npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 476-489

Published online May 31, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.476

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Perception of Relativity and Quantum Physics by Pre-Physics Teachers and Physics Teachers

Jongwon PARK1, Insun LEE2*

1Department of Physics Education, Chonnam National University, Gwanju 61186, Korea

2Department of Physics Education, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Korea

Correspondence to:islee@cbnu.ac.kr

Received: December 7, 2020; Revised: March 23, 2021; Accepted: April 12, 2021

Based on the assumption that the teacher's perception of modern physics affects modern physics teaching, this study examined perceptions of pre-physics teachers and physics teachers about the concepts of relativity and quantum physics presented in the high school curriculum. To do this, we used the repertoire grid technique to extract four adjective pairs (difficult to understand-easy, strange-plain, interesting-boring, difficult to calculate-easy) from 29 pre-science teachers. Using this, we developed a Likert-type questionnaire and 61 pre-physics teachers and 75 physics teachers responded. The result shows that although the respondents perceived modern physics as difficult to understand, the perceptions was not so strong. The perception of strangeness is higher, indicating that it is positive for motivating students’ learning. However, recognizing that modern physics needs to be related to students’ everyday experiences, some teaching ideas for this purpose are suggested. The perception of interest was also relatively high. The perception of calculation was only investigated for quantum theory, which was perceived to be difficult, but not so high. In addition, the differences in perception between individual concepts, differences between quantum theory and relativity concepts, and differences between pre-physcis teachers and physics teachers were statistically analyzed. These results are expected to be used as basic data for teaching modern physics.

Keywords: Teachers’ perception, Modern physics, Relativity, Quantum physics, Physics education, Physics teacher

이 연구는 현대물리에 대한 교사의 인식이 현대물리 지도에 영향을 준다는 가정하고, 고등학교 교육과정에 제시된 상대론과 양자론 개념에 대한 예비 물리교사와 물리교사의 인식을 조사하였다. 이를 위해 먼저 예비 과학교사 29명을 대상으로 레퍼토리 그리드 기법을 활용하여 현대물리에 대한 인식을 나타내는 4개의 형용사쌍(이해하기 어려운-쉬운, 신기한-당연한, 흥미로운-지루한, 계산이 어려운-쉬운)을 추출하고, 이를 이용하여 리커트 문항을 개발하였다. 리커트 문항에 대해서는 61명의 예비 물리교사와 75명의 물리교사가 응답하였다. 분석 결과, 현대물리에 대해 응답자들이 그렇게 어렵게 인식하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 신기하다는 인식은 좀 더 높게 나타나, 학습에의 동기유발을 위해서는 긍정적이지만 학생들이 자신의 삶과 연관 지을 수 있도록 할 필요가 있다고 보고, 이를 위한 구체적인 몇 가지 방법도 제안하였다.~현대물리가 흥미롭다는 인식도 비교적 높게 나타났다.~계산에 대한 인식은 양자론에 대해서만 조사하였는데, 계산이 많고 어렵다는 인식은 있었으나 그렇게 높지는 않았다. 이 외에 구체적인 개념별로 이러한 인식의 차이를 조사하고, 양자론과 상대론에 대한 인식 차이, 예비 물리교사와 물리교사이 인식 차이 등을 분석하였다. 이러한 결과는 현대물리 지도를 위한 기초 자료로 활용되기를 기대한다.

Keywords: 교사의 인식, 상대론, 양자론, 현대물리, 물리교육, 물리교사

중등학생 또는 대학의 기초과정을 이수하고 있는 학생들에게 상대론이나 양자론과 같은 현대물리가 이해하기 어렵다는 것이 많은 연구자들에 의해 지적되었다. 예를 들어, 현대물리 내용은 일상적 경험과 무관하고 [1], 추상적이고 상식과 대비되며 [2], 학생들에게 친숙한 고전적 세계관과 대치되고 [3], 복잡한 수학을 사용하기 때문에 [4,5], 많은 사람들은 현대물리가 어렵다고 불평한다고 하였다 [6]. 또 많은 연구에서 학생들이 현대물리에 대한 여러 가지 개념적 어려움을 가지고 있다고 보고해 왔다. 예를 들어, Akarsu [6]는 229명의 예비 과학교사를 대상으로 양자역학에 대한 개념을 설명하는 29개의 서술문에 대한 이해를 조사한 결과, ‘전자는 항상 입자와 같이 행동한다’, ‘빛은 파동의 한 형태이다’와 같은 고전적 개념을 가진 학생이 약 40% 정도라고 보고하였다. 최근에 Krijtenburg-Lewerissa et al. [3]은 양자역학 개념을 조사하는 도구들을 선택형, 리커트 척도형, 개념도 등의 방법에 따라 구분하여 소개하고, 이러한 도구들을 적용하여 나타난 결과를 4개 영역(파동-입자 이중성, 파동방정식, 원자, 복잡한 양자 행동) 의 14개 주제(e.g., 이중 슬릿, 확률, 측정 등)로 나누어 각각의 주제별로 학생의 이해를 정리하였다. 국내에서도 Ko, Lee, & Kim [7]은 기존의 양자개념조사 도구인 QMCS(Quantum Mechanics Conceptual Survey)를 활용하여 [8], 양자상태, 파동함수와 확률, 불확정성 원리, 파동-물질 이중성, 터널효과, 슈뢰딩거 방정식에 대한 대학생의 개념에 대한 이해를 조사하였다.

상대론에 대한 학생의 개념 이해를 조사한 연구들도 많다. 예를 들어, 길이 수축이나 시간 지연과 같은 특수 상대론적 현상을 학생들이 시각적 환각(illusion)으로 생각하거나 [9] 왜곡된 감지로 생각한다는 보고가 있고 [10], 동시성을 절대적인 것으로 생각하는 등 [11], 상대론에 대한 학생들의 이해가 부족하다는 연구들이 있다. 최근에 Jho [12]는 1970년대 이후 학생과 교사의 상대론에 대한 개념 이해 정도를 조사한 연구 51건을 분석하여, 학생이나 교사들이 시간과 공간을 절대적인 것으로 이해하거나, 관찰자가 같은 공간에 있으면 동일 기준 좌표계에 있다고 생각하며, 속도의 합을 갈릴레오 방식으로 구하는 등의 여러 가지 부족한 개념들을 정리하였다.

이처럼 학생들이 현대물리에 대해 개념적 어려움을 가지고 있다는 보고와 함께, 그 원인에 대한 연구들도 수행되었다. 예를 들어, 양자개념, 특히 원자에 대한 양자 모델에 대한 이해가 어려운 원인에 대해 Taber [13]는 다음과 같이 4가지로 정리하였다; (1) 학생의 인지구조 안에 양자 개념과 관련된 내용이 없는 경우, (2) 학생의 인지구조와 양자 개념과의 관련성을 인식하지 못하는 경우, (3) 학생의 인지구조와 양자 개념이 서로 모순되는 경우, (4) 학생이 이전에 배운 내용과 양자 개념이 서로 모순되는 경우. 이외에 상대론 개념을 이해하기 어려운 원인으로 Jho [12]는 수학적인 어려움, 고전적 관점과의 혼동, 기본개념에 대한 이해 부족 등을 들었다.

이처럼 현대물리 개념을 이해하기는 어렵지만, 현대물리를 중등학생에게 지도할 필요가 있다는 논의들도 있다. 현대물리를 중등학생에게 지도할 필요가 있는 이유로는 첫째, 중등학생들이 현대물리 내용에 대해서 관심이 많고 배우고 싶어 한다는 점을 들 수 있다. 예를 들어, Park et al. [14]은 지식의 발달 속도가 매우 빠른 현대 지식사회에 비추어 보았을 때, 1900년부터 시작된 상대론과 양자론의 기초개념들은 이미 100여 년이 훨씬 지난 ‘고전적’ 과학지식으로, 현대 사회에서는 누구라도 기본적으로 알고 있어야 할 과학적 소양으로서의 지식이라고 강조하였다. 실제로 그들은 한국의 9 – 10학년 191명을 대상으로 한 연구에서, 학생들이 과학 시간에 배우고 싶다고 선택한 내용의 약 20%가 현대물리 주제(e.g., 블랙홀, 힉스입자 등)였다고 보고하였고, 중등학생들에게 현대물리를 지도할 필요가 있다고 강조하였다.

둘째, 현대물리를 중등학생에게 지도할 필요가 있는 이유는 현대물리가 학생이 사는 문화 및 생활과 밀접하게 연관되어 있기 때문이다. 즉 현대물리는 현대의 많은 기술공학(e.g., 스마트폰과 같은 전자기기, 레이저, 인공위성에서의 상대론적 시간 지연 효과의 조절 등)에 직접적으로 활용되고 있으며, 인터넷(e.g., 슈뢰딩거 고양이 이야기)이나 영화(e.g., 인터스텔라) 등 학생이 직접 접하는 문화 속에 이미 다양하게 소개되고 도입되어 있다.

셋째, 현대물리에서 다루는 비일상적이고 신기한 내용들은 학생들에게 물리에 대한 놀라움과 호기심, 나아가 열정을 불러일으킬 수 있는 좋은 소재가 된다 [2,15,16]. 사실 본 연구자들도 어릴 적 상대론이나 블랙홀의 신비한 이야기를 과학잡지에서 보고 미래 물리학자를 꿈꾸기도 하였다. 이에 Shabajee & Postlethwaite [16]는 현대물리가 학생의 교육적 상상력을 도울 수 있다고 하였다. 즉 매우 속도가 빠른 세계, 매우 중력이 강한 공간, 규모가 매우 작거나 매우 큰 세계, 매우 짧거나 매우 긴 시간 간격 등의 상황을 상상하게 함으로써 창의적 사고에 도움을 줄 수 있다는 것이다.

넷째, 현대물리 개념은 20세기 새로운 문명에 많은 주요한 영향을 주었을 뿐 아니라 [17], 자연관과 우주관, 자연의 운행 등에 대한 인식론적 믿음에 변화를 불러일으켰다는 점에서 [2,17], 중등 학생들에게 지도해야 할 주요 개념이라고 할 수 있다. 예를 들어, Olsen [18]은 파동-입자 이중성 개념은 고전적 세계관의 변화를 일으키므로 지도할 필요가 있다고 하였고, 나아가 초등학생과 같이 사고가 열려있고 유연하며 고전 물리적 개념이 확고해지기 전에 현대물리를 지도할 필요가 있다고도 하였다 [16].

다섯째, 현대물리는 과학적 본성의 주요 측면들을 잘 보여준다. 예를 들어, 양자론은 ‘과학지식은 변하기 마련이다’뿐 아니라, 과학에서 모델과 창의성, 그리고 논쟁의 역할과 같은 과학적 본성을 잘 보여준다 [17,19].

이에 많은 연구자들은 중등과정 또는 대학의 기초과정에서 현대물리를 효과적으로 지도하기 위한 여러 가지 시도를 해왔다. 예를 들어, Belloni, Christian, & Dancy [15]는 추상적인 상대론 개념 이해를 위해서는 시뮬레이션을 이용한 시각화가 도움을 줄 수 있다고 하여, ‘Physicslets’ 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 대학생을 지도하였고, McGrath et al. [1]도 대학생에게 특수 상대론 지도를 위해 가상현실을 이용한 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 적용하였다. 그 결과, 관찰할 현상이 복잡하여 교수의 도움을 필요로 하는 경우가 80%로 많았지만, 72%의 학생들이 상대론을 잘 배울 수 있었고 90%는 프로그램을 즐길 수 있어, 앞으로도 이러한 프로그램의 사용을 원한다는 응답이 78%로 나타났다. Savage, Searle, & McCalman [20]도 “Real time relativity”라는 프로그램을 개발하여 빛의 속도에 가까울 때 나타나는 시각적 효과를 보여줄 수 있도록 하였다. Dimitriadi & Halkia [2]는 다음과 같은 방안을 세워 10학년 학생들에게 상대론을 지도하였다: (1) 수학을 사용하지 않는다, (2) 어려운 용어(e.g., 관성계, 고유시간)를 사용하지 않는다, (3) 물리를 친숙하게 만들기 위해 사고 실험을 활용한다, (4) 에테르 개념이 학생들에게 친숙하지 않으므로, 마이컬슨 몰리의 실험 내용을 다루지 않는다, (5) 이상한 현상보다는 단순한 예시를 사용하여 상대론의 2개 기본가정을 정당화할 수 있는 방식을 사용한다. 그 결과, 중등학생들이 특수 상대론의 기본개념을 잘 이해하게 되어, 중등 학생에게 특수 상대론을 지도하는 것이 가능하다고 주장하였다. Arriassecq & Greca [17]는 고등학생에게 상대론 지도를 위해 상황을 이용한 접근을 활용하였다. 즉 역사적이고 인식론적인 관점을 도입하여 긍정적인 결과를 얻을 수 있어, 특수 상대론을 고등학생에게 도입하는 것이 가능하다고 주장하였다. 이 외에 상대론 지도를 위해 모델과 비유의 활용을 강조한 연구도 있다 [5].

또 양자역학 지도를 위해 Fanaro, Otero, & Arlego [21]가 고등학생을 대상으로 한 연구가 있는데, 그들은 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 파인먼의 경로 적분을 도입한 결과, 학생들이 도전적인 방법을 받아들이고 집중함으로써 시험에서도 좋은 결과를 얻었다고 하였다. 이외에 기존의 추상적이고 수학적인 지도방안에 대해 비판하면서 시각화와 개념적 이해를 강조하는 연구자들이 많이 있는데 비슷한 관점에서 Salgado [23]도 상대론 지도를 위해 시뮬레이션의 활용을 제안하였다.

현대물리 지도를 위해서는 자연관이나 우주관에 대한 기본적인 개념의 변화가 필요하다는 지적도 많이 있다. 예를 들어, Kalkanis, Hadzidaki, & Stavrou [24]은 양자론 이해를 위해 사고의 급진적인 변화가 필요하다고 하였고, Petry & Niedderer [25]는 양자역학적 원자모델의 이해를 돕기 위해서는 양자철학을 파악하는 메타인지 과정을 연구할 필요가 있다고 제안하였다 [6]. 또 Aksakalli, Salar, & Turgut [26]는 현대물리학은 고전적 관점인 결정론(determinism)에 의문을 제기하면서 확실함(certainty)과 절대론(absolutism)에 대한 새로운 관점을 가져왔으므로, 현대물리 지도를 위해서는 우주에 대한 새로운 철학적 해석을 지도해야 한다고 하였다. Baily & Finkelstein [27]은 양자역학의 코펜하겐 해석을 강의 중에 명확하게 나타낸 경우에는 실재론적 관점(이중슬릿 실험에서 전자는 두 개의 슬릿 중에서 하나의 슬릿에서만 입자로 통과했다)을 가진 학생이 약 10%에 불과하였지만, 그는렇지 않은 수업의 경우에는 약 30%로 그 비율이 더 높은 것을 관찰하였다. 즉 새로운 자연관으로의 변화가 양자역학의 개념적 이해에 중요하다고 하였다. Ozcan [28]은 현대물리를 고전적 지도방법으로 지도하는 것이 현대물리 이해를 더 어렵게 한다고 지적하면서 현대물리 지도를 위해서는 현대물리도 일상적 삶과 연결 지을 수 있어야 하며, 고전물리와 현대물리의 차이에 대해서 인식하여 고전물리에 기초한 사고가 현대물리 이해에 방해 역할을 하지 않도록 해 주어야 하며, 비과학적인 단순화 방식이 이해에 방해가 될 수 있다고 하였다. 이와 관련하여 Arriassecq & Greca [17]도 중등 학생에게 상대론 지도에 사용되는 교재가 왜곡된 개념적, 역사적 인식론적 관점을 도입하는 경우가 있다고 비판하였다.

현대물리를 지도할 때 설명방식에 대한 유의점을 제안한 연구들도 있다. 즉 Selcuk [29]는 예비교사들이 시간 지연이나 길이 수축이 실제 현상이 아니라 인지(perception)의 문제라고 생각하는 경우가 많다고 지적하면서, 학생들을 지도할 때 ‘측정’이나 ‘관찰’이라는 용어 대신에 ‘본다’ 또 ‘~처럼 보인다’는 용어를 사용해서는 안 된다고 하였다 [30]. Shabajee & Postlethwaite [16]는 초중등 학생에게 현대물리를 지도하기 위해서는 개념 자체에 대한 설명도 중요하지만, 물리현상을 설명하는 서술방식에서의 변화도 중요하다고 제안하였다. 즉, 그들은 “이 일은 다음에 일어날 것이다…” 보다는 “이것은 일어날 가능성이 가장 높은 일이다…” 가 적절하며, “이것이 설명하는 방정식이다…” 보다는 “이 방정식은 우리에게 좋은 근사치를 제공해준다…” 식의 설명방식이 적절하다고 하였다.

이와 같이 현대물리에 대한 개념적 이해에 대한 분석, 그리고 학생들의 개념적 이해를 돕기 위한 연구들이 많이 있어 왔다. 이때 현대물리에 대한 인식이나 태도도 현대물리 학습에 주요한 영향을 미칠 수 있다. 이와 관련하여, Arruda [31]는 물리 전공 대학생들이 상대론의 여러 문제들을 잘 해결하고, 자신의 생각과 상대론적 생각에 차이가 있다는 것도 잘 인식하고 있었지만, 상대론이 그럴듯하지 않은 것으로 (implausiable) 생각하고 있다고 하였다 [32]. 또 Aksakalli, Salar, & Turgut [26]는 현대물리에 대한 이미지를 조사한 결과, 현대물리는 걱정스럽고, 추상적이고 외계적이며(alienated), 개념과 수학이 어렵고, 시각화하기 어렵다는 등의 부정적인 이미지가 있다고 하였다. 그리고 그러한 부정적인 이미지의 원인이 4가지 때문, 즉 지도 강사가 전문적이기 않기 때문에, 실험활동이나 시각화 활동이 부족하기 때문에, 교육과정이 학생 수준에 맞지 않기 때문에, 또는 교재에 수학이 너무 많기 때문이라고 하였다.

현대물리에 대한 이러한 왜곡된 또는 부정적 인식은 현대물리 학습에 직접적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, Ozcan [28]은 현대물리에 대한 학생들의 부정적 이미지(e.g., 현대물리는 추상적이고 어렵다 등)가 학생들에게 현대물리를 덜 중요하게 생각하게 한다고 하였다. 또 현대물리는 아니지만, Checkley [33]에 의하면, 물리가 어렵고, 지루하며, 실제 세계와 관련이 없다고 생각하는 학생들이 물리를 선택하지 않는다고 하였다. 그러나 이와 같이 물리과목에 대한 인식이 물리학습에 영향을 줄 수 있음에도 불구하고, 현대물리에 대한 인식을 조사한 연구는 매우 적다. 따라서 본 연구에서는 상대론과 양자론 개념에 대해서 예비 물리교사와 물리교사가 어떠한 인식을 가지고 있는지를 기술적으로 조사하고자 하였다. 이에 본 연구의 목적은 다음과 같다.

첫째, 상대론과 양자론 개념에 대해 예비 물리교사들이 가지는 인식을 긍정적-부정적 형용사쌍으로 조사한다.

둘째, 상대론과 양자론 개념을 나타내는 형용사쌍을 이용하여 예비 물리교사와 물리교사들의 상대론과 양자론 개념에 대한 인식을 조사한다.

1. 연구 대상

이 연구에서 설문에 응답한 예비 물리교사는 상대론과 양자론을 대학에서 전공과목으로 배운 물리교육과 3 – 4학년 학생 63명(불성실 응답자 2명 분석에서 제외)이었고, 물리교사는 고등학교에서 상대론과 양자론을 지도한 경험이 있는 물리교사로 75명이었다(물리교사는 상대론이 74명, 양자론이 48명). 각각의 설문에서 남자 비율은 각각 79.7%와 79.2%이었고, 물리교사의 평균 교육경력은 13.1년이었다. 참여자는 모두 연구참여에 동의하였으며, 무명으로 응답하도록 하였다.

2. 연구 절차

1) 형용사 쌍 추출

현대물리에 대한 예비 물리교사와 물리교사의 인식에 대해 이전 연구가 매우 적은 상황에서 본 연구에서는 어떤 측면의 인식을 조사할 것인지를 결정하는 것이 먼저 필요하였다. 이러한 측면에서 레퍼토리 그리드(repertory grid) [34] 기법이 적절하다고 판단하였다. 레퍼토리 그리드 기법은 켈리의 개인 구성 개념 (personal construct) 에 기반을 둔 연구 방법으로 [35], 모든 사람은 세상을 지각하고 이해하기 위해 개인적으로 구성개념을 형성하고 사용한다고 본다. 따라서 이 기법은 예비 물리교사와 물리교사가 현대물리에 대해 형성한 구성개념을 통해 현대물리에 대한 인식이 드러나게 하는데 적절하다고 판단하였다.

이때 레퍼토리 그리드 기법에서는 개인의 모든 구성(construct)이 양극성을 가지고 있다는, 즉 우리가 어떤 것을 인식할 때 부정하지 않고는 긍정하지 않는다는 것을 가정하고 있다 [34]. 따라서 상대론과 양자론에 대해서 떠오르는 생각을 반대 의미로 구성된 한 쌍의 형용사 (e.g., 어려운-쉬운)로 각각 나타내도록 하였고, 이러한 방식으로 추출된 인식의 쌍은 많은 교사들을 대상으로 인식을 조사할 수 있는 리커트 척도 형식의 설문지로 개발하는데 적절하게 활용할 수 있다고 판단하였다.

학생들이 제시한 형용사 쌍은 모두 Excel 파일로 정리하였고, 여러 차례 연구자들 간의 논의를 통해 범주화하였다. 학생들이 제시한 형용사 쌍을 같은 범주로 묶은 결과, 상대론에 대해서는 총 11개의 범주로 나눌 수 있었고, 양자론에 대해서는 총 10개의 범주로 나눌 수 있었다. 이들 범주 중, 1 – 2명씩만 제시한 것을 무시하였다. 그리고 양자론의 경우에 ‘불투명한’ 또는 ‘불확실한’과 같은 형용사로 표현한 응답이 6개 있었으나, 이는 양자론에 대한 인식이 불완전하다는 것일 수도 있지만, 양자론의 불확정성 원리를 표현한 것일 수도 있어, 양자론을 표현하는 형용사가 아닌 것으로 판단하여 제외하였다. 그 결과, 상대론과 양자론에 대해 4명 이상이 공통으로 제시한 형용사쌍을 추출하였다.

Table 1과 같이 레퍼토리 그리드 기법을 통해 예비 물리교사와 물리교사가 현대물리에 대해 구성해 놓은 인식 유형으로 밝혀진 것은 다음 4가지 형용사쌍이었다: ‘이해하기 힘들고 어려운 vs. 이해하기 쉽고 단순한(D)’, ‘신기하고 믿기 어려운 vs. 당연하고 뻔한(S)’, ‘지루한 vs. 재미있는 (I)’, ‘계산이 많고 계산이 어려운 vs. 계산이 적고 계산이 쉬운 (M)’. 상대론에서는 D, S, I 를 포함하는 3개 형용 사쌍으로 양자론에서는 M이 추가된 4개의 형용사쌍으로 범주화되었다.

Table 1 Adjective pair indicating perception of relativity and quantum theory.

AdjectiveOpposite adjectiveNo. of responses
RelativityQuantum theory
(-) D: hard and difficult to understand
(Relativity: difficult, headache, confused, hard, incomplihensible, complex)*
(Quantum: unknown, complex, difficult, hard, incomplihensible, tough)*
(+) simple and easy to understand
(Relativity: easy, understandable, simple, clear)
(Quantum: known, easy, concise, simple, understandable)
2137
(-) S: strange and unbelievable
(Relativity: strange, marvelous, unbelievable, imaginative, wonderful, surprising)
(Quantum: strange, novel, fresh, profound, nonsense, unfamiliar, inaccessible)
(+) plain and plausible
(Relativity: obvious, plain, ordinary, familiar, common, not so strange, routine)
(Quantum: plausible, famous, stale, better than one might think, plain, obvious, routine, intuitive, familiar)
1113
(+) I: interesting
(Relativity: interesting, enjoyable, curious)
(Quantum: interesting, curious, enjoyable, intriguing, joyful, wanting to do)
(-) boring
(Relativity: boring, uninteresting)
(Quantum: boring, uninteresting, tedious, annoying, dislike)
59
(−) C: many and difficult to calculate
(Quantum: many to calculate, many difficult fomular)
(+) few and easy to calculate
(Quantum: few to calculate, easy and neat to calculate)
-4

* The adjectives in parentheses are the examples of actual responses.



Table 1에서 추출한 형용사 쌍은 예비 과학교사인 1학년 학생 29명을 대상으로 얻은 결과이므로, 상대론과 양자론을 전공과목에서 심화 내용으로 배운 3, 4학년의 경우에 큰 차이가 있는지 알아보기 위해 3, 4, 학년 10명을 대상으로 추가 조사해 보았고 그 결과, Table 1의 4개 형용사에 모두 포함되는 것을 확인할 수 있었다.

2) 설문지 제작

조사할 상대론 및 양자론 개념은 2015 개정 과학과 교육과정 (통합과학, 물리학 I, 물리학 II)에 명시된 개념으로 선정하였다. 즉 상대론에서는 특수 상대론 4개 개념 (동시성, E = mc2, 길이 수축/시간 지연, 광속불변)과 일반 상대론 3개 개념(등가원리, 중력렌즈, 블랙홀), 양자론에서는 5개 개념(빛의 입자성/광전효과, 물질파/물질의 파동성, 불확정성 원리, 불연속적 에너지 준위, 고체의 에너지띠)이 인식 조사 항목으로 선정되었다.

설문 문항은 google 형식을 사용하여 온라인 설문으로 제작하였고, 상대론과 양자론 각 개념별로 형용사쌍을 1점에서 5점 척도의 양 끝으로 제시하여 응답하도록 하였다. 예를 들어 상대론의 등가원리에 대해, 매우 지루하면 1점, 약간 지루하면 2점, 중간이면 3점, 약간 재미있으면 4점, 그리고 매우 재미있으면 5점을 부여하는 방식이었다. 로

3. 분석 방법

설문에 대한 응답 결과는 대립되는 형용사에 대한 응답이었다. 따라서 이러한 대립적인 특성을 나타내기 위해 리커트 1점은 -2점으로, 2점은 - 1점으로, 3점은 0점으로, 4점은 1점으로, 5점을 2점으로 응답을 변환하여 분석하였다. 평균의 유의미한 차이를 비교 분석하기 위해 t-test를 실시하였고, 자료 분석은 IBM SPSS Statistics 26.0 통계 프로그램을 이용하였다.

1. 상대론에 대한 인식

1) 예비 물리교사의 인식

이전의 많은 연구들에서 “상대론이 이해하기 힘들다”고 강조해 왔다. 그러나 조사 결과 (Table 2), 이해하기 힘든 정도 (D)가 – 0.21로 나타나, 예비 물리교사들이 고등학교 교육과정에서 제시된 상대론 개념을 그렇게 어렵게 인식하지는 않았다. 그리고 이해하기 힘든 정도보다 신기하고 믿기 어려운 정도(S)가 – 0.6로 더 강했다(paired t = 6.387, p < .001). 재미있다는 응답 (I)은 양의 값 (+ 0.90)으로 나타났으며, 신기함에 대한 인식(S)과 통계적인 차이가 있었다(t = – 12.347, p < .001). 이러한 경향은 특수상대론과 일반상대론 간에 유의미한 차이가 없었다 (t = 1.413 and p = .163 for D, t = 0.907 and p = .368 for S, and t = – 1.709 and p = .093 for I).

Table 2 Perception of relativity. (Pre-physics teacher, N = 61)

PerceptionRelativityAverage
Special relativityGeneral relativity
SimultaneityE = mc2Length contraction/Time dilationConstant of light velocityAverageEquivalence principleGravitational lensBlack holeAverage
D(–)difficult to understand– 0.50– 0.24– 0.23+ 0.37– 0.15– 0.42– 0.05– 0.37– 0.28– 0.21
(+)easy to understand
S(–)strange and unbelievable– 0.76– 0.55– 0.95– 0.08– 0.58– 0.31– 0.76– 0.94– 0.67– 0.62
(+)plain and plausible
I(–)boring+ 0.98+ 0.63+ 1.11+ 0.69+ 0.85+ 0.52+ 0.92+ 1.47+ 0.97+ 0.90
(+)interesting


좀 더 구체적으로 상대론 개념별로 예비 물리교사들의 세 가지 인식 (D, S, I) 차이를 부등호로 나타내고, 통계적으로 차이가 난 쌍을 위첨자 번호로 표시하면 Table 3과 같다.

Table 3 Perception difference in the relativity concepts. (Pre-physics teacher, N = 61)

PerceptionDifference of perception
DSimultaneity(– 0.50)1)2) < Equivalence Principle(– 0.42)5) < Black hole(– 0.37)7) < E = mc2(– 0.24)3) < Length contraction/Time dilation(– 0.23)4) < Gravitational lens(– 0.05)2)6) < 0 < Constancy of light velocity(+ 0.37)1)3)4)5)6)7)*
SBlack hole(– 0.94)9)10)11) < Length contraction/Time dilation(– 0.95)1)4)6) < Simultaneity = Gravitational lens(– 0.76)2)5)7)8) < E = mc2(– 0.55)1)3)9) < Equivalence Principle(– 0.31)5)6)8)11) < Constancy of light velocity(– 0.08)2)3)4)7)10) < 0
I0 < Equivalence Principle(+ 0.52)6)7)9)13) < E = mc2(+ 0.63)1)2)8)11) < Constancy of light velocity(+ 0.69)4)5)12) < Simultaneity(+0.98)1)4)6)10) 8)9)14) < Length contraction/Time dilation(+ 1.11)2)5)7) < Black hole(+ 1.47)10)11)12)13)14)

* The two concepts with the same superscript number indicate that there is a difference in perception between two concepts with statistical significant p < .05. For example, in the case of D, the concepts of ‘Simultaneity’ and ‘Constancy of light velocity’ have a superscript number 1, which means that respondents perceive ‘Simultaneity’ more difficult than ‘Constancy of light velocity’ with statistical significance. However, for ‘Simultaneity’ and ‘Equivalence principle’, there is no same superscript number, which means that there is no statistical difference between two concepts although the average value of perception for these two is different.



D의 경우, 예비 물리교사들은 광속불변이 약간 이해하 기 쉽고 단순하다고 하였고 (양의 값), 나머지 6개 개념은 모두 이해하기 힘들고 어렵다고 하였다. 또한 이러한 차이는 통계적으로 유의미한 차이가 있었다. 그러나 동시성, 등가원리, 블랙홀, E = mc2, 그리고 시간 지연에 대해서는 이해하기 어려운 정도에서 통계적인 차이가 나지 않았다. D에서 특징적인 것으로 중력렌즈를 제외하고 5개 개념이 모두 광속불변에 비해 이해하기 어렵다고 한 것을 알 수 있다.

S 의 경우, 예비 물리교사들은 7개 개념 모두에 대해서 신기하고 믿기 어렵다고 하였다(음의 값). 특히 블랙홀이 그런 인식이 가장 강한 것으로 나타났고, E = mc2, 광속불변, 그리고 등가원리와 통계적으로 차이가 났다. 그리고 광속불변에 대해서는 등가원리를 제외한 나머지 모든 보다 덜 신기하다고 인식하였다.

I 의 경우, 예비 물리교사들은 7개 개념 모두에 대해서 재미있다고 인식하고 있었다. 특히 블랙홀이 그런 인식이 가장 강한 것으로 나타나, 시간 지연/길이 수축을 제외한 나머지 5개 개념보다 통계적으로 유의미한 차이가 있었다. 그리고 등가원리가 가장 덜 재미있다고 하였는데, E = mc2, 광속불변, 동시성 개념과 통계적으로 인식의 차이가 없었다.

D, S, I 의 상관관계를 분석한 결과(Table 4)에 의하면, DS 간의 상관이 유의미하게 높게 나타나 (α = 0.759, p < 0.01), 상대론 개념을 어렵게 인식할수록 더 이상하게 인식한다는 것을 알 수 있었다.

Table 4 Correlation between perceptions of relativity. (Pre-physics teacher, N = 61)

DSI
D1.759**– .030
S.759**1– .099
I– .030– .0991

** p < .01 (two-tailed test)



2) 물리교사의 인식

물리교사들의 상대론에 대한 인식을 살펴보면(Table 5), 물리교사들은 상대론 개념이 조금 이해하기 힘들고 어려우며(– 0.23), 신기하고 믿기 어렵지만(– 0.79), 재미있다고 (+ 0.97) 인식하고 있었다. 그리고 이 세 가지 인식은 서로 통계적으로 차이가 있었다(DS 에 대한 t = 5.243, p < .001, SI 에 대한 t = −12.145, p < .001). 또한 이러한 정도는 특수상대론과 일반상대론 간에는 유의미한 차이가 없었다 (t = 1.767 and p = .081 for D, t = 0.941 and p = .350 for S, and t = 0.123 and p = .902 for I).

Table 5 Perception of relativity. (Physics teacher, N = 74)

PerceptionRelativityAverage
Special relativityGeneral relativity
SimultaneityE = mc2Length contraction/Time dilationConstant of light velocityAverageEquivalence principleGravitational lensBlack holeAverage
D(–)difficult to understand– 0.55– 0.09– 0.66+ 1.11– 0.05– 0.53– 0.23– 0.65– 0.37– 0.23
(+)easy to understand
S(–)strange and unbelievable– 0.91– 0.69– 1.01– 0.43– 0.76– 0.70– 0.81– 1.01– 0.82– 0.79
(+)plain and plausible
I(–)boring+ 1.05+ 0.91+ 1.18+ 0.77+ 0.98+ 0.80+ 0.91+ 1.20+ 0.97+ 0.97
(+)interesting


좀 더 구체적으로 상대론 개념별로 물리교사들의 세 가지 인식 (D, S, I) 차이를 부등호로 나타내고, 통계적으로 차이가 난 쌍을 위첨자 번호로 표시하면 Table 6과 같다.

Table 6 Perception difference in the relativity concepts. (Physics teacher, N = 74)

PerceptionDifference of perception
DLength contraction/Time dilation(– 0.66)2)4)8) 9)10)11) < Simultaneity(– 0.55)1)3)7) < Equivalence Principle(– 0.53)5)6) < Gravitational lens(– 0.23)7)8)11) < E = mc2(– 0.09)1)2)5)9) < 0 < Constancy of light velocity(+ 1.11)3)4)6)10)
SBlack hole = Length contraction/Time dilation(– 1.01)1)3)4)5)6) < Simultaneity(– 0.91)2) < Gravitational lens(– .081)7) < Equivalence Principle(-0.70)4) 2)3)6)7) < 0
I0 < Constancy of light velocity(+ 0.77)2)3)7) < Equivalence Principle(+ 0.80)4)8) < E = mc2 = Gravitational lens(+ 0.91)1)5)6)9) < Simultaneity (+ 1.05)2) < Length contraction/Time dilation(+ 1.18)1)3)4)5) < Black hole(1.20)6)7)8)9)

* The two concepts with the same superscript number indicate that there is a difference in perception between two concepts with statistical significant p < .05.



D의 경우, 물리교사들은 광속불변이 이해하기 쉽고 단순하다고 하였고(양의 값), 예비 물리교사의 경우와 같이 나머지 6개 개념은 모두 이해하기 힘들고 어렵다고 하였다. 길이 수축/시간 지연은 E = mc2 과 광속불변, 그리고 중력렌즈보다 어렵다고 인식하고 있었다. 또 길이 수축/시간 지연은 블랙홀, 동시성, 등가원리에 대해서 어렵다는 인식에 통계적인 차이가 없어, 이들 4개 개념들이 대체로 다른 개념에 비해 이해하기 어렵다고 인식하고 있었다. 광속불변은 E = mc2 과 인식의 차이가 없어, 이해하기 어려운 정도가 보통이라고 볼 수 있었다.

S 의 경우, 물리교사들은 7개 개념 모두에 대해서 신기하고 믿기 어렵다고 하였다(음의 값). 특히 블랙홀과 길이 수축/시간 지연이 그런 인식이 가장 강한 것으로 나타났고, 동시성을 제외한 나머지 개념들과 이러한 인식에서 통계적으로 차이가 났다. 광속불변을 가장 덜 신기하게 인식하고 있었는데, 등가원리, E = mc2 과 이러한 인식에 차이가 없었다.

I 의 경우, 물리교사들은 예비 물리교사와 마찬가지로 7개 개념 모두에 대해서 재미있다고 인식하고 있었고, 특히 블랙홀이 그런 인식이 가장 강한 것도 예비 물리교사의 경우와 같았다. 가장 덜 재미있다고 인식한 개념은 광속불변 으로(예비 물리교사의 경우에는 등가원리였음), 등가원리 및 E = mc2 과 이러한 인식에 차이가 없었다.

D, I, S 의 상관관계를 분석한 결과(Table 7)에 의하면, 상대론 개념을 신기하게 인식할수록 어렵게 인식하면서 (α = 0.569, p < .001), 동시에 재미있게 인식하는 것으로 나타났다(α = −0.292, p < .01).

Table 7 Correlation between perceptions of relativity. (Physics teacher, N = 74)

DSI
D1.569**-.109
S.569**1-.292*
I-.109-.292*1

*p < .05, ** p < .01 (two-tailed test)



3) 예비 물리교사와 물리교사의 인식 비교

예비 물리교사와 물리교사의 상대론에 대한 인식에서 차이가 난 경우만 제시한 결과인 Table 8에 의하면, 물리교사가 예비 물리교사보다 길이 수축/시간 지연을 더 어렵게 인식하고 (t = 2.144, p = .034), 등가원리를 더 신기하고 믿기 어려워하는 것 (t = 2.454, p = .015)으로 나타났고, 그 외에 다른 상대론 개념에 대해서는 D, S, I 측면에서 차이를 보이지 않았다. 길이 수축/시간 지연과 등가원리의 경우로 사례는 적지만, 물리교사가 개념을 직접 지도하게 되면, 그 개념을 더 어렵거나 더 신기하게 인식할 수 있다는 것을 예상해 볼 수 있었다.

Table 8 Perception difference between pre-physics teacher (PPT) and physics teacher(PT) in relativity.

ConceptDSI
ComparisontpComparisontpComparisontp
Special relativityLength contraction/Time dilationPPT < PT2.144.034*PPT – PT0.399.690PPT – PT– 0.482.631
General RelativityEquivalence PrinciplePPT – PT0.588.558PPT < PT2.454.015*PPT – PT– 1.709.090

*p < .05 (two-tailed test)



2. 양자론에 대한 인식

1) 예비 물리교사의 인식

예비 물리교사들의 양자론에 대한 인식을 살펴보면 Table 9와 같다. 예비 물리교사들은 고등학교 교육과정에서 제시된 양자론 개념에 대해서는 이해하기 힘든 정도가 – 0.20으로 예비교사들에게 실제로는 그렇게 강하지 않은 것을 알 수 있다. 그리고 이해하기 힘든 정도보다는 신기하고 믿기 어려운 정도(– 0.46)가 강했다(paired t = 3.257, p = .002). 재미있다는 응답은 + 0.37로, 상대론에 대한 인식과 비슷했으며, 신기함에 대한 인식과 통계적인 차이가 있었다(t = 6.223, p < .001). 그리고 양자론 개념은 약간 계산이 많고 어렵다고 인식하고 있었으며, DS(t = 3.257, p < 0.01), DI(t = −4.529, p < .001)간에 통계적인 차이가 있었다.

Table 9 Perception of quantum physics. (Pre-physics teacher, N = 61)

PerceptionQuantumAverage
Light quanta/Photoelectric effectMatter waveUncertainty principleQuantized energy levelEnergy band of solid
D(– )difficult to understand+ 0.11– 0.57– 0.87+ 0.23+ 0.08– 0.20
(+)easy to understand
S(–)strange and unbelievable– 0.33– 0.67– 1.02– 0.28– 0.02– 0.46
(+)plain and plausible
I(–)boring+ 0.74+ 0.43+ 0.51+ 0.11+ 0.05+ 0.37
(+)interesting
C(–)difficult to calculate+ 0.30– 0.46– 0.72+ 0.05+ 0.07– 0.15
(+)easy to calculate


좀 더 구체적으로 양자론 개념별로 예비 물리교사들의 네 가지 인식 (D, S, I,C) 차이를 부등호로 나타내고, 통계적으로 차이가 난 쌍을 위첨자 번호로 표시하면 Table 10과 같다.

Table 10 Perception difference in the quantum physics concpets. (Pre-physics teacher, N = 61)

PerceptionDifference of perception
DUncertainty principle(– 0.87)1)2)3) < Matter wave(– 0.57)4)5)6) < 0 < Energy band of solid(+ 0.08)1)4) < Light quanta/Photoelectric effect(+ 0.11)2)5) < Quantized energy level(+ 0.23)3)6)
SUncertainty principle(– 1.02)1)2)3)8) < Matter wave(– 0.67)4)5)6)8) < Light quanta/Photoelectric effect(– 0.33)1)4)7) < Quantized energy level(– 0.28)2)5) < Energy band of solid(– 0.02)3)6)7) < 0
I0 < Energy band of solid(+ 0.05)1)2)6) < Quantized energy level(+ 0.11)3)4)5) < Matter wave(+ 0.43)1)3)7) < Uncertainty principle(+ 0.51)2)4) < Light quanta/Photoelectric effect(+ 0.74)5)6)7)
CUncertainty principle(– 0.72)1)2)3) < Matter wave(– 0.46)4)5)6) < 0 1)4) < Energy band of solid(+ 0.07)2)5) < Light quanta/Photoelectric effect(+ 0.30)3)6)

* The two concepts with the same superscript number indicate that there is a difference in perception between two concepts with statistical significant p < .05.



D의 경우, 예비 물리교사들은 고체의 에너지띠와 빛의 입자성/광전효과, 불연속적 에너지 준위가 약간 이해하기 쉽고 단순하다고 하였고 (양의 값) 이들에 대한 인식에는 통계적인 차이가 없었다. 그리고 불확정성 원리와 물질파/물질의 파동성은 모두 이해하기 힘들고 어렵다고 하였고 이 둘간에도 인식의 차이가 없었다. 그러나 이해하기 쉽다고 한 3개의 개념 (양의 값) 과 어렵다고 한 2개의 개념 (음의 값)간에는 통계적인 차이가 있었다. 이러한 결과를 통해 예비 물리교사들에게 양자론을 지도할 때 어떤 개념의 경우에 더 쉽게 이해할 수 있도록 도울 필요가 있는지 알 수 있다.

S 의 경우, 예비 물리교사들은 5개 개념 모두에 대해서 신기하고 믿기 어렵다고 하였다(음의 값). 특히 불확정성 원리가 그런 인식이 가장 강한 것으로 나타났고, 나머지 개념들과 통계적으로 차이가 났다. 그리고 불연속적 에너지 준위와 고체의 에너지띠에 대해 어렵다는 인식에는 차이가 없었다.

I 의 경우, 예비 물리교사들은 5개 개념 모두에 대해서 재미있다고 인식하고 있었고, 특히 빛의 입자성/광전효과가 그런 인식이 가장 강한 것으로 나타났으며, 불확정성 원리를 제외한 나머지 4개 개념과 인식에서 통계적인 차이가 있었다. 가장 덜 재미있다고 인식한 개념은 고체의 에너지띠로, 불연속적 에너지 준위와 재미에 대한 인식에 통계적인 차이가 없었다.

C의 경우, 예비 물리교사들은 불확정성 원리와 물질파/물질의 파동성에 대해서 계산이 많고 계산이 어렵다고 인식하고 있었고(음의 값), 이 두 개념 간에는 인식의 차이가 없었다. 불연속적 에너지 준위와 고체의 에너지 띠, 그리고 빛의 입자성/광전효과는 계산이 적고 쉽다고 하였고(양의 값), 이들 3개 개념 간에는 인식의 차이가 없었다.

D, I, S,C 의 상관관계를 분석한 결과 (Table 11) 에 의하면, DS 간 (α = 0.627, p < .001), CD간 (α = 0.502, p < .001), 그리고 CS간(α = 0.542, p < .001)의 상관이 유의미하게 높게 나타나, 양자론을 신기하게 인식할수록, 계산이 많고 계산이 어려울수록 내용을 더 어렵게 인식한다는 것을 알 수 있었다.

Table 11 Correlation between perceptions of quantum physics. (Pre-physics teacher, N = 61)

DSIC
D1.627**.009.502**
S.627**1– .139.542**
I.009– .1391.089
C.502**.542**.0891

** p < .01 (two-tailed test)



2) 물리교사의 인식

물리교사들의 양자론에 대한 인식을 살펴보면(Table 12), 물리교사들은 양자론에 대해서, 약간 이해하기 힘들고 어려우며(– 0.35), 신기하고 믿기 어렵지만(– 0.68) 조금 재미있고(+ 0.52) 약간 계산이 적고 계산이 쉽다고(+ 0.03) 인식하고 있다. 그러나 이해하기 힘들고 어려운 정도가 보통보다 약간 높은 정도였고, 계산이 많고 계산이 어려운 정도는 보통에 가깝다. 그리고 이러한 네 가지 인식에 대한 차이를 살펴본 결과, DS 사이 (t = 3.906, p < .001), DI 사이(t = −5.356, p < .001), DC 사이(t = −3.616, p < .01), SI 사이 (t = −6.633, p < .001), SC 사이 (t = −6.200, p < .001), IC 사이(t = 3.028, p < .01)에는 통계적인 차이가 있었다.

Table 12 Perception of quantum physics. (Physics teacher, N = 48)

PerceptionQuantumAverage
Light quanta/Photoelectric effectMatter waveUncertainty principleQuantized energy levelEnergy band of solid
D(–)difficult to understand+ 0.13– 0.44– 1.13– 0.08– 0.23– 0.35
(+)easy to understand
S(–)strange and unbelievable– 0.54– 0.77– 1.29– 0.44– 0.38– 0.68
(+)plain and plausible
I(–)boring+ 0.81+ 0.63+ 0.58+ 0.38+ 0.21+ 0.52
(+)interesting
C(–)difficult to calculate+ 0.29+ 0.06– 0.270.00+ 0.08+ 0.03
(+)easy to calculate


좀 더 구체적으로 양자론 개념별로 물리교사들의 네 가지 인식 (D, S, I,C) 차이를 부등호로 나타내고, 통계적으로 차이가 난 쌍을 위첨자 번호로 표시하면 Table 13과 같다.

Table 13 Perception difference in the quantum physics concepts. (Physics teacher, N = 48)

PerceptionDifference of perception
DUncertainty principle(– 1.13)1)2)3)4) < Matter wave(– 0.44)1)5) < Energy band of solid(– 0.23)2) < Quantized energy level(– 0.08)3) < 0 < Light quanta/Photoelectric effect(+ 0.13)4)5)
SUncertainty principle(– 1.29)1)2)3)4) < Matter wave(– 0.77)1)5) < Light quanta/Photoelectric effect(– 0.54)2) < Quantized energy level(– 0.44)3) < Energy band of solid(– 0.38)4)5) < 0
I0 < Energy band of solid(+ 0.21)1)2) < Quantized energy level(+ 0.38)3) < Uncertainty principle(+ 0.58) < Matter wave(+ 0.63)1) < Light quanta/Photoelectric effect(+ 0.81)2)3)
CUncertainty principle(- - 0.27)1)2) < 0 = Quantized energy level(+ 0.00) < Matter wave(+ 0.06) < Energy band of solid(+ 0.08)1) < Light quanta/Photoelectric effect(+ 0.29)2)

* The two concepts with the same superscript number mean that there is a difference in perception between two concepts with statistical significant p < .05.



D의 경우, 물리교사들은 빛의 입자성/광전효과를 제외한 나머지 4개 개념을 모두 약간 이해하기 힘들고 어렵다고 하였다. 이 중 불확정성 원리는 나머지 4개 개념보다 어렵다고 인식하였고, 그러한 인식의 차이는 통계적으로 유의미하였다. 그리고 고체의 에너지띠, 불연속적 에너지 준위, 빛의 입자성/광전효과에는 어렵다는 인식에 차이가 없었다.

S 의 경우, 물리교사들은 5개 개념 모두에 대해서 신기하고 믿기 어렵다고 하였다(음의 값). 특히 불확정성 원리가 그런 인식이 가장 강한 것으로 나타났고, 나머지 개념들과 모두 통계적으로 차이가 났다. 그리고 빛이 입자성/광전효과, 불연속적 에너지 준위, 고체의 에너지 띠 사이에는 신기하다는 인식에 통계적인 차이가 없었다.

I 의 경우, 물리교사들은 5개 개념 모두에 대해서 재미있다고 인식하고 있었고, 특히 빛의 입자성/광전효과가 그런 인식이 가장 강하였다. 가장 덜 재미있다고 인식한 개념은 고체의 에너지띠로, 물질파/물질의 파동성과 빛의 입자성/광전효과와 재미에 대한 인식에 통계적인 차이가 있었다.

C의 경우, 물리교사들이 가장 계산이 많고 계산이 어렵다고 인식한 개념은 불확정성 원리로 고체 에너지띠와 빛의 입자성/광전효과와 비교하였을 때 이러한 인식에 통계적인 차이가 있었다.

D, I, S,C 의 상관관계를 분석한 결과 (Table 14) 에 의하면, 양자론 개념을 어렵게 인식할수록 더 신기하게 인식하고 있었으며(α = 0.741, p < .001), 계산이 많고 계산이 어려울수록 더 어렵고(α = 0.646, p < .001) 더 신기하게(α = 0.547, p < .001) 인식한다는 것을 알 수 있었다.

Table 14 Correlation between perceptions of quantum physics. (Physics teacher, N = 48)

DSIC
D1.741**.194.646**
S.741**1– .090.547**
I.194–.0901.241
C.646**.547**.2411

** p < .01 (two-tailed test)



3) 예비 물리교사와 물리교사의 인식 비교

예비 물리교사와 물리교사의 양자론에 대한 인식을 비교한 Table 15에 의하면, 예비 물리교사가 물리교사보다 물질파/물질의 파동성(t = −2.453, p = .016)과 불확정성 원리 (t = −2.043, p = .044) 에서 더 계산이 많고 계산이 어렵다고 인식하는 것으로 나타났다. 그 이유는 물리교사는 고등학생을 지도하는 수준에서 어려운 수학을 사용하지 않기 때문으로 이해된다. 이 외에 양자론 개념에 대해서는 D, S, I,C 측면에서 차이를 보이지 않아, 전반적으로는 양자론에 대한 예비 물리교사와 물리교사간 인식에 큰 차이가 없다고 할 수 있었다.

Table 15 Perception difference between pre-physics teacher (PPT) and physics teacher (PT) in quantum physics.

ConceptDSIC
ComparisontpComparisontpComparisontpComparisontp
QuantumMatter wavePPT – PT– 0.599.550PPT – PT0.505.615PPT – PT– 1.044.299PPT > PT– 2.453.016*
Uncertainty principlePPT – PT1.285.202PPT – PT1.499.137PPT – PT– 0.324.747PPT > PT– 2.043.044*

* p < .05 (two-tailed test)


본 연구에서는 물리교사의 현대물리에 대한 인식이 현대물리의 지도에 영향을 줄 수 있다고 가정하고, 고등학교 교육과정에서 제시된 상대론과 양자론의 주요 개념에 대한 예비 물리교사와 물리교사의 인식을 조사하였다. 이를 위해 먼저 어떠한 인식 유형을 조사해야 하는지를 결정할 필요가 있었고, 레퍼토리 그리드 기법을 활용하 현대물리에 대해 어렵다(또는 쉽다)는 인식과 신기하고 믿기 어렵다는(또는 당연하고 그럴듯하다) 인식, 재미있다 (또는 재미없다) 는 인식, 그리고 수식이 어렵다(또는 쉽다)는 인식이 서로 다른 인식의 유형들로 추출되었다. 각 인식 유형에서 나타난 주요 특징을 정리해 보면 다음과 같다.

첫째, 가장 흥미로운 결과 중의 하나는 현대물리가 어렵다는 인식이 그렇게 강하지 않았다는 점이다. 상대론의 경우 예비 물리교사와 물리교사 모두 어렵다는 인식이 – 0.21와 – 0.23로 – 1의 값(이해하기 어렵다)보다 작은 것으로 나타났다. 양자론의 경우에도 어렵다는 인식이 – 0.20과 – 0.35로 나타났다. 그리고 예비 물리교사와 물리교사간에 상대론이 어렵다는 인식에는 통계적으로 유의미한 차이가 없었다(t = 1.277, p = .204). 서론에서 논의하였듯이, 현대물리 지도에서 가장 큰 걸림돌로 현대물리가 학생들에게 어렵다는 점이 많은 연구들에서 지적되어 왔다 [6]. 그러나 현대물리가 어렵다는 인식이 물리교사들에게 그렇게 높지 않다는 점은, 학생들에게 현대물리를 지도하는데 긍정적인 측면이라고 볼 수 있다.

현대물리가 예비 물리교사와 물리교사에게 어렵다는 정도가 그렇게 강하지 않은 이유는 여러 가지로 추론해 볼 수 있다. 먼저 상대론과 양자론 개념에 대해서 유튜브 등 인터넷에서 정성적으로 이해하기 쉽게 설명해 주는 다양한 자료들이 있기 때문으로 볼 수 있다. 특히 상대론의 경우에는 수식을 사용하지 않고 사고 실험만으로도 기본적인 주요 개념을 추출하고 이해할 수 있으므로 고등학생에게 지도하기 위한 수준의 현대물리 개념은 그렇게 어렵지 않게 인식될 수도 있다고 본다. 그러나 이러한 추론을 확인하기 위한 실증적 연구가 추후 필요할 것이다.

둘째, 예비 물리교사와 물리교사들의 현대물리 개념이 신기하다는 인식은 이해하기 어렵다는 인식보다 더 강한 것으로 나타났고, 통계적으로도 유의미한 차이가 있었다(t = 6.054, p < .01). 즉 상대론 개념이 신기하다는 인식은 -0.62 – -0.79로 나타났고, 양자론이 신기하다는 인식은 -0.46 – -0.68로 나타났다(음의 값이 클수록 더 신기하다는 것을 의미함). 이때 예비 물리교사(– 0.71)가 물리교사(– 0.57)보다 상대론을 더 신기하게 인식하였고, 이러한 차이는 통계적으로 유의미한 차이가 있었다(t = −2.266, p < .05).

신기함은 현대물리에 대한 호기심이나 동기유발과도 관계가 있다. 따라서 학생들이 배우는 내용에 대해서 신기하다는 인식은 필요하다고 볼 수 있다. 그러나 신기함은 학생들의 일상적 삶이나 직접적인 경험과는 무관하다고 인식하게 할 수도 있다. 특히 물리학에서는 이상 조건들이 포함되어 있어 물리가 학생들의 삶과 무관하다는 인식을 더욱 갖기 쉽다 [36]. 그런 점에서 신기하다는 인식은 어느 정도 필요하지만, 동시에 그럴듯하고 어쩌면 당연하며, 학생들의 일상적 경험이나 삶과 직접적인 연관이 있다는 것을 인식하도록 도울 필요도 있다. 특히 물리교사에게는 이러한 인식이 더 필요하다고 하겠다. 따라서 새로운 물리 개념이 그럴듯하고 일상적 경험과 관련이 있으며, 좀 더 당연하게 받아들일 수 있도록 하는 방안이 필요하다. 예를 들어, Fig. 1과 같이 원통을 관찰할 때, 왼쪽에서 관찰하면 원으로 관찰되고, 오른쪽에서 관찰하면 사각형으로 관찰되지만, A는 원도 아니고 사각형도 아니다. 즉 어떤 방향으로 관찰하는 가에 따라 원으로 관찰되기도 하고 사각형으로 관찰되기도 한다. 이러한 비유를 이용하여 빛의 입자성과 파동성을 도입하는 방법도 있을 것이다.

Figure 1. (Color online) Analogy for explaining the wave and particle duality.

또 Park et al. [14]은 불확정성 원리를 설명하기 위해 Fig. 2와 같은 비유를 제안하기도 하였다. 즉 왼쪽 연필의 경우에는 정확한 연필의 위치가 부정확하지만 (Δx > 0), 안정된 상태로 서 있을 수 있다(Δp ~ 0). 그러나 오른쪽 연필의 경우에는 연필의 위치가 정확하지만(Δx ~ 0), 쉽게 움직여서 넘어지게 된다(Δp > 0).

Figure 2. (Color online) Analogy for explaining the uncertainty principle.

셋째, 현대물리를 재미있게 인식하는지에 대한 조사결과, 상대론을 재미있다고 인식하고 있었고 (+ 0.90 – + 0.97), 양자론도 재미있다고 인식하고 있었다 (+ 0.37 – + 0.52). 이때 예비 물리교사와 물리교사의 상대론이 재미있다는 인식 (+ 0.94) 과 양자론이 재미있다는 인식 (+ 0.45)을 비교해 보면, 통계적으로 유의미한 차이가 있었다(t = 7.733, p < .001). 일반적으로 학생들이 물리에 대한 흥미가 낮다는 연구 결과들이 있다. 예를 들어, 과학에 대한 흥미였지만, TIMSS 2011과 2015에서 한국의 중학교 2학년 학생들의 과학에 대한 흥미도가 26위와 29위로 보고된 바 있다 [37]. 그러나 과학에 대한 흥미는 과학 과목의 선택과 이공계 직업 선택에 긍정적인 영향을 미친다고 보고된 바 있다. 예를 들어, Maltese & Tai [38]에 의하면, 화학과 물리학 분야의 대학원생과 과학자 대상자 중 65%가 중학교 시절부터 과학에 대한 흥미를 갖고 있었다고 하였다. 그런 면에서 현대물리 개념이 재미있게 인식된다는 점은 매우 긍정적인 결과이다.

넷째, 본 연구에서는 상대론의 7개 개념과 양자론의 5개 개념에 대해 인식을 조사하면서, 개념별로 인식의 차이를 조사하였다. 따라서 상대론이나 양자론의 어떤 개념이 다른 상대론이나 양자론 개념보다 더 어렵게 인식되거나 신기하게 인식되는지, 또는 덜 재미있게 인식되는지를 알 수 있었다. 따라서 본 연구 결과는 교사교육이나 교사재교육 과정에서 상대론이나 양자론의 특정 개념에 대한 인식을 변화시키고자 할 때 어떠한 개념에 더 관심을 가져야 하는지를 알려주는 데이터로 활용될 수 있다.

다섯째, 인식들 사이의 상관관계를 살펴본 결과, 상대론의 경우에는 신기하게 인식할수록 재미있게 인식하면서, 동시에 어렵게 인식하는 것으로 나타났다. 신기할수록 재미있게 인식하는 결과는 직관적으로 이해가 된다. 그러나 신기하다는 인식과 어렵다는 인식 사이에 양의 상관관계는 해석이 필요하다. 예를 들어, 상대론적 내용은 그 자체가 신기한 경우가 많으므로, 동기가 유발되기도 하지만 개념을 이해하려고 하면서 어려움을 겪는 것으로 추론할 수 있다.

또 양자론의 경우에는 신기하게 인식할수록 어렵게 인식하면서 계산이 많고 어렵다고 인식하는 것으로 나타났다. 물론 계산이 많고 어렵다고 인식할수록 어렵게 인식하는 것으로 나타났다. 이 경우에도 양자론적 내용 자체가 신기한 경우가 많고, 따라서 동기가 유발되면서 이해를 하려고 할 때 어려운 계산에 접하게 되고, 이해하는 데 어려움을 겪게 된 것으로 추론할 수 있다.

여섯째, 본 연구에서는 현대물리에 대한 예비 물리교사와 물리교사의 인식을 알아보기 위한 기술적 연구이다. 따라서 현대물리에 대한 예비 물리교사와 물리교사의 인식이 왜 그렇게 형성되었는지, 예비 물리교사와 물리교사의 인식에 차이가 있다면 그 이유는 무엇인지 등에 대한 해석이 충분하지 않다고 하겠다. 더구나 본 연구는 물리에 대한 교사의 인식이 물리에 대한 학생의 인식, 나아가 학생의 성취에도 영향을 준다고 가정하였다. 따라서 본 연구에서 나타나는 물리교사의 인식을 좀 더 긍정적으로 변화시키기 위한 연구가 필요하고, 그에 따라 교사의 현대 물리 지도에 변화가 나타나는지, 나아가 학생의 인식 변화나 학생의 학습 성취에도 변화가 나타나는지를 측정하는 연구가 앞으로 필요할 것이다.

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