본 연구는 고등학교 학생들이 물리문제 풀이과정에서 겪는 어려움의 요인이 무엇이며 그 유형은 어떤 것들이 있는지 분석하는 것이다. 먼저 학생들이 물리문제 풀이과정에서 겪는 어려움의 요인을 분석하기 위해 고등학교 2학년 학생들을 대상으로 개방형 설문조사와 면담을 실시하여 물리문제 풀이과정에서 겪는 어려움 유형의 분석틀을 개발하였다. 개발된 분석틀을 이용해서 고등학교 2학년과 3학년 학생들을 대상으로 물리 교과의 역학 단원과 전자기학 단원의 문제풀이 과정에서 겪는 어려움 유형을 찾고 그 원인을 분석하였다. 분석된 연구결과는 다음과 같다.
첫째, 물리문제 풀이과정에서 겪는 어려움 유형 분석틀을 개발하였다. 분석틀 개발을 위해 고등학교 2학년 자연과학과정 학생 216명을 대상으로 “물리문제 풀이과정에서 어려움을 겪는 이유가 무엇입니까?(이유가 여러 가지라고 생각하면 모두 기술해 주세요)”라는 개방형 설문을 실시하여 180명을 대상으로 291개의 어려움을 분석하였다. 분석을 통해 개념적 지식과 과정적 지식으로 범주화한 후에 사후 면담을 실시하여 범주를 더욱 세분화하여 어려움의 유형 분석틀을 개발하였다. 분석틀 개발을 통해 개념적 지식에서 어려움의 유형은 필수선행지식 부족, 기호인식 부족, 공식이해 부족, 내용지식 혼동, 잘못된 선행지식으로 5개의 유형이 발견되었다. 과정적 지식에서 어려움의 유형은 이해 과정에서 그래프 해석능력 부족, 그림 해석능력 부족, 조건 확인능력 부족, 조건 해석능력 부족, 문제의 친숙성 부족, 평가요소 확인능력 부족, 평가요소 해석능력 부족으로 7개가 나타났고, 계획 과정에서 어려움의 유형은 상황 변환능력 부족, 시간적 변환능력 부족, 시각적 변환능력 부족, 물리적 영역이 다른 개념 적용능력 부족, 물리적 영역이 같은 개념 적용능력 부족, 개념 사이 관계인식 부족으로 6개가 나타났으며, 풀이 과정에서 어려움의 유형은 수학적 활용능력 부족, 공식 활용능력 부족, 변인들 사이 관계 짓는 능력 부족, 계산과정 수행능력 부족, 계산과정 실수, 결과 해석능력 부족으로 6개가 나타났으며 과정적 지식에서 총 19개의 어려움 유형을 발견하였다.
둘째, 역학문제 풀이과정에서 겪는 어려움 유형 분석을 위해 고등학교 2학년, 3학년 학생 60명을 대상으로 101개의 역학문제를 질문을 받아 244개의 어려움 유형을 찾아냈다. 이를 연구문제1에서 개발된 분석틀에 적용하여 역학문제 풀이과정에서 겪는 어려움 유형의 빈도를 분석한 결과 개념적 지식에서 어려움이 46%가 나타났고, 과정적 지식에서 어려움이 54%가 나타났다. 이를 다시 24개의 어려움 유형으로 나누어 분석하였다. 또한, 학생들이 질문한 101개의 역학문제를 사례별로 분석해서 각 사례별로 나타나는 어려움을 분석하고 상황에 맞는 수업전략을 제안하였다.
셋째, 전자기학 문제풀이 과정에서 겪는 어려움 유형 분석을 위해 고등학교 2학년, 3학년 학생 50명을 대상으로 64개의 전자기학 문제를 질문을 받아 100개의 어려움 유형을 발견하였다. 발견한 어려움 유형을 연구문제1에서 개발된 분석틀에 적용하여 전자기학 문제풀이 과정에서 겪는 어려움 유형의 빈도를 분석한 결과 개념적 지식에서 어려움이 45%가 나타났고, 과정적 지식에서 어려움이 55%가 나타났다. 이를 다시 24개의 어려움 유형으로 나누어 분석하였다. 또한, 학생들이 질문한 64개의 전자기학 문제를 사례별로 분석하여 각 사례별 어려움을 분석하고 상황에 맞는 수업전략을 제안하였다.
위의 연구결과를 바탕으로 역학과 전자기학 문제풀이 과정에서 학생들의 어려움을 살펴보면 역학 문제풀이 과정에서 학생들은 내용지식과 관련한 선행필수지식의 부족으로 가장 많은 어려움을 겪고 있었고, 물리 공식과 그 활용방법에 대한 어려움이 학생들에게 두드러지게 나타나고 있었다. 또한, 전자기학 문제풀이 과정에서 학생들의 어려움을 살펴보면 역학 문제풀이 과정과는 다르게 공식과 수학적 활용에 대한 어려움보다 개념적인 어려움을 더 많이 겪는 것으로 나타났다. 이는 전자기학이 눈으로 직접 볼 수 없는 미시세계의 현상을 다루기 때문에 학생들이 전자기학과 관련된 개념이해에 더 많은 어려움을 겪고 있는 것으로 판단된다.
위와 같은 연구결과는 일선 학교에서 교사들이 학생들에게 적용할 교수-학습전략을 세우는데 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 후속 연구로는 학생들과 교사를 대상으로 문제의 특성, 문제해결자의 특성, 문제해결과정의 특성 등 다양한 문제풀이 요인이 반영된 일반화된 분석틀 개발을 통해 문제풀이 과정에서 나타나는 어려움에 대한 학생, 교사, 환경, 신념 등이 반영된 후속 연구가 필요하다.