 선행연구에서 학생들이 가지고 있다고 밝혀진 선개념을 스스로 드러낼 수 있도록 고안되었다.
- 수업 전·후로 사전검사와 사후검사를 실시하여 개념 변화를 확인하였다.
- 광선작도를 통해 상의 위치를 확인하면 상점이 물체점보다 뒤에 있는 것을 알 수 있다. 앞서 서술한 바와 같이, 상이 물체보다 커 보이기 때문에 상이 물체 앞에 있다고 생각하거나 혹은 상이 실제 물체를 가릴 것이라는 오개념을 가지지 않도록 하기 위해 함께 구성하였다.
- 이 연구에서는 Hake(1998)가 개발한 개념변화 정도를 분석할 수 있는 공식을 사용하여 사전, 사후 검사의 gain 값을 통해 개념 변화 정도를 분석하였다.
- 이러한 시각적 형상화는 체계적인 지도와 훈련이 필요한데, 광원에서부터 출발한 빛이 어떻게 뻗어나가는가를 그려보는 광선작도 활동은 매질이 달라졌을 때 빛의 진행 경로에 대한 개념을 이해하는데 매우 유용한 방법이라 볼 수 있다. 이 연구에서는 이를 위하여 광선작도 활동이 포함된 동료교수법 교사연수 프로그램을 개발하여 초등교사와 예비교사에게 적용하였다. 개념을 학습한 이후에는 직접 손으로 광선을 그리지 않고도 머릿속으로 빛의 진행경로를 형상화할 수 있도록 정착화하는 과정이 필요한데, 이 연구에서는 이를 위하여 동료교수법을 적용하였다.
- ⑤는 볼록렌즈를 이용하여 상을 만들고 눈의 구조를 이해하는 내용으로 구성하였다. 이를 위해 어두운 교실에서 볼록렌즈를 이용하여 상을 만들고 이를 관찰하였다. 볼록렌즈와 스크린이 우리의 눈과 같다는 것을 확인하고, 흰 종이와 볼록렌즈를 이용하여 교실 곳곳에서 상을 만드는 활동을 하였다.
- 이를 위해 오목렌즈로 물체를 관찰하여 보고, 상의 위치를 광선작도를 통해 알아보는 내용으로 교수·학습 자료를 구성하였다.
- 첫째, 학생의 굴절 개념에 대한 선행연구(김선아와 김태규, 2002; 이재봉 등, 2004; Galili, 1996; Galili & Hazan, 2000; Galili et al., 1991; 1993)를 참고하여 선개념을 분석한 후, 학생들에게 가르쳐야 할 굴절 개념의 주요 내용을 정하여 광선작도 활동이 포함된 교사연수자료를 개발하였다.
- 그리고 내용의 특징에 맞게 미니강의에서 광선작도 활동이 들어가거나 강의 없이 문제를 풀고 이에 대한 내용을 광선작도로 익히는 방식으로 동료교수법을 변형하여 구성하였다. 특히 개념검사문항을 각 단계별 개념에 맞게 삽입하여 개념을 확인하는 동시에 원활한 동료토론을 이끌 수 있도록 하고 개념 변화를 더욱 도울 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 개발된 교사연수 자료의 전문가 타당도 검증과 수정 과정에는 물리교육전문가 1명과 현직 교사인 과학교육 석․박사 과정 대학원생 5명이 참여하였다. 개발된 교사연수 프로그램을 표 3과 같이 과학교사 전문성 신장 연수와 교육대학원 강의 등 총 4회에 걸쳐 예비 투입하였다.
- 연구 참여자는 현직 초등교사 21명과 예비 교사 29명이다. 초등교사는 초등과학교육전공의 교육대학원생을 대상으로 하였다.
- 초등교사의 경우는 7차를 비롯하여 2007 개정, 2009 개정 교육과정에서도 빛의 성질을 다루고 있기 때문에 원리의 학습이 필수적이다. 예비교사의 경우, 같은 대학교의 유아 교육, 기술교육, 미술교육 등 사범대 계열의 학부생을 대상으로 하였다. 물리 교과에 대한 지식이 부족한 타 전공 학생들도 그 원리를 이해하고 시각적 형상화를 통해 현상을 예측할 수 있는 교사연수 자료가 구성된다면, 예비 초등교사와 예비 중등과학 교사는 이를 더욱 쉽게 이해할 수 있을 것으로 생각되어 이와 같이 구성하였다.
- 연구 참여자는 현직 초등교사 21명과 예비 교사 29명이다. 초등교사는 초등과학교육전공의 교육대학원생을 대상으로 하였다. 초등교사의 경우는 7차를 비롯하여 2007 개정, 2009 개정 교육과정에서도 빛의 성질을 다루고 있기 때문에 원리의 학습이 필수적이다.
이론/모형
- 2번 문항은 반쪽 렌즈는 반쪽 이미지를 만들고 이미지의 나머지 부분은 차단된다는 선 개념(Galili & Hazan, 2000)에 대해 개념변화가 제대로 이루어졌는지를 알아보기 위해 McDermott & Shaffer(2002)의 「Tutorials in Introductory Physics」을 참고하여 검사문항으로 선정했다.
- 광선작도 활동은 McDermott & Shaffer(2002)의 「Tutorials in Introductory Physics」을 참고하였다.
- 이때 광선작도 활동의 내용은 McDermott & Shaffer(2002)의 「Tutorials in Introductory Physics」를 참고하여 구성하였다.
- 볼록렌즈와 스크린이 우리의 눈과 같다는 것을 확인하고, 흰 종이와 볼록렌즈를 이용하여 교실 곳곳에서 상을 만드는 활동을 하였다. 활동 후 개념검사문항은 「Tutorials in Introductory Physics」를 참고하여 만들어졌다. Galili & Hazan(2000)이 지적한 바와 같이 볼록렌즈를 절반 가렸을 때 절반만 보일 것이라는 선개념이 이 활동을 통해 상의 모든 부분이 모이고 단지 전보다 어둡게 보인다는 사실을 이해하게 된다.
성능/효과
- 개발된 광선작도 활동을 포함한 동료교수법 수업에 대한 학습자의 반응은 매우 긍정적이었다. 수업을 통해 알게 되거나 느낀 점에 대한 연구 참여자의 반응을 살펴보면, 첫째, 빛의 굴절에 대하여 잘 모르고 있었다가 개념이 명확해짐을 느꼈다는 반응이 있었다.
- 개발된 광선작도 활동을 포함한 동료교수법 수업에 대한 학습자의 반응은 매우 긍정적이었다. 수업을 통해 알게 되거나 느낀 점에 대한 연구 참여자의 반응을 살펴보면, 첫째, 빛의 굴절에 대하여 잘 모르고 있었다가 개념이 명확해짐을 느꼈다는 반응이 있었다.
- 88로 1번 문항은 중간 수준, 2번 문항은 높은 수준의 개념변화가 일어났다. 이는 이 연구에서 개발하여 적용한 교사연수 프로그램이 빛의 굴절 개념 이해에 큰 효과가 있음을 보여주는 결과라고 볼 수 있다.
- 종합해보면, 학생들은 빛이 굴절할 때의 경로에 대해서 잘 이해하지 못하고 있다고 볼 수 있다. 따라서 빛의 경로를 명확하게 시각적으로 형상화하는 활동을 통해 과학적 개념으로 변화시킬 필요가 있다.
- 상호 토론 과정에서 그림을 사용하거나 혹은 머릿속으로 형상화하는 연습을 하게 된다. 프로그램 적용 결과, 광선작도 활동을 통해 개념을 형성하고 개념검사문항을 이용한 동료토론을 통해 학습한 개념을 적용하여 명확하게 다지는 것은 굴절 개념의 이해에 효과가 있었다. 즉 이 연구에서 시도한 시각적 형상화를 돕는 교사연수 프로그램은 현상을 관찰하고 빛의 진행경로를 그려보도록 함으로써, 이러한 현상이 일어나는 매커니즘을 학습자가 파악하는데 도움을 주었다고 판단된다.
후속연구
- 둘째, 이 프로그램은 초중등 교사를 위한 교사연수 프로그램으로 계획되었다. 연구에 참여한 초등교사 뿐 아니라 예비교사들의 개념 이해도도 높았기 때문에 교육대학교나 대학원 수업에서도 사용 가능할 것으로 기대된다.
- 첫째, 학습자가 3차원 상에서 연습할 수 있는 공학적 기기를 사용하여 시각적 형상화를 돕는 동료교수법 교사연수 프로그램을 적용하여보는 후속 연구를 제안한다. 이 연구에서 개발한 교사연수 프로그램에서는 학습자가 종이에 자를 이용하여 직접 선을 그리는 2차원 상에서의 광선작도 활동으로 구성하였으나, 공학 기기의 적용으로 3차원 작도가 가능하다면 더욱 효과적으로 개념이해에 도움을 줄 수 있을 것이라 생각된다. 2차원 상에서 광선작도를 할 때에는 교수자가 3차원적으로 형상화하여야 한다는 것을 학습자에게 주지시키는 수준에 그치고 직접적으로 보여줄 수는 없지만, 3차원으로 가능하다면 시각적으로 직접 구현이 가능할 것이기 때문이다.
- 연구의 제언은 다음과 같다. 첫째, 학습자가 3차원 상에서 연습할 수 있는 공학적 기기를 사용하여 시각적 형상화를 돕는 동료교수법 교사연수 프로그램을 적용하여보는 후속 연구를 제안한다. 이 연구에서 개발한 교사연수 프로그램에서는 학습자가 종이에 자를 이용하여 직접 선을 그리는 2차원 상에서의 광선작도 활동으로 구성하였으나, 공학 기기의 적용으로 3차원 작도가 가능하다면 더욱 효과적으로 개념이해에 도움을 줄 수 있을 것이라 생각된다.
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