[논문]물리 학습을 돕기 위한 단계적 상황 교수·학습 전략 및 적용

송영욱; 최혁준

doi:10.21796/jse.2015.39.3.333

물리 학습을 돕기 위한 단계적 상황 교수·학습 전략 및 적용
Strategy and Application of Phased Context Teaching-Learning for Helping Physics Learning 원문보기

과학교육연구지 : 경북대학교 과학교육연구소 = Journal of science education, v.39 no.3, 2015년, pp.333 - 342

초록
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이 연구는 단계적 상황 교수자료를 개발하고 대학 물리학 수업에 적용하여 물리 학습에 대한 효과를 조사하는 데 있다. 연구대상은 지방 소재 대학의 사범대학 자연계열 1학년 대학생 총 35명으로 했다. 단계적 상황 교수자료는 상황 이상화하기, 상황 확장하기, 상황 비교하기 단계로 개발하고, 일차원 운동, 이차원 운동, 뉴턴의 운동 법칙 등 6차시 물리 수업에 적용했다. 물리 학습에 대한 효과는 힘 개념 검사지(FCI)와 물리 학습에 대한 신념(MPEX) 설문지를 사용하여 조사했다. 연구결과 단계적 상황 교수자료는 대학생의 힘 개념 변화에는 효과가 있었지만, 물리 학습에 대한 신념에는 유의미한 변화가 없었다. 결론적으로 단계적 상황 교수 학습 전략으로 개발된 교수자료는 학생에게 과학개념을 다양한 상황에 적용하는 기회를 주어 물리 개념 변화를 돕는 데 효과가 있다. 끝으로 연구 결과들을 통해 단계적 상황 물리 수업에 대한 교육적 시사점을 논의했다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this research was to investigate the effect of physics learning through the teaching-learning strategy of phased context in introductory physics classes. The participants in the study included 35 university freshmen. The teaching-learning strategy of phased context were developed by idealizing, extending and comparing contexts which were then applied in introductory physics classes : six hour classes about straight line motion, two-dimensional motion and Newton's laws of motion. The effects of the physics learning were then analyzed by the FCI (Force Concept Inventory) and MPEX (Maryland Survey on Physics Expectation) questionnaires. The results showed that the teaching-learning strategy of phased context helped change the force concept and did not change the belief about physics learning. Finally, based on the results of the study, we discuss possible educational implications for phased context in introductory physics classes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

상황 관련 연구에서는 상황에 따라 다르게 보이는 차이를 극복하고 일반적인 법칙을 이끌어내는 능력이나(송진웅, 1997), 물리 학습을 통해 올바른 과학개념이 형성되었을 때 이 개념을 다양한 상황에 일관되게 적용할 수 있는 능력이 요구된다고 했다(김익균, 박종원, 2008). 본 연구는 기존 연구의 다양한 상황 적용 필요성과 상황학습 전략을 기초로 단계적 상황 교수ㆍ학습전략을 고안하였고, 이를 바탕으로 학생의 물리 학습을 위하여 단계적 상황 교수자료를 개발했다. 단계적 상황 교수자료를 상황 이상화하기, 상황 확장하기, 상황 비교하기 세 단계로 개발하고, 일차원 운동, 포물선 운동 및 뉴턴의 운동 법칙 등 6차시 물리 수업에 적용했다.
국제 학업 성취도 평가 연구에서는 다른 나라에 비해 우리나라 학생은 교과서에서 제시되지 않은 새로운 상황에 개념을 적용하거나 추론하는 능력이 부족하여 새로운 상황에 개념을 적용할 필요성을 언급했다(이재봉, 2014). 이 연구에서는 과학개념의 다양한 상황적용 필요성과 상황학습 전략을 기초로 단계적 상황 교수ㆍ학습 전략을 고안하고, 이를 바탕으로 대학생의 물리 학습을 돕기 위한 단계적 상황 교수자료를 개발하고 대학 물리학 수업에서 적용하여 그 효과에 대한 교육적 시사점을 논의한다.
이 연구에서는 대학생의 물리 학습을 돕기 위한 단계적 상황 교수자료를 개발하고 대학 물리학 수업에 적용하여 교육적 효과를 조사하는 데 있다. 단계적 상황 교수ㆍ학습전략은 상황 이상화하기, 상황 확장하기, 상황 비교하기 세 단계로 구성된다.

가설 설정

과학교육에서 일상적 상황과 이상적 상황을 대비시킨 개념변화 학습지도 모형개발 연구에서는 기존의 개념변화 모형에서 잘 고려되지 않았던 일상적 상황과 이상적 상황의 차이를 고려하여 학생의 개념변화 과정을 설명할 수 있는 학습지도 모형을 제안했다(오원근, 김재우, 박승재, 1998). 학생 개념의 연속적 세련화와 정교화를 통한 개념 변화 분석에서는 학생의 개념변화 과정이 연속적 세련화와 정교화를 통해 일어난다고 가정하였고(박종원, 2002), 상황에 따라 개념이 구분되거나 이상화된 모델에서 무시되었던 조건들이 고려되는 과정에 점진적 세련화와 정교화의 과정을 통해 개념이 변화된다고 했다(박종원, 2003).

제안 방법

대학 물리학 수업은 1주에 3시간으로 진행됐다. 개발된 단계적 상황 교수자료는 3주 동안 대학 물리학 수업에 적용했다. 1주에 2시간을 단계적 상황 물리 수업을 하고 1시간은 단원 문제풀이로 진행되었다.
본 연구는 기존 연구의 다양한 상황 적용 필요성과 상황학습 전략을 기초로 단계적 상황 교수ㆍ학습전략을 고안하였고, 이를 바탕으로 학생의 물리 학습을 위하여 단계적 상황 교수자료를 개발했다. 단계적 상황 교수자료를 상황 이상화하기, 상황 확장하기, 상황 비교하기 세 단계로 개발하고, 일차원 운동, 포물선 운동 및 뉴턴의 운동 법칙 등 6차시 물리 수업에 적용했다. 물리 학습에 대한 효과를 알아보기 위하여 힘 개념 검사지(FCI)와 물리 학습에 대한 신념(MPEX) 설문지를 사용했다.
FCI는 힘 개념과 운동의 법칙 그리고 다양한 종류의 힘에 관련된 6개 영역의 총 30문항으로 구성되었다(Hestenes, Halloun, 1995). 단계적 상황 물리 수업에 대한 효과를 분석하기 위해 개념변화획득지수(G-factor)를 조사했다. G-factor는 표준화된 분석 방법으로 사전과 사후 정답률을 기초로 학생의 개념변화를 측정하기 위하여 Hake가 제안하였고, 다음과 같은 수식으로 정의된다(Hake, 1998).
단계적 상황 교수자료를 상황 이상화하기, 상황 확장하기, 상황 비교하기 세 단계로 개발하고, 일차원 운동, 포물선 운동 및 뉴턴의 운동 법칙 등 6차시 물리 수업에 적용했다. 물리 학습에 대한 효과를 알아보기 위하여 힘 개념 검사지(FCI)와 물리 학습에 대한 신념(MPEX) 설문지를 사용했다. 연구결과 단계적 상황 물리 수업은 대학생의 물리 학습에 대한 유의미한 신념 변화는 이끌어 내지 못했지만 힘 개념 변화에는 효과가 있었다.
MPEX는 학생의 물리 학습에 대한 신념이나 기대를 조사하기 위한 도구로 모두 34개 문항으로 이루어져있다. 설문지는 독립성, 일관성, 개념성, 실재성, 관련성, 노력성의 6개영역으로 5점 리커트 척도로 구성되었다(Redish, Saul, Steinberg, 1998). 단계적 상황 물리 수업에 대한 물리 학습의 효과를 분석하기 위해서 6개 영역의 사전-사후 평균값 변화를 t 검증을 했다.
이 연구에서는 단계적 상황 교수자료의 물리 학습 효과를 분석하기 위하여 두 가지 검사 도구를 사용했다. 첫 번째는 대학생의 물리 개념 변화 효과를 알아보기 위하여 힘 개념 검사지 FCI(Force Concept Inventory)를 사용했다.
단계적 상황 교수자료는 표 1과 같이 6차시를 개발 했다. 일차원 운동 단원에는 수평면에서 가속도 운동, 자유낙하 운동, 이차원 운동 단원에는 포물체 운동, 운동의 법칙 단원에는 뉴턴 1, 2, 3법칙의 단계적 상황 교수자료를 개발했다.

대상 데이터

이 연구에서는 지방 소재 대학의 사범대학 자연계열 대학생 중에서 연구자가 강의를 담당한 대학 일반물리학Ⅰ 과목에 수강한 대학생을 연구대상으로 했다. 연구대상의 인원은 총 35명으로 화학 교육과 1학년 22명, 생물 교육과 1학년 13명이다. 표 2는 연구대상의 성별과 고등학교에서 물리Ⅰ,Ⅱ 선택 비율을 나타냈다.
이 연구에서는 지방 소재 대학의 사범대학 자연계열 대학생 중에서 연구자가 강의를 담당한 대학 일반물리학Ⅰ 과목에 수강한 대학생을 연구대상으로 했다. 연구대상의 인원은 총 35명으로 화학 교육과 1학년 22명, 생물 교육과 1학년 13명이다.

데이터처리

설문지는 독립성, 일관성, 개념성, 실재성, 관련성, 노력성의 6개영역으로 5점 리커트 척도로 구성되었다(Redish, Saul, Steinberg, 1998). 단계적 상황 물리 수업에 대한 물리 학습의 효과를 분석하기 위해서 6개 영역의 사전-사후 평균값 변화를 t 검증을 했다. 그리고 고등학교 물리과목 선택 여부는 물리 학습 준비에 중요한 요소이기 때문에(김영민, 2008) 물리과목 선택 여부에 따라 조사했다.

이론/모형

두 번째는 단계적 상황 물리 수업 전과 후로 학생의 물리 학습에 대한 기대감 변화를 알아보기 위해 물리 학습에 대한 신념 검사지인 MPEX(Maryland Survey on Physics Expectation)를 사용했다. MPEX는 학생의 물리 학습에 대한 신념이나 기대를 조사하기 위한 도구로 모두 34개 문항으로 이루어져있다.
이 연구에서는 단계적 상황 교수자료의 물리 학습 효과를 분석하기 위하여 두 가지 검사 도구를 사용했다. 첫 번째는 대학생의 물리 개념 변화 효과를 알아보기 위하여 힘 개념 검사지 FCI(Force Concept Inventory)를 사용했다. FCI는 다양한 대상의 폭넓은 사전조사를 통하여 타당도와 신뢰도가 인정된 표준화된 선다형 설문으로서 학생의 물리 개념 이해를 측정하는 대표적인 검사도구이다(Hestenes, Wells, Swackhamer, 1992).

성능/효과

단계적 상황 교수ㆍ학습 전략으로 개발된 단계적 상황 교수자료는 학생의 힘 개념 변화에 효과가 있는 것으로 나타났다. 하지만 전자기, 빛과 파동, 현대물리 영역에는 아진 연구된 것이 없어 이에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다.
물리 학습에 대한 신념 요소의 독립성, 개념성, 실재성에서는 단계적 상황 물리 수업 후 물리 학습에 대한 신념이 유의미하지 않지만 조금 증가했다. 단계적 상황 물리 수업 후 물리 학습에 대한 신념의 실재성, 독립성, 개념성 요소 순으로 물리 학습에 대한 신념 변화가 높게 나타났다. 실재성은 물리와 실재와의 연관에 대한 신념으로 물리학이 교실 밖 실생활에 유용한가에 대한 질문이다.
둘째, 단계적 상황 물리 수업은 물리 학습 준비가 부족한 학생에게 물리 개념 변화에 도움이 될 가능성이 있다. 비록 대상인원이 적어 일반화하기는 어렵지만 연구결과에서 고등학교 때 물리과목을 전혀 선택하지 않은 학생의 물리 개념 변화에 도움이 되었다.
물리 학습에 대한 효과를 알아보기 위하여 힘 개념 검사지(FCI)와 물리 학습에 대한 신념(MPEX) 설문지를 사용했다. 연구결과 단계적 상황 물리 수업은 대학생의 물리 학습에 대한 유의미한 신념 변화는 이끌어 내지 못했지만 힘 개념 변화에는 효과가 있었다. 뉴턴의 운동 법칙, 속도 벡터 합성 영역의 물리 개념 변화에 도움이 되었지만, 운동학과 힘의 종류에서는 전통적인 강의식 물리 수업 효과와 별 차이는 없었다.
운동학과 힘의 종류에서는 전통적인 강의식 물리 수업의 효과와 별 차이가 없었다. 운동학 영역에서는 관련 위치로부터 속도 판별, 속도로부터 가속도 판별과 관련 문제에서 G-factor가 0.17로 전통적인 강의식 물리 수업보다 개념변화 효과가 크지 않았다. 힘의 종류 영역에서는 중력과 구심력 관련 문제에서 G-factor가 0.
고등학교 물리Ⅰ을 선택했던 학생은 단계적 상황 물리 수업 후 물리 학습에 대한 신념이 유의미하지 않지만 조금 내려갔다. 전체적으로 물리 학습에 대한 신념은 단계적 상황 물리 수업 전과 후로 유의미한 변화가 없었다.
이는 단계적 상황 물리 수업이 상대적으로 물리 학습에 어려움을 겪는 학생에게 도움을 준다고 할 수 있다. 힘 개념 검사 요소 중 뉴턴의 운동 법칙, 속도 벡터 합성 영역에서 물리 개념 변화에 도움이 되는 것으로 나타났다. 힘 개념 검사에서 특히 물리 개념 변화에 큰 효과를 준 것은 뉴턴 3법칙에서 힘이 연속적으로 작용하는 상황보다는 힘이 순간적으로 작용하는 상황이었다.

후속연구

하지만 전자기, 빛과 파동, 현대물리 영역에는 아진 연구된 것이 없어 이에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다. 또한 학생의 동기에 중요한 영향을 미치는 물리 학습에 대한 신념을 단계적 상황 물리 수업을 통해서 어떻게 긍정적으로 변화하게 할 수 있는지에 대한 연구도 필요하다고 하겠다.
단계적 상황 교수ㆍ학습 전략으로 개발된 단계적 상황 교수자료는 학생의 힘 개념 변화에 효과가 있는 것으로 나타났다. 하지만 전자기, 빛과 파동, 현대물리 영역에는 아진 연구된 것이 없어 이에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다. 또한 학생의 동기에 중요한 영향을 미치는 물리 학습에 대한 신념을 단계적 상황 물리 수업을 통해서 어떻게 긍정적으로 변화하게 할 수 있는지에 대한 연구도 필요하다고 하겠다.
또한 교사는 다양한 상황에서도 같은 물리 개념을 적용하지만 학생들은 상황이 달라지면 다르게 생각하는 경향이 있다. 학생들에게 같은 물리 개념을 적용하도록 다양한 상황을 제시한다면 물리 개념 이해에 도움이 될 것이다. 물리 학습에서 상황 이상화, 상황 확장, 상황 비교 단계로 물리 학습이 이루어지면 학습자의 물리 개념 이해에 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대학 물리학 수업은 자연계열이나 공과계열 대학생에게 어떤 역할을 하는가?	대학 물리학 수업의 목적도 개념, 원리, 법칙의 기억보다는 원리를 바르게 이해하고, 이러한 원리를 자연현상에 적용하여 실생활의 문제를 해결하는 능력을 키우는 데 있다. 대학 물리학 수업은 자연계열이나 공과계열 대학생이 자신의 전공을 학습하는 데 필요한 기초지식을 배우는데 중요한 역할을 한다. 하지만 대학에서 대학 물리학 과목을 운영하는 데는 여러 가지 어려움이 있다(이나영, 2013).
	대학 물리학 수업의 목적은?	21세기의 정보화 사회에서는 보다 많은 정보를 암기하기보다는 정보들 뒤에 숨어있는 원리를 파악하고 이를 통찰하여 보다 새로운 형태의 정보를 재생산하는 것을 요구한다(신정아, 이종용, 김재우, 2002). 대학 물리학 수업의 목적도 개념, 원리, 법칙의 기억보다는 원리를 바르게 이해하고, 이러한 원리를 자연현상에 적용하여 실생활의 문제를 해결하는 능력을 키우는 데 있다. 대학 물리학 수업은 자연계열이나 공과계열 대학생이 자신의 전공을 학습하는 데 필요한 기초지식을 배우는데 중요한 역할을 한다.
	학습에서 상황의 특성을 어떤 관점으로 볼 수 있는가?	학습에서 상황의 특성을 세 가지 관점으로 볼 수 있다(최정임, 1997). 일상 인지적 관점, 구성주의적 관점, 전이적 관점이다. 일상 인지적 관점은 학습자들이 일상적인 생활과 통제된 환경에서 다른 방식으로 사고하고 행동한다는 것이다(Lave, 1988).

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저자의 다른 논문 :

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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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