An Analysis of High School Student's Understanding Level about Basic Concepts of Special Relativity through in-depth interview

심층 면담을 통한 고등학생들의 특수 상대론 기초 개념에 대한 이해 수준 분석

The Purpose of this study was an analysis of high school student's understanding level about concepts of special relativity through in-depth interview. The 8 participants were 10th grade students in H high school in Ulsan city, who were interviewed and analyzed in the results of the interview about basic concepts of special relativity using achievement checklist in 6 situations(principle of constancy of light velocity, principle of relativity, relativity of simultaneity, garage paradox, rocket paradox). As results of the checklist, the participants showed high achievement in the content level of simple phenomena and simple concepts related to special relativity. But they showed low achievement in the concept level for fundamental understanding of special relativity. As results of the interview, it was found that the participants decided the order of events depending on their intuition and had a difficulty to apply the coordinate system to real situation, even though they mathematically understood it. In addition, some participants who could not understand the inertial coordinate system explained paradoxes of relativity depending on their intuition and had learner's chaos. Finally, though high school students usually being in formal operational stage, some students had difficulty to draw phenomena of space and time in two dimensional plane.

본 연구의 목적은 고등학생들이 특수 상대론에 대한 이해 수준을 심층면담을 통해 알아보는 것이다. 심층 면담 대상은 8명으로 특수 상대론 기초개념 성취도 체크리스트와 광속불변의 법칙, 상대성의 원리, 동시성의 상대성, 차고 역설, 로켓 역설 등 6가지 상황 단계로 구성하여 심층 면담을 실시하고 분석하였다. 학생들은 특수 상대론과 관련된 단순한 현상의 기억, 개념의 암기 수준에서는 비교적 높은 성취도를 보였으나, 특수 상대론을 설명하는 본질적 원리 이해 수준에서는 낮은 성취를 나타냈다. 심층 면담에서 일부 학생들은 사건의 순서를 관찰자의 직관에 의존하였고, 좌표계를 수학적인 관점에서만 이해하고 실제 상황에서 판단하는 데에는 어려움을 나타냈다. 그리고 관성좌표계를 이해하지 못한 학생들은 상대론적 역설을 자신의 직관으로 설명하였고 학습자 혼돈이 발생하였다. 마지막으로 고등학생들이 형식적 조작기에 속하는 연령이지만 개인적 차이에 의해 시공간의 현상을 이차원 평면에 그리는 활동을 어려워하는 학생들도 있었다.