물리학과 첨단기술 MAY 2015 39

포항공과대학교 물리학과 교육실험 개선사업

권용태 ․윤무현

저자약력

권용태 박사는 부산대 물리학과에서 이학박사를 취득하였으며, 포항공과대

학교 물리학과 교육실험실 전담 Staff 과장으로 재직 중이다. 지역과학교사

모임인 Amusing Physics Club(APC)의 창립 멤버로 기획총무를 거쳐 현

재 부회장으로 활동하고 있다. (ytkwon@postech.ac.kr)

윤무현 교수는 캐나다 마니토바 대학교 이학박사로서, 미국 프린스턴, 알곤

국립연구소 연구원을 거쳐 현재 포항공과대학교 물리학과 주임교수로 재직

중이다. (moohyun@postech.ac.kr)

추진 배경 및 경과

포항공과대학교(포스텍)에서는 2007년 백성기 총장의 취임

직후 대학 자체 전략 사업으로 기초교육강화를 대학의 주력 사

업으로 추진하고자 하였다. 이에 발맞춰 본 학과에는 외국의 저

명한 대학 물리 교육을 면밀히 분석한 결과 데모 강의와 시뮬레

이션 강의가 어우러진 입체적인 강의 제공이 필요하다는 결론을

내리고 이에 일반물리 강의 개선사업을 시작하기로 하였다.

그러나 계단강의실 확보가 본 사업의 선결과제이므로 대학

내 기존 강의실의 리모델링에 초점을 맞추고 진행하였으나 예

산 및 대학 내 여러 가지 어려움들이 있어 제대로 진행되지 못

하였다. 하지만 대학과 본 학과에서는 이러한 개선에 하드웨어

(강의실 리모델링)와 소프트웨어(데모기기 확보)를 나누고 우선

일반물리 수업에 필요한 데모기기 개발을 위한 여건을 만들어

가기로 하였다. 이러한 노력의 변화는 2009년에 전임조교 및

공작실 전담 인력을 확보하면서 가시적으로 변화가 나타나기

시작하였다. 그해 5월 정부에서는 누리사업의 후속 사업으로 대

학교육역량강화사업을 추진하였고 이에 본 학과에서는 일반물

리 및 일반물리실험 개선에 필요한 5개년 사업계획을 제출, 선

정되어 2009년 10월 데모실험 기기를 시연할 수 있는 108석

규모의 계단식 강의실인 일반물리 시연강의실을 리모델링하였

다. 2010년에는 일반물리실험의 문제점인 kit 중심의 종목실험

을 개선하기 위하여 학생 스스로 실험을 설계(design)하고 실험

장치를 꾸미고(build) 팀으로 이루어진 팀원들과 토론하고 발표

하는 Design & Build Lab(DBL)을 추진하였다. 이에 토론의 환

경이 되도록 일반물리실험실 리모델링을 추진하였고 DBL 수업

을 진행하여 일반물리실험 교육의 큰 변화의 기틀을 마련하였

다. 이러한 노력은 5개년 계획에 따라 2013년까지 꾸준히 진행

되어 270여 종의 데모기기를 확보하여 이제는 비교적 안정된

데모중심의 일반물리 수업과 매년 일반물리실험의 DBL 개발을

진행하여 일반물리와 일반물리실험 교육의 선진국형 교육환경

을 구축하였다.

이어 본 학과에서는 2013년부터는 물리전공실험개선위원회

를 구성하여 전공실험 개선을 지속적으로 추진하고 있다.

주요 활동

1. DEMO 중심 일반물리 환경구축 및 운영

대학 일반물리는 1학년 교과로 지식의 깊이를 요구하는 것

보다, 다양한 자연 현상을 접하고 전반적인 이해를 높이는데

그 목적이 있다. 현재 고등학교 과정에서의 과학교육이 약화되

어 신입생의 경우 물리에 대한 기본적 이해가 상대적으로 부

족한 것이 현실이다. 더욱이 현재의 대학 일반물리 강의는 이

론적 설명 중심의 강의로 학생들이 실제적인 현상을 이해하고

응용하는 현실성이 많이 떨어져 있는 상태이다. 실험 수업을

통하여 실제적 현상의 이해를 돕고 있으나, 이론식 일반물리

강의의 진도와 일치하지 않고, 다루는 실험현상의 범위가 시간

적 공간적 제약으로 인하여 전체 일반물리강의 내용에 비해

적은 부분만을 다루고 있어 많은 학생들이 물리적 개념 정립

에 어려움을 겪고 있다. 대학 일반물리 수업의 기존 이론 중심

강의의 문제점을 보완·개선하여 학생들에게 자연 관측의 동기

를 제공하고 그 이해도를 높여 물리적 개념을 확고히 습득하

고 창의성을 높일 수 있는 새로운 개념의 일반물리교육 환경

을 구축할 필요성이 절실히 요구되는 현실에 있다.

이에 포스텍 물리학과에서는 일반물리 수업의 기존 이론 중

심 강의를 지양하고 강의 주제에 맞는 데모 실험 시연을 편성

하여, 수업 중 강의진도에 맞는 실제 실험을 시연하여 학생들

의 이해도를 높일 수 있는 방안으로 실험시연강의[Demon-

stration Lecture] (데모 강의)를 도입하여 운영하고 있다.

2009년 5월부터 진행된 대학교육역량강화사업으로 데모기기

확보와 동시에 24도 경사도의 108석 계단식으로 2단 칠판, 강

의실 내 실험대(전기, 물, 압축공기 등) 및 최첨단 멀티미디어

환경(Beam projector 3대, 스크린 3개 (1 Main2 Sides), 첨

단 음향시설, 멀티미디어 제어시스템)을 갖춘 시연 강의실 리

모델링을 완공하였다.

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그림 1. 일반물리강의 개선 방향.

그림 2. 포스텍 Demonstration Lecture Hall.

그림 3. 연도별 데모기기 확보 계획.

그림 4. 데모중심 일반물리 설문.

또한 수업에 필요한 데모기기는 5개년 계획에 따라 지금까

지 280여 종의 아이템을 확보하였다.

- Elementary item: 손쉽게 제작/구입 가능하고 수업에 필요한

데모장비

- Advanced Item: 제작의 상당한 Know-How가 요구되고 수업

에 꼭 필요한 장비

- Special Item: 독창적이고 수업의 질을 결정적으로 높일 수

있는 포스텍 브랜드 아이템

데모중심강의는 2009년 중간고사 이후 시범강의를 시작으로

지금까지 5년 정도 운영되면서 안정적인 수업의 기반을 만들어

가고 있다. 본 강의에서 데모 중심으로 전환됨에 따라 학생들의

문제풀이 능력을 보완하기 위하여 강의전담 교수 2명이 recitation

을 담당하고 있다. 일반물리 데모는 2회/주 진행되는 본 강의에

서 1회/주 10~15분 정도로 진행되며 1회당 그 주에 진행되는

수업내용에 맞는 3~4개 아이템의 데모 시연을 하고 있다. 2014

년 1학기 46개, 2학기 55개 아이템에 대한 데모시연을 시행하

였으며 학생들의 자체 만족도 조사에서 응답자의 99% (1학기),

94% (2학기)가 데모시연이 일반물리 수업을 이해하는데 도움이

된다고 응답하여 상당히 높은 수준의 만족도를 보이고 있다.

2. Design and Build Lab 환경 구축 및 운영

기존의 일반물리실험 운영에 있어 단순하고 수동적인 kit 중

심에서 과감히 탈피하여 학생 스스로 실험을 설계하고 분석하

고, 토론하고 발표하는 과정을 거치게 하는 DBL을 새로운 실

험 수업 운영 방식으로 2010년부터 도입하여 운영하고 있다.

1학년 신입생을 대상으로 운영되는 일반물리학실험은 1학기에

종목실험 중심의 일반물리실험 I과 2학기에는 일반물리실험 II

과정에 기초실험과 DBL로 편성하여 운영하고 있다. DBL은 학

생 주도로 운영되는 교과과정으로써 이 과정에서는 “단순히 이

론적으로 배웠던 현상이 실험적으로 어떻게 측정되는가?”를 넘

어서 실용적 제품 속에 일반물리의 원리가 어떻게 녹아 있는

가 하는 것을 프로젝트를 완성해 가는 과정 속에서 학생들 스

스로 체득할 수 있도록 구성하였다. 이 과정 속에서 과제물의

작동원리뿐만 아니라 측정 및 분석방법, 기계적, 전기적 설계

그리고 외형적 디자인을 포함하여 최종 제품의 성능에 대한

평가까지 학생들 스스로 운영해 갈 수 있도록 함으로써 진정

한 의미의 종합적이고 창의적인 연구능력 함양을 그 교육목표

로 하고 있다. DBL 형식의 교과과정은 정부의 “STEAM” 정책

과도 부합하여, 학생들의 목표 지향적이고 능동적인 참여 그리

고 팀 구성원으로서의 의사소통 능력계발을 유도할 수 있는

새로운 패러다임의 실험과정이다. 이러한 수업에 필요한 실험

실 내에서 토론할 수 있는 환경을 만들기 위하여 2010년 일반

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그림 5. 포스텍 일반물리실험실 리모델링.

그림 6. 전자기 대포 및 전자기타의 견본.

그림 7. 전자기 대포 및 전자기타의 학생작품 전시회.

물리실험실 리모델링을 진행하였다.

벽면은 최대한 팀별 토론이 쉽게 할 수 있도록 칠판기능을

강화하였고 40명 공간에서 20명 수업이 가능하도록 하여 1인

당 실험실 면적을 넓혔다. 현재는 창의 IT학과 신설 등의 이유

로 25~27명까지 늘어난 상태이지만 여전히 리모델링 전과 비

교하여 개선된 환경이라 할 수 있다.

2010년 첫 DBL 주제로 전자기 대포(Electromagnetic cannon)

및 전자기타(Electric guitar)를 선정하여 진행하였다. 솔레노이

드에 의해 유도되는 자기장을 이용하여 작은 금속 공(metal

ball)을 발사할 수 있는 간단한 대포를 설계한다. 금속 공을 가

속할 수 있는 이론적 메커니즘을 수립하고, 이를 기초로 전자

기 대포를 직접 설계하고 제작한다. 금속선을 진동시켜 솔레노

이드 주위에 자속 변화를 유도할 경우 솔레노이드에 기전력이

발생하게 된다. 전자기타는 금속선의 역학적 진동에 의해 솔레

노이드에 유도된 아주 미약한 전기적 신호를 앰프를 통해 증폭

시킨 후 스피커를 통해 소리로 변환시키는 악기이다. 역학적

진동과 전자기유도 사이의 정확한 이론적 원리를 기초로 하여

전자기타(Electric guitar)를 직접 설계, 제작한다. 학생에게는 2

가지 중 하나를 할 수 있도록 반을 나누어 진행하였다.

첫해 DBL 수업 결과로 비교적 성공적으로 완료하여 새로운

방식의 일반물리실험 수업이 가능한 기반을 구축하였다. 2011

년 봄 학기에 신입생들을 위하여 학생들이 만든 전자기 대포

(Electromagnetic cannon) 및 전자기타(Electric guitar)의 결

과물을 전시하는 전시회(2011.3.14.~25)를 가졌다.

DBL의 전체과정은 ‘DBL 수행을 위한 기초실험종목 3종목’,

‘DBL 오리엔테이션’, ‘DBL 계획서 발표’, ‘DBL 수행’, ‘최종산

출물 시연 및 결과포스터 발표’ 그리고 ‘최종보고서 제출’로 이

루어져 있다.

‘DBL 오리엔테이션’은 주제의 설명, 주제와 관련된 물리현상

들에 대한 시연, 그리고 안전교육 등을 하는 과정으로, 학생들이

DBL 주제에 대한 전체윤곽을 이해할 수 있도록 도울 뿐 아니라

과제 수행 시 발생할 수 있는 다양한 사고의 예를 제시함으로서

DBL 과정을 안전하게 수행할 수 있도록 유도한다. ‘DBL 계획서’

는 포스터형식으로 조별로 발표를 진행하게 되며, 이 과정에서

주제에 대한 학생들의 이해정도 및 계획의 실현 가능성 등을 평

가하고, 잘못되거나 미진한 부분들은 평가자(담당교수와 조교)의

피드백을 통해 수정, 보완하게 된다. 과제를 완성하기 위한 전

과정은 학생들 스스로 계획한 일정표에 따라 전적으로 운영된다.

과제수행 중에 요구되는 분석은 장치의 구성부터 자료수집 그리

고 결과분석까지 전 과정을 학생 스스로 수행하게 되며, 이러한

분석과정을 통해 물리적 현상에 대한 정량적 해석뿐만 아니라

과학적 분석방법을 실질적으로 터득하게 된다. 최종산출물 제작

과 자료 분석을 완성함으로써 전체 DBL 과정을 마치게 된다.

DBL은 본 학과 유창모 담당 교수 책임 하에 개발 운영되었다.

(참고: 2013년 4월 제22권 4호 [현장의 물리교육] Design &

Build Physics Lab at POSTECH 이종덕·유창모)

3. 전공실험교육 개선

지난 5년간(2009~2013년) 대학교육역량강화 사업의 일환으

로 기초교육인 일반물리 및 일반물리실험에 대한 교육환경 및

수업 내용 개선을 위하여 본 학과에서는 많은 관심과 에너지

를 총동원하였다. 이어 2013년부터는 학과 내에 전공실험개선

위원회(김윤호 교수)를 구성하여 전공실험 전반에 대한 검토와

개선 작업이 진행되고 있다. 2014년 전공실험개선위원회에서

는 물리계측실험을 전공필수로 전환하고 이에 전공필수 전환에

따른 학생들이 수강에 대한 문제가 없도록 1학기, 2학기 모두

과목 개설하여 운영하고 있다. 또한 전공실험개선위원회에서는

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그림 8. Photon number counting 실험장치도.

그림 9. Quantum Oscillation 실험장치.

그림 10. 악기 연주 소리에 따라 움직이는 불꽃.

물리실험 I, 물리실험 II, 물리실험 III에 편재되어 있는 실험을

전면 재검토하여 실험 재편성 작업을 진행하였다.

특히, Zeeman effect 실험과 kit type의 X-ray 실험 장치는 기

존 물리실험 III에서 물리실험 II로 편성하여 운영하고 물리실험

III는 연구실 환경에 비교해도 손색이 없을 만한 실험구성을 하

여 학생들의 실험적 연구역량을 극대화하도록 환경을 구축해 가

고 있다. 물리실험 III에는 기존 담당교수 1명으로 운영되는 것을

과목 담당교수 1명을 지정하고 실험 주제별 교수와 대학원생을

별도로 정하여 운영하도록 하고 있다. 특히 2014년에는 물리실

험 III에 김준성 담당교수 및 김윤호 교수, 이종봉 교수, 윤건수

교수(플라즈마 실험장치 구축 중)의 참여로 진행하고 있다.

물리계측실험의 개선 방향은 단순한 전자회로 실험에서 벗어

나 실험 데이터를 얻는 과정을 연구실에서 주로 진행하고 있는

LABVIEW 기반으로 환경을 갖추고 이에 맞는 실험종목들을 자

체 개발하여 진행하고 있다. 한 가지 예로 Photon number

counting을 위한 실험 장치를 그림 8과 같이 구성하고 Elvis

(LABVIEW)를 통한 실험데이터를 얻고 분석하는 실험이다.

학부생들이 최고 학년이 주로 수강하는 물리실험 III에 개선

된 한 가지 예로 Quantum Oscillation 실험 장치를 자체 설

계하여 구축하였다. 전자석의 중심자기장이 1.5 T인 고자기장

실험 장비이다.

또한 advanced atomic physics experiment로 cold atom

experiment 장치를 구축하여 전공실험의 인프라 개선에 학과

의 과감한 투자로 학생들의 창의성을 극대화하도록 실험환경

을 개선하였고 이러한 노력은 본 학과에서는 지속적으로 진행

할 계획이다.

4. 과학문화 확산 활동

물리학과에서는 지역사회와의 긴밀한 협력과 과학문화의 활

성화를 위하여 재미있는 물리시연, POSTECH Open Physics

Day, 지역 과학교사모임 자문 활동, 교육기부활동을 활발히 하

고 있다. 특히 재미있는 물리시연은 포스텍 물리학과를 방문하

는 청소년에게 일반물리 교육 인프라를 공개하고 이들에게 재

미있는 물리실험시연을 연간 평균 30회 정도 수행 중이며 이

공계 대탐험, 잠재력 개발 프로그램의 학과프로그램으로 편성

되어 운영하고 있다. 최근에는 2015년 4월 21일 과학의 날을

맞이하여 지역에 있는 포항제철지곡초등학교 6학년 150명 및

학부모 30명을 대상으로 본 학과 시연강의실에서 대기압차를

이용한 공기대포, 소리에 따라 움직이는 불꽃, 공명현상을 이용

한 비이커 깨기 등 재미있는 물리실험 10여 종을 시연하였다.

아울러 포스텍 방문이 어려운 농어촌에 연간 1~2회 방문하

여 교수 강연 및 재미있는 물리실험시연을 꾸준히 진행해 오

고 있다. 학과 내 자발적 참여로 현재까지 조무현 교수, 유창

모 교수, 정윤희 교수가 과학강연을 진행해 주고 있다.

과학문화 확산에 있어 이러한 작은 노력들이 무엇보다 필요

할 것이며 소외계층 청소년들에게는 더 없이 소중한 기회가

될 것으로 생각된다. 2006년부터 매년 1~2회 농어촌 방문현

황은 표 1과 같다.

또한, 교육인프라(시설, 데모장비 등)를 지역 사회와 함께 공

유하여 시민들의 이공계 마인드를 함양하고자 2010년부터 매

년 POSTECH OPEN PHYSICS DAY를 개최하여 포항시민 및

교내 구성원의 반응은 아주 뜨거우며, 행사요원으로 물리학과

학부생들을 참여시켜 전인교육의 장으로 활용하고 있다. 2013,

2014년도에는 학과 내 여러 가지 사정으로 개최되지 못하였으

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일자 방문학교 비고

2006.09.16 전북 군산 나포초 문화일보

2006.10.25 경북 문경 산양중 문화일보

2006.12.14 경남 거창 신원초 문화일보

2007.03.16 경북 봉화 소천초 제13회 전국자원봉사 대축제 은상 수상

(2006.12.20)

2007.07.13 경남 거창 샛별중 제1회 자랑스런 포스테키안상(봉사)

(2007.1.3)

2007.11.16 경북 성주 지방초 문화일보 주관

2008.04.18 전북 임실 마암초 제2회 자랑스런 포스테키안상(봉사)

(2008.1.3)

2008.11.21 강원 화천 원천초 문화일보

2009.07.16~07.17

경남 하동 왕성분교 포스텍으로 초청

2010.04.16 경북 문경 농암초

2010.07.15~07.17

울릉도 초, 중, 고 TBC 생방송 투데이 방영

2011.10.14 태백 생명의강 학교

2012.05.04. 한동대 국제학교

2012.07.13. 경주산내 산내중

2014.07.16 충북 괴산오성중

표 1. 농어촌 방문 현황.

그림 11. 제1회 POSTECH OPEN PHYSICS DAY.

그림 13. APC 자문교수.

그림 12. 다양한 APC 사이언스 매직쇼의 모습.

나 향후 보완하여 지속적으로 추진되도록 하고자 한다. 그리고

포항 및 경북지역 초, 중등학교 과학교사 모임 APC(Amusing

physics Club: 재미있는 물리를 하는 사람들)를 2003년 7월에

포스텍 물리학과 중심으로 창립하여 현재까지 과학문화 확산

및 과학교육의 발전에 많은 활동을 하고 있다.

또한 자체 세미나. 과학자 초청 세미나, 대중강연회의 개최를

통해 정보를 공유하고 연구하며 실험을 수행함으로써 회원 스스로

자기계발을 도모하고 있으며, 교실 수업에 시연내용을 활용하여

학생들의 과학에 대한 흥미를 이끌어내는 주도적 역할을 하고 있다.

특히 본 학과에서는 교육실험실 Staff인 필자가 창립멤버로

현재 모임의 부회장으로 활동하고 있으며, 교수진으로는 조무

현 교수, 김승환 교수, 박재훈 교수와 본 대학 인문사회학부

임경순 교수가 모임의 자문위원으로 활동하고 있다.

현재 참여하고 있는 자문교수는 모임에서 물리 실험과 이론

등 교육전반에 대해서 실질적으로 자문역할을 하고 있는 것이

특징이다.

또한 본 학과에서는 과학문화 확산을 위하여 물리교육개선사

업을 통해 얻은 여러 가지 교육적 인프라 및 노하우를 공유하

기 위하여 2013년에는 미래부와 한국과학창의재단 사업으로 5

대 과학특성화대학 기초교육강화(물리)사업(사업책임자 정윤희

교수)을 진행하여 협력대학인 광주과기원(GIST)에 주요 데모기

기 15종 및 DBL 주제개발을 함께 개발하였다. 이어 2014년

에 한국과학창의재단의 창조형 인재양성을 위한 스마트과학실

험실 구축 및 시범사업(사업책임자 정윤희 교수)을 진행하였다.

맺 음 말

포스텍 물리학과에서는 학생들이 좀 더 전문적이고 창의적인

물리적 사고를 가질 수 있도록 교육실험 환경개선을 지속적으

로 추진하고자 하며, 아울러 본 학과의 발전으로 인한 여러 가

지 인프라와 노하우를 지역과 더불어 전국의 청소년 및 교사

그리고 일반 시민에게도 공유할 수 있도록 과학문화확산의 노

력도 지속적으로 추진하게 될 것이다.