[논문]전기분해 생성물을 예상하는 과정을 통해 화학교사들과 예비 교사들이 가지는 개념의 문제점에 대한 분석

박진희; 백성혜

doi:10.5012/jkcs.2004.48.5.519

문제 정의

따라서 산화환원의 개념과 전기화학의 개념을 제대로 이해하고 있는지 알아보는 상황으로 적절하다고 할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 전기분해의 생성물을 예상하는 과정에 대한 교사들의 개념과 예비 교사들의 개념을 조사하여 이들이 전기화학을 이해하는 과정에서 발생하는 오류의 유형과 그 원인을 알아보고자 하였다.
이렇게 심도있는 수준까지 전기분해에 관련된 내용을 고등학교 교육과정에서 다루도록 되어 있으나, 실제 이를 가르치는 교사들이 이 분야에서 어떤 어려움을 가지는가에 대한 연구가 외국에 비해 아직 우리나라에서는 원활하게 이루어진 편이 아니다. 따라서 이 연구에서는 화학을 가르치는 교사들을 대상으로 NaI 수용액의 전기분해 생성물을 예상하도록 하는 문제를 통하여 이들이 가지고 있는 전기분해과정에 대한 개념 이해의 문제점을 분석하고자 하였다. 또한 교사들이 가르치는 화학 II 교과서와 예비 교사 교육과정 동안 배우는 일반화학 교재의 서술에도 오류가 나타날 수 있으므로 교재에서 설명된 유형도 함께 분석하였다.
또한 교사들과 예비 교사들이 가르치고 배우는 화학 II 교과서와 일반화학 교재의 서술에도 오류가 나타날 수 있으며, 이러한 오류는 교사들과 예비 교사들에게 직접적인 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 연구도 병행하고자 하였다. 마지막으로 예비교사 교육과정을 통해 예비 교사들의 사고가 어떻게 변화하는지 관찰함으 로써 예비교사 교육과정의 적절성에 대해서도 알아보고자 하였다.
또한 교사들과 예비 교사들이 가르치고 배우는 화학 II 교과서와 일반화학 교재의 서술에도 오류가 나타날 수 있으며, 이러한 오류는 교사들과 예비 교사들에게 직접적인 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 연구도 병행하고자 하였다. 마지막으로 예비교사 교육과정을 통해 예비 교사들의 사고가 어떻게 변화하는지 관찰함으 로써 예비교사 교육과정의 적절성에 대해서도 알아보고자 하였다.
이 연구는 횡단적으로 동시간에 여러 집단의 대상들을 연구하여 이들간의 관련성을 파악함으로써 고등학교교육과 대학 예비 교사 교육의 문제점을 지적하였다. 따라서 앞으로 동일 집단의 학생들을 대상으로 예비 교사 교육과정을 이수한 후 교사가 되어 학생들을 가르칠 때 일어나는 변화와 문제점 등을 분석하는 종단 연구가 이루어져서 이 연구에서 밝힌 결과들의 타당성을 다시 한번 검증해 볼 필요가 있다고 본다.

제안 방법

Fig. 1의 NaI 수용액의 전기분해장치와 표준 환원 전위 표를 제시하여 전기분해 반응시 각 전극의 생성물을 바르게 예상할 수 있는가를 알아보았다. 이를 위하여 표준환원전위 표를 활용했는가의 유 · 무에 대한 응답과 각 전극에서 예상되는 생성물을 반쪽 반응식으로 서술하게 하였다.
선행 연구를 토대로 전해전지와 관련된 개념의 어려움을 분석한 후, 현행 고등학교 교육과정에 맞추어 설문지를 개발하였다. 개발한 설문지는 예비 검사를 통해 일차 수정을 한 후, 과학교육전문가와 화학 교사 3인의 검토를 통해 최종 수정, 보완하였다. 또한 설문지에 응한 연구 대상자들의 생각을 보다 구체적으로 알아보기 위하여 학생, 현직교사, 그리고 예비교사 집단에서 대상을 선발하여 면담을 실시하였다.
분석대상 교과서는 고등학교 화학 II교과서 12종23-34과 일반화학 6종36-41이다. 교과서 분석은 연구자 중 한명이 일차 분석을 실시하고, 그 자료를 4명의 화학교사와 1인의 과학교육 전문가가 함께 검토 분석하여 의견이 일치할 때까지 논의와 조정을 거쳤으며, 이러한 과정을 통해 교과서의 설명 유형을 최종적으로 분류하였다.
또한 교사들이 가르치는 화학 II 교과서와 예비 교사 교육과정 동안 배우는 일반화학 교재의 서술에도 오류가 나타날 수 있으므로 교재에서 설명된 유형도 함께 분석하였다. 그리고 예비교사 교육과정을 통해 예비 교사들의 사고가 어떻게 변화하는지 관찰함으로써 예비교사 교육과정의 적절성에 대해서도 알아보기 위하여 대학교 1학년생들과 4학년생들의 생각을 비교하였다.
학생집단은 그룹 면담을 실시하였는데, 이 경우 대화는 매우 활발하게 진행되었으나 연구대상자들끼리 서로 영향을 미치는 단점이 있었다. 따라서 현직 교사와 예비교사들의 경우는 개별면담을 실시하였다. 면담에 소요된 시간은 30~40분 정도씩이었다.
따라서 이 연구에서는 화학을 가르치는 교사들을 대상으로 NaI 수용액의 전기분해 생성물을 예상하도록 하는 문제를 통하여 이들이 가지고 있는 전기분해과정에 대한 개념 이해의 문제점을 분석하고자 하였다. 또한 교사들이 가르치는 화학 II 교과서와 예비 교사 교육과정 동안 배우는 일반화학 교재의 서술에도 오류가 나타날 수 있으므로 교재에서 설명된 유형도 함께 분석하였다. 그리고 예비교사 교육과정을 통해 예비 교사들의 사고가 어떻게 변화하는지 관찰함으로써 예비교사 교육과정의 적절성에 대해서도 알아보기 위하여 대학교 1학년생들과 4학년생들의 생각을 비교하였다.
개발한 설문지는 예비 검사를 통해 일차 수정을 한 후, 과학교육전문가와 화학 교사 3인의 검토를 통해 최종 수정, 보완하였다. 또한 설문지에 응한 연구 대상자들의 생각을 보다 구체적으로 알아보기 위하여 학생, 현직교사, 그리고 예비교사 집단에서 대상을 선발하여 면담을 실시하였다. 면담은 설문을 통해 수집한 자료를 보강하는데 목적을 두었다.
연구 절차. 선행 연구를 토대로 전해전지와 관련된 개념의 어려움을 분석한 후, 현행 고등학교 교육과정에 맞추어 설문지를 개발하였다. 개발한 설문지는 예비 검사를 통해 일차 수정을 한 후, 과학교육전문가와 화학 교사 3인의 검토를 통해 최종 수정, 보완하였다.
연구 절차
1의 NaI 수용액의 전기분해장치와 표준 환원 전위 표를 제시하여 전기분해 반응시 각 전극의 생성물을 바르게 예상할 수 있는가를 알아보았다. 이를 위하여 표준환원전위 표를 활용했는가의 유 · 무에 대한 응답과 각 전극에서 예상되는 생성물을 반쪽 반응식으로 서술하게 하였다. 응답결과는 전기분해 생성물을 예상할 때 표준전극전위 표를 활용할 수 있는가의 유 · 무에 따라 크게 두 그룹으로 분류하여 Table 2에 나타내었다.
전기분해 생성물을 예상할 때 현직교사들은 1명을 제외하고는 모두 표준전극전외표를 활용하여 생성물을 예상할 수 있었으나, 예비 교사인 대학교 1학년 학생들과 4학년 학생들은 각각 5명, 6명 만이 표준전극전위표를 활용하여 응답하였다. 예비교사들이 표준전극전위표를 활용하지 못한 이유는 전해질 수용액에 존재하는 물 (H2O)의 반응을 고려하지 못하기 때문이었다.

대상 데이터

연구 대상. 대학원에 재학중인 고등학교 화학교사 17명, 사범대학교 화학교육과 4학년에 재학중인 예비교사 17명, 그리고 화학교육과 1학년 학생 18명을 대상으로 하였다. 교사들은 남자 9명, 여자 8명으로 구성되었으며, 구성원의 경력은 5년 미만이 1명, 5년 이상 10년 미만이 11명, 10년 이상 15년 미만이 3명, 15년 이상 20년 미만이 1명, 20년 이상이 1명이었다.
면담에 소요된 시간은 30~40분 정도씩이었다. 분석대상 교과서는 고등학교 화학 II교과서 12종23-34과 일반화학 6종36-41이다. 교과서 분석은 연구자 중 한명이 일차 분석을 실시하고, 그 자료를 4명의 화학교사와 1인의 과학교육 전문가가 함께 검토 분석하여 의견이 일치할 때까지 논의와 조정을 거쳤으며, 이러한 과정을 통해 교과서의 설명 유형을 최종적으로 분류하였다.
연구 대상
화학교육과 4학년에 재학중인 예비교사들은 남 3명, 여 14명으로 구성되어 있으며, 17명 모두 대학과정을 통해 일반화학과 분석화학 과목을 통하여 전기화학을 배운 집단이었다. 화학교육과 1학년에 재학 중인 예비교사들은 고등학교 3학년 화학II 과목을 통해 전기화학을 배웠으며, 남자 6명, 여자 12명이었다.

성능/효과

그리고 분석한 고등학교 화학 II 교과서의 절반에서 이러한 잘못된 설명이 제시되어 있었다. 많은 화학 R교과서에서 전기분해 과정을 설명할 때, 양이온은 (-)극(cathode) 으로 음이온은 (+)극(anode) 으로 끌려간다는 점만을 설명하고 있으며 물이 전기분해 과정에서 산화환원 과정에 참여한다는 점을 언급하고 있지 않았다. 따라서 여러 선행연구 들8-10,12 에서 지적한 바와 같이 학습자와 교사의 개념 형성에 가장 큰 영향을 미치는 교과서에 대한 수정이 필요하다고 본다.
연구 결과, 전기분해 생성물을 예상함에 있어서 대다수의 예비 교사들은 표준전극전위를 적절하게 활용하지 못하였다. 반면 교사들은 표준전극전위를 활용하여 생성물을 예상하는 비율이 높았으나, 전기분해할 때 물이 산화환원 반응에 참여한다는 점을 이해하는 교사의 비율은 높지 않은 것으로 나타났다. 그리고 분석한 고등학교 화학 II 교과서의 절반에서 이러한 잘못된 설명이 제시되어 있었다.
연구 결과, 전기분해 생성물을 예상함에 있어서 대다수의 예비 교사들은 표준전극전위를 적절하게 활용하지 못하였다. 반면 교사들은 표준전극전위를 활용하여 생성물을 예상하는 비율이 높았으나, 전기분해할 때 물이 산화환원 반응에 참여한다는 점을 이해하는 교사의 비율은 높지 않은 것으로 나타났다.
Table 2에서 과학적 개념을 가지고 있는 대학교 1학년 예비교사들은 6%에 불과하였고, 대학교 4학년 예비 교사들은 17%, 현직 교사들은 23%로 점차 증가하였다. 예비교사들의 개념 유형 변화를 살펴보면, 대학교 1학년의 경우보다 대학교 4학년의 경우에 올바른 과학 개념으로의 비율이 증가하고, 상대적으로 유형 ③의 비율이 감소하였다. 그러나 기타에 해당하는 유형 ④도 역시 증가하였다.
예비교사들의 생각과 비교해 볼 때, 화학교사들은 ①유형의 오류가 상대적으로 매우 높았다. 이는 아마도 화학 II 교과서의 서술에서 ①유형의 오류가 50%나 되었기 때문에 이로부터 형성되었을 가능성이 높다고 본다.
이 연구 결과로부터 예비교사들의 전기분해에 관련된 교사 교육이 충분히 이루어지지 않아 이들이 앞으로 교사가 된 다음 겪게 될 어려움도 예측할 수 있었다. 이들의 개념 유형은 대학교 1학년 학생들과 대학교 4학년 학생들이 유사한 경향이 있었다.
현직 화학 교사들이 대부분 표준전극전위 표를 활용 하여 생성물을 예상하는 과정에서 유형 ①의 잘못된 생각을 가지는데 반해 예비교사들은 표준전극전위 표를 활용하지 않은 유형 ③과 ④의잘못된 생각을 상대적으로 많이 가지고 있었다. ④ 기타 유형으로 묶은 응답은 전기 분해에 대한 개념이 명확하지 못하고 혼란스럽거나 무응답한 경우이다.

후속연구

따라서 선행연구들8-14에서 지적한 것과 같이 학교에서 사용하는 가장 기본적인 학습 자료35이며 학생들과 교육자들 사이의 의사소통을 담당하는 가장 중요한 학습 도구인 교과서의 서술을 보다 명확하게 수정함으로써 이러한 문제가 발생하지 않도록 노력하는 것이 필요 하다고 본다.
이 연구는 횡단적으로 동시간에 여러 집단의 대상들을 연구하여 이들간의 관련성을 파악함으로써 고등학교교육과 대학 예비 교사 교육의 문제점을 지적하였다. 따라서 앞으로 동일 집단의 학생들을 대상으로 예비 교사 교육과정을 이수한 후 교사가 되어 학생들을 가르칠 때 일어나는 변화와 문제점 등을 분석하는 종단 연구가 이루어져서 이 연구에서 밝힌 결과들의 타당성을 다시 한번 검증해 볼 필요가 있다고 본다. 이를 통해 현행 예비교사 교육과정이 중등학교교육과정과 적절한 연계성을 유지할 수 있는 개선이 이루어 질 필요가 있을 것이다.
많은 화학 R교과서에서 전기분해 과정을 설명할 때, 양이온은 (-)극(cathode) 으로 음이온은 (+)극(anode) 으로 끌려간다는 점만을 설명하고 있으며 물이 전기분해 과정에서 산화환원 과정에 참여한다는 점을 언급하고 있지 않았다. 따라서 여러 선행연구 들8-10,12 에서 지적한 바와 같이 학습자와 교사의 개념 형성에 가장 큰 영향을 미치는 교과서에 대한 수정이 필요하다고 본다. 그러나 분석 대상이었던 대학교 일반화학 교재에서는 이러한 오류가 발견되지 않았다.
따라서 일부 고등학교 화학 II 교과서의 서술에서 전기 분해 생성물에 대해 잘못 설명된 경우와 현직 교사들과 예비 교사들의 전기분해 생성물에 대한 잘못된 사고들은 학생들에게 그대로 전달될 가능성이 매우 높다. 이러한 문제점은 예비교사로서 교육받는 과정을 통해서도 수정되지 못함이 드러났으므로 예비교사 교육과 정에 대한 고찰도 앞으로 이루어질 필요가 있다고 본다.
따라서 앞으로 동일 집단의 학생들을 대상으로 예비 교사 교육과정을 이수한 후 교사가 되어 학생들을 가르칠 때 일어나는 변화와 문제점 등을 분석하는 종단 연구가 이루어져서 이 연구에서 밝힌 결과들의 타당성을 다시 한번 검증해 볼 필요가 있다고 본다. 이를 통해 현행 예비교사 교육과정이 중등학교교육과정과 적절한 연계성을 유지할 수 있는 개선이 이루어 질 필요가 있을 것이다.

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