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문제 정의
- 그러나, 개선된 실험 기구와 방법을 통한 결과 도출이 불완전하거나, 결과 개선에는 성공적이나 현장에서 활용하기에는 적절하지 못한 단점을 가지고 있다. 따라서 이 연구에서는 제 7차 교육과정에 따른 중학교 3학년 과학 교과서에 제시된 불꽃반응 실험에서 선명한 불꽃색을 관찰할 수 있도록 탐구 방법을 개선하고, 현장에서의 활용이 간편하면서 선스펙트럼을 관찰할 수 있는 분광기 키트 개발을 목적으로 하고 있다.
제안 방법
- 1. 중학교 과학 8종 교과서의 불꽃반응 실험 장치와 방법을 분류하고 문제점을 분석한다.
- 2. 금속 원소의 선명한 불꽃색을 관찰할 수 있는 시료주입기와 선스펙트럼을 관찰할 수 있는 분광기를 개발한다.
- 3. 개발된 실험 키트를 학교 현장에 적용하여 그 결과를 분석한다.
- 제 7차 교육과정 에 따른 중학교 3학년 과학 교과서 8종에서 공통적으로 다루고 있는 불꽃반응 실험을 실험 장치와 방법을 비교, 분석하였다. 각 교과서에 따라 불꽃장치, 사용되는 연료, 시료상태, 시료주입 방법, 스펙트럼 관찰 장치 등에 따라 분류하여 비교해 보고, 실제 적용을 위해 현장에서 가장 많이 활용되는 형태를 선정하였다. 교과서에 제시된 불꽃반응 실험의 문제점을 분석하기 위해 안양시 소재 A중학교 3학년 36명 학생들을 대상으로 C교과서의 탐구 활동을 참고로 실험을 수행하게 했다.
- 실험 실시 후 학생들이 작성한 보고서를 기초로 실험에 대한 문제점을 분석한 뒤 문제점을 해결하기 위해 불꽃반응 탐구실험 방법과 실험 키트를 개선하였다. 개선한 탐구 방법과 자체 제작한 키트를 가지고 선행실험에 참여했던 A중학교 36명 학생들에게 불꽃반응 탐구 실험을 다시 실시하게 한 뒤 그 결과를 분석하여 개선 이전의 결과와 비교하였다. 이 연구에 사용된 교과서의 종류와 약어는 다음과 같다.
- 분무기형 주사기로 시료를 주입하면 시료봉의 자체 불꽃색이 없으므로 시료의 불꽃색 관찰이 용이하고, 또한 지속적으로 시료를 투입할 수 있어 선스펙트럼을 관찰할 수 있다. 그리고, 학교에 보급된 분광기로는 선스펙트럼 의 관찰이 불가능하여, 분광기를 개선하였다. 분광기는 선스펙트럼이 관찰될 수 있도록 회절격자를 이용하여 제작하였다.
- 기존의 분무기를 사용한 경우 선스펙트럼 관찰에 어려움이 있었다21 선스펙트럼을 관찰하기 위해서는 일정 시간 동안 지속적으로 시료가 투여되어야 하는데 기존의 분무기를 사용할 경우 지속적인 시료 투여를 할 수 없었다. 따라서, 이 연구에서는 시료를 분무기처럼 작은 방울의 형태로 투여하며 또한 지속적으로 일정 시간 동안 투여할 수 있는 주사기형 분무기를 제작하였다. 주사기형 분무기는 주사기 앞 부분에 분무기를 연결하여 수용액 시료가 작은 방울의 형태로 지속적으로 분무되도록 제작하였다.
- 분광기 모식도에서 빛이 들어오는 슬릿과 다른 A면에 선스펙트럼이 나타나므로 학생들이 스펙트럼을 찾는데 용이해졌다. 또한, 디지털카메라로 선스펙트럼을 찍을 수 있도록 회절격자 부분을 크게 제작하였다.
- 이 경우, 시료봉 자체의 불꽃색이 존재하며 시료의 지속적인 투여가 어렵다. 먼저 이러한 문제를 개선하기 위하여 분무기형 주사기를 도입하였다. 분무기형 주사기로 시료를 주입하면 시료봉의 자체 불꽃색이 없으므로 시료의 불꽃색 관찰이 용이하고, 또한 지속적으로 시료를 투입할 수 있어 선스펙트럼을 관찰할 수 있다.
- 그리고, 학교에 보급된 분광기로는 선스펙트럼 의 관찰이 불가능하여, 분광기를 개선하였다. 분광기는 선스펙트럼이 관찰될 수 있도록 회절격자를 이용하여 제작하였다. 기존의 원통형 분광기는 스펙트럼이 나타나는 위치를 명확하게 나타내지 못해 스펙트럼을 찾는데 어려움이 있었는데, 새로 제작된 키트는 스펙트럼이 나타나는 위치를 부채꼴 모양으로 만들어 쉽게 스펙트럼을 찾을 수 있도록 하였다.
- 분광기의 내부는 검정색의 두꺼운 종이를 사용하였으며, 면도날을 이용하여 0.8 mm 간격의 슬릿을 제작하였다. 사용한 회절격자는 500선/mm을 가지는 플라스틱 격자이며 슬릿과 회절격자 사이의 간격은 18 cm이다.
- 선스펙트럼 관찰 실제 학생들에게 불꽃색이 유사한 염화나트륨, 염 화칼슘 원소들을 개발된 분광기 키트로 관찰한 스펙 트럼을 통해 구분해 보도록 하였다. 불꽃색이 유사한 염화나트륨과 염화칼슘의 선스펙트럼을 교과서에 제시된 분광기와 개선된 분광기를 사용하여 관찰하게 한 후 학생들이 두 물질을 구분할 수 있는지 확인하였다. 교과서에 제시된 분광기를 사용하여 불꽃을 관찰한 후 선스펙트럼을 그리도록 하였으나 36명 학생 모두 '보이는 것이 없다로 답하였다.
- 선스펙트럼 관찰 실제 학생들에게 불꽃색이 유사한 염화나트륨, 염 화칼슘 원소들을 개발된 분광기 키트로 관찰한 스펙 트럼을 통해 구분해 보도록 하였다. 불꽃색이 유사한 염화나트륨과 염화칼슘의 선스펙트럼을 교과서에 제시된 분광기와 개선된 분광기를 사용하여 관찰하게 한 후 학생들이 두 물질을 구분할 수 있는지 확인하였다.
- 실제 학생들에게 ('교과서에 제시된 고체 시료를 니크롬선 시료봉에 묻혀 불꽃에서 연소시키는 방법으로 불꽃색을 관찰하도록 하였다. 니크롬선 시료봉이 가스 토치에서 주황색 빛을 내므로 염화나트륨이나 염화칼슘의 경우 불꽃색이 시료에 의한 것인지 시료봉에 의한 것인지 구별이 어려웠다.
- 고체 시료를 니크롬선에 묻힌 후 가스 토치에 가까이 가져가서 원소의 불꽃색과 선스펙트럼을 관찰하도록 하였으며, 시료로는 4가지 시료 (염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 염화 스트론튬)를 임의로 선택하여 사용하였다. 실험 실시 후 학생들이 작성한 보고서를 기초로 실험에 대한 문제점을 분석한 뒤 문제점을 해결하기 위해 불꽃반응 탐구실험 방법과 실험 키트를 개선하였다. 개선한 탐구 방법과 자체 제작한 키트를 가지고 선행실험에 참여했던 A중학교 36명 학생들에게 불꽃반응 탐구 실험을 다시 실시하게 한 뒤 그 결과를 분석하여 개선 이전의 결과와 비교하였다.
- 그러나 한 시료를 관찰하고 다른 시료를 관찰할 경우 먼저 관찰한 시료가 토치 입구에 남아 있어 다음 시료의 불꽃색과 스펙트럼 관찰에 영향을 주었으며 시료 흡입구가 자주 막히는 문제가 발생하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 분무기를 개선한 주사기형 분무기를 제작하였다. 기존의 분무기를 사용한 경우 선스펙트럼 관찰에 어려움이 있었다21 선스펙트럼을 관찰하기 위해서는 일정 시간 동안 지속적으로 시료가 투여되어야 하는데 기존의 분무기를 사용할 경우 지속적인 시료 투여를 할 수 없었다.
- 시료 투여를 위해 시료 봉을 사용할 경우 불꽃색과 스펙트럼에 영향을 주게 되며, 불꽃온도가 높아 쉽게 녹아 버리거나 약해져서 쉽게 부러지는 일이 발생한다. 이에 토치에서 분출되는 기체의 압력을 이용하여 시료를 흡입하도록 키트를 제작하였다. 이 키트를 사용하면 계속 동일 양의 시료를 불꽃 속에 주입시킬 수 있고 순수한 용액의 불꽃색만을 관찰할 수 있는 장점이 있다.
- 제 7차 교육과정 에 따른 중학교 3학년 과학 교과서 8종에서 공통적으로 다루고 있는 불꽃반응 실험을 실험 장치와 방법을 비교, 분석하였다. 각 교과서에 따라 불꽃장치, 사용되는 연료, 시료상태, 시료주입 방법, 스펙트럼 관찰 장치 등에 따라 분류하여 비교해 보고, 실제 적용을 위해 현장에서 가장 많이 활용되는 형태를 선정하였다.
- 제 7차 교육과정에 따른 중학교 3학년 과학 교과서 8종에 수록되어 있는 불꽃 반응 실험을 분석하였다. 모든 교과서에서 불꽃장치로 가스 토치, 연료는 부탄 가스, 시료 투여는 시료봉의 사용을 제시하고 있었다.
- 따라서, 이 연구에서는 시료를 분무기처럼 작은 방울의 형태로 투여하며 또한 지속적으로 일정 시간 동안 투여할 수 있는 주사기형 분무기를 제작하였다. 주사기형 분무기는 주사기 앞 부분에 분무기를 연결하여 수용액 시료가 작은 방울의 형태로 지속적으로 분무되도록 제작하였다. Fig.
- 학생들에게 이 연구에서 제작한 주사기형 분무기를 이용하여 시료를 가스 토치에 투여하게 한 후 제작된 분광기로 선스펙트럼을 관찰하게 했다. 불꽃색 관찰 학생들의 보고서에 의하면, 염화나트륨은 노란색 불꽃, 염화칼륨은 보라색의 선명한 불꽃을 정확하게 관찰한 학생들의 수가 Table 2와 같이 증가하였다.
대상 데이터
- 교과서에 제시된 불꽃반응 실험의 문제점을 분석하기 위해 안양시 소재 A중학교 3학년 36명 학생들을 대상으로 C교과서의 탐구 활동을 참고로 실험을 수행하게 했다. 고체 시료를 니크롬선에 묻힌 후 가스 토치에 가까이 가져가서 원소의 불꽃색과 선스펙트럼을 관찰하도록 하였으며, 시료로는 4가지 시료 (염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 염화 스트론튬)를 임의로 선택하여 사용하였다. 실험 실시 후 학생들이 작성한 보고서를 기초로 실험에 대한 문제점을 분석한 뒤 문제점을 해결하기 위해 불꽃반응 탐구실험 방법과 실험 키트를 개선하였다.
- 각 교과서에 따라 불꽃장치, 사용되는 연료, 시료상태, 시료주입 방법, 스펙트럼 관찰 장치 등에 따라 분류하여 비교해 보고, 실제 적용을 위해 현장에서 가장 많이 활용되는 형태를 선정하였다. 교과서에 제시된 불꽃반응 실험의 문제점을 분석하기 위해 안양시 소재 A중학교 3학년 36명 학생들을 대상으로 C교과서의 탐구 활동을 참고로 실험을 수행하게 했다. 고체 시료를 니크롬선에 묻힌 후 가스 토치에 가까이 가져가서 원소의 불꽃색과 선스펙트럼을 관찰하도록 하였으며, 시료로는 4가지 시료 (염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 염화 스트론튬)를 임의로 선택하여 사용하였다.
- 8 mm 간격의 슬릿을 제작하였다. 사용한 회절격자는 500선/mm을 가지는 플라스틱 격자이며 슬릿과 회절격자 사이의 간격은 18 cm이다.25-26 회절격자의 분해능은 회절차수와 회절격자 의 홈수에 비례하는데, 500선/mm의 플라스틱 격자는 두 파장의 차이가 약 1.
- 알코올램프를 사용할 경우 램프의 심지로 인하여 주황색 불꽃색이 나타나므로 불꽃색이 덜 나는 가스 토치를 사용하여 실험하였다. 시료 투여를 위해 시료 봉을 사용할 경우 불꽃색과 스펙트럼에 영향을 주게 되며, 불꽃온도가 높아 쉽게 녹아 버리거나 약해져서 쉽게 부러지는 일이 발생한다.
성능/효과
- 따라서, 36명의 학생들 모두 염화나트륨과 염화칼슘을 선스펙트럼으로 쉽게 구분할 수 있다고 응답하였다.
- 또한, 염화스트론튬 (d)도 여러 파장의 선스펙트럼을 관찰할 수 있어 개선된 분광기로 원소의 선스펙트럼이 선명하게 관찰됨을 확인할 수 있었다.
- 불꽃색 관찰 학생들의 보고서에 의하면, 염화나트륨은 노란색 불꽃, 염화칼륨은 보라색의 선명한 불꽃을 정확하게 관찰한 학생들의 수가 Table 2와 같이 증가하였다. 또한, 염화칼슘은 약간 붉은 주황색 불꽃을 나타내어 염화 나트륨과 불꽃색만으로도 구별이 가능하였고, 염화스트론튬도 붉은 불꽃이 선명하게 나타났다. 즉, 시료봉 자체의 불꽃색이 사라져 원소의 선명한 불꽃색을 관찰할 수 있었다.
- 제작된 불꽃반응 실험 키트를 이용하여 학생들에게 불꽃반응 실험을 수행하게 한 결과, 학생들은 기존 기자재로 실험할 때보다 더 선명한 불꽃색을 관찰하였고, 기존의 분광기로는 선스펙트럼을 전혀 관찰하지 못했던 학생들이 원소의 선스펙트럼을 관찰할 뿐 아니라 더 나아가 스펙트럼의 띠를 근거로 각각의 시료를 구분할 수 있었다.
후속연구
- 이 연구는 중학교 3학년 과학 불꽃반응 탐구 실험 및 탐구 활동에서 개선된 실험으로 화합물의 확인이 가능하고 재현성이 있으므로 실제 수업에 활용이 기대된다.
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