과학 수업 개선을 위한 수업 모형 및 학습 자료 개발 2009 개정교육과정 물리I ICT를 활용한 교수 학습 자료 개발 대전영상물리연구회

Ⅰ. 연구의필요성및목적 1. 연구의필요성 교육과학기술부고시제2009-41 호(2009.12.23) 에따른 2009 개정교육과정은 이전의교육과정에없는내용이다수포함되어있다. 올해부터적용적용되고있 는 융합과학 의경우다소힘든시행착오를겪고있으며 융합과학 이제대로정 착하기도전에당장 1012년부터역시새로운내용이적지않은물리I 내용을가 르쳐야하는물리교사들의심적부담은이루말할수없다. 표 1은 2009 개정교 육과정물리I의내용체계이며굵은글씨와밑줄로표현한내용들은이전의교육 과정에는없었던새로운내용들이다. 표 3. 2009 개정교육과정물리I 의내용체계 시공간과우주 물질과전자기장 정보와통신 에너지 영역 시간, 공간, 운동 시공간의새로운이해 전자기장 물질의구조와성질 소리와빛 정보의전달과저장 에너지의발생 힘과에너지의이용 내용요소 시간의측정과표준, 길이의측정과표준, 뉴턴운동법칙, 운동량과충격량, 역학적에너지보존법칙 중력의발견, 상대성이론, 블랙홀과중력렌즈, 우주모형, 4 가지상호작용과기본입자 전기장과전기력선, 정전기유도와유전분극, 자기장과자기력선, 유도전류와패러데이법칙 에너지준위와빛의방출, 에너지띠이론, 반도체, 신소재 음파와초음파, 화음과소음, 마이크와전기신호, 광전효과와광센서, 색채인식과영상장치 전자기파의스펙트럼, 안테나와무선통신, 광케이블, 교류와신호조절, 정보저장장치 기전력, 전기에너지, 발전기, 핵발전, 핵융합과태양에너지, 태양전지, 여러가지발전 힘의전달과돌림힘, 힘의평형과안정성, 유체의법칙, 열역학법칙과열기관, 열전달, 상태변화와기상현상, 전기에너지이용 2009 개정교육과정을통해교사에게부담이되는 시공간과우주 나 정보와 통신 등의단원을쉽고재미있게가르칠수있는 ICT 교수 학습자료의개발이 절실할뿐만아니라실제수업에투입해도손색이없을정도로교수 학습과정안 과함께제작 보급할필요가있다.

2. 연구의목적 본연구회에서는지난 7년간연구회활동을통해개발된각종 ICT 자료에 2009 개정교육과정중에서이전의교육과정에없는새로운내용을쉽고재미있 게가르칠수있는 ICT 자료를개발한후통합하여보급하는데그목적이있다. 이러한목적을효과적으로달성하기위해다음과같은하위단계의목표를설정 하여실행하였다. 첫째, 본연구회에서 2004년부터개발해온교수 학습자료를 2009 개정교육과 정의성격과단원에맞게수정 보완한다. 둘째, 기존의교육과정에없는새로등장한단원에대해서는어떻게가르칠것 인가를논의하기위한세미나및토론회를수차례개최하여최적의 수 학습상황을설정한다. ICT 활용교 셋째, 최적의 ICT 활용교수 학습상황중실재제작가능한자료를선별하여 역할을분담하여우선적으로자료를제작한다. 넷째, 개발한 ICT 자료를검증과정을통해학교현장에서유용한형태로수정 보완한다. 다섯째, 저작권법에저촉되지않는순수연구회노력을제작된각종 ICT 자료 를기존의연구회홈페이지를통해전국의물리교사에게무료로배포한다. Ⅱ. 연구의설계 1. 연구주제 2009 개정교육과정 물리I ICT 를활용한교수 학습자료개발 2. 연구기간 : 2011년 4월 ~ 10월 3. 연구대상 : 11 학년( 고등학교 2 학년) 물리 4. 연구방법 가. 수정및보완 본연구회에서 2004년부터개발해온교수 학습자료를 2009 개정교육과정 의성격에맞게수정 보완한다. 교실수업개선을위해모인본연구회는일찍부

터영상자료개발에힘써왔으며 2004 년과학교과연구회활동의일환으로 영화 와 CF 를활용한물리교육용수준별수업모형및모듈개발 에매진하였다. Ⅰ. 힘과에너지 중단원명 표 4. 본연구회가제작한단원별영화및 CF 속물리 개수 Ⅱ. 전기와자기 중단원명 개수 Ⅲ. 파동과입자 중단원명 속력과속도 8 전류 5 파동의발생과전파 8 상대속도 5 전압과전류의관계 1 파동의기본요소 4 힘과가속도 2 전기저항 2 호이겐스의원리 2 힘의평형 2 저항의연결 7 파동의반사 3 운동의제1법칙 14 전류가하는일 4 파동의간섭 2 운동의제2법칙 2 직류와교류 1 정상파 8 운동의제3법칙 20 전류에의한자기장 7 빛의반사 12 여러가지힘 7 전류가자기장에서받는힘 1 빛의굴절 13 운동량과충격량 13 전자기유도 8 빛의분산 3 운동량보존의법칙 4 빛의간섭 2 충돌현상과운동량보존 6 빛의회절 2 일과에너지 13 빛의편광 5 에너지보존 14 물질의이중성 1 계 10 8 계 36 계 65 소계 209 개수 2005 년에는한국기초과학연구원등정부출현연구원을방문하여전문장비로 하는실험등을직접촬영및편집하여앞서제작한자료와더불어사용하였다.

표 5. 2005년직접촬영한동영상자료들 순장소물리 Ⅰ 물리 Ⅱ 합 1 한국기초과학연구원 1 1 2 2 한국표준과학연구원 2 0 2 3 한국기계연구원 2 0 2 4 한국에너지기술연구소 1 0 1 5 한국동력자원연구소 1 0 1 6 국립중앙과학관 2 2 4 7 대전교육과학연구원 3 2 5 8 공주대학교 2 0 2 9 엑스포과학공원 2 3 5 10 놀이공원 2 6 8 11 교내실험실 32 9 41 12 일상생활 32 4 36 총합 82 27 109 2007 년부터는단순한영상자료를넘어플래시애니메이션, 시뮬레이션등을 제작하면서한층업그레이드된영상자료제작기술을확보하게되었다. 1개당 시가 30만원정도하는플래시시뮬레이션을 80개이상개발하였으며이또한물 리교사협의회를통해무료로배포하였다. 그림 3. 자체제작플래시시뮬레이션예그림 4. 교과세미나장학제공자료 우선 1차적으로본연구회에서개발해온자료를충분히활용하되 2009 개정 교육과정 물리I' 의취지에맞게수정 보완하였다. 나. 연구회원의역할분담및연구계획수립연구과제수행을위하여연구회원의역할을분담하고, 에맞추어진행시켰다. 연구계획을일정

표 6. 회원별역할분담 직책성명역할 회장김종헌사업추진총괄, 계획서및보고서작성 총무정하균사업추진업무, 기존자료재배치 회원권순신기존자료수정보완및 ICT 자료제작 회원윤기상기존자료수정보완및 ICT 자료제작 회원박천구신규플래시자료제작 회원한건우신규플래시자료제작 회원이현경사진및그림영상자료제작 회원김인국교수 학습과정안제작 회원최광규교수 학습과정안제작 표 7. 기간별활동계획 월 일정 연구활동명및내용 4 21일연구계획서제출협의 29일연구계획서제출 역할분담및업무추진일정협의 15일 5 기존자료재정비방법협의 24일 기존자료재정비결과보고, 자료제작방법연수회 6 1일새로운단원내용세미나및토론회 27일시범제작자료시연세미나 7 12일새로운단원내용및제작자료세미나및토론회 23일새로운단원내용및제작자료세미나및토론회 8 1일새로운단원내용및제작자료세미나및토론회 21~31일교수 학습모형에따른수업지도안작성발표회 9 7일자문토론회 8~15일제작한 ICT 자료및지도안수정보완 10 ~20일최종보고서작성 28일최종연구결과발표 11 1~30일 연구회활동반성및추후활동계획 12 1~30일 제작한자료를 DVD형태로제작하여과학교사들에게배포 다. 기초문헌및참고자료조사학습자료의개발과개발된학습자료의수정및보완을위해기초문헌및참고자료를조사하였다. 1) 물리학자는영화에서과학을본다 ( 정재승, 동아시아)

4) Classroom Analysis of Rotating space Vehicles in 2001 Borgwald & Schreiner(1993)는 SF 영화 <2001: A Space Odyssey>를 두 가지 코스(course)에 적용하여 연구했다. 첫 번째는 <2001: A Space Odyssey>를 비전공자를 위한 실험과학 (laboratory science)에 해당하는 과학과 영화(Science and the Movies)" 라는 새로운 코스에 사용하였다. 이 코스의 목적은 물리적으로 중요한 개념들을 조사 하는 출발점으로써 SF영화를 사용하면서 영화 속의 아이디어나 사건들이 과학적 으로 얼마나 타당한 것인지 토의하는 것이었다. 여기서 영화는 학생들로 하여금

과학이론을탐구할수있도록자연스럽게동기부여를하는역할을하였다. 두번째는일반물리과정 (introductory physics course) 중에서도특히구심력 분야에서사용되었는데, 첫번째코스와는달리, 영화의다른부분은사용하지 않고단지우주정거장(space-wheel) 장면만사용되었다. 이장면을보여주고학 생들에게 사람들은어디에서걷고있는가?, 왜바닥은곡선인가? 와같은질 문을하였고, 학생들에게구심력의개념과관련지어대답하게하였다. 연구결과 에따르면, 교실에서설명을듣는것보다는영화를보는것이학생들에게는훨씬 더실질적으로보였다. 비록영화가꾸며진상황에불과하지만, TV나컴퓨터에 익숙한학생들에게는더구체적으로다가왔던것이다. 5) SF 영화를활용한과학교육탐구방법

표 8. 영화를활용한과학교육방법 접근방법 토의법 계산및 문제풀이법 설명법 조사및탐구법 역할극 컴퓨터 보조수업 활용예시 영화에서보여진상황의가능성에대한토의혜성과소행성의지구와충돌을막기위해핵폭탄을사용하는것이가능하고이것은효과적인방법인가? 이보다효과적인다른방법은없는가? 영화에나오는물리적인값계산하기 < 아마겟돈> 에서소행성은대략텍사스크기이다. 이때소행성의평균반지름은얼마인가? 그것의질량과지각의밀도가비슷할경우표면중력값은? 과학적인형태또는개념을설명하기위해영화이용혜성과소행성의차이는무엇인가? 물리학적인개념을영화장면에서설명하기왜우주인들은비행을하기전에거대한물탱크에서연습을하는가? 영화에서비현실적( 또는비과학적) 으로묘사된곳찾기혜성과소행성의중력에대해잘못묘사된것은무엇인가? 영화와관련된실험을계획하고수행하기바다에그와같은크기의충격파를만들기위해서떨어진혜성의속력과질량은얼마인가? 그리고충격파의크기는어떻게결정되어질까? 과학적인인물들의역할을이해하기아마추어천문가의역할과공헌은무엇인가? 영화에서각각해결해야할문제를결정하기왜 < 아마겟돈> 에서 NASA의책임자는임무를석유굴착자들에게요청했을까? 그리고그의결정이얼마나합리적일까? 컴퓨터를사용해과학적인정보찾기갑작스런공룡의멸종과 NEOs의연관성에관한좀더많은과학적인정보를얻을수있는가? 컴퓨터를통해 사회에서과학 에관한생각을찾기 NASA 과학자들이시민들의세금을적절하게사용하고있다고사람들은생각하는가? Ⅲ. 연구의실제 1. 연구활동추진내용

표 9. 연구회추진내용및향후추진일정 연구계획서협의 계획서제출 교육과정분석 기존자료재정비 시범자료제작 새로운단원세미나및토론 자료제작세미나및토론회 중간보고서제출 제작자료수합및자문 수정보완 자료공개 결과보고서제출 최종발표 추후지도 전체진도 (%) 본연구회에서 2004 년부터개발해온각종동영상, 플래시자료등을 2009 개정 교육과정물리I 단원에맞춰재조정완료하였다. 또한이전의교육과정에없는단원 들에대한 ICT 자료를활용한교수 학습방법에대한토의을거쳐필요한 ICT 자 료목록을만들었고이들중회원들이제작가능한자료들을분류하여역할을분담 하였다. 방학기간을통해자료를제작하였으며 9 월초자문토론회를개최하였다.

2. 연구내용 가. 기존의자료재정비 본연구회에서 2004년부터개발해온교수 학습자료를 2009 개정교육과정 의성격과단원에맞게수정 보완완료하였다. 그림 5. 폴더구성및각종 ICT 자료재정비 표 10. 2009 개정교육과정물리I 단원에맞춘동영상들 중단원 소단원 개수 시간의측정과표준 3 길이의측정과표준 1 시공간운동 물체의운동 15 운동의법칙 65 운동량과충격량 37 역학적에너지보존 40 중력의발견 4 상대성이론 4 시공간의새로운이해 블랙홀과중력렌즈 4 우주모형 2 4가지상호작용과기본입자 4

전자기장물질의구조와성질소리와빛정보의전달과저장에너지의발생힘과에너지의이용 전기장과전기력선 8 정전기유도와유전분극 12 자기장과자기력선 33 유도전류와패러데이법칙 19 에너지준위와빛의방출 11 에너지띠이론 2 반도체 4 신소재 2 음파와초음파 18 화음과소음 28 마이크와전기신호 2 광전효과와광센서 4 색채인식과영상장치 6 전자기파의스펙트럼 2 안테나와무선통신 14 광케이블 5 교류와신호조절 2 정보저장장치 0 전기에너지의생산 2 전기에너지의수송 12 핵의변환과에너지 11 원자로와방사선 4 태양전지 3 여러가지발전 3 힘의전달과돌림힘 33 힘의평형과안정성 18 유체의법칙 36 열역학법칙과열기관 20 열전달 13 상태변화와기상현상 4 전기에너지이용 36 계 546 초기에본연구회에서보유하고있던동영상을개정교육과정단원에맞춰재 조정한결과전체적으로기존의교육과정과일치하는영역에대해서는자료가 많은반면그렇지않은단원에대해서는상대적으로자료가적거나거의없는 상황이다. 하지만새로도입되는단원에대한동영상자료를수집한결과정보 의저장장치를제외한 19개단원에서 129개의동영상을제작수집할수있었 다.

나. 2009개정교육과정에서새로도입된단원에대한논의본연구회에서지금까지제작하여가지고있는영상자료를새로운교육과정의단원에맞춰재조정한결과역시새로도입된단원에대한영상은매우빈약하였다. 이에해당단원을어떻게가르칠것인가논의한단원은다음과같다. 그림 6. 자료가부족한단원에대한논의결과 시간의측정과표준단원에대한논의결과(11 시간의측정과표준.txt), 수 업단계에따라다음과같은아이디어와역할분담이이루어졌다. 표 11. ICT 활용수업에대한논의및콘텐츠제작협의 단계 흥미유발 내용설명 내용 1. 시계없이시간측정하기( 명탐정코난 5 기, 김종헌) 2. 뿌리깊은나무( 소설에서자격루자시에인형이움직 이게하는 - 이현경, 맥가이버타이머- 김종헌) 3. 지식채널 1 초에대한영상( 한건우) 4. 표준과학연구원홍보동영상( 윤기상) SI 단위계에대한간략설명( 플래시- 김종헌) 탐구활동 1. 앙부일구 ( 시간흐름에따른그림자변화- 김종헌)

2. 일성정시의 ( 역사스폐설찾기- 최광규)

다. 새로도입된단원에대한자체세미나새로도입된단원에대해서는본연구회회원으로서도다소낯설은면이있어서각자역할을분담하여새로운단원에대해공부하고이에대해회원끼리정보를학습하는세미나를수차례개최하여본연구회회원들의역량을높이는기회를가졌다. 그림 7. 자체세미나모습 그림 8. 특수상대성이론에대한 세미나자료 라. 개발된자료및수정 보완된자료예시기존에개발된자료를단원에맞게재배치하는과정을역할분담으로나누다보니회원들이가지고있는영상중에새로운교육과정에부합되는콘텐츠가있는경우자연스럽게추가되기도했지만자기가맡지않은부분에대해서도자체세미나와토론과정에서가지고있는영상이추가된경우도있다. 다음은새로추가된도영상과플래시자료의예이다. 그림 9. 새로추가한동영상그림 10. 새로개발된플래시자료 다음은기존에개발된플래시를새로운교육과정의취지에맞춰내용을수정 보완한예이다.

그림 11. 기존콘텐츠그림 12. 위상차를추가한콘텐츠 다음은기본입자와상호작용단원에대한영상자료확보를위해한국원자력 연구원에방문하여연구원의설명을듣고관련사진자료및홍보동영상을통 해영상자료를추출한과정을보여준다. 그림 13. 한국원자력연구원그림 14. 연구원인터뷰과정 그림 15. 입자가속기외부그림 16. 입자가속기내부

그림 17. 홍보동영상에추출한영상자료 마. 개발된자료의유형별예시 1) 플래시시뮬레이션자료 그림 18. 전류에의한자기장 2) 영화장면 그림 19. 작용반작용의원리를이용해위기를모면하는주인공의모습

3) TV 프로그램 그림 20. 공명의원리를이용한실험그림 21. 삼원색을설명하는 EBS 4) TV 뉴스 그림 22. 별을삼키는블랙홀관련뉴스 5) TV CF 그림 23. 에너지보존법칙을설명할 TV CF

6) TV 다큐 그림 24. 블랙홀에대해설명하는 TV 다큐 7) 실험동영상 그림 25. 광통신관련외국동영상그림 26. 유체역학을본연구회회원이실험한동영상 8) 기타연구소홍보동영상이나인터넷에서얻은동영상들 그림 27. 핵융합에대한설명그림 28. 인터넷에서얻은일반상대성이론을설명하는동영상

바. 영화를활용한수업 KBS 방영 10월 5일수요일오전 11시 KBS1 TV 행복한교실 74 회 : 김종헌선 생님의생활속과학원리 에본연구회회장의영화를활용한수업이소개되었 다. 그림 29. 74 회 김종헌선생님의생활속과학원리 그림 30. 영화를활용한수업의전략에대해설명하고있는장면 프로그램을통해소개된영화를활용한효과적인수업전략은다음과같다. 첫째, 교과서없이그영화만보고도교과서를통해공부하는것과똑같은학 습효과가나는영상을선택해서보여준다. 둘째, 단순히흥미유발로보여주고끝내는것이아니라동영상으로부터미션 을제공해주고학습과정을통해힌트하나하나를획득하여해당미션을해결 할수있도록흥미유발, 학습과정, 미션해결순서로학습이진행될때효과가 최대가된다. 셋째, 영화속오류를찾는것보다는교과시간에배운개념이영화속에잘 녹아들어가수업시간에배운과학지식을활용하여문제를해결하고위기를 모면하는장면을활용하는것이훨씬더효과적이다. 이러한전략을활용한뉴턴의운동법칙중 다음과같다. 작용반작용 단원의수업흐름은 흥미유발을위한영화장면은 이벤트호라이즌 이라는 SF 영화로, 무중력상 태에서일어날수있는위기상황을작용반작용의법칙을이용해해결하는내 용이다. 수업초반에는무중력상태에서주인공이우주의미아가될위기까지의 상황을보여주고어떻게이위기를모면할수있는지발문한다. 처음에학생들 은 헤엄친다, 조용히기도한다 등과같은실효성이없는대답을하지만이 문제를해결하는데필요한작용반작용의법칙을학습하고나서는영화속의 주인공이살수있는방법을학생들이발표하게된다. 특히학생들이발표한방

법대로주인공이살아나는것을보고흥분을감추지못하기도한다. 카우보이 비밥 이라는일본애니메이션속에서주인공이작용반작용을이용해위기를모 면하는장면과 맨인블랙 이라는영화에서작용반작용을매우코믹하게그려 내는모습속에서학생들의입에서는감탄을절로흘러나온다. 학생들이개념을 이해해서문제를해결하는과정에서눈빛이빛나고대수롭지않게흘려보낸영 화의장면속에서작용반작용의개념을찾아내는과정에서쏟아지는탄성을 듣게될때수업에대한보람도느낄수있었다. 이런성공적인수업을사례로 흥미유발이사고력으로이어질수있는전략을발견할수있다. 수업초반에보여준영화의미션을해결하기위해물리법칙을배워야한다 고했을때학생들은유발된흥미를바탕으로수업내용에집중하게되는것이 다. 학습내용을암기해야된다는부담감이아닌미션을해결해야한다는의욕 을가지고수업에임하기때문에교사의입장에서학생들의사고과정을이끌 어가기편하다. Ⅳ. 연구의결과및교육적효과 1. 연구의결과 가. 양적인측면에서의결과 1) 기존에개발된콘텐츠를개정교육과정물리I의단원에맞춰콘텐츠를재 배열하여 341 개의영상자료가선정되었다. 2) 7차교육과정과겹치는단원에대해서추가적으로 76개의영상자료를더 확보하였다. 3) 새로도입된 20 개의중단원중 정보의저장장치 단원을제외한 19개 단원에대해 129 개의영상자료를확보하였다. 4) 총 42개의중단원에대해총 541 개의영상자료를확보하였다. 나. 질적인측면에서의결과 1) 선정된자료에대해 ICT 자료를추가하기도하고, 기존에개발된콘텐츠 를수정보완하기도하고, 연구소등을방문하여콘텐츠를확보하기도하 였다. 2) 47 개의플래시시뮬레이션, 129 개의영화장면, 17개의 TV 프로그램, 7개 의뉴스, 9개의 TV CF, 28 개의다큐, 260 개의실험동영상, 연구소홍보

동영상이나인터넷검색을통해얻은 다. 다. 활용의극대화측면에서의결과 1) 2) 44개의동영상등으로구성되어있 단원별로다양한동영상파일들이폴더별로정리되어있기때문에교사 가교수 학습목표에맞는동영상을선별하여활용할수있고개인적으로 소장하고있는영상자료를추가하여활용할수도있다. 새로운프로그램을추가로설치하거나다양한프로그램으로활용하는것 이아니라범용적으로널리사용하는 곰플레이어 하나의프로그램으로 플래시에서부터동영상자료까지실행시킬수있다. 2. 교육적효과 가. 교사의교재연구부담을경감시킬수있다. 본연구회세미나와토론회를통해개념의이해와적용, 개발된학습지와 함께해당되는내용에대한사진, 동영상, 플래시애니메이션등의자료가준비 되어있으면교재연구를하는데매우큰도움이될것이다. 나. ICT 자료를활용한교실수업개선이기대된다. ICT 자료만제시되면이를어떻게활용해야될지잘몰라사장되는경우가 종종있다. 이에본연구회에서 2004년이후로수업에적용하면서얻은노하우 를바탕으로영화를활용한수업의효과를극대화시킬수있는교수 학습모형 및샘플지도안을함께제시되면서교실수업에적용하기한결쉬워질것으로 기대된다. 다. 2009 개정교육과정의조기정착을기대할수있다. 올해부터적용적용되고있는 융합과학 의경우다소힘든시행착오를겪 고있고 융합과학 이정착되기전에 물리I 에서도새로운내용들이대거등장 하면서더욱큰혼란을초래할것으로보이지만사전에검증된교과연구회를 통해제작된 ICT 교수 학습자료와과정안은 2009 개정교육과정의조기정착 을지원할것으로기대된다.

참고문헌 1. 김소연, 홍명희 (2008), ICT 활용교육을위한도구별교수-학습유형개 발, 한국정보교육학회동계학술대회논문집, pp.73-78. 2. 윤기상, 권순신, 김종헌, 이현경, 정하균 (2005), " 물리교과영상자료제작 보급", 한국과학교육단체총연합회연구보고서. 3. 이상균, 이용섭, 김상달, 최성봉, 김순식 (2008), 초등과학과 ICT 활용프 로젝트기반학습수업모듈개발및적용, 한국초등과학교육학회지, 초등 과학교육, pp.189-200. 7. 한국교육과정평가원 (2010), 과학과교육과정해설서.