아래로 아래로 굴러가는 롤러코스터

아이들은 아래로 아래로 신나게 내려가는 것을 좋아하는 것 같습니다. 어린 유아기부터 미끄럼틀 타기를 좋아하는 것도 그렇고 자동차가 레일로 계속 내려가는 자동차 경주 장난감도 그렇고.... 신나게 아래로 달려가는 것에 시선을 빼앗기고 마냥 집중하는 것을 자주 보게 됩니다.

사실 이러한 장난감을 과학의 관점에서 보면 높은 곳에 있는 물체가 가지고 있는 위치에너지가 아래로 굴러 내려가면서 위치에너지로 바뀌면서 빠른 속도로 움직이는 것을 보는 과정이라고 할 수 있습니다. 이러한 과학적 원리를 아이들이 관찰하고 더 나아가서 설계할 수 있도록 만든 장난감이 마블런, 또는 구슬 롤러코스터라고 할 수 있겠습니다.

에너지와 중력에 초점을 맞추는 게 포인트

시중에는 다양한 형태의 마블런 구슬 롤러코스터가 있기 때문에 한 가지로 한정하지 않고 이를 통해 과학 홈스쿨링을 하는 과정을 기준으로 설명하고자 합니다. 이러한 장난감은 대개 아이들의 연령과 수준에 따라 다양한 형태로 나오게 되는데 어린 유아들을 대상으로는 블록 쌓기처럼 기둥을 쌓는 것을 중심으로 해서 구슬이 쉽게 내려갈 수 있도록 장난감이 구성되어 있습니다. 반면 좀 더 심화된 수준으로는 보다 다양한 장치들을 이용하여 구조물을 만들고 기둥뿐만 아니라 구슬이 내려가는 레일까지 구체적으로 조립할 수 있도록 장난감이 구성되어 있습니다.

과학을 떠나서도 아이들이 무척 좋아하는 이런 종류의 장난감을 만들 때에는 우선 거부감이 생기지 않도록 일단 과학 홈스쿨링을 하기 전에 마음껏 만들고 즐겨 보도록 합니다. 그래서 구슬이 신나게 아래로 굴러가는 모습을 관찰하고 즐기게 한 다음에 대화로 탐구를 시작하는 게 좋을 것 같습니다.

일단 저학년 아이들이라면 무엇이 구슬을 굴러가게 하는지 에너지의 관점보다 중력의 관점에서 얼마나 이해하고 있는지를 물어보는 것입니다. '지구는 모든 것을 아래로 잡아당기는 힘을 가지고 있어서 구슬이 아래로 신나게 굴러 내려간다'는 사실에 대해서만이라도 인지할 수 있게끔 대화하면서 아이에게 원리를 전달하면 좋을 것 같습니다. 그러고 나서 장난감에 대부분 들어 있는 것과 같이 굴러 내려가는 과정에 배치할 수 있는 힘의 전달 장치, 예를 들면 도미노라든지 물레방아라든지 깔때기라든지 하는 장치를 사이사이에 삽입하게 하면서 구슬이 내려가는 힘이 장치에 전달되는 과정도 함께 느끼게 하면 좋을 것 같습니다.

골드버그 장치 설계까지도 도전 가능

반면에 고학년 아이들이라면 단순히 중력의 관점을 벗어나 에너지의 관점에서 이를 이해시켜 주는 것도 필요하다고 생각합니다. 초등학교 6학년 2학기 과학 교과서에는 에너지와 생활 단원이 나오는데 이때 위치에너지와 운동에너지, 그리고 에너지의 전환에 대해서 배우기 때문에 높은 곳에서 있는 구슬이 가진 위치에너지가 운동에너지로 전환되는 과정, 그리고 내려오면서 거치는 중간 장치(도미노나 물레방아, 깔때기, 중간 구슬 등)에서 에너지가 다른 물체로 전달되는 과정에 대해서 집중할 수 있도록 과학적인 현상에 대해서 질문과 대답을 통해 탐구하는 게 필요합니다. 이렇게 구슬 롤러코스터 속에 담긴 과학 원리를 탐구하고 나서 생활 속에서 에너지가 전환되는 다양한 사례를 조사하게 하면 아이들은 에너지의 관점에서 우리 생활을 관찰할 수 있을 것이라 생각합니다.

그 후에는 고학년 아이들이라면 구슬 롤러코스터를 자기가 생각한 창의적인 형태로 구상하고 이를 설계한 대로 제작해 보게 하는 것도 의미 있는 과정이 될 것입니다. 레일의 각도나 거리에 따라 아이들이 구상한 대로 만든 결과물이 간혹 중간에 멈추는 상황도 생길 수 있지만 오히려 그러한 실패의 과정이 발생할 때 아이들은 '어디서 문제가 발생한 것인지' '무엇이 잘못되어서 나타난 현상인지'에 대해서 깊게 탐구할 수 있는 기회를 얻게 됩니다. 이런 상황에 대해 느낀 점까지 보고서를 작성할 때 기록하게 한다면 아이들은 다음에 보다 심화된 탐구를 할 수 있는 동기를 얻게 되는 것이니까 말입니다.

또 탐구에 대해 재능을 보이는 아이들이라면 인터넷 등 자료 조사를 통해서 기발한 재료와 메커니즘을 설계하여 에너지가  방 안에서 여행하듯 전달되는 골드버그 장치(영화 속에서 발명가들이 아침에 일어나면 물체가 쓰러지고 구슬에 닿아 구슬이 굴러가는 등 에너지가 전달되는 우스꽝스러운 장치를 비웃는 말이지만, 최근엔 영재교육원 등에서 창의적인 고안 능력을 훈련하는 프로젝트로 활용되는 장치입니다)를 설계해 보는 것도 긍정적인 자극이 될 수 있을 것입니다.