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New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 561-577
Published online June 28, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.561
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Gyucheol Sim, Hongbin Kim, Gyoungho Lee*
Department of Physics Education, Seoul National University, Seoul 08826, Korea
Correspondence to:*ghlee@snu.ac.kr
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.
In this study, drawing on previous research - analyzing Einstein and Infeld’s 『The Evolution of Physics』(hereafter referred to as EoP), which is regarded as effectively capturing the historical evolution of physics and the context of exploration in physics - we examined the 2015 revised national curriculum’s Physics I textbook, focusing specifically on Electricity and Magnetism. The research findings are as follows. First, building upon the EoP analysis, an analytical criteria for examining the textbook based on the narrative of ‘a change in perspective’ were developed. Second, through these criteria, the analysis revealed that the 2015 revised Physics I textbook lacked the perspective necessary for interpreting observed natural phenomena. This deficiency resulted in a failure to illustrate the context of exploration in physics. There were issues with hindering meaningful understanding by presenting the keywords in a simple listing format without adequate contextualization. Furthermore, inadequate treatment of the concept of ‘field’ resulted in a lack of coherence among content elements. The conclusion to be drawn here is that future textbook development should emphasize the ‘physics perspective on observing nature’ and a thorough treatment of the concept of ‘field’.
Keywords: 2022 Revised curriculum, 2015 Revised curriculum, Physics textbook, Electricity and Magnetism, Practices in Physics
본 연구에서는 물리학의 역사적 흐름과 탐구 맥락(즉, 물리학의 실천전통)을 잘 담고 있는 것으로 평가받는 아인슈타인과 인펠트의 『The Evolution of Physics』(이하 EoP)을 분석한 선행연구를 바탕으로 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅰ 교과서(전기와 자기)를 분석하고 그 특징을 살펴보았다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 선행연구를 바탕으로 ‘관점의 변화’라는 내러티브에 따라 교과서를 분석할 수 있는 분석 기준을 개발하였다. 둘째, 이와 같은 분석 기준을 통해 분석한 결과 2015 개정 물리학Ⅰ 교과서에는 관찰된 자연 현상을 해석하는 ‘관점’이 빠졌고, ‘장’ 개념이 미흡하게 다루어지고 있었다. 그리고 이에 따라 교과서 내용 전반에서 내용 요소 사이 연결성이 떨어졌다. 더불어, 전자기학의 주제어들이 단순 나열식으로 제시됨으로써 의미 있는 이해를 방해할 수 있는 문제점이 있었다. 이러한 점을 고려할 때, 차기 물리학 교과서 개발에서는 ‘자연을 바라보는 물리학적 관점’과 ‘장’ 개념 등을 특히 강조할 필요가 있다고 본다.
Keywords: 2022 개정 교육과정, 2015 개정 교육과정, 물리학 교과서, 전기와 자기, 물리학의 실천전통
최근 2022 개정 교육과정에서는 ‘물리학’을 ‘자연 세계에 대한 본질적 이해를 추구하는 학문’이라고 명시하고 있다[1]. 그리고 ‘거시세계에서 미시세계로 이어지는 스토리라인’에 따라 물리학의 영역을 ‘힘과 에너지’, ‘전기와 자기’, ‘빛과 물질’로 분류하였으며, ‘교과의 본질과 얼개’를 드러내는 핵심 아이디어에 이르도록 물리 교과의 내용 체계를 구성하였다[2]. 즉, 2022 개정 교육과정에서는 내용 체계 구성에 있어서 물리학의 학문적 정의를 반영하고자, 물리 교과의 본질과 깊은 관련을 지닌 ‘스토리라인(내용 체계의 흐름)’과 ‘얼개(내용 체계의 구조)’에 주목한 것으로 볼 수 있다.
한편, 2015 개정 교육과정 교과서 집필진들의 어려움을 분석한 연구에 따르면, 교과서 집필자들은 교육과정이 제시하는 내용 체계가 충분히 구체적이지 못하여 교과서의 ‘전체적 구성’, ‘내용의 수준’, ‘세부 내용 구성’ 등과 같은 부분을 작성할 때 많은 어려움을 경험한 것으로 드러났다[3]. 예를 들어 이 연구에서 한 교과서 집필자는 아래와 같은 어려움을 언급하였다.
원래 전체 스토리가 만들어져야 하는데, 서로 단락된 여러 개념들을 나열한 것이라서 어떻게 교과서를 구성해야 할 것인지 고민이 있었다[3].
이와 같은 어려움을 생각할 때, 2022 개정 물리학 교육과정에서 ‘스토리라인’과 ‘얼개’를 바탕으로 교육과정의 내용 체계를 서술하는 부분은 2015 개정 교육과정의 약점, 즉 ‘내용 체계 미흡’을 보완할 가능성을 보여준 것으로 해석할 수 있다.
그러나 2022 개정 물리학 교육과정 문서에는 물리 교과의 스토리라인과 얼개가 구체적으로 무엇을 의미하는지 명시적으로 설명하고 있지는 않다. 따라서 아직 2022 개정 교육과정의 물리학 교과서 개발이 완료되지 않은 현시점에서 -교육과정이 강조하고 있는- 물리학 내용 체계의 ‘스토리라인’과 ‘얼개’가 무엇을 의미하는지 구체적으로 밝히는 작업은 매우 중요하고 시급한 과제라고 본다.
하지만, 이와 같은 중요성에도 불구하고, 과학(물리)교육에서 ‘교육 내용’이 무엇을 의미하는지에 대한 근본적인 고찰은 그리 많지 않았다[4]. 이에 따라 현시점에서 2022 개정 물리학 교육과정에서 의도하는 ‘스토리라인’과 ‘얼개’가 무엇인지 명확히 이해하기에는 어려움이 존재한다. 즉, 새로운 교과서를 집필해야하는 집필자의 입장에서는 2015 개정 교육과정을 집필하는 당시 상황과 유사하게 ‘교육과정 해석의 어려움’이 발생할 수 있음을 예상할 수 있다 [3]. 그리고 2015 개정 교육과정 적용 과정에서 나타난 여러 교사의 어려움 사례를 통해 교과서 집필자의 어려움이 고스란히 학교 현장에서 수업하는 교사에게까지 연결될 가능성이 있다[5, 6].
이와 관련하여 최근 국내 물리교육 연구에서는 ‘물리학의 실천전통(practices in physics)’ 개념이 –스토리라인과 관련된- ‘물리학 내용 체계의 흐름’을 파악하고, -얼개와 관련된- ‘물리학 내용 체계의 구조’를 파악하는 데 유용하다는 주장이 제기되고 있다[7, 8]. 실천전통은 역사적, 사회적, 문화적으로 확립된 인간 활동의 일관적인 활동 형식을 지칭한다[9-11]. 구체적으로 ‘물리학의 실천전통’은 물리학의 역사적 흐름과 탐구 맥락 속에서 계승 발전되고 있는 ‘물리학의 탐구 내용’과 ‘인간의 생생한 경험’을 의미한다. 따라서 물리학의 실천전통은 단순히 물리학의 결과물인 명제만을 의미하는 것이 아니며, 물리학이 형성된 과정을 총체적으로 의미하므로 물리학의 실천전통을 탐구하는 것은 물리학의 탐구 맥락 속에 녹아있는 중요한 이야기를 탐구하는 것을 의미한다. 그리고 그러한 탐구의 결과로써 우리가 파악하게 되는 물리학의 실천전통은 물리학 이야기의 ‘흐름’과 ‘구조’를 통해 표현할 수 있다[7].
물리학의 실천전통이 수천 년의 역사 속에서 진행되어 온 물리학의 흐름과 다양한 탐구 맥락을 담고 있다는 점을 고려할 때, 물리학의 실천전통을 파악하는 것은 간단하지 않다. 다만, 물리학의 실천전통을 파악할 수 있는 한 가지 방법으로 과학 고전에 주목할 필요가 있다고 본다. 일반적으로 과학 고전은 위대한 과학자들의 최종적 연구 결과뿐만 아니라 탐구의 과정 등 과학의 실천전통이 잘 담겨있을 것으로 기대되기 때문이다[7]. 또한, 일반인을 대상으로 쓰인 과학 고전은 시대를 초월하는 과학의 정수가 담겨있기에 과학 ‘고전’으로 불린다. 따라서, 과학 고전은 과학적 소양을 강조하는 우리나라 과학교육의 목표에도 부합할 수 있는 좋은 교육자료가 될 수 있다고 본다.
이러한 배경에서 본 연구에서 주목한 과학 고전은 아인슈타인과 인펠트가 저술한 『The Evolution of Physics (1938)』 (이하, EoP)이다. EoP는 아인슈타인과 인펠트가 일반인에게 물리학이 어떤 학문인지를 소개하기 위해 저술한 책으로 물리학의 여러 영역-역학, 열역학, 전자기학, 광학, 특수 상대론-의 실천전통을 탐색한 선행연구들을 통해 물리학 실천전통을 잘 표현하는 -즉, 물리학의 내용 체계의 구조와 흐름을 잘 드러내고 있는- 교재로 평가받고 있다[12-16]. 또한, EoP의 저술 목적이 일반인에게 물리학을 소개하는 데 있음을 생각한다면, 2015 개정 및 2022 개정 물리학 교육과정의 목표인 ‘물리학에 대한 기초 소양’을 함양하는 것과도 깊은 관련이 있다고 생각한다. 이에 본 연구는 EoP를 분석한 선행연구 중 특히 ‘전기와 자기’ 영역 내용 체계를 분석한 연구 결과를 바탕으로 수행되었다[8].
EoP의 ‘전기와 자기’ 영역을 분석한 연구의 결과에 따르면 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역은 ‘인류가 물질세계를 바라보는 관점의 변화’라는 스토리라인을 중심으로 내용 흐름이 전개되고 있다. 더불어 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역은 자연 현상을 ‘물질’과 ‘중심력 형태의 힘’ 두 가지 요소로 환원시키는 ‘역학적 관점’과 자연 현상을 물질이 아닌 ‘장(場, field)’으로 환원시키는 ‘장 이론적 관점’이라는 두 개의 관점을 바탕으로 내용 체계의 구조를 구성하였다. 즉, EoP의 전기와 자기 영역에서는 ‘역학적 관점’에서 ‘장 이론적 관점’으로 나아가는 ‘관점의 변화’를 ‘전기와 자기’ 영역의 핵심 내러티브로 다루고 있었다[8].
특히, 본 연구에서는 ‘내용 체계의 흐름’보다는 ‘내용 체계의 구조’에 초점을 맞추어 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ의 8종 교과서(‘전기와 자기’ 영역)의 내용 체계를 분석하고, 그 특징을 살펴보았다. 이는 EoP와 교과서의 ‘힘과 운동’ 영역을 비교 분석한 연구 그리고 EoP와 교과서의 ‘광학’ 영역을 비교 분석한 연구에서 공통으로 발견한 것처럼, 현행 물리학 교과서는 EoP와 달리 ‘과학을 둘러싼 맥락’과 ‘과학지식’이 단절되어 있어 ‘내용 체계의 흐름’이 거의 드러나지 않았기 때문이다[13-15]. 본 연구의 구체적인 연구 질문은 다음과 같다.
첫째, EoP에 기반하여 물리학 교재(및 교과서) ‘전기와 자기’ 영역을 분석할 수 있는 기준은 무엇인가?
둘째, EoP를 통해 바라본 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 교과서의 내용 체계의 특징은 무엇인가?
본 연구는 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역을 바탕으로 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 교과서를 분석한 연구이다[8]. 그리고 이를 통해 2022 개정 교육과정 물리학 교과서 ‘전기와 자기’ 영역 개발과 관련된 구체적인 시사점을 얻고자 하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 현재 2015 개정 교육과정 중 과학적 소양 함양을 위한 ‘일반 선택 교과’인 물리학Ⅰ 교과서를 분석 대상으로 삼았다. 분석 범위는 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 8종 교과서의 ‘전기와 자기’ 영역 내용 요소가 포함된 2개 단원(물질과 전자기장, 파동과 정보 통신)을 선정하였다 (Table 1).
The list of 2015 revised curriculum PhysicsⅠ textbooks.
Code | Publisher | Subject | Selected chapters |
---|---|---|---|
A | Kyohaksa | PhysicsⅠ | Ⅱ. Matter and Electromagnetic fields Ⅲ. Waves and Information and Communication |
B | Kumsung | ||
C | Donga | ||
D | Mirae-n | ||
E | Visang | ||
F | Jihaksa | ||
G | Chunjae | ||
H | YBM |
본 연구는 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역 내용 체계의 흐름과 구조를 탐색한 선행연구를 바탕으로 설계되었다[8]. 본 연구는 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역 텍스트를 분석한 선행연구와 유사하게 교과서 텍스트를 분석하는 연구이므로, 선행연구에서 내용 분석을 위해 활용한 질적 내용 분석법(Qualitative Content Analysis, 이하 QCA)을 적용하여 물리학Ⅰ 교과서를 분석하였다[17]. 세부적으로는 선행연구에서 추출된 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역 주제어(keywords)를 바탕으로 분석 범위에 해당하는 교과서 본문을 분석하였다. 여기서 주제어는 물리학의 실천전통의 소개를 위한 내러티브적 구성에 바탕을 둔 용어이다. 따라서, ‘지식·이해’ 차원만을 단편적으로 고려한 것이 아닌 ‘지식·이해’, ‘과정·기능’, ‘가치·태도’를 함께 고려한 용어이다. 따라서 한 번의 분석으로 텍스트가 전달하고자 하는 메시지를 온전히 분석하기에는 어려움이 있었으며, 텍스트의 더 깊은 이해를 위해 QCA에서 강조하는 ‘해석학적 순환’을 고려하여 순환적인 텍스트 분석을 실시하였다[18].
이상의 배경을 바탕으로 본 연구에서 이루어진 내용 분석의 과정은 아래 Fig. 1과 같다. Figure 1에서 볼 수 있듯이 QCA는 문제 제기(Formulating Research Questions), 표본추출(Sampling), 코딩(Coding), 분석(Method of Analysis)의 과정으로 이루어졌다.
표본추출의 단계에서는 물리학Ⅰ 교과서의 ‘전기와 자기’ 영역 분석을 위해 이와 관련된 내용 요소가 존재하는 교과서 소단원을 표본 텍스트로 추출하였다. 특히, 연구 질문을 고려하여 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역의 주제어(Table 2)를 포함하는 소단원을 표본으로 추출하였다.
Seven keywords in EoP (excerpt from [8]).
Keywords |
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|
표본추출 이후 코딩 과정에서는 세 명의 연구자(물리교육학 박사 1인, 물리학 박사 1인, 물리 교사 1인)가 분석에 참여하였다. 자료의 신뢰도를 확보하기 위하여 연구가 진행되는 모든 절차에서 충분한 의견을 나누고 전원 합의가 이루어지도록 논의를 진행하였다.
분석 과정에서는 ‘개념 메모(concept memos)’와 ‘이론 메모(theory memos)’를 적극 활용하여 연구 질문에 답을 찾기 위한 자료화를 하였다. 개념 메모와 이론 메모를 비교하면 다음과 같다. 우선, 개념 메모는 텍스트를 분석하는 과정에서 일차적으로 연구자의 해석을 간단히 작성한 것이다. 이러한 개념 메모가 모이면 텍스트 해석의 과정에서 연구자는 텍스트에 대한 특정한 관점을 형성하게 된다. 그리고 이 관점을 바탕으로 개념 메모를 범주화하고 다시 제목을 붙이게 된다. 이렇게 생성한 메모를 이론 메모라고 한다. 즉, 이론 메모는 개념 메모를 종합한 결과물이라 할 수 있다[17].
교과서를 분석할 수 있는 적절한 기준 마련을 위해 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역을 분석한 연구 결과와 교과서를 비교하며, 교과서 본문에 일차적으로 3명의 연구자가 개념 메모를 작성하였다. 이후 논의를 통해 개념 메모를 통합하고, 분류하여 범주화시켰다. 그리고 범주화한 결과를 종합하여 이론 메모를 생성하였다. 이렇게 정리된 이론 메모를 바탕으로 교과서 분석을 위한 1차 분석 기준을 마련하였다. 1차 분석 기준을 활용하여 텍스트 분석을 시행하고, 분석된 결과 중 모호한 내용을 다시 논의하고 분석 기준에 반영함으로써 타당한 텍스트 분석이 이루어지도록 내용 분석을 시행하였다. 한편 교과서 텍스트 분석 과정에서는 교과서 내용 체계의 구조적 특징을 효과적으로 드러내기 위해 교과서의 ‘주제어 기술에 대한 평가’와 ‘DC 구조도(Discipline-Culture diagram; DC diagram)\footnote[1]{본 논문에서는 학문-문화(Discipline-Culture) 관점을 반영하여 물리 교과의 내용 구조를 표현한 그림을 DC 구조도(DC structure diagram 또는 줄여서 DC diagram)라고 부른다[19]. 학문-문화 관점에 대한 자세한 설명은 다음 절에 기술하였다.}’를 작성하였다.
EoP의 ‘전기와 자기’ 영역 내용 체계를 분석한 선행연구에서는 ‘물질세계를 바라보는 관점’을 바탕으로 내용 체계의 흐름과 구조가 형성되어 있었다[8]. ‘흐름’의 측면에서 볼 때, EoP는 ‘역학적 관점’에서 ‘장 이론적 관점’으로 나아가는 ‘관점의 변화’라는 스토리라인을 채택하고 있었으며, ‘구조’의 측면에서는 ‘역학적 관점’과 ‘장 이론적 관점’을 바탕으로 내용 요소 간 다차원적 연결 관계를 형성하고 있었다. 또한 이 흐름과 구조를 형성하기 위해 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역은 7개의 주제어를 바탕으로 내용 체계를 구성하고 있었다. 따라서 본 연구에서는 7개의 주제어를 중심으로 교재를 분석할 수 있는 분석 기준을 개발하고자 하였다.
한편 연구의 목적을 고려할 때, 단순히 7개의 주제어들이 교재 상에서 제시되었는지를 파악하기보다는 7개의 주제어가 교재 상에서 어떠한 맥락을 형성하는지를 파악할 필요가 있었다. 따라서 분석 기준을 개발할 때, 각 주제어가 EoP에서 갖는 맥락적 의미를 바탕으로 물리 교재를 평가할 수 있는 분석 기준을 개발하고자 하였다. 그 결과 본 연구에서는 교재 분석을 위한 기준으로 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역에서 나타난 ‘관점의 변화’라는 내러티브에 집중하였다. 교재 분석에 사용된 평가 기준과 그에 대한 세부 설명은 Table 3과 같다.
Criteria of keywords analysis framework.
Classification | Explanation |
---|---|
Satisfactory (S) | The keyword is mentioned, and it introduces the role of the main theme in relation to the narrative of ‘change in perspective.’ |
Mention (M) | While the keyword is mentioned, it fails to effectively convey the pivotal role of the main theme in the context of the narrative of ‘change in perspective.’ |
No mention (N) | The keyword is not mentioned. |
‘관점의 변화’라는 내러티브와 관련하여 교재에 제시된 주제어의 역할이 충분히 제시되었을 때 ‘만족(satisfactory; S)’으로 평가하였으며(Table 3), 역할이 제시되지 않고 주제어만 제시되었을 경우 ‘언급(mention; M)’으로 평가하였다. 또한, 해당 내용 요소가 제시되지 않았을 경우 ‘미언급(no mention; N)’으로 평가하였다. 하지만 실제 분석 과정에서는 역할이 ‘충분히’ 제시되었다는 것을 판단할 수 있는 구체적인 평가 기준이 주제어별로 필요했다. 구체적인 평가 기준을 마련하기 위해 각 주제어가 EoP 상에서 ‘관점의 변화’라는 내러티브와 관련하여 어떤 역할을 하는지 살펴보았다. 그리고 각 주제어가 적절한 역할을 했을 때 드러나는 의미에 집중하여 만족(S)과 언급(M)을 나누는 기준을 제시하였다. 즉, 교과서 분석 과정에서 특정 교과서가 각 주제어의 역할을 ‘충분히’ 제시했다는 것은 교과서 서술을 통해 ‘관점의 변화’라는 내러티브를 구성하기 위해 주제어가 보여주어야하는 필수적인 의미를 드러냈다는 것을 의미한다.
한편 주제어 분석과 함께 내용 체계의 구조를 살펴보기 위해 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역 내용 체계를 분석한 선행연구를 참고하였다. EoP의 ‘전기와 자기’ 영역은 ‘역학적 관점’과 ‘장 이론적 관점’이라는 두 개의 관점을 바탕으로 내용 체계의 구조를 형성하고 있었다. 따라서, 이를 표현하기 위해 EoP를 분석한 선행연구에서는 학문-문화 관점을 이론적 배경으로 하는 DC 구조도를 바탕으로 내용 체계의 구조를 나타내었다.
학문-문화 관점은 ‘내용 체계의 구조’를 완성된 결과로 바라보는 전통적 지식관과 달리 항상 변화할 수 있는 역동성을 가지고 있는 것으로 본다[19]. 이를 위해 지식의 구조를 Fig. 2와 같이 핵(Nucleus), 몸체(Body), 주변부(Periphery)로 구별되는 세 가지 영역에 내용 요소를 배치하여 지식의 구조를 나타내며, 이를 DC 구조도라고 한다. 핵은 구조도를 통해 나타내고자 하는 이론체계의 정체성을 나타내며, 핵심이 되는 가장 근본적인 원리 혹은 패러다임을 포함한다. 몸체는 핵을 기반으로 해석되고 파생되는 일반적인 지식을 포함한다. 마지막으로 주변부는 특정 이론체계의 핵으로 설명되지 않는 변칙적인 현상이나 주장, 지식 등이 포함되는 영역으로 핵의 재구조화 혹은 새로운 이론의 생성에 관여한다. 즉, 전통적인 지식과 달리 DC 구조도는 주변부 영역을 강조함으로써 여러 이론 사이의 역동적인 변화를 강조하는 것이다. 본 연구에서는 선행연구에서 작성한 EoP ‘전기와 자기’ 영역의 DC 구조도(Fig. 3)를 바탕으로 교과서와 EoP의 내용 체계 구조를 비교하고자 하였다. 이 과정에서 교과서의 DC 구조도를 표현하기 위해 추가적인 작성 규칙이 필요하였다. 작성 규칙은 다음과 같다.
EoP의 ‘전기와 자기’ 영역을 분석한 선행연구에서는 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역의 주제어 7가지(Table 2)를 ‘진한 글씨’를 이용하여 구조도에 나타내었다. 따라서, 본 연구에서는 Table 3의 기준을 적용해 개발한 분석 기준을 바탕으로 교과서에 등장한 각 주제어가 만족스럽게 그 역할을 하고 있을 때 해당 내용 요소를 진한 글씨를 이용해 나타냈다. 여기서, 교과서에 등장한 각 주제어가 EoP와 비교할 때, 만족스럽게 그 역할을 수행하지 못했을 경우 연한 글씨를 이용해 음영 처리를 하였다. 또한 해당 주제어가 전혀 등장하지 않았다면 구조도 상에서 해당 주제어를 포함하지 않았다. 한편 내용 요소 사이의 연결성을 살펴보기 위하여 화살표가 있는 선인 ‘흐름선(flow line)’을 사용하였다. 흐름선은 논리적 연결성을 갖추었는지를 나타내는 도구이며, 공동연구자 3인이 EoP ‘전기와 자기’ 영역 분석 결과를 참고하여 논리적 연결 관계를 판단할 수 있는 기준을 논의하고 이를 구조도 작성 과정에서 반영하였다. 논리적 연결성을 갖추었을 경우 ‘실선’을 이용하여 나타내었다[8]. 반면에 구성요소 간의 연결을 제시하였지만 논리적 관계가 미비할 경우, ‘파선’을 이용하여 나타냈다. 또한, 어떠한 논리적 연결성을 찾기 어려운 경우에는 내용 요소 사이 연결 관계를 표현하지 않았다. 하나의 교과서에 대해 작성 예시를 소개하면 다음과 같다.
교과서 A의 경우 Table 2의 7개의 주제어 중 ‘역학적 관점’, ‘장이론적 관점’, ‘맥스웰 방정식’은 교과서에 명시적으로 제시되지 않았다. 따라서, 해당 주제어는 구조도 상에 포함하지 않았다. 명시적으로 제시된 ‘전기/자기 현상’, ‘외르스텟의 전류의 자기작용 실험’, ‘패러데이의 전자기 유도 실험’, ‘전자기파’에 대해서는 Table 3의 기준을 적용해 개발한 분석 기준을 바탕으로 ‘만족(S)’과 ‘언급(M)’의 질적 판단을 진행했다. 이 과정 역시 세 명의 공동연구자가 전원 합의가 이루어질 때까지 반복적인 논의를 진행하였다. 그 결과 ‘전기/자기 현상’은 ‘만족(S)’에 해당하여 진한 글씨를 이용해 해당 내용 요소를 표기하였고, 이외 3개의 주제어에 대해서는 ‘언급(M)’에 해당하여 연한 글씨를 이용해 음영 처리를 하였다. 그 결과 Fig. 4(a)에 해당하는 그림을 그릴 수 있었다.
한편, A 교과서의 경우 ‘자기장 개념’이 ‘시각화를 위한 수단’에서부터 ‘국소적 영역에 정의되는 실재’까지 폭넓게 등장하였다. 그 결과 ‘외르스텟의 전류의 자기작용 실험’을 설명하는 과정에서는 ‘시각화를 위한 수단’으로써의 ‘장’ 개념을 바탕으로 논리적 연결을 형성하였으며, ‘패러데이의 전자기 유도 실험’을 설명하는 과정에서는 ‘국소적 영역에 정의되는 실재적’인 ‘장’ 개념을 바탕으로 논리적 연결을 형성하였다. 그 결과 Fig. 4(b)에 해당하는 ‘실선’을 이용하여 연결성을 나타내었다. 반면, ‘전자기파’를 설명하는 과정에서는 ‘장’을 언급하는 서술이 있었으나, ‘장의 변화’를 바탕으로 전자기파를 설명하지 않고, 단편적으로 전자기파의 종류를 나열하고 있었다. 이러한 이유로 ‘전자기파’와 ‘장’ 개념은 강한 논리적 연결을 형성하고 있다고 판단할 수 없어 ‘파선’을 이용하여 연결성을 나타내었다.
앞서 연구 방법 절에서 설명했듯이 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역을 이끌어가는 7개의 주제어가 교재 상에서 어떻게 다루어지는지를 살펴보기 위해 분석 기준을 개발하였다. 그 결과 7개의 주제어에 대한 세부적인 분석 기준을 다음과 같이 만들게 되었다 (Table 4).
The evaluation criteria for analyzing keywords in ‘Electricity and Magnetism’.
Keywords | Criteria |
---|---|
Electromagnetic phenomena | S: This pertains to cases where electromagnetic phenomena are described qualitatively or quantitatively using electromagnetic laws, including Coulomb's law, Ampère's law, Faraday's law, and other physical laws that explain electromagnetic phenomena. |
M: This refers to instances where electromagnetic phenomena are merely mentioned without qualitative or quantitative explanation through Maxwell's electromagnetic laws. | |
Mechanical viewpoint | S: This attempts to interpret electromagnetic phenomena based on matter and forces from a mechanical viewpoint. For example, describing electromagnetic phenomena as the interaction of electric forces between charged substances (i.e., described by Coulomb's law) exemplifies a case of a mechanical viewpoint. |
M: This describes interpretations of electromagnetic phenomena based on matter and forces but does not present this as a perspective for interpreting electromagnetic phenomena. | |
Oersted’s experiment | S: Oersted's experiment, demonstrating the magnetic effect of electric current, introduces the limitation of the force concept from a mechanical viewpoint (specifically, the concept of central force). |
M: Oersted's experiment is introduced as demonstrating the magnetic effect of electric current but does not explain it in relation to the concept of force from a mechanical viewpoint. | |
Faraday’s experiment | S: Faraday's experiment, demonstrating electromagnetic induction, introduces the need for a new perspective rather than a mechanical viewpoint to interpret it. |
M: Faraday's experiment is introduced as demonstrating electromagnetic induction but does not explain it in relation to a viewpoint looking at nature. | |
Field-theoretical viewpoint | S: This describes attempts to explain electromagnetic phenomena using the concept of fields defined locally in relation to ideas associated with the spatially extended fields, thereby illustrating an approach from a field-theoretical viewpoint. (For example, describing the spatial structure of fields in terms of local field values within a specific area can be explained from a field-theoretical viewpoint.) |
M: This involves interpreting electromagnetic phenomena by defining ideas associated with fields extended in space and classifying them locally, but it does not present this as a singular viewpoint for explaining electromagnetic phenomena. | |
Maxwell’s equations | S: Maxwell's equations are mentioned as equations representing the structure of fields and are described as exemplary laws for explaining electromagnetic phenomena from a field-theoretical viewpoint. (An example of exemplary laws includes equations like Newton's equations, which explain natural phenomena based on a mechanical viewpoint.) |
M: Maxwell's equations are described as laws that explain electromagnetic phenomena based on the concept of fields but are not explained in relation to a field-theoretical viewpoint. | |
Electromagnetic wave | S: It explains that the theoretical prediction of electromagnetic waves was made from a field-theoretical viewpoint and, as a result, led to the discovery of a relationship between electromagnetic phenomena and optical phenomena. |
M: It describes electromagnetic waves as a concept demonstrating the relationship between electromagnetic and optical phenomena but does not explain this in relation to a viewpoint looking at nature. |
특히, 앞서 언급했듯이 주제어에 대한 세부적인 분석 기준은 EoP의 전기와 자기 영역에서 나타난 ‘관점의 변화’라는 내러티브에 집중하여 개발하였다. EoP의 ‘전기와 자기’ 영역에서는 ‘역학적 관점’에서 ‘장이론적 관점’으로 변화하는 모습을 강조한다. 그리고 관점의 변화를 강조하기 위해 ‘장’ 개념을 질적인 심화 과정을 강조한다. 구체적으로 ‘장’ 개념은 시각화를 위한 수단으로써의 역할이 강조되는 ‘대행자’ 개념을 거쳐, 현상 해석에 근본적인 물리량을 의미하는 ‘해석자’, 국소적 영역에 실재하는 ‘물리적 실재’로 이어진다. 그리고 ‘장’ 개념은 이러한 질적인 심화를 통해 자연스레 역학에서 전자기학으로 이어지는 물리학의 역사적 탐구 맥락을 소개하고 있다[8].
7개의 주제어 분석 기준 개발의 예시로써 주제어 중 ‘외르스텟의 전류의 자기작용 실험’에 대한 설명은 다음과 같다. ‘관점의 변화’의 내러티브 맥락 아래에서 볼 때, 이 실험은 기존에 존재하던 역학적 관점의 한계를 드러내는 역할을 한다. 그리고 한계를 드러낸 결과 ‘새로운 관점의 필요성’을 불러일으키게 된다. 즉, 외르스텟의 전류의 자기작용 실험이 지닌 의미는 ‘새로운 관점의 필요성을 불러온 실험’이라는 점이다. 따라서 ‘외르스텟의 전류의 자기작용 실험’의 역할을 충분히 제시한다는 것은 단순히 ‘전류가 자기작용을 한다’라는 결과적인 명제만을 제시하는 것이 아니라, 역학적 관점으로 해석할 때의 한계가 무엇인지를 교재 상의 서술을 통해 명확하게 드러내는 것이다. 따라서 외르스텟의 실험에 대한 ‘만족(S)’의 기준은 아래와 같다.
S: ‘외르스텟의 실험이 전류의 자기작용을 보여주는 실험임을 소개하며, 역학적 관점의 힘 개념(중심력 형태의 힘)에 한계를 제시했음을 설명한다.’ (Table 4)
반면, 외르스텟의 전류의 자기작용 실험을 역학적 관점의 한계를 보여주는 실험으로 소개하지는 않고, 단지 실험에 대한 설명과 이에 대한 해설이 제시되었을 때 ‘외르스텟의 전류의 자기작용 실험’을 언급한 것(M)으로 판단하였다.
M: ‘외르스텟의 실험이 전류의 자기작용을 보여주는 실험으로 소개하지만, 역학적 관점의 힘 개념과 연관 지어 설명하지 않는다.’ (Table 4)
나머지 주제어들에 대한 세부적인 분석 기준은 Table 4와 같다.
본 절에서는 앞서 개발한 분석 기준을 바탕으로 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ의 전기와 자기 영역을 분석하였다. 분석 기준을 적용하는 과정에서 새롭게 생긴 의문은 해석학적 순환을 고려하여 분석 기준을 수정 보완하는데 반영하였다. 이후 분석에 참여한 모든 연구자가 전원 동의할 때까지 순환적인 분석을 진행하였다. 주제어별 세부 분석 과정 및 결과는 다음과 같다 (Table 5).
Evaluation of PhysicsⅠ textbooks based on keywords analysis framework.
Code | Electromagnetic phenomena | Mechanical viewpoint | Oersted’s experiment | Faraday’s experiment | Field-theoretical viewpoint | Maxwell’s equations | Electromagnetic wave |
---|---|---|---|---|---|---|---|
A | S | M | M | M | M | - | M |
B | S | M | M | M | - | - | M |
C | S | M | M | M | - | - | M |
D | S | M | M | M | M | M | M |
E | S | M | M | M | - | - | M |
F | S | M | M | M | - | - | M |
G | S | M | M | M | - | - | M |
H | S | M | M | M | - | M | M |
첫 번째 주제어 ‘전기/자기 현상’과 관련하여 모든 교과서에서 전기/자기 현상을 제시하고, 이를 전자기 법칙을 이용하여 정성적 혹은 정량적으로 해석하고 있었다. 특히 모든 교과서가 ‘전류의 자기작용’과 ‘전자기 유도’와 관련된 실생활 사례를 정성적으로 다루고 있었다. 이는 2015 개정 교육과정에서 교수·학습 방법 및 유의 사항을 통해 ‘전류의 자기작용’과 ‘전자기 유도’와 관련된 교수·학습 과정에서 실생활의 사례를 다루어야 함을 강조했기 때문으로 보인다.
전류의 자기 작용이나 전자기 유도 현상은 실험을 통하여 이해할 수 있도록 지도하고, 다양한 활용 사례를 조사하게 할 수 있다[20].
이외에도 교과서 출판사에 따라 전기/자기 현상을 설명하는 데 수준과 내용의 차이는 존재하였지만 ‘전기력’을 소개하는 과정에서 8종 교과서는 모두 ‘쿨롱 법칙’을 제시하며 실생활 사례를 소개하고 있었다.
따라서 분석 기준에 비추어 볼 때, 모든 교과서에서 특정 이론 혹은 법칙에 근거하여 ‘전기/자기 현상’을 설명하고 있었으므로 첫 번째 주제어 ‘전기/자기 현상’은 모든 교과서에서 만족(S)의 기준을 충족하였다.
두 번째 주제어인 ‘역학적 관점’에 대해서는 모든 교과서에서 명시적으로 제시하고 있지 않았다. 다만, 전기/자기 현상을 설명하는 과정에서 ‘역학적 관점’의 사례에 해당하는 구체적 예시는 모든 교과서에 제시되어 있었다. 이는 ‘전기력’을 설명하는 과정에서 8종 교과서에서 모두 ‘쿨롱 법칙’을 도입했기 때문이라 할 수 있다. 모든 교과서에서 전기력을 설명하기 위해 ‘전하’와 ‘쿨롱 법칙’을 도입하고 있었다 (Table 6). 세부적으로 8종의 교과서 중 C 교과서를 제외한 교과서는 전하를 입자와 연관 지어 표현하는 삽화를 제시하였으며, C 교과서만이 유일하게 전하를 입자로 표현하는 삽화를 제시하지 않았다. 하지만 C 교과서 역시 대전된 물체 사이 작용하는 힘을 통해 전기 현상을 설명하고 있었다. 따라서 C 교과서의 설명 방식 역시 ‘물질’과 ‘힘’ 개념을 바탕으로 자연 현상을 설명하는 것이므로 ‘역학적 관점’의 사례를 제시한 것이라 볼 수 있다.
The illustration of ‘electrical force’ in PhysicsⅠ textbooks.
Textbook A | Textbook B |
Textbook C | Textbook D |
Textbook E | Textbook F |
Textbook G | Textbook H |
이상의 내용을 종합하면 8종 교과서에서 모두 전기/자기 현상을 ‘역학적 관점’으로 해석하는 사례를 제시하고 있었다. 하지만 교과서에서는 서술을 통해 이 사례가 역학적 관점의 사례임을 명시적으로 나타내고 있지는 않았으며, 그 결과 8종 교과서를 통해서는 전기/자기 현상을 해석하는데 물질세계를 바라보는 특정 ‘관점’이 존재했음을 파악하기에는 어려움이 있었다. 이러한 측면에서 두 번째 주제어 ‘역학적 관점’은 모든 교과서에서 언급(M)의 기준에 해당하는 것으로 분석되었다.
세 번째 주제어 ‘외르스텟의 전류의 자기작용 실험’은 앞서 살펴본 바와 같이 교육과정의 교수·학습 방법 및 유의 사항에 근거하여 ‘전류의 자기작용’에 초점을 맞추어 실험과 실생활 활용 사례를 중심으로 교과서가 서술되어 있었다. 모든 교과서는 실험 활동을 통해 전류가 자기작용을 할 수 있다는 것을 보여주고, 이로부터 전류가 흐르는 도선이 자석 혹은 또 다른 전류가 흐르는 도선과 상호작용할 수 있음을 제시한다. 다만 이 상호작용을 설명하는 과정에서 8종의 교과서의 설명 방식은 크게 두 가지로 나뉘었다. 첫 번째는 ‘장과 장 사이의 상호작용(자기장의 중첩으로 인한 자기장 기울기 형성)’(B, C, E, G 교과서)으로 전류의 자기작용과 관련된 현상을 설명하는 방식이며, 두 번째는 ‘자기장 내 전류가 흐르는 도선이 받는 힘(로렌츠 힘)’(A, D, F, H 교과서)을 바탕으로 설명하는 방식이다. 각 내용 전개 방식의 대표적인 예시는 아래와 같다.
장과 장 사이의 상호작용(자기장의 중첩으로 인한 자기장 기울기 형성): “자동차의 연료통에는 부표가 연결된 가변저항이 있다. 연료가 줄어들면 부표의 높이가 낮아지면서 저항값이 달라져 연료 계기판의 코일에 흐르는 전류가 변한다. 따라서 연료 계기판 내의 코일에 흐르는 전류에 의한 자기장과 코일 양쪽 자석에 의한 자기장의 상호 작용으로 바늘이 가리키는 눈금이 변하여 연료의 양을 표시할 수 있다. (E 교과서, p.118)”
자기장 내 전류가 흐르는 도선이 받는 힘: “자기장 속에서 전류가 흐르는 도선은 힘을 받아 움직이는 것을 볼 수 있다. 이때 도선이 받는 힘의 방향은 전류의 방향과 자기장의 방향에 따라 달라진다. 그림Ⅱ-26의 (가)와 같이 도선이 받는 힘의 방향은 전류의 방향과 자기장의 방향에 모두 수직이며, 오른손을 사용하여 찾을 수 있다. (A 교과서, p.132)”
이 두 설명 방식을 통해 8종 교과서에서는 모두 전류와 자기 현상을 연결 짓는 데 초점을 맞추고 있었다. 반면 EoP는 전류와 자기 현상을 연결 짓는 것에 더불어 더 깊은 탐구로 나아가기 위해 ‘역학적 관점’을 바탕으로 외르스텟의 의미를 해석한다. 즉, 8종의 교과서에서는 ‘관점의 변화’와 관련하여 ‘외르스텟의 실험이 갖는 의미’를 다루지 않았으며, 그 결과 ‘장’ 개념 역시 역학과 전자기학을 매개해 주는 개념으로 소개되고 있지 않았다[8].
이상의 논의를 종합하면 교과서에서 ‘외르스텟의 전류의 자기작용 실험’을 서술하는 방식은 전기와 자기가 연관된 현상임을 제시하는 데 집중되어 있었으며, 이러한 현상을 해석하는 과정에서 등장하는 상호작용의 특징에 초점을 맞추어 ‘관점’을 논하는 교과서는 찾아보기 힘들었다. 따라서 ‘외르스텟의 전류의 자기작용 실험’ 주제어는 교과서상에서 전기와 자기 사이 관련성을 제시하는 데에서 그치고 있었으며, ‘새로운 형태의 힘의 발견’, ‘장 개념의 필요성’과 같이 ‘관점’과 관련된 탐구 맥락은 다루지 않았음을 확인할 수 있었다. 그 결과 세 번째 주제어는 모든 교과서에서 언급(M)의 기준을 충족하는 것으로 분석되었다.
네 번째 주제어인 ‘패러데이의 전자기 유도 실험’은 실험을 통해 내용 요소가 제시되고 있었다. 이는 앞서 살펴본 바와 같이 교육과정의 교수·학습 방법 및 유의 사항에 근거하였기 때문으로 파악된다. 모든 교과서에서는 전자기 유도 실험을 제시하며 ‘역선(line of force)’과 ‘선속(flux)’ 개념으로 전자기 유도 현상을 설명하였다.
세부적으로 살펴보면 8종의 교과서는 모두 ‘유도전류의 크기’와 ‘유도전류의 방향’을 구하는 과정을 통해 전자기 유도 현상을 설명하고 있었다. 이 과정에서 모든 교과서에서 ‘선속’, ‘자기력선’, ‘자기장’을 모두 언급하였으나, 교과서 대부분에서는 ‘역학적 관점’의 유지를 위한 ‘대행자 장’에 해당하는 ‘자기력선’에 초점을 맞추어 전자기 유도 현상을 설명하고 있었다. 다만, 2종의 교과서(A, D 교과서)에서 ‘장 이론적 관점’에 가까운 장 개념을 살펴볼 수 있는 서술(국소적 영역에서 정의되는 장)이 부분적으로 나타나 있었다. 그러나 2종의 교과서를 제외한 대부분의 교과서는 여전히 자기장을 ‘공간’이라는 속성을 지닌 물리량으로 정의하여 ‘변화하는 장’이 갖는 물리학적 의의를 설명하는 데에는 한계가 있었다.
자기장의 변화 이외에 또 어떤 요인에 의해 유도 기전력이 생길 수 있는지 다음 해 보기를 통해 알아보자. ⋯ (중략) ⋯ 유도 기전력은 자기장의 변화뿐 아니라, 자기장이 지나는 면적의 변화에 의해서도 생긴다. (A 교과서, p.142)
이와 같이 같은 시간 동안 코일 내부의 자기장의 변화가 크거나 코일을 통과하는 자기장의 수직 단면의 넓이 변화가 커서 자기 선속의 변화가 클수록 더 강한 유도 전류가 흐른다. 이를 패러데이 법칙이라고 한다. (D 교과서, p.141)
즉, 분석 기준을 바탕으로 살펴보았을 때, ‘패러데이의 전자기 유도 실험’을 설명하는 과정에서 ‘장의 변화’에 초점을 맞추어 ‘새로운 관점’으로 나아가는 서술 방식은 모든 교과서에서 찾아보기 어려웠다. 그리고 교과서의 서술은 전자기 유도 현상이 자속 변화 때문에 전류가 유도되는 현상임을 소개하는 데 초점이 맞추어져 있었다. 또한 ‘장의 변화’를 서술한 교과서(A, D 교과서) 역시 서술 과정에서 장 개념은 별다른 맥락을 제시하지 않은 채 사용되었으며, 해당 서술을 통해서는 패러데이 실험이 담고 있는 의미를 온전히 다루기 어렵다고 결론 내릴 수 있었다.
따라서 모든 교과서는 장 개념을 활용하여 ‘패러데이의 전자기 유도 실험’을 설명하고 있었지만, 이때 ‘장’ 개념과 ‘자기력선’을 구분하고 있지 않았다. 그 결과 교과서에서는 전자기 유도 현상을 통해 ‘새로운 관점의 필요성’을 제시하지 못했다고 분석하였다. 따라서 네 번째 주제어 ‘패러데이의 전자기 유도 실험’은 모든 교과서에서 아래 언급(M)의 기준을 만족하는 것으로 분석되었다.
다섯 번째 주제어 ‘장 이론적 관점’과 관련하여 모든 교과서에서 ‘장’ 개념을 등장시키고 있었으나, ‘장 이론적 관점’에 해당하는 장 개념을 명시적으로 설명하고 있지는 않았다. 8종 교과서 중 5종의 교과서(B, C, D, F, G 교과서)에서 아래와 같이 ‘장’ 개념을 ‘공간’으로 정의하고 있어 역선, 선속 개념과 혼란의 여지를 줄 수 있었다.
자석 주위에는 자기력을 미치는 공간인 자기장이 있다. (B 교과서, p.110)
이것은 자석 주위에 자기력이 작용하는 공간인 자기장이 생기기 때문에 나타나는 현상이다. (C 교과서, p.115)
이처럼 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라고 한다. (D 교과서, p.126)
이와 같은 힘을 자기력이라고 하고, 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라고 한다. (F 교과서, p.123)
자기력의 영향이 미치는 공간을 자기장이라고 한다. (G 교과서, p.117)
한편, 자기장을 명시적으로 정의하지 않고 사용하는 3종의 교과서(A, E, H 교과서)는 ‘학생들의 학습량 감축을 위해 학교급별로 교육 내용의 중복을 최소화’를 중요한 개발 방향으로 강조한 2015 개정 교육과정의 개정 방향에 따라 중학교 교육과정에서 이미 다루었던 자기장 개념을 다시 설명하지 않은 것으로 생각되며[3], 교과서 본문 서술을 통해 중학교 과학 교과서에 서술된 ‘공간’의 개념을 그대로 활용하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
하지만 이처럼 ‘공간’에 치중한 서술은 ‘장 이론적 관점’에 해당하는 ‘장’ 개념보다는 시각적 표상에 초점이 맞추어진 ‘역선’의 개념에 더 가까운 개념이며 ‘장 이론적 관점’에 도달하기 위한 장 개념으로는 충분하지 않다. 전자기학의 발전 과정에서 ‘장’ 개념이 시각화를 위한 수단으로 사용된 ‘대행자 장’ 개념에서 공간의 각 지점에서 정의되는 ‘물리적 실재로써의 장’ 개념으로 나아간 과정을 고려한다면, 역학적 관점과 대별되는 ‘장 이론적 관점’의 특징을 강조하기 위해서는 장을 ‘공간’과 관련된 ‘광역적’인 개념으로 바라보는 것이 아닌 각 점에서 실재로서 정의되는 ‘국소적’인 물리량임을 강조하는 것이 필요하다고 본다.
한편, 8종의 교과서 중 2종의 교과서(A, D 교과서)에서는 다른 교과서와 같이 ‘장’을 ‘공간’의 의미로 활용하였지만, 패러데이 법칙을 설명하는 과정에서 국소적인 장의 변화를 파악할 수 있도록 서술하였다. 하지만 이 두 교과서 역시 ‘장’ 개념의 질적인 차이\footnote[2]{주제어 분석 기준에서 서술했듯이 아인슈타인은 ‘장’ 개념을 단계적으로 심화하는 물리량으로 소개하고 있다. EoP에서는 장 개념을 ‘대행자’, ‘해석자’, ‘실재적 장’으로 소개하고 있으나[8], 본 논문에서는 세 가지 층위의 장 개념을 모두 소개하는 것에 초점을 맞추는 것이 아닌 ‘대행자 장’ 개념과 ‘실재적 장’ 개념의 특징인 ‘광역성’과 ‘국소성’에 초점을 맞춰 분석하였다.}를 이해할 수 있도록 설명하고 있지는 않았다.
이상을 요약하면 다음과 같다. 8종 교과서에서 모두 ‘장’ 개념을 다루고 있었으나, A 교과서와 D 교과서를 제외한 다른 교과서에서는 ‘장’을 단지 ‘공간’ 개념으로 막연하게 다루고 있었으며, 장의 ‘국소성’에 대한 내용은 다루지 않았다. 따라서 이는 ‘장’ 개념을 다루기는 하였지만 ‘장 이론적 관점’을 다룬 것으로 보기는 어렵다. 따라서 8종의 교과서 중 국소적인 변화에 관한 내용을 포함한 A 교과서와 D 교과서만이 ‘장 이론적 관점’에 해당하는 내용을 다룬 것으로 판단할 수 있었으며, 나머지 교과서는 ‘장 이론적 관점’에 해당하는 사례를 다루지 않은 것으로 분석하였다. 한편, ‘장 이론적 관점’의 사례를 다룬 A 교과서와 D 교과서도 ‘장 이론적 관점’을 명시적으로 드러내지는 않았다. 이에 따라 A 교과서와 D 교과서는 언급(M)으로 분석되었고, 나머지 교과서는 미언급(N)으로 분석되었다.
여섯 번째 주제어 ‘맥스웰 방정식’은 두 교과서(D, H)에서 ‘전자기파’를 소개하는 과정에서 제시되었다. 모든 교과서에서는 모두 전자기파의 발견을 맥스웰의 업적으로 소개하고 있었다. 하지만, ‘맥스웰 방정식’을 직접 언급하며, 전자기파의 발견을 소개한 교과서 서술은 D 교과서와 H 교과서를 제외하고는 찾아보기 어려웠다. 아래는 이와 관련된 교과서 서술이다.
전기장과 자기장은 각자 독립적인 것이 아니라 상호작용을 통해 서로 영향을 주고받는다. 즉, 공간의 한 곳에서 전기장의 변화가 일어나면 자기장이 생기고 자기장의 변화가 일어나면 다시 전기장이 생긴다. 이처럼 변하는 전기장과 자기장은 서로 원인이 되고 또 결과가 되어서 주기적으로 진동하는 파동의 형태로 공간을 퍼져나가는데, 이를 전자기파라고 한다. 1856년 맥스웰이 주장한 전자기파의 존재는 1886년 헤르츠가 실험으로 확인하였다. 맥스웰은 자신이 만든 방정식으로부터 전자기파의 속도는 빛의 속도와 같은 30만 라는 것을 알아내었고, 이 발견으로부터 빛이 전자기파의 일종임을 밝혀냈다. ⋯ (중략) ⋯맥스웰은 영국의 물리학자로, 전기와 자기 현상에 대한 여러 가지 법칙을 네 개의 방정식으로 정리하여 ‘맥스웰 방정식’을 완성하였다. 이는 전자기학의 완성에 큰 영향을 주었다. (D 교과서, p.172)
1864년 영국의 과학자 맥스웰은 전기장과 자기장의 성질을 기술한 방정식으로부터 빛의 속도로 전파하는 전자기파의 존재가 존재한다고 예측했으며, 빛도 일종의 전자기파라고 주장했다. 그 후 독일의 과학자 헤르츠가 전자기파의 존재뿐만 아니라 전자기파의 성질이 빛의 성질과 같다는 것을 실험으로 확인했다. (H 교과서, p.175)
이처럼 두 교과서에서는 ‘맥스웰의 업적’을 ‘장’ 개념과 ‘맥스웰 방정식’을 통해 제시하였다. 하지만 앞서 살펴본 바와 같이 ‘장 이론적 관점’을 명시적으로 드러내지 않았기에 맥스웰의 업적이 물리학의 발달 과정에서 어떤 의미를 지녔는지, 어떤 사고방식의 변화를 인류에게 가져다주었는지 등과 같은 탐구 맥락이 소개되지 않는 것을 볼 수 있다. 즉, 맥스웰 방정식에서 중요한 내용인 ‘전기장’과 ‘자기장’을 물리적 실재(즉, 동역학 변수)로 바라볼 수 있는 서술은 제시되어 있었으나, 이를 명시적으로 소개하고 있지 않았다. 그렇기에 ‘변화하는 장’이 갖는 의미가 무엇인지를 이해할 수 없게 제시되어 있었다. 따라서 여섯 번째 주제어 ‘맥스웰 방정식’은 D 교과서와 H 교과서에서 언급(M)으로 분석되었으며, 나머지 교과서에서 미언급(N)으로 분석되었다.
일곱 번째 주제어 ‘전자기파’와 관련하여 교과서 대부분에서는 교육과정 성취 기준 서술에 따라 ‘전자기파’를 교육 내용으로 다루고 있었으며, 전자기파가 전기/자기 현상과 광학현상을 이어주는 역할을 함을 언급하고 있었다. 하지만 ‘전자기파’를 설명하는 교과서의 서술을 살펴보면 전기/자기 현상과 광학현상이 연결되는 과정, 즉, 전자기파가 발견된 물리학의 탐구 맥락을 소개하지는 않았다. 즉, 교과서 대부분은 단순히 파장에 따른 전자기파의 종류를 구분하는 데 초점을 맞추어 본문의 내용을 서술할 뿐 전기/자기 현상과 광학현상 사이 관련성을 설명하지는 않았다.
전자기파는 전자기학 이론을 완성한 맥스웰이 제안하였다. 맥스웰은 전자기파의 속력을 구한 결과 빛의 속력과 같다는 것을 알게되었는데, 이는 빛도 전자기파라는 것을 의미한다. 빛의 파장이나 진동수에 따라 여러 가지 색깔의 빛으로 나누는 것처럼 전자기파도 그림Ⅲ-35와 같이 파장이나 진동수에 따라 여러 종류의 전자기파로 구분한다. (A 교과서, p.185–186)
한편, 교과서가 이처럼 전자기파의 종류를 나열하는 데 머무를 수밖에 없는 이유는 앞서 ‘장 이론적 관점’, ‘맥스웰 방정식’에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 교과서에서는 ‘장’ 개념을 ‘역학적 관점’에 기반을 둔 ‘역선’ 개념으로 한정 짓기 때문으로 생각된다. 실제로 현재 물리학Ⅰ 교과서에서는 중학교 과학 교과서에 나온 자기장의 정의를 동일하게 활용한다. 현재 학교에서 활용되는 모든 중학교 교과서에서는 자기장을 ‘자기력이 작용하는 공간’으로 정의하고 있으며, 그 결과 ‘장의 변화’, ‘장의 방향’이 학생들에게 ‘공간의 변화’, ‘공간의 방향’로 인식될 수 있는 가능성이 존재했다. 따라서, 이러한 선행지식으로는 ‘장’을 동역학적 변수로 설명하는 데 어려움이 있다. 몇몇 교과서에서는 ‘장 이론적 관점’에 가까운 ‘장’ 개념을 소개하였지만, 명시적으로 ‘역선’ 개념과 분리하여 ‘장’ 개념을 소개하지는 않았다. 이에 따라 교과서 서술을 통해 ‘전자기파’의 세부적인 내용을 설명하기에는 한계가 있었다. 즉, 모든 교과서에서 ‘전자기파’를 제시하긴 하였으나, 이를 충분히 이해할 수 있도록 설명을 제시하고 있지는 않았으며, 피상적으로 전자기파의 종류와 관련 예시를 소개하는 수준에서 그치고 있음을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 일곱 번째 주제어인 ‘전자기파’의 경우 모든 교과서에서 전자기학과 광학을 연결 짓는 소재로 사용되었지만, ‘장 이론적 관점’에 해당하는 ‘장’ 개념이 명시적으로 다루어지지 않아 피상적으로 전자기파와 관련된 여러 실생활 사례가 제시되어 있었다. 이에 따라 일곱 번째 주제어 ‘전자기파’는 모든 교과서에서 언급(M)으로 분석되었다.
본 절에서는 EoP의 DC 구조도(Fig. 5(a))를 바탕으로 8종 물리학Ⅰ 교과서의 DC 구조도를 작성한 결과를 소개하고자 한다. DC 구조도 작성은 앞서 연구 방법 절에서 구체적으로 소개한 예시와 같이 작성하였으며, 앞서 분석한 Table 5의 결과를 반영하여 구조도를 작성하였다. 구조도를 작성한 결과 총 4가지 유형으로 분류할 수 있었다.
우선 ‘패러데이의 전자기 유도 실험’을 설명하는 서술 방식에 따라 두 유형으로 분류할 수 있다. 모든 교과서에서는 ‘단위 시간 동안의 자속 변화’를 바탕으로 패러데이 법칙을 설명한다. 이때 ‘자속’은 ‘어떤 단면을 수직으로 통과하는 자기장의 세기와 그 면적의 곱’으로 정의한다. 하지만 대부분 교과서에서 ‘단위 시간 동안의 자속 변화’를 설명할 때 ‘자기장의 세기’가 변화하는 사례는 제시하지 않았다. 즉, ‘면적 변화’가 일어나는 사례만을 제시하여 ‘장 이론적 관점’의 장 개념을 살펴보기에는 어려움이 있었다. 이러한 이유로 ‘자속 변화’를 설명하는 과정에서 ‘자기장 세기의 변화’ 즉, ‘변화하는 장’ 개념을 언급하지 않은 교과서는 ‘장’ 개념을 바탕으로 패러데이 법칙을 논리적으로 설명한 것은 아니라고 판단했다. 따라서 ‘변화하는 장’ 개념을 이용하여 ‘자속 변화’를 설명한 교과서는 Table 7의 Type1, Type2와 같이 ‘장’과 ‘패러데이의 전자기 유도 실험’ 사이 연결 관계를 실선으로 나타냈다. 그리고 ‘변화하는 장’을 직접적으로 언급하지 않은 교과서 구조도는 Type3, Type4와 같이 ‘장’과 ‘패러데이의 전자기 유도 실험’ 사이 연결 관계를 파선으로 나타냈다.
Classification of DC diagram in PhysicsⅠ textbooks.
Mentioned about locality of field | |
Type 1: not included Maxwell’s equations | Type 2: included Maxwell’s equations |
Textbook A | Textbook D |
No mentioned about locality of field | |
Type 3: not included Maxwell’s equations | Type 4: included Maxwell’s equations |
Textbook B, C, E, F, G | Textbook H |
또한 ‘전자기파’를 제시하는 서술 방식에 따라 구조도의 유형을 다시 두 유형으로 분류할 수 있다. ‘전자기파’는 ‘장 이론적 관점’의 결실이다. 따라서 이를 학생들이 이해하기 위해서는 ‘전기장의 변화’와 ‘자기장의 변화’가 서로를 유도하는 사실을 알고 있어야 한다. 하지만 대부분 교과서에서 ‘전자기파’를 제시할 때 ‘장의 변화’를 바탕으로 전자기파를 제시하지 않았다. 2개의 교과서(D, H 교과서)에서 ‘맥스웰 방정식’을 ‘장의 변화’를 기술하는 방정식으로 소개하며 ‘전자기파’를 소개하였다. 그러나 ‘맥스웰 방정식’과 ‘장의 변화’를 언급한 것만으로 ‘전자기파’를 논리적으로 설명한 것으로 판단할 수는 없다. 이는 교육과정 구성에 따라 ‘전기장’ 개념이 물리학Ⅱ에서 학생들이 처음 학습하는 개념이기 때문이다. 따라서 ‘맥스웰 방정식’을 바탕으로 ‘장의 변화’를 언급한 교과서는 Table 7의 Type2, Type4와 같이 ‘맥스웰 방정식’을 연한 글씨를 이용해 음영 처리를 하였으며, 동시에 ‘맥스웰 방정식’과 ‘전자기파’ 사이 연결 관계를 파선으로 나타냈다.
이처럼 교과서의 세부 서술에 따라 4가지 유형으로 구조도를 작성할 수 있었다. 그러나 본 연구에서는 교과서에서 공통으로 나타난 특징에 주목하고자 한다. 따라서 4가지 유형(Type 1–4)의 구조도 중 5종의 교과서(B, C, E, F, G)가 보여준 Type3 구조도를 통해 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 교과서의 내용 체계 특징을 살펴보았다.
첫째, 교과서의 구조도에서는 핵(Nucleus) 영역에 해당하는 ‘물리학적 관점’이 존재하지 않았다. EoP의 전기와 자기 영역에 등장한 물리학적 관점인 ‘역학적 관점’과 ‘장 이론적 관점’은 전기/자기 현상을 해석하는 두 개의 다른 사고방식이다. 즉, 하나의 전기/자기 현상이라 할지라도 그것을 해석하는 관점에 따라 현상에 담겨있는 다른 의미를 보여준다. 예를 들어 EoP의 구조도인 Fig. 5(a)에서 ‘외르스텟의 실험’은 ‘역학적 관점’을 핵으로 하는 이론체계에서는 전기와 자기 현상을 연결해 준다는 측면에서 신기한 현상이지만 역학적 관점으로 설명하기 힘든 현상이다. 즉, DC 구조도 상에서 주변부(periphery) 영역에 해당하는 지식이다. 반면 ‘장 이론적 관점’을 핵으로 하는 이론체계에서 ‘외르스텟의 실험’은 장의 변화로 설명할 수 있는 몸체(Body) 영역에 해당하는 지식이다. 이는 EoP가 ‘물리학적 관점’을 바탕으로 내용 요소를 배치하고, 구조를 형성하였기에 가능한 해석이다. 동일한 주제어를 교과서의 구조도인 Fig. 5(b)에서 살펴본다면, 핵에 해당하는 주제어가 교과서 본문에 제시되어 있지 않아 여러 내용 요소에 담겨있는 다양한 의미를 살펴보기 어려워진다. 즉, 내용 요소가 형성하는 몸체, 주변부의 의미를 파악하기 어려우며, 이는 곧 물리학 지식이 온전한 전체를 이루지 못하는 모습을 보여준다.
둘째, 교과서의 구조도에서는 주제어들 사이의 연결성이 약한 모습을 보여주었다. EoP는 ‘관점의 변화’라는 내러티브를 전달하기 위해 ‘장’ 개념이 두 이론체계의 공통 영역에 배치되는 모습을 보여준다[8]. 이를 통해 EoP에서는 장 개념이 ‘역학적 관점’에서 ‘장 이론적 관점’으로 나아가는 중요한 징검다리 역할을 했으며, 이 과정에서 자연스레 장 개념의 다양한 질적 층위가 드러나게 됐다. 즉, EoP에서는 다양한 층위의 장 개념을 소개함으로써 ‘관점의 변화’라는 내러티브를 소개하는 것이 가능했고, 그 결과 여러 주제어가 연결되는 모습을 효과적으로 보여주고 있었다. 반면, 교과서에서는 장 개념을 ‘힘이 작용하는 공간’으로 제시하고 있었다. 이는 ‘역학적 관점’의 유지를 위해 도입한 ‘대행자 장’ 개념인 ‘역선’을 활용한 설명이며, 이처럼 역학적 관점에 치우친 교과서의 서술 방식은 ‘관점의 변화’라는 내러티브를 소개하기에는 한계가 있었다. 그 결과 교과서에서는 자기 현상을 설명하기 위해 자기 현상을 관찰한 뒤 ‘자기력선’을 그리고, 이를 바탕으로 모든 전기/자기 현상을 설명하는 서술을 보이고 있었다. 따라서 8종 교과서는 장의 다양한 층위를 드러내는 것이 아니라 ‘역선’에 해당하는 장 개념을 바탕으로 모든 주제어를 설명하는 양상을 보였다. 따라서, 관점의 변화로 인한 ‘실재적 장’ 개념을 바탕으로 설명할 필요가 있는 ‘패러데이 법칙’, ‘맥스웰 방정식’, ‘전자기파’와 같은 주제어들이 ‘장’ 개념과의 긴밀한 연결성을 보이기보다는 피상적으로 제시되는 모습을 보여주었다. 이는 결과적으로 교과서의 서술을 통해 전자기학에서 ‘장’ 개념이 형성할 수 있는 ‘관점의 변화’라는 내러티브를 효과적으로 제시하기는 어려움이 존재한다는 것을 의미하며, 자연스레 ‘힘과 운동’ 영역과 ‘전기와 자기’ 영역 사이 단절을 보여주는 사례라고 할 수 있다.
본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, EoP의 ‘전기와 자기’ 영역에 담긴 내러티브를 바탕으로 분석 기준을 만들었다. 분석 기준을 통해 물리학Ⅰ 교과서의 주제어를 분석한 결과, 5개의 주제어(전기/자기 현상(S), 역학적 관점(M), 외르스텟의 실험(M), 패러데이의 실험(M), 전자기파(M))는 모든 교과서에서 동일하게 분석되었다. 한편, 2개의 주제어(장 이론적 관점(M 혹은 N), 맥스웰 방정식(M 혹은 N))에 대해서는 교과서별 차이를 보였다. 둘째, EoP의 구조도를 통해 물리학Ⅰ 교과서의 구조도를 분석한 결과 모든 교과서에서 DC 구조도 상의 ‘핵’ 에 해당하는 ‘물리학적 관점’이 등장하지 않았다. 또한, 장 개념은 질적 층위를 구분하여 제시하고 있지 않았다.
이러한 분석 결과 다음과 같은 의미가 있다. 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 교과서에서는 ‘물리학적 관점’의 중요성이 강조되고 있지 않음을 알 수 있다. 주제어 분석 결과에서 나타났듯이 ‘전기/자기 현상’을 제외한 대부분의 주제어가 ‘언급(M)’으로 분석되었다. 그 이유는 대부분의 주제어가 ‘역학적 관점’에서 ‘장 이론적 관점’으로 나아가는 ‘관점의 변화’와 관련된 의미를 드러내지 못했기 때문이다. ‘관점의 변화’와 관련된 의미를 드러내지 못한 것은 구조도 분석 결과를 통해서 그 이유를 파악할 수 있다. 모든 교과서에서 핵 영역에 해당하는 ‘물리학적 관점’인 ‘역학적 관점’, ‘장 이론적 관점’이 나타나지 않기 때문에 주제어들이 ‘흐름’을 지니며 자연스럽게 연결되기보다는 ‘역선’ 개념과 관련된 제한된 장 개념을 바탕으로 주제어들이 피상적으로 제시되었고, 분절적인 모습을 보여준 것이다.
또한 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 교과서에서는 ‘장’ 개념의 중요성이 강조되고 있지 않음을 알 수 있다. 선행연구에 따르면 ‘장’ 개념은 다양한 층위를 지닌 물리량으로 ‘역학적 관점’에서 ‘장 이론적 관점’으로 나아가는 ‘관점의 변화’라는 내러티브를 형성하는데 중요한 내용 요소로 등장한다[8]. 즉, ‘장’ 개념은 교육과정상에서 ‘힘과 운동’ 영역과 ‘전기와 자기’ 영역을 매개해 주는 가능성을 지닌 개념이며, 동시에 ‘전기와 자기’ 영역 내용 체계의 구조를 형성하는데 핵심적인 개념이라 할 수 있다. 하지만 분석 결과 대부분 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 교과서에서는 ‘장’ 개념을 -시각화를 위해 ‘공간’에 초점을 맞춘- ‘역선’ 개념과 명확한 구분 없이 제시하고 있었다. 그 결과 학생들이 ‘장의 변화’ 개념이 사용되는 ‘패러데이의 전자기 유도 실험’, ‘전자기파’를 이해하기에는 어려움이 있을 것으로 판단하였다.
이와 같은 연구 결과는 교과서 개발을 비롯한 물리교육에 중요한 시사점을 제공한다고 본다. 예를 들어 ‘전기와 자기’ 영역에 있어 ‘관점의 변화’라는 내러티브를 강조하기 위해 교과서 서술 과정에서 ‘물리학적 관점’을 적극적으로 고려할 필요가 있다. 더불어 이러한 과정을 통해 전기와 자기 영역의 다양한 내용 요소를 연결하고 내용 체계의 흐름을 형성함으로써, 물리학의 자연스러운 스토리라인을 만들 필요가 있다고 본다. 또한 ‘장’ 개념의 도입 시 ‘공간’과 관련된 개념과 ‘국소성’과 관련된 개념을 단계적으로 제시하여 ‘힘과 운동’과 ‘전기와 자기’ 영역을 연결하고, 이와 동시에 ‘전기와 자기’ 영역 내용 체계의 구조를 명확히 할 필요가 있다. 이러한 시도는 더욱 명확한 물리학의 얼개를 만드는 데에도 도움이 될 것이다.
본 연구는 EoP의 ‘전기와 자기’ 영역에서 나타난 실천전통의 바탕으로 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 내용 체계의 구조의 특징을 살펴본 연구이다. 특히, 분석 과정에서 내용 요소의 세 가지 차원을 모두 고려하였으나, 분석 결과를 나타내는 과정에서는 ‘지식·이해’ 측면의 내용 요소를 중점적으로 나타내었다는 점에서 한계가 존재한다. 향후 이어질 후속 연구에서는 새롭게 도입되는 2022 개정 교육과정에서 강조하는 ‘과정·기능’, ‘가치·태도’의 영역까지 확장하여 분석 결과를 나타내는 시도가 필요하다고 본다. 더불어 향후 물리학의 교육과정 및 교과서 내용 체계 연구가 학교 물리 수업에 적극적으로 반영되는 데 도움을 줄 수 있는 구체적인 방안에 관한 연구도 필요하다고 본다.
본 연구는 과학의 실천 전통이 담긴 과학 고전을 살펴보고, 물리학 교재개발에 필요한 물리학의 ‘스토리라인’과 ‘얼개’를 탐색한 한 가지 시도이다. 한편, 본 연구에서 선정한 과학 고전은 아인슈타인이라는 대표적인 물리학자의 저서이지만 -1930년대에 출간된 서적으로서- 21세기 최신 물리학의 성과와 현대 사회의 관심과 요구를 담고 있지 못한 한계가 있다. 따라서 향후 후속 연구에서는 최신 물리학 교재를 분석하고, 본 연구의 결과와 함께 비교 검토함으로써 –전자기학 내용 체계의 기본에 충실하면서도- 현대 물리학의 급격한 변화와 사회적 요구를 반영한 새로운 물리학 내용 체계 및 내용 구성에 관한 연구가 필요하다고 본다.
이 논문은 심규철의 2022년도 석사학위 논문을 기초로 보완연구를 수정한 것입니다. 이 논문의 발전을 위해 유익한 조언을 해주신 익명의 심사위원들게 깊은 감사를 드립니다.