중력과 부력의 개념에 대한 학생들의 이해도 분석

국문 초록 (Abstract)

과학 학습 현장에서 교과서의 개념과 그에 따른 설명은 학생들이 올바른 개념 형성을 하는 데 중요하다. 교과서의 과학 개념이 문제가 있다면 학생들이 오개념을 가질 가능성이 높아질 것이기 때문이다. 따라서 여러 과학 교과서에 제시된 개념들이 학년에 따라 적절한 수준을 유지하고 있는지, 그리고 동일 학년의 각 과학 교과서에서도 차이는 없는지 점검해야할 필요가 있다. 또한 실제로 학생들의 개념에 대한 이해도를 조사하여 현장에서 지도하는 교사들이 학생들을 이해하는데 도움이 되도록 해야 할 것이다 .
즉, 본 연구는 과학 교과서에 나오는 중력과 부력의 개념을 확인하고, 실제로 중력과 부력에 대한 학생들의 이해도를 조사하는 것이 목적이다.
중력에 대한 교과서의 내용 분석 결과는 다음과 같다. 중력의 개념과 방향을 각각 5가지와 4가지 유형으로 분류되었다. 그리고 중력의 개념에 대한 이해도를 분석한 결과 중에, 특히 교과서에서 제시된 중력의 개념과 일치하는 응답과 그것의 비율은 다음과 같이 나타났다.
첫째, ‘지구와 물체 사이에 서로 끌어당기는 힘’을 중력으로 설명한 것은 전체 학생의 2.2%이었다.
둘째, ‘지구가 물체를 잡아당기는 힘’을 중력으로 설명한 유형은 52.0%이었다.
셋째, 중력을 ‘만유인력과 자전에 의한 원심력의 합성력’으로 설명한 학생은 대상 전체 학생 중에는 1.1%이었고, 고등학교 3학년 물리Ⅱ를 선택한 학생 중에서는 7.7%이었다. 또한 중력의 방향에 대한 문항에서는 ‘지구의 중심 방향’으로 학생들이 설명한 경우는 전체의 33.9%로 가장 많았다.
부력에 대한 교과서 내용 분석 결과는 다음과 같다. 6학년 2학기 과학 교과서에서 부력은 개념에 대한 정확한 설명보다는 현상적으로 나타나는 실험을 통해 부력을 설명하고 있었다. 또한 학생들의 부력의 개념에 대한 이해도의 분석 결과는 다음과 같이 나타났다.
첫째, 약 80%의 학생들이 ‘나무도막이 물에 뜬다.’라고 옳게 대답하였다. 그러나 그 이유에 대한 답변에서 나무도막이 물에 뜨는 이유가 ‘물에 들어가면 무게가 가벼워지니까’라고 답변한 학생도 있었다. 또한 힘의 합성에서 학생들은 물에 뜬 최종상태에서 부력이 중력보다 크다고 답한 학생이 61.0%이었고, 부력과 중력이 같다고 옳게 답한 학생은 23.6%이었다.
둘째, 부력이 물체의 부피에 비례하고, 물체가 물에 뜰 때 중력과 부력의 크기가 같다고 옳게 응답한 학생은 13.9%이었다.
셋째, 아르키메데스의 원리로 나타난 현상에 대해서는 59.5%의 학생이 올바른 응답을 하였으나, 그 중의 46.2%만이 그 원리를 제대로 이해하고 있었다.
이는 현재 과학 교과서에서 중력 개념의 횡적인 일관성과 인지 발달 단계에 따른 종적인 위계가 제대로 잡혀 있지 못함을 시사한다. 실제로 그로 인해 학생들의 개념이 다양하게 나타나고 잘못된 개념을 가진 경우도 있었다. 또한 부력의 경우, 초등학교 6학년 2학기 교과서에만 제시되고 현상에 관한 내용을 주로 다루고 있어서 학생들은 학년이 올라가도 부력에 대한 힘의 원리를 제대로 이해하고 있지 못하고 있다. 따라서 학생들에게 중력과 부력에 대한 올바른 개념을 정립시키기 위하여 이러한 문제점을 개선할 수 있는 교과서의 개념 재정리와 교사의 학생에 대한 이해가 필요할 것으로 본다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Concepts and the explanation of textbooks are important in that they make students form a scientific concept in science classes. Students may have a misconception if a concept of science textbooks has a problem. Thus, we need to check whether various concepts in textbooks have a proper level according to each grade and whether they show differences in the textbooks of each publishing company in the same grade. Also, practically we need to investigate students' conceptual understanding in order to help teachers teach their students in classes.
The purpose of this study is to check the concept of gravity and buoyancy in Korean science textbooks, and to investigate students' conceptual understanding of gravity and buoyancy.
The result of analyzing the content of science textbooks on gravity is as followed.
The explanation of the concept of gravity was categorized into five types, and the explanation of the direction of gravity into four types. And the ratio of answering types of students that overlap with the concept of gravity in textbooks is as followed.
First, the ratio of students who answered that the gravity is 'the force through which both the earth and an object attract each other' was 2.2%.
Second, the ratio of students who answered that the gravity is 'the force through which the earth attracts objects' was 52.0%.
Third, the ratio of students who answered that the gravity is 'the resultant force of universal gravitation and centrifugal force by the rotation of the earth on its axis' was 1.1% of all students researched, and 7.7% of the students who selected Physics Ⅱ. And in the problem on the direction of gravity, the ratio of students who answered that the direction of gravity is 'the center of earth' was 33.9%.
The result of analyzing the content of science textbooks on buoyancy is as followed.
A science textbook used in the 2nd semester for the 6th graders in an elementary school explains not through its principle but through phenomena on buoyancy. And students' conceptual understanding on buoyancy is as followed.
First, about 80% of all students researched properly answered that a chip of wood floats on the water. But a part of them answered that it floats on the water because it loses its weight on the water. And on the resultant force of gravity and buoyancy that is exerted when a chip of wood floats on the water, 61.0% of students answered that buoyancy is higher than gravity, but 23.6% of them properly thought that buoyancy is the same as gravity.
Second, 13.9% of students properly answered that buoyancy is proportional to the volume of an object, and buoyancy is the same as the gravity when a chip of wood floats on the water.
Third, 59.5% of students properly answered the phenomena by Archimedes' principle, but 46.2% of students who properly answered it really understood the principle.
These results show that the concept of gravity in the current textbooks is not proper both in horizontal consistency of textbooks and in vertical hierarchy associated with cognitive development. As a matter of fact, due to this, students have various conception, and often show misconception. Also, in case of buoyancy, students have not properly understood the principle of force associated with buoyancy although they go into a higher grade because science textbooks just show the phenomena on buoyancy and the content is only in the 2nd semester for the 6th graders in elementary schools. Therefore, some of the problems identified in this study should be modified when science textbooks are developed and published, and teachers need to understand students' conception identified.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 = 1
• 2. 연구문제 = 3
• Ⅱ. 이론적 배경 = 4
• 1. 구성주의 = 4
• 2. 물리 오개념 = 7
• 3. 국내 과학 교과서의 개념 설명에 관한 선행연구 고찰 = 11
• 4. 물리 오개념에 대한 선행연구 고찰 = 13
• Ⅲ. 연구 방법 = 17
• 1. 연구 대상 = 17
• (1) 교과서 내용 분석 = 17
• (2) 학생들의 이해도 분석 = 20
• 2. 연구 과정 = 21
• Ⅳ. 결과 및 고찰 = 23
• 1. 중력에 대한 교과서 내용 분석 및 학생들의 이해도 분석 = 23
• (1) 중력에 대한 교과서 내용 분석 = 23
• (2) 중력에 대한 학생들의 이해도 분석 = 35
• 2. 부력에 대한 교과서 내용 분석 및 학생들의 이해도 분석 = 69
• (1) 부력에 대한 교과서 내용 분석 = 69
• (2) 부력에 대한 학생들의 이해도 분석 = 80
• Ⅴ. 결론 = 114
• 참고문헌 = 117
• 표목차 = 123
• 그림목차 = 125
• [부록 1] 학생의 중력 개념 검사지 = 127
• [부록 2] 학생의 부력 개념 검사지 = 128
• ABSTRACT = 131