예비 물리교사를 위한 현대물리 개념 진단지의 개발 및 적용

Abstract

미래 사회는 직업과 학문의 세계가 서로 밀접하게 연관되는 특징을 갖는다. 학생들이 일상생활에서 친숙한 현상이나 첨단 기기들에 대한 이해를 하는데 있어 더 이상은 고전물리학만으로는 설명할 수 없고 현대물리학의 개념과 이론이 필요한 경우가 많아졌다. 이에 따라 2009 개정 물리 교육과정에 상대성이론, 양자역학, 반도체 등의 현대물리학 내용이 포괄적으로 도입되었으며, 2015 개정 교육과정에서도 그 내용범위나 배열에 다소 변화가 있기는 하나 여전히 중요한 물리 개념으로서 포함되어 있다. 그러므로 교육현장에서 물리학을 가르치는 교사들 및 장차 물리학을 가르쳐야하는 예비 물리교사는 교과교육학적 지식과 더불어 기본적으로 교육과정에 제시된 현대물리 관련 전문지식을 갖추어야 한다. 이에 본 연구의 목적은 예비 물리교사들이 교육과정에 제시된 현대물리 개념을 제대로 이해하고 있는지를 진단하기 위한 도구를 개발하여 타당화시키고 이를 적용하여 에비 물리교사의 현대물리 개념 이해를 돕는 것이다. 이를 위하여 2015 개정 과학과 교육과정의 물리학I과 II의 현대물리 내용에 해당하는 성취기준에 근거하여 현대물리 개념요소를 구인하였으며, 이를 바탕으로 문항들을 개발하였다. 일련의 전문가 내용타당도 검증과정을 거친 24문항의 설문용 현대물리 개념 진단지를 전국 15개 사범대학에 투입하여 총 467명의 예비 물리교사들로부터 설문결과자료를 수집하였다. 개발된 문항들이 타당한지를 알아보기 위하여 Rasch 모형 분석을 적용한 통계분석을 통하여 Messick(1995)의 분류에 따른 타당도를 확인하였다. 또한 고전검사이론에 의한 문항분석 및 검사지 분석을 수행하였으며, Rasch 모형 분석을 이용하여 문항반응이론에 의한 문항난이도를 추정하였다. 마지막으로 설문결과자료로부터 얻은 확신도와 문항난이도(정답률) 간의 관계를 탐색해 보았다. 먼저, Messick(1995)이 분류한 첫 번째 타당도는 검사내용에 기초한 타당도로, 전문가 내용타당도 검증과정을 통하여 확인하였다. 개발된 현대물리 개념 진단 문항들은 교육과정으로부터 구인된 개념요소와 양호한 일치도(alignment)를 보이며, 이는 검사내용에 기초한 타당도를 지지하는 증거라고 할 수 있다. 두 번째는 실제에 기초한 타당도로, 여기에는 예비 물리교사 2인에 의한 사전검사와 면담을 통한 확인과, Rasch 모형 분석에 의한 문항적합도 지수, 피험자 적합도 지수, 피험자-문항 분포도 등을 통한 확인이 이루어졌다. Rasch 모형 분석결과, 적합도 지수가 매우 낮은 4번 문항과 오류로 인한 5번 문항을 제외한 총 22개 문항에 대한 내적합도 제곱평균 값이 Boon, Staver & Yale(2014)의 준거인 0.5~1.5 범위 내에 있어서 양호한 것으로 나타났다. 또한 피험자-문항 분포도 역시 양호한 것으로 판단할 수 있었다. 피험자-문항 분포도의 양호함을 지지해주는 피험자 신뢰도는 0.71로 준거값 0.7이상이며, 문항 신뢰도는 0.98로 나타나 준거값 0.9이상이므로 검사자료는 적합하다고 할 수 있다. 한편 검사점수의 안정성에 대한 내적일관성 신뢰도인 Cronbach alpha 값이 이 22개 문항에 대하여 로, 적합한 수준의 내적일관성 신뢰도를 보여주었다. 이와 같은 분석결과에 따라 예비교사를 위한 현대물리 개념 진단지를 22개 문항으로 구성하는 것이 적합하다는 결론을 내리고 다음의 나머지 타당도들에 대한 분석을 실시하였다. 세 번째, 내적구조에 기초한 타당도는 표준화된 잔차를 이용한 주성분 요인분석을 실시하여 확인하였다. 그 결과, 개발된 현대물리 개념 진단지의 일차원성을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 일차원성을 가정하는 Rasch 모형 분석이 적절하며 문항들이 구인을 제대로 측정하고 있다는 것을 지지하는 증거로 활용될 수 있다. 네 번째, 일반화에 기초한 타당도는 Rasch 모형 분석에서 차별기능문항분석(DIF)을 이용하여 확인하였다. 분석 결과로 산출된 DIF contrast값을 준거범위 [-0.64, 0.64]와 비교함으로써, 개발된 현대물리 개념 진단지의 일반화에 기초한 타당도가 양호하다는 것을 확인할 수 있었다. 다섯 번째, 외적준거에 기초한 타당도는 Rasch 모형 분석을 통하여 추정된 피험자능력 추정치를 이용하여 현대물리 및 양자역학1,2의 수강여부에 따른 차이가 있는지를 -검증함으로써 타당도의 증거자료로 활용하였다. 다음으로, 5번 문항을 제외한 23문항의 현대물리 개념 진단지의 검사결과에 대하여 고전검사이론에 의한 분석을 한 결과, 평균 문항난이도는 , 평균 문항변별도는 , 평균 양류상관계수는 로 각각 준거 범위를 만족하였다. KR-20은 로 검사자료의 내적일관성 신뢰도를 확인하였고, Ferguson’s delta 값은 로 검사지의 변별도는 양호하다고 할 수 있었다. 다만 4번 문항의 문항변별도와 양류상관계수는 준거값보다 낮아 적합성이 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 Messick의 타당도 분석 결과와 일치한다. 한편 문항반응이론에 의한 Rasch 모형 분석을 통하여 문항난이도 추정치를 구한 결과, 문항난이도 추정치가 가장 높은 드브로이 파에 관한 14번 문항이 가장 어려운 문항으로, 추정치가 가장 낮은 블랙홀에 관한 9번 문항이 가장 쉬운 문항으로 추정되었으며, 이는 고전검사이론과 일치하는 바이다. 마지막으로 문항난이도와 확신도의 산포도로부터 대부분의 문항은 문항난이도가 확신도에 비례하는 경향을 보이는데, 일부 문항은 확신도에 비해 문항난이도가 상대적으로 상당히 낮은 것을 볼 수 있었다. 이 문항들의 경우 올바른 개념이해를 위한 주의 깊은 지도가 필요하다 하겠다. 본 연구는 2015 개정 교육과정의 성취기준에 근거함으로써 우리나라 물리교육에 맞추어진 현대물리 개념 진단지 개발에 관한 첫 번째 시도라는 것에 의의가 있으며, 이 연구가 초석이 되어 문항들에 대한 비판적 고찰을 시작으로 후속 연구자들에게 연구의 방향을 제시할 수 있기를 기대한다. ;This study aimed to develop items to diagnose pre-service physics teachers’ understanding about the conceptual knowledge of modern physics, based on the achievement criteria presented in the 2015 revised national science curriculum, and to identify the validity and reliability of the newly developed items. The survey consisted of 24 items were developed. To explore the validity and reliability of the developed items, data were collected from 467 pre-service physics teachers in the Physical Education Department or Science Education Department(Physics Education Major) of 15 university in the nation. In this study the content validity, substantive validity, the internal structure validity, generalization validity, and the external validity proposed by Messick(1995) were examined by various statistical tests. The content validity was confirmed by five physics education experts. The results of the MNSQ analysis showed that there were no nonconformity in the 22 items among the 24 items. The internal structure validity was confirmed by the standardized residual variance analysis, which showed that the developed MPCDS of 22 items was unidimensional. The generalization validity of 22 items was confirmed by differential item functioning(DIF) analysis about groups lectured or not modern physics/quantum mechanics 1 & 2. In this result, the nonconformity DIF value was found only three out of 66 cases. The results of t-test on the difference of person measure obtained from Rasch model analysis according to whether or not to take modern physics or quantum mechanics showed significant differences. This results were evidence of the external validity. Also, the results of the Rasch model analysis showed that the item reliability was 0.98 and that the person reliability was 0.71, which were satisfied the criteria. The Cronbach alpha was 0.788 for 22 items. Therefore the developed diagnostic 22 items of conceptual knowledge in modern physics based on the 2015 revised national science curriculum are valid and reliable, and then can be used in the modern physics education field. Next, the item analysis and the test analysis based on classical test theory were performed for MPCDS except one item(no. 5). As the results, the mean item difficulty , mean item discrimination , and mean point biserial coefficient were obtained and satisfied the criteria respectively. The reliability of the internal consistency of the KR-20, , was obtained, and the Ferguson's delta was obtained. By Rasch model analysis, the item difficulty(item measures) was obtained. Finally, the correlation between the item difficulty and the degree of certainty was investigated by scatter diagram, qualitatively. For most of items, the item difficulty was proportional to the degree of certainty. However, for a few items, the item difficulty showed low level, considerably. This research is meaningful as being the first attempt to develop a diagnostic survey for modern physics concepts based on the achievement criteria presented in the 2015 revised national science curriculum in Korea.