물리학은 과학의 근간을 이루고 있으며, 과학혁명을 비롯한 근대 및 현대의 문명의 발전에 큰 역할을 해왔다. 19세기 후반에 많은 과학자들은 과학 이론이 완성 단계에 이르렀다고 믿었지만, 기존의 과학 이론으로 설명할 수 없는 여러 현상들이 관찰되었다. 이러한 현상들을 설명하기 위한 연구를 통해 상대성이론이나 양자역학을 포함한 현대 물리학이 발전하게 되었다.

고전물리학과 현대물리학의 차이점이 극명하게 드러나는 현상 중에 광전효과가 있다. 1887년 헤르츠는 금속에 빛을 비추었을 때 전자가 방출되는 현상을 발견하였는데, 기존의 이론으로는 설명할 수 없었다. 광전효과 현상이나 관련된 실험 결과의 해석에서 나타난 과학자들의 주장은 고전 물리학이 현대 물리학으로 넘어가는 역동적인 과정이었기에 다양한 과학자들의 관점이 충돌했었다.

광전효과에 대한 이해는 양자역학의 기초 중의 하나로 빛의 본질에 대한 이해를 위해 매우 중요한 개념이다[1]. 이 때문에 여러 나라들이 고등학교 과정부터 광전효과를 가르치고 있으며, 우리나라에서도 고등학교 물리 교과에서 필수로 학습할 내용으로 광전효과를 교육과정에 포함하고 있다[2].

이에 광전효과를 효과적으로 가르치기 위한 다양한 연구가 진행되었다. 추상적 개념인 광전자와 광전효과 과정에 대한 원리에 대한 학습의 어려움을 극복하기 위해 Kovačević와 Djordjevich는 학생들에게 경험적으로 익숙한 비유적 모형을 통해 광전효과 원리 설명을 시도하였다[3]. Balabanoff 등은 빛이 자연과학을 비롯하여 공학 전반에 걸쳐 물질의 탐색과 이해에 보편적으로 사용됨에도 불구하고, 빛과 물질의 상호작용에 대한 학생들의 인식 조사가 거의 이루어지지 않았다고 지적하면서 학생들의 빛과 물질의 상호작용 과정에서 일어나는 추론의 수준을 분석하여 학생들의 고전적인 관점을 양자적 관점으로 전환하는 방법을 제안했다[4]. Klassen은 광전효과를 주제로 대학교 1학년 학생들을 대상으로 한 양자개론 수업을 위해 다섯 개의 에피소드로 구성된 “양자 개념의 탄생”을 활용할 것을 제안하였으며[5], Ryu 등은 고등학교 학생들이 물리 I 교과서의 ‘공 던지기 비유’를 학습한 후, 광전효과에 대한 설명을 위한 빛, 금속, 빛의 진동수, 빛의 세기, 광전자, 전자, 일함수에 대응하는 비유물 개발 활동을 통해 광전효과에 대한 이해가 향상되었다고 보고하였다[6]. 한편 Taşlıdere는 예비 과학교사의 광전효과 성취도 향상을 위해 개발한 순환학습 교수 처치를 이용해 학습자의 성취를 촉진하기 위한 수업을 제안하였다[7].

많은 노력에도 불구하고 광전효과는 학생들에게 매우 어려운 개념으로 인식되고 있다[8-10]. 광전효과 실험 결과를 제시한 그래프(예: 광전류-광전압 그래프)의 의미를 이해하지 못하는 학생들이 많으며, 광전효과의 관찰 결과와 빛의 입자설을 논리적으로 연결하는데에도 어려움을 갖고 있었다[11, 12]. Ayene 등은 흑체 복사에서의 에너지 양자화, 광전효과를 설명하는 광자의 개념에 대해 반구조화된 심층 면담을 실시했는데, 대학생들도 광전효과를 설명하는 광자개념 이해에 어려움을 갖고 있었다[13]. 학생들은 물론 교사들도 광전효과 이해에 어려움을 나타낸다는 연구결과도 있었는데, Asikainen와 Hirvonen의 연구에 따르면, 예비교사와 현직교사 중 소수만이 현상을 깊이 이해하고 있었으며 에너지 보존 여부, 광전효과 현상에 필요한 물질의 종류, 광전효과와 이온화의 혼동 등에 대한 이해에서 어려움을 나타내었다[14].

광전효과의 이해가 어려운 이유는 여러 요인에서 비롯되었을 것이다. 그 원인을 파악하기 위해서는 광전효과가 어떻게 교육되고 있는지를 파악하는 것이 필요하며, 그 첫 단계는 교과서에 광전효과가 어떻게 기술되어 가르쳐지고 있는지를 분석하는 것이다. 최근 Ha 등은 한국의 고등학교 물리 교과서에서 광전효과의 내용이 어떻게 제시되어 있는지 분석하였는데[15], 본 연구에서는 대학교의 일반물리학 교재에 제시된 광전효과의 구성과 내용을 분석하였다. 일반물리학 교재와 관련하여 광전효과를 분석한 연구는 과학사적 서술을 분석한 연구[16], 광전효과에서 빛의 세기에 대한 설명 방식에 대한 분석[17] 등이 있지만, 일반물리학 교재의 전체적인 내용 구성을 분석한 연구는 찾아보기 어렵다. 이에 본 연구는 일반물리학 교재에 제시된 광전효과의 전반적인 구성과 내용의 분석 결과를 토대로 일반물리학 수준의 현대물리학 내용에 대한 교수-학습 방법 측면의 시사점 및 현대물리학 내용 기술에서 고려할 점을 제안할 것이다. 이를 위해 본 연구는 다음과 같은 연구문제를 설정하였다.

첫째, 일반물리학 교재에 제시된 광전효과의 전체 내용 구성은 어떠한가?

둘째, 일반물리학 교재에 제시된 광전효과의 과학사 관련 내용, 광전효과 실험 방법, 광전효과 현상 설명, 광전효과 원리는 어떻게 제시되어 있는가?

1. 연구 대상

본 연구에서는 광전효과 현상에 대한 일반물리학 교재의 내용 구성의 특징을 분석하고 주요 내용을 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해서 국내에서 사용되고 일반물리학 교재 중에서 많은 학교에서 선택하고 있는 6종을 분석 대상으로 하였다 (Table 1).

Table 1

Introductory physics textbooks used for analysis.

No.	Authors	Titles	Publication year
A	Benson, H.	University physics (Revised edition)	2011
B	Giancoli, D. C.	Physics principles with applications (7th ed.)	2014
C	Kwon, M. et al.	University physics	2020
D	Tipler, P. A., and Mosca, G.	Physics for scientists and engineers.	2007
E	Walker, J., Halliday, D. and Resnick, R.	Fundamentals of Physics (10th ed.)	2015
F	Serway R. A. and Jewett J. W.	Principles of physics : A calculus-based text	2014

대부분의 일반물리학 교재는 2권으로 구성되어 있으며 한 학기에 한권씩 학습하고 있다. 1권은 고전역학, 파동(역학파동), 열역학 등의 내용으로 구성되어 있으며, 2권은 전자기학, 광학, 현대물리학 등의 내용으로 구성되어 있다. 현대물리학은 양자물리학, 원자물리학, 핵물리학 등의 단원으로 구성되어 있는데, 이 중 광전효과는 양자물리학 앞부분에 제시되어 있다.

2. 분석 과정

본 연구에서는 일반물리학 교재에 제시된 광전효과 내용을 구성적 측면과 내용 서술적 측면으로 구분하여 분석하였다. 광전효과 내용 구성의 특징 분석은 일반물리학 교재에서 광전효과가 제시된 부분을 모두 모은 후, 각 진술의 공통적인 내용들을 묶는 방식의 귀납적 범주화 분석 방법을 활용하였다[18]. 1차로 4명의 연구자가 독립적으로 분석 기준을 정하고, 이를 모아서 일반물리학 교재에 제시된 광전효과 내용을 비교 분석하기에 적절한 분석 기준에 대해 협의하였다. 최종적으로 각 연구자들이 작성한 분석 기준 중에서 공통적으로 제시된 기준들과 연구자들의 협의 과정에서 중요하다고 판단된 기준들이 활용되어 다음과 같이 총 9개의 분석 기준이 결정되었다: 광전효과의 발견(discovery), 광전효과의 정의(definition), 광전효과 실험(experiment), 광전효과 현상의 설명(phenomenon), 기존 이론과의 모순(contradiction), 광전효과의 원리(principle), 광전효과 관련 예제 문제 풀이(problem), 광전효과의 적용(application), 광전효과의 의의(significance). 교과서의 전체적인 내용 구성을 살펴보기 위해 교재에 기술된 항목별 분량과 제시 순서를 분석하여 표과 그래프로 제시하고, 이를 토대로 각 일반물리교재의 특징과 의미를 해석하였다.

한편, 일반물리학 교재의 세부적인 내용 분석을 위해 9가지 내용 요소 중에서 비중 있게 다루고 있는 내용 요소를 4명의 연구자들이 협의를 통해 선정하였다. 선정된 내용은 광전효과에 대한 과학사 관련 내용, 광전효과 실험방법, 광전효과 실험결과 설명, 광전효과 원리 설명의 4가지였다. 과학사 관련 내용은 광전효과가 고전물리와 현대물리의 전환점에서의 과학사적 의미가 높다는 점과 과학자들의 이야기가 교수-학습 과정에서 중요하게 다뤄질 필요가 있다는 점을 이유로 분석 대상으로 선정하였다. 광전효과 실험방법과 실험결과 설명은 광전효과에 대한 학생들의 이해에 직접적으로 관계되며 현상에 대한 다양한 설명이 새로운 물리학을 이끌어냈다는 점에서 내용 분석의 주요 대상이 될 필요가 있다는 이유로 선정하였다. 마지막으로 광전효과 원리 설명은 고전역학적 과점과 광양자론을 이용한 서로 대립하는 설명 방식이 광전효과에 대한 이해에 핵심적이라는 점에서 분석할 필요가 있다고 판단하였다.

광전효과 관련 과학사 분석은 광전효과의 발견, 아인슈타인의 이론, 이론의 수용 등으로 구분하여 교재에 제시된 내용을 정리하였고, 광전효과의 실험방법 분석은 순방향/역방향 전위와 관련된 실험 관련 설명을 분석하였다. 광전효과 실험 결과의 설명은 1) 빛의 진동수와 광전자 방출의 관계 2) 빛의 진동수와 광전자의 최대 운동 에너지의 관계 3) 빛의 세기와 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지의 관계 4) 빛의 세기와 방출되는 광전자 수의 관계 5) 빛의 조사 시간과 광전효과의 관계 등으로 구분하여 분석하였으며, 추가로 광전효과 결과의 그래프 제시 유형을 분석하였다. 마지막으로 광전효과 원리 설명 분석은 크게 고전적인 관점과 광량자설로 구분하였다. 고전적 관점은 1) 빛의 세기와 광전자의 관계, 2) 빛의 세기와 광전자의 최대 운동에너지의 관계, 3) 빛의 진동수와 광전자의 최대 운동 에너지의 관계, 4) 빛의 노출 시간과 광전효과의 관계 등으로 분석하였으며, 광량자설에 기반한 설명은 1) 광량자론의 정의, 2) 빛의 진동수에 따른 광전효과 현상 측정 여부, 3) 빛의 세기 및 빛의 진동수에 따른 광자의 최대 운동에너지의 관계, 4) 빛의 입사와 광전자 방출 시간과의 관계, 5) 빛의 세기와 광전자 수의 관계 등의 내용을 분석하였다.

1. 광전효과 내용 구성의 특징

일반물리학 교재 6개에서 광전효과를 제시한 부분은 최소 2.5쪽(교재 C)에서 최대 6.5쪽(교재 F)으로 평균 3.67쪽이었다. 광전효과의 내용 구성은 광전효과의 발견(a), 광전효과 정의(b), 광전효과 실험(c), 광전효과 현상 설명(d), 이전 이론과의 모순(e), 광전효과 원리 설명(f), 예제 문제 풀이(g), 광전효과 적용(h), 광전효과의 의의(i) 등으로 구분할 수 있는데, 각 교재별 구성요소별 분량을 Table 2에 제시하였다.

Table 2

Configuration of the photoelectric effect contents in textbooks(pages).

	Textbooks	A	B	C	D	E	F	Sum	Mean
Contents
a. Discovery		0.25	0.4	0.1	0.25	-	0.1	1.1	0.31
b. Definition		0.1	0.1	0.15	-	0.1	0.05	0.5	0.14
c. Experiment		0.2	0.25	0.3	0.25	0.5	0.25	1.75	0.50
d. Phenomenon		0.2	0.45	1	0.2	0.6	0.8	3.25	0.93
e. Contradiction		0.25	-	-	-	0.4	0.8	1.45	0.41
f. Principle		1.25	1	0.35	1.5	0.95	2.7	7.75	2.21
g. Problem		0.4	1.4	0.55	0.6	0.6	0.7	4.25	1.21
h. Application		-	0.4	0.05	-	-	1	1.45	0.41
i. Significance		0.15	-	-	-	0.25	0.1	0.5	0.14
Sum		2.8	4	2.5	2.8	3.4	6.5

일반물리학 교재의 광전효과의 내용 구성에서 가장 많은 양을 차지하는 내용 요소를 순서대로 나타내면, 광전효과의 원리 설명(평균 1.29쪽), 예제 문제 풀이(평균 0.72쪽), 광전효과 현상 설명(평균 0.54쪽) 등이었다. 고등학교 교과서를 분석한 연구[15]의 경우 물리학 I 교과서에서 광전효과 응용에 대한 분량이 가장 많았고, 물리학 II 교과서에서는 광전효과 현상 설명이 가장 많았던 것과 비교하면 일반물리학 교재에서는 광전효과의 물리적인 원리를 설명하는 것을 가장 중요하게 생각하고 있음을 알 수 있었다. 모든 교재에서 다루고 있는 내용 요소는 광전효과 실험, 광전효과 현상 설명, 광전효과 원리 설명, 예제 문제 풀이 등이었고, 이전 이론과의 모순과 광전효과의 의의는 3종의 교재에서만 제시되어 있었으며, 광전효과의 적용은 2종의 교재에만 제시되어 있었다.

일반물리학 교재에서 광전효과의 구성이 어떤 순서대로 제시되어 있는지 살펴보기 위해 교재의 구성 방식을 내용 요소를 기준으로 표시하여 Fig. 1에 제시하였다. 교재의 구성은 교재마다 다르기는 하지만 대부분의 교재에서 공통적으로 제시된 내용 요소를 중심으로 그 순서를 제시하면, ‘발견’ → ‘정의’ → ‘실험’ → ‘현상 설명’ → ‘원리 설명’ 등으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 즉, 일반물리학 교재에서 광전효과에 대한 서술은 “(발견) 금속표면에 입사한 빛이 표면으로부터 전자를 방출시키는 현상이 발견되었다.” → “(정의) 이 현상을 광전효과라고 한다.” → “(실험) 광전효과 실험 장치는 와 같다” → “(현상 설명) 빛의 세기가 증가하면 , 빛의 진동수가 큰 빛이 ⋯.” → “(원리 설명) 방출된 전자의 최대 운동에너지는 K max = h f − ϕ 이며, ⋯.” 등과 같이 기술된다고 할 수 있다.

Figure 1. (Color online) Configuration of photoelectric effect contents in introductory physics textbooks (a. Discovery, b. Definition, c. Experiment, d. Phenomenon description, e. Contradiction with previous theories, f. Principle description, h. Application, i. Significance).

A, E, F 교재에서는 광전효과의 현상을 설명하고 아인슈타인의 광량자이론으로 광전효과의 원리를 설명하기 전에 광전효과 현상이 고전적인 이론으로는 설명할 수 없는 모순이 있다는 사실을 기술하고 있다. 특히 F 교재에서는 0.8쪽에 이를 정도로 많은 양을 할애하여 설명하였다. 분석에 사용한 6종의 교재 중에서 3종의 교재에만 ‘이전 이론과의 모순’ 요소가 제시되어 있었지만, 이 요소를 포함하여 광전효과의 전형적인 내용 구성 방식을 제시하면, ‘발견’ → ‘정의’ → ‘실험’ → ‘현상 설명’ → ‘이전 이론과의 모순’ → ‘원리 설명’으로 말할 수 있다. 그런데 E 교재는 다른 교재와는 다른 구성상의 특징을 제시하고 있었다. 광전효과의 실험을 빛의 세기와 전류와의 관계에 대한 실험과 빛의 진동수와 전류의 관계에 대한 실험의 두 가지로 구분하여 각각 실험과 결과에 대해 설명하고 이전 이론과 부합하지 않음을 제시한 후 광자/양자 개념을 이용하여 설명하는 방식을 따르고 있었다. 즉, ‘실험’ → ‘현상 설명’ → ‘이전 이론과의 모순’ → ‘원리 설명’의 과정이 2회 반복하여 제시되어 있었다.

광전효과의 적용은 B, C와 F의 세 교재에 제시되어 있었는데, B교재에서는 광전지 회로(도난 경보기, 자동문), 감광 조도계, 흡수 스펙트럼 광도계, 광다이오드 등을 설명하고 있고, C교재에서는 사진기의 조도계, 도난경보기, 영화 사운드트랙의 재생기 등을 이름만 나열하였으며, F교재에서는 검출장치, 광전관, 광전자 증배관, 전하결합소자(CCD) 등을 설명하였다.

광전효과의 의의는 3개의 교재에 제시되어 있었는데, “광전효과에 대한 양자역학적 설명과 흑체 복사에 대한 플랑크의 양자모형은 양자 물리학에 대한 연구를 확고한 기반에 올려놓았다. (Serway p.942)”와 같이 광전효과가 고전역학의 시대에서 양자역학의 시대로 넘어가는데 큰 역할을 하였다는 설명이었다.

2. 광전효과 내용 서술 분석

1) 광전효과 관련 과학사 내용

광전효과는 현대물리학이 탄생하는 시점에서 발견된 매우 중요한 현상으로 고전물리와 현대물리학의 경계에서 물리에 대한 깊은 관점을 가질 수 있어 학습의 의의가 높다. 광양자의 초기 도입기와 같은 시점에 대한 역사적 접근이 물리학에 대한 깊이 있고 비판적인 시각을 학생들에게 제공할 수 있으며 개념적 측면에도 효과적일 수 있다고 주장한 Kragh의 연구[19]와 같이 광전효과에 대한 과학사 내용을 이해하는 것은 의미가 있을 것이다.

일반물리학 교재에서도 광전효과와 관련된 과학사 내용들이 제시되어 있다. 특히 E 교재에는 매 소단원마다 학습 목표를 제시하고 있는데, 광전효과 단원에 제시한 학습목표 중에는 ‘아인슈타인 이전에 광전효과에 대해 물리학자들이 접했던 문제를 설명하고, 아인슈타인의 이 효과에 대한 설명에 대한 역사적 중요성을 설명한다.’를 제시하여 광전효과가 도입되기 전과 후의 과학사적인 배경을 이해하는 것이 중요하다고 강조하고 있다. 광전효과는 이전의 이론으로는 설명되지 않는 새로운 현상이 관찰되었고, 그것을 설명하기 위한 새로운 이론이 제시되었으며, 오랫동안 배척받다가 여러 증거들이 제시되면서 정설로 인정받게 되는 물리학에서도 찾아보기 어려운 여러 사건들이 연결되어 있기 때문에 광전효과와 관련된 과학사를 학습하는 것은 매우 가치 있는 일이다.

과학사 관점에서 광전효과에 대한 여러 연구들이 제시되었는데, Klassen[5]은 광전효과의 과학사에서 5개의 이야기를 선정하여 물리 수업에서 활용되도록 했다. 그의 연구에 따르면, 광전효과의 과학사는 (a) 광전효과의 발견, (b) 광전효과에 대한 초기 설명과 특징, (c) 아인슈타인의 광자이론과 논문, 과학계로부터의 배척, (d) 아인슈타인의 광전효과식에 대한 밀리컨의 실험적 검증, (e) 콤프턴의 측정과 아인슈타인 이론의 수용 등이 광전효과와 관련된 중요한 과학사 이야기이다.

본 연구에서는 일반물리학 교재에서 광전효과의 과학사와 관련된 내용을 추출하여 광전효과의 발견, 아인슈타인의 이론, 이론의 수용 등으로 구분하였고 그 결과를 Table 3에 제시하였다. 광전효과의 발견과 관련된 과학사는 모두 3개의 교재에서 제시되어 있었는데, A교재에서는 맥스웰이 빛이 전자기파라는 것을 예언(1865년), 헤르츠가 실험을 통해 빛이 전자기파라는 것을 보임(1887년), 헐윅스가 자외선을 아연판에 비추었을 때 아연판이 양으로 대전되는 것을 발견(1888년), 톰슨이 자외선 비춘 금속판에서 전자가 나오는 것을 발견(1899년), 레나르드의 광전효과 실험 수행(1902년) 등과 같이 19세기 후반에서 20세기 초반에 이르기까지 광전효과와 관련된 다양한 사건들을 제시하였다. 아인슈타인이 1905년에 광전효과에 대한 논문을 발표하였고, 이를 통해 노벨물리학상을 받았는데 이처럼 ‘아인슈타인의 이론’에 대한 과학사 내용은 모든 교재에 제시되어 있었다. 교재에서 설명하는 광전효과의 이론적인 설명이 아인슈타인이 제시한 내용에 근간을 두고 있기 때문이다. 한편 광자(photon)라는 이름을 루이스가 처음 제안했다는 내용은 A 교재 하나에서만 발견할 수 있었다.

Table 3

History of science related to electromagnetic effect in introductory physics textbooks.

Textbook	Discovery of the photoelectric effect	Einstein’s theory	Acceptance of the theory
A	Maxwell, 1865 – prophesied that light is an electromagnetic wave Hertz, 1887 – proved that light is an electromagnetic wave, and conduct an experiment to show the particle nature of light Hallwachs, 1888 – discovered that when a zinc plate was irradiated with ultraviolet light, the plate became positively charged. Thompson, 1899 – discovered electrons protruding from plates Leonard, 1902 – Conducted photoelectric effect experiments (experiments of light intensity, frequency and number of photons)	Einstein, 1905 – published the thesis Lewis, 1926 – proposed the name photon	Millikan, 1906 – started an experiment to prove Einstein's equations wrong. Millikan, 1914 – proved Einstein's equation is correct
B		Einstein, 1905 – published a paper on the photon theory that extended the quantum concept – published a paper on the photon theory that extended the quantum concept	Millikan, 1913 ~ 1914 – Conducted detailed experiments and obtained results consistent with Einstein's theory
C		Einstein, 1905 – explained the relationship between the energy and frequency of light by using Planck’s hypothesis.
D	Early 20th century – It was known that light energy has discrete quantities	Einstein, 1905 – explained the quantum properties of light and the quantization of energy. He was awarded the Nobel Prize in Physics for this work	Millikan, 10 years later – The relationship between the frequency of light and the maximum kinetic energy has been proven through experiments.
E		Einstein explained the photoelectric effect	1969, A new theory is discovered that uses quantum physics but does not require the concept of photons.
F	Hertz, the late 19th century – observed the photoelectric effect during experiments on thermal radiation	Einstein, 1905 – explained the photoelectric effect by applying Plank’s quiantization concept to electromagnetic waves • Einstein, 1921 – won the Nobel Prize	Einstein's theory was confirmed through experimental observations on the linear relationship between the maximum kinetic energy of electrons and the frequency of light.

광전효과의 수용과 관련된 내용은 모두 5개의 교재에 제시되었는데, 아인슈타인의 광량자론이 주장하는 전자의 최대 운동 에너지와 빛의 주파수 사이의 선형관계를 밀리컨이 밝혀서 광전효과를 증명했다는 내용이 4개의 교재에 있었다. 그런데 광전효과가 과학계에서 오랫동안 수용되지 않았다는 내용은 A교재를 제외하고 언급조차 없었다. 실제로 밀리컨이 관련된 실험을 수행한 것도 오랜 시간 동안 아인슈타인 이론이 틀렸음을 증명하기 위해서였을 정도로 광전효과는 인정받지 못한 이론이었던 것이다. 오늘날 가장 위대한 과학자로 칭송받는 아인슈타인이 만든 이론이기 때문에 광전효과에 대한 이론이 나오자마자 완벽하게 물리적으로 설명되어 받아들여 졌을 것으로 생각할 수 있지만 실제로 20여 년간 과학계에서 받아들여지지 않았다[20]. 일반물리학 교재는 주로 과학적인 관점에서 이론의 내용을 기술하는데 주안점을 주었기 때문에 이처럼 과학이론의 수용과 관련된 내용이 많이 담겨지지 못한 것으로 생각할 수 있다.

2) 광전효과 실험 결과의 설명

일반물리학 교재는 광전효과의 정의를 설명한 이후 광전효과 실험 결과를 제시하고 있었다. 광전효과 실험의 결과는 빛의 진동수, 빛의 세기, 방출된 광전자의 유무, 광전자의 최대 운동 에너지, 실험 장치의 전위의 크기, 전압의 방향, 광전자의 방출 시간 등과 관련하여 서술되고 있었다. 또한 광전효과 실험 결과 설명을 위한 그래프는 세 가지 유형(광전류-전압, 진동수-전압, 진동수-광전자의 최대 운동 에너지)으로 구분되었다. 광전효과 실험방법과 광전효과 실험 결과의 설명에 대해 교재에서의 제시 여부를 정리하여 Table 4에 제시하였다.

Table 4

Description of the photoelectric effect presented in textbooks.

Description		Textbooks
		A	B	C	D	E	F
Experiment result	whether photoelectrons are emitted according to the frequency of light		◯	◯	◯	◯	◯	◯
	maximum kinetic energy of photoelectrons according to the frequency of light		◯	◯	◯	◯	◯	◯
	maximum kinetic energy of photoelectrons according to light intensity		◯	◯	◯	◯	◯	◯
	relationship between light intensity and number of photoelectrons		◯	◯	◯	◯	◯	◯
	relationship between light exposure time and the photoelectric effect		◯	◯				◯
	graph representation	photocurrent vs potential	◯		◯			◯
		frequency vs stopping potential	◯				◯
		maximum kinetic energy of photoelectrons vs frequency		◯		◯		◯

첫째, 빛의 진동수와 광전자 방출의 관계는 일반적으로 빛의 진동수와 광전자의 최대 운동 에너지의 관계와 함께 설명하는 방식으로 기술되어 있었다. 6종의 교재에서 모두 빛의 진동수와 관련된 실험 결과를 제시하였으며, 광전효과 실험 장치에 순방향 전위의 차이와 역방향 전위의 차이가 걸려 있는 상황을 통해 설명하고 있었다. 그러나 교재들에서 사용한 구체적인 서술 방식은 차이가 있었다. 예를 들어 A 교재는 단색광을 비춘 금속판과 콜렉터 사이에 전위 차이를 양으로 하였을 때 “전자가 끌려오고 전류계가 전류를 검출한다. 어떤 전위차 값에서 모든 방출 전자가 다 끌려왔고, 더이상 가속 전위 차이를 올려도”, “전류에는 영향을 미치지 않았다. 극성을 바꾸면, 전자는 밀려 나가고 가장 에너지가 큰 것들만이 콜렉터에 도달하여 전류는 감소한다.”로 기술하여, 순방향과 역방향 전위에 따른 광전자의 방출을 전류의 측정을 통해 설명하였다. 한편 D 교재는 순방향 전위가 걸려 있는 경우에서는 다른 교재들과 유사한 방식으로 서술되어 있었다. 그러나 역방향 전위를 설명하는 경우, 양극판과 음극판의 전위 차이를 발생시키는 이유를 제시하고 전위차에 의한 반발력을 극복할 수 있는 조건을 갖춘 한정된 전자들이 양극판에 도달 가능하다는 점을 강조하며 다음과 같이 설명하였다. “양극판은 전자들을 밀어내기 위하여 음극판에 비해서 전위를 낮게 한다. 그 반발력을 극복하기에 충분한 처음 운동 에너지를 가진 전자들만이 양극판에 도달한다.”

둘째, 교재에 서술된 빛의 세기와 관련 내용은 광전자 수와 그에 따른 전류의 세기와 관련되어 있으며 6종의 교재 모두에서 설명되고 있었다. 빛의 세기 관련 광전효과 실험 현상은, 다른 세기의 동일한 진동수의 빛을 비추었을 때 측정되는 정지전위에 대한 것으로 레나르드의 실험적 결과에 대한 서술이 이에 해당한다. 이를테면 A 교재의 “레나르드는 광전자의 수(최대전류로부터 추론)가 빛의 세기에 비례하며, 아주 낮은 세기의 빛에서도 마찬가지임을 발견했다.”와 같은 설명이나 F 교재의 “광전효과 실험에 관한 그래프(빛의 세기에 따른 정지 전위 값이 동일함을 제시한 그래프)는 두 빛의 세기에 대한 금속판과 콜렉터 사이의 전류와 전압에 대한 그래프를 보여준다. ΔV의 큰 양의 값에 대해서, 전류는 최댓값을 가진다. 그리고 입사하는 빛의 세기가 증가하면 전류의 세기도 증가한다.”와 같은 설명이 이에 해당한다.

셋째, 빛을 쪼여주는 시간과 광전류와의 관계는 3종의 교재(A, B, F)에서만 서술되어 있었다. A 교재는 아주 약한 빛을 사용한 광전효과 실험의 결과에 대한 기술을 통해 고전적 관점을 통한 현상 해석의 어려움을 다음과 같이 기술하였다. “반면에, 아주 약한 빛의 경우, 전자가 물질로부터 탈출하기에 충분한 에너지를 흡수하는 데 긴 시간을 기다려야 할 것으로 예상되었다. 실제로 그 시간지연이 3 × 10^-9초 미만이었다. 문턱세기가 없다는 것은 수수께끼였다.” 한편, F 교재는 “금속판에서 방출된 전자들은 매우 낮은 세기의 빛에 대해서도 거의 순간적으로 방출된다(표면에 빛을 쪼인 후 10^-9 s보다 짧은 시간이다).”와 같이 광전자의 순간적인 방출을 제시하고 있었다.

마지막으로 광전효과 현상에 대한 결과를 표현한 그래프를 살펴보면, (a) 광전류-전위 그래프, (b) 진동수-저지전압 그래프, (c) 진동수-광전자의 최대 운동 에너지 그래프 등의 세 가지 유형으로 제시되고 있음을 알 수 있다(Fig. 2 참조). 광전류-전위 그래프는 3종의 교재(A, C, F)에 제시되었다. 광전류-전위 그래프는 빛의 세기에 따른 정지전위가 같다는 것과 빛의 세기에 따라 동일한 전위에서 흐르는 전류가 상이함을 설명하는 데 활용되고 있었다. 진동수-정지전위 그래프는 2종의 교재(A, E)에 제시되었다. 진동수-저지전압 그래프는 금속판에 쏘아준 빛의 진동수와 정지전위의 기울기가 일정하며, 그 기울기가 플랑크 상수를 의미한다는 것을 설명하는 데 사용되었다. 진동수-광전자의 최대 운동 에너지 그래프는 3종의 교재(B, D, F)에 제시되었다. 진동수-광전자의 최대 운동 에너지 그래프는 진동수-저지전압 그래프와 본질적으로 같은 의미를 갖는다. 이 그래프도 금속판에 쏘아진 빛의 진동수에 따라 전자의 최대 운동 에너지가 선형적으로 증가하며 일정한 기울기로 표현됨을 설명하기 위해 제시되었다.

Figure 2. (Color online) Types of graphs that represent the result of the photoelectric effect.

3) 광전효과의 원리 설명

광전효과의 실험 결과는 고전적 관점인 빛의 파동설로 설명하기 어려웠으며 빛을 광자(photon)로 가정한 광량자론으로 잘 설명되는 측면이 있었다. 일반물리학 교재들은 광전효과 원리 설명을 위해, 고전적인 관점의 문제점을 지적하고 광량자론의 관점에서 실험 결과를 해석하는 것이 필요했음을 기술하고 있었다. 고전적인 관점과 광량자론에 따라 광전효과의 원리에 대해 교재의 기술 여부를 정리하여 Table 5에 제시하였다.

Table 5

Description of the photoelectric effect analysis presented in textbooks.

Descriptions		Textbooks
A	B	C	D	E	F
Classical perspectives	whether photoelectrons are emitted according to the light intensity	◯	◯		◯	◯	◯
	maximum kinetic energy of photoelectrons according to the light intensity	◯	◯		◯	◯	◯
	maximum kinetic energy of photoelectrons according to the frequency of light		◯	◯	◯	◯	◯
	relationship between light exposure time and the photoelectric effect	◯	◯				◯
Photon model	the definition of photon	◯		◯	◯		◯
	whether photoelectrons are emitted according to the frequency of light	◯	◯	◯	◯	◯	◯
	maximum kinetic energy of photoelectrons according to the light intensity	◯	◯	◯	◯	◯	◯
	maximum kinetic energy of photoelectrons according to the frequency of light	◯	◯	◯	◯	◯	◯
	the number of emitted electrons according to the light intensity	◯	◯	◯	◯	◯	◯
	relationship between light exposure time and the photoelectric effect		◯	◯			◯

우선 고전적 관점인 빛의 파동설로 설명될 수 없었던 실험 결과 해석을 살펴보면, 대부분의 일반물리학 교재는 실험 결과를 파동설로 설명할 수 없었다는 점을 기술했지만 구체적인 설명은 교재마다 차이가 있었다.

첫째, 고전적 관점에서 광전효과 현상을 빛의 세기와 관련하여 서술한 교재는 5종(A, C, D, E, F)이었다. 이를테면, B 교재에는 빛의 파동설의 특징으로부터 “빛의 세기가 증가하면 빛의 전자기장이 증가하고, 방출 전자의 수와 최대 운동 에너지도 따라서 증가한다.”, “빛의 진동수는 방출 전자의 운동 에너지와 무관하며, 빛의 세기만이 KE_max에 관여한다.”로 빛의 세기와 빛의 전자기장의 세기를 관련지어 설명하고 있었다. 빛의 파동설에 대한 설명이 제시된 다른 교재에서도 빛의 세기가 커질수록 빛의 전자기장의 세기가 커짐을 통해 광전효과 현상의 발생 여부를 기술하고 있었다. 또한 광전자의 최대 운동에너지와 관련하여 “빛의 세기가 커지면 빛의 전자기장이 커지므로 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지도 커진다”고 기술하고 있었다. C 교재에는 세기가 큰 빛을 밝은 빛으로 지칭하고 있었다. 예를 들어, “빛을 전자기파로 보면 진동수가 아무리 낮아도 충분한 에너지만 공급해 준다면, 즉 빛이 충분히 밝으면 전자는 튀어나올 수 있어야 한다.” 또는 “따라서 파동, 즉 진동하는 전기장의 세기를 증가시키면 전자는 튀어나올 때 좀 더 세게 튕겨져야 한다. 그러나 이런 일은 일어나지 않는다. 주어진 진동수에 대하여 센 빛이건 약한 빛이건 튀어나온 전자는 똑같은 최대 세기로 튕겨 나온다”의 설명이 이에 해당한다.

둘째, 파동설의 관점에서 빛의 진동수와 방출된 광전자의 최대 운동 에너지에 대한 설명이 제시된 교재는 5종(B, C, D, E, F)이었다. 이에 대해 가장 상세히 기술된 F 교재의 경우, “고전적인 예측: 빛의 주파수와는 관계없이 빛에 의해 금속판에 에너지가 전달되므로, 빛의 세기가 충분히 높기만 하면 어떤 주파수의 빛이 입사해도 금속판에서는 전자가 방출되어야 한다.”로 서술되어 있었다. 더불어 빛의 진동수와 최대 운동 에너지가 무관함에 대해 “고전적인 예측: 어떤 고전적인 모형에는 빛의 주파수와 전자의 최대 운동 에너지 사이에는 선형적인 관계가 있지 않다. 운동 에너지는 빛의 세기에 따라 달라진다.”고 기술되어 있었다. 즉, 파동설의 관점으로 광전효과 현상을 해석했던 당대 학자들의 관점을 서술한 교재들은, 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지가 빛의 진동수가 아닌 빛의 세기와 관련되어 있다고 광전효과 현상을 해석했다는 것을 제시하고 있었다.

셋째, 파동설의 관점에서 빛을 비춘 시간과 광전효과의 관계를 설명한 교재는 3종(A, B, F)이었다. 광량자론의 관점에서 이를 서술한 교재는 4종(A, B, C, F)으로, 다른 항목에 비해 두 가지 관점에서 모두 기술한 비율은 상대적으로 적었다. A 교재에는 빛의 세기와 관련하여 광전자 방출 시간과의 관계에 대한 의문을 제시하여 파동설이 해결하지 못하는 문제를 ‘수수께끼’와 같았다고 설명하고 있었다. 이는 레나르드의 실험 결과 해석 과정을 통해 제시되는데, 해당 내용은 “레나르드는 광전자의 수가 빛의 세기에 비례하며, 아주 낮은 세기의 빛에서도 마찬가지임을 발견했다. 반면에, 아주 약한 빛의 경우, 전자가 물질로부터 탈출하기에 충분한 에너지를 흡수하는 데 긴 시간을 기다려야 할 것으로 예상되었다. 실제에 있어서는 그 시간지연이 3 × 10^-9초 미만이었다.”였다. 또한 C 교재와 같이 “이 빛을 비춤과 동시에 전자가 방출된다.”, “이런 실험 결과는 빛의 파동설로서는 설명할 수 없다.”로 간략히 서술한 경우도 있었다.

대부분의 일반물리학 교재는 아인슈타인의 광량자론에 따른 광전효과 실험 결과 해석에 많은 비중을 두고 있었다. 광량자론에 기반한 광전효과 해석은 광량자론의 정의, 빛의 진동수에 따른 광전효과 현상 발현 여부, 빛의 세기 및 빛의 진동수에 따른 광자의 최대 운동에너지의 관계, 빛의 입사와 광전자 방출 시간과의 관계, 빛의 세기와 광전자 수의 관계로 구분할 수 있었다.

첫째, 광자에 대한 정의는 4종의 교재(A, C, D, F)에서 설명되고 있었다. 광자에 대한 설명은 양자화된 또는 불연속적 에너지, 에너지의 국소성, 에너지 묶음의 비연속적 전달 등으로 다양하게 제시되어 있었다. 그렇지만 각 교재에 포함된 광자에 대한 설명은 포함된 개념들과 수준에서 차이가 나타났다.

• A 교재: 복사는 불연속적 에너지양자(energy quantum)의 집합으로 이루어졌으며 수십억 개의 광자로 파면이 이루어졌다고 보았다. 그리고 에너지는 파면 전체에 균일하게 퍼져 있는 것이 아니라 공간에 국소적으로 다발처럼 모여 있다고 가정했다. – 불연속적 에너지, 에너지의 국소성

• C 교재 : 빛, 즉 에너지 덩어리를 광자(photon)라 부른다. 아인슈타인에 따르면 빛의 세기는 광자 수에만 의존하고 광자 한 개의 에너지는 빛의 세기와는 무관한 진동수의 함수이다. – 에너지 덩어리

• D 교재 : 아인슈타인은 빛이 광자(photon)라는 작은 다발로 양자화되어 있다고 가정하면, 이러한 실험 결과가 설명될 수 있다는 것을 보였다. – 에너지 덩어리, 양자화(불연속)된 에너지

• F 교재: 아인슈타인의 모형에서, 입사하는 빛의 광자는 모든 에너지 hf를 금속에 있는 단일 전자에게 모두 준다. 그러므로 전자에 의한 에너지 흡수는 파동 모형에서 기대한 연속적 과정이 아니라, 에너지가 묶음 상태로 전자에 전해지는 비연속적 과정이다. – 에너지 묶음, 양자화된 에너지, 에너지 묶음의 비연속적 전달

A 교재에는 복사 에너지는 불연속적인 에너지 양자의 집합으로 복사의 파면이 수십억 개의 광자로 구성되어 있으며, 에너지가 파면 전체에 균일하게 퍼져 있는 것이 아닌 공간에 국소적 다발의 형태로 모여 있다고 설명되어 있었다. C, D 교재에는 빛이 에너지 덩어리인 광자이며, 그 광자는 작은 다발로 양자화되어 있다(D교재)고 설명되어 있고, F 교재에는 광자의 에너지가 전자에 흡수하는 과정에 관하여 기술하며 광자의 에너지가 전자에 흡수하는 과정을 불연속적인 과정임이 설명되어 있었다. A, D, F 교재가 국소적 에너지 다발 혹은 불연속성을 지닌 광자로 빛을 설명한 반면, C 교재는 빛을 에너지 덩어리로 진술하는 것에 그치고 있었다.

둘째, 광량자론을 이용하여 빛의 진동수에 따른 광전자의 방출 여부를 설명하는 것은 6종의 교재 모두에서 제시되어 있었다. 교재들에서는 공통적으로 빛의 진동수가 전자의 방출에 관여하며 문턱 진동수 이상의 진동수의 빛이 금속에 쏘아졌을 때 전자가 방출되며 이는 광량자론에 따른 해석임을 명시하고 있었다. 이 설명은 공통적으로 K max = h f − ϕ 공식을 이용하여 기술되고 있었다. 이를테면, A 교재에는 하나의 광자는 자기의 모든 에너지를 하나의 전자에 내주며 전자를 금속에서 떼어내기 위해서는 빛이 문턱 진동수 이상의 진동수여야 한다고 기술되어 있었다. B 교재에는 빛의 입사에 의해 방출되는 전자의 최대 운동 에너지를 빛의 세기와 진동수와 관련하여 논의되어 있고, 광량자론에 따르면 전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수에 따라 선형적으로 증가한다고 설명되어 있었다. C 교재에는 아인슈타인이 플랑크의 가설을 이용하여, 광전효과에 의해 방출되는 전자의 운동 에너지와 빛의 에너지 사이에 선형적 관계가 있으며 이는 저지전압이 0이 되는 임계진동수와 관련된다고 설명되어 있었다.

셋째, 6종의 교재 모두에서 빛의 세기 및 진동수와 광전자의 최대 운동 에너지의 관계, 빛의 세기와 광전자의 수를 광량자론에 따라 설명하고 있었다. ‘1. 광전효과 내용 구성의 특징’에서 분석된 바와 같이 A, E, F 교재는 고전적인 이론으로 설명할 수 없는 모순을 지적하며 광양자론으로 현상의 원리를 기술하고 있었다. 모든 교재에서 빛의 세기 및 진동수와 광전자의 최대 운동 에너지의 관계와 방출하는 광전자의 수에 대해 설명하였지만 각 교재가 기술하고 있는 내용은 다소 차이가 있었다. 그 중에서도 F 교재는 ‘계’를 중심으로 광자이론을 서술하고 있었다. 해당 내용은 ‘계를 이루는 구성 요소에 대한 서술 → 계의 구성 요소의 상대적 위치 및 상호작용에 대한 서술 → 시간이 지남에 따라 계가 어떻게 변하는가에 대한 서술 → 구조 모형을 이용한 예측과 실제 관측 결과에 대한 비교 서술 및 새로운 효과에 대한 예측’이었다. F 교재에서 설정한 계는 ‘입사 광자에 의해 방출된 전자 + 금속에 남은 전자’로 구성된다. 즉, 금속에 쪼아진 빛의 에너지는 계 외부의 에너지로 관찰자가 설정한 계의 에너지를 분석하여 예측을 하는 방식으로 K max = h f − ϕ 를 제시하고 있었다. 해당 교재의 이러한 서술은 실험 결과 그래프의 해석을 중심으로 광전효과 원리를 설명하는 방식과 차이가 있었다.

마지막으로 빛의 쏘아짐과 광전자 방출의 시간과의 관계에 대한 광양자론에 따른 설명은 B, C, F 교재에서 제시되어 있었는데, 이와 같은 서술은 교재에 따라 차이가 있었다. B 교재에는 시간 팽창이라는 용어를 사용하여, “빛의 세기가 극단적으로 약한 경우, 파동설에 따르면 전자가 일함수를 넘어서기 위한 에너지를 흡수하려면 시간 팽창이 있어야 하는 반면, 광량자론에서는 그런 시간 팽창이 없다.”고 제시되어 있었다. C 교재에는 “빛의 광량자론을 받아들이면 전자가 빛의 세기에 관계없이 진동수가 광전문턱 진동수(photoelectric-threshold frequency)보다 클 경우 빛을 비춤과 동시에 전자가 금속표면에서 방출되는 것이 자연스럽다.”고 기술되어 있었다. 한편 A 교재의 경우 방출 시간과 관련하여 광양자론에 따른 설명을 제시하지는 않았지만, 약한 빛의 입사에 따른 광전자 방출까지의 짧은 시간 간격을 고전적인 파동 이론으로 해석할 수 없다는 설명은 기술되어 있었다. “아주 약한 빛의 경우, 전자가 물질로부터 탈출하기에 충분한 에너지를 흡수하는데 긴 시간을 기다려야 할 것으로 예상되었다.”

본 연구에서는 일반물리학 교재에 제시된 광전효과의 전체 내용 구성과 과학사 관련 내용, 광전효과 실험 방법, 광전효과 현상 설명, 광전효과 원리 등에 제시된 내용 서술의 특징을 분석하였다. 연구 결과를 토대로 일반물리학 교재를 활용한 물리학 교수-학습에 대해 다음과 같은 시사점을 도출할 수 있었다.

첫째, 광전효과 관련 과학사 내용은 19세기 후반에 진행된 맥스웰, 헤르츠, 헐윅스, 레나르드 등의 다양한 설명을 포함한 입체적 서술보다 아인슈타인의 광자이론을 중심으로 기술되고 있었다. 3종의 교재(B, C, E) 교재는 광전효과 발견을 다루지 않았으며 C 교재는 이론의 수용에 대한 내용도 포함되어 있지 않았다. 이전의 이론으로는 설명되지 않는 새로운 현상의 발견과 관찰, 그 현상을 설명하기 위한 다양한 이론의 제안, 오랫동안 배척된 이론을 지지하는 추가 증거의 제시로 인정받은 이론이라는 점에서 광전효과는 과학사를 매력적으로 활용할 수 있는 사례이다. 교양 수준의 대학 수업 및 물리학의 기초적인 내용을 다루는 일반물리학 교재는 광전효과 과학사적 내용 서술을 통해 학생들의 흥미 및 이해를 높일 수 있다. 나아가 풍부한 과학사적 내용을 이용하여 물리 수업을 구성해야 하는 예비 물리 교사에게 광전효과의 역동적인 과학사가 포함된 교재 서술이 유용할 것이다.

둘째, 일반물리학 교재들에서 제시하는 광전효과 내용은 교재마다 차이가 있었고 내용 구성이 상이하여 강의 목적, 필요성, 교수학습 방법에 따라 교재를 선택하여 사용하거나 다양한 교재들의 장점을 분석하여 강의에 활용하는 것이 요구된다. 연구 결과와 같이 광전효과 원리 설명, 예제 문제 풀이, 광전효과 현상 설명, 광전효과 실험 방법 순으로 서술된 분량이 상이했으며, 고전 물리학과의 모순, 광전효과 적용, 광전효과 의의가 3종의 교재에서 제시되지 않았고 광전효과의 발견과 정의는 1종의 교재에서 제시되지 않았다.

특히 광전효과 내용 구성은 광전효과 현상에 대한 고전 물리학적 설명과 양자론적 설명과의 모순의 포함 여부와 포함된 순서로 인해 차이가 나타났다. 광전효과 현상에 대한 원리 설명을 고전 물리학적 설명과의 모순을 포함하지 않은 교재는 ‘발견’ → ‘정의’ → ‘실험’ → ‘현상 설명’ → ‘원리 설명’으로 서술하였다. 고전 물리학적 설명과의 모순을 포함한 교재는 ‘발견’ → ‘정의’ → ‘실험’ → ‘현상 설명’ → ‘이전 이론과의 모순’ → ‘원리 설명’으로 광전효과를 기술하고 있었다. 또한 이전 이론과의 모순을 빛의 세기와 전류와의 관계 실험에 대한 실험과 빛의 진동수와 전류의 관계에 대한 실험에 대해 각각 ‘발견’ → ‘정의’ → ‘실험’ → ‘현상 설명’ → ‘이전 이론과의 모순’ → ‘원리 설명’으로 서술한 교재도 있었다. 고전 물리학과 양자 물리학의 전환점으로서의 역사적 의의와 물리학의 패러다임 전환과 관련된 이해를 위해서는 하나의 현상에 대한 대립되는 두 개의 관점의 설명 방식을 포함하는 것이 적절한 것으로 판단되나, 세부 서술 순서에 대해서는 교수자의 강의 목적에 따라 더 적합한 방식을 재구조화 해나가는 것이 필요하다.

셋째, 일반물리학 교재에 제시된 광전효과 실험방법과 현상 설명은 교재마다 일부 차이가 있었으나 광전효과 현상을 전달하는 데 충분한 내용 요소를 모두 포함하여, 교수자가 특정 교재를 사용하더라도 비슷한 내용을 전달할 수 있다고 판단된다. 6종의 교재는 모두 순방향 전위가 장치에 가해졌을 때의 광전류의 흐름을 설명한 후, 일정 정도 이상의 역방향 전위가 가해졌을 때 광전류가 흐르지 않음을 통해 현상을 설명하였다. 한편, 광전효과 실험 결과 중 빛의 진동수에 따른 광전자 방출, 빛의 진동수에 따른 광전자의 최대 운동 에너지, 빛의 세기에 따른 광전자의 최대 운동 에너지, 광전자 수와 빛의 세기와의 관계에 대한 설명은 모든 교재에 제시되었으나 빛을 조사한 시간과 광전효과 현상의 관계는 3종의 교재만 제시하고 있었다. 광전효과 결과는 세 개의 그래프(광전류-전위, 빛의 진동수-저지전압, 빛의 진동수-광전자의 최대 운동 에너지) 중 한 개 또는 두 개의 그래프를 이용해 설명되고 있었다. 그럼에도 불구하고 학생들이 광전효과를 어려운 내용으로 인식하며[8-10], 광전효과 실험 결과와 그래프를 관계지어 이해하는 것에 대한 학생들의 어려움이 보고되는 것은[11, 12] 주목할 필요가 있다. 교재들에서 공통적으로 제시된 그래프의 해석을 학생들이 이해하기 어려운 이유는 학생들 또한 당대의 많은 과학자들이 경험했던 현상과 결과에 대한 ‘관계지음’의 어려움과 유사할 수 있다. 따라서 선행연구에서 학생들의 어려움으로 보고되었던 광자 개념 이해의 어려움[13], 광전효과와 이온화의 혼동, 에너지 보존 여부 등에 대한 교사들의 광전효과 이해의 어려움[14]을 고려하여 수업을 계획하는 것이 필요할 것이다. Ryu 등의 비유 모형[6]과 Taşlıdere의 순환학습 모형[7] 등을 참고하되, 다양한 비유 모형 등의 예시로 인해 생산되는 오개념은 최소하는 교수 모형을 개발하는 데 노력할 필요가 있다.

넷째, 일반물리학 교재에 제시된 광자의 정의에 차이가 있어 교수-학습 목적과 내용에 적합한 정의를 수업에 활용할 필요가 있다. 일반물리학 교재에 제시된 광자 개념의 공통점은 광자를 에너지 덩어리 또는 묶음으로 설명하고 있다는 점이었으며, 교재에 따라 불연속적 에너지, 에너지 국소성, 에너지의 비연속적 전달 등으로 광자 속성을 추가로 제시하고 있었다. 일반물리학은 현대물리학과 양자역학을 연결하는 과목으로 학습자의 수준, 진로, 전공을 고려하여 광자 개념을 정의하고 광전효과 실험을 지도하는 것이 필요할 것이다.

다섯째, 광전효과 실험 결과에 대한 광량자론에 의한 해석은 빛의 진동수와 광전자 방출 여부, 빛의 세기 및 진동수와 광전자의 최대 운동에너지의 관계, 빛의 세기와 광전자 수의 관계를 집중적으로 설명하였지만, 빛의 쏘아짐과 광전자 방출 시간과의 관계는 3종의 교재에만 제시되어 있었다. 광전자 방출 시간은 광전효과가 고전적인 파동이론으로 설명하기 힘든 핵심적인 현상 중 하나이므로 광량자론으로는 이에 대해 어떻게 설명할 수 있는지 자세히 기술해 준다면 학생들의 이해를 도울 수 있으리라 판단된다.

마지막으로 일반물리학 교재에 대한 분석 결과는 차기 교육과정에 따른 교과서 개발에 대한 시사점을 제공한다. Ha 등[15]의 연구에 따르면 2015 개정 교육과정의 교과서의 제시된 광전효과 현상은 물리학I과 물리학II 교과서에서 모두 제시되었으며, 일반적으로 물리학I 교과서에서는 빛의 파동설과의 모순과 응용을, 물리학II 교과서에서는 광양자설로 광전효과 현상을 설명하는 것을 주로 다루고 있다. 또한 동일한 출판사의 물리학I, II 교과서에서 중복되는 내용을 포함하지 않은 교과서와 중복되는 내용을 물리학I, II 교과서에 함께 제시한 출판사도 있었다. 광전효과를 비롯하여 물질의 이중성과 같이 물리학I, II 교과서에 위계를 달리하여 포함하는 내용을 교과서에 어떻게 분배하고 서술하는지에 대한 결정은 일반물리학, 세부 전공 물리학, 현대 물리학 교재 등의 분석 결과를 고려하여 세심하고 구체적인 기준에 따라 결정될 필요가 있다. 이를 위해 광전효과 내용을 통해 학생들이 성취하려는 지식, 기능, 태도, 역량 등이 복합적으로 고려되어야 하며 서술 방식 및 내용 요소의 결정이 타당한 준거를 따라 결정될 필요가 있다.

본 연구는 일부 일반물리학 교재의 내용을 분석한 것으로 일반화된 결과를 도출할 수는 없다. 따라서 분석 대상으로 많은 대학에서 사용하는 교재를 선정하였고 국내 교재를 포함하여 분석하였다. 본 연구의 범위가 특정 개념에 대한 교재 서술 방식에 한정되어 있다는 점에서는 분명히 한계가 있지만, 해당 연구의 분석 결과를 토대로 예비 물리 교사를 포함한 일반 물리학 수강자와 중등 수준의 현장 교사와 일반 물리학 강의자에 대한 연구에 활용될 수 있다고 판단된다. 따라서 향후 다양한 수준의 학습자와 교수자를 대상으로 연구가 수행될 필요가 있다.