npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 319-328

Published online April 29, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.319

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Physics Education in the Era of the Fourth Industrial Revolution through the Concepts of Hyper-Convergence, Hyper-Connection, and Super-Intelligence

Sangwoo Ha1, Hunkoog Jho2*

1Department of Physics Education, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
2Graduate School of Education, Dankook University, Yongin 16890, Korea

Correspondence to:*E-mail: hjho80@dankook.ac.kr

Received: January 3, 2022; Accepted: February 11, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

This study aims to examine the considerations in Physics education in the era of the fourth industrial revolution, which will lead to rapid changes. This study addresses the lack of definition of the fourth industrial revolution. Thus, we focused on the features of hyper-convergence, hyper-connection, and super-intelligence, which characterize the future society. First, in the era of hyper-convergence, Physics education must be flexible enough to go beyond its original boundaries and pursue convergence with more diverse and heterogeneous disciplines. Second, in the hyper-connected era, Physics education must involve comprehensive learner diagnosis systems using big data and artificial intelligence as well as augmented and virtual reality. Finally, in the era of super-intelligence, Physics education must nurture creativity, sensitivity, and human character, which are unique human characteristics. In particular, it is imperative to think about the role of physical education in establishing human identity in the fourth industrial revolution era when a loss of humanity is expected.

Keywords: Physics education, 4th industrial revolution, Hyper-convergence, Hyper-connection, Super-intelligence

본 연구는 앞으로 급격한 변화가 예상되는 4차 산업혁명 시대에 물리교육에서는 무엇을 고려해야하는지 살펴보는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 우선 본 연구에서는 4차 산업혁명이 아직까지 잘 정의되지 않은 개념이라는 것에 주목하고, 근 미래 사회가 가지는 특징 중 많은 학자들이 동의하고 있는 개념인 초융합, 초연결, 초지능의 개념을 개괄적으로 살펴보고, 각 특징별로 물리교육이 해야할 역할이 무엇인지 고찰해 보았다. 첫째, 다양한 산업과 기술, 학문이 융합되는 초융합 시대에 맞춰 물리교육에서도 본연의 경계를 넘어 보다 다양한, 이종 학문과의 융합을 추구하려는 유연성이 필요하다. 둘째, 물리적, 심리적, 사회적 연결을 통해 각 주체의 경계가 점차 사라지는 초연결 시대에 맞춰 증강현실, 가상현실과 같이 물리적인 한계를 넘어서는 물리교육 뿐만 아니라 빅데이터, 인공지능을 활용한 물리 학습 능력 관련 종합적 학습자 진단 시스템 개발에 관심을 기울일 필요가 있다. 셋째, 인간의 지능을 넘어서는 인공지능이 개발되는 초지능 시대를 맞아 인간 고유의 특성인 창의성 및 감성, 인성을 길러주는 물리교육의 방안을 고민할 필요가 있다. 특히 인간성 상실의 위기가 예상되는 4차 산업혁명시대에 인간 고유의 정체성을 확립하기 위해 물리교육이 해야할 역할에 대해 구체적으로 고민할 필요가 있다.

Keywords: 물리교육, 4차 산업혁명, 초융합, 초연결, 초지능

과학기술의 발전은 인류 문명의 대전환점을 기록하는데 기여하였다. 기원전 1만년 경, 농경 기술의 발달을 통해 나타난 농업혁명은 식량 생산의 증가와 안정적인 자원 확보를 통해 인구의 증가 및 정착을 가져 왔으며, 18세기 경 영국에서 일어난 산업혁명으로 대량 생산을 통한 공급의 증가와 교통, 섬유, 제철 등 다양한 산업 분야의 발전이 일어나게 되었다[1, 2]. 한편 19세기에 일어난 2차 산업혁명은 발전을 통한 전력 생산으로 중화학공업을 통한 기계의 발명과 도시화, 분업화 로 인한 대량 생산 체계를 가능하게 하였으며, 20세기의 3차 산업혁명으로 반도체, 인터넷 등 전자, 전기, 정보통신 분야의 발달을 통해 글로벌 사회, 정보화 사회를 구축하게 되었다[3, 4].

2016년, Schwab은 다보스에서 열린 세계 경제 포럼에서 인류에게 또 다른 혁명적인 변화를 가져올 수 있는 4차 산업혁명의 개념을 제안하고, 4차 산업혁명이 우리 삶의 많은 부분을 변화시킬 것으로 예상했다[5]. 4차 산업혁명 시대에는 최근 주목받고 있는 여러 가지 혁신적인 기술들인 인공지능(AI, Artificial Intelligence), 사물 인터넷(IoT, Internet of Things), 빅데이터 활용기술, 가상현실(VR, Virtual Reality), 3D 프린터 등이 사회 전반에 걸쳐 혁명적인 변화를 가져올 것으로 예상된다. 무엇보다 4차 산업혁명 시대에는 이들 기술들이 서로 연결되고, 융합되어 새로운 기술들이 탄생하고 사회의 변화를 가속시킬 것이라는 전망이 우세하다. 특히 4차 산업혁명 시대에는 인공지능 기술을 바탕으로 상품의 생산에서부터 유통에 이르기까지 전 과정이 자동화되어 소품종 맞춤형 생산이 가능해질 것이다. 4차 산업혁명 시대에 우리가 맞이할 혁명적 변화를 앞선 산업혁명들과 구분하기 위해 4차 산업혁명을 스마트 혁명이라고 부르자는 주장도 있다[6].

4차 산업혁명과 관련한 변화가 우리 삶의 많은 부분을 바꿀 것으로 예상됨에 따라 4차 산업혁명이 어떠한 변화를 가져올 것인지 다양한 분야에서 연구가 수행되었다[7-10]. 인공지능 기술의 발전은 데이터를 활용한 플랫폼 기반의 새로운 비즈니스 모델로 콘텐츠의 공유, 지식 정보 서비스, 물류 등 다양한 분야에서 혁신을 가져오지만 동시에 저작권 문제나 사생활 보호 등 윤리적, 법적 문제를 가져올 가능성이 높다. 예를 들면 빅데이터와 관련한 저작권 문제와 함께, 인공지능이 만들어낸 창작물에 대한 저작권 문제, 그리고 인격이 없는 인공지능에게 법적인 지위를 부여해야 하는지에 대한 문제를 가져올 수 있다[7]. 한편, 4차 산업혁명으로 인한 급격한 주변 환경의 변화는 기업 경영 환경에도 변화를 요구하고 있다. 예를 들어 4차 산업혁명에 시대에 맞는 기업의 조직 구성과 운영 방식은 어떠해야 하는지, 소비자의 다양한 개별 욕구를 만족시키기 위해 소비자의 필요에 맞춘 개별화된 상품의 디자인과 생산, 유통과정은 어떠해야 하는지 경영 전반에 대한 진지한 고민이 이어지고 있다 [8]. 이와 더불어 미래 사회의 인류의 삶에 가장 큰 영향을 주는 것 중 하나인 4차 산업혁명 시대의 일자리 변화에 대한 전망도 이어지고 있다. 4차 산업혁명으로 인한 기술 개발로 인해 현재 직업의 대부분이 미래 사회에는 사라질 것이라는 비관적 전망[9, 10]에서부터, 4차 산업혁명으로 인한 새로운 욕구 창출로 인해 새로운 일자리가 탄생할 것이라는 긍정적 전망에 이르기까지[11] 다양한 연구가 이루어지고 있다.

4차 산업혁명은 우리 사회의 교육 전반에도 많은 변화를 가져올 것으로 예상된다. 급격한 산업 구조의 전환과 사회 변화로 인해 미래사회의 교사에게는 단순한 지식전달자로서의 직무 능력 보다는 학생 맞춤형 학습 안내자, 지원자로서의 직무 능력이 보다 요구된다[11]. 학교에서도 미래 사회에 필요 없는 직무 능력을 가르치기 보다는 미래 사회에 꼭 필요한 직무 능력을 교육하는 것이 중요해지며, 국가적으로는 미래 사회에 요구되는 핵심 역량이 무엇인지 파악하는 것이 중요해진다. 미래사회의 교육과 관련하여 대학 교육[12, 13]이나 교양 교육[6,14,15], 인성 교육[16] 등 교육의 다양한 분야에서의 변화를 예측하는 연구들이 수행되었다. 하지만 이들 연구들은 미래 사회를 대비한 교육에 대해 포괄적이고 일반적인 관점에서 제시하고 있고, 미래사회를 대비한 교육과 관련하여 각 교과 교육에서 어떤 역할을 해야 하는지 고찰한 연구는 과학교육의 관점[17] 에서의 견해를 제시한 일부 연구 외에는 찾아보기 힘들다. 무엇보다 실제 학교 현장에서의 교육은 교과교육의 형태로 이루어지고 있어 4차 산업혁명 시대에 각 교과 교육이 해야 할 역할은 무엇인지, 4차 산업혁명과 관련하여 각 교과 교육에 어떠한 변화가 요구되는지 고찰하는 연구의 필요성은 높다고 할 수 있다. 특히, 물리학은 다른 응용 학문들의 기초적 성격을 지닌 학문으로, 4차 산업혁명 시대에도 여전히 중요한 위치를 가질 것으로 기대되며, 이에 따라 4차 산업혁명 시대를 대비한 물리교육의 모습은 어떠해야 하는지 살펴보는 것은 대단히 중요하다.

한편, 4차 산업혁명과 관련한 많은 논의가 있었지만 앞선 3차례의 산업혁명과는 달리 4차 산업혁명은 그 시작 시기 자체가 불명확하다는 비판도 존재한다[4,18]. 즉, 현재 우리가 겪고 있는 변화가 3차 산업혁명의 연장선상에 있는 것인지, 아니면 이미 4차 산업혁명이 시작된 것으로 보아야 하는지 불명확하다는 것이다. 특히 Schwab이 4차 산업혁명의 개념을 제시한 이래로 4차 산업혁명이 우리시대를 관통하는 구호가 되었지만, 4차 산업혁명이 무엇인지, 그 정의를 명확히 제시하고 있는 경우는 찾기가 쉽지 않다. 실제로 여러 학자들이 4차 산업혁명에 대한 명확한 정의는 존재하지 않는다고 주장하고 있으며[8,19], 4차 산업혁명은 미래학과 관련된 성격을 띠고 있으므로 4차 산업혁명이 이미 확립된 역사적 사실이라기보다는, 하나의 작업가설로 보는 편이 바람직하다는 주장도 존재한다[4,18].

이처럼 4차 산업혁명에 대한 명확한 학술적 정의는 찾아보기 힘들며, 심지어 4차 산업혁명이라는 것이 실재하는 것인지에 대해서도 이견이 존재한다. 그리고 4차 산업혁명에 대한 명확한 정의의 부재로 인해 4차 산업혁명에 대한 이해에 어려움이 생기기도 한다[8]. 이처럼 4차 산업혁명의 정의에 대해서는 이견이 존재하지만 앞으로의 미래 사회를 이끌어갈 기술은 무엇인지, 앞으로 어떤 특징을 가진 미래 사회가 펼쳐질 것인지에 대해서는 많은 학자들의 공통된 견해가 존재한다. 이에 본 연구에서는 4차 산업혁명이 가지는 특징들 중 많은 학자들이 공통적으로 제시하고 있는 특징들인 초융합, 초연결, 초지능에 주목하고, 각각의 특징과 관련하여 물리교육적 측면에서 어떤 부분을 고려해야 하는지 알아보았다. 특히 본 연구에서는 초융합, 초연결, 초지능의 개별 특징들에 대해서 개괄적으로 살펴보고, 각 특징별로 물리교육에서의 고려사항에 대해 논의하는 것을 연구 목적으로 한다.

본 연구에서 연구자는 급격한 변화가 예상되는 미래 사회에서 물리교육이 해야할 역할은 무엇인지, 물리교육이 나아가야 할 방향은 어떠해야 하는지 살펴보려는 구체적인 방향성을 가지고, 2년여 간의 시간에 걸쳐 대략 100여편의 문헌들을 살펴 보았다. 본 연구는 다양한 문헌들을 고찰하고, 문헌들을 통해 통찰을 얻으려고 했다는 점에서 문헌 연구의 성격을 지니며[20], 이를 통해 4차 산업 혁명의 물리교육을 개념화하려 했다는 점에서는 개념 연구의 성격을[21], 그리고 근 미래 사회의 물리교육의 방향성을 제시하려 했다는 점에서는 이슈 페이퍼의 성격을 지닌다고 할 수 있다. Snyder는 문헌 연구의 종류를 목적, 전략, 연구방법, 기여하는 부분에 따라 구조화(Systemic) 된 문헌연구, 반 구조화(Semi-systemic) 된 문헌연구, 통합적(Integrative) 문헌연구로 분류했는데[20], 본 연구는 미래 교육에 대해 비판적이면서도 통합적으로 살펴보려고 했고, 연구의 진행 과정에서 연구자는 크게 질적 연구의 패러다임 내에서 연구를 진행하려고 노력했으며, 특히 미래 교육의 성격을 3가지로 나누고 각각의 성격별 특징을 알아보려고 했다는 점에서 통합적 문헌연구로 분류될 수 있다. 마찬가지로 미래 교육의 성격을 3가지로 개념화하고, 분류하려고 했다는 점에서는 Jaakkola의 개념 연구 분류 중 유형화(Typology) 연구에 가깝다고 볼 수 있다.

연구를 위해 연구자는 구글 스콜라, DBpia, Web of Science 등 국내외 문헌 연구 검색 데이터베이스에서 4차 산업혁명, 미래 교육 등을 키워드로 다양한 문헌들을 다운로드 받고 살펴 보았다. 특히 본 연구에서는 물리교육이라는 특정한 교과 교육 영역에서의 미래 교육에 관심이 있었기 때문에, 4차 산업혁명의 정의나 성격 등 일반론적인 성격을 지니는 문헌들뿐만 아니라 법학, 사회학, 경제학, 공학 등 각 학문 영역별로 미래 교육을 위해 무엇을 대비해야 하는지 논의한 연구물들도 다방면으로 참고하였다. 수집한 문헌들은 최초에는 특별한 목적 의식 없이 살펴 보았고, 이후 여러 문헌들에서 반복적으로 등장하는 4차 산업혁명의 성격인 초융합, 초연결, 초지능의 카테고리를 개방적 코딩 및 귀납적 범주화 방법을 통해 설정하였다[22,23]. 이후 이렇게 설정된 카테고리 별로 물리교육에의 시사점을 얻기 위해 문헌들을 다시 살펴보는 나선형적 연구 모형[22,23], 또는 해석학적 순환의 과정을 거쳤다[24].

이후 4차 산업혁명의 성격별 물리교육의 시사점을 도출하는 과정에서는 각 학문 영역별 미래 교육 문헌 외에도 물리교육의 여러 문헌들도 함께 고려 되었다. 즉, 물리교육의 여러 문헌들의 주장이 미래 교육의 성격과 연관지어 어떤 통찰을 제공해 줄 수 있는지에 초점을 두어 문헌 고찰을 진행했다. 이 과정에서 4차 산업혁명의 성격 중 초융합과 초연결을 명확히 구분하여 서술할 필요가 있었다. 기존에 존재하던 것들이 경계를 뛰어 넘어 서로 연결되는 초연결 과정에서 서로 간의 융합이 촉진되는 초융합의 특성이 나타나는 측면이 있기 때문이다. 본 연구에서는 연구자들 간의 논의를 거쳐 초융합은 학문 분야가 서로 융합되는 소프트웨어적인 융합으로, 초연결은 물리적 실체들이 서로 연결되는 하드웨어적인 연결로 한정 지어 제시하였다. 이에 따라 초융합 부분에서는 앞으로 물리학의 학문이 가져야 할 성격에 대해 교육과정적인 접근을, 초연결 부분에서는 학습의 주요 주체인 학생과 교사가 다양한 물리적 실체들과 연결되면서 가져올 변화에 대한 접근을 주로 다루었다. 한편, 초지능 부분에서는 인간 지능을 넘어서는 초지능의 출현에 맞추어 인간의 정체성을 유지하기 위한 물리교육의 방향이 어떠해야 하는지 제시하였다.

4차 산업혁명과 관련된 주요 키워드 중 하나는 초융합(hyperconvergence)이다. 초융합이란 기존에 존재하던 여러 가지 기술이나 산업, 지식, 학문 분야 등이 결합해 이전과는 전혀 다른 새로운 산업이나 지식 영역 등이 출현하게 되는 것을 말한다. 예를 들면 유전공학과 예술의 결합으로 바이오 아트가 탄생하고 생물정보학과 언어학, 데이터과학이 만나서 DNA를 활용한 정보 저장 등의 기술이 개발되었다[6,25]. 4차 산업혁명의 초융합의 특징은 주로 다양한 기술들이 영역을 초월하여 동시다발적으로 융합되고, 새로운 기술이 탄생함으로써 주목받고 있지만, 이러한 특징은 기술 영역을 넘어 다양한 학문이나 지식의 융합 현상도 가속화시킬 것으로 생각된다. 즉, 4차 산업혁명 시대에는 다양한 분야의 학문이 서로 융합되어 새로운 분야의 학문이 탄생하거나, 보다 가치 있는 산출물이 도출될 것이다. 결국 전통적인 학문 분야도 자기 학문의 고유의 가치나 고유의 경계를 주장하기 보다는, 기 설정된 경계를 뛰어 넘는 적극적인 융합을 추구할 때 4차 산업혁명이라는 큰 변화 속에서도 살아남을 수 있을 것이다. 여기서 주목할 만한 부분은 학제간의 경계가 무너지는 현상이 가속화 될 것이라는 점이다. 앞으로 다양한 학문 분야들이 큰 변화를 겪을 것으로 생각되는 가운데, 각 교육 분야에서도 이를 어떻게 반영하면 좋을지 고민해야 한다.

우리나라에서도 초융합 시대에 대한 대비를 위해 교육과정을 개정하면서 미래 사회에 대비한 변화를 교육과정에 반영하기 위해 노력하고 있다. 특히 2015 개정 교육과정에서는 지식 중심의 교육과정을 핵심역량 기반 교육과정으로 재설계하고, 미래 사회에 필요한 핵심역량을 구체적으로 제시함으로써 학제간의 칸막이를 없애기 위해 노력하였으며[26], 이러한 기조는 2022 개정 교육과정에서도 계속 이어질 예정이다 [27]. 하지만 미래사회의 변화에 따른 역량 함양에 대한 구체적인 과제나 전략 제시는 아직까지 부족한 실정이어서 이에 대한 폭넓은 논의가 필요하다고 할 수 있다. 무엇보다 초융합 시대에 걸맞는 융합인재 양성에 대한 보다 구체적인 고민이 필요한 실정이다.

우리나라에서는 특히 초 · 중등 교육에서 융합 인재 양성을 위한 방안으로 STEAM 교육이 부각되었지만, 많은 경우 STEAM 교육에서 의도했던 진정한 의미의 융합이 이루어졌다고 하기는 힘들었다. 즉, STEAM 교육이 일선 학교의 정규 교육과정에서 운영되지 않고 특별 교육 프로그램의 형태로 운영되거나, 교과 간 완전한 융합을 이루기 보다는 단순히 다양한 분야가 혼합된 상태의 교육이 이루어진 경우가 많았다. 따라서 진정한 의미의 주제 중심 STEAM 교육이 학교 현장이 정규 교육과정에도 자리잡을 수 있도록 관심을 기울일 필요가 있다. 또한 대학 교육도 경직된 학과 중심의 체제에서 벗어나 다양한 학문 분야를 필요에 따라 융합시켜 융합 전공을 새롭게 개설하거나, 이종 학문간의 적극적인 복수전공 체제를 구축할 필요가 있다[17]. 이와 같은 초융합의 시대적 트렌드에 발맞추어 일부 대학에서는 다양한 전공을 융합하여 사물인터넷, 융합 공학, 의료기기공학 등의 새로운 융합 전공을 개설하고 있다[28].

이러한 상황에서 물리학은 다른 학문들의 기반이 되는 학문으로서 잘 준비된 물리교육이 이루어진다면, 초융합 시대에 새로운 기회를 맞을 수 있다고 생각된다. 즉, 물리학은 기초 학문으로써 다른 분야의 학문과 연결될 수 있는 기회가 다른 학문 분야보다 상대적으로 풍부하다고 할 수 있다. 지금도 물리학은 화학, 생물학, 지구과학 등 전통적인 과학의 분야뿐만 아니라 경제학, 사회학 등 다양한 학문과의 융합을 통해 흥미로운 연구 결과물들을 산출하고 있다. 앞으로 물리학은 전통적인 기초 개념과 원리 중심의 관점에서 벗어나서 보다 적극적으로 타 학문과 소통하고 타 학문과 융합되는 것을 추구할 필요가 있다. 특히 4차 산업혁명의 핵심 기술인 인공지능, 사물인터넷 등과 연계하여 인공지능 물리학, 사물인터넷 물리학 등의 융합 학문 및 융합 학문 지식을 산출하고, 4차 산업혁명을 선도하는 노력을 기울여야 한다. 또한 초융합적 관점에서 다양한 영역과 주제에 대한 물리적 관점에 대한 학제적 접근이 필요하다. 예를 들면 통계역학적 관점을 이용한 기후변화 예측이나 감염병 확산, 양자역학적 관점에서의 뇌의 신호 전달과 학습, 열역학적 관점에서의 인플레이션이나 세계 경제 추세 분석 등 물리학이 다양한 분야와의 융합을 통해 유용한 학문임을 경험할 수 있는 기회를 제공해야 한다[29-31].

2021년 11월 2022 개정교육과정 총론 시안이 발표되었고, 학교 현장에는 순차적으로 2022 개정 교육과정이 적용될 예정이며, 2025년에는 고교학점제가 일선학교에 전면 도입될 예정이다. 2022 개정 교육과정에서는 기존의 2015 개정 교육과정의 선택 과목 교과군에 융합 선택 교과군을 추가함으로써 창의융합인재 양성에 관심을 기울이고 있으며, 고교학점제 도입을 통해 학생들이 본인의 관심사에 따라 다양한 교과목을 수강할 수 있도록 하고 있다 [27]. 이와 같은 2022 개정 교육과정의 취지가 성공하기 위해서는 학교 현장 교사들이 다양한 융합 교과목을 개발하고 또 교육할 수 있는 역량을 함양하는 것이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다. 이를 위해 전국의 사범대학에서는 예비교사들이 다양한 융합 교과를 개발하고, 또 가르칠 수 있는 역량을 기를 수 있도록 예비교사 양성교육과정을 개편하는 것이 시급한 과제이다.

이를 위해 구체적으로 4차 산업혁명의 핵심기술이라 할 수 있는 사물인터넷, 빅데이터, 인공지능 등과 같은 소재를 예비물리교사 양성 교육과정에 적극 반영하여 센서물리학과 교육, 전산물리학과 교육, 빅데이터 물리학과 교육 등의 교과목들이 개설될 필요가 있으며, 예비교사들이 현장교사로 활동하면서도 이들 내용들을 활용하여 새로운 교과목을 개발할 수 있도록 융합 역량을 길러줄 필요가 있다. 특히, 현재 많은 사범대 물리교육과 교과과정에 개설되어 있는 전산물리학과 같은 교과목은 지금보다 그 필요성이 더욱 강조되어 전공필수 교과로 운영될 필요가 있으며, 전산물리학 교과를 통해 코딩, 알고리즘 등 기본적인 프로그래밍 소양 뿐만 아니라 빅데이터 활용 능력도 키워줄 필요가 있다. 또한 물리학적 시각이 중요한 융합 교과들, 예를 들어 스포츠 물리학, 의료 물리학과 같은 교과목을 개설하고 예비물리교사들에게 이들 교과에 대한 소양을 길러줌으로써 향후 학교 현장에서 중 · 고등학생들이 자기의 진로에 따라 선택할 수 있는 다양한 교과목을 개발할 수 있는 역량도 키워줄 필요가 있다. 예비물리교사들의 역량 함양을 통해 궁극적으로는 중 · 고등학생들에게 물리학이 우리의 생활과 밀접한 관련이 있으며, 심지어 우리의 생활을 개선하는데 필요하고 재미있기까지 한 교과목이라는 인상을 심어줄 수 있을 것으로 기대된다.

하지만 융합교육이 강조될수록 무엇보다 주의해야 할 점이 있다. 한 연구에 따르면 융합교육 전공 졸업생들의 경우 융합교육의 문제점으로 공학기초 지식 교육이 부족하다고 생각하는 경향이 있었던 것으로 나타났다[28]. 이러한 결과가 의미하는 것은 새롭게 대두되는 융합교육을 강조하다 보면 융합 기술에 대한 교육에 치중한 나머지 융합되기 전의 원래의 교과 교육에 대한 내용을 다루는 것은 소홀해질 수 있다는 것이다. 결국 융합 교육이 대두될수록 오히려 학생들이 기초 실력을 놓치지 않고 기초 학문 능력을 함양할 수 있도록 관심을 기울이는 것도 중요하다고 할 수 있다. 이에 따라 물리교육에서도 융합교육이 강조될수록 기초적인 물리학 교육에 대한 관심을 놓치지 않도록 신경 쓸 필요가 있다.

4차 산업혁명으로 인해 나타나는 중요한 특징 중 하나는 초연결이다. 정보통신 기술의 발달로 인간과 기계, 사물 등이 연결되는 거대 네트워크가 구성됨에 따라 더욱 많은 정보와 주체들이 연결되고 있으며, 가상현실, 증강현실 기술의 발달로 현실 세계와 가상 세계의 구분이 점차 모호해지는 메타버스 등이 주목받고 있다. 컴퓨터 과학에서의 심층 신경망 개념에서 파생된 연결주의는 인간을 포함한 다양한 사물이나 기기, 소프트웨어 등의 주체(노드) 간의 결합과 상호작용, 정보 전달 등을 통한 맥락과 네트워크를 통해 학습을 정의하려는 움직임이다[32,33]. 즉, 물리적, 심리적, 사회적 연결이 팽창하고 경계가 점차 사라지는 현상을 초연결이라 할 수 있다.

모든 물리적 실체 사이의 연결이 자연스러워지는 초연결 사회에서는 학교 교육의 의미도 크게 변화될 것이라 생각된다. 무엇보다 교육이 이루어지는 물리적 장소로서의 학교의 의미는 퇴색될 것이다[10]. 미네르바 스쿨 등 교육이 이루어지는 물리적인 장소가 없는 학교가 큰 성공을 거두고 있으며[12], 최근 코로나 사태를 겪으며 학생들이 각 가정에서도 교육을 받을 수 있는 원격 교육이 자연스러운 일상이 되었다. 앞으로 메타버스 기술이 더욱 발전한다면 가상현실 속에 대학 캠퍼스를 구축하여 가상현실 속에서도 실감 있는 교육이 이루어질 것으로 기대된다.

연결주의적 관점에서는 다양한 디지털 기기 역시 학습의 주요 주체이기 때문에 어떻게 다양한 기기와 자원을 연결하여 통합된 의미를 구성할 수 있는가의 문제는 매우 중요하다. 이러한 차원에서 스마트 폰이나 태블릿, 인터넷을 통해 제공되는 데이터셋과 프로그래밍 능력 등을 함양하고, 또 활용하는 것이 중요하다. 무선 통신을 활용한 마이크로프로세서 기반 센서 데이터의 수집과 관찰, 측정, 피지컬 컴퓨팅을 활용한 물리 수업이나 유럽입자물리연구소 등 학술 기관으로부터 제공되는 빅데이터를 활용한 물리 탐구 등이 강화되어야 할 것이다. 또한 시공간의 제약을 벗어난 다양한 물리 경험을 제공할 수 있으려면 증강현실이나 가상현실 기반의 원격 실험실 등도 개발되어야 한다. 단기적으로는 OpenGL이나 파이썬 기반의 시뮬레이션 및 계산 학습 등을 통해 학습 경험을 확장해야 한다.

자연스러운 초연결 사회를 위한 빅데이터 분석 기술과 인공지능 기술의 발달은 교육 영역에 또 다른 가능성을 가져 오고 있다. 막대한 양의 데이터를 수집하는 것과 동시에 이를 분석 및 처리할 수 있게 되면서 복잡한 학습자 데이터에 대한 분석도 빠른 시간 안에 가능하게 된 것이다. 앞으로는 학습자들의 대화 내용이나 학습자가 생산하는 텍스트 분석, 얼굴 표정 등을 체크하는 감성 분석들을 통해 종합적인 학습자 분석이 가능할 것이다 [34]. 이를 통해 학생 개인별 맞춤학습(Adaptive Learning)도 큰 어려움 없이 실행될 수 있을 것이다. 이를 위해 가장 기본이 되는 것은 결국 다양한 학습자에 대한 신뢰할만한 데이터셋과 이를 수집하고 관리할 수 있는 체계를 갖추는 일이다. 그리고 수집된 학습자에 관한 빅데이터를 분석하기 위해 정형 및 비정형 데이터로부터 피처를 구성하는 방법에 관한 노하우를 찾는 것도 매우 중요하다고 할 수 있다.

인공지능을 활용한 적응 학습을 위해서는 학습자를 진단하고 파악할 수 있는 데이터베이스와 체계를 갖추는 일이 중요하다. 물리 개념 이해에 대한 연구는 오래 전부터 수행된 전통적인 분야이지만 최근 학생들을 대상으로 한 개념 이해나 수준 등에 대한 연구나, 진단 도구를 개발하기 위한 연구들이 점차 줄어들고 있다. 또한 잦은 교육과정의 변화에도 불구하고 새롭게 가르치는 개념에 대한 학생들의 이해 유형 등에 대해서는 충분히 논의되고 있지 않다. 이러한 문제를 해소하려면 학습자의 학습 성과와 학습 양식, 개념 이해 수준, 학습 과정 등을 아우르는 포괄적인 데이터셋 구축이 필요하며, 이를 가르치는 교수자의 정보도 함께 연동해 장기적이고 지속적인 물리학습 모니터링 시스템을 갖추는 것이 필요하다.

한편, 앞으로 인공지능은 교수자와 학습자의 보조자이면서 동시에 학습의 주요 주체로서의 역할을 수행할 것이기 때문에 교사의 역할과 정체성에 대한 논의가 필요하다. 단순히 지식이나 정보를 전달하는 교사의 역할에서 벗어나 학생들의 진로에 맞게 학습 경로를 분석하고 지역 환경이나 맥락에 맞게 물리교육과정을 구성할 수 있는 기획 전문가로서의 능력이 필요하다. 그리고 교수자와 학습자 외에도 다양한 사물이 포함되는 협력과 연결이 강조되기 때문에 인간과 기계의 상호작용을 고려한 새로운 협동학습의 방안에 대해서 모색해야 한다. 게다가 가르치는 역할과 배우는 역할이 서로 구분되지 않고 각자 정보를 생산하고 유통할 수 있기 때문에 자율적 주체로서 학생이 물리 교수학습에 참여할 수 있도록 지도하는 것이 필요하다. 과거부터 이뤄졌던 동료 학습 등을 넘어서서 학생들이 스스로 관심있는 분야를 찾아 탐색할 수 있도록 지도할 필요가 있다[13, 35].

4차 산업혁명의 여러 기술 중 가장 주목받고 있는 것은 인공지능이다. 인공지능이란 인간의 사고나 감정, 판단, 행동 등을 모사한 기능이나 기계, 알고리즘을 뜻하며 1940년대 Turing에 의해 처음 제안된 이후 2010년대 들어 급격히 팽창, 발전하고 있다 [36]. 특히 강화학습, 전이학습 등 새로운 방법이 알려지게 되면서 다가오는 미래에는 인류의 총 지적 능력보다 우수한 인공지능이 등장할 것으로 예상하기도 한다 [37]. 인공지능은 크게 약한 인공지능(weak AI)과 강한 인공지능(strong AI)으로 구분할 수 있다 [36]. 약한 인공지능은 특정 분야에 특화된 형태로 개발되어 그 분야에서만 기능을 발휘하는 인공지능으로 바둑의 알파고, 퀴즈, 의료분야의 IBM 왓슨과 같은 것들이 대표적이다 [36]. 강한 인공지능은 자의식, 인간과 같은 감정, 그리고 특정 분야에 한정되지 않는 범용성을 지닌 인공지능으로 인간과 같은 수준의 지적 능력을 발휘하는 인공지능을 일컫는다 [7, 36]. 현재 개발된 인공지능은 약한 인공지능에 국한되어 있지만 멀지 않은 미래에 인간의 지능을 뛰어 넘는 수준의 인공지능이 실현될 것으로 예견되고 있는데, 인간의 지능을 뛰어넘는 뛰어난 지적 능력을 지닌 인공지능을 초지능이라고 한다[6].

특히 고용 및 직업 전망에 대한 여러 보고서들은 단순 노무직이나 기술직, 낮은 지적 능력을 요구하는 일자리가 빠르게 사라질 것으로 예상하고 있으며, 이에 따라 인공지능과 차별화된 능력이나 역량에 대해 많은 관심을 기울이고 있다 [16, 38]. 이에 따라 계산 능력이나 기억, 암기 보다는 융합적 사고나 창의적 문제 해결력이 강조되고 있는데 물리교육에서도 구조화된 문제에 대한 정량적 해답보다는 비구조화된 문제나 문제에 대한 다양한 해석과 접근을 다룰 수 있도록 해야 한다. 예를 들어 동일한 속도의 서로 다른 각도로 발사한 두 포사체가 같은 목표점을 맞추기 위한 각도 사이의 관계를 구하는 문제와 같은 일반적인 문제 풀이 과정에서도 물리학자의 직관이 문제 상황을 이해하는데 도움을 주고, 보다 창의적인 관점에서의 문제 풀이가 가능하다[39]. 또한 집단 지성을 활용한 문제 해결력을 높이기 위해 일반적인 물리 문제 풀이 상황에서도 협력적 물리 문제 해결 방법을 도입하면 학생들이 자신이 생각한 풀이 이외에도 서로 다른 학생의 의견을 들으며 보다 창의적인 문제 풀이에 대해 고민할 수 있고, 문제를 혼자 푸는 것보다 학습 효과도 좋다[40].

한편, 창의성을 지향하는 물리교육은 물리 문제 풀이 활동 이외에 물리 개념을 이해하는 방식에도 접목될 수 있다. 물리교육에서 활용되고 있는 동료 교수법에서는 물리 개념 문항에 대해 학생들이 서로 자신이 생각하는 방법을 나눔으로써 학생들의 물리 개념 이해를 도울 수 있다고 주장한다[41] 이 교수법에서 학생들은 다른 학생들의 다양하고 창의적인 응답을 들으며 교사가 일방적으로 정해진 방법에 따른 설명을 할 때 보다 높은 학습 효과를 보인다. 또한 물리 개념에 대한 조별 학습에서 동료들의 의견을 듣는 과정을 통해 학생들이 학습 주제에 대해 보다 깊은 이해에 도달하는 모습을 구체적으로 보여준 연구도 있다[42]. 즉, 학생들에게 물리 개념을 가르칠 때 특정 물리 개념에 대해 식으로만 이해하도록 하지 말고, 본인만의 언어로 그 개념을 표현해 보게 하는 활동을 강조한다면, 학생들이 물리 개념을 언어로 표현하는 더 나은 방안에 대해 창의적으로 고민하게 될 수 있다는 것이다.

창의성을 길러줄 수 있는 유연하고 개방적인 물리교육은 궁극적으로 유연하고 개방적인 물리탐구 및 실험 교육을 통해 가능할 것이다. 즉, 일선 학교현장에서도 학생들이 개방형 탐구 문제를 스스로 탐구해보게 하는 기회를 되도록 많이 부여해 줄 필요가 있다. 학교 현장에서 주로 이루어지는 탐구 및 실험 교육은 많은 경우 정해진 실험 방법을 통해 정답이 있는 탐구 문제를 단순히 확인하고 그치는 요리책과 같은 실험 교육의 형태로 이루어지고 있고, 교과서에 제시되는 실험의 형태도 대부분 낮은 수준의 개방도를 갖는 확인 실험에 그치고 있다[43, 44]. 4차 산업혁명에 대비한 창의성 교육을 위해서는 요리책 방식의 실험 교육을 탈피하여 학생들이 스스로 탐구하고 싶은 문항을 본인만의 창의적인 방법으로 탐구할 수 있도록 하는 물리 실험 교육이 절실히 요구된다. 하지만 학생들의 경우 개방형 탐구에 대한 경험이 부족하기 때문에 한꺼번에 개방성을 높일 경우 어려움이 예상된다. 이러한 어려움을 해결하기 위한 방안 중 하나로 실험 수업의 개방성을 한 번에 높이기보다는 탐구 과정의 단계별로 부분적으로 개방성을 부여하는 수업이 필요하다. 또한 학교급별, 학생의 수준별로 적합한 개방도를 갖춘 탐구 및 실험 교육 모듈을 개발할 필요도 있다.

자유탐구와 같이 주제부터 실험 방법 등 모든 탐구 과정에 개방도를 부여한 프로젝트 수업에서부터, 일부 탐구 과정에 개방도를 부여한 수업까지 다양한 방식의 개방형 탐구 및 실험 교육이 가능하다[45,46]. 따라서 개방형 탐구 교육도 일률적으로 개발하기 보다는 각급 학교 현장에서 실제로 적용할 수 있도록, 학생들의 수준에 맞는 다양한 방식의 개방형 실험 수업 모형을 개발하여 적용해 볼 필요가 있다. 문제 발견을 포함하여 탐구 활동 전반에 걸쳐 개방도를 부여하는 고차원적인 탐구 능력이 필요한 활동은 대학 물리교육에서 담당하는 것이 바람직해 보인다. 일부 대학의 물리교육과에서 진행되었던 우리나라 전통 문화에 담긴 지혜를 물리적으로 탐구하고 이에 대해 토론해 보도록 하는 프로젝트형 수업이 바람직한 예가 될 수 있다[47]. 중 고등학교 물리교육에서는 KYPT와 같이 탐구 문제를 정해주고, 이를 본인이 원하는 창의적인 방법으로 탐구해 볼 수 있도록 기회를 부여해 주는 등 실험 방법에서 일부 개방도를 부여해 주는 것이 좋을 것이다. 한편, 초등 물리교육에서는 학생들이 현상을 탐구해 볼 수 있도록 간단한 도구를 주거나, 교사가 흥미로운 현상을 제시해주면, 학생들 나름대로 그 의미를 고민해보고, 질문을 생성하도록 돕는 활동이 가능하다.

초지능의 출현에 맞추어 인간 고유의 정체성을 확립하기 위한 교육을 위해 형이상학적 사고나 정서, 감성 등을 활용한 다차원적 접근을 강조할 필요가 있다. 특히 인공지능의 지적 능력에 비해, 아직까지 인간이 느끼는 감성적 영역에서는 인공지능 기술의 발전이 더딘 편이다. 이러한 상황에서 미래교육에서는 인간 고유의 특성이라 판단되는 감성적 영역에 대한 교육이 점점 더 중요하게 될 것이라 판단된다. 2015 개정 교육과정의 총론의 핵심역량에서도 “심미적 감성” 역량을 도입하여 감성적 부분에 대한 강조점을 두고 있다. 하지만 과학과 교육과정의 핵심역량에서는 감성적 부분에 대한 강조가 빠져 있어 상대적으로 감성적 영역에 대한 교육을 소홀히 한다는 인상을 주고 있다.

미래교육을 위해 앞으로는 물리교육에 있어서도 감성적 부분에 대해 더욱 강조가 될 필요가 있다고 판단된다. 예를 들어 과학자들의 연구 수행 과정에서도 과학자의 지적 능력 못지 않게 심미적 감성 역량이 연구의 성패를 좌우하는 경우가 많은 것으로 나타났다[48]. 최근에는 심미적, 감성적 관점을 물리교육 상황에도 도입하여, 학생들이 물리 실험을 하면서 어떠한 미학적 체험을 하는지에 대한 연구가 수행되기도 했다 [49]. 학생들이 물리학에 대해 가지는 감성적 특성을 잘 활용하여 학생들이 물리학의 아름다움 등을 느낄 수 있도록 함으로써 물리학습에 대한 동기 유발에도 기여할 수 있을 것이다[48,49]. 따라서 앞으로 물리교육 분야에서 학생들의 감성적 체험을 극대화하기 위한 관심과 노력, 그리고 학생들의 심미적 감성역량을 효과적으로 길러주기 위한 물리교육 수업 모형 개발을 위한 노력을 적극적으로 기울일 필요가 있다.

한편, 인간 정체성 확립을 위한 교육을 위해 물리교육에서도 학생들의 인성을 길러주기 위한 방안에 대한 고민이 필요하다. 과학 교육 분야에서는 다른 분야에 비해 인성에 대한 관심이 상대적으로 덜 하였으며, 과학 교사들도 과학과에서 인성 지도가 필요하지만, 실제로 과학과에서의 인성 지도는 잘 이루어지지 않는 것으로 인식하고 있다[50]. 하지만 최근에는 분절적인 교과 교육의 한계에 대한 고민과 더불어 인간의 총체성을 회복할 수 있는 인성을 함양하는 과학 교과 교육에 대한 관심이 대두되고 있다[51]. 특히, 최근에는 ‘과학 인성(scientific character)’을 ‘과학교육에서 추구하는 덕목을 구체적인 과학 교수학습의 맥락에서 실천할 수 있는 학습자의 역량’으로 정의하고[50], 과학 인성을 구인화 및 측정할 수 있는 검사 도구를 개발한 연구도 있었다[52]. 이러한 시도에서 한 걸음 더 나아가 물리학에서도 ‘물리학 인성(physics character)’을 정의하고, 다른 교과에서는 하기 힘든 물리학만의 인성 교육은 무엇인지 탐색하고, 구체적인 실천 방안을 연구할 필요가 있다. 특히, 물리학은 여러 과학 분야 중에서도 자연을 통합적으로 이해하는 시각을 기르기에 적합한 학문이기 때문에, 인성 교육적 측면에서의 노력이 추가된다면 미래 교육에서도 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 4차 산업혁명의 주요 특징인 초융합, 초연결, 초지능의 3가지 키워드를 중심으로 물리교육이 나아가야 할 방향과 과제에 대해 제시하고자 하였다. 앞서 논의한 점을 토대로 물리교육의 발전을 위해 고려해야 할 점들을 제시하면 다음과 같다. 첫째, 4차 산업혁명 시대는 여러 가지 핵심기술이 동시다발적으로 융합되어 새로운 가치를 창출하는 초융합의 특성을 가진다는 것에 주목하고, 학문 분야들도 자기 고유의 경계를 넘어 이종의 학문들과 적극적으로 융합되는 현상들이 가속될 것이다. 이러한 현상은 기초학문의 성격을 가진 물리학 분야에 새로운 기회를 가져다 줄 수 있으며, 이에 따라 물리학 분야에서도 지금보다 적극적으로 다양한 학문들과의 융합을 추진할 필요가 있다. 물리교육 분야에서도 교육과정 개편과 고교 학점제 전면 시행에 발맞추어 시대의 요구에 부합하는 전산물리학, 인공지능 물리학 등의 교과를 적극적으로 개발해나갈 필요가 있으며, 미래 사회에서도 여전히 중요한 환경교육과 관련한 이슈에도 적극적으로 의견을 개진할 필요가 있다.

둘째, 4차 산업혁명 시대의 사회는 모든 물리적 사물이 인터넷에 연결되는 사물인터넷과 같은 기술이 주목받고 있으며, 사물 뿐만 아니라 사람과 공간 등 모든 물리적 실체가 클라우드 시스템으로 연결되는 초연결 사회의 특징을 가질 것이다. 이에 대비해 물리학 분야에서도 사물인터넷 정보의 판단의 기초자료가 되는 빅데이터 분석 기술, 다양한 정보를 바탕으로 의사 결정을 내리는 인공지능 기술 등을 교육에 적극 활용하고, 이들 기술의 이해를 위한 기초 소양에 해당하는 코딩 교육 등이 보다 강화될 필요가 있다. 또한 미래 사회에는 사람과 사람 사이의 연결과 소통에 대한 가치가 더 높아질 가능성이 크므로 사람과 사람의 소통을 강조한 물리교육 방법들, 동료 교수법이나 협력적 문제 해결 방법들 등이 지금보다도 더욱 적극적으로 활용되어야 한다고 생각된다. 그리고 교사들을 지식의 생산자, 학생들을 교육의 대상자로 보는 이분법을 넘어, 학생들도 지식의 생산자로 거듭날 수 있는 크리에이터 양성 교육을 실시하는 등, 교육 관점의 전환이 필요한 시점이다.

셋째, 4차 산업혁명 시대에는 급속한 인공지능 기술의 발달로 인간의 지적능력을 뛰어 넘는 초지능이 탄생할 것으로 예상되고 있다. 이에 인간의 지능이 가지는 유연성, 맥락성을 바탕으로 사람이 인공지능 보다 뛰어난 능력을 발휘할 것으로 예상되는 창의성 함양에 집중하는 물리교육이 필요하다. 유연성과 개방성이 있는 물리교육을 위해 토론이 있는 개념 학습, 다양한 방식의 문제 풀이가 가능한 문제 해결 교육, 물리 실험 및 탐구 교육에 적절한 개방성을 부여해 줄 수 있는 구체적인 방법의 탐색이 중요하다. 또한 지적 능력 이외에 인간만이 가지는 중요한 특성 중 하나인 감성을 키워줄 수 있는 물리교육 방안에 대한 적극적인 탐색이 필요하다.

앞으로 4차 산업혁명 시대를 맞아 우리 사회는 많은 변화를 겪을 것이다. 하지만 급격한 변화 상황에서도 변하지 않을 인간 고유의 가치는 무엇일지 고민해보고, 이에 집중하는 교육을 한다면, 4차 산업혁명은 인간에게 보다 풍요로운 세상을 가져다 줄 수 있을 것이다. 지난 수십 년간 수많은 연구자들에 의해 좋은 물리교육 방법들이 많이 개발되었다. 연구자는 미래 사회를 내다보고 새로운 물리교육 방법을 개발하려는 노력도 필요하지만, 이미 개발되어 있는 다양한 물리교육 방법들 중 미래 사회를 위한 교육에 보다 도움이 되는 것은 어떤 것들이 있는지, 그리고 우리가 그동안 간과하거나 소홀히 하고 있었던 것들은 없는지 진지한 반성이 필요한 때라고 생각한다. 즉, 연구자는 예전부터 강조되어 왔으나 물리교육 현장에서 제대로 실행되지 못하고 있었던 것들에 대해 주목하고, 기본에 충실한 물리교육을 한다면, 4차 산업혁명이라는 큰 파고도 어려움 없이 넘을 수 있을 것이라 생각한다.

한편, 본 연구에서 연구자는 문헌 연구를 통해 미래 사회의 특징을 ‘초융합’, ‘초연결’, ‘초지능’의 3가지로 규정하고, 각 성격별 물리교육의 방향성을 제시하려고 했다. 하지만 이 3가지 특징은 서로 명확히 구분되는 것이라기 보다는 서로 밀접히 연관되어 서로에게 영향을 주는 관계에 가깝다. 예를 들어 이종의 물리적 실체들이 서로 연결되는 초연결이 가속화되면, 이종의 학문들이 서로 융합되는 초융합의 특성이 부각될 것이다. 또한 초연결, 초융합을 통한 기술, 학문의 발달을 통해 초지능 사회가 보다 앞당겨 질 것이다. 본 연구에서 연구자는 미래 사회에 대한 막연하고 추상적인 주장을 피하기 위해서 미래 사회의 특징을 3가지로 유형화하고, 각 유형별 고려 사항에 대해 주장했지만, 이러한 구분은 연구자의 주장을 체계화하기 위한 도구였을 뿐, 학문적으로 엄밀하게 구분되지는 못한 한계를 가졌음을 밝혀둔다.

이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. 2021R1G1A1003349).

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