Physics Olympiad and Physics Education for Gifted

Sung-Won KIM

The responsibilities of the Korean Physical Society (KPS) include not only academic development but also physics education, including the Physics Olympiad. The Physics Olympiad is necessary as education for the elite, but it is also important in leading the role of physics that can approach general students and the public. In this sense, the KPS preparing for the 2028 International Physics Olympiad, which will be held for the second time in Korea, needs measures to advance gifted education and physics education in our country. In this article, in addition to the meaning of the Olympiad, I would like to summarize and introduce opinions on educational goals and methods for gifted physics students in Korea.

들어가며

우리나라 물리학회의 책무 중에는 학문의 발전 외에도 올림피아드를 비롯한 물리교육도 포함되어 있다. 물리올림피아드는 엘리트를 위한 교육으로서 필요하지만, 일반 학생들과 대중들에게 가까이 다가갈 물리로서 역할을 이끄는 데에도 중요하다. 2028년 한국에서 두 번째로 개최될 국제물리올림피아드를 준비하는 학회는 이러한 의미에서 우리나라의 영재교육과 물리교육에 진보를 위한 대책이 필요하다. 이 글에서는 올림피아드의 의미에 더하여 우리나라 물리 영재아들을 위한 교육 목표와 방법들에 대한 의견들을 정리하여 소개하고자 한다.

서 론

이 글에서는 저자가 2004년 포항 대회를 포함하여 2003년부터 2012년까지 국제물리올림피아드(IPhO) 국제대회 단장으로 교육과 선발 및 인솔을 수행했던 경험을 바탕으로 2028년 국제대회 개최를 앞둔 이 시점에서 우리나라의 물리 영재교육의 방향을 소개하고자 한다. 비록 지금부터 10년 전의 10년 동안의 경험에 국한되지만 4년 기간(2009-2012)의 한국물리올림피아드(KPhO) 위원회 위원장을 겸하면서 영재교육과 관련된 연구와 사업을 같이 진행하고 적용해 왔기에 10년이 지난 지금도 같이 고민해 볼 가치가 있다는 생각이 든다.

IPhO 홈페이지(https://www.ipho-new.org/)에 소개되었듯이 물리올림피아드의 주목적은 고등학교 학생들이 이론과 실험 물리와 관련된 지식을 바탕으로, 비판적 사고력, 문제해결 능력, 표현과 해석의 바른 실천 능력, 수공 기능적 능력 등을 얼마나 지녔는지 그 수준을 찾고 검증하는 것이다. 대한민국 대표팀은 참가에 의미를 두던 초기와는 달리 최근에는 좋은 성적을 거두고 있어서 요즘은 국제대회에 참석할 때마다 그 결과에 대한 기대가 큰 편이다.

이러한 좋은 결과들로부터 대외적으로는 한국 물리교육의 수준이 크게 인정받고 있으며 참가 학생들의 자긍심들도 상당히 높아지고 있는 편이다. 이렇게 국내 올림피아드 관련 교육이 나름대로 성공을 거두고 있지만 진정 올림피아드 참가자들이 물리 영재아로 간주될 수 있는지에는 논란이 있는 것은 사실이다. 따라서 영재교육으로서 올림피아드 교육을 인정하기는 쉽지 않으며 물리 영재교육으로서는 바른 교육목표와 교육방법을 찾아 수행해야 할 것이다.

이 글에서는 우리나라 물리영재들을 발굴하고 훈련시키는 물리올림피아드 제도나 정책에 대한 의견을 내고자 한다. 이는 어디까지나 저자의 주관적인 의견임에 제한을 두고자 한다. 먼저 필자가 경험했던 시기의 올림피아드와 물리교육에 대한 시대적인 배경과 당시의 물리 인구의 확대 필요성을 인식하게 된 과정을 소개하고 이를 해결하는 방법 중 하나로 우리나라에서 또 한 번 국제물리올림피아드 개최를 신청하게 된 배경과 과정을 소개하고, 이어서 한국의 영재교육과 물리올림피아드의 역할과 방향성을 논의하고자 한다. 끝으로 발전을 위한 제언으로 마무리하겠다.

본 론

1. 시대 배경과 물리교육 현장

물리올림피아드 선발과 교육 정책은 시대에 따라 변화는 있었지만 2008년부터 보다 큰 변혁을 요구받게 된다. 과학기술부와 한국과학재단의 지원을 받아왔던 올림피아드는 이명박 정부에서 바뀔 수밖에 없었다. 먼저 과학기술부와 교육부가 교육과학기술부(교과부)로 통합 신설되면서 한국과학문화재단이 새롭게 한국과학창의재단(창의재단)으로 바뀌어 설립되고 과학교육 사업과 함께 올림피아드 사업도 이관된다. 심지어 한국교육과정평가원이 담당하였던 과학교육과정 제정과 과학교과서 심사도 모두 창의재단 사업에 포함되었다. 이는 정부가 과학에 대한 특별한 관심과 지원을 표하는 것으로 간주할 수도 있으나 한편으로는 간섭과 통제를 의미하는 것이기도 하였다.

현재도 우리나라 교육에 있어서 사교육의 심화는 문제가 되고 있지만, 당시에도 사교육에 대한 사회 경제 교육 전반에 걸친 부정적인 시각은 올림피아드 교육에게도 영향을 끼치게 되었다. 선행교육의 기원이라고 지탄을 받았던 올림피아드를 비롯한 각종 경시대회의 규모와 빈도를 줄이고 또한 이들에 대한 학회의 주관을 줄이라는 압박을 받는다. 이들이 갖는 순기능을 무시하고 부정적인 면을 부각시키며 없애려는 데에만 집중하게 된다.

이에 따라 한국물리올림피아드 위원회는 올림피아드 국가대표 선발과정을 타 경시대회와는 다른 절차를 거치도록 하였다. KPhO는 물리올림피아드를 경시대회가 아닌 물리교육 기반의 행사로 변경하려고 노력하였다. 일단 물리학에 대한 학생들의 관심을 확대하기 위하여 KPhO는 물리에 관심 있는 학생을 대상으로 사교육이 아닌 학회 주관의 공교육의 차원에서 여름방학과 온라인을 통하여 일반물리교육을 실시하였다. 교육대상 학생들로부터는 경시대회와는 다르게 자기소개서나 에세이를 제출하게 하고 이들을 포함한 다양한 절차를 거쳐서 물리 호기심이 많은 학생들에게 물리교육 참여 기회를 제공하도록 하였고 질 높은 교육을 위해 국내의 저명한 교수님들에게 위촉하여 강의를 개설하였다.

또한, 국제대회 파견을 위한 국가대표 선발과정에서도 다면 평가를 시행하였다. 먼저 일반물리교육 성취도를 반영한 최종선발과정을 거쳐 국가대표 후보 10명을 선발하였다. 이어서 이 국가대표 후보들에게 일반물리 교육 성취, 실험 평가, 인성을 포함한 구두 평가, 문제해결 능력 등의 평가를 거쳐 최종 5명을 선발하여 파견하였다. 당시에는 이것이 최선의 방법이었던 것이었다. 이때 교과부에서는 가능한 한 올림피아드 관련 자료가 대학입시에 반영되지 않도록 하는 정책을 집행하기 시작하였고 창의재단은 KPhO의 국가대표 선발 절차가 자신들의 지침과 어긋나는지 끊임없이 살피고 보고 받았다.

한편으로는 당시 교육과정 개편을 통한 새로운 교육과정의 도입과 수능에서 물리를 선택하는 학생의 축소로 인하여 학교 교육현장에서 물리교육이 어려움을 겪게 된다. 이를 타개하기 위하여 물리학회에서는 교육과정특별위원회를 구성하고 국가교육과정 개정에 적극 참여하는 한편 회원들과 교사들의 다양한 의견을 수렴하고 이를 반영하고자 노력하였다.

그 결과 교육과정에 상대론 양자론 등의 현대물리학 분야가 교육과정에 도입되어 학생들의 호기심과 흥미를 높이려 노력하였으며 이 영역에 대해서는 학생들의 원리 이해보다는 가능한 한 일상생활에 적용되는 현상을 설명하는 데 주력하였다.1) 아울러 물리 내용의 적정화와 함께 대중화 확대 방안으로 다양한 노력을 기울여 왔다. 이러한 시도는 긍정적인 면과 부정적인 면을 모두 가지고 있어서 늘 논의가 필요하였다. 이처럼 한국의 물리교육은 올림피아드와 같은 영재 교육을 포함하여 일반 학생들을 대상으로 하는 보편적인 교육이 파급되도록 다양한 정책들을 수행해 왔다.

2. 국제올림피아드 개최 신청 배경과 과정

우리나라는 국제물리올림피아드를 유치하여 2004년에 성공적으로 개최하면서 많은 성과를 거두었고 이 과정에서 전국적으로 물리 붐을 일으키는데 지대한 공헌을 하였다. 때마침 2005년 물리의 해와 맞물려 시너지 효과를 보면서 여러 행사를 동시다발적으로 수행하였다. 한미과학자 연합 학술대회를 비롯하여 각종 학술사업이 이루어졌고, 아인슈타인 특집 TV 방송, 저술 출판 사업, 학회 기간 고등학생 참여 확대, 초·중·고 학생 물리홍보대사 선발 및 파견 등과 같은 다양한 대중화 사업이 이루어졌다. 2004년의 경험으로 쌓은 여러 성과는 대중적인 지지와 관심을 불러 일으키기에 충분하였으며 우리나라에서 물리에 대한 학생들의 관심 또한 증가하였다.

이러한 경험을 바탕으로 물리학회 임원들 사이에는 올림피아드 유치가 다시 한번 우리나라 물리학계에 긍정적으로 작용하고 미래 발전적인 바람을 몰고 오리라는 기대에 대한 공감대가 형성되었다. 국제대회의 개최가 물리에 관심을 갖는 학생들의 증가를 가져오고 그러한 학생들에게 물리학 학습을 통한 도전의식을 갖게 함으로써, 개최 이후에는 제2의 물리 중흥기를 맞을 기회가 주어지리라고 생각하였다. 이에 따라 2011년 태국 방콕에서 열린 대회에서 한국물리학회 창립 80주년을 기념하는 2032년에 한국에서 IPhO를 개최하는 것을 신청하고 이어서 IPhO 총회에서 인준을 받게 된다.

그러나 그해 가을 75주년이 더 의미가 있고 조금 더 앞당기면 좋을 것 같은 의미에서 5년 조기개최에 대한 안을 학회 본부에 제안하고 이에 대해 학회 실무이사회에서 최종 인준을 받았다. 이를 바로 IPhO 본부에 보내어 2012년 크로아티아 IPhO 총회에서 보고 후 최종 인준을 받았다. 이후 팬더믹 시기에 1년씩 순연되어 2028년에 한국에서 두 번째로 대전에서 국제물리올림피아드가 개최되기에 이르게 된 것이다. 처음 개최된 지 24년 후, 즉 한 세대가 지난 후에 다시 이 대회가 열리게 되니 감회가 새롭다. 이제 새로운 한국 물리학의 리더들이 조직하고 개최하고 운영하는 IPhO는 이전 대회보다 더 짜임새 있고 국제대회 유치의 효과가 크리라 확신한다.

3. 물리올림피아드와 물리 영재교육

이제 한국의 물리올림피아드와 영재교육 사이의 관련성을 탐색해 보고자 한다. ‘물리올림피아드 참가자는 물리 영재인가’라는 질문은 예나 지금이나 계속되고 있다. 물리올림피아드는 국가대표 선발이라는 과정과 국제대회에 출전하여 주어진 문제를 해결하는 경쟁이 있는 과정이 있어서 참가 학생들에게는 문제 해결이 능력이 가장 필요한 능력이다. 물리를 좋아하고 다른 학생들보다 물리 문제를 해결하는 능력이 뛰어난 학생들이다. 그러나 지도 경험이 있는 교육전문가들은 이들의 문제 해결 능력 소유와 물리영재로의 정의됨은 전혀 별개라는 의견을 제기하기도 한다. 특히 대학 진학 이후의 관련 학습과정에서 관찰한 전문가들은 이들이 문제 해결 경험이 많고 해결 기능이 뛰어날 뿐, 자연을 물리학적인 관점으로 관찰하고 이를 물리학적인 개념으로 해석하고 문제를 해결하는 과정에서 나타나는 특성에는 일반 학생과 뚜렷이 구별되지 못하다는 의견도 다수 있다.

그래서 물리 영재에 대한 특성에 대해 살펴보고 이들에게 그러한 특성이 있는지 그들에게 필요한 소양은 무엇인지 살펴보기로 한다. 시대나 지역 및 학자에 따라 영재에 대해 조금씩 다르게 정의를 내릴 수 있겠지만 대체로 일반적인 정의는 다음과 같다.2) “영재아는 다른 아동보다 인지능력이 뛰어나며, 과제집착력이 뛰어나고 창의력이 뛰어나다.” 이 정의에 대해 학자들이 대부분 동의하지만, 최근에는 이러한 정의 외에 추가로 정의적인 영역까지 확대하여 의사소통 능력, 협동능력, 공감 능력을 포함한 리더십까지 포함하기도 한다. 특히 과학영재라 좁혀서 정의하려면 위 특성들에 추가하여 특별히 과학 분야에서 뛰어난 재능을 보이는 아동을 말한다.3) 일반적인 과학영재의 정의는 다음과 같다. 과학영재란 과학적 사고력과 잠재성을 가지고 과학 분야에서 뛰어난 성취를 하는데 필요한 재능을 가진 자를 말한다.4) 과학영재는 과학 분야에서 뛰어난 창의적 문제해결력을 발휘할 가능성이 큰 아동으로서, 일반적 지식과 기능 기반, 과학 영역에서의 지식과 기능 기반, 과제집착력, 확산적 사고, 논리적 사고를 역동적이며 효율적으로 발휘하여 문제를 해결하는 과정과 산출물에서 창의성을 나타내는 자로 정의한다.5)

이에 따라 물리 영재란 위에서 정의된 과학영재 중 물리분야에서 재능이 뛰어나고 적극적인 관심을 보이는 아동이라 할 수 있다. 우리가 알고 있듯이 물리학이라는 학문적 특성은 화학, 생물학, 지구과학같은 타 과학 분야의 특성들과는 현격히 구별된다. 나아가 타 과학영재와는 달리 물리 영재아들에게는 구별되는 특성이 있을 것이며 그에 따른 교육도 특성에 맞게 제공되어야 할 것이다. 이를 위해서 저자가 공동연구원들과 함께 2019년에 물리학자 및 영재 교육 담당 물리교사를 포함한 전문가들에게 물리 영재의 특성에 대해서 인터뷰를 진행한 적이 있다.6) 물리학의 특성과 물리학을 잘하는 아동은 어떤 학생이어야 할지, 또 그들에게는 어떠한 교육이 제공되어야 하는지와 같은 질문에 대한 응답을 받았다.

이 응답에 따라 정의된 물리 영재는 과학 영재에 속하며, 물리 분야에 과제집착력과 흥미와 호기심이 높고 물리를 좋아하는 학생이다. 그리고 또래에 비해 물리 분야에서 문제를 인식하고 해결하는 데 우수한 학생이며 물리 분야에서 뛰어난 학업성취도를 보이는 학생이라고 하였다. 물리 영재의 특성을 인지적 영역과 정의적 영역으로 나누면 다음과 같다. 먼저 물리 영재아의 인지적 영역에서의 특성에는 문제 상황에 대한 물리적 통찰력, 문제 발견 능력, 문제 정의 능력, 비판적 사고력, 창의적 사고력과 상상력, 창의적 문제해결력에서 뛰어난 능력이 포함된다. 물리 영재아들이 갖는 정의적 특성으로서는 물리현상과 문제에 대한 높은 호기심과 문제해결에 대한 집중력과 끈기(과제집착력) 등이다. 이 특성들은 물리 영재들을 판별하는 데 중요한 기준이 될 것이다.

보고서에는 또한 물리 영재아들을 위한 교육목표들을 아래와 같이 정리해 놓았다.6) 새로운 문제 상황을 스스로 찾고 적절한 탐구방법을 활용하여 해결하는 소양 함양, 자연의 다양한 물리현상을 탐구하여 문제 해결 능력 배양, 물리적 통찰력과 직관적 사고력 배양 등이다. 그리고 특별히 다양한 물리적 현상을 경험하고 확산적 사고력 함양, 토론과 대화를 통해 생각을 발전시키는 능력 함양, 복잡한 자연현상을 단순화된 모델로 추상화, 정형화시킬 수 있는 능력 등이다.

또한, 물리 영재아들에게 제공되어야 할 교육방법은 다음과 같다. 소집단 프로젝트(과제)를 중심으로 한 연구, 발표, 토론 활동, 자유 연구 기회를 제공(스스로 문제 찾고 풀기), 실험중심의 수업, 물리학자, 전문가 집단과의 개별 교류(사사 제도), 동료와 토론하는 소집단 토론방식, 문제기반학습(PBL), 자신의 취미, 특기와 관련되는 물리학 심화탐구 등이다.

이들은 일반 학생들에게도 적용하는 과학교육 방법으로도 알려져 있지만, 물리 영재 전문가들은 특히 여기에서 주어진 방법들이 물리 영재아들에게 특별히 효과가 클 것이라고 말하고 있다. 이는 절대적인 것은 아니나 물리학자나 물리 영재아들을 교육 지도 경험이 많은 현장 교사들의 생각이므로 충분히 의미가 있으며 지금도 적용해야 할 물리 영재아들을 위한 교육방법일 것이다.

위와 같이 물리 영재아들에게 이들 중에서 한 가지 방법을 적용할 수도 있고 여러 가지 교육방법을 결합하여 제공할 수 있다. 물리 영재교육은 단순히 문제해결에 집중하지 않고 상황과 대상에 따라 다양한 교육방법을 통하여 영재아들의 특성을 살리고 물리학의 특성에 따른 방법을 제공해야 할 것이다.

하나의 예로 저자는 지도 대학원 학생과 같이 과학 영재반 학생들을 대상으로 문제 만들기 과제를 부여한 후, 그 과제물을 가지고 학생들이 직접 동료를 평가하게 하는 연구를 진행한 적이 있다.7) 이와 유사하게 수학교과에서는 많은 연구들이 수행되고 있어서8) 물리 영재아들에게도 도움이 되리라고 보았다. 연구결과로는 중등과학 영재반 학생들의 일반적 영재특성을 긍정적으로 발전시키는 많은 가능성을 보였고 학생들은 복습으로 인한 과학지식 정리와 기억력 향상에 도움이 된다고 하였다. 본 연구를 통해 문제만들기 과제와 동료평가는 중등과학 영재반 학생들의 영재 특성을 향상시키는 데 많은 가능성을 가지고 있음을 확인하였다.

이와 같이 물리 영재아들의 특성을 기반으로 하는 여러 학습방법들 중에서 어느 특정한 방법만이 왕도가 아니고 교육 대상 학생들의 상황과 구성원에 따라 변형된 방법도 보다 적절한 방법일 수도 있다. 그 어떤 방법들도 그들의 창의력을 비롯한 잠재능력을 기르고 상상력을 자극하는 데 목적을 두고 활용되어야 할 것이다.

결 론

물리올림피아드는 국가대표 선발에서 단순한 대회 파견에 머무를 뿐만 아니라 우리나라 물리학의 발전에 공헌하는 미래 인재를 선발 훈련하는 데 목표를 두는 것이 바람직하다. 이 글에 소개된 물리영재아의 특성과 그에 따른 교육방법을 실제로 적용하기란 쉽지는 않겠지만 이로부터 선발에 타당한 도구를 개발하여 선발 후 교육과 훈련에도 차별화된 방법이 되리라고 본다. 그리고 올림피아드를 포함한 영재교육뿐만 아니라 일반적으로 물리 교육에서도 다른 과학 교과와는 구별된 교육방법이 될 수 있을 것이다.