기본물리상수(Fundamental Physical Constants)에 대한 고등학교 물리교사의 인식 연구

Abstract

기본물리상수는 시간과 공간에 따라 값이 변하지 않는 물리량으로, 물리학 여러 분야의 실험을 통한 측정에 의해 그 값을 얻을 수 있다. 상수가 처음 발견된 후 오랜 시간이 흐른 지금도 여러 과학자들은 과학 이론의 발전을 위해 정확도 높은 상수의 값을 측정하기위한 실험을 지속적으로 수행하고 있다. 본 연구의 목적은 고등학교 물리교과서에 나오는 기본물리상수에 대한 고등학교 물리교사의 인식과 이해 정도, 지도실태 및 방법에 대해 탐색해보는 것으로 이를 위해 본 검사가 실시되기 전 사전연구로 교과서 및 대학수학능력시험을 분석하였다. 본 검사는 서울·경기·인천 소재 고등학교 물리교사 126명을 대상으로 하여 설문을 진행하였고 기본물리상수의 지도실태 및 방법에 대한 부분은 교사들의 교육경험에서 우러나오는 구체적인 사례를 통해 심도 있게 연구하기위해 6명의 교사를 대상으로 심층면담을 실시하였다. 설문의 내용은 총 세 부분으로 구성되어 있다. 교사의 기본사항을 묻는 문항, 기본물리상수에 대한 인식을 확인하는 문항, 기본물리상수에 대한 교사들의 이해 수준을 측정하는 문항이 있으며, 면담에서 사용한 질문지는 설문의 내용에서 크게 벗어나지 않는 선에서 지도실태 및 방법, 제언과 관련된 문항을 추가하여 제작하였다. 설문은 전자우편(e-mail)을 통해 이루어졌으며, 회수된 설문은 SPSS 17.0 프로그램을 사용하여 분석되었다. 면담은 반구조화 된 면담법을 사용하여 1회, 30분정도로 진행되었으며, 면담 내용은 모두 녹음하여 전사 한 후 수집한 자료를 분석한 결과, 고등학교 물리교사들은 기본물리상수에 대해 대체적으로 관심을 보이고 있으나, 학생들은 관심이 없을 것이라고 생각하고 있었다. 또한 기본물리상수에 대한 자료검색의 여부를 조사한 결과, 88.7%에 해당하는 110명의 교사가 기본물리상수에 대한 자료를 검색해 본 경험이 있다고 응답하였으며, 자료검색의 목적은 교사들의 개인적인 궁금증을 해결하기 위한 것이었다. 정기고사 출제 시 정확한 실험적 근거를 제시하기 위해 자료 검색을 해보았다는 기타의견도 있었다. 교사들은 기본물리상수의 자료로 관련 도서를 가장 많이 이용하고 있었으며, 기본물리상수와 관련된 분야의 전문가의 알기 쉬운 설명이 자료로 보완되기를 원했다. 기타의견으로는 물리상수의 측정 실험 및 역사적 변천과정을 정리한 자료가 보완되어야 한다는 것이 있었다. 교사들은 기본물리상수에 대한 학습의 중요성도 인지하고 있으며, 학생들에게 기본물리상수에 대한 교수를 하고 있는 것으로 조사 되었다. 여기에서 말하는 설명은 기본물리상수에 대한 교사의 관심 정도 또는 학습 중요도에 따라 교사마다 그 깊이와 수준을 달리 하는 것으로 판단된다. 또한 교사들은 교과서의 내용 또는 교사들의 설명이 학생들이 만족할 만큼 충분하다고 생각을 하지만, 기본물리상수의 탄생배경 및 측정실험, 물리적 의미 등 기본물리상수에 대한 세부적인 내용이 보완되기를 원했다. 기본물리상수의 학습 효과에 대해 교사들은 학생들이 기본물리상수에 관한 세부적인 내용을 학습 하게 될 경우 호기심·동기 유발에 도움이 될 뿐 아니라, 관련 물리개념 또는 물리이론을 이해하는데 있어 효과적일 적일 것이라 생각하지만, 기본물리상수의 학습이 학생들의 학업성취도에 미치는 영향에 대해서는 직접적인 연관성을 찾기 힘들 것이라는 반응을 보였다. 물리교사의 기본물리상수 최소 이해 범위에 대해 교사들은 기본물리상수의 7개 구성요소─수치, 크기, 단위, 차원, 기호, 탄생배경 및 측정실험, 물리적 의미─의 전반적인 이해가 필요할 것이라 생각하지만, 교사의 관점에서 본 자연계 고등학생의 기본물리상수 최소 이해 범위에 대해서는 교사들의 최소 이해 범위와는 달리 3가지 구성요소─물리적 의미, 단위, 기호─에 대한 이해가 필요함을 보였다. 기본물리상수에 대한 물리교사들의 이해 정도를 분석한 결과 기본전하량에 대해서는 높은 이해를, 리드베리상수에 대해서는 낮은 이해를 보였으며, 이는 낮은 이해도를 보인 상수에 대한 교사의 교육이 필요함을 보여주는 결과로 사료된다. 기본물리상수의 지도실태 및 방법은 면담에 참여한 교사들의 면담 내용에 따라 3가지─개념 설명만 교수하는 경우, 제시된 기본물리상수를 통해 어림활동을 지도하는 경우, 과학사를 이용하여 교수하는 경우─로 분류할 수 있었다. 본 연구에 대한 교사들의 제언으로는 교사 교육의 필요성, 교과서 내용의 보완, 교사·학생을 위한 자료집 발간, 학생을 대상으로 한 기본물리상수의 이해도 연구 필요성 등에 대해 이야기 하였다. 본 연구의 결과는 교사들의 기본물리상수에 대한 인식과 이해 수준, 지도실태 및 방법을 탐색하여 교사의 전문성과 질적 수준을 향상시키는 교사 교육의 개발과 기본물리상수의 지도방안을 연구하는데 기초 자료로 제공될 수 있을 것이다. 또한 후속연구로서 학생들의 기본물리상수에 대한 인식 및 이해 수준을 파악하는 연구를 비롯하여 기본물리상수에 대한 학습과 물리 개념의 이해, 문제해결력 등 여러 부분과의 연관성을 밝히는 연구가 진행되어 물리교육의 개선 및 발전에 기여할 수 있기를 기대해본다.;The fundamental physical constant is a fundamental invariant quantity that is generally believed to be both universal in nature and constant in time. The purpose of this study is to explore how high school physics teachers perceive and understand "Fundamental Physical Constants" and how they explain them and what methods they currently use in class. This study develops the questionnaire survey to recognize physics teachers' understanding level on fundamental physical constants, which were measured by many scientists and were contributed to generation and improvement of science theories. Those questionnaire surveys were conducted to 130 high school physics teachers in Seoul, Gyeonggi, and Incheon. Among them, 124 participated in survey and 6 had interviews. The content of survey consists of 3 parts: (i) basic questions about teachers, (ii) questions to ask fundamental physical constants, and (iii) questions to measure the teachers understanding on fundamental physical constants. The survey were distributed via e-mail and respondents submitted their responses via e-mail. Data derived from the survey was analyzed to show the frequency, descriptive statistics using the statistics tool, SPSS Win version 17.0. Semi-structured interviews are conducted for 30 minutes each and all interviews were recorded, transcribed and analyzed twice. The results based on the collected data indicates high school physics teachers are in general interested in fundamental physical constant while they are liable to assume students are not that interested in them. As to whether the teachers had any experiences to search for data, 110 teachers (88.7%) replied positively and some claimed it for personal reasons; others searched for data to clearly provide experimental grounds when asking questions in regular tests. As the key resources that teachers are able to use for fundamental physical constants are books. They need materials with expert explanations which may make them understood easily; others suggest materials with historical development and experiments measuring fundamental physical constants. It is asserted the teachers teach students fundamental physical constants as they recognize the importance of learning fundamental physical constants. However, it is interpreted that teachers offer explanations to students at different depth level based on teachers’ understanding level and the importance of fundamental physical constant learning. Teachers called either text content or their explanation provides enough to satisfy students’ needs, however, texts should be added in detail with origin and measuring experiment, and physical meaning as to fundamental physical constant. As for learning effects of fundamental physical constant, teachers consider it effective not only to enhance students’ curiosity and motivation but also to help students understand the related physics concept or theories if they are able to learn physical constant precisely; however, they do not think learning physical constant have direct effect on academic performance. Regarding the minimum range of understanding on physical constant, meanwhile physics teachers assumed students should comprehend seven(7) constituent factors in general, high school students majoring in physical department were shown three(3) constituent factors such as physical meaning, symbol, and unit are enough to comprehend the fundamental physical constant. The results based on the collected data indicates high school physics teachers show high understanding about elementary charge() and low understanding about Rydberg constant() Currently fundamental physical constant instructing methods can be divided into three divisions according to the teachers’ interview; (i) offering explanations on notion (ii) providing estimation activities with fundamental physical constant, and (iii) utilizing science history. Teachers suggest the needs to teach teachers, to enhance the text content, to publish materials for teachers and students, and explore the students’ understanding level of physical constant. This research is conducted to explore the teachers’ understanding level of physical constant, how they teach students, and to ultimately provide basic guide to developing teaching methods and teachers’ education to enhance the quality of teachers’ professionalism. Future studies need to focus not only on apprehending students’ understanding level of physical constant, but also on studying correlation between problem-solving ability and learning ability of physical constant, which will be contributed to improving physics education quality in class.