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문제 정의
- 교사 집단은 고등학교에서 공통과학이나 화학을 가르친 경력이 있는 사람으로 선정하였으며, 경력 3년 미만이 3명 , 3년 이상이 薦 이고, 성별로는 남자 4명, 여자 6명이다. 교사 집단은 인원수가 적어 집단간 비교에 큰 의미가 없을 수도 있으나 본 연구 대상에 국한하여 논의하고자 하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 우리 나라 대학생과 교사들의 화학평형과 평형이동에 대한 선수 개념의 정립 정도를 확인하고, 평형계에 비활성 기체를 첨가하거나 온도를 변화시키는 등의 변화를 주었을 때 평형이동의 방향을 예측하고 그 이유를 르사:틀리에 원리의 이용과 반응지수를 이용하는 방법으로 모두 설명하게 하여 화학평형과 평형이동에 대한 대학생과 교사들의 개념형성 정도를 자세히 알아보고자 한다.
- 본 연구에서는 대학생과 교사들의 화학평형과 평형 이동에 대한 개념형성 정도를 알아보기 위하여 개념검사지를 사용하여 조건 변화에 따른 부분압력과 농도의 계산, 평형에서의 조건 변화에 따른 평형이동 방향을 르샤틀리에 원리와 반응지수를 이용하여 어떻게 설명하는가를 조사하였다.
- 즉, 반응을 하지 않는 기체 혼합물이 든 용기의 부피를 변화시키거나 용기에 기체를더 주입했을 때, 성분 기체의 부분압력과 농도를 계산해보게 하는 문항이다. 이 문항들은 ［문항 2］에 포함된 반응계의 조건 변화에 따른 기체의 부분압력과 농도 변화를 계산할 수 있는지를 알아보기 위한 것이다.
제안 방법
- 개념조사 실시. 1학년 학생들은 일반화학 강의에서 화학 평형, 산염기 평형, 용해와 침전 평형을 배운 후에 개념검사지를 정규시험에 포함하여 실시하였다. 3학년 학생들도 물리화학 강의에서 화학평형과 상평형을 배운 후에 개념검사지를 정규시험에 포함하여 실시하였다.
- 4학년 학생들은 학생들의 동의를 얻어 학년 말에 조사를 하였다. 교사들은 인편으로 개념검사지를 해당 교사에게 보내어 조사를 실시하고 그 자리에서 회수하였다. 따라서 1학년과 码년은 개념검사지 내용이 시험 범위에 포함되므로 미리 준비를 한 상태이고, 4학년과 교사는 사전 준비없이 개념조사를 실시한 것이다.
- 서로 연관된 문항들은 네 가지 상황에서 주어졌는데, 각각에 대하여 차례대로 살펴보고자 한다.
- 단, 1학년은 ［문항 2-5］의 서술형 문항이 1개이므로 ［문항 2］가 21점 만점이고 총점은 52점 만점이다. 서술형 문항의 응답은 그 내용에 따라 정답 유형, 오답 유형, 기타, 무응답으로 분류하였으며, 이로부터 응답자의 개념형성 정도를 분석하였다.
- 연관 문항에 대한 분석. 본 연구에 사용된 개념검사문항은 서로 연관된 문항들을 포함하고 있는데, 다음의 세 범주로 되어 있다.
- 온도와 부피가 일정할 때 비활성 기체의 첨가에 따른 평형이동 방향 예측. 용기의 온도와 부피가 일정한 조건에서 비활성 기체를 첨가한 ［문항 1-3］과 ［문항 2-3］ 에 대한 응답 분포를 Table 8에 나타내었다.
- 온도와 전체 압력이 일정한 조건에서 비활성 기체의 첨가에 따른 평형이동 방향 예측. 온도와 전체 압력을 일정하게 유지하면서 비활성 기체를 첨가한 ［문항 1-5］와 문항 2-4］에 대한 응답 분포를 Table 9에 나타내었다.
- 개념검사지 개발. 화학평형과 평형이동에 대한 학생 들과 교사들의 개념형성 정도를 조사하기 위하여 선행연구들을 바탕으로 개념검사지를 개발하였다. 개발된 문항들은 대학교 2학년 학생들을 대상으로 예비 조사를 실시하여 수정 •보완한 후, 화학전공 교수 1명과 화학 교사 3명으로부터 타당도를 검증받았다.
대상 데이터
- 학생 집단은 일반화학을 수강하는 1학년 학생 , 물리화학의 열역학을 수강하는 3학년 학생, 일반화학과 물리화학을 모두 수강한 4학년 학생들로 구성하였다. 교사 집단은 고등학교에서 공통과학이나 화학을 가르친 경력이 있는 사람으로 선정하였으며, 경력 3년 미만이 3명 , 3년 이상이 薦 이고, 성별로는 남자 4명, 여자 6명이다. 교사 집단은 인원수가 적어 집단간 비교에 큰 의미가 없을 수도 있으나 본 연구 대상에 국한하여 논의하고자 하였다.
- 연구 대상. 서울 지역의 한 여자대학교 사범대학 학생들과 고등학교 화학 교사를 임의로 선정하였으며, 그 구성을 Table 1에 제시하였다. 대학생들은 학습 정도에 따른 비교를 위하여 같은 학교 학생들을 선정하였다.
- 대학생들은 학습 정도에 따른 비교를 위하여 같은 학교 학생들을 선정하였다. 학생 집단은 일반화학을 수강하는 1학년 학생 , 물리화학의 열역학을 수강하는 3학년 학생, 일반화학과 물리화학을 모두 수강한 4학년 학생들로 구성하였다. 교사 집단은 고등학교에서 공통과학이나 화학을 가르친 경력이 있는 사람으로 선정하였으며, 경력 3년 미만이 3명 , 3년 이상이 薦 이고, 성별로는 남자 4명, 여자 6명이다.
성능/효과
- 그리고 온도 변화에 따른 평형상 수의 변화는 교과서에서 평형이동과 연관시켜 설명하고 있지 않은 생소한 문제이기 때문에 교사들도 정답률이 낮았던 것으로 생각된다. 1학년들은 단순한 계산이나 르샤틀리에 원리의 적용에서는 정답률이 높았지만 기체의 부분압력이나 반응지수에 대한 개념은 부족한 것으로 드러났다. 그러나 열역학을 방금 배운 3학년들은 이러한 개념들을 대체로 잘 연관시켜 문제를 해결하는 것으로 나타났다
- 8%尖로 비슷하며, 50% 미만의 정답률을 보인다. t-test 결과 1학년과 4학년, 3학년과 교사 사이에는 유의미한 차이가 없었으며 (p>.05), 나머지 경우에는 모두 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다 (p<.01).
- 학생들 중에서는 의외로 1학년의 정답률이 가장 높고, 3학년의 정답률이 가장 낮게 나타났다. 가장 많은 오답 유형은 평형에서의 부분압력 대신 초기 상태의 부분압력을 평형상수식에 그대로 대입한 경우로 1학년 26.4%, 码년 57.1%, 4학년 30.8%, 교사 20.0%의 아주 높은 오답률을 보였다. 문항 2-1］은 ［문항 2］ 의 소문항 중에서 3학년 학생들의 정답률이 다른 집단에 비해서 가장 낮은 유일한 문항으로, 3학년들의 개념 형성이 부족하다기보다는 문제 이해에서의 단순한 실수로 생각된다.
- 개념검사에 대한 정답률은 대학교 1학년 45.2%, 3학년 63.2%, 4학년 45.8%, 교사 70.7%로 나타나 학생들 중에서는 물리화학을 배운 3학년들의 정답률이 1학년과 4학년보다 유의미하게 높은 것으로 나타났다. 물리화학을 배운지 1년 정도 지난 4학년들의 정답률이 3학년보다 낮은 것은 개념검사를 위해 복습할 기회를 주지 않은 원인도 있지만 학생들의 개념이 유의미하게 정착 되지 못하여 지속 효과가 줄어드는 것으로 생각할 수 있다.
- 화학평형과 평형이동에 대한 학생 들과 교사들의 개념형성 정도를 조사하기 위하여 선행연구들을 바탕으로 개념검사지를 개발하였다. 개발된 문항들은 대학교 2학년 학생들을 대상으로 예비 조사를 실시하여 수정 •보완한 후, 화학전공 교수 1명과 화학 교사 3명으로부터 타당도를 검증받았다. 최종 확정된 개념검사지는 3개의 범주로 구성된 총 14문항이며, 모든 문항은 객관식 문항과 이에 대한 이유를 진술하도록 한 서술형 문항으로 구성되어 있다（T泌/e 2）
- 즉 반응지수의 이용보다는 르샤틀리에 원리의 단순 적용에 익숙한 1학년 학생들의 경우비활성 기체를첨가하는 상황의 이해가부족할뿐 아니라 조건 변화에 따른 부피 변화에 대한 이해도 부족하다는 것을 알 수 있다. 그 결과 문제 상황을 제대로 이해하지 못하고 암기한 내용을 기계적으로 적용 하는 기능적 고착（functional fixedness）이나 문제 해결에 필요한 모든 변인들을 고려하지 못하고 일부 조건만 생각하여 문제를 해결하는 기능적 환원（functional reduction问 해당하는 오답들이 많았다.12 따라서 올바른 문제 해결을 위해서는 화학평형에 관한 근본적인 이해와 함께 적절하게 변인을 통제할 수 있는 능력 이 함께 수반되어야 한다는 것을 알 수 있다.
- 화학평형의 선수 개념인 부분압력과 농도 계산은 대체로 잘하는 것으로 나타났으며, 문제 상황이 단순하고 친숙할 때는 기체법칙과 부분압력의 법칙을 잘 적용하는 것으로 나타났다. 그러나 용기의 압력을 일정하게 유지하면서 기체를 더 첨가하였을 때 용기의 부피가 증가한다는 사실을 인식하지 못하는 학생들이 30-50%나 되어 친숙하지 않은 문제 상황에서는 기체 혼합물 계에 대한 종합적인 사고를 하지 못하는 것으로 드러났다. 특히 1학년의 경우에는 기체를 더 첨가하는 문항에 대한 정답률이 모두 낮게 나타나 기체법칙에 대한 개념형성 이 완전하지 못한 것을 알 수 있었다.
- 1,2따라서 모든 학생들이 교사가 의도한대로 개념을 형성 하는 것은 아니며, 같은 내용을 배워도 학생들마다 다른 개념을 가질 수 있다. 그리고 학생들의 선개념은 일반적으로 가르치고자 하는 현재의 과학 개념과는 다르고(이 경우 오인 또는 오개념, 대체개념이라고도 함), 때로는 올바른 과학 개념을 받아들이는데 방해요소로 작용하기도 하는 것으로 드러났다.1,2 따라서 효과적인 학습전략을 수립하기 위해서는 학생들이 수업 전에 가지고 있는 선개념과 수업 후에 학생들이 습득한 개념을 파악하는 것은 필수적인 요소이다.
- 넷째, 본 연구의 개념검사 결과 대학교 3학년 학생들의 정답률이 높은데 비하여 4학년 학생들의 정답률은 낮게 나타나 한 번 형성된 개념이 지속성을 유지하지 못하는 것으로 생각된다. 그러므로 주요 개념들에 대해서 학습 후 개념의 지속 정도를 체계적으로 밝히는 연구가 필요한 것으로 생각된다.
- 둘째, 학생들은 조건 변화에 따른 부분압력 이나 농도의 변화를 계산할 수 있는 능력이 있는데도 반응지수를 이용하여 평형이동의 방향을 제대로 설명하지 못하는 것으로 드러났다. 이는 대부분의 화학시험 문제가 용어의 정의나 수리적인 조작 능력을 확인하는데 중점을 두고 있기 때문에 학생들은 개념의 이해보다는 문제의 해법을 암기하는데 치중하기 때문인 것으로 생각된다.
- 세 가지 범주 A, B, C에 대하여 모두 바른 답을 한 (0,0,0：帛형의 비율은 1학년이 11.3%로 가장 낮고, 3학년이 39.3%로 학생들 중에서 가장 높았다.
- 셋째, 화학평형과 평형이동에 대한 학생들의 올바른 개념 정립을 위하여 수업 계획을 할 때 본 연구의 개념 검사에서 밝혀진 학생들의 오류와 오가］념들을 참조하면 좋을 것으로 생각된다.
- 약산의 산해리 평형에 대한 ［문항 3］에 대해서는 전체적으로 ［문항 2怛다는 높은 정답률을 보이며, 집단 별로 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나 ［문항 3-3］에 대해서는 정답률이 상당히 낮게 나타났는데, 산 해리 평형은 평형이동에서 별로 다루지 않은 문제로 응답자들에게 친숙하지 못한 문제상황이기 때문으로 생각된다.
- 이상의 결과로부터 비활성 기체의 첨가에 의한 평형 이동은 르샤틀리에 원리만으로는 설명이 어렵고, 반응지수의 변화에 대한 이해가 있으면 쉽게 문제를 해결하는 것을 알 수 있다. 그리고 온도 변화에 따른 평형상 수의 변화는 교과서에서 평형이동과 연관시켜 설명하고 있지 않은 생소한 문제이기 때문에 교사들도 정답률이 낮았던 것으로 생각된다.
- 이상의 결과로부터 산해리 평형에서 평형농도의 계산이나 공통이온 효과에 의한 평형이동에 대해서는 학생들이 잘 이해하고 있으나, 용매의 첨가에 의한 평형 이동의 예측과 같이 생소한 문제 상황에서는 학생들뿐만 아니라 교사들도 상당히 어려워함을 알 수 있다.
- 이상의 결과로부터 학생들이나 교사들은 기체를 더 첨가하는 조건 변화에 대하여 용기의 전체 압력이나 부피 변화를 인식하는데 어려움을 느끼는 것을 알 수 있다. 그리고 문제 상황이 단순하고 친숙할 때는 기체법칙과 부분압력법칙을 적용하여 계산을 잘 하지만, 친숙 하지 않은 문제 상황이나 조작변인이 두 가지 인 경우에는 기체 혼합물 계에 대한 종합적인 사고를 하지 못함을 알 수 있다.
- 이상의 결과를 종합해보면 범주 A에서는 정답을 했으나 범주 C에서는 오답을 한 경우가 많은 것으로 보아 조건 변화에 따른 부분압력이나 농도의 계산 능력은 있으나 평형이동의 방향을 제대로 설명하지 못하는 것을 알 수 있다. 또한 범주 B에서는 정답을, 범주 C에서는 오답을 한 경우는 별로 많지 않아 비활성 기체의 첨가나물의 첨가에 의한 평형이동은르샤틀리에 원리만으로는 설명이 어려움을 알 수 있다.
- ［문항 2-2］는 평형에서 반응 용기의 부피를 감소시켰을 때 평형이동의 방향을 예측하는 문항으로 이유를 묻는 서술형은 르샤틀리에 원리의 적용과 반응지수를 이용하여 각각 진술하도록 되어 있다. 전체적으로 1학년과 4학년의 정답률이 낮았는데, 객관식 문항에 대한 정답률은 모두 60% 이상으로 나타났으나 서술형 문항에 대한 정답률은 낮았다
- 조건 변화에 따른 평 형 이동 방향을 르샤틀리에 원리로 설명하는 범주 B와 반응지수로 설명하는 범주 C의 정답률을 살펴보기 위하여, 범주 B와 C에 모두 정답을한 (0, 0,0：유형과 범주 既 정답이나 범주 C는 오답인 (0, 0, X：유형을 비교해보면 (0, 0, X冷형도 상당히 많음을 알 수 있다. 특히 1학년들은 (0,0,X)유형이 (0,0,0：유형보다 두 배 이상 높게 나타나 평형이동에 대한 기본개념이 없이 르샤틀리에 원리를 기계적으로 적용하여 문제를 해결하는 학생도 많음을 보여준다.
- 특히 비활성 기체 첨가에 관한 문항의 정답률이 낮았고, 그 중에서도 부피보다는 전체 압력을 통제 변인으로 설정한 경우의 정답률이 매우 낮게 나타났다. 즉 반응지수의 이용보다는 르샤틀리에 원리의 단순 적용에 익숙한 1학년 학생들의 경우비활성 기체를첨가하는 상황의 이해가부족할뿐 아니라 조건 변화에 따른 부피 변화에 대한 이해도 부족하다는 것을 알 수 있다. 그 결과 문제 상황을 제대로 이해하지 못하고 암기한 내용을 기계적으로 적용 하는 기능적 고착（functional fixedness）이나 문제 해결에 필요한 모든 변인들을 고려하지 못하고 일부 조건만 생각하여 문제를 해결하는 기능적 환원（functional reduction问 해당하는 오답들이 많았다.
- 첫째, 르샤틀리에 원리는 평형이동의 방향을 쉽게 예측할 수 있는 장점이 있으나 비활성 기체의 첨가나 용매의 첨가와 같이 르샤틀리에 원리의 단순 적용이 어려운 경우에는 학생들이 문제해결을 포기하거나 르샤틀리에 원리를 잘못 적용하는 것을 알 수 있었다. 그러므로 르샤틀리에 원리를 가르칠 때는 반드시 반응지수를 이용한 문제해결 방법을 함께 제시하여 르샤틀리에 원리가 성립되는 이론적인 근거를 이해하게 하는 것이 필요한 것으로 생각된다.
- 기체 반응계에 대해 조건 변화에 따른 평형이동을 예측하고 설명하는 문항에서 3학년들은 정답률이 높았으나 1학년과 4학년들은 개념형성이 부족한 것으로 나타났다. 특히 비활성 기체의 첨가에 따른 평형이동은 르샤틀리에 원리만으로는 설명하기 어려운 것으로 드러났으며, 반응지수의 변화를 이해할 수 있어야 르샤틀리에 원리도 적용할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 같은 조건 변화에 대하여 부분압력의 변화를 계산하지 못해 선수 개념이 부족한 학생들도 있었지만, 부분압력을 계산할 수 있는 학생들도 상당수가 평형 이동은 제대로 설명하지 못하여 반응지수를 적용하는 능력이 부족하였다.
- 화학평형의 선수 개념인 부분압력과 농도 계산은 대체로 잘하는 것으로 나타났으며, 문제 상황이 단순하고 친숙할 때는 기체법칙과 부분압력의 법칙을 잘 적용하는 것으로 나타났다. 그러나 용기의 압력을 일정하게 유지하면서 기체를 더 첨가하였을 때 용기의 부피가 증가한다는 사실을 인식하지 못하는 학생들이 30-50%나 되어 친숙하지 않은 문제 상황에서는 기체 혼합물 계에 대한 종합적인 사고를 하지 못하는 것으로 드러났다.
- ［문항 2］의 전체적인 정답률은 ［문항 1］에 비해 교사 집단을 제외하고는 상당히 낮아졌는데, 특히 1학년과 4학년은 서술형 문항의 정답률이 30% 미만으로 아주 낮은 정답률을 보였다. 교사들은 거의 대부분의 문항에서 좋은 정답률을 보였다.
후속연구
- 산해리 평형에 대한 평형 이동은 교과서에서 잘 다루지 않으므로 학생들이나 교사들에게 친숙하지 않다. 그러므로 해법의 암기에 의한 풀이는 없을 것으로 생각되며, 평형이동에 대한 개념을 새로운 상황에 적용할 수 있는가를 알아볼 수 있을 것으로 생각된다. 문항의 구성은 약산 수용액의 산해리 평형에 대하여 理。*이온의 농도를 계산하는 2문항과 반응계의 조건 변화에 따른 평형이동 방향을 예측하고그 이유를 르샤틀리에 원리와 반응지수를 이용하여 설명하도록 한 2문항으로 되어 있다.
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