[논문 리뷰] Improving Student Understanding of Magnetism

Chandralekha Singh|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 06.

Science Education and Pedagogy참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 미적분 기반 물리 수업에서 학생들이 자기장 분야에서 지속적인 오개념을 가지는 이유를 서면 평가, 다중 선택형 시험, 강의-실험 인터뷰를 통해 조사한다. 연구 결과, 학생들은 자기장과 자기력의 3차원 벡터 성격을 이해하는 데 어려움을 겪으며, 특히 예측과 실제 실험 결과를 조율할 때 어려움을 겪고 있으며, 직관적 사고가 이론적 이해를 압도하는 경향이 있음을 밝혀냈다. 특히 실험적 맥락에서는 이러한 경향이 두드러진다.

ABSTRACT

Formally investigating the sources of students' difficulties around specific subjects is crucial for developing appropriate strategies to help students. We have been studying difficulties in understanding magnetism encountered by students in the calculus-based introductory physics courses. A majority of these students are engineering majors. Student difficulties were assessed by administering written free-response questions and by developing and administering a research-based multiple-choice test to students. We also conducted individual interviews with a subset of students. Some of these interviews were lecture-demonstration based interviews in which students were asked to predict the outcomes of experiments, perform the experiments and reconcile the differences between their predictions and observations. Some of the common misconceptions found in magnetism are analogous to those found in electrostatics. Some additional difficulties are due to the non-intuitive three dimensional nature of the relation between magnetic field, magnetic force and velocity of the charged particles or direction of current. Another finding is that students often used their gut feeling and had more difficulty reconciling with the idea that the magnetic force and field are perpendicular to each other when they were shown actual lecture-demonstration setups and asked to predict outcomes of experiments than when they were asked to explain relation between magnetic force and field theoretically solely based upon an equation. We discuss the implications of this research to teaching and learning.

연구 동기 및 목표

• 미적분 기반의 초급 물리 수업에서 학생들이 자기장 분야에서 지속적으로 가지는 오개념을 특정하고 분석하는 것.
• 학생들의 직관적 사고가 자기력, 자기장, 속도 간의 수직 관계를 이해하는 데 어떻게 방해가 되는지 조사하는 것.
• 이론적 문제 해결과 물리 실험의 결과 예측 간 학생 성과의 차이를 탐색하는 것.
• 강의-실험 기반 인터뷰가 오개념을 드러내고 수정하는 데 얼마나 효과적인지 평가하는 것.
• 학생의 어려움에 대한 실증적 연구를 바탕으로 자기장 교육을 향상시키기 위한 지침을 마련하는 것.

제안 방법

• 학생들의 자기장 개념적 이해 수준을 평가하기 위해 서면 자유 기반 질문을 시행하였다.
• 연구 기반 다중 선택형 시험을 개발하고 시행하여 대규모 학생 집단에서 오개념의 정도를 정량화하였다.
• 학생의 일부 집단을 대상으로 인터뷰를 실시하였으며, 이 중에는 학생들이 예측, 관찰, 실험 결과의 조율을 수행하는 강의-실험 기반 세션을 포함하였다.
• 학생들의 응답과 인터뷰 녹취록을 분석하여 오개념과 추론 오류의 패턴을 식별하였다.
• 이론적 문제 해결 성과와 실험 예측 과제 성과를 비교하여 직관과 경험 기반 학습의 역할을 평가하였다.
• 정량적 평가와 정성적 인터뷰 데이터를 결합하여 학생의 어려움에 대한 결과를 다각도로 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초급 물리 수업에서 학생들이 자기장과 자기력에 관해 가진 가장 일반적인 오개념은 무엇인가요?
• RQ2 이론적 추론과 실물 실험 시연 간에 학생들이 자기력 결과를 예측하는 방식은 어떻게 다릅니까?
• RQ3 직관적 사고가 자기장에서의 예측과 실제 실험 결과를 조율하는 데 얼마나 학생의 능력을 저해합니까?
• RQ4 자기장, 자기력, 속도 간의 3차원 벡터 관계가 학생들의 오개념을 어떻게 유도합니까?
• RQ5 왜 학생들은 수식 기반 문제를 푸는 것보다 실제 실험 시연을 관찰할 때 자기력과 자기장의 수직성 이해에 더 어려움을 겪는가요?

주요 결과

• 미적분 기반 물리 수업을 수강하는 공과대학생의 다수는 정전기학에서의 오개념과 유사한 오개념을 가지고 있다.
• 학생들은 자기장, 자기력, 입자 속도의 3차원 벡터 성격을 이해하는 데 자주 어려움을 겪으며, 이로 인해 지속적인 개념적 오류가 발생한다.
• 특히 결과가 기대와 다를 경우, 학생들은 물리 실험 결과를 예측할 때 직관과 감각에 더 의존하는 경향이 있다.
• 이론적 문제를 푸는 것보다 실험 시연에서 예측과 관찰을 조율하는 데 학생들이 더 큰 어려움을 겪는다.
• 학생들이 이론 수업을 수강한 후에도 실제 실험 장치를 다룰 때 자기력, 자기장, 속도 간의 수직 관계를 이해하는 데 특히 어려움을 겪는다.
• 실제 세계의 시연을 만날수록 오개념이 더 뿌리내리게 되며, 이는 실천적 맥락에서 직관적 사고가 공식 지식을 압도할 수 있음을 시사한다.