양자 터널링 현상 수업에서 동료교수학습에 의한 개념 이해 증진 효과

Abstract

현대의 많은 기술들은 현대물리의 발전과 함께 여러 물리학적 법칙들을 기반으로 발전되어왔다. 그 중 양자역학은 미시세계를 다루는 분야로, 주사 터널링 현미경과 같이 작은 세상을 관찰하고 이를 이용하는 기술에는 필수적이다. 양자역학과 관련된 기술이 현대사회에서 중요한 위치를 차지하면서 2009년 개정 고등학생들의 물리Ⅱ 과목에 양자물리가 추가되었다. 고등학생들이 양자물리를 학습할 때에는 정성적인 개념 위주로 이해하고 이를 실제 기술이나 현상에 적용하는 것을 목적으로 한다. 따라서 양자물리를 가르치는 물리 교사는 양자물리에 대한 수학적인 지식 외에도 정성적인 개념과 현상, 그리고 이를 설명하기 위해 사용되는 시각자료인 그래프에 대해서도 이해하고 있어야 한다. 이러한 이유로 본 연구에서는 예비물리교사들의 터널링 현상에 대한 개념 이해를 돕기 위한 수업 방법을 고안하고 이를 적용하여 개념 이해에 어떤 효과를 주었는지를 분석하고자 하였다. 양자 터널링 현상을 주 개념으로 선택한 이유는 첫 번째로 고등학생들의 양자물리단원에서 다루어지는 내용이기 때문이었고, 두 번째로 양자역학의 개념 이해에 대한 선행 연구들을 조사한 결과 터널링 현상을 배운 대학생들 중 다수가 오개념을 가지고 있거나 학습에 어려움을 겪고 있다는 것을 알 수 있었기 때문이었다. 따라서 예비물리교사들이 오개념을 가지고 있을 수 있는 분야이면서 고등학생들에게 가르쳐야 할 터널링 현상에 대한 개념 이해를 본 연구에서 다룰 주요한 개념으로 선택하였다. 예비물리교사들의 터널링 현상에 대한 개념 이해를 돕고자 수업 방법을 고안하였다. 수업 방법은 개념 이해 향상에 적합한 수업 모형인 동료교수학습(Peer Instruction)을 선택하였고, 선행연구에서 조사된 터널링 현상에 관한 오개념, 학생들이 겪는 어려움, 수업의 목표 그리고 이전에 양자역학을 배운 예비물리교사들을 대상으로 터널링 현상에 대한 개념 이해를 분석한 결과를 반영하여 수정해 계획하였다. 사전조사에서와 수업 후 예비물리교사의 터널링 현상에 대한 개념 이해를 조사할 때에는, 기존에 개발된 개념 검사지의 문항들을 바탕으로 개발한 터널링 개념 검사지를 통해 진행되었다. 또한 본 수업 방법에 대한 예비물리교사들의 인식을 알아보기 위해 수업 인식에 대한 설문지를 사용하였고, 구체적인 이야기를 듣기 위해 일부 예비물리교사들을 대상으로 면담을 진행하였다. 본 연구 결과 예비물리교사들이 터널링 현상에 대해 그린 그래프와 에너지, 확률 등의 개념에 대한 설명이 사전조사에서 나타났던 것에 비해 상당히 구체적이고 정확하였다. 학생들이 그린 그래프가 올바른 그래프의 개형과 근사해졌고, 파장과 진폭 등에 본인의 에너지와 확률에 대한 이해하는 바를 반영하고자 하였다. 교수자의 수업은 수학적 풀이를 위주로 진행되었으나 개념 문제를 수업 시간에 풀어봄으로써 그래프와 개념에 대한 학생들의 이해도가 높아진 것으로 보인다. 뿐만 아니라 물리량들의 수학적인 관계식을 활용하여 해결하는 문제 역시 잘 해결하였는데, 이는 본 수업 방법이 예비물리교사들의 개념과 그래프에 대한 이해뿐만 아니라 수학적인 풀이의 이해에도 긍정적인 영향을 미쳤다는 것을 보여준다고 할 수 있다. 예비물리교사들은 본 수업 방법이 개념 이해와 이를 바탕으로 그래프를 나타내는 것에 직접적으로 많은 도움을 주었다고 생각하고 있었다. 특히 수업 중 개념문제를 풀이하는 것, 동료들과 문제를 함께 풀어보는 토론 활동, 그리고 교수자의 피드백이 중요한 역할을 했다고 말하였다. 수업 중 개념문제를 풀이하고 동료들과 토론하는 활동을 통해 예비물리교사들은 수업 중 적극적인 참여자로 활동할 수 있었고, 각자가 이해한 바를 공유하며 문제를 다양한 관점으로 풀이하여 개념에 대해 보다 확실하게 익힐 수 있었다고 하였다. 또한 수학적 풀이를 개념, 그래프와 연관지으며 수학적 풀이를 더욱 깊이 이해할 수 있었다는 의견도 있었다. 그리고 교수자는 예비물리교사들이 이야기하는 개념들을 토대로 이들이 특히 어려워하는 주제나 오개념을 확인하여 이를 피드백에서 언급함으로써 예비물리교사들이 과학적인 개념을 형성해가도록 도울 수 있었다. 이러한 점으로 미루어 볼 때 동료교수학습을 양자역학의 내용과 난이도에 맞게 수정한 본 수업 방법이 예비물리교사들의 터널링 현상에 대한 과학적인 개념 이해를 돕는 역할을 충실히 하였다고 생각할 수 있다. 그리고 본 수업 방법을 통한 개념과 그래프에 대한 이해를 바탕으로 물리교사가 되어 학생들에게 정성적인 개념을 위주로 수업을 하는 데에 도움이 될 것이라고 생각할 수 있었다.;Many of the technologies today have been developed based on modern physics. Quantum physics, which deals with the microscopic world, is essential to the technologies like STM(Scanning Tunneling Microscope) that is used to observe very small world. As these technologies play an important role in the modern society, 2009 revised Korean Science Curriculum adopted quantum physics as a subject that high school students who are willing to study physics should learn. When high school students study quantum physics, it is the aim to understand qualitatively about the concept of quantum physics and to connect these concepts with the real world phenomena and technologies. To achieve this aim, physics teachers should have not only mathematical knowledge but also qualitative understanding of concept, phenomena and graphs that can be used to show students about quantum phenomena. For this reason, this study tried to plan the class that can help prospective physics teachers’ conceptual understanding of quantum-tunneling-effects and to analyze how much the class has an effect on prospective physics teachers’ conceptual understanding. Many previous studies about the conceptual understanding about the quantum physics showed that the university students generally have misconception and difficulty studying quantum-tunneling-effect. Also, quantum-tunneling-effect is what the high school students should learn when they choose to study physics. These are why quantum-tunneling-effect was selected as the main subject of this study. The class was planned to help prospective physics teachers’ qualitative understanding about quantum-tunneling-effects. It was based on the peer instruction, which is well known for a good teaching strategy for conceptual understanding. I modified the peer instruction’ process to apply the misconception, difficulty studying quantum-tunneling-effects, and the results of preliminary research which has been done to know about the conceptual understanding about the quantum-tunneling-effects of the prospective physics teachers who already had the quantum physics class. Conceptual survey about quantum-tunneling-effect was made based on the misconception and established quantum mechanics conceptual surveys in order to check the prospective physics teachers’ conceptual understanding of the quantum-tunneling-effects. Another survey is also developed to know how prospective physics teachers think about the class, and interviews were in the process for the better understanding about their opinion. As a result of this study, prospective physics teachers drew detailed graphs about quantum-tunneling-effect that are similar to the correct graph. Also, they explain the energy and probability correctly. Although professor still taught mathematical formula in a traditional way, prospective physics teachers could get conceptual understanding of concept and graphs through solving concept tests during the class. They tried to apply their conceptual understanding about the energy and the probability to the graphs they drew. They even solve the concept test that is to be solved by mathematical interaction formula. Thus, It is safe to say that prospective physics teachers’ conceptual and mathematical understanding has been developed together. Prospective physics teachers thought that the class was very helpful for themselves to get qualitative conceptual understanding and the ability to draw correct graphs based on the concept and mathematical formula. They said that the concept tests, discussion with the other students and feedback from the professor are the most helpful components of the class. In-class solving concept test activity and discussion made a great environment for the prospective physics teachers to be active participants of the class. Also they could get better conceptual understanding through hearing others’ opinion on the concept tests and thinking more about concept tests. And they could think about the mathematical formula more deeply to connect it to the concept and graphs. Professor also could check the misconception and difficulty that prospective physics teachers were undergoing and gave feedbacks related to the misconception. Therefore feedback played a great role of removing prospective physics teachers’ misconception and helping them to understand scientific concepts. Thus, It is agreeable that the modified peer instruction class which is suited for the quantum mechanics was effective for prospective physics teachers’ conceptual understanding of quantum-tunneling-effects. This class is also helpful for prospective physics teachers to make a class that deals with qualitative concepts when they become physics teacher in the future.