본 연구의 목적은 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대한 과학 영재 학생들의 이해의 특징을 살펴보고, 이로부터 도출할 수 있는 교수 학습법적인 시사점은 무엇인지 살펴보는 것이었다. 이를 위해 수도권 소재 과학영재학교에서 고급물리학을 수강하는 3학년 학생 48명을 연구 참여자로 하여 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대한 세 가지 문항을 개인별로 풀어보게 하고, 이후 조별 토론을 실시하였다. 연구 결과 학생들의 응답은 규칙형, 비규칙형, 계산형의 세 유형으로 나눌 수 있었으며, 비규칙형으로 분류되는 학생들이 가장 많았다. 이중 규칙형의 학생들은 마찰력과 관련한 규칙을 활용하여 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대해 추론하는데 어려움을 겪고 있었다. 연구자는 접촉면에서의 상대 운동을 강조하는 전략과 더불어 마찰력에 대한 규칙을 사용하지 않고도 마찰력의 방향을 제대로 추론하도록 가르친다면 학생들이 마찰력에 대한 깊은 이해에 도달할 수 있을 것이라고 생각한다.
본 연구의 목적은 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대한 과학 영재 학생들의 이해의 특징을 살펴보고, 이로부터 도출할 수 있는 교수 학습법적인 시사점은 무엇인지 살펴보는 것이었다. 이를 위해 수도권 소재 과학영재학교에서 고급물리학을 수강하는 3학년 학생 48명을 연구 참여자로 하여 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대한 세 가지 문항을 개인별로 풀어보게 하고, 이후 조별 토론을 실시하였다. 연구 결과 학생들의 응답은 규칙형, 비규칙형, 계산형의 세 유형으로 나눌 수 있었으며, 비규칙형으로 분류되는 학생들이 가장 많았다. 이중 규칙형의 학생들은 마찰력과 관련한 규칙을 활용하여 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대해 추론하는데 어려움을 겪고 있었다. 연구자는 접촉면에서의 상대 운동을 강조하는 전략과 더불어 마찰력에 대한 규칙을 사용하지 않고도 마찰력의 방향을 제대로 추론하도록 가르친다면 학생들이 마찰력에 대한 깊은 이해에 도달할 수 있을 것이라고 생각한다.
The purpose of this study is to examine the characteristics of science gifted students' understanding of friction acting on a rolling object, and to examine the implications of teaching methods that can be derived from them. For this purpose, 48 students in grade 3 students who take advanced physics...
The purpose of this study is to examine the characteristics of science gifted students' understanding of friction acting on a rolling object, and to examine the implications of teaching methods that can be derived from them. For this purpose, 48 students in grade 3 students who take advanced physics classes at the science high school for the gifted were asked to answer three questions about the friction problems. As a result, students' responses were divided into three types: rule, none-rule, and calculation. In addition, students of the rule type have difficulty in reasoning about the friction by using friction rules. We believe that students will be able to reach a deeper understanding of friction if we teach them to correctly infer the direction of friction without using friction rules, along with a strategy to emphasize relative motion in contact.
The purpose of this study is to examine the characteristics of science gifted students' understanding of friction acting on a rolling object, and to examine the implications of teaching methods that can be derived from them. For this purpose, 48 students in grade 3 students who take advanced physics classes at the science high school for the gifted were asked to answer three questions about the friction problems. As a result, students' responses were divided into three types: rule, none-rule, and calculation. In addition, students of the rule type have difficulty in reasoning about the friction by using friction rules. We believe that students will be able to reach a deeper understanding of friction if we teach them to correctly infer the direction of friction without using friction rules, along with a strategy to emphasize relative motion in contact.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 영재 학생들에게도 많은 고민이 필요한 강체와 관련한 마찰력 문항, 특히 구르는 물체에 작용하는 마찰력의 방향에 대한 문항을 학생들에게 풀어보도록 하고 영재학생들에게도 일반 중, 고등학생처럼 간단한 지식을 바탕으로 마찰력의 방향을 찾으려는 경향이 나타나는지, 그밖에 또 다른 특징은 무엇이 있는지 알아보고자 하였다.
제안 방법
결과적으로 본 연구에서는 위의 다섯 조건에 부합하는 문항들 중 문항 신뢰도를 위해 선행 연구들에서 빈번하게 언급되어 이미 타당성이 검증된 문제들을 연구 문제로 최종 선정하였다.
넷째, 대상자가 영재 학생임을 고려하여 회전 및 병진 운동을 모두 고려할 수 있도록 구르는 물체 상황을 선정하였다.
넷째, 대상자가 영재 학생임을 고려하여 회전 및 병진 운동을 모두 고려할 수 있도록 구르는 물체 상황을 선정하였다. 다섯째, 문제의 복잡도를 줄이기 위해 미끄러지지는 않고 구르기만 하는 문제 상황을 선정하였다. 결과적으로 본 연구에서는 위의 다섯 조건에 부합하는 문항들 중 문항 신뢰도를 위해 선행 연구들에서 빈번하게 언급되어 이미 타당성이 검증된 문제들을 연구 문제로 최종 선정하였다.
둘째, 대상자가 영재 학생임을 고려하여 회전 및 병진 운동을 모두 고려할 수 있도록 구르는 물체 상황을 선정하였다.
본 연구에서 학생들이 마찰력의 방향을 정확하게 찾았더라도, 명백히 오류를 일으킬 수 있는 논리를 적용하여 마찰력의 방향을 찾은 학생들은 오류 유형으로 분류하여 정답에 이르지 못한 것으로 분류했다.
본 연구에서는 학생들이 정성적인 생각만으로도 마찰력의 방향을 찾을 수 있도록 하는데 초점을 맞추었으며, 이에 따라 계산을 해 보아야만 정확히 마찰력의 방향을 산출할 수 있는 문항은 의도적으로 제외하였다. 셋째, 외력이 질량 중심에 작용하는 경우와 작용하지 않는 경우, 마찰력이 빗면에서 작용하는 경우와 평면에서 작용하는 경우 등 가능한 상황을 모두 고려하여 문항을 선정하였다. 넷째, 대상자가 영재 학생임을 고려하여 회전 및 병진 운동을 모두 고려할 수 있도록 구르는 물체 상황을 선정하였다.
셋째, 문제의 복잡도를 줄이기 위해 미끄러지지는 않고 구르기만 하는 문제 상황을 선정하였다.
Table 1을 보면 본 연구에서 선정한 문항들은 몇 가지 특징을 가진다는 사실을 알 수 있다. 첫째, 학생들이 기존에 가지고 있는 마찰력과 관련한 규칙을 적용해 볼 수 있도록 마찰력의 방향만 불어보는 문항을 선정하였다. 즉, 특정한 상황에서 물체에 작용하는 마찰력의 크기도 마찰력과 관련한 중요한 개념이지만, 이에 대해서는 의도적으로 물어보지 않았다.
1) 세 문항을 선정한 기준은 다음과 같다. 첫째, 학생들이 기존에 가지고 있는 마찰력과 관련한 규칙을 적용해 볼 수 있도록 마찰력의 방향만 불어보는 문항을 선정하였으며, 이러한 조건에 부합하는 문항들 중 문항 신뢰도를 위해 선행 연구들에서 빈번하게 언급되는 문제들을 최종 선정하였다. 둘째, 대상자가 영재 학생임을 고려하여 회전 및 병진 운동을 모두 고려할 수 있도록 구르는 물체 상황을 선정하였다.
추가적으로 이 문항에서 학생들이 조별 토론을 할 때 원판의 윗 쪽에 외력을 수평방향으로 가하면 마찰력의 방향이 어떻게 되는지 마찰력 규칙을 사용한 방법과 사용하지 않은 방법을 모두 활용하여 정성적으로 구해보도록 했다. 원판의 윗 쪽에 외력을 주면 마찰력의 방향은 관성모멘트의 크기에 따라 달라져서 정량적으로 계산해보지 않으면 정확히 알기 힘들다.
학생들의 개별 응답은 개인별 설문지에 기록되었고, 조별 응답 내용은 수업 중에 기록되었다.
셋째, 문제의 복잡도를 줄이기 위해 미끄러지지는 않고 구르기만 하는 문제 상황을 선정하였다. 학생들이 개인별로 세 문항을 모두 풀게 한 후에는 조별로 토론을 거쳐 조별로 문제를 풀어보도록 하였으며 토론 결과를 조별로 발표하도록 하였다. 학생들의 개별 응답은 개인별 설문지에 기록되었고, 조별 응답 내용은 수업 중에 기록되었다.
한편, 비규칙형의 학생들은 물체가 어느 쪽으로 구를 것인지 먼저 예측한 후 그 방향으로 구르기 위해 마찰력이 어느 쪽이 되어야 하는지를 기본으로 하여 마찰력의 방향을 찾았고, 계산형의 학생들은 마찰력의 방향을 임의로 설정하고 방정식을 푼 후 결과로 나온 마찰력의 부호를 통해 마찰력의 방향을 찾았다.
대상 데이터
본 연구의 참여자는 수도권 소재 과학영재학교에서 고급물리학을 수강하는 3학년 학생 48명이었으며, 이들은 1, 2학년에서 일반물리학 수준의 교과를 모두 이수하였다. 이들은 고급물리학을 수강하는 학생들인 만큼 과학 영재 학교에 진학한 학생들 중에서도 물리를 좋아하고 잘 한다고 생각되는 학생들이다.
성능/효과
넷째, 학생들에게 가능한 계산하지 말고 마찰력의 방향을 유추해보도록 요청했음에도 불구하고, 문항이 복잡할수록 계산을 통해 마찰력의 방향을 찾으려는 학생수가 많아졌다.
즉, 특정한 상황에서 물체에 작용하는 마찰력의 크기도 마찰력과 관련한 중요한 개념이지만, 이에 대해서는 의도적으로 물어보지 않았다. 둘째, 마찰력의 방향이 문제의 조건에 따라 바뀔 수 있는 상황은 물어보지 않았다. 본 연구에서는 학생들이 정성적인 생각만으로도 마찰력의 방향을 찾을 수 있도록 하는데 초점을 맞추었으며, 이에 따라 계산을 해 보아야만 정확히 마찰력의 방향을 산출할 수 있는 문항은 의도적으로 제외하였다.
본 연구에서와 같이 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대한 학생들의 다양한 응답을 분석해 봄으로써 각각의 문항에 대해 다양한 논리적인 응답이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 연구자는 본 연구에서의 여러 응답들은 다양한 해석이 가능하게 하는 열린 수업을 위한 자료로 활용 가능하다는 점에서 의의가 있다고 본다.
셋째, 문항에 따라 마찰력 규칙을 활용하여 문제를 풀기가 상대적으로 용이한 문항이 있고, 규칙을 활용하지 않고 문제를 풀기가 상대적으로 용이한 문항이 있었다.
연구 결과 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대한 과학 영재 학생들의 응답은 크게 규칙형, 비규칙형, 계산형의 세 유형으로 나눌 수 있었다. 먼저 규칙형은 기존에 자신들이 잘 알고 있는 마찰력과 관련한 규칙을 문제 풀이에 적용하는 유형이었다.
연구 결과, 구르는 물체에 작용하는 마찰력에 대한 과학 영재 학생들의 이해의 특징은 다음과 같다. 첫째, 학생들의 응답은 규칙형, 비규칙형, 계산형의 세 유형으로 나눌 수 있었다. 구르는 물체에 작용하는 마찰력의 방향을 찾기 위해 규칙형의 학생들은 자신들이 중 고등학교 때 이미 익숙한 마찰력과 관련한 규칙만으로 마찰력에 대해 추론하여 마찰력의 방향을 찾았다.
후속연구
특정 주제에 대한 다양한 해석을 추구하는 접근은 학생들의 이해에 도움이 된다고 알려져 있다(Ha, Lee, & Kalman, 2013; Ha, & Lee, 2015). 본 연구에서 소개한 학생들의 다양한 논리 유형을 또 다른 수업에서 활용한다면 학생들의 다양한 응답으로부터 이 주제에 대한 보다 활발한 토론 수업을 계획할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마찰력이란 무엇인가?
, 2007; Corpuz, & Rebello, 2011; Reichert, 2001). 다른 한편으로는 교과서 등에서 ‘마찰력은 운동을 방해하는 힘’과 같은 제한된 규칙을 학생들에게 주입하는 것이 잘못된 것으로 보고, 이보다는 보다 일반적으로 활용할 수 있도록 학생들에게 ‘마찰력이란 두 물체의 접촉면에서의 상대 운동을 방해하는 것’이란 규칙을 강조해서 가르칠 필요가 있다는 주장들이 있다(Arons, 1997; Hong, 2010; Kim, & An, 2013; Salazar et el., 1990).
마찰력에 대해 가지고 있는 어려움을 해소하기 위한 방면에는 무엇이 있는가?
학생들이 마찰력에 대해 가지고 있는 어려움을 해소시키기 위해 다양한 방면의 접근이 이루어지고 있다. 우선 마찰력은 실제로 복잡한 특성을 가진 힘이므로, 마찰력 자체가 가진 특성을 학생들 스스로 생각해 보고 마찰력이 발생하는 원인이 무엇인지 생각해 보도록 하는 접근이 있다. 이런 접근들에서는 마찰력의 미시적 특성에 주목하여 학생들이 미시적으로 어떤 상황에 의해서 마찰력이 발생하는지 스스로 모델링해 보고 미시 세계와 거시 세계를 연결시켜 볼 수 있도록 유도한다(Besson et al.
학생들에게 마찰력이란 무엇인가?
마찰력은 일상생활에서의 뉴턴 역학을 이해하기 위해 필수적인 힘임에도 불구하고 그 복잡한 특성으로 인해 많은 학생들이 이해하기 힘들어 하는 힘이다(Carvalho, & Sousa, 2005). 때문에 학생들은 마찰력에 대한 깊은 고민이나 이해 없이 간단한 지식을 암기하고 이를 문제 상황에 적용하려 하며, 이 과정에서 많은 어려움을 겪는다(Ha, & Lee, 2011).
참고문헌 (16)
Arons, A. B. (1997). Teaching introductory physics. New York, NY: John Wiley & Sons.
Besson, U., Borghi, L., De Ambrosis, A., & Mascheretti, P. (2007). How to teach friction: Experiments and models. American Journal of Physics, 75(12), 1106-1113.
Byun, T., & Lee, G. (2014). Why students still can't solve physics problems after solving over 2000 problems. American Journal of Physics, 89(9), 906-913.
Carvalho, P. S., & Sousa, A. S. e. (2005). Rotation in secondary school: teaching the effects of frictional force. Physics Education, 40(3), 257-265.
Corpuz, E. D., & Rebello, N. S. (2011). Investigating students' mental models and knowledge construction of microscopic friction. I. Implications for curriculum design and development. Physical Review Special Topics-Physics Education Research, 7(2), 020102.
Ha, S., & Lee, G. (2011). Understanding students' difficulties and their structure in learning friction in upper level mechanics course via weekly report. New Phys.: Sae Mulli, 61(9), 840-849.
Ha, S., & Lee, G. (2015). Hermeneutics and science education: Focus on implications for conceptual change theory. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 35(1), 85-94.
Ha, S., Lee, G., & Kalman, C. S. (2013). Workshop on friction: Understanding and addressing students' difficulties in learning science through a hermeneutical perspective. Science & Education, 22(6), 1423-1441.
Kim, Y., & An, M.-Y. (2013). Analysis of secondary students' Difficulty in understanding the frictional force concept and a suggestion for its teaching strategy. New Physics: Sae Mulli, 63(10), 1077-1084.
Rimoldini, L. G., & Singh, C. (2005). Student understanding of rotational and rolling motion concepts. Physical Review Special Topics-Physics Education Research, 1(1), 010102.
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