Ex) Article Title, Author, Keywords
pISSN 0374-4914
eISSN 2289-0041
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eISSN 2289-0041
Ex) Article Title, Author, Keywords
New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 925-937
Published online September 30, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.925
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Munho Kwon1, Sungmin Im2*
1Kyungpook National University High School, Daegu 41950, Korea
2Department of Physics Education, Daegu University, Gyeongsan 38453, Korea
Correspondence to:*ismphs@daegu.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.
As quantum technology becomes crucial for society, its importance in secondary school education is growing. This study explores physics teachers' perceptions of quantum physics education to provide insights for teaching. This study assessed teachers' interest, teaching efficacy, the necessity and importance of teaching compared to other physics areas, along with their perceptions of quantum physics curriculum. A nationwide survey of 125 physics teachers revealed that, while they acknowledge the importance of quantum physics, their interest, efficacy, and perceived necessity in an educational context were lower than for other physics areas. Career relevance and societal advancement were the main reasons cited for the need to teach quantum physics, with over 60% supporting its inclusion in the curriculum. Familiarity with new quantum topics is generally low, especially among less experienced teachers. Although there is a positive outlook on expanding quantum physics education, the lower emphasis compared to classical physics and unfamiliarity with new concepts suggest the need for improved teacher training to introduce quantum physics into schools.
Keywords: Quantum physics, Physics teacher, Perception on quantum physics education, Teaching efficacy, 2022 revised curriculum
미래 사회의 산업경쟁력 핵심기술로 양자기술이 주목받으며 중등학교 물리교육에서도 양자물리의 중요성이 부각되고 있다. 이 연구에서는 물리 교사의 양자물리 교육에 대한 인식을 조사하여 중등학교 양자물리 교육의 시사점을 도출하였다. 물리 영역별로 교사의 흥미, 교수효능감, 교수학습 필요성과 중요성을 조사하였으며, 양자물리 교육의 필요 이유, 주제별 적절성, 새로운 주제의 친숙도, 교육과정 도입에 대한 인식을 조사하였다. 전국 단위 온라인 설문을 실시하여 총 125명의 물리 교사의 응답을 분석한 결과, 물리 교사들은 양자 물리학을 미래 사회에서 중요한 영역으로 인식하나 교수학습 맥락의 흥미, 교수효능감, 필요성, 중요도에서는 다른 영역에 비해 상대적으로 낮게 인식하였다. 양자물리 교육이 필요한 이유로 진로와 사회 발전을 꼽았으며 양자 물리학이 교육과정에서 확대되는 것에 대해서 60% 이상의 교사들이 긍정적으로 인식하였다. 하지만 새로운 양자물리 주제에 대해서는 대체로 낮은 친숙도를 보였으며 교직 경력이 짧을수록 낮은 인식을 보였다. 양자물리 교육의 확대에 대한 긍정적 인식에도 불구하고 고전 물리학에 비해 상대적으로 낮은 인식과 새로운 주제에 대한 낮은 친숙도는 앞으로 양자물리 교육의 정착을 위해 물리 교사교육의 개선이 필요함을 시사한다.
Keywords: 양자 물리학, 물리 교사, 양자 물리학 교육에 대한 인식, 교수효능감, 2022 개정 교육 과정
1900년 12월 14일 베를린에서 개최된 물리학회에서 플랑크는 ‘빛띠(스펙트럼)의 에너지 분포 법칙의 이론에 관하여 (Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum)’라는 제목으로 빛에너지의 양자화를 발표하게 되고[1], 이는 입자와 파동에 대한 이분법적인 생각의 한계에서 벗어나 파동성과 입자성, 즉 이중성을 갖는 미시세계에 대한 물리현상을 설명하는 양자 물리학의 출발점이 된다. 이후 양자 물리학은 많은 과학자들에게 연구되어지며 상대성 이론과 함께 20세기 현대과학을 이끄는 양대 산맥으로 언급된다. 불과 100년 만에 양자 물리학은 체계화된 물리학 지식으로서 뿐만 아니라 레이저, 태양전지, 반도체 칩 등과 같이 현대 생활에 없어서는 안 될 각종 전자기기의 이론적 기반을 제공하고 있으며, 양자암호, 양자계측 등으로 활용 범위를 넓히며 그 중요성은 더욱 커질 것으로 예측된다[2]. 이러한 실생활 속의 중요성뿐만 아니라 양자 물리학의 양자 순간이동 (Quantum teleportation), 평행우주 (Parallel universe), 양자컴퓨터 (Quantum computer) 등의 기묘한 특성은 아인슈타인의 상대론과 함께 과학자 뿐 아니라 학생들에게도 매력적인 소재로, 다소 난해한 개념이긴 하나 학습자들에게 충분한 학습 동기를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 각국에서는 양자 물리학을 중등 교육과정에 직접적으로 반영하며 학생들에게 교육기회를 제공하고자 노력하고 있다[3].
우리나라에서는 2007 개정 교육과정까지는 원자의 구조를 중심으로 부분적으로만 소개되어 왔으나, 2009 개정 과학과 교육과정의 물리학 교과에서 양자 물리학 관련 내용이 대폭 강화되었으며, 이후 2015 개정 과학과 교육과정 ‘물리학Ⅰ’의 ‘전기’, ‘빛과 물질의 이중성’ 단원, ‘물리학Ⅱ’의 ‘빛과 물질의 이중성’, ‘미시세계의 운동’ 단원에서 양자 물리학 개념이 소개된 바 있다[4]. 2015 개정 과학과 교육과정의 물리 교과 진로 선택과목 중 하나인 ‘물리학Ⅱ’는 ‘2022 개정 교육과정’ 개정 과정에서 초기에는 ‘역학과 에너지’, ‘전자기와 빛’ 등 두 과목으로 분화시킬 것으로 공표하였다[4]. 그러나 2022 개정 과학과 교육과정에서 양자 물리학 개념을 더욱 강조하며 ‘전자기와 빛’을 ‘전자기와 양자’로 과목 명칭을 변경하여 최종적으로 공표하게 된다. 2022 개정 과학과 교육과정에서는 양자 물리학 관련 내용으로 일반 선택과목인 ‘물리학’ 과목의 ‘빛과 물질’ 단원에서 ‘빛과 물질의 이중성’, ‘에너지띠와 반도체’ 개념을 다루고, 진로 선택과목인 ‘전자기와 양자’ 과목의 ‘양자와 미시세계’ 단원에서 ‘입자-파동 이중성’, ‘확률 파동’, ‘중첩’, ‘터널 효과’, ‘불확정성 원리’, ‘핵융합’을 다루는 등 이전 교육과정과 비교하여 양자 물리학 관련 개념의 수와 깊이가 더욱 강화되었음을 확인할 수 있다[5].
이처럼 양자 물리학이 현재 과학계뿐 아니라 근미래사회에서 더욱 중요한 학문으로 자리매김할 것으로 예상됨에 따라 국내외 교육과정에서 양자 물리학 관련 개념의 비중이 증대되고 있으며[3, 4], 이와 관련하여 학계에서도 양자 물리학 개념 학습과 관련된 다양한 접근이 이뤄져왔다. 특히 중등교육과 관련하여 고등학생들이 양자 물리학을 학습할 때 갖는 어려움에 대한 분석과 함께 학생들의 이해를 돕기 위한 교수학습 방법에 대한 다양한 연구가 이뤄져 왔다[6-14]. 그리고 이를 중등학교에서 가르치게 될 예비교사들의 양자 물리학 개념에 대한 이해 정도 및 그들이 갖는 양자 개념 이해에 대한 어려움에 대한 연구 또한 이뤄져 왔다[10, 15-18]. 그러나 교육과정을 학교 현장에서 적용해야 하는 현장 교사들의 양자 물리학 교육에 대한 국내 연구는 찾아보기 어렵다. 특히 과학 교사의 교수효능감은 학생들의 적극적인 수업 태도를 이끌 뿐 아니라, 학업 성취도에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다[19, 20]. 그러므로 2022 개정 과학과 교육과정에서 비중이 증대된 양자 물리학 교육에 대해 학교 현장에서 학생들에게 가르쳐야 할 교사들의 반응을 조사하는 것은 2022 개정 교육과정의 원활한 안착을 위해 매우 중요하다. 특히 물리학의 여러 영역 중에서 양자 물리학 영역에 대한 상대적인 인식과 교수효능감은 어떠한지, 그리고 양자 물리학의 교육과정 도입과 관련하여 교사들의 구체적인 인식은 어떠한지에 대한 조사가 절실하다.
이에 이 연구에서는 물리 교사의 양자 물리학 교육에 대한 인식을 살펴보기 위하여 고등학교 물리교육 맥락에서 물리학 과목의 교과 영역별 교수학습에 대한 인식과 양자물리 교육과정에 대한 인식을 조사하고, 이를 바탕으로 2022 개정 과학과 교육과정에서의 양자 물리학 단원의 안정적 안착을 위한 시사점을 도출하고자 하였다. 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.
첫째, 물리 교사들의 물리학 교과 영역별 교수학습 인식은 어떠한가?
둘째, 물리 교사들의 양자물리 교육과정에 대한 인식은 어떠한가?
셋째, 물리 교사들의 양자 물리학 교육에 대한 인식은 교사의 개인 배경(학교급, 학교 유형 및 교육 경력)에 따라 차이가 있는가?
양자 물리학 교육에 대한 교사들의 인식 조사를 위해 대구, 경북, 경기, 강원 지역의 물리 교사 125명을 편의 표집하였다 (Table 1). 표집의 편의를 위해 지역 교사 커뮤니티를 활용하여 온라인 설문 주소를 배포를 요청하였고 교사들이 자유롭게 설문에 참여하도록 유도하였다. 설문 기간은 2022년 7월 중순경에 10일간 실시하였으며 총 교사 125명이 설문에 응답하였다. 설문에 응답한 교사의 지역이 특정 지역에 한정되어 있고, 설문에 강제성이 없어 전국의 교사를 대표하는 설문 결과로 일반화하는데 있어서는 한계가 있다.
Distribution of research participants (
| School | Teaching career | |||
| Middle school | High school | 5 years or less | 6--10 years | 11 years or more |
| 38 (30.4%) | 87 (69.6%) | 46 (36.8%) | 38 (30.4%) | 41 (32.8%) |
| School type | ||||
| Middle school | General high school | Vocational school | Science core school | Science high school/Science academy |
| 38 (30.4%) | 54 (43.2%) | 7 (5.6%) | 11 (8.8%) | 15 (12.0%) |
이 연구에서는 물리 교사의 양자 물리학 교육에 대한 인식을 조사하기 위해 ‘물리학 교과 영역별 교수학습 인식’과 ‘양자물리 교육과정에 대한 인식’의 2가지 구인으로 구성된 설문지를 개발하였다. 설문의 구인은 연구자 2인에 의해 공동 제안되었으며, 이후 2022 교육과정 개발 연구진과 검토진 일부로부터 검토를 거치며 하위 차원과 설문 내용을 수정하였다. 명명척도를 제외하고 동간척도 문항에 대한 신뢰도를 구하면 ‘물리학 교과 영역별 교수학습 인식’의 경우 하위 범주별 0.734에서 0.863으로 분포하며 구인 전체에 대해서는 0.918을 나타낸다. ‘양자물리 교육과정에 대한 인식’의 경우 하위 범주별 0.732에서 0.913이며 구인 전체에 대해서는 0.902를 나타낸다. 각 구인을 조사하기 위한 설문의 구조와 형식은 Table 2와 같다.
Structure of survey tool.
| Construct | Dimension | Category | Scale | Items | Reliability(α) |
| Perceptions on teaching and learning by area* ( | Interest | FE, EM, LW, RG, QM | Likert | 5 | 0.863 |
| Efficacy | FE, EM, LW, RG, QM | Likert | 5 | 0.846 | |
| Necessity | FE, EM, LW, RG, QM | Likert | 5 | 0.734 | |
| Importance | FE, EM, LW, RG, QM | Likert | 5 | 0.760 | |
| Importance in the future | Nominal | 1 | N/A | ||
| Perceptions on quantum physics in curriculum ( | Motive | Curiosity, Career, Usefulness, College, Society | Likert | 5 | 0.843 |
| Topic | Structure of Atom, Q_Phenomena, Q_Technology | Likert | 3 | 0.742 | |
| Familiarity | Superposition, Entanglement, EPR, Q_computer, Q_cryptography, Q_sensor | Likert | 6 | 0.913 | |
| Evaluation | Quantity, Difficulty, Expansion | Nominal | 3 | N/A |
* FE: Force & Energy, EM: Electricity & Magnetism,
LW: Light & Wave, RG: Relativity & Gravity, QM: Quantum & Microworld
‘물리학 교과 영역별 교수학습 인식’을 조사하기 위해 먼저 물리학 교과 영역을 2015 교육과정 및 2022 교육과정의 물리학 관련 과목에서 공통적으로 다루고 있는 핵심 개념을 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동, 상대론과 중력, 양자와 미시세계 등 5가지 영역으로 구분하였다. 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동은 초중고 학교급을 통틀어서 기존 교육과정에서 꾸준히 강조하고 있는 고전 물리학의 대표 영역이며, 상대론과 중력 및 양자와 미시세계는 2009 교육과정 이후 고등학교 물리학 교과에서 다루고 있는 현대 물리학의 영역이다. 영역별 교수학습 인식의 하위 차원으로는 교육과정에 대한 교사의 인식을 조사하는 선행연구[21-24] 를 참고하여 흥미, 교수효능감, 필요성, 중요성으로 설정하였다. 각 영역별로 물리 교사들이 해당 영역에 대해서 얼마나 흥미를 갖고 있는지, 해당 영역의 교수학습에 대한 교수효능감은 어떠한지, 교수학습의 필요성에 대한 인식 정도 및 교수학습의 중요도에 대한 인식 정도를 각각 5단계 리커트 척도를 적용하여 질문하였다. 여기에 미래 사회에서의 중요도에 대한 상대적인 순위를 비교하기 위해 선택형 1문항을 추가하였다. 즉 ‘물리학 교과 영역별 교수학습 인식’ 구인을 조사하는 설문 도구는 5개 영역별로 4개 차원에 대한 인식을 묻는 리커트 척도 20문항과 선택형 1문항 등 총 21개 문항으로 구성되었다.
‘양자물리 교육과정에 대한 인식’의 하위 차원으로 양자물리 교육이 필요한 이유, 교육과정에 포함되는 양자물리 주제의 적절성, 새로운 양자물리 주제에 대한 친숙도, 교육과정에서의 양자물리 도입에 대한 인식으로 구성하였다. 양자물리 교육이 필요한 이유에 대해서는 학생의 양자물리에 대한 과학선호도를 조사한 선행 연구를 참고하여[4], 호기심, 진로 직업, 대학 진학, 삶의 유용성, 사회 발전 등 5가지 항목으로 구성하고 각 항목에 대한 동의 정도를 5단계 리커트 척도로 질문하였다. 양자물리 주제의 적절성에 대한 인식을 조사하기 위해 대상이 되는 주제 영역은 2015 및 2022 교육과정에서 다루는 내용 요소를 고려하여 원자의 구조, 양자 현상, 양자 기술 등 3가지 항목으로 설정하였다. 원자의 구조(예: 에너지 준위와 선스펙트럼, 보어의 수소 원자 모형 등)와 양자 현상(예: 빛과 물질의 이중성, 불확정성 원리 등)은 2015 교육과정과 2022 교육과정에 공통으로 포함된 있는 주제이며, 양자 기술(예: 양자컴퓨터, 양자센서, 양자암호 등)은 2022 교육과정에서 진로선택 ‘전자기와 양자’ 과목에서 새로 추가된 내용이다. 설문에서는 3가지 하위 주제별로 교수학습 적절성에 대해 교사의 인식 수준을 5단계 리커트 척도로 질문하였다. 새로운 양자물리 주제에 대한 친숙도를 조사하기 위해서 기존 교육과정에 없었던 새로운 주제로서 양자 중첩, 양자 얽힘, EPR 패러독스, 양자컴퓨터, 양자암호, 양자센서 등 6가지를 주제를 선별하였으며, 각 주제에 대한 교사의 친숙도 정도를 마찬가지로 5단계 리커트 척도로 질문하였다. 양자물리 교육과정 도입에 대한 평가에서는 기존 2015 교육과정에서 도입한 양자물리 교육과정의 수준과 분량의 적절성에 대해서, 그리고 새로운 2022 교육과정에서 양자기술을 비롯한 양자물리 내용 도입 확대에 대한 동의 정도를 5단계 리커트 척도로 질문하였다.
응답자의 개인 특성(학교급, 학교 유형, 교직 경력), 물리학 교과 영역별 교수학습 인식, 양자물리 교육과정에 대한 인식 등 모든 설문 문항에 대한 응답은 구글폼(Google Forms)을 활용하여 온라인으로 수합하였다. 수합된 응답 결과는 통계분석을 위하여 스프레트시트로 변환하였다. 물리 교과 영역별 교사의 교수학습 인식과 양자 물리학 교육과정의 인식에 대한 각 하위 범주별 반응 분포를 분석하기 위해 기술 통계 및 빈도 분석을 실시하였다. 또한, 응답 교사의 학교급, 학교 유형, 교직 경력에 따른 인식의 차이를 비교하기 위하여 교차분석(카이제곱검정)과 다변량분산분석(MANOVA)을 실시하였다. 모든 통계분석은 IBM SPSS Statistics (version 26)을 사용하였다.
양자 물리학에 대한 교사의 인식을 확인하고자 역학과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동, 상대론과 중력, 양자와 미시세계 등 5개 영역에 대한 교사의 인식을 흥미, 교수효능감, 교수학습 필요성, 교수학습 중요도의 4개 차원으로 구분하고 각 차원별로 5단계 리커트 척도를 활용하여 각각 조사하였다. 조사 결과를 요약하면 Table 3과 같다.
Physics teacher’s perceptions for each areas of physics.
| Dimension | Category | Mean | SD |
|---|---|---|---|
| Interest | FE | 4.40 | 0.730 |
| EM | 4.43 | 0.755 | |
| LW | 4.39 | 0.717 | |
| RG | 4.22 | 0.947 | |
| QM | 4.06 | 0.978 | |
| Efficacy | FE | 4.46 | 0.642 |
| EM | 4.37 | 0.746 | |
| LW | 4.31 | 0.723 | |
| RG | 3.75 | 1.029 | |
| QM | 3.54 | 1.051 | |
| Necessity | FE | 4.66 | 0.510 |
| EM | 4.74 | 0.443 | |
| LW | 4.62 | 0.534 | |
| RG | 3.88 | 1.075 | |
| QM | 3.78 | 1.106 | |
| Importance | FE | 4.47 | 0.655 |
| EM | 4.67 | 0.471 | |
| LW | 4.59 | 0.597 | |
| RG | 4.05 | 1.023 | |
| QM | 4.20 | 0.916 |
물리 교사들이 각 물리 영역에 대해 얼마나 선호하는가를 묻는 설문에서 모든 영역에 대해 5점 만점 척도에서 4점 이상의 높은 흥미를 보였다. 이는 물리학을 가르치는 교사이기에 당연한 결과로 볼 수 있다. 그중 전기와 자기(4.43점) 영역에 대해 가장 높은 흥미를, 양자와 미시세계(4.06점)에 대해 상대적으로 가장 낮은 흥미를 보였으나 통계적으로 유의미한 차이는 아니다 (Table 3). 물리 영역을 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동 영역과 같은 고전 물리학과 상대론과 중력, 양자와 미시세계 등 현대 물리학으로 구분하여 살펴보면, 고전 물리학의 경우 4.39--4.43점 정도의 흥미를 보이나, 상대론과 중력이 4.22점, 양자와 미시세계가 4.06점으로 현대 물리학에 해당하는 두 개 영역은 고전 물리학의 세 영역에 비해 상대적으로 낮은 흥미를 보였다. Figure 1은 각 영역에 대한 응답자의 비율을 나타낸 것으로, 고전 물리학 영역(힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동 영역)의 경우 1, 2점을 선택한 비율이 전체 응답자의 2% 미만으로 나타났으나, 현대 물리학 영역(상대론과 중력, 양자와 미시세계 영역)의 경우 1점과 2점을 선택한 응답자의 합이 각각 6.4%, 7.2%로 상대적으로 비중이 높다. 즉, 현대 물리학 영역에 대한 흥미가 상대적으로 낮게 나타난 이유는 물리 교사들 중 일부 교사들이 현대 물리학 영역, 특히 양자와 미시세계 영역에 대해 낮은 흥미를 보였기 때문임을 확인할 수 있다. 이는 Im & Kwon(2022)의 고등학생들을 대상으로 한 물리 각 영역에 대한 흥미도 조사에서 현대 물리학 영역에 상대적으로 높은 흥미를 보이며, 특히 이공계열 진로를 희망하는 학생들이 높은 흥미를 보인 것과는 상반된다[4].
Figure 1. (Color online) Physics teacher’s response for the interest in areas of physics.
물리 교사들의 각 물리 영역에 대한 교수효능감은 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동, 상대론과 중력, 양자와 미시세계 순으로 나타났다 (Table 3). 고전 물리학 영역의 경우에는 4점 이상으로 높은 교수효능감을 보였으나, 현대 물리학 영역의 경우 4점 미만으로 상대적으로 낮은 교수효능감을 보였다. 특히 양자와 미시세계 영역의 경우 평균이 3.54점으로 가장 낮았으나 표준편차는 1.051로 고전 물리학 영역에 비해 2배 이상 넓은 분포를 나타냈다. Figure 2는 물리 각 영역에 대한 교수효능감의 응답 빈도 분포를 나타낸 것으로, 힘과 에너지, 전기와 자기와 같이 고등학교 물리학 과목에서 주로 다뤄지는 영역의 경우 50% 이상의 교사가 ‘매우 그렇다’고 응답하였으나, 상대론과 중력, 양자와 미시세계 영역의 경우 각각 27.2%, 20.8%의 교사만이 ‘매우 그렇다’고 응답하였다. 고전 물리학 영역들의 경우 교수효능감에 대해 ‘전혀 아니다’를 선택한 교사가 한 명도 없었으나, 양자와 미시세계의 경우 3.2%의 교사가 ‘전혀 아니다’를 선택하였으며 전체 응답자 중 15.2%에 달하는 교사가 ‘아니다’와 ‘매우 아니다’로 답하는 부정적인 교수효능감을 보였다.
Figure 2. (Color online) Physics teacher’s response for the teaching efficacy in areas of physics.
각 물리 영역에 대한 교수학습의 필요성에 대한 문항에 대해 물리 교사들의 인식은 힘과 에너지(4.66점), 전기와 자기(4.74점), 빛과 파동(4.62점) 등 고전 물리학 영역에 대해서는 높게 나타났으나, 현대 물리학 영역, 특히 양자와 미시세계 영역에 대해서는 3.78점으로 상대적으로 낮게 나타났다 (Table 3). Figure 3은 각 영역에 대한 물리 교사들의 교수학습 필요성에 대한 응답 분포를 나타낸 것으로, 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동 영역의 경우 97% 이상의 교사가 교수학습 필요성에 대해 ‘그렇다’와 ‘매우 그렇다’를 선택한 반면, 양자와 미시세계 영역에 대해서는 11.2%에 달하는 교사들이 교수학습의 필요성에 대해 부정적으로 인식하는 것으로 나타났다.
Figure 3. (Color online) Physics teacher’s response for the necessity of teaching in areas of physics.
이러한 결과는 중등 물리 교사들이 2015 개정 과학과 교육과정에서 가르치는 내용이 주로 고전 물리학 영역에 치중되어 있기 때문으로 판단된다. Cheon et al.이 중학교 과학, 고등학교 통합과학, 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ의 성취기준 80개를 영역별로 분류하여 분석한 결과에 따르면 고전 물리학 영역이 전체의 80.0%, 현대 물리학 영역이 20.0%이며, 그 중 양자 물리학 관련 성취기준의 경우 전체의 6.3%로 가장 적은 비중을 차지한다고 밝혔다[25]. 학교 현장에서 교사 본인이 가르치는 내용 중 양자와 미시세계 영역이 가장 적은 비중을 차지하고 있으므로, 교사는 이 영역에 대한 교수학습의 필요성을 낮게 인식하는 것으로 보인다.
물리 교사들은 교수학습의 중요성에 대한 설문에서 모든 영역에 대해 4점 이상의 긍정적인 인식을 보이고 있다 (Table 3). 전기와 자기 영역이 4.67점으로 중요성에 대한 인식이 가장 높게 나타났으며, 상대론과 중력 영역이 4.05점으로 상대적으로 낮고 양자와 미시세계 영역은 4.20점으로 나타났다. 이는 고전 물리학 영역의 교수학습 중요성에 비해서는 상대적으로 낮은 점수이나, 양자와 미시세계 영역의 흥미(4.06점), 교수효능감(3.54점), 교수학습 필요성(3.78점)에 비해 상대적으로 가장 높게 나타났다. 즉 물리 교사들은 양자와 미시세계 영역에 대해서는 흥미, 교수효능감, 교수학습 필요성에 비해서 교수학습 중요성을 상대적으로 가장 긍정적으로 인식함을 알 수 있다. 이러한 결과는 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동 등 고전 물리학 영역에서 흥미, 교수효능감, 교수학습 필요성, 교수학습 중요성에 대한 인식 차이가 그리 크지 않음과 비교된다.
Figure 4는 물리 영역별 교수학습의 중요성에 대한 응답 분포로서, 현대 물리학에 해당하는 상대론과 중력 영역에 대해 7.2%, 양자와 미시세계 영역에 대해 5.6%의 교사들이 필요성에 대해 여전히 부정적으로 인식하고 있으나, 앞서 교수학습의 필요성에 대한 설문 결과(Fig. 3)와 비교할 때 필요성에 대해 부정적인 인식을 하는 응답의 절반 정도가 중요성에 대해서는 다소 긍정적으로 인식하고 있음을 알 수 있다. 즉 물리 교사들은 양자와 미시세계 영역에 대해 교수학습 필요성은 크게 공감하고 있지는 않으나 교수학습 중요성은 다수가 공감하고 있음을 알 수 있다.
Figure 4. (Color online) Physics teacher’s response for the importance of teaching and learning in areas of physics.
한편 물리 영역별 교수학습의 중요성에 대한 질문의 뉘앙스를 현재보다 미래를 강조하도록 바꾸어 ‘미래 사회에서 가장 중요할 것으로 예상되는 영역 2가지를 선택하라’는 질문에 대한 응답 결과는 Fig. 5와 같다. 가장 많이 선택된 영역은 응답자의 70.4%가 선택한 전기와 자기 영역이며, 그 다음은 52.8%가 선택한 양자와 미시세계 영역이다. 가장 적게 선택된 영역은 상대론과 중력 영역으로 16.0%만이 선택하였다.
Figure 5. (Color online) Teachers' responses to which areas of physics they think will be most important for the future society.
물리 교사들의 양자물리 교육과정에 대한 인식으로서 하위 차원으로 양자물리 교육의 필요 이유, 교육과정에 포함되는 양자물리 주제의 적절성, 새로운 양자물리 주제에 대한 친숙도, 교육과정에서 양자물리 도입에 대한 인식으로 구분하여 살펴보았다. Table 4는 리커트형 척도로 설문한 양자물리 교육의 필요 이유, 양자물리 주제의 적절성, 양자물리 주제에 대한 친숙도에 대한 결과를 요약한 것이다.
Physics teacher’s perceptions on quantum physics education in curriculum.
| Dimension | Category | Mean | SD |
| Motive | Curiosity | 3.76 | 0.987 |
| Career | 3.95 | 1.007 | |
| Life | 3.50 | 1.104 | |
| College | 3.51 | 1.052 | |
| Society | 3.82 | 1.043 | |
| Topic | Structure of atom | 4.08 | 0.829 |
| Q_phenomena | 3.86 | 0.965 | |
| Q_technology | 3.61 | 1.217 | |
| Familiarity | Superposition | 3.26 | 1.156 |
| Entanglement | 2.93 | 1.137 | |
| EPR | 2.61 | 1.092 | |
| Q_computer | 2.70 | 1.212 | |
| Q_cryptography | 2.48 | 1.168 | |
| Q_sensor | 2.47 | 1.154 |
중등학교 수준에서 학생에게 양자물리 교육이 필요한 이유에 대해서 물리 교사들의 반응은 진로 관련성에서 3.95점으로 가장 높게 나타났고, 사회 발전 기여가 3.82점으로 그 뒤를 이었다. 지적 호기심 충족은 3.76점, 대학 진학과 삶의 유용성에 대해서는 각각 3.51점과 3.50점으로 나타났다. 즉, 물리 교사들은 학생에게 양자물리 교육이 필요한 이유로 진로 관련성을 가장 중요하게 생각하는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 선행 연구에서 학생들이 양자물리 교육에 흥미를 갖게 되는 주요 동기로 진로 관련성보다 양자물리에 대한 호기심과 지적 성취와 같은 내적 동기를 상대적으로 더 중요하게 선택하였다는 점과 대비된다[4]. 교육 활동에 대해 교사들이 갖는 인식과 지향은 교육의 실천적 맥락에서 핵심적인 요소로 작동한다는 점에서[26], 이번 설문 결과에서 드러난 물리 교사의 인식은 그들의 양자물리 교수학습 실천 맥락에서 진로 지도와 사회 발전 등 외적 유용성 측면에 강조를 둔 수업 실행으로 연결될 가능성이 크다. 이러한 교사의 인식이 호기심을 중요하게 여기는 학생의 인식과 차이가 난다는 점에서, 이러한 차이가 실제 양자물리 교수학습 실행에서 어떠한 영향을 줄 것인지에 대한 심층적인 연구가 필요하다.
양자물리 하위 주제별 교육과정 포함의 적절성에 대해서 물리 교사들은 원자의 구조, 양자 현상, 양자 기술 등 3가지 주제 모두에서 3점 이상의 긍정적인 반응을 보였다. 그중 원자의 구조가 교육과정에 포함시키기에 가장 적절한 주제로 선택되었다. 물리 교사들이 원자의 구조를 교육과정에 포함시키기에 가장 적절하다고 선택한 이유는 원자의 구조가 이미 기존의 교육과정에서 많이 다뤄지는 주제이기 때문에 교사들이 친숙하여 가장 높게 나타난 것으로 보인다. 그러나 그동안 교육과정에 포함되지 않아서 비교적 친숙도가 떨어지는 양자 기술에 대해서도 교육과정 포함의 적절성에 대해서는 3.61점으로 비교적 긍정적인 반응을 보였다.
새로운 양자물리 주제에 대한 교사의 친숙도에서는 제시한 6가지 하위 주제 중 양자 중첩만이 3.26점으로 중간 점수인 3점을 넘기고, 양자 얽힘, EPR 패러독스, 양자컴퓨터, 양자암호, 양자센서 등에 대해서는 모두 3점 미만으로 나타났다. 특히 양자암호와 양자센서에 대해 각각 2.48점과 2.47점으로 비교적 낮은 친숙도를 보였다. 이는 물리 교사들이 교사교육과정에서 양자 물리학의 기본 개념에 대해서는 배운 경험이 있으나, 양자기술과 같은 최신 기술에 대해서는 학습한 경험이 없기 때문으로 여겨진다.
이 연구에서는 물리 교사들의 양자물리 교육과정 도입에 대한 인식으로서 기존 교육과정의 양자물리 내용 분량과 수준에 대한 적합도와 더불어 새로운 교육과정에서의 양자물리 도입 확대에 대한 동의 정도를 조사하였다. 현재까지 학교에서 적용 중인 기존 교육과정(2015 개정 교육과정)에 포함된 양자물리 내용의 분량에 대해서 응답자의 과반수 이상(57.6%)은 적절하다고 판단하고 있다. 그러나 그 외에는 현재 내용이 적다고 인식하는 경우(28.8%)가 많다고 인식하는 경우(13.6%)보다 2배 이상 많았다 (Fig. 6). 전체적으로 물리 교사들은 현행 2015 교육과정에서 다루고 있는 중등학교 수준의 양자물리 내용 분량에 대해서 대체로 적절하거나 또는 부족하다고 인식하고 있다. 한편 현행 교육과정에서 다루는 양자물리 내용의 수준에 대해서는 응답자의 과반수 이상(55.2%)이 적절하다고 판단하였으나, 그 외에는 내용이 어렵다는 반응(27.2%)이 쉽다는 반응(17.6%)보다 많았다 (Fig. 7).
Figure 6. (Color online) Perception on quantity of quantum physics contents in 2015 revised curriculum.
Figure 7. (Color online) Perception on difficulty of quantum physics contents in 2015 revised curriculum.
차기 교육과정에서 양자물리 내용의 도입 확대에 대해서는 전체 응답자의 62.4%가 긍정적인 반응을 보였으나 24.8%의 교사는 부정적인 반응을 보였다 (Fig. 8). 응답 결과를 면밀히 살펴보면 부정적인 반응을 보인 31명의 교사 중 과반수인 17명의 교사가 양자물리 교수학습의 필요성과 중요성에 대해서도 모두 1점 또는 2점으로 부정적으로 인식하였다. 즉 양자물리를 고등학교에서 가르치는 것에 대한 필요성과 중요성에 대해 공감하지 않기 때문에 양자물리 내용이 교육과정에서 확대되는 것에 대해서도 부정적으로 평가하는 것으로 보인다.
Figure 8. (Color online) Perception on expansion of quantum physics content in next curriculum.
물리 교사들의 학교급, 학교 유형, 교직 경력에 따라 하위 집단으로 구분하고 집단에 따른 물리학 영역별 교수학습 인식과 양자물리 교육과정에 대한 인식의 차이를 다변량 분석을 통하여 하위 차원과 범주별로 살펴보았다. 이중 통계적으로 유의한 차이가 나타난 결과를 요약하면 Table 5와 같다.
Difference in perception for quantum physics education in school according to respondents’ teaching years.
| Dimension | Category | 5 yrs or less ( | 6-10 yrs ( | 11 yrs or more ( | F | p |
| Motive | Curiosity | 3.50 | 3.84 | 3.98 | 2.784 | 0.066 |
| Career | 3.98 | 3.84 | 4.02 | 0.172 | 0.842 | |
| Life | 3.43 | 3.63 | 3.46 | 0.368 | 0.693 | |
| College | 3.54 | 3.42 | 3.56 | 0.204 | 0.815 | |
| Society | 3.98 | 3.71 | 3.73 | 0.884 | 0.416 | |
| Topic | Structure of atom | 4.04 | 3.92 | 4.27 | 1.825 | 0.166 |
| Q_phenomena | 3.85 | 3.84 | 3.88 | 0.016 | 0.984 | |
| Q_technology | 3.61 | 3.50 | 3.71 | 0.283 | 0.754 | |
| Familiarity | Superposition | 3.09 | 3.24 | 3.47 | 1.170 | 0.314 |
| Entanglement | 2.78 | 3.05 | 2.98 | 0.636 | 0.531 | |
| EPR | 2.37 | 2.66 | 2.83 | 2.011 | 0.138 | |
| Q_computer | 2.41 | 2.89 | 2.85 | 2.149 | 0.121 | |
| Q_cryptography | 2.13 | 2.61 | 2.76 | 3.565 | 0.031 | |
| Q_sensor | 2.04 | 2.66 | 2.78 | 5.501 | 0.005 |
물리학 영역별 교수학습 인식의 모든 하위 차원 즉, 흥미, 교수효능감, 교수학습 필요성, 교수학습 중요성에 있어서 응답한 교사의 학교급에 따른 차이나 경향성은 나타나지 않았다. 또한 응답한 교사의 학교 유형과 교직 경력에 있어서도 마찬가지로 물리 영역별 교수학습 인식의 차이나 경향성은 모든 하위 차원에서 나타나지 않았다. 즉 물리 교사의 학교급이 중학교인지 고등학교인지, 학교 유형이 일반 학교인지 과학 계열 학교인지, 교사의 교직 경력의 많고 적음과 무관하게 물리 교사들의 양자물리 교수학습에 대한 인식은 유사하다고 할 수 있다.
양자물리 교육과정에 대한 인식의 하위 차원 중 양자물리 교수학습이 필요한 이유 및 양자물리 주제의 적절성에 있어서 응답 교사의 학교급, 학교 유형, 교직 경력에 따른 차이나 경향성은 나타나지 않았다. 한편 새로운 양자물리 주제에 대한 친숙도 차원에서는 응답한 교사의 교직 경력에 따라 통계적으로 유의한 차이(
하위 범주별로 살펴보면 통계적으로 유의한 차이가 발생한 하위 범주는 새로운 양자물리 주제 중 양자암호와 양자센서 범주이다. 이 두 주제에 대해서 응답한 교사의 친숙도 전체 평균은 중간 점수인 3점 이하인 약 2.5점으로 대체로 친숙도가 낮음을 알 수 있는데, 교직 경력이 적을수록 친숙도가 낮아지는 경향을 보였다. Scheffe의 방법에 따른 사후 검정 결과 양자암호에 대해서는 교직 경력 10년 이하 집단이 교직 경력 11년 이상의 집단에 비해 유의하게 친숙도가 낮고, 양자센서에 대해서는 교직 5년 이하 집단이 교직 6년 이상 집단에 비해 유의하게 친숙도가 낮다. 전체적으로 교직 경력 5년 이하 집단이 교직 경력 11년 이상 집단에 비해 새로운 양자물리 주제에 대해서 더 낮은 친숙도를 보인다.
물리 교사가 되기 이전에 교사교육과정에서 양자 기술에 대해서 학습한 경험이 없다는 것은 교직 경력에 무관하게 동일한 상황일 것으로 여겨진다. 그러나 교직 경력에 따라서 친숙도에 차이를 보인다는 점은 이전의 학습 경험 유무보다는 가르쳐야하는 새로운 주제에 대한 관심도 또는 수용도에 따른 차이라고 추측해볼 수 있다. 즉 교직 경력이 많을수록 교과와 관련된 새로운 주제에 대해서 많은 관심을 보이는 경향이 있을 수 있다. 예를 들어 이번 설문 결과에 따르면 교직 경력에 따른 양자물리 교수학습 동기에 대한 결과를 살펴보면 통계적으로 유의한 차이는 아니지만 호기심 범주에서 교직 경력이 많을수록 호기심이 높아지는 경향성을 볼 수 있다 (Table 5).
이 연구에서는 우리나라 물리 교사들이 양자 물리학 교육에 대해 갖는 인식을 살펴보고 이를 바탕으로 중등학교 수준의 양자 물리학 교육에 대한 시사점을 도출하고자 하였다. 이를 위해 총 125명의 중고등학교 현직 물리 교사를 대상으로 물리학 교과 영역별 교수학습 인식과 양자물리 교육과정에 대한 인식을 조사하고, 이러한 인식이 응답한 물리 교사의 학교급, 학교 유형 및 교직 경력에 따라 차이가 있는지를 살펴보았다. 연구 결과를 요약하면 아래와 같다.
첫째, 물리 교사들의 물리학 교과의 영역별 교수학습 인식을 조사한 결과, 물리 교사들은 흥미, 교수효능감, 교수학습 필요성, 교수학습 중요성 등 모든 차원에서 대체로 긍정적인 인식을 보이고 있으나 힘과 에너지, 전기와 자기, 빛과 파동과 같은 고전 물리학 영역에 비해 상대론과 중력, 양자와 미시세계와 같은 현대 물리학 영역에서 상대적으로 낮은 인식을 보인다. 특히 양자와 미시세계 영역은 다른 영역에 비해 흥미, 교수효능감, 필요성 범주에서 상대적으로 가장 낮은 인식을 보인다. 한편 물리 교사들은 양자와 미시세계 영역에 대한 흥미, 교수효능감, 교수학습 필요성에 비해 교수학습 중요성은 상대적으로 높게 인식하고 있으며, 특히 미래 사회에서 중요성에 대해서는 전기와 자기 영역 다음으로 중요하게 인식하고 있다.
둘째, 물리 교사들의 양자물리 교육과정에 대한 인식을 조사한 결과, 물리 교사들은 양자물리 교육이 필요한 이유에 대해서 진로 관련성과 사회 발전 기여와 같은 외적 요인에 상대적으로 높은 인식을 보인다. 그리고 물리 교사들은 양자물리 주제별 적절성에 대해서는 원자의 구조, 양자 현상, 양자 기술 등 모든 주제 영역에 대해 대체로 긍정적으로 인식하고 있으며 그중에서도 원자의 구조가 가장 적절하다고 인식하고 있다. 그에 비해 새로운 양자물리 주제에 대한 친숙도에 있어서는 물리 교사들은 양자 중첩에서만 긍정적인 반응을 보이고 양자 얽힘, EPR 패러독스, 양자컴퓨터, 양자암호, 양자센서 등의 주제에 대해서는 다소 부정적인 인식을 나타낸다. 기존 교육과정에 포함된 양자물리 내용의 분량에 대해서는 과반수 이상의 물리 교사들이 적절하다고 인식하고 있으며, 분량이 적다고 인식하는 경우가 많다고 인식하는 경우보다 2배 가량 많았다. 기존 교육과정에 포함된 양자물리 내용의 수준에 대해서도 과반수 이상의 물리 교사가 적절하다고 인식하고 있으나, 내용 수준이 어렵다고 여기는 경우가 쉽다고 여기는 경우보다 약 1.5배 많았다. 새로운 교육과정에서 양자물리 내용이 확대되는 것에 대해서는 긍정적으로 인식하는 경우가 부정적으로 인식하는 경우에 비해 약 2.5배 가량 많았다.
셋째, 물리 교사의 개인 배경에 따른 인식의 차이를 조사한 결과, 응답 교사의 학교급, 학교 유형, 교육 경력에 따라서 물리학 교과 영역별 흥미, 교수효능감, 필요성, 중요성에 대한 인식의 차이는 나타나지 않았다. 또한 양자물리 교육이 필요한 이유, 양자물리 주제별 적절성, 교육과정에서 양자물리 내용의 확대에 대한 인식에서도 교사 변인에 따른 차이를 보이지 않았다. 그러나 새로운 양자물리 주제에 대한 친숙도에서는 교직 경력에 따라 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 즉 교직 경력이 낮을수록 양자암호와 양자센서에 대한 친숙도가 낮았다.
이상과 같은 연구 결과를 살펴볼 때 중등학교 양자물리 교육 및 물리교사교육과 관련한 몇 가지 시사점을 생각해볼 수 있다. 먼저, 물리 교사들의 양자 물리학에 대한 흥미, 교수효능감, 교수학습 필요성, 교수학습 중요성에 대한 인식이 다른 물리 영역에 비해 비교적 낮다는 점은 고등학생 특히 이공계열 진로를 희망하는 학생들에게서 양자물리 선호도가 다른 물리 영역에 비해 월등히 선호도가 높다는 점과 대비된다[4]. 2022 교육과정에서 양자물리 내용이 확대되었다는 점을 고려한다면, 중등학교에서 양자물리 교육이 내실있게 실행되기 위해서는 물리 교사들의 양자물리 교수학습에 대한 인식을 보다 향상시켜야할 필요가 있다. 특히 수업 실행에 있어서 가장 직접적인 변인으로 여겨지는 교수효능감이 물리학 교과 영역 중 양자와 미시세계에서 가장 낮은 인식을 보였다는 점을 감안한다면, 무엇보다도 양자물리 교수학습에 대한 물리 교사의 교수효능감 증진을 위한 노력이 절실히 요구된다. 특히 새로 개정된 교육과정에서 기존 교육과정에 비해 양자물리 내용이 증대된 것에 대해 교사 연수 등을 통해 물리 교사들이 충분히 인지하도록 하고, 양자물리 내용의 증대는 시대의 변화로 인해 우리나라 교육과정에서 뿐만 아니라 전 세계적인 흐름임[3, 27]을 충분히 인식할 수 있도록 안내할 필요가 있다.
설문의 응답 분포를 살펴보면 다른 물리 영역에 비해 양자물리 영역에 대해서는 교사의 인식 분포의 편차가 큰 편이다. 특히 긍정적 인식과 부정적인 인식이 뚜렷이 나뉘는 양상을 보였다. 대체로 부정적으로 인식하는 교사의 응답이 모든 하위 차원과 범주에서 인식 정도의 평균값을 낮추는 역할을 하였다. 2022 개정 교육과정에서 양자물리 내용이 확대되는 경우와 같이 기존의 교육 내용을 벗어나 새로운 내용이 교육과정에 포함되는 경우에 있어서는 긍정적인 반응보다 부정적인 반응이 있으리라는 점은 자연스럽게 예견되는 결과이기도 하다. 그러나 새로운 내용의 도입이 학교 물리교육 현장에서 성공적으로 안착하기 위해서는 어떤 측면에서 어떤 이유로 부정적으로 인식하는지를 알아내는 것이 중요하다. 본 연구 결과에서 직접 활용한 데이터는 아니지만 설문에 참여한 교사들의 자발적인 자유 서술 응답에 따르면, 부정적인 인식을 보이는 교사들 중 일부는 학생들에게 고전 물리학의 기초 개념을 학습하는 것이 중등학교 물리교육에서 더 중요하다고 인식하고 있다. 또 일부는 양자물리의 도입이 자칫 피상적인 정보 수준에서만 도입될 것을 우려하고 있다. 이러한 지적은 양자물리 교육을 중등학교 수준에서 도입함에 있어서 중요한 고려사항이 될 수 있다. 따라서 단지 긍정적 또는 부정적 인식에 대한 반응을 넘어서 그렇게 인식하는 이유에 대한 체계적인 심층 조사가 앞으로 필요하다.
한편 교사의 개인 변인 중에서 교직 경력만이 양자 물리학 교육에 대한 인식에서 차이를 보이는 변인이었다는 점도 시사하는 바가 크다. 양자암호나 양자센서와 같이 비교적 최근에 부각된 첨단 과학기술 주제는 상대적으로 젊은 교사들이 더 많이 접했을 개연성이 크다. 그러나 반대로 교직 경력이 오래된 교사일수록 새로운 주제에 대해서 친숙도가 상대적으로 크다는 점은, 앞 절에서 서술한 바와 같이, 교직 경력이 많을수록 자신이 가르치려는 교과에서 새로운 주제에 대한 관심이 더 많다는 것을 의미한다. 개정된 2022 교육과정에 양자컴퓨터와 양자암호, 양자센서 등 양자기술에 대한 내용이 진로선택 과목인 ‘전자기와 양자’ 과목의 성취기준에 포함되었다는 점을 감안한다면 교직 경력에 따라 해당 내용을 지도할 때의 교수효능감이나 수월성에서 차이가 날 가능성도 있다. 따라서 저경력 물리 교사를 위한 자격연수 등에서 적극적으로 해당 주제를 다룰 필요가 있다. 교직 경력에 따라 새로운 교육 내용에 대한 친숙도가 달라지는 경향성을 보이는 이유를 타당하게 해석하기 위해서는 보다 체계적인 연구가 필요하다. 다만, ‘잘 배우는 사람이 잘 가르친다’라는 교훈[28]을 생각한다면 교직 경력이 오래되어 가르친 경험이 쌓일수록 오히려 새로운 내용을 더 잘 배우고자 하는 의향이 커지는 것이 아닐까 추측해볼 수 있다.
이 연구는 2022 개정 교육과정에서 고등학교 진로선택 과목에 양자물리 내용이 확대되는 기조에 따라 교사의 반응을 조사하는 것으로 시작되었다. 그사이 2022 개정 교육과정이 이미 공표되었고 2025학년도부터 단계적으로 초중고등학교에 적용되기 시작하며 양자물리 내용이 포함되는 물리학 진로선택 과목은 2026학년도부터 본격 적용된다. 새로운 교육과정이 학교 현장에 성공적으로 정착하기 위해서는 교육과정의 실현 주체인 교사들의 긍정적인 인식과 교수 수월성이 매우 중요하다. 이를 위해서 학교 현장에 본격 적용되기까지 얼마 남지 않은 기간 동안 학생만 아니라 예비 교사와 현직 교사들의 흥미와 호기심을 자극할 수 있는 양자물리 교육 내용의 구성, 양자물리 교육의 필요성에 대한 교사들의 인식 개선, 양자물리 교수학습에 대한 교수효능감을 높일 수 있는 교사 연수가 절실히 요구된다.
