2025학년도에 고등학교 1학년 학생부터 고교학점제가 전면적으로 시행된다. 고교학점제란 학생이 기초 소양과 기본 학력을 바탕으로 진로와 적성에 따라 과목을 선택하고, 이수 기준에 도달한 과목에 대해 학점을 취득하여 졸업하는 제도이다. 여기에서 주목할 점은 학생이 진로와 적성에 따라 과목을 선택한다는 것이다. 2015 개정 교육과정에서도 진로교육이 이루어지고 있지만 고교학점제가 전면적으로 시행되는 2022 개정 교육과정에서 진로교육의 중요성은 더욱 커질 것이다.

2015 개정 교육과정 총론에서는 교과와 창의적 체험활동 등 교육 활동 전반에 걸쳐 범교과 학습 주제가 다루어지도록 하였다. 2015 개정 교육과정에서 제시한 10가지 범교과 학습 주제는 안전·건강교육, 인성교육, 진로교육, 민주시민교육, 인권교육, 다문화교육, 통일교육, 독도교육, 경제·금융교육, 환경·지속가능발전 교육이며 진로교육은 그 중 하나이다[1]. 2022 개정 교육과정 총론에서는 학생들의 진로교육을 더욱 강화하기 위해 진로연계교육을 새롭게 도입하였다. 진로연계교육은 학교급별 연계와 진로교육을 강화하며, 학생들이 상급 학교의 생활 및 학습을 준비하는 데 필요한 교육을 의미한다. 또한 진로연계교육은 교육과정의 일부로서 학생의 진로·학업 설계 지도를 위해 교과와 창의적 체험활동 시간을 활용하여 운영한다. 이를 통해 2015 개정 교육과정에서는 범교과 학습 주제 중 하나였던 진로교육이 2022 개정 교육과정에서는 진로연계교육이라는 하나의 독립된 교육과정으로써의 지위를 가지게 된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 진로교육과 진로연계교육은 서로 다른 개념으로 2022 개정 교육과정에서 새롭게 도입된 진로연계교육에 대한 연구가 필요하다.

2022 개정 교육과정의 물리학 교과에서는 학생이 스스로 진로를 고려하여 과학 과목 이수 경로를 설계할 수 있도록 하고, 선택과목 간 교육내용 연계 및 진로연계교육을 고려하여 지도계획을 수립하도록 하였다. 또한 물리학 관련 직업이나 다양한 활용 사례를 통해 학습과 진로에 대한 동기를 부여하고 학생의 ‘물리학’에 대한 흥미, 즐거움, 자신감 등 정의적 영역에 관한 성취를 높이고 ‘물리학’ 관련 진로를 탐색할 수 있는 교수·학습 방안을 강구하도록 하였다[2].

교육부에서는 학생들의 진로교육을 위해서 진로교육법 제정, 진로체험지원센터 설치, 진로진학상담교사 배치, 국가진로교육센터 및 지역진로교육센터 지정·운영 등 다양한 노력을 해왔다. 하지만 교육활동 중 가장 많은 시간을 차지하는 교과 시간을 활용한 진로교육은 아직 미흡한 현실이다[3]. 진로교육은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 지역사회와 연계한 체험학습을 활용한 진로교육, 진로와 직업 수업시간을 활용한 진로교육, 상담을 통한 진로교육, 창의적 체험활동 시간을 활용한 진로교육, 교과 수업 시간을 활용한 진로교육이다. 그리고 교과 시간은 교육 활동 중 가장 많은 비중을 차지하는 만큼 진로교육의 성공적인 운영을 위해서는 교과 시간에 이루어지는 진로교육을 내실화하는 것이 중요하다[4]. 학생들은 교과 수업시간에 진로와 관련된 자료를 안내받고 진로교육이 이루어지기를 원하며[5, 6], 교과와 연계한 진로교육 수업의 필요성에 대해 많은 교사와 학부모는 중요하게 인식하고 있다. 그러나 실제 학생들의 만족도는 그에 미치지 못하는 실정이다[7]. 2015 개정 교육과정에서도 교과 시간을 활용하여 진로교육을 시도한 사례는 다음과 같다. 진로연계 영어 교과 수업의 개발[8], 진로연계 수학 교과 수업의 개발[9, 10], 진로연계 국어 교과 수업의 개발[11], 진로연계 기술 교과 수업의 개발[12], 진로연계 과학 교과 수업의 개발이다[13]. 하지만 이러한 연구는 2015 개정 교육과정의 과목과 성취기준을 활용하여 개발되었으며, 2022 개정 교육과정에서 제시한 진로연계교육을 교과에서 실시한 연구라고 보기는 어렵다. 2015 개정 교육과정에서도 과학 교과와 관련해서 교과시간을 활용한 진로교육에 대한 연구는 부족한 상황이며, 특히 2022 개정 교육과정에서 물리학 교과 시간을 활용한 진로연계교육에 대한 연구는 아직까지 없는 상황이다.

고등학교 시기는 관심 직업이나 전공계열을 선택하고 이에 맞는 진로설계를 해나가는 과정이 중요하다. 그러나 과학 진로교육과 관련된 선행 연구를 살펴보면 중·고등학생들은 과학 관련 직업을 다양하게 인식하기보다는 과학자, 물리학자, 생물학자 등의 기초 과학자를 중심으로 인식하는 경향이 있으며, 기술 관련 직업의 예시들도 주위에서 흔히 볼 수 있는 직업에 편중되어 있다. 따라서 학생들이 과학 및 기술 관련 직업에 친숙해지고 이를 다양하게 인식하기 위하여 관련된 직업을 교과 내용과 연계하여 제시할 필요가 있으며[14], 실제로 학생들은 직업에 대한 정보가 부족하다고 느끼고 있다[5, 6]. 그리고 여러 선행연구에 따르면 프로젝트 수업은 과학 관련 직업을 교과와 연계하여 제시할 수 있는 좋은 교수·학습 방안이라는 것을 알 수 있다. 프로젝트 수업은 실제적이며, 실생활 문제를 다루고, 학생들이 성공적으로 대학생활과 직장생활을 해나는데 필요한 역량을 길러주며[15], 프로젝트 수업이 여러 기술을 통합하여 다룰 수 있는 기회를 제공하며, 유의미한 실제 세계와 관련 있는 배움을 통해 학생들이 교실과 교실 밖의 세상을 연결할 수 있도록 돕는다[16]. 그런데, 프로젝트 수업은 학생들의 과학적 태도 및 자기주도성 향상에 긍정적인 영향을 미치지만 일반적인 프로젝트 수업의 방법으로는 학생들의 직업 관심을 높이기 어려우므로 추가적인 연구가 필요하다[17]. 프로젝트 수업의 형태로 진로연계교육이 이루어질 경우 학생들은 프로젝트 활동을 수행하는 과정을 통해서 물리학 관련 학과에 진학했을 때 어떤 내용을 배우게 되는지, 물리학 관련 직업을 가졌을 때 실제로 어떤 일을 하게 되는지 물리학 교과 수업을 통해 미리 체험해볼 수 있다는 것을 알 수 있다. 물리학 관련 진로와 물리학 이론이 실제 직업세계에서 어떻게 활용되는지에 대해 알려줄 수 있는 진로연계 프로젝트 수업은 물리학 교과에서 이루어질 수 있는 좋은 진로연계교육 방법이라고 생각된다. 오늘날의 사회에서 과학기술은 국가발전의 직접적 원동력이며, 다가오는 미래사회에서 과학기술 일자리는 더욱 확대될 전망이고, 보다 많은 이공계 인력의 지속가능한 양성이 요구되고 있는 시점이다. 학생들의 지속적인 이공계 학습동기 형성을 위해서는 학생들이 그들 스스로 구체적이고 뚜렷한 진로동기를 형성해야 한다. 학생들의 해당 교과에 대한 진로동기가 분명치 않을 경우 흥미가 생겼다 하더라도 잠시 나타났다 사라지는 한시적 흥미로 그칠 수 있다. 따라서 지속가능한 학습동기를 유지하기 위해서는 직업적 관심인 진로동기가 필요하다고 할 수 있다[18]. 그리고 과학 교과 시간을 활용한 진로교육은 과학과 관련된 직업 세계를 탐구하고, 실생활과의 연계성을 높인 수업을 실시하여 학생들의 과학 진로 지향도를 향상시킬 수 있도록 하여야 한다[19]. 물리학은 모든 자연 현상에서 나타나는 일들을 과학적으로 증명하고 법칙으로 설명할 수 있기 때문에 과학의 기본이라고 할 수 있다. 과학 기술의 혁신을 위하여 기초 과학과 응용 기술을 합치는 것이 중요해지면서 물리학의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 따라서 학생들의 물리학 진로지향도와 이공계 진로동기를 향상시킬 수 있는 효과적인 교수·학습 방안은 중요하며, 현재 고등학교에서 물리를 선택하는 학생이 적고, 학생들은 물리를 어려워하며, 이공계 진학을 희망하는 학생들도 물리 자기효능감 점수가 높지 않기 때문에 학생들의 물리 효능감을 높이는 교수·학습 방법 또한 필요하다[20]. 이렇듯 진로연계교육에서 교과연계 진로교육은 상당히 중요하지만 실제로 물리학 교과에서 진로연계교육에 대한 연구가 이루어진 경우는 없는 실정이다. 따라서 2015 개정 교육과정에서 2022 개정 교육과정으로 전환되는 시점에서 2022 개정 교육과정의 물리학 성취기준을 활용하여 진로연계 교과 수업 방안을 연구하는 것은 의미가 있다. 2022 개정 교육과정과 고교학점제에서 고등학생이 자신의 진로를 선택하고 준비하기 위해서는 교과 시간을 활용한 진로연계교육이 필요하며 본 연구에서는 고등학교 물리학 교과와 관련하여 2022 개정 교육과정 진로연계교육을 위한 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 개발하고 적용한 후 학생들의 이공계·물리학 진로지향도, 물리 자기효능감, 과학관련태도 변화를 확인하고자 한다.

1. 연구대상

2022 개정 교육과정 진로연계교육을 위한 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 개발하고 적용하기 위해 본 연구는 울산광역시에 소재하고 있는 H고등학교 2학년 중 물리학Ⅰ을 선택한 학생 48명과 S여자고등학교 2학년 중 물리학Ⅰ을 선택한 학생 12명을 대상으로 연구를 진행하였다. 성별 구성은 남자 38명, 여자 22명이다. 동일한 교사가 2개의 학교에 각각 방문하여 수업을 진행하였으며 H고등학교는 정규수업시간에, S 여자고등학교는 소인수 선택과목 수업으로 매주 특정 요일의 일과 후 시간을 활용하여 수업을 진행하였다.

2. 연구절차

본 연구에서는 진로연계 물리학 프로젝트 수업의 목적 중 하나가 학생들이 직접 산출물을 제작하며 직업세계를 간접적으로 체험하는 것이기 때문에 산출물 제작이 용이한 토목공학(교량제작), 항공우주공학(물로켓 제작), 전자공학(스피커 제작)의 3가지 주제를 선정하였다. Figure 1 의 연구절차와 같이 2022 개정 교육과정의 물리학 성취기준에 준하여 3가지 주제로 진로연계 물리학 프로젝트 수업 14차시 분량을 개발하였다. 개발한 진로연계 물리학 프로젝트 수업은 2022 개정 교육과정 진로연계교육을 위해 적합한지 확인하기 위해 전문가와 현직교사의 검토를 받았고 개발한 수업단계, 단계별 수업내용, 수업지도안, 학생활동지를 수정 및 보완하여 최종 자료를 완성하였다.

Figure 1. Research procedures.

사전 검사와 사후 검사는 물리학·이공계 진로지향도 검사, 물리 자기효능감 검사, 과학관련태도 검사를 활용하였다. 물리학·이공계 진로지향도 검사지는 Kim[21]의 과학 진로지향도 검사의 과학 내용을 물리학으로 수정한 후, Sin, Ha and Lee[19]의 이공계 진로동기 검사지의 일부 영역인 ‘이공계 진로 자아효능감’, ‘이공계 진로흥미’, ‘이공계 진로동기’ 와 융합하여 재구성하였다. 재구성한 물리학·이공계 진로지향도 검사지는 학생들의 물리학 진로지향도와 이공계 진로지향도를 측정하기에 적합한지 확인하기 위해 전문가와 현직교사의 검토를 받았다. 물리 자기효능감 검사지는 Moon, Sin and Kim[20]의 물리 자기효능감 검사지를 활용하였고, 과학관련태도 검사지는 Fraser[22]의 TOSRA(Test of Science-Related Attitudes) 검사지의 하위 요소인 ‘과학 수업의 즐거움’, ‘과학에 대한 직업으로서의 관심’ 요소를 선택하여 검사하였다. 진로연계 물리학 프로젝트 수업의 효과를 확인하기 위해 단일집단 사전-사후 실험설계로 연구를 진행하였다.

1. 진로연계 물리학 프로젝트 수업 개발 및 적용

진로연계 물리학 프로젝트 수업에서 공통적으로 적용할 수 있는 수업의 틀을 Table 1과 같이 개발하였다. 1단계인 진로연계 물리학 프로젝트 제시 및 진로활동 단계는 학생들이 실제 수행해야하는 프로젝트를 제시함으로써 수업동기를 유발하고 진로활동을 통해 프로젝트와 관련된 학과, 직업, 공학적 내용에 대해 스스로 탐색하는 단계이다. 2단계는 프로젝트와 관련된 물리학 이론을 교사의 수업을 통해 학습하는 단계이다. 3단계인 프로젝트 수행 및 평가 단계는 학생들이 실제로 프로젝트를 수행하고 산출물을 직접 설계하고 제작하며, 제작한 산출물에 대해 발표하고 산출물의 성능을 확인하는 단계이다. 이러한 단계별 진로연계 물리학 프로젝트 수업은 진로와 물리학 교과 내용이 융합된 형태로 제공되어 학생들의 물리학·이공계 진로지향도, 물리 자기효능감, 과학관련태도를 향상시킬 수 있을 것이라고 기대한다.

Table 1 . Contents of career-related physics project class.

Step	Content	Class duration	Activity method
Step1: Presenting career-related physics projects and career activities	Proposal of career-related physics project, motivation induction Career exploration in related departments and occupations Investigation of engineering aspects related to the project	one class session	Individual activity
Step2: Theoretical classes related to career-related physics projects	Theory classes related to career-related physics project activities	two class session	Physics theory learning
Step3: Execution and evaluation of career-related physics projects	Group execution of career-relaeed physics project activities Presentation and evaluation of project activity results	three–six class session	Group activity

진로연계 물리학 프로젝트 수업에 적용할 주제를 토목공학, 항공우주공학, 전자공학으로 정한 후, Table 1에서 제시된 단계에 따라 수업 내용을 개발하였다. 3가지 주제의 진로연계 물리학 프로젝트 수업에서 교량제작, 물로켓 제작, 스피커 제작과 같이 학생들이 직접 산출물을 제작하고 이러한 산출물을 직접 제작하는 과정을 통해 실생활 문제를 다루게 된다. 진로연계 물리학 프로젝트 수업의 특징은 진로 관련 내용, 기술·공학 관련 내용, 물리학 이론 모두가 연계된 수업을 이룬다는데 있다. 학생들은 이러한 수업과정을 통해서 물리학 이론에 대한 학습뿐만 아니라 물리학과 관련된 다양한 학과와 직업을 알게된다. 또한 물리학이 실제 직업세계에서 필요하다는 것을 인식하게 될 것이다.

진로연계 물리학 프로젝트 수업을 적용하면서 학생들을 관찰한 결과 학생들은 1단계인 진로탐색 활동을 통해 물리학과 관련된 진로가 자신의 생각보다 훨씬 많으며 직업세계에서 물리학 이론과 개념이 중요하게 활용된다는 것을 알게되었다. 2단계인 이론수업 단계에서 학생들은 물리학 이론과 개념을 더욱 적극적으로 학습하려고 하는 모습을 보여주었다. 3단계에서 직접 프로젝트 산출물을 제작하면서 활발한 토의와 협력이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 이러한 진로연계 물리학 프로젝트 수업은 고전적인 강의식 수업에 비해 많은 수업시간을 필요로 하였으며, 프로젝트 활동을 위한 준비 시간이 많이 필요하였다. 부족한 수업시간 및 진도는 플립러닝을 이용하여 해결하였으며 프로젝트 활동을 위한 준비 시간은 노하우가 쌓이면 준비 시간이 줄어들 것이라고 생각된다. 수업을 진행하는 동안 학생들의 행동 특성이나 분위기는 평소 강의식 수업의 경우보다 학생들이 더 적극적으로 수업에 참여하였으며, 수업 활동을 즐거워 하는 모습을 보였고, 졸거나 엎드린 학생없이 학생들이 모두 수업에 열심히 참여하는 모습을 보였다.

1) 토목공학(교량제작) 프로젝트 수업 개발 및 적용

6차시 분량의 토목공학 관련 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 개발하였다. 교량의 종류와 구조에 대해서 알아보고, 교량을 설계하고 제작하는 토목공학과 및 토목공학 기술자에 대해 조사하는 내용으로 구성하였다. 이러한 토목공학 관련 교량제작 프로젝트 수업은 2022 개정 교육과정 물리학의 대단원 ‘힘과 에너지’에 서술된 ‘[12물리01-01] 물체에 작용하는 알짜힘과 돌림힘이 0일 때 평형을 이룸을 알고, 다양한 구조물의 안정성을 분석할 수 있다.’의 성취 기준에 준하여 개발하였으며 구체적인 수업의 단계 및 단계별 내용은 Table 2와 같다. 토목공학에서는 여러가지 토목구조물을 안전하게 건설하는 것이 중요하며, 토목구조물의 종류는 교량, 터널, 도로, 운하 등 여러가지가 있다. 토목구조물이 무너지지 않고 안정적으로 유지되려면 알짜힘과 돌림힘의 평형을 계산하는 과정이 필요하다.

Table 2 . Contents of career-related physics project class related to Civil Engineering.

Step	Content	Class duration
Step1	Proposal for bridge construction project, Motivation induction through apartment collapse footage viewing, Exploration of civil engineering and civil Engineers, Investigation of types and structures of bridges	one class session
Step2	Theory class on equilibrium of forces, torque, and structural stability	two class session
Step3	Execution of bridge construction project, Presentation and evaluation of results, Verification of stability of constructed bridge	three–six class session

1단계는 프로젝트 제시 및 진로활동 단계이며 수업 분량은 총 1차시(50분)이다. 학생들은 아파트 지하주차장 붕괴와 관련된 동영상을 시청 후 관련 자료를 검색해보고, 지하주차장 사고의 원인을 스스로 생각해서 적어본다. 그리고 이러한 붕괴사고를 예방하려면 어떠한 물리학 개념과 이론이 필요하다고 생각하는지 교과서에서 찾아서 적은 후, 이러한 붕괴사고를 예방하기 위해서는 어떤 직업이 중요하다고 생각하는지 커리어넷에서 조사한다. 토목공학과 및 토목공학기술자에 대해 조사한 내용을 자유롭게 기록하고, 토목공학기술자가 하는 일을 조사하며, 토목공학기술자가 사회에서 중요한 이유를 생각해서 적어 본다. 그리고 토목공학과로 진학하기 위해 필요한 관련 고등학교 교과목은 무엇이 있는지 조사한다. 도로, 교량, 댐, 터널, 운하, 상하수도관 등 다양한 종류의 토목구조물의 모습과 현수교, 사장교, 트러스교와 같은 다양한 종류의 교량의 모습을 관찰한 후 교량의 종류와 구조를 조사하고 조사한 내용을 글과 그림으로 나타낸다.

2단계는 프로젝트 관련 이론수업 단계이며 수업 분량은 총 1차시(50분)이다. 2단계에서는 힘의 평형과 돌림힘의 평형을 이용하여 거더교의 기둥에 가해지는 하중을 계산하는 방법과 사장교의 케이블에 가해지는 힘의 크기를 구하는 방법을 학습한다. 그리고 현수교와 트로스교의 안정성에 대해서도 학습하면서 학생들은 물리학 이론이 실제 교량 건설에 중요하다는 것을 인식하게 된다.

3단계는 프로젝트 수행 및 평가 단계이며 수업 분량은 총 4차시(200분)로 구성되었다. 학생들은 제시된 다양한 재료 중 어떤 재료를 선택할지, 어떤 형태의 교량을 설계하고 제작할지 조원들과 토의하여 결정한다. 그리고 사장교, 현수교, 트러스교 중 교량의 종류를 선택하여 교량을 설계 및 제작한 후 완성된 교량의 특징을 발표하고 교량의 안정성을 테스트한다. Figure 2는 토목공학 관련 교량 제작 프로젝트 수업의 학생 활동 사진이다.

Figure 2. (Color online) Photograph of career-related physics project class related to Civil Engineering.

2) 항공우주공학(물로켓 제작) 프로젝트 수업 개발 및 적용

항공우주공학 관련 진로연계 물리학 프로젝트 수업 4차시 분량을 개발하였다. 물로켓을 제작하고, 항공우주공학 기술자와 항공우주공학과에 대해 알아보는 내용으로 구성하였다. 항공우주공학 관련 물로켓 제작 프로젝트 수업은 2022 개정 교육과정 물리학의 대단원 ‘힘과 에너지’에 제시된 ‘[12물리01-03] 작용과 반작용 관계와 운동량 보존 법칙을 알고, 스포츠, 교통수단, 발사체 등에 적용할 수 있다.’의 성취기준에 준하여 개발하였으며 구체적인 수업의 단계 및 단계별 내용은 Table 3과 같다. 항공우주공학에서는 발사체 기술이 중요하며 발사체의 추진원리는 작용·반작용 법칙, 운동량 보존 법칙이다. 발사체가 성공적으로 원하는 궤도로 발사되려면 운동량 보존 법칙을 이용하여 추진력을 계산하는 과정이 반드시 필요하다.

Table 3 . Contents of career-related physics project class related to Aerospace Engineering.

Step	Content	Class duration
Step1	Motivation through watching video of ‘Korea Space Launch Vehicle-Ⅰ’ spacecraft launch, Exploration of aerospace engineering and aerospace engineers, Investigation into types and operation principles of launch vehicles	one class session
Step2	Theory class on Newton's third law and conservation of momentum	two class session
Step3	Designing and fabricating water rockets, Presentation of the constructed water rocket, Launching and performance verification of the water rocket	three–four class session

1단계는 프로젝트 제시 및 진로활동 단계이며 수업 분량은 총 1차시(50분)이다. 누리호 발사와 관련된 동영상을 제시하여 학생의 수업 동기를 유발한다. 학생들은 항공우주공학과 및 항공우주공학 기술자를 조사하고 발사체의 종류와 작동원리에 대해 스스로 탐색한다. 학생들은 누리호 발사와 관련된 영상을 시청한 후 발사체 기술의 활용 분야를 조사하여 적고, 발사체를 쏘아올리기 위해서는 어떠한 물리학 이론과 개념이 필요하다고 생각하는지 교과서에서 찾아본다. 그리고 발사체를 쏘아올리는 일은 어떤 직업과 관련이 있는지 커리어넷에서 조사한다. 항공우주공학과 및 항공우주공학 기술자에 대해 조사한 내용을 자유롭게 기록하고, 항공우주공학 기술자가 중요한 이유를 생각해본다. 그리고 항공우주공학과로 진학하기 위해 필요한 관련 고등학교 교과목에 대해 조사해서 적는다. 다양한 발사체의 모습을 관찰한 후, 발사체의 종류를 조사하고, 발사체의 종류에 따른 작동 원리를 조사해서 글과 그림으로 나타낸다.

2단계는 프로젝트 관련 이론수업 단계이며 수업 분량은 1차시(50분)이다. 학생들은 연료 분사에 따른 발사체의 추진원리와 연료통 분리에 따른 추진력을 운동량보존법칙을 이용해서 계산하고 물로켓의 추진 원리를 작용·반작용 법칙을 이용해서 설명한다. 3단계는 프로젝트 수행 및 평가단계이며 수업 분량은 2차시(100분)이다. 학생들은 조별로 물로켓을 설계 및 제작하고, 교사가 제시한 다양한 물로켓 재료 중 어떻게 하면 성능 좋은 물로켓을 제작할 수 있을지 의논하여 재료를 선택한다. 물로켓을 제작한 후 제작한 물로켓의 특징을 발표하고 물로켓 발사장치를 이용하여 제작한 물로켓의 성능을 확인한다. Figure 3은 항공우주공학 관련 물로켓 제작 프로젝트 수업의 학생 활동 사진이다.

Figure 3. (Color online) Photograph of career-related physics project class related to Aerospace Engineering.

3) 전자공학(스피커 제작) 프로젝트 수업 개발 및 적용

전자공학 관련 진로연계 물리학 프로젝트 수업 4차시 분량을 개발하였다. 스피커 제작 프로젝트 수업으로 2022 개정 교육과정 물리학의 대단원 ‘전기와 자기’에 제시되어 있는 ‘[12물리02-05] 전류의 자기 작용을 이용하여 에너지를 전환하는 장치의 원리를 알고, 스피커와 전동기 등을 설계할 수 있다.’의 성취기준에 준하여 개발하였다. 구체적인 수업의 단계 및 단계별 내용은 Table 4와 같다. 전자공학에서는 여러가지 전자기기를 설계하고 제작한다. 그 중 스피커와 이어폰은 우리 생활과 밀접한 관련이 있는 전자기기이다. 스피커와 이어폰을 설계하고 제작하기 위해서는 전류의 자기 작용을 이해한다. 진동판의 진동을 이해하기 위해 솔레노이드에 흐르는 전류에 의한 자기장의 방향과 세기에 대해 알아야한다.

Table 4 . Contents of career-related physics project class related to Electronic Engineering.

Step	Content	Class duration
Step1	Presentation of videos related to AI speakers, Exploration of electrical engineering and electrical engineers, Research on the structure and operation principles of speakers	one class session
Step2	Theory class on the magnetic effects of electric current	two class session
Step3	Designing and fabricating a speaker, Presenting the features of the completed speaker, verifying the performance of the speaker	three–four class session

1단계는 프로젝트 제시 및 진로활동 단계이며 수업 분량은 총 1차시(50분)이다. 학생들은 AI 스피커와 관련된 영상을 시청한 후 스피커를 활용하는 다양한 사례를 조사하여 적고, 스피커를 설계하고 제작하기 위해서는 어떠한 물리학 이론과 개념이 필요하다고 생각하는지 교과서에서 찾아 적는다. 그리고 스피커를 설계하고 제작하기 위해서는 어떤 직업이 필요하다고 생각하는지 커리어넷에서 찾아 적는다. 전자공학과와 전자공학기술자에 대해 조사한 내용을 자유롭게 기록하고, 전자공학기술자가 하는 일을 조사한 후 전자공학기술자가 중요한 이유를 적는다. 그리고 전자공학과로 진학하기 위해 필요한 관련 고등학교 교과목은 무엇이 있는지 조사해서 적는다. 다양한 스피커의 모습을 관찰한 후 스피커의 종류를 조사하고, 스피커의 종류에 따른 작동 원리를 조사하여 글과 그림으로 나타낸다.

2단계는 프로젝트 관련 이론수업 단계이며 수업 분량은 총 1차시(50분)이다. 2단계에서는 코일에 흐르는 전류의 방향과 세기에 따라 진동판이 진동하면서 소리가 발생한다는 것과 전류의 자기작용에 대해 학습한다. 3단계는 프로젝트 수행 및 평가 단계이며 수업 분량은 총 2차시(100분)이다. 3단계에서 학생들은 조별로 스피커를 설계 및 제작하고, 교사가 제시한 다양한 스피커 재료 중 어떻게 하면 성능 좋은 스피커를 제작할 수 있을지 조별로 의논하여 재료를 선택한다. 스피커를 제작한 후 제작한 스피커의 특징을 발표하고 음악을 들으면서 스피커의 성능을 확인한다. Figure 4는 전자공학 관련 스피커 제작 프로젝트 수업의 학생 활동 사진이다.

Figure 4. (Color online) Photograph of career-related physics project class related to Electronic Engineering.

2. 진로연계 물리학 프로젝트 수업에 참여한 학생들의 물리학·이공계 진로지향도, 물리 자기효능감, 과학관련태도 변화

진로연계 물리학 프로젝트 수업 총 14차시를 2023년 9월 초부터 10월 중순까지 고등학교 2학년 학생 60명을 대상으로 수업하였다. 이들 학생은 물리학Ⅰ을 선택한 학생들이다. 수업 전후에 물리학·이공계 진로지향도, 물리 자기효능감, 과학관련태도 검사를 각각 실시하였다.

1) 진로연계 물리학 프로젝트 수업에 참여한 학생들의 물리학·이공계 진로지향도 변화

진로연계 물리학 프로젝트 수업에 참여한 학생들의 물리학·이공계 진로지향도 변화를 확인하기 위해 물리학·이공계 진로지향도 사전검사와 사후검사를 실시하였고 결과는 Table 5와 같다.

Table 5 . Results of pre-testing and post-testing of Career Intention in Physics and Engineering (*p<.05).

Components	Pre-test (N=60)		Post-test (N=60)		p
	Mean	Variance	Mean	Variance
Preference for physics learning	3.74	0.38	4.37	0.31	.000*
Preference for careers related to physics	3.49	0.56	4.2	0.45	.000*
Perception of the value of a career in physics	3.88	0.33	4.42	0.26	.000*
Importance of information on careers in physics	3.72	0.40	4.23	0.43	.000*
Self-efficacy in science and engineering careers	3.63	0.55	4.28	0.54	.000*
Interest in science and engineering careers	3.91	0.49	4.42	0.51	.000*
Motivators in science and engineering careers	3.30	0.79	4.20	0.66	.000*

물리학·이공계 진로지향도의 각 하위 요소별 점수는 5점이다. 물리학·이공계 진로지향도 하위 요소 중 물리학 학습에 대한 선호도는 사전검사 평균 3.74점에서 사후검사 평균 4.37점으로 유의미하게 증가하였고, 물리학 진로 선호도는 사전검사 평균 3.49점에서 사후검사 평균 4.20점으로 유의미하게 증가하였다. 단순히 물리학 이론만 강의식으로 수업을 듣는 것이 아니라 실제로 물리학 이론이 어떻게 활용되는지, 물리학과 관련된 진로와 직업은 무엇이 있는지 탐구하는 과정을 통해 물리학 학습 선호도와 물리학 진로 선호도가 증가한 것으로 생각된다. 프로젝트 수업이 끝난 후 학생A, 학생B, 학생C, 학생D, 학생E와 인터뷰를 실시하였다. 학생A는 커리어넷에서 진로에 대해 조사하면서 공학분야에서 물리학의 중요성에 대해 알게 되었다고 응답하였고, 학생B는 커리어넷에서 진로에 대해 조사하고 찾아보는 과정에서 물리학이 이공계 직업에 중요하다는 것은 알게 되었다고 응답하였다.

물리학·이공계 진로지향도 하위 요소 중 물리학 진로에 대한 가치 인식은 사전검사 평균 3.88점에서 사후검사 평균 4.42점으로 유의미하게 증가하였고, 물리학 진로 정보의 필요성이 사전검사 평균 3.72점에서 사후검사 평균 4.23점으로 유의미하게 증가하였다. 면담 과정에서 학생B는 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 통해 진로에 대해 자기주도적으로 조사하는 과정에서 진로 정보가 중요하다는 것과 물리학과 관련된 직업이 다양하고 많다는 것을 알게되었다고 응답하였다. 물리학과 관련된 직업들이 무엇이 있는지, 물리학이 우리 실생활에 얼마나 중요한 역할을 하고 있는지 스스로 탐구하는 과정을 통해 물리학 진로에 대한 가치 인식이 향상되었다고 판단된다.

물리학·이공계 진로지향도 하위 요소 중 이공계 진로 자아효능감이 사전검사 평균 3.63점에서 사후검사 평균 4.28점, 이공계 진로 흥미가 사전검사 평균 3.91점에서 사후검사 평균 4.42점, 이공계 진로 동기가 사전검사 평균 3.30점에서 사후검사 평균 4.20점으로 모두 유의미하게 증가하였다. 학생A는 성공적으로 프로젝트를 수행하였기 때문에 이공계 진로에 대한 자아효능감이 높아졌다고 응답하였고, 커리어넷에서 진로에 대해 조사하면서 공학분야에서 물리학이 중요하다는 것을 알게 되었다고 응답하였다. 학생C 는 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 통해서 물리학 이론과 법칙이 실제 상황에서 어떻게 활용되는지 배우고, 여러 가지 산출물을 직접 만들어 보았기 때문에 이공계 진로지향도 및 동기가 높아졌다고 응답하였다. 공학기술이 실제 우리 생활에 미치는 영향에 대한 조사, 학과에 대한 조사(토목공학과, 항공우주공학과, 전자공학과), 직업에 대한 조사(토목공학자, 항공우주공학자, 전자공학자), 공학기술을 이용한 실제 산출물(교량, 물로켓, 스피커)을 설계하고 제작하는 과정을 통해 수업에 참여한 학생들의 이공계 진로지향도 점수가 향상되었다고 판단된다.

2) 진로연계 물리학 프로젝트 수업에 참여한 학생들의 물리 자기효능감 변화

진로연계 물리학 프로젝트 수업에 참여한 학생들의 사전, 사후 물리 자기효능감 검사를 실시하였고 결과는 Table 6과 같다.

Table 6 . Results of pre-testing and post-testing of Physics Self-Efficacy (*p<.05).

Components	Pre-test (N=60)		Post-test (N=60)		p
	Mean	Variance	Mean	Variance
Understanding of physics learning content	3.43	0.47	4.19	0.44	.000*
Application of physics learning content	3.21	0.33	4.16	0.44	.000*
Physics experiments	3.29	0.49	4.14	0.50	.000*
Achievement motivator	3.08	0.40	3.93	0.63	.000*
Learning ability	3.20	0.48	4.08	0.58	.000*

물리 자기효능감의 각 하위 요소별 점수는 5점이다. 물리 자기효능감 하위 요소 중 물리 학습 내용의 이해 요인은 사전검사 평균 3.43점에서 사후검사 평균 4.19점으로 유의미하게 증가하였다. 물리 학습 내용의 이해 요인은 물리 학습 상황에서 물리학 개념을 이해하는 지적 수행 능력에 대한 자기효능감을 나타낸다. 진로연계 물리학 프로젝트 수업의 이론단계에서 교사의 설명을 자신의 언어로 정리하는 과정, 진로연계 프로젝트를 수행하는 과정에서 서로의 의견을 공유하고 완성한 프로젝트 결과물을 설명하고 발표하는 과정을 통해 물리 학습 내용의 이해에 대한 인식이 높아진 것으로 판단된다.

물리 자기효능감 하위 요소 중 물리 학습 내용의 적용 요인은 사전검사 평균 3.21점에서 사후검사 평균 4.16점으로 유의미하게 증가하였다. 물리 학습 내용의 적용 요인은 학습한 물리 개념을 일상생활에서 적용하는 능력에 대한 자기효능감을 의미한다. 학생A는 물리학 이론이 적용된 프로젝트 산출물을 직접 제작하는 과정을 통해서 물리학 내용을 실생활에 적용하는 것에 도움이 되었다고 응답하였다. 학생 B는 이론을 배운 후 직접 교량, 물로켓, 스피커를 제작하는 과정을 통해 물리학 이론을 실제로 적용하는데 도움이 되었다고 응답하였다. 학생C는 실생활에서 물리학 이론이 어떻게 활용되는지 배우는 과정을 통해 물리학이 이론만으로 존재하는 것이 아니라 실생활에 적용할 수 있다는 것을 알 수 있었다고 응답하였다. ‘토목구조물이 없다면 우리 생활에 어떤 불편한 점이 있을까?’, ‘발사체 기술이 없다면 우리 생활에 어떤 불편한 점이 있을까?’, ‘스피커 기술이 없다면 우리 생활에 어떤 불편한 점이 있을까?’와 같은 질문에 대해 생각해보는 과정과 진로연계 프로젝트를 과정에서 물리학 이론이 실생활에 적용된다는 것을 인식하는데 도움이 되었다는 것을 알 수 있었다.

물리 자기효능감 하위 요소 중 물리실험 요인은 사전검사 평균 3.29점에서 사후검사 평균 4.14점으로 유의미하게 증가하였다. 물리실험 요인은 물리 실험 수행능력에 대한 자기효능감을 나타내며, 학생들의 물리실험과 관련된 수행에 대한 자신감을 의미한다. 학생 A는 물리실험 요인에 대한 점수가 오른 이유를 직접 산출물을 만들어 보는 과정 때문이라고 응답하였고, 학생 D는 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 통해 산출물을 직접 제작하는 과정을 통해 물리실험에 대한 자신감이 생겼다고 응답하였다. 학생들은 여러가지 도구를 활용하여 정확한 수치값을 측정하고 교량, 물로켓, 스피커를 직접 설계하고 제작하는 시간을 가졌다. 어떻게 하면 교량을 튼튼하고 안전하게 제작할 수 있을지, 물로켓을 어떻게 하면 멀리 날릴 수 있을지, 어떻게 하면 성능이 뛰어난 스피커를 만들 수 있을지 고민하고 실제로 프로젝트 산출물들을 제작하는 과정을 통해서 물리실험 요소에 대한 점수가 향상된 것으로 보인다.

물리 자기효능감 하위 요소 중 성취동기 요인은 사전검사 평균 3.08점에서 사후검사 평균 3.93점으로 유의미하게 증가하였다. 성취동기 요인은 물리 학습과 관련하여 다양한 성취에 대한 자신감을 나타내는 요인이다. 학생 A는 프로젝트 산출물을 성공적으로 완성하는 경험을 통해 성취동기가 증가하였다고 응답하였다. 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 개발할 때 학생들이 모두 산출물을 성공적으로 제작할 수 있도록 프로젝트를 어렵지 않게 설정하였다. 학생들은 진로연계 프로젝트 활동을 통해 자신이 직접 제작한 교량을 무선 자동차가 안정적으로 지나가는 경험, 자신이 직접 제작한 물로켓이 성공적으로 발사돼서 날아가는 경험, 자신이 직접 제작한 스피커를 이용하여 성공적으로 음악을 감상하는 경험을 통해서 성취동기가 증가했을 것이다.

물리 자기효능감 하위 요소 중 수학능력 요인은 사전검사 평균 3.20점에서 사후검사 평균 4.08점으로 유의미하게 증가하였다. 수학능력은 물리 학습에서 요구되는 수학적 지식의 활용능력에 대한 자기효능감을 나타낸다. 교량이 안정되게 유지되기 위한 조건을 확인하기 위해 힘의 평형과 돌림힘의 평형을 활용하여 교량의 기둥에 가해지는 하중을 계산하고, 발사체가 추진할 때 발생하는 추진력을 운동량 보존법칙을 이용하여 계산하고, 스피커의 솔레노이드가 만드는 자기장의 세기를 계산하는 과정을 통해 수학능력이 증가하였을 것이라고 예상하였다. 하지만 학생들의 인터뷰 결과, 학생B는 돌림힘을 계산하여 교량이 평형이 되는 조건을 알게 되고, 운동량보존법칙을 이용하여 발사체의 추진력을 계산해보는 과정을 통해 수학능력이 증가하였다고 응답하였다. 그러나, 학생A와 학생C는 진로연계 물리학 프로젝트 수업만으로는 수학능력이 증가하지 않는 것 같다는 응답을 하였다.

3) 진로연계 물리학 프로젝트 수업에 참여한 학생들의 과학관련태도 변화

진로연계 물리학 프로젝트 수업에 참여한 학생들의 과학관련태도 변화를 확인하기 위해 과학관련태도TOSRA(Test of Science-Related Attitudes)의 하위 요소인 ‘과학 수업의 즐거움’, ‘과학에 대한 직업으로서의 관심’ 요소의 변화를 검사하였다. 각 요소별 점수는 5점이다. 참여한 학생들의 과학관련태도 변화는 Table 7과 같다.

Table 7 . Results of pre-testing and post-testing of Science-Related Attitudes (*p<.05).

Scale Name	Pre-test (N=60)		Post-test (N=60)		p
	Mean	Variance	Mean	Variance
Enjoyment of science lessons	3.56	0.38	4.23	0.35	.000*
Interest in careers in science	3.36	0.39	3.88	0.50	.000*

과학 수업의 즐거움이 사전검사 평균 3.56점에서 사후 평균 4.23점으로 유의미하게 증가하였다. 학생 A는 물리 이론을 실제 상황에 적용하여 직접 산출물을 만들어 보는 과정을 통해서 과학 수업이 즐거웠다고 응답하였다. 학생B는 어떤 재료를 사용할지 조원들과 의논하고 직접 산출물을 만들어내는 과정을 통해 과학 수업이 즐거웠다고 응답하였다. 학생 C는 조원들과 협동해서 함께 산출물을 만들어가는 과정을 통해 과학 수업이 즐거웠다고 응답하였다. 이를 통해, 학생들은 물리학이 적용되는 사물을 설계하고 제작하는 프로젝트 수업을 통해 과학 수업에 대한 즐거움을 느끼는 것으로 판단된다.

과학에 대한 직업으로서의 관심이 사전검사 평균 3.36점에서 사후검사 평균 3.88점으로 유의미하게 증가하였다. 학생A는 커리어넷에서 진로에 대해 조사하는 과정에서 공학분야에서 물리가 중요하다는 것을 알게 되었고 이러한 이유로 과학에 대한 직업으로서의 관심이 높아졌다고 응답하였다. 학생E는 커리어넷에서 여러가지 직업을 찾아보면서 과학에 대한 직업으로서의 관심이 높아졌다고 응답하였다. 이를 통해 과학이론이 실제 우리 생활에 어떻게 이용되고 활용되는지 알아보는 탐구활동과 이러한 과학기술이 없다면 우리의 생활이 얼마나 불편해질지 생각해보는 과정, 그리고 과학관련 직업과 학과에 대해 조사하고 알아보는 과정을 통해 과학에 대한 직업으로서의 관심이 증가했을 것으로 생각된다.

본 연구에서 2022 개정 교육과정에서 새롭게 제시된 교과시간을 활용한 진로연계교육을 운영하는 방안을 제시하였다. 이를 통해 물리학 관련 진로교육 활성화에 기여하고자 하였다. 2022 개정 교육과정 물리학 성취기준에 준하여 3가지 주제(토목공학, 항공우주공학, 전자공학)에 대해 총 14차시 분량의 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 개발하였다. 1단계 진로탐색, 2단계 물리학 이론 수업, 3단계 프로젝트 산출물을 제작하는 일련의 활동을 통해 학생들은 물리학 이론이 실제 직업세계에서 얼마나 중요하게 활용되고 있는지, 얼마나 다양한 물리학 관련 직업들이 있는지를 알게 된다.

개발한 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 학생들에게 적용한 결과 수업에 참여한 학생들의 물리학·이공계 진로지향도 점수가 유의미하게 향상하였고 하위 요인인 물리학 학습에 대한 선호도, 물리학 진로 선호도, 물리학 진로에 대한 가치 인식, 물리학 진로 정보의 필요성, 이공계 진로 자아효능감, 이공계 진로흥미, 이공계 진로동기 점수 모두 유의미하게 증가하였다. 그리고 학생들의 물리 자기효능감이 점수가 유의미하게 향상하였고 하위 요인인 물리 학습 내용의 이해, 물리 학습 내용의 적용, 물리 실험, 성취동기, 수학능력 점수 모두 유의미하게 증가하였다. 또한, 과학관련태도의 하위 요인인 과학 수업의 즐거움, 과학에 대한 직업으로서의 관심 점수 모두 유의미하게 증가하였다. 본 연구에서 개발하고 적용한 진로연계 물리학 프로젝트 수업은 학생의 물리학·이공계 진로지향도, 물리 자기효능감, 과학관련태도를 향상시킬 수 있는 교과 시간을 활용한 효과적인 진로연계교육 운영 방안이라고 생각된다. 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 구성하고 적용할 때는 학생들이 충분히 물리학 관련 진로를 탐색할 수 있도록 교사가 조력자 역할을 해야 하며, 학생들이 산출물을 제작할 때 성공의 경험을 통해 물리학 관련 진로에 대한 자신감이 향상되도록 가능한 어렵지 않은 프로젝트 과제가 제시되어야 한다.

본 연구에서 개발 및 적용한 물리학 1 교과시간을 활용한 진로연계교육에 대한 제언은 다음과 같다. 첫째, 2022 개정 교육과정에서 진로연계교육이 성공적으로 안착하기 위해서는 본 연구에서 개발한 진로연계 프로젝트 수업의 형태 외에도 교과별 특성에 맞는 다양한 형태의 진로연계교육 운영 방안에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 둘째, 본 연구에서 개발하고 적용한 진로연계 물리학 프로젝트 수업은 교과 시간을 활용하여 학생들의 물리학·이공계 진로지향도, 물리 자기효능감, 과학관련태도를 향상시킬 수 있는 좋은 진로연계교육 방안이라고 생각된다. 그러나 연구대상이 물리학Ⅰ을 선택한 고등학교 2학년 학생들이다. 아직 진로가 정해지지 않은 고등학교 1학년 학생들을 대상으로 통합과학의 교과 성취기준을 활용하여 진로연계 과학(물리학) 프로젝트 수업을 개발하고 적용하였을 때 학생들의 물리학·이공계 진로지향도, 물리 자기효능감, 과학관련태도 변화를 확인해 보는것이 필요하다. 셋째, 본 연구에서는 2022개정 교육과정의 물리학 성취기준을 바탕으로 진로교육의 성취기준과 연계하여 토목공학, 항공우주공학, 전자공학 총 3가지 주제에 대해 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 개발하고 적용하였다. 물리학 관련 진로는 위의 3가지 주제 외에도 다양하다. 물리학과 관련된 다양한 주제와 진로에 대해 진로연계 물리학 프로젝트 수업을 개발하고 적용하는 것이 필요하다.

본 연구는 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원의 대학ICT연구센터사업의 연구결과로 수행되었습니다(2024-2020-0-01606), 또한, 이철우의 석사학위논문 작성을 위해 수집한 데이터를 활용하여 연구결과를 도출하였습니다.