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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 제7차 교육과정에 의해 고등 학교 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측 정을 위한 기본적인 실험 방법인, 화학반응으로 발생 하는 기체의 생성량을 반응시간에 따라 주사기로 측 정하는 실험 방법과 수상 치환으로 메스실린더에 모 아 측정하는 실험 방법을 학생들이 학교 과학실에서 재현성 있게 수행할 수 있도록 하기 위하여, 실험 기 구와 실험 조건 및 실험 방법에 대한 문제점을 분석 하여 개선안을 제시하고자 한다.
- 이 연구에서는 제7차 교육과정에 의한 고등학교 9 종 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측정 을 위한 기본적인 실험의 문제점을 분석하여, 학생수 준과 학교 과학실 여건을 고려한 개선 실험을 제시하 였다. 이를 위하여 고등학교 9종 과학 교과서에 제시 되어 있는 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험 을 실험 방법에 따라 분류하였고, 과학 교과서에 제 시되어 있는 실험 기구와 실험 방법에 따라 화학반응 속도 측정 실험을 수행하여 문제점을 분석한 다음, 문 제점을 해결하기 위한 개선 방안에 의한 실험을 실시 하여 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험으로 적합하다고 생각되는 개선 실험을 제안하였다.
제안 방법
- 고등학교 9종 과학 교과서를 분석해본 결과, 화학 반응속도 측정을 위한 기본적인 실험에서 반응 생성 물인 기체의 단위 시간당 생성량을 주사기의 부피 증 가로 측정하는 주사기 측정법과 수상 치환으로 메스 실린더에 모아 부피 증가를 측정하는 수상 치환법을 실험 방법으로 사용하고 있었다. 주사기 측정법은 1 종의 고등학교 과학 교과서에서, 수상 치환법은 3종 의 고등학교 과학 교과서에서 사용하고 있었다.
- 고등학교 9종 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반 응속도 측정을 위한 기본적인 실험은 화학반응으로 발생되는 기체의 단위 시간당 생성량을 주사기의 부 피 증가로 측정하는 주사기 측정법 （실험 a）과 수상 치 환으로 메스실린더에 모아 부피 증가를 측정하는 수 상 치환법（실험 b）으로 분류하였다（Table 2）
- 주사기 측정법 개선 실험. 고등학교 과학 교과서에 서 제시하고 있는 주사기 측정법에 의한 실험 1과 실 험 2에서 나타난 문제점들을 개선하기 위하여, 우선 적으로 주사기 피스톤과 주사기 내부 벽과의 마찰을 줄여 주사기 피스톤이 수소 기체의 발생에 따라 지속 적으로 예민하게 움직 일 수 있도록 주사기 피스톤의 고무 밸브에 고진공용 실리콘 그리스를 골고루 바른 뒤 주사기 피스톤을 좌우로 움직여 실리콘 그리스가 주사기 내부 벽과 피스톤의 고무 밸브에 골고루 발라 지도록 하였다. 그리고 염산과 마그네슘의 화학반응에 의하여 발생한 수소 기체를 주사기까지 보내주는 기체 유도관으로 신축성 이 크고 밀봉성이 적은 고무 튜브 대신에 신축성이 적고 밀봉성이 뛰어난 PVC 수 액 줄을 사용하여, 유리관 및 주사기 연결 부위를 밀 봉함으로써 수소 기체의 누출을 완전하게 차단할 뿐 만 아니라, 수소 기체의 발생에 의한 압력 증가를 바 로 주사기 피스톤에 전달할 수 있도록 하였다.
- 수상 치환법 개선 실험. 고등학교 과학 교과서에서 제시하고 있는 수상 치환법에 의한 실험 4와 실험 5 에서 나타난 문제점들을 개선하기 위하여, 수소 기체 발생 반응에 사용한 염산의 농도를 묽힘으로써 수소 기체의 발생 속도를 줄였다. 즉, 수상 치환법의 개선 실험의 실험 조건으로 100 mL 삼각 플라스크를 반응 용기로 사용하였으며, 반응물로는 3% HCl 50 mL오* 4 cm 마그네슘 리본(0.
- 고등학교과학 교과서 에서 염산과마그네슘의 화학 반응14에 대한 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실 험 방법인 주사기 측정법과 수상 치환법의 문제점을 분석하여 개선 실험을 제시하였다.
- 이 때 고등학교 과학 교과서에 제시되어 있지 않은 실험 조건이나 실험 방법은 실험자가 스스로 알아서 실험을 수행하도록 하였다. 그리고 실험 결과들을 분석하 여 문제점을 파악하고, 문제점을 해결하기 위한 개선 방안을 고안하였다.
- 이때 각 실험을 3회 반복 해서 수행하도록 하였다. 그리고 실험 결과들을 비교 분석하여 고등학교 과학 교과서의 화학반응속도 측 정을 위한 기본적인 실험으로 적합하다고 생각되는 개선 실험을 제안하였다.
- 고등학교 과학 교과서에 서 제시하고 있는 주사기 측정법에 의한 실험 1과 실 험 2에서 나타난 문제점들을 개선하기 위하여, 우선 적으로 주사기 피스톤과 주사기 내부 벽과의 마찰을 줄여 주사기 피스톤이 수소 기체의 발생에 따라 지속 적으로 예민하게 움직 일 수 있도록 주사기 피스톤의 고무 밸브에 고진공용 실리콘 그리스를 골고루 바른 뒤 주사기 피스톤을 좌우로 움직여 실리콘 그리스가 주사기 내부 벽과 피스톤의 고무 밸브에 골고루 발라 지도록 하였다. 그리고 염산과 마그네슘의 화학반응에 의하여 발생한 수소 기체를 주사기까지 보내주는 기체 유도관으로 신축성 이 크고 밀봉성이 적은 고무 튜브 대신에 신축성이 적고 밀봉성이 뛰어난 PVC 수 액 줄을 사용하여, 유리관 및 주사기 연결 부위를 밀 봉함으로써 수소 기체의 누출을 완전하게 차단할 뿐 만 아니라, 수소 기체의 발생에 의한 압력 증가를 바 로 주사기 피스톤에 전달할 수 있도록 하였다. 또한, 60 mL 용량의 삼각 플라스크를 막는 고무마개에 꽂 는 기체 유리관의 직경이 PVC 수액 줄의 직경과 같 은 것으로 -1자 모양으로 제작하여 Fig.
- 두 번째 단계로 고둥학교 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험과 개 선 방안에 의한 개선 실험을 동시에 H대학교 대학원 에 재학 중인 9명의 예비 교사가 2-3인 조를 이루어 실험을 수행하도록 하였다. 이때 각 실험을 3회 반복 해서 수행하도록 하였다.
- 고둥학교 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속 도 측정을 위한 기본적인 실험 방법인 주사기 측정법 과 수상 치환법의 문제점인 실험 기구와 실험 조건 및 실험 방법의 미비한 제시를 개선한 실험으로 화학 반응속도를 재 현성 이 있게 측정할 수 있었다. 또한 개 선 실험은 고등학교 탐구 실험 수업 환경에 맞게 화 학반응속도 측정 실험을 30분 이내에 끝낼 수 있도록 반응물의 농도와 사용량을 제시하고, 이에 맞는 실험 기구와 측정 기구를 사용하도록 함으로써 화학반응 속도 측정을 위한 기본적인 실험 이 고등학교 과학실 에 서 재 현성 이 있는 탐구 실험으로 수행 될 수 있도록 하였다.
- 첫 번째 단계로 고등학교 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험 기구 와 실험 방법에 따라 H대학교 대학원에 재학 중인 9 명의 초중등 과학담당 현직 교사와 5명의 예비 교사 가 2인 1조를 이루어 실험을 수행하도록 하였다. 이 때 고등학교 과학 교과서에 제시되어 있지 않은 실험 조건이나 실험 방법은 실험자가 스스로 알아서 실험을 수행하도록 하였다. 그리고 실험 결과들을 분석하 여 문제점을 파악하고, 문제점을 해결하기 위한 개선 방안을 고안하였다.
- 이 연구에서는 제7차 교육과정에 의한 고등학교 9 종 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측정 을 위한 기본적인 실험의 문제점을 분석하여, 학생수 준과 학교 과학실 여건을 고려한 개선 실험을 제시하 였다. 이를 위하여 고등학교 9종 과학 교과서에 제시 되어 있는 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험 을 실험 방법에 따라 분류하였고, 과학 교과서에 제 시되어 있는 실험 기구와 실험 방법에 따라 화학반응 속도 측정 실험을 수행하여 문제점을 분석한 다음, 문 제점을 해결하기 위한 개선 방안에 의한 실험을 실시 하여 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험으로 적합하다고 생각되는 개선 실험을 제안하였다.
- 연구 절차. 제7차 교육과정에 의한 고등학교 과학 교과서의 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험 의 문제점 분석 및 개선을 위하여, 과학 교과서에 제 시되어 있는 실험 기구와 실험 방법에 따라 화학반응 속도 측정 실험을 수행하여 문제점을 분석한 다음 개 선 방안에 의한 실험을 실시하여 개선 실험을 제안하 였는데, 구체적인 연구 절차는 다음과 같다.
- 주사기 측정법에 의한 과학 교과서 실험으로 60 mL 용량의 삼각 플라스크에 4% HCl 50 mL牛 5 cm 마그 네슘 리본(0.057 g)을 넣고, 25 mL 주사기와 기체 유 도관으로 고무 튜브를 사용한 실험 조건(실험 1)에서 실험을 3회 수행하여 반응 시간에 따른 수소 기체의 생성 량을 측정한 결과들을 Fig. 1에 1a, 1b, 1点L 나타 내었다.
- Table 1의 고등학교 9종 과학 교과서에 제시되어 있 는 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험 방법은 화학반응으로 생성되는 생성물의 양을 반응시간에 따 라 측정하는 방법으로 분류하였다. 즉, 화학반응에 의 해 발생되는 기체의 생성량을 반응시간에 따라 측정 하는 실험 방법에 따라 분류하였다.
- 첫 번째 단계로 고등학교 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험 기구 와 실험 방법에 따라 H대학교 대학원에 재학 중인 9 명의 초중등 과학담당 현직 교사와 5명의 예비 교사 가 2인 1조를 이루어 실험을 수행하도록 하였다. 이 때 고등학교 과학 교과서에 제시되어 있지 않은 실험 조건이나 실험 방법은 실험자가 스스로 알아서 실험을 수행하도록 하였다.
대상 데이터
- 연구 자료. 제7차 교육과정에 의해 고등학교 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험 방법을 알아보기 위하여 고등학교 9종 의 과학 교과서16-24를 분석하였다. 이 연구에 사용된 고등학교 과학 교과서의 종류와 약어는 Table 1과 같다.
- 고등학교 과학 교과서에서 제시하고 있는 수상 치환법에 의한 실험 4와 실험 5 에서 나타난 문제점들을 개선하기 위하여, 수소 기체 발생 반응에 사용한 염산의 농도를 묽힘으로써 수소 기체의 발생 속도를 줄였다. 즉, 수상 치환법의 개선 실험의 실험 조건으로 100 mL 삼각 플라스크를 반응 용기로 사용하였으며, 반응물로는 3% HCl 50 mL오* 4 cm 마그네슘 리본(0.047 g)을 사용하였다. 이러한 실험 조건(실험 6)에서 실험을 3번 수행하여 얻은 실 험 결과들을 Fig.
이론/모형
- 수상 치환법 문제점 분석. 수상 치환법의 문제점을 알아보기 위한 실험은 B, F 2종 과학 교과서에서 제 시하고 있는 실험 방법을 따랐다. F 과학 교과서에는 반응물의 농도 및 사용량이 제시되어 있었으나, B 과 학 교과서에는 반응물의 농도만 제시되어 있었다.
- 주사기 측정법 문제점 분석. 주사기 측정법의 문제 점을 알아보기 위한 실험은 A 과학 교과서에서 제시 하고 있는 실험 방법을 따랐다. A 과학 교과서에는 반응물의 농도 및 사용량, 혼합 방법은 제시되어 있 었지만, 실험 기구의 용량은 일부만 그림으로 제시되 어 있었다(table 3).
성능/효과
- 고둥학교 과학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속 도 측정을 위한 기본적인 실험 방법인 주사기 측정법 과 수상 치환법의 문제점인 실험 기구와 실험 조건 및 실험 방법의 미비한 제시를 개선한 실험으로 화학 반응속도를 재 현성 이 있게 측정할 수 있었다. 또한 개 선 실험은 고등학교 탐구 실험 수업 환경에 맞게 화 학반응속도 측정 실험을 30분 이내에 끝낼 수 있도록 반응물의 농도와 사용량을 제시하고, 이에 맞는 실험 기구와 측정 기구를 사용하도록 함으로써 화학반응 속도 측정을 위한 기본적인 실험 이 고등학교 과학실 에 서 재 현성 이 있는 탐구 실험으로 수행 될 수 있도록 하였다.
후속연구
- 따라서 이러한 연구 결과는 고등학교 과학실에서 고등학생들이 재현성 있는 화학반응속도 측정을 위 한 기본적인 실험을 수행할 수 있게 하므로 고등학생 들이 화학반응속도에 대한 과학적 개념을 이해하는 데 실질적인 도움을 줄 것이다. 그리고 고등학교 과 학 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도에 미치는 온도와 농도, 촉매의 영향을 측정하는 실험에 대한 문 제점을 분석하여 개선 방안을 제시하는 후속 연구들 이 중등학교에서 탐구 실험의 활성화를 위해서 필요 하다
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