고등학생의 표면전하분포모형 중심의 전기회로에 대한 이해

국문 초록 (Abstract)

우리나라 교육과정에서 정전기와 전기회로의 단원의 구성은 학년별로 분리되어 있어 학습의 연계성이 낮으며, 물 회로와 같은 비유수업으로 인하여 전압의 정의나 미시적 전기현상을 설명하는데 제한이 많다. 전기회로의 전류와 전압 해석에서 나타나는 학생들의 어려움들은 미시적 관점에서 전하들의 운동에 대한 구체적 이해와 전압에 대한 명확한 개념 정립이 되어 있지 않은 것에 기인한다는 국․내외 연구결과들이 있다. 이에 본 연구는 전위차 개념을 강조한 표면전하분포모형 중심의 전기회로 교수·학습과정을 개발하고 적용하여 고등학생들의 전기회로와 표면전하분포모형에 대한 이해와 어려움을 분석하여 중등학교의 전기회로 관련 교육과정 및 교수·학습 방법의 개선에 필요한 시사점을 얻고자 하였다.
표면전하분포모형은 정전기 단원에서 학습하는 미시적 설명 모형인 표면전하와 전기장을 직류 전기회로 단원에서 학습하는 거시적 물리량인 전압과 전류와 연계하는 교수·학습방안이며 본 연구에서는 고등학생을 위한 표면전하분포모형 교수·학습과정 개발의 주안점을 다음과 같이 설정하였다. 첫째, 정전기 현상의 특징인 도체의 표면전하들에 의해서 형성되는 전기장과 전위의 개념을 전기회로의 전기현상 해석에 적용할 수 있도록 한다. 둘째, 전기회로를 구성하는 전지, 전선, 저항 등 각 소자들의 전기적 특성과 표면전하분포를 세분화 하여 이해 할 수 있도록 한다. 셋째, 저항에서 전하분포가 일정하게 변하는 특성을 저항이 다수인 직렬연결회로에도 확장하여 적용할 수 있도록 한다.
본 연구의 참여 학생은 부산 시내 일반계 고등학교 1학년 학생들로 자연계열의 진학을 희망하며 방과 후 교육활동에 참여하는 2개반 50명이다. 교수·학습활동은 정전기, 전기회로 구성소자 및 전지의 전압, 전선과 저항선의 표면전하분포, 저항회로의 표면전하분포 모형, 직렬 및 병렬회로에서 전하분포모형 적용 등 총 5차시로 구성되었고 각 차시는 90분으로 수행되었으며 본 교수·학습자료를 개발한 연구자가 수업을 진행하였다. 교수·학습 과정의 수행 전과 후의 전기회로의 이해가 향상되었는지를 확인하기 위해서 직류저항전기회로 개념검사(DIRECT), 직렬회로 및 병렬회로에 대한 전압개념검사를 투입하였고 표면전하분포모형 중심의 전기회로 및 표면전하분포모형에 대한 이해와 어려움을 분석하기 위해서 자체 제작한 개념 검사를 실시하였다. 각 검사지의 선택형 문항에 대한 학생의 응답은 EXCEL(Ver.2010)과 SPSS(Ver.18.0) 등을 사용하여 양적으로 통계분석 하였으며, 자유반응형 문항에 대한 응답은 유형화를 통한 질적 분석을 수행하였다.
직류저항전기회로(DIRECT) 개념검사에서는 사후의 평균 점수(52%)가 사전 평균점수(36%)보다 높게 나와 성취도 향상이 통계적으로 유의미 한 것으로 확인되었으나 정규이득 분석결과 일반적인 향상도 범주인 것으로 확인되었다. 하지만 미시적·정성적 전기회로이해, 전위차(전압) 개념, 회로 전체적 관점에서의 전기회로이해 개념영역에 대한 성취도 향상이 전체 평균점수의 향상 보다 높게 나타났으며 특히 전압 개념영역 점수 향상이 가장 크게 나타났다. 전압개념검사 결과 학생들은 직렬회로에서 저항의 전압분배 개념이 좋아졌고 병렬회로에서는 전압중심의 회로해석 접근방법이 증가하였다. 전체적으로 정성적 문항과 전지의 전압일정 특성 및 전류와 전압의 구분 등 전압개념 이해가 크게 향상되었다.
표면전하분포모형에 대한 이해와 어려움은 다음과 같았다. 연구참여 학생들은 고등학생을 위한 표면전하분포모형의 세 가지 강조점 중 미시적․정성적 설명과 소자별 표면전하분포모형을 잘 이해한 것으로 나타났다. 즉, 전류가 흐르는 원인과 표면전하가 형성하는 전위차에 대한 설명과 이해, 전지와 전선에서 전위차와 표면전하분포모형을 잘 이해한 것으로 나타났다. 그러나 세 번째 측면인 저항에 대한 표면전하분포모형의 적용에서는 다수의 학생들이 어려움을 겪은 것으로 나타났다. 특히, 저항이 여러 개 연결된 직렬회로에서 표면전하분포를 전위의 형태와 일치하게 표현하는데 어려움을 보여 주었다.
결론적으로 고등학생을 대상으로 한 전위차를 강조한 표면전하분포모형 중심의 전기회로 교수․학습과정은 학생들의 전기회로 이해에 도움을 주었는데 특히 미시적 전류 흐름에 대한 원인, 전압과 전류 개념의 구분 그리고 전지의 전압특성과 병렬회로에서 전압 개념에 대한 이해 향상에 효과적임을 확인 할 수 있었다. 따라서 전류 및 전압에 대한 미시적 관점의 이해와 정성적 개념 학습에 강점이 있는 전위차 중심의 표면전하분포모형을 기존의 정량적 회로해석 중심의 전기회로 교수·학습과정과 접목함으로써 두 교수·학습과정을 상호 보완할 수 있는 계속적인 연구가 필요하다고 생각한다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 초 록 ⅰ
• 목 차 ⅴ
• 표 목차 ⅷ
• 그림 목차 ⅹ
• 1. 서론 1
• 1.1. 연구의 동기 1
• 1.2. 연구의 목적 4
• 1.3. 연구 과정의 개요 5
• 1.4. 용어의 정의 7
• 1.4.1. 전기회로이해 7
• 1.4.2. 표면전하분포모형 7
• 1.4.3. 전기회로 구성소자 7
• 1.5. 연구의 한계 8
• 2. 이론적 배경 및 선행연구 9
• 2.1. 전기회로 관련 교육과정 및 교과서 분석 9
• 2.1.1. 국내 교육과정분석 9
• 2.1.2. 국내·외 교과서 분석 11
• 2.2. 중·고등학생의 전기회로에 대한 이해와 어려움 19
• 2.2.1. 전류에 대한 이해와 어려움 19
• 2.2.2. 전체적인 계(system)로서 전기회로 이해와 어려움 22
• 2.2.3. 전압 개념에 대한 이해와 어려움 24
• 2.2.4. 미시적-거시적 관점에서 전기회로에 대한 이해 27
• 2.2.5. 정전기 및 전기회로 연계에 대한 이해와 어려움 29
• 2.3. 표면전하분포모형 35
• 2.3.1. 표면전하분포모형의 과학적 이해 35
• 2.3.2. 교수·학습에서의 표면전하분포모형 43
• 2.3.3. 전기회로 학습에서 물 회로 비유와 표면전하분포모형 49
• 2.4. 고등학생을 위한 표면전하분포모형 54
• 2.4.1. 과학적 모형의 구성 54
• 2.4.2. 교수·학습 기본가정 62
• 2.4.3. 교수·학습 과정의 구현 75
• 3. 연구방법 91
• 3.1. 연구대상 91
• 3.2. 자료수집 91
• 3.3. 평가도구 및 분석방법 92
• 3.3.1. 직류저항전기회로 개념검사 92
• 3.3.2. 전압개념검사: 직렬회로, 병렬회로 93
• 3.3.3. 표면전하분포모형 중심의 전기회로 이해 검사 94
• 4. 결과 및 분석 99
• 4.1. 전기회로의 이해 향상 99
• 4.1.1. 직류저항전기회로 개념검사 99
• 4.1.1.1. 전체적 개요 99
• 4.1.1.2. 미시적·정성적 전기회로 이해 101
• 4.1.1.3. 전위차(전압) 개념 104
• 4.1.1.4. 회로 전체적 관점의 전기회로이해 105
• 4.1.2. 전압개념검사 109
• 4.1.2.1. 전체적 개요 109
• 4.1.2.2. 직렬회로 111
• 4.1.2.3. 병렬회로 117
• 4.1.3. 결과논의 126
• 4.2. 표면전하분포모형의 전기회로이해 133
• 4.2.1. 전체적 개요 133
• 4.2.2. 영역 1. 전기현상의 미시적 이해 139
• 4.2.3. 영역 2. 전기회로 구성 소자별 표면전하분포 특성 158
• 4.2.4. 영역 3. 저항회로에서의 표면전하분포모형 구현 175
• 4.2.5. 영역 4. 표면전하분포모형 적용과 전기회로 해석 183
• 4.2.6. 결과 논의 198
• 5. 요약 및 결론 206
• 5.1. 요약 206
• 5.2. 결론 및 제언 212
• 5.2.1. 결론 212
• 5.2.2. 제언 및 추후과제 213
• 참고문헌 215
• [부록 1] 직류저항전기회로 개념검사:DIRECT 223
• [부록 2] 전압 개념검사: 직렬회로, 병렬회로 227
• [부록 3] 표면전하분포모형 중심의 전기회로 이해 검사 230
• [부록 4] 교수·학습 활동지(5차시) 243
• ABSTRACT 269

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