새로운 물리탐구의 세계

“들으면 잊고, 보면 기억한다. 그러나, 해 보면 이해할 수 있다.”는 이 중국 속담은 과학 교육에서도 이미 널리 알려진 말이다. 교실에서 우리는 논리적인 설명만 하고 있지는 않았는지, 또는 뭔가를 학생들에게 직접 보여주는 일에 인색하지는 않았는지 반성해 본다.

그래서 지난 몇 년 간 학생들에게 직접 보여 주기 위한 여러 가지 시범 장치들을 만들고 개발해 왔다. 그러한 시범 장치들은 많은 교사들에게 알려졌고, 물리연구회와 같은 교사연구모임을 통해서도 물리 시범 장치의 개발과 적용이 활발하게 확산되었다. 그러나 시범 장치를 학생들에게 보여 주고 설명해 주는 것만으로는 부족함을 느껴 왔다.

이에 한 걸음 더 나아가 학생들이 직접 탐구 활동에 참여할 수 있도록 하기 위해 이 책이 개발되었다. 여기에서는 여섯 가지 영역에서 새로운 유형의 탐구 활동들을 개발하여 소개하고 있다. 먼저 ① 새로운 실험/ 시범 활동에서는 새로운 주제와 소재들로 개발된 새로운 실험들이 소개된다. 또 기존의 교재들에서 잘못 지도되거나 쉽게 보이기 힘든 실험들도 소개된다. ②새로운 탐구기능 개발에서는 중요한 탐구기능이면서 기존의 실험에서 쉽게 도입되기 힘들었던 실험들이 소개된다.  예를 들면, 관찰 현상을 이론과 연결짓는 활동이나 실험 단계 설정하기, 그리고 변인 설정하기 등의 활동이 그러한 예이다. ③ 과학적 본성의 이해에서는 과학적 탐구 과정의 본성이 무엇인지를 이해하도록 개발된 활동들이다. 예를 들면, 과학적 가설은 어떻게 제안하는지, 과학적 설명과 예측의 논리적인 구조는 어떠한지 등을 이해함으로써, 학생들이 가설을 제안하거나 자연 현상을 설명하도록 돕고자 하였다. ④ 실생활 소재를 이용하고, 실생활 속에서 과학 개념을 이해하거나 과학적 탐구를 하도록 하는 것은 제7차 교육과정뿐 아니라 세계적으로 널리 강조되고 있는 측면이다. 따라서, 실생활 탐구 활동은 이러한 목적으로 개발된 활동들이다. 여기에서는 롤러코스터, 우리의 눈(eye), 전자 제품 속에서 쉽게 볼 수 있는 여러 가지 부품이나 센서 등을 이용한 탐구 활동들이 소개된다. ⑤탐구 활동은 비단 실험실 안에서만 이루어지는 것은 아니다. 교실에서도 여러 가지 활동을 통해 학생들이 탐구적인 학습을 하도록 도울 수 있다. 교실 탐구 활동(ACT: Activities for Classroom Teaching)에서는 학생들이 게임식의 활동이나 여러 가지 방법으로 내용을 정리하거나 이해하도록 돕기 위한 활동들이 소개된다. ⑥마지막으로 컴퓨터 과학 실험에서는 인터넷에서 소개되는 시뮬레이션을 이용한 탐구 활동이나, 학생들의 탐구 활동을 위해 엑셀을 적용한 예들이 소개된다.

본인은 앞으로도 이와 같이 다양한 유형의 다양한 목적을 가진 다양한 내용의 탐구 활동들을 계속 개발해 나갈 것이다. 현재는 과학적 탐구의 본성을 통해 과학적 탐구 활동을 보다 의미있게 수행할 수 있는 활동들을 개발하려는 계획을 가지고 있다.

이 책은 학술진흥재단의 교과교육공동연구의 지원을 받아 이루어졌다. 이 자리를 빌려 학술진흥재단에 감사의 말씀을 전하고자 한다. 이 연구에 공동 연구자로 참여한 이강길 교사는 전남대학교에서 본인의 지도를 받아 석사학위를 수여받은 우수한 물리 교사이다. 시범 장치를 제작하고 개발하는 데 있어서는 전문가라고 할 수 있다. 이 책에서 소개되는 시범 장치들도 직접 만들고 개발하는 데 큰 기여를 하였으며, 개발한 활동들을 과학교사연구모임에 소개하고 발표하는 중요한 역할을 수행하기도 하였다.

이 외에도 여러 사람들이 시범 장치를 만들고, 만든 장치의 사진을 찍는 등 많은 도움을 주었다. 그리고 여러 대학원생들이 개발된 활동들에 물리적인 오류는 없는지, 설명에 부족한 것은 없는지, 직접 학생들에게 적용해 보았을 때 문제점은 없는지 등에 대해 많은 도움을 주었다. 김두현, 이한수, 최승희, 윤혜영, 김정자 선생님, 그리고 전남대학교의 양현희, 윤현선 학생 등에게 이 자리를 빌려 감사의 말을 전하고자 한다.

부디 작은 책이지만, 학교 현장에서 학생들이 ‘직접 해 봄으로써 이해할 수 있도록’ 하는데 실질적인 도움이 되기를 바란다.

2005년 4월

박 종 원

Ⅰ. 새로운 실험/ 시범 활동

01 그림자 모양

02 평면 거울에 의한 반사

03 좌우가 바뀔까?

04 공기 렌즈

05 휘는 빛

06 빛의 합성과 분해

07 광통신 1

08 광통신 2

09 검전기 만들기

10 전자 기타와 사이클로트론

11 소리 필터

12 적외선 관찰

13 헤르츠 실험

14 무선 VCR

Ⅱ. 새로운 탐구기능 개발

15 관찰하기: 촛불

16 관찰과 이론 연결짓기: 파동

17 관찰과 이론 연결짓기: 볼록 렌즈에 의한 상

18 가설 설정하기: 구리봉 속의 자석

19 변인 설정하기: 전기 그네

20 변인 통제하기“ 자유 낙하

21 실험 단계 설정하기: 비열

22 과학적으로 설명하기: 유전분극

23 일상적 상황에서 문제 해결하기: 추운 보일러

24 어림하기: 1N은?

Ⅲ. 과학적 본성의 이해

25 과학적 관찰의 본성

26 측정의 한계

27 좋은 과학적 가설의 조건

28 과학적 가설의 설정 과정

29 과학적 설명의 논리적 구조

30 과학적 예측의 논리적 구조

31 과학 법칙의 인과적 관계

32 이상 조건의 역할

33 물리학의 연구 분야

34 과학자에 대한 이해

35 과학에 대한 나의 입장

Ⅳ. 실생활 탐구 활동

36 롤러코스터

37 야간 표지판

38 광케이블

39 눈

40 파이프 악기

41 소금 전지

42 경보 장치: 리드 스위치

43 발광 다이오드(LED)

44 콘덴서

45 콘덴서 마이크

46 연필 저항

47 온도에 따라: 서미스터

48 빛의 밝기에 따라: Cds

49 전자기파 차폐

Ⅴ. 교실 탐구 활동 (ACT)

50 실제로는: 가속도 이야기

51 실제로는: 스카이다이빙

52 실제로는: 귀

53 실제로는: 초음파 진단

54 내가 압니다: 에너지

55 길 찾아가기: 뉴턴의 법칙

56 계산 연습하기: 등가속도 운동

57 설명 순서대로 하기: 초인종과 도난 경보기

58 그림과 설명 연결하기; 눈의 기능과 구조

59 그림과 설명 연결하기: 전자 기타의 원리

60 내용 정리하기 시합: 패러데이 법칙

61 논리적 결론 내리기: 수직 위로 올라가는 물체

62 논리적 결론 내리기: 진자 운동

63 도미노 게임: 에너지 전환

64 퍼즐 맞추기: 힘과 운동

65 개념도 그리기: 힘과 운동

66 과학 4행시: 전기와 자기

67 단계별 문제 풀기: 뉴턴의 운동 법칙

Ⅵ. 컴퓨터 과학 실험

68 Interactive Physics: 수진 가속도 운동

69 Interactive Physics: 등속 원운동

70 Interactive Physics: 단진자 운동

71 인터넷 시뮬레이션: 볼록 렌즈에 의한 상

72 인터넷 시뮬레이션; 오목 거울에 의한 상

73 엑셀 계산: 합성 저항 구하기

74 엑셀 그래프: 포물선 운동

75 애니메이션: 냉장고의 원리