학생들은 일상 생활에서 수많은 빛 관련 현상을 관찰하는 과정에서 과학적 개념과 다른 개념을 가질 수 있으며, 이러한 개념들을 상황에 따라 임의로 적용하여 다양한 광학 현상을 설명하기도 한다[1-3]. 일상에서 경험할 수 있는 다양한 광학 현상에 대한 낮은 수준의 이해로 인하여 많은 학생들은 광학 개념을 학습하는데 어려움을 겪고 있다[1, 4-8]. 빛 개념은 초등학교부터 고등학교에 이르기까지 반복적으로 지도되고 있지만 많은 학생들은 정규 교육과정을 이수한 이후에도 빛의 직진이나 반사, 그림자 등 빛과 관련된 여러 개념에 대하여 낮은 이해 수준을 보이고 있다. 따라서 고등학교를 졸업한 직후의 예비초등교사들 역시 빛 개념에 대한 낮은 이해 수준을 보일 때가 많으며[2, 3, 8-10], 이는 효과적인 빛 개념 학습지도를 가로막는 하나의 요인으로 작용한다[3]. 교원양성 대학교 과정에서 빛 개념에 대하여 체계적인 교육을 받지 못한 교사들은 학교 현장에서 학생들을 지도하는데 어려움을 겪기도 한다[7, 9, 11]. 이러한 이유로 초등학교 과학과 교육과정에서 빛 개념은 초등학교 교사들이 지도하기 힘든 개념 중 하나로 알려져 있다[2, 9-12].

교사들의 잘못된 지식과 개념은 학생들의 비과학적 개념을 교정하기 힘들게 만들뿐 아니라 학생들의 오개념을 형성시키거나 더욱 왜곡시켜 과학 학습에 부정적인 영향을 줄 수 있다[13, 14]. 특히 초등교사의 과학 교과 내용에 대한 지식은 과학 교과 교수 능력과 밀접한 관련이 있다는 점에서[10, 12] 학생들에게 빛과 관련된 개념을 효과적으로 지도하기 위해서 초등교사는 해당 개념에 대한 올바른 지식과 이해를 갖추고 있어야 한다[15, 16].

예비초등교사들의 선개념에 대한 연구는 예비교사들의 개념 이해 수준을 파악함으로써 학생들에게 올바른 과학 개념을 지도하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있으므로 중요하다. 그리고 예비초등교사들이 지닌 선개념을 분석한 자료는 교원양성 대학교에서 효과적인 과학 수업을 위한 교육 프로그램을 개발하고 수립하는데 활용될 수 있다. 광학 현상은 인간의 기본적인 지각에서 비롯된 오개념이 많기 때문에[1] 다른 오개념에 비하여 상대적으로 일정한 패턴을 보이며 한두 번의 학습으로 쉽게 교정되기 힘들다[17-19]. 예비초등교사들이 빛에 대한 오개념을 과학적 개념으로 제대로 교정하지 않은 채 대학교를 졸업하게 되면, 추후 학교 현장에서 학생들에게 올바른 빛 개념을 지도하는데 부정적인 영향을 줄 수 있다[7, 8]. 따라서 빛에 대한 예비초등교사들의 선개념을 이해하고 분석하는 것은 빛에 대한 오개념이 상대적으로 많은 초등학생들을 지도하기 위해 선행되어야 한다.

빛에 대한 예비초등교사들의 선개념과 관련하여 빛의 직진, 그림자, 거울, 반사, 렌즈, 굴절, 상 등 빛의 여러 성질과 관련된 다양한 연구가 진행되어 왔다[2, 3, 9, 10, 12]. 이중 빛의 직진성은 그림자, 반사, 굴절, 상과 같은 다른 광학 개념들을 이해하기 위한 기초 개념에 해당되기 때문에[20] 과학과 교육과정에서는 빛과 관련된 여러 개념 중 빛의 직진 개념이 가장 먼저 제시되고 있다. 초등학교 과학과 교육과정에서는 빛의 직진성과 관련된 내용으로 그림자 개념 및 바늘구멍 사진기가 제시되고 있기 때문에¹[20, 21] 빛이 직진하는 성질과 관련하여 예비초등교사들이 지닌 선개념에 대한 연구는 그림자 및 바늘구멍 사진기의 원리와 유사한 작은 구멍을 통과한 빛이 스크린에 투영되는 모습을 다룬 연구가 주로 진행되어 왔다[1, 8, 10, 22]. Galili and Hazan[1]의 연구에서는 가림막의 작은 구멍을 통과한 꼬마전구 빛의 경로와 스크린에 비치는 빛의 모습에 대한 예비교사들의 개념을 조사한 결과, 많은 예비교사들은 감각적 경험에서 비롯된 비과학적 개념을 가지고 있었으며, 점광원에 대한 이해가 부족한 모습을 보여주었다. Lee[8]의 연구에서는 점광원 또는 선광원을 활용하여 한 개 또는 두 개의 광원에서 나온 빛이 삼각 구멍이 뚫린 가림판을 통과하여 스크린에 도달하기까지의 빛의 진행에 대한 예비초등교사들의 선개념을 분석하였다. 분석 결과, 높은 비율의 예비초등교사들은 선광원이 점광원의 집합체라는 사실을 인지하지 못하고 있었으며, 광원의 빛이 스크린에 도달하기까지의 빛의 진행 과정에 대한 이해가 부족하여 문제 상황에 따라 비과학적 개념을 혼용하는 모습을 보이기도 하였다. Go and Lee[10]의 연구에서는 초등 과학 교육과정 중 빛의 직진과 반사 단원에서 예비초등교사들이 느끼는 불일치(교사용 지도서와 선개념 사이의 불일치)를 탐색한 결과, 광원 및 광원에서 방출되는 빛의 경로에 대한 예비교사들의 이해가 부족하다는 것을 보여주었다. 또한 여러 종류의 전구에서 나온 빛이 삼각형 구멍을 통과한 후 스크린에 도달하는 모양에 대한 예비교사들의 사전 개념을 확인한 결과, 예비교사들의 빛과 그림자에 대한 개념 이해 수준이 낮았다는 Lee et al.[22]의 연구도 진행되었다.

이상 제시한 바와 같이 작은 구멍을 통과한 전구의 빛이 스크린에 투영되는 모양에 대한 예비초등교사들의 선개념은 과학적 개념과 차이가 있으며, 광원의 성질 또는 스크린에 비치는 상²에 대한 예비초등교사들의 이해 수준이 낮다는 것을 알 수 있다. 더욱이 현직초등교사들도 그림자 및 바늘구멍 사진기 원리가 적용된 작은 구멍에 의한 빛 모양에 대한 오개념이 많은 것으로 나타났으며[12, 19, 20, 26], 고등학교에서 이과를 선택하고 대학교 학부 과정에서 과학을 심화로 학습한 초등교사들 조차도 빛과 상에 대한 이해가 부족한 모습을 보이기도 하였다[9]. 초등학생들에게 이러한 개념을 정확히 지도하기 위해서 초등교사들은 빛의 진행 경로뿐 아니라 광원에 대하여 정확하게 이해하고 있어야 한다[27, 28]. 특히 2015 개정 교육과정에서는 학생이 관찰한 빛의 진행 경로를 관찰하며 그려보는 활동도 권장되고 있다는 점에서[21] 초등학교 과학 교육과정에서 다루는 그림자, 거울, 렌즈 개념을 정확히 이해하여 지도하기 위해서는 광원에서 빛이 나오는 경로에 대한 이해가 필수적이다. 훌륭한 교사는 교과 내용에 대한 충분한 지식을 갖추고 있어야 한다[29]. 따라서 현직초등교사들을 대상으로 한 재교육(예: 과학 연수)보다는 예비초등교사들에게 초등교사로 임용되기 전에 정확한 개념을 지도하는 것이 더욱 중요하다. 이를 위해 교원양성 대학교에서는 빛의 진행 경로 및 광원에 대한 예비초등교사들의 선개념 수준을 미리 파악하여 이를 고려한 맞춤식 교육 프로그램을 개발할 필요가 있지만 이에 대한 연구는 부족한 상황이다.

빛의 진행 경로 및 광원에 대한 예비초등교사들의 이해 수준을 파악하기 위해서는 스크린에 투영되는 빛 모양이 상하 대칭이 되는 점광원 또는 선광원만 따로 활용하기보다 점광원과 선광원이 합쳐져 상하 비대칭이 되는 복합광원도 함께 이용하는 것이 좋다[30]. 그리고 스크린에 나타나는 빛 모양은 구멍의 모양에 영향을 받는다고 생각하는 오개념이 많기 때문에[20, 23, 30, 31], 가림판의 작은 구멍 모양을 달리하여 예비초등교사들의 선개념을 심층적으로 분석하는 연구가 수행될 필요가 있다. 특히, 가림판의 작은 구멍 모양이 둥근 모양만 있을 경우, 구멍을 통과하여 스크린에 나타나는 전구의 빛 모양이 둥글다고 응답했을 때, 응답의 이유가 둥근 모양의 전구(광원) 때문인지, 둥근 모양의 구멍 때문인지, 아니면 둘 다 때문인지 명확히 판단하기 어렵다. 따라서 광원에서 나온 빛이 구멍을 통과하여 진행하는 경로를 다룰 때는 둥근 모양 외에도 삼각 구멍과 같은 비대칭적인 구멍을 동시에 활용하여 비교하는 것이 좋다. 작은 구멍을 통과한 빛이 스크린에 나타나는 모양에 대하여 예비초등교사들의 응답을 다룬 연구는 있었지만[1, 8, 10, 22], 해당 연구들은 예비초등교사들의 선개념 분석이 초점이 아닌 교사용 지도서와 초등예비교사의 내용 지식 체계 사이의 불일치를 탐색하거나[10] 교육용 콘텐츠 개발에 초점을 맞추었다[22]. 그리고 하나의 점광원이 둥근 구멍을 통과하는 상황[1] 또는 복합광원은 다루지 않고 삼각 구멍만 활용한 연구[8, 22]에 한정되었다. 또한 이들 연구는 대학교에 갓 입학한 예비초등교사가 아닌 교육대학교 3학년[10] 또는 4학년[8]에 재학 중인 학생을 대상으로 진행한 연구이기 때문에 대학교 입학 이후 심화과정 또는 수강 과목에 따라 이미 빛 또는 광학 개념을 학습한 학생이 혼재되어 있을 수 있으며, 연구에 참여한 예비초등교사 수가 1명[22] 또는 30명[8]으로 적고, 예비교사들의 주요 선개념을 유형화하지 않고 각 문항별 응답을 단순히 나열하거나[1, 8, 10] 정답률만 제시하는데 그쳤기 때문에[22] 이러한 연구 결과를 일반화하여 교원양성 대학교에서 교육과정 편성 시 참고 자료로 활용하기엔 부족하다. 예비초등교사들의 대학교 입학 당시의 선개념을 분석하여 유형화한다면, 오개념의 주요 원인을 파악하기 쉬워지며, 오개념을 효과적으로 교정하는데 도움이 될 수 있다.

이에 본 연구에서는 대학교 입학 이후 빛 또는 광학 수업 수강 경험이 없는 예비초등교사들이 점광원(꼬마전구), 선광원(긴 필라멘트 전구), 점광원와 선광원이 합쳐진 복합광원에서 나오는 빛이 가림막의 원형 또는 삼각형의 작은 구멍을 통과하여 스크린에 투영되는 빛 모양에 대하여 어떠한 개념을 가지고 있는지 확인하고, 여러 문제에 걸쳐 나타난 예비초등교사들의 일관된 응답을 추출하여 예비초등교사들이 지니고 있는 주요 선개념을 분석하고 유형화하고자 한다. 본 연구 결과는 교원양성 대학교에서 광원에서 빛이 나오는 경로와 관련된 예비초등교사들의 오개념을 효과적으로 교정하기 위한 교수·학습 지도 방향을 제시할 수 있으며, 관련 교육 프로그램 개발 및 교육과정 편성에 대한 시사점을 도출하고자 한다.

1. 연구참여자

교원양성 대학교에 입학한 이후 빛 또는 광학에 대한 수업을 수강한 경험이 없는 참여자를 선정하는 데 초점을 두었다. 따라서 광역시에 위치한 한 교육대학교 1학년 중, 대학교 입학 이후 빛 또는 광학 수업 수강 경험이 없는 4개 심화과정(인문사회과학계열 2개, 자연과학계열 2개) 105명의 예비초등교사를 대상으로 연구를 진행하였다. 연구참여자 모두 ‘초등과학교육론’ 수업을 수강하고 있었으며, 이 수업 과정에서 가림판의 작은 구멍을 통과하여 흰 스크린에 나타나는 전구의 빛 모양에 대한 연구참여자들의 선개념을 검사하였다. 선개념 검사 문제 10문제 중 1 문제 이상 응답이 누락되거나 표기가 명확하지 않아 정확한 응답 확인이 힘든 1명의 응답을 제외하여 최종적으로 104명(남: 23명, 여: 81명)의 응답을 분석하였다.

2. 선개념 검사 문제

원형 또는 삼각형의 작은 구멍을 통과하여 흰 스크린에 나타나는 전구의 빛 모양에 대한 예비초등교사들의 선개념을 조사하기 위하여 사용한 개념 검사 문제는 Table 1에 제시하였다. 검사 문제는 작은 구멍을 통과한 전구의 빛 모양에 대한 학생 및 교사들의 선개념을 분석한 다수의 선행연구[1, 8, 10, 12, 19, 20, 22, 26, 30] 및 Physics by inquiry 교재[25]를 참고하여 구성하였다. 본 연구에서는 빛의 경로를 이해하는데 핵심적인 점광원과 선광원의 관계(즉, 선광원은 점광원의 연속된 집합체라는 개념)[30]를 다루기 위하여 점광원(꼬마전구)과 선광원(긴 필라멘트 전구)이 합쳐진 복합광원이 포함된 문제도 포함시켰다. 선개념 검사 문제는 둥근 구멍의 가림판이 사용된 5문제(QC1–QC5) 및 삼각 구멍의 가림판이 사용된 5문제(QT1–QT5), 총 10문제로 구성되었다(Table 1 참고). 각 문제의 구체적 상황은 꼬마전구 1개(QC1 또는 QT1), 꼬마전구 2개(QC2 또는 QT2), 일렬로 배치된 꼬마전구 3개(QC3 또는 QT3), 긴 필라멘트 전구 1개(QC4 또는 QT4), 꼬마전구 1개와 긴 필라멘트 전구 1개(QC5 또는 QT5)에서 나온 빛이 불투명한 가림판의 둥근 또는 삼각 구멍을 통과한 후 스크린에 투영되는 빛 모양을 예상하고, 그렇게 생각한 이유를 그림과 글로 설명하도록 요구하는 내용으로 구성되었다.

Table 1 Questionnaire of preconception test.

Circular hole		Triangular hole
Question number	Context	Question number	Context
QC1		QT1
QC2		QT2
QC3		QT3
QC4		QT4
QC5		QT5

3. 자료 처리 및 분석

우선 10개의 선개념 검사 문제에 대하여 글과 그림으로 설명된 예비초등교사들의 응답이 적힌 문제지를 수거한 직후, 각 문제에 대한 응답이 모호하거나 글과 그림의 설명이 상충될 경우 추가 질문을 통해 예비초등교사들의 선개념을 보다 정확히 확인하고자 하였다. 이후 10개 문제에 대한 예비교사들의 모든 응답을 분석하였다. 결과 분석에 활용된 총 104부(105부 중 1부는 응답이 누락되어 제외함)중 무작위로 선택된 40부(38.5%)의 응답을 2명의 물리교육 전문가(물리교육 교수 1인, 물리교육 박사 1인)가 독립적으로 코딩하고 검토하였다. 평가자 간 일치도는 94.5%로 나타났으며, 일부 의견의 차이는 충분한 논의를 통하여 해결하였다.

결과 분석은 크게 두 단계로 이루어졌다. 첫 번째 단계에서는 광원별 작은 구멍(둥근 구멍 또는 삼각 구멍)을 통과하여 스크린에 나타난 전구의 빛 모양에 대한 예비초등교사들의 응답(정답 및 오답) 및 응답 비율을 둥근 구멍을 통과한 빛 모양과 삼각 구멍을 통과한 빛 모양으로 구분하여 개괄적으로 분석하였다. 두 번째 단계에서는 10개의 선개념 검사 문제에서 일관되게 나타난 예비초등교사들의 선개념(과학적 개념 및 오개념)을 유형별로 분석하였다.

1. 광원별 작은 구멍을 통과한 빛의 모양에 대한 예비초등교사들의 응답

1) 둥근 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양에 대한 응답

둥근 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양에 대한 예비초등교사들의 응답은 Table 2에 제시하였다. 하나의 꼬마전구에서 나온 빛이 둥근 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양을 묻는 문제(QC1)에서는 103명(99.0%)의 예비초등교사들이 올바른 응답을 하였으며, 두 개(QC2)와 세 개(QC3)의 꼬마전구를 활용한 문제에서는 각각 19명(18.3%), 20명(19.2%)의 예비초등교사들이 스크린에 나타난 빛 모양을 올바르게 표현하였다. 또한 하나의 긴 필라멘트 전구를 활용한 문제(QC4)에서는 18명(17.3%), 꼬마전구 및 긴 필라멘트 전구가 하나씩 활용된 문제(QC5)에서는 6명(5.8%)의 예비초등교사들이 과학적으로 응답하였다. QC2, QC3, QC4 문제의 정답률은 비슷했지만 QC5 문제의 정답률은 낮았다. Figure 1에 나타난 바와 같이 QC5 문제의 정답을 맞히기 위해서는 나머지 문제와 달리 점광원과 선광원의 차이를 구분할 수 있어야 하며, 스크린에 나타난 빛 모양은 가림판의 둥근 구멍을 중심으로 점대칭 형태로 나타난다는 개념을 알고 있어야 한다. 하지만 QC5번 문제에서 정답()을 표기한 인원수가 하나의 긴 모양() 또는 광원과 동일한 모양()으로 응답한 수와 큰 차이가 없었던 것으로 보아 광원으로부터 나온 빛이 직진하여 둥근 구멍을 통과한 후 스크린에 비치는 원리에 대한 이해가 부족한 것으로 판단된다.

Figure 1. Examples of scientific explanations of the lit area on the screen (translated into English).

Table 2 Frequency of pre-service elementary school teachers’ responses in the questionsemploying a circular hole.

	Response							Others
Question
QC1		103 (99.0%)*	·	·	·	·	·	1 (1.0%)
QC2		80 (76.9%)	19 (18.3%)*	·	3 (2.9%)	·	·	2 (1.9%)
QC3		80 (76.9%)	·	20 (19.2%)*	3 (2.9%)	·	·	1 (1.0%)
QC4		84 (80.8%)	·	1 (1.0%)	18 (17.3%)*	·	·	1 (1.0%)
QC5		71 (68.3%)	11 (10.6%)	1 (1.0%)	6 (5.8%)	6 (5.8%)*	4 (3.8%)	5 (4.8%)

* Correct answer; The size of the lit area on the screen was not considered.

둥근 구멍이 적용된 다섯가지 문제 모두에서 광원의 모양이나 개수에 관계없이 스크린에 투영되는 빛의 모양은 하나의 원형(●)일 것이라고 응답한 예비초등교사들이 가장 높은 비율을 차지하였다(68.3–99.0%). 이들 중 대부분은 Kim et al.[30]의 연구에서 제시된 바와 같이 전구의 종류(꼬마전구 또는 긴 필라멘트 전구)와 상관없이 각 전구에서 가림판을 향해 수평의 평행한 빛이 진행하며, 가림막의 구멍을 통과한 빛이 그대로 스크린에 도달하기 때문에 가림막의 구멍과 비슷한 하나의 둥근 모양의 빛 모양이 스크린에 나타날 것이라 응답하였다(Fig. 2의 a 참고). 또한 일부 예비초등교사들은 Fig. 2의 b 또는 e와 유사하게 각 전구에서 나온 빛이 가림막의 구멍을 통과한 후 하나로 합쳐져 스크린에 도달한다고 예상하기도 하였다. 일부 예비초등교사들은 Fig. 5와 같이 직진하던 전구의 빛이 가림판의 구멍을 통과한 후 계속 이어져 스크린에 도달할 때 하나로 합쳐져 하나의 둥근 모양을 나타낼 것이라 응답하기도 하였다. 이렇게 응답한 대부분의 예비초등교사들은 가림판의 구멍보다 더 큰 원형의 빛 모양이 스크린에 나타날 것으로 생각하고 있었다.

Figure 2. Examples of explanations as to why one lit area will appear on the screen.

Figure 5. Examples of explanations that the lit area increases with the number or size of bulbs.

2) 삼각 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양에 대한 응답

삼각 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양에 대한 예비초등교사들의 응답은 Table 3에 제시하였다. 하나의 꼬마전구에서 나온 빛이 삼각 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양을 묻는 문제(QT1)에서는 87명(83.7%)의 예비초등교사들이 올바른 응답을 하였으며, 두 개(QT2)와 세 개(QT3)의 꼬마전구를 활용한 문제에서는 동일하게 18명(17.3%)의 예비초등교사들이 과학적으로 올바르게 응답하였다. 또한 하나의 긴 필라멘트 전구를 활용한 문제(QT4)에서는 3명(2.9%), 꼬마전구 및 긴 필라멘트 전구가 하나씩 활용된 문제(QT5)에서는 단 2명(1.9%)의 예비초등교사들만 과학적으로 올바르게 응답하였다.

Table 3 Frequency of pre-service elementary school teachers’ responses in the questions employing a triangular hole.

	Question										Others
Response
QT1		87 (83.7%)*	·	·	·	·	·	·	·	15 (14.4%)	2 (1.9%)
QT2		67 (64.4%)	18 (17.3%)*	·	·	·	2 (1.9%)	·	·	11 (10.6%)	6 (5.8%)
QT3		67 (64.4%)	·	18 (17.3%)*	·	·	2 (1.9%)	·	·	12 (11.5%)	5 (4.8%)
QT4		73 (70.2%)	·	1 (1.0%)	3 (2.9%)*	·	11 (10.6%)	·	·	10 (9.6%)	6 (5.8%)
QT5		60 (57.7%)	10 (9.6%)	1 (1.0%)	·	2 (1.9%)*	3 (2.9%)	3 (2.9%)	3 (2.9%)	11 (10.6%)	11 (10.6%)

* Correct answer; The size of the lit area on the screen was not considered.

긴 필라멘트 전구가 활용된 문제(QT4, QT5)의 경우, 스크린에 나타난 빛 모양은 삼각 구멍의 모양이 길어진 것( 또는 또는 )처럼 보인다고 응답한 예비초등교사들의 비율이 정답 비율보다 더 높았다. 이렇게 응답한 예비교사들은 ‘전구가 길기 때문에 빛 모양도 길게 나타난다’로 서술한 것과 같이 선광원을 연속된 점광원의 집합체라 생각하지 못하고 단지 하나의 긴 광원으로 간주하여 문제를 해결하였다. 이와 같이 광원의 모양은 작은 구멍을 통과하여 스크린에 투영되는 빛 모양에 영향을 준다는 결과는 초등학생, 중학생, 그리고 현직 교사를 대상으로 한 여러 선행연구[20, 23, 30, 31]에서도 확인된 바 있다.

2. 작은 구멍을 통과한 전구의 빛 모양에 대한 예비초등교사들의 선개념

10개의 선개념 검사 문제에서 일관되지 않고 문제 상황에 따라 각각 다르게 응답한 예비초등교사는 전체 104명 중 28명(26.9%)으로 나타났다. 이들은 Lee[8]가 지적한 바와 같이 대체적으로 광원 및 빛의 직진성에 대한 이해가 부족하였으며, 불확실하거나 견고하지 않은 개념 이해로 문제 상황에 따라 과학적 개념과 비과학적 개념이 혼용되는 모습을 보였다. 일반적으로 빛의 이동경로와 관련하여 상황에 따라 각각 다르게 응답하는 이유는 사전지식 또는 여러 상황에 따른 학습 경험이 부족하기 때문이다[32]. 초등 및 중등 과학과 교육과정에서는 빛의 직진성 개념은 다루고 있지만, 작은 구멍을 통과한 전구의 빛이 진행하는 경로에 대한 내용은 직접적으로 다루고 있지 않다. 본 연구에 참여한 예비초등교사들 모두 전구의 빛이 직진한다는 개념을 알고 있었지만 문제 상황에 따라 서로 다른 개념을 적용하여 응답한 이유는 주어진 문제 상황에 대한 학습 경험이 부족하였기 때문으로 판단된다. 이와 같이 과학 학습에서 주어진 문제에 대한 학생들의 응답은 상황에 따라 다른 경우가 많다[33-35]. 이러한 이유는 주어진 문제에 대한 학생들의 응답이 내면에 있는 견고한 생각이라기보다 특수한 문제 상황에서 즉흥적으로 생성된 상황 의존적인 반응에 가깝기 때문이다[36]. 따라서 본 절에서는 해당 문제 상황에서 즉흥적으로 생성된 상황 의존적인 응답이 아닌, 10개의 검사 문제에서 일관되게 나타난 예비초등교사들의 주요 선개념을 분석한 결과를 제시하였다.

1) 과학적 개념

본 연구에 참여한 예비초등교사들은 초등학교 및 중학교 과학 수업에서 빛의 직진성에 대하여 학습을 하였지만 10개의 선개념 검사 문제 모두에서 과학적으로 올바르게 응답한 예비초등교사는 전체 104명 중 2명(1.9%; 2명 중 1명의 학부 심화과정은 인문사회과학계열)이었다. 이들은 Fig. 1과 같이 선광원은 점광원의 집합체라는 개념도 정확히 이해하고 있었으며, 광원에서 나온 빛이 사방으로 퍼져서 직진하고, 작은 구멍을 중심으로 대칭적으로 스크린에 도달할 것으로 생각하고 있었다.

2) 스크린에 비치는 전구의 빛 모양은 작은 구멍의 모양과 일치한다고 생각하는 오개념

다수의 선행연구에 의하면 광원으로부터 나온 빛이 작은 구멍을 통과하여 스크린에 비치는 빛 모양은 구멍의 모양에 영향을 받는다고 생각하는 학생들이 많다[20, 23, 30, 31]. 이러한 연구 결과와 유사하게 본 연구에서도 Table 4와 같이 가림판의 구멍 모양에 따라 스크린에 비치는 전구의 빛 모양이 나타난다고 응답한 예비초등교사들은 전체 104명 중 61명(58.7%)이었다. 이들은 가림판의 둥근 구멍을 통과한 빛 모양은 스크린에 둥근 모양으로, 삼각 구멍을 통과한 빛 모양은 스크린에 삼각 모양으로 나타날 것이라 생각하고 있었다. 이중 가장 높은 비율을 차지한 53명(51.0%)의 예비초등교사들은 Fig. 2에 제시된 바와 같이 전구에서 나온 빛은 한 개의 가림막 구멍을 통과하였기 때문에 스크린에 도달한 빛 모양 역시 구멍 모양과 동일한 한 개의 빛 모양이 나타날 것이라고 응답하였다. 이들은 빛은 직진하기 때문에 구멍의 모양이 곧 스크린에 비친 빛의 모양이라거나 빛은 곧게 나아가는 성질이 있기 때문에 구멍의 모양대로 구멍이 뚫린 부분만 빛이 통과해 스크린에 비친다고 생각하고 있었다. 이렇게 생각하는 예비초등교사들은 점광원과 선광원을 구분하여 생각하지 못했으며, 광원에서 나온 빛은 모두 평행광선으로 생각하거나(Fig. 2의 a, c, d 참고) 전구에서 나온 빛이 구멍을 통과한 이후에는 스크린을 향하여 수평으로 직진한다고 응답하였다(Fig. 2의 b, e 참고). 이러한 결과는 선광원을 하나의 단일 광원으로 간주하며, 선광원의 세로 부분에서 광원과 수직방향으로 평행한 빛이 나온다고 생각하는 예비초등교사가 많았다는 Lee[7]의 연구에서도 제시된 바 있다. 대학교 입학 이전 과학 시간에 예비초등교사들은 직진하는 빛이 불투명한 물체에 의해 막히게 되면, 빛의 진행 경로를 막고 있는 물체와 같은 형태의 그림자가 물체의 뒷면에 형성된다고 학습하였다[21, 30]. 그리고 일상 경험에 의해 빛의 진행 경로 뒤에 비친 그림자 모양은 빛의 경로를 가린 물체의 모양에 영향을 받는다는 사실을 인식하였다[1]. 따라서 전구에서 나온 빛이 불투명한 가림판에 의해 막히기 때문에 전구의 모양이나 개수와 관계없이 스크린에 투영되는 빛 모양(그림자 모양과 개념상 같음)은 가림판 구멍(물체의 모양)과 동일한 모양이라고 생각했을 것으로 판단된다.

Table 4 Types of responses derived from the preconception that the lit areas are formed based on the shape of a small hole.

Question	QC1	QT1	QC2	QT2	QC3	QT3	QC4	QT4	QC5	QT5	N(%)
Response											53 (51.0%)
											8 (7.7%)

스크린 위에는 하나의 원형 또는 삼각형의 빛 모양이 나타날 것이라 응답한 53명 중 35명(66.0%)의 예비초등교사들은 Kim et al.[30]의 연구에서 제시된 바와 마찬가지로 전구의 개수(또는 전구의 크기)가 늘어나면(증가하면) 스크린에 비치는 빛 모양에는 영향을 주지 않지만 스크린에 비친 빛은 더 밝아진다고 생각하고 있었다. 이들은 Fig. 2의 b 또는 e와 같이 전구에서 방출된 빛이 작은 구멍에서 하나로 합쳐져 스크린으로 진행한다고 생각하고 있었다. 즉, 전구가 많아지면 구멍을 통과하는 빛의 양은 많아져 스크린에 비친 빛은 더 밝아지지만 구멍을 통과한 빛의 진행 경로는 바뀌지 않기 때문에 스크린에 비치는 빛 모양도 변하지 않을 것으로 생각하고 있었다. 반면, 53명 중 나머지 18명(34.0%)의 예비초등교사들은 Fig. 2의 c와 같이 전구로부터 평행하게 직진하던 빛은 가림판에 막혀 스크린에 도달하지 않기 때문에 전구의 개수가 늘어나더라도 작은 구멍을 통과하는 빛의 양은 변하지 않아 전구의 개수(또는 전구의 크기)는 스크린에 비친 빛 모양의 밝기와 상관없다고 생각하고 있었다.

한편, 스크린에 도달한 빛 모양은 가림판 구멍의 모양과 더불어 전구의 개수에도 영향을 받는다고 생각하는 예비초등교사들도 있었다(8명, 7.7%). 이들은 전구에서 나온 빛은 직진하여 가림판의 구멍으로만 통과할 수 있기 때문에 전구의 모양과 상관없이 구멍의 모양에 따라 달라지며, 전구가 1개일 때 스크린에 나타나는 빛 모양은 1개, 전구가 2개일 때에는 빛 모양도 2개, 전구가 3개일 때에는 빛 모양도 3개가 만들어진다고 생각하고 있었다. 이렇게 응답한 예비교사들은 QC1–QT3번 문제까지는 Fig. 1의 a와 같이 꼬마전구를 하나의 점광원처럼 간주하여 빛이 방사형으로 뻗어나가는 것으로 표현하며 과학적으로 바르게 설명하였다. 하지만 긴 필라멘트 전구가 포함된 QC4 –QT5번 문제에서는 긴 필라멘트 전구의 경우 점광원들이 일렬로 길게 나열되어 빛을 방사한다고 생각하지 못하고, Fig. 3과 같이 긴 필라멘트 전구의 가운데 부분에서 수평의 평행한 광선이 방출된다고 생각하여 문제를 해결하였다(이들 중 일부는 긴 필라멘트의 양 끝부분(윗/아랫부분)에서만 빛이 모든 방향으로 진행한다고 표현하였다). 이와 같이 빛의 직진성을 평행광과 혼용하는 경향은 초등학생 및 중학생을 대상으로 한 다수의 선행연구에서도 확인할 수 있다[23, 30, 31, 37]. 현재 일부 과학과 교사용 지도서에서도 직진하는 빛을 나타내는 과정에서 빛을 마치 평행광처럼 표현한 그림이 제시되어 있기 때문에 하나의 광원에서 방출되는 빛과 평행광의 차이에 대한 이해가 부족한 예비초등교사들은 오개념을 형성할 여지가 있다. 따라서 교원양성 대학교에서는 예비초등교사들이 빛의 직진성과 평행광을 명확히 구분할 수 있게 지도할 필요가 있다.

Figure 3. Examples of explanations describing light going in parallel rays from a long filament bulb.

3) 작은 구멍을 통과한 빛이 둥글게 퍼진다고 생각하는 오개념

Table 5와 같이 가림막의 작은 구멍을 통과한 빛은 구멍의 모양과 상관없이 둥글게 퍼진다고 응답한 예비초등교사는 전체 104명 중 8명(7.7%)이었다. 이중 가림막 구멍의 모양이나 광원의 모양과 상관없이 스크린에 나타난 빛 모양은 모두 하나의 둥근 모양(●)일 것이라고 응답한 예비초등교사는 6명(5.8%)이었다. 이들은 작은 구멍을 통과한 빛이 구멍으로부터 퍼지게 되면 구멍의 모양과 상관없이 결국 다 동그랗게 될 것이라고 생각하고 있었다. 이중에는 전구가 많아질수록 빛의 세기가 더 세어지게 되고 결과적으로 스크린에 비친 빛 모양도 더 선명해지거나(1명) 더 잘 퍼져서 더욱 완벽한 둥근 모양(1명)이 된다고 응답한 예비교사도 있었다.

한편, 작은 구멍을 통과한 빛은 둥글게 퍼지지만, 전구의 개수에 따라 스크린에 나타난 빛 모양이 결정된다고 생각하고 있는 예비초등교사도 2명(1.9%) 있었다. 이들은 Fig. 1의 a와 같이 전구에서 나온 빛은 가림판 구멍을 기준으로 대칭하여 직진한다는 개념은 알고 있었으나, Fig. 4에 나타난 바와 같이 구멍을 통과한 빛은 구멍의 크기(면적)로 정해지기 때문에 광원의 크기(꼬마전구 또는 긴 필라멘트 전구)와 상관없이 가림판의 구멍 크기와 동일한 크기의 하나의 원 모양으로 스크린에 투영된다고 생각하고 있었다. 특히 이들은 꼬마전구에서 나오는 빛도 한점에서 사방으로 뻗어나가는 것이 아닌 평행광선으로 표현하고 있었으며, 긴 필라멘트 전구는 수많은 점광원이 일렬로 집합된 선광원이라는 개념을 알지 못한 채 꼬마전구와 유사하게 평행한 광선을 그려 설명하고 있었다.

Figure 4. An example of an explanation that the light passing through a small hole is determined by the hole size.

4) 전구의 개수 또는 크기가 커질수록 빛 모양이 더 커진다고 생각하는 오개념

Table 6에 제시된 바와 같이 전구의 개수 또는 크기가 커질수록 빛의 세기가 더 강해지고 결과적으로 스크린에 비친 빛 모양이 더 커진다고 생각하는 예비초등교사들은 전체 104명 중 5명(4.8%)으로 나타났다. 이들은 스크린에 비친 빛 모양은 전구의 개수 또는 크기에 비례한다고 생각하면서도 앞서 살펴보았던 전구의 빛 모양은 작은 구멍의 모양과 일치한다는 생각(3명; Table 6의 첫 번째 및 두 번째 유형)이나 작은 구멍을 통과한 빛이 둥글게 퍼진다는 생각(1명; Table 6의 세 번째 유형)에서 비롯되었다. 이렇게 응답한 예비교사들은 Fig. 5의 a, b, d와 같이 각 광원에서 나온 빛은 작은 구멍을 통과하여 빛의 세기가 더 강해짐과 동시에 하나로 합쳐진 빛 모양이 나타날 것으로 예상하였다. 또한 Table 6의 마지막 유형과 같이 응답한 예비교사는 ‘광원의 길이가 세로로 길어졌으므로 세로로 빛이 더 많이 퍼져 세로로 긴 형태가 될 것 같다’로 언급하며 전구의 개수가 증가함에 따라 스크린에 비친 빛 모양도 커질 것이라 생각하였다(Fig. 5의 d 참고). 꼬마전구에 의한 빛 모양은 꼬마전구의 개수(일렬로 배열된 개수)와 상관없이 길어지지 않지만, 긴 필라멘트 전구에 의한 빛 모양은 가림막 구멍 모양을 쭉 늘어트린(stretching) 모양으로 생각하는 오개념은 물리학을 전공하는 대학생들을 대상으로 한 Wosilait et al.[38]의 연구에서도 제시된 바 있다.

Table 6 Types of responses derived from the preconception the lit area becomes larger as the number or size of bulbs increases.

Question	QC1	QT1	QC2	QT2	QC3	QT3	QC4	QT4	QC5	QT5	N(%)
Response											2(2.0%)
											1 (1.0%)
											1 (1.0%)
											1 (1.0%)

본 연구에서는 교원양성 대학교에 입학한 이후 빛 또는 광학 수업을 수강한 경험이 없는 예비초등교사들을 대상으로 구멍의 모양 및 광원의 종류를 달리하여 작은 구멍을 통과한 전구의 빛 모양에 대한 선개념을 분석하여 유형화하였다. 이를 위하여 가림판 구멍 모양은 둥근 모양과 삼각 모양으로 구분하고, 점광원(꼬마전구), 선광원(긴 필라멘트 전구), 점광원과 선광원이 합쳐진 복합광원이 활용된 10개의 선개념 검사 문제에서 예비초등교사들로 하여금 전구의 빛이 스크린에 투영되는 모양을 예상하고, 그렇게 생각한 이유를 그림과 글로 설명하도록 하였다. 분석 결과, 전체 10개의 문제에서 과학적 개념으로 응답한 2명(1.9%)의 예비교사를 제외한 대부분의 예비초등교사들은 광원의 개수나 모양에 상관없이 둥근 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양은 하나의 둥근 모양이고, 삼각 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양은 하나의 삼각 모양일 것이라고 응답하였다. 이렇게 응답한 주된 이유는 예비초등교사들이 선광원을 연속된 점광원의 집합체라 생각하지 못하였으며, 전구에서 방출되는 빛이 수평의 평행한 광선으로 진행하여 불투명한 가림판의 모양에 영향을 받는다고 생각했기 때문이다. 또한 모든 문제에 걸쳐 일관된 오개념을 적용하여 응답한 예비초등교사는 74명(71.2%)이었다. 이들은 광원 및 빛의 진행 경로에 대한 이해가 부족했으며, 스크린에 비치는 전구의 빛 모양은 가림판의 작은 구멍의 모양과 일치한다고 생각하거나 작은 구멍을 통과한 후 빛이 둥글게 퍼진다고 생각하고 있었다. 그리고 전구의 개수 또는 크기가 커질수록 스크린에 비친 빛 모양이 더 커진다고 생각하는 예비교사들도 있었다.

전반적으로 예비초등교사들은 광원의 종류 및 가림판의 구멍 모양에 따라 스크린에 비치는 빛 모양에 대하여 올바른 설명을 하지 못하였다. 연구에 참여한 예비초등교사들은 모두 전구에서 방출되는 빛이 직진한다는 개념을 알고 있었다. 하지만 전체적으로 문제의 오답률이 높았던 주된 이유는 광원 및 광원에서 방출되는 빛에 대한 이해가 부족했고, 본 연구에서 사용한 선개념 검사 문제의 상황을 학습한 경험이 부족했기 때문으로 판단된다. 특히 예비초등교사들의 선개념 유형 중 광원의 모양에 기인한다고 생각하는 유형이 없다는 점은 모든 문제에서 과학적으로 올바르게 응답한 2명의 예비초등교사를 제외한 나머지 예비초등교사들은 광원의 모양 및 개수에 따라 스크린에 나타나는 빛 모양이 달라질 수 있다는 내용에 대한 이해가 부족함을 시사한다. 따라서 빛 개념 지도에 필수적인 광원 개념은 교원양성 대학교에서 필수적으로 가르쳐야 한다고 생각된다. 광원의 성질과 연계한 빛의 직진 및 진행 경로에 대한 개념은 이후의 광학 개념 학습 지도에 기초가 되기 때문에 초등교사가 정확히 알고 있어야 하는 개념이다. 따라서 교원양성 대학교에서 예비초등교사들에게 빛의 진행 경로 및 광원 개념을 효과적으로 지도하기 위해서는 빛의 진행 경로에 대한 작도 등 해당 개념을 가르치는데 필요한 학습 경험을 제공할 수 있는 교육 프로그램을 개발하고 편성해야 한다.

비록 현재 초등학교 과학과 교육과정에서 빛이 직진한다는 성질과 함께 그림자 개념 및 그림자가 생기는 원리가 도입되고, 빛의 진행 경로를 관찰하고 그려보는 활동이 권장되지만 초등학생의 발달 수준을 고려하여 일상의 경험과 관련된 그림자에 대한 정량적 실험이 제시될 뿐 광원의 성질이나 광원에서 빛이 나아가는 원리에 대한 내용을 구체적으로 다루지 않는다. 그리고 중학교 이후의 과학, 통합과학, 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ 교과에서는 이러한 내용을 다루지 않는다. 결과적으로 본 연구의 결과에서 보듯이 고등학교까지의 정규교육과정을 다 마친 예비초등교사들 조차도 작은 구멍을 통과한 전구의 빛 모양에 대하여 낮은 이해 수준을 보인다는 점, 빛과 관련된 오개념은 주로 인간의 감각과 경험에서 비롯된다는 점은 광원의 성질과 연계하여 작은 구멍을 통과한 전구의 빛 모양과 관련된 교육이 예비초등교사들에게 제공되어야 함을 시사한다. 또한 28명(26.9%)의 예비교사들이 10개의 선개념 문제를 해결하는 과정에서 문제 상황에 따라 다르게 응답한 점이나 물체를 관찰하는 원리에 대한 예비초등교사들의 심층적인 이해(예: 물체에서 빛은 한 지점에서 한 방향으로 나오는 것이 아님)가 필요하다는 점은 다양한 상황 및 조건에서 빛의 진행 경로에 대한 학습 경험을 높여야 한다는 점을 시사한다. 따라서 교원양성 대학교에서는 그림자의 원리를 적용할 수 있고 빛의 진행 경로를 이해하는 데 도움이 되는 작은 구멍을 통과한 전구의 빛 모양 개념에 대한 예비초등교사들의 이해 수준을 높이고 오개념을 교정하기 위해서 적절한 교육과정을 편성하고 효과적인 교육 프로그램을 개발 및 적용할 필요가 있다.

과학과 교육과정에서는 빛 개념 중 빛의 직진성이 가장 먼저 제시되고 있으며, 여러 선행연구에서 많은 학생들이 작은 구멍을 통과한 전구의 빛 모양에 대하여 오개념을 가지고 있다고 보고하였다. 이러한 오개념을 효과적으로 교정하려면 학생들을 지도하는 초등교사가 정확한 개념을 가지고 있어야 하기 때문에 장차 초등교사가 될 예비초등교사들의 선개념을 분석하는 것이 선행되어야 한다. 예비초등교사들을 대상으로 하나의 점광원이 둥근 구멍을 통과하는 상황이나 복합광원은 다루지 않고 삼각 구멍만 활용하여 각 문제별 응답을 단순히 나열하였던 기존의 연구와 달리, 본 연구에서는 구멍의 모양 및 광원의 종류를 달리하여 각 문제 상황에서 예비초등교사들의 선개념을 심층적으로 분석하고 일관되게 나타난 오개념을 유형화하여 제시하였다는 점에서 의미가 있다. 본 연구의 결과는 교원양성 대학교에서 예비초등교사들을 대상으로 광학 개념을 교육하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다. 추후 예비초등교사들의 구체적인 선개념 수준 및 오개념 유형에 따라 어떠한 교육 프로그램이나 피드백 지도가 오개념 교정에 효과적인지를 후속 연구를 통해 밝힐 필요가 있다. 나아가 초등학생 및 현직초등교사들을 대상으로도 연구를 진행하여 본 연구와 비슷한 결과가 나오는지 비교·확인하여, 교사의 선개념과 학생의 선개념 간의 관련성에 대한 광범위한 연구가 수행될 필요가 있다.

Table 5 Types of responses derived from the preconception that the light passing through a small hole spreads out in a circular shape.

Question	QC1	QT1	QC2	QT2	QC3	QT3	QC4	QT4	QC5	QT5	N(%)
Response											6 (5.8%)
											2 (1.9%)

¹ 바늘구멍 사진기의 경우 2015개정 교육과정에서는 명시적으로 다루고 있지 않지만 교수요목기부터 2007 개정 교육과정까지 꾸준히 제시되어 왔다.

² 여러 선행연구에서 작은 구멍을 통과한 빛의 모습을 ‘상(image)’[12, 23, 24] 또는 ‘밝은 영역(the lit area or bright region)’[25]으로 표현하고 있다. 하지만 작은 구멍을 통과한 전구의 빛이 스크린에 나타나는 모습은 광학적인 의미에서 ‘상’ 보다는 ‘그림자’ 개념에 가깝다. 따라서 이 연구에서는 작은 구멍을 통과하여 스크린에 투영되는 빛(스크린의 밝은 부분)을 ‘빛 모양’으로 표현하였다.