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과학교육학 학위논문 요약과 종합해설
전자기 학습에서 현상 구현 활동의 역할
국문 초록
학교 물리 실험은 학생들이 조작 활동과 사고 활동의 상호작용을 통해 물리학의 탐구과정을 능동적으로 수행하고 물리 개념을 이해하도록 돕는 활동이다. 예시적 확인 실험은 물리학의 개념이나 법칙을 분명하게 예시할 수 있다는 장점에도 불구하고, 옳은 결과가 이미 정해져 있고 분석적인 접근을 중시하기 때문에 학생들의 기계적인 실험 행동을 유발하기 쉽다는 단점을 지니고 있다. 현상 구현 활동은 학생들이 특정 현상을 구현하기 위해 사물을 조작하고 사고를 전개하면서 구조물을 만드는 활동으로 물질 현상을 분석적으로 설명하려는 물리학의 성격과 구조물을 설계하고 만드는 기술의 성격을 동시에 반영한다.
본 연구의 목적은 과학 완구를 이용한 현상 구현 활동에서 학생들의 조작 활동과 사고 활동 과정을 분석하여 전자기 학습에서 현상 구현 활동이 어떤 역할을 하는지 탐색하는 것이다. 이를 위해 질적 사례 연구를 수행하였다. 사례 연구의 초점 질문은 첫째, 현상 구현 활동에서 조작 활동과 사고 활동의 상호작용은 어떻게 나타나는가, 둘째, 현상 구현 활동은 학생들이 물리학의 탐구과정을 능동적으로 수행하는데 어떻게 기여하는가, 셋째, 현상 구현 할동은 학생들이 전자기학의 개념을 이해하는데 어떻게 기여하는가였다.
사례 연구의 대상은 과학 성취도 수준이 높은 중학교 2학년 학생 네 명이었다. 학생들에게 주어진 과제는 과학 완구 `한없는 돌이'의 `자석 팽이가 한없이 도는 현상'을 관찰한 뒤 같은 현상을 구현하는 것이었다. 학생들은 이를 위해 23시간여에 걸쳐 구조물을 제안하고 만들었다. 이 기간동안 학생들은 실험일지와 최종 보고서를 작성하였고 온라인 게시판에 의견을 올렸다. 연구자는 현장 기록을 하고 학생을 면담하였으며 학생 활동 전체를 비디오로 촬영하였다. 이 자료들을 바탕으로 각 학생들의 조작 활동과 사고 활동을 분석하여 전체 과정을 활동도로 나타내었다.
각 학생의 현상 구현 활동도를 분석한 결과, 조작 활동과 사고 활동의 상호작용 결과물은 학생들이 구체적인 사물로 이루어진 구조물 모형을 제안하거나 관찰 결과를 물리 이론으로 해석하는 것과 같이 실제 사물과 물리 이론이 복합된 것이었다. 이 결과물들은 전체 활동에서 세 가지 유형의 활동을 중심으로 반복하여 나타났다. 세 가지 유형은 특정한 조작이 어떤 결과를 낳는지 확인하고 그 결과를 반성하는 탐색 유형, 특정 의도를 실현하기 위해 잠정적인 구조물을 제안하고 만들어 그 결과를 반성하는 의도시험 유형, 그리고 전자기학 이론을 바탕으로 모형을 제안하고 만들어 그 결과를 반성하는 가설시험 유형이었다. 이것은 현상 구현 활동이 학생들의 반성적 활동을 촉진하고, 분석적인 실험 방법을 포괄하는 종합적인 실험의 맥락을 제공하였음을 의미한다.
`한없는 돌이'를 이용한 현상 구현 활동에서 학생들은 물리학의 탐구과정을 다음과 같이 수행하였다. 첫째, 학생들은 자석 팽이의 운동을 지속적으로 반복 관찰하면서 관찰 사실을 재구성하였다. 또한 학생들은 관찰을 할 때 간단한 조작을 하였다. 둘째, 구조물을 만드는 과정에서 처음에는 현상의 표면적인 특징에 초점을 맞추었으나 여러 가지 시도들이 실패로 돌아가자 전자기학의 개념을 이용하여 현상을 해석하려고 노력하였고 그에 바탕을 둔 모형을 제안하였다. 이 모형들은 실제로 구조물을 들어갈 기구들과 자석 팽이의 운동에 바탕을 두고 제안되었고 그에 비추어 수정되었다. 셋째, 특정 의도를 실현하기 위해 실제 구조물을 만드는 경우 학생들은 특정 변인이 팽이의 운동에 주는 효과를 주목하면서 특정 과정을 반복하였고 사고 실험의 경우에도 구조물을 제안하고 그 결과를 이론과 경험에 비추어 예상하는 과정을 반복하였다. 넷째, 학생들은 다양한 가능성에 주목하였기 때문에 여러 차례의 단절이 있었고 때로는 이전에 그만두었던 구조물로 되돌아가는 경우도 있었으며 현상에 대한 감각과 실마리를 얻기 위해 사물을 조작하기도 했다. 이와 같이 현상 구현 활동은 학생들이 구조물을 만드는 상황에서 의도를 실현하려고 노력하게 함으로써 탐구과정을 능동적으로 수행하게 하였다.
`한없는 돌이'를 이용한 현상 구현 활동에서 학생들은 다음과 같이 전자기 개념을 학습하였다. 첫째, 학생들은 구조물에 들어갈 기구들의 기능을 `인력'이나 '척력'과 같이 이미 알고 있던 전자기 개념들과 연관지었고 이 개념들은 학생들이 제안하거나 직접 만든 구조물과 뗄 수 없는 관계에 있었다. 둘째, 학생들은 자석 팽이의 운동이라는 구체적인 상황에서 때로는 이미 알고 있던 개념의 내용과 범위를 수정하였고, 때로는 자신이 알고 있는 개념의 한계를 파악하였으며, 때로는 새로운 개념을 도입하기도 했다. 셋째, 학생들은 자기력이나 자기장과 같은 전자기 개념에 대해 비명제적 지식을 형성하였다. 이와 같이 현상 구현 활동은 학생들이 구조물을 만드는 상황에서 자석 팽이의 운동과 전자기 개념을 연관짓게 함으로써 전자기 개념 이해에 기여하였다.
결론적으로 과학 완구 `한없는 돌이'를 이용한 현상 구현 활동은 종합적이고 반성적인 실험의 맥락을 제공하여 구조물을 중심으로 학생들의 조작 활동과 사고 활동이 상호작용하도록 촉진하였다. 현상 구현 활동은 전자기 학습에서 관찰, 가설 형성, 반복 수행, 다양한 가능성 고려와 같은 탐구과정을 능동적으로 수행하게 하였고, 이미 알고 있던 개념을 현상과 연관짓고 그 개념들의 의미를 확장하고 때로는 새로운 개념을 도입하게 하는 역할을 하였다.
주요어: 현상 구현 활동, 실험, 조작 활동, 사고 활동, 상호작용, 활동도, 전자기
서울대학교 교육학 박사학위 논문 요약, 2002.
지도교수: 박승재
황성원
서울대학교 물리교육과
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