보편성(Universality)을 중심으로

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 사범대학 과학교육과(물리전공), 2019. 2. 이경호.과학은 다양한 측면에서 정의된다. 예를 들어, 과학 지식의 형성 측면에서 과학은 보편적 진리나 법칙을 발견하는 것을 목적으로 한 체계적 지식이라고 정의할 수 있다. 따라서 보편적인 것이 과학 지식의 형성 과정에서 구체적으로 어떻게 고려되며, 어떠한 방식으로 드러나는지를 살펴보는 것은 과학의 본성을 이해하는데 중요한 일이라고 본다. 한편, 과학교육에서는 과학의 본성에 대한 교육을 오래 전부터 강조하고 있다. 그러나 과학교육 연구에서 과학의 보편성은 무엇이며, 이러한 보편성을 어떻게 가르쳐야 하는지에 관한 연구는 찾아보기 어렵다. 이에 본 연구는 우선, 과학의 보편성이란 무엇인지에 관하여 알아보고자 하였다. 특히 과학의 여러 분야 중 보편적 지식을 추구하는 대표적 학문인 물리학에서 보편성의 구체적인 특징을 찾고자 하였다. 그리고 물리학의 보편성에 대한 물리 교사들의 인식을 살펴보고, 이를 통해 물리교육적 함의를 탐색하고자 하였다. 연구의 진행 과정과 결과는 다음과 같다. 먼저 물리학의 보편성의 구체적인 특징을 아인슈타인의 일반 상대성이론 논문에서 찾고자 하였다. 그 이유는 아인슈타인은 자연 법칙이 보편적이라고 확신을 가졌던 대표적인 물리학자이며, 보편성의 추구과정을 통하여 일반 상대성이론을 발전시켰기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 아인슈타인의 일반 상대성이론 논문을 통해서 아인슈타인이 추구했던 보편성의 특징을 발견하고자 하였다. 한편, 아인슈타인은 상대성이론 뿐 아니라 양자 역학에도 가장 근본적인 아이디어를 제시한 물리학자이다. 그래서 본 연구에서는 아인슈타인의 일반 및 특수 상대성이론 논문과 더불어 광전 효과 논문에서 나타나는 보편성의 특징도 함께 찾아보았다. 아인슈타인의 논문에서 드러나는 보편성의 특징을 질적 내용 분석방법을 사용하여 보편성 추구의 시작, 보편성의 내용과 보편성 추구의 방식, 세 측면에서 살펴보았다. 먼저 일반 상대성이론 논문을 분석하고, 이 결과를 바탕으로 특수 상대성이론 논문과 광전 효과 논문을 분석하였다. 연구 결과 세 논문에서 보편성의 특징이 공통적으로 드러났으며, 그 특징은 다음과 같았다. 첫째, 보편성의 추구는 기존 물리지식의 결함이나 모순에서 오는 불편함으로 인해 시작되었음이 드러났다. 둘째, 보편성의 내용으로 좌표계와 무관한 물리법칙, 좌표계에 무관한 불변량, 적용 대상과 무관한 물리법칙 등이 드러났다. 셋째, 보편성을 추구하는 방식은 다음의 특징이 있는 것으로 나타났다. 우선, 기존 물리지식이 가지는 결함을 구체적으로 지적하고, 기존 물리지식 중에서 보편적으로 존중받아야 할 것은 수용하였으며, 새로운 주장은 누구나 자연스럽게 받아들일만한 보편적인 주장이 되도록 하였다. 다음으로 현직 물리 교사 10명을 대상으로 물리학의 보편성에 대한 인식을 알아보았다. 이를 위해 물리학의 보편성의 특징, 물리학과 특수 및 일반 상대성이론 발전 과정에서 보편성 추구의 역할, 그리고 고등학교 물리교수학습에서 보편성의 추구 과정과 내용의 지도 필요성에 대해 설문하였다. 교사 대부분은 적용 대상과 무관한 물리법칙에 해당되는 내용을 물리학의 보편성으로 인식하고 있었다. 한편, 보편성을 사람의 이해와 관련하여 인식하는 교사도 있었다. 그리고 보편성의 추구가 물리학의 발전 과정에서 중요한 역할을 한다고 인식한 교사가 많았다. 이와 같은 응답의 이유로 그들은 적용 대상과 무관한 물리법칙에 해당되는 내용을 주로 언급하였다. 이러한 인식을 갖고 있는 교사들은 모두 고등학교 물리교수학습에서도 보편성의 추구 과정과 그 내용을 지도해야 한다고 보았다. 또한 특수 및 일반 상대성이론의 발전 과정에서도 보편성의 추구가 중요한 역할을 했다고 인식한 교사들이 많았다. 그러나 이들의 응답 내용과 아인슈타인의 논문에서 드러난 보편성의 특징을 비교해보면 보편성의 역할에 대한 교사들의 인식은 부분적이었다. 요약하면, 본 연구에서는 아인슈타인의 논문에서 드러난 보편성의 구체적인 특징을 찾을 수 있었다. 특히 상대성이론의 형성에 있어 보편성의 추구가 중요한 역할을 했다는 것을 알 수 있었다. 그리고 물리학의 보편성에 대한 물리 교사들의 이해를 돕기 위한 여러 가지 방안들(예를 들어, 보편성의 추구 과정과 내용을 바탕으로 한 상대성이론에 대한 교사 교육과 교재 및 교과서 개발)이 필요함을 확인하였다.Science is defined in a variety of aspects. For instance, it can be defined as systematic knowledge based on the purpose of discovering universal truth or laws from the perspective of formation of scientific knowledge. Therefore, it is considered important to explore how specifically something universal is considered in the process of formation of scientific knowledge and how it is exposed to understand the nature of science. Since a long time ago, science education has emphasized on teaching the nature of science. But it is difficult to find research on what the universality of science means in the study of science education and how such universality should be taught. In this regard, this research tried to investigate the meaning of universality in science. In particular, this research aimed to explore the characteristics of universality in detail from the typical study that pursues universal knowledge in physics. In addition, this research tried to examine physics teachers understanding of the universality of physics and to explore the implications for physics education. The process and results of this research are as follows: First, this research tried to find the specific characteristics of universality in physics from the research paper on the general theory of relativity by Albert Einstein. We focused on Einsteins works since Einstein is a representative physicist who had confidence that the law of nature was universal, and he developed the general theory of relativity through the process of pursuing universality. Therefore, this research tried to discover the characteristics of universality, which were pursued by Einstein, through his research paper on the general theory of relativity. Einstein is the physicist who presented the most basic idea for not only the theory of relativity but also quantum mechanics. As such, this research looked for the characteristics of universality in Einsteins research papers on the general and special theories of relativity as well as the research paper on photoelectric effect. Using the qualitative content analysis method, the characteristics of universality shown in Einsteins research papers were investigated in three aspects: the beginning of the pursuit of universality, the content of universality, and the method of pursuing universality. The research paper on the general theory of relativity was first analyzed. Based on these results, the research papers of the special theory of relativity and photoelectric effect were analyzed. As the results, the three research papers showed common characteristics of universality as follows: First, it was revealed that the pursuit of universality was started due to inconvenience caused by defects or contradiction of the existing physics knowledge. Second, as for the content of universality, frame-independent laws of physics, frame-independent physical quantities(invariants), and object-independent laws of physics were identified. Third, in the method of pursuing universality, the following characteristics were discovered: defects of the existing physics knowledge were pointed out in detail, existing physics knowledge that needed to be regarded as universal was accepted, and new arguments were developed universal that everyone would naturally accept. Second, 10 current physics teachers were recruited to investigate their understanding of physics universality. They were surveyed on the characteristics of physics universality, the role of the pursuit of universality in the development process of physics and the special and general theories of relativity, and the necessity of teaching the process and content of pursuing universality for teaching and learning physics in high school. As a result, most teachers recognized the laws of physics irrelevant to the object of application as physics universality. Some teachers, however, recognized universality by relating it to understanding humans. Many teachers considered the pursuit of universality an important role in the development process of physics. For this reason, the content applied to the laws of physics, irrelevant to the object of application, was mentioned most. All the teachers who had such understanding thought that it was required to include the process and content of the pursuit of universality in teaching and learning of physics in high school. Moreover, many teachers thought that the pursuit of universality played a crucial role in the development process of the special and general theories of relativity. Comparing the responses and the characteristics of universality shown in Einsteins research papers, however, the role of universality was partially recognized by the teachers. In summary, this research was able to identify the specific characteristics of universality shown in Einsteins research papers. In particular, it was revealed that the pursuit of universality had an important role in forming the theories of relativity. Furthermore, this research revealed that it was required to develop various measures to help physics teachers understand physics universality. For instance, developing teacher education program and developing teaching materials and textbooks on the theory of relativity based on the process and content of pursuing universality.Ⅰ. 서 론 1 1. 연구의 배경 및 목적 1 2. 연구 문제 4 Ⅱ. 이론적 배경 6 1. 과학의 보편성 6 2. 물리학 분야에서 아인슈타인의 주요 업적 9 3. 과학의 보편성과 과학교육 13 Ⅲ. 아인슈타인 논문에서 드러난 보편성의 특징 15 1. 연구 방법 15 2. 연구 결과 19 2.1 일반 상대성이론 논문에서 드러난 보편성 19 2.2 특수 상대성이론 논문에서 드러난 보편성 30 2.3 광전 효과 논문에서 드러난 보편성 38 3. 요약 47 Ⅳ. 물리학의 보편성에 대한 물리 교사들의 인식 49 1. 연구 방법 49 2. 연구 결과 53 3. 요약 71 Ⅴ. 결론 및 논의 73 1. 요약 및 결론 73 2. 논의 및 제언 78 참고문헌 80 부 록 87 Abstract 92Maste