비유는 두 영역의 구조를 비교하는 것으로서, 두 구조의 유사성을 바탕으로 친숙하지 않은 개념을 이해하는 데 도움을 주며 추상적인 정보를 구체적인 것으로 변환할 수 있다[1]. 이러한 이유로 비유는 학생들에게 추상적인 물리 개념을 구체적인 대상과 쉽게 연관지어 교육하기 위하여 오래 전부터 물리 교육에서 많이 사용되어 왔다[1-3]. 비유의 정의는 학자들마다 다양하게 정의하는데, 비유란 새로운 개념을 이해하기 위해 새로운 개념과 동일한 속성을 지닌 친숙한 개념을 이용하여 두 개념 영역간의 구조를 비교하는 것이다[1, 3]. 여기서 친숙한 개념(근거 영역, sourcedomain)이 비유물이 되고 새로운 개념(목표 영역, target domain)이 학습해야 할 목표물이 된다. 이와 같이 비유는 근거 영역의 정보를 이용해서 목표 영역의 정보를 유추하여 이해하게 한다[3]. 따라서 원자나 전류와 같이 학생의 직접 관찰이 어려운 추상적인 개념을 지도하기 위해 비유를 사용하는 경우가 많다[4].

Kim[4]은 과학 교육에서 비유를 사용할 경우에 비유물로서의 조건을 다섯가지로 제시하였다. 그 조건으로는, 비유물과 목표 모형이 가급적 유사한 대응관계를 가져야하며, 비유물은 학생의 사전 개념이 고려되어 그것을 변화시킬 수 있어야하고, 비유물은 목표 모형보다 학생들에게 친숙해야 한다. 또한, 비유물의 구조와 속성이 목표 모형에 비해 학생들이 이해하기 쉬워야하며 비유물은 그림이나 모형으로 나타내질 수 있어야 하고 실제 학습에서도 그림 비유 또는 실물 모형 비유가 이루어져야 한다[4]. Ryu[3]는 비유를 활용한 과학 교육이 개념 이해에 미치는 영향을 조사하기 위한 연구를 수행하였는데, 그 결과에 따르면 비유 설명문은 단순 설명문에 비해 대체적으로 과학 학습에 효과적이며, 비유를 활용한 수업은 교과서 위주의 전통적 강의 중심 수업에 비해 학생들의 과학 개념 이해에 효과적이다. 또한 학생들 스스로 과학 개념에 대한 비유를 개발하게 하는 활동은 교사-학생 상호 작용뿐 아니라 학생들 간의 상호 작용을 통해 과학 개념에 대한 학생들의 이해도를 높이는 것으로 나타났다[3].

중학생의 물리교육에서 전기회로는 눈에 보이지 않는 전하의 흐름을 학습하게되므로 전통적으로 학생들에게는 매우 이해하기 어려운 것으로 알려져있다[5-7]. 이에 대한 학습을 돕기 위하여 물 흐름을 이용한 모형이 도입되고 그 이후 많은 교과서에서도 물 흐름 모형을 이용하여 전기회로에 대한 설명을 제시하고 있다. 그러나 전기 회로 학습에서 물 흐름 모형을 이용한 많은 비유를 사용하고 있음에도 전류 관련 문항의 정답율이 매우 낮으며 실제 개념 형성이 낮게 나타난다[4]. 이러한 이유는 비유되는 두 대상물 사이의 대응관계가 학생들에게 잘 이루어지지 않거나 또는 학생들이 그러한 대응에 대하여 이해하는 데 어려움을 겪기 때문일 것으로 판단된다.

이에 따라서 본 연구에서는 중학생이 물 흐름 모형을 이용하여 전기 회로를 학습한 후, 각 요소 사이의 대응을 얼마나 잘하는지, 각 모형의 구조와 속성을 어떻게 이해하는지, 물 흐름 모형을 이용하여 전기 회로의 이해를 적절하게 그림으로 나타낼 수 있는지 등을 확인하여 물 흐름 모형을 통한 전기 회로 학습의 효과와 한계가 무엇인지 구체적으로 알아보고자 하였다.

본 연구는 충청북도에 있는 중학교 2학년 학생 67명을 대상으로 하였으며, 해당 학교 과학2 교과서는 II. 전기와 자기 단원에서 물 흐름 모형으로 전기 회로를 비유하여 설명하고 있으므로 해당 학생들은 물 흐름 모형을 학습하였다. 물 흐름 모형을 학습한 학생에게 물 흐름 모형과 전기 회로 사이에 형성된 연관성을 설문을 통해 파악하고자 하였으며, 설문은 해당 단원이 시험 범위에 포함되는 1학기 중간고사를 마치고 나서 설문 조사를 진행하였다. 또한, 성적과 학생의 개념 사이의 연관성 확인을 위해 연구대상 학생들에게 중간고사 성적을 1부터 5까지 다섯 단계로 스스로 선택하도록 하였다.

설문 조사는 2개 문항으로 진행되었으며, 첫 번째 문항은 학생들에게 물 흐름 모형의 물의 높이 차이, 펌프, 밸브, 파이프, 물레방아를 제시한 후 이 부품들과 대응하는 전기 회로의 부품, 부품들의 역할과 그렇게 응답한 이유를 작성하도록 하였다. Figure 1과 같이 물 흐름 모형과 전기 회로의 간단한 그림도 함께 제시하였다. 두 번째 문항은 물 흐름 모형의 비유 학습 후에 전기 회로의 각 부품 역할을 물 흐름 모형의 각 부품으로 대응 가능한지 알아보기 위한 문항으로, 전자제품이 3가지 병렬 연결 되어있는 전기회로도(Figure 2)를 제시한 후 전기회로도를 물 흐름 모형으로 변환하여 그리도록 하였다.

Figure 1. (Color online) Simple model of water and electrical circuit diagram presented in question 1 (The Korean letters in the figure give the names of elements in each model such as pump, valve, pipe, windmill, water level, switch, wire, bulb, battery).

Figure 2. Electrical circuit diagram presented in question 2 (The Korean letters in the figure give the names of elements in the circuit such as battery, current, refrigerator, fan, air conditioner).

1. 물 흐름 모형과 전기 회로에 대한 대응

1) 물 흐름 모형과 전기 회로의 대응에 대한 성적 수준별 비교

1번 문항은 학생들에게 물 흐름 모형의 요소인 물의 높이 차이, 펌프, 밸브, 파이프, 물레방아를 제시한 후, 이 요소들과 대응하는 전기회로의 부품을 작성하고, 부품들의 역할과 그렇게 응답한 이유를 작성하도록 하였다. 학생들의 응답 유형은 각 요소와 부품을 충분히 대응시키며 역할과 이유를 구분하여 진술한 경우에 응답 유형 A(Figure 3), 각 요소와 부품은 대응시킬 수 있지만 역할이나 이유에 대하여 역할만 진술하거나 이유를 충분히 진술하지 못한 경우에 응답 유형 B(Figure 4), 각 요소와 부품을 전혀 대응시키지 못하거나, 역할과 이유에 대하여 거의 진술하지 못한 경우를 응답 유형 C로(Figure 5) 구분하였다. 이렇게 분류한 응답 유형별로 학생 스스로가 자신의 성적을 제시한 분포는 Table 1과 같다.

Figure 3. Response to question 1 from a student classified as Type A (The Korean letters in the figure show various answers of a student for the questionnaire.).

Figure 4. Response to question 1 from a student classified as Type B (The Korean letters in the figure show various answers of a student for the questionnaire.).

Figure 5. Response to question 1 from a student classified as Type C (The Korean letters in the figure show various answers of a student for the questionnaire.).

Table 1 Grade distribution according to the response to question 1.

Answer Type	No response	0–20	21–40	41–60	61–80	81–100	Total
A	0	0	0	1 (5.6%)	5 (27.8%)	12 (66.7%)	18
B	1 (3.8%)	1 (3.8%)	2 (7.7%)	7 (27.0%)	6 (23.1%)	9 (34.6%)	26
C	0	2 (8.7%)	12 (52.2%)	6 (26.1%)	2 (8.7%)	1 (4.3%)	23
Total	1	3	14	14	13	22	67

물 흐름 모형과 전기 회로의 부품을 충분히 대응시키며 역할과 이유를 대체로 구분하여 진술한 응답 유형 A의 학생은 18명이다. 이 중 자신의 성적을 스스로 81–100점으로 응답한 학생은 66.7%이고, 61–80점으로 응답한 학생은 27.8%로서 응답 유형 A의 학생들은 대부분 자신의 성적을 상위권으로 응답한 학생들인 것을 알 수 있다(Table 1).

물 흐름 모형과 전기 회로의 부품은 대체로 대응시킬 수 있지만, 역할이나 이유에 대하여 역할만 진술하고 이유를 충분히 진술하지 못한 응답 유형 B의 학생은 26명이다. 이 중 자신의 성적을 스스로 41–60점으로 응답한 학생은 27.0%, 61–80점으로 응답한 학생은 23.1%이지만, 81–100점 구간의 학생들도 34.6%, 40점 이하의 학생들도 15%로 나타나서 응답 유형 B의 학생들은 모든 성적 구간에서 나타남을 알 수 있다.

물 흐름 모형과 전기 회로의 부품을 대응시키지 못하거나, 부품을 대응시키기는 하지만 역할이나 이유에 대하여 거의 진술하지 못한 응답 유형 C의 학생은 23명 이다. 이 중 자신의 성적을 스스로 0–40점으로 응답한 학생은 60.9%이고, 41–60점으로 응답한 학생까지 합하면 총 87%이다. 이러한 결과를 통해 물 흐름 모형과 전기 회로 사이의 부품을 대응시키지 못하며 각 부품의 역할을 진술하지 못하는 응답 유형 C의 학생들은 대부분 자신의 성적을 하위권으로 응답한 학생들인 것을 알 수 있다.

2) 응답 유형 A, B의 학생들의 응답에 대한 분석

응답 유형 C 학생들의 응답을 보면, 부품을 대응시키지 못하거나 역할이나 이유에 대하여 거의 진술하지 못한 것으로 보아 비유를 통해서 학습이 충분히 이루어지지 못하였다는 것을 알 수 있으므로, 학습이 이루어지지 못한 응답 유형 C 학생들의 응답을 세부적으로 분석하는 것이 의미가 없다고 판단된다. 따라서 중, 상위권 학생들이 많이 응답하고 내용에 대한 구체적인 진술이 충분히 되어 있는 응답 유형 A, B 학생들의 응답을 대상으로 문항별 세부 분석을 진행하였다.

Table 2는 제시된 물 흐름 모형의 부품에 대하여 응답 유형 A, B 학생들이 전기회로에 대응시킨 부품 응답을 표시한 것이다. 학생들에게 제시된 물 흐름 모형의 요소는 물의 높이 차이, 펌프, 밸브, 파이프, 물레방아 등이고, 전기회로도의 부품은 전지, 전구, 스위치, 도선이다. 물 흐름 모형에서 물의 높이 차이는 전기회로의 전압을 의미하며 전압의 세기도 같은 의미로 이해할 수 있으므로 학생이 `전압' 또는 `전압의 세기'라고 표현한 경우 모두 적절한 응답으로 분석하였다. 물 흐름 모형의 펌프는 전지를 의미하는데, `전압원'이라는 응답도 적절한 응답으로 처리하였다. 물 흐름 모형의 밸브는 스위치를 의미하고, 파이프는 도선, 전선을 의미한다. 물레방아는 저항, 전구를 의미하는데, 학생들은 펌프, 밸브, 파이프, 물레방아를 전기 회로의 전지, 스위치, 도선, 전구 등으로 거의 모두 적절하게 대응시켰다.

Table 2 Student responses that correspond to the parts of the presented water flow model.

Water Flow Model	Adequate		Inadequate
water level difference	voltage(37), intensity of voltage(1)	38 (86.4%)	electric current(2), intensity of current(1), resistance(1), No response(2)	6 (13.6%)
pump	battery(42), voltage source(1)	43 (97.7%)	light bulb(1)	1 (2.3%)
valve	switch(44)	44 (100%)		0
pipe	conduction wire(41), electric wire(3)	44 (100%)		0
watermill	resistance(1), light bulb(42)	43 (97.7%)	battery(1)	1 (2.3%)

적절하지 못한 응답을 살펴보면, 물의 높이 차이를 전기회로도의 전류, 전류의 크기, 저항으로 대응하거나 응답하지 않은 학생은 6명이고, 다른 부품은 거의 적절하게 응답하였다. 이는 학생들이 물 흐름 모형에서 다른 부품과 비교하여 물의 높이 차이를 전기회로의 부품으로 대응시키는 것을 상대적으로 어려워하는 것을 알 수 있다. 또한, 펌프는 물의 위치에너지를 높여주는 장치이므로 회로에서는 전위차를 유지시켜주는 전지에 대응하나, 이를 전구에 대응시켜 오히려 전기에너지를 사용하는 장치로 잘못 응답하는 경우도 나타났다. 물레방아는 물의 흐름을 방해하며 에너지를 소비하므로 전류의 흐름을 방해하며 에너지를 소비하는 전구에 대응하나, 전지에 대응하는 응답도 나타났다.

제시된 물 흐름 모형의 부품과 전기회로의 부품을 적절하게 대응시킨 응답 유형 A, B의 학생 중, 각 부품과 연관되는 역할에 대한 응답을 비슷한 역할끼리 분류하였다(Table 3–7).

Table 3 Student responses to the function of water level difference in relation to voltage.

Water level difference	Function
Type 1	Allows water(current) to flow The force that pushes(flows) electric current The ability of voltage to cause current to flow, just as water flows due to a difference in height Power, Power to go, Power to make the watermill turn Water pressure Electic force
Type 2	Determines the strength of water(current) The greater the voltage, the brighter the bulb Voltage controls the brightness of the bulb Determine the intensity of light Strength of electricity The power of one electron Energy(electricity) size, etc.

물의 높이 차이를 전압으로 적절하게 대응시킨 응답 유형 A, B의 학생 중, 이 부품들과 연관되는 역할에 대한 응답은 물의 흐름처럼 전류의 흐름을 형성하는 원인으로 생각하는 유형 1과 물 흐름의 세기처럼 전류의 세기와 연관시켜 생각하는 유형 2로 크게 두 가지로 분류할 수 있다(Table 3). 유형 1로 분류한 응답으로는 `물(전류)를 흐르게(흐를 수 있도록) 한다', `전류를 밀어주는(흐르게 하는) 힘', `물이 높이차로 인해 물이 흐르는 것처럼 전압이 전류를 흐르게 하는 능력' 등이 있고, 유형 2로 분류한 응답으로는 `물(전류)의 세기를 결정한다', `전압이 클수록 전구가 밝다', `빛의 세기를 결정' 등이 있다. 이는 유형 1의 학생들 보다 유형 2의 학생들이 물의 높이 차이 역할을 전기 회로에서 전압과 전류의 관계로 더 구체적으로 연관시켜 이해할 수 있음을 보여주는 것이다.

펌프를 전지로 적절하게 대응시킨 응답 유형 A, B의 학생 중, 이 부품들과 연관되는 역할에 대한 응답은 물의 높이 차이와 유사하게 에너지를 공급하는 근원으로 생각하는 유형 1과 흐름의 세기를 조절하는 역할로 생각하는 유형 2로 크게 두 가지로 분류할 수 있다(Table 4). 유형 1로 분류한 응답으로는 `에너지를 공급', `전류가 흐르는 원동력 제공', `흐름 도움' 등이 있고, 유형 2로 분류한 응답으로는 `물(전류)의 세기를 조절' 등이 있다.

Table 4 Student responses to functions associated with pump and battery.

Pump	Function
Type 1	Supply energy(electricity, water, power) Provides driving force for current(water) to flow Apply voltage The battery provides this for electrons to move from the - pole to the + pole Bringing up water Power Helps with flow Electricity is created through batteries Making a light bulb light up
Type 2	Control the intensity of water(current)

밸브를 스위치로 적절하게 대응시킨 응답 유형 A, B의 학생 중, 이 부품들과 연관되는 역할에 대한 응답은 흐름을 연결하거나 차단하는 역할로 생각하는 유형 1과 스위치를 다른 부품의 역할로 생각하는 유형 2로 크게 두 가지로 분류할 수 있다(Table 5). 유형 1로 분류한 응답으로는 `전류(물)가 흐르거나 흐르지 않도록 조절', `전류의 흐름을 제어', `도선 사이에 위치해서 그 사이를 끊고 있음' 등이 있고, 유형 2로 분류한 응답으로는 `과도한 전기의 흐름을 막기 위함', `흐를 수 있는 통로가 된다', `전류가 움직이도록 하는 것' 등이 있다. 스위치의 역할을 과도한 전기의 흐름을 막아주는 퓨즈로 생각하거나 흐를 수 있는 통로가 되는 도선으로 생각하거나 전류가 움직이도록 하는 전지로 생각하는 경우도 나타났다.

Table 5 Student responses to functions associated with valve and switch.

Valve	Function
Type 1	Controls whether current(water) flows or does not flow (disconnect, connect, turn off and on) Allows water or electric current to flow Open and close the conductor Blocks the flow of water(current) Control the flow of current Bulb control It is located between conductors and breaks between them Electric movement
Type 2	To prevent excessive flow of electricity Becomes a passage for flow Causes electric current to move Control of electricity supply

파이프를 도선으로 적절하게 대응시킨 응답 유형 A, B의 학생 중, 이 부품들과 연관되는 역할에 대한 응답은 전류(물)가 흐르는 통로로 생각하는 한 가지 유형으로 나타났다(Table 6). 이 유형의 응답으로는 `전기(전류, 물)가 지나가는(흐르는) 통로(길)', `흐를 수 있게 함', `전류가 갈 길' 등으로 나타났다. 파이프와 도선을 대응시킨 응답 유형 A, B의 학생은 파이프와 도선의 역할을 대부분 비슷하게 응답하는 것을 알 수 있다. 파이프에 대한 응답 유형이 1가지로 수렴되는 것은 파이프와 전선의 관계에서 비유물과 목표 모형이 가장 유사한 대응관계를 가지기 때문으로 판단된다.

Table 6 Student responses to functions associated with pipe and conductor.

Pipe	Function
Type 1	A passage(way, place, space) through which electricity(current, water) passes(uses, moves, flows) The way water(electricity) moves Allows it to flow A means of transporting electrons and current that allows current to flow Something passes by Helps you flow along a certain path The path the current takes It can be operated by connecting line to line

물레방아를 전구로 적절하게 대응시킨 응답 유형 A, B의 학생 중, 이 부품들과 연관되는 역할에 대한 응답은 흐름을 방해하는 저항의 역할로 생각하는 유형 1과 작동하는 부품으로 생각하는 유형 2, 전류의 흐름을 판단하는 근거로 생각하는 유형 3, 에너지를 소모하는 부품으로 생각하는 유형 4, 물이 잘 흐르도록 도와주는 부품으로 생각하는 유형5로 크게 다섯 가지로 분류할 수 있다(Table 7). 유형 1로 분류한 응답으로는 `저항', `흐름을 방해하는 정도' 등이 있고, 유형 2로 분류한 응답으로는 `무언가를 작동하게 함', `빛이 난다' 등이 있으며 유형 3으로 분류한 응답으로는 `물이 흐르는지 확인', `수압의 세기를 알 수 있음' 등이 있다. 유형 4로 분류한 응답으로는 `에너지를 받음(사용)' 등이 있고, 유형 5로 분류한 응답으로는 `물이 잘 흐르게 해줌' 등이 있다. 전류의 흐름을 방해하는 저항의 역할을 정반대인 물이 잘 흐르게 해주는 역할로 생각하는 경우도 나타났다.

Table 7 Student responses to the functions associated with the watermill and the light bulb.

Watermill	Function
Type 1	Resistance The water in the watermill becomes weaker, and the electric current in the light bulb becomes weaker Degree of obstruction to flow
Type 2	When a light bulb receives electric current, the entire body is affected It shines Turns on when current flows Make something work Current (water) turns on (circulation) Where electric current affects Purpose Where to use Result Final destination Indicates
Type 3	Allows you to know whether electricity is flowing in an electric circuit and at what intensity Check if water is flowing Ground for electricity to flow You can know the strength of water pressure
Type 4	Role in using energy(current) Receive(use) energy
Type 5	Allows water to flow well

물의 높이 차이와 전압의 역할은 물의 흐름처럼 전류의 흐름을 형성하는 원인으로 생각하는 유형과 물 흐름의 세기처럼 전류의 세기와 연관시켜 생각하는 두 가지 유형으로 나타났다. 펌프와 전지의 대응은 물의 높이 차이에 대한 응답과 유사하게 에너지를 공급하는 근원으로 생각하는 유형과 흐름의 세기를 조절하는 역할로 생각하는 유형으로 구분되었다. 이는 두 대상물이 서로 다른 역할을 함에도 불구하고 유사성이 커서 학생들이 대응 과정에서 각 요소들을 충분히 구별하기 어렵기 때문이다.

전기회로 학습에서 물 흐름 모형 비유를 사용한 학습에서 학생들은 비유물과 목표물의 대응을 충분히 하지 못하며, 특히 자신의 성적을 하위권으로 응답한 학생들에게는 이러한 대응이 제대로 이루어지지 못해 물 흐름 모형의 비유가 개념의 이해나 학습에 효과적이지 못함을 알 수 있다. 또한 비유물의 역할과 목표물의 속성 사이의 대응이 잘 이루어져야 하는데, 중위권 학생들은 물 흐름 모형과 전기회로에서 각 부품의 역할을 대체로 진술하지 못하는 것으로 보아 이러한 속성들간의 대응이 잘 이루어지지 못한다는 것을 알 수 있다. 따라서 상위권 학생들을 제외한 학생들은 비유물과 목표물간의 대응이 이루어지지 않고, 비유물과 목표물의 속성에 대한 연관성을 이해하지 못해 물 흐름 모형을 이용한 전기회로 이해가 효과적이지 못함을 알 수 있다. 이는 비유물과 목표 모형이 가급적 유사한 대응 관계를 가져야 하며, 비유물과 목표물이 공유하는 속성들을 추출하고 속성들간의 대응관계를 추론해내는 능력은 학습결과에 영향을 미칠 수 있다는 연구결과를 확인한 것이다[4].

2. 전기 회로도와 물 흐름 모형의 역변환에 대한 응답

2번 문항은 물 흐름 모형의 비유 학습에서 두 회로 요소 사이의 각 부품의 역할에 대한 연관성을 어느정도 이해하는지 알아보기 위한 문항으로, 전자제품이 3가지 병렬 연결되어있는 전기회로도를 제시한 후, 전기회로도를 물 흐름 모형으로 변환하여 그리도록 한 것이다. 전기회로도를 물 흐름 모형으로 변환하는 과정에서 어떤 경향을 보이는지를 알아보기 위하여 학생의 응답을 1번 문항에서 분류한 응답 유형에 따라 분석하였다.

학생들의 그림 유형을 `전기회로도의 부품을 물 흐름 모형 부품으로 각 요소의 역할을 고려하여 대응시켰는가?', `물의 높이 차이를 입체적으로 그리려고 시도하였는가?'로 구분하여 응답별로 분류하였다. 두 가지를 모두 만족한 경우를 응답 유형 A’(Figure 6), 전기회로도의 부품을 물 흐름 모형 부품으로 변화시켰으나 부품 명칭만 변화시키거나, 물의 높이 차이를 충분히 고려하여 그리지 못한 경우를 응답 유형 B’(Figure 7), 전기회로도를 물 흐름 모형 그림으로 변환하지 못하거나, 회로의 역할을 하는 것으로 보기 어려운 그림으로 그린 경우를 응답 유형 C’로(Figure 8) 구분하였다.

Figure 6. Response to question 2 from a student classified as Type A' (The Korean letters in the figure show various answers of a student for the questionnaire.).

Figure 7. Response to question 2 from a student classified as Type B' (The Korean letters in the figure show various answers of a student for the questionnaire.).

Figure 8. Response to question 2 from a student classified as Type C' (The Korean letters in the figure show various answers of a student for the questionnaire.).

응답 유형 A 학생들 중 전기회로도와 물 흐름 모형의 부품을 역할에 맞게 변화시키며 물의 높이 차이를 입체적으로 그리려고 시도한 응답 유형 A’의 학생은 5명으로 전체 응답의 27.8%에 해당하고, 각 부품을 변화는 시켰으나 물의 높이 차이를 고려하여 그리지 못한 응답 유형 B’의 학생은 12명으로 전체 응답의 66.7%에 해당하며 회로를 변화하여 그리지 못한 응답 유형 C’의 학생은 1명으로 전체 응답의 5.6%에 해당했다(Table 8). 응답 유형 B 학생들 중 응답 유형 A’의 학생은 1명으로 전체 응답의 3.8%에 해당하고, 응답 유형 B’의 학생은 12명으로 전체 응답의 46.2%에 해당하며 응답 유형 C’의 학생은 13명으로 전체 응답의 50%에 해당했다. 응답 유형 C 학생들 중 응답 유형 A’의 학생은 0명이었고, 응답 유형 B’의 학생은 5명으로 전체 응답의 21.7%에 해당하며 응답 유형 C’의 학생은 18명으로 전체 응답의 78.3%에 해당되었다.

Table 8 Question 2 response type distribution.

Type	A’	B’	C’	Total
A	5 (27.8%)	12 (66.7%)	1 (5.6%)	18
B	1 (3.8%)	12 (46.2%)	13 (50%)	26
C	0	5 (21.7%)	18 (78.3%)	23

응답 유형 A 학생들은 물 흐름 모형과 전기 회로를 거의 같은 방법으로 개략도처럼 나타낸 경우가 많았으나, 물의 높이 차이를 고려하여 입체적으로 물 흐름 모형을 그리려고 한 시도가 상대적으로 다른 응답 유형의 학생들과 비교하여 많았다. 또한 응답 유형 B 학생들은 전기 회로도를 물 흐름 모형으로 변환하여 완성된 회로를 그리지 못한 경우가 많았고, 변환하여 그린 경우에도 물의 높이 차이를 의미있게 표현한 학생이 적었다. 응답 유형 C 학생들은 대부분 전기 회로도를 물 흐름 모형으로 변환하지 못하였고, 변환하여 그린 경우에도 전기 회로도의 부품을 물 흐름 모형의 부품으로 명칭만 변경하여 개략도로 그린 학생이 많았다.

또한, 학생들의 2번 문항 응답에서 나타난 특징은 학생들에게 제시된 물 흐름 모형은 입체적인데, 학생들의 그림은 대부분 평면으로 나타났다. 교과서나 설문지 등에서 물 흐름 모형은 대부분 입체적인 그림으로 제시되는데, 학생들은 전기 회로도를 물 흐름 모형으로 변환하는 과정에서 입체적 모형을 평면 모형으로 변환하여 그리는 경우가 많았다. 이 과정에서 제시된 전기 회로를 똑같이 그리고 부품의 명칭만 물 흐름 모형의 부품으로 바꾸는 경우가 많았으며, 물 흐름 모형에서 입체적인 그림으로 학습할 수 있는 수직 높이 차이가 학생의 그림에서는 평면적으로 추상화되어 위치 에너지를 나타내는 높이 차이를 나타내지 못하였다. 교과서에서 물 흐름 모형을 입체적으로 제시하는 이유는 물의 높이 차이가 전체 회로의 흐름에서 중요한 의미를 가지기 때문인데, 학생들의 응답은 단순히 선으로 연결된 부품들간의 연결 관계만 나타내어 흐름을 유지하게 하는 높이 차이의 역할이 분명해지지 않은 경우가 많았다. 이 차이는 학생들이 물 흐름 모형으로부터 전기회로에 대한 이해를 얻는데 본질적인 제약이 되고 있는 것으로 판단된다.

본 연구에서는 중학생이 물 흐름 모형을 이용하여 전기 회로를 학습한 후, 각 요소 사이의 대응을 얼마나 잘하는지, 각 모형의 구조와 속성을 어떻게 이해하는지, 물 흐름 모형을 이용하여 전기 회로의 이해를 적절하게 그림으로 나타낼 수 있는지 등을 확인하여 물 흐름 모형을 통한 전기 회로 학습의 효과와 한계가 무엇인지 구체적으로 알아보고자 하였다.

이를 위하여 2 문항의 설문을 제시하여 응답을 분석한 결과는 다음과 같다. 문항 1은 학생들에게 물 흐름 모형의 각 요소들을 제시한 후, 이 요소들과 대응하는 부품을 전기회로에서 선택하고, 부품들의 역할과 그렇게 응답한 이유를 진술하도록 한 것이다. 그 결과 학생의 응답은 세 가지 유형으로 나타났는데, 물 흐름 모형과 전기 회로의 부품을 충분히 대응시키며 역할과 이유를 구분하여 진술한 응답 유형 A의 학생은 대부분 자신의 성적을 상위권으로 응답하였으며, 두 모형의 부품은 대체로 대응시킬 수 있지만, 역할이나 이유에 대하여 역할만 진술한 경우가 많고 이유를 충분히 진술하지 못한 응답 유형 B의 학생은 성취도와 무관하게 골고루 나타났으며, 각 부품을 대응시키지 못하거나, 역할이나 이유에 대하여 거의 진술하지 못한 응답 유형 C의 학생은 대부분 자신의 성적을 하위권으로 응답하였다. 이를 통해 하위권 학생들에게는 각 대상 비유물과 목표물의 대응이 제대로 이루어지지 못하며, 속성들간의 대응도 잘 이루어지지 못한다는 것을 알 수 있다. 따라서 여러 연구에서 제시한 바와 같이 비유물의 조건이 하위권 학생들에게는 충족되지 못하여 물 흐름 모형을 이용한 전기 회로 이해가 기대와 달리 효과적이지 못함을 알 수 있다.

제시된 물 흐름 모형의 요소에 대하여 전기회로에 대응시킨 부품에 대한 응답 유형 A, B 학생들의 응답을 살펴보면, 전압 개념을 전류 개념과 혼동하는 경우가 나타났으며, 전지와 전구를 서로 반대로 생각한 응답도 나타났다. 전기 회로와 물 흐름 모형의 각 부품별 역할에 대한 응답 유형 A, B 학생들의 응답을 살펴보면, 학생들은 전압과 전지의 역할을 비슷하게 응답하였는데, 물 흐름 모형에서 펌프와 물 높이의 역할이 전기 회로에서 전압과 전지의 역할과 어떻게 대응되는지 혼동하는 경우가 많았다. 이러한 혼동은 전지의 역할이 기전력을 만들어 전압을 유지시키는 것임을 잘 이해하지 못하여 나타나는 것으로 생각할 수 있다. 비유물과 목표물은 공유하는 속성이 있어 속성들간의 대응이 잘 이루어져야 하는데, 전압과 전지는 다른 목표물이지만 비슷한 속성이 있어 비유물이 혼동되어 사용될 수 있다. 따라서 전압과 전지처럼 역할 유사성이 큰 비유물을 함께 사용할 때에는 각 비유물의 역할 차이를 명확하게 할 필요가 있다.

문항 2는 학생들에게 전기회로도를 제시한 후, 전기회로도를 물 흐름 모형으로 변환하여 그리도록 한 것이다. 그 결과 응답 유형 A의 학생은 응답 유형 B, C와 달리 물 흐름 모형과 전기 회로를 거의 같은 방법으로 개략도처럼 나타낸 경우가 많았으나, 물의 높이 차이를 고려하여 입체적으로 물 흐름 모형을 그리려고 한 시도가 상대적으로 많았다. 이는 물의 높이 차이가 흐름에서 중요한 역할을 한다는 것을 인식한 것에서 나타나는 것으로 해석할 수 있다. 또한, 전체 학생들의 그림은 대부분 평면도로 나타났다. 교과서에서 물 흐름 모형을 입체적으로 제시하는 이유는 물의 높이 차이가 전체 회로의 흐름에서 중요한 의미를 가지기 때문인데, 학생들의 응답은 단순히 선으로 연결된 부품들간의 연결 관계만 나타내고 있어서, 흐름을 유지하게 하는 높이 차이의 역할이 분명하지 않다. 비유물은 학생의 사전 개념이 고려되어 그것을 변화시킬 수 있어야하며, 그림이나 모형으로 나타내질 수 있어야 하고 실제 학습에서도 그림 비유 또는 실물 모형 비유가 이루어져야 한다[4]. 그러나 본 연구에서 학생들의 응답을 보면, 물 흐름 모형은 일부 학생들에게 전기회로도와 서로 의미있게 변환되지 못하며, 해당 개념을 그림이나 모형으로 나타내지 못해 물 흐름 모형의 비유가 개념의 이해나 학습에 효과적이지 않을 수 있음을 보여준다.

결과적으로 물 흐름 모형을 이용한 전기 학습에서 많은 학생들이 물 흐름 모형과 전기회로도 사이의 각 요소에 대한 대응이나 설명이 충분하지 않은 채로 학습을 마치기 때문에 단순히 물 흐름 모형을 보여주거나 작동방법을 설명하는 방법 정도만으로는 성취도가 낮은 학생들에게 전기회로를 이해시키는 데에 한계가 있다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 전압과 전지처럼 역할 유사성이 큰 비유물을 함께 사용할 때에는 각 비유물의 역할 차이를 명확하게 제시할 필요가 있으며, 물 흐름 모형에서 수위차의 의미를 강조하기 위해 입체적 모형을 제시하고 있으므로, 평면적인 전기회로에서 수위차가 어느 내용과 연관되는지 주의하여 교수할 필요가 있다. 학생들이 물 흐름 모형과 전기 회로를 직접 작동해본다면 두 모형의 차이와 원리를 효과적으로 학습할 수 있을 것이다.