School Science Education and Quantum Physics

Nam-Hwa KANG, Tae-Gyoung LEE and Andreas WOITZIK

Interest in quantum physics among the general public has been increasing along with various practical applications such as quantum computing, quantum cryptography, and quantum sensing, as well as their economic expansion. This close relationship with everyday life highlights the necessity for non-specialists to understand basic concepts of quantum physics, not only for physicists and related fields. Since 2000, there has been a noticeable movement in international physics education journals to include quantum physics in high school curricula, and recent papers suggest some agreement on core concepts that can be covered at the high school level across various countries. In this article, the basic concepts of quantum physics covered in high school physics education in Korea and abroad are reviewed, and suggestions are made for future topics that should be addressed in physics education research.

들어가며

양자물리는 미시세계에 대한 이해의 기초를 제공하며 현대 과학기술에서 다루는 많은 현상에 대한 설명을 제공한다. 양자물리에 관한 일반인들의 관심은 양자컴퓨터, 양자통신(암호화), 양자센서(초정밀 기술)와 같은 다양한 실생활 응용과 그 경제성의 확장과 함께 증가하고 있다. 이와 같은 일상과의 밀접한 관련성은 물리 및 관련 분야 전공자가 아닌 일반인도 기초적인 개념의 이해를 해야 한다는 필요성을 제기한다.

2000년도부터 물리교육과 관련된 국제 학술지에서 고등학교 물리 교육과정에 양자물리와 관련된 내용을 포함하려는 움직임이 두드러지기 시작했고, 최근 논문에 따르면 여러 나라의 교육과정에 기초 양자물리 관련 개념이 공통적으로 반영이 되었다는 점에서 어느 정도 고등학교 수준에서 다룰 수 있는 양자물리 내용에 대한 동의를 확인할 수 있다.1)2) 우리나라의 학교 교육과정에서도 양자물리 관련 기초 개념은 1990년대 말부터 일부 포함되어 왔고, 최근 확정된 2022 개정 교육과정에는 그 내용이 직전 교육과정에 비해 다소 확대되었다.

이러한 배경에서 이 글에서는 국내외의 고등학교 물리 교육과정에서 다루고 있는 양자물리의 기초 개념들을 검토하고, 우리나라의 교육과정에서 다루는 개념과 함께 앞으로 물리교육 연구에서 다루어야 할 주제를 제안하고자 한다.

서 론

우리나라에서 1997년 개정되어 2007년까지 10년 이상 운영된 제7차 교육과정에서 다룬 양자물리 관련 기초 개념으로는 광전효과, 빛의 이중성, 물질파(이상 물리Ⅰ), 보어의 원자 모형, 원자 내 불연속 에너지 준위(이상 물리Ⅱ)가 있다. 이후, 2007 개정 교육과정에서는 물리Ⅱ에서만 양자물리 기초 개념인 광전효과, 빛과 물질의 이중성, 보어의 원자모형을 다루면서 개념적 요소는 축소가 된 반면, “원자모형이 양자역학에 의하여 수정되고 발전되어 왔음을 안다”라는 내용을 포함하면서 양자역학을 중심으로 과학지식 발전에 대한 이해를 교육과정 내용에 포함하는 변화를 보였다.

2009 개정 교육과정에서는 개념적 이해보다는 첨단기술 응용에 관한 이해에 초점을 두는 변화를 보였다. 직전 교육과정의 물리Ⅰ에 없어졌던 광전효과를 물리Ⅰ에 다시 포함시키면서 광센서와 연계하여 제시하고, 플랑크의 양자설, 광전효과, 컴프턴 산란, 물질파, 데이비슨-저머 실험, 불확정성 원리, 슈뢰딩거 방정식, 전자의 확률분포, 양자터널, 주사터널현미경(scanning tunneling microscope, STM)을 물리Ⅱ에 포함시켜 양자물리 개념이 대폭 포함이 되는 큰 변화가 있었다.

해외 문헌에서 발표된 고등학교 물리 교육과정에 포함된 양자에 관한 연구로는 1999년 발간된 논문에서 제시한 영국의 사례를 찾을 수 있다.3)4) 이 논문에서는 영국에서 당시 이공계 진학을 계획하는 학생들이 2년간 필수로 이수하는 물리 심화 과정에 광전효과, 광자, 원자의 전자구조, 파동-입자 이중성을 다루었다고 한다. 같은 시기 우리나라의 7차 교육과정과 비교할 때 그 내용이 크게 다르지 않았다.

고등학교 물리 교육과정의 양자물리 개념에 대한 논의 전에 간단히 일반물리에서 소개하는 내용에 대해 검토하는 것이 참고가 될 것이다. 물리 전공자들을 대상으로 사용하는 대표적인 일반물리 교재에 따르면 광자, 광전효과, 빛의 이중성, 물질파, 슈뢰딩거 방정식, 불확정성의 원리, 양자터널링, STM이 확인이 된다.5) 이러한 내용은 2009 개정 교육과정의 물리 내용과 큰 차이를 보이지 않음을 확인할 수 있다.

해외 고등학교 물리 교육과정의 양자물리 내용

전술했듯이 고등학교 물리 교육과정에 양자물리 기초 개념을 도입하는 문제에 관한 논의와 관련된 연구는 2000년 이후 활발히 나타났다. 이러한 논의는 양자물리의 태동지라 할 수 있는 서유럽에서 활발히 이루어졌다. 호주와 캐나다와 함께 다수의 서유럽 국가의 고등학교 교육과정에 포함된 양자물리 기초 개념을 조사한 최근 논문에 따르면 총 17개의 주제가 다루어지는 것으로 파악되었다.6) 이들 17개의 주제 중 가장 최대 주제를 다루는 나라는 스웨덴과 독일의 일부 주로 두 개의 물리 교과에서 총 12개의 주제를 다루었다. 최소 주제를 다루는 나라는 덴마크로 1개의 물리 교과목에서 2개의 주제가 다루어지는 것으로 밝혀졌다. 결국, 덴마크에서 다루는 ‘선스펙트럼으로 드러나는 불연속적인 에너지 준위’와 ‘입자-파동 이중성’이 조사된 15개국이 모두 다루는 주제로 드러났다. 이 두 주제 외에 절반 이상(8개국)의 나라에서 다루는 주제로는 ‘빛과 물질의 상호작용(e.g., 광전효과)’, ‘물질파(수식 포함)’, ‘기술적 응용’, ‘불확정성 원리’, ‘확률적 예측’으로 나타났다.

개념적 주제 이외에도 양자물리와 관련된 과학지식의 특성에 관한 이해를 목표로 하는 6가지의 교육과정 내용도 파악이 되었다. 과학의 본성으로 구분된 이러한 학습 내용으로는 가설과 실험과 같은 탐구 방법, 양자물리에서 모델의 역할, 양자물리학 지식의 잠정성, 양자물리에서의 창의성, 양자물리에서의 논쟁, 양자물리의 역사로 구분이 되었다. 이러한 내용에 관해서는 대부분의 교육과정이 4~6개를 다루는 것으로 드러나서 양자물리와 관련된 교육과정은 개념뿐만 아니라 관련된 지식의 성격과 역사 등이 함께 다루어지는 것으로 드러났다.

이공계 진학을 염두에 둔 학생들을 대상으로 하는 물리교과에서 다루는 양자물리 기초개념조사 이외에 양자물리가 일상에서 많이 활용이 됨에 따라서 일반인의 소양 수준에서 다루어야 할 양자물리 기초 개념에 대한 전문가 의견을 조사한 연구도 있다.7) 네덜란드의 8개 대학의 양자물리 관련 영역의 전문가를 대상으로 델파이 방법과 면담을 활용한 의견수렴 과정을 통해 다음 3가지 주제의 필수 학습 내용이 도출되었다.

1. 파동-입자 이중성(빛의 입자성, 물질파, 불확정성 원리, 이중 슬릿 실험, 광전효과)
2. 파동함수(확률 함수, 1차원 우물)
3. 원자(에너지 준위, 양자화, 원자구조, 선스펙트럼, 수소원자와 주기율표)

이 연구 결과는 해당 주제를 어느 정도의 깊이로 다루어야 하는가에 대한 것은 알려주지 않는다. 마찬가지로, 고등학생들이 이해할 수 있도록 어떻게 가르칠 것인가에 대해서도 아직은 많은 연구가 되어 있지는 않다. 그러나, 최첨단에서 양자물리를 다루는 전문가들이 양자기술이 일상으로 확장됨에 따라 위와 같은 내용을 일반 시민이 이해해야 하는 주제로 제안했다는 점에서 주목할 필요가 있다. 또한, 이들 주제가 앞서 정리한 해외 물리 교육과정에서 다루는 내용에 비해 결코 적지 않다는 것도 주목할 만하다.

우리나라와 독일의 고등학교 물리 교과의 양자물리 내용

앞서 소개한 서유럽 중심 교육과정 비교 연구에서 연방국가인 독일의 경우는 7개 주 정부 교육과정이 분석되었다. 분석에 포함된 교육과정은 1998년부터 2017년까지 그 개정 시기가 다양한 교육과정인데 분석에서 도출된 17개 주제 중에서 4개의 주가 12개 주제를 다루고, 한 개의 주가 7개, 나머지 한 개의 주가 5개를 다루는 것으로 드러났다. 한편, 양자물리학의 본성에 관한 내용은 5개 또는 6개 주제를 다루어 대부분이 강조하는 것으로 드러나서 독일이 대체로 서유럽의 다른 나라에 비해 상대적으로 양자물리의 내용과 관련 철학적 논의도 많이 다루는 것으로 나타났다. 또한, 독일의 일부 주 교육과정에서는 중학교 과학 교육과정에 양자물리학이 포함되어 있다는 점도 참고할 만하다. 공통 교육과정에 입자-파동 이중성에 관한 내용이 반영되어 있어, 물리 과목을 선택하지 않는 학생들도 양자물리에 관한 기초 소양을 쌓도록 교육과정이 구성되어 있다는 특징이 있다.

우리 연구팀에서는 최근 우리나라와 교육과정 개정 시기가 거의 일치한 독일 남부에 위치한 Baden-Württemberg주 교육과정(이하 독일 교육과정)과 우리나라 2022 개정 교육과정의 물리 내용을 앞서 소개한 논문의 기초 내용 17개 주제에 관해 포함 여부를 비교하였다.

우리나라와 독일 모두 물리 교과는 선택교과이다. 우리나라 2022 개정 교육과정의 경우 고등학교 물리 교과는 물리, 역학과 에너지, 전자기와 양자, 고급물리학, 물리학실험의 5개 과목으로 구성이 되어 있고, 각각 주 50분씩 4차시, 16주 이수를 기본으로 한다. 이 중 역학과 에너지, 전자기와 양자, 고급물리학, 물리학실험은 이공계 진로를 염두에 둔 학생들을 위한 선택 과목이다. 독일의 경우 물리 교과는 전공 교과와 부전공 교과로 구분되어 있고, 각각 2년간 이수하되, 부전공의 경우 주 3차시로 전공 교과의 경우 주 5차시로 이수하게 되어 있다.

양자물리 내용이 포함된 교과로 우리나라는 물리, 전자기와 양자, 고급물리학이고, 고급물리학이 다른 교과에서 다루는 양자물리 내용을 거의 포함하는 것으로 드러났다. 독일의 경우에도 전공으로 선택되는 물리 교과의 양자물리 내용은 부전공 물리 교과에 포함된 모든 내용을 포함한다.

학생이 양국에서 물리 교과를 최대로 이수한다는 것을 가정하여 비교하면, 우리나라와 독일의 물리 교육과정에서 공통으로 다루는 양자물리 주제는 다음 8개의 주제이다.

1. 보어 원자 모델
2. 불연속 에너지 준위(선스펙트럼)
3. 빛과 물질의 상호작용
4. 파동-입자 이중성 또는 상보성
5. 물질파(수식 포함)
6. 불확정성 원리
7. 확률적 예측
8. 1차원 모델 또는 우물

우리나라의 첫 선택 과목인 물리 교과의 경우 이 8개 주제 중에서 두 개(불연속 에너지 준위, 이중성)의 주제를 다루는데, 독일의 부전공 교과에서는 6개를 다루고 있다.

특히 눈에 띄는 차이는 우리나라의 첨단기술 응용과의 연계 부분이다. 가령, 우리나라 물리 교과의 성취기준에서 이중성에 관한 진술과 독일의 이중성에 관한 진술의 차이는 다음과 같다. <

1. 빛과 물질의 이중성이 전자 현미경과 영상 정보 저장 등 다양한 분야에 활용됨을 설명할 수 있다. (한국 물리 교과 교육과정)
2. 학생들은 이중 슬릿 실험을 예로 활용하여 양자물체가 항상 파동과 입자의 성질을 갖고, 각각이 독립적으로 관찰이 된다는 것을 서술할 수 있다.... (상보성) (독일 교육과정)

이같이 우리나라는 양자물리 관련 개념이 첨단기술과 연계해서 학습할 것을 요구하는 형태로 성취기준이 진술되어 있다. 반면 독일은 대부분의 내용 진술은 기술적 응용과 분리되어 제시되었다. 그러나, 다음과 같은 별도의 진술을 통해 양자물리의 새로운 관점에 대한 이해를 상당히 많은 항목으로 요구한다는 점에서 우리나라와 큰 차이를 보이고 있다.

“학생들은 고전 물리학의 결정론이 어떻게 (개별 양자 물체의 간섭) 양자 물체에서 확률 진술로 대체되는지 설명할 수 있다.
학생들은 고전 물리에서 공간적으로 분리된 물체로 이루어진 계에서 각 물체가 측정 가능한 서로 독립된 성질을 갖는다는 것을 설명할 수 있다. 그리고 이것이 양자 물체에서는 성립되지 않음을 설명할 수 있다. (예, 얽힌 광자에서 국소성[locality])”

이와 같은 교육과정에서의 공통점과 차이점이 실제 교실에서는 어떤 식으로 드러나는지가 더욱 중요한 주제일 것이다. 특히 양자물리의 일부 내용들은 교사들에게도 생소할 수 있으므로 교사의 전문성 개발도 요구된다. 또한, 실제 고등학교 학생들이 해당 내용을 얼마나 잘 이해하는지도 중요한 연구 주제이다.

맺음말

고등학교에 도입된 양자물리 개념들은 수학적 내용을 되도록 피하고 정성적으로 도입이 되었다. 현재 우리나라 고등학교의 양자물리 내용은 일반물리 수준에서 다루는 내용의 일부 또는 전부를 최소한의 수학으로 다루는 수준에 불과한 것으로 보인다. 독일을 포함한 유럽 교육과정에서 양자물리를 단지 관련 내용의 이해를 넘어 물리 지식의 성격이나 패러다임의 전환을 이해하는 기회로 활용한다는 점은 우리나라 교육과정에 많은 시사점을 준다. 특히, 2022 개정 교육과정의 물리 교과가 이공계 진로를 생각하지 않는 학생들도 이수하는 교과라는 점을 주목할 때, 이러한 20세기 물리 지식의 발달에 관한 철학적, 역사적 논의와 그것이 21세기 지금 일상에서 활용하는 기술에 적용되는 점들을 다양하게 다루는 것이 물리에 대한 일반인들의 인식을 높이는 좋을 기회가 될 수 있을 것이다.

교육과정은 교과서와 교사에 의해 구체화되고 학생들의 학습을 통해 실현된다. 앞으로의 연구에서는 이러한 교육과정의 차이가 교과서와 교실에서 어떻게 실현이 되고, 학생들은 얼마나 학습하는지 비교, 분석함으로써 각국의 양자물리 내용을 다루는 양상을 명확히 이해하고, 보다 나은 교육적 접근법에 대한 논의의 장을 마련할 필요가 있다. 또한 최신의 양자 기술과 관련 개념들에 물리 교사들이 친숙할 수 있도록 하는 교사 전문성 개발 자료와 학생 학습 연구에 근거한 교수법에 관한 연구도 시급한 시점이다.