물리학은 생명, 의학 계열을 제외한 거의 모든 이공계 대학에서 필수적으로 공부해야하는 과목입니다. 그러나 이공계를 지원할 많은 고등학생들이 어렵다는 이유로 물리를 선택하지 않고 대학에 진학합니다. 실제로 많은 공대생들이 대학 물리학을 어려워하는데, 그것은 너무도 당연합니다. 고등학교에서 물리공부의 틀이 잡히지 않았으니, 대학 물리학을 쉽게 접할 수가 없는 것입니다. 조금 과장해서 말해보면, 그것은 중학생이 대학 물리학을 공부하는 것과 같습니다.

물리는 Why가 아니라 How에 대한 답을 찾는 과목
그렇다면 고등학생들은 왜 물리를 기피할까요? 그것 중에 하나는 시험제도의 문제인데, 이공계를 지원할 수험생들이 물리를 선택할 수 있다는 것입니다. 실제 수능 과탐에서 물리를 선택하는 비중이 다른 과목에 비해 가장 낮습니다. 다른 하나는 고등학생들이 이공계 대학에서 물리 과목의 중요성을 잘 알지 못한다는 것입니다. 그래서 어렵게 느껴지는 물리를 쉽게 포기하고 대학에 진학합니다. 그러면 왜 학생들은 물리를 어렵게 느낄까요?
지금부터 저의 경험상 학생들이 물리를 어렵게 생각하는 이유와 그 방안에 대해 크게 세 가지 관점에서 이야기하고자 합니다.
첫째, 질문의 습관을 바로 잡아야합니다. 물리는 Why가 아니라 How에 대한 답을 찾는 과목입니다. 그런데 학생들은 습관적으로 ‘왜요?’라고 질문합니다. 예를 들어 물리의 한 분야인 고전역학에는 물체의 운동을 설명합니다. 이때 물체가 ‘어떻게’ 운동하는 지를 설명하는 것이지, 물체가 ‘왜’ 운동하는 지를 설명하는 것이 아닙니다. 이 질문의 습관은 사실 물리에만 해당되는 것은 아니고 모든 과학 과목이 그러합니다. 더 쉬운 예로 생명과학의 예를 들어보겠습니다. 아이가 ‘엄마 나 어떻게 태어났어?’라고 질문했을 때와 ‘엄마 나 왜 태어났어?’라고 질문했을 때, 과학은 전자를 설명할 수 있지만, 후자는 철학이나 종교의 문제가 됩니다. 그런데 이러한 습관적인 질문의 오류는 학생들로 하여금 새로운 지식을 잘 받아들이지 못하게 합니다. 즉, 자신의 알고 있는 지식으로 새로운 내용이 이해가 되지 않으면 그냥 어렵다고 생각하기 때문입니다. 하지만 우리가 처음 구구단을 이해하면서 외우는 것이 아니듯이 학년이 올라갈수록 단지 받아들여야 하는 내용들이 존재합니다. 따라서 물리를 처음 공부할 때 질문의 습관을 잘들여야합니다. ‘왜요?’가 아니라 ‘어떻게요?’입니다.

물리에서 수와 수식의 의미를 혼동하지 말아야
둘째, 수학과 물리의 차이를 알아야합니다. 과학 중에서 가장 수학적인 과목이 물리입니다. 그래서인지 수학과 물리에서 수와 수식의 의미를 혼동하는 학생들이 많습니다. 예를 들어 수학에서 ‘1’ 그 자체로 의미가 있지만, 물리에서의 ‘1’은 그 자체로 아무런 의미가 없습니다. 물리에서 어떤 숫자가 의미를 가지려면 그 숫자 뒤에 반드시 ‘단위’가 붙어야합니다. 즉, 1N은 힘이 1이라는 뜻이고, 1kg은 질량이 1이라는 뜻입니다. 그리고 수학에서 +1은 -1보다 큽니다. 그러나 많은 경우 물리에서의 부호는 크기를 의미하지 않고, 방향이나 증감을 뜻합니다. 또한 물리에서 사용하는 수식 중에 ‘F=ma’가 있는데, 단순히 수학적으로만 따져보면, m이 일정할 때 F와 a는 비례하고, F가 일정할 때 m과 a는 반비례하며, a가 일정할 때 F와 m은 비례합니다. 그런데 물리에서 F와 m은 비례 관계가 아닙니다. 즉, 힘(F)이 증가한다고 해서 물체의 고유한 양인 질량(m)이 증가하는 것은 아니기 때문입니다. 다만, a를 일정하게 하기 위해 질량을 변화시킬 수 있도록 실험설계를 한 경우에는 F와 m이 비례하다고 말할 수 있지만, 그렇다고 해서 그것이 물리적 의미에서의 비례관계를 뜻하는 것이 아닙니다. 이처럼 물리에서 수나 수식의 의미를 정확히 이해해야할 필요가 있습니다. 물리는 수학을 언어로 사용할 뿐이지 수학이 아닙니다.

물리는 현실의 세계를 단순화해서 설명한 것
셋째, 물리는 현실 세계를 있는 그대로 설명하는 것이 아니라는 것을 알아야합니다. 즉, 물리는 현실의 세계를 단순화하고 또 단순화해서 더 이상 단순화할 수 없을 때까지 단순화해서 설명합니다. 제가 앞의 한 문장에만 단순화라는 말을 네 번씩이나 썼습니다. 그 이유는 너무 단순합니다. 너무 중요하기 때문입니다. 여기서 단순화를 다른 말로 표현하면, 전제 조건화라고 할 수 있습니다. 즉, 물리에서의 어떤 현상에 대한 기술은 특정 조건하에서만 성립한다는 것입니다. 아주 간단한 예를 들어보면, ‘같은 높이에서 종이와 돌을 낙하시키면 동시에 떨어진다.’라는 명제가 있습니다. 그러나 현실 세계에서는 종이보다 돌이 먼저 떨어집니다. 그 이유는 공기의 저항과 마찰 때문입니다. 즉, 앞의 명제가 성립하려면 ‘공기의 저항과 마찰이 없을 때’라는 전제조건이 필요합니다. 따라서 학생들은 물리가 설명하는 내용이 ‘있는 그대로의’가 아닌 어떤 조건으로 ‘단순화’한 세계라는 것을 인지해야 합니다. 실제 수능 물리의 30%이상은 물리 수식(공식)을 특정 조건으로 제한했을 때 나머지 변수들과의 관계를 묻는 문제입니다.

지금까지 다른 이유도 많이 있겠지만 학생들이 물리를 어려워하는 이유를 제 경험에 비추어 가장 중요하다고 생각하는 점을 앞의 세 가지로 분류하여 보았습니다. 따라서 학생들이 물리를 공부할 때 질문의 습관, 수학과 물리의 차이, 그리고 단순화 한 세계라는 점을 꼭 기억했으면 합니다.

진인사학원
과학 담당 김영정 선생

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