Ex) Article Title, Author, Keywords
pISSN 0374-4914
eISSN 2289-0041
pISSN 0374-4914
eISSN 2289-0041
Ex) Article Title, Author, Keywords
New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 837-848
Published online August 30, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.837
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Jiyoung Yun1, Youngrae Ji2*
1Suncheon Institute for Gifted Education, Suncheon 57956, Korea
2Department of Physics Education, Sunchon National University, Suncheon 57922, Korea
Correspondence to:*yrji@scnu.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/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
This study analyzed the understanding of interval voltage in electric circuits among elementary, middle, and high school students and pre-service physics teachers. As a result only 14.7% of elementary, middle, and high school students responded scientifically to the definition of voltage before the lesson, and 81.8% of pre-service physics teachers did. Second, less than 10% of students and pre-service physics teachers correctly predicted interval voltages in electric circuits and provided scientific explanations. Third, students and pre-service physics teachers almost accurately measured interval voltages, closely matching theoretical values, using both experimental methods using experimental tools and simulation. Fourth, survey results after the lesson indicated that both students and pre-service physics teachers considered the combination of measurement activities and simulation activities the most effective teaching method for learning interval voltage in electric circuits. Based on these results, implications for the science education and curriculum, as well as teaching and learning were discussed.
Keywords: Electrical circuit, Interval voltage, Simulation experiment, Elementary & Secondary school students, Pre-service physics teachers
본 연구는 전기 회로에서 구간별 전압에 대한 초·중·고등학생과 예비물리교사의 이해를 분석한 것이다. 이를 위해 초·중학생 12명, 고등학생 22명, 예비물리교사 11명을 대상으로 학교 밖 수업을 진행하였다. 수업은 전기 회로의 구간별 전압 예상하기, 실험 도구를 통한 측정하기, 시뮬레이션 실험 등의 활동으로 구성하였으며 이 과정에서 작성한 학생들의 활동지를 분석하였다. 그 결과 첫째, 수업 전 전압의 정의를 과학적으로 응답한 초·중·고등학생은 14.7%, 예비물리교사는 81.8%였다. 둘째, 전기 회로에서 구간별 전압을 바르게 예상하고 그 이유를 과학적으로 설명한 학생과 예비물리교사는 10% 미만이었다. 셋째, 학생과 예비물리교사는 실험 도구를 활용하는 실험 수업과 시뮬레이션을 활용하는 실험 수업의 두 가지 방식 모두에서 이론값과 거의 일치하게 구간별 전압을 측정하였다. 넷째, 수업 후 설문 결과 학생들뿐만 아니라 예비물리교사들도 측정하기 활동과 시뮬레이션 활동을 함께 활용하는 실험 수업 방식이 전기 회로에서 전압을 학습하는 데에 제시된 방법 중 가장 효과적이라고 응답하였다. 이러한 결과를 토대로 과학과 교육과정 및 교수 학습에 대한 시사점을 논의하였다.
Keywords: 전기 회로, 구간별 전압, 시뮬레이션 실험, 초·중·고등학생, 예비물리교사
기술이 발달함에 따라 현대사회에서 전기는 필수적인 존재가 되었다. 학생들은 매일 전자기기를 사용하고 전류, 전압, 전력 등의 전기에 관한 용어들을 일상에서 접하며 전기에 관련된 개념이나 관점이 자연스럽게 생성된다[1]. 그러나 다양한 선행연구에서 학생들은 전기와 관련 단원을 이해하고 학습하는 데에 어려움을 느끼고 있으며[2, 3] 다양한 오개념을 보유하고 있다고 보고되었다[4].
초등학생을 대상으로 한 Park의 연구[5]에서 학생들은 전기 회로에서 전류의 흐름을 제대로 인식하지 못하고 있으며 다양한 유형의 오개념을 가지고 있음이 확인되었다. 또한, 중·고등학생을 대상으로 전류, 저항, 전압, 전기 회로 등에 대한 이해를 조사한 Wee & Oh의 연구[6]에 따르면 학생들은 교육과정을 통해 상당한 수준의 전기 개념을 학습했음에도 불구하고 관련 문제를 해결하는 것을 어려워했으며, 특히 개회로에서 전압에 대한 개념이 거의 형성되어 있지 않았다. 과학교사들도 전기 개념에 대한 이해가 부족하여 학생들을 가르치는 데 어려움을 겪고 있다. Lee & Kim의 연구[7]에서 초등 교사들은 전기에 관한 기본 지식이 부족하여 학생들의 질문에 대답하기 어려웠던 경험이 있다고 하였으며, 중학교 과학교사를 대상으로 한 Kim et al.의 연구[8]에서도 교사들의 전기 개념에 대한 이해도가 높지 않다고 보고하였다. 교사가 잘못된 개념을 가지고 수업을 할 경우 교사의 지도를 받는 학생들도 잘못된 개념을 가질 수 있다. 실제 Jang & Shin은 오개념을 획득하는 주원인 중 하나로 교사를 꼽았다[9].
독일의 중등학생들을 대상으로 전압을 중심으로 한 전기회로 교육을 분석한 Burde & Wilhelm의 연구[10]에 의하면 학생들은 전압을 독립적인 물리량이 아닌 전류의 속성이나 구성 요소로 간주하는 경향을 보인다고 보고하였으며, 이스라엘의 고등학생들을 대상으로 전기회로의 전압과 전류에 대한 학생들의 개념을 연구한 Cohen et al.의 연구[11]에서도 학생들은 에너지, 전압, 전류 등의 개념들을 혼동하는 경향을 보였다고 보고하였다. 또한 중학교 과학 교사를 대상으로 전기회로 학습에 대한 교사의 인식과 학생들의 오개념을 분석한 Moodley & Gaigher의 연구[12]에서도 학생들은 전류와 전압의 개념을 헷갈려하고 있으며 교사 교육 프로그램에서 이러한 오해를 다루는 것이 필수적이라고 제안하였다.
그러나 학생과 교사의 전기에 대한 이해를 분석한 대부분의 국내 선행연구는 전기 회로나 전류에 초점을 둔 연구로 전압, 특히 전기 회로의 구간별 전압에 대한 이해를 분석한 국내 연구는 거의 없었다. 전압은 전기 관련 단원에서 전기 회로, 전류, 저항 등과 함께 자주 다루는 중요한 개념이므로 이미 전압을 학습한 학생들과 전압에 대한 개념을 가르치는 교사들의 이해를 분석해 볼 필요가 있다. 더불어 아직 전압을 학습하지 않은 초·중학생들의 사전 지식을 조사하고 분석한다면 교육과정 및 교과서 개발이나 교사들의 전기 회로 수업 개발에서 학생들의 오개념 형성을 줄이는 방안을 찾는 데에 도움을 줄 수 있을 것이다.
학교 교육은 국가의 교육과정에 기반하여 이루어지며 교과서는 국가 교육과정의 목표를 달성하고 구체적인 교육과정을 실현하기 위한 일차적인 학습자료이다[13, 14]. 교육 내용은 교과서를 거쳐 학생들에게 제시되며 교과서는 학생들이 개념을 이해하기 쉽도록 여러 탐구 활동으로 구성되어 있다[15]. 교과서의 질은 수업의 질에 큰 영향을 미치기 때문에 교과서의 구성이 학생들의 이해를 돕도록 구성되었는지, 학생들이 교육 목표에 도달하는 데 적합한지, 정확한 내용으로 이루어져 있는지 등을 분석하는 것은 매우 중요하다[16, 17].
2015 개정 교육과정의 과학과 교육과정에 의하면 전기 회로는 초등학교 5–6학년의 내용 요소이지만, 전압과 전류는 중학교 1–3학년의 내용 요소에 포함되어 있다. 이를 교과서에서 살펴보면 전기 회로는 초등학교 6학년 2학기 ‘전기의 이용’ 단원을 통해 처음 학습하지만, 전압과 전류에 대한 개념은 학습하지 않는다. 학생들은 전지, 전구, 전선, 스위치를 연결하여 전구에 불을 켜보고, 직렬연결과 병렬연결에 따른 전구의 밝기를 비교해보는 활동을 통해 간접적으로 전압과 전류를 경험한다. 전압과 전류의 정의에 대한 학습은 중학교 2학년 ‘전기와 자기’ 단원에서 처음 이루어진다. 전류는 ‘전자가 (-)극에서 (+)극으로 이동하면서 전하를 운반하는데, 이러한 전하의 흐름을 전류라고 한다.’고 명확하게 제시하는 반면 전압은 ‘전류를 흐르게 하는 능력’이라는 대략적인 개념만 학습한다. 중학교 2학년 이후 교과서에서 전압은 계속 언급되지만, 전위차의 개념을 사용한 전압의 명확한 정의는 물리학Ⅱ에서 이루어진다. 앞으로의 교육과정과 교과서 개발을 위해서는 이러한 방식의 2015 개정 교육과정을 거친 학생들이 가지고 있는 전압에 대한 이해를 분석해 볼 필요가 있다.
이를 종합해 볼 때 2015 개정 교육과정에서 2022 개정 교육과정으로의 개편이 이루어지고 있는 현시점에서 초·중·고등학생과 물리교사 또는 예비물리교사의 전압에 대한 이해를 분석해 볼 필요가 있다. 또한 분석 결과를 토대로 2015 개정 교육과정의 교과서에서 제시하고 있는 전기 회로와 전압에 대해 논의하고 앞으로의 교육과정과 교과서 개발에 대한 시사점을 도출하고자 한다.
한편 디지털 기술이 발달하면서 여러 분야에서 크고 작은 변화가 일어나고 있으며 이는 과학교육의 교수·학습 과정에도 다양한 방식으로 영향을 미치고 있다[18]. 시뮬레이션 실험은 대표적인 과학교육 변화의 예시로 학생들의 개념 이해에 도움을 줄 수 있으며 학습자의 불일치 상황을 해결하는 데 효과적인 학습 도구로 알려져 있다[19, 20]. Kang et al.의 연구[21]에 의하면 시뮬레이션 실험을 활용한 수업에서 학생들의 학습 몰입도는 높았으며, 시뮬레이션 실험이 학생들의 학업성취에 긍정적인 영향을 미칠 가능성을 제시하였다. 시뮬레이션 앱을 개발하고 중학생을 대상으로 앱의 활용성을 조사한 Lee et al.의 연구[22]에서도 시뮬레이션 실험이 학생들의 학업성취 향상에 도움을 주었으며 과학 학습의 동기유발에도 긍정적인 영향을 미친다고 보고하였다. 그러나 Shin & Park은 시뮬레이션 실험이 학생들의 과학 개념 형성에는 도움이 되지만 오개념을 과학적 개념으로 변화시키는 것은 어렵다고 분석하며 시뮬레이션 실험의 한계를 지적했다[1].
이상의 선행연구에서 알 수 있듯이 시뮬레이션 실험을 활용한 수업의 효과나 한계 등을 밝히는 연구가 활발히 이루어지고 있으며 이에 따라 시뮬레이션 실험을 수업에 활용하는 교사들도 늘어나고 있다. 그러나 시뮬레이션 실험에 대한 학생과 교사의 인식이나 의견을 조사한 연구는 거의 없었기 때문에 학생 및 교사 또는 예비교사에게 실험과 시뮬레이션 실험을 모두 경험하게 한 후 이에 대한 의견을 조사한 연구가 필요하다고 생각된다.
따라서 본 연구에서는 초·중·고등학생과 예비물리교사가 전기 회로에서 전압을 어떻게 이해하고 있는지 알아보고 그 특징을 분석할 것이다. 또한 실험과 시뮬레이션 실험을 활용한 전기 회로 수업을 통해 학생과 예비교사가 효과적이라고 생각하는 수업 방식을 조사할 것이다. 이를 종합하여 본 연구에서는 과학과 교육과정과 전기 단원의 교수·학습에 대한 시사점을 제시하고자 한다.
본 연구는 전라남도 소재지의 초·중·고등학생과 예비물리교사를 대상으로 이루어졌으며 국립순천대학교 생명윤리심의위원회(IRB) 심의를 거쳐 연구를 수행하였다 (IRB 승인번호: 1040173-202205-HR-007-02). 연구에 참여하고 연구 데이터 활용에 동의한 학생들은 총 45명으로 초·중학생 12명, 고등학생 22명, 예비물리교사 11명으로 구성되어 있다. 초·중학생의 경우 초등학교 6학년과 중학교 1학년이 혼합되어있다. 하지만 연구 수업은 2학기 후반에 진행되어 두 학년의 전기 개념에 대한 교육과정 위계가 동일한 시점이므로 하나의 그룹으로 묶어 연구를 진행하였다. 고등학생의 경우 통합과학 교과목까지 학습한 고등학교 1학년을 대상으로 하였으며 예비물리교사는 전자기학 실험 수업을 수강 중인 3–4학년 학부생을 대상으로 하였다.
전기 회로에서 구간별 전압에 대한 학생들의 사전 지식을 조사하기 위해 PEOE 모형을 활용한 수업을 구성하였다. PEOE 모형은 White와 Gunstone(1992)이 제안한 POE(Prediction – Observation – Explanation) 학습 모형에서 예측한 내용에 대한 설명 단계를 추가한 모형이다[23]. 개인별 활동과 모둠 활동을 혼합한 수업 및 활동지의 구성은 Fig. 1과 같다.
Figure 1. Composition of class and activity papers using POE model.
먼저 학생들은 개인별 활동지의 문항에 응답한 후 각자 작성한 응답을 모둠별 토의를 통해 하나의 의견으로 수렴한다. 수렴된 의견은 실험을 통해 정답 여부를 확인하고, 학생들은 예상 단계에서 작성한 답변을 수정한다. 원활한 실험을 위해 초·중학생과 고등학생 그룹은 실험 활동 시 모둠별로 대학생 멘토를 배치하였다.
활동지는 개인별 활동지와 모둠별 활동지의 2가지 종류로 제작하였다. 개발된 활동지는 전라남도 소재지의 고등학생 17명을 대상으로 파일럿 테스트를 진행하였고, 이후 과학교육 전문가 1인과 대학원생 2인의 검토를 거쳐 최종 확정되었다.
개인별 활동지는 ‘들어가기 전에’, ‘예상하기’, ‘수업을 마치며’의 3가지 활동으로 구성하였다. ‘들어가기 전에’ 활동은 학생들이 전압의 정의를 작성하는 활동으로 전압에 대한 사전 지식을 알아보기 위한 문항이다. ‘예상하기’ 활동은 선행연구[2]에 제시된 사전 검사 문항 중 정답률이 가장 낮은 문항을 참고하여 개발하였다. 전압에 대한 학생들의 이해를 심층적으로 분석하기 위해 구간별 전압을 예상하고 그 이유를 서술형으로 작성하도록 구성하였다(Fig. 2). ‘수업을 마치며’ 활동은 전기 회로에서 구간별 전압을 학습할 때 가장 효과적이라고 생각하는 실험 방식을 고르고 그 이유를 작성하는 활동으로 개인별 활동과 모둠별 활동을 모두 마친 후 마지막 단계에서 진행하는 설문 문항이다.
Figure 2. (Color online) ‘Prediction’ questions and voltage measurement and simulation circuit photographs.
모둠별 활동지는 ‘토의하기’, ‘확인하기’, ‘생각하기’의 3가지 활동으로 구성하였다. ‘토의하기’ 활동은 개별 활동지의 ‘예상하기’ 활동에서 작성한 구간별 전압과 예상 이유를 하나의 모둠 의견으로 수렴하는 활동이다. ‘확인하기’ 활동은 모둠별로 전기 회로의 각 구간을 측정해보고 예상했던 전압을 확인하는 단계이다. 측정은 두 가지 방식으로 진행하였다. 학생들은 전압계와 전기 회로 실험 도구를 사용하여 직접 전기 회로를 만들고 전압을 측정한 후 웹 기반 시뮬레이션 프로그램인 Tinkercad를 활용하여 다시 한번 전기 회로를 구현하고 구간별 전압을 측정하였다(Fig. 2). ‘생각하기’ 활동은 학생들이 예상했던 전압을 전기 회로 실험과 시뮬레이션 실험을 통해 확인한 전압과 비교하고 예상 이유를 수정하는 활동이다.
본 연구에서는 개발한 활동지를 기반으로 수업을 진행하고 학생들이 작성한 활동지를 분석하였다. 분석 방법은 문항의 답변을 작성하는 방식에 따라 다르게 하였다. 서술형 문항은 학생들의 응답을 유형화하고 각 유형에 대한 학생들의 응답 수를 조사하여 학교급별로 비교하는 데 활용하였다. ‘들어가기 전에’ 활동의 문항이나 ‘예상하기’ 활동에서 전압 예상의 이유를 작성하는 문항 등이 서술형 문항이다. 주관식 문항은 이론값과 일치하게 전압을 예상하거나 측정한 학생들의 비율을 분석하여 문제 상황이나 학교급에 따라 어떻게 달라지는지 확인하는 용도로 분석하였다. ‘예상하기’ 활동의 전압을 예상하는 문항이나 ‘확인하기’ 활동의 전압을 측정하는 문항이 주관식 문항이다. 마지막으로 객관식 문항은 전기 회로에서 구간별 전압을 학습할 때 학생들이 생각하는 가장 효과적인 실험 방식을 알아보기 위해 활용하였다. ‘수업을 마치며’ 활동의 설문 문항이 객관식 문항이다.
연구 대상의 전압에 대한 사전 지식을 알아보기 위해 ‘들어가기 전에’ 활동을 통해 학생과 예비물리교사가 작성한 전압의 정의를 분석하였다. 일반적으로 전압은 전기 에너지의 차 또는 전위차로 정의하지만, 중학교 과학 교과서에서는 전압을 전류를 흐르게 하는 능력으로 정의하고 있다. 본 연구의 대상은 초등학생부터 예비물리교사까지 학교급이 넓게 분포하고 있음을 고려하여 두 가지 모두 과학적 응답으로 인정하였으나 응답 유형을 나누어 분석하였다. 전압의 정의에 대한 응답을 분석한 결과는 Table 1과 같다.
Answers of the definition of voltage(Duplicates possible).
| Criteria of answers | Number of answers(%) | |||
| Students | Pre-service teachers (11) | |||
| Elementary Middle school(12) | High school (22) | Total (34) | ||
| The force or pressure of electricity | 4(33.3%) | 9(40.9%) | 13(38.2%) | 1(9.1%) |
| The strength of electricity or magnitude of electrical energy | 5(41.7%) | 9(40.9%) | 14(41.1%) | 1(9.1%) |
| The source of an electric current* | 0(0.00%) | 2(9.1%) | 2(5.9%) | 2(18.2%) |
| The difference in electric potential* | 2(16.7%) | 1(4.5%) | 3(8.8%) | 7(63.6%) |
| Others | 3(25.0%) | 8(36.4%) | 11(32.4%) | 1(9.1%) |
*: Scientific answers
전압의 정의를 과학적으로 응답한 초·중·고등학생은 34명 중 5명(14.7%)에 불과했다. 그중 2명(5.9%)은 ‘전류를 흐르게 하는 것’이라고 응답하였고, 나머지 3명(8.8%)은 ‘전기 에너지의 차 또는 전위차’라고 응답하였다. 반면, 전압의 정의를 비과학적으로 응답한 학생은 27명(79.4%)이었다.
전압의 정의를 과학적으로 응답한 예비물리교사는 11명 중 9명(81.8%)이었다. 그중 2명(18.2%)은 ‘전류를 흐르게 하는 것’이라고 응답하였고, 나머지 7명(63.6%)은 ‘전기 에너지의 차 또는 전위차’라고 응답하였다. 전압의 정의를 비과학적으로 응답한 예비물리교사는 2명(18.2%)이었다.
Table 1을 학교급별로 비교해보면 전압의 정의를 과학적으로 응답한 학생의 비율은 예비교사(9명, 81.8%), 초·중학생(2명, 16.7%), 고등학생(3명, 13.6%) 순으로 높았다. 특히, 초·중학생과 고등학생은 설명 방식에 대한 응답의 경향이 유사하였는데, 과학적 응답(전류를 흐르게 하는 것, 전기 에너지의 차 또는 전위차)에 대한 비율이 낮았으며, 비과학적 응답(전기의 힘 또는 전기의 압력, 전기의 세기 또는 전기 에너지의 크기)에 대한 비율은 높았다. 이를 통해 초·중학생과 고등학생이 제시한 전압의 정의가 유사했음을 확인할 수 있었다.
전기 회로에서 구간별 전압 예상에 대한 정답률은 Table 2와 같다. 학생과 예비물리교사 모두 스위치 개폐 여부에 따른 평균 정답률이 절반을 넘지 못했으며 스위치가 열렸을 때보다 닫혔을 때 정답률이 더 낮았다. 스위치가 열린 경우에서 전압을 올바르게 예상한 학생과 예비물리교사는 40.9%(18.4명)였으나 스위치가 닫혔을 때는 29.3%(13.2명)에 불과하였다. 특징적인 구간을 살펴보면 c-d 구간은 모든 학교급에서 정답률이 매우 낮았다. 또한 d-e 구간에서 스위치가 열린 경우와 닫힌 경우의 정답률 차이는 82.2%로 다섯 개의 구간 중 가장 차이가 큰 구간이었다. 전기 회로에서 구간별 전압 예상에 대한 정답률 차이의 원인을 분석하기 위해 각 구간의 전압 예상에 대한 학생과 예비물리교사의 설명을 핵심어별로 분석해 보았다. 그 결과는 Table 3과 같다.
Answers of prediction to interval voltages in electrical circuits(Duplicates possible).
| Circuit switch | Interval | Correct answers(%) | |||
| Elementary & Middle school(12) | High school (22) | Pre-service teachers(11) | Total (45) | ||
| Open | a-b | 2(16.7%) | 10(45.5%) | 6(54.5%) | 18(40.0%) |
| b-c | 2(16.7%) | 11(50.0%) | 5(45.5%) | 18(40.0%) | |
| c-d | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | |
| d-e | 10(83.3%) | 20(90.9%) | 11(100.0%) | 41(91.1%) | |
| e-a | 3(25.0%) | 10(45.5%) | 2(18.2%) | 15(33.3%) | |
| Average | 3.4(28.3%) | 10.2(46.4%) | 4.8(43.6%) | 18.4(40.9%) | |
| Close | a-b | 0(0.0%) | 3(13.6%) | 2(18.2%) | 5(11.1%) |
| b-c | 3(25.0%) | 10(45.5%) | 5(45.5%) | 18(40.0%) | |
| c-d | 0(0.0%) | 3(13.6%) | 1(9.1%) | 4(8.9%) | |
| d-e | 0(0.0%) | 2(9.1%) | 2(18.2%) | 4(8.9%) | |
| e-a | 9(75.0%) | 17(77.3%) | 9(81.8%) | 35(77.8%) | |
| Average | 2.4(20.0%) | 7.0(31.8%) | 3.8(34.5%) | 13.2(29.3%) | |
Description of prediction in interval voltage(Duplicates possible).
| Interval | Circuit switch | Keyword | Number of answers(%) | |||
| Elementary Middle school(12) | High school (22) | Pre-service teachers(11) | Total (45) | |||
| a-b | Open | Connection of switch | 3(25.0%) | 8(36.4%) | 3(27.3%) | 14(31.1%) |
| The flow of electric current | 6(50.0%) | 10(45.5%) | 4(36.4%) | 20(44.4%) | ||
| Resistance | 2(16.7%) | 6(27.3%) | 1(9.1%) | 9(20.0%) | ||
| Battery | 1(8.3%) | 4(18.2%) | 1(9.1%) | 6(13.3%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 2(9.1%) | 1(9.1%) | 3(6.7%) | ||
| Others | 3(25.0%) | 0(0.0%) | 1(9.1%) | 4(8.9%) | ||
| Close | Connection of switch | 2(16.7%) | 7(31.8%) | 2(18.2%) | 11(24.4%) | |
| The flow of electric current | 5(41.7%) | 10(45.5%) | 3(27.3%) | 18(40.0%) | ||
| Resistance | 5(41.7%) | 7(31.8%) | 2(18.2%) | 14(31.1%) | ||
| Battery | 2(16.7%) | 6(27.3%) | 3(27.3%) | 11(24.4%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 2(18.2%) | 2(4.4%) | ||
| Others | 3(25.0%) | 1(4.5%) | 1(9.1%) | 5(11.1%) | ||
| b-c | Open | Connection of switch | 2(16.7%) | 9(40.9%) | 3(27.3%) | 14(31.1%) |
| The flow of electric current | 3(25.0%) | 8(36.4%) | 4(36.4%) | 15(33.3%) | ||
| Resistance | 6(50.0%) | 8(36.4%) | 3(27.3%) | 17(37.8%) | ||
| Battery | 1(8.3%) | 1(4.5%) | 1(9.1%) | 3(6.7%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 2(9.1%) | 0(0.0%) | 2(4.4%) | ||
| Others | 2(16.7%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 2(4.4%) | ||
| Close | Connection of switch | 0(0.0%) | 6(27.3%) | 2(18.2%) | 8(17.8%) | |
| The flow of electric current | 3(25.0%) | 4(18.2%) | 2(18.2%) | 9(20.0%) | ||
| Resistance | 8(66.7%) | 12(54.5%) | 6(54.5%) | 26(57.8%) | ||
| Battery | 1(8.3%) | 1(4.5%) | 2(18.2%) | 4(8.9%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | ||
| Others | 3(25.0%) | 4(18.2%) | 0(0.0%) | 7(15.6%) | ||
| c-d | Open | Connection of switch | 5(41.7%) | 10(45.5%) | 5(45.5%) | 20(44.4%) |
| The flow of electric current | 6(50.0%) | 11(50.0%) | 6(54.6%) | 23(51.1%) | ||
| Resistance | 1(8.3%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 1(2.2%) | ||
| Battery | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 2(9.1%) | 0(0.0%) | 2(4.4) | ||
| Others | 1(8.3%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 1(2.2%) | ||
| Close | Connection of switch | 3(25.0%) | 8(36.4%) | 1(9.1%) | 12(26.7%) | |
| The flow of electric current | 5(41.7%) | 7(31.8%) | 4(36.4%) | 16(35.6%) | ||
| Resistance | 4(33.3%) | 3(13.6%) | 3(27.3%) | 10(22.2%) | ||
| Battery | 0(0.0%) | 1(4.5%) | 1(9.1%) | 2(4.4) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | ||
| Others | 3(25.0%) | 4(18.2%) | 3(27.3%) | 10(22.2%) | ||
| d-e | Open | Connection of switch | 4(33.3%) | 7(31.8%) | 3(27.3%) | 14(31.1%) |
| The flow of electric current | 7(58.3%) | 10(45.5%) | 7(63.6%) | 24(53.3%) | ||
| Resistance | 0(0.0%) | 2(9.1%) | 0(0.0%) | 2(4.4%) | ||
| Battery | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 2(9.1%) | 1(9.1%) | 3(6.7%) | ||
| Others | 1(8.3%) | 1(4.5%) | 0(0.0%) | 2(4.4%) | ||
| Close | Connection of switch | 2(16.7%) | 4(18.2%) | 1(9.1%) | 7(15.6%) | |
| The flow of electric current | 3(25.0%) | 9(40.9%) | 4(36.4%) | 16(35.6%) | ||
| Resistance | 4(33.3%) | 5(22.7%) | 2(18.2%) | 11(24.4%) | ||
| Battery | 1(8.33%) | 1(4.5%) | 2(18.2%) | 4(8.9%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 1(9.1%) | 1(2.2%) | ||
| Others | 4(33.3%) | 3(13.6%) | 1(9.1%) | 8(17.8%) | ||
| e-a | Open | Connection of switch | 4(33.3%) | 10(45.5%) | 6(54.5%) | 20(44.4%) |
| The flow of electric current | 5(41.7%) | 8(36.4%) | 5(45.5%) | 18(40.0%) | ||
| Resistance | 0(0.0%) | 1(4.5%) | 0(0.0%) | 1(2.2%) | ||
| Battery | 3(25.0%) | 9(40.9%) | 2(18.2%) | 14(31.1%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 1(8.3%) | 2(9.1%) | 0(0.0%) | 3(6.7%) | ||
| Others | 2(16.7%) | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 2(4.4%) | ||
| Close | Connection of switch | 1(8.3%) | 8(36.4%) | 3(27.3%) | 12(26.7%) | |
| The flow of electric current | 4(33.3%) | 5(22.7%) | 3(27.3%) | 12(26.7%) | ||
| Resistance | 2(16.7%) | 4(18.2%) | 2(18.2%) | 8(17.8%) | ||
| Battery | 6(50.0%) | 8(36.4%) | 5(45.5%) | 19(42.2%) | ||
| Magnitude of electrical energy | 0(0.0%) | 0(0.0%) | 1(9.1%) | 1(2.2%) | ||
| Others | 3(25.0%) | 3(13.6%) | 1(9.1%) | 7(15.6%) | ||
먼저 소자가 포함된 특정 구간을 제외한 모든 구간에서 스위치의 개폐 여부와 상관없이 전압 예상의 이유를 설명할 때 가장 많이 도출된 핵심어는 전류의 흐름이었다. 대부분의 학생들은 전압을 다음과 같은 두 가지 방식으로 설명하고 있었다.
① 스위치가 열렸을 때는 전류가 흐르지 않기 때문에 모든 구간에서 전압이 0이고, 스위치가 닫혔을 때는 전류가 흐르기 때문에 모든 구간에서 전압이 3이다.
② 스위치가 열렸을 때 전류가 나오는 건전지의 (+)극부터 스위치까지는 연결되어 있기 때문에 전류가 흘러 전압이 3이지만, 연결이 끊긴 스위치부터 (-)극까지는 전류가 흐르지 않아 전압이 0이다. 스위치가 닫혔을 때는 모든 구간에 전류가 흐르기 때문에 전압이 3이다.
이러한 방식으로 전압을 추측할 경우 확률적으로 스위치가 열렸을 때보다 닫혔을 때의 전압이 이론값과 일치할 확률이 조금 더 높다. 특히 스위치가 포함되어 전류의 흐름에 가장 영향을 많이 받는 c-d 구간을 살펴보면 모든 연구 참여자의 정답률이 눈에 띄게 낮다. 이는 전압을 예상할 때 전위차가 아닌 전류의 흐름 여부로 판단했기 때문으로 보인다. 이러한 설명 방식은 전류가 흐르는 방향을 기준으로 봤을 때 스위치 다음 구간인 d-e 구간의 스위치 개폐 여부에 따른 정답률 차이에도 영향을 준 것으로 예상된다.
d-e 구간의 전압을 설명할 때에도 학생과 예비물리교사는 전류의 흐름을 가장 많이 언급하였다. 열린회로에서 24명(53.3%), 닫힌회로에서 16명(35.6%)이 전류의 흐름 여부에 기반하여 전압을 설명하였다. 또한, 대부분의 학생과 예비물리교사는 전압을 예상한 이유에 대해 비과학적으로 설명하였으며 전압을 바르게 예상하고 그 이유까지 과학적으로 설명한 학생의 수는 매우 적었다(Fig. 3).
Figure 3. (Color online) Percentage of correct prediction in d-e interval voltage with the scientific explanation.
다섯 개의 구간에서 학생 및 예비교사가 예상한 전압과 그 이유에 대한 설명을 분석한 결과 “전압이 흐른다.”, “전압이 전지에서 재충전된다.”, “전기가 이동한다.”와 같은 비과학적인 표현이 다소 발견되었다. 또한 학생과 예비물리교사는 전류와 전압의 개념을 혼용하여 사용하고 있었으며, 다음과 같은 다양한 오개념을 가지고 있음을 확인하였다.
개회로에서 전지의 (+)극에 연결된 도선은 전류가 흐른다.
전류가 흐르지 않으면 전압이 0이다.
전압은 도선을 따라 흐르며 소자를 지나면서 조금씩 소모된다.
도선을 따라 흐르며 소모된 전압은 건전지를 지나면서 다시 충전된다.
특히 예비교사의 63.6%는 전압의 정의를 ‘전기 에너지의 차 또는 전위차’라고 응답했음에도 불구하고 전위차를 활용하여 전압을 예상한 경우는 거의 없었다.
전압의 측정은 전압계와 전기 회로 실험 도구를 활용한 측정과 웹 기반 시뮬레이션 실험을 통한 측정을 순서대로 진행하였으며 두 실험 모두 모둠별로 활동하였다. 각 모둠은 2인 또는 3인으로 구성하였으며 초·중학생은 6모둠, 고등학생이 11모둠, 예비물리교사는 4모둠으로 나누었다. 다음은 측정하기 활동과 시뮬레이션 실험에서 이론값과 일치하게 전압을 측정한 모둠의 수를 나타낸 표이다(Table 4).
Number of groups measured correct voltage through ‘measurement’ and ‘simulation experiments’ activity.
| Circuit switch | Interval | Number of groups measured correct voltage | |||||||
| Measurement activity | Simulation experiments activity | ||||||||
| Elementary Middle school(6) | High school (11) | Pre-service teachers(4) | Total (21) | Elementary Middle school(6) | High school (11) | Pre-service teachers(4) | Total (21) | ||
| Open | a-b | 6(100.0%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 21(100.0%) | 5(83.3%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 19(90.5%) |
| b-c | 5(83.3%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 20(95.2%) | 5(83.3%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 20(95.2%) | |
| c-d | 6(100.0%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 20(95.2%) | 5(83.3%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 20(95.2%) | |
| d-e | 6(100.0%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 21(100.0%) | 5(83.3%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 19(90.5%) | |
| e-a | 6(100.0%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 21(100.0%) | 5(83.3%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 20(95.2%) | |
| Average | 5.8(96.7%) | 10.8(98.2%) | 4(100.0%) | 20.6(98.1%) | 5(83.3%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 19.6(93.3%) | |
| Close | a-b | 4(66.7%) | 11(100.0%) | 3(75.0%) | 18(85.7%) | 5(83.3%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 19(90.5%) |
| b-c | 3(50.0%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 17(81.0%) | 6(100.0%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 21(100.0%) | |
| c-d | 6(100.0%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 21(100.0%) | 5(83.3%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 19(90.5%) | |
| d-e | 6(100.0%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 20(95.2%) | 5(83.3%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 20(95.2%) | |
| e-a | 5(83.3%) | 10(90.9%) | 4(100.0%) | 19(90.5%) | 6(100.0%) | 11(100.0%) | 4(100.0%) | 21(100.0%) | |
| Average | 4.8(80.8%) | 10.4(94.5%) | 3.8(95.0%) | 19(90.5%) | 5.4(90.0%) | 10.6(96.4%) | 4(100.0%) | 20(95.2%) | |
전기 회로 실험 도구를 이용한 측정하기 활동 결과 스위치가 열린 경우에서 측정한 구간별 전압이 이론값과 일치하는 모둠은 초·중등학생이 5.8모둠(96.7%), 고등학생이 10.8모둠(98.2%), 예비물리교사가 4모둠(100.0%)이었으며 스위치가 닫힌 경우에는 초·중학생이 4.8모둠(80.8%), 고등학생이 10.4모둠(94.5%), 예비물리교사가 3.8모둠(95.0%)이었다. 통계 처리를 통한 비교를 하기에는 표본의 수가 적어 통계적인 유의미성을 논하기는 어려우나 스위치가 열렸을 때와 닫혔을 때 전압을 올바르게 측정한 그룹 수의 차이는 모든 학교급에서 근소하였다.
시뮬레이션 실험을 이용한 활동 결과 스위치가 열린 경우에서 측정한 구간별 전압이 이론값과 일치하는 모둠은 초·중등학생이 5모둠(83.3%), 고등학생이 10모둠(90.9%), 예비물리교사가 4모둠(100.0%)이었으며 스위치가 닫힌 경우에는 초·중학생이 5.4모둠(90.0%), 고등학생이 10.6모둠(96.4%), 예비물리교사가 4모둠(100.0%)이었다. 시뮬레이션 실험 활동 또한 표본의 수가 적어 통계적인 유의미성을 논하기는 어려우나 스위치가 열렸을 때와 닫혔을 때 전압을 올바르게 측정한 그룹 수의 차이는 모든 학교급에서 거의 없었다.
학생들이 측정한 전압이 측정 방식이나 학교급별로 어느정도 차이가 있을 것이라고 예상하였으나 실험 결과 거의 모든 학생이 실험 도구를 통한 측정과 시뮬레이션 실험 모두에서 이론값과 일치하게 전압을 잘 측정하였다.
전압계를 활용한 측정과 시뮬레이션 실험의 두 가지 방식을 통해 전기 회로의 구간별 전압을 측정한 학생과 예비교사에게 어떤 실험 수업 방식이 전기 회로에서 전압을 학습할 때 더 효과적이라고 생각하는지 설문을 진행하였다. 이에 대한 학생들의 응답은 Table 5와 같다.
Answers of effective Experimental teaching methods for voltage learning.
| Teaching methods | Number of answers(%) | |||
| Elementary Middle school(12) | High School (22) | Pre-service teachers(11) | Total (45) | |
| Experiments class with measurement | 3(25.0%) | 1(4.5%) | 1(9.1%) | 5(11.1%) |
| Experiments class with simulation | 1(8.3%) | 2(9.1%) | 4(36.4%) | 7(15.6%) |
| Experiments class with measurement and simulation | 8(66.7%) | 19(86.4%) | 6(54.5%) | 33(73.3%) |
전체 연구 참여자를 대상으로 제시된 3가지 방식 중 전기 회로에서 구간별 전압을 학습할 때 가장 효과적이라고 생각하는 실험 수업을 조사한 결과, 측정과 시뮬레이션을 함께 활용하는 실험 수업 방식에 대한 응답률이 가장 높았으며 그 다음은 시뮬레이션 실험을 활용한 수업 방식, 측정을 활용한 실험 수업 방식 순으로 높았다.
이를 학교급별로 살펴보면 초·중학생의 경우 측정과 시뮬레이션을 함께 활용한 실험 수업 방식이 가장 효과적이라고 응답한 학생이 12명 중 8명(66.7%)이었으며 측정을 활용한 실험 수업 방식은 3명(25.0%), 시뮬레이션을 활용한 실험 수업 방식은 1명(8.3%)이었다. 고등학생의 경우 측정과 시뮬레이션을 함께 활용한 실험 수업 방식이 가장 효과적이라고 응답한 학생이 22명 중 19명(86.4%)이었으며 시뮬레이션을 활용한 실험 수업 방식은 2명(9.1%), 측정을 활용한 실험 수업 방식은 1명(4.5%)이었다. 예비물리교사의 경우 측정과 시뮬레이션을 함께 활용한 실험 수업 방식이 가장 효과적이라고 응답한 학생이 11명 중 6명(54.5%)이었으며 시뮬레이션을 활용한 실험 수업 방식은 7명(15.6%), 측정을 활용한 실험 수업 방식은 5명(11.1%)이었다.
다음은 두 가지 실험을 함께 사용하는 실험 수업 방식이 가장 효과적이라고 응답한 학생과 예비물리교사가 그렇게 생각한 이유를 작성한 것이다.
학생 A(초등학생): 측정하기 활동은 전기 회로에 저항, 스위치 등의 여러 소자를 실제로 연결해 볼 수 있어서 재미있었고, 시뮬레이션 실험 활동은 더 정확한 전압을 측정할 수 있어서 좋았다.
학생 B(중학생): 측정하기 활동은 수업이 기억에 더 오래 남을 것 같고 직접 경험해 볼 수 있어서 좋았다. 시뮬레이션 실험은 더 간편하고 집중력 있게 공부할 수 있고 더 정확한 결과를 알려주었다. 그러므로 두 가지 활동을 모두 하는 게 좋을 것 같다.
학생 C(고등학생): 측정하기를 통해 직접 전기 회로를 만들어보고 전압계를 사용해 봄으로써 전압계를 읽는 방법도 터득하고, 전류는 어떻게 흐르고 저항은 어떤 영향을 주는지 생각해 볼 수 있어 좋았다. 시뮬레이션 실험은 측정하기 활동에서 측정한 전압을 더 정확하게 확인할 수 있었기 때문에 둘을 함께 활용하는 것이 효과적인 탐구 활동이라고 생각한다.
예비교사 A: 측정하기 활동으로 직접 측정하면 회로의 연결에 관해 기억이 잘 남을 것 같지만 측정값이 정확하지 않고 반면 시뮬레이션 실험은 회로 연결에 대한 학습은 측정하기 활동보다 효과적이지 않지만 전압값이 정확하게 눈에 보인다는 장점이 있다. 두 가지 방식을 모두 경험해보는 것이 학생들에게 좋을 것 같다.
예비교사 B: 측정하기 활동에서는 외부요인이 많아 측정값이 달라질 수 있는데 시뮬레이션 실험을 사용하면 실험의 값이 맞았는지 확인할 수도 있고, 실제 실험과 시뮬레이션 실험에서 값이 차이나는 이유와 외부요인에 대해 고민해 볼 수 있어 좋은 것 같다.
초등학생은 손으로 직접 실험하는 측정하기 활동이 시뮬레이션 실험보다 더 즐거웠지만 정확한 전압을 알 수 없는 점을 아쉬워하였다. 그러나 시뮬레이션 실험을 함께 활용하면 정확한 결과를 확인할 수 있기 때문에 두 가지 활동을 모두 해보는 것이 좋은 것 같다고 설명하였다.
중학생은 측정하기 활동이 손으로 직접 회로를 만들어보기 때문에 시뮬레이션 실험보다 기억에 더 오래 남을 것 같다고 하였으며 초등학생과 마찬가지로 시뮬레이션 실험을 활용하면 정확한 전압값을 알 수 있으므로 두 활동을 함께 활용하는 것이 좋다고 설명하였다.
고등학생은 측정하기 활동이 단순히 전압을 측정하는 것뿐만 아니라 전압계의 사용법, 저항의 영향 등 다양한 내용을 탐구하는 데에 도움이 된다고 생각하였으며 시뮬레이션 실험은 전압을 정확하게 확인할 수 있으므로 두 실험을 모두 활용하는 것이 효과적이라고 설명하였다.
예비물리교사는 전기 회로를 손으로 직접 연결하는 경험을 할 수 있는 측정하기 활동이 시뮬레이션 실험보다 회로 연결과 관련된 학습 내용을 더 오래 기억하는 데에 도움이 될 것이라고 생각하였다. 또한 직접 회로를 만들어 전압을 측정하면 외부요인이 많아 오차가 발생하며 그로 인해 전압값이 달라지지만, 시뮬레이션 실험으로 이점을 보완한다면 정확한 전압값도 확인하고 오차의 원인에 대해서도 고민하고 학습해 볼 수 있으므로 두 실험을 함께 활용한 실험 수업 방식이 가장 효과적이라고 설명하였다.
본 연구는 전기 회로에서 구간별 전압에 대한 초·중·고등학생과 예비물리교사의 이해를 알아보기 위해 수업과 활동지를 개발하고, 수업을 진행하면서 학생들이 작성한 활동지를 분석하였다. 본 연구 결과로부터 도출된 결론 및 제언은 다음과 같다.
첫째, 교육과정에서 전류와 전압을 다루는 시점과 수준에 대한 고민이 필요하며 중학교 교과서에서 전압의 정의를 보다 명확하게 제시해야 한다. 2015 개정 교육과정을 기준으로 학생들은 초등학교 6학년에 전기 회로를 처음 접한다. 하지만 전류의 정의는 중학교 2학년에 학습하며, 전압은 중학교 2학년에 대략적인 개념으로 다룬 후 물리학Ⅱ에서 전위차를 기반으로 명확하게 학습한다. 그러나 전류와 전압은 일상에서 자주 접하는 용어일 뿐만 아니라 본 연구 결과에서 아직 전류와 전압을 학습하지 않은 초·중학생들의 응답에서 다양한 오개념이 나타났다. 이러한 점들을 고려하여 전류와 전압을 교육과정의 어느 시점에서 어느 정도 수준으로 다루는 것이 좋을지 고민해 볼 필요가 있다. 특히 2015 개정 교육과정을 적용한 과학 교과서에 의하면 중학교 수준에서 전압의 정의는 ‘전자를 이동하게 하여 전류를 흐르게 하는 능력’으로 제시되는데, 본 연구에서 몇몇 학생들은 전류의 흐름 여부에 따라 전압을 예상하는 경향을 보였다. 이는 중학교 수준에서 학습하는 전압의 정의가 학생들에게 오개념을 유발할 수도 있다는 가능성을 보여준다. 따라서 이와 관련된 심층적인 후속연구가 필요하며 중학교 교과서에서 전압의 정의를 보다 명확하게 다루는 것에 대해 고려해 봐야 한다.
둘째, 전류와 전압의 혼동을 방지하고 전압에 대한 오개념 형성을 줄이기 위해 전압을 처음 학습하는 중학교 교육과정에서 개회로와 폐회로의 전류와 전압을 측정하는 실험이 도입될 필요가 있다. 2015 개정 교육과정에서 전압은 중학교 수준에서 ‘전류를 흐르게 하는 능력’으로 처음 학습되고 있으며, 본 연구 결과에서 중학교 수준의 전압 개념까지 학습한 고등학생 그룹의 전압에 대한 이해가 부족함을 확인하였다. 특히 대부분의 학생과 및 예비교사는 전압을 전류의 흐름 여부와 연관지어 생각하는 경향을 보였다. 이러한 오개념 형성을 막기 위해서는 전류가 흐르지 않는 개회로에서 전압이 측정됨을 확인하는 실험이 필요할 것이다. 한편 2015 개정 교육과정에서 구간별 전압에 대한 지도는 물리학 Ⅱ에서 단편적으로 이루어진다. 해당 교과에서 학생들은 전위차에 대한 개념을 학습한 후 옴의 법칙에 대해 배우면서 저항에 걸리는 전압을 측정하고 계산해보는 활동을 한다. 하지만 전기 회로의 모든 구간이 아닌 저항에 걸리는 전압만을 다룬다. 또한 예비교사들의 경우 절반 이상이 전위차의 개념을 활용하여 전압을 정의하였으나 구간별 전압을 예상할 때에는 전위차를 고려하지 못하고 있었다. 이는 전압의 정의와 구간별 전압에 대한 학습이 따로 이루어지면서 전위차와 구간별 전압을 연관시키지 못하여 발생하는 문제로 보인다. 따라서 형식적 조작기를 거쳐 논리적 사고가 가능하고 추상적 개념을 이해할 수 있는 고등학생의 경우 전기회로에서 구간별 전압에 대한 지도를 통해 전압과 전기 에너지의 차이, 구간별 전압을 연결하여 함께 가르치는 것을 고려해볼 필요가 있다.
셋째, 전기 회로에서 구간별 전압을 학습할 때 전압계를 통한 측정과 시뮬레이션 실험을 함께 활용한 PEOE 모형의 실험 수업을 제안한다. 두 가지 실험 방식을 모두 경험해본 학생과 예비교사가 작성한 설문을 분석한 결과, 초·중·고등학교 학생들뿐만 아니라 예비물리교사들도 측정과 시뮬레이션 실험을 혼합한 수업 방식이 구간별 전압을 학습하는 데에 가장 효과적이라고 응답하였다. 실제 본 연구의 수업 과정에서 전압을 잘못 예상한 학생들도 측정하기와 시뮬레이션 실험을 통해 이론값과 일치하는 전압을 측정하는 데 성공하였다. 일부 학생들은 시뮬레이션 실험을 통해 측정한 전압이 전압계를 통해 측정한 전압보다 정확할 것이라고 생각하는 경향을 보였다. 이런 경우 전압계만으로 전압을 측정했을 때에는 측정값을 의심하였으나 시뮬레이션 실험을 통해 한 번 더 전압을 측정한 후에는 측정값을 의심하지 않았다. 이렇듯 측정과 시뮬레이션 실험을 함께 활용한 실험 수업은 두 번의 측정 활동을 통해 측정값의 정확성과 신뢰도를 높일 수 있다. 또한 이러한 실험 방식에 PEOE 모형을 도입한다면 학생들에게 오개념에 대한 인지갈등을 일으킬 수 있다. 그러므로 전기 회로에서 구간별 전압에 대해 학습할 때 본 연구의 수업 설계와 같이 예상-설명-측정-시뮬레이션-설명으로 구성된 수업을 진행하고, 이 과정에서 모둠별로 협력하고 스스로 구간별 전압을 탐구해 나가는 활동을 한다면 학생들이 전기 회로와 전압을 올바르게 이해하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.
본 논문은 윤지영의 2023년도 석사 학위논문의 데이터를 활용하여 재구성하였습니다.
