http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.68.1069
Analysis of Special Relativity Theory in High School Physics Textbooks Under the 2009 and the 2015 Revised Curricula
Sangwoo Ha
∗Gyeonggi Science High School for the Gifted, Suwon 16297, Korea (Received 12 June 2018 : revised 21 August 2018 : accepted 27 August 2018)
In this study, we developed an analytical frame based on the results of physics education research concerning special relativity theory (SRT) and analyzed eight kinds of high school physicsI textbooks under the 2009 and the 2015 revised curricula. From the results of this study, we suggest the points that should be considered for a better description of SRT. We found that the students’ difficulties in relation to the SRT need to be reflected from the perspective of Einstein’s relativity hypothesis, the distinction between event occurrence and cognition, and the paradox of SRT. On the one hand, the strategy that was mainly dealt with in the textbooks to remove abstraction from the relativity of simultaneity was the use of event diagrams. Muon, and GPS examples were most frequently treated as experimental evidence for SRT. We suggest that the cognitive levels of high school students should be considered when we describe SRT in textbook.
PACS numbers: 01.40.Fk
Keywords: Special relativity theory, High school physics textbooks, Students’ difficulties, Relativity of simultaneity
2009 및 2015 개정 교육과정 고등학교 물리교과서의 특수상대성 이론에 대한 서술 분석
하상우
∗경기과학고등학교, 수원 16297, 대한민국
(2018년 6월 12일 받음, 2018년 8월 21일 수정본 받음, 2018년 8월 27일 게재 확정)
본 연구에서 연구자는 특수상대성 이론에 대한 선행 물리 교육 연구 결과를 활용하여 분석 기준틀을 개발하고, 2009 및 2015 개정 교육과정에서의 우리나라 고등학교 물리학I 교과서 8종을 분석하였다. 또한 연구자는 분석 결과를 바탕으로 고등학교 물리교과서에서 특수상대성 이론과 관련하여 보다 나은 서술을 하기 위해서는 어떤 점을 고려해야 하는지 제안하였다. 연구 결과 현행 물리 교과서들은 특히 아인슈타인의 상대성 가설 및 사건의 발생과 인지의 구분, 특수상대성 이론의 역설에 대한 서술 부분에서 선행 물리 교육 연구들에서 제안한 학생들의 어려움을 제대로 반영하고 있지 않았다. 한편, 학생들에게 동시성의 상대성 상황을 구체화시켜주기 위해 교과서에서 주로 다루고 있는 전략은 사건 도표의 활용이었고, 뮤온 및 GPS 에 대한 예시를 특수상대성 이론에 대한 실험적 증거로 가장 빈번하게 다루고 있었다. 또한 특수상대성 이론의 역사적 맥락화를 살리기 위해서 많은 교과서에서 마이컬슨 몰리 실험을 소개하며 아인슈타인의 광속 일정의 원리에 대한 설명으로 넘어가는 전략을 취하고 있었다. 특수상대성 이론은 학생의 직관과
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배치되는 이론이기 때문에 교과서에 관련 내용을 고등학생의 인지 수준에 맞게 서술하기 위해 더 많은 고민이 필요해 보인다.
PACS numbers: 01.40.Fk
Keywords: 특수상대성 이론, 고등학교 물리 교과서, 학생들의 어려움, 동시성의 상대성
I. 서 론
특수상대성 이론은 비교적 최신의 물리 이론으로 학생들 이 현대 사회를 살아가기 위한 필수 교양이라 할 수 있다.
이에 우리나라에서도 2009 개정 교육과정에서부터 고등학 생들에게 특수상대성 이론을 가르치기 시작했다 [1]. 하지만 특수상대성 이론은 그 중요성에도 불구하고, 빛의 속도에 가깝게 운동하는 물체에서만 그 현상이 두드러지게 나타나 기 때문에 일상생활에서 경험하기 힘든 추상성이 있으며 특수상대성 이론의 많은 결과가 학생들의 직관과 배치된다 [2]. 이러한 특성 때문에 학생들은 여러 가지 어려움을 겪으 며, 특히 특수상대성 이론의 여러 현상들이 상상 속에서만 이루어지는 일이라는 생각을 가지게 된다.
학생들은 특수상대성 이론에 대해 전반적으로 어려워하 지만 그 중에서도 특히 동시성의 상대성에 대해 어려워한다 는 사실이 여러 선행 연구들에서 밝혀져 있다 [3–5]. 동시성 의 상대성은 특수상대성 이론의 주요 결과인 길이 수축 및 시간 팽창 현상과도 깊이 연결되어 있어 특수상대성 이론을 제대로 이해하기 위해서는 이에 대한 이해가 필수적이다.
하지만 학생들은 사건의 동시성이 절대적이며 외부자에 의해 판단 가능하다고 생각하거나, 물리량 및 기준계를 절 대적인 것으로 믿으려는 경향이 있어 동시성의 상대성을 이해하는데 많은 어려움을 겪는다 [3–6]. 기본 개념에 대한 학생들의 이러한 이해 부족으로 인해 기초 개념들이 복합 적으로 적용되는 역설 상황에서의 문제 해결 능력이 크게 낮다는 보고도 있다 [7].
많은 선행 연구들이 동시성의 상대성과 밀접한 연관이 있는 학생의 어려움으로 사건의 발생과 동시성의 인식을 서로 혼동하는 경향을 지적한다 [4,8,9]. 이 연구들에 따르면 학생들은 두 사건이 동시에 관측되었다면 그것들이 동시에 일어난 사건으로 생각하며, 비록 사건의 발생이 다르게 측 정된 것처럼 나타났더라도 그것이 지각의 문제라고 풀이하 려는 경향이 있다 [8].
Dimitriadi & Halkia 는 동시성의 상대성과 관련한 학 생의 어려움을 자세히 분석한 결과 학생들이 특수상대성 이론을 이루는 두 가지 가설 중 빛의 속도 가설보다 특히 상대성 가설을 더 받아들이기 힘들어 한다는 사실을 발견 했다 [6]. 이와 관련하여 Bandyopadhyay는 학생들이 심
∗E-mail: [email protected]
지어 고전 역학적 상황에서 아인슈타인의 상대성 가설과 밀접한 관련이 있는 갈릴레이의 상대성 원리에 대한 이해도 부족하다고 보고하고 있다 [10]. 이 연구에 따르면 학생들은 갈릴레이의 상대성 원리에서 여러 과학 법칙들의 불변성과 물리적 특성의 불변성에 대해 혼돈하고 있었다.
이런 어려움에도 불구하고 특수상대성 이론은 현대 사 회와 밀접한 관련이 있는 이론이기 때문에 2009 개정 교육 과정에 이어 2015 개정 교육과정에서도 그 내용이 물리 교육 과정에 포함되었다 [1,11]. 특히 특수상대성 이론은 학생들이 고전적 개념에 대해 더 깊이 이해하기 위해서도 필요하며, 특수상대성 이론에 대한 역사적 접근은 과학이 소수의 천재과학자에 의해 수행되는 학문이라는 오해를 막 고, 어떻게 다른 생각들이 더 강력한 개념으로 발전해 나갈 수 있는지 보여줄 수 있는 좋은 접근법이 될 수도 있어 [12], 상대론 교육이 학생들의 물리학에 대한 이해에 많은 도움 을 줄 수 있다. 하지만, 앞서 언급했던 특수상대성 이론에 대한 학생의 어려움 때문에 일반 교육 현장에서 이 이론을
‘제대로’ 가르치기는 여간 어려운 일이 아니다. 학생들은 특수상대성 이론에 대한 수업을 받고 난 후에도 동시성의 상대성과 관성 좌표계에서의 관찰자의 역할에 대해 심각한 어려움을 지닌다 [4].
특수상대성 이론에 대해 학생들이 가지는 어려움을 해 소시켜 주기 위해 그동안 다양한 시도들이 있었다. 먼저 특수상대성 이론과 관련한 학생들의 어려움이 상대성 이 론의 추상성에서 발생한다고 진단한 선행 연구들에서는, 학생들에게 구체적인 경험을 제공해 주기 위해 과학관을 활 용한 특수상대성 이론 교육을 시도하거나 [13], 가상현실을 활용한 특수상대성 이론 교육을 시도하기도 했다 [14]. 또한 가상현실 및 사건 도표 그리기 활동을 이용한 수업 방법을 제안하여 학생들이 보다 구체적으로 느낄 수 있는 수업을 계획한 연구도 있었다 [15].
한편, 역사적 관점에서 죽은 지식으로서의 과학 지식을 맥락화하면 학생들의 개념에 대한 폭넓은 이해를 도울 수 있다는 주장들이 꾸준히 제기되어 왔고 [16,17], 이에 특 수상대성 이론에서도 역사적 접근을 고려하면 학생들의 어려움을 해소할 수 있다는 연구가 있다 [12,18]. 이처럼 역사적 접근법은 과학 지식에 대한 발견의 맥락을 되살려 결국 학생들이 과학적 개념을 더 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있으므로 특수상대성 이론의 교육에도 고려해볼 필요가 있다.
Table 1. Seven criteria for textbook analysis for this study.
Criteria Major preceding research
1. The relativity hypothesis of Galileo. Bandyopadhyay, 2009 [10]
2. The distinction between the occurrence of an event and the perception of an observer. De Hosson et al., 2010 [8]
3. An example about relativity of simultaneity. Scherr et al., 2001 [4]
4. Materialization of the main contents of relativity theory. McGrath et al., 2010 [14]
5. Historical context. Arriassecq & Greca, 2012 [12]
6. Experimental evidence on special relativity theory. Scherr et al., 2002 [5]
7. Paradox of special relativity theory. Arriassecq & Greca, 2012 [12]
2015 개정 교육과정은 우리나라 고등학교 물리 교육과 정에 특수상대성 이론이 반영된 두 번째 교육과정이다. 하 지만 아직까지 특수상대성 이론에 대한 교과서의 서술이 어떠한지 분석한 연구물은 찾아보기 힘들어 현행 우리나라 교과서에서의 특수상대성 이론 서술이 어떠한지 살펴볼 필요가 있다. 특히, 학생들의 특수상대성 이론 개념에 대한 이해와 관련하여 교과서의 서술이 학생들에게 결정적인 혼돈을 줄 수 있다는 보고도 있어 [19], 관련 내용에 대한 교과서의 서술에 대한 분석은 꼭 필요하다고 할 수 있다.
이에 본 연구에서는 선행 물리 교육 연구들에 비추어 2009 및 2015 개정 교육과정의 고등학교 물리 교과서들의 특수 상대성 이론에 대한 서술 실태가 어떠한지 살펴보는 것을 연구의 목적으로 설정하였다.
II. 연구 방법
우선 교과서 분석에 사용된 교과서는 2009 개정 교육과정 에서의 물리I 교과서 2종, 2015 개정 교육과정에서의 물리 학I 교과서 6종이었다. 이 교과서들을 분석하기 위한 분석 기준은 특수상대성 이론에 대한 물리 교육 분야의 선행 연 구들의 주요 내용을 참고하여 설정하였다. 특히, 본 연구의 분석 내용은 특수상대성 이론으로 국한되었는데, 그 이유는 일반상대성 이론에 대한 부분이 2015 개정 교육과정에서는 물리학II에 편성되어 두 교육과정을 동일한 수준에서 분석 하기가 어렵다고 판단했기 때문이다. 특수상대성 이론에 대한 물리 교육 분야의 선행 연구들을 추출하기 위해 본 연구에서는 특수상대성이론에서 학생들이 겪는 어려움에 대한 체계적인 문헌 연구를 한 Jho의 연구 방법을 참고하 였다 [3]. 먼저 국내 연구는 학술연구정보서비스 (RISS) 에서 한국학술연구재단 등재지 이상의 학술지를 대상으 로 상대론, 상대성 이론의 키워드로 검색하여 7편의 국내 논문을 선정하였다. 국외 연구로는 Web of science에서 SCI급 이상의 학술지를 대상으로 검색하였는데, 국내연 구와 동일한 키워드로는 검색 논문이 너무 많아 relativity,
relativistic 등의 키워드에 연구 논문의 주제를 교육 분야로 제한하거나, relativity, relativistic 등의 키워드에 student, difficulty, textbook 등의 키워드를 교차 검색하는 방법으 로 29편의 국외 논문을 물리 교육 분야의 선행 연구 분석 대상으로 선정하였다.
한편, 분석 기준의 타당성을 높이기 위해 연구자는 객관적 해석학 (objective hermeneutics) 의 방법론을 활용하였다 [20]. 이를 위한 절차로 연구자가 우선 물리 교육 선행 연 구에서 다루고 있는 특수상대성 이론의 담론들 (특수상대 성 이론과 관련한 학생의 어려움, 특수상대성 이론에 대한 교육의 개선을 위해 고려해야 할 점들) 을 추출하고, 이후 추출된 내용들을 현행 교과서 분석에 활용해 보았다. 최 초에 연구자는 물리 교육 선행 연구들에서 추출할 수 있는 담론들을 최대한 많이 생성하는 발산적 과정을 거쳤으며, 이를 활용하여 교과서를 분석하는 과정에서 교과서에 적혀 있는 실제 내용에 맞게 최초의 기준을 다시 수정하는 과정 을 반복적으로 거쳤다. 이렇게 생성된 기준들을 현행 교과 서의 서술에 맞추어 보는 과정에서 최초에 생성된 기준들 자체가 많이 수정되거나 삭제되었다. 특히, 최초에 생성 된 특정한 기준에 대해 모든 교과서들이 도달하지 못하고 있거나, 또는 교과서 별로 차이점을 보이지 않는 기준은 삭제하였다. 예를 들어 시간 팽창, 길이 수축 등의 개념은 특수상대론의 주요 개념임에도 불구하고 본 연구의 분석 기 준에서 삭제되었는데, 이는 연구자가 현행 교과서에서 이들 개념에 대한 서술에서 차이점을 발견하지 못했기 때문이다.
이처럼 최초에 생성한 가능한 많은 기준들을 현행 교과서의 서술 (raw data) 과 비교 분석하는 끊임없는 해석학적 순환 (hermeneutics circle) 의 과정을 통해 연구자는 연구자의 편견을 해소하려고 노력했다 [21]. 이런 과정을 거쳐 연구 자는 우리나라 물리 교과서들이 특수상대성 이론교육과 관련한 선행 물리 교육 연구의 결과를 잘 반영하고 있는지, 선행 연구에서 제시한 학생들의 어려움을 제대로 고려하고 있는지, Table 1과 같이 일곱 가지 세부 기준을 설정하였다.
각각의 기준과 비교적 연관성이 높은 선행 연구도 Table 1 에 참고로 같이 제시하였다.
연구자는 위의 기준들을 설정하고, 분석하는 과정에서 현행 물리 교과서들의 서술이 위 기준에 따라 어떠해야 한 다는 당위성을 가지고 분석하기 보다는 교과서가 현재 특수 상대성 이론에 대해 어떤 서술을 하고 있는지 살펴보는데 주력했다. 예를 들어 물리 교육 선행 연구에서는 위의 다섯 번째 기준과 관련하여 제대로 서술하기 위해서 특수상대 성 이론이 등장할 때의 물리학계의 상황 기술, 전자기적인 에테르 개념뿐만 아니라 다양한 에테르 개념에 대한 심층 분석이 필요하다고 보았지만, 교과서 분량의 제한으로 인해 이들에 대해 교과서에서 충분히 기술하기는 쉽지 않은 측면 이 있다. 따라서 본 연구에서는 현행 교과서들이 제한적인 분량을 고려한 현실적인 서술을 하고 있을 것이라고 가정하 고, 교과서들 간의 서술에 어떠한 차이가 있는지 분석하는데 주력했다.
첫 번째 기준은 갈릴레이의 상대성 원리에 대한 것이다.
선행 연구들에 따르면 학생들은 특수상대성 이론의 두 가설 중 상대성 가설을 더 어려워하며 [6], 심지어 갈릴레이의 상대성 원리 조차도 제대로 이해하지 못한다 [10]. 이와 관련하여 갈릴레이의 상대성 원리는 무엇인지, 갈릴레이의 상대성 원리와 아인슈타인의 상대성 가설은 어떻게 다른지 구분해서 서술하고 있는지 살펴보았다. 관련하여 본 연구 에서는 다음과 같은 두 가지 세부 기준을 마련하였다.
1-1. 갈릴레이의 상대성 원리에 대해 설명하고 있는가?
1-2. 갈릴레이의 상대성 원리와 아인슈타인의 상대성 가설의 차이점을 구분하고 있는가?
두 번째 기준은 사건의 발생과 관찰자의 인지의 구분에 대한 것이다. 많은 선행 연구들에서 학생들은 대체로 동시 성의 상대성을 이해하기 어려워하며 [3–5], 특히 동시성의 상대성과 관련하여 학생들이 사건의 발생과 관찰자의 인 지를 혼동하는 경향이 있다고 지적하고 있다 [4,8,9]. 선행 연구에 근거하여 본 연구에서는 사건의 발생과 관찰자의 인지를 구분하여 서술하고 있는지, 그리고 관련된 예시를 제시하고 있는지 다음의 두 가지 세부 기준을 설정하였다.
2-1. 동시성의 상대성을 관찰자의 인지에 대한 서술이 아니라 사건의 발생에 대한 서술로 다루고 있는가?
2-2. 사건의 발생과 관찰자의 인지를 구분할 수 있는 예시가 있는가?
세 번째 기준은 동시성의 상대성에 대한 예시와 관련된 것이다. 앞서 언급했듯 많은 선행 연구들에서는 학생들이 동시성의 상대성에 대한 이해에 가장 큰 어려움을 겪고 있 다고 보고하고 있다 [3–6]. 이에 따라 물리 교과서에서는 현재 어떤 예를 통해 학생들이 동시성의 상대성에 대한 어
려움을 해소하도록 도와주고 있는지 분석할 필요가 있다.
실제 교과서를 살펴보면 교과서에서 다루고 있는 예시에서 첫 사건의 발생이 가운데 부분에서 일어나느냐 양끝에서 일어나느냐 하는 점이 가장 두드러진 차이점이었으며, 본 연구에서는 이에 초점을 맞추어 교과서의 서술을 분석했다.
네 번째 기준은 특수상대성 이론의 주요 내용의 구체화에 대한 것이다. 특수상대성 이론이 가진 추상적 특성으로 인해 많은 선행 연구들에서는 학생들의 상대성 이론과 관련한 어려움을 해소시켜 주기 위하여 사건 도표, 시공간 도표를 활용하거나, 가상현실과 같은 구체적인 경험을 제공해 줄 것을 제안한다 [13–15]. 실제로 선행 연구들에서는 상대성 이론의 구체화 방안이 학생들의 이해에도 부분적으로 효과 가 있다고 주장하고 있다. 이에 따라 교과서에서도 특수상 대성 이론의 주요 내용을 어떤 방법을 통해 구체화시키려고 노력하는지 살펴볼 필요가 있다. 분석 결과 대부분의 고 등학교 물리 교과서들에서는 동시성의 상대성을 설명하기 위해 사건도표를 활용하고 있었는데, 사건도표를 활용하는 구체적인 양상에서 차이를 보이고 있었다. 즉, 교과서에 서는 사건도표를 몇 단계에 걸쳐 나타내고 있는지, 그리고 각각의 관찰자의 입장에서의 사건도표를 나타내고 있는지 한 관찰자의 입장에서만 사건도표를 나타내고 있는지를 분석하였다.
다섯 번째 기준은 역사적 맥락화에 대한 것으로, 특수상 대성 이론이 태동한 1905년으로 돌아가 뉴턴의 역학 프로 그램과 그 당시 물리학 (전자기학) 과의 모순이나 그 당시의 역사적 상황에 대한 기술을 할 필요가 있다는 것이다 [12].
하지만 앞서 언급했듯이 교과서는 분량의 제한이 있기 때 문에, 역사적 맥락화에 대해 충분히 고려하고 이를 모두 서술하는데 있어서는 또 다른 한계점이 있을 수 있다. 실제 고등학교 교과서를 분석해보면 역사적 맥락화의 측면에서 에테르 및 마이컬슨 간섭계의 소개 외의 다른 부분은 찾아 보기 힘들며, 따라서 본 연구에서도 선행 연구에서 제안한 기준 중 에테르 및 마이컬슨 간섭계에 대한 언급이 있는지만 살펴보려고 했다.
여섯 번째 기준은 특수상대성 이론에 대한 실험적 증거 제시에 대한 것이다. 특수상대성 이론은 우리의 일상 경험과 동떨어진 결과로 인해 학생들이 인식론적으로 받아들이기 힘든 측면이 있다. 따라서 학생들이 특수상대성 이론에 대해 가지는 이런 인식론적인 어려움을 고려해주어야 할 필요가 있다고 보고되어 있으며 [5,12,18], 따라서 학생들이 가지는 인식론적인 어려움이 교과서 서술에 어떻게 반영되어 있 는지 분석할 필요가 있다. 선행 연구들에서는 인식론적인 고려의 측면에서 특수상대성 이론에 대한 실험적 뒷받침 (특히, 서로 다른 실험적 증거) 과 그것의 응용, 특수상대성 이론이 사회의 다방면에 미친 영향 등이 기술되어 있어야
할 필요가 있다고 주장하고 있지만 [5,12,18], 교과서 분량 의 제한으로 인해 이 모든 것을 반영하여 교과서를 서술 하기는 쉽지 않은 실정이다. 실제로 교과서를 분석해보면 특수상대성 이론과 관련한 실험적 증거 외의 다른 부분은 찾아보기 힘들며, 따라서 본 연구에서도 특수상대성 이론에 대한 실험적 증거가 교과서에 제시되어 있는지에 집중하여 살펴보려고 했다.
마지막으로 일곱 번째 기준은 특수상대성 이론의 역설에 대한 것이다. 일곱 번째 기준과 관련하여 선행연구에서는 기본 개념을 충실히 배운 학생이라 해도 역설 상황에 대한 이해가 부족하다고 지적하고 있다 [7]. 이에 Arriassecq &
Greca는 특수상대성 이론의 역설이 교과서에 서술되어 있 어야 한다고 주장했다 [18]. 이에 따라 현행 물리 교과서에 서도 특수상대성 이론과 관련하여 어떤 역설들을 다루고 있는지 분석했다.
III. 연구 결과
연구 결과 부분에서는 앞서 제시한 일곱 가지 분석 기준에 대해 하나씩 분석하여 그 결과를 표로 제시하고, 표 아래에 구체적인 분석 결과 및 교과서의 서술 예시를 제시하였다.
Table 2는 갈릴레이의 상대성 원리에 대한 교과서 분석 결과를 나타낸 것이다. 여기서는 연구 방법 부분에서 언급 한 세부 기준 1-1, 1-2에 대해 각각의 교과서들이 어떻게 기 술하고 있는지 분석하였다. 다음은 1-1 기준인 갈릴레이의 상대성 원리에 대해 교과서에서 서술한 예이다.
서로 다른 관성계에서 운동 법칙이 동등하게 적용되는 것을 갈릴레이의 상대성 원리라고 하며 이 원리를 바탕으로 뉴턴은 운동 법칙을 수학적으로 완성하였다 (D 교과서, p. 65).
하지만 다음 교과서와 같이 갈릴레이의 상대성 원리의 의의를 단순히 서로 다른 좌표계의 관찰자가 측정하는 상대 속도의 변환관계로만 서술하는 교과서도 있었다.
즉, 철수가 측정한 자동차 A, B 의 속도가 각각 vA, vB이고 A 에서 측정하는 B 의 상대 속도 가 vAB라면 이들 사이에는 vAB = vB − vA
의 관계가 성립한다. 이를 갈릴레이의 상대성 원리라고 한다 (E 교과서, p. 73).
갈릴레이의 상대성 원리는 아인슈타인의 상대성 가설과 연결된다. E 교과서와 같은 진술은 아인슈타인의 상대성 가설로 연결되는 핵심 진술이 빠져 있다. 하지만 E 교과서
Table 2. The result of analysis about criteria 1 (The relativity hypothesis of Galileo).
A B C D E F G H
1-1 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○
1-2 ○ × × × × × ○ ×
A: Y. Kim, I. Kim, S. Kim, B. Park, B. Cheong et al., High Shool Physics I (Kyohak, Seoul, 2011),
B: S. Kwak, S. Ryu, D. Kim, J. Ahn, O. Lee et al., High Shool Physics I (Chunjae, Seoul, 2011), C: S. Lee, C. Yu, B. Min, J. Park and W. Choi,
High Shool Physics I (Kumsung, Seoul, 2018), D: J. Song, J. Ahn, J. Nam, S. Kim and M. Kim,
High Shool Physics I (Dongapublishing, Seoul, 2018), E: S. Kim, D. Kim, Y. Moon, H. Ahn, K. Kwon et al.,
High Shool Physics I (Mirae-n, Seoul, 2018), F: J. Son, B. Lee, H. Moon, S. Park, S. Lee et al.,
High Shool Physics I (Visang, Seoul, 2018), G: Y. Kwak, S. Ryu, E. Kim and J. Park,
High Shool Physics I (Ybmbooks, Seoul, 2018), H: N. Kang, H. Choi, W. Choi, S. Lim, T. Kang et al.,
High Shool Physics I (Chunjae, Seoul, 2018).
를 제외한 나머지 교과서들은 1-1 기준을 대체로 만족하고 있었다.
한편, 1-2 기준과 관련하여 A 교과서는 아래와 같이 갈릴 레이의 상대성 원리와 아인슈타인의 상대성 가설의 차이점 이 무엇인지 정확히 구분하여 서술하고 있었다. 이와 관련 하여 D 교과서와 같이 제한적이지만 둘을 구분하는 서술이 있는 교과서도 있었다. 하지만 연구자는 A 교과서는 1-2 기 준을 만족한 것으로, D 교과서는 1-2 기준을 만족하지 않은 것으로 판단했다. D 교과서와 같이 아인슈타인의 상대성 가설이 갈릴레이의 상대성 원리를 단지 일반화했다는 기술 만으로는 둘의 차이점이 무엇인지 알기 힘들기 때문이다.
이와 관련하여 A, G 교과서를 제외한 나머지 교과서들은 갈릴레이의 상대성 원리와 아인슈타인의 상대성 가설을 구분하고 있지 않았다.
그런데 뉴턴이나 갈릴레이는 두 관측자에 대 해서 시간은 변하지 않은 채 공간의 상대성만 고려하였지만 아인슈타인은 시간의 상대성까지 포함한 4차원 시공간에서 물리 법칙이 같음을 가설로 내세우고 있다. 따라서 상대성 이론에서 다루는 물리량은 4개의 성분을 가지게 된다 (A 교과서, p. 68).
상대성 원리는 갈릴레이의 상대성 원리를 모 든 물리 법칙으로 일반화한 것이다 (D 교과서, p. 66).
Table 3. The result of analysis about criteria 2 (The distinction between the occurrence of an event and the perception of an observer).
A B C D E F G H
2-1 ○ ○ ○ ○ ○ ○ × ○
2-2 × × × × ○ × × ×
Fig. 1. (Color online) The example of distinguishing be- tween the occurrence of events and the perception of an observer (Textbook E, p. 76).
한편, 학생들은 상대성 가설 중 관측자들 간의 물리 법 칙의 동일성과 물리량의 불변성을 혼동하는 경향이 있다고 알려져 있다 [6]. 선행 연구에 근거하여 연구자는 교과서에 서 물리량과 물리 법칙을 구분하여 서술하고 있는지 추가로 살펴보았다. 다음은 상대성 원리에서 물리량과 물리 법칙을 구분해서 서술하고 있는 교과서의 예이며, 서로 다른 관성 좌표계의 관찰자에게 관찰되는 물리량은 다를 수 있다는 진술은 B, F, G, H 교과서 등에서 찾아볼 수 있었다.
이러한 관성 좌표계에서는 동일한 물리 법칙이 성립한다. 이것을 상대성 원리라고 한다. · · · 즉, 두 관성 좌표계에서 관찰되는 물리량은 다를 수 있지만, 그 물리량 사이의 관계식은 동일하게 성립된다 (B 교과서, p. 55).
Table 3은 사건의 발생과 관찰자의 인지의 구분에 대한 교과서 분석 결과를 나타낸 것이다. 2-1 기준과 관련한 다 음의 서술은 사건의 발생과 관찰자의 인지를 구분하고 있지 않은 예이다.
Table 4. The result of analysis about criteria 3 (An ex- ample about relativity of simultaneity).
Textbook A B C D E F G H
Result C C B C B C S C
Fig. 2. (Color online) The Example of an event occurring in the middle part (Textbook B, p. 57).
특수상대성 이론에 따르면 한 관성계에서 동시 에 일어난 것으로 관측한 두 사건을 다른 관성 계에서는 동시에 일어나지 않은 것으로 관측할 수도 있다 (G 교과서, p. 82).
이에 반해 E 교과서는 사건의 발생과 관찰자의 인지를 구분하여 서술하고 있다. 다만 최후 진술에서 동시성의 상대성을 다시 관찰자의 측정의 문제로 환원시키고 있다.
두 사건이 같은 시간에 발생했을 때 우리는 동 시에 발생했다고 말한다. 특수상대성 이론에 의하면 서로 떨어진 두 지점에서 발생한 두 사 건을 동시로 보는 관찰자가 있는 반면에 동시로 보지 않는 관찰자가 있을 수 있다. · · · 영희에게 두 빛은 동시에 도달하지 않았지만 동시에 발 생한 사건이다.· · · 한 관성 좌표계에서 동시에 발생한 것으로 관측하는 두 사건을 다른 관성 좌표계에서는 동시가 아닌 것으로 관측할 수 있는데, 이것을 동시성의 상대성이라고 한다 (E 교과서, p. 76).
G 교과서를 제외한 나머지 교과서는 동시성의 상대성에 대한 서술을, 사건의 발생에 대한 서술로 다루고 있었다.
다만 Fig. 1에 제시된 E 교과서의 경우를 제외하고는 사건
Fig. 3. (Color online) The Example of two events occur- ring at the side part (Textbook E, p. 77).
Fig. 4. (Color online) An example of the relativity of simultaneity in the perspective of classical mechanics (Textbook F, p. 69).
의 발생과 관찰자의 인지를 구분할 수 있는 예를 제시하고 있는 경우를 찾아보기 힘들었다.
Table 4는 동시성의 상대성의 예시에 대한 교과서 분석 결과를 나타낸 것이다. Fig. 2는 첫 사건의 발생이 가운데 부 분에서 일어나는 예를, Fig. 3은 첫 사건의 발생이 양끝에서 일어나는 예를 나타내고 있다. Table 4에는 Fig. 2와 같이 첫 사건의 발생이 가운데서 일어나는 경우를 C(Center) 로, Fig. 3과 같이 첫 사건의 발생이 양끝에서 일어나는 경우를 S(Side) 로 표기하였으며, 두 경우를 모두 다루는 교과서는 B(Both) 로 표기하였다.
Table 4에서 살펴볼 수 있는 것처럼 첫 사건의 발생이 중앙에서 발생한 상황을 다룬 교과서는 5종이며, 양끝에서 발생한 상황을 다룬 교과서는 1종, 두 상황을 모두 다룬 교과서는 2종이었다. 즉, 고등학교 물리교과서에서는 첫 사건이 중앙에서 발생하는 경우가 많았다. 두 예시의 차이 점은 중앙에서 사건이 발생하는 경우는 사건 발생 후 사건의 신호가 양끝의 센서 (혹은 측정자) 에 도달할 때 동시성의 문제를 따져봐야 하는 반면, 양끝에서 사건이 발생하는 경우 는 사건의 발생 순간이 동시이냐 아니냐를 따져봐야 한다는 점이다. 전자는 설명과정에서 사건의 신호가 양끝의 센서 (혹은 측정자) 중 어느 곳에 먼저 도달했는지를 설명해야
Table 5. The result of analysis about criteria 4 (Materi- alization of the main contents of relativity theory).
Textbook A B C D E F G H
Result ○ △ △ ○ △ × × ○
한다는 점에서 학생들에게 사건의 발생과 인지를 혼동하게 만들 여지가 있다. 신호가 센서에 도착한 것을 사건의 인지 라 생각하여 학생들이 사건의 발생과 동일시할 우려가 있기 때문이다.
또한 시공간 도표상 Fig. 2의 경우는 원점의 사건이 빛 원뿔을 그리며 사방으로 뻗어가서 양끝의 센서 (혹은 관찰 자) 의 세계선에 닿는 순간이 어느 쪽이 먼저인지 따져봐야 한다. Fig. 3의 경우는 두 사건을 한 좌표계에서 표시하고, 다른 좌표계에서는 두 사건의 눈금만 읽어서 어느 사건이 먼저였는지 따져보기만 하면 된다는 점에서 시공간 도표의 이해도 Fig. 2의 경우가 약간 더 어렵다. 이런 점을 고려하여 일반적으로 우리나라 대학교 1학년 과정에서 많이 사용하는 Hallilday, Serway, Young 등의 대학 물리 교과서는 모두 사건이 양끝에서 발생하는 상황을 다루고 있는 것으로 보 인다1. 하지만 Fig. 3의 경우는 사건이 양끝에서 발생할 때 학생들이 이 사건 자체가 어느 기준계에서 발생한 사건인지 혼란스러워 할 수 있으며, 사건이 일어난 절대기준계가 있 다는 또 다른 혼동을 줄 수도 있다. 현행 우리나라의 고등 학교 물리 교과서들은 이런 점을 고려하여 사건의 발생이 중간에서 일어나는 사례를 주로 다룬 것으로 보인다.
동시성의 상대성에 대한 또 다른 예로 F 교과서는 Fig. 4 와 같이 학생들의 이해를 돕기 위해 상대성 이론에서의 동 시성의 문제뿐만 아니라 고전적으로는 동시성의 문제가 발 생하는지 아닌지 예를 들어 설명하고 있었다. 이 교과서에 서는 고전적으로는 관찰자에 따라 한 관찰자의 좌표계에서 동시에 일어난 사건이 다른 관찰자의 좌표계에서도 동시에 일어난 사건임을 예를 들어 설명함으로써 고전적으로는 동 시성의 문제가 발생하지 않는다는 사실을 설명하고 있었다.
Table 5는 특수상대성 이론의 구체화에 대한 교과서 분석 결과를 나타낸 것이다. Figs. 5, 6에서 비교할 수 있는 것 처럼 A 교과서와 C 교과서는 모두 3단계에 걸쳐 동시성의 상대성에 대한 사건 도표를 그리고 있으나, A 교과서는 두 관찰자 입장 모두의 사건 도표를, C 교과서는 하나의 사건
1연구자가 살펴본 대학 물리학 교재의 서지사항은 다음과 같다.
D. Halliday, R. Resnick and J. Walker, Fundamentals of Physics, 9th ed. (Jhon Wiley & Sons, Inc., New York, 2011), R. A. Serway and J. W. Jewett, Principles of Physics: A Calculus-Based Text, 5th ed. (Brooks Cole, Boston, MA, 2013), H. D. Young, R. A. Freedman and L. Ford, University Physics, 12th ed. (Addison-Wesley, 2008).
Fig. 5. (Color online) An example of the relativity of si- multaneity using the event diagram (Textbook A, p. 69).
Fig. 6. (Color online) An example of the relativity of si- multaneity using the event diagram (Textbook C, p. 63).
도표에 두 관찰자가 경험한 사건을 모두 나타내고 있다는 차이점이 있다.
한편, Fig. 7은 동시성의 상대성에 대해 각각의 관찰자 입장에서 어느 한 순간에서의 상황을, Fig. 8은 한 관찰자 입장에서 어느 한 순간에서의 상황을 나타내고 있다. 사건 도표는 시간의 흐름에 따라 어떤 사건들이 발생하고 있는지 순차적으로 나타낸 그림이므로, Figs. 7, 8과 같이 어느 한 순간만 나타낸 그림은 사건 도표라 하기 힘들다.
Table 5에는 두 단계 이상만 그렸더라도 각각의 관찰자의 입장에서 사건 도표를 그린 경우는 ○로 표시했으며, 어느 한 순간에 대한 한 단계의 그림만 있어 사건 도표라 보기 힘든 경우는×, 그 밖에 세 단계 이상의 사건 도표를 나타 냈지만 한 관찰자의 입장에서의 사건 도표만 나타냈거나, 두 관찰자의 입장에서의 사건 도표를 나타냈지만 단계가 부족한 경우는△로 표기하였다.
한편, 특수상대성 이론에 대한 이해를 위해 시공간 도 표를 활용할 것을 강조하고 있는 선행 연구가 많았음에도 불구하고 시공간 도표를 사용하여 특수상대성 이론의 제반 현상들을 설명하는 교과서는 하나도 없었다. 이는 학생들이 시공간 도표를 이해하기 위해 또 다른 어려움을 겪기 때문에 교과서에서는 시공간 도표에 대해 자세히 설명을 하지는 않은 것으로 보인다. 다만 A 교과서는 더 학습하고 싶어 할 학생들을 위해 시공간 도표에 대한 소개를 하고 있었다.
Table 6은 특수상대성 이론의 역사적 맥락화에 대한 교 과서 분석 결과를 나타낸 것이다. 교과서와 같은 제한된 분
Fig. 7. (Color online) An example of the relativity of si- multaneity using the event diagram (Textbook F, p. 69).
Fig. 8. (Color online) An example of the relativity of si- multaneity using the event diagram (Textbook G, p. 82).
량의 텍스트에 어느 정도로 지식의 맥락을 살려서 기술해야 하는지에 대한 것은 합의가 쉽지 않다. 또한 특수상대성 이론의 역사적 맥락화와 관련하여 어떤 내용을 포함시켜 서술할 것인가도 많은 고민이 필요한 부분이다. 이에 본 연구에서는 우선 특수상대성 이론의 역사적 맥락화와 관련 하여 현행 물리 교과서가 어떤 서술 전략을 취하고 있는지 살펴보고, 교과서 별로 상대적으로 비교하였다. 본 연구에 서 분석한 교과서들은 역사적 맥락화와 관련하여 대체로 다음 교과서와 같은 논리전개를 따르고 있었다.
맥스웰이 빛이 전자기파라는 사실을 발견한 후, 과학자들은 빛도 매질이 필요할 것이라고 생각 하였다. 사람들은 이 가상의 매질을 에테르라 불렀고,· · · 마이컬슨과 몰리는 여러 차례 정교 한 실험을 거듭했으나 빛의 속력 변화를 볼 수 없었다. 즉, 실험 결과 에테르가 없다는 것을 알게 되었다.· · · 아인슈타인은 이 실험 결과로 부터 빛의 속력이 관찰자의 운동과 무관하다는 가정을 세웠다 (B 교과서, pp. 54∼55).
Table 6. The result of analysis about criteria 5 (Histori- cal context).
Textbook A B C D E F G H
Result ○ ○ △ △ ○ × ○ ○
Fig. 9. (Color online) The Explanation of Michelson- Morley experiment (Textbook B, p. 54).
즉, 일반적으로 물리 교과서에서는 마이컬슨 몰리 실험 결과를 소개하며, 빛의 경우 파동의 일종임에도 불구하고 매질을 찾을 수 없었고, 아인슈타인은 이 실험 결과를 통해 광속 불변의 가설을 세웠다는 논리 전개를 하고 있었다.
또한 아인슈타인이 실험 결과를 통해 광속 불변의 가설을 생각했다는 언급이 없더라도, 마이컬슨 몰리 실험 결과를 소개한 뒤에 아인슈타인의 가설에 대한 내용으로 넘어가는 사례가 있었다. 하지만 현행 물리 교과서들에서 마이컬슨 몰리 실험 이외에 다른 역사적 맥락화의 사례는 찾아보기 힘들었다.
이와 관련하여 B 교과서는 앞서 언급한 서술에 추가적으 로 Fig. 9와 같이 지구의 공전, 마이컬슨 간섭계 실험 장치 의 소개 등을 통해 이 실험에 대해 비교적 자세히 설명하고 있었다.
이에 반해 D 교과서는 마이컬슨 몰리 실험에 대해 간단히 언급만 하고 있었다.
19세기 사람들은 빛의 상대 속도 변화를 측정하 기 위해서 다양한 실험을 하였다. 특히 1887년 마이컬슨과 몰리는 지구의 공전을 이용하여 오 랜 시간 동안 정밀한 실험을 하였지만 관측자의 속도에 따른 빛의 상대 속도 변화는 관측하지 못했다 (D 교과서, p. 66).
본 연구에서는 Table 6과 같이 마이컬슨 실험의 결과뿐만 아니라 그 의의에 대해서도 설명하고 있는 5종의 교과서는
○, 간단히 언급만 한 2종의 교과서에 대해서는△, 이들에 대해 아예 언급이 없는 1종의 교과서는×로 표시하였다.
Table 7은 특수상대성 이론의 실험적 증거에 대한 교과서 분석 결과를 나타낸 것이다. 교과서에서 찾아볼 수 있는
Table 7. The result of analysis about criteria 6 (Experi- mental evidence on special relativity theory).
Textbook A B C D E F G H
Result M,G M,L M,G M,G M,G M G M
실험적 증거로는 GPS, 뮤온, 광속 일정의 실험 등이 있었 으며, Table 7에는 각각 G(GPS), M(Muon), L(constant speed of light) 로 간단히 표기하였다. Table 7에서 볼 수 있는 것처럼 7종의 교과서에서 뮤온의 예를 특수상대성 이론의 실험적 증거로 제시하고 있었으며, GPS의 예는 5 종, 광속 일정의 실험의 예는 1종에서 찾아볼 수 있었다.
모든 교과서에서 최소 1개 이상의 실험적 증거를 제시하고 있어, 특수상대성 이론이 실제 실험적 증거로 뒷받침되는 이론임을 보여주고 있다. 다음은 각각 GPS, 뮤온, 광속 일정의 실험에 대한 교과서 기술을 나타낸 것이다.
그러나 위성 위치 확인 시스템 (global position- ing system, GPS)의 인공위성처럼 오랫동안 빠 른 속력으로 움직이며 지상과 통신을 할 때는 특수상대성 이론에 따른 시간 지연 효과의 정확 한 계산이 매우 중요하다. 이 인공위성은 14000 km/h의 속력으로 움직이기 때문에 인공위성 안의 시계는 특수상대성 이론에 따른 시간 지연 효과를 보정하여야 한다 (D 교과서, p. 69).
시간 지연을 고려하지 않으면, 뮤온이 0.99c의 속력으로 수명이 다할 때까지 이동할 수 있는 거리는 수백 m 정도이다. 그러나 실제로는 수 km 상공에서 발생한 뮤온이 지표면에 도달한 다. 이런 현상을 어떻게 설명할 수 있을까? · · · 대기권에서 생성된 뮤온이 지표면에서 관측되 는 현상은 특수상대성 이론을 뒷받침하는 명백 한 증거이다 (H 교과서, p. 75).
1964 년 유럽원자핵공동연구소 (CERN) 에서 광속의 99.98%인 속도로 움직이는 파이온에서 나오는 빛의 속도를 측정했더니 정지 상태에서 측정한 광속과 동일하였다 (B 교과서, p. 56).
Table 8은 특수상대성 이론의 역설에 대한 교과서 분석 결과를 나타낸 것이다. 특수상대성 이론의 여러 역설들 중 가장 유명한 쌍둥이 역설 (twin paradox) 의 경우 T로, 차고 역설 (garage paradox) 의 경우는 G로 표기했으며, 한 우주 선에서 상대방을 향해 총을 쏠 때 상대방이 맞는지 그렇지 않은지, 동시성과 관련된 역설을 S(shooting, simultaneity) 로 표기했다. Fig. 10은 이와 관련된 역설을 나타낸 그림 이다.
Table 8. The result of analysis about criteria 7 (Paradox of special relativity theory).
Textbook A B C D E F G H
Result S G T,G × × × T ×
Fig. 10. (Color online) An Example of paradox related to the relativity of simultaneity (Textbook B, p. 54).
Table 8에서 살펴볼 수 있는 것처럼 8종의 물리 교과서 중 4종만이 역설 상황을 다루고 있었다. 이 중 쌍둥이 역설은 2종, 차고 역설은 2종의 교과서에서 찾아볼 수 있었으며, 동시성과 관련된 Fig. 10의 예는 1종에서 찾아볼 수 있었다.
본 연구에서 활용한 분석 기준에 따르면 대체로 2009 개정 교육과정의 교과서 (A, B) 에 비해, 2015 개정 교육과정의 교과서들 (C, D, E, F, G, H) 이 몇몇 기준에 부합하지 않는 서술을 하고 있다. 연구자는 이러한 경향이 교육과정이 개 편되며 교과서의 전체 분량이 많이 줄어든 경향과 무관하지 않다고 생각하지만, 2015 개정 교육과정에서 작성된 교과 서에서도 C 교과서와 같이 비교적 기준에 충실한 교과서가 있다는 점을 고려하면, 제한된 분량에서도 교과서 내용을 충실히 서술하려는 노력에 대한 고민이 필요해 보인다.
한편, 고등학교 물리 교과서들을 분석 기준에 따라 살펴보 면 특히 1-2, 2-2, 7번 기준에 대한 기술이 제대로 되어 있지 않은 교과서들이 많았다. 즉, 많은 교과서들이 갈릴레이의 상대성 가설 및 사건의 발생과 인지의 구분, 특수상대성 이 론의 역설에 대한 서술 부분에서 선행 물리 교육 연구들에서 제안한 학생들의 어려움을 제대로 반영하고 있지 않았다.
IV. 결론 및 논의
본 연구에서 연구자는 특수상대성 이론에 대한 물리 교육 연구의 관점에서 2009 및 2015 개정 교육과정에서의 우리나 라 물리 교과서를 분석하였다. 분석 결과 우리나라의 물리 교과서들의 특수상대성 이론에 대한 서술은 교과서마다 다양하게 나타났다. 우선 아인슈타인의 상대성 가설에 대한 설명 방식이 다양했는데, 연구자는 학생들이 아인슈타인 의 두 가설 중 상대성 가설을 보다 어려워하므로, 상대성 가설에 초점을 맞추어 차근차근 설명해 줄 필요가 있으며,
상대성 가설에 대한 설명을 할 때도 갈릴레이의 상대성 원 리에서부터 시작하는 것이 더 좋다고 생각한다. 그 이유는 갈릴레이의 상대성 원리의 경우 학생들에게 보다 이해가 용이한 역학적 상황에서부터 설명이 가능하여 추상성으로 부터 비롯되는 상대성 원리의 어려움을 감소시켜 줄 수 있기 때문이다. 하지만 상대성 가설에 대한 설명을 할 때 어떤 방식이 학생들의 이해에 더 도움이 되는지에 대해서는 추후 연구가 더 필요하다.
한편, 동시성의 상대성과 우리나라 물리교과서는 대체로 첫 사건의 발생이 한 관찰자의 중간에서 발생하는 경우를 많이 다루었으며, 이는 두 사건의 발생이 한 관찰자의 양 옆 같은 거리에서 발생하는 경우 학생들이 사건이 일어난 기준계를 혼동할 수 있다는 점을 고려한 것으로 보인다.
하지만 첫 사건의 발생이 한 관찰자의 중간에서 발생하는 경우는 시공간 도표상 두 사건의 발생이 한 관찰자의 양 옆 같은 거리에서 발생하는 경우보다 이해하기 힘들며, 사건의 발생과 인지를 혼동하게 만들 여지가 있다는 점에서 이런 서술이 바람직한 것인지에 대해서는 추가적인 고민이 필요 하다고 본다.
특히, 동시성의 상대성과 관련하여 학생들이 가지고 있는 핵심적인 어려움이 사건의 발생과 인지를 혼동한다는 점 인데, 이를 구분할 수 있는 예를 다루고 있는 교과서는 1종 밖에 없었다. 선행 연구에서 반복적으로 지적되고 있는 이 부분이 교과서에는 제대로 반영되어 있지 않았다. 대부분의 교과서에서 제시하는 동시성의 상대성에 대한 상황들은 주로 관찰자가 두 사건이 일어나는 중간에 위치하는 상황 으로, 사건의 발생과 관찰자의 인지를 혼동할 수밖에 없는 상황이었다. 따라서 연구자는 학생들에게 사건의 발생과 관찰자의 인지에 대한 보다 더 깊은 생각의 기회를 제공하 려면, 관찰자가 두 사건의 중앙에 있을 때뿐만 아니라 두 사건 발생 지점 중 한쪽에 더 가깝게 있을 때를 다루어 주는 것이 필요하다고 생각한다.
이와 더불어 학생들에게 동시성의 상대성 상황을 구체 화시켜주기 위해 교과서에서 주로 다루고 있는 전략은 사 건 도표의 활용이었다. 하지만 사건을 3단계 이상으로 두 관찰자의 입장 모두에서 따로 나타내고 있는 교과서는 3 종에 불과하여 추상적인 특수상대성 이론의 내용을 보다 더 구체화하여 서술하기 위한 고민도 더 필요해 보였다. 또한 연구자는 시공간 도표를 그릴 때도 각각의 관찰자의 입장 에서 모두 그릴 것을 제안한 선행 연구 [9]에 비추어 볼 때 연구자는 학생들이 각각의 관찰자의 입장에서 사건 도표가 어떻게 되는지 생각하기 힘들어할 수 있으므로, A 교과서와 같이 각각의 관찰자 입장에서 사건 도표를 나타내주는 것이 보다 더 바람직한 서술이라고 생각한다.
특수상대성 이론의 역사적 맥락화와 관련하여 많은 교과 서에서 마이컬슨 몰리 실험을 소개하며 아인슈타인의 광속 일정의 원리에 대한 설명으로 넘어가고 있었다. 역사적 맥락화에 대한 교과서들의 기술이 대동소이하고, 특수상대 성 이론이 태동할 때의 물리적 상황에 대한 기술을 제대로 하고 있는 교과서는 거의 없었다. 무엇보다 이런 식의 접근 이 학생들에게 과학 활동에 대한 왜곡된 인식을 가져올 수 있다는 연구 결과 [12]에 비추어 볼 때 우리나라 고등학교 물리교과서에서는 역사적 맥락화와 관련하여 어떤 서술을 지향할 것인지 많은 고민이 필요해 보인다. 연구자는 특히 특수상대성 이론에 대한 역사적 맥락화와 관련하여 이 이론 을 아인슈타인이 혼자서 이룩한 업적으로 서술하기 보다는 당대의 과학자들의 협업의 결과로 서술하는 것이 학생들의 과학의 본성에 대한 이해에 도움을 줄 수 있다고 생각한다 [12,18].
또한 연구자는 뮤온, GPS 이외에 특수상대성 이론과 관련한 실험적 증거의 소개 사례는 찾아보기 힘들어 교과서 에서 보다 다양한 실험적 증거를 다루어 줄 필요가 있다고 생각한다. 특히 GPS의 경우는 일반상대성 이론의 결과도 함께 고려해주어야 하는 응용 사례라 학생들이 이해하기 어려워 할 수 있음을 고려할 때, 보다 직접적으로 특수상대 성 이론에만 관계되는 실험적 증거를 제시해야 할 것이라 생각된다.
국가 교육과정이 2009 개정 교육과정에서 2015 개정 교 육과정으로 변경되며 현행 물리학I 교과서에서 찾아볼 수 있는 가장 두드러진 변화는 교과서 분량이 많이 줄었다는 점이다. 교과서의 분량을 줄이기 위해 전반적으로 교육과 정에서 다루고 있는 성취기준의 수도 많이 줄었지만 특수상 대성 이론에 대한 성취기준의 차이는 거의 없다. 다음은 두 교육과정에서 특수상대성 이론과 관련하여 제시하고 있는 성취기준이다.
빛의 속도일정, 시간지연, 길이수축, 동시성, 질량-에너지 동등성 등 특수상대성 이론의 기 본원리에 대해 이해한다 (2009 개정 교육과정).
모든 관성계에서 빛의 속도가 동일함을 알고 시간 지연, 길이 수축, 동시성과 관련된 현상을 설명할 수 있다. 질량이 에너지로 변환됨을 사 례를 들어 설명할 수 있다 (2015 개정 교육과 정).
하지만 교육과정의 성취기준상 특별한 차이를 찾아보기 힘듦에도 불구하고, 2009 개정 교육과정에서 작성된 교과 서에 비해, 2015 개정 교육 과정에서 작성된 교과서는 특수 상대성 이론과 관련한 내용이 많이 줄었는데, 대표적으로
특수상대성 이론의 역설을 소개하는 내용이 많이 줄었다.
선행 연구에서 언급한 것과 같이 특수상대성 이론의 역설을 제대로 이해하기 위해서는 특수상대성 이론의 기본 개념에 대한 완전한 이해와 더불어 이를 응용할 수 있는 능력도 요 구된다 [18]. 따라서 특수상대성 이론의 역설에 대한 소개는 학생들이 특수상대성 이론의 기본 개념을 제대로 이해했는 지 점검할 수 있는 기회를 제공해 줄 수 있으며, 무엇보다 특수상대성 이론의 역설들은 상황 자체가 흥미로워 학생들 에게 동기 부여가 될 수도 있다. 따라서 연구자는 특수상대 성 이론의 역설들을 교과서에 소개하는 것이 필요한 일로 판단한다.
결과적으로 특수상대성 이론은 학생들의 입장에서 반 직관적이며, 반일상적이어서 받아들이기 힘든 이론임에도 불구하고 이를 기술하는 현행 교과서의 내용은 학생들의 어려움을 제대로 고려하고 있지 못한 것으로 보인다. 이를 해소하기 위한 출발점으로 특수상대성 이론이 반영된 8종의 물리 교과서 서술 방식의 장 단점을 면밀히 분석하여 각각의 장점을 잘 활용한 서술 방식을 적용한다면 보다 나은 서술을 할 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서는 주로 교과서의 서술 실태에 대한 분석에 그쳐 학생들의 이해를 도울 수 있는 보 다 나은 서술은 어떤 것인지에 대한 심층 연구가 필요하다.
예를 들어 특수상대성 이론의 역설의 경우 단순히 소개하 는 것보다 어떤 식으로 설명하는 것이 학생들의 이해에 더 도움이 되는 것인지 연구해 볼 필요가 있다. 무엇보다 같은 내용에 대한 서술이라도 서술 순서나 방식에 따라 학생들의 이해에 미치는 영향이 달라질 수 있으므로 내러티브 분석과 같은 기법이 교과서 분석에 활용될 필요도 있다고 본다. 결 론적으로 본 연구에서 제안한 부분을 고려한 교과서 서술에 대해 고민해보고, 특수상대성 이론 교육과 관련한 최신 물리 교육 연구의 성과를 활용하여 어떻게 하면 고등학생들의 인지 수준을 제대로 교과서 서술을 할 수 있을지에 대한 심층 연구가 필요하다.
감사의 글
이 논문은 2018학년도 과학영재학교 경기과학고등학교 교원연구비지원에 의한 논문입니다.
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