물리학과 첨단기술 JUNE 20 20 39 저자약력
강남화 교수는 서울대학교 사범대학 물리교육학과 학사, 과학교육 물리 전 공에서 석사학위를 취득하였으며, 서울에서 수년의 과학교사 재직경력이 있 다. 미국 University of Georgia의 과학교육학과에서 Ph. D.를 취득하고 (2002), 미국의 University of Nevada, Las Vegas와 Oregon State University에서 조교수 및 부교수로 약 10년간 재직 후 2012년부터 현재 까지 한국교원대학교 물리교육학과 교수로 재직 중이다. 2015교육과정 개 정팀의 물리교과 팀장을 했으며, 현재 한국물리학회 실무이사를 맡고 있다. (nama.kang@knue.ac.kr)
최호명 교수는 한양대학교 물리학과 학사 및 석사학위, 미국 North Carolina State Univ. 물리학과에서 입자및핵물리학 현상론으로 박사학위 를 취득(1999)하고, Carnegie Mellon Univ.에서 박사후 연구원을 거친 후 2003년부터 현재까지 경북대학교 물리교육과 교수로 재직 중이다. 현 재 한국물리학회 부실무이사를 맡고 있다. (homyoung@knu.ac.kr) 정용욱 교수는 한국과학기술원 물리학과에서 학사, 석사학위를 마치고, 동 대학에서 양자정보이론으로 박사학위(2005년)를 취득하였다. 이후 서울대 학교 물리교육과에서 과학교육학 박사학위(2012년)를 취득하였고, 2018년 부터 경상대학교 물리교육과 조교수로 재직하고 있다. 현재 한국물리학회 물리교육분과 간사를 맡고 있다. (ywcheong@gnu.ac.kr)
대학 일반물리 강좌 운영 실태와 지원 방안
강남화․최 호 명 ․정 용욱
대학 일반물리 강좌는 전통적으로 대부분의 이공계 대학생의 필수기본강좌로서의 역할을 해왔으며 일반적으로는 대학교 1 학년에 물리학 기초를 필요로 하는 이공계 전공자가 두 개 학 기, 1년을 이수하는 강좌이다. 또한 물리 전공자의 경우 고등 학교에서 접해본 물리를 대학 수준으로 입문하여 물리학적 안 목을 가질 수 있는 기회를 제공할 수 있는 강좌이다. 이러한 이유로 대학 일반물리 강좌는 물리학 전공자를 포함한 이공계 학생들에게 큰 영향을 미칠 수 있는 중요한 강좌이다. 가령, 한국의 대학과 달리 대부분 자유 전공으로 입학하여 대학 2, 3학년에서 전공을 정하는 미국의 경우 일반물리 강좌의 성공 적 이수가 이공계 전공 결정에 중요한 요인으로 작용한다. 이 렇게 대학 일반물리 강좌는 이공계 진학 결정에 중요한 역할 을 하여 이공계 전공 “비적격자를 탈락시키는 과정(weed out course)”으로 알려져 있다. 한국에서 일반물리 강좌의 내용과 질에 대한 관심은 2000년 대부터 최근까지의 ‘이공계 기피현상’, ‘이공계 학력저하’ 등의 논의와 그 맥을 같이 한다고 할 수 있다. 전반적인 고등학교 졸업생의 학력 저하를 우려하는 상황에서 대학 이공계 진학률 이 상대적으로 다른 분야에 비해 저하되었고, 그와 함께 우수 학생들이 의학이나 약학 분야를 선호하면서 이공계 학생의 교 육에 대한 전반적 검토 의견이 거론되기 시작하였다.[1] 물리학 을 포함한 이학과 공학은 점차 소외되어 우수한 학력의 신입 생 비율이 현저히 감소하였고,[2] 우수인력의 이공계 진학 기피 현상에 대한 논의는 21세기 국가 경쟁력이 과학기술에 크게 의존한다는 점에서 시급하다. 대학교 1학년 강좌로서 일반물리는 구조적으로 고등학교 교 육과정과 대학입시의 영향을 많이 받을 수밖에 없다. 1997년 고시되고 2002년 고등학교 입학생부터 적용된 제7차 교육과정 이후 한국의 교육과정은 선택형 교육과정으로 그 성격을 가지 게 되었다. 따라서, 고등학교에서 과학의 일부 영역만을 선택적 으로 수강하고 대학입학시험에서 일부 과학 과목을 선택하여 치르기 시작하면서 일반물리 수강생들의 편차가 심해지기 시작 했다. 즉, 일부 학생들이 고등학교에서 물리 교과를 이수한 경 험 없이 대학 일반물리를 수강하면서 대학의 일반물리 수강생 들의 편차가 심해지고, 강의 내용 준비에서 전통적으로 고등학 교에서 학습했을 것으로 기대해온 학생의 사전지식의 기준이 무너지게 된 것이다. 특히 선택형 교육과정 체제에서 물리학Ⅰ 이나 물리학Ⅱ와 같이 한 개 학급 구성이 어려운 비인기 교과 목의 경우, 학생들이 수강을 원하더라도 학교에서 개설이 되지 않아 실제적으로 수강이 불가능한 상황이 벌어지기도 한다. 또 한 물리학Ⅰ이나 물리학Ⅱ는 대학 입시에서 선택률이 낮아 득 점에서 불리하다는 판단으로 선택률이 더욱 더 낮아지는 악순 환이 벌어지고 있다. 결국 물리전공 신입생들 중에서도 고등학 교에서 물리를 제대로 이수하지 않은 학생이 출현하게 되었다. 이렇게 일반물리 이수를 위한 기초학습을 학교 교육과정에서 기대할 수 없는 상황은 2015 개정 교육과정에서 새로 구성된 통합과학이 필수 교과로 되면서 최소한의 물리 내용을 모든 학생이 학습한다는 점에서 다소 나아질 가능성이 있으나, 여전 히 일반물리 수강생들 모두가 어느 정도 기초적인 물리학 지 식을 가지고 수업에 임할 것이라고 기대하기에는 한계가 있다. 일반물리 수강생들의 편차가 심한 상황에서 양질의 일반물리 학습을 가능하게 하기 위해 일반물리 강의나 실험을 개설하는 대학의 물리학과 또는 물리교육학과에서는 일반물리 이수에 필 요한 기초학력이 부족한 학생을 찾아내고, 이들을 대상으로 일 반물리 수강을 위한 기초학습의 기회를 제공하는 사례가 증가 하고 있다. 이러한 노력이 체계적이고 효과적이기 위해서는 서 로의 노하우를 공유할 필요가 있다. 한국물리학회의 교육위원 회에서는 이러한 필요성에 공감하고, 학회 차원에서 공유의 장물리학과 첨단기술 JUNE 20 20 40 유형 (빈도) 일반물리학 1(수업시간) 일반물리학 실험 1(수업시간) 일반물리학 2(수업시간) 일반물리학 실험 2(수업시간) 1 (1) 3학점(3시간) 2학점(4시간) 3학점(3시간) 2학점(4시간) 2 (12)* 3학점(3시간) 1학점(2~3시간) 3학점(3시간) 1학점(2~3시간) 3 (4)+ 2학점(2시간) 1학점(2시간) 2학점(2시간) 1학점(2시간) 4 (5) 3학점(3시간)2학점(2시간) 없음. 3학점(3시간)2학점(2시간) 없음. 일반물리학 및 실험 1 일반물리학 및 실험 2 5 (5)* 3학점(강의 3시간, 실험 2시간) 3학점(강의 3시간, 실험 2시간) 6 (2)+ 3학점(강의 2시간, 실험 2시간) 3학점(강의 2시간, 실험 2시간) 표 1. 일반물리강좌 제공 방식의 유형.(한 대학에서 중복 제공한 모든 유형을 빈도에 포함) 을 제공하고, 필요한 경우 기초적인 물리 학습의 대상자 선발 이나 교육에 필요한 자원을 제공할 수 있다는 의견을 모았다. 이러한 학회 차원 노력의 시작점으로 현재 대학의 일반물리 강좌 운영 현황을 파악하고, 일반물리 강좌 수강에 필요한 기 초학력 부족 학생에 대해 각 대학의 대처 방안을 조사하고, 그 와 관련된 학회원들의 요구사항을 탐색하는 설문 조사를 실시 하였다. 본고에서는 그러한 기초 조사의 결과를 제시하고 학회 차원에서 제공할 수 있는 지원방안을 모색하고자 한다. 본고의 내용은 학회 교육위원회 또는 학회 전체 임원진의 의견이 아 니라 본고를 준비한 위원들이 조사한 자료를 바탕으로 다양한 안건을 도출한 것에 불과하며, 양질의 대학 일반물리 강좌 운 영을 위한 논의의 시작으로 본고의 내용이 활용되기를 바란다. 설문의 문항은 학회 교육위원회의 논의에 기초하여 본고의 저자들이 협의를 거쳐 구성하였다. 현황을 파악하기 위한 설문 문항은 각 학과에서 제공하는 일반물리 강좌에 관한 문항, 기 초학력 미달자를 위한 기초물리 강좌 제공에 관한 문항, 교양 물리 제공현황으로 구성하였고, 추가로 기초물리 강좌와 학회 지원방안에 대한 의견을 수집하였다. 설문지는 지역 거점 대학 과 서울·경기권 일부 사립대학의 물리학과와 물리교육과 학과 장에게 배부되었다. 한 달간의 자료수집기간 동안 전국 19개 의 물리학과와 5개의 물리교육과에서 설문에 회신하였다. 대학 일반물리 강좌의 운영 유형 분석에는 18개의 물리학과에서 수 집한 자료를 포함하였다. 사범대 물리교육과의 경우와 한 개 대학의 물리학과의 경우 일반적인 유형 분석에 포함하기에 특 이 사항이 다수 존재하여 유형 분석에서는 제외하였으나, 일반 물리 강좌 개선에 대한 논의에는 모든 설문 응답을 포함하였 다. 일반물리 개설 방식은 6개의 유형으로 구분할 수 있었는데, 한 개 대학에서 여러 유형으로 제공하는 경우가 많았다. 이는 공과대학, 자연과학대학 등 여러 단과 대학의 다양한 학과의 요구 사항을 반영하여 서로 다른 형태의 일반물리 강좌를 제 공하기 때문이었다. 우선 형식적으로 구분이 되는 유형은 ‘일 반물리학 1’, ‘일반물리학 2’와 ‘일반물리학 실험 1’, ‘일반물리 학 실험 2’를 별도의 강좌로 구분하는 경우와 ‘일반물리학 및 실험 1’, ‘일반물리학 및 실험 2’로 강의와 실험을 통합한 강좌 로 운영하는 유형, 실험이 없는 ‘일반물리’ 강좌 유형으로 나타 났다(표 1). 그러나 형식적인 것을 떠나 배당 학점과 강의 시 수만을 비교하면 유형 5는 유형 2와 실질적으로 같은 방식의 운영이고, 유형 6은 유형 3과 실질적으로 같은 방식의 운영이 었다. 따라서 실질적으로 구분되는 운영 방식은 크게 4가지로 볼 수 있다. 또한 특정 학과를 대상으로 일반물리 1, 2를 구분 하지 않고 한 개 학기로 제공하는 경우도 많았다. 한 개 학기 로 제공하는 경우는 두 개 학기 과정과 비교하여 강의 시간과 실험 수업 운영의 방식은 같았으므로 본 조사에서 수업 내용 을 다루지 않고 형식만 다룬다는 점에서 두 개 학기로 제공하 는 경우와 구분하지 않고 다루었다. 이들 유형 중 가장 학점이 많이 배정된 경우는 유형 1로 설 문에 응답한 한 개의 대학이 공과대와 자연대 등 일반물리학 을 수강하는 모든 학생을 대상으로 학기별 5학점으로 두 개 학기를 운영하였다. 특히 이 유형은 강의 시간이 유형 2보다 더 많지는 않았으나 실험 강좌에 2학점을 배정하고 4시간으로 운영함으로써 실험을 강조하는 모습을 보였다. 유형 2는 가장 빈도수가 높아서 12개 대학이 제공하는 유형이었다. 4학점이 배정이 되고, 강의 3시간과 실험 2시간으로 운영되는 유형이 다. 이와 동일한 방식이지만 강의와 실험을 통합 강좌로 운영 하는 유형 5와 통산하여 빈도수를 계산하면 17개 대학(95%)에 서 제공하는 유형이다. 유형 3의 경우는 유형 2에 비해 한 학 점 적게 운영이 됨으로 해서 강의 시간이 한 시간 적었고, 실 험은 동일하게 2시간 운영하는 유형이다. 이와 동일한 방식이 지만 강의와 실험을 통합 강좌로 운영하는 유형 6과 통합하여
물리학과 첨단기술 JUNE 20 20 41 빈도수를 계산하면 6개 대학(33%)이 활용하는 유형이었다. 유 형 4의 경우는 실험이 없는 일반물리학 강좌 유형으로 강의만 으로는 물리의 본성을 충분히 경험할 수 없다는 전통적인 관 점에서 일반물리 실험을 함께 제공하지 않는 경우에 대해서는 그 배경이나 효과에 대해 추가적인 탐색이 필요하다고 할 수 있다. 유형 2, 3, 4를 활용하는 일부 대학에서는 물리전공 관 련학과 이외의 특정 학과에 대해 한 개 학기만 운영하는 경우 가 있었다. 한 개 학기로 운영되는 경우 다루는 수업 내용과 그 효과에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다. 유형 분석에 포함된 18개 학과 중 4개의 학과에서 일반물리 강좌와 함께 ‘물리학 연습’ 강좌를 제공하는 것으로 드러났다. 그 중 한 개 학과는 배정된 학점 없이 일주일에 한 시간씩 연 습시간을 운영하면서 일반물리 강좌명을 ‘물리학 및 연습 1’, ‘물리학 및 연습 2’로 사용하고 있었고, 다른 3개 학과에서는 ‘물리학 연습’ 강좌를 별도로 만들어 1학점을 배정하여 일주일 에 1시간 또는 2시간씩 한 학기 또는 두 학기를 운영하고 있 었다. 한편, 일반물리학 수강에 필요한 기초학력이 부족한 학 생을 위한 기초물리 강좌는 6개 대학에서 운영하고 있었다. 이 중 두 개의 대학에서 진단평가를 통해 기초물리 이수 대상자 를 선정하는 것으로 드러났다. 기초물리 강좌를 제공하는 6개 대학 중 4개의 대학은 2~3학점을 배정하여 한 개 학기 동안 기초물리를 수강하게 하였고, 다른 2개 대학은 입학 전 15시 간 또는 60시간의 교육프로그램을 제공하는 것으로 드러났다. 학점으로 이수하는 경우는 일반물리 수강 이전에 이수하거나 동시에 이수하게 하였다. 기초물리 강좌를 제공하지 않는 대학 중 한 개 대학의 경우 대학 차원의 BSM(Basic Science & Mathematics) 튜터링 교육센터를 운영하여 기초물리, 기초수 학 및 기초화학 등의 수강에 어려움을 느끼는 학생들을 개인 별로 지도하는 프로그램을 제공하는 것으로 나타났다. 한편, 기초물리를 제공하지 않는 대학의 일부 응답에서 학생 수준을 고려하여 일반물리 수업의 난이도를 낮추는 사례가 발견되었 다. 일반물리를 필수강좌로 지정한 다양한 학과에서 일반물리수 업의 내용이나 형식에 대해 요구하는 사항이 복잡해지고, 학생 들의 학업능력의 편차는 갈수록 커지며, 학생들의 학습 태도나 요구사항이 다양해지면서 일반물리 수업에 대해 보다 많은 고 민이 필요해지고 있다. 이러한 변화는 단지 일반물리 강좌의 문제라기보다는 변화하는 교육과 사회의 모습이 반영된 것이라 할 수 있다. 따라서 각 대학은 이러한 변화에 대응하는 전략을 세워 양질의 일반물리 강좌를 운영할 수 있는 노력을 해야 할 것이다. 이러한 학회 회원들의 노력이 효과적인 결과를 산출할 수 있도록 물리학회가 지원할 수 있는 방안에 대한 설문 문항 을 제시하였다. 이 문항에서 다양한 응답을 수집하였는데 그 내용을 크게 일반물리 수강에 필요한 기초학력이 부족한 학생 에 대한 지원방안, 편차가 심한 학생을 대상으로 하는 일반물 리 수업의 지원을 위한 방안으로 나눌 수 있었다. 우선 일반물 리 수강에 필요한 기초학력 미달자를 위한 대책에 대한 학회 차원의 지원방안으로는 (1) 일반물리 수강에 필요한 기초학력 교육을 위한 ‘기초물리’ 강의 교재 목록 및 강사 데이터베이스 제공, (2) 일반물리 수강에 필요한 기초학력 평가를 위한 검사 문항 제공 또는 학생의 자기 진단을 위한 온라인 진단 제공, (3) 기초물리 강의자료 공유 플랫폼 제공, (4) 학회 차원의 온 라인 기초물리 강좌 제공 등이 있었다. 이와 같은 기존의 체제 내에서의 효과적인 운영을 위한 지원방안 이외에, 각 대학의 협력을 요구하는 방안으로 보다 개방적인 기초물리 강좌의 제 공에 대한 제안이 있었다. 즉, 이공계 진학생이 입학 전에 거 주 지역의 대학 물리학과에서 기초물리 강좌를 이수하고, 본인 이 지원한 대학에 입학할 수 있도록 하는 방안이다. 이러한 공 동의 지원방안은 물리학회가 지역 거점대학을 비롯하여 자원하 는 대학을 조사하고, 제공 방식 등을 조율하는 역할을 수행하 거나 학회 차원의 온라인 기초물리 강좌 제공을 통해 해결해 나갈 수 있을 것이다. 한편, 일반물리 강의와 관련한 학회 차원의 지원방안으로 (1) 일반물리 강의자료(영상 등) 제공 또는 강의 정보 안내, (2) 일 반물리 학습 동기 유발을 위한 짧은 동영상 자료의 제공, (3) 일반물리 수강생을 위한 학습 방법 안내 자료 제공, (4) 수준 별 일반물리 교재 목록 제공이 있었다. 한편, 일반물리 강좌가 적정 수준을 유지할 수 있도록 하는 방안으로 일반물리 이수 기준을 학회 차원에서 제시할 필요성에 대한 제안도 있었다. 이러한 ‘일반물리 학력표준’은 강의자의 학습 목표나 평가 설정 을 지원하기도 하지만, 학생들로 하여금 일반물리에서 기대하 는 학습 목표를 인식하도록 하여 자발적인 학습 목표와 계획 의 설정에 도움이 될 수도 있다. 일반물리 평가와 관련해서는 현재 일부 대학에서 활용 중인 일반물리 연습문제에 대한 문 제은행 시스템을 학회 차원에서 관리하여 각 대학에 제공하는 방안도 제안되었다. 이러한 일반물리 강의를 위한 학회 차원의 지원에 대한 아이디어는 각 대학의 상황에 따라 그 필요성의 정도가 다름을 알 수 있었다. 이미 ‘기초물리’ 강좌를 제공하는 대학의 경우 그 내용과 제공 방식에 대한 안내를 필요로 하는 것으로 드러났고, ‘기초물리’ 강좌나 그와 유사한 학습지원 체 계가 없는 대학의 경우는 대학이 하지 못하는 것을 학회를 통 해 시행할 수 있는 방안이 마련되기를 희망하였다. 이상으로 설문지를 통해 다양한 일반물리 강좌의 운영 실태 와 비공식적으로 인지되어 왔던 일반물리 수강에 필요한 학력 미달자를 위한 각 대학의 노력 현황을 알아보았고, 이에 대해 학회 차원에서 제공할 수 있는 지원 방안에 대한 제안을 정리
물리학과 첨단기술 JUNE 20 20 42 하여 제시하였다. 이러한 조사의 결과를 바탕으로 학회 차원의 지원을 모색하기 위해서는 보다 엄밀한 탐색이 필요하다. 우선 일반물리 강좌 이수에 필요한 기초학력이 무엇인가에 대한 조 사와 협의가 필요하다. 미국의 한 연구에 의하면 대학 일반물 리 수업을 수강할 준비가 되어 있지 않은 학생의 특성으로 (1) 과학의 추상적 개념을 이해하는데 필요한 구체적 경험의 부족, (2) 수학이나 어학 기술의 부족, (3) 혼자 스스로 문제풀이를 하는 과제에 대한 자신감 부족, (4) 학업 성취도에 대한 낮은 기대를 제시하였다.[3] 물리 개념이해를 위한 경험의 부족은 수 업 중 다룰 수 있는 내용이며, 일반물리를 필수 교양으로 이수 해야 하는 이공계 학생들의 학습 동기나 자신감 부족은 한국 에서도 볼 수 있다. 그러나 수학이나 어학과 같은 기초 능력의 부족에 대한 우려는 한국에서는 아직까지는 두드러지지 않다. 예를 들면, 미국 오레곤 주립대학에서는 대학 1학년 첫 학기에 각 2 학점의 수학, 화법(speech), 쓰기 1, 쓰기 2를 수강해서 일정 수준의 성적을 받아야만 대학 정규 수업을 수강할 수 있 도록 하고 있다. 일반물리 수강의 경우는 AI를 활용한 온라인 평가로 학생들의 수학 수준을 측정하여 수준별로 수학 강좌를 이수하게 하고, 미적분학 수준의 수학 강좌를 이수해야 이공계 학생 대상의 일반물리 강좌를 신청할 수 있도록 하고 있다. 한 국 역시 최근 학생들의 수학 기초에 대한 우려의 목소리가 나 오기는 하지만, 수학 기초 능력에 대한 우려보다는 기초물리 내용에 대한 우려가 더 크다. 하지만 기초수학을 이수한 학생 이 일반물리 성적이 더 좋다는 해외 연구 결과는 주목할 만하 다.[4] 한국의 일반물리 강좌에 대한 우려는 과거 고등학교에서 물리의 기초 개념을 학습해서 진학했던 학생들과 비교해서 이 젠 모든 학생에게서 고등학교 물리 이수를 기대할 수 없어 학 생들의 편차가 심해진 현상에 대한 반응일 것이다. 고등학교 때의 물리이수 여부와 대학의 일반물리 이수 성적 사이의 상 관관계는 연구논문으로도 확인된다.[5] 이러한 선행학습에서의 격차를 줄이기 위해 일부 대학에서 기초물리 강좌를 제공하기 는 하지만 어떤 학생에게 어떤 내용의 교육을 제시해야 하는 지, 기초물리 수강이 과연 효과가 있는지에 대한 연구가 필요 하다. 한편, 기초물리 교육을 제공할 여건이 되지 않는 대학에 서 일반물리 수강생들의 격차를 어떤 방식으로 해소하는 노력 을 하고 있는지, 격차가 큰 학생을 대상으로 효과적인 일반물 리 강의는 무엇인지에 대한 추가적인 연구와 고민이 필요하다. 대학 기초 과목 수강에 필요한 선행학습의 부족 문제는 물리 만의 문제가 아닐 수 있다. 따라서 당면한 문제에 대한 인접 학문 학회와의 소통을 통해 대학교의 이공계 관련 기초 과목 교육의 내실을 함께 다지는 노력도 필요할 수 있다. 대학 일반물리 강좌의 내실화와 효과를 위한 대학의 노력과 학회의 지원방안과 더불어 학회 차원에서 이공계 학업을 위한 일반물리의 중요성에 대한 근거를 마련하고 이에 대한 인식을 높이는 노력, 중고등학교 학생들의 물리학에 대한 관심과 흥미 를 유발할 수 있는 사업의 운영 및 고등학교에서 물리 선택률 을 높이기 위한 정책적 노력도 함께 요구된다. 참고문헌 [1] 이경우, 철학과 현실 61, 93 (2004). [2] 박재민, 과학기술정책 145, 16 (2004).
[3] L. C. McDermott, L. K. Piternick and M. L. Rosenquist, Journal of College Science Teaching 9(5), 261 (1980).
[4] D. E. Meltzer, American Journal of Physics 70(12), 1259 (2002). https://doi.org/10.1119/1.1514215.
