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 current원문보기
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.
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.
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...
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 field. In this study we investigated middle school students' representational competence into three components; interpretation, construction, and application of visual representations. According to the analysis, more than 75 % of the respondents interpreted the meaning of the arrows for current and magnetic field correctly. However, half of them confused the movement of electric charges with the direction of magnetic field. Over 60 % of the students constructed the magnetic field representation as circular closed curves, but many of them could not express the density of field lines properly. In application of visual representations, more than half failed to draw the direction of compass needle correctly. The scores were in order of interpretation, construction and application. There were also significant correlations among three components of representational competence. More attention and research on students' representational competence and effective use of visual representations is needed to better support science learning and teaching.
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 field. In this study we investigated middle school students' representational competence into three components; interpretation, construction, and application of visual representations. According to the analysis, more than 75 % of the respondents interpreted the meaning of the arrows for current and magnetic field correctly. However, half of them confused the movement of electric charges with the direction of magnetic field. Over 60 % of the students constructed the magnetic field representation as circular closed curves, but many of them could not express the density of field lines properly. In application of visual representations, more than half failed to draw the direction of compass needle correctly. The scores were in order of interpretation, construction and application. There were also significant correlations among three components of representational competence. More attention and research on students' representational competence and effective use of visual representations is needed to better support science learning and teaching.
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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.
제안 방법
이후 연구자간 일치 여부를 확인하고, 일치하지 않는 부분에 대해서는 논의를 통해 분석 기준을 다시 수정하였다. 10명에 대한 모든 연구진의 분석 결과가 동일해질 때까지 이 과정을 반복하여, 최종 분석 기준을 정하였다.
먼저 연구 참여자 에게 표상 구성 능력에 관한 설문을 하도록 하였다. 1차 설문지를 모두 회수한 후에, 표상 해석 및 적용에 관한 2차 설문지를 유사한 방식으로 배부하였다. 설문 조사에 협조한 교사에게 설문의 의도와 방법을 사전에 자세히 안내하였으며, 학생들에게는 설문에 응답할 수 있는 충분한 시간을 주었다.
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.
표상 구성과 관련해서는 학생들에게 직선 도선 주위의 자기장을 직접 그리도록 하였다. 그리고 응답자의 그림을 보고 자기력선의 모양이 원형 폐곡선인지, 방향이 반시계 방향인지, 중심부에서 조밀한 동심원인지를 분석하였다. 이 3가지 요소에 1점씩 배정하여 총 3점 만점이 되도록 하였고 세 범주의 점수를 비교할 때에는 4점 만점으로 환산하였다.
그리고 이 결과를 바탕으로 미분 개념을 시각화하여 ‘4엽 바람개비’ 설명 모형을 제안하였다.
둘째, 예비 설문 문항에 대한 전문가 검토 및 예비 조사를 진행하였다. 예비 물리교사 1인, 물리교육을 전공하는 대학원 석사 과정 1인, 과학교육 박사 학위를 소지한 20년 경력의 현직 중학교 교사 1인을 중심으로 심층 검토 및 면담을 실시하였다.
분석 기준을 도출하기 위하여 먼저 예비 설문의 결과를 토대로 분석 기준 초안을 작성하였다. 또한 본 검사를 실시한 후에 무작위로 10명분의 설문 응답을 추출하여 연구진이 각자 분석 기준 초안에 따라 코딩을 진행하였고 이 과정에서 수정안을 마련하였다. 이후 연구자간 일치 여부를 확인하고, 일치하지 않는 부분에 대해서는 논의를 통해 분석 기준을 다시 수정하였다.
이런 이유로 한꺼번에 검사를 시행하지 않고 2차에 걸쳐 진행하였다. 먼저 연구 참여자 에게 표상 구성 능력에 관한 설문을 하도록 하였다. 1차 설문지를 모두 회수한 후에, 표상 해석 및 적용에 관한 2차 설문지를 유사한 방식으로 배부하였다.
한 문항은 주어진 문제 상황의 일부를 변형한 것이고, 이어지는 다른 문항은 표상 기호를 바꾼 것이다. 먼저 첫 문항은 표상 구성 문항과 거의 동일하나, 전선에 흐르는 전류의 방향을 반대 방향으로 바꾼 후 학생들에게 자기장의 특성이 드러나도록 자기력선을 그리라고 하였다. 일반적으로 교과서(Park et al.
설문은 크게 3가지 시각적 표상 능력에 관한 내용으로 이루어졌고 분석 기준도 이를 고려하여 설정하였다. 분석 기준을 도출하기 위하여 먼저 예비 설문의 결과를 토대로 분석 기준 초안을 작성하였다. 또한 본 검사를 실시한 후에 무작위로 10명분의 설문 응답을 추출하여 연구진이 각자 분석 기준 초안에 따라 코딩을 진행하였고 이 과정에서 수정안을 마련하였다.
예외적이거나 반복되는 답변 등은 따로 정리하여 연구자 간 심층 논의를 진행한 후 분석하였다. 설문 조사는 표상 구성이 먼저였지만, 전체적인 연구의 논리를 고려하여 이후 서술은 시각적 표상의 해석, 구성, 적용 순으로 제시하고자 한다. 설문 분석 기준은 다음 Table 2 와 같다.
설문은 크게 3가지 시각적 표상 능력에 관한 내용으로 이루어졌고 분석 기준도 이를 고려하여 설정하였다. 분석 기준을 도출하기 위하여 먼저 예비 설문의 결과를 토대로 분석 기준 초안을 작성하였다.
둘째, 예비 설문 문항에 대한 전문가 검토 및 예비 조사를 진행하였다. 예비 물리교사 1인, 물리교육을 전공하는 대학원 석사 과정 1인, 과학교육 박사 학위를 소지한 20년 경력의 현직 중학교 교사 1인을 중심으로 심층 검토 및 면담을 실시하였다. 이 과정에서 나온 의견을 토대로 연구진 회의를 거쳐 예비 설문 문항을 수정하였다.
이후 한 명의 연구자가 주도적으로 나머지 설문 응답 자료를 분석하였다. 예외적이거나 반복되는 답변 등은 따로 정리하여 연구자 간 심층 논의를 진행한 후 분석하였다. 설문 조사는 표상 구성이 먼저였지만, 전체적인 연구의 논리를 고려하여 이후 서술은 시각적 표상의 해석, 구성, 적용 순으로 제시하고자 한다.
위와 같이 채점을 진행하고 서술 통계 방식으로 정리하여 연구 결과에 제시하였다. 연구 방법론의 측면에서 보면 일종의 편의 표집에 해당하기에 이연구의 참여자들이 모집단을 대표한다고 보기는 다소 무리가 있다.
본 설문 내용의 특성을 고려하여, 해당 단원을 학습한 학생들을 대상으로 조사하였다. 이 결과를 연구진이 각각 독립적으로 먼저 검토하고, 다시 종합적으로 회의를 통해 수정하는 과정을 거쳐 최종 설문 문항을 도출하였다.
예비 물리교사 1인, 물리교육을 전공하는 대학원 석사 과정 1인, 과학교육 박사 학위를 소지한 20년 경력의 현직 중학교 교사 1인을 중심으로 심층 검토 및 면담을 실시하였다. 이 과정에서 나온 의견을 토대로 연구진 회의를 거쳐 예비 설문 문항을 수정하였다. 이와 같은 방식으로 타당성을 점검한 후에, 서울 지역 중학생 12명을 대상으로 예비 조사를 실시하였다.
전류와 자기장의 상호 작용에 관한 과학고 학생들의 개념을 조사한 후 새로운 설명 전략을 제안한 연구도 있다 (Jo & Kim, 2008). 이 연구에서는 기존의 교과서가 자기장을 2차원 이미지로 제시하고 있음을 지적 하면서, 막대자석에 의한 자기장이 3차원적으로 형성됨을 보여주는 시험 실험이나 그림 활용을 대안으로 제시하였다. Jo(2016)는 예비 물리 교사들을 대상으로 전류에 의한 자기장 생성과 관련한 개념 이해의 어려움을 살펴보고, 수학적으로 회전(curl) 연산자를 이용한 계산을 할 수 있더라도 실제 미분 개념을 물리학적으로 활용하는 대학생이 10 % 미만임을 보고하였다.
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.
또한 본 검사를 실시한 후에 무작위로 10명분의 설문 응답을 추출하여 연구진이 각자 분석 기준 초안에 따라 코딩을 진행하였고 이 과정에서 수정안을 마련하였다. 이후 연구자간 일치 여부를 확인하고, 일치하지 않는 부분에 대해서는 논의를 통해 분석 기준을 다시 수정하였다. 10명에 대한 모든 연구진의 분석 결과가 동일해질 때까지 이 과정을 반복하여, 최종 분석 기준을 정하였다.
이후 한 명의 연구자가 주도적으로 나머지 설문 응답 자료를 분석하였다. 예외적이거나 반복되는 답변 등은 따로 정리하여 연구자 간 심층 논의를 진행한 후 분석하였다.
2009 개정 중학교 과학과 교육과정과 시각적 표상에 관한 선행 연구를 검토 하고 교과서를 분석하여, 연구진이 대표적인 문제 상황과 표상을 선정하였다. 전형적인 문제 상황을 중심으로 설문 초안을 작성하였고, 수차례의 회의 및 내부 논의를 거쳐 초본에 해당하는 설문 문항을 제작하였다.
연구 절차의 개요는 다음과 같다. 첫째, 예비 설문 문항을 개발하였다. 2009 개정 중학교 과학과 교육과정과 시각적 표상에 관한 선행 연구를 검토 하고 교과서를 분석하여, 연구진이 대표적인 문제 상황과 표상을 선정하였다.
표상 적용에 관한 둘째 문항에서는 유사한 상황을 다른 표상 기호로 바꾸어 나타내도록 하기 위하여 자기력선 대신 나침반을 그리도록 하였다. Table 6에서 볼 수 있듯이, 직선 도선 주변의 자기장을 나침반으로 나타낼 때 과학적 표현(시계 방향) 이 51명(45.
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. 그리고 시각적 표상이 나타내고 있는 과학적 지식을 이해하고 있는지 선택형 문항에 답하도록 하였다.
대상 데이터
첫째, 예비 설문 문항을 개발하였다. 2009 개정 중학교 과학과 교육과정과 시각적 표상에 관한 선행 연구를 검토 하고 교과서를 분석하여, 연구진이 대표적인 문제 상황과 표상을 선정하였다. 전형적인 문제 상황을 중심으로 설문 초안을 작성하였고, 수차례의 회의 및 내부 논의를 거쳐 초본에 해당하는 설문 문항을 제작하였다.
이와 같은 방식으로 타당성을 점검한 후에, 서울 지역 중학생 12명을 대상으로 예비 조사를 실시하였다. 본 설문 내용의 특성을 고려하여, 해당 단원을 학습한 학생들을 대상으로 조사하였다. 이 결과를 연구진이 각각 독립적으로 먼저 검토하고, 다시 종합적으로 회의를 통해 수정하는 과정을 거쳐 최종 설문 문항을 도출하였다.
본 연구에서는 중학교 3학년 과학에서 전기와 자기 단원 내용을 학습한 학생들을 대상으로, 단원 수업이 끝난 직후 설문을 실시하였다. 연구 참여자 들은 우리나라 중부 지방에 위치한 중소도시의 3개 중학교 소속 3학년 학생들이었다.
셋째, 해당 단원을 학습한 중학교 3학년 학생들 (Table 1)을 대상으로 본 설문을 실시하였다. 설문은 학생들이 관련 내용을 배운 직후에 진행하였다.
본 연구에서는 중학교 3학년 과학에서 전기와 자기 단원 내용을 학습한 학생들을 대상으로, 단원 수업이 끝난 직후 설문을 실시하였다. 연구 참여자 들은 우리나라 중부 지방에 위치한 중소도시의 3개 중학교 소속 3학년 학생들이었다. 전체 응답자는 118명이었으나 일부 문항에 대한 응답 누락자, 불성실 응답자 등을 제외하여 실제 분석 대상자는 112명이었다.
이 과정에서 나온 의견을 토대로 연구진 회의를 거쳐 예비 설문 문항을 수정하였다. 이와 같은 방식으로 타당성을 점검한 후에, 서울 지역 중학생 12명을 대상으로 예비 조사를 실시하였다. 본 설문 내용의 특성을 고려하여, 해당 단원을 학습한 학생들을 대상으로 조사하였다.
연구 참여자 들은 우리나라 중부 지방에 위치한 중소도시의 3개 중학교 소속 3학년 학생들이었다. 전체 응답자는 118명이었으나 일부 문항에 대한 응답 누락자, 불성실 응답자 등을 제외하여 실제 분석 대상자는 112명이었다. 연구 참여자에 대한 구성 정보는 Table 1에 제시하였다.
성능/효과
결론적으로 전류에 의한 자기장에 관한 표상 관련 능력을 조사한 결과, 연구에 참여한 중학생들은 대체로 표상의 피상적인 의미는 알고 있었지만 표상에 근거하여 과학적 현상을 해석하거나 자신이 알고 있는 바를 표상으로 나타내는 능력이 다소 미흡하며, 특히 유사 상황을 제시하였을 때 다른 표상으로 나타내는 능력이 부족한 것으로 나타났다. 또한 표상의 해석, 구성, 적용 능력 간에는 유의미한 상관관계가 있는 것으로 나타났다.
넷째, 세 표상 능력을 수치화하면 평균은 해석, 구성, 적용 능력 순으로 높게 나타났고, 상관계수 값은 0.309~0.522 사이였다. 표상 해석이 수동적이 면서 재인에 가까운 능력을 요구한다는 점, 표상 적용이 확장적인 사고와 표상의 변환을 포괄한다는 점에서 타당한 결과라고 할 수 있다.
둘째, 자기장을 나타내는 화살표의 방향을 분석한 결과에 따르면, 반시계 방향이 67.9%였다. 다른 학생들은 시계 방향으로 표시하거나(8.
둘째, 직선 도선 주위의 자기장을 직접 그려 표상을 구성하도록 하는 문항에서 60 % 이상의 학생이 자기력선의 모양과 방향을 비교적 적절하게 그렸지만, 중심에 가까울수록 조밀하게 표현한 경우는 상당히 적었다(6.3 %). 전체 학생의 44.
첫째, 표상 해석과 관련하여 학생들이 전류와 자기장을 나타내는 화살표의 의미는 올바로 파악하고 있었으나(약 75%), 전체적으로 3분의 1 미만의 학생만이 주어진 시각적 표상을 올바르게 해석하였다. 또 응답자의 절반가량은 자기장을 따라 전하가 움직인다고 응답하여, 자기장과 전하 운동 사이의 관계에 대한 오개념을 가진 것으로 나타났다.
결론적으로 전류에 의한 자기장에 관한 표상 관련 능력을 조사한 결과, 연구에 참여한 중학생들은 대체로 표상의 피상적인 의미는 알고 있었지만 표상에 근거하여 과학적 현상을 해석하거나 자신이 알고 있는 바를 표상으로 나타내는 능력이 다소 미흡하며, 특히 유사 상황을 제시하였을 때 다른 표상으로 나타내는 능력이 부족한 것으로 나타났다. 또한 표상의 해석, 구성, 적용 능력 간에는 유의미한 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 다만 본 연구가 특정 전자기 현상에 국한된 것이라는 점 그리고 일부 지역의 학생들을 대상으로 탐색적인 차원에서 진행되었다는 점에서 연구 결과를 일반화하기 에는 한계가 있다.
셋째, 동심원으로 그리되 중심일수록 조밀하게 표현한 비율은 다른 2요소에 비해 상대적으로 정답률이 낮았다(6.3%). 가장 많은 사례(44.
셋째, 표상 적용 능력을 조사한 결과에 따르면, 특히 표상 기호를 바꾸어 나침반 바늘의 방향을 그리도록 한 문항에서 정답률이 낮았다. 직선 도선의 전류 방향만 바뀐 문항에서는 표상 구성 능력에 대한 문항과 유사한 정답 비율을 보였다.
앞서 제시한 분석 기준을 토대로 분석 결과를 수치화하고, 비교를 위하여 4점 만점으로 환산하면 해석 능력은 평균 2.67(표준 편차 1.09), 구성 능력은 평균 2.08(표준 편차 1.05), 적용 능력은 평균 1.90(표준 편차 1.23)에 해당하였다. 평균을 살펴보면 해석, 구성, 적용 능력 순이었는데, 특히 ‘적용’ 에서 평균이 가장 낮고 편차도 크게 나타났다.
역시 3가지 요소로 분석하였는데 원형 폐곡선의 형태로 그린 응답자가 70.5%, 시계 방향으로 옳게 표시한 응답자가 68.8%로 상대적으로 정답에 해당 하는 비율이 높았다(Table 5). 그러나 도선에서 떨어진 거리와 자기장의 세기를 적절하게 표현한 사례는 전체의 5.
첫째, 표상 해석과 관련하여 학생들이 전류와 자기장을 나타내는 화살표의 의미는 올바로 파악하고 있었으나(약 75%), 전체적으로 3분의 1 미만의 학생만이 주어진 시각적 표상을 올바르게 해석하였다. 또 응답자의 절반가량은 자기장을 따라 전하가 움직인다고 응답하여, 자기장과 전하 운동 사이의 관계에 대한 오개념을 가진 것으로 나타났다.
평균을 살펴보면 해석, 구성, 적용 능력 순이었는데, 특히 ‘적용’ 에서 평균이 가장 낮고 편차도 크게 나타났다.
후속연구
다만 본 연구가 특정 전자기 현상에 국한된 것이라는 점 그리고 일부 지역의 학생들을 대상으로 탐색적인 차원에서 진행되었다는 점에서 연구 결과를 일반화하기 에는 한계가 있다. 그러므로 더 자세하고 구체적인 결과를 수집하기 위하여, 연구 대상의 폭을 넓히고 더 많은 개념과 현상을 포괄하여 표상 능력에 대한 연구 조사를 수행할 필요가 있다.
또한 표상의 해석, 구성, 적용 능력 간에는 유의미한 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 다만 본 연구가 특정 전자기 현상에 국한된 것이라는 점 그리고 일부 지역의 학생들을 대상으로 탐색적인 차원에서 진행되었다는 점에서 연구 결과를 일반화하기 에는 한계가 있다. 그러므로 더 자세하고 구체적인 결과를 수집하기 위하여, 연구 대상의 폭을 넓히고 더 많은 개념과 현상을 포괄하여 표상 능력에 대한 연구 조사를 수행할 필요가 있다.
그러나 추상적, 비가시적 개념을 시각화하는 시각적 표상을 중심으로 우리나라 중학생들의 전자기 개념 이해와 추론 능력을 조사한 경우는 최근에 거의 보고되지 않고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 중학교 교육과정에서 전기와 자기의 상호 작용을 다루고 있으며 별개로 학습한 전기와 자기 개념을 융합하는 과정에서 표상을 이해하고 활용하는 능력이 요구되므로, 중학생을 대상으로 한 전자기 관련 표상 연구를 시도할 필요가 있다.
, 2014), 아직 과학 학습 과정을 시각적 표상의 관점에서 분석한 연구는 부족한 편이다. 앞으로 표상과 개념의 포함 관계, 표상 능력과 학생 개념 사이의 상호 작용 등에 관한 심화 연구가 수행된다면, 표상의 활용을 강조한 다양한 교수-학습법이 개발되어 더욱 효과적으로 현장에 접목될 수 있을 것이다.
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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