Ex) Article Title, Author, Keywords
Ex) Article Title, Author, Keywords
New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 1037-1046
Published online October 31, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.1037
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Hyojoon Kim, Sangwoo Ha*
Korea Institute for Curriculum and Evaluation, Jincheon 27873, Korea
Department of Physics Education, Kyungpook National University, Deagu 41566, Korea
Science Education Research Institute of Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
Correspondence to:*hswgcb@knu.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Energy is a fundamental concept in physics, but its abstract nature often challenges students' comprehension. Understanding how students perceive energy within different ontological categories is crucial for assessing their conceptual development. In this study, a descriptive questionnaire was developed and analyzed from an ontological perspective to investigate the level of understanding of the concept of energy among preservice physics teachers. The questionnaire consisted of items related to energy concepts in everyday life, mechanics, thermodynamics, electricity, and waves. The research findings indicate that the ontological categorization of energy varies depending on the problem situation. Specifically, there was a matter-based ontological understanding in the order of mechanics, waves, thermodynamics, and electricity. Additionally, through inductive analysis, researchers identified patterns, such as `energy possession,' `movement of energy,' `energy transform,' `work-energy principle,' and `conservation of energy.' Finally, we discussed the implications of these research findings for energy teaching and learning.
Keywords: Preservice physics teachers, Ontology, Energy concept, Matter, Process
에너지는 물리학에서 중요한 개념이지만, 추상적인 성격으로 인해 학생들이 개념 이해에 어려움을 겪는 경우가 많다. 특히, 학생들이 에너지를 어떤 존재론적 범주(물질 또는 과정)로 인식하는지는 개념 발달 단계를 파악하는 데 중요한 요소이다. 본 연구에서는 예비물리교사의 에너지 개념 이해 수준을 조사하기 위해 서술형 설문지를 개발하고 이를 존재론적 관점에서 분석하였다. 설문지는 일상생활에서의 에너지 및, 역학, 열역학, 전자기, 파동 등 분야별 에너지 개념에 대한 문항으로 구성되었다. 연구 결과, 예비물리교사들의 응답 내용은 문제 상황에 따라 존재론적 범주가 크게 달라지는 것으로 나타났다. 특히, 역학, 파동, 열역학, 전기 순으로 물질 기반 존재론적 범주에 해당하는 응답 유형이 높게 나타났으며, 과정 기반 존재론적 범주에서는 열역학과 전기는 동일하게, 이후 역학, 파동 순으로 나타났다. 이와 더불어 연구자들은 귀납적 분석을 통해 ‘에너지 소유’, ‘에너지의 이동’, ‘에너지 전환’, ‘일-에너지 정리’, ‘에너지 보존’과 같은 예비 교사들의 에너지 관련 세부적인 이해의 패턴을 발견하였다. 마지막으로 이러한 연구 결과가 에너지 교수 학습에 줄 수 있는 시사점에 대해 논의하였다.
Keywords: 예비물리교사, 존재론, 에너지 개념, 물질, 과정
에너지 개념은 물리학의 핵심 개념 중 하나로 에너지에 대한 이해는 물리학에 대한 이해를 좌우하는 중요 개념이라 할 수 있다. 그러나 에너지 개념은 고도의 추상성으로 인해 학생들이 이해하기 어려워하는 개념이기도 하다[1]. 많은 학생들이 에너지 보존과 관련한 오해로 인해 에너지 개념에 대한 이해에 어려움을 겪고 있으며[2], 에너지의 출입과 관련된 일 개념이나 에너지의 경계와 관련된 시스템 개념에 대한 이해도 부족한 편이다[3, 4]. 이에 많은 학생들이 에너지에 대한 과학적 개념 대신 대안적 개념을 형성하고 있는데, 에너지 개념을 인간과 연관시켜 이해하는 경우가 대표적이다[5].
학생들이 에너지 개념에 대해 가지는 어려움이 에너지 개념의 추상성에서 기인한다면 에너지에 적절한 비유와 은유를 통해 학생들이 에너지 개념을 구체화시켜 이해하도록 하는 것이 학생들의 에너지 개념 이해에 도움을 줄 수 있을 것이다. 이러한 관점에 따르면 에너지를 우리 손에 잡히는 물질로 간주하는 단순하고 직관적인 비유가 학생들의 에너지 개념 이해에 도움이 될 수 있다[6, 7]. 에너지를 물질에 비유하는 것은 고전적인 물리학의 에너지 개념과 모순되지 않으며[8], 에너지에 물질과 같은 개념적 은유를 적용하는 것이 학생들에게 에너지 보존, 저장, 전이를 이해하게 하는데 도움이 된다는 보고도 있다[9].
에너지를 물질로 비유하는 관점은 Chi & Slotta가 제안한 존재론적 관점과 연관된다[10]. Chi & Slotta는 물리 교육에 존재론적 범주틀을 도입하며 학생들의 개념을 분석할 수 있는 새로운 관점을 제안했다[10]. 이들에 따르면 학생이 어떤 개념을 제대로 이해하고 있는지 살펴보기 위해서는 그 학생이 해당 개념을 어떤 존재론적 범주로 분류하고 있는지 살펴보는 것이 중요하다[11]. 구체적으로 그들은 학생들이 ‘과정’ 범주에 속하는 물리학 개념들을 ‘물질’ 범주로 간주하며 이로 인해 여러 오해가 발생한다고 주장했다. 따라서 힘 및 에너지와 같은 개념들을 ‘물질’ 범주 대신 ‘과정’ 범주에 두는 것이 학생들의 오해를 줄이는 효과가 있다고 제시했다. 즉, 에너지의 ‘전환’과 같은 상호작용적 특성을 가진 에너지 개념을 올바르게 이해하기 위해서는 ‘물질’ 범주를 벗어나 ‘과정’과 같은 존재론적 범주를 올바르게 이해하는 것이 중요하다는 것이다. 이러한 존재론적 관점에서의 연구는 과학 교육 분야에 새로운 시각을 제시해 줄 수 있는 중요한 연구이지만 여전히 이에 대한 연구가 충분히 이루어지지는 못하고 있는 실정이다[12].
한편, 물리교육의 주요 목적 중의 하나는 학생들이 가지고 있는 특정 물리 개념에 대한 이해를 과학자의 이해로 전환시켜 주는 것이다. 이러한 관점에서 전문가와 초보자가 물리 개념 이해, 물리 문제 풀이 등 물리교육의 다양한 분야에서 어떤 차이를 보이는지 알아보는 것은 물리교육의 중요한 연구 분야이다[13]. 그리고 이러한 전문가와 초보자의 차이는 이들이 존재론적 범주를 적용하는 방식에서도 나타날 수 있다. 특히, 물리 문제 풀이에서 초보자는 문제 상황과 관계없이 동일한 존재론적 범주를 사용했지만, 전문가는 문제 상황에 따라 존재론적 범주를 구분하는 경향을 보였는데, 구체적으로 초보자는 물질 기반 존재론적 범주를 시종일관 사용하려는 경향이 있었지만, 전문가는 물질과 과정의 존재론적 범주를 문제 상황에 맞게 적절히 사용하는 특징이 있었다[10]. Slotta는 전문가들은 병렬적 존재론적 범주를 가지고 있어 물질과 과정에 해당하는 존재론적 범주 사이를 자유롭게 횡단할 수 있는 반면 초보자들은 하나의 존재론적 범주에 머무르는 경향이 있다고 지적했다[14]. 이에 Gupta, Hammer, & Redish는 물리학 수업에서도 초보자들에게 하나의 존재론적 범주에 머무르는 수업을 하지 말고, 초보자들이 전문가들에게 요구되는 동적 존재론적 유연성을 개발할 수 있도록 존재론적 범주를 넘나드는 수업을 하는 것이 필요하다고 주장했다[15].
예비물리 교사들은 향후 학교 현장에서 학생들의 물리 개념 형성에 큰 영향을 미칠 수 있는 존재이기 때문에 예비물리 교사들이 에너지에 대해 어떠한 이해를 가지고 있는지 살펴보는 것은 에너지 교육에 중요한 시사점을 제공해 줄 수 있다. 특히 예비물리 교사들의 경우 향후 물리교육 전문가로서 적절한 역할을 할 필요가 있기 때문에 예비물리교사들의 에너지 개념 발달을 추적하여 이들이 에너지 개념을 어떤 존재론적 범주에 위치시키는지 조사하는 것은 매우 중요한 일이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 “존재론적 관점에서 살펴본 예비물리교사들의 에너지 개념 범주는 물리 상황별로 어떻게 나타나는가?”를 연구 문제로 설정하여 연구를 수행하였다.
본 연구의 설문에는 지방 국립대에서 물리교육론 수업을 수강하고 있던 19명의 예비 물리교사들이 참여했다. 이중 물리교육과에 재학중인 학생은 17명이었으며, 물리학과 학생 중 교직 이수를 위해 물리교육론 수업을 수강하고 있던 학생은 2명이었다. 이들은 모두 3학년 학생들로 1학년 때 일반물리학을, 2학년 때 전공 역학과 전자기학을 이수한 학생들이었다. 설문 실시 전 학생의 개념 이해에 대한 수업을 진행하면서 학생들이 가지는 다양한 선개념에 대한 강의가 이루어졌으며, 설문은 물리교육론 수업의 과정에서 수업의 일환으로 자연스럽게 이루어졌다. 예비 교사들은 그들이 가진 에너지와 관련한 개념을 정리해보는 형태로 설문 질문에 응답하는 방식의 과제를 제출했고, 설문지 내용을 구글 설문지로 변환하고 온라인으로 데이터를 수집하여 예비교사들의 설문지 작성과 연구자들의 데이터 수집이 보다 용이하도록 하였다.
본 연구에서는 예비 물리교사들의 에너지 개념 이해에 대한 존재론적 분석을 위해 학생들의 개념 이해 수준을 알아보기 위한 설문지를 개발하고 이를 투입하여 예비 물리교사들의 개념 이해 수준을 알아보았다. 예비교사들의 에너지 개념에 대한 이해도를 제대로 조사하기 위해서는 설문지 구성이 중요하다고 할 수 있다. 에너지는 우리가 일상적으로 많이 사용하고 있는 개념으로 예비교사들의 일상생활 경험이 에너지 개념 형성에 영향을 줄 수 있기 때문에 설문 문항으로는 학생들이 일상생활 경험을 에너지 개념으로 설명해 보게 하는 문항을 포함시켰다. 이와 더불어 물리학의 다양한 분야에서의 예비교사들의 에너지 개념 형성을 알아보기 위해 역학, 열역학, 전자기, 파동역학 등 분야별로 구분이 되는 설문 문항을 개발하여 물리학의 각 영역별 개념 이해 실태를 조사했다. 설문 문항은 본 연구의 연구자 1인이 초안을 작성한 뒤 공동 저자가 설문지 문항의 내용 타당도에 대한 검토와 더불어 문항에 대한 수정 의견을 제시하여 수정이 이루어졌으며, 수정된 설문지 내용에 대해 두 연구자가 내용 타당도에 대한 재검토와 더불어 설문지 내용에 대한 적절성을 토론하며 최종 완성본을 제작하였다.
다음은 본 연구의 구체적인 설문 문항이고, Fig. 1은 설문에 활용한 그림을 나타낸 것으로 2번–5번 문항에 활용되었으며, 1번 문항은 별도의 그림을 사용하지는 않고 문항을 문장으로만 제시했다. 학생들이 설문 문항에 성의 없이 응답하는 것을 방지하기 위해 모든 설문 문항의 상황에 대한 설명을 세 문장 이상으로 하도록 했다.
1. “에너지”라는 단어를 포함하여 평소 내가 가장 많이 쓰는 (혹은 바로 연상되는) 문장을 세 개 만들어 보시오.
2. 그림과 같이 공이 지면을 향해 자유 낙하하고 있다. 그림의 상황을 자세히 설명하시오. (세 문장 이상으로 설명하되, 각 문장에는 모두 “에너지”라는 단어를 포함시키시오.)
3. 그림과 같이 열기관이 고열원과 저열원 사이에서 작동하고 있다. 그림의 상황을 자세히 설명하시오. (세 문장 이상으로 설명하되, 각 문장에는 모두 “에너지”라는 단어를 포함시키시오.)
4. 그림과 같이 전구에 불이 들어오고 있다. 그림의 상황을 자세히 설명하시오. (세 문장 이상으로 설명하되, 각 문장에는 모두 “에너지”라는 단어를 포함시키시오.)
5. 그림과 같이 수면에 물방울을 떨어뜨렸더니 물결파가 발생했다. 그림의 상황을 자세히 설명하시오. (세 문장 이상으로 설명하되, 각 문장에는 모두 “에너지”라는 단어를 포함시키시오.)
예비교사들의 설문 내용 분석은 질적 연구 방법을 활용하였으며[16, 17], 첫번째 단계로, 학생 응답 내용을 분류하기 위해 귀납적 범주화 방법을 적용하였다[18]. 귀납적 범주화 과정은 사전에 정해진 범주 없이 데이터에 기반해서 범주들을 생성하는 방법으로 귀납적 범주화 방법을 활용하면 데이터의 주제나 주제와 관련된 패턴을 찾을 수 있다[18]. 다음 단계로, 귀납적으로 분류된 범주의 의미를 분석하고 선행 연구의 분석틀을 활용하여 연역적 방법을 통해 응답 내용이 ‘과정’에 해당하는 범주인지 ‘물질’에 해당하는 범주인지 범주별 존재론적 구분을 수행하였다[11]. Table 1은 Chi 등[11]이 제시한 존재론적 범주 분석틀로써 본 연구에서는 학생들의 응답 내용 중 서술어 부분을 분석하여 해당 내용이 ‘물질’ 범주에 해당하는 응답인지, ‘과정’ 범주에 해당하는 응답인지 판단하기 위한 기준으로 활용하였다.
The analytical framework utilized for analyzing the survey content[11] p.40.
Ontological category | Content type |
Matter-based Predicate | Block, Contain, Move (as translatory motion), Rest, Consume, Absorb, Quantity, Accumulate, Supply, Equivalent Amount |
Process-based Predicate | Propagation and Transfer process, Process of Excitation, Interaction Process, Uniform System Process, Simultaneous System Process |
귀납적 범주화의 과정은 1명의 연구자가 주도적으로 시행한 후 다른 1명의 연구자가 그 결과를 검토하였다. 우선 귀납적 범주화 방법을 활용한 1차 데이터 분석 과정에서 연구자는 수집된 데이터인 학생의 응답에서 키워드를 추출하고 이를 분석하여 귀납적 범주를 생성하였다. 2차 데이터 분석 과정에서는 1차 분석과의 시간차를 두어 데이터와 키워드 사이의 정합성을 확인하고 분류된 귀납적 범주 생성의 적합성을 확인하고 검토하였다. 데이터 분석 과정을 예로 들면, 4번의 전기 관련 문항의 1차 데이터 분석 과정에서 생성된 키워드들은 ‘전기에너지 → 빛’, ‘빛 → 열에너지’, ‘전기 → 열에너지’, ‘핵 또는 운동에너지 → 전기에너지’, ‘열 → 빛에너지’, ‘전기에너지의 저항’, ‘전구의 빛에너지 방출’, ‘전구의 열에너지 방출’, ‘필라멘트의 에너지 방출’, ‘에너지 효율’, ‘전기에너지의 이동’, ‘열에너지의 이동’, ‘에너지 보존’, ‘전구가 가지는 위치에너지’, ‘열에너지 복사’, ‘저항의 직렬연결의 에너지’, ‘옴의 법칙’ 등이었다. 이렇게 추출된 키워드들을 2차 분석과정에서 검토하고 범주를 분류하였으며, 생성된 범주들은 3차 데이터 분석 과정에서 비슷한 범주끼리 모으고, 상위의 범주로 재개념화하는 작업을 거쳤다. 예를 들어 ‘전기에너지 → 빛’, ‘빛 → 열에너지’, ‘전기 → 열에너지’, ‘핵 또는 운동에너지 → 전기에너지’, ‘열 → 빛에너지’, ‘전구의 빛에너지 방출’, ‘전구의 열에너지 방출’, ‘필라멘트의 에너지 방출’, ‘열에너지 복사’ 등은 모두 에너지의 형태가 바뀌는 내용과 연관되므로 ‘에너지 전환’이라는 보다 큰 범주로 분류되었다.
이후 존재론적 범주의 구분을 위해 귀납적 범주화 방법을 통해 분류된 범주의 응답 데이터 술어가 Table 1의 분석틀에서 제시한 술어 중 ‘물질’에 해당하는지, ‘과정’에 해당하는지 살펴보고 연역적인 방법으로 존재론적 범주를 구분했다. 특히 이 과정에서 각 범주별 학생들의 응답 내용을 다시 한 번 살펴보면서 학생들의 구체적인 서술 내용의 술어가 어떤 의미로 표현되었는지도 함께 고려했다. 예를 들어 앞서 언급한 ‘에너지 전환’ 범주는 Table 1에 제시된 ‘Propagation and Transfer process’에 해당한다고 해석할 수 있다. 따라서 ‘에너지 전환’ 범주는 최종적으로 ‘과정’의 존재론적 범주에 해당하는 것으로 분류되었다. 연역적인 존재론적 범주 구분 과정은 1인의 연구자가 분류한 결과를 다른 1인의 연구자가 분석 결과를 검토하고 확인하는 과정을 거쳤으며, 둘의 의견이 일치하지 않는 경우 토론을 통해 합의에 이르는 방식으로 수행되었다. 예를 들어 귀납적 범주화 과정을 통해 생성된 ‘에너지 보존’ 범주의 경우 물질과 과정 범주 구분에 대한 연구자 간 초기 의견이 달랐으나 ‘Uniform System Process’로 분류하여 그 의미를 살리는 것이 보다 더 적절하다는 것에 합의하여 최종적으로는 ‘과정’ 범주로 분류하였다. 전체적인 분석과정에서 1번 문항은 일상 생활 속에서의 예비교사들의 에너지 개념 형성이 어떤지 알아보기 위한 목적이 있었기 때문에 1번 문항에 대해서는 연역적인 분석 과정이었던 존재론적 범주의 구분을 수행하지 않고, 귀납적 범주화 방법만 수행하였다.
본 연구에서는 설문 문항별 예비교사들의 응답을 범주화한 연구 결과를 설문 문항의 번호 순으로 제시하였다. 본 연구에서 제시한 범주별 빈도수는 문장 단위로 산출하였으며, 예비교사 1인당 각 설문 문항별로 세 문장으로 응답했기 때문에 설문 문항별 전체 빈도수는 전체 예비교사가 19명이었던 것을 감안하면 57회라는 것을 알 수 있다. Table 2는 1번 문항의 일상생활 맥락에서의 예비교사들의 답변 내용을 범주화하여 나타낸 것이다.
The categorized results of pre-service teachers' responses within the context of everyday life.
Category | Count | Examples |
Energy is necessary for daily activities. | 18 | It's tough. Energy is needed. I'm so tired, I need to drink an energy drink. |
Physical energy situation | 16 | The mechanical energy is conserved. To define potential energy, there must be at least two objects. |
We need to save energy. | 9 | We must save energy. Don't waste energy on such things. |
We must use renewable (green) energy. | 3 | Let's use renewable energy. We should utilize eco-friendly energy. |
Energy is abundant. | 5 | Energy is overflowing. It's a day full of energy. |
Others | 6 | I wish I had LG Energy Solution. There are various types of energy. |
Sum | 57 |
Table 2에 나타난 것처럼 예비교사들은 일상생활 맥락에서 에너지 개념을 떠올린 내용 중 가장 많은 18건에서 에너지는 생명 활동을 위해 필요한 것이라는 관념을 가지고 응답하고 있었다. 이러한 에너지의 개념은 일상 생활에서 흔히 사용되는 상황으로 에너지에 대한 물리적 개념의 의미보다는 일상 생활의 움직임이나 활동의 원천이 될 수 있는 화학 에너지의 의미에 가깝다고 할 수 있다. 이는 우리 일상 생활에서 활용되고 있는 용어들로 예비 물리 교사들 역시 특별한 물리적 개념을 포함하지 않고 일상 생활의 용어로 에너지라는 개념을 활용하고 있었다.
두 번째로 많이 나타난 범주는 물리적 에너지 상황을 묘사하는 부분이었다. 설문 문항에서 평소 가장 많이 쓰는 내용으로 문장을 만들어달라고 요구했고, 예비물리교사들은 물리학을 학습하고 있는 물리학도이기도 하기 때문에 에너지 보존, 역학적 에너지 등 물리적 에너지 상황을 언급하는 경우가 많았던 것으로 추측된다. 즉, 예비물리교사들은 ‘에너지’ 개념을 포함하여 물리적 상황을 기술하는 것을 평소의 일상적 상황이라고 언급할 만큼 자연스러운 경험이라고 생각하고 있는 것으로 보인다.
최근의 환경 문제와 맞물려 에너지를 절약해야 한다는 응답이 9건, 신재생 에너지를 언급하는 응답 내용이 3건 있었다. 이처럼 예비 물리교사들이 환경 문제와 에너지 문제를 연관지어 생각하는 응답 내용을 어느 정도 발견할 수 있었다. 이러한 점은 향후 환경 교육과 관련하여 물리 교육의 역할을 정립해 나갈 때 물리 교사들의 에너지 절약에 대한 개념과 인식에 대해 추후 심도 있는 조사를 통해 물리교육과의 연계에 대해 살펴볼 수 있을 것이라 기대되는 대목이다. 이 외에도 에너지가 부족하지 않고 오히려 풍족하다는 에너지의 양에 대한 내용 범주에 해당하는 응답이 5건, 공통된 범주로 범주화하기 어려웠던 응답이 6건 있었다.
일상 생활에서 사용되는 에너지 용어에 관한 1번 문항을 제외하고, 2번 문항부터 5번 문항에 대한 응답은 각각 역학, 열, 전기, 파동 영역에서 학생들의 에너지에 대한 개념이 존재론적 분석틀을 기준으로 어떻게 나타나는지를 알아보았다. Table 3은 2번 문항의 역학적 상황에서의 예비교사들의 답변 내용을 범주화하여 나타낸 것이다. 19명의 응답자중 17명은 세 문장으로 응답했지만, 2명의 예비교사는 각각 하나씩의 문장만을 제시하여 전체 응답 빈도수는 53회로 나타났다.
The categorized results of item 2 in the context of mechanics.
Main Category | Sub Category | Count | Examples |
Matter | Energy possession | 30 | The ball has potential energy proportional to its height. |
Process | Energy transform | 10 | Potential energy is being converted into kinetic energy. |
Work-Energy Principle | 3 | Placing the ball in a single system, gravity does work, increasing the ball's kinetic energy. | |
Conservation of energy | 10 | The ball is falling and the mechanical energy is conserved. | |
Sum | 53 |
Table 3에 나타난 것처럼 역학적 상황에서는 물질 기반 존재론에 해당하는 응답이 30건, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답이 23건 있었다. 결과적으로 역학적 상황에서는 물질 기반 존재론에 해당하는 응답이 과정 기반 존재론에 해당하는 응답보다 약 1.3배 많은 것으로 나타났다.
물질 기반 존재론에 해당하는 응답에서는 ‘에너지 소유’에 해당하는 응답만 30건으로 다른 모든 설문 문항에서 발견할 수 있었던 ‘에너지의 이동’과 관련한 응답은 발견할 수 없었다. 에너지 소유와 관련한 대표적인 응답 내용은 ‘공이 높이와 비례하는 위치에너지를 지니고 있다.’와 같이 이 설문 문항의 주요 개체인 공이 어떤 에너지를 가지고 있는지 설명하는 내용이었다. 이와 더불어 ‘공이 가지고 있는 위치에너지가 줄어들고 있다’와 같이 공의 위치에너지를 공이 소유하는 양적 개념으로 표현하고 그 증가나 감소에 대해 나타낸 서술들은 모두 ‘에너지 소유’의 범주로 분류하였다.
한편, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답으로 ‘에너지 전환’, ‘일-에너지 정리’, ‘에너지 보존’ 등 3가지 범주에 해당하는 내용이 발견되었다. 이중 ‘에너지 전환’에 해당하는 응답은 10건으로 ‘퍼텐셜 에너지가 운동에너지로 전환되는 중이다.’와 같이 한 에너지가 다른 형태의 에너지로 전환되는 것을 설명하는 내용들이었다. ‘일-에너지 정리’에 해당하는 응답은 3건으로 ‘공을 계로 잡으면 중력이 일을 해서 공의 운동에너지가 증가한다.’와 같이 중력이 하는 일이 공의 에너지 변화로 나타나는 상황을 설명하는 내용들이었다. 마지막으로 ‘에너지 보존’에 해당하는 응답은 10건으로 ‘공이 지면으로 낙하하고 있으며 역학적 에너지는 보존된다.’와 같이 공이 운동하는 과정에서도 전체적인 역학적 에너지는 보존된다는 것을 설명하는 내용들이었다.
Table 4는 3번 문항의 열역학 상황에서의 예비교사들의 답변 내용을 범주화하여 나타낸 것이다. 19명 중 1명의 예비교사가 하나의 문장만을, 또 다른 1명의 예비교사는 두 개의 문장만을 제시하여 전체 응답 빈도수는 54회로 나타났다.
The categorized results of item 3 in the context of thermodynamics.
Main Category | Sub Category | Count | Examples |
Matter | Energy possession | 10 | Hot reservoir is in a state of high thermal energy, with a large amount of heat. |
Movement of energy | 11 | The high energy of the hot reservoir moves to the cold reservoir. | |
Process | Energy transform | 2 | A heat engine converts energy into the desired form of energy. |
Work-Energy Principle | 22 | A heat engine converts energy into work by the difference in the heat absorbed from the hot reservoir and the heat emitted to the cold reservoir. | |
Conservation of energy | 5 | The total energy in the system remains constant. | |
Others | Mention of thermal concepts | 4 | A typical example of energy from a heat engine is the Carnot heat engine. |
Sum | 54 |
Table 4에 나타난 것처럼 열역학 상황에서는 물질 기반 존재론에 해당하는 응답이 21건, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답이 29건 있었다. 또한 물질이나 과정으로 분류하기 힘들어 기타로 분류된 응답도 4건 있었다. 역학 상황과 비교하면 물질 기반 존재론에 해당하는 응답은 다소 적고, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답은 다소 많았다. 결과적으로 열역학 상황에서는 역학 상황과 반대로 과정 기반 존재론에 해당하는 응답이 물질 기반 존재론에 해당하는 응답보다 약 1.4배 많은 것으로 나타났다.
물질 기반 존재론에 해당하는 응답에서는 ‘에너지 소유’에 해당하는 응답이 10건, ‘에너지의 이동’과 관련한 응답이 11건이었다. 이중 ‘에너지 소유’에 해당하는 응답은 ‘고열원은 열에너지, 열량을 많이 가지고 있는 상태이다.’와 같이 대체로 설문 문항에서의 고열원, 혹은 저열원이 얼마만큼의 에너지를 가지고 있는지에 대해 설명하는 내용들이었다. ‘에너지의 이동’과 관련한 응답에서는 ‘고열원으로부터 Q1의 열에너지를 흡수하고 W의 일을 하고 Q2의 열에너지를 저열원으로 방출한다.’와 같이 고열원으로부터 열기관을 거쳐 저열원으로 열 에너지가 이동하는 상황에 대해 설명하고 있었다. 이러한 에너지의 이동 관계에 대한 내용은 1번 문항의 역학적 상황에 대한 응답에서는 나타나지 않았던 사항으로 열역학 상황에서 두드러지는 응답이었다. 이는 열기관의 효율에 대한 교수학습에서 열효율의 공급한 열과 방출한 열 및 열기관이 한 일에 대한 양적 공식에 익숙해졌기 때문에 나타나는 현상인 것으로 추측해볼 수 있다.
한편, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답으로는 ‘에너지 전환’에 해당하는 응답이 2건, ‘일-에너지 정리’에 해당하는 응답이 22건, ‘에너지 보존’에 해당하는 응답이 5건 발견되었다. 이중 ‘에너지 전환’에 해당하는 응답은 ‘열기관은 에너지를 사용하고자 하는 에너지로 변환시킨다.’와 같이 열역학 상황에서의 에너지 전환을 언급하는 응답들이었다. 한편, '일-에너지 정리'에 해당하는 응답은 ‘열기관에서 고열원에서 방출된 열과 저열원에서 흡수한 열의 차이만큼 에너지를 일로 바꾸고 있다.’와 같이 열기관을 통해 에너지가 일로 전환되는 상황을 정확히 설명한 내용으로 이 설문문항과 관련한 응답으로는 가장 높은 빈도수를 나타내고 있었다. 마지막으로 ‘에너지 보존’에 해당하는 응답은 ‘계에서의 총 에너지는 변함이 없다.’와 같이 에너지의 전환과 흐름이 나타나는 과정에서도 전체적인 에너지를 따져보면 총 에너지는 보존된다는 설명을 하고 있었다.
열역학 상황에서는 역학적 상황과 다르게 기타로 분류되는 응답도 발견되었는데, 그 구체적인 내용을 살펴보면 ‘열기관의 에너지로 대표적인 예는 카르노 열기관이 있다.’와 같이 열역학적 개념을 설명하는 내용들이었다. 기타로 분류된 응답들은 카르노 열기관 외에도 열효율, 열원의 온도 등에 대한 내용을 설명하고 있었다.
Table 5는 4번 문항의 전기 상황에서의 예비교사들의 답변 내용을 범주화하여 나타낸 것이다. 19명 중 1명의 예비교사가 하나의 문장만을 제시하여 전체 응답 빈도수는 55회로 나타났다.
The categorized results of item 4 in the context of electricity.
Main Category | Sub Category | Count | Examples |
Matter | Energy possession | 1 | A light bulb can be held in place by tension in a string. Therefore, potential energy is fixed. |
Movement of energy | 10 | Electric energy travels along the wire to reach the light bulb. | |
Process | Energy transform | 28 | When current passes through the filament, lost electrical energy is converted into light and heat energy. |
Conservation of energy | 1 | The total sum of electric energy and external energy remains constant. | |
Others | The role of electrical appliances | 12 | The light bulb emits light with electromagnetic energy. |
Mention of electricity concepts | 3 | The research on developing the most energy-efficient light-emitting materials is crucial. | |
Sum | 55 |
Table 5에 나타난 것처럼 전기적 상황에서는 물질 기반 존재론에 해당하는 응답이 11건, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답이 29건, 기타로 분류된 응답이 15건 있었다. 전기적 상황에 대한 응답은 전체 문항 중에서 물질에 해당하는 응답은 가장 적었고, 과정에 해당하는 응답은 가장 많았다. 결과적으로 전기적 상황에서는 과정 기반 존재론에 해당하는 응답이 물질 기반 존재론에 해당하는 응답보다 약 2.6배 많은 것으로 나타났다.
물질 기반 존재론에 해당하는 응답에서는 ‘에너지 소유’에 해당하는 응답이 1건, ‘에너지의 이동’과 관련한 응답이 10건이었다. 이중 ‘에너지 소유’에 해당하는 응답은 ‘전구는 줄 장력에 의해 정지할 수 있다. 그래서 위치에너지가 고정되어 있다.’로 전구의 전기 에너지에 대한 내용이 아닌 전구가 가지고 있는 위치에너지에 대한 설명이었다. ‘에너지의 이동’과 관련한 응답에서는 ‘전선을 따라 전기에너지가 전구에 도달한다.’와 같이 설문 문항의 상황에서 전기에너지가 전구에 전달되는 상황을 설명하는 내용들이 주를 이루었다.
한편, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답으로는 ‘에너지 전환’에 해당하는 응답이 28건, ‘에너지 보존’에 해당하는 응답이 1건이었다. 이중 ‘에너지 전환’에 해당하는 응답은 ‘전류가 필라멘트를 지날 때 손실된 전기 에너지가 빛과 열 에너지로 바뀐다.’와 같이 전기에너지가 전기 회로에서 다른 형태의 에너지로 전환되는 것을 설명하는 응답들로 전기적 상황에서의 과정 기반 존재론에 해당하는 대부분의 응답이 이와 같은 에너지 전환에 해당하는 응답이었다. ‘에너지 보존’에 해당하는 응답은 ‘전기에너지와 외부의 에너지의 총합은 일정하다.’와 같이 에너지의 총합은 변하지 않는다는 내용을 설명하고 있었다.
전기적 상황에서는 물질, 과정 기반 존재론에 속하지 않는 응답들도 많았는데, ‘전기 기구의 역할’을 설명하는 내용이 12건, ‘전기적 상황에서의 물리적 개념을 설명’하는 내용이 3건이었다. ‘전기 기구의 역할’을 설명하는 내용은 ‘전구는 전자기적 에너지를 가진 빛을 방출한다.’와 같이 주로 회로를 구성하는 각종 전기기구들이 회로에서 무슨 역할을 하는지에 대한 내용들이었다. 또한 ‘전기적 상황에서의 물리적 개념을 설명’하는 응답들은 ‘최대한의 에너지 효율을 내는 발광체를 연구하는 것이 중요하다.’와 같이 에너지 효율과 관련된 응답이 2건, 옴의 법칙과 관련된 응답이 1건 발견되었다. 전기적 상황에서 에너지에 대한 설명으로 분류할 수 없는 전기 기구에 대한 설명 등의 기타 응답이 특히 많이 나타났다는 점은 전기에너지에 대한 교육에서 전기 에너지에 대한 기본 개념 보다는 회로나 전기 기구 등 기술적 내용에 치중되어 있는 것은 아닌지 점검해 볼 필요가 있다는 것을 말해준다.
Table 6은 5번 문항의 파동 상황에서의 예비교사들의 답변 내용을 범주화하여 나타낸 것이다. 19명의 응답 중 1명의 예비교사는 하나의 문장만을, 또 다른 1명의 예비교사는 두 개의 문장만을 제시하여 전체 응답 빈도수는 54회인 것으로 나타났다.
The categorized results of item 5 in the context of waves.
Main Category | Sub Category | Count | Examples |
Matter | Energy possession | 9 | Water droplets have kinetic energy. |
Movement of energy | 19 | When water droplets fall onto the water surface, their kinetic energy disperses in all directions | |
Process | Energy transform | 19 | The potential energy of the water droplet is converted into kinetic energy. |
Others | Mention of wave concepts | 7 | Amplitude, frequency, and wavelength are determined by the amount of energy. |
Sum | 54 |
Table 6에 나타난 것처럼 파동 상황에서는 물질 기반 존재론에 해당하는 응답이 28건, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답이 19건, 기타로 분류된 응답이 7건 있었다. 파동 상황에서는 물질 기반 존재론에 해당하는 응답이 과정 기반 존재론에 해당하는 응답보다 약 1.5배 많아 역학적 상황에서의 결과와 유사한 것으로 나타났다.
물질 기반 존재론에 해당하는 응답에서는 ‘에너지 소유’에 해당하는 응답이 9건, ‘에너지의 이동’과 관련한 응답이 19건이었다. 이중 ‘에너지 소유’에 해당하는 응답은 ‘물방울의 위치 에너지가 감소한다.’와 같이 주로 물방울이 가지고 있는 에너지에 대한 설명이 대부분이었다. ‘에너지의 이동’과 관련한 응답에서는 ‘수면에 전달된 에너지는 물결파의 형태로 퍼져나간다.’와 같이 물방울의 에너지가 수면으로 전달되고, 이후 수면에서 에너지가 사방으로 퍼져나가는 에너지의 이동에 대한 설명이었다.
과정 기반 존재론에 해당하는 응답으로는 ‘에너지 전환’에 해당하는 응답만이 19건 있었다. 구체적으로 ‘물방울의 위치에너지가 운동에너지로 변환된다.’와 같이 한 형태의 에너지가 다른 형태의 에너지로 전환되는 상황을 설명하는 내용들이었다.
한편, 물질이나 과정으로 분류하기 힘든 기타에 해당하는 응답은 파동에서의 물리적 개념을 설명하거나 언급하는 내용들이었다. 구체적으로 ‘에너지의 양에 따라 진폭, 주파수, 파장 등이 결정된다.’와 같이 파동에서 등장하는 물리량을 설명하고 있었다.
Table 7은 본 연구에서 각각의 물리적 상황에 대한 2번부터 5번 문항의 응답을 존재론적 범주로 분석한 결과를 종합하여 나타낸 것이다.
The overall results of the ontological categories from item 2 to 5.
Main Category | Sub Category | Mechanics | Thermodynamics | Electricity | Waves | ||||
Counts | Percentage | Counts | Percentage | Counts | Percentage | Counts | Percentage | ||
Matter | Energy possession | 30 | 56.6% | 10 | 18.9% | 1 | 1.9% | 9 | 17.0% |
Movement of energy | 0 | 0.0% | 11 | 20.8% | 10 | 18.9% | 19 | 35.8% | |
Sub Total | 30 | 56.6% | 21 | 39.7% | 11 | 20.8% | 28 | 52.8% | |
Process | Energy transform | 10 | 18.9% | 2 | 3.8% | 28 | 52.8% | 19 | 35.8% |
Work-Energy Principle | 3 | 5.7% | 22 | 41.5% | 0 | 0.0% | 0 | 0.0% | |
Conservation of energy | 10 | 18.9% | 5 | 9.4% | 1 | 1.9% | 0 | 0.0% | |
Sub Total | 23 | 43.5% | 29 | 54.7% | 29 | 54.7% | 19 | 35.8% | |
Total | 53 | 100.0% | 50 | 100.0% | 40 | 100.0% | 47 | 100.0% |
물질 기반 존재론에 대한 응답은 역학적 상황(56.6%), 파동 상황(52.8%), 열역학 상황(39.7%), 전기적 상황(20.8%)의 순으로 많이 나타난 반면, 과정 기반 존재론에 대한 응답은 열역학 상황(54.7%)과 전기적 상황(54.7%)이 동일하게, 이후 역학적 상황(43.5%), 파동 상황(35.8%)의 순으로 많이 나타났다. 즉, 물질 기반 존재론에 해당하는 응답은 역학 및 파동 상황에서, 과정 기반 존재론에 해당하는 응답은 전기 및 열역학 상황에서 우세하게 나타났다.
하지만 각 존재론적 범주의 세부적인 하위 범주에서는 차이점이 일부 발견되기도 했다. 즉, 역학적 상황, 파동 상황 모두 물질 기반 존재론이 우세하게 나타났지만, 역학적 상황에서는 에너지 소유에 해당하는 범주만 발견된 것에 비해 파동 상황에서는 에너지 소유 외에 에너지의 이동에 해당하는 항목도 나타났으며 그 빈도도 에너지의 이동이 에너지 소유보다 약 2배 정도 많게 나타났다. 한편, 전기적 상황, 열역학 상황 모두 과정 기반 존재론이 우세하게 나타났지만, 전기적 상황에서는 에너지 변환에 해당하는 범주의 내용이 거의 대부분이었던 것에 비해 열역학 상황에서는 일-에너지 정리의 범주에 해당하는 내용이 주를 이루었고, 에너지 변환, 에너지 보존에 해당하는 내용은 일부 발견되었다.
본 연구에서 연구자들은 예비물리 교사들의 에너지 개념에 대한 이해 수준을 살펴보기 위해 역학, 열역학, 전기, 파동 등 다양한 물리적 상황을 에너지 개념을 활용해서 묘사하도록 하는 설문 문항을 개발하여 데이터를 수집하고, 이를 존재론적 관점에서 분석했다. 연구 결과 예비교사들의 응답 내용은 문제 상황에 따라서 에너지의 존재론적 범주가 다양하게 나타났으며, ‘물질’과 ‘과정’의 존재론적 범주의 하위 범주로 `에너지 소유', `에너지의 이동', `에너지 전환', `일-에너지 원리', 그리고 `에너지 보존'과 같은 다양한 범주가 존재한다는 것을 발견했다. 본 연구의 결론 및 시사점을 본 연구에서의 주요 발견과 연관지어 제시하면 다음과 같다.
첫째, 본 연구에서는 물리적 상황에 대한 예비교사들의 에너지 개념을 귀납적으로 분석하여, ‘에너지 소유’, ‘에너지의 이동’, ‘에너지 전환’, ‘일-에너지 정리’, ‘에너지 보존’과 같이 에너지 개념의 교수학습에서 중요하게 활용할 수 있는 예비 물리교사들이 가진 에너지 개념의 범주들을 발견할 수 있었다. 본 연구에서 발견한 여러 범주들은 물리학 교수학습에서 에너지 개념에 대한 예비 물리교사들의 개념뿐만 아니라 학생들의 개념을 면밀히 파악하기 위한 방법을 제시한다는 의의를 가진다. 물론 선행 연구에서도 에너지 개념에 대한 ‘물질’과 ‘과정’의 하위 존재론적 범주를 제시하고 있지만[11], 이들이 제시하고 있는 하위 범주는 학생들의 물리적 상황에 대한 이해와는 직접적인 관련이 없는 것으로 이를 물리교육에서 나타난 개념 이해와 관련한 현상을 존재론적 범주를 적용하여 해석하기에는 쉽지 않다. 예를 들어 이들은 ‘물질’의 하위 범주로 ‘살아있는 것’과 ‘인공적인 것’을 제시하고 있는데[11], 이러한 하위 범주는 내용 영역에 관계없이 적용해 볼 수 있다는 장점은 있으나 물리적 상황과 같이 ‘살아있는 것’이 잘 등장하지 않는 상황에 적용하기는 힘들 뿐만 아니라 이들이 학생들의 이해와 어떤 관계가 있는지 파악하기도 힘들다. 따라서 기존 존재론적 관점으로 개념에 대한 이해를 해석하는 연구에서 주로 활용되던 ‘물질’과 ‘과정’의 존재론적 범주를 물리 교수학습에 적합하게 적용할 수 있기 위해서는 물리적 상황에 따른 에너지 개념 이해에 대한 실질적 데이터로부터 귀납적으로 세부적인 범주를 추출해서 교수 학습에 활용할 필요가 있다. 예를 들어 본 연구에서 열역학적 상황과 전기적 상황의 ‘과정’ 기반 존재론에 해당하는 응답의 빈도는 같게 나타났지만, 열역학에서는 ‘일-에너지 정리’에 대한 범주가, 전기적 상황에서는 ‘에너지 전환’에 대한 범주가 더 높은 응답 빈도로 나타난 점을 알 수 있다. 이러한 연구 결과를 고려한다면, ‘일-에너지 정리’의 개념 학습에서는 열역학적 상황을 활용한 교수 학습을, ‘에너지 전환’의 개념 학습에서는 전기적 상황을 활용한 교수 학습을 우선적으로 제시해 볼 수 있을 것이다. 다시 말해, 물리 교수학습에서 에너지 개념에 대한 ‘물질’과 ‘과정’에 해당하는 존재론적 개념 범주와 더불어 그 하위 범주는 무엇인지 조사하여 교수학습에 활용한다면 에너지 개념 이해를 토대로 한 효과적 교수학습에 기여할 수 있을 것이다.
둘째, 본 연구에서 나타난 물리적 상황에 따라 에너지 관련 개념이 다소 다르게 나타나는 결과는 교수학습 과정에서 제시되는 물리적 상황이 에너지 개념 형성에 영향을 미친다는 점을 말해주며, 이는 에너지 개념 형성과 관련한 교수학습에서 고려해야 할 사항 및 개선 방향에 대해 시사점을 제시해 줄 수 있다. 본 연구의 결과, 역학적 상황에서는 ‘물질’로 분류할 수 있는 응답이 ‘과정’으로 분류할 수 있는 응답보다 1.3배 정도 높았던데 반해 전기적 상황에서는 ‘과정’으로 분류할 수 있는 응답이 ‘물질’로 분류할 수 있는 응답보다 2.6배 정도 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 역학적 상황은 에너지를 소유하고 있다고 판단할만한 구체적인 개체가 주인공으로 등장하는 반면, 전기적 상황에서의 전기 에너지는 어느 한 개체가 소유하고 있다기보다는 각 개체에서 에너지의 전환되는 양상이 보다 주목되기 때문으로 추측할 수 있다. 이러한 점은 교수학습 상황에서 어떤 물리적 상황을 제시하느냐에 따라 ‘물질’ 또는 ‘과정’의 존재론적 개념이 형성되는 데 영향을 끼칠 수 있다는 점을 말해준다. 따라서 에너지 개념 형성에서 강조해야 하는 개념의 범주를 고려한 물리적 상황 제시와 설명 방식의 개선이 필요하며, 에너지와 관련한 존재론적 범주 구분에 영향을 미치는 요인 및 상황을 파악하여 에너지 교수 학습에 활용할 필요가 있을 것이다.
셋째, 본 연구의 결과는 예비교사들의 에너지 개념 발달을 원활히 이끌기 위해 예비교사들의 에너지 개념 이해의 특징에 맞는 커리큘럼 제시와 교사 교육 방법 전환의 방법을 제안해준다. 구체적으로 예비교사들이 존재론적 유연성을 갖추도록 돕기 위해 ‘물질’의 존재론적 범주에 대한 응답이 많은 예비교사들에게는 전기적 상황을 통한 에너지 개념 학습을, ‘과정’의 존재론적 범주에 대한 응답이 많은 예비교사들에게는 역학적 상황을 통한 에너지 개념 학습을 하게 한다면 예비교사들의 에너지 개념 발달에 도움이 될 수 있을 것이다. 선행 연구에 따르면 초보자들은 물질 기반 존재론에 머무는 경향이 있지만, 전문가들은 문제 상황에 따라 ‘물질’과 ‘과정’의 존재론적 범주를 넘나드는 존재론적 유연성을 발휘하는 경우가 많다[11, 14]. 특히, 에너지를 물질인 것으로 이해하는 것은 추상적인 에너지를 구체적인 것으로 이해할 수 있도록 해주기 때문에 학생들의 이해에 도움이 되지만, 물질 기반 존재론에만 머무는 것은 예비교사들이 에너지의 역동성에 대해 이해를 하도록 돕는 것을 방해할 수도 있다. 따라서 예비교사들의 에너지 개념이 어떤 존재론적 범주에 해당하는지를 조사하고, 예비교사들이 가진 존재론적 범주와 상반되는 상황을 제시하여 예비교사들이 에너지 개념을 발달시킬 수 있도록 돕는다면 이들이 존재론적 유연성을 갖추는 것을 도울 수 있을 것이다.
한편, 예비교사들의 에너지에 대한 응답은 문제가 어떻게 제시되느냐에 따라 큰 영향을 받을 수 있기 때문에, 예비 교사들의 에너지와 관련한 진술의 차이를 가져오는 원인은 무엇인지 다양한 상황을 제시하여 자세히 분석할 필요가 있다. 본 연구의 결과에서 알 수 있는 것처럼 예비교사의 존재론적 범주 구분은 문제 상황에 따라 크게 달라지는 상황 의존적 특성을 보였다. 본 연구에서는 역학, 열역학, 전기, 파동 등 물리학의 각 영역별로 하나의 설문 문항만을 제시하여 연구를 수행했지만, 같은 역학 상황에서도 문제 상황에 따라 에너지 개념에 대한 응답의 범주 구분이 달라질 수 있을 것이다. 예를 들어 본 연구에서 제시한 역학적 상황을 동영상으로 제시하거나, 전기적 상황에서도 일종의 운동에너지를 가지고 전선을 이동하는 전자를 등장시킨다면 예비교사들의 응답 내용이 달라질 수 있을 것이다. 따라서 에너지와 관련한 진술의 차이를 가져오는 상황의 특징이 무엇인지 자세히 분석하여, 같은 물리학 영역에서도 다양한 상황을 통해 개념 이해가 특정 상황에 어떻게 영향을 받는지를 조사할 필요가 있다. 이를 통해 예비교사들에게 물리 교수학습 상황에서 개념의 올바른 이해를 위해 어떤 상황을 제시하여야 하는지에 대한 안내를 제공해 줄 수 있을 것으로 기대된다.