[논문]원자모형과 전자배치 단원에 대한 고등학교 학생들의 학습 성취도 및 화학 II 교과서의 설명방식의 차이점에 대한 분석

김창곤

doi:10.5012/jkcs.2003.47.3.273

문제 정의

따라서 양자역학 체계를 기반으로 발전된 현대적 의미의 원자모형과 궤도함수등에 대한 개념들을 대다수의 학생들이 올바르게 이해하기는 어려울 것이며, 결과적으로 개념의 이해보다는 단순 암기식의 학습이 될 우려가 크다고 할 수 있다. 그러나 이제 까지 이 에 대 한 학생들의 이 해 정 도를 조사한 연구는 거의 없는 실정 이므로 본 연구에서 고등학생 들을 대상으로 현대적 의미의 원자 구조와 전자배치 및 궤도함수 등에 대한 개념의 이해정도를 알아보고, 고등학교 화학 II 교과서를 중심으로 이들 개념에 대한 설명 방식의 차이점들을 분석해 그 개선점에 대하여 논의하여 보고자 한다.
¹⁴ 그러므로 학교에서 이루어지는 과학교육에 있어서 교과서의 내용 및 구성 이 학생들의 과학적 개념의 올바른 이해와 습득에 매우 중요하게 작용하게 될 것이다. 따라서 본 연구에서는 화학 및 물리학의 주요 개념들 중의 하나인 원자모형과 원자내의 전자배치 및 궤도함수 등에 관한 설명 방식에 대하여 고등학교 화학 II 교과서를 중심으로 그 차이점을 분석하고 학생들의 이해 정도에 대하여 조사 하였다. 물론 본 연구에서는 제 6차 교육과정에 의하여 편찬된 교과서들의 내용 및 이를 학습한 학생들을 대상으로 하였으나, 현재의 고등학교 2학년부터는 새로 개정 된 제 7차 교육과정에 의하여 학습하고 있으므로 그 차이가 있을 수 있다.
¹⁵ 그러나 제 7차 교육과정에서의 과학교과목들에 대한 심화, 선택과정에 의하여 화학 II와 물리 II의 교과목들을 동시에 선택하여 학습하는 학생들은 상대적으로 많지 않을 것으로 예상된다. 따라서 이들 단원에 대한 학습 성취도는 제 6차 교육과정에 비하여 오히려 저하될 것이 우려되므로 보다 효율적 인 학습을 위한 참고자료로서 본 연구를 수행하였다.
개념이해 설문지의 개발 및 조사. 본 연구에서는 고등학생들의 현대적 의미의 원자모형과 전자배치 및 궤도함수 등과 관련된 개념들에 대한 학습성취도의 정도를 조사하여 , 이에 대한 보다 적절한 학습 방법을 모색하고자 하였다. 이를 위하여 고등학생들을 대상으로 개념 이해 설문지를 개발하여 화학 전공교수 및 고등학교 화학교사 각각 3인으로부터 자문 및 타당성을 검증 받은 후, 동일한 교과서 （F）를 사용하는 인천 시내 인문계 고등학교교의 이과계열 2학년 및 3학년 각 1개반씩을（2학년 34명 , 3학년 3魂） 대상으로 설문지의 조사를 수행하였다.
본 연구에서는 인문계 고등학교 이과계열 학생들 중화학 II의 교과 과목을 선택한 2학년과 3학년 학생들의“원자모형과 전자배치” 단원에 대한 개념 이해정도를 알아보기 위하여 개념설문지를 사용하여 조사하였고, 제 교육과정에 의하여 편찬된 8종의 고등학교 화학 II 교과서의 기술 방식들에 대한 유사점 및 차이점을 분석하여 개념설문지 조사 결과와 연계하여 그 개선점에 대하여 논의하였다.

제안 방법

이를 위하여 고등학생들을 대상으로 개념 이해 설문지를 개발하여 화학 전공교수 및 고등학교 화학교사 각각 3인으로부터 자문 및 타당성을 검증 받은 후, 동일한 교과서 （F）를 사용하는 인천 시내 인문계 고등학교교의 이과계열 2학년 및 3학년 각 1개반씩을（2학년 34명 , 3학년 3魂） 대상으로 설문지의 조사를 수행하였다. 설문지는 원자모형의 기본 개념에 대한 4문항, 원자 내 전자에 대한 이해도 4문항, 궤도함수 및 전자배치 개념에 대한 4문항 등, 총 3개 범주 12문항으로 구성하였다（7泌/e 1）. 이때 모든 문항은 학생들의 이해정도를 알아보기 위하여 ①전혀 모름, ②약간 알고 있음, ③잘 알고 있음의 세 가지 객관식 선택 항목으로 정하였고, 필요시 보충적인 사항들을 개별적으로 기술하도록 구성하였다.
이때 모든 문항은 학생들의 이해정도를 알아보기 위하여 ①전혀 모름, ②약간 알고 있음, ③잘 알고 있음의 세 가지 객관식 선택 항목으로 정하였고, 필요시 보충적인 사항들을 개별적으로 기술하도록 구성하였다. 설문지의 조사 시기는 화학II 교과서의 원자구조 및 전자배치의 교과과정이 2학년의 1학기 과정에 포함되므로 이 과정의 학습이 모두 끝난 2학기 중반에 실시하였다.
설문지는 원자모형의 기본 개념에 대한 4문항, 원자 내 전자에 대한 이해도 4문항, 궤도함수 및 전자배치 개념에 대한 4문항 등, 총 3개 범주 12문항으로 구성하였다（7泌/e 1）. 이때 모든 문항은 학생들의 이해정도를 알아보기 위하여 ①전혀 모름, ②약간 알고 있음, ③잘 알고 있음의 세 가지 객관식 선택 항목으로 정하였고, 필요시 보충적인 사항들을 개별적으로 기술하도록 구성하였다. 설문지의 조사 시기는 화학II 교과서의 원자구조 및 전자배치의 교과과정이 2학년의 1학기 과정에 포함되므로 이 과정의 학습이 모두 끝난 2학기 중반에 실시하였다.
본 연구에서는 고등학생들의 현대적 의미의 원자모형과 전자배치 및 궤도함수 등과 관련된 개념들에 대한 학습성취도의 정도를 조사하여 , 이에 대한 보다 적절한 학습 방법을 모색하고자 하였다. 이를 위하여 고등학생들을 대상으로 개념 이해 설문지를 개발하여 화학 전공교수 및 고등학교 화학교사 각각 3인으로부터 자문 및 타당성을 검증 받은 후, 동일한 교과서 （F）를 사용하는 인천 시내 인문계 고등학교교의 이과계열 2학년 및 3학년 각 1개반씩을（2학년 34명 , 3학년 3魂） 대상으로 설문지의 조사를 수행하였다. 설문지는 원자모형의 기본 개념에 대한 4문항, 원자 내 전자에 대한 이해도 4문항, 궤도함수 및 전자배치 개념에 대한 4문항 등, 총 3개 범주 12문항으로 구성하였다（7泌/e 1）.
화학 II 교과서의 분석. 제 6차 교육과정에 의하여 편찬된 8종의 고등학교 화학 II 교과서를 수집하여 원자모형과 전자배치 단원의 내용과 설명 방식의 유사점 및 차이점에 대하여 분석하였고, 설문지 조사의 결과와 연계하여 그 개선점에 대하여 논의하였다. 본 연구에 사용된 8종의 화학 II 교과서는 임의로 다음과 같이 A-H 로 분류하였다.

성능/효과

이상과 같은 전자 구름 모형에 대한 설명들은 그 기술 방식 이 약간 다르다 하더 라도 공통적으로 확률의 개념에 의하여 전자의 위치를 나타낼 수 있다는 것인데, 이러한 확률의 개념에 의한 전자의 상태에 대한 설명에서 본 연구에서 분석한 8종의 교과서들 중 4종의 교과서들에서 위에서 분석한 설명방식 ①과 같이 단순히 "전자가 매우 빠른 속도로 운동하므로 이와 같이 빠른 속도로 운동하는 전자의 위치를 정확히 측정할 수 없다”고 기술하는 것은 학생들에게 불확정성의 원리에 대한오가]념을 형성할 수 있는 설명 방식이므로 수정되어야할 것으로 분석되었다.
(i) 전자의 속도가 매우 빠르므로 운동하는 전자의 위치를 정 확히 측정할 수 없으며 단지 핵 주위의 공간 영역에 존재하는 확률로서 나타낼 수 있다(D, E, F, G).
(iii) 하이젠베르그의 불확정성 원리에 의하여 전자의 위치를 정확하게 측정할 수 없으며 전자가 원자핵 주위에서 발견되는 영역을 확률적으로나타내어야 한다(B, H).
또한 설명방식 (ii阕 (iii)과 같은 설명 방식에 의한 전자 구름 모형에 대한 기술은 양자역학적 인 개념상 그 기술 방식은 올바르다 할지라도 이러한 간략한 설명 방식은 앞에서 기술한 바와 같이 양자역학에 대한 기본적인 개념들에 대하여 익숙하지 않은 학생들이 제대로 이해하기는 쉽지 않을 것으로 예상할 수 있다. 즉 Table 2에서 볼 수 있듯이 입자파동 이중성과 불확정성의 원리에 대한 이해도를 조사한 설문지의 조사 문항 [1-1] 및 [1-3]에서 조사 대상 학생들의 대다수가 잘 알지 못하고 있는 것으로 나타나 전자 구름 모형에 대한 설명 방식 (ii)와 (iii)과 같은 단순한 기술에 의하여는 학생들의 이해도가 매우 낮을 것으로 예측할 수 있다.
따라서 이러한 전자의 에너지 상태의 불연속성과 전자 구름 모형 등과 같은 기본적인 개념들에 대한 올바른 이해를 돕고, 혹시 발생할 수 있는 오개념의 가능성을 최소화하기 위해서는 기초적인 분광학과 양자역학의 개념에 대한 설명 이 선행되거나보충되어 야 할 것으로 분석되었다. 물론 이러한 과정은 현재의 고등학교의 교과구성상 물리 II의 단원 IV의 파동과 입자단원에서 다루고 있으므로 이러한 과정에 의하여 어느 정도 보완될 수 있을 것이다.
화학 II 교과서의 분석. 본 연구에서 분석한 8종의 화학 II 교과서들의 “원자모형과 전자배치” 부분의 구성과 설명방식은 전반적으로 유사한 형태들을 가지고 있는 것으로 분석되었다. 즉, 세부적으로는 그 구성방식들이 약간씩 다르기는 하지만 대체적으로 (i) 전자기복사와 수소원자 스펙트럼, (ii) 원자모형들의 설명 , (iii) 원자 궤도함수(오비탈), (iv) 원자궤도내의 전자배치의 설명방식으로 내용이 구성되어 있다.
마지막으로 설문조사의 결과 한가지 흥미로운 결과를 볼 수 있다. 즉 Pauli의 배타원리와 Hund의 법칙과 같은 오비탈내의 전자배치의 실제적인 기본이 되는 전자 스핀（문항 ［2-3］问 대한 이해도는 오히려 3학년들이 낮게 나타났음에도 불구하고, Pauli의 배타원리와 Hund의 법칙 （문항 ［3-1］）과 오비탈의 에너지 준위의 순서（문항［3-3］）와 같은 원자내 전자 배치 방식에 대한 이해정도는 3학년이 2학년 학생들에 비하여 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 대부분의 화학 II 교과서들에서 전자스핀에 대한 개념의 언급이 없이 단순히 Pauli의 배타원리와 Hund의 법칙에 의하여 원자 오비탈내에는 최대의 전자만이 채워질 수 있으며 동일한 에너지 상태를 갖는 오비탈들에는 전자 반발을 최소화하기 위하여 먼저 1개씩의 전자들이 채워진다고 기술하고 있기 때문으로 해석할 수도 있을 것이다.

후속연구

그러나 현실적인 문제점은 앞에서이 미 언급한 바와 같이 현재의 고등학교교과과정상 학생들이 공통과학 이외에 물리 II, 화학 II, 생물 II 또는 지구과학 II의 과목들 중 단 한 과목만을 선택하여 학습 하면 되므로 화학 II를 선택한 학생들이 물리 II를 중복 하여 선택하지 않는다는 것이다. 결과적으로 화학 II를 선택한 학생들이 기초적인 분광학과 양자역학의 개념에 대해 실제적으로 학습할 수 있는 기 회는 교과 구성상 본 연구에서 분석한 전자배치와 원자구조 단원이 유일하다 할 수 있을 것이다. 따라서 이러한 약점을 보완하려면 현재 몇몇의 교과서들에서 기술되어 있는 것과같이 심화학습 또는 참고사항 등의 부분에 양자 역 학의 입자파동 이중성이나 에너지의 불연속성 등에 대한 기본적인 사항들을 간략하게라도 기술하는 것이 학생들의 이해를 돕는 보완 방법중의 하나가 될 것이라 할 수있을 것이다.
그러나 현실적인 문제점은 앞에서이 미 언급한 바와 같이 현재의 고등학교교과과정상 학생들이 공통과학 이외에 물리 II, 화학 II, 생물 II 또는 지구과학 II의 과목들 중 단 한 과목만을 선택하여 학습 하면 되므로 화학 II를 선택한 학생들이 물리 II를 중복 하여 선택하지 않는다는 것이다. 결과적으로 화학 II를 선택한 학생들이 기초적인 분광학과 양자역학의 개념에 대해 실제적으로 학습할 수 있는 기 회는 교과 구성상 본 연구에서 분석한 전자배치와 원자구조 단원이 유일하다 할 수 있을 것이다. 따라서 이러한 약점을 보완하려면 현재 몇몇의 교과서들에서 기술되어 있는 것과같이 심화학습 또는 참고사항 등의 부분에 양자 역 학의 입자파동 이중성이나 에너지의 불연속성 등에 대한 기본적인 사항들을 간략하게라도 기술하는 것이 학생들의 이해를 돕는 보완 방법중의 하나가 될 것이라 할 수있을 것이다.
물론 이와 같이 추가적인 설명을 기술하는 방식 이 현실적으로 교과서의 분량과 수업시간 등의 제한으로 인하여 쉽지 않을 것이다. 그럼에도 이들 단원의 내용들이 화학결합 등과 같이 중요한 화학적 개념의 기초가 될 뿐만 아니라, 대학교의 자연 및 공학계열에서 교양필수 내지는 교양선택의 과목으로 이수하여야 하는 일반화학의 교과내용에 필수적으로 포함되어있으므로 상급 교과과정과의 보다 효율적인 연계를 위하여도 지속적 인 연구를 통하여 합리적 인 개선점이 도출되어야 할 것이다.
잘 일치하는 것으로서 개념설문지의 조사에서 나타난 결과들을 보면 전반적으로 교과서에 기술된 사항들에 대한 조사 대상 학생들의 이해도는 부분적으로 잘못 이해하고 있다 하더라도 상대적으로 높게 나타난 것을 알수 있다. 따라서 앞에서 논의한 바와 같이 현재의 고등학교의 교과 구성상 “원자모형과 전자배치” 단원의 효과적이고 체계적인 학습을 위해 필수적으로 선행되거나 보충되어야만 하는 기초적인 분광학과 양자역학에 대한 개념들에 대한 학습이 이루어지는 것이 현실적으로 어렵다면, 현재 몇 종의 화학 II 교과서들에서 기술 되어 있는 방식과 같이 심화학습 또는 참고사항 등의 부분에 양자역학의 입자파동 이중성이나 에너지의 불연속성 등과 같은 기본적인 사항들을 간략하게라도 기술하는 것이 학생들의 이해를 돕는 한가지의 보완 방법이 될 것이라 할 수 있을 것이다.
연구의 제한점. 본 연구는 인천광역시 소재 동일한 교과서를 사용하는 2개 인문계 고등학교 이과계열 학생들 중 화학 II의 교과목을 선택한 2학년 34명과 3학년 38명만을 대상으로 하였으므로 본 연구의 결과를 일반화하기에는 한계가 있을 것이다.
4%만이 알고 있는 것으로 응답하였다. 이러한 결과는 동일한 교과서를 사용한다 하더 라도 학교에 따른 담당 교사의 수업 방식의 차이에서 기인하는 것으로 예상되기는 하지만, 이러한 결과는 이 단원과 관련된 물리 II의 교과목의학습 여부 등과 같은 다른 부수적 인 외부요인들에 의하여도 크게 영향을 받을 수 있는 것이므로 이에 대한 합리적인 분석을 위해서는 동일한 학교의 2, 码년을 대상으로 한 연구와, 다른 종류의 교과서를 사용한 경우 등의 연구들을 병행한 보다 종합적인 연구가 필요할 것이다.
마지막으로 문항 [3-4]의 혼성 궤도함수에 대한 이해 정도는 이러한 문항이 일반적으로는 고등학교의 교과 과정 이상의 수준이라 할 수 있지만, 고등학생들의 학습 수준 정도를 알아보기 위한 척도로서 의미가 있을 것이다. 즉 혼성궤도 함수 자체의 개념은 원자구조 및 전자배치 부분의 학습 과정과는 직접적인 연관이 없을 지라도 이어지는 화학결합과 화합물 단원에서 분자의 모양을 예측하고 설명함에 있어 원자 오비탈의 개념을 사용하여 그 기초를 제공하는 개념 이므로 학생들의 학습 수준의 정도를 조사하기 에는 유용할 것으로 기대할수 있다. 그러나 이러한 혼성궤도 함수에 대한 이해 정도는 조사대상 2학년 18% 및 3학년 5%로 매우 낮은 것으로 나타나 조사 대상 학생들의 교과과정 이외의 보충적인 학습은 대체적으로 이루어지고 있지 않은 것으로 분석되었다.

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