현대 물리학은 자연을 이해하는 최전선의 학문 분야이며 다양한 분야가 융복합되는 미래 시대에 필요한 첨단기기의 기초 원리를 제공하는 등 현대사회 과학기술의 기반을 이루고 있다. 이러한 배경을 바탕으로 2009 개정 과학과 교육과정에서부터 상대론과 양자물리가 도입되었고, 2015 개정 과학과 교육과정에서는 상대론과 에너지띠 이론 등 현대 물리학의 기초 내용을 중요하게 다루었으며 2022 개정 교육과정에서는 양자물리 내용이 더 확대되었다[1-3].

첨단기술의 발달에 기초가 되는 현대 물리학 내용에 대한 기초 지식을 갖춘 시민 교육에 대한 사회적 요구와 교육적 필요가 증대되고 있으나 교육 현장에서 교사들은 교육과정에 새롭게 제시된 현대 물리학 관련 탐구 지도에 대해 어려움을 겪고 있다. 이세연과 이봉우(2018)는 고등학교 물리 교사들이 물리 교과서에 제시된 탐구를 지도할 때의 어려움을 분석하는 연구에서 실험 기구 준비의 어려움, 실험 수행 상의 안전 문제, 실험 설계 자체의 문제점, 학생의 조작 능력 부족이 주요한 어려움임을 밝혔다[4]. 이 연구에서 교사가 가장 어려움을 겪는 실험 두 가지는 모두 현대 물리학 분야 실험이었다. 현대 물리학 내용이 물리 교육과정에 도입된 기간이 짧다는 점에 비추어보면 현대 물리 관련 내용 수업에 활용할 만한 적절한 탐구실험 활동 개발이 필요함을 보여준다고 할 수 있다.

마이켈슨 간섭계 실험은 상대성이론의 발전 과정에서 역사적으로 중요한 역할을 한 것으로 여러 물리학 교재 및 과학사에서 서술되어 왔으며[5, 6, 7] 역사적 접근을 활용한 특수상대성이론 교육이 학생들의 어려움을 해소할 수 있다는 연구도 있다[8]. 2009, 2015개정 교육과정 물리학I 교과서 중 1개 교과서를 제외하고 모든 교과서에서 특수상대성 이론의 역사적 맥락화와 관련하여 마이켈슨 간섭계 실험이 서술되고 있으나 실제 실험 탐구로 제시되지는 못하고 있다[9].

마이켈슨 간섭계는 미소 변위를 측정할 수 있는 도구로써 양자 광학, 중력파 관측 등 첨단 물리 분야에서도 활발히 사용되고 있을 뿐만 아니라 각종 산업 및 의학 분야 정밀 계측 기기에도 활용되어 물리학의 유용성을 잘 드러내는 실험이다[10-12]. 마이켈슨 간섭계를 중등 물리 교육에서 활용하고자 한 연구도 있었다. 전진미 등(2006)은 수직공진 표면광 레이저를 이용하여 나노미터 이동에 따른 간섭 실험의 시각화를 통해 물리 교육적 효과를 얻고자 하였고[13], 오다윤 등(2013)은 영재학생을 대상으로 공기의 굴절률을 측정하는 사사교육 프로그램을 운영하고 그 효과를 검증하였다[14]. 노재준 등(2020)은 마이켈슨 간섭계와 전자석을 이용하여 정지마찰력이 작용하는 물체의 미소 변형을 분석하는 활동을 통해 학생들의 마찰력에 대한 이해를 돕고자 하였다[15]. 이러한 연구는 모두 상용의 마이켈슨 간섭계를 활용하여 정량적인 측정을 목표로 하고 일부 학생들을 사사교육하거나 교사 주도의 시범 실험용으로 연구된 사례들이다. 상용 마이켈슨 간섭계는 비싸고 부품이 많으며 학생뿐만 아니라 교사들도 조작하기가 어려워 일반계 고등학교에서는 제한된 예산과 수업 시수 내에서 교육 목적을 달성하기는 쉽지 않다. 따라서 마이켈슨 간섭계를 활용한 교육은 대부분 영재학교, 과학고등학교 및 과학중점고등학교 등 특별한 물리교육의 상황에서 시범 실험이나, 미지 물질의 굴절률 측정, 레이저의 파장 측정 등으로 활용되고 있는 것으로 드러난다.

마이켈슨 간섭계 실험이 가지고 있는 과학사적 가치와 물리학적 유용성 그리고 실험 자체가 가진 시각적인 아름다움은 학생 중심의 실제 실험 탐구로 활용될 경우 다양한 교육적인 효과로 나타날 가능성이 크다[16, 17]. 최근 메이커 활동의 흐름과 관련하여 외국에서 간단한 도구를 활용해서 마이켈슨 간섭계를 제작하고 교육적으로 활용하고자 하는 연구 사례도 있다[18, 19]. 본 연구에서는 우리나라에서 쉽게 구할 수 있는 일상생활 소재를 활용하여 저렴하게 마이켈슨 간섭계를 구성하는 방법을 탐색하여 구성하고, 고등학교 교육 현장에서 수업에 적용하여 학생들의 물리 실험에 대한 태도에 어떤 영향을 미치는가를 조사하여 분석하였다. 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

첫째, 손쉽게 구할 수 있는 도구를 이용해서 간단한 마이켈슨 간섭계를 구성하고 간섭무늬를 확인할 수 있는가?

둘째, 간단한 마이켈슨 간섭계를 활용한 활동이 일반계 고등학교 물리학I 이수 학생들에게 어떤 학습 경험을 제공할 수 있는가?

1. 실험 개발의 주안점

마이켈슨 간섭계는 Fig. 1과 같이 단일 광원(S)에서 출발한 빛을 빛가르개(Beam Splitter)를 이용해 두 갈래의 빛으로 나누고 두 거울(M1, M2)에 의해 각각 반사된 후 다시 한 곳에 합쳐져 간섭이 일어나도록 구성된다. 빛의 파장이 매우 짧으므로 작은 광경로차에 의해서도 매우 미소한 변위를 측정할 수 있다. 또한 간섭이 스크린에서 일어나게 하는 경우 렌즈 등을 추가하여 실험자는 동심원 형태의 아름다운 간섭무늬를 관찰할 수 있다. 하지만 마이켈슨 간섭계는 정밀한 기기인 만큼 실험 장치의 미세한 진동과 온도 변화에도 민감하며 정량적인 측정 결과를 얻어내기 위해서는 광학판(Optical breadboard), 보정판(compensator plate), 볼록렌즈 등이 더 필요하며 정밀한 장치에 대한 실험자의 이해와 조작 숙련이 필요하다. 따라서 수업에 활용할 때 교사가 시범을 보이거나 일부 숙달된 학생들만 조작하게 하는 경우가 많다.

Figure 1. (Color online) Basic Michelson interferometer.

마이켈슨 간섭계 실험의 물리적 의미와 가치를 학생 스스로 체험하고 이해하는 데는 엄격하고 정량적인 실험보다 정성적이더라도 학생 스스로 조작하는 실험이 오히려 도움이 될 수 있다[20]. 따라서 본 연구에서는 학생들이 기존의 실험 장치보다 쉽게 조작하여 성공적인 간섭무늬를 관찰할 수 있는 간이 마이켈슨 간섭계를 개발하여 수업에 적용하고자 하였다. 간이 실험 장치의 설계는 학습 관련 문헌에 기반하여 다섯 가지의 주안점을 두었다[16,17,21-23]. 첫 번째로는 학생이 실험 장치와 방법을 쉽게 이해하고 탐구할 수 있도록 구성 요소로 일상적이거나 이해하기 쉬운 도구를 사용하고, 부품 수를 최소화하여 학생들이 장치를 접할 때 압도되지 않고, 쉽게 조작할 수 있다는 자신감을 줄 수 있도록 하는 것이었다. 그래서 학생들이 실험 장치와 실험 활동에 관해 보다 긍정적으로 수용하도록 유도하고자 하였다. 두 번째 주안점은 학생이 손으로 조작하고 조절하기 편리하게 하는 것이었다. 조작이 상대적으로 쉬워 중도에 포기하지 않고 실험 결과를 도출할 수 있는 장치를 설계하고자 하였다. 세 번째로는 실험 성공을 위해 일정량의 노력이 필요하고 물리학적인 가치가 있어 실험 결과에 대해 성취감을 느낄 수 있도록 하는 것이었다. 어렵지만 성공한 경험은 성취감을 줄 수 있고, 기억에 오래 남을 수 있다. 따라서 성공적 경험의 효과를 위해 적절한 노력이 투입되었을 때 성공할 수 있는 실험 설계를 하고자 하였다. 네 번째는 일반계 고등학교에서 학생 개별 실험이 가능할 만큼 비용을 최소화하여 구성하는 것이었다. 그래서 교사와 학생들이 기기의 준비 및 손상에 대한 부담을 갖지 않고 다양한 시도를 할 수 있도록 하고자 하였다. 이는 실패에 대한 두려움을 감소시키는데도 기여할 수 있다. 마지막으로는 실험 결과가 시각적으로 아름다워서 학생이 심미적 경험을 느낄 수 있도록 하는 것이었다. 이는 간섭무늬 관찰의 특성에 비추어 학생들이 물리 실험의 결과로부터 풍부한 감성적 경험을 할 수 있다는 것에 기반한 주안점이었다. 간섭무늬의 시각적 경험은 성취감이나 자신감과 함께 더욱 풍성한 감성적 경험을 제공할 수 있기 때문이다. 이를 통해 물리 실험이 무미건조한 활동이 아니라 재미있고, 성취감을 느낄 수 있음을 경험하게 하고자 하였다.

2. 볼록거울을 이용한 마이켈슨 간섭계 구성

개발된 실험 방법은 평면거울 대신에 자동차 운행 보조용 볼록거울을 사용하고 상용의 빛가르개(Beam splitter) 대신에 현미경 프레파라트 제작용 슬라이드 글라스(Slide glass)를 사용한 것이 특징이다(Fig. 2). 자동차 운행 보조용 볼록거울과 슬라이드 글라스의 사용은 학생들에게 익숙하여 실험 장치에 압도되지 않고, 실험 수행에 거부감을 줄이기 위한 설계 주안점에 기반한 선택이다. 또한, 실험에 미숙한 학생들도 조작이 간편하게 한다는 실험 설계의 두 번째 주안점에 기반하여 평면거울 대신 볼록거울을 사용함으로써 렌즈 등의 추가적인 부품 없이도 광폭(beam width)이 크게 되어 스크린상에서 광축정렬(Optical axis alignment)을 하기 쉽게 설계하였다[18].

Figure 2. (Color online) Michelson interferometer using convex mirror.

간이 간섭계는 레이저 포인터 모듈, 건전지 케이스, 슬라이드 글라스, 더블클립, 자동차 운행 보조용 볼록거울, 재활용 CD로 구성하였다(Fig. 3). 레이저 포인터는 오래 켜두어도 밝고 안정적인 5V-5mW, 650 nm 반도체 레이저 포인터 모듈과(Fig. 3(a)) 부품 수 최소 주안점에 근거하여 슬라이드 스위치가 달린 건전지 케이스와 연결하여 고정된 광원으로 활용하였다(Fig. 3(b)).

Figure 3. (Color online) (a) Laser pointer module, (b) laser packaged in bettery case, (c) slide glass, (d) Convex mirror.

볼록거울은 지름이 약 7 cm 정도 되고, 볼헤드(ball head) 방식으로 된 것을 선택하여 학생들이 한 손으로 잡고 섬세하게 반사 각도를 조작할 수 있도록 하였다. 또한, 볼록거울에 회전하기 편리한 CD를 부착하여 조작이 쉽도록 하였다(Fig. 3(d)). 이러한 디자인은 학생들이 실험 조작과 조절을 쉽게 하고자하는 실험 설계 주안점에 기반한 것이다. 같은 이유로 스크린을 따로 설치하지 않고, 무늬가 없는 밝은 색의 벽 또는 흰색의 두꺼운 도화지 등을 벽에 붙여 스크린을 대체하였다. 이는 정성적인 관찰만 목적으로 한 실험에서는 문제가 없다.

간이 간섭계 설계의 문제점으로는 볼록거울에 의한 간섭무늬 발생이다. 볼록거울은 Fig. 4와 같이 반사된 후 구면파(발산각=3°)를 만들어 빔이 확대되고 추가 부품없이 마이켈슨 간섭무늬를 만들기 쉬운 효과도 있지만 레이저 광선이 입사되면 표면 곡률에 의해 간섭무늬를 만든다[24,25]. 따라서 실험 수행 과정에서 간섭계에 의한 간섭무늬 관찰 전에 학생들이 볼록거울에 의한 반사무늬를 먼저 확인하여, 간섭계에 의한 간섭과 구분을 할 수 있도록 할 필요가 있다.

Figure 4. (Color online) Interference fringe by convex mirror reflection.

3. 실험 수행

실험 장치가 간단하고, 간섭계 구조의 이해가 간섭무늬 관찰의 기초가 되므로 학생들이 직접 간섭계를 구성하도록 하였다. 학생들이 장치를 설치하는 과정을 안내하기 위해 구성 과정에 관한 짧은 영상을 제공하여 필요한 경우 학생들이 반복적으로 재생할 수 있도록 하였다¹.

학생이 실험 안내 영상을 참고하여 자기 주도적으로 단계적으로 수행하면 스크린에 볼록거울1(M1)과 볼록거울2(M2)에 의한 빛이 Fig. 5와 같이 나타남을 확인할 수 있다. 단, 볼록거울1(M1)에 의한 빛은 Fig. 5의 왼쪽 위 그림과 같이 2개가 겹친 형태로 나타나는데 이는 슬라이드 글라스 표면과 내부에서 2중 반사(ghost reflection)에 의한 것으로 판단된다[26]. 상용 빛가르개(beam splitter)를 사용하면 이 효과를 줄일 수 있지만 간섭무늬를 확인하는 데는 큰 방해가 되지 않는다. 볼록거울2(M2)를 미세하게 움직여 볼록거울1(M1)의 빛과 겹치면 Fig. 5의 아래쪽 그림처럼 동심원 형태의 마이켈슨 간섭무늬가 나타난다. 마이켈슨 간섭무늬가 나타나면 광학판이 없으므로 대부분 무늬가 일렁이는 듯 진동하게 되는데 그것이 마이켈슨 간섭무늬인지 판단하기 위해서 학생들에게 볼록거울을 번갈아 가며 하나씩 손으로 가렸다 열었다를 반복하며 볼록거울 자체의 간섭무늬와 달리 새롭게 나타나는 간섭무늬인지를 확인하는 방법을 사용하게 하였다.

Figure 5. (Color online) Fringe of Michelson interferometer.

안정적인 동심원이 만들어지면 그것을 학생들에게 충분히 관찰하게 하고 동영상이나 사진을 촬영을 하여 온라인 공동게시판에 게시할 수 있도록 지도하였다.

또한 건물이나 책상의 미세한 진동에 의해서도 간섭무늬가 변하며, 마이켈슨 간섭계의 두 빛의 경로 중 한 곳을 열풍기나 납땜용 인두 등으로 가열하면 간섭무늬가 변하는 것을 관찰할 수 있는데 이러한 방법을 활용하여 학생들에게 온도에 따른 미세한 공기 굴절률 변화도 마이켈슨 간섭계가 감지할 수 있음을 확인하게 하였다. 이 과정에서 마이켈슨 간섭계의 정밀성에 대해 논의하였다.

실험 설계의 주안점 중 비용의 최소화를 통해 부담 없이 학생 주도형 실험을 운영하고 다양한 시도를 할 수 있도록 한다는 것은 수업 교사에게 총 4개 학급이 4차시 진행되는 과정에서도 실험 준비 및 운영에 어려움이 없게 하였다. 무엇보다도 수업 시간 안팎으로 학생들이 실험 도구를 자유롭게 탐색하고 변형하는 기회에 대한 요청을 충분히 허용할 수 있었다.

1. 수업 맥락과 자료 수집

수업은 일반계 고등학교 2학년 물리학I을 수강하는 4개 학급(135명)을 대상으로 총 4차시로 진행되었으며 시공간의 상대성 단원과 파동의 간섭 단원을 재구성하여 운영하였다. 수업은 모두 과학 실험실에서 4인 1모둠으로 진행하여, 모둠 당 1개의 간섭계를 구성하여 관찰하도록 하였다. Table 1은 수업 전체 과정을 나타낸 것으로 1차시에는 개념 이해를 위한 강의형 수업으로 실험의 의미와 역사성, 유용성 등을 강조하며 수업을 진행하였고, 2차시에는 학생들이 실험 장치를 탐색하고 실험 방법 안내 영상을 보며 실험 과정에 익숙해지는 시간을 제공하였다. 3차시에는 학생들이 실제 실험 탐구를 수행하고 실험 결과 사진 촬영 및 탐구 활동지를 작성하고 결과를 온라인 게시판에 게시하는 활동을 과정평가로 실시하여 교사의 개입을 최소화하여 운영하였다. 또한 실험을 모두 마친 후 실험에 대한 소감을 적도록 하였다. 이때 학생들에게 실험과정에서 관찰 경험이나 알게 된 점뿐만 아니라 개인적인 감정 및 궁금한 점 등도 구체적으로 적을 것을 요구하였다. 마지막 4차시에는 학생들의 실험 결과와 소감을 공유하고 이에 대한 교사 피드백을 제공하였고, 실험 보고서를 작성하는 지필형 수행평가를 실시하였다. 수행평가 문항으로는 실험과정을 그림과 글로 표현하고, 마이켈슨 간섭계의 원리와 특수상대성 이론과의 역사적 맥락을 서술하고 간섭계의 한쪽 경로에 공기를 가열했을 때 간섭무늬의 변화 여부를 예측하고 그 이유를 서술하는 문항으로 구성하였다.

Table 1

Process of Lessons.

Lesson sequence	Lecture contents & student activity
1	Introduction	Engagement : “Michelson Experiment - The Most Famous Failed Experiment” Emergence of Special relativity theory Establishing learning goals
2	Exploration	Video guidance of Experiment procedure Emphasis on the sensitivity of the experiment and its usefulness in physics and other applications Exploration of experimental equipment
3	Experimentation	Student-led lab performance along with a worksheet Sharing resulting images using on-line board Write a response to the experiment
4	Assessment	Write an experiment report Sharing results and individual responses to the experiment

수업 운영 교사는 수업 과정 전후에 수업 운영 일지를 작성하였으며, 자료 분석을 위해 학생들이 온라인 게시판에 작성한 소감문을 텍스트 문서로 변환하고 기본 맞춤법에 맞춰 수정하였다(115명, 143문장, 8396자). 그리고 수업이 모두 종료되고 약 4개월 후 연구를 위한 면담 참여에 동의한 3명의 학생(학생 A, B, C)을 대상으로 개별 면담을 하였다. 면담은 실험에 대해 기억나는 것과 그때의 감정적인 부분 및 다시 실험을 수행한다면 개선하고 싶은 점 등을 수업 운영 교사와 자유롭게 이야기하게 하는 방식으로 약 10분간 이루어졌다. 모든 면담 내용은 녹음하고, 반복 청취하며 전사하였다. 면담 상황에서는 학생에게 실험에 대한 정보를 추가로 주지 않았고 순수하게 학생 기억에만 의존하여 진행함으로써 일정 시간이 흐른 후 학생의 실험 관련 기억과 감정 등을 수집함으로써 실험이 유의미한 정도를 추정하고자 하였다.

2. 학생의 반응 및 학습 경험

수업 교사가 기록한 수업 일지와 학생이 기록한 소감 및 면담 자료를 이용하여 학생의 반응 및 학습 경험을 분석하였다.

1) 실험의 의미에 대한 반응

수업 교사는 본인이 개발한 실험을 학생들에게 적용하는 것에 대해 기대감을 갖고 수업에 임했으며 학생들도 공감하고 유의미한 활동이 되기를 기대하였다. 1차시 수업 도입에서 학생들에게 실험 장치가 새롭게 개발되어 이번이 처음으로 시도하는 것으로 조금 어려울 수도 있지만 예상치 못한 재미있는 결과도 나올 수 있다는 설명과 함께 자신의 기대와 설렘에 대해 공감적 화법을 사용하였다. 또한, 상대성 이론의 등장 과정과 관련된 마이켈슨 간섭계의 물리사적 의미와 중력파 관측 등 첨단 과학기술에서 활용되고 있다는 실험의 의미와 가치를 강조함과 동시에 그러한 역사적 실험을 학생들이 직접 해본다는 사실의 큰 의의를 강조하였다. 이와 같은 교사의 학생과의 공감 과정, 공동의 실험의 목표 설정 과정에서 학생들이 높은 흥미와 수업 집중도를 보여주어 학습 동기 유발이 성공적으로 이루어진 것으로 교사는 판단하였다.

이러한 실험 도입에서 보인 학생들의 관심과 흥미는 실험 후 학생들의 실험을 통한 개념의 이해와 실험의 의의에 대한 소감문에서 강화가 된 것으로 드러났다.

2) 실험 참여 중 학생의 반응과 경험

두 개 차시에 걸친 학생 주도의 실험과정에서는 평소 수업에 적극적으로 참여하지 않던 학생들도 적극적으로 참여하는 모습이 관찰되었다. 일부 학생들은 처음에 도구를 조작하여 간섭무늬를 관찰하는 것에 어려움을 겪기도 하였지만 단순한 도구 조작에 익숙해지고 교사 및 친구들의 도움을 얻기도 하면서 성공하며 탄성을 지르는 등 수업에 대한 흥미와 호기심을 다른 수업 시간과 비교해 상당히 높이 드러냈다. 이는 실험 설계 주안점 중 조작이 상대적으로 쉬워 자신감을 갖고 중도에 포기하지 않게 하는 것이 효과를 보인 것으로 이전 수업 활동에서 참여도가 낮았던 학생들의 소감문에서 “단순”, “간단” 등의 단어와 “뿌듯”, “신기” 등의 감성적 용어를 많은 학생들이 공통적으로 사용한 것으로 확인되었다.

또한, 도구와 조작은 단순하지만 결과를 도출하기 위한 과정에서 일정량의 노력이 필요해서 모둠원의 협업이 늘어나며 자연스럽게 협력적 학습을 유도하여 성취감을 얻은 것으로 드러났다.

한편, 협업이 잘 되어 실험이 순조롭게 진행된 모둠에서는 추가로 빛의 경로에 불을 붙인 알콜 램프를 넣어 공기의 가열에 의해 간섭무늬가 변하는 모습까지 관찰하는 실험에 성공하기도 하였다.

학생들의 흥미 증가와 적극적 참여로부터 얻은 감성적 경험의 긍정적 결과는 4차시에 학생들이 실험과정을 그림과 글로 표현하고 실험의 의미를 해석하는 보고서 작성 평가에서 직전 수행평가에서 성취 수준이 낮았던 학생들도 향상된 성취도를 보여준 결과로 다시 확인할 수 있었다.

실험 설계의 특성상 학생들이 다양한 조건에서 실험을 수행하면서 수업 교사가 예비 실험에서 보지 못한 다양한 간섭무늬가 학생들에 의해 관찰되었다(Fig. 6). 예상치 못한 실험 결과에 대해 교사와 학생 모두 혼란을 겪으면서 실험의 과정과 결과가 학생 자신만의 것으로 다듬어지고 만들어지는 경험이 구성되었다.

Figure 6. (Color online) Various Michelson interference patterns observed by the student.

학생들은 간섭무늬에 대해 “나무의 나이테처럼 나타나서 신기했다.”, “파동과 같은 모양이 보인다.”(학생 소감문)와 같이 교사가 사용하지 않은 자신만의 방식으로 이름을 붙이며 실험 결과를 표현하면서, 실험 결과를 자신들의 것으로 만들어가는 경험을 드러냈다. 이를 통해 교사는 학생들이 실험 도구 사용에 익숙해지며 학생들 스스로 만들어낸 실험 결과를 자신의 언어로 표현하는 수준에 이르렀음을 알 수 있다. 이는 실험 설계의 주안점인 실험 도구가 학생들에게 이해하기 쉽고 조작하기 쉬워 충분히 학생주도형으로 운영이 가능하게 한다는 것이 효과를 보인 것으로 볼 수 있다.

3) 실험에 대한 학생들의 정서적 반응

학생들은 소감문과 면담에서 다양한 정서적 반응을 드러냈다. 학생의 긍정적 감정 표현의 예로는 “신기했다.”, “뿌듯했다.”, “인상적이었다”, “재미있었다.”, “흥미로웠다.”, “놀라웠다.”, “영화를 보는 듯한 느낌이 들었다.”, “멋있었다.”, “대단하다고 생각했다.”, “기억에 많이 남을 것 같다.“, “가슴이 웅장해진다.”, “과학자나 물리학자가 된 듯한 느낌이 들었다.” 등이 있었다.

긍정적인 감정 표현은 대체로 학생이 직접 도구를 조작하여 성공한 것에 대한 감흥과 간섭무늬의 시각적인 아름다움과 같이 실험 활동 설계 시 주안점으로 두었던 것이 유효했다는 점을 보여주었다.

실험의 과학 학습에서의 의미, 실험 자체의 물리적 의미 및 과학사적 가치와 연관지어 긍정적인 감정을 표현하는 사례도 있었다.

일부 학생들은 부정적인 감정 표현도 제시하였다. 그 예로는 “어려워서 힘들었다.”, “[결과가] 안 나와서 아쉽다.”, “속상했다.”, “당황스러웠다.” 등이 있었는데, 그러한 부정적 감정은 “여러 번 시행착오 끝에 성공해서 더 기억에 남을 거 같다.”와 같이 실험과정의 어려움을 극복하고 성공했다는 긍정적인 표현으로 이어진 경우가 많았다. 이는 실험 설계의 주안점 중 어렵지만 성공한 경험을 통한 성취감을 준다는 것이 유효했다는 것을 보여준다. 또한 실험 후 4개월이 지난 후에도 면담에서 학생들이 추가 정보 없이도 당시 있었던 실험 경험을 구체적으로 설명함으로써 학생에게 유의미한 학습 경험이 되었다는 것을 보여주었다.

많은 학생들이 소감문에 추가 탐구 주제를 제시해, 실험 경험을 통해 탐구에 대한 열의와 호기심을 보이는 것으로 드러났다. 또한, 실험을 바탕으로 제시한 탐구 주제들 대부분이 실험에 대한 이해를 바탕으로 하고 있어, 실험 활동이 유의미한 학습 경험을 제공하였다고 판단할 수 있다.

이 연구에서는 손쉽게 구할 수 있는 소재를 활용하여 학생들이 수행할 수 있는 간이 마이켈슨 간섭계를 구성하는 방법을 개발하여 고등학교 수업에 적용하고 그 효과를 탐색하고자 하였다. 이를 위해 학생들에게 익숙한 반도체 레이저(5 mW), 자동차 운행 보조용 볼록거울, 슬라이드 글라스 등을 이용하여 간이 마이켈슨 간섭계를 설계하였다. 교사의 안내를 통해 학생들이 직접 간이 간섭계를 설치하고, 동심원 형태의 간섭무늬를 만들고 공기 굴절률 변화에 따른 간섭무늬 변화를 관찰하는 정성적인 실험을 할 수 있음을 확인하였다. 또한, 학생들이 다양한 조작을 통해 교사가 예상치 못했던 다양한 형태의 간섭무늬를 관찰하는 결과를 낳기도 하였다. 개발된 실험을 활용한 수업 후 학생들의 반응과 학습 경험을 탐색한 결과 본 연구에서 개발한 간이 간섭계 실험이 학생 주도의 실험 조작을 통해 관련된 개념 및 물리학사에서의 의의에 대한 이해를 돕고 지적 호기심 및 탐구 동기를 유발하는 등 인지적, 정의적 영역의 학습에 도움을 줄 수 있음을 확인하였다.

본 연구에서 활용한 실험 수업은 실험의 과정이 학생 주도적으로 이루어졌다 할지라도 전형적인 요리책 식 실험으로 볼 수 있다. 교사는 실험 전 실험의 배경이 되는 지식 및 실험의 과정을 상세히 설명하였고, 학생들이 안내된 실험 방법에 따라 실험 장비의 조작을 적절히 수행한다면 얻을 수 있는 결과도 미리 알고 수행한 실험이었다. 요리책 식 실험의 문제점은 학생들이 실험의 목표도 모르고 기계적으로 수행 함으로써 실험의 경험이 과학 내용의 이해나 과학 탐구 기능의 습득과 같은 학습 목표 달성에 효과적이지 않고, 과학탐구에 대한 오해를 초래할 수 있다는 것이다[27]. 하지만, 본 연구에서 소개한 실험 수업은 Hacking (1983)의 주장과 같이 실험의 수행과 그 결과를 관찰하는 경험 자체가 의미 있는 활동으로 볼 수 있다[5]. 무엇보다도 실험의 설계와 조작 자체에 광학적 개념(간섭)이 적용되어 그 과정을 기계적일지라도 경험하면 개념을 체득할 기회를 가질 수 있다. 또한, 실험 전후 실험이 갖는 역사적인 의의와 실험을 통한 지적, 정서적 경험을 고찰한 수업은 단순한 요리책 식 실험을 벗어나 메타 인지 과정을 거치게 함으로써 학생들이 실험 전체에 대한 이해를 할 수 있게 하였다. 무엇보다도 실험 설계에서 강조한 주안점들을 통해 학생들이 지적, 정서적 체험을 의미 있게 할 수 있었음을 확인하였다.

본 연구에서 개발한 실험과 같이 학생들이 현대 물리 개념들을 확인하고 경험할 수 있는 실험을 직접 조작하고 탐구할 수 있는 기회가 많아진다면 상대적으로 어렵게 인식이 되는 현대 물리 개념을 긍정적 정서와 함께 보다 쉽게 이해하게 할 수 있을 것이다.