npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2020; 70: 443-453

Published online May 29, 2020 https://doi.org/10.3938/NPSM.70.443

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Distribution of high School Students’ Conceptional Understanding About Quantum Phenomena

Sungmin IM*

Department of Physics Education, Daegu University, Gyeongsan 38453, Korea

Received: January 28, 2020; Revised: February 27, 2020; Accepted: March 10, 2020

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Abstract

The purpose of this study is to investigate the distribution of Korean high school students’ conceptual understanding about quantum phenomena so as to infer the significance of teaching and learning quantum physics in high school. For this, the authors investigated students’ ($N$ = 490) agreement a 29 statements that represented typical ideas of quantum phenomena and analyzed their responses by using cluster analysis and multi-dimensional scaling. As a result, high school students’ ideas about quantum phenomena could be clustered as (1) confused thinking, (2) quantum thinking, and (3) mechanistic thinking. Students’ ideas could also be mapped with two dimensions, which are (1) duality and (2) uncertainty. Students could be grouped according to the distribution of conceptional clusters into two groups: (1) ‘mixed’ group who had mixed conceptions and (2) ‘modern’ group who had scientific conceptions. The sizes of group were similar, and no significant differences between the two groups in the distributions of conceptions according to student’s gender, grade, or prior experience with physics learning were found.

Keywords: Quantum phenomena, Conceptual understanding, High school student, Cluster analysis, Multi-dimensional scaling

이 연구에서는 우리나라 고등학생들을 대상으로 양자 현상에 대한 개념 이해의 분포를 살펴보고, 이를 바탕으로 고등학교 물리교육에서 양자역학 교수학습에 대한 시사점을 도출하고자 하였다. 이를 위하여 양자 현상에 대해 학생들이 갖고 있는 생각을 29개의 문장으로 나타내고 이에 대해 응답자들(N = 490)의 동의 정도를 표시하는 방식으로 개념 이해를 조사하였으며, 군집분석과 다차원 척도법을 적용하여 응답 자료를 분석하였다. 연구 결과, 고등학생들이 양자 현상에 대해 갖고 있는 생각은 크게 (1) 혼동 관점, (2) 양자론 관점, (3) 기계론 관점과 같이 3가지 군집으로 나타낼 수 있다. 또한 학생들의 생각은 2차원 공간에 나타낼 수 있으며 각 차원은 (1) 이중성 차원과 (2) 불확정성 차원으로 해석할 수 있다. 응답한 학생들을 3가지 개념 군집의 분포에 따라 집단으로 분류한 결과, 여러 관점이 섞여있는 (1) ‘혼재’ 집단과 비교적 과학적 이해를 하고 있는 (2) ‘현대’ 집단으로 나눌 수 있다. 두 집단의 크기는 거의 비슷하며, 학생의 성별, 학년 및 물리과목 이수 정도에 따른 집단 간 개념 군집 분포의 차이는 나타나지 않았다.

Keywords: 양자 현상, 개념 이해, 고등학생, 군집분석, 다차원 분석법