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1. 서론

급변하는 현대사회에서 대학교육은 미래사회를 이끌어갈 학생들에게 인문학적 소양을 바탕으로 여러 분야의 지식기반 위에 창의적으로 문제를 해결할 수 있는 융합형 인재 양성을 위한 과학교육이 요구되고 있다. 현재 화석 연료의 사용과 산업 활동으로 인한 온실가스 증가는 지구 온난화에 의한 기상이변 현상을 야기하고, 화석 연료의 고갈로 인한 에너지 위기 상황에 직면하고 있다. 또한 코로나바이러스 감염증-19(coronavirus disease-2019, COVID-19)는 전 세계의 경제⋅사회⋅문화⋅일상생활 전반에 커다란 영향을 미치고 있다. 그리고 다양한 분야에서 비대면⋅원격사회로의 변화와 헬스케어, 교육, 교통, 물류, 제조, 환경, 문화, 정보⋅보안 등 사회⋅경제적 파급효과가 큰 새로운 과학융합 기술이 출연하는 포스트 코로나 시대가 우리를 기다리고 있다.

4차 산업혁명은 초융합성, 초연결성, 초지능성의 특징을 갖고 첨단 과학기술들이 동시다발적으로 빠르게 융합하면서 사회에 빠른 속도로 확산하고 있다. 이러한 지식기반 사회에서 끊임없이 생산되는 새로운 지식을 배움과 동시에 낡은 지식이 되는 지식의 가치변화는 새로운 교양교육의 필요성을 확실히 각인시켜 주고 있다. 기존 대학 교양교육의 프레임을 가지고 급변하는 4차 산업혁명 시대의 교양교육은 한계에 이르러, 교육의 목표, 교육내용 및 방법 등 교육 전반을 다시 고민할 수밖에 없는 상황이 도래하였다(백승수, 2017: 14). 현재 과학과 관련된 사회적, 경제적, 윤리적 문제들이 꾸준히 제기되고 있으며, 이를 올바로 이해하고, 판단하기 위해서는 과학적 소양이 필요하다고 강조하고 있다(이은경 외2인, 2016: 299). 과학적 소양이란 현대사회에서 시민으로서 사회생활에 참여하는데 필요한 의사결정 능력, 사회문화적 이해, 경제적 산업적 생산능력을 갖추는데 필요한 과학적 지식 그 자체뿐만 아니라 그 지식이 형성되어온 과정에 대한 이해와 과학적 추론 능력이나 사고 방법이다(김윤기 외2인, 2015: 349). 대학에서 과학 교양교육은 단순히 과학 지식을 습득하는 데 그치지 않고 과학, 인간, 사회에 대해 통합적으로 접근함으로써 성찰적이고 비판적인 사고를 신장하고 이를 토대로 문제 해결 능력을 함양할 수 있는 방향으로 꾸준히 변화해 왔다(조헌국, 2013: 350; 박진희 외3인, 2017: 5).

최근 각 대학 교양필수과정에서 융합교육을 위한 시대적 요구에 부응하여 각 대학에서는 과학기술 영역에서 교양교육으로써 과학과 관련된 융합 교육을 위해 교양 교과목을 재정비해 왔다(김양희, 김혜영, 2012: 365). 과학전공자를 위한 수학, 기초과학을 교육하는 기초교육과 비이공계 학생들을 위한 기초교양으로 과학 관련 교과목이 개설되고 있다. ”교양교육으로서 과학교육의 현황분석”에서 국내 대학에서 기초교양 과정 중에 물리, 수학, 화학, 생물과 같은 기초과학 과목을 기초교양의 선택형으로 개설하여 과학의 입문 과정으로 활용하고 있다.(김혜영 외2인, 2017:402). 최근 발표된 ”대학 과학 교양교육의 현황과 개선안 모색”에서 교양교육 과정 중에 비이공계 학생도 과학영역에서 이수 의무를 두고 있는 대학은 전국 50개 대학 중 56%인 28개 대학에 달하고 있다(손향구 외2인, 2018: 209). 그러나 전문가들은 대학 교양과정에서 과학적 사고와 과학적 소양을 위한 과학 교양과목으로 물리학, 화학, 수학, 생물학과 같은 기초과학의 단 하나를 선택하여 이수하도록 하는 분과 학문적인 접근보다는 통합과학의 형태가 학습 과정의 효율성에서 적절함을 강조하고 있다(김원섭 외6인, 2019: 62).

이처럼 교양과학의 중요성이 대두되면서, 교양 과학 관련 교과목 운영사례와 성과에 관한 연구가 발표되고 있다. 경제 경영학과 학생을 위한 수학교육의 문제와 개선 방향 제시(김성옥, 2005), 자연과학 프로젝트 교과목 사례연구(이은경 외2인, 2016), 비이공계 또는 생물학 비전공자를 위한 ‘생명과학과 삶’ 교과목 개설과 운영(장수철, 신주옥, 2017) 등 비전공자를 위한 교양 과학의 교과목 성과와 개선 방안에 대한 논의가 진행되었다. 그러나 대학 교양교육에서 교양과학으로 기초과학과 통합과학 교과목의 운영사례의 비교 연구는 미흡하다.

본고는 대학 교양교육 과정에서 학생들에게 과학적인 사고력과 과학적 소양을 함양하기 위한 기초과학 교육과 과학융합 교육의 운영사례를 비교 연구하고자 한다. 건국대학교 글로컬캠퍼스 교양과학 교육의 운영사례연구로, 기초과학의 교과목으로 <대학기초물리학>과 통합과학으로 개설된 <자연과학개론> 교과목의 교과 내용 및 수업방식, 그리고 교과 운영 결과를 통해 대학 교양과학 교육의 개선점을 살펴보고 효과적인 교양교육의 발전을 위한 기초자료로 활용되길 기대한다.

2. 융합형 인재 양성을 위한 교양 과학교육

제4차 산업혁명 시대에 정보통신기술(ICT, Information & Communication Technology)의 핵심기술에는 [그림 1]에서 보여준 바와 같이 클라우드(cloud), 빅데이터(big data), 인공지능(AI, artificial intelligence), 사물인터넷(IoT, Internet of Things), 5G(이동통신서비스) 등이 물리, 생물 등의 다양한 분야에서 기하급수적으로 융합되고 있다. 클라우드 컴퓨팅은 인터넷상 서버에 각종 문서, 사진, 음악 등의 파일을 저장해두어 네트워크나 콘텐츠 사용으로 방대한 양의 데이터를 저장, 이동, 가공, 분석할 수 있는 고기능의 서비스 환경을 제공한다. 인공지능 AI 기술은 인간의 학습 능력과 추론 능력, 지각 능력, 이해 능력 등 인간지능을 모방한 컴퓨터 프로그램으로 구글에서 만든 인공지능 바둑 프로그램인 ‘알파고’와 같이 다양한 분야에서 정보가 데이터화되고, 저장된 빅데이터를 활용하여 고차원적인 추론과 예측 기술로 활용되고 있다.

[그림 1]

4차 산업혁명 시대의 ICT 융합

전자상거래 혹은 마케팅 분야에서 온라인으로 상품이나 서비스 주문을 받아 오프라인으로 받아볼 수 있는 O2O(Online to Offline) 서비스가 ‘요기요’, ‘배달의 민족’과 같은 배달 음식 주문 앱, ‘카카오 택시’나 ‘우버’, 교통수단 앱, 배송 물류 숙박 등 일상생활에 큰 도움을 주는 스마트폰 기반의 다양한 서비스가 등장하고 있다. 뿐만 아니라 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만들기 위해 초고속⋅초저지연⋅초연결 등의 특징을 갖는 5G를 토대로 가상현실(VR, virtual reality)과 증강현실(AR, augmented reality), 자율 주행, IoT 기술 등이 구현되고 있다. 생물학과 융합된 ICT는 인체의 정보를 디지털 세계에 접목하는 기술인 스마트 워치나 스마트 밴드를 이용하여 모바일 헬스케어를 구현하고, 이들 신기술은 경제 및 산업 등 모든 분야에 영향을 미치고 있다. 이러한 기술들은 교육 분야에도 활용되어 교육 자료와 교육 서비스들이 인공지능으로 대체될 것으로 예상된다(안종배, 2017: 22).

4차 산업혁명 시대의 현대사회는 창의성, 비판적 사고능력, 문제 해결 능력 등의 융합적 사고를 갖춘 인재를 요구한다. 융합적 사고란 특정한 교과 지식의 단순한 전달이나 숙달이 아닌 핵심역량 속에 포함된 총체적인 사고능력을 의미한다. 융합적인 사고를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 과학과 기술, 인문학과 예술, 의학 학문의 경계를 넘어 다양한 지식을 갖추고 인간에 대한 깊은 이해를 바탕으로 기존의 기술에 인간의 편의성과 감성을 극대화해 인류의 발전에 영향을 주는 사고를 의미한다(교육과학기술부, 2012). 이는 미래사회가 단순한 지식을 습득하고 적응하는 것을 넘어 문제를 발견하고 해결하는 융합형 인재를 필요로 하기 때문이다(홍효정 외, 2015: 164).

융합형 인재가 산업계에 영향력 있는 역할과 산업발전에 기여한 사례는 무수히 많으며, 역사적으로 큰 영향을 미친 사람들 대부분이 예술가이자 동시에 과학자였다. 레오나르도 다빈치(1452-1519)의 경우가 대표적인 예이다. 그는 훌륭한 예술가이자, 과학자이자, 공학자였다. 가장 유명한 그림 중 하나인 모나리자를 그린 예술가로 널리 알려져 있지만, 인류사에서 발견되는 다빈치의 공헌은 과학과 공학을 넘나든다. 다빈치의 그림은 뛰어난 예술적 감각과 과학적 이해를 바탕으로 다양한 장치의 설계를 제시한 공학자의 면모도 갖추고 있다. 다빈치 이외에도 우리나라에서는 대표적으로 조선 왕조의 성군으로 불리는 세종대왕은 과학과 인문학에 모두 능한 융합형 인재였으며, 미국 건국의 아버지 프랭클린도 직접 번개의 전기를 수집하는 데 성공하는 등 과학과 인문학을 모두 섭렵한 융합형 인재였다.

융합형 인재를 위한 교육은 기존의 각 교과 중심의 한계에서 출발하여 통합적 교육과정으로 접근한다. 그러한 통합적 접근의 목적 중 하나는 학습자의 전인적이고 조화로운 발달이라 할 수 있으며, 기술과 공학의 문제 해결 과정이 과학과 수학의 개념과 원리를 상황에 적용해 보고 실생활과 연계된 문제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 한다고 강조하고 있다. 융합교육은 과학, 기술, 공학, 예술의 융합교육 체계로서 다양한 분야를 상호 융합하고, 그 지식을 기반으로 학생들의 과학기술에 대한 이해, 흥미, 잠재력을 제고하여 미래사회가 요구하는 창의와 인성의 함양 및 문제 해결 능력을 신장하는 총체적인 교육적 시도이다(이효녕 외2인, 2017: 124; 이미순, 2014: 253). 과거와는 달리 최근에는 창의성은 사회적 영향을 받아 발현되고 특정 개인의 인지적 능력보다는 사회문화적 환경에 의해 계발(啓發)된다고 보고 있다. 또한 창의성은 교과 간 지식의 융합과 학제 간 접근을 통해 경계를 넘나드는 사고를 자신의 삶에 적용함으로써 가능하다(홍효정, 이재경, 2015: 165).

4차 산업혁명이 초래한 문제들을 해결하는 데 있어서 전공 교육의 유용성이 생각 이상으로 떨어지고 있다(홍석민, 2022: 70). 과학기술 중심 사회에서 직면하는 문제들은 과학기술만으로 해결할 수 없고 다양한 영역의 지식을 활용해야 하는 복합적인 문제들이다(이상균, 2017:62). 과학적 소양 교육과 다양한 역량을 갖춘 창의적인 인재를 양성하기 위한 전인적 교육을 위해 융합교육을 강조하는 국내외 대학들이 늘고 있다(이희용, 2011: 14). 융합교육이 지식 융합사회에서 요구되는 통섭적 사고력, 정보 및 지식의 재창출 능력 함양으로 사회적 요구에 부응하는 인재 양성을 통해 대학교육의 경쟁력을 확보하는 하나의 방법이 될 수 있다고 강조되고 있다(김혜영, 2013: 14). 그러므로 변화하는 지식기반 사회 요구에 부응하여 학생들에게 융⋅복합적 창의적인 지적 능력을 함양하는 융합교육을 목적으로 효과적인 교양교육 과정과 교육방법을 구체화할 필요가 있다(이화선, 최인수, 2014:3).

한국교양기초교육원의 교양교육 표준안에 따르면, 교양 기초교육을 다음과 같이 정의하고 있다. ”대학교육 전반에 요구되는 기본적 지식 및 자율적 학구 능력의 함양을 포함하여 인간, 사회, 자연에 대한 폭넓은 이해를 바탕으로 올바른 세계관과 건전한 가치관을 확립하는데 기여하는 교육으로, 학업 분야의 다양한 전문성을 넘어 모든 학생에게 요구되는 보편적 교육으로, 글로벌 정보사회라는 새로운 시대상을 맞아 비판적⋅창의적 사고와 온화하고 개방적인 의사소통을 통해 공동체의 문화적 삶을 자율적으로 주도할 수 있는 자질을 함양하는 교육이다.” 이러한 교양교육 과정의 기본 개념에 기초하여 변화하는 과학기술 사회는 대학 교양교육에 관한 다양한 요구를 하고 있다(홍효정, 2015: 165). 기초교육은 전공학업 및 교양학업의 기초를 다지는 교육으로 학생이 교양교육 과정 및 전공교육 과정에서 대학교육을 받는 데 있어 기초적으로 요구되는 고등교육을 위한 기초지식 및 기초능력을 기르는 교육이다(박주호, 2013: 17).

우리 사회에서 대학 교양교육의 중요성에 대한 인식이 높지 않고, 그중에서도 과학에 대한 인식 수준도 낮아 교양 기초 교육과정에서 과학적 소양을 함양시키는 과학교육이 부족하다. 교육법에서 교양교육 이수 학점을 졸업학점의 3분의 1수준에서 정하도록 한 취지가 무색할 정도로 교양교육의 총량이 축소되고 있다. 계열기초, 전공기초 등의 명칭으로 전공과목의 성격이 교양교육으로 개설되어 있고, 취업 준비와 어학교육이 여전히 교양교육에 편성되어 교양교육의 학술성을 저해하고 있다(백승수, 2017:24). 현재, 대부분 대학에서 운영되는 교양교육 과정은 교양교육을 인문학 중심으로 보거나, 외국어나 컴퓨터 등 도구적 기초교육을 핵심교양보다 우위에 두고, 기초교육에 개설된 전공 선수과목으로서 수학이나 과학을 교양과학으로 대체하는 경향도 있어, 교양과학을 모든 학생이 수강하도록 하는 교양교육 운영 체계가 필요하다(김혜영, 2017: 402).

융합형 인재 양성을 위해서 대학은 교양교육으로서 기초과학 교육과 교양 과학교육을 강화해야 한다. 우리나라 학생들은 학업성취도가 세계 최고지만 수학⋅과학에 대한 흥미나 자신감은 최하위라는 것이 뉴스에서 지속적으로 확인되고 있다. 이런 현상은 학교에서 진행되는 일방적인 지식 전달식, 암기식 과학 수업도 하나의 원인이라 할 수 있다. 주입식⋅암기식 문제 풀이 중심의 수업방식으로는 시험지를 통해 측정하는 성취도는 높일 수 있지만, 해당 과목을 학습하려는 동기와 흥미는 이끌지 못한 것이다. 학생들은 실생활에서 궁금한 것이 생기면 스마트폰과 인터넷을 이용하여 바로바로 정보를 확인하고 활용하고 있다. 하지만, 학교 수업 시간에는 교과서에서 배우는 내용이 실생활과 연계되어 있음에도 불구하고 교과서와 실생활을 분리하는 경향이 있어 학생들의 흥미를 끌어내지 못하고 있다(이성희, 2012: 67). 이러한 과학교육의 문제점은 이공계 기피 현상을 초래하고, 비이공계 학생들에게 지금 살고 있고 미래에도 살아가게 될 과학지식 기반사회에서 과학기술 혹은 과학지식에 대한 신 문맹자가 될 수 있기에, 학생들에게 과학에 대한 흥미와 관심을 유도해 과학적 소양을 함양하기 위한 효과적인 교양 과학교육이 필요하다. 기초과학과 통합과학을 교양과학으로 운영한 사례연구를 통해, 과학에 대한 기초지식과 과학적 사고방식을 키우기 위한 교과내용과 수업방식 뿐만 아니라, 교과운영에 있어서 학습자에게 도움이 되도록 고려해야 할 중요한 부분들을 주목해야 한다.

3. <대학기초물리학> 교양 교과목 운영사례

기초과학은 과학기술문명에 기반을 둔 삶에 대한 적응력과 문제 상황들을 해결하기 위한 융⋅복합 사고를 위한 기초교육이다. 미래사회 과학기술 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 융합형 인재 교육을 위해 과학기술의 기본이 되는 기초과학은 매우 중요하다. 과학기술과 산업사회에서 이용되는 전자재료 기술, 반도체 물리, 액정, 디스플레이, 박막증착 기술, 나노기술, 전기 전자 응용기술인 디지털회로 등의 공학 응용기술을 배우기 위해서는 기초과학을 배우고, 어느 분야에서나 응용할 수 있는 자연현상의 법칙과 자연계에 일어나는 현상을 바라보는 관점을 배우는 것이 선행되어야 한다. 물리학(physics)은 여러 학문에서 다루는 대상들의 기본적인 성질에 대한 지식을 제공하기 때문에 기초과학이라고 불린다. 인류는 선사시대부터 생존을 위하여 자연현상과 과학 지식을 이용해 왔다. 18세기와 19세기를 거치면서 현재 고전물리학이 다루는 대부분의 물리법칙이 확립되었다. 이공계 학생들에게 물리학은 과학기술의 연구를 통한 과학기술 발전에 기여하고, 산업체에서 문제 해결 능력을 갖춘 기술전문가, 새로운 가치와 분야를 자발적으로 창출할 수 있는 과학기술 교육을 위한 기초과학 교과목이다. 비이공계 학생들에게 물리학은 자연현상의 원리와 법칙, 과학적 사고 방법을 학생들에게 제공하는 교과목이다. 본 연구에서는 대학 교양과정에서 기초교양으로 개설된 과학영역의 <대학기초물리학>의 운영사례연구이다. 2019년 2학기에는 이공계와 비이공계학생이 함께 수강한 혼합반으로 운영되었고, 2020년도에는 이공계와 비이공계 학생들을 분리하여 교과목을 운영하였다. <표 1>은 2019년도 2학기부터 2020년 2학기까지 <대학기초물리학>을 수강한 학생들 현황이다.

<표 1>

<대학기초물리학> 수강 신청 현황

2019년 2학기에 개설된 <대학기초물리학> 교과목 중에 A반은 32명, B반은 43명으로 이공계 30명, 비이공계 19명이었다. 2020년도에 <대학기초물리학>을 기초교양으로 선택한 이공계 학생은 212명, 비이공계 학생은 87명이었다.

3.1. <대학기초물리학> 혼합반 운영

고등학교 과정에서 물리를 학습하지 못한 이공계 전공을 위한 학생들에게 전공에 필요한 기초과학으로, 비이공계 학생들에게는 과학적 소양을 함양하기 위한 교양 과학이 필요하다. 교양교육으로 물리 교과 운영 사례연구로, 건국대학교 글로컬 캠퍼스의 교양대학에서 교양 교과목으로 2019년 2학기의 이공계와 비이공계(인문사회계열, 예술계열) 학생이 혼합된 수강생들을 대상으로 <대학기초물리학>교과내용과 운영방법을 살펴보았다.

수업을 진행하는 과정 중에, 이공계 학생들은 좀 더 심도 있는 수업을 원하고, 비이공계 학생들은 삼각함수가 들어간 수식과 물리 용어에 대한 기초개념이 없는 학생들이 많아, 각기 다른 전공과 기초학력 수준을 가지고 있는 학생들을 대상으로 수업의 기준과 범위를 정하기 위하여 이공계열 학생의 중하 수준으로 수업을 진행하였다. 수학을 못해 물리가 어렵다는 학생들을 위해 물리에 필요한 삼각함수, 좌표계, 시간의 표준 등을 설명하고, 수업에서 관련 내용이 나올 때마다 삼각함수, 좌표계, 벡터 등의 기초내용을 반복 설명하였다. 또한 동영상 자료를 활용하여 물리 기초개념의 이해를 돕고, 실험 교구를 이용한 팀별 실험을 병행하여 물리에 대한 흥미와 관심을 높였다.

<표 2>는 2019학년도 2학기에 이공계와 비이공계 혼합반 학생들을 대상으로 실시한 <대학기초물리학>의 16주차 강의계획서이다. 교양 교과목으로서 <대학기초물리학> 교과 운영을 위해, 다양한 전공의 학생들을 대상으로 기초물리학에 대한 기본 개념과 물리학의 법칙을 설명하였다. 힘과 운동에 대한 기본 법칙, 에너지, 고체, 유체, 기체 운동, 진동과 파동, 열역학과 전자기학 등에서 사용하는 기본 용어와 개념들을 설명하고, 그 현상과 관련된 법칙을 소개하여, 자연현상을 체계적으로 해석하는 능력을 배양하고자 하였다. 1 주차 수업에서 물리의 기본 개념을 나타내는 물리량의 표현양식을 설명한다. 물리량은 ”물질계의 성질이나 상태를 나타내는 양”으로 숫자와 단위로 표현된다. 단위는 어떤 물리량을 측정할 때 주어진 양을 측정하는 기준이 되는 기준량이다. 물리 학습을 위한 표준의 단위, 물체의 공간상 위치를 나타내기 위한 좌표계와 삼각함수, 방향과 크기를 나타내는 물리량의 이해를 돕기 위한 벡터의 개념, 힘과 운동뿐만 아니라, 열역학법칙, 진동과 파동, 빛과 광학, 전기력과 전기장, 전기회로, 자기장 등의 강의 주제로 수업을 진행하였다.

<표 2>

<대학기초물리학> 혼합반 강의계획서

[그림 2]에서 보여준 동영상 제목의 이미지는 국외에 ”Don’t Memorise youtube”팀에서 제작한 수학, 과학개념 기반 학습 비디오 영문 자료의 예시이다. 기초물리 동영상 자료는 뉴턴의 운동법칙, 중력, 힘, 일과 에너지, 충돌, 위치에너지와 운동에너지, 전하와 같은 영문 주제어의 검색을 통해 유튜브에서 수집하였다. 수업을 시작하기 전에 수업주제에 관련된 기초개념에 관한 동영상 자료를 3~5분 동안 시청하게 하였다. 학생들에게 기초개념과 관련된 물리 법칙과 원리를 설명하여 물리 기초개념의 이해를 높이는 데 활용하였다.

[그림 2]

기초물리 개념 학습 동영상 이미지

물리법칙의 이해를 돕기 위해 수업에 활용한 교구 사진은 [그림 3]과 같다. 막대자석과 말굽자석에 의한 자기력선 관찰을 위한 실험 교구와 렌츠의 법칙 실험기, 직렬 및 병렬 연결 실험 교구는 저항기의 직렬과 병렬에 따른 전압과 전류를 측정하여 저항을 계산하는 교구이다. 조 편성은 골고루 섞이도록 팀원을 구성하여 실험은 팀별로 진행하였다.

[그림 3]

기초물리 실험 교구 사진

2019년 2학기 <대학기초물리학>은 이공계학생과 비이공계 학생이 함께 수강하였다. A반은 이공계 학생이 13명이고, 비이공계 학생 19명으로 총 32명이 수강하였다. B반은 이공계 학생 17명과 비이공계 학생 26명으로 총 43명이 수강하였다. 학생들의 계열별로 A, B, C의 취득학점 분포를 보여준다. <표 3>은 2019학년도 교양과목으로 개설된 <대학기초물리학> 중에 2개 교과목을 선정하여 A반과 B반으로 명명한 후, 이공계학생과 비이공계 학생의 성적분포를 정리한 자료이다. <대학기초물리학> 수업을 진행 결과, A학점을 취득한 비이공계 학생들이 A반 12.5%, B반 13.9%, 이공계 학생은 A반에서 21.9%, B반에서 20.9%로 이공계 학생들이 훨씬 좋은 학점을 취득하였다. 그러나 비이공계 학생 중에서도 수업 태도가 좋았던 학생들은 물리를 전혀 배운 적이 없음에도 이공계열 학생들보다 좋은 성적을 얻은 학생들도 있었다. 이러한 결과는 성실한 학습 태도가 무엇보다도 학습 성취에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.

<표 3>

<대학기초물리학> 수강생의 학점 비교

<표 4>는 2019학년도 2학기 이공계와 비이공계가 혼합된 수강생들을 대상으로 개설된 <대학기초물리학>교과목 관련하여 좋았던 점과 개선할 점에 대한 강의 평가를 실시하였다. 강의 평가에서 학생들은 문과, 이과, 예체능계의 격차를 줄이는 방법으로 수업을 진행하기를 원하였고, 예체능계는 좀 더 기초에 대한 지식이 필요하므로 자세히 설명해 주기를 원하는 학생의 의견이 있었다. 비이공계의 난이도를 고려하여 쉽게 설명하였지만, 비이공계학생들에게는 여전히 어렵다는 학생이 많았다. 또한 내용면에 있어서 많은 내용보다는 쉬운 주제를 가지고 수업을 진행하기를 원하였다. 이공계와 비이공계 학생들이 혼합된 수강생을 대상으로 수업이 진행된 경우, 강의 주제를 축소해서 배우기를 원했던 학생과 많은 내용을 배우는 것에 만족하는 학생도 있었다. 과학 기초학력 수준이 차이가 있는 이공계와 비이공계 학생들을 분리하여 교과내용의 난이도와 학생들의 요구수준에 맞는 수업을 진행 하는 것이 무엇보다도 효과적인 교양과학 교육을 위해 개선할 점이라고 여겨졌다.

<표 4>

<대학기초물리학> 수강생의 강의평가 내용

3.2. <대학기초물리학> 계열별 운영

기초과학 교과목을 계열별, 수준별로 운영하기 위하여 2020년도에 전체 신입생들을 대상으로 수학, 생물, 화학, 물리 과목의 기초학력 진단평가를 시행했다. 다양한 입시전형으로 선발된 학생들의 기초학력의 능력의 불균형이 큼에 따라 학생들의 수준을 측정하여 과학학습 능력에 맞는 기초교과목의 분반 배정에 활용하고자 하였다. 신입생들의 기초학력 진단 평가는 학생들의 학습 능력 수준을 제대로 파악해야 그에 맞는 교육커리큘럼을 제공할 수 있으며, 학업의 수준에 따른 교육과정을 운영할 수 있는 근거를 제공한다. 진단 도구의 문항 개발은 실제 전공 교과의 교수님들이 기초문항을 개발하고, 멘토 학생들을 통해 문항을 수정 및 보완함으로써 신입생들의 물리과목의 기초학력 측정을 위한 적합한 문항을 제공하고자 하였다. 기초학력 진단평가 결과를 바탕으로 학생들이 자신의 성적 분위에 맞는 기초과학 교과목을 수강신청 하는데 참고하도록 하였다.

기초학력 진단을 위한 물리 문제는 학생들의 물리 기초학습수준을 파악하기 위한 문항으로 물리개론, 힘과 운동, 빛과 파동, 열과 에너지, 전기와 자기 등 고등학교 물리의 전 범위와 기초과학 상식의 문제로 구성된 20문항의 객관식 문제로 구성되었다. 기초학력 진단 평가를 통해, 물리영역별 부족한 부분과 학생들의 수준에 맞는 교과목 수업의 난이도를 조절하여 교수-학습의 효율성을 높이기 위한 교육 자료로 활용하고자 하였다. 차후에 진단평가 문제의 난이도를 조절하거나 영역별 문제를 교체하여 좀 더 학생들의 기초학습 수준을 정확하게 진단하기 위한 평가 문제에 대한 점검과 보안할 사항에 대한 연구가 필요하다고 여겨진다.

2020학년도 K대학 전체 신입생들을 대상으로 총 응시대상 1,649명 중에 1,636명이 기초학력 진단평가에 참여하여 99.2%의 응시율을 보였다. <표 5>는 신입생들의 단과대학별 순서로 기초학력 진단평가의 물리 과목의 성적 평균과 표준편차이다. 응시 학생 1,636명의 전체평균점수는 100점 만점에 47.5점이고 표준편차는 14.8점이었다. 물리 점수가 높은 단과대학은 과학기술대학은(54.7점), 바이오융합과학부(52.9점), 간호학과(51.1점) 순으로 이공계열의 평균 점수가 높은 편이다. 반면, 스포츠헬스과학부의 골프산업전공(36.7점), 스포츠건강학전공(37.3점)은 평균 점수가 다소 낮은 편이다. 학과별 편차를 분석한 결과 학생 간 표준편차가 가장 큰 학과는 ICT융합공학부(16.7점)이고, 학생 간 표준편차의 수치가 가장 작은 학과는 골프산업전공(11.2점)으로 나타났다.

<표 5>

단과대학별 기초학력 진단평가의 물리 과목 점수

[그림 4]는 진단 평가결과의 물리 과목 성적을 영역별로 분석한 결과와 물리점수 분포를 보여준다. [그림 4(a)]에서 물리영역별 정답률의 평균은 47.4%이다. 가장 정답률이 높은 영역은 열과 에너지(63.1%)인 것으로 나타났다. 그 다음 영역이 빛과 파동(57.6%)이고, 힘과 운동(31.8%), 전기와 자기(32.3%)의 정답률은 상대적으로 낮게 나타났다. 이러한 결과는 학생들이 힘과 운동을 다루는 역학분야와 전기와 자기를 다루는 전자기학 분야에서 기초학습이 부족함을 보여 준다.

[그림 4]

(a)물리 영역별 정답률과 (b)물리 점수 분포 그래프

[그림 4(b)]물리 점수 분포 그래프에서 학생들이 가장 많이 취득한 점수는 40점대 28.1%(460명)와 50점대의 22.9%(374명)이었다. 40점대의 성적을 취득한 학생기준으로 좌우 대칭을 이루는 그래프를 보인다. 물리 교과에 100점을 맞은 학생이 0.2%(2명)이며, 90점 이상의 학생이 0.9%(14명), 100점 만점을 받은 학생은 0.1%(2명)이었다. 또한 0점대 학생은 한명도 없이 10점대 학생은 0.7%(12명)이었다. 이러한 분포는 물리 기초학력 진단을 위한 물리 문제가 난이도를 조절하여 골고루 출제되었음을 보여준다.

<표 6> 비이공계 학생들이 수강 신청한 <대학기초물리학> 교과목의 수업 시작 전에 실시한 설문조사 결과이다. 비이공계 학생들이 대학 기초교양으로 <대학기초물리학> 선택한 이유에 대한 질문에 새로운 과목을 배우는 것에 도전하고 싶어서라고 답변한 학생이 53.8%이었다. 수업의 방식과 난이도는 어느 정도로 하는 것이 좋은가에 대한 질문에 대하여 물리 개념과 법칙의 기본 설명 위주로 쉬운 내용으로 54.1%, 개념과 원리의 기본 설명과 문제 풀이로 수업을 진행하였으면 좋겠다는 답변이 45.9%로 나타났다. 물리학이 어렵다고 생각하느냐는 질문에 95.2%의 학생이 어렵다고 답변하였다. 이러한 간단한 설문 조사결과를 참고하여 수업의 난이도와 학생들의 요구사항을 반영한 수업을 진행하고자 하였다.

<표 6>

비이공계 학생들의 <대학기초물리학>수업 전 설문조사

<표 7>에서 이공계 학생들이 기초교양으로 <대학기초물리학>을 선택한 이유는 전공 공부의 기초에 필요하기 때문이라는 응답이 65.1%이었다. 수업의 방식과 난이도에 대한 답변으로 개념과 원리의 기본 설명과 간단한 문제 풀이로 51.2%가 답변하였다. 물리학이 어렵냐는 질문에 비이공계 학생들의 95.2% 보다는 낮았지만 83.7 %가 어렵다고 답했다. 이러한 설문조사 결과는 학생들이 대체로 물리학을 어렵게 여기고 있음을 보여준다.

<표 7>

이공계 학생들의 <대학기초물리학>수업 전 설문조사

2020학년도 비이공계와 이공계 학생들의 수준별 수업을 위한 <대학기초물리학> 강좌는 코로나로 인해 비대면 수업으로 진행하였다. 2020년 1학기는 학교 홈페이지에 개설된 온라인 학습관리시스템인 TLS(teaching and learning system)에서 물리 수업의 녹화강의와 강의 자료를 업로드하여 학생들에게 자유로운 시간에 공부할 수 있도록 수업을 진행하였다. 대면 수업에서 강의했던 강의 자료를 동영상으로 제작하여, 학생들에게 제공했던 녹화 강의수업은 물리 수업운영에 효과적이지 않다는 것을 강의평가를 통해 확인할 수 있었다.

2학기는 보다 효과적인 <대학기초물리학> 수업을 위해 웹엑스(webex)를 통한 실시간 화상강의를 실시하였다. 실시간 화상 수업의 진행은 실지 대면수업과 비슷한 형태로 진행되었다. 학생들의 수업 참여도를 높이기 위하여 수업 중에 간단한 계산 문제를 학생들이 풀게 하거나, 학생들에게 예제문제의 내용을 읽게 하여 수업의 참여도를 높였다. 물리량 단위를 잘못 읽기 쉬운 물리량 단위와 명칭을 정확히 읽도록 지도하였다. 중간시험은 화상강의에서 시험에 유의사항을 설명한 후, 비디오로 시험 보는 모습을 보이게 화면을 조정하게 한 후, 학교에서 개설된 TLS에 개설된 퀴즈방에서 시험문제를 풀게 하였다. 주관식 문제는 단답식으로 정답을 기입하게 하고 시험이 끝난 후, 풀이 과정은 핸드폰으로 사진을 찍어서 TLS의과제방에 업로드하게 하여 중간풀이 과정에 대한 채점 후, 학생들이 답안을 확인하도록 하였다. 객관식 4지 선다형 문제와 단답형으로 20문항의 문제로 기말고사를 실시하였다.

<표 8>은 2020학년도 이공계와 비이공계 계 학생들을 대상으로 기초과학 교양과목으로 개설한 <대학기초물리학>교과목의 16주차 강의계획서이다. 비이공계 학생들에게 물리학이 다루는 다양한 대상을 소개하고, 물리량을 표현하기 위한 표준단위와 좌표계, 벡터, 삼각함수 등 물리에 필요한 기초적인 내용과 수학 지식을 첫 번째 강의에서 소개하였다. 주별 학습주제와 관련된 힘과 운동뿐만 아니라, 고체와 유체의 운동과 특성, 기체, 액체, 열, 에너지, 진동과 파동, 소리와 빛의 특성, 전자기파, 전자기학의 기초개념과 물리의 기본 개념 및 예제풀이 등으로 강의를 진행하였다. 다양한 전공의 인문학 계열 학생들로 구성된 비이공계 학생들을 위해 개설된 <대학기초물리학>은 자연현상과 물리법칙의 기본 개념과 원리를 설명하는 수업으로 진행하였다. 또한 생활 속에서 많이 접하게 되는 과학의 기초지식과 물리법칙을 응용한 과학기술을 물리학 내용과 연관 지어 설명함으로써 과학에 대한 호기심과 흥미를 높였다.

<표 8>

<대학기초물리학> 강의계획서

이공계 학생들을 위해 개설된 <대학기초물리학>은 <표 8>에서 보여준 16주차 강의계획서와 같은 학습주제와 교과 내용으로 물리의 법칙과 개념을 수식과 함께 더 자세히 설명하였다. 이공계 학생들은 전공의 기초단계로 <대학기초물리학>을 선택한 경우가 많아 학생들의 전공에 도움을 주기위한 물리법칙과 현대과학기술의 소개를 병행하였다. 같은 주제에 대한 교과내용이라도 물리의 기본개념과 법칙에 대한 수식적인 유도과정을 설명하여 난이도가 좀 더 높은 내용과 범위로 수업을 진행하였다. 또한 물리법칙과 관련된 여러 예제를 통하여 기본 개념과 원리를 응용한 많은 문제풀이를 연습할 수 있도록 하여 과학적 사고방식과 문제 해결능력을 높이는 수업을 진행하였다.

2020학년도에는 물리 기초학력의 사전평가 결과를 기반으로 학생들에게 <대학기초물리학> 교과목을 계열별로 수강하도록 권고하였다. <표 9>에서 2020학년도 <대학기초물리학> 교과목을 신청한 사전/사후평가 결과를 보여준다. 1학기에 비이공계 학생 24명, 이공계학생 184명, 2학기에 비이공계 학생 63명, 이공계 학생 28명 학생들의 사전평가 성적이고, 사후평가 평균은 수업 후 물리 평균 점수와 표준편차이다. 비이공계 학생 24명의 물리의 기초학력 측정을 위한 사전/사후평가 점수는 평균 41.7점에서 66.5점으로, 물리 성적이 59.6%로 상승하였고, 이공계 학생의 184명의 평균은 53.2점에서 73.0점으로 37.1% 상승률을 보였다. 2020년 2학기 물리의 기초학력 측정을 위한 사전/사후평가 점수는 비이공계 학생 63명의 평균은 43.3점에서 73.1점으로, 물리 기초학력이 68.7%로 상승하였고, 이공계열 학생 28명의 경우 평균 55.0점에서 78.5점의 42.8% 상승률을 보였다.

<표 9>

2020학년도 <대학기초물리학> 사전평가(진단평가)와 수업 후 평가 결과

2020학년도 1, 2학기에<대학기초물리학> 교과목을 신청한 비이공계 학생 87명의 사전평가 평균이 42.9점에서 사후평가 평균이 71.3점으로 66.3% 향상되었고, 이공계 학생 212명의 사전평가 평균이 56.7점에서 사후평가 평균이 74.9점으로 32.0% 향상되었다. 비이공계 학생들의 <대학기초물리학> 교과목의 수강후의 학업 성취도가 더 많이 향상됨을 보여주었다. 고등학교에서 물리를 배운 적이 없는 비이공계 학생이더라도 성실하게 좋은 수업태도로 공부한 학생들의 성적이 높은 편이었다.

<표 10>은 비이공계 학생들의 <대학기초물리학> 수업에 대한 강의평가 결과를 살펴보면, 어려운 계산 문제보다는 폭넓은 내용의 물리 지식을 배우고, 물리의 개념과 원리를 쉽게 설명하는 수업방식에 대한 선호도가 높았다. 학생들의 이해를 돕기 위해 그전 수업내용을 다시 한 번 자세히 설명해 주었던 교수방식이 좋았다고 답변하였다. 2020학년도에 계열을 분리하여 비이공계 학생들을 위해 개설한 <대학기초물리학> 교과목을 수강한 학생들의 강의만족도가 이공계와 혼합된 2019학년도 2학기 <대학기초물리학> 수업에 비하여 강의 만족도가 높았다. 이러한 결과는 효과적인 과학교양 교육을 위해 비슷한 전공과 기초학력 수준이 비슷한 수강생들을 대상으로 <대학기초물리학>교과목을 운영하는 것이 중요하다는 것을 보여준다.

<표 10>

2020년 2학기 <대학기초물리학> 비이공계 학생들의 강의평가 결과

4. <자연과학개론> 교양 교과목 운영사례

최근 대학 교양 과학교과목의 모형으로 통합 과학적 접근을 제시하고 있다. 과학지식이라는 범위를 넘어 현대과학기술과 그로 인해 발생하는 사회문제는 물리, 화학, 생물과 같은 한 분과학적인 접근만 가지고 이해하기 어려운 측면이 있어, 분과학문영역의 접근 방법보다는 통합적 접근이 더 강조되어야 한다. 즉, 학문은 서로 연결되고, 통합과학은 상호 연계된 자연세계를 설명하기 위해 지식이 어떻게 학문의 경계를 넘어 작동하는지를 잘 보여주므로, 교양과정에서 포괄적인 과학을 배우는 것이 효과적이다(김원섭, 2019: 62). 과학과 관련된 사회 문제에 대해 올바른 판단을 할 수 있도록 교육 현장에서 과학 지식 전파와 과학의 대중에 힘쓰고 있는 18명의 과학전문가가 모여서 자연과학 전체를 아우르는 핵심 이론과 개념을 소개하고 과학적 사고의 중요성을 전하는 책으로 과학 산책, 자연과학의 변주곡(교양과학연구회, 2020)이 출간되었다. 이 책을 통하여 통합과학으로 다루어야 할 내용과 범위를 점검하여 <자연과학개론> 교과목에서 다루어야 할 주제와 교과 내용으로 수업 운영을 위한 참고자료로 활용하였다. 대학 교양과정의 심화교양으로 개설된 <자연과학개론>교과목은 과학전반에 대한 내용을 다루는 통합과학 형태로 개설하였다. <자연과학개론>교과목의 기대효과는 첫째, 자연과학의 기본이 되는 물리학, 화학, 생물의 학습을 통하여 과학적인 사고방식을 함양한다. 둘째, 과학적 연구방법론과 자연과학의 역사, 인류 과학 문명에 대한 논리적이고 체계적인 통합과학 지식을 획득한다. 셋째, 최첨단 과학의 연구 동향을 살펴보며 과학기술에 대한 기초적인 교양 지식과 과학적 소양을 획득하게 된다. <자연과학개론>교과목은 자연과학에 대한 전반적인 기초지식과 첨단 과학기술에 대한 이해를 통하여 과학기술에 기반을 둔 일상의 삶의 질을 높이고, 미래 과학기술 사회의 다양한 문제들을 생각해 볼 수 있는 통합과학으로 구성하였다.

자연과학(自然科學, natural science)은 자연현상, 특히 자연의 합법칙성에 관한 일정한 이론체계를 연구하는 학문으로서 관찰과 실험에서 얻은 경험적 증거를 바탕으로 자연현상을 설명, 이해 및 예측하는 것과 관련된 과학 분야 중 하나이다. 즉, 자연현상에 관한 확실한 경험을 토대로 보편적인 법칙과 조직화 된 지식이다. 자연과학은 물질계에서 일어나는 현상을 과학적 방법으로 얻은 지식체계이다. 따라서 과학은 결론도 중요하지만, 이러한 경험적인 사실에서 과학지식 체계를 만들어가는 과학적 추론 과정과 결론을 도출하는 과학적 사고 과정이 더욱 중요하다. 과학적 사고는 과학지식을 이해하는 인지적 능력뿐만 아니라, 과학과 관련된 지식을 구성해가는 과정에서 이루어지는 추론이나 과학 관련 문제 해결 과정이다. 과학적 주장과 증거의 관계를 탐색하는 과정에서 필요한 합리적이고 논리적인 추론 능력으로 추리 과정에 대해 비판적으로 고찰하는 능력과 독창적 사고능력을 포함한다(신세인 외, 2018: 635). 이러한 경험적인 사실에서 과학에 의하여 얻어진 지식체계를 만들어가는 과학적 추론 과정을 배우는 것은 학생들에게 과학적 사고를 함양한다.

과학적 연구 방법은 관찰과 측정을 통하여 정보를 모으고, 수집한 정보를 통한 일정한 법칙을 발견하여 일반화에 대한 가정을 세워, 실험을 통한 사실 확인으로 이루어진다. 관찰(observation)은 일정한 사실, 현상의 성질, 상태변화 등을 어떤 일정한 목적 하에 지각하고 인식하기 위하여 대상에 주의를 집중시켜 경험하는 것이고, 실험(experiment)은 인위적 수단에 의해 현상을 우리의 관찰 목적에 순응하도록 환경조건을 변화시켜 확실한 관찰을 하는 방법이다. 측정(measurement)은 수량 비교에 있어서 개별적 대상에 해당하는 것을 임의의 표준, 즉 단위로 정하여 단위량의 비로 표시하고, 수량적으로 표시하는 것을 측정이라 한다. 자연법칙의 귀납적 변화는 경험 사실의 축적 → 일반화에 대한 가정 → 실험에 의한 사실 확인, 이 과정에서 가설, 법칙, 이론 등이 고안되고 실험된다. 실험으로 확인된 사실은 일반적으로 받아들여질 수 있는 과학의 법칙으로 인정된다.

자연의 세계는 육안으로 볼 수 있는 거시적(macroscopic)세계, 현미경관찰과 전자현미경으로 관찰할 수 있는 미시적(microscopic)세계, 천체망원경으로 관찰되는 혹은 인공위성으로 전개되는 우주과학의 세계와 같은 초거시적(ultramicroscopic)세계로 분류할 수 있다. 과학의 발달에 따라 관측할 수 있는 도구의 개발로 더 작은 크기의 물질을 관찰할 수 있게 되었다. 나노 과학기술은 나노미터(10-9 m)에서 수백 나노미터 크기의 물질을 제조하고, 특성을 연구하고 이러한 나노미터 스케일의 물질을 기초로 하여 실생활에 유용한 소재, 소자, 시스템을 만든다. 나노물성은 금의 색깔이 금이 나노입자일 때는 회색이나 빨간색 등으로 크기에 따라 색깔이 바뀌는 현상과 같이 크기에 따라 새로운 물리적 특성을 나타낸다. 과학기술의 발전에 따라 새로운 물성을 갖는 나노과학기술이 출현하고 있어, 과학적 소양을 키우기 위한 교양 과학에서 다루어야 할 내용이 점점 더 다양해지고 많아지고 있다. 현대 과학기술을 반영한 통합과학 교육의 범위와 내용에 대한 점검이 필요하다고 여겨진다.

2022 학년도에 심화 교양과목으로 개설된 <자연과학개론>의 수업난이도와 범위를 결정하기 위하여 수업 시작 전에 수강 학생들을 대상으로 설문조사를 하였고, 그 설문조사 결과는 <표 11>에서 보여준다. <자연과학개론>에 대하여 다루었으면 좋겠다고 생각하는 분야를 강의 시작 전에 학생들에게 설문조사를 한 결과, 생명과학, 물리, 우주공학 분야, 지구과학, 화학 분야, 관성좌표계와 상대성 이론, 생체 모방 기술, 실생활의 과학 내용, 과학은 자연에서 어떻게 작용하고 있는지 등에 관한 내용을 배우고 싶어 했다. 다양한 분야의 과학지식을 배우기 위하여 교과목을 선택하였다는 답변은 53.19%이었다. 수업의 난이도와 범위에 관련된 설문조사에서 다양한 분야를 보통의 수준으로 수업을 진행하기를 바란 학생이 31.7%이었다. 수강 학생의 설문조사 결과, 학생들은 <자연과학개론> 교과목에서 교양으로 폭넓은 내용의 과학 지식을 쉽게 설명하는 수업방식에 대한 선호도가 높았다.

<표 11>

<자연과학개론> 수강 학생 설문조사

<자연과학개론>은 이공계 학생뿐만 아니라 비이공계 학생들을 대상으로 과학적 소양을 위한 통합과학 지식을 습득하도록 교과 내용을 구성하였다. <표 12>는 2022년도에 이공계와 비이공계 계열 혼합반 학생들을 대상으로 수업한 <자연과학개론>의 16주차 강의계획서이다. 학생들의 배우기를 원하는 분야를 참고하여 <자연과학개론> 강좌에서는 자연과학의 역사, 우주와 지구, 거시세계와 미시세계, 생물, 화학, 물리 등 각 분야가 다루는 대상을 이해하기 쉬운 수준으로 개괄하였다. 일반적으로 자연과학은 다루는 대상에 따라 생물학, 물리학, 화학, 지구과학, 천문학으로 분류된다. 생물학은 생물의 구조와 기능을 과학적으로 연구하는 학문으로, 크게 구조를 다루는 형태학적인 분야와 기능을 다루는 생리학적인 분야로 구분한다. 그러나 19세기 말 생물학은 관찰 및 분석 방법의 발달로 인하여 연구 분야가 확장되었으며, 특히 생명현상을 분자 수준에서 규명하고 유전자를 조작할 수 있는 수준에 이르게 되었다. 물리학은 자연현상을 물질의 운동과 에너지의 변환이라는 관점에서 법칙으로 설명하려는 것을 목적으로 하고 주로 물질의 무기적인 운동 형태를 다룬다. 자연현상을 양적으로 분석하고 수학적 형식으로 표현함으로써 법칙의 추상성이 강하고 고도의 보편성을 갖는다. 화학은 물질의 성질⋅조성⋅구조 및 그 변화⋅제법⋅응용 등을 다루는 학문이다. 화학은 화학자의 전신이라 할 수 있는 연금술사의 실험에서 시작되었으며, 20세기 들어 이론적 학문으로 체계화된 물리학과는 달리 아직 완전한 체계를 이루지 못했다. 지구과학은 지구의 구성시스템(지권, 수권, 기권)을 연구하는 학문의 총칭이다. 세부적으로는 지질학, 해양학, 대기과학의 3가지 학문으로 구분된다. 연구에 있어 물리학, 화학, 생물학 등의 지식이 많이 이용된다. 천문학은 천체를 연구대상으로 하여 이에 관한 모든 지식을 체계화한 학문이다. 우주의 구조, 천체의 현상, 다른 천체와의 관계 등을 연구하는 학문이다. 천체의 위치와 운동, 천체역학, 천체와 우주의 물리적 성질 등도 천문학에서 다룬다.

<표 12>

<자연과학개론> 강의계획서

제4차 산업 시대에서는 자연과학이 다루는 각각의 과학 분야가 ICT 분야와 융합되고, 각 분야의 경계가 모호할 정도로 바이오 기술과 나노기술, 에너지 기술, 환경보존 기술 등과 같은 새로운 과학기술이 생겨나고 있다. 그리고 첨단 연구 분야 소개로 나노 기술, 신소재 물질, 바이오 기술, 바이오센서, 수소에너지, 신재생 에너지, 이상기후 현상, 4차 산업혁명 등 최신 과학 동향에 대해서 간단하게 소개하고 미래유망 기술에 대하여 살펴보는 형태로 강의를 진행하였다.

2022년도 1학기에 개설된 <자연과학개론>A는 이공계 25명과 비이공계 17명 총 42명이 수강하였다. 2022년도 2학기에 개설된 교과목은 <자연과학개론>B는 이공계 50명과 비이공계 10명 총 60명이 수강하였다.

<자연과학개론>의 중간고사와 기말고사는 각각 20문항으로 교과 내용에서 다루는 생물, 물리, 화학, 지구과학, 천문학, 에너지, 현대과학기술 등의 주제와 관련된 기초개념과 관련 내용의 과학상식을 묻는 형태로 단답형과 사지선다형의 문제로 평가를 진행하였다. 그 평가 결과에 대한 이공계와 비이공계 학생의 <자연과학개론>의 성적분포는 <표 13>에서 보여준다. 2022학년도 1학기에 개설된 <자연과학개론>A반에서 A학점은 이공계 학생들이 33.3%, 비이공계 학생들이 2.4%이고, B학점은 이공계 학생이 23.8%, 비이공계 학생이 9.5%였다. 2022학년도 2학기에 개설된 <자연과학개론>은 B반에서 A학점은 이공계 학생이 31.7%, 비이공계 학생이 3.3%이었다. B학점은 이공계 학생들이 30.3%, 비이공계 학생들이 5.0%로 이공계 학생들이 훨씬 좋은 학점을 취득하였다. 학생들의 융합역량에 도움을 주는 과학교과목이 개설되어 좋은 교과 내용으로 수업이 진행되어도 함께 듣는 학생들의 기초지식과 기초학력의 차이가 커서 아무리 열심히 공부하더라도 좋은 학점을 얻을 수 없다면, 비이공계 학생들이 교양과목으로 선택하는 것을 피할 것이다. 이러한 결과는 2022학년도 1학기에 처음 개설된 <자연과학개론>A반보다 2학기에 개설된 <자연과학개론>은 B반에서 비이공계 학생들의 수가 현저히 줄어드는 것으로 확인할 수 있다.

<표 13>

<자연과학개론> 수강 학생 학점 비교

과학 관련 기초지식이 부족한 비이공계 학생들에게는 많은 교과 내용이 새로운 내용으로 기초적인 과학 지식 없이 이해하기 어려운 부분이 있었다. 본인의 전공에서 본 과학이라는 주제로 자료를 준비하여 세미나 발표하는 학생들에게 3% 가산점을 주어 성적을 만회할 기회를 주었다. 그러나 세미나 발표에 참여한 학생은 60명 중 3명이 발표하였다. 이공계와 비이공계 학생들과 1학년부터 4학년까지 전체 학년이 수강하는 심화교양으로 개설된 교과목 특성상 <자연과학개론>의 교과 내용은 이공계 학생과 비이공계 학생들의 과학에 대한 요구수준도 다르고, 과학에 대한 총체적 이해를 위해 기초적인 과학 지식 배경도 다르게 갖고 있다. 이공계 학생들과 비이공계 학생들의 과학의 기초지식의 차이가 크게 나타나는 것은 당연하다. 또한 같은 과학의 주제를 다루는 내용이라도 가지고 있는 과학적 배경지식에 차이가 있어 이해하는 정도가 다를 수밖에 없다. 그러므로 과학에 대한 총체적 이해를 높이기 위한 <자연과학개론>과 같은 통합과학 교과목을 운영할 때, 이공계 학생을 위한 다양한 주제를 다루는 통합과학과 비이공계 학생을 위한 좀 더 쉽게 이해할 수 있는 과학의 주제를 다루는 통합과학을 각각 개설해서 교과 내용과 수업의 난이도를 조정하여 운영한다면, 학생들의 요구수준에 맞는 효과적인 교양과학 교육이 운영될 수 있을 것이다.

<표 14>는 2022년 2학기 강의 평가에서 수업내용과 방법, 과제 등에 관련하여 좋았던 점과 개선할 점에 대한 서술내용이다. 설문조사 결과에서는 다양한 분야의 과학지식을 배우기 위하여 <자연과학개론> 교과목을 선택하였다는 학생들의 설문조사 답변과는 달리 많은 양을 배워서 좋았다는 학생과 너무 많은 주제를 다루어서 힘들었다는 학생들이 있었다. 수업의 난이도와 범위에 관련된 설문조사에서 다양한 분야를 보통의 수준으로 수업을 진행하기를 바란 학생이 31.7%이었다.

<표 14>

<자연과학개론> 수강학생들의 강의평가 결과

통합과학으로서 <자연과학개론> 교과목은 생물, 화학, 물리, 지구과학, 천체학 등 자연과학에 대한 전반적인 기초지식과 첨단 과학기술에 대한 이해를 통하여 광범위한 과학지식과, 미래 과학기술 사회의 다양한 문제들을 생각해 볼 수 있는 내용으로 수업을 진행하였다. 그러나 통합과학으로서 <자연과학개론> 교과목을 운영하는 데 있어서, 2022학년도 1학기에 개설된 A반에 비해 2학기에 개설된 B반에서 비이공계 학생들의 수강이 현저히 줄어들었다. 이러한 문제점은 <자연과학개론>교과목내용이 기초과학과 현대과학의 첨단 내용을 다루므로, 기초과학 지식이 부족한 비이공계 학생들이 좋은 학점을 얻기에는 어려운 것으로 보인다. 대학 교양으로 통합과학을 운영하기 위하여 <자연과학개론>교과목을 이공계 학생과 비이공계 학생을 분리하여 교과목을 운영할 필요가 있다. 비이공계 학생들을 위한 통합 과학교육은 교과 내용의 범위와 난이도를 조정하여 과학과련 주제어 중심으로 빅뱅이론부터 생명, 물질, 에너지 등의 스토리텔링 형태를 가미한 다른 교수법으로 운영해야 할 필요가 있다고 여겨진다. 통합과학 형태의 <자연과학개론>은 과학적 지식과 과학적 소양 함양을 위한 교양 과학교과목으로 잘 활용될 수 있을 것이다.

5. 결론 및 제언

4차 산업혁명시대의 지식기반 융합사회는 새로운 지식과 정보의 양이 빠른 속도로 증가하고 있으며, 많은 지식과 정보 가운데서 자신이 필요로 하는 정보를 선별하고 재가공하여 새로운 문제를 해결하기 위한 자원으로 활용할 수 있는 창의 융합적인 지적능력이 중요하다. 대학의 교양과정에서 과학적 소양과 인문학적 소양을 균형 있게 함양하는 융합교육이 매우 필요하다. 교양과학 교육을 위해서 다양한 전공의 학생들이 과학과 수학의 개념과 원리를 이용해 논리적이고 합리적인 과학적인 사고방식의 뼈대를 만들고 공학과 기술을 통해 실지 자신의 분야에서 부딪치는 연계되는 문제를 해결할 수 있는 과학적 사고방식과 과학적 소양을 키우도록 학생들 각자의 전공과 연관된 내용중심으로 기초 과학교육을 포함할 필요가 있다. 대학 기초교양과정에서 기초과학으로 <대학기초물리학>과 심화교양으로 통합과학 형태의 <자연과학개론> 교과목을 운영한 결과, 학생들에게 가장 중요한 것은 과학에 대한 호기심과 관심을 불러일으키고, 자신의 전공과 관련된 기초과학과 다양한 과학지식을 개념위주로 쉽게 배우는 것을 매우 선호하였다.

대학 기초교양으로 개설된 <대학기초물리학>은 교양 수준의 과학 지식을 획득하기 위하여 물리학의 각 분야가 다루는 대상들을 소개하고, 자연현상과 관련된 물리학의 기본 개념과 원리들을 이해하기 쉬운 수준으로 설명하여 교양과학으로서 과학적 소양을 함양하는 것을 목표로 하였다. 교양교육으로 비이공계 학생들과 이공계 학생들이 혼합된 반으로 개설된 <대학기초물리학>은 비이공계 학생들이 열심히 공부하더라도 학점을 좋은 학점을 취득하기 어렵고, 수업을 따라가기 어려운 불공평한 교과목이 될 수 있다. 기초과학이 비이공계와 이공계의 전공에서 요구하는 기초지식과 과학적 사고력과 소양을 함양하는 목표가 상이하므로, 이공계와 비이공계를 분리하여 계열별로 수업을 진행하는 것이 학생들의 강의 만족도를 높게 하는 방안임을 확인할 수 있었다.

기초과학으로 <대학기초물리학>은 급속하게 발달하고 있는 과학 문명 속에서 살고 있는 학생들에게 최첨단 과학기술의 응용기술을 이해할 수 있는 기초적인 과학지식을 습득하게 하고, 그들에게 과학적인 사고 방법을 갖게 하는 기초과학 교과목이다. 이공계 학생뿐만 아니라, 비이공계 학생들에게도 좀 더 과학적인 소양과 융합교육을 위한 교양 과학교과목으로 활용이 가능하다. 비이공계 학생들을 대상으로 <대학기초물리학>의 교과목을 운영한 결과, 물리 기초개념에 대한 동영상 콘텐츠 활용과 물리 교구를 이용한 실험이 물리에 관한 관심과 학습 참여도 향상에 긍정적인 영향을 주었다. <대학기초물리학>의 교과목 운영에 있어서 가장 중요한 문제는 학생들의 전공과 계열에 맞는 교양 과학 운영방식의 개선이 필요하다.

대학 교양으로 통합과학을 운영하기 위하여 <자연과학개론>교과목도 이공계 학생과 비이공계 학생을 분리하여 교과목을 운영할 필요가 있다. 통합과학으로서 <자연과학개론> 교과목을 운영하는 데 있어서, 1학기에 개설된 A반에 비해 2학기에 개설된 B반에서 비이공계 학생들의 수강이 현저히 줄어들었다. 이러한 문제점은 <자연과학개론>교과목내용이 기초과학과 현대과학의 첨단 내용을 다루므로, 기초과학 지식이 부족한 비이공계 학생들이 좋은 학점을 얻기에는 어려운 것으로 보인다. 교양 교과목으로 통합과학 형태인 <자연과학개론> 교과목은 이공계 학생에게 더 적합한 교양이며, 비이공계 학생을 위한 교양 과학으로 <자연과학개론> 교과목을 운영한다면, 교과 내용의 범위와 난이도를 조정할 필요가 있으며, 비이공계 학생을 위한 교과운영방법이 개발되어야 할 것이다.

끝으로, 대학 교양과정에서 기초과학 교과목과 심화 과학교과목의 운영에 있어서 가장 먼저 해결해야할 문제는 수강하는 학생들의 전공에 따라 이공계와 비이공계로 나누어서 교양 과학교육이 진행되어야 한다. 학생들의 과학 기초학력의 수준과 전공에 따라 교양과학 교과목을 수강하도록 지도한다면, 강의 내용과 교과수업 난이도를 조정하여 보다 효과적인 교양 과학수업을 진행할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 교양과정에서 교양과학 교과목의 이수 학점을 높게 배분하는 교양학점 개선이 필요하다. 교양과정에서 통합과학의 형태인 심화 과학 교과목을 개설하여 과학교과목과 관련해 강의콘텐츠와 교수학습법 개발되어 비이공계 학생들에게도 과학적 소양을 키울 수 있도록 해야 한다. 대학에서 교양교육으로 대학의 인재 상에 부합하는 융합역량을 도출하기 위한 교과목 운영뿐만 아니라, 이공계 학생들에게는 인문학적 소양과 예술적 소양을 함께 기를 수 있는 교과목을 기초교양 필수과목으로 선택하게 하고, 비이공계 학생들에게는 과학적 소양을 키울 수 있는 기초과학 교과목과 과학교과목을 필수교양으로 수강하도록 한다면, 융합형 인재 양성을 위한 보다 효과적인 교양교육이 실시될 수 있을 것으로 여겨진다.

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