서울대학교 사범대 물리교육과에서 학사, 동 대학원 과학교육과에서 석사, 영국 킹스칼리지런던(KCL)에서 과학교육학 박사를 취득했다. 2001년부터 현재까지 서울대학교 물리교육과 교수로 재직 중이며, 사범대학 교무 부학장, 과학교육연구소 소장, BK21 과학교육사업단 단장 등을 역임했다. 또한 동아시아과학교육학회(EASE) 및 한국과학교육학회 회장을 역임했으며, 현재 서울대 교원양성혁신센터 센터장 및 한국과학기술한림원 정회원으로 활동 중이다. 교육부 과학중점학교지원연구단 단장, 2015 과학과 교육과정 개발 책임자, 미래세대 과학교육표준(KSES) 연구 책임자, SSK 사회변동과 교육적 대응 사업단 단장 등 국가 수준의 여러 과학교육 정책 수립 및 프로젝트의 책임자를 맡은 바 있다. 이 외에도 국내외 저명 학술지에 150여 편의 논문을 발표했으며 2023년 서울대학교 사범대학 연구부문 교학상을 수상했다. 주요 저역서로는 『과학과 교재연구 및 지도』(2003), 『학생의 물리 오개념지도』(2004), 『물리학의 역사와 철학』(2006), 『과학적 발견의 패턴』(2007), 『과학과 사회주의』(2016), 『교실과 문화』(2018), 『미래 학교교육』(2019) 등이 있다.