| 2015 개정 교육과정 고등학교 과학 계열 전문 교과 ('18~'24 高1) | |||
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■ 이후 교육과정:
2022 개정 교육과정 과학 계열 선택 과목 *: 수학과 선택 과목 |
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1. 성격
‘물리학 실험’은 ‘물리학Ⅰ’ 또는 ‘물리학Ⅱ’를 이수한 학생들이 심화된 수준으로 물리학 실험 탐구를 해 봄으로써 이공계로 진학하였을 때 필요한 실험 및 탐구 역량을 기르기 위한 과목으로 물리학에 흥미와 관심이 있는 일반계 고등학교 또는 과학 계열 고등학교 학생을 대상으로 한다.‘물리학 실험’은 ‘실험의 기초’, ‘역학’, ‘전자기학’, ‘광학’, ‘현대 물리’ 영역의 실험으로 구성된다.
‘물리학 실험’에서는 다양한 탐구 중심의 학습이 이루어지도록 한다. 또한 기본 개념의 통합적인 이해 및 과학의 탐구 경험을 통하여 과학적 사고력, 과학적 탐구 능력, 과학적 문제 해결력, 과학적 의사소통 능력, 과학적 참여와 평생 학습 능력 등의 과학과 핵심역량을 함양하도록 한다.
과학적 사고력은 과학적 주장과 증거의 관계를 탐색하는 과정에서 필요한 사고이다. 과학적 세계관 및 자연관, 과학의 지식과 방법, 과학적인 증거와 이론을 토대로 합리적이고 논리적으로 추론하는 능력, 추리 과정과 논증에 대해 비판적으로 고찰하는 능력, 다양하고 독창적인 아이디어를 산출하는 능력 등을 포함한다.
과학적 탐구 능력은 과학적 문제 해결을 위해 실험, 조사, 토론 등 다양한 방법으로 증거를 수집, 해석, 평가하여 새로운 과학 지식을 얻거나 의미를 구성해 가는 능력을 말한다. 과학적 탐구를 위해서는 과학 탐구 기능과 지식을 통합하여 적용하고 활용하는 능력이 필요하며 과학적 사고력이 이 과정에 기초가 된다.
과학적 문제 해결력은 과학적 지식과 과학적 사고를 활용하여 개인적 혹은 공적 문제를 해결하는 능력이다. 일상생활의 문제를 해결하기 위해 문제와 관련 있는 과학적 사실, 원리, 개념 등의 지식을 생각해 내고 활용하며 다양한 정보와 자료를 수집, 분석, 평가, 선택, 조직하여 가능한 해결 방안을 제시하고 실행하는 능력이 필요하다. 문제 해결력은 문제 해결 과정에 대한 반성적 사고 능력과 문제 해결 과정에서의 합리적 의사 결정 능력도 포함한다.
과학적 의사소통 능력은 과학적 문제 해결 과정과 결과를 공동체 내에서 공유하고 발전시키기 위해 자신의 생각을 주장하고 타인의 생각을 이해하며 조정하는 능력을 말한다. 말, 글, 그림, 기호 등 다양한 양식의 의사소통 방법과 컴퓨터, 시청각 기기 등 다양한 매체를 통하여 제시되는 과학기술 정보를 이해하고 표현하는 능력, 증거에 근거하여 논증 활동을 하는 능력 등을 포함한다.
과학적 참여와 평생 학습 능력은 사회에서 공동체의 일원으로 합리적이고 책임 있게 행동하기 위해 과학기술의 사회적 문제에 대한 관심을 가지고 의사 결정 과정에 참여하며 새로운 과학기술 환경에 적응하기 위해 스스로 지속적으로 학습해 나가는 능력을 가리킨다.
2. 목표
학생들은 다양한 개방적 탐구 및 문제 해결 과제 들을 수행하여 독창적이고 자기 주도적인 물리 탐구 능력을 개발한다. 이를 위한 세부 목표는 다음과 같다.가. 물리학 학습에 호기심과 흥미를 가지고 창의융합적으로 문제를 해결하려는 태도를 기른다.
나. 자연 현상 및 첨단 기술과 관련된 문제 해결에 활용된 물리학의 탐구 방법을 이해한다.
다. 물리 개념의 심화된 내용을 자연 현상의 탐구와 문제 해결에 적용한다.
라. 물리학 실험과 관련된 안전 및 윤리적 문제를 이해하고 적용한다.
3. 내용체계 및 성취기준
3.1. 내용 체계
| 영역 | 핵심 개념 | 일반화된 지식 | 내용 요소 | 기능 |
| 실험의 기초 | 물리량의 측정 | 물리량은 표준화된 측정 도구를 사용하여 측정한다. |
-측정 도구 -측정 방법 |
문제 인식 탐구 설계와 수행 자료의 수집·분석 및 해석 수학적 사고와 컴퓨터 활용 모형의 개발과 사용 증거에 기초한 토론과 논증 결론 도출 및 평가 의사소통 |
| 실험 장비의 사용 | 실험 장비는 사용법 및 관련 안전 규칙이 있다. |
-실험 장비 사용법 -안전 규칙 |
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| 자료의 해석 및 처리 | 실험에서는 오차가 발생한다. |
-측정과 오차 -유효숫자 -표와 그래프 그리기 |
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| 실험 보고서 작성 | 실험 보고서에 실험의 과정과 결과를 기록한다. | -실험 보고서 작성 방법 | ||
| 역학 | 운동과 에너지 | 물체의 운동과 에너지는 실험을 통해 분석할 수 있다. |
-등가속도 직선 운동 -뉴턴 운동 법칙 -마찰력 -자유 낙하 운동 -포물선 운동 -원운동 -주기 운동 -운동량 보존 -2차원 충돌 -일과 에너지의 관계 -역학적 에너지 보존 |
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| 열 | 열역학과 관련된 실험을 설계하여 수행한다. |
-얼음의 융해열 측정 -열의 일당량, 열팽창 |
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| 전자기학 | 전기장 | 전기장과 전위를 실험을 통해 확인한다. |
-전기장과 등전위선 -축전기 |
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| 전류의 자기 작용 | 전자기 유도를 실험을 통해 확인한다. |
-전류에 의한 자기장 -전자기력 -전자기 유도 |
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| 전기 회로 | 여러 가지 전기 회로와 관련된 실험을 통해 회로 특성을 분석한다. |
-옴의 법칙 -기전력과 내부 저항 -휘트스톤 브리지 -RC회로 -RL회로 -교류 RLC 회로 -반도체 회로 |
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| 광학 | 파동의 특성 | 파동의 다양한 성질을 실험을 통해 재현하고 확인한다. |
-파동의 반사와 굴절 -파동의 간섭 및 회절 -정상파와 공명 |
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| 빛의 특성 | 빛의 성질을 거울, 렌즈, 슬릿 등을 이용한 실험을 통해 재현하고 확인한다. |
-거울과 렌즈에 의한 상 -굴절과 전반사 -슬릿에 의한 회절과 간섭 -분광기 -마이켈슨 간섭계 -편광판 |
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| 현대 물리 | 빛의 이중성 | 광전 효과 실험을 통해 빛의 입자성을 확인한다. | -광전 효과 | |
| 원자의 구조 | 다양한 실험으로 원자의 구조를 알아낼 수 있다. |
-음극선 실험 -전하의 비전하 측정 -밀리컨의 기름방울 실험 -전자의 에너지 준위 |
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| 원자핵과 방사능 | 우리 일상에서 발생하는 방사선을 실험을 통해 알아낼 수 있다. |
-방사선 측정 실험 -안개상자 |
3.2. 성취기준
3.2.1. 탐구의 기초
물리학 실험에서 측정은 가장 기본적인 역량이며 측정에서 오차를 분석하는 일은 매우 중요하다. 오차 분석을 바탕으로 한 데이터 정리, 그래프, 표 등 자료 처리 등은 실험 보고서 작성에서 빠질 수 없는 부분이다. 최근에는 보다 정확한 측정을 위해 MBL 장치 등을 이용하여 실험을 수행한다.
[12물실01-01]측정 계기의 정확도와 정밀도를 인식하는 것의 중요성을 이해하고, 오차의 원인과 종류, 오차의 해석, 오차의 전파에 대해 설명할 수 있다.
[12물실01-02]유효숫자의 의미를 이해하고, 적절하게 사용할 수 있다.
[12물실01-03]측정 자료와 실험 결과를 표와 그래프 등으로 적절하게 변환하고 해석할 수 있다.
[12물실01-04]실험 보고서의 구성과 형식을 이해하고 작성할 수 있다.
[12물실01-05]길이, 질량, 시간 등과 같은 기본적인 물리량을 측정을 할 수 있다.
[12물실01-06]전압, 전류, 저항을 회로 시험기 등을 이용해 측정할 수 있다.
[12물실01-07]오실로스코프 장치의 사용법을 알고, 함수 발생기를 연결하여 파형을 분석할 수 있다.
[12물실01-08]컴퓨터와 각종 센서를 이용하는 실험을 수행하고 측정한 자료를 처리할 수 있다.
3.2.2. 역학
역학의 기본적인 실험에는 등가속도 직선 운동, 뉴턴 운동 법칙, 마찰력 실험, 자유 낙하 실험, 원운동 실험, 진자 운동 실험, 충돌 실험, 용수철 진자 실험 등이 있다. 이들 실험은 변인 통제를 통해 실험을 설계하며, 동영상 등을 통해 분석할 수 있다. 아울러 여러 물리 법칙을 이용하여 설명과 예측이 가능하다. 열역학 실험은 얼음의 융해열, 열의 일당량, 고체의 열팽창 실험이 있다.
[12물실02-01]독립 변인과 종속 변인을 구분하고 변인 통제의 중요성을 설명할 수 있다.
[12물실02-02]시간에 따른 물체의 속도와 가속도를 측정하여 등가속도 직선 운동을 해석할 수 있다.
[12물실02-03]일정한 크기의 힘이 물체에 작용할 때 질량과 가속도 사이의 관계를 실험으로 확인할 수 있다.
[12물실02-04]두 물체 사이의 접촉면의 성질에 따른 마찰력의 크기를 실험을 통해 비교할 수 있다.
[12물실02-05]실험을 통해 중력 가속도를 측정할 수 있다.
[12물실02-06]원운동 하는 물체의 구심력과 관련된 물리량을 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실02-07]진자의 주기에 영향을 주는 요인들을 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실02-08]두 물체가 접촉하고 있다가 서로 밀어서 떨어질 때 총 운동량이 보존됨을 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실02-09]두 물체가 충돌할 때 운동량의 변화를 조사하고 운동량 보존 법칙을 도출할 수 있다.
[12물실02-10]용수철 진자 실험을 통해 역학적 에너지가 보존됨을 확인할 수 있다.
[12물실02-11]열량계를 이용해 얼음의 융해열을 측정하고, 물의 상태 변화에 따른 온도 변화를 설명할 수 있다.
[12물실02-12]줄의 실험 장치를 이용하여 열의 일당량을 측정할 수 있다.
[12물실02-13]여러 가지 고체의 열팽창을 비교하는 실험을 설계하여 수행할 수 있다.
3.2.3. 전자기학
전자기 현상을 다루는 실험에는 정전기를 이용한 축전기, 전위와 전기장 실험이 있으며 전류와 전기 저항을 이용한 옴의 법칙, 단자 전압, 휘트스톤브리지 실험이 있다. 전류에 관한 실험에는 자기 작용을 이용한 직선 도선, 전동기, 유도 기전력 실험이 있으며, 저항, 코일, 축전기, 다이오드를 이용한 전기 회로 실험이 있다.
[12물실03-01]회로 시험기를 이용하여 다양한 전하 분포에 의한 등전위선을 그릴 수 있다.
[12물실03-02]간이 축전기를 만들어 두 극판 사이의 거리 및 면적에 따른 전기 용량의 변화를 측정할 수 있다.
[12물실03-03]전압, 전류, 저항 사이의 관계를 알아보는 실험을 설계하여 수행할 수 있다.
[12물실03-04]건전지 내부 저항의 크기를 측정하는 실험을 설계하여 수행할 수 있다.
[12물실03-05]휘트스톤브리지를 이용하여 미지 저항체의 전기 저항 값을 측정할 수 있다.
[12물실03-06]직선 도선으로부터의 거리 및 전류의 세기와 자기장과의 관계를 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실03-07]자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘의 크기와 방향에 영향을 주는 요인을 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실03-08]코일에 발생하는 유도 기전력의 크기와 방향에 영향을 주는 요인을 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실03-09]RC, RL 직렬 회로에서 시간 상수를 측정하는 실험을 설계하여 수행할 수 있다.
[12물실03-10]RLC 회로의 특성을 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실03-11]p-n 접합 다이오드의 정류 특성을 실험을 통해 확인하고 정류 회로를 만들 수 있다.
3.2.4. 광학
파동의 반사, 굴절, 간섭, 회절 특성을 알아보기 위해서는 수면파 발생 장치를 이용한 실험이 있으며, 현과 관을 이용한 정상파 실험이 있다. 빛의 반사와 굴절 특성을 알아보기 위해서는 구면 거울, 전반사, 볼록 렌즈, 오목 렌즈를 이용한 실험이 있으며, 빛의 회절과 간섭 특성을 알아보기 위해서는 단일 슬릿, 이중 슬릿, 다중 슬릿, 마이컬슨 간섭계, 분광계 실험이 있다. 그리고 입체 영상 실험을 통해 빛의 편광 현상을 알아볼 수 있다.
[12물실04-01]수면파의 반사와 굴절 현상을 관찰할 수 있는 실험을 통해 파동의 반사와 굴절의 규칙성을 확인할 수 있다.
[12물실04-02]수면파 발생 장치를 이용하여 두 파동의 보강, 상쇄 간섭 조건을 확인할 수 있다.
[12물실04-03]수면파 발생 장치를 이용하여 수면파의 회절 정도에 영향을 주는 요인을 확인할 수 있다.
[12물실04-04]정상파와 공명 현상이 일어나는 조건을 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실04-05]구면 거울에 의해 상이 형성되는 원리를 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실04-06]빛이 매질의 경계면에서 굴절하는 현상을 관찰하여 매질의 굴절률을 구하고 전반사의 조건을 찾을 수 있다.
[12물실04-07]볼록 렌즈와 오목 렌즈에 의한 상을 관찰하여 렌즈 방정식을 도출할 수 있다.
[12물실04-08]레이저를 이용해 이중 슬릿에 의한 빛의 간섭 현상을 관찰하며 간섭무늬에 대한 공식을 이용하여 빛의 파장을 구할 수 있다.
[12물실04-09]마이컬슨 간섭계를 이용하여 물이나 공기와 같은 투명한 매질의 굴절률을 측정할 수 있다.
[12물실04-10]단일 슬릿, 다중 슬릿 등에 의한 무늬가 슬릿의 폭, 슬릿의 간격, 빛의 파장에 따라 어떻게 나타나는지 실험을 통해 측정하고 변인 관계를 수식으로 표현할 수 있다.
[12물실04-11]분광기로 여러 가지 광원에 의한 스펙트럼을 관찰하여 그 특징을 비교할 수 있다.
[12물실04-12]편광에 의해 나타나는 현상을 실험을 통해 확인할 수 있다.
3.2.5. 현대 물리
광전 효과 실험을 통해 빛의 이중성을 알아볼 수 있으며, 음극선, 전자의 비전하 측정, 밀리컨의 기름방울, 프랑크-헤르츠 실험을 통해 원자의 구조를 이해할 수 있다. 그리고 방사선 측정과 안개상자 실험을 통해 원자핵에서 방사능이 방출됨을 확인할 수 있다.
[12물실05-01]광전 효과 실험을 통해 빛의 세기와 광전류 세기 사이의 관계를 확인하고 빛의 입자성을 설명할 수 있다.
[12물실05-02]음극선 실험을 통해 음극선의 성질을 설명할 수 있다.
[12물실05-03]균일한 자기장 속에 있는 전자의 운동을 통해 전자의 비전하를 측정할 수 있다.
[12물실05-04]전자의 기본 전하량을 측정한 밀리컨의 기름방울 실험을 재현하고, 그 원리를 설명할 수 있다.
[12물실05-05]원자 내부의 전자가 특정한 에너지 준위를 가지고 있음을 실험을 통해 확인할 수 있다.
[12물실05-06]방사선 측정기를 이용하여 여러 가지 물질의 방사선량을 측정할 수 있다.
[12물실05-07]간이 안개상자를 만들어 방사능 물질로부터 방출되는 여러 입자의 특성을 관찰할 수 있다.
4. 교수･학습 및 평가의 방향
4.1. 교수･학습 방향
‘물리학 실험’의 교수･학습은 이공계 진학을 희망하는 학생의 기초 지식 및 탐구 능력을 개발하기 위해 학생의 능력에 맞는 심화된 내용을 다룬다. 학생들이 적극적으로 참여하는 실험과 관찰 위주로 과학적인 경험을 쌓을 수 있는 기회를 적절히 제공하고, 다양한 개방적 탐구 및 문제 해결 과제 등을 수행할 기회를 제공하여 독창적이고 자기 주도적인 물리 탐구 능력을 개발한다. 과학과 교육과정의 주요 역량인 문제 인식, 탐구 설계와 수행, 자료의 수집･분석 및 해석, 수학적 사고와 컴퓨터 활용, 모형의 개발과 사용, 증거에 기초한 토론과 논증, 결론 도출 및 평가, 의사소통 능력을 적용하여 신장할 수 있는 기회를 제공한다. ‘물리학 실험’에서는 주로 실험 활동이 이루어지나, 강의, 토론, 조사, 견학, 과제 연구 등의 다양한 교수･학습 방법을 수업 시간에 활용할 수 있다. 또한 개방적 질문이나 문제 제기를 통해 학생의 고차원적인 사고를 개발하도록 한다.⑴ ‘물리학 실험’은 학생 및 학교의 실정에 따라, 학생의 능력과 흥미 등을 고려하여 내용을 재구성하여 실험할 수 있다.
⑵ 학교의 실정에 따라 자료를 준비하기 어렵거나 탐구 활동이 어려운 경우에는 교육과정의 목표에 부합하는 자료나 활동으로 대체할 수 있다.
⑶ 원리를 확인하기 위한 실험보다는 실험을 통하여 관련된 개념과 원리를 파악하여 일반화할 수 있도록 지도한다.
⑷ 실험 활동 대신에, 주어진 자료를 분석하고 종합하여 결론을 도출하는 방법과 토론법 등의 교수･학습 방법을 활용할 수 있다.
⑸ 학생의 이해를 돕거나 흥미를 유발하기 위하여 모형이나 시청각 자료, 소프트웨어, 인터넷 자료 등을 활용할 수 있도록 준비한다.
⑹ 실험하기 전에 실험실 안전 수칙을 확인하여 준수하고, 사고 발생 시 대처 방안을 숙지하도록 한다. 특히, 전기 기구를 다룰 때나 위험 요소가 있는 실험은 사전에 감전, 화재, 기구 파손 등 안전사고에 대처하는 방법을 지도한다.
⑺첨단의 고급 물리 실험 기기, 컴퓨터 활용 실험(MBL)과 물리 시뮬레이션을 활용한 실험을 적극 활용할 수 있도록 한다.
⑻ 실험 내용에 따라서는 과외 활동이나 과제 연구 내용 등을 활용할 수 있다.
⑼ 안내된 형태의 실험보다는 학생 스스로 실험 계획을 세워 수행함으로써 탐구 능력이 신장되도록 한다.
⑽ 실험 수행 및 보고서 작성에 첨단 과학, 과학자, 과학사 등과 관련된 자료를 참고할 수 있다.
4.2. 평가 방향
‘물리학 실험’의 평가는 학생의 기본 개념의 이해, 과학 탐구 능력 및 태도를 평가한다. 특히 과학의 주요 기능인 문제 인식, 탐구 설계와 수행, 자료의 수집･분석 및 해석, 수학적 사고와 컴퓨터 활용, 모형의 개발과 사용, 증거에 기초한 토론과 논증, 결론 도출 및 평가, 의사소통 능력을 고르게 평가하도록 한다. 기본 개념의 이해는 개념별 이해보다는 개념 통합적 이해 및 그 적용 능력을 강조한다. 모둠 활동을 통한 수행평가를 이용하여 과학 관련 태도로서 적극성, 협동성, 문제 해결 태도 등을 평가한다. 단편적 지식의 암기 또는 복잡한 계산 능력의 평가는 지양한다.평가 방식은 지필 선다형, 서술형 및 논술형, 보고서, 장기적인 포트폴리오, 모둠 활동, 자유탐구, 탐구 과정 평가 등을 활용한다. 평가는 평가 계획 수립, 평가 문항 및 도구의 개발, 평가의 시행, 평가 결과의 처리 및 활용 등의 절차를 거쳐 실시한다. ‘물리학 실험’의 구체적인 평가 방향은 다음과 같다.
⑴ 개념의 위계와 학습 지도 계획을 고려하여 평가의 시기를 결정한다.
⑵ 각 실험에서 평가하고자 하는 물리 개념 요소, 실험 방법 요소 그리고 실험 태도 요소를 명확히 한다.
⑶ 지필 평가와 수행평가의 비율, 각 평가의 방법을 학기 초에 명확히 한다.
⑷ 학습자 개개인의 물리 개념의 이해와 응용 능력을 평가한다.
⑸ 문제 해결력과 문제 해결 과정 중에 나타나는 창의력을 평가한다.
⑹ 실험 기구 조작 능력과 실험 수행 능력을 평가한다.
⑺ 데이터 처리 능력과 결과 분석 능력을 평가한다.
⑻ 계속 탐구하려는 의욕, 상호 협동, 증거 존중 등 과학적 태도를 평가한다.
⑼ 평가는 선다형, 서술형 및 논술형과 같은 지필 평가 이외에도 실험 교과의 특성을 반영하여 관찰, 실기 검사, 면담, 포트폴리오 등의 다양한 방법을 활용한다.
⑽ 타당도와 신뢰도가 높은 평가를 위해서 가능하면 공동으로 평가 도구를 개발하여 활용한다.
⑾ 평가 결과를 학생들에게 피드백 하여 다음 학습 계획에 반영되도록 한다.
⑿ 평가 결과에 근거하여 다음 교수･학습 계획을 수립한다.