생성형 AI 시대의 교과 교육과정을 위한 교수-학습 방법 분석 및 실행 방안 연구 : 과학과 빛의 입자와 파동 단원을 중심으로

A Study on the Analysis and Implementation of Teaching-Learning Methods for the Curriculum in the Generative AI Era : Focusing on the Particles and Waves of Light Unit in Science

Abstract

The current application of Generative AI in education requires enhancing skills and competencies for both instructors and students in the Age of Digital Formation. The knowledge, skills, and attitudes necessary for individualized education should be cultivated in schools, along with the ability to develop AI-compatible learning resources. Today's educational environment aligns with the demands of the Generative AI Era. Consequently, there is a need for an educational system that promotes critical thinking and creativity while connecting students to the global context. This study examined the teaching and learning processes, along with educational exploration, to understand the properties of light particles and waves within a competency-based science curriculum. The analysis and research findings aimed at devising a competency-based teaching-learning method for students' understanding of light particles and waves are as follows: First, unit analysis confirmed the significance of competency-oriented education and facilitated the structuring of units on light and waves. Second, qualitative content analysis outlined the procedures for applying conceptual knowledge and functions in experiential learning, as well as the process of feedback delivery. Third, the study highlighted the need for a meticulous approach to inducing problem recognition through inquiry and discussion activities, ensuring that students, when exploring and recognizing problems independently, do not develop misconceptions.

Ⅰ. 서론

1.1 연구의 목적 및 필요성

오늘날 생성형 AI의 적용과 응용은 디지털 포메이션 시대의 교육에서 교수자와 학습자의 역량과 성장을 요구하고 있다. 학교교육은 AI를 학습 소재로 다루는 역량과 함께 맞춤형 교육을 위한 지식, 기술, 태도를 준비할 수 있어야 한다. 또한, 학교는 교수-학습 활동에서 다양한 경험학습을 통해 학습자가 스스로 선택하고 집중할 수 있는 교과 교육과정의 질적 향상을 이루어야 할 것이다. 학교교육의 교수-학습은 생성형 AI 시대의 교육환경에 맞게 이루어져야 하며, 실생활과 연계하여 창의력과 비판적 사고를 함양할 수 있는 교육체제가 필요하다[1, 2]. 이에 이 연구에서는 과학적 탐구 능력, 과학적 사고력, 과학적 의사소통 능력, 과학적 문제 해결력, 과학적 참여와 평생 학습 능력 등을 함양하기 위해 과학교육의 성격 및 내용, 방법에 대한 변화를 함께 살펴보고자 한다[3-5].

본 연구는 미래사회에서 학습자에게 필요로 하는 역량을 키울 수 있는 과학교육에서, 빛의 성질을 연구하고 이용하는 학문 분야인 광학에 대한 접근을 알아보고자 한다. 빛은 전자기파라는 파동성과 광자라는 입자성의 이중성을 가지고 있어 광학 관련 분야에서는 파동성의 특성을 이용하거나 입자성의 특성을 이용한다. 기하광학은 빛이 직선으로 진행한다고 간주하고, 반사와 굴절 등의 현상을 이용하여 거울이나 렌즈에서의 상의 형성을 연구하는 분야이다. 특히, 빛을 광선으로 취급하는 기하광학, 파동으로 취급하는 간섭과 회절, 입자적인 측면과 파동적인 측면을 동시에 이용하는 영상 물리학이 있다.

학습자는 역량 중심의 교과교육을 통해 개개인의 성장과 함께 학습을 스스로 구성할 수 있는 학습경험이 필요하다. 이에, 역량 중심 과학교육과정에서 빛의 입자와 파동에 대한 성질을 이해하는 교수-학습 및 교육 탐구 내용을 실제적인 선행연구와 문헌을 통해 살펴보고자 한다. 이를테면, 학습자가 각 단원의 핵심 질문에 접근하고 해결하는 과정에서 역량적 교과교육의 의미를 발견할 수 있어야 한다. 학습자는 교수자의 세심한 탐구활동 진행에 따라 바람직한 학습 모델을 구축할 수 있어야 한다.

한편, 본 연구는 중·고등학교 과학과 교과 교육과정을 대상으로 하며, 2022 개정 교육과정 교과용 도서가 개발 중이므로 각론의 내용 체계 및 성취기준을 중심으로 학습자가 무엇을 할 수 있어야 하는지, 즉 역량적 측면에서 연구 초점을 맞춰 분석하고자 한다. 본 연구의 특징적인 차별성은 중학교 과학1, 고등학교 물리학I, 물리학II에 걸쳐 분석한 자료를 토대로 과학 계열 전문 교과인 고급물리학 교과와 연계된 위계 있는 탐구활동에 접근하는 데 있다. 특정 학교에서 사용하는 교과목이 아닌, 학문적 위계와 연계가 전문적으로 이루어질 수 있는 여건 확장성 체제에서 연구를 시도하였다.

1.2 연구의 내용

생성형 AI에 대한 관심은 2022년부터 시작되어 이제는 학교교육에서 교과 역량과 함께 변화와 혁신을 요구하고 있다[6, 7]. 이러한 AI 활용과 교육의 결과로, 교과교육에서 무엇이 이루어져야 하는지, 교과교육의 방향을 설정하는 것이 필요하게 되었다. 교수자는 교과 역량 중심 교육과정을 설계하는 데 필요한 학습의 방향을 미리 확인하고, 달성해야 할 목표로서 학습자의 역량을 도출할 수 있어야 한다. 이는 교과 교육과정 개발의 시작이자, 교과 교육과정의 도달점이 된다. 학교교육은 궁극적으로 교과 교육과정의 내용이 지향하는 방향과 습득해야 할 교육내용을 명확한 맥락 있는 수업과 평가를 통해 학습이 이루어져야 한다[8, 9].

본 연구는 2015 개정 과학과 교육과정이 제시하고 있는 탐구활동을 중학교 과학1, 고등학교 물리학I, 물리학II에 걸쳐 분석한 자료를 토대로, 과학계열 전문교과인 고급물리학과 연계된 위계 있는 탐구활동의 가능성을 유추하고자 한다. 이를 위해 빛의 입자와 파동에 관한 영역을 학습하는 학습자의 이해를 제고할 수 있는 역량 중심의 교수-학습 방법에 대한 방안을 구안하고자 한다.

연구 문제

위와 같은 연구목적을 달성하기 위한 연구의 문제는 아래와 같다.

첫째, 2015 개정 과학과 교육과정에서 빛의 입자와 파동에 관한 영역의 탐구활동은 어떠한 내용과 구성으로 교수-학습이 이루어지고 있는가?

둘째, 2022 개정 과학과 교육과정에서 빛의 입자와 파동에 관한 영역은 역량적 측면에서 어떠한 내용과 구성으로 교수-학습이 이루어질 수 있을까?

Ⅱ. 이론적 배경

학교교육은 생성형 AI 시대에 요구되는 역량을 필요로 하며, 교수자는 학습자의 성장을 위한 수업 준비와 실행이 필요하다.

이 장에서는 시대적으로 학습자에게 필요한 역량과 관련된 교수-학습 설계 및 구성의 중요성을 과학과 교과 교육과정에서 빛의 입자와 파동 단원을 통해 확인하고, 이론적 배경과 선행연구를 살펴보고자 한다.

2.1 역량 중심 교과교육

우리나라와 OECD 회원국이 참여한 ‘OECD 교육 2030: 미래교육과 역량 프로젝트’는 미래 사회에서 학교 교육의 혁신 방향을 설정하고, 학습자가 필요로 하는 역량을 키우기 위해 진행되었다. 또한, OECD DeSeCo 사업에서 규정한 21세기 미래 핵심 역량과 함께 학교교육의 실행에 초점을 맞추어 OECD 교육 2030 프로젝트가 이루어지고 있다.

이러한 방향 설정과 혁신은 의도된 교육과정이 효과적으로 실행되고, 교수-학습 활동이 이루어질 수 있도록 교수자와 학습자의 역량과 특성을 지속적으로 탐색하고 있다. OECD 교육 2030 프로젝트의 학습프레임워크는 다음과 같다[10].

<그림 1> OECD 교육 2030 프로젝트의 학습프레임워크[10]

OECD 교육 2030 프로젝트의 학습프레임워크에서 제시하는 역량은 지식, 기능, 태도 및 가치로 나누어져 있다. 이는 개인과 사회의 웰빙을 추구하면서 학습자의 역량과 교육 혁신을 이룰 수 있는 역량을 강조하고 있음을 알 수 있다. 이러한 역량은 변혁적으로 작용할 수 있는 기제가 되어야 하며, 전통적으로 이어온 학과목 지식과 실행에 필요한 역량과 과정으로 구체화 된다[5].

학교교육은 생성형 AI 시대적 변화와 함께 교수-학습방법과 교육내용이 디지털 포메이션 시대의 교육에서 요구하는 교육혁신의 방향을 제시하고 있음을 인지하고, 오늘날 우리의 학교교육 상황과 맥락에 맞게 반영할 수 있어야 한다. 2015 개정 교육과정에서는 총론에서 제시한 가치와 교육과정 구성 방향에 맞춰 교과 역량을 설정하였다. 2022 개정 교육과정에서도 이전 교육과정에서 설정한 역량을 교과 교육과정에서 이어가고 있다.

학교교육은 최적의 역량 함양을 위해 교육과정, 수업, 평가의 개선과 실행이 필요하게 되었다. 교수-학습 활동은 단편적인 지식 전달이 아니라, 학습자가 스스로 문제를 해결하면서 과정 중심, 학습량의 적정화, 학습의 질을 확보할 수 있는 역량 중심 교과교육으로 전환되어야 한다. 따라서 역량 중심 교과교육은 학습자 참여형 수업과 과정 중심 평가 운영이 내실 있게 이루어질 수 있는 여건을 조성하고, 교과 역량의 구성 요소를 균형적으로 결합하여 학습자가 스스로 문제를 해결하는 역량을 도출하고 실행할 수 있어야 한다. 이러한 역량은 학습자의 교과별 수행 능력과 함께 수업과 평가의 정합성을 갖추어야 한다.

국가 교육과정에서 제시한 교과교육의 내용 체계와 성취기준을 중심으로 단원의 핵심 개념과 일반화된 지식을 통해 학문적 맥락과 일반화를 파악하고, 내용 요소와 기능으로 이어지는 성취기준을 통해 학습자의 이해와 응용이 이루어져야 한다. 특히, 과학교과에서 수행을 강조하는 심층학습, 탐구학습, 통합적 연계, 협력학습, 실생활과 연계된 수업, 학생 맞춤형 자기주도적 학습 등은 역량 함양을 위한 교수-학습의 중요한 요소이다.

2.2 빛의 입자와 파동

2015 개정 교육과정의 중학교 ‘빛과 파동’ 단원에서는 학생들이 빛의 경로를 이해하여 물체를 어떻게 보는지 이해하고, 일상생활에서 흔히 보고 사용하는 렌즈와 거울을 통해 빛의 성질을 알고 그 활용에 관심을 갖도록 한다. 또한, 빛의 삼원색을 합성하면 다양한 색을 나타낼 수 있다는 사실을 알게 하며, 거울과 렌즈가 빛의 경로를 변화시키는 도구라는 것을 이해하도록 한다.

고등학교에서는 물리학I, 물리학II에 이어 고급물리학으로 연계된 학문 구조를 이루고 있으며, 일반적인 교과 과정에서는 파동의 성질과 파동의 전달 과정을 이해하도록 한다. 전문교과 선택과정에서는 기하광학, 파동, 영상 물리 등으로 나눈 심화된 학습 내용으로 구성되어 있다.

2015 개정 과학과 교육과정에서 빛과 파동 영역에 대한 학습이 이루어지고 있지만, 관련 선행연구에 따르면 학습자들이 빛과 파동에 대한 개념을 충분히 이해하지 못하고 있으며, 학습 이후에도 개념 정립이 충분하지 않다는 문제가 있다. 이는 빛의 입자와 파동 영역을 학습하는 데 있어 경험적 개념을 이해하고 추상적 개념화를 이루기 위한 역량적 준비가 필요함을 의미한다.

<표 1> 2015 개정 과학과 교육과정에서 파동 영역 내용 체계[3]

<표 2> 2015 개정 과학과 교육과정에서 파동 영역 성취기준[3]

2022 개정 교육과정에서 중학교 과학 ‘빛과 파동’ 핵심 아이디어로 빛과 소리는 파동의 특성으로 반사, 굴절, 진동 등을 가지며, 그 특성이 편리하고 심미적인 삶에 도움이 되는 거울, 렌즈, 악기, 색의 구현 등이 있음을 제시하고 있다. 내용 체계를 살펴보면 다음과 같다.

<표 3> 중학교 과학 빛과 파동 영역 내용 체계와 성취기준[4]

2022 개정 교육과정에서 고등학교 물리학 ‘빛과 물질’ 핵심 아이디어로 빛이 중첩, 간섭, 굴절하고 물질과 상호 작용하는 성질은 광학 기기, 정밀 측정, 영상 장치 등 다양한 기술에 활용되고 있음을 제시하고 있다. 내용 체계를 살펴보면 다음과 같다.

<표 4> 고등학교 물리학 빛과 물질 영역 내용 체계와 성취기준[4]

이상에서 2022 개정 교육과정 중학교 과학의 탐구활동은 2022 개정 교육과정의 주요 특징인 디지털 탐구 도구나 가상 실험 등을 활용하여 정량적이고 다양한 탐구 활동 수행과정을 제시하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 2022 개정 교육과정 고등학교 물리학 탐구활동에서도 디지털 탐구 도구를 활용하여 직접 체험을 수행하고 창의적인 산출물을 설계하는 경험 과정 등의 주요 특징을 살펴볼 수 있다.

2.3 빛의 입자와 파동 선행연구

선행연구를 살펴보면, 빛의 입자와 파동 영역은 학습자가 어려워할 뿐만 아니라 다양한 오개념이 발생할 수 있는 단원이다. 이 영역은 학습자뿐만 아니라 교수자와 비전공자도 빛과 파동에 대한 올바르지 않은 과학적 오개념을 가질 수 있으며, 국내외 연구에서 유사한 혼선된 결과를 찾아볼 수 있다. 빛의 입자와 파동에 관련된 지식은 실생활에서 감각 기관을 통해 경험적으로 선 개념을 형성하는 경우가 많다. 이러한 선 개념은 경험에 의해 형성된 것으로 쉽게 바뀌지 않으며, 새롭게 학습이 이루어져도 이미 형성된 개념을 올바르게 정립하는 것이 요구된다. 아래에서 선행연구를 분석하여 정리한 표를 살펴보면 다음과 같다.

<표 5> “빛의 입자와 파동”에 관한 선행연구 분석

이상에서 교사 중심으로 진행된 선행연구에서 확인할 수 있는 점은 학습자와 마찬가지로 빛과 파동 영역에 대한 명확한 개념 정리가 필요하다는 것이다. 예비 교사의 경우에도 이러한 점은 체계적인 교수·학습과 수업 전략의 필요성을 제기하고 있다. 또한, 대학생, 고등학생, 중학생, 초등학생 순으로 검토·분석한 선행연구에서는 실험 학습의 타당성을 검토하고, 지식을 습득하는 데 올바른 개념을 이해하는 것이 중요함을 확인하였다. 아울러 과학과 교육과정 탐구활동에서는 수행 과정에서 생성형 AI와 같은 디지털 도구를 활용한 다양한 체험이 필요함을 확인할 수 있었다. 이에 본 연구에서는 교과 교육과정의 지향점을 반영하여 명확하고 맥락 있는 수업으로 이어질 수 있는 교수-학습을 중심으로 연구를 진행하고자 한다.

Ⅲ. 연구 방법

2015 개정 교육과정은 학교교육에서 학생들에게 길러 주고자 하는 핵심역량을 설정하고, 통합사회, 통합과학 등 공통 과목을 신설하였다. 또한, 개정 교육과정은 핵심 개념과 원리에 중점을 두어 적정화한 학습내용으로 교사 중심의 교실 수업을 학생 활동 중심으로 변경하기 위한 교수 학습과 평가 방법을 제시하였다. 이어서 2022 개정 교육과정에서도 미래 변화에 유연하게 대응할 수 있도록 지식·이해, 과정·기능, 가치·태도로 교과 교육과정에 역량 개념을 적용하고 있다. 이러한 개정 교육과정은 학문 중심 교육과정에서 찾아볼 수 있으며, 핵심개념과 내용 체계, 역행 설계 모형 등과 함께 이해중심 교육과정, 개념기반 교육과정과 연계할 수 있는 교과역량을 살펴볼 수 있다. 이에 각론에서는 특히 교과(목) 특성이나 내용 요소 등의 구성과 체계를 종합해서 살펴볼 필요가 있다.

이 장에서는 2015 개정 과학과 교육과정의 빛의 입자와 파동 영역에 대한 교과서 분석을 통해, 2022 개정 과학과 교육과정에서도 지향하거나 지양할 교과교육의 쟁점을 찾아내고자 한다. 또한, 변화하는 학교교육에서 이루어지는 교수-학습 방법, 교육 내용, 교육 접근 방법 등을 분석하여 이에 대한 방안 및 개선을 모색하고자 한다.

3.1 분석 대상

2015 개정 과학과 교육과정에서 제시한 내용체계와 성취기준을 중심으로, 교육부에 의해 검정된 중학교 1년 '과학' 교과서, 고등학교 '물리학Ⅰ' 교과서, '물리학Ⅱ' 교과서 각 1종을 무작위로 선별하여, 본 연구에서 살펴보고자 하는 빛의 입자와 파동 영역을 교수-학습 방법 및 이론을 근거로 수업 진행에 대한 구체적인 내용을 내용 체계와 성취기준을 중심으로 검토 분석하고자 한다. 추가적으로, 과학 계열의 전문 교과인 고급 물리학과의 연계 및 위계성에 대한 부분도 제언하고자 한다.

3.2 분석 준거

학습이란 학습자의 경험을 통해 지식을 습득하고 재구성하는 과정이다. 인지적 구성주의는 Piaget의 인지발달 이론에 근거를 두고 있으며, 인지적 활동이 지식을 구성하는 데 핵심적인 역할을 한다. 학습자는 지식과 정보를 습득할 때 스스로 구조화하고 이해한다. 사회적 구성주의는 Vygotsky의 심리발달 이론에 기초를 두고 있으며, 학습자는 선행적 학습과 내부적인 심리 속에서 타인과의 관계를 구성하면서 성장한다. 여기서 학습은 인지적 혼란이나 모순을 겪으면서 동화와 조절을 통해 인지 구조가 변화되며, Piaget는 인지발달 단계에 따라 적절한 자극이 주어질 때 효과적인 교수·학습이 이루어진다고 본다[33, 34].

이러한 구성주의는 교수 설계와 방법에 대한 탐구 및 경험학습 이론에 관한 연구로 이어지며, 상호작용하는 학습 환경과 학습자 중심의 테크놀로지의 필요성이 더욱 증가한다[35]. 이와 같은 학습은 객관적인 지식의 전달뿐만 아니라 개인의 경험으로 재구성되면서 학습자 스스로 주체가 되어 이루어진다. 따라서 학습자는 경험적 학습에 적극적으로 참여하면서 스스로 재구성한 지식을 습득하며, 교수 설계에 있어 교수자와 학습자의 구조화뿐만 아니라 교수·학습의 고도화된 설계가 필요하다.

Jonassen[35]의 구성주의 학습 환경 설계 모형을 살펴 보면, 모델링, 코칭, 비계 설정을 중심으로 학습 환경을 문제/프로젝트 맥락, 문제/프로젝트 표상, 문제/프로젝트 조작 공간 등으로 구성하고 있다. 또한, 학습 환경 설계 모형은 관련 사례, 정보 자원, 인지적 도구, 대화/협동 도구, 사회적/맥락적 지원 등으로 구성된 구조로 표현된다. 이러한 학습 환경은 상황, 사회, 구성, 성찰, 능동, 역동, 발전 등의 측면에서 그 특성을 강조한다[36].

<그림 2> 구성주의 기반 학습 환경 설계 모델[35]

한편, 학습은 문제 중심 학습, 실제 과제를 활용한 학습 등으로 이루어지며, 학습자 중심으로 구성된다. 이는 구성주의에서 학습자가 스스로 익히는 경험학습을 의미한다. 학습자는 반성적 성찰과 메타인지를 통해 학습이 확장되고 있음을 알 수 있다. 이러한 지식의 습득은 학습자의 경험과 새롭게 익히는 지식이 이전 지식과 상호작용하여 학습 환경을 재구성하는 것이다.

Linderman[37]은 경험이 학습자의 살아있는 교과서라고 하여 학습자의 경험학습의 중요성을 강조하였다. 경험학습은 경험으로부터 이루어지며, 학습자는 경험학습 후 역량, 태도, 방식 등을 새롭게 개발하고 성찰한다[38]. John Dewey[39]는 진정한 교육이란 경험을 통해 이루어 진다고 하였다. 이러한 경험학습은 학습자 개개인의 경험이 학습되고 지식과 행동으로 이어지면서 반성적 사고로 성찰하게 된다. 적용되는 학습은 경험학습을 통해 그 내용을 숙지하고 수행하면서 습득하게 된다. 경험학습은 수업 방식에 따라 달라질 수 있는 개념으로, 지식의 습득과 이해가 개개인의 경험학습을 통해 이루어지는 과정의 중요성을 의미한다.

3.3 분석 절차

분석 절차는 각 교과용 도서 지도서에서 제시하고 있는 수업 지도안을 중심으로, 두 가지 측면에서 내용분석을 하고자 한다.

첫째, 학문 지식 위주의 개념적 이해와 내용 계열화가 어떻게 유형화될 수 있는지를 정성적으로 기술하려 한다. 분석 항목은 Milla et al.[40]이 제안하고, 조혜진[29]이 일부 수정한 분류를 정리하여 다음 <표 6>과 같이 구성하여 분석하고자 한다.

<표 6> 내용분석 목록

둘째, 교과서 분석 요소의 기능과 서술은 박현주 외[41]가 제안한 분석 기록 틀을 활용하여 다음 <표 7>과 같이 구성하여 탐구하고자 한다[42, 43].

<표 7> 분석 요소의 분석 기록 틀

Ⅳ. 연구 결과

앞서 2015 개정 과학과 교육과정에서 제시한 내용 체계와 성취기준을 중심으로 분석한 내용을 토대로, 2022 개정 교육과정의 내용 체계와 성취기준도 함께 교과서에 제시하여, 역량 중심의 학습이 이루어질 수 있도록 연구 내용을 구조화하고 체계화하여 제시하고자 한다.

4.1 분석 대상

2015 개정 과학과 교육과정에서 중학교 과학1, 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ의 빛과 파동 단원을 분석하고자 한다. 중학교 ‘빛과 파동’ 단원에서는 물체에서 반사된 빛이 눈으로 들어올 때 물체를 보는 과정, 영상 장치에서 삼원색의 빛을 이용하여 다양한 색의 빛을 표현하는 방법, 여러 가지 거울과 렌즈에서 생기는 상의 특징을 관찰하고 이해한다. 또한, 파동의 종류를 횡파와 종파로 구분하며, 소리의 특징을 진폭, 진동수, 파형으로 이해한다.

<그림 3> 과학1 ‘빛과 파동’ 단원

출처: 과학1, 비상교육

물리학Ⅰ의 ‘파동과 정보 통신’ 단원에서는 파동의 물리량 사이의 관계를 다루고, 파동의 굴절 현상, 전반사, 간섭 등 파동의 여러 가지 특성을 학습한다.

<그림 4> 물리학Ⅰ‘파동과 정보통신’ 단원

출처: 물리학Ⅰ, 비상교육

물리학Ⅱ의 ‘파동과 정보 통신’ 단원에서는 자연에서 만들어지는 신호들이 전자기파를 통해 전달되는 과정을 설명하기 위해 전자기파의 다양한 성질을 이해한다. 이 단원에서는 교류 회로에서 전자기파의 발생, 안테나에서의 수신, 간섭, 회절, 도플러 효과, 볼록 렌즈에서의 상형성 등을 학습하며, 전자기파의 활용에 대해 배운다.

<그림 5> 물리학Ⅱ ‘파동과 정보통신’ 단원

출처: 물리학Ⅱ, 비상교육

이상에서 살펴본 단원은 학습자가 단원의 핵심 질문을 해결하는 과정을 통해 과학적 사고력과 과학적 문제 해결력을 키우고, 탐구 과정을 통해 과학적 탐구 능력과 과학적 사고력을 향상시킨다. 프로젝트 활동과 같은 조사 등을 통해 과학적 문제 해결력을 키우게 된다. 이때, 과학과 교육과정 핵심역량인 과학적 사고력, 과학적 문제 해결력, 과학적 탐구 능력, 과학적 의사소통 능력, 과학적 참여와 평생 학습 능력 등과 연계된 교육과정이 이루어지게 된다. 빛과 파동 단원의 구조와 위계를 표로 정리하면 다음과 같다.

<표 8> 빛과 파동 단원 구조 위계

2015 개정 교육과정에서 제시한 성취기준에 따라 교과서를 살펴보면, 중학교 과학1의 탐구활동은 빛의 합성 탐구하기, 거울과 렌즈에 의한 상의 특징 관찰하기이다. 빛과 파동 단원의 학습 지도안 예시는 다음과 같다.

<표 9> 빛과 파동 단원 학습지도안

출처: 과학1, 비상교육

고등학교 물리학Ⅰ의 탐구활동은 빛의 여러 가지 전반사 관찰, 두 개의 스피커를 이용한 보강·상쇄 간섭 실험이다. 파동과 정보 통신 단원의 학습 지도안 예시는 다음과 같다.

<표 10> 파동과 정보통신 단원 학습지도안

출처: 물리학Ⅰ, 비상교육

고등학교 물리학Ⅱ의 탐구활동은 압전 소자와 이중 코일을 이용한 전파의 송수신 실험이다. 파동과 물질의 성질 단원의 학습 지도안 예시는 다음과 같다.

<표 11> 파동과 물질의 성질 단원 학습지도안

출처: 물리학Ⅱ, 비상교육

4.2 내용분석

중학교 과학1, 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ의 빛과 파동 단원의 개념적 이해 및 내용 계열화의 유형이 될 수 있는지 정성적 내용분석 결과를 목록에 따라 구성하여 제시하면 다음과 같다. 첫째, 실생활에서 경험적으로 검증할 수 있는 관련성과 일관성 있는 진행이 이루어지고 있는지에 관한 내용으로, 공간, 시간, 물리적 속성 등 내재된 구성 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 12> 실생활 경험학습 관련 내용분석

둘째, 지식의 개념적 이해와 논리적으로 연계와 위계를 유지할 수 있도록 한 계열화에 대한 내용으로, 부류 관계, 명제 관계, 정교화, 논리적 선행요건 등 내재된 구성 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 13> 개념적 이해와 계열 관련 내용분석

셋째, 수업 탐구의 과정과 경험이 체계적으로 이루어지고 있는지에 대한 내용으로, 수업 탐구의 논리성, 수업 탐구의 경험 등 내재된 구성을 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 14> 탐구 과정과 경험 관련 내용분석

넷째, 학습을 위한 선행적 준비와 선택이 잘 이루어졌는지에 대한 내용으로, 경험적 선행요건, 친숙성, 곤란성, 흥미, 내면화, 발달 등 내재된 구성을 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 15> 학습 선택 관련 내용분석

다섯째, 선행학습이나 선 개념에 대한 지식이나 기능을 어떻게 활용하고 환류가 진행되는 내용으로, 절차상의 순서, 예상 활용 빈도 등 내재된 구성을 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 16> 활용 및 환류 관련 내용분석

4.3 기능과 서술 분석

중학교 과학1, 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ의 빛과 파동 단원에서 기능과 서술에 대한 요소별 분석 결과를 목록에 따라 구성하여 제시하면 다음과 같다. 첫째, 문제인식으로, 교과서에서 제시하는 문제를 이해하는 수준과 학생이 스스로 탐구를 시작하거나 자료에서 문제를 인식하는 경우, 문제를 정의하는 단계, 문제를 인식하는 주체 등을 기능적 요소 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 17> 문제인식 기능과 서술 분석

둘째, 탐구 설계와 수행으로, 탐구 설계는 가설을 설정하고 연구 방법을 계획하는 단계이며, 탐구 수행은 탐구 방법에 따라 연구를 따라 하거나 직접 수행해 보는 단계이다. 이를 기능적 요소 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 18> 탐구 설계와 수행 기능과 서술 분석

셋째, 자료의 수집과 분석 및 해석으로, 검색을 통해 자료를 수집하는 활동, 자료 분석하고 해석, 설명하는 단계 등을 기능적 요소 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 19> 자료의 수집과 분석 및 해석 기능과 서술 분석

넷째, 수학적 사고와 컴퓨터 활용으로, 계산, 규칙성 발견, 표와 그래프를 나타내기 등에서 수학적 사고 활용, 컴퓨터 및 네트워크 활용 등을 기능적 요소 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 20> 수학적 사고와 컴퓨터 활용 기능과 서술 분석

다섯째, 모형의 개발과 사용으로, 모델이나 모형을 계획, 개발, 사용 등을 기능적 요소 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 21> 모형의 개발과 사용 기능과 서술 분석

여섯째, 증거에 기초한 토론과 논증으로, 증거나 준거를 이용한 토론 단계별 요소를 기능적 요소 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 22> 토론과 논증 기능과 서술 분석

일곱째, 결론 도출 및 평가로, 과학적 설명 만들기, 해결책 설계 및 평가 등의 내용을 기능적 요소 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 23> 결론 도출 및 평가 기능과 서술 분석

여덟째, 의사소통으로, 수집한 정보 또는 다양한 자료와 결과물에 대해 평가하고 소통하는 등의 내용을 기능적 요소 중심으로 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

<표 24> 의사소통 기능과 서술 분석

4.4 소결

이 장에서는 과학과 교육과정에서 제시한 내용 체계와 성취기준을 토대로, 교과서에 제시된 내용을 역량 중심으로 구조화하고 체계화하여 제시하였다. 학습자는 각 단원의 핵심 질문을 해결하는 과정에서 과학적 사고력, 문제 해결력, 탐구 능력 등을 키운다. 이때, 과학과 교육과정의 핵심역량과 연계된 교육과정이 이루어져야 하며, 추가적으로 최소 학업 성취수준의 진술문을 작성할 수 있어야 한다. 예를 들면, 과학과 교육과정 평가기준 중 고등학교 물리학Ⅰ의 ‘파동과 정보통신’ 단원에서 수행 활동과 판단 근거로, 교사의 현장 적합성 및 전문가의 타당성 검토를 통해 제시된 최소 학업 성취수준 진술문을 살펴보면 다음과 같다[44].

<표 25> 파동과 정보통신 학업 성취수준

따라서 학습자 참여 중심으로 학업 성취수준을 재구성하여, 각 단원의 개념적 이해와 내용 계열화가 이루어지도록 하고, 기능과 서술에 대한 요소들이 함께 구성될 수 있어야 한다. 이를 통해 학습자는 일반적 특성을 보다 효과적으로 학습할 수 있다. 또한, 전문교과인 고급물리학도 앞서 탐구 분석한 과학1, 물리학I, 물리학II과 연계되어 이해 중심의 역량적 탐구활동이 이루어질 수 있는 학습이 필요하다.

Ⅴ. 결론 및 제언

본 연구는 생성형 AI 시대에서 학생들이 필요로 하는 역량을 키울 수 있는 과학교육에서, 빛의 성질을 연구하고 이용하는 학문 분야인 광학에 대한 접근을 알아보고자 하였다. 이를 위해 빛의 입자와 파동에 대한 성질을 이해하는 교수-학습 및 교육 탐구 내용을 실제적 선행연구와 분석을 통해 살펴보고자 하였다.

본 연구는 연구 문제로부터 도출된 두 가지 측면에서 검토와 분석을 수행하였다. 첫째, 학문 지식 위주의 개념적 이해와 내용 계열화의 유형을 내용분석을 통해 검토하였다. 둘째, 요소별 구분에 따른 기능과 서술을 분석하였다. 본 연구의 중점적인 분석 대상은 2015 개정 과학과 교육과정에서 제시한 내용 체계와 성취기준을 중심으로 한다. 이에 따라 교육부에 의해 검정된 중학교 1학년 '과학' 교과서, 고등학교 '물리학Ⅰ' 교과서, '물리학Ⅱ' 교과서에서 빛의 입자와 파동 영역을 교수-학습 방법 및 이론을 근거로 수업 전개에 따른 내용을 구조화하고 분석하였다. 이를테면, '물리학Ⅰ'의 ‘파동과 정보 통신’ 단원에서는 파동의 물리량 사이의 관계를 다루고, 파동의 굴절 현상, 전반사, 간섭 등 파동의 여러 특성을 학습한다. '물리학Ⅱ'의 ‘파동과 물질의 성질’ 단원에서는 자연에서 발생하는 신호들이 전자기파를 통해 전달되는 과정을 설명하기 위해 전자기파의 다양한 성질을 이해하고, 교류회로에서 전자기파의 발생과 안테나에서의 수신, 간섭, 회절, 도플러 효과, 볼록 렌즈에서 상의 형성 등을 학습하여 전자기파의 활용에 대해 학습이 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다.

이에, 빛의 입자와 파동에 관한 내용을 학습하는 학생들의 이해를 제고할 수 있는 역량 중심 교수-학습 방법에 대한 방안을 구안하고자 분석 연구한 결과를 제시하면 다음과 같다.

첫째, 단원 분석 연구로 과학과 교육과정의 과학1, 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ의 빛과 파동 단원을 살펴보면, 과학1 ‘빛과 파동’ 단원에서는 물체에서 반사된 빛이 눈으로 들어올 때 물체를 보는 과정, 영상 장치에서 삼원색의 빛을 이용하여 다양한 색의 빛을 표현하는 방법, 여러 가지 거울과 렌즈에서 생기는 상의 특징을 관찰하고 파동의 종류를 횡파와 종파로 구분하며 소리의 특징을 진폭, 진동수, 파형으로 학습하고 있음을 확인할 수 있었다.

둘째, 과학1, 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ에서 빛과 파동 단원의 개념적 이해 및 내용 계열화가 이루어졌는지에 대해 정성적 내용분석을 하였다. 학교급별 과학과 교육과정과 교과서, 수업 지도안을 통해 실생활에서 경험학습이 이루어지고 일관성 있는 수업 전개를 확인할 수 있었으며, 논리적 연계를 통해 계열화가 이루어져 내용이 체계적으로 구성되고 있음을 확인할 수 있었다.

셋째, 기능과 서술 분석으로 과학1, 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ의 빛과 파동 단원에서 기능과 서술에 대한 요소별 분석을 하였다. 문제 인식 측면에서는 교과서에서 제시하는 문제를 이해하는 수준과 학생이 스스로 탐구를 시작하거나 자료에서 문제를 인식하는 경우, 오개념을 만들어낼 가능성이 없도록 탐구와 토의 활동을 통해 문제 인식을 유도할 수 있는 세심한 과정이 요구됨을 확인할 수 있었다.

본 연구의 이론적 배경으로 학교교육은 ‘OECD 교육 2030: 미래교육과 역량 프로젝트’의 방향 설정과 혁신을 통해 의도된 교육과정이 효과적으로 실행되고 교수-학습 활동이 이루어질 수 있는 교수자와 학습자의 역량과 특성에 대하여 탐색하였다. 이를 OECD 교육 2030 프로젝트의 학습프레임워크를 통해 살펴보고, 과학교육과정에서 빛의 입자와 파동 단원과 관련된 선행연구 분석을 통해 확인하였다. 이를테면, 빛의 입자와 파동 영역은 학습자가 어려워하기도 하지만 다양한 오개념이 나올 수 있는 단원이기에 세심한 교수-학습 준비가 필요함을 인식할 수 있었다. 또한 학습자뿐만 아니라 교수자, 비전공자 등에서도 자칫 빛과 파동에 대한 올바르지 않은 과학적 오개념이 나올 수 있으며, 국내외 연구에서 유사한 혼선된 결과를 찾아볼 수 있음을 알게 되었다.

따라서 생성형 AI의 적용과 응용이 이루어지고 있는 과학교육에서는, 그 핵심역량인 과학적 탐구 능력, 과학적 사고력, 과학적 의사소통 능력, 과학적 문제 해결력, 과학적 참여와 평생 학습 능력 등과 연계된 교육과정에서 더욱 정교한 교수 설계가 필요하다. 학습자는 단원의 핵심 질문을 해결하는 과정을 통해 과학적 사고력과 과학적 문제 해결력을 키우고, 탐구 과정을 통해 과학적 탐구 능력과 과학적 사고력을 향상시킨다. 또한, 프로젝트 활동과 같은 조사를 통해 과학적 문제 해결력을 기른다. 이 과정에서 역량 중심 교과교육의 의미를 확인하고, 빛과 파동 단원의 개념적 위계를 정리할 수 있어야 한다.

학교교육은 수업 탐구의 논리성과 경험학습 등 내재된 속성을 중심으로 경험적 선행과 흥미로 이어질 수 있으며, 개념적 지식과 기능이 어떻게 활용되고 환류가 이루어지는지에 대한 절차를 확인할 수 있다. 교과교육에서 교수자는 학습자가 탐구활동을 통해 학습 내용을 심층적으로 이해할 수 있도록, 학습자 개개인의 인지 수준에 맞추어 교수전략을 설계해야 하며, 과학교육의 특색을 반영하고 역량 중심의 학습 활동을 재구성하려는 접근이 필요하다.

연구 결과, 탐구 설계와 수행, 자료의 수집과 분석 및 해석, 수학적 사고와 컴퓨터 활용, 증거에 기초한 토론과 논증, 결론 도출 및 평가, 의사소통 등에서 기능과 서술이 전반적으로 잘 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 학습 전개가 모형 개발로 이어질 수 있도록 세심한 기능적 교수 설계가 필요함도 확인되었다. 나아가, 학교교육이 교수-학습 과정에서 이론과 모형 학습을 통해 사실적 개념학습보다는 생성형 AI 응용과 함께 토론과 실습 등을 통해 단계적으로 전이가 가능한 탐구학습과 실험이 이루어지는 역량 중심 교과교육으로 발전하기를 기대한다.