Course Curriculum and Selection of National Team of Korea Physics Olympiad

Dong-ryul JEON

The Korea Physics Olympiad committee offers calculus-based on-line physics lecture course for high school students who are interested in becoming a national team member, and also algebra-based course for general middle and high school students who are interested in learning college level physics. Based on the average exam score from two-semesters of on-line lecture, about 80 students are invited to the camp for 8 days in January. At the end of the camp, students take a theory exam from which 10 candidates are selected, and then final five students to participate in the international olympiad are selected with theory and experiment exams of the same format as the international olympiad. The national team members practice solving theory and experiment problems from previous international olympiads on Saturdays and 3 full weeks before the international olympiad.

물리올림피아드 온라인 강의

물리올림피아드는 물리에 특별한 재능이 있는 학생들이 겨루는 대회지만, 올림피아드의 가장 중요한 목표는 교육과 대회를 통해 많은 학생에게 물리 공부의 동기를 부여하는 것이다. 그러므로 물리올림피아드를 국제 대회의 성과로 평가하면 수월성이 강조되지만, 올림피아드는 보편적 교육 목표를 가지고 있다.

국제 물리올림피아드의 문제가 대학 일반물리 수준에서 출제되므로 국내 올림피아드의 교육은 국제 대회의 교수요목에 맞추어 이루어진다. 선행학습 능력을 가진 모든 학생이 우수한 과학자로 성장하지는 않겠지만, 그런 능력을 가진 학생을 가려내는 수월성 교육은 개인과 국가를 위해서 필요하다. 미국은 고등학생을 위한 대학 과목 선이수 제도(Advanced Placement, AP), 유럽은 국제 바칼로레아(International Baccalaureate, IB) 제도를 시행하여 우수한 고등학생들이 대학 과목을 미리 공부할 수 있게 한다. 한국에서도 AP 제도를 국내에 도입하려는 시도가 있었지만, 사교육을 조장한다는 이유로 결국 무산되었다. 이 때문에 한국에서는 대학 일반물리가 과학 고등학교에만 개설되고 일반 고등학교에는 없다. 미국의 경우 AP 물리 1을 선택하는 고등학생이 해마다 140,000명 정도이고 이 중에서 45% 정도가 자격시험을 통과하는데, 한국의 경우 전국의 모든 과학고등학교 한 학년의 학생이 1000명 정도에 불과하니 한국의 인구 숫자를 고려하더라도 미국에 비해 너무나 적다. 물론, 한국의 일반 고등학교 학생 중에도 대학 일반 물리를 공부하고 싶은 학생들이 많지만, 학교에 과목이 개설되지 않으므로 이들이 갈 곳이 없다. 따라서 국내 올림피아드 교육은 과학 고등학교 학생을 위한 미적분을 사용하는 일반 물리와 AP 물리에 관심이 있는 일반 고등학교 학생을 위한 대수학을 사용하는 일반 물리로 구별하여 두 종류의 온라인 강좌를 개설하고 있다.

온라인 강의는 물리학회와 계약을 맺은 업체의 서버에 올려놓은 강의 비디오를 학생들이 보고 과제를 제출하는 방법으로 진행한다. 서버에 접속한 기록으로 출석을 인정하며, 강의 순서에 따라 과제물을 제출하는 기간이 정해져 있어서 학생은 정해진 일정에 따라 강의를 듣게 된다. 출석과 과제물 제출 점수는 최종 점수에 반영된다. 과제 문제를 학생이 직접 풀도록 독려하기 위해, 기말 시험의 첫 시간에는 과제 중에서 일부 문제를 골라 숫자를 바꿔서 출제하고 짧은 시간에 풀게 한다.

물리올림피아드 온라인 강의에 참가하는 학생

물리올림피아드 활동은 온라인 교육에서 시작한다. 중학생과 고등학생은 누구든지 온라인 강의에 간단한 절차로 지원할 수 있으며, 미적분 또는 대수학 기반 일반 물리를 자유롭게 선택할 수 있다. 온라인 강의 서버의 용량이 최근의 지원자 수를 충분히 감당할 수 있으므로 탈락하는 지원자는 없다. 그러나 온라인 강의가 끝난 뒤에는 모여서 공부하는 올림피아드 캠프가 있는데, 캠프의 참가 학생 수에는 제한이 있으므로 시험을 거쳐 선발하게 된다. 국제대회 대표는 캠프에서 시험을 거쳐 선발하기 때문에 국제대회의 교수요목에 맞는 미적분 기반의 일반 물리 강의를 들은 학생에게만 캠프 참가 자격을 주고, 대수학 기반의 일반 물리를 들은 학생에게는 수료증만 준다. 지금은 과학 고등학교 학생 모두, 적은 수의 일반 고등학교 학생, 그리고 몇 명의 중학생이 미적분 기반 일반 물리를 신청하며, 대부분의 일반 고등학교 학생은 대수학 기반 일반 물리를 신청한다.

표 1은 최근 5년 동안 물리올림피아드 온라인 교육에 참가한 학생의 숫자다. 2000년도 초에는 온라인 강의 없이 한 날 한 장소에서 치르는 경시대회 성격의 시험으로 캠프에 참가할 학생을 선발했는데, 1000명이 훨씬 넘는 학생이 시험에 참가했다. 그러나 올림피아드 대회에서 상을 받은 실적이 대학 입시에서 인정을 받지 못하게 된 2010년 정도부터 참가 학생의 수가 꾸준히 줄어들었다. 온라인 교육을 실시한 2013년에도 참가 학생이 약 1000명은 되었으나 2017년 850명, 2020년 463명으로 빠르게 줄었으며, 표 1에서 보듯 지난 3년 동안은 300여 명 수준에 머물고 있다. 많은 노력과 시간을 들여서 거둔 올림피아드의 좋은 성적이 대학 입시에 전혀 도움이 되지 않고 오히려 방해가 되는데도 불구하고, 올림피아드의 첫 단계에 참가하는 300명 정도가 한국 고등학교 물리 마니아들의 숫자가 아닐까 생각된다.

[Table 1] Number of students participating in the Korea physics Olympiad. The participants has decreased to half between 2019 and 2023.

참가 인원은 꾸준히 줄었지만 한국의 국제올림피아드 성적은 계속 높은 수준을 유지하고 있다. 따라서 올림피아드 첫 단계의 참여 학생 수와 국제대회 성적 사이의 상관관계는 분명하지 않다. 국제대회 대표로 선발되는 학생은 어차피 과학고의 상위 학생이므로, 전체 참가 인원이 줄어도 과학고의 상위 성적 학생들 때문에 국제대회 성적에는 큰 지장이 없다고 해석할 수 있다. 그러나 올림피아드가 국제대회 수상뿐 아니라 중고등학생들의 과학 진흥이라는 큰 목표를 가지고 있음을 상기하면, 국제대회 수상 실적만으로 올림피아드 사업을 평가할 수는 없다. 참가 인원이 적으면 과학 진흥을 기대하기 어려울 뿐 아니라, 저변이 없으면 대회에서 지속적 성과를 기대하기도 어렵기 때문이다.

최근 5년 동안 여학생의 비율은 변함없이 고등학생 전체의 11% 정도를 유지하고 있다. 중학생도 지난 5년 동안 해마다 5에서 10명 사이로 지원하고 있는데, 국제대회 대표로 선발된 중학생은 아직 없지만 이 학생들이 과학 고등학교에 진학하고 대표가 되어 국제대회에 나가 좋은 성적을 거두는 사례가 많다. 그러므로 몇 명의 이 중학생들이야말로 진정한 물리 마니아라 부를 수 있겠다.

일반 고등학교 학생을 위한 대수학 기반의 일반 물리 온라인 강의는 2015년에 시작되었는데, 2017년에 온라인 강의에 참가한 일반 고등학교 학생은 155명으로 과학 고등학교에서 참가한 학생이 27%나 되었고, 이 해에는 중학생도 134명이나 참가했다. 그러나 중학생이 학교 밖 활동으로 받은 상은 과학고 입시에 반영되지 않고, 일반고 학생이 물리올림피아드 강의를 따라가는 데 매우 큰 노력이 필요한 데 비해 올림피아드 활동이 대학 입시에는 전혀 도움이 되지 않으므로, 2023년에 물리올림피아드 온라인 강의에 참가한 중학생과 일반고 학생의 수가 수십 명 정도까지 줄었다. 한국이 이 정도의 학생 자원으로 수만 명의 참가자에서 대표를 선발하는 나라들과 경쟁하여 좋은 성적을 거두고 있다는 사실이 놀랍다.

물리올림피아드 겨울 학교

1, 2학기의 온라인 강의에 참가한 학생들은 한 장소에 모여서 치르는 두 번의 학기 말 시험 점수가 높은 순서로 선발되어 1월에 열리는 겨울 학교에 참가한다. 과학 고등학교, 일반 고등학교, 여학생, 사회적 배려 대상자에게 별도로 정원을 부여하여 선발하는데, 선발 인원은 80에서 100명 정도인데, 숫자가 조금씩 달라지는 이유는 실험 수업에 수용할 수 있는 인원이 조금씩 달라지기 때문이다. 2023년의 겨울 캠프에는 100명이 참가했는데, 이때는 기구를 이용하는 실험보다 시뮬레이션 실험을 많이 실시했다. 실험 수업은 캠프가 열리는 대학의 실험실과 일반 물리 실험 기구를 빌려서 실시해야 하는데, 대학도 자체 공간의 부족을 겪는 상황이라 해마다 공간 확보에 큰 어려움을 겪고 있다.

[Table 2] Class schedule of the winter camp of Korea Physics Olympiad.

표 2는 올림피아드 겨울 학교의 일반적 교육 일정이다. 강의는 모든 학생이 같이 듣지만, 실험과 문제 풀이에서는 15명씩 조를 만들어서 수업한다. 올림피아드 위원과 물리올림피아드에 관심을 가진 교수들이 강의를 담당하며, 실험과 국제 대회에 출제되었던 문제의 풀이는 국제 대회 참가 경험을 가진 예전 대표 학생들이 담당한다. 그 해의 교육 내용과 일정은 올림피아드 위원들이 겨울 학교가 열리는 대학이 제공할 수 있는 강의실, 실험실, 실험 기구를 반영하여 결정하는데, 국제물리올림피아드에 처음 참가한 1992년부터 2020년까지는 서울대학교 물리교육과의 시설을 이용했고, 2021~2022년에는 건국대학교 물리학과, 2023년부터는 서울대학교 물리학과의 시설을 이용하여 교육을 실시하고 있다.

국제물리올림피아드 대표의 선발

2023년까지는 겨울 학교가 끝나면 이론 문제 시험으로 10명의 대표 후보를 정하고, 며칠 뒤에 이론 문제의 구술시험과 4시간의 실험 시험으로 국제 대회에 참가할 대표 5명을 정했다. 구술시험을 둔 이유는 문제 풀이 능력뿐 아니라 학생의 문제 이해도와 사고력을 종합적으로 평가하기 위해서이고, 국제대회에서 실험 점수의 비중이 40%이므로 실험 능력을 중요하게 평가했다.

국제대회는 전 세계를 대상으로 하지만, 지역 국가를 대상으로 하는 아시아 대회(Asian Physics Olympiad, APhO) 와 유럽 대회도 있다. APhO는 2000년에 인도네시아에서 1회 대회가 열렸고, 계속 커져서 몽고에서 열린 2023년 대회에는 아시아 국가뿐 아니라 호주, 이스라엘, 러시아를 포함하여 24 나라가 참가했다. 지역 대회는 7월에 있는 국제 대회의 연습을 겸하므로 보통 5월에 열린다. 한국은 일년에 두 번 대회에 참가하기 어려워서 아시아 대회를 미루다가, 2023년 APhO에 처음으로 참가했다. APhO에는 한 나라에서 8명까지 참가할 수 있으므로, 국제 대회 연습뿐 아니라 5명까지 참가할 수 있는 국제 대회 대표를 선발하는 목적으로도 활용된다.

국제물리올림피아드 대표의 교육

국제대회 대표 선발은 2월에 있고, 3월부터는 토요일과 일요일을 이용하여 주말 교육이 시작된다. 선발된 학생들이 국제대회의 AP 물리에 이미 익숙하므로 AP 물리의 내용 강의는 필요하지 않고, 전공 수준의 역학, 전자기, 광학, 열 물리에서 단편적이지만 대회에 출제될만한 주제를 골라서 강의한다. 그리고 중요한 공부는 국제대회 기출 문제의 풀이다. 국제대회가 이미 60년 가까이 실시되었으므로 기출 문제가 상당히 많은데, 문제들이 길고 쉽지 않아서 기출 문제만 풀어도 큰 공부가 된다.

국제대회의 실험 문제는 일반 물리 실험보다 수준이 훨씬 높다. 주최국에서 실험 문제는 물론이고 실험에 필요한 장치도 설계하여 만드는데, 대회가 끝나면 다음 대회를 위한 연습에 사용할 수 있도록 장치를 판매한다. 우리는 해마다 2세트를 구입하여 교육이 이루어지는 대학에 보관하면서 대표 연습에 사용해왔다. 실험 교육에서 문제는 장치의 관리인데, 대회가 끝나고 몇 년이 지나면 필요한 소모품을 구입하기 어렵고 고장이 나면 고치기 어렵다는 문제가 있다. 또한 지정된 관리자가 없으므로 장치를 보관하고 상태를 유지하는 데도 큰 어려움이 있다.

물리 내용의 강의는 올림피아드 위원 교수들이 담당하지만, 기출 이론과 실험 문제의 풀이에는 국제대회에 참가했던 졸업생들이 조교로 크게 활약하고 있다. 학부나 대학원에 다니는 대표 출신 학생이 해마다 십여 명 있는데, 이들의 대표 교육 참여와 대회 참가 경험이 후배들의 각오를 다지는 데 이바지한다.

아시아 대회는 학기 중인 5월에 열리기 때문에 대회를 앞두고 집중 교육을 하기 어렵다. 아시아 대회가 끝나고 국제 대회 대표 5명이 정해지면, 7월 중순에 열리는 대회를 한 달 앞둔 때부터 집중 교육을 실시한다. 집중 교육은 하루 종일 실시하므로, 대표 학생의 고등학교에 결석계를 제출하여 불이익이 없도록 한다. 그렇지만 6월 말과 7월 초에 있는 기말 시험 기간에는 하루 종일 교육에 참가하기가 어렵다. 집중 교육 기간의 공부 내용은 학기 중의 주말 교육 내용과 크게 다르지 않다. 기출 문제가 많은데다 어렵기 때문에 집중 교육 기간이 끝날 때까지 충분히 연습하기가 쉽지 않다.

주말 교육과 집중 교육을 위해 교육에 필요한 물품과 실험 도구를 펼쳐놓을 전용 실험실이 필요하고 경우에 따라서는 교육 기관의 실험 기자재도 이용해야 하는데, 최근에 전용 공간의 확보에 어려움을 겪고 있다. 실험실과 기자재를 빌려주는 대학에는 큰 부담이지만 올림피아드 예산의 규모와 규정 때문에 그에 맞게 사용료를 지불하기 어려운 상황이라서 공간 확보는 앞으로도 계속 문제가 될 것으로 예상된다.