1.과학 교과서에 제시된 전지 연결 방법에 따른 전류의 특성 내 용 분석
과학과 교육과정에서 전지의 연결 방법에 따른 전류의 특성에 대해 어떻게 표 현하고 있는지 그리고 과학과 교육과정의 전기 단원에서 궁극적으로 학생들이 습득해야할 옴의 법칙과 키르히호프의 법칙을 어떤 수준에서 제시하고 있는지를 알아보기 위해 초등학교,중학교,고등학교 교과서에 내용을 아래와 같이 분석하 였다.
1)초등학교 과학 교과서에 나타난 전지 연결 방법에 따른 전류의 특성에 대한 내용
2007개정 교육과정 초등학교 5학년 1학기 과학 교과서 전기회로 단원에서는 그림 Ⅱ-1과 같은 그림을 통해 ‘전지 여러 개를 서로 다른 극끼리 한 길로 연결 하는 방법을 전지의 직렬 연결이라고 하고,전지 여러 개를 두 개 이상의 길로 연결하는 방법을 전지의 병렬 연결이라고 한다’라고 전지의 직렬연결과 병렬연결 을 학생들에게 처음 소개한다.전지를 전력원으로 사용하는 전기회로에서 전지들 의 연결에 따른 전류의 특성에 대한 개념들은 초등학교 과학과 교육과정에서는
전지를 직렬연결한 전기회로와 전지를 병렬연결한 전기회로에 연결된 전구의 밝 기를 관찰하고 비교하는 활동을 통하여 현상적인 이해의 수준에서 학습하게 된 다(교육과학기술부,2007a,2007b;교육인적자원부,2002a,2002b).초등학교의 과 학교육과정에서 전지들의 연결 방법에 대하여 학습되어야 할 개념은 ‘전지를 직 렬로 연결했을 때가 전지를 병렬로 연결했을 때보다 전구의 밝기가 더 밝다’이다 (교육과학기술부,2007a;교육인적자원부,2002a).
이상의 내용을 통하여,초등학교 과학과 교육과정에서는 전지를 직렬로 연결했 을 때,전구의 불빛은 단일 전지를 사용했을 때보다 밝아진다.그러나 전지를 병 렬로 연결하면 전구의 불빛의 밝기는 단일 전지를 사용할 때와 같다는 현상적 수준에서 옴의 법칙을 학생들에게 소개하고 있음을 확인할 수 있다.
2)중학교 과학 교과서에 나타난 전지 연결 방법에 따른 전류의 특성에 대 한 내용
그림 Ⅱ-2. 2007개정 중학교 3학년 과학교과서에서 전지의 직렬연결과 병렬연결을 소개한 그림(이성묵 등,2012b)
2007개정 교육과정 중학교 3학년 과학 교과서 전기 단원에서는 그림 Ⅱ-2와 같은 그림을 통해 ‘전지를 직렬연결하면 전체 전압은 전지의 개수에 비례하여 커 지고,전지를 병렬연결하면 전체 전압은 커지지 않고 전지 한 개의 전압과 같다’
라고 전지의 직렬연결과 병렬연결에 대해 소개한다.중학교의 전기 관련 과학교 육과정에서는 전류,전압,저항 등의 전기에 대한 기본 개념들을 습득하게 하는 과정에서 전기회로에 흐르는 전류와 단자전압을 변화시키기 위하여 전지의 연결
방법을 적용하여 그 개념을 학습하게 하고 있다.중학교 과학과 교육과정에서 학 습되어야 할 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 개념들은,‘전지를 직 렬로 연결할 경우 연결하는 전지의 수가 많을수록 전기회로의 단자전압이 높아 지며,전기회로에 흐르는 전류는 단자전압에 비례하여 커진다.그러나 전지를 병 렬로 연결할 경우에는 전지의 수에 관계없이 전기회로의 단자전압이 일정하여 전류도 일정하다’라고 정리할 수 있다(이광만 등,2007;이성묵 등,2002,2009, 2012a).
또한,중학교 과학과 교육과정에서는 니크롬선에 흐르는 전류와 전압을 측정하 는 실험을 통해 학생들에게 ‘도선에 흐르는 전류의 세기는 전압의 크기에 비례한 다’는 사실을 알게 하고,‘전류에 대한 전압의 비를 그 도선의 전기 저항 또는 저 항이라고 한다’라고 옴의 법칙을 제시한다.그리고 저항의 직렬연결 실험에서는 두 개의 저항에 걸리는 전압의 합은 전체전압과 같다는 현상적 수준에서 키르히 호프의 제2법칙을 소개하고 있고,저항의 병렬연결 실험에서는 병렬연결된 두 개 의 저항에 흐르는 전류의 합은 전체 전류와 같다는 현상적 수준에서 키르히호프 의 제1법칙 소개하고 있음을 확인할 수 있다.
3)고등학교 과학 교과서에 나타난 전지 연결 방법에 따른 전류의 특성에 대한 내용
그림 Ⅱ-3. 2007개정 고등학교 물리Ⅱ 교과서에서 전지의 직렬연결과 병렬연결을 소개한 그림(채광표 등,2010)
2007개정 교육과정 고등학교 물리Ⅱ 교과서 전기장과 전류 단원에서는 그림
Ⅱ-3과 같은 그림을 통해 ‘여러 개의 전지를 직렬로 연결하면 전체의 기전력은 각 전지의 기전력을 합한 것과 같으며,전체의 내부저항도 각 전지의 내부저항을 합한 것과 같다.그리고 여러 개의 전지를 병렬로 연결하면 전체의 기전력은 전 지 한 개의 기전력과 같고,내부저항은 감소한다’라고 전지의 직렬연결과 병렬연 결에 대해 소개한다.
고등학교 과학과 교육과정에서는 전지의 기전력과 내부저항을 고려한 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 관련된 법칙을 제시하고 있다.고등학교 과학과 교육과정에서 학습되어야 할 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 개념 들은,‘전지를 직렬로 연결하면 높은 기전력을 얻을 수 있지만 내부저항도 커지 며,전지를 병렬로 연결하면 큰 기전력을 얻을 수 없으나,내부저항을 줄이는 효 과를 낼 수 있다’라고 정리할 수 있다(장준성 등,2010;채광표 등,2010).또한 이와 관련하여,여러 개의 저항과 전원이 연결된 복잡한 전기회로에서 전압이나 전류의 세기를 구하는 상황을 도입하며 키르히호프의 제 1법칙과 제 2법칙을 제 시하고 있다.
이상의 분석을 통하여 초등학교와 중학교에서의 전지의 연결방법에 따른 전류 의 특성은 학습개념과 일치하고 있음을 확인할 수 있다.그리고 고등학교에서도 전지의 내부저항과 기전력 개념으로 설명하고 있으나,전지의 내부저항과 부하저 항의 상대적 크기에 따른 전류의 특성을 고려하지 않기 때문에,결국 과학과 교 육과정에 제시된 전지의 연결방법에 따른 전류의 특성은 용어의 정의에서 언급 한대로 학습개념 수준으로 교과서에 제시되고 있음을 확인할 수 있다.
2.선행연구
선행연구는 전기회로 및 전류 개념,전지관련 실험수업의 어려움,개념변화,전 지의 연결방법에 따른 전류의 특성,전지의 연결방법에 따른 전류의 특성에 대한 초등교사들의 이해도에 관한 내용으로 살펴본다.
1)전기회로 및 전류 개념에 관련 선행연구
선행연구를 살펴본 결과 전지의 연결방법에 관련된 선행연구는 많지 않았다.
그래서 전지의 연결방법을 포함하여 전기회로,전류 등으로 폭넓게 선행연구를 살펴보았고,그 결과는 다음과 같다.
김찬호(1993)는 초등학교 교사들의 전류개념을 조사한 결과,전기회로에서 전 류의 오개념인 일정전류 모형,소모성 모형,분배 모형이 초등교사들에게 높게 분포하고 있다고 하였다.특히 소모성 모형,분배모형은 많은 수의 교사들이 선 택하고 있으며 소모성 모형은 대부분의 교사들에게서 넓게 분포하고 있다고 하 였다.
장병기와 신순임(1998)은 초등학교 교사들을 대상으로 전기회로에서 전류의 흐 름에 대하여 조사한 결과,전기회로에서 전류의 흐름에 대한 이해도가 초등학생 들의 수준과 크게 차이가 없었다고 하였다.초등교사들은 현상에 대해서는 잘 이 해하고 있으나 전류의 흐름에 대해 정확히 이해하지는 못하고 있다고 하였다.그 리고 전류나 전압 또는 저항에 대한 기본적인 개념을 획득할 수 있는 경험을 제 공하기 위해 전류계나 전압계를 사용하여 보이지 않는 전류나 전압을 측정해보 는 경험이 필요하다고 하였다.
공은주(2004)는 초등학생을 대상으로 전원,전기 회로,도체와 부도체,전지의 연결방법이라는 영역으로 구성된 전기개념을 향상시킬 수 있는 구성주의적인 수 업이 전기개념 향상에 효과적이었다고 하며,전지의 직렬연결과 병렬연결시 불의 밝기를 비교하는 문항들과 전지의 직렬연결과 병렬연결 방법을 구분하는 문항들 에서 오개념이 개선되어 과학적 개념으로 향상되었다고 하였다.
전현주와 유병길(2004)은 초등학생들을 대상으로 전지의 직렬연결과 병렬연결 에 대한 이해도를 조사한 결과,초등학생들의 이해도는 100점 만점으로 환산하면 약 60점대로 높지 않았고,특히 학생들은 전지의 연결방법을 구분할 때 회로 전 체를 고려하지 못하고 일부분에 초점을 맞추고 있다고 하였다.또한 학년과 성별 에 따른 차이는 거의 없었다고 하였다.
장병기(2005)는 초등예비교사들이 전지와 전구의 수를 기준으로 하여 2개의 전 구의 밝기를 비교하는 경향이 있다고 하면서,전류나 전압이 각 전구에 나누어진
다는 분배개념과 전지에서 일정한 전류가 나온다는 전지 개념으로 설명하는 초 등예비교사들이 많았던 결과는 초등학교 5학년 학생들의 결과(정미영 등,2005) 와 비슷한 수준이며 저항과 전압 개념을 전기회로에서 더 지도할 필요성이 있다 고 하였다.또한 정량적 이해를 통한 정성적 이해를 위해,초등학교에서 전류계 나 전압계를 도입하는 문제를 진지하게 고려되어야 한다고 하였다.
주혜은과 이문남(2005)은 중등 예비과학교사들을 대상으로 간단한 회로의 전구 의 밝기를 비교하는 연구에서,중등 예비과학교사들이 수용가능한 과학개념,제
주혜은과 이문남(2005)은 중등 예비과학교사들을 대상으로 간단한 회로의 전구 의 밝기를 비교하는 연구에서,중등 예비과학교사들이 수용가능한 과학개념,제