npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 905-913

Published online December 31, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.905

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Analysis of Questions Generated by Pre-service Physics Teachers in a Physics Class Using Flipped Learning

Kyunghee Kang, Sangchil Lee*

Department of Science Education, Jeju National University, Jeju 63243, Korea

Correspondence to:*E-mail: chills@jejunu.ac.kr

Received: September 3, 2022; Revised: October 1, 2022; Accepted: October 24, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

This study analyzed the topic and level of questions generated by pre-service physics teachers in university flipped learning classes. The topics and levels of 103 questions generated by pre-service physics teachers in a flipped learning class were analyzed. The analysis of question topics showed that 26.2% of concept category questions and 26.2% of knowing category questions were found. The application, equation, experiment, and limit category questions accounted for 15.5%, 13.6%, 11.7%, and 6.8%, respectively. In the analysis of question levels, the most common questions were the medium-level ones (43.7%), followed by the minimum-\,(28.2%), high-\,(18.4%), and low-level (8.7%) questions. In the analysis of question topics, various categories of question topics were presented from the middle of the semester rather than at the beginning. These results suggest that pre-service physics teachers were using various learning strategies to understand the learning content through repetitive question-generating activities in flipped learning classes. Therefore, flipped learning classes had a positive effect on the pre-service physics teachers in terms of using various question topics to understand the learning content. In addition, the highest number of questions observed at the medium level indicated that pre-service physics teachers had difficulties in understanding the learning content. Therefore, instructional design is required to link the questions generated by pre-service physics teachers in flipped learning classes with face-to-face lectures.

Keywords: Flipped learning, Pre-service physics teacher, Question-generating, Topic, Level

이 연구는 대학교 플립러닝 수업에서 예비 물리교사들이 생성한 질문의 주제와 수준을 분석하는 것이다. 이를 위해 예비 물리교사들이 플립러닝 수업에서 생성한 103개의 질문들의주제와 수준을 분석하였다. 질문 주제에 대한 분석 결과 개념 범주 질문 26.2%, 지식 범주 질문 26.2%로 나타났다. 다음으로는 적용 범주 질문 15.5%, 식 범주 질문 13.6%, 실험 범주 질문 11.7%, 한계 범주 질문 6.8%로 나타났다. 질문 수준에 대한 분석에서는 중간 수준 질문이 43.7%로 가장 많았고, 다음으로 최소 수준 질문 28.2%, 높은 수준 질문 18.4%, 낮은 수준 질문 8.7%의 순으로 나타났다. 질문 주제에 대한 분석에서는 학기 초보다 학기 중반 이후부터 질문 주제의 범주가 다양하게 제시되었다. 이와 같은 결과는 예비 물리교사들이 플립러닝 수업에서 반복적인 질문 생성 활동을 통해 학습 내용을 이해하는 과정에서 다양한 학습 전략을 활용하고 있음을 시사하는 것이다. 그러므로 학습 내용을 이해하기 위해예비 물리교사들이 다양한 질문 주제를 활용하는 데에 플립러닝 수업이 긍정적 영향을 미친 것으로 볼 수 있다. 또한 중간 수준의 질문이 가장 많은 것은 예비 물리교사들이 학습 내용을 이해하는 과정에서 어려움을 겪고 있음을 나타내고 있다. 따라서 플립러닝 수업에서 예비 물리교사들이 생성한 질문들을 대면수업과 연계시키기 위한 교수 설계가 요구된다.

Keywords: 플립러닝, 예비 물리교사, 질문 생성, 주제, 수준

제4차 산업혁명 시대를 맞아 교육 분야에서는 전통적인 교수자 중심 교육에서 학습자 중심 교육이 강조되고 있다. 자기주도적 학습력과 문제해결력, 창의적 사고 함양 등이 주요한 교육목표로 대두되면서 학습자 중심 교육을 강화하기 위한 변화가 요구되고 있다. 플립러닝은 ICT(Information and Communications) 기반 교수-학습모형이다. 특히 온라인 형태의 다양한 수업자료를 사전에 제공하여 학습자들이 사전학습을 수행하고, 이를 통해 교수자와 학습자 간 상호작용이 강화된 오프라인 수업을 전개하는 형태로 진행된다. 즉 플립러닝은 사전 콘텐츠 학습을 기반으로 수업 중에는 퀴즈, 실험, 소그룹 토론 등의 학습자 중심 수업이 이루어지므로 전통적인 교수-학습 방법을 뒤집는 수업 형태이다[1].

전통적인 수업에 비해 혁신적인 교수-학습 방법으로 알려지면서 플립러닝 운영과 효과에 관한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 플립러닝을 통해 학습자는 동료와 교수자와의 상호작용을 경험하게 되고, 이는 심층적 학습을 가능하게 한다[2, 3]. 또한 플립러닝이 학업성취도에 효과적이라는 연구들[4-7]과 문제해결력 향상에 도움이 된다는 결과도 제시되었다[8]. 이외에도 자기주도적 학습력 함양에 효과적이라는 연구들[9-11]과 의사소통력 측면에서의 효과를 살펴본 연구[12]도 제시되었다. 또한 대학 수업을 대상으로 한 연구[13]에서는 학습동기에 긍정적인 영향을 미쳤음을 주장하였다.

플립러닝에서 사전수업과 오프라인수업을 효과적으로 연결하는 것은 매우 중요하다[14]. 이 두 수업을 연결하는 전략으로 주목받고 있는 것이 질문이다. 질문은 학습자의 이해도를 확인하는 중요한 도구임과 동시에 학습 전략에 피드백을 제공하는 방법이다[15]. 또한 질문을 통해 학습자들은 반성적 사고를 일으키고 자신의 개념 이해를 점검할 수 있다[16]. 특히 자연과학의 특징과 논리성을 바탕으로 한 물리학 학습에서 학습자의 질문은 학습 상태를 표현하는 지표이고, 내용 이해 정도와 수준에 대한 정보를 제공한다[17, 18], 물리학 온라인 공개수업에서 대학생들이 생성한 질문을 분석한 연구[19]에서는 학생들이 생성한 질문들이 비교적 높은 수준을 보이는 것으로 나타났다. 예비교사를 대상으로 한 질문중심 플립러닝은 문제 해결능력과 사고 촉진 등에 효과적이라는 연구[20]와 공학계열 대학생들을 대상으로 한 플립러닝에서 질문생성 전략이 문제해결력 향상에 긍정적 영향을 미쳤다는 연구[21]는 플립러닝 적용에서 질문이 매우 중요한 전략으로 활용될 수 있음을 시사하고 있다.

질문 주제와 수준을 분석하는 것은 학습자의 오개념을 파악하기 위한 기초 자료를 제공하고[22], 과학 학습과 관련한 학습자 흥미를 살펴볼 수 있다는 점에서 의미가 있다[23]. 질문은 학습자의 흥미와 동기 유발에 도움이 될 뿐만 아니라 이를 토대로 더 높은 수준의 탐구 질문으로 이어질 수 있다. 특히 학습자의 질문 주제를 파악함으로써 교수-학습 과정에서의 상호작용과 개념 이해의 확장을 유도할 수 있다[24]. 특히 물리학 학습에서 학습자가 생성하는 질문은 물리학 개념 등에 대한 이해를 반영하고, 더 나아가 학습 과정에서의 어려움을 나타낸다[19]. 또한 학습자가 생성한 질문에 스스로 대답을 찾도록 하는 것은 학습자의 사고력을 높이고, 개념 이해도를 높이는 것으로 알려져 있다[25].

플립러닝은 학습자의 자기주도적 학습을 토대로 학생과 교사, 학생과 학생 간 상호작용을 확대시키는 것이므로, 이러한 교수-학습 과정에서 학습자가 생성한 질문의 주제와 수준을 분석하는 것은 의미가 있다. 특히 예비 물리교사들을 대상으로 플립러닝을 실시하는 것은 새로운 교수-학습 설계를 예비 물리교사들에게 경험케하는 것이다. 그러므로 예비 물리교사들이 생성한 질문의 주제와 수준을 분석함으로써 플립러닝을 통해 물리학 내용에 대한 이들의 이해와 흥미가 어떻게 변화되었는지 살펴보고자 한다. 이에 연구문제는 다음과 같다.

첫째, 플립러닝 수업에서 예비 물리교사들이 생성한 질문의 주제와 수준은 어떠한가?

둘째, 예비 물리교사들이 생성한 질문의 주제와 수준은 플립러닝 수업에서 어떤 변화를 나타내는가?

1. 연구 대상

이 연구에서는 2022학년도 1학기 J대학교 사범대학 물리교육전공 2학년을 대상으로 한 ‘현대물리교육 I’을 수강한 예비 물리교사 10명이 13주 동안 작성한 질문들을 분석하였다. 한 학기 동안 생성한 질문은 총 103개 문항이었고, 예비 물리교사들은 생성한 각 문항에 대해 답변을 작성하였다. 이들은 각 주별 학습 주제에 대한 사전 수업 영상을 학습하고, 학습 내용과 관련한 질문과 그에 따른 답안을 작성해 구글클래스룸에 탑재하였다. 이 연구에서는 각 주차별로 예비 물리교사들이 작성해서 올린 질문들을 정리해 분석하였다.

2. 플립러닝 운영

이 연구에서 플립러닝을 실시한 ‘현대물리교육 I’은 2학년 학생들을 대상으로 하는 교과내용학 과목으로, 현대 물리학 전반에 걸친 내용을 포함하는 교과목이다. 수강생들은 이전 학기들에서 교과내용학과 교과교육학 분야 과목들을 다수 수강하였다. 특히 물리교육학 분야의 과목에서 플립러닝의 뜻과 기본 설계 등에 대해 학습한 경험이 있으나, 실제 플립러닝 교과를 수강한 적은 없었다.

이 과목은 Table 1에 제시된 바와 같이 상대성이론, 파동의 입자성, 입자의 파동성, 양자역학 등의 학습 주제로 구성되었다. 플립러닝 수업을 위해 대학 내 원격교육센터에서 구축한 홈페이지를 이용해 각 주별 학습 내용을 설명하는 사전 영상을 탑재하였다. 예비 물리교사들은 사전 영상을 학습한 후 질문을 생성하고 그에 대한 답변을 작성해 제출하였다. 질문과 그에 따른 교수자 피드백 등은 구글클래스룸을 이용해 진행되었다. 사전 영상 학습에 이은 대면 수업에서는 사전 영상 학습 내용에 대한 요약 발표, 발표 내용에 대한 조별 토론, 퀴즈, 평가 등이 이루어졌다. 플립러닝 수업 절차는 Fig. 1에 제시하였다.

Table 1 Design of flipped learning.

NoChapterContentsMethod
1The beginning of modern physics
  • - 19th-century physics

  • - The atomic world

Preview & review of a pre-class video
2Theory of relativity(1)
  • - Special theory of relativity

  • - Lorentz transformation

  • - Time dilation

  • - Length contraction

Preview & review of a pre-class video Task announcement Discussion Q & A Instructor evaluation Peer evaluation Quiz
3Theory of relativity(2)
  • - Relativistic momentum

  • - Mass & energy

  • - Energy & momentum

4Theory of relativity(3)
  • - Spacetime

  • - Theory of general relativity

5Particle properties of waves(1)
  • - Blackbody radiation

  • - Planck’s law

6Particle properties of waves(2)
  • - Photoelectric Effect

  • - Quantum theory of light

  • - X-ray

  • - Compton effect

  • - Duality of light

7Particle properties of waves(3)
  • - Pair production

  • - Photon & gravity

  • - Red shift

8Mid-term exam
9Wave properties of particles(1)
  • - de Broglie’ matter waves

  • - Phase velocity & group velocity

Preview & review of a pre-class video Task announcement Discussion Q & A Instructor evaluation Peer evaluation Quiz
10Wave nature of particles(2)
  • - Particle diffraction

  • - Heisenberg’s Uncertainty principle for position & momentum

  • - Uncertainty relation for energy & time

  • - Wave-particle duality

11Atomic structure(1)
  • - Rutherford's atomic model

  • - Atomic spectra

  • - Bohr model of the hydrogen atom

  • - Energy level & spectra

12Atomic structure(2)
  • - Correspondence principle

  • - Atomic excitation

13Atomic structure(3)
  • - Franck-Hertz's experiment

  • - Laser

14Quantum mechanics
  • - Wave function

  • - Born’s interpretation

  • - Schrödinger’s wave equation

  • - Linearity & superposition

  • - Eigenvalues & eigenfunctions

  • - Particle in a box

15Final exam


Figure 1. Procedure of flipped learning.

3. 자료 분석 및 절차

이 연구에서 질문 주제 분석에는 Harper et al.[26]이 제시한 물리학 질문 분류를 활용하였는데, 각 범주의 내용은 Table 2에 나타냈다. 식(equation)을 주제로 한 질문은 물리학 학습에서 식을 사용하거나 식의 의미를 파악하는 것과 관련된 것이다. 개념(concept)을 나타내는 질문은 학습자가 학습 내용의 의미에 대해 의문을 갖는 것이다. 즉 이 주제는 학습자가 학습 내용과 그에 관련된 현상에 대해 생성한 의문을 토대로 물리학 개념 이해를 구조화하는 것과 연관된 질문이다. 적용(application)은 질문의 주제가 학습 내용을 일상 생활 사례 또는 다른 개념과 연관시키는 내용을 의미한다. 적용의 과정에서 인지 갈등 등이 유발될 수 있으므로, 이 질문 주제는 교수-학습 과정에서의 상호작용을 강화할 수 있다. 지식(knowing)은 개념, 법칙 등의 학습 내용이 학습자 자신이 파지하고 있는 지식과의 차이점을 이해하는 것과 관련된 질문 주제이다. 특히 이 질문은 물리학 지식에 대한 학습자의 관점과 과학자의 관점을 명확히 하는 과정에서 생성되므로 과학의 본성에 대한 이해와 밀접한 관련이 있다[27]. 실험(experiment)은 교수-학습 과정에서 제시된 물리학 실험의 목적과 과정 이해에 대한 어려움을 나타내는 질문 주제이다. 플립러닝 상황에서 이 범주는 수업영상에서 제시되는 실험에 관련한 이해에서 나타나는 어려움을 포함하고 있다. 한계(limitation)는 물리학 개념, 법칙 등의 적용과 관련하여 적용 대상, 범위 등에 대한 질문 주제이다.

Table 2 Analysis framework of question topics [26].

TopicsDescription
EquationThis question relates to the learner's direct use of the equation or grasping its meaning.
ConceptThis question relates to the learner's intention to question a topic of study or extend it into other areas.
ApplicationLearners ask questions by relating what they have learned to everyday life or other concepts.
KnowingLearners are interested in how a particular knowledge was contrasted by scientists.
ExperimentThis question relates to the learner's difficulty in understanding the purpose or process of the experiment presented in the class.
LimitationThis question is about the scope of application of physics concepts, laws, constants, etc.


플립러닝 과정에서 예비 물리교사들이 생성한 질문의 수준을 분석하기 위해 Etkina[18]의 분류기준을 활용하였고, 구체적인 내용은 Table 3에 제시하였다. 질문의 수준은 ‘최소 수준(minimum)’부터 ‘높은 수준(high)’까지 4가지 수준으로 나누었다. 최소 수준은 학습 내용 중에서 가장 기본적인 정의에 대한 질문 또는 사실적 정보에 대한 질문이다. 이 수준의 질문은 학습자가 학습 내용에 대해 제대로 이해하지 못한 상태임을 나타낸다. 다음으로는 ‘낮은 수준(low)’은 교수 과정에서 사용된 그래프, 표, 언어 등에 대한 이해에 어려움이 있어 생성된 질문이다. 또한 제시된 정보를 단순 비교하는 것도 이 수준으로 볼 수 있다. ‘중간 수준(medium)’은 학습자가 단순 사실이나 정보에 대해 묻는 것이 아니라 학습 내용을 이해하는 과정에서의 어려움을 나타내는 질문이다. 이 수준은 학습자가 개념을 재구성하는 과정과 관련되므로 최소 수준이나 낮은 수준과는 차이가 있다. ‘높은(high) 수준’은 학습 내용와 관련한 현상의 원인, 새로운 지식과의 관련성 등에 대한 질문을 의미한다. 학습 내용에 대한 이해를 바탕으로 의문을 생성할 뿐만 아니라 학습한 개념을 적용하려는 시도를 포함하는 질문이다.

Table 3 Analysis framework of question levels [18].

LevelDescription
MinimumThis question represents a definitional problem and factual information in the learning content.
LowThis question relates to understanding the graphs, tables, and pictures presented by the instructor.
MediumThis question involves procedual difficulties in understanding the learning content.
HighThe learners want to know the reasons for the phenomenon related to the learning content and the connection with other fields.


예비 물리교사들이 작성한 질문의 수준과 주제 분석은 본 연구의 연구자인 물리학 박사 1인과 과학교육학 박사 1인에 의해 이루어졌다. 2인의 연구자는 구글클래스룸의 해당 교과목에 공동 교수자로 등록하여 플립러닝 진행 전반에 대한 자료와 학습자의 반응 등을 공유하였다. 이와 같은 과정을 통해 예비 물리교사들이 질문을 작성한 수업 맥락 등에 대한 이해를 통해 분석의 신뢰성을 높였다. 일차적으로 전체 질문 목록 중 10개를 임의로 추출하여 질문 수준과 질문 주제에 대한 예비 분석을 실시하였다. 2인의 예비 분석 결과를 비교 검토해 세부적인 분석 기준에 대해 논의하였다. 이를 토대로 전체 질문들을 분석하였고, 2인의 분석 결과에 대한 일치 여부를 확인하였다. 분석 결과 중 일치하지 않는 일부 질문에 대해서는 질문이 작성된 교수-학습 맥락과 작성자의 학습 상황에 대한 검토 등을 통해 합의된 결과를 도출하였다.

1. 질문 주제 분석 결과

예비 물리교사들이 플립러닝 수업에서 사전 영상 학습 후 생성한 질문들을 주제별로 분석한 결과 개념 범주 질문과 지식 범주 질문이 각각 27개(26.2%)로 가장 많았고, 다음으로는 적용 범주 질문 16개(15.5%), 식 범주 질문 14개(13.6%), 실험 범주 질문 12개(11.7%), 한계 범주 질문 7개(6.8%)로 나타났다. 개념과 지식 범주의 질문이 가장 많이 나타났다는 것은 사전 영상에 제시된 학습 주제에 대해 예비 물리교사들이 이해하고 있고, 더 나아가 자신의 지식과 연관지어 받아들이고 있음을 시사하고 있다.

가장 많은 비중을 차지하고 있는 개념 범주 질문(26.2%)은 학습 내용에 대한 의문을 나타내는 질문으로 플립러닝 사전 영상을 학습하면서 예비 물리교사들이 현대 물리학 개념에 대한 이해를 확장시키는 데 기초가 될 수 있는 접근이라는 점에서 의미가 크다. 특히 이 범주의 질문은 학습 주제 이해를 위해 자기주도적 학습의 양상을 보인 것으로 해석할 수 있다[18]. 이 범주에 해당하는 질문으로는 ‘빛의 전달 매질인 에테르가 어떻게 절대 관성계가 될 수 있는가?’, ‘유도 방출에 의해 만들어진 광자는 외부로부터 입사된 유도광자와 왜 똑같이 복제되는가?’ 등이다. 또한 지식 범주 질문은 과학 개념과 학습자의 지식과 어떻게 관련되는지에 대한 의문을 담고 있다. 그러므로 이 질문은 예비 물리교사들이 원리, 법칙 등 물리학 지식 요소들을 정확하게 구별하고 이해하는 데 필요한 의문이라고 볼 수 있다. 선행 연구[18]에서는 개념 범주 질문이 가장 많았고, 다음으로 지식 범주 질문이 제시된 것으로 나타났다. 이에 비해 이 연구에서는 예비 물리교사들이 생성한 개념 범주와 지식 범주 질문들이 동일한 비율로 나타났다. 이는 예비 물리교사들이 자신이 알고 있는 지식과 학습 내용을 연관지어 이해하려는 학습 경향을 간접적으로 보여주고 있다. 이 범주의 질문으로는 ‘광학현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경에 대한 이해를 바탕으로 보았을 때 감마선현미경은 존재할까?’, ‘전자가 음극선 실험으로 발견되었는데, 그 역사적 배경은 어떻게 될까?’ 등이다.

다음으로는 적용 범주 질문이 15.5%로 나타났다. 이 질문은 학습자가 학습 내용을 다른 물리학 개념이나 일상 생활의 상황에 연관시키는 것과 관련된 것이다. 그러므로 이 질문이 많이 제시되지 않았다는 점은 예비 물리교사들이 현대물리학 학습 내용에 대한 적용 과정에서의 의문 생성이 제한적으로 이루어지고 있음을 시사하고 있다. 예비 물리교사들이 작성한 적용 범주 질문의 예시로는 ‘실생활에서 볼 수 있는 맥놀이 파동에는 무엇이 있을까?’, ‘DVD, CD, BD 각각에서 저장용량은 왜 다를까?’ 등이 있다.

식, 실험 범주의 질문들은 상대적으로 낮게 나타났다. 특히 플립러닝 사전 영상 학습의 특성상 실험 범주 질문은 영상에서 제시된 실험 설명을 토대로 생성되어야 하므로, 직접적인 실험 수행 과정에서의 의문 생성보다 제한적으로 이루어진 것으로 판단된다. 식 범주에 해당하는 질문으로는 ‘길이수축은 고유길이인 L0에 로렌츠 변환을 대입하여 풀고, 시간팽창에서는 고유시간에 대입하여 풀지 않는 이유는?’, ‘지구회전 효과 식에서 구심가속도는 어떻게 구하는가?’ 등이 제시되었다. 실험 범주 질문으로는 ‘빛의 세기와 진동수를 일정하게 한 실험에서 가변저항을 최소에서 저지전압에 가깝게 저항을 키울 때 흐르는 전류의 양은 변하는가?’, ‘뢴트겐의 실험에서 그는 어떻게 보이지 않는 빛이 나온다는 관찰을 할 수 있었나?’ 등이 제시되었다. 또한 한계 범주의 질문은 현대 물리학 관련 개념, 법칙 등의 적용 범위에 대한 것이기 때문에 정확한 내용과 적용에 대한 이해가 뒷받침되어야 생성될 수 있다. 그러므로 사전 영상 학습 과정에서 이 범주의 질문은 제일 낮게 나타난 것으로 볼 수 있다. 이에 대한 예시로는 ‘드브로이파의 위상속도는 광속보다 더 빠르다. 그렇다면 특수상대성이론을 위배하는 것이 아닌가?’, ‘불확정성 원리와 관련해 전자와 중성자 등 미세한 입자의 위치와 속도를 동시에 측정할 수 있는 경우는 없는가?’ 등이 있다.

특히 질문 주제 분석 결과 학습 주제에 따라 질문 범주가 달라지는 것으로 나타났다(Table 4 참조). 식 범주의 질문은 4, 5, 6, 10, 12, 13주차에는 전혀 제시되지 않았다. 또한 실험 범주 질문은 5, 6, 11, 12, 14주차에만 집중적으로 나타났다. 이에 비해 개념, 지식 범주의 질문은 학습 주제와 상관없이 고르게 제시되었다. 이 같은 결과는 개념, 지식 범주의 질문은 학습 내용에 대한 기본적인 이해와 관련되므로 모든 학습 주제에서 일차적으로 생성될 수 있는 의문임을 보여주는 것이고, 예비 물리교사들이 개념과 지식 측면에서 학습 내용 이해를 시도하고 있음을 시사하고 있다.

Table 4 Result of analysis on question topic by each week.

Lesson contentsEquationConceptApplicationKnowingExperimentLimitationSum
119th-century physics, The atomic world35···19
2Special theory of relativity, Lorentz transformation, Time dilation, Length contraction251··19
3Relativistic momentum, Mass & energy, Energy & momentum241···7
4Spacetime, Theory of general relativity·224··8
5Blackbody radiation, Planck’s law·1222·7
6Photoelectric Effect, Quantum theory of light, X-ray·1132·7
7Compton effect, Duality of light1412·19
8Pair production, Photon & gravity, Red shift·113117
9de Broglie’ matter waves, Phase velocity & group velocity21121·7
10Particle diffraction, Heisenberg’s Uncertainty principle for position & momentum, Uncertainty relation for energy & time2·12·16
11Rutherford's atomic model, Atomic spectra, Bohr model of the hydrogen atom, Energy levelspectra21122·8
12Correspondence principle, Atomic excitation··132·6
13Franck-Hertz's experiment, Laser·113·16
14Wave function, Born’s interpretation, Schrödinger’s wave equation, Linearity & superposition·121217
Sum14271627127103


2. 질문 수준 분석 결과

예비 물리교사들이 플립러닝 수업에서 사전 영상 학습 후 작성한 질문을 분석한 결과 최소 수준 질문 29개(28.2%), 낮은 수준 질문 9개(8.7%), 중간 수준 질문 45개(43.7%), 높은 수준 질문 20개(18.4%)로 나타났다. 분석 결과에서 나타난 바와 같이 중간 수준 질문이 가장 많았고, 다음으로는 최소 수준 질문, 높은 수준 질문의 순으로 나타났다(Table 5 참조). 중간 수준 질문이 가장 많은 것은 예비 물리교사들이 학습 내용을 이해하는 과정에 어려움을 느끼는 것을 의미한다. 중간 수준 질문으로는 ‘동생은 지구에 있고 형은 우주선을 타고 v=0.8c, 20광년 떨어진 별까지 왕복여행을 한 후 돌아온다면 형제의 나이 차는 어떻게 될까?’, ‘밀폐된 공간에서 핵폭탄이 폭발했다면 질량결손으로 인해 밀폐된 공간 전체 질량이 줄어들게 될까?’ 등이 제시되었다.

Table 5 Result of analysis on question level and topics.

MinimalLowMediumHighSum
Equation446014
Concept4218327
Application502916
Knowing1339227
Experiment308112
Limitation00257
Sum2994520103


또한 이 연구에는 높은 수준 질문이 전체 질문의 18.4%로 나타났는데, 이 결과는 양자물리학 영역에서 대학생들이 작성한 질문들은 높은 수준 질문이 가장 많았다는 선행 연구[19]와는 다른 양상을 보이는 것이다. 이 연구에서는 예비 물리교사들이 사전 영상을 학습한 후 질문을 작성했기 때문에 학습 내용을 새로운 영역이나 개념과 연계하는 수준보다는 내용 이해에 더 주안점을 두고 학습이 이루어졌음을 추정케했다. 높은 수준 질문으로는 ‘상대성이론에서는 힘이라는 개념이 필요 없어졌는데, 자연에 존재하는 다른 종류의 힘(전자기력, 강력, 약력) 또한 일반상대성이론으로 설명이 가능할까?’, ‘광전효과에서의 일함수와 화학에서의 이온화에너지는 어떤 차이가 있는가?’, ‘빛을 압축시키면 어떻게 될까?’

특히 최소 수준 질문이 두 번째로 높게 나타난 것은 현대 물리학에 대한 이해가 양극화되어있음을 보여주고 있다. 이와 같은 양상은 선행 연구[19]에서의 결과와 유사한 것이다. 최소 수준 질문이 많이 제시되었다는 것은 사전 영상을 통해 학습 내용에 대한 기본 이해가 잘 이루어지지 않았음을 시사하는 것이다. 실제 최소 수준 질문으로 제시된 ‘감마선 폭발이란?’. ‘포락선이란 무엇인가?’ 등은 사전 수업 영상에 제시된 용어의 뜻을 묻는 정도로 나타났다.

3. 질문 주제와 수준의 변화 분석

Table 5에 제시된 바와 같이 질문 주제와 질문 수준을 비교해보면 지식 범주 질문은 최소 수준인 경우가 가장 많았고, 다음으로는 중간 수준이 많은 것으로 나타났다. 개념 범주 질문은 중간 수준이 가장 높은 비중을 차지하였다. 이에 비해 적용 범주 질문은 높은 수준으로 가장 많이 제시되었고, 실험 범주 질문은 중간 수준으로 많이 생성되었다. 특히 지식 범주 질문인 경우 최소 수준이 가장 많았고, 다음으로는 중간 수준, 낮은 수준, 높은 수준 순으로 나타나 질문 수준과의 관련성이 뚜렷하게 나타나지 않았다. 또한 적용과 한계 범주의 질문은 질문 수준이 높아지면서 증가하는 것으로 나타나 학습 내용에 대한 이해를 바탕으로 한 질문이 생성될 때 질문 수준이 높아짐을 알 수 있다.

각 예비 물리교사들이 생성한 질문 주제와 수준을 주차별로 분석한 결과 질문 수준에서는 큰 변화가 나타나지 않았다. 각 예비 물리교사별 질문 수준은 개인에 따라 특정 수준에 치중되지 않았고, 전체적인 질문 수준 양상과 유사한 것으로 나타났다. 각 주차별 질문들은 1수준부터 4수준까지 모두 제시되었고, 각 예비 물리교사에 따라 특정 수준이 질문이 작성되지 않았으므로 학습 내용과 개인에 따라 질문 수준이 변화하는 것은 아님을 알 수 있다.

질문 주제와 관련해서는 1주부터 6주까지는 개념, 지식 등 3개 범주의 질문만 제시된 데 비해 7주부터는 질문 주제 범주가 5개 이상으로 확장된 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 예비 물리교사들이 플립러닝 수업에서 질문을 생성하는 활동을 반복하면서 내용 이해를 위한 다양한 학습 전략을 활용하고 있음을 의미하는 것이다. 이는 선행 연구[14]에서 제시한 플립러닝에서 질문의 기능과 같은 맥락으로 해석할 수 있다.

그러나 질문 주제는 개인별 차이가 두드러지게 나타났다. 한계 범주의 경우 3명의 예비 물리교사들의 질문에서만 나타났고, 적용 범주를 2회 이상 제시한 경우도 3명에 불과했다. 또한 식 범주를 제시한 경우도 5명에 그쳐 예비 물리교사들이 특정 질문 주제를 반복적으로 생성하고 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 예비 물리교사들이 플립러닝 사전 영상 학습 과정에서 다양한 질문 주제와 수준을 활용할 수 있도록 하는 교수 전략을 활용할 필요가 있음을 나타내고 있다. 학습 주제에 따라 생성될 수 있는 다양한 질문 주제와 수준의 질문 예시를 제시해주는 등 질문 전략에 대한 학습 경험이 제공될 필요가 있다. 특히 사전 영상 학습 과정에서 생성된 질문들을 대면수업과 연계해, 학습자와 학습자, 학습자와 교수자 간 토론과 협력 등의 과정이 강화될 필요가 있다. 선행 연구[14]에서 제시된 바와 같이 플립러닝에서 질문은 온라인 수업과 대면 수업을 연계시킬 뿐만아니라 구성원 간 공유와 협력을 강화시키는 기능을 갖는다. 그러므로 예비 물리교사들을 대상으로 한 플립러닝에서 질문 생성을 도울 수 있는 교수-학습 활동을 확대할 필요가 있다.

이 연구는 대학교 플립러닝 수업에서 예비 물리교사들이 생성한 질문의 주제와 수준을 분석하는 것이다. 이를 위해 예비 물리교사들이 플립러닝 수업에서 생성한 103개의 질문들을 대상으로 질문 주제와 질문 수준을 분석하였다. 플립러닝 수업을 위해 각 주별 학습 내용을 설명하는 사전 영상을 인트라넷에 탑재하였고, 예비 물리교사들은 이 사전 영상을 학습한 후 질문을 생성하여 구글클래스룸에 제출하였다. 사전 영상 학습에 이은 대면 수업에서는 사전 영상 학습 내용에 대한 요약 발표, 발표 내용에 대한 조별 토론, 퀴즈, 평가 등이 실시되었다. 대면 수업 시간 외에 진행된 조별 토론과 교수자 피드백 등은 구글클래스룸을 이용해 이루어졌다.

질문 주제에 대한 분석 결과 개념 범주 질문과 지식 범주 질문이 각각 27개(26.2%)로 가장 많았고, 다음으로는 적용 범주 질문 16개(15.5%), 식 범주 질문 14개(13.6%), 실험 범주 질문 12개(11.7%), 한계 범주 질문 7개(6.8%)로 나타났다. 질문 주제에서 개념과 지식 범주의 질문이 가장 많은 비중을 차지하고 있는 반면에 식, 실험, 한계 범주의 주제들은 제한적으로 활용되고 있는 것으로 나타났다. 이는 예비 물리교사들이 사전 영상을 통해 학습 내용을 이해하는 데 주력하고 있고, 물리학 개념의 적용과 한계 등에 대한 이해는 상대적으로 부족함을 나타내었다. 이는 플립러닝 수업에서 학습 내용의 적용과 한계 등과 관련해 학습자들의 다각적인 접근을 촉진할 수 있는 교수 전략이 필요함을 나타내고 있다.

질문 수준에 대한 분석에서는 중간 수준 질문이 45개(43.7%)로 가장 많았고, 다음으로 최소 수준 29개(28.2%), 높은 수준 질문 20개(18.4%), 낮은 수준 9개(8.7%) 순으로 나타났다. 이는 선행 연구[19]에서 양자물리학과 관련해 높은 수준의 질문이 가장 많았다는 결과와는 다른 양상을 나타내고 있다. 중간 수준 질문이 단순 정보에 대한 의문이 아니라 학습자 스스로 개념을 이해하는 과정에서의 어려움을 표출하는 것이므로[18], 예비 물리교사들이 현대 물리학을 학습하면서 과정적 어려움을 인식하고 있음을 보여주고 있다. 또한 단순 정보와 용어의 정의 등을 질문하는 최소 수준 질문이 두 번째로 많은 것은 학습 내용 이해에 기초적인 어려움을 나타내는 것이라고 볼 수 있다. 그러므로 플립러닝 수업에서 이 질문들에 대한 피드백을 대면수업 또는 비대면수업에서 어떻게 연계할 것인지에 대한 검토가 필요할 것이다.

각 주차별로 분석한 결과 예비 물리교사 개개인의 질문 수준은 큰 차이가 나타나지 않았다. 이를 통해 질문 수준이 학습 내용과 개인적 특성에 크게 영향받지 않는 것으로 판단된다. 반면에 질문 주제에 대한 분석에서는 학기 초보다 학기 중반 이후부터 질문 주제의 범주가 다양하게 제시된 것으로 나타났다. 이는 예비 물리교사들이 플립러닝 수업을 통해 반복적인 질문 생성 과정을 경험하면서 다양한 학습 전략을 활용하고 있음을 시사하는 것으로, 학습 내용 이해 과정에서 예비 물리교사들이 다양한 주제 범주로 접근하는 데에 플립러닝 수업이 긍정적 영향을 미친 것으로 볼 수 있다. 그러나 예비 물리교사 개개인이 활용하고 있는 질문 주제가 차이가 나타나는 점은 향후 플립러닝 교수 설계에서 개선할 필요가 있다고 판단된다. 예를 들어 다양한 주제와 수준의 질문 작성 방법과 예시 등을 포함한 질문 전략 프로그램을 개발해 플립러닝 수업 초반에 제시함으로써 학습자들의 질문 생성 능력을 강화할 필요가 있다. 또한 학습자가 생성한 질문들을 플립러닝 과정 중 대면수업과 연계해 교수자와 학습자, 학습자와 학습자 간 상호작용의 연결고리로 활용할 수 있도록 하는 교수 설계가 요구된다. 플립러닝에서 질문은 학습자의 내용 이해를 돕는 중요한 수단이고, 온라인 수업과 대면 수업을 연계시키는 경로로 작용한다. 또한 질문과 그에 대한 피드백의 과정은 구성원 간 공유와 협력을 강화시키는 기능을 갖는다. 그러므로 예비 물리교사들을 대상으로 한 플립러닝에서 질문 생성을 도울 수 있는 교수-학습 활동을 확대할 필요가 있다. 특히 플립러닝 수업에서 사전 영상 학습 과정에서 질문을 생성하는 활동과 함께 학습 종료 후 다시 질문 생성 활동을 병행하는 방안도 검토할 필요가 있다. 2회의 질문 만들기를 통해 학습자들은 자신의 학습 과정에 대한 이해와 함께 학습한 내용에 대한 고찰 등 메타인지를 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 플립러닝은 대학생들의 메타인지 함양에 효과적이다[28]. 또한 질문을 생성하는 학습은 메타인지를 촉진하는 데 긍정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다[29]. 그러므로 플립러닝 수업에서 질문 생성 활동을 메타인지와 연계해 학습 과정과 학습 내용에 대한 반성적 사고를 촉진시키기 위한 교수-학습 전략으로 활용할 필요가 있다.

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