사고실험과 시뮬레이션을 활용한 물리 교수 학습자료 개발

Abstract

과학 이론을 확립하는데 있어서 실험은 필수적인 과정이다. 과학자는 ‘과학적 방법’을 통해 자신의 이론을 인정받을 수 있다. 그러나 변인 통제의 어려움, 실험장치 구현의 어려움 등 여러 요인들로 인해 실험 환경을 구현하기 어려운 경우가 있다. 이럴 때 과학자들은 ‘슈뢰딩거의 고양이 실험’과 같이 사고실험을 이용해 자신의 주장을 뒷받침하거나 타인의 주장을 반박하기도 했다. 최근에는 현실세계에 실험 상황을 구현하기 어렵거나 경제적인 측면을 고려해 실험을 컴퓨터 시뮬레이션으로 대체하기도 한다. 특히 물리 분야에서는 학생의 선개념 변화가 어렵기 때문에 두 실험을 활용하기에 적합하다. 사고실험과 컴퓨터 시뮬레이션은 물리적 현실 세계에서 실험을 진행하지 않는다는 점에서 공통점이 있으나 도입 목적이나 그 특성에는 차이점이 있다. 해외에서는 두 실험의 효과나 차이점에 관한 연구가 활발히 이루어졌으나 국내에서는 사고실험과 시뮬레이션 실험을 비교하는 연구를 찾아보기 어렵다. 이에 본 연구에서는 사고실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 비교하여 각 실험에 적합한 문제 상황을 구분하였다. 또한 이를 바탕으로 물리 수업시간에 학생에게서 발견된 오개념을 수정하기 위해 사고실험을 활용한 교수 학습 자료, 현상으로부터 규칙성이나 통찰(insight)을 발견하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 교수 학습자료를 개발하였다. 본 연구를 통해 사고실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 차이를 명확히 인지하여 과학 교사들이 적절한 상황에서 두 실험적 방법을 수업에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.|Experiments are an essential process in establishing scientific theories. A scientist's theory can be recognized through the 'scientific method'. However, there are cases in which it is difficult to implement an experimental environment due to various factors such as difficulty in variable control and difficulty in implementing experimental equipment. In this case, scientists used thought experiments, such as the Schrödinger's cat experiment, to support their own claims or refute others' claims. Recently, experiment is replaced in computer simulation, in case where it is difficult to implement an experiment in the real world or in consideration of economic aspects. Especially, in the field of physics, it is suitable to use these kind of experiments because it is difficult for students to change their preconceptions. Thought experiments and computer simulations have something in common in that they do not conduct experiments in the real world, but there are differences in the purpose of introduction and their characteristics. Overseas, studies on the effects or differences between thought experiments and computer simulations are being actively conducted, but it is difficult to find such studies in Korea. Therefore, in this study, compare thought experiment and computer simulation and suggest situations which are suitable for each experiments. Based on this, teaching and learning materials which correct is conceptions in physics using thought experiments and teaching and learning materials which discover regularities or insights in phenomena using computer simulation were developed. It is expected to clearly recognize the difference between thought experiments and computer simulations and science teachers will be able to use each experiment at the right situation in their class, by this study.