1. 연구의 목적 및 필요성

학생들은 일상생활에서 다양한 전기·전자 제품을 사용하기 때문에 전기 관련 현상에 관하여 다양한 생각이나 개념을 지니고 있지만[1], 전기와 관련된 과학 개념에 대해 어려워하며, 학생들 대다수가 전기 단원을 학습한 후에도 그 내용을 잘 이해하지 못하는 것으로 나타났다[2]. 과학 교사들도 학생들에게 전기 관련 개념을 설명하거나 지도하는 것이 다른 과학 개념을 지도하기보다 더 어렵다고 말한다[3]. 이는 전기와 관련된 현상을 직접 관찰할 수 없을 뿐만 아니라 전압, 전류, 저항 등의 전기 관련 개념들이 추상적이어서[4] 학생들의 이해 수준이나 사고방식대로 설명하기 어렵기 때문이다[5]. 전기 관련 개념에 대한 학생들의 어려움은 주로 과학 오개념 연구를 통해 알려져 왔는데, 과학 및 물리교육 연구자들은 지난 수십 년 동안 전기회로나 전류에 관한 학생들의 오개념을 찾고 정리해왔다[6, 7]. 선행연구에 따르면, 전지의 한 극에만 연결해도 전류가 흐른다고 생각, 전지의 (+)극과 (-)극으로부터 나오는 전류가 서로 충돌하여 전구에 불이 켜진다는 생각, 전기회로에서 전류는 전구나 도선에서 소모된다는 생각, 전기회로에 연결된 여러 개의 전구에 항상 같은 양의 전류가 분배된다는 생각 등 전기회로나 전류에 관한 학생들의 오개념 유형이 다양한 것을 알 수 있다[6].

또한 전기 관련 오개념을 과학 개념으로 변화시키는 방안이나 교수 전략도 연구됐다. 전기 관련 오개념에서 가장 많이 사용되었던 교수 전략은 비유를 사용하는 것인데, 비유는 특정 영역에 대한 이상적 조건에서만 적용할 수 있고, 실제 계에서는 한계가 있음을 이해하지 못하기 때문에 비유를 이용한 전기 관련 학습은 또 다른 오개념을 발생시키는 한계가 있다[8, 9]. 최근에는 가상실험 환경에서 학생들이 실험 변인을 직접 조작함으로써 실제 실험을 대신하는 방식의 탐구활동이 전개되고 있는데, 가상실험을 통한 탐구활동에서 학생들은 주어진 현상을 관찰만 하지 않고 좀 더 적극적으로 탐구활동에 참여하게 한다[10]. 전기회로와 관련된 가상실험에서 학생들은 모양과 구조가 다른 전기회로를 다양하게 만들 수 있고, 전압이나 저항과 같은 변인들을 자유롭게 조절할 수 있어서[11], 학생들은 전기회로에 관한 자신의 추론 한계를 인식하고, 과학적 모델을 발견하는 데 도움을 받을 수 있다[10]. 실제로 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 과학 학습이 학생들의 개념변화에 효과적이라는 선행연구는 많이 보고되고 있다[12].

상호작용형 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램인 PhET 시뮬레이션은 이미 국내외의 수많은 교사와 연구자들이 사용하고 있는 프로그램으로, 추상적이고 비가시적인 과학 개념을 시각화하여 보여줌으로써 보다 효과적으로 개념을 이해할 수 있도록 제작되었다[13]. 그중 전기회로와 관련된 프로그램인 Circuit Construction Kit(CCK)는 실물을 활용한 실제 전기회로 실험과 비슷한 환경을 제공한다. 이 프로그램은 학생들이 전기 부품을 자유롭게 연결하여 여러 가지 전기회로를 만들 수 있도록 구성되었는데, 실물을 이용한 전기회로 실험에 비해 다양한 장점이 있다. 학생들은 이 프로그램에서 전류계와 전압계로 자신이 만든 전기회로의 전류와 전압을 직접 측정할 수 있고, 전기회로에서 이동하는 전자의 흐름을 눈으로 확인할 수 있으며, 실제 회로 실험이 갖는 여러 가지 한계를 극복할 수 있다[13]. PhET 시뮬레이션을 사용한 전기회로 학습이 기존의 실물 실험보다 더 효과적이며, 학습하는데 더 쉽다는 연구 결과들도 있다[10, 14].

하지만 기존의 선행연구들은 단순히 실물 활용 실험과 PhET 프로그램 사용 수업에서의 학생들의 전기 관련 개념 검사지의 점수 변화를 분석하여 그 효과성을 양적으로 분석하고 있어 학생들의 구체적인 개념변화 과정을 확인하기 어렵다. 또한 PhET 시뮬레이션을 활용한 탐구활동의 효과성을 피상적으로 설명할 뿐 학생들이 구체적으로 어떤 행동이나 발화를 하는지 자세히 분석하지 않아 한계를 갖는다. POE 모형은 자연 현상에 대한 예상을 통해 학생의 사전 개념을 드러내게 하고 예상과 관찰 결과의 차이와 그렇게 된 이유를 설명하게 함으로써 학생의 인지적 갈등과 개념변화를 유도하는 교수 방법으로 쓰인다[15]. PDEODE(Predict - Discuss & Explane – Observe – Discuss & Explane) 모형[16]은 POE 모형보다 학생의 능동적 참여와 토의과정을 강조한 것으로, 실험 전에 현상에 대해 예상, 토의, 설명을 하게 한 후, 실험 관찰 후 학생 간 토의와 설명을 유도함으로써 인지적 갈등과 개념 변화에서 학생의 생각, 발화, 행동을 잘 드러내게 하는 교수 방법이다.

따라서, 본 연구에서는 전기회로에 관련된 과학영재 학생들의 수업 전 개념 활용과 오개념을 분석하고, PhET 시뮬레이션을 활용한 PDEODE 탐구활동에서 전기회로에 관한 학생의 오개념 및 생각 변화 과정을 분석하였다.

1. 연구 대상

본 연구는 H시 소재 대학부설영재교육원 프로그램에 참여 중인 중학교 2학년 남학생 3명을 대상으로 하였다. 이 학생들은 자기소개서, 학교 교사의 관찰 및 추천서에 대한 서류 심사를 통과하고, 창의적 문제해결력에 관한 심층 면접 평가를 통해 물리 분야에서 뛰어난 재능과 잠재력이 있고 도전적 과제에 대한 창의적 문제해결력과 집중력이 높다고 인정된 학생들이다. 참여 학생들은 대학부설영재교육원 중학교 과정에서 2년째 교육을 받고 있으며, 올해 교육과정에서는 물리학과 지구과학을 중심으로 격주로 탐구활동에 참여하고 있다. 세 학생 모두 자신의 학교에서 ‘전기와 자기’ 단원의 내용을 학습한 상태였다. 또, 기초적인 컴퓨터 활용 기능이 있었지만, 소속 중학교에서나 영재교육원에서 PhET 시뮬레이션 프로그램을 이용한 수업에 참여해 본 경험은 없었다.

2. PhET 시뮬레이션을 활용한 전기회로 탐구 프로그램 구성

선행연구[10, 13, 16]를 참고하여 과학영재 학생들을 대상으로 한 PhET 활용 전기회로 탐구 프로그램을 총 4회차로 진행되는 16차시 분량으로 개발하였고 이 연구에서는 2회분인 8차시 동안 이루어진 학생들의 반응을 분석하였다. 탐구활동 1회차 주제는 전구의 직렬, 병렬연결 회로에서 각 전구에 걸리는 전압과 전류의 세기를 비교하는 것이며, 탐구활동 2회차 주제는 전구의 직렬, 병렬연결 회로에서 각 전구의 밝기를 비교하는 것이었다. 각 탐구활동에서는 실험 결과에 대해 예상하고 PhET 프로그램을 이용하여 측정하고 설명을 해보는 과정으로 진행하였다. 차시 탐구활동을 위해 Table 1과 같이 학생들에게 전기회로 그림을 미리 제시했으며, 학생들이 스스로 전기회로를 만들어 각자 궁금한 것을 확인해 보도록 하였다.

Table 1 Examples of Electrical Circuits Used in the Class.

Session	Period	Program Content	Electrical Circuits Diagram
1	1–2	Comparison voltage of a-b, b-c, c-a and current at a, b, c in series connection of light bulbs
	3–4	Comparison voltage of 1-2, 3-4, 5-6 and current at 1-6 in parallel connection of light bulbs
2	1–2	Comparison of the brightness of light bulbs in series connection of light bulbs
	3–4	Comparison of the brightness of light bulbs in parallel connection of light bulbs

각 차시 수업 내용은 Savander 등(2003)[17]이 제안한 PDEODE 수업모형(Fig. 1)을 바탕으로 구성하였다. 이 모형은 과학과 수업에서 자주 사용하는 POE 모형에 기반하고 있지만, 각 학생의 예상과 그렇게 생각한 이유, 관찰 결과에 관한 서술 등에 대해 발표할 때 학생 간에 토의할 시간을 충분히 주고 관련된 추가 활동을 할 수 있게 함으로써 학생이 자신의 생각을 반추하고 인지적 갈등을 느끼게 할 목적으로 사용한 것이다. 2회차 1–2차시 수업으로 구성한 PDEODE 수업의 단계는 Table 2와 같다.

Table 2 Step-by-Step contents of Session 2, Problem 3 with PDEODE model.

Stage of the Model	Explanation	Example
Predict	Each student predicts how the brightness of a light bulb will differ in a given electrical circuit.	Estimate how the brightness of light bulbs B to F will differ in the electric circuit as shown in the figure below.
Discuss & Explain	Each student explains and discusses what was expected and why.	Explain to other students what you expected and why you thought so, and discuss with each other whether the logic for your prediction is appropriate.
Observe	Students make the given circuit and the circuit they want to verify with the PhET simulation program and observe the result.	Observe the brightness of the light bulb by making the given circuit with the PhET simulation program. If there is an electric circuit that you want to verify additionally during the discussion in the ‘Discuss & Explain’ stage, make that circuit and observe the brightness of the light bulb.
Discuss & Explain	Students describe observations and discuss the results.	Explain the results observed with the PhET simulation program, and discuss why such results appeared or how they differed from previous expectations.

Figure 1. (Color online) PDEODE model[17].

3. 자료수집 및 분석

학생들의 수업 전 전기회로 관련 개념은 각 탐구활동의 PDE 단계를 통해 수집했으며, 학생들의 전기 관련 생각의 변화는 PhET 시뮬레이션 수업을 진행하면서 학생들의 토의 과정을 관찰하고 동영상을 찍어 자료를 수집하였다. 2회차 8차시 분량의 수업에서 과학영재 학생 및 교사의 발화와 행동들을 녹화, 녹음했으며, 연구자는 프로그램 수행 중 나타나는 과학영재 학생들의 특징이나 특별한 행동 등을 관찰 노트에 기록하였다. 그 후 수업 과정에서의 교사와 과학영재 학생들의 발화를 녹음한 자료를 바탕으로 전사본을 작성하였다. 연구자는 각자 전사본을 여러 번 읽으면서 비슷한 유형끼리 묶어 세부 유형을 추출하고 반복적으로 비교하는 과정을 통하여 여러 자료들을 관통하는 공통적 범주와 속성을 탐색하고 도출하는 방법인 반복적 비교분석법[18]을 활용해 연구 결과의 타당성을 확보하였다. 또한 연구 결과의 신뢰도와 타당도를 높이기 위해, 수집된 자료의 분석 과정은 과학교육전문가 2인 및 과학 교사 3인이 참여하는 세미나에서 여러 번 논의되었고, 이를 바탕으로 그 결과를 수정·보완하였다.

1. 수업 전 과학영재 학생의 개념 특성

1) 전기회로 관련 용어를 적절하게 사용하지 못했다.

학생들은 학교에서 전기회로 관련 내용에 대한 학습을 한 상태였기 때문에 전기회로에 관련된 기본 용어에 대해서는 낯설어하지 않았다. 그러나 학생 K와 학생 L은 각 전기회로에서 나타난 현상을 서술할 때 필요한 용어를 사용하지 않거나 잘못된 용어를 혼용하여 사용하였다. 또 과학 용어에 관습적으로 사용하는 서술 표현을 사용하지 않아 말의 의미가 명확하지 않았다.

문항 1에서는 9 V 전지에 규격이 같은 전구 두 개와 전지 한 개를 연결하여 전기회로를 만들고 a, b, c는 전선 위의 점을 나타낼 때(Fig. 2), 구간 a-b, b-c, c-a 사이의 전압과 전선 위의 점 a, b, c에 흐르는 전류에 대해 말하게 하였다.

Figure 2. Diagram of the electrical circuit in Problem 1: Two light bulbs connected in series.

이 전기회로에 대하여 학생 K는 a와 b 사이의 전압, b와 c 사이의 전압, a와 c 사이의 전압 모두가 9 V로 대답하였으며, 학생 L은 a와 b 사이의 전압은 9 V, b와 c 사이의 전압은 0 V, a와 c 사이의 전압 모두가 9 V로 대답하였다. 그렇게 생각한 이유에 대하여 말하게 하자, K는 인터넷에서 전압의 뜻을 검색한 뒤 ‘전압은 전하를 밀어주는 것이고, 정확한 볼트는 모르겠지만 어디가 작을 것 같지 않다’라고 응답하였다. 학생 L은 각 a, b, c 점의 정확한 위치를 잘 모르겠다고 하면서 전지의 (-)극에서 전구를 통과하기 전까지는 4.5 V, 전구를 통과한 뒤에는 9 V라고 응답하였다. 학생 M은 두 전구의 전체 저항이 커졌으므로 전압도 커져서 18 V가 될 것으로 응답하였다. 세 학생 모두 전압 용어를 사용하고 있었으나 전압의 의미를 모르고 있었다. 학생들은 문항 1을 해결하는 과정 중 전류와 전압에 관해 설명하는 대화에서 전류와 전압을 구분하여 말하지 못했고, 전압이 작아지거나 커지는 이유에 관해 설명하지 못했다.

학생 K는 전구에서 전류가 소모된다는 표현으로 ‘A가 9 V를 다 먹고 B에는 하나도 안 가요. 전선이 반으로 나뉘기 전에 A가 있으니까 A가 9 V를 다 먹어요’, ‘한 줄에 두 개씩 연결되어 있으면 앞에 있는 것이 먼저 먹어버리니까 뒤에 있는 것은 어둡게 돼요’라며 ‘소모된다’라는 표현 대신에 ‘먹는다’라고 표현하였다. 학생 L은 전기회로의 전선에 전류가 흐르며, 전류는 전자의 이동을 나타낸 것임을 알고 있지만, 전류가 흐르는 현상을 ‘전류는 (-)에서 (+)로 간다.’, ‘전구 A와 B는 같은 전류로 간다’라고 표현하거나 전기회로를 통해 ‘돈다’라고 표현하였다. 이처럼 과학 용어와 서술 표현을 잘 호응시키지 못하는 사례가 많았다. 반면, 학생 M은 전기회로에서 일어나는 현상에 대해 명확하게 설명하면서도 용어를 적절하게 사용하기도 하였다.

2) 전기회로에 관련된 여러 가지 오개념을 갖고 있었다.

전기회로의 전압, 전류, 그리고 전구의 밝기에 관한 PDEODE 탐구활동 과정에서 나타난 학생의 오개념을 정리하면 다음과 같다.

첫째, ‘전류는 전지의 한 극에서 나와 전선과 전구를 순차적으로 지나간다.’ 학생들은 전지에서 출발한 전류가 전선과 전구를 하나씩 순차적으로 통과하면서 전구와 전류가 작용하는 것으로 생각한 것이다. 학생 K의 대화에서 전자들이 전지의 (+)극과 가까운 전구 A를 통과하며 소모되고 나머지 전자들이 다음 전구로 나아간다는 순차적인 흐름 모형이 드러나고 있다. 학생 L의 대화에서도 전지의 (-)극에서 출발한 전류를 언급하면서 전류가 순차적으로 흐른다고 생각하고 있었다. 이 설명 모델은 전류의 순차적 흐름 모형과 유사하다.

둘째, ‘전류는 전기회로에 연결된 전구에서 소모된다.’ Figure 2와 같은 회로에서 학생 K는 전구의 직렬연결 회로에서 두 전구가 같은 전선으로 연결되어 있어서 각 전구를 통하는 전류의 세기가 같아야 함을 인지하지 못했다. 그는 전류는 물이 흐르듯이 전지의 (+)극에서 나와 (-)극을 향해 계속 흐르면서 가장 먼저 만나는 전구에서 전류를 많이 소모하고, 다음에 만나는 전구에서 남은 전류가 소모된다고 생각하였다. 학생 L 역시 전류가 전구에서 소모된다고 생각하고 있었다. 학생 L은 전류의 방향이 (-)극에서 나와 (+)극으로 들어간다고 생각했기 때문에 그 생각에 따르면 점 a가 전지에서 가장 가까운 위치이다. 전류는 전선을 순차적으로 흐르기 때문에 전지의 (-)극에서 가까운 순서대로 전류가 소모되고 전구를 통과하고 난 전류의 세기는 점차 작아질 것으로 예상하였다.

셋째, ‘전류나 전압 중 한 가지 원인 때문에 전구의 밝기가 달라진다.’. 학생 K는 전압은 ‘전하를 밀어주는 것’으로 이해하고 있으며, 전압 차가 클수록 센 전류가 흐르지만, 전구의 밝기는 전압만 영향을 준다고 생각하였다. 학생 L도 전지의 전압이 클수록 전구가 밝게 빛남을 알고 있으나, 저항에 대해서는 언급하지 않았다. 학생 M은 전구의 밝기에 영향을 주는 변인으로 전류만 생각하였다. 전기회로에서는 전압도 전구의 밝기에 영향을 주지만, 전류는 전압이 클수록 세기가 커지므로 밝기는 전류만 고려해도 된다고 설명하였다.

넷째, ‘전지 여러 개 병렬연결하면 전지 한 개만 주로 닳고 나머지 전지는 주 전지를 보조한다.’ 전지 여러 개를 직렬연결하면 전기회로의 전구 밝기가 더 밝아지지만, 전지 여러 개를 병렬연결하면 전지 한 개, 전구 한 개를 연결한 전기회로의 전구의 밝기와 같음을 학생들이 알고 있다. 전지 여러 개를 병렬연결해도 전구의 밝기가 더 밝아지지 않는 이유에 대해 학생들은 가장 먼저 연결한 전지가 먼저 닳고, 이어 병렬로 연결한 전지에서 조금씩 전류를 보충해 주는 것으로 생각하였다.

그 외 전류의 방향, 전압 및 전압계 등에 대한 오개념이 나타났다. 학생 L은 전류는 전자의 흐름 때문에 생긴 것이며 전자의 흐름만이 실제로 존재하는 것이고 전류는 가상으로 만든 것이기 때문에 전류의 방향은 전지의 (-)극에서 나와 전지의 (+)극으로 들어간다고 보았다. 또 학생 L은 전압의 의미를 안다고 대답했으나 물리적인 의미 없이 전지가 나타내는 값의 의미로 받아들였다. 전기회로에서 ‘두 점 사이의 전압’이라는 표현을 이해하지 못했으며, 전압과 전류의 의미를 자주 혼동하였는데 ‘전구 B를 통과하기 전에 9.0 V’라는 표현처럼 한 지점에 찍히는 값의 의미를 담고 있었다. 또는 전압계 표시창에 나타난 음의 값이 의미하는 바를 몰랐는데 그것이 전압이 소모되는 것을 의미하는지 질문하기도 하였다.

2. PhET 탐구활동을 통한 과학영재 학생의 생각 변화 과정

1) PhET 시뮬레이션 결과 확인을 통해 오개념이 과학 개념으로 변화된 경우

PDE 단계에서 제시된 회로에 대한 예상, 토의, 설명에 참여한 학생들은 PhET 시뮬레이션 실험을 통해 문항별 전기회로에서 나타난 현상을 관찰하였다. 또 학생들은 전기회로에 대해 궁금했던 점을 해결하기 위해 자기 스스로 전기회로를 만들어 전구의 밝기를 확인하고 전류, 전압의 크기를 비교해 보았다.

전지 한 개와 전구 두 개를 직렬연결한 회로에서 a-b, b-c, c-a 사이의 전압을 비교하라는 문항 1에 대해 세 학생 모두 전압을 잘 말하지 못했는데, 이는 전압의 의미를 잘 모르기 때문이었다. 그러나 PhET 시뮬레이션을 통해 학생들은 각 구간의 전압을 측정하였고 인터넷을 이용하여 물리 개념 사전을 찾고 대화를 하면서 전압의 의미, 전압 측정 방법을 정리하였다. 또 학생들은 전선에 전류가 흐를 때 전자는 전류의 흐름 방향과 반대로 흐르며, 전류는 전선의 한 점을 관찰하는 것만으로 측정할 수 있음을 알게 되었다.

학생 L은 시뮬레이션을 사용하기 전에는 전압계 표시창에 나타난 (-) 표시가 의미하는 바를 몰랐지만, 회로에서 탐침의 단자를 바꾸어 사용하는 등의 활동으로 전압계 표시창에 나타난 음의 값의 의미를 쉽게 이해할 수 있었다.

Table 3과 같이 ‘전류는 전지의 (-)극에서 (+)극으로 흐른다.’, ‘전압계 표시창에 나타난 (-)값은 전압이 소모되었음을 의미한다.’, ‘저항이 클수록 전구가 어둡다.’, ‘전구의 직렬연결 회로에서 전선의 지점마다 전류의 세기가 다르다’와 같은 오개념은 PhET 시뮬레이션을 활용한 탐구활동을 통해 쉽게 과학 개념으로 교정되었다.

Table 3 Examples of misconceptions corrected to scientific concepts.

	Before PhET Exploration Activities	After PhET Exploration Activities
Direction of current	Student L: The current goes from (-) to (+), so bulbs A and C go with the same current.	Student L: No. It was (+) to (-).
Voltmeter	Student L: Why does it say -4.5 V here? Does it mean it's consumed? There is no pole here.	Teacher: Why is -3 V coming out? To come out with +3 V?
		Student L: Because of the direction of electron movement. Electrons move from this side to this side, so if you change the voltmeter needle and connect it, it changes to +3 V. It means direction.
Relationship between Resistance and Light Bulb Brightness	Student K: C is the greatest resistance. Because the resistance is concentrated in C, it means that C will emit a small amount of light.	Student K: Huh? No, it's the other way around. The higher the resistance, the brighter the light bulb.
Magnitude of the Current at Each Point	Student L: The current is 0 A at point c, 0.45 A at point b, and 0.9 A at point a. You did it before. The voltage consumed by each light bulb was different. Are the currents the same?	Student L: Oh no. When I tried it, it wasn't 0 A or 0.9 A, but 0.9 A everywhere. It's not like eating from a light bulb like when measuring voltage. Then, if we apply it here, we will change our thinking to ‘all becomes 0.45 A’.

PhET 시뮬레이션을 활용하여 오개념이 과학 개념으로 변한 예시에는 전류나 전압의 정의, 전류의 방향, 전압계의 표시 등의 과학 개념의 정의에 관한 것, 전류나 전압의 측정 방법에 관한 것, 저항의 크기에 따라 전구의 밝기나 전구, 전지 연결 방법에 따른 전류나 전압의 크기 비교 등의 시각적으로 확인 가능한 현상이었다. 학생들은 PhET 시뮬레이션을 통해 결과를 확인하고 큰 갈등 없이 자신의 기존 생각을 버리고 과학 개념을 받아들였다. PhET 시뮬레이션으로 반증 사례를 확인함으로써 오개념이 쉽게 교정된 것이다. 이러한 사례에서 개념변화 메커니즘을 정리하면 Fig. 3과 같다.

Figure 3. Mechanism of concept change when PhET simulations serve as ‘Confirmation of Disproving Cases’.

PhET 시뮬레이션 프로그램에서 자유로운 변인 조작이 가능하다는 점은 학생들이 과학 개념으로 생각을 변화시키는데 긍정적으로 작용하였다. 실제로 학생들은 자신이 검증하고자 했던 회로들 외에도 즉각적으로 떠오르는 생각에 대해 즉시 추가 회로를 구성하여 그 결과를 확인하였다. 교사가 전지의 전압이나 전구의 저항을 바꿔보는 것에 대해 먼저 안내하지 않았지만, 학생 K는 스스로 전압과 저항을 조절해보고 그 결과를 확인해 규칙을 찾고자 노력하였고, 학생 L은 이를 바탕으로 교사가 질문하지 않았는데도 전구 3개, 4개를 병렬 연결했을 때 각 지점에서 전류의 세기가 어떻게 될지 스스로 예상하고 이야기하였다. 이 결과는 전하 이동을 시각화한 PhET 기반 수업을 적용할 때 초등 과학 영재 학생들은 회로 구성을 다양하게 시도하고 각종 부품들의 상호작용에 대해 좀더 명확하게 알게 되었다는 연구 결과[14]와 일치한다.

2) 학생들의 생각이 과학 개념으로 변하지 않는 경우

몇 가지 과학 개념변화 사례와 달리, ‘전류는 전구에서 소모된다.’라는 오개념과 전구 및 전지의 직렬, 병렬연결에서 전구의 밝기에 영향을 주는 요인에 관한 오개념은 8차시 동안의 탐구활동에도 불구하고 과학 개념으로 변하지 않았다. 학생들이 직접 전기회로의 각 전구에 흐르는 전류의 세기를 측정하고 비교하여 전류가 소모되지 않았음을 확인할 수 있었음에도 불구하고 탐구활동 후에도 학생들에게 전류 소모 모형이 지속된 것은 특이한 결과였다.

○ 전류는 전구에서 소모된다는 오개념

1회차 2차시 수업에서 학생들은 PhET 시뮬레이션의 가상 전류계와 가상 전압계로 전지의 양 끝, 전지의 (+)극과 전구 앞의 전선, 전구의 양 끝, 전구의 뒤와 전지의 (-)극 사이의 전류와 전압을 측정하였다. 그런데 두 양을 측정한 후에도 학생들이 수업 전에 가지고 있었던 전형적인 오개념 중에서 ‘전류는 전구에서 소모된다.’라는 생각은 과학 개념으로 변하지 않았다.

PhET 시뮬레이션 탐구활동을 하는 동안 교사는 학생들에게 개별 시간을 충분히 갖고 자신이 만들고 싶은 회로를 자유롭게 만들면서 자기 생각을 검토해 보도록 했다. 학생들은 기본 문항을 해결하면서 전기회로의 전선 안에 전자가 이동하는 모습을 줄곧 보았고 전구를 통과한 뒤에 전자의 흐름 속도가 변하지 않았음을 확인했지만, 활동 후에도 전구에서 전류가 소모된다는 오개념은 버리지 않았다.

학생 L은 전구 2개의 직렬연결에서 두 전구의 밝기가 같음을 확인하고 가상 전류계를 이용하여 전구를 통과하는 전류도 각각 같음을 확인하였다. 그런데도 학생 L은 여전히 전구에서 전류가 소모된다는 생각을 유지했다. 학생 L은 전구에서 전류가 소모된다는 생각은 바꾸지 않은 채, 전구 두 개가 직렬연결된 전기회로에서 두 전구의 밝기가 같은 원인을 설명하려 했다. 결국 학생 L은 ‘각 전구에서 소모되는 전류의 양이 전구 개수의 역수만큼 일정하게 소모된다.’라는 규칙을 찾아내었다. 즉, 단일전지-전구에서 전류의 세기가 3 A였다면 전구 두 개를 직렬연결한 회로에서 전류의 세기는 3 2 A가 된다는 것이다. 이 규칙은 전압, 전류, 저항이 나타내는 물리적 의미를 고려하지 않고 피상적으로 전구의 밝기, 전류의 세기를 비교하면서 수학적 규칙만 찾아내 설명한 것이어서 타당한 설명은 아니었다.

학생 K와 학생 L은 주어진 문항에는 없었지만, 전지 두 개 또는 세 개를 병렬연결한 전기회로 문제도 만들어 실험해보았다(Fig. 4). 이 실험에서 학생 L은 앞에서 찾은 소모되는 전류의 양을 찾는 수학적 방법을 이 회로에도 적용하였지만, 전지의 병렬연결에서 전구의 밝기가 달라지지 않는 점에 관해서는 설명하지 못했다.

Figure 4. (Color online) An electric circuit made by students to compare the brightness, current, and voltage of light bulbs.

학생들은 전구의 직렬연결에서 두 전구의 밝기가 같은 것에 대해 당연하다고 생각하지 않았다. 학생 L은 전구 두 개가 직렬연결된 전기회로에서 전구 B와 전구 C를 통과하는 전류의 세기가 같은 것을 보고 ‘전류에게 자아가 있다.’라고 표현하였다.

‘전류는 자아가 있는 것 같다.’라는 생각은 학생 K의 대화에서도 찾을 수 있었다. 학생 K는 전기회로 시뮬레이션을 통해 전선에 전자가 늘 들어있으며 회로의 스위치를 닫을 때 모든 전선 내부의 전자가 동시에 움직이는 것에 주목하였다.

학생 K의 대화에서 ‘전류가 한쪽으로만 몰리면 고속도로처럼 한쪽이 막히니까 일정하게 맞추려고 일정한 속도로 가는 것’은 마치 전자가 스스로 의지로 움직이는 것을 나타낸 것이다. 또 전지 두 개를 병렬 연결한 전기회로에서 각 전지에서 전자가 하나씩 번갈아 가며 나와 전선으로 이동하는 것을 보고 ‘위의 전지는 주로 돌아가고 아래 전지가 부족한 전력을 보충해 주는 식’으로 서술하였다. 전자가 ‘스스로의 의지’로 움직이거나 자아가 있다는 표현은 아리스토텔레스적인 생각[19]과 비슷하다. 학생 L이 말한 전자의 자아는 전기회로에서 전류가 소모된다는 생각과 마찬가지로 직렬연결된 두 전구의 밝기가 같아지는 현상을 설명하기 위해 급하게 만들어낸 임시적인 생각이었으며, 전기회로에서 나타난 현상을 일관성 있게 설명해 주지 못했다.

학생 M은 전구 2개를 직렬연결한 회로에서 전구의 저항과 전압을 옴의 법칙에 대입하여 전류가 0.45 A임을 대답하였다. 학생 M은 전기회로의 각 점에 걸리는 전압과 전류에 대하여 다음과 같이 정리하였다.

학생 M의 생각이나 해결법이 물리적으로 틀린 것은 아니나, 수학식에 숫자를 대입하여 물리적인 현상을 설명하지 않으려는 성향을 보였다. 그가 친구들과의 대화에서 친구들의 고민을 적극적으로 해결해 주지 못한 것은 식을 통한 계산 이상의 물리적인 설명을 하기 어려웠기 때문이었다.

○ 전구의 밝기에 영향을 주는 요인에 관한 오개념

PhET 시뮬레이션에서 전기회로 내부에 전자의 이동이 보이는 점은 학생들에게 전류의 세기를 유추할 수 있게 하였다. 전지를 직렬연결하면 전선에 흐르는 전자의 이동 속도가 더 빨라지며, 그에 따라 전구의 밝기가 밝아짐을 관찰할 수 있었다. 학생 K는 전구의 밝기에 영향을 주는 요인으로 전압이 전자의 이동 속도를 크게 하여 전류를 보내기 때문으로 정리하였다. 그러나 이내 학생 L이 찾은 규칙으로 전지를 병렬연결했을 때 각 전구의 밝기가 전지 한 개 전구 한 개를 연결한 회로의 전구의 밝기와 같음을 설명하지 못했고 학생 K도 전지의 병렬연결에서 각 전지가 차례로 전자를 내보내는 현상을 설명하지 못하였다. Figure 5는 학생 K와 학생 L이 ‘전압이 전자의 이동 속도를 크게 하여 전류를 보내기 때문’임을 증명하기 위해 사용한 전기회로를 나타낸다.

Figure 5. (Color online) Electrical circuits the students used to prove that voltage causes electrons to move faster, sending current.

학생 L은 탐구활동 전 ‘전류가 한쪽에서 나와 다른 한쪽으로 들어가며 첫 번째 전구에서 전자들이 소모되고 나머지 전자들이 다음 전구로 간다’라고 생각하였다. PhET 탐구활동에서 관찰한 회로의 전구 밝기가 자신의 기존 개념으로 설명되지 않음을 확인함으로써 전류가 먼저 만나는 전구에서 소모되고 나머지 것을 뒤에 만나는 전구에서 받는 것은 아님을 인식하였다. 하지만 여전히 전류가 단위 시간당 이동하는 전하임을 이해하지 못한 채 ‘전류는 전구의 개수에 반비례하여 같이 나눠진다’라는 또 다른 오개념으로 생각이 변화되었다. 학생 K 역시 수업 초기에 ‘전지의 (+)극과 가까운 쪽의 전구가 전류를 먼저 소모해서 (+)극에 가까운 쪽의 전구가 (-)극에 가까운 쪽의 전구보다 더 밝다.’라는 생각을 하고 있었다. PhET 탐구활동으로 전구의 밝기가 자신이 생각한 것과 다르다는 것을 확인하고, 전선 안의 전하들이 이동하는 모습을 관찰하면서 ‘전류를 생각해보면 전하가 여기 전선 안에 다 들어있었던 거니까. 동시에 움직여야 하니까’라고 하며 자신의 기존 개념을 과학 개념에 가깝게 수정하는 모습을 보였다. 하지만 PhET 탐구활동 후에도 여전히 저항이 같은 직렬로 연결된 전구의 밝기가 같은 이유를 과학적으로 설명하지 못하고, ‘(+)극과 가까운 쪽이 너무 밝으면 (-)극과 가까운 쪽으로 이동해 전류를 평행하게 맞춘다’와 같은 임시적인 아이디어를 개발해내었다. 결과적으로 학생들이 수업 전에 가진 오개념 중에서 과학 개념으로 변화하지 않은 개념을 정리하면 Table 4와 같다.

Table 4 Examples of misconceptions not being corrected with scientific concepts.

	Before PhET Exploration Activities	After PhET Exploration Activities
Current Flow: Consumption, Sequential Flow	Student K: If there are two in a row, the one in front will be eaten first, so the one behind will be dark.	Student K: When current come here, only the front is too bright, so it tries to achieve the same parallel to the back. Moving from A to B, the brightness becomes the same.
	Student K: A eats all the 9 V and B doesn't go to any. Before the wire is split in half, there is A, so A consumes all 9 V.
	Student L: Electrons are consumed in the first light bulb, and the remaining electrons go to the next light bulb.	Student L: Earlier, I thought that when the electric current came out from one side to one side, it was consumed by the light bulb in front and consumed the rest, but that is not the case. Current is divided equally in inverse proportion to the number of light bulbs
Factors Affecting the Brightness of a Light Bulb	Student K: I think that brightness only needs to be considered voltage. The light comes out because of the resistance, but the light has to be pushed all the way through.	Student K: The brightness of a light bulb depends on the voltage.
	Student L: It is the battery and resistance that affect the brightness of a light bulb. The more the battery counts, the brighter the battery shines, and the resistance is unknown.	Student L: It is the electric current that affects the brightness of a light bulb. The faster the electrons move, the stronger the current and the brighter the light.
	Student M: It is the electric current that affects the brightness of a light bulb. As the voltage increases, the strength of the current becomes stronger, so only the current can be considered.	Student M: The current is the same, but the resistance value is different, so I thought that the current was not a factor in determining the brightness, and I thought that I could only look at the voltage. Voltage is important for brightness.

PhET 시뮬레이션 프로그램으로는 현상의 결과인 회로에 연결된 전구의 밝기만을 확인할 수 있다. 그래서 전구의 밝기가 왜 그렇게 되는지에 대해서 추가적인 설명이 필요하다. 그러나 학생들은 시뮬레이션을 이용하여 전선에서 이동하는 전하를 확인할 수 있었고 각 지점을 통과하는 전류의 세기를 가상 전류계로 측정하였지만, 전하의 이동 속도가 달라짐을 중요하게 생각하거나 이에 대해 토의하지 않았다. 전류나 전압의 측정값을 비교할 뿐 시뮬레이션에 나타난 전하의 이동 속도에는 주목하지 않은 것이다.

전구의 밝기에 영향을 주는 요인에 대하여 학생들은 전류만이거나 전지의 세기 또는 전구의 저항 크기 때문이라고 생각하였다. 수업 초기 학생 M은 전구의 밝기를 추리할 때 전류만 고려하면 된다고 하였고, 학생 L은 전지와 저항, 학생 K는 전압만 고려하면 된다고 생각하였다. 전구의 밝기는 소비 전력인 전압과 전류의 곱에 따라 달라진다. 학생들은 여러 가지 종류의 각기 다른 회로에서 전구의 밝기를 PhET 시뮬레이션 프로그램으로 확인하였고, 각 회로에서 전류나 전압의 크기를 측정해보기도 하였지만 여러 번의 탐구활동 후에도 여전히 전구의 밝기에 영향을 주는 요인에 대해 올바르게 추리하지 못하였다. 네 차례의 탐구활동이 모두 끝난 후에도 학생 M은 ‘전구의 밝기에 영향을 주는 것은 전압만 고려하면 된다.’, 학생 B는 ‘전류만 고려하면 된다.’, 학생 K는 ‘전압에 의해 좌우된다’라고 설명하였다.

PhET 시뮬레이션은 보이지 않는 전기회로 내 전하 흐름을 직접 시각적으로 관찰하게 함으로써 학생 스스로 심화된 질문을 생성하고 해결하게 도울 수 있다[10, 14]. 그러나 본 연구에서 PhET를 이용한 탐구활동에서 학생들은 현상을 확인했지만, 전기회로에 관련한 법칙이나 이론을 찾아내는 것을 어려워했다. 변인을 조절해가며 PhET 실험 데이터를 얻었지만 ‘전력은 전압과 전류의 곱’과 같은 식을 유도하는 것은 또 다른 역량이라서 결국 관련 식을 먼저 알고 있지 않으면 탐구활동을 통해 스스로 찾아내기 어렵다. 결국 전력의 개념에 대해서는 시뮬레이션 프로그램에서의 관찰과 측정 등의 탐구활동을 통해 전혀 추리하지 못하였다. 이러한 사례에서 개념변화 메커니즘을 정리하면 Fig. 6과 같다.

Figure 6. (Color online) Mechanism of concept change when PhET simulation has the limit of ‘The Cause of the Phenomenon Is Still Unexplained’.

이 연구에서는 PhET 시뮬레이션을 활용한 전기회로 탐구 프로그램을 개발하여 과학영재 학생들을 대상으로 적용하였고, 과학영재들의 PhET 탐구활동에서 나타나는 학생의 개념과 생각의 변화 과정을 분석하였다. 연구 결과를 종합하면 다음과 같다.

첫째, 수업 전 과학영재 학생들은 전기회로 관련 용어를 적절하게 사용하지 못하였다. 전기회로에 나타난 현상을 서술할 때 필요한 용어를 사용하지 않거나 잘못된 용어를 혼용하였고, 과학 용어에 관습적으로 사용하는 서술 표현을 사용하지 않아 말의 의미가 명확하지 않았다.

둘째, 기존 선행연구에서[6, 7] 보고된 것과 같이 학생들은 공통적으로 ‘전류는 전지의 한 곳에서 나와 다른 방향으로 순차적으로 흐른다.’, ‘전류는 전구를 지나면서 소모된다.’, ‘전류나 전압 중 한 가지 원인 때문에 전구의 밝기가 달라진다.’와 같은 전형적인 오개념을 가지고 있었다. 또, ‘전류는 전지의 (-)극에서 나와 (+)극으로 들어간다.’, ‘전압은 전지가 나타내는 값이다’, ‘저항이 클수록 전구의 밝기는 어둡다’, ‘전구 직렬연결 전기회로에서 전선의 지점마다 전류의 세기가 다르다’, ‘전압계 표시창의 (-)값은 양이 소모함을 의미한다.’처럼 개별 학생마다 다른 오개념도 나타났다.

셋째, PhET 시뮬레이션을 활용하여 현상을 즉각 관찰할 수 있는 오개념은 PhET 시뮬레이션을 사용한 뒤 과학 개념으로 쉽게 변하였다. 전류와 전압의 정의, 전류의 방향, 전압 측정 방법, 전압계 사용 방법, 전기회로 각 점에서 전류의 크기와 두 점 사이의 전압 등과 관련된 오개념은 PhET 시뮬레이션으로 반증 사례를 즉각 확인함으로써 과학 개념으로 쉽게 변화되었다. 주로 과학 개념의 정의와 관련된 경우가 많았는데, 이 경우 PhET 시뮬레이션으로 실험 결과를 빠르게 확인할 수 있어 인지 갈등이 쉽게 해소되고, 자신이 가지고 있던 기존 생각을 버리고 과학 개념을 받아들였다. 자유로운 변인 조작이 가능하다는 PhET 시뮬레이션의 특성이 이를 지지하였다.

넷째, ‘전류는 전구에서 소모된다.’라는 오개념과 전구의 밝기에 영향을 주는 요인과 관련된 오개념은 여러 차례의 탐구활동 후에도 과학 개념으로 변하지 않았다. 학생들은 전류가 전구에서 소모된다는 생각을 그대로 유지하면서 전류의 세기를 구하는 잘못된 수학식을 만들거나 전하가 자아를 갖고 있어 각 전구에 전류를 분배한다는 임시적인 오개념을 나타내었다. 또 학생들은 전구의 밝기에 영향을 주는 요인에 대해 변인을 조절하며 실험 데이터를 얻었지만, 전류와 전압이 모두 관련이 있음을 찾아내지 못하였다.

이를 바탕으로 후속 연구 및 PhET 시뮬레이션 프로그램을 활용한 전기회로 학습에 대한 시사점을 제시하면 다음과 같다.

첫째, PhET 시뮬레이션 프로그램은 전기회로 내 전하의 흐름을 시각적으로 관찰하게 함으로써 전류와 전압에 대한 정의, 전류와 전압의 측정 등의 단순한 과학 개념 형성에 도움이 되었지만, 전구에서 전류가 소모된다는 오개념과 전구의 밝기에 영향을 주는 요인에 관련된 오개념은 과학 개념으로 변화시키지 못하였다. 이에 후속 연구로서 전류 소모 모형에 관련된 오개념 특성, 과학 개념으로 변화시키는 전략, 그리고 이를 위한 프로그램을 개발할 필요가 있다.

둘째, PhET 시뮬레이션을 사용한 탐구활동에서 학생들은 전기회로 내 전기적 현상을 시각적으로 확인했지만, 전기회로에 관련된 현상을 스스로 설명하기는 어려웠다. 이는 PhET 시뮬레이션이 학생의 과학 개념 형성을 자동으로 돕지 못함을 의미한다. 따라서 전기 관련 오개념을 과학 개념으로 변화시킬 수 있는 시뮬레이션 프로그램과 프로그램 활용 방안들이 지속해서 개발될 필요가 있다.