[논문]전하이동을 시각화한 PhET 기반 수업을 통한 초등과학영재의 전류개념변화

이지원; 신은진; 김중복

doi:10.15267/keses.2015.34.4.357

전하이동을 시각화한 PhET 기반 수업을 통한 초등과학영재의 전류개념변화
Conceptual Change via Instruction based on PhET Simulation Visualizing Flow of Electric Charge for Science Gifted Students in Elementary School 원문보기

초등과학교육 = Journal of Korean elementary science education, v.34 no.4, 2015년, pp.357 - 371

이지원 (한국교원대학교) , 신은진 (한국교원대학교) , 김중복 (한국교원대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Even after learning electric current, elementary school students have various non-scientific conceptions and difficulties. Because flow of charge is not visible. Also elementary school students do not learn theory but phenomena, so they cannot transfer theoretical perspective to new situation. In this research, we have designed instruction based on PhET simulation visualizing flow of electric charge and applied it to 37 science-gifted students in elementary school for measuring conceptual understanding. As a result, six out of the seven Hake gains of question set are high gain and just one is middle gain because the students have understood the flow pattern of the charge through circuit elements such as light bulbs, wire, as well as battery with PhET simulation and it gives a chance to create various questions spontaneously about electric current. Also they become able to do spontaneous mental simulation without PhET simulation about flow of charges. This research, suggest that developed materials using PhET simulation could be used as not only program for gifted students in elementary school, but also the electrical circuit section in an elementary science curriculum.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또 회로의 구성도 쉽기 때문에, 다양한 회로를 구성해 놓고 전하의 흐름이 어떠한지 관찰할 수도 있다. 이 연구에서는 PhET 시뮬레이션 기반 수업을 설계하여 초등영재들이 전하이동을 눈으로 보면서 이해할 수 있도록 하였다. 수업 전과 후에 수행된 사전·사후 검사 결과를 분석한 결과, 총 7개의 문항세트 중 6개가 높은 수준의 gain, 1개가 중간 수준의 gain을 보여, PhET 시뮬레이션 기반 수업이 학생들의 전류 개념이해를 향상시키는데 도움을 준다는 것을 알 수 있다.
이 수업은 단순히 시각적으로 전하 흐름을 관찰하는 데에서 그치는 것이 아니라, 잘 구성된 수업을 통해 규칙성을 발견하고 원리를 이해함으로써 학생이스스로 전하이동을 심적 시뮬레이션 할 수 있도록 돕는다. 이에 따라 PhET 시뮬레이션 기반 수업을 적용 후 이를 통한 초등과학영재의 전류 개념변화가 어떠한지를 알아볼 것이다.
이에 따라 이 연구에서는 전하 이동을 시각화한 PhET 시뮬레이션 기반 수업을 설계하여 적용하고자 한다. 전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업은 학생들이 PhET 시뮬레이션 조작을 통해 전하의 흐름을 직접 눈으로 관찰한 후, 새로운 상황이 제 시되었을 때 자신이 스스로 심적 시뮬레이션(mental simulation)할 수 있게 되는 것을 목표로 한다.
학생들은 PhET 시뮬레이션에 기반한 수업이 진행되면서, 회로가 어떻게 구성되었는가에 따라 전하 흐름의 속도가 달라지는 것을 반복적으로 관찰하게 되었다. 이에 학생들은 전하의 이동속도가 어떻게 결정되는지를 초등학생 수준에서 의인화하여 질문하였다. PhET 시뮬레이션을 통해 전하의 흐름과그 속도를 관찰하였기 때문에, 학생들은 회로를 구성하는 각종 부품들의 상호작용에 대하여 좀 더 명확히 알게 되는 계기를 갖게 되었다고 볼 수 있다.
이에 따라 이 연구에서는 전하 이동을 시각화한 PhET 시뮬레이션 기반 수업을 설계하여 적용하고자 한다. 전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업은 학생들이 PhET 시뮬레이션 조작을 통해 전하의 흐름을 직접 눈으로 관찰한 후, 새로운 상황이 제 시되었을 때 자신이 스스로 심적 시뮬레이션(mental simulation)할 수 있게 되는 것을 목표로 한다. 이 수업은 단순히 시각적으로 전하 흐름을 관찰하는 데에서 그치는 것이 아니라, 잘 구성된 수업을 통해 규칙성을 발견하고 원리를 이해함으로써 학생이스스로 전하이동을 심적 시뮬레이션 할 수 있도록 돕는다.

가설 설정

S3: 우와, 전하는 천재네요. 엄청 똑똑하다.
S4: 네, 그냥 병렬 (회로) 해봤는데 밝기도 똑같았어요.
S4: 아, 이거…하나(전지) 거꾸로 붙여봤는데… 켜져요.
S6: 아, 이거 시뮬레이션으로 안 봤으면 합선인지도 모를 뻔 했네.
S6: 여기(전구) 엄청, 엄청 느리게 흘러요, 여기(전지) 는 엄청 빨리..
S7: 아, 여기(전구)도 흐르네. 그럼 켜지겠네.
T: 그냥 감으로 찍었어?
T: 여기에 무접촉 전류계를 갖다 대어 볼까요? 어때요? (중략)

제안 방법

2(Engelhardt & Beichner, 1997)의 일부 문제와 Tutorials in intro- ductory physics(McDermott & Shaffer, 1998)의 문제를 일부 재편집하여 사용하였다. 검사지의 문항은 전류와 회로의 이해, 전지의 연결에 따른 전류량의 변화, 전구의 연결에 따른 전류량의 변화를 주제로 구성하였으며, 이 3가지 주제에 대하여 7문항으로 구성하였다. 사전·사후검사 문항은 물리학 전문가 1인과 과학교육전문가 4인의 검증을 거쳐 구성하였다.
2). 네 번째로, 이러한 다양한 상황에서 전구의 밝기를 기준으로 전하의 이동속도를 비교해보고, 마지막으로, 전하의 이동속도를 기준으로 회로 연결 방법을 분류한다. 이 차시 역시 회로에서 전하이동을 직접 관찰하고, 특징을 찾아내는 것에 역점을 두고 있다.
먼저, 전지가 있을 때와 없을 때 회로 내 전하흐름을 관찰하고, 이를 통해 전지의 역할을 이해한다. 다음으로, 전지의 직렬회로에서 전지를 추가하거나 제거하면서 전하 흐름을 관찰한다. 세 번째로, 전지의 병렬회로에서 전지 추가 및 제거를 통한 전하 흐름의 변화 여부를 관찰한다(Fig.
이 수업을 통해 학습 이후에도 남아있던 전류와 전기회로에 대한 오개념이 과학적 개념으로 수정되는 것을 확인할 수 있었으며, 영재 학생들이 시뮬레이션을 이용하여 심화된 내용을 자발적으로 학습하는 모습 또한 관찰할 수있었기 때문에 영재교육 프로그램으로서 적극 활용될 것을 기대한다. 둘째, 초등과학의 전기회로 단원 실험 기자재 혹은 보조 자료로서 PhET 전기회로 시뮬레이션의 사용을 제안한다. 현행 초등교육과정에서 전하 개념을 다루지 않지만, 구체적 조작 기인 초등학생의 발달수준을 고려하였을 때, 전하의 이동 양상 자체를 시각적으로 보여주는 것은 전류 개념 이해에 큰 도움이 될 것으로 생각된다.
이는 교과서에 제시된 활동과 동일하지만, 다른 점은 PhET 시뮬레이션을 이용하여 만든 전기회로는 회로 내의 전하 흐름을 직접 관찰할 수 있다는 것이다. 또한 회로 구성에 따라 전류량의 차이가 있다는 것을 전구의 밝기로서 뿐만 아니라, 전하 흐름의 속도 차이가 난다는 것을 통해서도 알 수 있도록 PhET 시뮬레이션을 이용하여 다양한 회로를 직접 만들어본 후, 전하흐름을 관찰하도록 하였다 (Fig. 1 왼쪽). 다음으로 도체와 부도체를 회로에 연결하여 불이 켜지는지를 확인하는 활동이다(Fig.
면담의 경우는, 학생들이 사후검사 문제 중 특히 정답률의 향상 폭이 가장 크고 심화된 개념을 다룬 7번 문제를 풀때, 자발적 심상 시뮬레이션을 사용하였는지를 알기 위하여 면담 중 ‘전하가 어떻게 움직일지에 대하여 생각하여 본다’, ‘시뮬레이션 해본다’, ‘상상해본다’는 표현을 사용한 응답자의 수를 세었다. 마지막으로 연구결과는 수업 중 상호작용 분석은 서술로서 나타내고, 면담 결과에 대한 분석은 표와 서술로서 나타내고자 하였다.
먼저 수업 중 이루어진 상호작용 내용과 면담 내용을 반복적으로 읽으며 자료를 정리하였고, 두 번째 단계로 분석적 메모를 작성하였다. 수업 중 상호작용 내용의 경우, 교수학습 자료를 제시하였을때 일어난 학생들의 반응을 위주로 분석하였고, 면담의 경우는 학생들에게 ‘사후검사 문제를 어떻게 풀었는가?’라는 질문에 대한 학생들의 반응에 대하여 분석하였다.
이 차시에서는 PhET 시뮬레이션을 이용하여 다섯 가지 활동을 하게 된다. 먼저, 전지가 있을 때와 없을 때 회로 내 전하흐름을 관찰하고, 이를 통해 전지의 역할을 이해한다. 다음으로, 전지의 직렬회로에서 전지를 추가하거나 제거하면서 전하 흐름을 관찰한다.
사전·사후 검사는 전류 개념을 진단하기 위해 개발된 DIRECT Version 1.2(Engelhardt & Beichner, 1997)의 일부 문제와 Tutorials in intro- ductory physics(McDermott & Shaffer, 1998)의 문제를 일부 재편집하여 사용하였다.
PhET 기반 초등영재 수업을 구성하기 위하여 교육과정을 분석하여 다음과 같이 차시를 구성하였다. 사전검사와 사후검사를 제외하고, 40분 단위 수업을 연속 3차시로 구성하였으며, 사전검사, 전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업, 사후 검사 순으로 제시하였다. 전하 이동을 시각화한 PhET 수업은 2007 개정 교육과정의 5학년 ‘전기 회로’ 단원을 기반으로 하여, ‘전기가 통하는 물체, 전지의 연결방법에 따른 전구의 밝기, 전구의 연결방법에 따른 전구의 밝기’의 세 개 차시의 학습내용을 현행 교육과정의 학습 순서를 따라 설계하였다.
다음으로, 전지의 직렬회로에서 전지를 추가하거나 제거하면서 전하 흐름을 관찰한다. 세 번째로, 전지의 병렬회로에서 전지 추가 및 제거를 통한 전하 흐름의 변화 여부를 관찰한다(Fig. 2). 네 번째로, 이러한 다양한 상황에서 전구의 밝기를 기준으로 전하의 이동속도를 비교해보고, 마지막으로, 전하의 이동속도를 기준으로 회로 연결 방법을 분류한다.
수업 중 상호작용 내용의 경우, 교수학습 자료를 제시하였을때 일어난 학생들의 반응을 위주로 분석하였고, 면담의 경우는 학생들에게 ‘사후검사 문제를 어떻게 풀었는가?
전하 이동을 시각화한 PhET 수업은 2007 개정 교육과정의 5학년 ‘전기 회로’ 단원을 기반으로 하여, ‘전기가 통하는 물체, 전지의 연결방법에 따른 전구의 밝기, 전구의 연결방법에 따른 전구의 밝기’의 세 개 차시의 학습내용을 현행 교육과정의 학습 순서를 따라 설계하였다. 실험은 학생들이 전기 회로를 직접 꾸며 관찰하는 과정 대신, 전 학생이 컴퓨터를 이용하여 PhET 전기 회로 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 하였다.
3보다 작은 경우는 낮은 수준의 변화로 본다(Hake, 1998). 이 연구에서는 각 문항별 [g]를 구하여, 범주별로 어떠한 성취수준을 이루었는지를 분석한다.
이 합선 상황을 실험해보던 한 학생은 이를 변형 하여, Fig. 6과 같이 4개의 전지를 사용하는 전지의 병렬회로를 만들어, 두 개의 전지는 한 방향으로, 하나는 반대방향으로 배치한 후 어떻게 되는지를 시뮬레이션하여 관찰하였다.
이를 위하여 수업 시간에 이루어진 학생 간, 교사와 학생 간 대화 내용과 수업 이후의 추가 면담 내용을 녹음하여 전사하였고, 개연적 삼단논법에 의한 6단계의 포괄적 분석절차(Lee & Kim, 2014)에 따라 자료를 분석하였다.
이에 따라 ‘다양한 회로구성 실험’과 이에 따른 ‘질문의 생성’을 범주로 정하고, 어떤 회로를 구성하였는지, 어떤 질문을 생성하였는지 에피소드 단위로 분석하였다.
전하 이동을 시각화한 PhET 기반 수업을 통해서 초등과학영재가 전류 개념을 잘 이해하였는지 알아보기 위하여 사전·사후검사를 실시하여 그 결과를 비교하였다.
전하 이동을 시각화한 PhET 수업은 2007 개정 교육과정의 5학년 ‘전기 회로’ 단원을 기반으로 하여, ‘전기가 통하는 물체, 전지의 연결방법에 따른 전구의 밝기, 전구의 연결방법에 따른 전구의 밝기’의 세 개 차시의 학습내용을 현행 교육과정의 학습 순서를 따라 설계하였다.
전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업에 의한 학생들의 전류 개념변화 정도를 파악하기 위하여 문항별 사전검사와 사후검사 결과를 비교하고, 주요결과를 논의하였다. Fig.

대상 데이터

사전·사후검사 문항은 물리학 전문가 1인과 과학교육전문가 4인의 검증을 거쳐 구성하였다.
이 연구는 2단계에 걸친 영재선발과정을 거쳐 선발된 초등학교 5, 6학년 영재학급 학생 37명을 대상으로 하였다. 이들은 2007 개정교육과정 적용대상이기 때문에 초등학교 6학년 영재 학생들은 5학년 1학기에, 초등학교 5학년 영재 학생들은 당해 전기 회로 단원을 통해 전류 개념을 배웠다.
이들은 2007 개정교육과정 적용대상이기 때문에 초등학교 6학년 영재 학생들은 5학년 1학기에, 초등학교 5학년 영재 학생들은 당해 전기 회로 단원을 통해 전류 개념을 배웠다. 전류에 대한 학습 이후에도 바뀌지 않는 오개념을 수정 하기 위하여 이미 전류에 대한 내용을 학습한 초등 학교 5, 6학년 영재학생을 연구 대상으로 설정하였다. 초등영재 학생을 연구 대상으로 한 이유는 이 연구에서 다루고자 하는 핵심 개념인 전하 개념은 교육과정에서 다루는 수준보다 상위 학년에서 배우는 개념이기 때문이다.

이론/모형

초등과학영재가 전류개념을 어느 정도 이해하였는지 알아보기 위한 방법으로 사전, 사후검사의 정답률의 Hake gain(1998)을 측정하였다. 사전 검사는 학습자가 수업 전에 가지고 있었던 개념의 이해 정도를 평가하고, 사후 검사는 수업을 통해 배운 개념의 이해 정도를 평가하므로, 사전 검사와 사후 검사의 정답률 변화를 비교하면 학습자가 개념을 이해하였는지를 정량적으로 판단할 수 있다.

성능/효과

교사는 이 학생의 말을 그대로 옮겨 과학적인 설명을 덧붙였고, 무접촉 전류계를 사용하여 전류량의 차이를 대략적으로 비교할 수 있도록 유도하였다. 그러자 대부분의 학생이 수긍하고 개념을 이해하였으며, 실제 전기 회로로 연결했더라면 전구에 불이 켜진 것만을 보고 전기 회로 속에서 어떤 일이 일어나고 있는지를 몰랐을 텐데 PhET 전기회로 시뮬레이션으로 전기회로를 만들어 보았기 때문에 이런 현상이 일어나는지 알 수 있었다는 반응을 보였다.
마지막으로, 전구의 연결에 따른 전류량의 변화에 대한 이해를 묻는 6~7번 문항의 사전․사후 정답률의 변화를 살펴보면, 전구의 연결에 따른 전구의 밝기 변화를 묻는 6번 문항은 전형적인 문제로서, 난이도도 높지 않기 때문에 사전검사 점수도 비교적 높게 나타났고, 수업 후 사후검사 정답률도 높게 나타났다. 하지만 전구의 추가, 제거에 의한 전류량 변화를 묻는 7번 문제의 경우, 전구의 직병렬 혼합 회로를 제시하고 있기 때문에 난이도가 매우 높을 뿐 아니라, 수업 중에도 다루지 않았기 때문에 PhET 기반 초등영재 수업을 활용한 수업을 통해 개념을 잘 이해하여야 풀 수 있는 문제이다.
사후검사 7번 문제를 어떻게 풀었는지에 대하여 학생들과 면담을 진행한 결과, 초등영재 학생들을네 가지 집단으로 분류할 수 있었다(Table 3). 우선첫 번째 집단은 전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업을 통해 학생들 스스로 전기회로 내에서 전하이동을 심적 시뮬레이션 할 수 있게 된 집단이다.
수업 전과 후에 수행된 사전·사후 검사 결과를 분석한 결과, 총 7개의 문항세트 중 6개가 높은 수준의 gain, 1개가 중간 수준의 gain을 보여, PhET 시뮬레이션 기반 수업이 학생들의 전류 개념이해를 향상시키는데 도움을 준다는 것을 알 수 있다.
전류에 대한 이해를 묻는 2번 문제는 심화된 개념적 문제이기 때문에 사전검사 점수가 낮게 나타났으나, PhET 기반 초등 영재 수업을 활용한 수업 이후에는 전하가 소모된다는 개념이 수정되었음을 알 수 있다. 전지 혹은 전구의 직병렬 구분을 묻는 3번 문제의 경우도 PhET 기반 초등영재 수업의 각 차시에서 회로 만들기 시뮬레이션을 수행하면서 전하이동 속도와 전구의 밝기를 비교하여 반복적으로 관찰한 결과 정답률이 향상되었다.
27%의 학생이 자발적으로 심상 시뮬레이션 통해 문제를 해결하였다고 응답하였다. 즉, 전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업을 설계할 때 목표로 하였던 전류 개념에 대한 심적 시뮬레이션도 가능해졌음을 알수 있었다. 전지의 직병렬 연결, 전구의 직병렬 연결 시 전구의 밝기가 어떤가를 외워서 아는 것이 아니라, 전하의 흐름을 심적 시뮬레이션하여 밝기가 어떨지를 예측할 수 있게 되었다.

후속연구

첫째, 초등영재교육 프로그램으로서 전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업을 활용할 수 있을 것이다. 이 수업을 통해 학습 이후에도 남아있던 전류와 전기회로에 대한 오개념이 과학적 개념으로 수정되는 것을 확인할 수 있었으며, 영재 학생들이 시뮬레이션을 이용하여 심화된 내용을 자발적으로 학습하는 모습 또한 관찰할 수있었기 때문에 영재교육 프로그램으로서 적극 활용될 것을 기대한다. 둘째, 초등과학의 전기회로 단원 실험 기자재 혹은 보조 자료로서 PhET 전기회로 시뮬레이션의 사용을 제안한다.
이 연구 결과를 바탕으로 다음의 두 가지를 제안하고자 한다. 첫째, 초등영재교육 프로그램으로서 전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업을 활용할 수 있을 것이다. 이 수업을 통해 학습 이후에도 남아있던 전류와 전기회로에 대한 오개념이 과학적 개념으로 수정되는 것을 확인할 수 있었으며, 영재 학생들이 시뮬레이션을 이용하여 심화된 내용을 자발적으로 학습하는 모습 또한 관찰할 수있었기 때문에 영재교육 프로그램으로서 적극 활용될 것을 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PhET 기반 초등영재 수업의 목표는 무엇인가?	이에 따라 이 연구에서는 전하 이동을 시각화한 PhET 시뮬레이션 기반 수업을 설계하여 적용하고자 한다. 전하이동을 시각화한 PhET 기반 초등영재 수업은 학생들이 PhET 시뮬레이션 조작을 통해 전하의 흐름을 직접 눈으로 관찰한 후, 새로운 상황이 제 시되었을 때 자신이 스스로 심적 시뮬레이션(mental simulation)할 수 있게 되는 것을 목표로 한다. 이 수업은 단순히 시각적으로 전하 흐름을 관찰하는 데에서 그치는 것이 아니라, 잘 구성된 수업을 통해 규칙성을 발견하고 원리를 이해함으로써 학생이스스로 전하이동을 심적 시뮬레이션 할 수 있도록 돕는다.
	PhET 시뮬레이션의 단점은 무엇인가?	, 2006). 실제의 물체를 손으로 만지지 못하는 단점은 있지만, 다양한 회로를 손쉽게, 반복적으로 만들어볼 수 있고, 건전지의 내부저항에 의한 전류량 감소로 전구의 밝기가 늘 동일하지 않은 문제 등에 노출될 염려가 없다.
	PhET 시뮬레이션의 가장 큰 장점은 무엇인가?	PhET 시뮬레이션의 가장 큰 장점은 보이지 않는 전기회로 내의 전하흐름을 눈으로 직접 반복적으로 관찰함으로써, 학생 스스로 다양한 전기회로를 구성하였을 때 어떤 일이 일어날지를 머릿속으로 구현해 보는데 비계로서 작용할 수 있다는 점이다. 학생들은 물리적 개체가 물리적 법칙에 따랐을 때 어떠한 상호작용이 일어나며, 이를 통해 어떤 현상이 일어날지 머릿속에 새로운 공간을 창조하여 그 공간을 변형하기도 하고, 회전시키기도 하면서 요소간 상호작용이 어떻게 일어나는지를 예측한다(Lee et al.

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저자의 다른 논문 :

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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