과학에서의 일 서술에 포함된 힘의 이상화에 대한 중·고등학교 교과서 내용 분석

Abstract

본 연구에서는 2009 및 2015 개정 과학과 교육과정에 따른 중·고등학교 교과서를 대상으로, 일의 양을 구하는 과정에 포함된 힘의 이상화에 대한 내용을 분석하였다. 일의 양을 구하는 과정에 대한 교과서 내용을 살펴보고, 이때 작용한 힘에 대한 분석과 관련하여 알짜힘과 운동의 관계에 대한 내용도 함께 살펴보았다. 또한 일의 양을 구하는 과정에서 사람이 물체에 작용하는 힘의 크기가 중력(또는 마찰력)과 같다고 제시되는 경우 야기될 수 있는 문제점에 대해 알아보았다. 이를 위해 2009 개정 교육과정에 따른 중학교 과학1 교과서 9종과 중학교 과학2 교과서 9종, 그리고 2015 개정 교육과정에 따른 중학교 과학3 교과서 4종과 고등학교 물리학Ⅰ 교과서 8종을 대상으로 연구를 실시하였다. 연구 결과, 2009 개정 교육과정에 따른 교과서는 일의 양을 구하는 과정이 제시된 경우의 77.8%에서, 2015 개정 교육과정에 따른 교과서는 일의 양을 구하는 과정이 제시된 경우의 75%에서 사람이 물체에 작용하는 힘의 크기가 중력(또는 마찰력)의 크기와 같다고 서술되어 있었다. 또한 일을 시작하는 순간이나 마치는 순간에 물체가 정지 상태에 있음을 가정한 서술이 많았다. 2009 개정 교육과정에서 중학교 1학년은 물체에 작용하는 알짜힘이 0일 때 물체는 원래의 상태를 유지한다고 학습한다. 그러나 중학교 2학년 과정에서 중력(또는 마찰력)에 대한 일을 할 때 사람이 물체에 작용하는 힘의 크기는 중력(또는 마찰력)과 같다는 내용과 함께, 정지해 있던 물체가 운동을 시작하는 상황 및 운동하고 있던 물체가 정지하는 상황이 제시되기 때문에 학생들은 힘과 운동의 관계에 대해 개념의 혼란을 느낄 수 있다. 또한, 2015 개정 교육과정에서는 중학교 3학년 과정에서 일을 구하는 방법에 대해 학습하고, 알짜힘의 개념 및 알짜힘에 따른 물체의 운동에 대한 내용은 고등학교 물리학Ⅰ에서 학습한다. 따라서 학생들은 일을 할 때 사람이 물체에 작용하는 힘의 크기가 제시되는 경우 그 의미에 대해 이해하기 어려울 수 있다. 본 연구 결과는 사람이 중력(또는 마찰력)에 대해 한 일의 양을 구할 때 사람이 물체에 작용하는 힘이 중력(또는 마찰력)과 그 크기가 같다고 이상화하는 경우, 학생들에게 힘과 운동의 관계에 대한 개념의 혼란을 유발할 수 있으므로 이에 대한 주의가 필요함을 시사한다. ;This study aimed to analyze the descriptions on idealization of “force” in relation to “work” presented in science and physics textbooks based on 2009 and 2015 revised national science curriculum, and to address possible students' conceptual challenges caused by the descriptions. Eighteen science textbooks for the 7th and 8th grades (nine per grade) under the 2009 revised curriculum, and four 9th grade science textbooks and eight high school physics I textbooks under the 2015 revised curriculum were analyzed. The results indicated that the majority of the textbooks (77.8% and 75% of cases presented in the targeted textbooks under 2009 and 2015 revised curriculum respectively) stated that the magnitude of the force applied on an object by a person is equal to the gravitational force (or frictional force), but in the opposite direction. In addition, it was mostly assumed that the object stays at rest at the starting or finishing points. Such description may cause conceptual challenges. In the 2009 revised curriculum, the 7th grade students learned that an object remains at the initial state if the net force on the object is zero. However, in the 8th grade, they might be led to think that the object could move or stop even though the net force was zero by the idealization of the magnitude of force when they calculated work. This pattern also appeared in textbooks following the 2015 revised curriculum even though the concepts of work, net force and motion were introduced at different school years. The results implied that science teachers should consider potential conceptual challenges caused by the idealization of force.