자석은 교육과정 내에서 초등학교 3학년 과학에서 처음 등장해 학생들에게는 눈에 보이지 않는 물리적인 힘을 배우는 첫 개념이 된다. 이후 현행 교육과정에서 자석과 관련된 내용은 중학교 과학 및 고등학교 물리학I 교과 내용에서 전류에 의한 자기장, 자성체에 대한 내용으로 연결된다[1]. 하지만 학생들 입장에서는 초등학교 3학년 과학에서 자석을 배운 후 자석과 직접적으로 관련된 내용은 고등학교 2학년의 물리학Ⅰ의 자성체를 배울 때 다시 접할 수 있기 때문에 자석에 대한 직접적인 이해를 발달시킬 수 있는 기회는 제한되는 편이다.

인류는 오랜 기간 동안 광범위하게 자성체를 응용한 기술을 활용하여 왔는데, 최근에 자성체는 21세기 정보화 시대에 요구되는 메모리 물질로서 크게 각광받고 있으며, 신소재를 비롯한 과학 기술의 여러 분야에서 연구되고 있다[2]. 하지만 우리 주변에서 자성 물질을 다양하게 발견할 수 있고, 자성체가 실생활에서 중요하게 활용되고 있음에도 불구하고 학생들의 자기장과 자성체에 대한 이해도는 낮은 편이다[3]. Jang & Oh(2006)에 의하면 초중고 학생들의 자성체에 대한 오개념으로 자기 홀극 유형이 대표적이며, 자성체의 종류를 제대로 구분하지 못하는 경우도 많다[4]. 또한 대부분의 중학생들이 자기력과 자기력선에 대해 제대로 알지 못하는 등[3] 자기력과 자성체에 대해 학생들이 제대로 이해하지 못하는 경우가 많다.

교과서는 교육목표의 달성을 위한 가장 기초적인 자료이기 때문에[5], 교과서에 수록되는 내용은 정확해야 하며[6], 학생들에게 설명하고자 하는 개념이 쉽게 전달될 수 있도록 기술되어야 한다[7]. 이를 위해 서술상의 부정확한 기술은 배제되어야 하고[8], 글로 표현하기 어려운 내용은 시각자료인 삽화를 이용해 보충 설명해야 하는데[9], 삽화의 경우 시각적 표상에 따라 학생들의 오개념을 추가로 유발할 가능성이 있다[10]. 따라서 현행 교과서가 오개념을 유발하지 않도록 정확한 서술과 삽화를 담고 있는지, 교육과정의 교육 목표인 성취 기준에 도달할 수 있도록 구성되어 있는지 분석하는 것은 중요한 일이라 할 수 있다.

이에 2015 개정교육과정의 물리학 교과서들에서 서술 내용과 삽화가 제대로 되어 있는지 분석한 연구들이 다수 존재한다. 구체적으로 2015 개정 고등학교 물리 교과서의 상대성 이론[11] 및 양자역학 내용[12]을 분석한 연구 들이 수행된 바 있고, 광전효과와 같이 분석 주제를 한정하여 교과서의 서술을 분석한 연구[13]도 존재한다. 특히 전자기 관련 내용이 우리 실생활에서 중요하게 활용되고 있기 때문에 고등학교 물리교과서의 전자기학 단원에서 여러 가지 서술 내용, 삽화, 탐구가 제대로 제시되어 있는지 교과서별로 비교 분석하여 나타나는 차이점을 제시한 연구도 있다[14]. 해당 연구에서는 물리학 I 교과서에 수록된 자성체 단원의 내용에 대해서도 간단한 분석을 제시하고 있으나, 원자 자석, 자성체의 종류, 자성체가 실생활에 활용되는 예시에 대한 체계적인 분석은 제시하지 못하고 있다.

한편, 2022년 12월 2022 개정 교육과정이 발표된 이후 교과서 개발 및 검인정 작업이 진행중이다. 하지만 두 교육과정에서 모두 자성체 관련 내용의 성취기준으로 “자성체의 종류를 알고 자성체가 활용되는 예를 찾는 것”을 기술하고 있어 교육과정을 바탕으로 제작되는 교과서 내용에도 큰 차이가 없을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서 2015 개정교육과정에서의 교과서를 분석하는 연구 내용이 2022 개정 교육과정의 교과서에도 어느 정도 적용될 수 있을 것이다.

이에 본 연구에서는 2015 개정 교육과정의 물리학I 교과서에서 물질의 자성 단원이 교과과정 내의 성취기준을 달성하도록 구성되어 있는지, 서술과 삽화가 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 명확하게 구성되어 있는지, 탐구 활동이 개념 서술 내용의 이해를 돕도록 일관성 있게 구성되어 있는지 살펴보는 것을 연구 목적으로 설정하였다.

2015 개정 교과서에서 자성체는 물리학Ⅰ 교과서의 물질의 자성 소단원에서만 다루고 있고 통합과학이나 물리학Ⅱ 교과서에서는 자성체와 직접적으로 관련된 내용은 다루지 않는다. 따라서 본 연구에서는 물리학Ⅰ 교과서 8종의 자성체 단원을 분석 대상으로 정했다. 물리학Ⅰ 교과서의 출판사명은 알파벳 순서로 A부터 H까지의 표기를 사용하였다.

2015 개정 교육과정에서 자성체에 해당하는 성취 기준은 “[12물리Ⅰ02-06] 자성체의 종류를 알고 자성체가 활용되는 예를 찾을 수 있다.”이다. 교과서의 내용이 성취 기준에 도달하도록 구성되어 있는지 알아보기 위해 성취 기준으로부터 핵심 개념을 추출하고 핵심 개념에 대한 서술을 살펴본 뒤, 귀납적 범주화 방법[15]을 활용하여 서술들에서 공통된 내용 요소를 찾고 주요 분석 내용을 선정했다.

분석 기준 설정을 위해 1인의 연구자가 주도적으로 분석 기준을 수립한 후, 공동 연구자가 분석 기준을 검토하여 분석 기준의 타당성에 대해 논의한 후 토론을 통해 분석 기준을 확립하였다. 성취 기준에서 ‘자성체의 종류’와 ‘자성체가 활용되는 예’라는 두 가지의 핵심 내용을 추출하였으며, ‘자성체의 종류’는 “[12물리Ⅰ02-06] 자성체의 종류로는 상자성체, 반자성체, 강자성체를 다룬다” 라는 성취 기준 해설에 의거하여 ‘상자성체’, ‘반자성체’, ‘강자성체’로 나누어 핵심 내용을 추출하였고, 자성체의 원리 설명을 위해 필수적으로 요구되는 개념인 ‘원자 자석’을 핵심 내용에 추가하였다. 이에 본 연구의 주요 분석 내용을 ‘원자 자석’, ‘강자성체’, ‘상자성체’, ‘반자성체’, ‘자성체가 활용되는 예’로 확립하였다. 이후 각 내용이 교육과정의 성취기준을 달성하도록 구성되어 있는지, 개념의 서술, 삽화의 표현 등이 학생들의 오개념을 유발하지 않고 각 핵심 내용간 유기적인 이해를 돕도록 명확하고 일관성 있게 표현되어 있는지, 탐구 활동과 개념 서술이 일관되게 구성되어 있는지를 분석하였다. 구체적으로 ‘원자 자석’이라는 핵심 내용에서 공통적으로 나타나는 ‘궤도 자기 모멘트’와 ‘스핀 자기 모멘트’라는 두 가지의 핵심 개념을 추출하였고, ‘반자성체’, ‘상자성체’, ‘강자성체’에서는 외부 자기장이 있을 때와 없을 때의 자기 모멘트 배열과 퀴리 온도, 자기 구역에 대한 설명을 살펴보았다. ‘자성체가 활용되는 예’에서는 교과서에 전혀 언급되지 않은 상자성체를 제외한 반자성체, 강자성체로 나누어 활용 예시를 살펴보았다. 탐구 활동은 교육과정에 제시된 실험을 1차적으로 정하였다. 이 중에서 개념 서술에 부합하는지 분석하기 위해 사용된 물질과 실험의 질문 유형 측면에서 분석하였다.

1. 원자 자석

자성의 원인 설명에서 눈여겨볼 것은 원자 하나하나도 개별적인 자석이라는 것이며 이를 이해하면 자기 홀극이라는 오개념을 유발하지 않는다. 하지만 학생들은 양자 역학을 배우기 전에는 자성의 원인을 이해하기 어렵기 때문에 일반물리학 및 물리학I 교과서에서는 고전 역학적인 모델을 도입하여 전자의 궤도 운동과 스핀이 전류를 만들고 전류가 자기장을 만든다는 방식으로 설명하고 있다. Table 1은 현행 교과서에 서술된 원자 자석에 대한 설명과 삽화를 분석한 것이다.

Table 1 . Descriptions and illustrations of the magnetic moments of atoms by textbook.

Category	Content	A	B	C	D	E	F	G	H
Description	Magnetic moment produced by the orbital motion of the electrons	O	O	O	O	O	O	X	O
	Canceling magnetic moment produced by the orbital motion	O	X	X	O	X	X	X	O
	Spin magnetic moment	O	O	X	O	O	O	X	O
	Canceling magnetic moment in the opposite spin	O	O	X	O	X	O	X	O
	The electron is not physically spinning	▲	▲	X	▲	O	▲	X	X
Illustration	Orbital magnetic moment	O	O	O	O	O	O	X	O
	Spin magnetic moment	O	O	X	O	O	▲	X	O

Table 1에서 볼 수 있는 것처럼 G를 제외한 모든 교과서에서 자성의 원인을 설명하기 위해 원자 자석을 도입하고 있으며, 전자의 자전과 공전에 빗대어 궤도 운동에 의한 자기 모멘트와 스핀에 의한 자기 모멘트로 나누어 설명하고 있다. G를 제외한 7종에서 궤도 운동에 의한 자기 모멘트를 도입하였고, 이 중 A, D, H 3종에서 두 개 이상의 전자가 있을 경우 서로 반대 방향의 궤도 운동에 의한 자기장이 상쇄됨을 설명하였다. 이 중 D, H 두 교과서에는 “대부분의 물질(원자)에서 궤도 운동에 의한 자기장은 0이거나 매우 작다” 라는 서술이 있으며, 일반물리학[16] 에도 동일한 서술이 존재한다.

스핀에 의한 자기 모멘트를 서술한 책은 C, G를 제외한 6종이며, 반대 방향의 스핀 자기모멘트끼리 상쇄된다는 서술은 A, B(반자성 서술에서 등장), D, F, H의 5종에서 나타난다. 원자 내부의 자기장이 상쇄된다는 것은 반자성체와 나머지 자성체의 근본적인 차이점을 이해시키는 데 중요한 부분이다. 하지만 스핀 자기 모멘트 항목에서 X로 표시한 C, G와 같은 교과서의 내용 서술이 부족한 것인지에 대해서는 고민해 볼 필요가 있다. 스핀 자기 모멘트와 같은 물리적 현상의 원인에 대한 자세한 미시적 설명은 고등학생 수준에서는 적절치 않을 수도 있으며, 이에 대한 설명 문제는 교육 현장의 자율에 맡기는 것이 교육과정의 취지에 보다 부합할 수도 있기 때문이다. 따라서 향후 스핀 자기 모멘트와 같은 내용을 교과서에서 다루는 것이 적절한 것인가에 대해서는 논쟁의 여지가 있을 수 있다는 것을 밝혀 둔다.

전자의 궤도 운동과 스핀이 실제 공전과 자전이 아니라는 서술은 E에서 나타나며, 스핀이 실제 자전이 아니라는 서술은 B에서, ‘비유’ 또는 ‘실제 자전하는 것과 같은’ 등으로 스핀이 실제 자전이 아니라는 것을 암시하는 서술이 A, D, F에서 나타난다(▲표시). 특히 E 교과서의 경우 “실제로 전자가 공전과 자전을 하는 것은 아니지만, 전자는 일종의 작은 자석이라고 할 수 있다. 이것은 전자가 가지고 있는 고유한 특성이다.”로 학생들이 해당 내용에 대해 가질 수 있는 오개념까지 고려하여 서술하고 있다. X 표시한 H의 경우는 “전자 자신의 축을 기준으로 자전하는 스핀”이라고 묘사하여 실제 자전이 아니라는 서술이 없어서 X 표시하였다. 전자의 궤도 운동과 스핀이 실제 전자의 공전과 자전이 아니라는 다소 상세한 서술은 양자 역학에 대한 이해가 수반되므로 자칫하면 고등학교 2학년 수준에서 자성체 단원에 대한 학생의 이해를 저해하는 요인이 될 수도 있다. 이러한 내용은 일반물리학[16]과 대학물리학[17] 교재에 나타나는 내용이며, 일반물리학[16]에서도 양자물리학 개념 소개보다는 결과 위주로 소개하고 있으므로 향후 이와 같은 상세한 내용을 서술하는 것이 학생들의 이해에 도움이 되는지 추가적인 연구가 필요해 보인다.

삽화를 살펴보면 G를 제외한 7종 중 6종에서 원자 자석의 궤도 운동과 스핀을 표현한 삽화를 수록하고 있었으나(Figure 1(a)), C는 원자 자석의 설명 중에 스핀에 의한 자기장에 대한 삽화가 없어서 X로 표기하였다(Figure 1(b)). ▲로 표시한 F의 경우 다른 교과서와 달리 원자의 궤도 운동 삽화에서 전류의 방향이 표시되어 있지 않았다(Figure 1(c)).

Figure 1. (Color online) Illustrations of magnetic moment of atoms by textbook.

2. 강자성체

Table 2는 현행 교과서에 서술된 강자성체 설명과 삽화를 분석한 것이다. 자기 구역을 도입해 강자성 물질이 어떻게 자성을 유지하는지를 설명한 교과서는 8종의 교과서 중 A, D, E, F, G, H 6종이며, 자기 구역을 도입하지 않은 교과서는 B, C 2종이었다. 자기 구역을 도입하지 않으면 자기 모멘트의 정렬에 집중하여 자화 과정을 쉽게 보여줄 수 있지만 상자성체와의 차이점을 명확히 설명하기 어렵고, 외부 자기장을 제거했을 때 상자성체와 달리 자화가 유지되는 현상을 설명하기 어렵다. 강자성체의 잔류 자화는 외부 자기장에서 자기 구역의 비가역적 배치로 이해할 수 있기 때문이다. 따라서 강자성체를 설명할 때는 자기 구역을 도입해서 설명하면 학생 이해에 도움이 될 것으로 생각된다. 자기 구역을 도입하면서 자기 구역을 도입하면서 자기 구역이 발생하는 원인으로 인접한 원자들의 스핀이 결합되어 서로 상호작용하고 있다는 내용을 서술하여 상자성체와의 차이점에 대해 구체적인 이해를 도운 서술은 F, H 2종에서 등장한다.

Table 2 . Descriptions and illustrations of ferromagnetism by textbook.

Category	Content	A	B	C	D	E	F	G	H
Description	Magnetic domain	O	X	X	O	O	O	O	O
	Spin coupling	X	X	X	X	X	O	X	O
	Randomly oriented domains(magnetic moments)	O	O	O	X	O	O	X	O
	Domain wall change with external field	X	X	X	O	▲	O	O	O
	Strongly attracted by magnet	O	O	O	X	O	O	O	O
	Curie temperature	X	X	X	X	▲	O	O	O
	Thermal motion	X	X	X	X	X	O	X	O
Illustration	Domain change	O	X	X	O	▲	O	O	O
	External filed removal	O	O	O	X	O	O	O	O

외부 자기장이 없을 경우 무질서한 자기 구역(또는 원자 자석)의 정렬을 서술은 D, G를 제외한 6종(A, B, C, E, F, H)이다. 무질서한 자기 구역의 배열을 제시하지 않으면 자화 전후의 차이점을 설명하기 어렵다. 외부 자기장이 있을 때 자기 구역이 넓어지며 정렬됨을 설명하고, 외부 자기장을 제거해도 넓어진 자기 구역의 정렬이 유지된다는 서술은 D, F, G, H에서 나타나는데, 그중에서도 F, H는 막방향이었던 자기 구역이 외부 자기장 하에서 정렬되며 넓어지고 외부 자기장을 제거해도 유지됨을 일관적으로 서술하고 있었다. E의 경우 외부 자기장을 가했을 때 자기 구역이 외부 자기장의 방향으로 정렬된다고만 서술하고(▲), 이에 부합하는 삽화 그림에서 자기 구역의 경계를 그리지 않고 자기 모멘트가 모두 평행하게 배열되는 것으로 부정확하게 표현하여 ▲로 표시했다(Figure 2(a)). 이러한 자화의 결과로 강자성체가 자석에 달라붙는 물질임을 서술한 책은 D를 제외한 7종(A, B, C, E, F, G, H)이었다.

Figure 2. (Color online) Illustrations of magnetization of ferromagnetic materials by textbook.

강자성체의 서술에서 퀴리 온도를 언급한 서술은 교과서 E, F, G, H에 나타났다. 이 중 ‘퀴리 온도’라는 용어가 등장하고 강자성체가 일정 온도 이상에서 상자성체가 된다고 서술한 책은 F, G, H이다. 또한 강자성체 또는 상자성체 서술에서 ‘열운동’을 언급한 책은 F, H였다. 이처럼 퀴리 온도 내용을 설명하면 강자성체와 상자성체의 상전이 현상을 다루게 되므로, 학생들은 이 둘의 차이와 공통점을 명확히 이해할 수 있으므로 좋은 서술로 판단된다.

삽화를 비교해보면 모든 교과서에서 공통적으로 강자성체의 자화를 작은 나침반이나 화살표 방향의 정렬로 표현하며 자기장이 있을 때 자화되는 모습을 표현하였다. 그러나 D, H 교과서의 경우 대학물리학 교재[17]의 삽화를 그대로 활용하고 있었다(Figure 2(c), (d), (e)). 이 중 D의 경우 외부 자기장을 제거했을 때의 삽화를 보여주지 않고 있어서 나머지 7종(A, B, C, E, F, G, H)의 교과서에서 3가지 삽화(외부 자기장이 없을 시, 외부자기장이 있을 시, 외부자기장을 제거했을 시)를 제시한 것에 비해 부족함이 드러났다. 반면 D와 동일한 삽화를 이용한 H는 자성의 유지를 추가적인 삽화로 보여주고 있었다(Figure 2(b)). 이렇게 H의 경우 F와 함께 강자성체에서 비교적 상세한 서술과 삽화를 구성하고 있었는데, 특이한 점으로 번개에 의해 자연적으로 형성되는 자철석을 소개하여 일반물리학 교재[16]와 유사한 모습이 보였다.

F의 경우 강자성체 서술이 상세하고 일관성이 있었는데, 앞서 서술했듯 원자 자석 부분에서 강자성체 원자의 자기모멘트가 상쇄되지 않아 원자 각각이 자성을 가짐을 설명한 후, 강자성체 서술에서 상호 작용과 자기 구역을 도입하고, 자기 구역의 배열로 자화도의 차이를 설명해 상자성체, 반자성체와의 차이점을 효과적으로 알도록 명확하게 설명하고 있다. 또한 퀴리 온도에 대한 내용을 날개 부분에 추가하여 후에 나오는 상자성체의 열운동 서술과 연계가 되어 좋은 구성을 이루고 있었다.

3. 상자성체

Table 3에 나타낸 바와 같이 상자성체의 서술에서는 공통적으로 외부 자기장이 없을 때 원자 자석들이 불규칙하게 배열됨을 설명하고 있었는데, 교과서 G에서는 삽화에 불규칙한 원자 자석의 모습이 표현된 반면 글로 서술된 내용이 없었기 때문에(X표시) 상자성체가 외부 자기장이 없을 때의 자화 상태를 이해하기 어려웠다. 상자성체에 외부 자기장이 가해졌을 때 외부 자기장의 방향으로 정렬된다는 부분은 모든 책에서 나타났다. 상자성체가 자기화의 결과로 자석에 약하게 끌린다는 서술은 D를 제외한 교과서에서 공통적으로 등장했다. 자석에 약하게 끌린다는 서술이 누락된 D의 경우 추후 탐구 분석에서도 논하겠지만, 실험에 사용한 물질 중에 상자성체가 있어 탐구 내용과의 연계가 아쉬운 부분이다.

Table 3 . Descriptions and illustrations of paramagnetism by textbook.

Category	Content	A	B	C	D	E	F	G	H
Description	Randomly oriented magnetic moments	O	O	O	O	O	O	X	O
	Alignment with external field	O	O	O	O	O	O	O	O
	Weakly attracted by magnet	O	O	O	X	O	O	O	O
Illustration	Alignment of magnetic moments in paramagnetic materials	O	O	O	X	O	O	O	O

앞서 살펴본 원자 자석 및 강자성체 부분과 상자성체 내용을 연계하여 분석한다면, 원자의 종류에 따라 원자 내부의 전자끼리 자기모멘트가 상쇄되지 않는다는 서술은 A, D, E, F에 있었고, 상자성체와 강자성체의 차이점으로 자기 구역을 설명한 경우는 A, D, E, F, G였다. 종합하자면 이 중 앞서 서술이 일부 누락된 D를 제외한 교과서 A, E, F에서 다루고 있는 서술을 통해 학생들이 상자성의 원인을 이해하기 쉬워지므로, 이와 같이 서술의 일관성을 유지할 필요가 있어 보였다. 추가로 D 교과서의 경우 상자성체의 삽화가 누락되어 있었다. D 교과서는 이후의 반자성체 삽화도 누락시켰는데, 대학물리학[17]에서도 이와 동일하게 원자 자석과 강자성체 삽화만 등장시키고 반자성체, 상자성체 삽화가 없는 구성을 취하고 있어서 유사함이 발견되었다.

4. 반자성체

Table 4에 정리된 바와 같이 반자성의 원인 서술에서 반자성체의 원자 각각이 자기장을 띠지 않는다는 서술은 A, B, C, F, H의 다섯 종류에서만 다루고 있었다. 이 중에서 교과서에서 원자 자석을 아예 다루지 않은 G의 경우와 원자 자석 내부의 자기 모멘트가 상쇄되는 현상을 다루지 않은 채로 반자성체 원자 각각이 자기장을 갖지 않음을 설명한 C, E는 반자성체와 상자성체의 차이점을 알기 어려워질 우려가 있었다. 특히 E는 서술이 없이 삽화에만 반자성체의 원자 내부에 나침반이 비어 있는 듯한 표현을 하여 서술과 삽화의 일관성이 부족했다(Figure 3(b)). 반대로 D는 앞선 원자 자석에서는 원자 내부의 자기장이 0이 되는 물질이 있다고 하면서 반자성체의 원자 각각이 평소에 자기장을 띠지 않는다는 서술이 없어, 원자 내부의 자기장이 0이 되는 물질이 반자성체임을 명시하지 않아 서술의 일관성이 부족했다. 이렇게 원자 자석 내부에서 전자가 만드는 자기장이 서로 상쇄되어 반자성 성질을 갖는 서술이 누락되면 학생들은 반자성의 원인을 이해하기 어렵게 될 우려가 있어 자성의 원인과 자성체의 성질에 대한 서술의 일관성을 유지해야 할 필요성이 있다.

Figure 3. (Color online) Illustrations of diamagnetism by textbook.

Table 4 . Descriptions and illustrations of diamagnetism by textbook.

Category	Content	A	B	C	D	E	F	G	H
Description	Zero atomic magnetic moment	O	O	O	X	X	O	X	O
	Opposite direction of induced magnetic field by external field	O	O	O	O	O	O	O	O
	Induced current	X	X	X	O	X	O	X	X
	Repulse by a magnet	O	O	O	O	O	O	O	X
	Presents in all matter	X	X	X	X	X	X	X	O
	Meissner effect of superconductor	X	O	X	X	O	O	O	X
Illustration	Alignment of magnetic moments of paramagnetic materials	O	O	O	X	O	O	O	O

반자성체가 외부 자기장을 가했을 때 반대 방향으로 자화된다는 서술은 8종의 교과서 전체에서 등장하는데, 이 중 D와 F의 2종의 책에서만 반자성체 내부의 유도 전류를 언급하였다. 외부 자기장을 걸어주었을 때 물질 내에 새로운 전류가 유도되어 반자성 효과가 나타남을 설명하고 있어서 반자성체 내부에서 외부 자기장과 반대 방향으로 전류가 유도된다는 서술을 하면 반자성체가 다른 자성물질과 달리 외부 자기장에 약하게 밀리는 원인을 쉽게 이해할 수 있기 때문에 이를 다룬 책이 적은 점이 아쉬운 부분이다. 일반물리학[16]과 비교해 보면 일반물리학[16]의 경우 고리모형을 도입하고, 불균일한 외부 자기장이 있을 때 반자성체 원자에서 유도되는 전류, 외부 자기장과 반대 방향으로 유도되는 자기장, 외부 자기장이 센 곳으로부터 약한 쪽으로 밀려남이라는 일련의 설명을 상세하고 체계적으로 다루고 있었다.

이러한 외부 자기장 하에서 원자 내 전자가 만드는 유도 전류는 모든 원자에 해당하는 현상이므로 “반자성은 모든 물질이 공통적으로 보여주는 특성인데, 너무 약하기 때문에 물질이 다른 두 자성을 띠게 되면 가려져서 나타나지 않는다. 반자성체라는 용어는 반자성만을 나타내는 물질에 붙인다” 라는 일반물리학[16] 책 325쪽의 서술은 H에서 약간 변형되어 등장한다. “반자성은 모든 물질이 공통적으로 보여 주는 특성인데 너무 약하기 대문에 상자성이나 강자성에 의해 가려질 때가 많다. 따라서 반자성체라는 용어는 반자성만을 나타내는 물질에 붙인다(H, 134)”. 이러한 서술을 도입하려면 반자성체 내부의 유도 전류를 다루어서 페러데이/렌츠의 법칙으로 모든 물질의 공통적인 특성임을 이해시킬 수 있는데, 유도 전류 서술이 누락되어 이해가 어렵게 느껴진다. H 교과서의 서술대로라면 전자에 의한 자기장이 상쇄되는 반자성과 상쇄되지 않는 상자성, 강자성 물질은 다른 것이 분명한데, 반자성이 왜 보편적인 특성인지 알 수가 없다. 또한 H의 경우 반자성 물질이 외부 자기장에 반대 방향으로 약하게 밀린다는 서술이 없는데, 아래에서 논의할 실험 탐구 활동과의 일관성이 부족한 부분이다.

5. 자성체가 활용되는 예

현행 물리학I 교육과정에서는 실생활에서의 자성체의 활용 예시를 찾도록 하고 있는데, Table 5에 제시된 것처럼 현행 교과서들을 살펴본 결과 실생활 속에서 흔히 보는 자석인 강자성체와, 활발한 연구 대상으로서 미래의 첨단 소자인 초전도체를 소개하여 성취 기준인 실생활에서 자성체가 활용되는 예를 보여주고 있었다.

Table 5 . Examples of using magnetic materials in real life.

Category	A	B	C	D	E	F	G	H
Ferromagnetic materials	8	4	8	-	13	4	6	3
Diamagnetic materials	-	1	-	-	1	3	4	-

이중 실생활 예시를 서술한 책은 D를 제외한 7종(A, B, C, E, F, G, H)이며, 이 7종의 책 모두에는 강자성체의 활용 예시가 등장한다. 반자성체의 예시를 다룬 책이 4 종이고(B, E, F, G), 상자성체의 활용예는 전혀 등장하지 않는다. 반자성체 예시를 더 자세히 살펴보면, 반자성 서술 내에서 초전도체의 마이스너 효과를 다룬 경우(B, E, F, G)에만 반자성체의 활용예로써 초전도체 활용 예시를 다루고 있었다. 2015 개정 교육과정의 통합과학에서 신소재 단원에서 일부 교재가 (A, E, F) 초전도체를 소개하고 있으며 최근에는 상온상압 초전도체 물질 개발[18]이 화제가 되며, 과학기술정보통신부에서도 2026년까지 ‘고온 초전도 마그넷 기술 개발 사업’을 지원하는 등 초전도체는 실생활에서 각광받는 연구 소재이다. 초전도 현상을 이해하도록 물리학I교과서에서 이를 다룬다면 ‘과학적 의사소통 능력’ 및 ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’이라는 2015 개정 교육과정 과학과 핵심 역량을 유도하는 데 도움이 될 것이다. 이러한 관점에서 실생활에 자성체가 활용되는 예시로써 일상 생활에서 학생들이 쉽게 접하는 강자성체 외에도 초전도체를 다룰 필요가 있다. 마지막으로 D는 세 가지 자성체의 실생활의 활용 예시를 전혀 보여주고 있지 않아 교육과정을 충족시키지 못하는 모습을 보였다.

6. 탐구

2015 개정 교육과정에서 탐구에 대한 가이드라인으로서 평가 방법 및 유의사항에 “일상생활의 고체 물질의 전기전도, 자성을 비교할 수 있는 탐구”가 제시되어 있다. 따라서 8종 교과서 중 H를 제외한 7종에는 여러 가지 고체 물질을 자석에 반응하는 정도를 관찰하는 귀납적인 실험 탐구가 편성되어 있다. H에 실린 탐구의 경우 물의 반자성을 확인하고 물질의 상자성을 확인하는 방법을 묻는 연역적인 실험으로 표에서 D로 표시하였는데, 해당 실험은 이미 교과서에서 물질의 자성에 대해 설명한 후 수행하는 탐구이며 나머지 7종과 큰 차이를 보인다. 7종에 실린 귀납적인 탐구를 유형별로 세분화하여 자석에 끌리는 정도에 따라 물질을 분류하는 탐구는 IC, 분류하지 않고 현상을 관찰만 하는 탐구는 IO로 분류하고, 탐구에 사용된 물질과 탐구 내용의 일관성을 고려하여 Table 6에 나타내었다.

Table 6 . Experiments by textbook.

Category	A	B	C	D	E	F	G	H
Experiment type	IC	IO	IC	IO	IC	IC	IC	D
Ferromagnetic materials	O	O	X	O	O	O	O	X
Paramagnetic materials	O	O	O	X	O	O	O	X
Diamagnetic materials	O	O	O	O	O	O	O	O
Consistency of questions and statements	O	▲	O	O	O	O	O	▲
Consistency of used materials and statements	O	O	O	▲	O	O	O	X

B는 아직 자성체에 대해 배우지 않은 상태에서 탐구를 먼저 수행하도록 구성되어 있음에도 불구하고 상자성체, 반자성체가 힘을 받는 까닭을 설명하게끔 하여서 탐구 질문과 서술 사이의 일관성이 부족했다. 탐구에 사용한 물질과 질문의 연관성 측면에서 ▲로 표시한 D는 서술에서 상자성이나 강자성 물질의 자석에 대한 인력이 있다는 설명이 없었고, 반자성체의 척력만 서술되어 있는데, 탐구에서 강자성체와 반자성체를 이용하며, ‘각각은 자석에 어떻게 반응하는가?’라는 질문을 통해 단순히 반응하는 모습을 관찰하도록 되어 있으면서 자석에 끌리는 물체와 끌리지 않은 물체를 분류하지 않아 자성체 서술과 탐구 간의 보완이 적게 이루어졌다.

마찬가지로 탐구에 사용한 물질과 서술의 연관성 측면에서 H의 경우 앞서 언급하였듯이 반자성체가 자석에 밀린다는 서술이 없었는데 실험에서는 반자성체만을 이용하고 있었다. 탐구 내용이 물의 반자성을 확인하는 실험을 수행하고 구리, 유리 등 반자성 물체의 자성을 관찰할 수 있는 실험을 고안하게끔 구성되어 있어 서술과의 연관성이 부족했다.

탐구 구성에서 다른 책과 구별되는 특징을 가진 교과서는 D였는데, 강자성체 서술 바로 뒤에 자화 관찰하기 탐구를 배치하였다(Figure 4). 탐구에서 네오디뮴 자석을 문지르는 동안 자석 가루의 움직임을 관찰하고, 자석 가루가 정렬된 시험관을 클립에 가져다 대도록 하여 외부 자기장이 있을 때 자기 구역이 정렬하는 원리와, 외부 자기장을 제거하였을 때 자화가 유지되는 이유를 실제로 관찰하도록 하여 강자성체의 원리를 구체적으로 이해하도록 구성되어 있었다. 이러한 탐구는 교육과정에 제시되어 있지 않으나 추상적인 개념을 구체화하여 이해할 수 있게 만들어 주는 좋은 예시라고 볼 수 있다.

Figure 4. (Color online) Experiment observing magnetization of ferrite by textbook D, p.130.

본 연구는 2015 개정 교육과정의 물리학I 교과서에서 물질의 자성 단원이 교과과정 내의 성취기준을 달성하도록 구성되어 있는지, 서술과 삽화가 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 명확하게 구성되어 있는지, 탐구 활동이 개념 서술 내용의 이해를 돕도록 일관성 있게 구성되어 있는지 살펴보기 위한 목적으로 수행되었다. 이를 위해 원자 자석, 강자성체, 상자성체, 반자성체, 자성체가 활용되는 예시를 분석을 위한 내용으로 설정하고, 이 내용들이 학습자의 이해를 돕도록 구성되어 있는지, 삽화와 탐구 내용이 개념 서술과 일관성 있게 구성되어 있는지를 분석하였다.

분석 결과 교과서의 교육과정 내 성취기준의 반영, 서술과 삽화의 구성, 탐구 활동과 개념 서술의 일관성 측면에서 몇 가지 문제점이 발견되었다. 이를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 교과서의 교육과정 내 성취기준의 반영 측면에서 살펴본 결과 1종을 제외한 교과서에서 성취 기준을 만족하고 있었는데, 자성체가 실생활에 활용되는 예시를 누락하여 “자성체가 활용되는 예를 찾을 수 있다”는 성취 기준에 도달하지 못한 책이 1종 있었으며, 반자성체의 활용 예시를 제시하지 않거나 영구 자석의 예시를 한정적으로 제시하는 데만 그친 교과서들도 존재하였다.

둘째, 서술과 삽화의 구성 측면에서 분석한 결과 여러 내용 중 특히 원자 자석과 반자성체 내용에서 교과서별로 개념 서술 및 삽화에 많은 차이가 있었으며 내용 서술이 부족하다고 판단되는 경우가 있었다. 먼저 원자 자석에서 전자가 두 개 이상인 원자의 경우 스핀 자기 모멘트끼리의 상쇄를 다룬 책과 그렇지 않은 책으로 나눌 수 있었는데, 스핀 자기 모멘트끼리의 상쇄를 다루지 않은 경우, 반자성체 서술에서도 반자성체가 자성을 띠지 않는 이유를 서술하지 않아 반자성의 원인을 이해하기 어렵게 구성된 경우가 3종의 교과서에서 발견되었다. 또한 강자성체의 자기화를 표현한 삽화에서 일반물리학 교재의 삽화를 그대로 이용한 경우가 발견되었다. 결과적으로 강자성체에 자기 구역을 도입하고 자기 구역이 형성되는 원인과 자기 구역에 잔류 자화가 생기는 이유를 서술과 삽화로서 명확하게 표현하고, 상자성체와의 공통점 및 차이점을 알기 쉽도록 구성된 교과서는 2종에 불과했다.

셋째, 탐구 활동과 개념 서술의 일관성 측면에서 살펴본 결과, 일부 내용에서 일관성이 부족한 것으로 나타났다. 1종의 교과서에서 본문에 설명되지 않은 물질의 특성을 탐구에서 설명하게 하여 본문의 자성체 설명과 탐구에 수록된 문제의 일관성이 부족한 것으로 나타났으며 2종의 교과서에서는 본문의 설명이 부족한 물질을 탐구에 사용하여 탐구에 사용된 물질과 자성체의 서술 내용과의 일관성이 부족한 것으로 나타났다.

본 연구 결과를 바탕으로 물리학I 교과서의 자성체 단원 내용에 대한 시사점을 제시하면 다음과 같다. 첫째, 교육과정 해설서 등 교육과정을 해석하는 과정에서 도움을 줄 수 있는 구체적인 지침서의 마련이나 교육과정 개발자들과 교과서 집필자들의 의사소통의 창구가 필요하다고 생각된다. 본 연구에서 분석한 바와 같이 교과서 D의 경우 자성체의 활용 예시 설명에 필요한 내용을 누락하고 있었으며, 이 외에도 원자 자석 등 개념 설명을 위해 필요한 내용 요소가 누락된 경우가 다수 발견되었다. 간소화된 성취 기준의 진술로 교과서간 내용 구성의 차이가 발생하며 일부 요소들은 학습 목표 달성에 크고 작은 문제를 일으킬 가능성이 있다. 물론 교육과정을 간소화함으로써 학교 현장에서 학생들을 가르칠 때 자율성과 선택권을 보장할 수 있다는 장점도 존재한다[14]. 하지만 물리 교과서 집필자들이 물리 교과서를 개발하는 과정에서 교육과정이 간략하게 제시된 것과 관련한 다양한 문제들을 경험한다는 연구 결과[19]도 있다. 교과서 집필자들이 교육과정 문서의 문구를 오해하여 교과서 개발 과정에서 불필요한 오류를 일으키는 일이 없도록 추가적인 보완장치를 마련할 필요가 있다.

둘째, 자성체 단원의 서술과 삽화, 탐구 구성에 있어 일관성을 유지할 필요가 있다. 하나의 내용 요소에서 필요한 개념이 누락되면, 다른 내용 요소를 이해하는 데 어려움을 유발할 수 있다. 예를 들어 교과서 G의 상자성체 내용 또는 교과서 E의 반자성체 내용과 같이 서술에 누락된 내용이 삽화에 등장하는 경우 학생들이 이를 잘못 해석할 수 있는 여지가 있으므로 오개념을 유발하지 않도록 서술과 삽화 간의 일관성이 요구된다. 또한 교과서 D, H의 사례와 같이 탐구 실험에서 사용된 물질 또는 탐구의 발문과 교과서의 개념 서술 간의 불일치가 발생하여 탐구를 통한 과학 지식의 이해와 적용이라는 취지를 만족시키지 못하게 되는 경우도 있었다. 따라서 교과서 내용 구성 전반에 걸친 일관성이 확보될 필요가 있다고 생각된다.

셋째, 일부 교과서는 일반물리학 교재의 내용을 그대로 옮긴 경우도 있어 고등학생 대상의 교과서에서 바람직한 서술은 어떠해야 하는지 보다 고민해 볼 필요가 있다. D, H 교과서의 원자 자석의 설명에서 살펴볼 수 있는 것처럼 일반물리학 교재의 삽화를 그대로 활용하거나, H 교과서의 반자성체 설명과 같이 개념 서술상에 충분히 설명되지 않은 내용임에도 불구하고 일반물리학 교재의 내용을 그대로 활용한 경우가 발견되었다. 이처럼 학생들의 인지 발달 수준을 고려하지 않고 대학의 일반물리학 교재의 설명이나 삽화를 그대로 고등학교 교과서에 가져와서 설명할 경우 고등학생 수준에서 이해하기 어려운 설명 내용을 교과서에서 그대로 담게 되는 문제가 생기게 되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 향후 양자역학 내용 등 2022 개정 교육과정에서 보다 확대되어 다루게 되는 내용의 경우는 고등학생 수준에서의 바람직한 설명 방식에 대해 깊이 고민할 필요가 있을 것이라 생각된다.