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전류에 의한 자기장에 대한 중학생의 시각적 표상 해석, 구성, 적용 능력
Middle school students' interpretation, construction, and application of visual representations for magnetic field due to a current 원문보기

과학교육연구지 : 경북대학교 과학교육연구소 = Journal of science education, v.41 no.1, 2017년, pp.152 - 165  

조광희 (조선대학교) ,  조헌국 (단국대학교) ,  윤혜경 (춘천교육대학교)

초록
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직선 도선 주위에 자기장이 생기는 현상은 중등 교육과정에서 다루는 전자기학의 핵심 개념 중 하나이다. 아울러 비가시적인 전류와 자기장의 관계를 설명하는 과정에서 시각적 표상이 사용되는 대표적 사례이다. 이 연구에서는 중학교 3학년 남녀 112명을 대상으로 전류가 흐르는 직선 도선 주위의 자기장에 관한 문제 상황을 제시하고, 시각적 표상에 관련하여 표상 해석, 구성, 적용 능력을 조사하였다. 분석 결과에 따르면 75% 이상의 응답자가 전류와 자기장을 뜻하는 화살표의 의미를 타당하게 해석하였다. 그러나 50% 남짓은 전하가 자기장을 따라 운동하는 것으로 혼동하였고 주어진 시각적 표상을 전체적으로 올바르게 해석한 학생은 3분의 1미만이었다. 또 전체 응답자의 60 % 이상이 직선 도선의 자기장을 원형 폐곡선 모양으로 표현했지만 자기력선의 조밀함을 올바르게 나타낸 경우는 6.3 %에 불과했다. 또 나침반의 방향으로 상황을 바꾸어 표상 적용 능력을 조사한 결과, 과학적 표현에 해당하는 응답자의 비율이 상당히 줄어들었다. 학생들의 표상 능력을 점수화 한 결과 시각적 표상의 해석, 구성, 적용 능력의 순으로 점수가 나타났고 이들 사이에는 유의미한 상관관계(0.3~0.5)가 있는 것으로 나타났다. 이는 세 가지 표상 능력 요소가 서로 연관이 있으면서도 독립적임을 시사한다. 이러한 연구 결과들은 과학 학습 과정에서 시각적 표상을 효과적으로 활용하고 학생들의 표상 능력을 높일 수 있는 방안에 대한 연구가 필요함을 시사한다.

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The magnetic field due to a current is one of the core concepts in electromagnetism which has been taught in secondary science education. In addition, it is a representative example of using visual representations to explain the relation between invisible physical quantities; current and magnetic fi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 해석 능력을 알아보는 문항에서는 시각적 표상에서 화살표 기호가 각각 전류, 자기장임을 알고 있는지를 단답형으로 작성하게 하였다. 그리고 시각적 표상이 나타내고 있는 과학적 지식을 이해하고 있는지 선택형 문항에 답하도록 하였다. 각각의 화살표가 전류, 자기장의 방향임을 알고, 선택형 문항에서 올바른 선택지를 2개 고르면 총 4점 만점이 되도록 하였다.
  • 따라서 이 연구에서는 시각적 표상의 관점에서 중학생의 과학 학습을 탐색하기 위해 ‘전류에 의한 자기장’에 관한 중학생의 표상 해석, 구성, 적용 능력을 조사하고 시사점을 찾고자 하였다.
  • 아울러 표상의 해석, 구성, 적용 능력을 동시에 고려한 교수-학습 방법에 관한 연구를 제안하고자 한다. 본 연구에 따르면 75.
  • 전류가 흐르는 직선 도선 주위의 자기장은 중등학교에서 전기와 자기의 관계를 학습할 때 가장 기초가 되는 핵심적인 내용이다. 이 연구에서는 이 물리적 상황을 중심으로 중학생의 표상 해석, 구성, 적용 능력을 조사하고 이들 간의 관계를 살펴보고자 하였다. 조사를 통해 밝혀낸 연구 결과 및 논의를 요약하면 다음과 같다.
  • 연구 방법론의 측면에서 보면 일종의 편의 표집에 해당하기에 이연구의 참여자들이 모집단을 대표한다고 보기는 다소 무리가 있다. 이런 이유로 전체적인 결과 분석에서 추론 통계를 사용하지 않고, 탐색적인 관점에 충실하게 빈도 분포 및 상관관계 등을 중심으로 기술하였다. 이와 더불어 학생들이 구성한 표상에서 의미 있는 유형을 찾기 위하여, 분석적 채점 방식과는 별개로 학생들의 응답에 대해 유형화를 시도하였다.
  • 직선 도선 주변의 자기장에 관해 표상을 구성하는 능력을 알아보기 위하여, 자기장을 설명하기 위한 자기력선을 학생들에게 그리도록 하였다. 3가지 분석 기준(모양, 방향, 분포)을 중심으로 학생들의 응답을 분석하여 그 결과를 Table 4에 제시하였다.

가설 설정

  • ** 복수 선택을 허용하였으므로 합계는 100%가 아님.
  • 중등학교 교육과정 및 교과서를 살펴보면, 전류에 의한 자기장의 학습에서는 직선 도선 주위의 자기장을 먼저 일차적으로 다루고 있고 이후 원형 전류 및 코일에 의한 자기장 등을 제시하고 방식으로 다루고 있다(MEST, 2011). 이를 고려하여 본 연구 에서는 가장 기초적인 시각적 표상으로 직선 전류에 의한 자기장을 다루는 것으로 한정하였다. 해석 능력을 알아보는 문항에서는 시각적 표상에서 화살표 기호가 각각 전류, 자기장임을 알고 있는지를 단답형으로 작성하게 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3가지 표상 능력의 의미는? 이때 3가지 표상 능력의 의미는 선행 연구(Yoon, Jo & Jho, 2016)에서 사용한 정의를 준용하였다. 표상 해석 능력은 주어진 표상에 나타난 기호나 구성 요소의 의미를 알고 표상이 나타내는 현상을 이해하는 능력을, 표상 구성 능력은 관찰 현상을 설명하기 위하여 표상을 직접 표현하는 능력을, 표상 적용 능력은 새로운 현상을 설명하기 위해 기존의 표상을 활용하는 능력을 뜻한다.
해석, 구성, 적용 능력을 모두 향상하기 위해 할 수 있는 방법은? 현재 이루어지고 있는 중학교의 전자기 학습은 대체로 대형 화면을 통해 표상을 보여주거나 교사가 칠판에 그림으로써, 표상 해석 측면에 집중될 가능성이 크다. 단순히 표상의 의미나 역할을 명시적으로 지도하는 것에 그치지 않고, 직접 표상을 구성하고 다른 상황에 적용시켜 봄으로써 주어진 현상과 관련된 과학적 원리나 미시적 세계의 움직임을 표상을 통해 이해하고 의사소통에 사용할 수 있도록 안내해야 할 것이 다. 그리고 학생들이 나침반과 같은 실물을 활용한 탐구 활동과 추상적인 자기력선의 표상을 비교하는 과정을 거쳐, 물리적으로 같은 현상이 다양하게 표현될 수 있음을 이해하고 서로 다른 수준의 표상들을 활용할 수 있도록 제시할 필요가 있다.
시각적 표상의 장점은? 시각적 표상(visual representation)은 미시적, 비가시적, 추상적, 상징적인 과학 개념을 설명하고 이해하는 과정에서 유용하게 쓰인다(Gilbert, 2005). 과학자들은 현상을 설명하고 의사소통을 하는 도구로 그래프, 사진, 다이어그램, 기호 등과 같은 시각적 이미지를 다양하게 사용한다(Lemke, 1998).
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