고등학생의 기본물리상수 인식수준과 물리에 관한 관점

Abstract

기본물리상수에 대한 정확한 이해는 그 상수와 관련된 많은 물리 법칙과 정보에 대한 학습을 가능하게 하며, 학생들이 물리의 개념을 이해하고 그 의미를 파악 하는 데에 있어 중요한 역할을 한다. 또한 과학의 본성에 대한 이해는 과학 학습에 영향을 미치기 때문에 학생들이 과학의 본성을 올바르게 이해하는 것 역시 과학 학습에서 중요한 부분을 차지한다. 본 연구는 고등학교 물리 교과서에 나오는 기본물리상수에 대한 일반 인문계 고등학교 학생들의 인식수준을 파악하고, 학생 들의 물리에 관한 관점과의 상관관계를 분석하여 기본물리상수의 물리적 의미를 얼마나 잘 파악하고 있는지에 따라 과학의 본성 개념에 대해 얼마나 이해를 하고 있는지를 알아보는 것을 목표로 한다. 이를 위하여 경기도 수원의 한 고등학교에서 물리Ⅰ 과목을 배우고 있는 2학년 학생들 85명을 선정하였고, 설문을 통해 기본물리상수에 대한 인식과 물리에 관한 관점을 조사하였다. 물리Ⅰ 교과서에서 빈도수가 높은 상수들로 기본전하, 빛의 속도, 중력 상수, 전자 질량, 아보가드로 상수의 5개 상수를 선정하여 상수의 크기, 수치, 단위, 과학사적 측면, 물리적 의미 등 5개 항목에 대해 조사를 진행하였다. 상수의 인식 조사를 위하여 김완선 외(2013)의 검사지를 수정하여 사용하였으 며 물리에 관한 관점 조사를 위하여 Halloun과 Hestenes가 개발한 VASS(Views About Science Survey)를 번역한 최혁준(2016)의 검사지를 사용하였다. 물리 상수 인식 조사에서는 5개 상수의 크기에 대해서 과반수의 학생이 잘 인 식하고 있으나, 수치, 단위, 과학사, 물리적 의미에 대해서는 잘 모른다고 응답하 였고, 종합적으로는 중간 수준보다 약간 밑도는 정도의 인식수준을 가지고 있는 것으로 조사되었다. 물리에 관한 관점 조사 결과, 과학적 차원에 대한 관점이 인지적 차원보다 더 전문가에 가까운 수준을 보였으나 두 차원에서 모두 전문가의 관점이라고 보기 어려웠다. 세부 요소별로 살펴보자면, 과학적 차원 중 전문가의 관점과 가장 유사한 차원은 구조에 관련한 관점이었고 그다음으로 방법론, 타당성 순이었다. 인지 적 차원의 세부 요소 중에서는 학습가능성이 제일 전문가의 관점과 가까웠고, 반 성적 사고가 그 뒤를 이었다. 반면, 인지적 차원 중 개인적 관련에 관련된 관점은 6개 요소 중 유일하게 비전문가의 관점과 가까운 결과를 보였다. 기본물리상수에 대한 인식과 물리에 관한 관점의 상관관계 분석 결과, 물리 상수에 대한 종합적 인식수준과 물리에 관한 관점 중 인지적 차원 간의 유의한 수 준의 상관이 있는 것으로 나타났고, 과학적 차원 간에는 유의한 상관이 있다고 말 하기 어려운 결과를 보였다. 기본물리상수 인식도와 물리에 관한 관점의 세부 요 소와의 상관관계를 구체적으로 살펴보자면, 과학적 차원의 하위요소인 구조, 방법 론, 타당성과 기본물리상수에 대한 인식도 간에는 유의한 상관이 없는 것으로 나타났으며, 인지적 차원의 하위요소 중 학습가능성 관점과 기본물리상수 인식도 간 에도 유의한 상관이 없는 것으로 나타났다. 그러나 인지적 차원의 하위요소 중 반 성적 사고와 개인적 관련에 대한 관점과 물리 상수 인식도 간에는 유의한 상관이 있는 것으로 나타났는데, 그중 반성적 사고에 대한 관점과의 상관이 특히 높게 나 타났다. 기본물리상수의 세부 구성요소들과 물리에 관한 관점 간 상관관계를 물리 상수 구성요소별로 살펴보면 다음과 같다. 크기는 물리에 관한 관점 전반, 과학적 차원 전반과 과학적 차원의 세부 차원 중 구조, 방법, 그리고 인지적 차원 전반, 인지적 차원의 세부 차원 중 반성적 사고와 개인적 관련 차원과 유의한 상관이 있었고, 수치는 인지적 차원 전반, 인지적 차원의 세부 차원 중 반성적 사고와 개인적 관련 차원과 유의한 상관이 있었다. 또한, 단위는 물리에 관한 관점 전반, 과학적 차 원 전반과 과학적 차원의 세부 차원 중 구조와 유의한 상관을 보였으며 과학사는 물리에 관한 관점 전반, 인지적 차원 전반, 인지적 차원의 세부 차원 중 반성적 사고와 개인적 관련 차원과 유의한 상관이 있는 것으로 나타났다. 반면, 물리적 의미는 물리에 관한 관점 중 어느 세부 차원과도 유의한 상관관계를 보이지 않았다, 물리에 관한 관점의 세부 차원 중에서는 과학적 차원의 타당성 차원과 인지적 차원의 학습가능성 차원이 기본물리상수의 세부 구성요소 중 어느 것과도 유의한 상관을 나타내지 않았다. 또한, 학생들을 상수 인식 상위 수준군과 하위 수준군으로 나누어 두 집단 사이의 물리에 관한 관점 차이에 대해 t-test를 실시한 결과 물리 상수 인식수준에 따라 물리에 관한 관점에도 유의한 차이가 있는 것으로 분석되었다. 따라서, 물리 상수 인식수준이 높을수록 물리에 관한 관점이 전문가 수준에 더 가깝다고 할 수 있다.;The purpose of this study is to investigate the fundamental physical constants perception and the views about Physics studies in Korean high school students and to analyze the relationship between them. For this purpose, 85 students in the second grade who were studying Physics I in a high school in Suwon, Gyeonggi-do were selected. In the Physics I textbook, five constants - Elementary electric charge, speed of light in vacuum, Newtonian constant of gravitation, electron mass, and Avogadro constant - were selected as constants, and five items, including order of magnitude, digit number, unit, scientific history, and physical meaning were investigated. In order to investigate the recognition of constants, the paper used by Kim Wanseon et al. (2013) was used, and the paper by Choi Hyuk-jun (2016), which translated VASS (Views About Science Survey) developed by Halloun and Hestenes, was used to investigate the views about physics. In the survey of physics constant recognition, more than half of the students recognized the magnitude of five constants, but they did not know much about digit number, unit, history of science and physical meaning. As a result of the survey on the views about physics, the view on the scientific dimension was closer to the expert than the cognitive dimension, but it was difficult to say the expert on both levels. In detail, Among the detailed elements of the scientific dimension, the most similar to the expert's point of view was the 'structure' level, followed by the 'methodology' and 'validity'. Among the detailed elements of the cognitive dimension, 'learnability' was most close to the point of view of the expert, followed by 'reflective thinking'. On the other hand, the perspective of 'personal relevance' in the cognitive dimension was the only one of the six factors, which was close to that of the non-specialist. As a result of the correlation analysis between the recognition level of fundamental physical constants and the views about physics, it was found that there was a correlation between the recognition level of physics constant and the views about physics. There was a correlation between the level of perception of physical constants and the cognitive dimensions and It is difficult to say that there is a correlation between the scientific dimension among the views about physics. Looking specifically at the correlation between fundamental physics constants perception and detail elements in terms of views about physics, there was no significant correlation between ‘structure’, ‘methodology’, ‘validity’of scientific dimension and fundamental physics constants. Among sub-elements of cognitive dimension, there was no significant correlation between ‘learnability’ and fundamental physics constant perception. However, there was a significant correlation between ‘reflective thinking’, ‘personal relevance’ perception of cognitive dimension and recognition level of fundamental physical constant. Among them, the correlation with the ‘reflective thinking’ was particularly high. In addition, as a result of t-testing the differences in the viewpoints of physics between the two groups by dividing the students into the upper level group and the lower level group of constant cognition, there was a significant difference in the views about physics according to the physical constants recognition level. Therefore, the higher the level of recognition of physical constants, the closer the views of physics to the expert level.