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비전공자를 위한 멀티미디어 물리 강의
박 찬
문제의 핵심
1. 변화하지 않는 물리학
이공계 대학의 전통적인 선택과목인 일반물리학은 최근에 와서 학생들이 기피하는 (선택받지 못하는) 과목이 되어가고 있다. 이런 현상은 학부제의 시행과 더불어 교과과정의 개편으로 인한 교양선택의 폭이 넓어짐에 따라 시간이 지나면서 더욱 심해지고 있어서 물리학을 가르치는 물리학과의 입장에서는 위기감마저 느끼게 되었다.
문제의 핵심 중의 하나는 물리학의 내용이 추상적이고 수리적인 원리를 추구하는 다분히 고전적인 학문으로 그 동안 커다란 변화가 없었으며 구체성이 부족하여 일반 교양과목으로써 어렵고 재미를 느끼기 어려운 과목이라는 점일 것이다.
이러한 점은 일반물리학 교과서의 내용이 지난 30년 동안 크게 변화한 일이 없다는 것을 보면 알 수 있다. 더욱이 우리나라의 중·고교 물리교과 내용은 대학에서의 일반물리학 내용과 거의 동일한 것이어서 새로운 것을 추구하는 학생들의 흥미를 더욱 떨어지게 한다.
그럼에도 불구하고 물리학은 자연과학과 공학 기초과목이며 과학기술의 기반이라는 점은 예나 지금이나 미래에도 변함없는 사실일 것이다.
2. 변화하는 학생
물리학과 물리교육이 그 동안 거의 변화하지 않았던 것에 비하여 최근 학생들의 성향은 급격히 변화하고 있으며 이것은 한국뿐만 아니라 세계적인 현상이다. 학생들은 경제적인 풍요와 함께 어려운 일(3D)을 기피하는 것은 물론이고 이제는 "어려운 공부는 하지 않는다."라고 표현할 만큼 추상적이고 수리적인 과목을 기피하고 어려운 훈련같은 전공을 싫어한다. 이들은 전 세대보다 일회적인 가치와 단기적인 즐거움, 그리고 게임, 비디오, 영화, TV 등의 영상매체를 선호하고 문장과 수식을 기피하는 성향을 가지고 있다. 물리학의 전통적인 교육방법은 이들의 성향에서 볼 때 상당히 고전적일 수밖에 없다.
3. 교육환경의 변화와 멀티미디어
학생들의 성향이 크게 변화하고 있을 뿐만 아니라 우리를 둘러싸고 있는 환경도 급격히 변화하고 있다. 특히 컴퓨터와 인터넷의 폭발적인 발전과 대중적인 확산은 교육의 방법을 정보 통신기술 ICT (Information-Communication-Technology)에 바탕을 둔 형태로 바꾸지 않으면 안될 상황에 놓여있고 선진국의 상황도 이점에 있어서는 우리와 크게 다르지 않다. 멀티미디아의 발전과 인터넷에 의한 교육 정보의 수집과 전달은 더 이상 전통적인 강의 방법만을 고집할 수 없게 하고 있다.
교양과목으로서의 물리의
가능성
1. 전북대학교의 일반물리 수강 현황
전북대학교는 학생수가 16,000명에 달하는 지역의 중심국립종합대학으로 전국적으로 이와 비슷한 크기의 대학의 한 예로 볼 수 있겠다.
물리학과는 자연대, 공대, 농대 등 전교적으로 교양과목인 일반물리학을 가르치고 있으며 매학기 평균적으로 1500명의 학생들이 수강해왔다. 이와 같은 많은 학생들을 위하여 보통 40개의 일반물리 과목을 동시에 개설해야했고 학과 교수의 강의시간의 가장 커다란 부분이었다. 이 점이 물리학과가 다른 학과에 비해 교수수가 많고 학교 내에서 가장 큰 학과의 하나로 존재할 수 있었던 가장 큰 이유 중에 하나일 것이다. 아래 표에서 보는 바와 같이 공대학생의 비율이 가장 크며 자연대가 그 다음을 차지하고 있다. 그러나 최근 학부제통합으로 인한 교과과정 개편, 학생성향과 교육환경의 급격한 변화, 그리고 이에 적절히 대응하지 못했던 물리학과는 수강학생의 급격한 감소를 가져왔고 이대로 가면 교양선택 과목으로써의 물리학은 차츰 설 자리를 잃어버릴 위기감마저 가지게 되었다.
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2. 교양과목과 물리학
일반물리학은 공과대학, 농과대학, 자연과학대학에서 교양선택과목 중 계열공통과목으로 선정되어있기도 하지만 다른 교양과목과 경쟁적인 관계에 있다. 전북대학교에서는 두 학기 과정의 일반물리학 및 실험 1, 2와 한 학기 과정의 기초물리학 및 실험을 개설하고 있고 99년도부터는 전교생을 대상으로 하는 교양물리과목으로 "물리학의 세계", "
현대물리학과 우주", "
물리학과 생명과학"을 개설하여 점차 수강인원이 많아지고 있다. 교양물리학은 한학기 과정으로
가능한한 수학적인 내용을 피해서 가르쳐서 보다 많은 비전공 학생들이 물리학을 배울 수 있게 하려는 의도로 개설되었다. 그러나 타 교양과목과의 경쟁을 해야 하는 일은 전교생을 대상으로 하는 교양과목으로 물리학을 개설하는데 많은 어려움을 안고 있다. 다른 교양과목들을 살펴보면 "과학기술의 이해"라는 같은 영역 내에도 학생들의 호기심과 관심을 끌만한 과목들은 많다: "생활속의 화학", "인간과 환경", "지구의 탐구", "식량과 인류", "숲과 인류문화", "생명의 이해", "생물과 환경"등을 들 수 있다. 따라서 교양물리학은 물리적인 시각에서 자연과 현대과학기술의 이해라는데 초점을 맞추어 학생들이 물리학을 통해 과학적 흥미를 유도하는 역할을 하도록 해야할 것이다.
새로운 노력과 시도
비전공자를 위한 교양과목으로써의 물리학이 안고있는 문제점을 요약하면 변하지 않는 물리학에서 지적했던 바와 같이 1) 교육내용의 정체성과, 2) 학생의 변화 및 교육환경의 변화, 특히 3) 컴퓨터와 인터넷의 폭발적인 확대를 들 수 있을 것이다. 다음은 전북대학에서 시도하고있는 새로운 노력을 소개하고자 한다.
1. 멀티미디어를 쓴다
먼저 교과서와 칠판에 주로 의존하던 교육방법을 컴퓨터와 인터넷을 이용하는 멀티미디어 환경으로 개선하였다. 이미 고전적인 멀티미디어에 속하는 OHP와 비디오 장치를 넘어서 빔프로젝터를 계단교실을 포함하여 강의실 네 개에 고정설치하고 LAN이 접속된 컴퓨터 환경을 만들었다. 강의실 스크린을 중앙과 사이드에 두 개씩 설치해서 필요에 따라 칠판과 사이드 스크린을 동시에 사용함으로써 강의의 집중도를 높일 수 있다. 강의자료들은 영상적인 면을 강조하여 직접 눈으로 볼 수 있도록 Power Point (Microsoft 사)를 사용하여 만들어진다.
강의자료의 수집 또한 인터넷을 이용하여 주제에 맞는 최신의 내용을 될수록 많이 포함하도록 하였다. Power Point를 사용하면 이전의 OHP를 사용 할 때보다 비용이 전혀 들지 않으므로 칼라슬라이드를 무한정 보여줄 수 있다. 칼라 TV가 있는데 왜 흑백TV를 보겠는가? 빔프로젝터는 또한 강의실에서 각종 시뮬레이션과 애니메이션 및 데몬스트레이션을 직접 보여줄 수 있고 강의에 포함시킬 수 있다. 특히 정지 영상에 비해 동영상의 교육적 효과는 더 크다.
본인은 이러한 목적으로 학교의 특별지원을 받아 교육용 동영상을 자체 제작할 수 있는 시설을 갖추고 있다. 디지털 비디오 카메라와 방송급 디지털 영상 편집 장치(Midea100) 그리고 디지털 음성 녹음편집 장치와 소형 녹음실을 가지고 멀티미디어 교육자료를 직접 제작하는 일을 추진 중이다.
또 한가지 필요한 일은 강의용 홈페이지를 운영하는 일이다. 본인은 교양물리 강의용 홈페이지인 " http://chan.chonbuk. ac.kr를 연구실에 서버용 워크스테이션을 놓고 운영하고 있다. 학생들은 강의자료 전체를 홈페이지를 통해 어디서나 볼 수 있고 게시판을 통해 질의응답 토론에 참여할 수 있어서 사이버 강의로도 운영할 수 있다. 강의자료전체를 다운받을 수 있고 과제물의 제출과 확인 또한 이것을 통해 이루어진다.
학생들의 강의 참여를 유도하기 위하여 학생들 스스로 멀티미디어 레포트를 작성하고 발표하는 과제를 부과하여 인터넷과 멀티미디어를 사용하여 자료를 수집하고 발표하도록 하였다.
2. 전통적인 목차와
내용전달방식을 포기한다
교양과목으로써 물리학이 설자리는 점점 좁아져가고 있다. 전통적으로 기초과학으로써의 물리학의 중요성이 강조되어 왔던 공과대학에서조차 차츰 기피하는 경향이 있는 것이 사실이다. 전북대학교에서는 비전공자를 위한 전교적인 교양과목으로 영역을 확대하기 위해서 꼭 필요한 경우를 제외하고 수리적인 면을 없앤 "교양물리"를 개설하였다. 멀티미디어라는 방법을 쓰는 것만으로는 부족하고 교과의 내용을 과감히 바꾸었다. 대학에 들어온 학생들은 일반물리에서 배우는 내용이 중고교에서 배운 내용과 동일한데 식상하고 있기 때문이다.
먼저 역학, 파동, 열, 전자기, 물질, 현대물리학이라는 전통적인 순서와 목차와 방법을 포기할 수 밖에 없었다. 그 대신 같은 내용을 순서와 방법을 바꾸어서 자연과 첨단과학기술의 바탕에 깔려있는 물리학적 내용의 전체적 이해를 시도하였다. 일반물리학의 내용을 생활 속의 물리학 또는 수준이 높은 "대중과학"의 성격을 띠되 물리학적인 흥미를 유도하여 학생들이 쉽게 접근할 수 있도록 재구성하였다. 전통적인 목차대신에 새롭고 현실에 가까운 주제를 선택하였고 문제의 도입과 전개 방법을 과감히 바꾸었다. 자료의 수집 또한 인터넷을 많이 사용하여 최신의 정보환경이 되도록 했고 될 수 있는대로 영상자료를 많이 사용하여 물리학의 추상적인 개념에 접근하기 쉽도록 노력하였다
다음은 본인이 강의했던 교양물리과목들의 목차와 표지그림 및 내용의 일부이다.
●물리학의 세계
0. 초대
- 진행될 강의의 대략적인 소개와 멀티미디어 과제
1. 나는 네가 어제 한일을 알고 있다.
- 이동통신(휴대폰, PCS)의 위치추적, 인공위성 위치추적 장치(GPS) 와 원자시계 시간 표준까지, 광속 으로 거리를 측정한다
2. 떨어지는 모든 것
- 뉴턴에서 북한 인공위성 발사까지
3. 눈에 보이지 않는 기계 / 눈에 보이는 원자
- 삼성 256M D램부터 마이크로 로봇과 원자의 관찰과 조작까지
4. Chaos 속으로..
- 혼돈에서 기체 분자 운동과 비행까지
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5. 아인슈타인에게는 뭔가 특별한 것이 있다.
- 아인슈타인의 인생과 상대론
6. 다이아몬드 인 러브
- 가장 독특한 광학적 기계적 열적인 성질을 가진 물질인 다이아몬드 의 발견부터 인공 다이아몬드, 나노튜브까지
7. 오디션/ A U D I T I O N
- 신해철의 MIDI음악부터 파이 프올겐과 소리의 합성, 파동과 공명, 디지털 보청기까지
8. 내가 그의 이름을 처음 불렀을 때..
- 양자물리학이 시작되던 드라마같은 스토리
9. 운명적인 90도 사이
- 파라데이의 전자기 유도부터 초전도자석의 자기부상열차를 만들기 까지
10. 댄싱/ 인/ 더/ 라이트
- 빛 속에 춤추는 원자로부터 레이저와 레이저 무기, 레이저 수술까지
11. 끝없는 물질의 심연
- 원자핵 속에서 물질의 가장 끝까지
12. 허블로 들여다보는 우주틈새
- 팽창하는 우주와 망원경으로 들여다본 은하들과 우주론
13. 해피투게더 - 테마시리즈의 끝에서 전체적인 감상의 교류
●물리학과 생명과학
0. 과학은 자연의 모방이다 (박찬생각)
1. 철새와 에스엠파이브의 내비게이션
-철새의 항해술과 인공위성 위치추적, 원자시계와 표준의 중요성
2. 보이지않는 기계:
-주차카드와 버스카드의 마이크로웨이브 tag 전자기파
3. 원자조작의 꿈 사이보그
- 반도체 메모리가공 기술부터 DNA 칩 나노테크놀로지와 원자의 조작
4. 화성의 전설적 생명/ 패스파인더
- 화성에서 온 운석 속의 고대미생물 화석과 패스파인더의 화성착륙
5. 생물전기
- 생명과 전기, 전기와 자기 그리고 파라데이의 유도전류, 자유전자와 발전
6. 오디션 / P I N N A
- 파동, 소리, 음파의 인식과 합성, 기계적 공명, 귀와 공명, 귀바퀴의 방향인식
7. 우주에 우리뿐인가?
- 우주생명을 찾는 계획인 SETI의 과학적배경
8. 끝없는 물질의 심연
- 원자핵, 핵속의 물질의 끝
9. 카본데이팅
- 방사능과 식물 속의 탄소를 이용한 연대측정
10. 무중력 /중력/생명체
- 중력과 우주비행사의 무중력
11. 아인슈타인에겐 뭔가 특별한 것이 있다
- 상대론과 아인슈타인의 인생
12. 내가 그의 이름을 처음 불렀을 때...
- 프랑크로부터 출발했던 양자론의 드라마
13. 불붙는 얼음
- 해저에 매장된 메탄 얼음과 에너지와 환경
14. 별과 함께 탄생하는 생명
15. 네 개의 달
- 목성위성 유로파의 숨겨진 바다와 생명의 가능성
16. 100개의 눈
- 곤충의 눈과 시각
17. 파리의 비행
- 비행과 파리의 독특한 비행술
18. 브로드 밴드
- 인터넷의 폭발과 초고속 인터넷
19. 메디칼 이미징
- 초음파, x-ray CT, MRI 이미징
●현대물리학과 우주
1. 꼼/ 짝/ 마
- 이동통신의 위치추적 인공위성 위치추적
- 원자시계 시간표준 길이의 측정
2. 조작된 원자의 꿈 사이보그
- 원자의 조자과 나노 테크놀로지
3. 과거와 미래의 혼돈
- 상대론
4. 베를린 1900년
- 양자물리학의 시작
5. 화성의 전설적 생명
- 화성에서 온 운석의 동위원소 분석
6. 빛 속에 춤추는 원자
- 원자와 빛의 스펙트럼
- 레이저와 홀로그람 레이저 무기
7. 우주에 우리뿐인가?
- SETI의 과학적 노력
8. 우주로 가는 길
- 우주 수송의 여러 가지 노력
9. 허블로 들여다본 우주
- 우주망원경이 보여주는 우주론
10. 불붙는 얼음
- 깊은 해저에 매장된 메탄얼음
11. 숨겨진 질량
- 우주론의 미스테리
12. 별의 운명
- 별의 생애
14. 100개의 눈
- 곤충의 눈과 시각
15. 네 개의 달
- 목성의 달, 조력에 의한 얼음 밑 바다
16. 별과 함께 탄생하는 생명
17. 브로드 밴드
- 인터넷과 초고속 인터넷의 방법들
18. 잊혀진 행성
- 수성 탐사
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박찬 교수는 독일 TU Clausthal 대학에서 물리학(표면물리) 박사학위를 취득한 후 미국 NASA-Ames 연구소에서 연구원으로 일했으며 현재 전북대학교 물리학과에 재직중이다. |
의학도를 위한 물리학 강의 경험 소개
유 인 석
저는 1996년 2학기부터 1999년까지 3년간 서울대학교의 의예과와 치의예과 학생들을 위한 일반물리학 강의를 맡은 경험이 있습니다. 서울대학교의 1학년 학생들을 위한 일반물리학 교육은 매년 2000명이 넘는 이공계 학생들이 수강하는 대규모의 교과목입니다. 과거에는 의예과 학생들이 반드시 수강해야만 하는 필수과목의 범주에 속해 있었기 때문에, 의예과 학생들이 모두들 수강을 했 지만, 필요성을 느끼지 못하고 강제적으로 수강한다고 생각해서 그랬는지 수업 분위기는 아주 나쁜 편이었습니다. 1996년에 의예과 학생들의 교과목 이수 규정이 바뀌어 물리학, 화학, 생물학 교과목 중에서 두 과목을 선택할 수 있게 됨에 따라, 물리학을 선택하는 학생 수가 격감하여 1996년도의 경우 7명의 의예과 학생들만이 수강을 하였습니다. 이 정도의 수강생 수는 강좌를 유지하기 위한 최소한의 학생 수에도 모자라는 것으로, 다른 전공의 학생들을 포함하여 겨우 강좌를 열 수가 있었습니다. 이러한 사실에 물리학과는 걱정이 되어 대처 방안을 찾게 되었습니다. 그 한 방안으로 이 과목을 맡게 된 저에게 학과는 교과목 운영에 대한 전권을 위임함으로서 여러 가지의 변화를 시도할 수가 있었습니다. 이와 같은 학과의 전폭적인 성원과 함께 제 자신으로도 다분히 자발적인 시도였기에 힘은 들었지만 큰 자부심을 느끼고 있습니다. 혹시 여러분에게도 도움이 될까 하여 그 동안에 시도했던 몇 가지 방법과 경험을 여기에 소개합니다. 참고로 이 글은 다른 이의 추천에 의해 본의 아니게 게재하게 된 대학 교육지에 실린 글을 바탕으로 한 것입니다.
우선 제가 시도한 내용을 크게 요약하면 수강 학생들의 관심을 유도하기 위한 강의 방식과 강좌 운영의 다양화와, 학생들의 수강 의욕을 고취시키기 위한 강의 내용의 선별이라고 할 수 있습니다. 또, 학생들의 수업에의 참여도를 높이기 위한 방안으로 학생들이 스스로 택해 과제를 정하고 수행한 다음에 발표하도록 하는 탐구 과제 제도를 도입하였고, 학생들과의 의사 소통을 원활히 하기 위한 방편으로 가상 강좌와 질문지 제도를 이용한 것이 그 주된 내용입니다. 이 강좌의 전문성을 부각시키기 위한 목적으로 교과목의 이름도 "의학도와 치의학도를 위한 물리학"으로 다른 강좌와 차별화 시켰습니다.
강의 방식의 다양화를 위한 방법으로는 비디오 교육 자료를 활용하였고, 강의 자료로 transparency를 쓰면서 overhead projector를 사용한 것과, 강의 내용의 인터넷 홈페이지 게재를 들 수 있습니다. 비디오 교육 자료로는 미국 캘리포니아 공과대학의 물리학과에서 제작한 "물리학의 세계"라는 비디오테이프를 강의 시간에 상영함으로서, 일률적인 강의의 지루함을 해소하고, 흥미를 유발하여 학습 효과를 높이도록 했습니다. 처음(1996년도)에는 강의실에 비디오 시설이 갖춰져 있지 않아서, 영상 강의실(서울대학교 영상 매체 연구소)을 빌려서 이용하였습니다. 때문에 두 주일에 한 시간만 이용이 가능했고, 따라서 편 당 25분 정도 길이의 자료를 한번에 두 편씩, 한 학기에 12 편 정도를 상영하였습니다. 나중(1998년 이후)에는 몇몇 강의실에도 비디오 상영 시설이 갖춰짐으로서 시설이 갖춰진 강의실을 배정 받아 이용하였으며, 1주일에 하루 강의 시간 중에 한편의 비디오를 상영하고 남은 시간은 비디오 자료에 대한 질문이나 강의에 활용하였습니다. 전통적인 칠판에의 판서 대신 transparency를 사용한 강의 방식은 판서에 필요한 시간을 절약하고 사진이나 그림 자료를 활용하는 면에서는 효율적이나, 반면에 자료 작성에 많은 수고가 들 뿐더러 어두운 강의실 환경에서 자료가 한꺼번에 비쳐지기 때문에 수강하는 학생들이 자료를 습득하는데 집중력을 떨어뜨리는 면도 있는 것 같습니다. 따라서 학생들에게는 판서와 영상 자료를 혼합하여서 강의하는 것이 더 효율적이리라는 생각이 들었습니다.
1998년부터는 강의록을 독자의 홈페이지에 실었으며, 이를 이용해서 강의는 학생들의 질문 중심으로 진행시키도록 노력했습니다. 그 이유는 강의를 아무리 잘 준비하고, 또한 잘 하려고 노력하더라도 그 성과는 결국 학생들이 어떻게 받아들이고 소화시키느냐에 달려 있기 때문입니다. 그러나 이 방법은 학생들의 참여도 부족으로 실패했는데, 처음에는 몇 몇 학생들이 적극적으로 질문을 하는 등 새로운 시도에 흥미를 가졌으나, 얼마 지나지 않아서 대부분의 학생들이 참여하지 못하고 겉도는 느낌을 받았습니다. 우리 학생들은 강의 시간 중에 질문하는 것을 여러 가지 이유에서 대단히 어려워합니다. 이에 대한 해결책으로 시도한 방법이 질문지 제도입니다. 이는 매 강의 시간 초에 수강 학생들이 그 시간에 공부할 내용에 대한 질문을 적어서 제출하도록 하는 것으로, 학생 개개인의 학습 정도와 강의의 성취도를 알아보고 또, 학생들의 출석과 강의 내용에 대한 예습을 유도하기 위한 부수적인 목적도 갖고 있었습니다. 이 방법도 처음에는 그렇게 성공적이지 못해서 심지어는 질문지를 대신 써서 제출하는 경우도 있었고, 많은 질문이 호기심의 차원에 머물거나 장난기로 쓴 경우도 눈에 띄었습니다. 그러나 제출된 질문지는 모두 강의 홈페이지에 싣고, 가능한 한 속히 일일이 답을 실어 주었습니다. 이렇게 함으로서 각자의 질문에 대한 답변과 함께 다른 학생들의 질문과 답도 모두가 볼 수 있었습니다. 1999년 11월 23일에 받은 질문지 중의 일부를 예로 보이겠습니다.
질문) 지난번 질문에서 전파를 보낼 때 반송파에 어떻게 싣는가에 대해 질문한 적이 있다. 무엇을 변조하는가가 아니라 어떻게 변조하는가에 대한 원리를 알고 싶다. 또, 변조된 전파를 싣는 것이 어떻게 가능한 지도 알고 싶다.
답) 진폭변조(AM)는 반송파를 출력하는 송신관(진공관)의 그리드에 음성 또는 음악의 오디오 신호(전압)를 가해주는 방법으로 변조합니다. 주파수변조(FM)는 반송파의 발진부에 전압조절 전기들이 다이오드(varactor diode) 등을 통해 음성신호 전압을 주파수 변화로 바꿔주거나 일정 떨기수의 반송파와 음성신호를 섞어주는(mixer) 방법을 사용합니다. 변조된 전파란 AM 과 FM 모두 반송파 주파수를 중심으로 ±(음성신호 떨기수) 범위의 여러 떨기수의 전자기파가 섞여 있는 것과 같습니다.
질문) 아인슈타인에 의하면 질량이 에너지로 전환될 수도 있다는데, 반대로 에너지가 모여서 질량이 될 수도 있는가? 자연적으로든 인위적으로든...
답) 그렇습니다. 같은 떨기수의 두 전자기파(γ-선)가 반대 방향으로 만나서 사라지면서 물질(알갱이)과 반물질(반대알갱이)의 짝을 생성하는 짝생김(쌍생성, pair creation)이 일어납니다. 이 현상은 우주선(cosmic ray)이 지구 대기층에 들어오면서 대기 분자들의 원자핵과 충돌하여 생기는 γ-선 들에 의해 발생하기도 하고, 높은 에너지의 가속기에서 인위적으로 발생시키기도 합니다.
질문) Ch. 9 시각의 실체에서 가장 마지막에 나오는 '유리로 된 피펫으로 빛에 의한 전류 변화 측정 방법'을 자세히 설명해 달라. 라이만, 발머, 파센 계열이 무슨 의미를 갖는가? l = 4 u = 5, 6, 7,.. 에 해당하는 계열도 존재할 수 있는가? 전자의 에돌이현상도 설명해 달라. (이것이 입자의 파동적 성질을 어떻게 설명하는지도..)
답) 언젠가 대답한 적이 있는 질문입니다. 더 자세한 것은 A. Lewis and L. V. Del Priore, Physics Today 41, 38-46 (January 1988)을 참조하세요. Physics Today는 중앙도서관 정기간행물실이나 물리학과 도서실(27동 223호실)에 있습니다.
수소 원자로부터의 빛띠 중에서 여기된 상태로부터 바닥 상태(l = 1, 라이만 계열), 그 다음으로 높은 에너지 상태(l = 2, 발머 계열), 다시 그 다음으로 높은 에너지 상태(L = 3, 파센 계열)로의 되돌이(deexcitation)에 의해 나는 빛띠를 의미합니다.
물론 다른 계열들도 존재합니다.
전자의 에돌이 현상이란 마치 파동(X-선)의 에돌이와 같이 원자들로 된 살창(격자, lattice)을 통해 에돌이되는 것으로 이는 전자의 파동성을 입증하는 것입니다.
질문) 지난주에 상대성이론에서 '빛에 가까운 속도로 이동하면 물체의 길이가 줄어든다.'라는 것은 관찰자의 입장에서 그렇게 관찰된다라는 것인가? 그렇다면 SF 소설 등지에 흔히 등장하는 광속의 우주선에 타고 있으면 시간이 흐르지 않는다. 또는 빛보다 빠르게 지구 주위를 돌면 시간 여행이 가능하다라는 것들은 마찬가지로 관찰자의 입장에서 그렇게 보인다는 것인가?
답) 그렇습니다. 그러나 관찰자의 입장이라는 것이 관찰자가 정지해 있는 좌표계에서 일어나는 자연현상이라는 말입니다.
질문) 전자친화도가 무엇인가?
답) 전자와 친한 정도라는 말이고, 정량적으로는 원자가 전자를 포획했을 때 방출하는 에너지로 정의합니다. 즉, 에너지를 더 방출할수록 전자를 포획한 상태가 더 낮은 에너지 상태라는 뜻이고 결국 전자와 더 친한 것이 됩니다.
질문) 쿼크와 타키온의 개념에 대해 설명해 달라.
답) 퀴크란 물질의 기본적인 구성 요소 중에서 센 알갱이(강입자, hadron)들을 이루는 단위라고 생각하는 씨알갱이들입니다. 6개의 쿼크와 6개의 반대쿼크들이 있으며, 이들은 모두 직접 찾아낼 수는 없지만 간접적인 증거들로 그 존재가 확인되었습니다. 타키온이란 빛의 속력보다도 더 빠른 속력으로 운동하는 가상적 알갱이를 말하며, 이들은 존재한다면 항상 빛의 속력보다 빨리 운동해야만 합니다.
질문) 내장된 스피커가 없는 컴퓨터에 외장형 스피커를 연결했더니 스피커의 전원이 연결되지도 않았는데 소리가 난다. 전원이 연결되지 않아도 소리가 나는 이유가 궁금하다. 컴퓨터와 스피커를 연결하는 케이블로는 전류가 그리 흐를 것 같지 않은데...
답) 제대로 답을 하려면 스피커의 내부 회로(전기흐름길)를 알아야 하지만 아마도 트랜지스터의 베이스와 콜렉터 사이의 다이오드 접합을 통해 컴퓨터로부터의 신호가 정류되어 스피커에 전류를 흘려서 구동시키는 것으로 생각됩니다.
질문) 빛이 가지는 입자성과 파동성 중에 어떤 면이 양자역학과 깊은 관련이 있는가?
답) 모두입니다. 원자나 분자와 같이 좁은 공간에 국소화된 알갱이(전자)가 양자역학적인 특성을 가지며, 이와 상호작용하는 빛도 양자역학적 특성이 나타나는 것입니다.
결국 한 학기 동안에 1000개가 넘는 질문을 주고받은 셈이며, 학생 각자는 20여개의 질문과 그 질문에 대한 교수의 대답을 받음으로서, 강의에의 소속감과 참여 의식을 갖게 되어 교육 효과가 매우 컸다고 생각합니다. 실제로 이 제도를 시행하면서 점차 놀라울 정도로 예리한 질문을 하는 학생들이 나타났고 또, 신중히 생각하는 학생들의 수가 늘어나서 많은 질문을 일일이 답변하는 것이 힘든 중에서도 보람을 느끼는 때가 많았습니다.
마지막으로 탐구 과제와 가상 강좌에 대해 언급하겠습니다. 제 경험으로는 교수의 강의를 학생들이 수동적으로 받아들이는 종래의 교수 방법보다는 학생들 스스로 의문점을 찾아서 해결해 나가도록 노력하는 능동적인 방법이 교육 효과가 더 크다는 확신을 갖고 있습니다. 제가 채택한 탐구 과제란 방법은 학기초에 수강생들이 1~3인으로 자유로이 팀을 이루어서 한 학기 동안 수행할 탐구 과제를 정하고 틈틈이 조사, 정리하여 학기말에 발표하도록 하는 것입니다. 처음 수강 학생 수가 작을 때는 직접 강의실에서 transparency 등을 써서 구두로 발표하도록 하였고, 다른 수강생들과 함께 교수가 청중으로 참여하여서 일반 학술 세미나 형식으로 질의, 응답토록 하였습니다. 이 방식은 여러 사람 앞에서 발표하는 기회를 전혀 갖지 못한 우리 학생들에게는 특히 귀중한 기회를 제공하여 권장할 만하다고 생각합니다. 그러나 수강 학생의 수가 많아지면서 이런 방식으로는 모든 학생들이 발표하도록 할 수가 없게 되어, 가상 강좌의 토론장 기능을 이용하여 탐구 결과를 틈틈이 가상 강좌에 올려놓는 방식을 취하였습니다. 가상 강좌 방식은 탐구 과제의 진행 과정을 한눈에 알 수 있고 또, 질의 응답이 수시로 이루어지며 기록이 되기 때문에, 강의 시간과는 별도로 운영할 수 있는 장점이 있습니다. 그러나, 직접 발표의 효용성을 무시할 수가 없어서 나중에는 지원 또는 추천에 의해 선별된 몇 개 팀의 구두 발표를 병행시키기도 했습니다. 어쨌든 탐구 과제는 수동적인 교수 방법에 젖어 있던 학생들에게 신선한 충격이 될 수가 있습니다. 처음에는 주제 선택의 자유가 주는 무게와 자료를 찾아 나가는 경험의 부족 등으로 인해서 어려움을 호소하는 학생들도 상당수가 되었지만, 학기를 마칠 때쯤에는 무엇인가 스스로 해내었다는 성취감에 대부분 만족하고 있었습니다. 그러나 대부분의 학생들이 상당히 시간이 지나간 다음에서야 본격적인 탐구를 시작하는 바람에 시간에 쫓기는 경향이 있으므로, 담당 교수는 수시로 학생들의 주의를 환기시키고 또, 시간을 안배할 수 있도록 지도할 필요가 있습니다. 참고로 1999년도 2학기에 수강한 80명의 학생들이 팀을 이뤄서 수행한 41개의 탐구 과제를 소개하면 다음과 같습니다.
- 음성인식
- 대전 방지제에 대한 연구
- 전자파 장해에 대한 측정기술과 차폐기술
- 우리 눈은 녹색을 좋아할까?
- 반도체와 물리
- 안테나의 과학
- 지자기를 이용한 동물의 정위기제에 관한 물리학적 고찰
- 흑체복사를 계기로 부각된 양자론
- 지구자기장이 생명체에 미치는 영향
- 방사선치료
- 레이저에 대하여
- 레이저쇼의 원리
- 자살에 실패하는 사람들의 비애
- 사랑을 하면 몸에 전기가 흐를까?
- 섬유의 종류에 따른 정전기의 발생 특성
- 인체의 전기전도 특성
- 시간을 넘어서(물리학적 시간과 생물학적 시간의 극복) 선탠의 원리와 악영향
- 선탠 및 자외선차단제의 원리
- Holography
- 내진공법의 원리
- 색맹의 원인과 치료
- 인공심장에 대하여
- 신경의 물리학
- 한의학에서 찾아볼 수 있는 물리적 원리
- 침술과 인체
- 전자기파를 이용한 의료기기의 원리
- 뇌의 구조와 작동 메카니즘
- 전자기파가 인체에 미치는 영향
- 전기 안전에 관하여
- 이동전화의 사용이 인체에 유해한가?
- 방사성 동위원소의 의술에의 이용
- 음파를 전기로 바꾸는 기타 픽엎
- mc2의 원리(뇌파와 공명)
- 초음파 영상진단기의 원리
- 전자기파의 종류에 따른 특성 및 용도
- 수맥의 허와 실
- CT의 현재와 미래
- 뇌자기의 근원(Brain mapping)-인지, 감정과 관련하여 다이어트의 방법과 효과
- 시각-우리의 눈은 어떻게 사물을 보 며, 물체의 색이나 질감은 어떻게 구별할 수 있는가?
제가 맡은 과목이 서울대학교 가상 대학 시스템의 한 강좌로 채택되어 1999년도 1, 2학기에 1년간 가상 강좌로도 운영이 되었습니다. 제가 활용한 가상 대학 시스템(Top Class)은 몇 가지 불편한 점도 있었지만, 비교적 만족스럽게 이용하였습니다. 가상 강좌의 토론장에는 각 팀별 탐구 과제의 폴더가 마련되어서 여기에는 각 팀이 조사한 내용, 다른 학생들이 쓴 질문과 이에 대한 답변 등 총 660개의 메시지가 한 학기 동안에 실렸습니다. 또, 1999년 2학기 마지막에 토론장을 통해 시도한 두 번의 가상 토의는 인상적이었습니다. 이는 아침 9:00-10:15의 정규 강의 시간을 이용하였으며, 각자의 집 또는 편리한 자리에서 pc 통신의 대화방 형식의 토론을 진행한 것입니다. 첫 번째에는 참여 학생의 수도 작았고 익숙하지 못해서 82개의 메시지를 기록하는데 그쳤으나, 두 번째에는 몇 개의 주제를 미리 정하여 서로 다른 폴더에서 토론이 이루어지도록 하였고 같은 시간 동안에 136개의 메시지가 입력되었습니다. 가상 강좌의 토론장이 폴더 방식으로 구성되어 있어서 pc 통신의 대화방만큼 토의에 편리하지는 못했으나, 새로운 시도에 참여한 모두가 즐거웠습니다.
이 글을 맺으면서 몇 마디 당부의 말씀을 드리려고 합니다. 우리 모두 교양 물리학 교육의 중요성과 당면한 문제점의 심각성을 인식하고, 개선책을 찾고자 합니다. 그 해법은 학과나 대학, 정부의 문제 인식, 개선에 대한 의지 및 지원과 함께 직접 교육 현장을 담당하고 있는 교수들의 자발적인 의욕과 끈질긴 노력이 요체가 됩니다. 그 의욕을 꺾지 말아야 합니다. 특히 불필요한 시간과 노력의 낭비가 없어야 합니다.
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유인석 교수는 미국 노스웨스턴대학교 이학박사로서 미국 듀크대학교 연구원을 거쳐 현재 서울대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 또한 95년부터 서울대학교 일반물리학 실험의 개선 작업을 주관하고 있다. |