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: 769-781

Published online October 31, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.769

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

High School Students' Preference for Physics and Interest in Learning Quantum Physics

Sungmin Im1, Munho Kwon2*

1Department of Physics Education, Daegu University, Gyeongsan 38453, Korea
2Kyungpook National University High School, Daegu 41950, Korea

Correspondence to:*E-mail: likethomson@gmail.com

Received: September 1, 2022; Revised: September 6, 2022; Accepted: September 6, 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.

As the importance of quantum technology is rising globally, it has become imperative to include quantum physics in the upcoming 2022 revised National Curriculum of Korea. To explore high school students’ perception on learning quantum physics, we surveyed their preference for physics and interest in learning quantum physics. We collected the student responses using an online survey and analyzed 931 responses overall. Notably, students showed a higher preference for quantum physics over other areas of physics in terms of the emotional response and valuational comprehension, while they showed a lower preference of quantum physics in behavioral volition. Students showed a higher interest in the study of atomic structure over quantum technology or quantum phenomena. They regarded the intellectual curiosity as a more important motive for interest than career relevancy and showed a high interest in experimental and cultural activities over others. The preference and interest of the students in learning quantum physics significantly differed with their grades and the future career paths. This study suggests the necessity to teach quantum physics in high schools as well as the implication for constructing a quantum physics curriculum.

Keywords: Quantum physics, High school student, Preference for physics, Interest in learning quantum physics, Curriculum

최근 양자기술의 중요성이 부각됨에 따라 양자물리 교육의 필요성이 확산되고 있으며 이에 따라 2022 개정 교육과정에서도 고등학교 물리교육에서 양자물리의 비중이 확대될 예정이다. 이 연구에서는 고등학교 학생들의 양자물리 학습에 대한 인식을 알아보기 위해 물리 선호도와 양자물리 학습에 대한 흥미를 조사하였다. 전국 단위로 온라인 설문을 활용하여 응답을 수집하였으며, 최종적으로 고등학생 931명의 응답 결과를 분석하였다. 분석 결과, 학생들은 감정 반응과 가치 인식 차원에서는 물리학의 여러 주제 중에서 양자물리를 보다 선호하였으나, 학습 필요성에 대해서는 다른 주제에 비해 상대적으로 가장 낮은 선호도를 보였다. 양자물리 교수학습에 대한 흥미의 경우, 주제 차원에서는 원자 구조, 양자 기술, 양자 현상 순으로 흥미가 높았고, 동기 차원에서는 호기심과 지식 습득을 진로 연관성보다 더 중요하게 인식하였다. 활동 차원의 경우 실험 활동과 문화 활동에 대한 흥미가 상대적으로 높았다. 학생들의 양자물리에 대한 선호도와 흥미는 학년과 희망 진로 계열에 따라 유의한 차이가 있었다. 이와 같은 연구 결과는 고등학교 수준에서 양자물리 교육 도입에 대한 당위성과 더불어 물리 교육과정 구성에 대한 시사점을 제공한다.

Keywords: 양자물리, 고등학생, 물리 선호도, 양자물리 학습에 대한 흥미, 교육과정

현대 사회에서 양자물리의 중요성은 이미 잘 알려져 있다. 일상생활에서 사용하는 거의 대부분의 기기와 기술 속에 양자물리가 직간접적으로 연관되어 있을 뿐 아니라, 최근에는 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자계측 등 양자 기술(quantum technology)의 발전이 성과를 내면서 양자물리가 사회에 미치게 될 영향력은 더욱 확장되고 있다. 양자 기술이 국가의 핵심 전략기술로 간주되기 시작하면서 대한민국 정부는 2021년에 ‘양자 기술 연구개발 투자 전략’을 발표했으며 국회에서는 2022년 초에 ‘양자 기술 개발 및 산업화 촉진에 관한 법률’을 입법 발의하였다[1]. 현재 초중고등학생들이 사회에 진출하게 되는 근미래 사회에서, 어쩌면 현재 사회에서도, 양자물리에 대한 기초적인 이해는 모든 현대 시민에게 필요한 소양이라고도 할 수 있다[2].

한편 우리나라의 교육과정은 국가 교육과정으로서 인재상과 교육목표를 포함하여 각 과목에서 가르쳐야할 학습 내용, 교수·학습 방법 및 평가에 이르기까지 교사가 수업을 통해 가르쳐야할 내용과 방법 등에 대한 전반적인 내용을 모두 포함하고 있다[3, 4]. 시대의 변화에 따라 인재상과 교육목표가 달라짐으로 인해 교육과정에서 제시하는 교과 내용 또한 변해왔다. 특히 기술의 진보를 주도하고 모든 자연과학의 기반이 되는 물리 교과에서는 교육과정 개정 때마다 교과 내용으로 실생활 관련 주제를 포함한 첨단 과학 기술 관련 내용을 포함하고자 노력해 왔다. 첨단 과학 기술의 핵심이 되는 양자물리에 대한 내용은 2007 개정 교육과정까지는 원자의 구조를 중심으로 부분적으로만 소개되었으나, 2009 개정 교육과정에서 상대성 이론과 함께 양자물리 관련 내용이 대폭 강화되었다. ‘물리학의 기본 개념을 바탕으로 자연 현상과 첨단 과학 기술에 대한 이해’를 목표하는 ‘물리 I’ 과목에서는 물질과 전자기장 영역을 통해 양자화된 에너지 준위와 빛의 방출, 에너지띠 이론, 반도체 등에 대한 내용 요소를 제시하였으며, ‘과학 기술과 관련된 분야를 전공하고자 하는 학생’을 대상으로 하는 ‘물리 II’ 과목에서는 미시 세계와 양자 현상을 ‘물질의 이중성’과 ‘양자물리’ 영역으로 나누고, 각 영역에서 플랑크의 양자설, 빛의 입자성, 드브로이 물질파와 입자의 파동성, 전자 현미경, 그리고 불확정성 원리, 슈뢰딩거 방정식, 파동함수, 원자모형, 에너지 준위, 양자터널 효과를 내용 요소로 제시하며 고등학교 물리 교육과정에서 양자물리를 크게 강조하였다[5].

이러한 기조는 2015 개정 과학과 교육과정에서도 유지되었다. 모든 시민의 소양 함양을 위한 일반 선택과목인 ‘물리학 I’ 과목과 이공계열로 진학하고자 하는 학생을 위한 진로선택과목인 ‘물리학 II’에서 양자 현상 또는 양자물리의 기초 개념이 고르게 제시되는 모습을 보였다[6]. ‘물리학 I’에서는 ‘빛과 물질의 이중성’을 핵심 개념(Big Idea)으로 하여 원자와 에너지 준위, 고체의 에너지띠, 빛의 이중성, 물질의 이중성을 내용 요소로 다루고 있으며, ‘물리학 II’에서는 ‘빛과 물질의 이중성’과 ‘미시 세계의 운동’을 핵심 개념으로 하여 빛의 입자성, 입자의 파동성, 불확정성 원리를 내용 요소로 도입하고 있다. 그리고 물리학 교과뿐만 아니라 화학 교과에서도 양자물리 관련 내용을 다루고 있다. 일반 선택과목인 ‘화학 I’에서 ‘물질의 구성 입자’를 핵심 개념으로 하여 ‘양자수와 오비탈을 이용하여 원자의 현대적 모형을 설명할 수 있다’와 같은 성취 기준을 제시하며 양자 현상에 기반한 현대적 원자 모형을 다루고 있다[3].

현재 교육부에서는 ‘미래 변화에 대응하는 역량 및 기초소양 함양’을 강조하여 미래 세대 핵심 역량으로 학생의 디지털 기초 소양 및 AI 소양 함양을 강조한 2022 개정 교육과정의 개발을 주관하고 있다[7]. 2022 개정 교육과정 총론에서 미래 세대를 위한 핵심 역량을 강조하는 만큼 물리 교과 교육과정에서는 지속적으로 양자물리 관련 내용이 강조될 것으로 보인다. 2015 개정 교육과정의 진로 선택과목인 ‘물리학 II’는 2022 개정 교육과정에서 ‘역학과 에너지’와 ‘전자기와 빛’이라는 두 개의 과목으로 분화될 것이 공표되었으며, 현재 개발 중인 ‘전자기와 빛’ 시안을 살펴보면 ‘양자와 미시 세계’를 하나의 대단원으로 제시하며 양자물리 분야를 강조하고 있다[8]. 이로 인해 ‘전자기와 빛’에서 ‘전자기와 양자’로의 과목 명칭 변경이 활발히 논의 중이다.

이처럼 양자물리의 중요성과 사회의 요구를 고려할 때 중등학교 물리 교육과정에서 양자물리와 관련된 학습 내용의 비중은 더욱 확대될 것으로 보이며, 이와 함께 양자물리 교수학습에 대한 관심 또한 증가하고 있다. 그러나 이러한 양자물리의 중요성과 사회적 관심에도 불구하고, 물리교육 연구 분야에서 역학, 전자기학 등 고전 물리학에 비해 양자물리에 대한 연구는 상대적으로 부족하다[2, 6]. 이는 그동안 학교 물리교육에서 물리학에서 가장 기본 영역이 되는 역학, 전자기학과 같은 고전 물리학의 비중이 절대적이었기 때문이다[9].

현재까지 이뤄져온 양자물리 분야에서의 교육 연구는 주로 양자물리 교수학습에 있어 학습자들의 양자물리 개념 이해에 대한 연구들이 주를 이룬다[10-24]. 이는 상대성 이론과 함께 많은 학생들이 양자물리에서 제시하는 다양한 개념들의 이해에 많은 어려움을 나타내기 때문이다[25-27]. 파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 파동함수, 원자 구조, 상태와 측정 등 양자물리에서 제시되는 개념들이 학생들이 일상적으로 생각하는 고전 물리학의 결정론적이고 인과론적인 이해를 벗어나 비결정론적이고 확률적인 해석을 요구하기 때문에 양자물리 개념 이해의 어려움은 가중되며[2, 24, 25], 이에 따라 다수의 연구가 양자물리 개념학습에 초점을 두고 있다.

그나마 현재까지 이뤄져온 양자물리 교육과 관련된 연구는 주로 대학생들이나 물리학 전공자를 대상으로 하는 연구가 주를 이루고 있으며, 고등학생 이하를 대상으로 하는 양자물리 관련 분야의 연구는, 특히 국내에서는 더욱 부족한 실정이다[2]. 또한, 교육과정 개편 때마다 전체적인 학습량이 축소되고 있음에도 불구하고 그 중요성으로 인해 지속적으로 확대가 요구되고 있는 상황에 비해, 학생들이 양자물리에 대해서 어떻게 인식하는지에 대한 실질적인 연구는 국내외적으로도 찾기 어렵다. 최근 Stadermann 등은 캐나다, 호주, 독일, 영국 등 주로 서구 지역을 중심으로 총 15개 국가의 중등학교 물리 교육과정 문서 분석을 통해, 각국의 국가 교육과정에서 양자물리가 어떻게 제시되고 있는지 정리하였다[28]. 이 연구에 의하면 대부분의 국가에서 중등학교 교육과정에 양자물리를 도입하고 있으며, 양자물리 교육을 통해 학생들은 과학의 본성(Nature of science, NOS)에 대한 이해를 높일 수 있음을 밝히고 있다. 특히 노르웨이와 독일의 교육과정에 도입된 양자 얽힘(quantum entanglement) 현상은 다른 양자물리 개념에 비해 도전적인 개념이나, NOS 교육에 더욱 효과적이며 학생들의 학습 동기 부여에 더욱 긍정적일 수 있음을 제시하였다. 그러나 국내에서 교육과정과 양자물리를 연계하여 이뤄진 연구로는 2009 개정 교육과정 때부터 도입된 양자물리의 불확정성 원리 개념과 관련된 연구[29,30]와 2015 개정 교육과정 물리학 교과서의 양자역학에 대한 설명과 관련된 연구 정도로[24], 교육과정의 양자물리와 관련된 직접적인 연구보다는 개정 교육과정에 해당하는 교과서에서의 개념 설명에 대한 연구 외에는 찾기 어렵다. 그러므로 교육과정 차원에서 양자물리 개념에 대한 고등학생들의 인식에 대한 연구를 통해 양자물리 교수학습을 위한 실질적인 근거를 제시할 필요가 있다.

따라서 이 연구에서는 우리나라 고등학생들의 양자물리 학습에 대한 인식을 살펴보기 위해 학생의 물리 주제별 선호도와 양자물리 학습에 대한 흥미를 조사하고, 이를 바탕으로 고등학교 물리교육에서 양자물리 도입에 대한 시사점을 도출하고자 하였다. 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

첫째, 고등학생들의 물리 선호도는 어떠한가?

둘째, 고등학생들의 양자물리 학습에 대한 흥미는 어떠한가?

셋째, 고등학생들의 물리 선호도와 양자물리 학습에 대한 흥미는 응답자의 개인 변인에 따라 어떻게 다른가?

1. 연구 대상

양자물리에 대한 고등학생들의 인식 조사를 위해 물리교사 커뮤니티를 활용하여 학생들에게 온라인 설문 주소를 안내하도록 하여 학생들이 자발적으로 설문에 참여하도록 유도하였으며, 대구·경북·충남·경기·세종시의 총 20개 고등학교에 재학 중인 고등학생 931명이 설문에 응답하였다. 조사 시기는 1학기가 마무리되는 2022년 7월 중순경에 10일간 실시하였다. 조사 시기를 기준으로 설문에 응답한 학생들 중 47.6%가 고등학교 1학년 학생이며, 고등학교 2, 3학년 학생은 각각 35.3%, 17.1%이다. 학생들이 이수하고 있거나 기이수한 과학 교과로는 통합과학이 53.7%, 물리학 I이 30.5%, 물리학 II가 15.8%로, 물리학 과목을 한 과목 이상 이수한 학생이 전체의 46.3%에 해당한다. 또한 응답 학생들은 희망하는 진로로 공학 계열이 36.7%, 의·약·보건 계열이 20.2%, 자연과학 계열이 20.1%로, 자연 계열로의 진로를 희망하는 학생들이 전체의 77% 정도에 해당하였다 (Table 1).

Table 1 . Distribution of research participants.

GenderGradeCourse-takenCareer pathTotal
MaleFemale1st2nd3rdSciencePhysics IPhysics IIEngineeringScienceMedicalEtc
425506443329159500284147342187188214931
45.6%54.4%47.6%35.3%17.1%53.7%30.5%15.8%36.7%20.1%20.2%23.0%100%


2. 연구 절차 및 도구

이 연구는 양자물리 학습에 대한 학생의 인식을 조사하기 위하여 관련 선행연구에 근거하여 조사할 구인을 물리 선호도와 양자물리 학습에 대한 흥미로 구분하였다.

첫 번째 구인인 ‘물리 선호도(preference for physics)’는 대통령 국가과학기술자문회의 정책연구로 수행된 ‘초중등 학생의 과학 선호도 증진 정책 연구’[31]에서 제안한 ‘과학 선호도(preference for science)’ 개념에 기초하였다. 해당 연구는 2002년 당시 우리나라에 만연한 초중등 학생의 이공계 기피 현상을 국가사회적 위기로 인식하고 이에 대응하기 위한 방안을 제시하기 위해 수행된 정책 연구로서, 학생들의 과학학습에 대한 인식을 체계적으로 조사하기 위해 과학 선호도라는 구인을 제안하였다. 여기서 과학 선호도는 정의적 특성의 내면화 양상에 따라 과학 주제에 대한 흥미와 호기심을 의미하는 감정 반응(Emotional response),

과학의 필요성과 중요성에 대한 가치 인식(Valuational comprehension), 과학 학습 수행이나 진로 선택에 대한 행동 의지(Behavioral volition) 차원으로 구성된다.

이 연구에서는 선행 연구의 과학 선호도 구인을 채택하되 과학 선호도의 맥락을 물리 학습으로 한정하여 물리 선호도를 구인으로 설정하였다. 물리 선호도를 구인으로 설정하고 조사한 이유는 양자물리에 대한 학생의 인식을 고등학교 물리교육 맥락에서 학습하는 다른 물리 주제와 비교하기 위해서이다. 물리 선호도의 맥락이 되는 주제는 우리나라 고등학생들이 학교 교육을 통해 학습하는 물리 주제로서 이 연구의 중심 주제인 양자와 미시 세계를 포함하여 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동, 상대론과 중력 등 5가지로 구분하였다. 차원별로는 감정 반응 차원은 물리 주제별로 학생이 인식하는 흥미 수준으로, 가치 인식 차원은 물리 주제별로 현재 삶에서의 중요성과 미래 사회에서의 중요성에 대한 인식 수준으로, 행동 의지 차원은 고등학생으로서 물리 주제에 대한 학습 필요성에 대한 인식으로 구성하였다. 물리 선호도는 감정 반응 5문항, 가치 인식 5문항, 행동 의지 5문항 등 15문항의 5단계 리커트 척도와 더불어, 가치 인식 차원에서 물리 주제별 미래 사회에서의 중요성에 대한 상대적인 순위를 비교하기 위해 선택형 1문항을 추가하여 총 16문항으로 구성하였다. 한편 물리 선호도 문항 중 리커트 척도 15문항에 대한 신뢰도는 문항내적일치도(Cronbach's alpha) 0.945로서 매우 양호하다고 할 수 있다. 또한 확인적 요인분석(주성분 분석, 카이저 정규화가 있는 배리맥스 회전)을 실시하여 15문항에 대한 하위 차원 구성의 타당성을 검토한 결과, 15개의 문항이 3개의 요인으로 축소되었으며 각각 감정 반응, 가치 인식, 행동 의지 차원으로 명확히 구분됨을 확인할 수 있었다.

두 번째 구인인 ‘양자물리 학습에 대한 흥미(interest in learning quantum physics)’는 Im & Pak의 연구에서 제시한 ‘물리학습에 대한 흥미(interest in learning physics)’를 근거로 제안하였다[32]. 해당 선행 연구에서는 특정 교과를 학습하는 맥락에서 학생의 흥미는 호불호를 나타내는 단일 속성의 감정 반응이 아니라 맥락에 따라 다른 측면을 갖는 다차원적 속성이라고 간주하고 과학 학습에 대한 흥미가 주제, 동기, 활동 차원으로 구성됨을 제안하였으며, 이는 과학학습에 대한 흥미를 조사하는 관련 연구에서 기본 참조틀로 활용되었다[33,34]. 이 연구에서는 선행 연구의 제안에 따라 흥미를 주제, 동기, 활동 차원으로 구성하고, 과학 학습 맥락을 양자물리 학습 맥락으로 대체하였다. 양자물리 학습의 주제는 기존 우리나라 고등학교 물리교육과정에서 다루는 양자물리 주제를 크게 원자의 구조(원자 구조, 불연속 에너지 준위 등)와 양자 현상(빛과 물질의 이중성, 불확정성 원리 등)으로 나누어 제시하고, 여기에 향후 교육과정에서 다룰 것으로 기대되는 양자 기술(양자기술 기초, 양자컴퓨팅, 양자정보통신 등)을 추가하였다. 물리 학습에 대한 흥미를 갖게 되는 동기를 의미하는 동기 차원의 하위 요소는 선행 연구에 따라 호기심, 지식 생산과 같은 내적 동기, 진로 관련성과 대학 진학, 사회 유용성과 같은 외적 동기로 구분하여 구성하였다. 어떤 교수학습 활동에서 물리학습에 대한 흥미를 갖는지를 나타내는 활동 차원은 선행 연구에 따라 실험(사고실험, 모의실험 포함) 활동, 영화나 대중도서와 같은 문화 활동, 문제 풀이 활동, 강연이나 설명 듣기 활동, 질문과 토론 활동 등으로 구성하였다. 양자물리 학습에 대한 흥미는 5단계 리커트 척도 총 13문항으로 구성되었다. 13문항에 대한 신뢰도는 문항내적일치도(Cronbach's alpha) 0.930으로 매우 양호하다고 할 수 있다. 또한 확인적 요인분석(주성분 분석, 카이저 정규화가 있는 배리맥스 회전)을 실시하여 13문항에 대한 하위 차원 구성의 타당성을 검토한 결과, 13개의 문항은 4개의 하위 요인으로 요약할 수 있는데 이는 각각 주제 차원, 활동 차원, 내적 동기와 외적 동기 차원에 대응된다. 내적 동기와 외적 동기는 통틀어 동기 차원으로 간주할 수 있으므로 당초 설계했던 대로 주제, 동기, 활동 차원의 하위 요인으로 구성하는 것의 타당성을 통계적 구인타당도로 확인할 수 있었다.

이 연구의 구인인 물리 선호도 및 양자물리 학습에 대한 흥미가 어떻게 구성되었는지를 Table 2에 제시하였다.

Table 2 . Structure of survey tool.

ConstructDimensionContentScale
Preference for physicsEmotional responsePreference for topics in physicsInterval
Valuational comprehensionImportance of topics in physics in everyday lifeInterval
Importance of topics in physics in future societyNominal
Behavioral volitionNecessity to study topics* in physicsInterval
Interest in learning quantum physicsTopicstructure of atom/quantum phenomena/quantum technologyInterval
Motivecuriosity/knowledge/career/college/societyInterval
Activityexperiment/cultural/exercise/lecture/discussionInterval

*Topics: Force & Energy, Electricity & Magnetism, Light & Wave, Relativity & Gravity, Quantum & Microworld



3. 분석 방법

응답자의 개인 특성, 물리 선호도, 양자물리 학습에 대한 흥미 등 모든 설문 문항에 대한 응답은 구글폼(Google Forms)을 활용하여 온라인으로 수합하였다. 수합된 응답 결과는 통계분석을 위하여 스프레트시트로 변환하였다. 물리 선호도와 양자물리 학습에 대한 흥미의 각 차원 및 문항별 반응 분포를 분석하기 위해 기술 통계 및 빈도 분석을 실시하였다. 또한, 성별, 학년, 이수 과목, 희망 진로 계열에 따른 물리 선호도와 양자물리 학습에 대한 흥미의 차이를 비교하기 위하여 독립표본 t-검증, 교차분석(카이제곱검정), 다변량분산분석(MANOVA)을 실시하였다. 모든 통계분석은 IBM SPSS Statistics (version 26)을 사용하였다.

1. 고등학생들의 물리 선호도

1) 차원에 따른 분석

고등학생들의 물리 선호도를 물리 주제별로 감정 반응, 가치 인식, 행동 의지 차원으로 나누어 분석한 결과는 다음과 같다 (Table 3).

Table 3 . Students’ preference for physics.

DimensionEmotional responseValuational comprehensionBehavioral volition
means.d.means.d.means.d.
FE (Force & Energy)3.381.123.79.953.87.97
EM (Electricity & Magnetism)3.251.144.10.883.86.98
LW (Light & Wave)3.381.093.91.903.76.99
RG (Relativity & Gravity)3.521.113.81.973.701.00
QM (Quantum & Microworld)3.381.194.01.983.541.10


첫째, 학생들이 물리 각 주제에 대해 얼마나 흥미를 갖는가를 나타내는 감정 반응 차원에서 학생들은 모든 주제에 대해 5점 만점 기준으로 3.2점에서 3.5점 정도로 반응하여 중간 이상의 흥미를 보인다고 할 수 있다. 그중 상대론과 중력에 대한 흥미가 3.52점으로서 가장 높았으며, 그 뒤로 양자와 미시 세계, 힘과 에너지, 빛과 파동에 대한 흥미가 3.38점으로 거의 유사한 흥미 정도를 나타낸다(소수점 셋째자리까지 비교할 때 양자와 미시 세계가 상대적으로 다소 높음). 전기와 자기 주제에 대해서는 3.25점으로 상대적으로 가장 낮은 흥미를 보인다. 즉, 학생들은 고등학교 물리교육에서 접하는 물리 주제 중에서 양자물리에 해당하는 양자와 미시 세계 주제에 대해서 비교적 양호한 선호도를 나타낸다.

학생들이 가장 흥미를 느끼는 주제인 상대론이나 양자물리는 모두 현대물리에 해당한다. 이와 같은 결과는 중등학생들이 현대물리에 대해 관심이 많고 배우고 싶어한다는 선행 연구의 주장과도 유사하다[35]. 학생들의 이와 같은 반응은, 기존 우리나라 초중등 학교 물리교육에서 고전역학의 비중이 가장 크고 현대물리의 비중이 작았다는 점을 고려할 때, 한편으로는 기존 물리 교육과정이 학생의 수요를 충분히 반영하지 못했다는 점을 나타내고 다른 한편으로는 향후 초중등 수준에서 물리 교육과정을 구성할 때 현대물리 분야의 비중이 이전보다 확대되어야한다는 점을 시사한다.

둘째, 학생들이 물리 각 주제를 얼마나 중요하게 인식하는가를 나타내는 가치 인식 차원을 살펴보면, 먼저 현재 생활에서의 중요성에 대해 학생들은 모든 주제에 대해 5점 만점에서 3.8점에서 4.1점 정도로 반응하여 매우 긍정적인 인식하고 있음을 알 수 있다. 그중 전기와 자기에 대한 인식이 4.10점으로서 가장 높았으며, 양자와 미시세계에 대한 인식 또한 4.011점으로 높은 편이다. 빛과 파동(3.91점), 상대론과 중력(3.81점), 힘과 에너지(3.79점)가 뒤를 잇는다. 한편 미래 사회에서 가장 중요할 것으로 예상되는 주제를 한 가지 선택하는 질문에 대한 응답 결과는 Fig. 1과 같다. 응답자의 절반에 가까운 45.3%가 미래 사회에서 가장 중요한 주제로 양자와 미시 세계를 선택하였으며, 그 뒤로 전기와 자기를 선택한 학생이 32.3%에 달한다. 한편, 힘과 에너지는 8.7%, 상대론과 중력이 7.8%, 빛과 파동이 5.8%를 차지하여 양자물리 주제나 전자기학 주제에 비해 다소 큰 차이를 보인다.

Figure 1. (Color online) Students’ response for the importance of topics in physics in future society.

학생들은 현재 생활에서의 중요도에 대해서는 전기와 자기, 양자와 미시 세계 순으로 주제의 중요성을 인식하였으나, 미래 사회에서의 중요도에 대해서는 양자와 미시 세계, 전기와 자기 순으로 중요성을 인식하였다. 즉, 고등학생들은 양자물리와 전자기학을 현재와 미래의 삶에서 매우 중요한 주제라고 인식하고 있다.

셋째, 물리 각 주제에 대해서 학생들이 얼마나 학습이 필요하다고 인식하는가를 나타내는 행동 의지 차원에서는 모든 주제에 대해 5점 만점 기준으로 3.5점에서 3.9점 정도로 다소 긍정적으로 인식하고 있음을 알 수 있다. 그중 힘과 에너지에 대한 인식이 3.87점으로서 가장 높고, 전기와 자기가 3.86점으로 그와 유사하다. 그 뒤로 빛과 파동이 3.77점, 상대론과 중력이 3.70점으로 뒤를 잇고, 양자와 미시 세계가 3.54점으로 상대적으로 가장 낮은 인식을 보인다.

학생들은 양자물리에 대해서 비교적 높은 흥미를 느끼고 중요하다고 인식하지만, 학습 필요성에 대한 인식은 흥미나 중요성 인식과 달리 상대적으로 낮은 인식을 보였다. 반면 현재와 미래 사회에서의 중요성에서 가장 낮은 인식을 보인 역학(힘과 에너지) 주제에 대해서는 학습 필요성을 가장 높게 인식하고 있다. 주제별 학습 필요성에 대한 인식이 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동 순으로 이어진다는 점은 그동안 우리나라 중고등학교 물리 교육과정에서 이들 주제가 차지하는 비중의 순서와 유사하다[3, 7]. 예를 들어 2015 개정 교육과정 물리학 I의 경우 성취기준을 기준으로 `역학과 에너지' 단원의 성취기준이 10개, `물질과 전자기장' 단원이 7개, `파동과 정보통신' 단원이 6개로, 과목에서 다루는 내용량의 순서와 학생들이 인식하는 학습의 필요성 순서가 일치함을 볼 수 있다. 따라서 학습 필요성에 대한 인식은 학생들의 학습 경험과 상관있을 것이라 짐작할 수 있다.

2) 응답자 변인에 따른 차이

연구에서 고려한 응답자의 개인 변인은 성별, 학년, 이수 과목, 희망 진로였다. 이 4가지 변인은 개념적으로는 서로 독립적이지만, 현실적으로는 우리나라 교육과정 편제로 인해 학년과 이수 과목은 서로 독립적이지 않을 수 있다. 즉, 학년이 올라갈수록 물리 이수과목이 심화될 수 있다. 이 연구의 경우 응답자 931명의 학년에 따른 이수 과목을 살펴본 결과, 1학년의 96.6%가 통합과학까지, 2학년의 78.4%가 물리학 I까지, 3학년의 88.7%가 물리학 II까지 이수한 것으로 나타났다. 이에 따라 학년과 이수 과목을 묶어서 이수 과목이라는 하나의 변인으로 간주하여 분석하였다. 고등학생들의 물리 선호도가 각 차원별로 성별, 이수 과목, 희망 진로에 따라 어떻게 다르게 분포하는지를 Table 4에 제시하였다.

Table 4 . Comparison of students’ perceived importance of physics by respondents’ background.

ConstructCategoryGenderCourse-takenCareer path
Female (N=506)Male (N=425)Science (N=500)Physics I (N=284)Physics II (N=147)Engineering (N=342)Science (N=187)Medical (N=188)Etc (N=214)
Importance in futureFE7.9%9.6%9.4%8.5%6.8%8.4%6.3%10.6%9.7%
EM39.5%23.8%33.4%33.5%26.5%29.4%32.8%28.2%40.6%
LW5.9%5.6%5.0%8.1%4.1%6.7%4.7%3.7%7.2%
RG9.3%6.1%10.2%6.0%3.4%3.8%9.4%10.1%11.1%
QM37.4%54.8%42.0%44.0%59.2%51.7%46.9%47.3%31.4%


첫째, 성별에 따라 물리 선호도를 비교한 결과를 요약하면 다음과 같다.

독립표본 t 검증을 실시하여 성별에 따른 물리 선호도의 차이를 분석한 결과, 감정 반응 차원에서는 모든 물리 주제에 대해서 남학생의 흥미가 여학생보다 통계적으로 유의하게 높았다 (p < 0.01). 가치 인식 차원에서는 힘과 에너지, 양자와 미시 세계에 대해서는 남학생의 점수가 여학생보다 통계적으로 유의하게 높았으나(p < 0.01), 전기와 자기(p = 0.067), 빛과 파동(p = 0.075), 상대론과 중력(p = 0.181)에 대해서는 성별에 따른 유의한 차이는 나타나지 않았다. 행동 의지 차원에서는 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동 영역(p < 0.01) 및 상대론과 중력 영역(p = 0.035)에서 남학생의 점수가 여학생보다 통계적으로 유의하게 높았으나, 양자와 미시 세계에 대해서는 성별에 따른 차이가 나타나지 않았다(p = 0.284).

한편, 교차분석을 통하여 성별, 이수 과목, 희망 진로라는 요인이 서로 어떻게 영향을 미치는지 점검한 결과, 성별과 이수 과목, 희망 진로가 서로 독립적이지 않은 점을 확인하였다. 즉, 여학생일수록 이수 과목으로는 통합과학만, 희망 진로로는 인문사회 및 예체능 계열에 많이 분포되어 있었다. 이에 성별과 이수 과목, 희망 진로를 동시에 고정변인으로 설정하여 다변량분석분석을 실시하였다. 그 결과 이수 과목과 희망 진로는 앞의 분석 결과와 유사한 패턴으로 요인별 차이를 보이지만, 성별에 따른 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 따라서 성별에 따라 학생의 물리 선호도가 성별에 따라 차이가 난다는 결과는 주의해서 해석해야한다.

둘째, 이수 과목에 따라 물리 선호도를 비교한 결과를 요약하면 다음과 같다.

감정 반응 차원에서는 모든 물리 주제에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 이수 과목에 따른 유의한 차이가 있었다. 이수 과목에 따른 흥미의 분포를 구체적으로 확인하기 위해 Scheffe의 방법을 적용한 사후 분석을 실시한 결과, 모든 물리 주제에 대해서 통합과학 < 물리학 I < 물리학 II 순으로 통계적으로 유의하게 흥미가 높아짐을 확인할 수 있었다 (p < 0.05). 가치 인식 차원에서도 모든 물리 주제에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 학년에 따른 유의한 차이가 있었다. 사후 분석을 실시한 결과, 모든 물리 주제에 대해서 통합과학만 이수한 경우가 물리학 I 또는 물리학 II까지 이수한 경우보다 유의하게 낮은 흥미를 보였으나(p < 0.05) 물리학 I과 물리학 II 사이의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 행동 의지 차원에서도 마찬가지로 모든 물리 주제에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 학년에 따른 유의한 차이가 있었다. 사후 분석을 실시한 결과, 힘과 에너지, 전기와 자기, 상대론과 중력의 경우는 통합과학만 수강한 경우가 물리학 I 또는 물리학 II까지 이수한 경우보다 유의하게 낮은 흥미를 보였으나(p < 0.05) 물리학 I과 물리학 II 사이의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 하지만 빛과 파동 및 양자와 미시 세계 주제에 대해서는 통합과학 < 물리학 I < 물리학 II 순으로 통계적으로 유의하게 흥미가 높아진다 (p < 0.05).

셋째, 희망 진로에 따라 물리 선호도를 비교한 결과를 요약하면 다음과 같다.

감정 반응 차원의 경우 모든 물리 주제에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 희망 진로에 따른 유의한 차이가 있었다. Scheffe의 방법을 적용한 사후 분석을 실시한 결과, 힘과 에너지, 빛과 파동, 양자와 미시 세계에서는 공학 계열과 자연과학 계열이 의약학 계열보다, 의약학 계열은 기타 계열보다 통계적으로 유의하게 흥미가 높았으나(p < 0.01) 공학 계열과 자연과학 계열 간의 차이는 없었다. 전기와 자기 주제는 공학 계열이 자연과학 계열보다 흥미가 더 높았다는 점을 제외하고는 다른 주제에서와 마찬가지 경향을 나타냈다. 가치 인식 차원의 경우도 모든 물리 주제에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 희망 진로에 따른 유의한 차이가 있었다. 사후 분석을 실시한 결과, 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동, 양자와 미시 세계에 대해서는 공학 계열과 자연과학 계열이 의약학 계열보다, 의약학 계열은 기타 계열보다 통계적으로 유의하게 높았으나(p < 0.01) 공학 계열과 자연과학 계열 간의 차이는 없었다. 반면 상대론과 중력 주제에서는 기타 계열의 점수가 다른 계열보다 유의하게 낮았고 의약학, 자연과학, 공학 계열 간의 차이는 없었다. 행동 의지 차원의 경우도 마찬가지로 모든 물리 주제에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 희망 진로에 따른 유의한 차이가 있었다. 사후 분석을 실시한 결과, 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동, 양자와 미시 세계 주제에서는 공학 계열과 자연과학 계열이 의약학 계열보다, 의약학 계열은 기타 계열보다 통계적으로 유의하게 흥미가 높았으나(p < 0.01) 공학 계열과 자연과학 계열 간의 차이는 없었다. 하지만 상대론과 중력 주제에 대해서는 가치 인식 차원과 마찬가지로 기타 계열의 점수가 다른 계열보다 유의하게 낮았으나 의약학, 자연과학, 공학 계열 간의 차이는 없었다.

즉, 고등학생들의 물리 선호도는 이공계열 진로를 희망하는 학생들이 그렇지 않은 학생들 사이에 비해 더 높은데, 특히 양자물리 주제에 대한 선호도는 공학 계열을 희망하는 학생들의 경우가 가장 높음을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 학생들은 양자물리가 공학 계열과 관련이 깊다고 인식하는 것에 기인한다고 해석할 수 있다.

한편, 미래 사회에서 가장 중요할 것으로 예상되는 주제를 한 가지 선택하는 질문에 대한 응답 결과를 성별, 학년, 희망 진로계열에 따라 비교한 결과는 Table 5와 같다. 여학생인 경우와 희망 진로가 기타 계열인 경우에 한하여 미래 사회 중요도의 순서가 전기와 자기 다음으로 양자와 미시 세계였으며, 그 외 나머지 경우에는 전체 응답자의 평균 경향과 같이 양자와 미시 세계를 가장 중요하다고 인식하였다. 이러한 경향은 남학생, 물리학 II까지 이수한 경우, 공학 계열에서 더욱 두드러진다.

Table 5 . Comparison of students’ preference for physics by respondents’ background.

DimensionCategoryGenderCourse-takenCareer path
Female (N=506)Male (N=425)Science (N=500)Physics I (N=284)Physics II (N=147)Engineering (N=342)Science (N=187)Medical (N=188)Etc (N=214)
Emotional responseFE3.183.613.143.583.813.733.523.252.77
EM3.033.522.853.623.903.733.413.032.53
LW3.203.593.103.573.933.713.573.322.70
RG3.343.743.223.764.123.883.743.442.81
QM3.193.613.103.573.953.733.623.312.63
Valuational comprehensionFE3.693.913.623.974.034.033.883.693.41
EM4.054.163.924.284.364.374.183.963.69
LW3.863.973.764.034.214.133.983.823.57
RG3.773.853.693.933.973.993.953.753.42
QM3.924.123.864.114.354.284.063.973.55
Behavioral volitionFE3.754.013.624.114.274.143.973.83.39
EM3.753.993.584.134.294.163.953.783.35
LW3.683.863.523.974.194.013.863.733.29
RG3.643.783.493.914.043.903.793.743.27
QM3.513.593.323.713.963.803.683.513.02


2. 고등학생들의 양자물리 학습에 대한 흥미

1) 차원에 따른 분석

고등학생들의 양자물리 학습에 대한 흥미를 주제, 동기, 활동 차원으로 나누어 분석한 결과는 다음과 같다. (Table 6 & Fig. 2)

Table 6 . Students’ interest in physics by dimension.

DimensionCategorymeans.d.
TopicStructure of atom3.561.06
Quantum phenomena3.491.09
Quantum technology3.501.13
MotiveCuriosity3.771.03
Knowledge3.661.03
Career3.181.20
College3.241.19
Society3.75.96
ActivityExperiment3.831.06
Cultural3.711.07
Exercise3.371.11
Lecture3.541.05
Discussion3.361.13

Figure 2. (Color online) Students’ interest in learning quantum physics by dimension.

첫째, 양자물리의 어떤 하위 주제에 대해서 흥미를 갖는지 살펴보는 주제 차원에서는 원자의 구조에 대한 흥미가 5점 만점에 3.56점으로 가장 높고, 양자 기술에 대한 흥미와 양자 현상에 대한 흥미가 각각 3.50점과 3.49점으로 그 뒤를 잇는다. 현재 우리나라 교육과정에서 다루는 양자물리 주제는 서론에서 언급한 바와 같이 원자의 구조와 양자 현상에 한정되어 있다. 원자의 구조에 대해서는 주로 전자의 불연속적 에너지 준위와 선스펙트럼(물리학 I), 보어의 수소 원자 모형(물리학 II), 양자 현상에 대해서는 빛과 물질의 이중성(물리학 I과 물리학 II)과 불확정성 원리(물리학 II)를 제한적으로 다루고 있다[6]. 한편 양자물리가 어떻게 기술과 산업에 응용되는지에 대해서는 직접적으로 언급하고 있지는 않다. 원자의 구조와 관련하여 고체의 에너지띠 이론과 반도체로 이어지지만, 이것이 양자물리를 응용한 기술이라는 점은 교육과정상 명시적으로 드러나지 않는다. 또한 양자컴퓨팅이나 양자암호통신 등 최근의 양자기술에 대해서는 전혀 언급이 없다. 학생들이 양자물리 주제 중 원자의 구조에 대해 가장 높은 흥미를 보이는 것은 그 주제에 대해서 비교적 친숙하기 때문일 것으로 여겨진다. 그에 반해 교육과정에 언급된 적이 없는 양자 기술에 대해서 기존 교과서에서 다루는 양자 현상보다 더 높은 흥미를 보인다는 사실은 앞으로 교육과정 내용을 구성할 때 고려할만한 결과라고 할 수 있다.

둘째, 양자물리에 대해 흥미를 갖게 되는 동기를 살펴보는 동기 차원에서는 호기심이 3.77점으로 가장 높고, 그 다음으로 사회 유용성과 지식 습득이 각각 3.75점과 3.66점으로 비교적 높다. 반면 대학 진학과 진로 관련성은 각각 3.24점과 3.18점으로 상대적으로 낮다. 이 결과로부터 학생들이 양자물리에 대해 가지는 흥미를 갖게 되는 주요 동기가 양자물리 자체가 가지고 있는 기묘함에 기인한 호기심과 지적 성취에 대한 요구라는 점을 알 수 있다. 양자물리에 대한 호기심과 지식 습득에 대한 요구는 양자물리 자체가 다른 물리 주제에 비해 신기하면서도 낯설기 때문이라고 볼 수 있다. 선행 연구에서는 양자 세계의 비가시적, 비결정론적, 확률론적, 반직관적 특성이 학생들이 양자 현상을 이해하는데 어려움을 겪는 근본적인 원인으로 지적하였다[25]. 하지만 양자물리의 이러한 ‘기묘함’은 인지적으로는 이해의 어려움을 초래할 수 있으나 정서적으로는 호기심을 유발하여 학습 흥미로 이어질 수 있다는 점을 시사한다. 앞 절에서 학생들의 물리 선호도에서 학생들이 가장 흥미 있어 하는 주제가 상대론이라는 점도 이와 마찬가지로 해석할 수 있다. 고등학생들에게 상대론이 결코 인지적으로 쉬운 주제는 아닐 것이지만, 상대론적 현상이 갖는 기묘함은 학생들의 상상력과 호기심을 유발하여 학습 흥미로 이어질 수 있다[36].

셋째, 양자물리를 학습할 때 어떤 활동에 흥미를 갖는지 살펴보는 활동 차원에서는 모의실험이나 사고실험을 포함하여 실험 활동에 대한 흥미가 3.83점으로 가장 높았으며, 대중과학 도서나 영화 감상 등의 문화 활동에 대한 흥미가 3.71점으로 뒤를 잇는다. 강연이나 설명 듣기 활동에 대해서는 3.541점이고, 연습문제 풀이와 질문토론 활동이 각각 3.37점과 3.36점으로 유사하게 나타났다. 학생들은 양자물리 학습에 있어서 교실 수업에서 전형적으로 수행하는 연습문제 풀이나 설명 듣기 활동보다는, 모의실험을 포함하는 실험 활동이나 주로 학교 밖에서 이루어지는 대중과학문화 체험에 대해서는 높은 흥미를 나타낸다. 이는 학생들이 과학 학습에 대한 흥미에 있어서 경험적인 활동에 더 흥미를 갖는다는 점에서 선행 연구의 결과와도 유사하다[33].

2. 응답자 변인에 따른 차이

고등학생들의 양자물리 학습에 대한 흥미를 각 하위 차원별로 성별, 이수 과목, 희망 진로에 따라 어떻게 다르게 분포하는지를 분석하였다 (Table 7).

Table 7 . Comparison of interest in physics according to respondents’ background.

DimensionCategoryGenderCourse-takenCareer path
Female (N=506)Male (N=425)Science (N=500)Physics I (N=284)Physics II (N=147)Engineering (N=342)Science (N=187)Medical (N=188)Etc (N=214)
TopicStructure of atom3.493.643.343.823.803.743.863.652.89
Quantum phenomena3.323.693.203.734.003.843.693.492.70
Quantum technology3.303.753.203.774.033.923.623.512.69
MotiveCuriosity3.623.953.563.954.154.043.923.723.24
Knowledge3.573.763.483.813.993.863.913.643.11
Career3.073.302.893.383.773.713.402.962.28
College3.173.322.963.513.663.723.413.092.40
Society3.693.833.593.904.003.973.883.723.30
ActivityExperiment3.773.893.654.014.104.083.923.933.25
Cultural3.603.843.563.834.013.923.793.763.25
Exercise3.333.413.113.663.653.673.483.392.72
Lecture3.483.623.303.763.933.783.663.592.99
Discussion3.263.483.153.543.733.583.523.432.78


첫째, 성별에 따라 양자물리 학습에 대한 흥미를 비교하기 위하여 실시한 독립표본 t 검증 결과를 요약하면 다음과 같다. 주제 차원에서는 모든 양자물리 하위 주제에 대해서 남학생의 흥미가 여학생보다 통계적으로 유의하게 높았으며 (p < 0.05), 동기 차원에서도 마찬가지로 모든 하위 요소에서 남학생의 인식이 여학생보다 통계적으로 유의하게 높았다 (p < 0.05). 활동 차원에서는 문화 활동, 강의 및 설명 듣기, 토론 활동에서는 남학생의 흥미가 여학생보다 통계적으로 유의하게 높았으나 (p < 0.05), 실험 활동과 연습문제 풀이 활동에 대해서 남학생과 여학생의 차이가 통계적으로 유의하지 않았다.

한편, 성별과 이수 과목, 희망 진로가 서로 독립적이지 않은 점을 고려하여 성별에 따른 차이를 검정할 때 독립표본 t 검증 뿐 아니라, 이수 과목, 희망 진로를 고정변인으로 설정한 다변량분석분석을 다시 실시하였다. 그 결과 물리 선호도의 경우와 마찬가지로 이수 과목과 희망 진로는 앞의 분석 결과와 유사한 패턴으로 요인별 차이를 보이지만, 성별에 따른 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 따라서 성별에 따라 학생의 양자물리 학습에 대한 흥미가 성별에 따라 차이가 난다는 결과는 주의해서 해석해야한다.

둘째, 이수 과목에 따라 양자물리 학습에 대한 흥미를 비교하기 위하여 각 차원별로 다변량분산분석을 실시한 결과는 다음과 같다. 주제 차원에서 모든 양자물리 하위 주제에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 이수 과목에 따른 유의한 차이가 있었다. Scheffe의 방법을 적용한 사후 분석을 실시한 결과, 원자의 구조 주제에서는 통합과학만 이수한 경우에 비해 물리학 I 또는 물리학 II까지 이수한 경우가 유의하게 흥미가 높았으나(p < 0.05) 물리학 I과 물리학 II 사이의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 반면, 양자 현상 및 양자 기술 주제에서는 통합과학 < 물리학 I < 물리학 II 순으로 통계적으로 유의하게 흥미가 높아짐을 확인할 수 있었다(p < 0.05). 동기 차원에서도 모든 하위 요소에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 학년에 따른 유의한 차이가 있었다. 사후 분석으로 확인한 결과, 호기심, 지식 습득, 대학 진학, 사회 유용성 요소에서는 통합과학만 이수한 경우에 비해 물리학 I 또는 물리학 II까지 이수한 경우가 유의하게 흥미가 높았으나(p < 0.05) 물리학 I과 물리학 II 사이의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 반면, 진로 관련성 요소에서는 통합과학 < 물리학 I < 물리학 II 순으로 통계적으로 유의하게 흥미가 높아짐을 확인할 수 있었다(p < 0.05). 활동 차원에 대해서 분석한 결과도 마찬가지로 모든 하위 요소에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 이수 과목에 따른 유의한 차이가 있었다. 사후 분석으로 확인한 결과, 모든 하위 요소에 대해서 통합과학만 이수한 경우에 비해 물리학 I 또는 물리학 II까지 이수한 경우가 유의하게 흥미가 높았으나(p < 0.05) 물리학 I과 물리학 II 사이의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다.

즉 학생들은 물리학 과목을 선택하여 이수할수록 양자물리 학습에 대한 흥미가 높은데, 특히 진로 선택과목인 물리학 II까지 이수하는 학생의 경우 산업 현장의 응용과 관련이 깊은 양자 현상이나 양자 기술과 같이 주제에 관심을 더 많이 갖는다. 이는 물리학 II까지 선택한 학생의 경우 상대적으로 양자물리에 흥미를 갖는 동기로 진로와의 관련성이 크다는 점에서도 유추할 수 있다.

셋째, 희망 진로에 따라 양자물리 학습에 대한 흥미를 비교하기 위하여 각 차원별로 다변량분산분석을 실시한 결과는 다음과 같다. 주제 차원에서 모든 양자물리 하위 주제에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 희망 진로에 따른 유의한 차이가 있었다. Scheffe의 방법을 적용한 사후 분석을 실시한 결과, 원자의 구조에 대해서는 기타(인문사회/예체능) 계열이 다른 계열보다 유의하게 낮았고, 양자 현상과 양자 기술 주제에 대해서는 기타, 의약학, 자연과학, 공학 계열 순으로 흥미가 높았으나(p < 0.01), 자연과학 계열과 공학 계열 간의 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 한편, 선호하는 하위 주제의 순서가 계열에 따라 달랐다. 즉, 공학 계열의 경우 양자 기술에 대한 선호가 가장 높고, 이후 양자 현상, 원자의 구조 순으로 흥미를 보인 반면, 나머지 계열의 학생들은 그 반대의 순으로 흥미를 나타냈다. 공학 계열 학생들이 특히 양자 기술 주제에 대해 흥미를 많이 보임을 알 수 있다. 동기 차원에서도 모든 하위 요소에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 희망 진로에 따른 유의한 차이가 있었다. 사후 분석으로 확인한 결과, 사회 유용성 요소에서만 기타 계열이 다른 계열에 비해 흥미가 낮게 나타났으나 다른 계열들 사이의 유의한 차이는 없었다. 그 외의 다른 하위 요소에서는 기타, 의약학, 자연과학, 공학 계열 순으로 흥미가 높아지는 방향으로 차이가 나타났다 (p < 0.01). 특히 진로 관련성과 대학 진학과 관련된 요소에서는 공학 계열이 자연과학 계열보다 높은 흥미를 보이는 것으로 나타났다. 활동 차원에 대해서 분석한 결과도 마찬가지로 모든 하위 요소에 대해서 유의수준 p < 0.01에서 희망 진로에 따른 유의한 차이가 있었다. 사후 분석으로 확인한 결과, 연습문제 풀이 활동에 대해서는 기타 계열, 의약학 계열, 자연과학 계열, 공학 계열 순으로 통계적으로 유의하게 흥미가 높아졌으나(p < 0.01), 그 외의 다른 요소에서는 기타 계열이 다른 계열에 비해 유의하게 낮은 흥미를 보이는 반면 의약학, 자연과학, 공학 계열 간의 차이는 나타나지 않았다.

즉, 고등학생들의 양자물리 학습에 대한 흥미는 이공계열 진로를 희망하는 학생들이 그렇지 않은 학생들 사이에 비해 더 높은데, 특히 공학 계열을 희망하는 학생들의 경우가 모든 하위 차원에서 가장 높음을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 앞서 물리 선호도와 비슷한 양상으로, 학생들이 양자물리가 공학 계열 진로와 관련성이 깊다고 인식하기 때문이라고 해석할 수 있다.

이 연구에서는 우리나라 고등학생들의 양자물리 학습에 대해 갖는 인식을 살펴보고 이를 바탕으로 고등학교 물리교육에서 양자물리 도입에 대한 시사점을 도출하고자 하였다. 이를 위해 고등학생 931명을 대상으로 양자물리를 포함한 주제별 물리 선호도와 양자물리 학습에 대한 흥미를 조사하고 차원별로 분석하였다. 또한, 고등학생들의 물리 선호도와 양자물리에 학습에 대한 흥미가 학생의 성별, 이수 과목, 희망 진로에 따라 어떻게 다른지 분석하였다.

고등학생들의 물리 선호도 조사 결과를 양자물리를 중심으로 요약하면 다음과 같다. 첫째, 학생들은 양자물리에 대해 상대론과 중력 다음으로 높은 흥미를 나타낸다. 둘째, 학생들은 양자물리를 전기와 자기 다음으로 실생활에서 중요하다고 인식한다. 한편 가장 많은 학생들이 미래 사회에서 중요한 주제로 양자물리를 선택하였다. 셋째, 학생들은 양자물리 학습의 필요성을 다른 주제에 비해 가장 낮게 인식하고 있다. 즉, 학생들은 양자물리에 대해 상대적으로 높은 흥미를 갖고 현재 생활과 특히 미래 사회에서 중요한 주제라고 인식하고 있으나, 흥미와 중요성을 인식하는 것만큼 학습 필요성을 인식하지는 않는다. 이와 같은 경향은 응답자의 성별, 이수 과목, 희망 진로와 무관하게 유사하다. 한편, 고등학생들의 물리 선호도는 물리 과목을 이수하거나 이공계열 진로를 희망할수록 더 높은데, 특히 양자물리 주제에 대한 선호도일수록 물리 과목 이수와 이공계열 진로 희망과 관련이 깊다.

고등학생들의 양자물리 학습에 대한 흥미를 차원별로 요약하면 다음과 같다. 첫째, 학생들은 양자물리의 학습 주제에 대해 대체로 긍정적인 흥미를 보이는데 그중에서도 원자의 구조에 대해 가장 흥미를 느끼며 다음으로 양자 기술, 양자 현상 순으로 흥미를 보인다. 다만, 이 결과는 학생의 희망 진로에 따라 다소 차이가 난다. 즉, 공학 계열을 희망하는 학생들은 양자 기술에 대해 가장 흥미를 보이는 반면, 나머지 진로 계열을 희망하는 학생들은 원자의 구조에 대해 가장 흥미를 보인다. 둘째, 학생들이 양자물리 학습에 흥미를 갖게 되는 동기는 주로 지적 호기심과 사회 유용성 때문이며, 진로와 대학 진학 관련성은 상대적으로 낮다. 셋째, 학생들이 양자물리 학습에서 가장 흥미를 느끼는 학습 활동은 실험 활동이며 그 다음으로 대중과학도서나 영화와 같은 문화 활동이다. 주제 차원에서 학생의 희망 진로 계열에 따라 흥미 분포가 차이가 나는 것을 제외하면, 나머지 모든 결과는 응답자의 성별, 학년, 진로 계열과 무관하게 유사한 패턴을 보인다. 한편, 양자물리 학습에 대한 흥미의 정도는 물리 과목을 더 많이 이수할수록, 그리고 희망 진로로 이공계열을 선택할수록 더 높다. 이와 같은 양상은 물리 선호도의 경우와 유사하다.

한편, 고등학생들의 물리 선호도 조사 결과를 물리 주제별로 요약하면 몇 가지 흥미있는 점이 발견된다. 양자와 미시 세계를 비롯하여 전기와 자기, 빛과 파동, 상대론과 중력에 대해서 학생들은 흥미보다는 학습 필요성과 주제의 중요성을 더 높게 인식한다. 하지만 힘과 에너지 주제에 대해서는 학습 필요성이 가장 높고 그 뒤로 주제의 중요성과 흥미가 뒤를 따른다. 대체로 학생들은 물리 주제에 대한 흥미보다 학습 필요성이나 주제의 중요성에 대해서 보다 긍정적으로 인식한다. 흥미가 학습에 영향을 주는 중요한 심리적 구인이라는 점은 잘 알려져 있다[32,33]. 하지만 흥미보다 물리 학습의 가치에 대한 인식이 더 높다는 연구 결과에 따르면 흥미 증진 못지않게 물리 학습의 필요성과 중요성에 대한 인식 제고가 중요하다는 점을 짐작할 수 있다. 학생들은 흥미가 있기 때문에만 공부하는 것이 아니라 그것이 자신의 삶과 사회에 중요하다고 인식하기 때문에 학습하게 된다. 양자물리 학습으로 한정하여 논의하자면, 현재 학생들이 인식하는 학습 필요성은 가장 낮지만 미래 사회의 중요성에 대해서는 가장 높은 인식을 보인다.

공학 계열이 자연과학을 포함한 다른 계열과 달리 양자 기술에 대해 통계적으로 유의하게 더 높은 흥미를 보인다는 점도 눈에 띠는 결과이다. 양자 기술은 아직까지 대학 물리교육에서도 명시적으로 다루어진 적이 없고 당연히 초중고등학교 물리교육에도 도입된 바 없다. 양자컴퓨터에 대한 개념이 등장한 것은 1973년 무렵이지만 기술적인 어려움으로 인해 기본적인 양자연산이 처음 시연된 것은 1995년도이며, 이후 기술 개발의 속도가 정체되다가 2020년에 이르러서 70비트짜리 양자컴퓨터 CPU가 개발되기 시작했다[37]. 최근에 와서야 기술 발전 속도에 맞추어 양자컴퓨터를 비롯한 양자 기술이 각광받고 있다는 점을 감안한다면, 양자 기술이 초중등학교는 물론이고 대학 교육에서도 생소한 주제라는 점은 수긍할 만 하다. 현재 급격한 속도로 양자 기술이 발전하고 있고 그에 맞춰 양자 기술에 대한 국가사회적 수요도 증가하고 있다. 특히 우리나라 국회에서 입법 발의된 ‘양자 기술 개발 및 산업화 촉진에 관한 법률’[1]에 따르면 ‘정부는 양자기술의 연구개발, 양자 산업의 활성화 등에 필요한 인력자원 양성 관리해야’하며(동 법안 제13조), 이의 일환으로 ‘초등학교, 중학교, 고등학교의 정규과정 또는 비정규과정의 양자 교육에 관한 사항’을 명시하고 있다(제13조 8항). 학교교육을 둘러싼 이러한 사회 변화의 양상을 고려한다면, 학교 물리교육에 양자 기술이 포함되는 것은 이제는 절실한 과제라고 할 수 있다.

하지만 양자 기술을 학교 교육에 도입하는 것에 대한 당위성과 별도로 이를 어떻게 학교교육에 도입할 것인가에 대해서는 별도의 논의와 연구가 필요하다. 특히 초중등 물리교육에 도입하는 것에 대해서는 앞으로 다양한 주체들 간의 협의와 체계적인 연구가 필요하다. 양자 기술을 단지 양자물리의 응용 사례로서 소개하고 묘사하는 수준에서 도입할 것인지, 또는 양자 기술의 기초 원리를 설명하는 방식으로 도입할 것인지를 논의하기 위해서는 학교급과 학생의 발달수준, 과목의 성격 등을 고려해야 한다. 양자 기술의 기초 원리를 설명하기 위해서는 양자 상태, 확률파, 중첩, 붕괴, 얽힘 등의 양자물리 핵심 개념을 언급하지 않을 수 없다. 이미 일부 국가에서는 양자 얽힘과 같은 개념을 중등학교 교육과정에서 도입하기도 하였다[28]. 하지만 내용을 도입하는 것과 그 내용을 가르치는 것은 별개의 과제로서, 학생들에게 특정 내용을 가르치는 것이 필요하다면 그에 적합한 교수학습방법 개발도 뒤따라야한다.

양자물리를 고등학교 교육에 도입하는 것은 내용적으로나 방법론적인 측면에서 분명 도전적인 과제이다. 하지만 시급하고 중요한 과제임에도 틀림없다. 가까운 미래에 초중등학교 물리교육에서 양자물리가 현재보다 확대될 것을 기대하며, 이에 대한 물리학자와 물리교육 연구자, 학교 현장을 포함한 다양한 당사자들의 논의와 협업의 필요성을 제기한다.

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