학생중심 물리실험수업의 디자인과 실제

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

경기 정명고 김성규

Ⅰ. 서론

입시중심의 교육환경이 지속됨에 따라 학교 현장에서는 실험수업을 찾아보기 어려워졌고, EBS 문제풀이 중심의 수업이 당연하다는 듯이 이루어지고 있는 것이 요즘의 학교수업의 현실입니다. 이런 상황 속에서 2015 개정교육과정에서는 소위 ‘역량중심교육과정’을 중심으로 자기관리역량, 심미적 감성역량, 의사소통역량, 지식정보처리역량, 공동체역량, 창의적 사고역량을 기르는 교육을 추구하고 있습니다. 그러나 학생-학부모-교사 간의 교육적 철학이 서로 소통되지 않는 환경에서 이런 방향성은 공염불이 되기 쉽다는 생각을 떨쳐낼 수 없습니다. 뿐만아니라 강의식으로 진행되는 수업에 익숙해진 학생들의 경우 과학 수업, 특히 실험 수업에 있어서 주도적으로 탐구하는 자세를 갖는 것을 기대하기도 매우 어렵습니다. 수능에서 자신들이 선택하지 않는 과목의 실험 수업인 경우에는 더욱 심합니다. 이런 환경 속에서 교사도 행복하고, 학생들도 주도적인 배움이 일어나게 할 수 있는 방법은 어떤 것이 있을까 고민했고, 2017년 3학년 물리실험에서 적용했던 수업형태를 이 자리에서 소개하고자 합니다. 더 나은 수업을 만들기 위해 이 수업형태를 나누는 것이지 이런 형태의 수업이 우수한 수업이라고 자랑하기 위함이 아님을 이해해주기 바랍니다.

Ⅱ. 수업 속에서의 교육철학 나누기

2009년 교사로서의 삶을 처음 시작하고 어느새 올해로 만 20년이 바로 코 앞에 다가왔습니다. ‘자식은 부모의 거울’이라고 했던가요? 약 4~5년 전까지도 초등학교부터 고등학교를 졸업할 때까지 보아왔던 선생님들의 모습이 나 자신에게 그대로 나타나고 있었고, 그런 모습이 올바른 교사의 모습이라고 생각했습니다. 학생을 통제하고 이끌어주어서 4년제 대학에 최대한 많이 진학시키는 것이 교사의 책임이며, 학생이 불편해하더라도 남들 하는 것만큼은 하도록 밀어붙여야 한다는 고정관념에 잡혀있었고, 잘 따라오지 못하는 학생들은 낙오자처럼 바라보는 그런 교사였습니다. 그러나 언젠가부터 수업 때마다 굳어있는 나의 표정과 학생들의 무덤덤한 태도들에서 ‘이건 아니다!’라는 생각을 하게 되었고 교육의 의미를 다시 생각해보게 되었습니다.

이 시대는 급격하게 변화되어 가고 있습니다. 불과 몇 년 전만해도 상상도 못했던 다양한 직업들이 생겨나서 현 시대의 새로운 영역을 만들어가고 있고, 우리가 기존에 알고 있던 다양한 직업들 중에서도 빠른 속도로 사라져가는 것을 볼 수 있습니다. 이런 시대적 상황 속에서 과거 또는 기존의 인기 직종들을 소개하며 학생들의 진로를 안내해 주는 것이 정말 ‘교육’적인 것이라고 할 수 있는 것일까?라는 질문이 나의 머리 속에서 떠나질 않습니다.

지식을 학생들의 머리 속에 집어넣는 데에 에너지를 집중할 것이 아니라 이 다양한 지식들이 어떻게 적용되고 창의적으로 사용할 수 있는지에 대한 훈련이 필요하며, ‘교육’에서는 그 연습의 과정이 필요하다고 생각합니다. 이런 생각들을 기반으로 해서 물리실험 수업은 보다 학생 중심적으로 배워나가는 수업이 되어야 한다는 철학을 세우게 되었고 이제부터 소개하는 방식의 수업형태를 도전하게 되었습니다. 실험 수업은 그 자체로 학생들을 평가하는 데에 적용되어야 한다는 생각이 강했기에 초반에는 수행평가 100%로 교육계획을 세웠지만 예체능 과목이 아니기 때문에 그렇게 할 수 없다는 반대에 부딪혀서 수행평가 80%, 지필평가(단, 서술형으로만 평가) 20%로 조정하여 평가하기로 했습니다.

Ⅲ. 물리실험 수업 디자인

  1. 교과명 : 물리실험
  2. 적용학년 : 고등학교 3학년 17명씩 2개 학급(총34명)
  3. 수당 수업시수 : 4시간
  4. 수업의 형태
    1. 4인 1조로 모둠을 구성하며, 총 4개의 모둠으로 편성(1개 모둠은 5인 1조)
    2. 각 모둠의 실험 주제를 달리 해서 탐구활동 수행(총 4주제의 실험이 동시에 실시)
    3. 1차시(이론 탐색) – 2차시(실험 설계) – 3차시(실험 수행) – 4차시(결과정리 및 분석)
    4. 각 단계에서의 활동을 수행평가로 반영(수행평가 80%, 지필평가 20%)
  1. 4차시의 활동이 끝나면 모둠을 서로 바꾸어 다른 주제의 실험을 수행
  2. 결과적으로 16차시(4주)의 과정이 끝나면 각 모둠별 4개의 실험을 수행
  3. 학생이 주도적으로 각 차시별 활동을 수행해야 하며, 지도교사는 보조자로서의 역할

Ⅳ. 물리실험 수업의 적용

1. 이론탐색과정

2. 실험 수행

3. 활동보고서 예시

Ⅴ. 물리실험 교과 평가계획

1. 평가의 종류와 반영비율

평가종류 지필평가 수행평가 합계
평가영역 1차 2차 소계 탐구서술형

평가

논술형

평가

개념탐구능력

평가

정의적 능력

평가

소계
반영비율 0 20% 20% 40% 12% 8% 20% 80% 100%
배점 0 100점 40점 12점 8점 20점
반영비율

환산점수 만점

0점 20점 20점 40점 12점 8점 20점 80점 100점
서술형 반영비율 20% 20% 40% 40% 60%
배점 100점 40점
논술형 반영비율 12% 12%
배점 12점
평가시기 수시

(총8회)

2회 수시 수시

 

2. 수행평가 영역별 세부 기준안

  1. 논술형 평가
    1. 평가주제
      일상생활 속에서 물리학적 원리가 적용되는 사례를 통해 긍정적이거나 부정적인 자신의 의견을 논리적으로 표현할 수 있는지를 성취기준별로 2회 평가함.
    2. 채점 기준
      영역 비율 평가항목 평가척도 배점 비고
      논술형평가 12 ① 문제파악능력 : 제시된 내용을 충분히 이해하고 자신의 의견을 제시 하는가?

      ② 전개의 적합도 : 논리의 전개가 제시된 주제와의 적합성이 있는가?

      ③ 논리의 일관도 : 논리의 서술에 있어서 일관성이 있는가?

      ④ 대안 제시 : 창의적인 사고로 합리적인 대안을 제시하고 있는가?

      ⑤ 분량의 적절성 : 제시된 분량의 기준이 채워졌는가?

      5항목 충족 6
      4항목 충족 5
      3항목 충족 4
      2항목 충족 3
      1항목 충족 2
      충족항목 없음(기본점수) 1

      ※ 총 2회 실시하며, 각 회차마다 취득한 점수를 합산하여 입력함.

  2. 탐구서술형 평가
    1. 평가주제
      각 단원의 물리학적 원리 중 실험으로 확인될 수 있는 주제를 중심으로 탐구주제를 설정하고, 적절한 탐구과정설계를 통해 합리적인 결론을 도출해내는 능력을 총 8회 평가함.
    2. 채점 기준
      영역 비율 평가항목 평가척도 배점 비고
      탐구

      서술형평가

      40 ① 주제파악능력 : 탐구활동의 주제 및 목표를 제대로 이해하고 있는가?

      ② 탐구설계능력 : 과학적 탐구과정에 근거하여 탐구과정을 설계하는가?

      ③ 자료분석능력 : 탐구결과를 정확하게 정리하고, 표 또는 그래프의 형태로 표현가능한가?

      ④ 결론도출능력 : 탐구결과를 통해 적절하게 결론을 내릴 수 있는가?

      ⑤ 문장서술능력 : 탐구활동 단계별로 적절한 문장으로 내용을 서술할 수 있는가?

      5항목 충족 5
      4항목 충족 4.5
      3항목 충족 4
      2항목 충족 3.5
      1항목 충족 3
      충족항목 없음 2.5
      백지제출, 지시불이행자

      (기본점수)

      2

      ※ 총 8회 실시하며, 각 회차마다 취득한 점수를 합산하여 입력함.

  3. 개념탐구능력 평가
    1. 평가주제
      매 시간마다 실시되는 실험활동에 적용되는 개념을 스스로 탐구하며 정리되고 있는가?
    2. 채점 기준
      영역 비율 평가항목 평가척도 배점 비고
      개념

      탐구

      능력

      평가

      8 ① 주제파악능력 : 배움의 주제 및 목표를 제대로 이해하고 있는가?

      ② 개념이해능력 : 과학적 개념을 중심으로 내용을 정리하는가?

      ③ 내용구성능력 : 과학적 개념을 논리적으로 정리하는가?

      ④ 표현능력 : 문단이나 그림 또는 글자를 알아보기 좋게 작성하는가?

      4항목 충족 1
      3항목 충족 0.8
      2항목 충족 0.6
      1항목 충족 0.4
      충족항목 없음 0.2

      ※ 총 8회 실시하며, 각 회차마다 취득한 점수를 합산하여 입력함.

  4. 정의적 능력 평가
    1. 평가주제
      1. 교과지도교사의 관찰, 학생 발표, 토론활동, 수업참여의 성실도, 교과내용 정리의 충실도, 협동학습에서의 적극성 등의 영역으로 나누어 배움과정에서 나타나는 학생의 능력을 평가한다.
      2. 평가는 교실활동에서 일어나는 전반적인 활동을 대상으로 하여 탄력적이고 종합적으로 이루어진다.
    2. 채점 기준
      영역 비율 평가항목 평가척도 배점 비고
      배움

      과정

      평가

      20 ① 모둠 내외의 다른 학생의 학습활동을 적극적으로 도와주는가?

      ② 모둠 내 자신의 역할을 성실하게 수행하는가?

      ③ 주어진 시간 안에 과제를 완성하기 위해 최선을 다해 노력하는가?

      ④ 주어진 시간 안에 이론탐색이나 보고서 작성을 위해 최선을 다해 노력하는가?

      4항목 충족 1
      3항목 충족 0.8
      2항목 충족 0.6
      1항목 충족 0.4
      충족항목 없음 0.2

      ※ 매 차시마다 0.2~1점의 활동 점수를 부여하고, 이를 기준으로 총 20점을 넘지 않는 범위에서 점수를 합산해서 반영함.

      평가척도 배점 평가척도 배점
      총점의 90%이상 20 총점의 50%이상~60%미만 12
      총점의 80%이상~90%미만 18 총점의 40%이상~50%미만 10
      총점의 70%이상~80%미만 16 총점의 40%미만 8
      총점의 60%이상~70%미만 14

Ⅵ. 물리실험 노트의 구성

목록 내용
이론탐색(1차시) 실험주제와 관련된 이론을 스스로 찾아 정리하는 과정이며, 물리I 수준의 내용으로 정리하면 되고, 이론 탐색과정에서 이해되지 않는 점은 집단지성을 활용하거나 지도교사의 도움을 받아 정리할 수 있습니다.
실험목표 실험 주제에서 학생들이 도달해야 하는 목표이며 지도교사가 제시해줍니다.
준비물과 그 쓰임(2차시) 실험설계과정에서 필요한 준비물의 목록을 정리하는 단계이며, 필요한 물품의 사용가능 여부를 지도교사와 협의합니다.
실험설계 및 토론(2차시) 실험목표를 수행하기 위해 탐구설계하는 과정이며, 모둠원과 토론을 통해 수행합니다.
실험결과 정리(3차시) 설계한 실험을 직접 수행하고 그 결과를 표 또는 그래프를 통해 정리하는 과정입니다.
실험결과 해석(4차시) 측정된 실험결과를 통해 확인할 수 있는 사실을 해석합니다.
느낀 점과 응용방안 논의(4차시) 실험 과정에서 느낀 점과 응용방안 및 오차 발생원인 등을 정리합니다.

 

Ⅶ. 실험 주제

실험제목 실험목표
경사면을 내려오는 물체의 분석 1. 경사면을 내려오는 물체의 운동은 등가속도 운동임을 이해한다.

2. 물체의 운동을 그래프로 나타낼 수 있다.

3. 물체의 운동에 영향을 미치는 요인에 대하여 설명할 수 있다.

낙하하는 물체의 운동 분석 1. 낙하하는 물체의 운동은 등가속도 운동임을 이해한다.

2. 물체의 운동을 그래프로 나타낼 수 있다.

3. 물체의 운동에 영향을 미치는 요인에 대하여 설명할 수 있다.

단진자 및 용수철 진자의 주기 측정 1. 단진자와 용수철 진자의 진동주기를 측정하고 그 주기와 관련된 물리량 사이의 관계를 설명할 수 있다.

2. 단진자의 주기로부터 중력가속도를 구할 수 있다.

3. 용수철 진자의 주기로부터 용수철상수를 구할 수 있다.

뉴턴의 운동 제2법칙 1. 힘과 가속도의 관계, 질량과 가속도의 관계를 설명할 수 있다.

2. 여러가지 운동의 상황을 운동방정식으로 해석할 수 있다.

운동량 보존법칙 실험 1. 상호작용 전후의 운동량의 총합이 보존됨을 설명할 수 있다.

2. 충돌, 분열, 융합의 상황에 따른 실험결과를 근거로 운동량보존을 설명할 수 있다.

마찰력 측정 실험 1. 정지마찰력, 최대정지마찰력, 운동마찰력에 대해 설명할 수 있다.

2. 마찰각을 이용해서 최대정지마찰계수를 측정하는 방법을 설명할 수 있다.

3. 마찰력을 증가시키거나 감소시킬 수 있는 방법을 설명할 수 있다.

정상파 실험 1. 정상파가 만들어지는 조건에 대해 설명할 수 있다.

2. 현(줄)에서 나타나는 정상파의 특징을 실험을 통해 설명할 수 있다.

3. 현(줄)에서 나타나는 정상파에 영향을 주는 요인이 무엇인지 설명할 수 있다.

기주공명 실험 1. 관(pipe)에서의 정상파를 설명할 수 있다.

2. 기주공명실험을 근거로 소리의 전달속도를 측정할 수 있다.

3. 소리의 진동수에 따른 기주공명실험의 결과를 분석할 수 있다.

알루미늄을 통한 소리전달 속도 측정 실험 1. 고체를 통해 전달되는 소리의 정상파를 설명할 수 있다.

2. 고체를 통해 전달되는 소리의 속도를 측정할 수 있다.

3. 고체에서 나타나는 공명현상을 실험을 통해 분석하며 설명할 수 있다.

전류와 자기장 1. 직선도선, 원형도선, 솔레노이드에 흐르는 전류가 만드는 자기장을 설명할 수 있다.

2. 도선에 흐르는 전류가 만드는 자기장의 크기와 방향을 실험결과를 근거로 설명할 수 있다.

전자기 유도와 상호유도 1. 전자기 유도현상을 실험을 통해 확인한다.

2. 전자기 유도현상에서 자기장의 변화와 유도기전력의 변화를 비교하여 설명할 수 있다.

3. 상호유도 현상을 전자기 유도와 관련지어 설명할 수 있다.

빛의 반사를 이용한 거울에 의한 상 찾기 1. 광학실험기를 이용하여 빛의 반사의 법칙을 확인한다.

2. 광학대를 이용하여 다양한 형태의 거울이 만드는 상의 위치와 형태를 설명할 수 있다.

3. 광학대를 이용하여 다양한 형태의 거울이 만드는 상의 위치로부터 초점거리를 측정한다.

빛의 굴절을 이용한 전반사 실험 1. 광학실험기를 이용하여 굴절의 법칙을 확인한다.

2. 광학실험기를 이용하여 전반사 실험을 하여 굴절률과 임계각 사이의 관계를 설명할 수 있다.

렌즈에 의한 상 찾기 1. 광학실험기를 이용하여 오목렌즈와 볼록렌즈가 만드는 상의 형태와 위치를 설명할 수 있다.

2. 오목렌즈와 볼록렌즈가 만드는 상의 위치로 부터 초점거리를 측정한다.

자유연구 자신이 하고싶은 실험을 정하여 관련 이론 정리 및 탐구활동을 실시한다.

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