대기 중의 증발 현상에 대한 중등학교 화학전공 교사들의 개념 변화 과정에 대한 연구 A Research on the Conception Change Process of Secondary School Chemistry Major Teachers Related to the Evaporation Phenomena in the Air원문보기
이 연구에서는 대기 중에서 물이 증발하는 현상을 상평형 그림으로 설명하는 중등학교 화학전공 교 사들의 선개념을 알아보았다. 이 연구에서 개발한 설문을 실시하기 위하여 25명의 화학전공 과학 교사들을 선 정하였으며, 그 중에서 6명에게 설문지의 응답에 대한 생각을 면담으로 알아보았다. 연구 대상자 중 10명의 교 사를 선정하여, 이 연구에서 개발한 수업에 의해 선개념이 변화하는지 알아보았다. 연구 결과, 많은 교사들이 물의 증발 현상을 상평형 그림으로 설명할 수 없다고 생각하는 것으로 밝혀졌다. 또한 그들은 증기 압력과 상 평형 그림의 세로축과도 관련이 없다고 생각하였다. 그러나 그들은 수업을 통해 지구과학에서 다루는 포화 수 증기량 곡선을 적용함으로써 상평형 그림의 증기 압력 곡선을 설명할 수 있다는 점을 깨달았다. 그들은 이미 포화 수증기량 곡선에서 물질의 포화 상태와 불포화 상태, 평형 이동 과정 등에 대한 개념을 적용하는 과정을 알고 있었기 때문이다. 지구과학과 화학을 통합한 과학 수업을 통한 개념 변화에 의해 교사들은 증발과 같은 자연 현상을 상평형 그림으로 이해할 수 있게 되었다.
이 연구에서는 대기 중에서 물이 증발하는 현상을 상평형 그림으로 설명하는 중등학교 화학전공 교 사들의 선개념을 알아보았다. 이 연구에서 개발한 설문을 실시하기 위하여 25명의 화학전공 과학 교사들을 선 정하였으며, 그 중에서 6명에게 설문지의 응답에 대한 생각을 면담으로 알아보았다. 연구 대상자 중 10명의 교 사를 선정하여, 이 연구에서 개발한 수업에 의해 선개념이 변화하는지 알아보았다. 연구 결과, 많은 교사들이 물의 증발 현상을 상평형 그림으로 설명할 수 없다고 생각하는 것으로 밝혀졌다. 또한 그들은 증기 압력과 상 평형 그림의 세로축과도 관련이 없다고 생각하였다. 그러나 그들은 수업을 통해 지구과학에서 다루는 포화 수 증기량 곡선을 적용함으로써 상평형 그림의 증기 압력 곡선을 설명할 수 있다는 점을 깨달았다. 그들은 이미 포화 수증기량 곡선에서 물질의 포화 상태와 불포화 상태, 평형 이동 과정 등에 대한 개념을 적용하는 과정을 알고 있었기 때문이다. 지구과학과 화학을 통합한 과학 수업을 통한 개념 변화에 의해 교사들은 증발과 같은 자연 현상을 상평형 그림으로 이해할 수 있게 되었다.
In this study, preconceptions held by chemistry major secondary school science teachers were searched in relation to explanations of water evaporation phenomena with phase equilibrium diagrams. 25 chemistry major science teachers were selected to complete questionnaires developed in this study and 6...
In this study, preconceptions held by chemistry major secondary school science teachers were searched in relation to explanations of water evaporation phenomena with phase equilibrium diagrams. 25 chemistry major science teachers were selected to complete questionnaires developed in this study and 6 among of them were selected to participate in follow-up interviews. Among these, 10 participants were selected for an evaluation of the change of their preconceptions through lessons developed in this study. From the results, it was found that many teachers believed that the phase equilibrium diagram could not explain water evaporation phenomena. They also thought that there was no relation between vapor pressure and the vertical axis of the phase equilibrium diagram. However, after the lessons in earth science, they recognized that the vapor pressure curve of the phase equilibrium diagram could be explained by adopting a saturated vapor curve. Because they had known the process of application the conceptions of saturated situation, nonsaturated situation, process of equilibrium movement in saturated vapor curve. They could understand natural phenomena such as evaporation with the phase equilibrium diagram through a change in their conceptions as guided from science lessons integrating earth science and chemistry.
In this study, preconceptions held by chemistry major secondary school science teachers were searched in relation to explanations of water evaporation phenomena with phase equilibrium diagrams. 25 chemistry major science teachers were selected to complete questionnaires developed in this study and 6 among of them were selected to participate in follow-up interviews. Among these, 10 participants were selected for an evaluation of the change of their preconceptions through lessons developed in this study. From the results, it was found that many teachers believed that the phase equilibrium diagram could not explain water evaporation phenomena. They also thought that there was no relation between vapor pressure and the vertical axis of the phase equilibrium diagram. However, after the lessons in earth science, they recognized that the vapor pressure curve of the phase equilibrium diagram could be explained by adopting a saturated vapor curve. Because they had known the process of application the conceptions of saturated situation, nonsaturated situation, process of equilibrium movement in saturated vapor curve. They could understand natural phenomena such as evaporation with the phase equilibrium diagram through a change in their conceptions as guided from science lessons integrating earth science and chemistry.
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문제 정의
그러나 선행 연구4,6,8,20들에서 밝힌 바와 같이 과학 교사들조차도 개념에 대해 많은 혼란을 가지고 있다면, 상태 변화와 관련된 개념의 학습에 학생들도 어려움을 겪게 될 것이다. 이 연구에서는 언 빨래가 마르는 현상에 대한 중등학교 화학전공 교사들의 인식을 조사한 선행 연구 2。를 토대로 대기 중의 증발 현상을 설명할 때, 화학 전공 교사들이 겪는 어려움을 해결하기 위한 방안을 제시하고 이러한 방안의 효과에 대해 분석해 보고자 한다. 이 연구에서 알아보고자 하는 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.
수업 후에 교과서의 설명에서 찾아볼 수 있는 시각의 문제점에 대해서도 토론하였다. 이를 바탕으로 후반부에서는 교사들이 스스로 자신의 생각이 바뀌어나가는 과정에 대해 토론하는 시간을 가졌으며, 여전히 혼란스러운 부분에 대한 논의도 하였다.
따라서 교과서의 서술 방식과 이러한 내용을 전달해 주는 교사의 사고가 변화될 필요가 있다. 이 연구에서는 수업 전 화학전공 교사들이 상평형 그림으로 증발 현상을 설명할 때 가지는 어려움과 선개념을 조사하고, 수업을 통해 이러한 사고의 교정이 가능함을 확인하였다. 대부분 교사들은 자신이 배우고 아는 대로 학생들을 가르치거나, 교과서의 내용을 그대로 전달하는 방식으로 수업을 진행하기 때문에 교과서의 설명 방식의 변화와 함께 교사의 연수가 이루어진다면 앞으로 상태 변화에 대한 학습의 효과는 매우 커질 것이라고 본다.
이러한 사고의 변화 및 교과서의 문제점에 대해 충분히 토의한 후반부 수업 후 제출한 설문지를 통해, 수업 내용 중 어떤 개념이 상평형을 이해하는데 도움을 주었는지 물어보았다. 그 결과, 10명 중 8명의 교사들은，평형과 비평형의 차이에 대한 인식’을 꼽았으며,，포화 수증기량 곡선을 도입하여 설명한 방식 ’이 도움을 주었다고 응답한 교사는 7명이었다.
이때 물은 상평형 그림의 액체와 기체가 공존하는 상태인 증기 압력 곡선 위의 조건이 유지되는 상태에 도달하게 된다고 할수 있다. 포화 수증기량 곡선은 이미 교사들이 알고 있는 지식이므로, 이를 이용하여 상평형 그림으로 상태 변화를 설명할 때 가지는 선개념의 문제점을 파악하고 교정하는 데 도움을 주는 역할을 하도록 한 것이다.
수업을 마치고 나서 2차 설문지를 통해 수업 내용 중에어떤 개념이 상평형을 이해하는데 변화를 주었는지, 수업을 통해 새롭게 혼란을 겪게 된 것은 무엇인지, 공기의 온도가 높아지면 그 속에 최대로 포함될 수 있는 수증기의 양, 즉 포화 수증기량은 많아지지만, 하루 동안 공기 속에 실제로 포함되어 있는 수증기량에는 큰 변화가 없다. 학교 수업에서 빠진 내용으로 보충했으면 하고 생각하는 내용은 무엇인지 등에 대한 교사들의 생각을 알아보았다. 수업 시간의 토론 내용과 2차 설문만으로도 교사의 사고를 충분히 알 수 있다고 판단되어 설문 결과에 대한 2차 면담은 따로 실시하지 않았다.
제안 방법
물이 증발할 때의 증기 압력과 상평형 그림에 대한 교사들의 선개념. 개념 변화 과정을 알아보기 전에 교사들이 가지고 있는 선개념을 파악하기 위하여 대기 중에서의 물의 증발 현상을 상평형 그림으로 설명할 수 있는지에 대한 생각을 조사하였다(Table 3).
상태 변화와 관련된 선행 연구들에서 나타난 사고 유형의 특성과 상평형 그림에 대한 과학적 개념을 토대로 교사들의 인식을 알아보기 위한 설문의 기초 문항을 개발하였다. 개발한 문항을 화학전공 교사 5인에게 투입하여 문제점을 보완한 후에 화학교육 전문가와 화학전공 교사 3인에게 타당도를 의뢰하고 최종 수정, 보완하여 설문지를 완성하였다. 이 과정에서 응답 유형의 분류에 대한 체계를 확립하고, 설문지의 문장도 응답자들이 이해하기 쉽도록 수정하였다.
그 후 교사들의 선개념을 바꿀 수 있도록 수업을 실시하였다. 수업은 크게 설명식 전달 중심의 전반부와 토론 중심의 후반부로 나누어 진행되었다.
면담은 주로 설문 내용의 응답을 토대로 하였으며, 설문의 응답에 대한 이유를 보다 구체적으로 알아보기 위해 실시하였다. 그러나 설문 내용 이외에도 연구 문제와 관련된 다른 내용들에 대해서도 언급하여 의견을 듣는 등 비교적 자유롭게 대화하는 비구조화된 형식으로 진행하였다. 면담은 교사의 반응을 강요하거나 제한하지 않는 개방적인 형태로 진행하였으며, 면담 내용은 모두 녹음하였고 녹음한 자료는 2일 이내에 전사하여 범주 화된 유형별로 내용을 분석하였다.
그러나 설문 내용 이외에도 연구 문제와 관련된 다른 내용들에 대해서도 언급하여 의견을 듣는 등 비교적 자유롭게 대화하는 비구조화된 형식으로 진행하였다. 면담은 교사의 반응을 강요하거나 제한하지 않는 개방적인 형태로 진행하였으며, 면담 내용은 모두 녹음하였고 녹음한 자료는 2일 이내에 전사하여 범주 화된 유형별로 내용을 분석하였다.
응답 결과를 분류 체계에 따라 범주화하고(Tble 3), 유형별 특징을 나타내는 6명의 교사와 개별 면담을 실시하여 이들의 사고를 보다 깊이 알아보았다. 면담은 주로 설문 내용의 응답을 토대로 하였으며, 설문의 응답에 대한 이유를 보다 구체적으로 알아보기 위해 실시하였다. 그러나 설문 내용 이외에도 연구 문제와 관련된 다른 내용들에 대해서도 언급하여 의견을 듣는 등 비교적 자유롭게 대화하는 비구조화된 형식으로 진행하였다.
연구 절차. 상태 변화와 관련된 선행 연구들에서 나타난 사고 유형의 특성과 상평형 그림에 대한 과학적 개념을 토대로 교사들의 인식을 알아보기 위한 설문의 기초 문항을 개발하였다. 개발한 문항을 화학전공 교사 5인에게 투입하여 문제점을 보완한 후에 화학교육 전문가와 화학전공 교사 3인에게 타당도를 의뢰하고 최종 수정, 보완하여 설문지를 완성하였다.
설문은 연구대상자가 가지고 있는 개념을 가능한한 정확히 알아내기 위하여 선다형 문항과 선택 이유를 알아본 서술형의 문항을 짝지어 구성하였다. 설문 내용은 상평형 그림으로 대기 중에서 물의 증발 현상을 설명하는 것, 공기가 증기 압력에 미치는 영향, 상평형 그림의 세로축에 대한 의미, 증기 압력 곡선과 포화 수증기량 곡선과의 관계 등에 대한 것이다. 수정된 문항에 대한 신뢰도를 조사하기 위해 화학전공 교사 5인을 대상으로 검사-재검사 신뢰도를조사하였으며, 설문 문항의 평균 신뢰도는 0.
설문은 연구대상자가 가지고 있는 개념을 가능한한 정확히 알아내기 위하여 선다형 문항과 선택 이유를 알아본 서술형의 문항을 짝지어 구성하였다. 설문 내용은 상평형 그림으로 대기 중에서 물의 증발 현상을 설명하는 것, 공기가 증기 압력에 미치는 영향, 상평형 그림의 세로축에 대한 의미, 증기 압력 곡선과 포화 수증기량 곡선과의 관계 등에 대한 것이다.
수정 보완된 최종 설문지는 교육대학원 화학교육 전공 과정에 있는 현직교사 25명에게 투입하여 응답 자료를 확보하고 분석하였다. 응답 결과를 분류 체계에 따라 범주화하고(Tble 3), 유형별 특징을 나타내는 6명의 교사와 개별 면담을 실시하여 이들의 사고를 보다 깊이 알아보았다. 면담은 주로 설문 내용의 응답을 토대로 하였으며, 설문의 응답에 대한 이유를 보다 구체적으로 알아보기 위해 실시하였다.
대상 데이터
물의 증발과 관련된 개념으로 포화 수증기량 곡선에 대한 내용을 지도한 경험을 가진 교사는 12명이었고, 지도한 경험을 가지지 않는 교사는 13명이었다. 교사들이 가지는 선개념을 교정하기 위한 수업 및 사후 면담에는 이 중에서 10명의 교사들이 참여하였다. 수업에 참여한 교사들의 자료는 Table 1과 같다.
연구 대상 교사들 중에서 상평형 그림을 지도해 본 경험을 가진 교사는 11명이었고, 이를 지도한 경험이 없는 교사는 14명이었다. 물의 증발과 관련된 개념으로 포화 수증기량 곡선에 대한 내용을 지도한 경험을 가진 교사는 12명이었고, 지도한 경험을 가지지 않는 교사는 13명이었다. 교사들이 가지는 선개념을 교정하기 위한 수업 및 사후 면담에는 이 중에서 10명의 교사들이 참여하였다.
연구 대상. 선개념을 파악하기 위하여 교육대학원에 재학 중인 화학전공 교사 25명을 대상으로 설문을 실시하였다. 설문에 응답한 화학전공 교사들은 교육 경력이 5년 미만인 경우가 11명, 6-10년 사이인 교사가 10명, 11-15년 사이의 경력을 가진 교사가 4명이었다.
설문에 응답한 화학전공 교사들은 교육 경력이 5년 미만인 경우가 11명, 6-10년 사이인 교사가 10명, 11-15년 사이의 경력을 가진 교사가 4명이었다. 성별로는 9명이 남자 교사였으며, 16명이 여자 교사였다. 연구 대상 교사들 중에서 상평형 그림을 지도해 본 경험을 가진 교사는 11명이었고, 이를 지도한 경험이 없는 교사는 14명이었다.
수정 보완된 최종 설문지는 교육대학원 화학교육 전공 과정에 있는 현직교사 25명에게 투입하여 응답 자료를 확보하고 분석하였다. 응답 결과를 분류 체계에 따라 범주화하고(Tble 3), 유형별 특징을 나타내는 6명의 교사와 개별 면담을 실시하여 이들의 사고를 보다 깊이 알아보았다.
설문 내용은 상평형 그림으로 대기 중에서 물의 증발 현상을 설명하는 것, 공기가 증기 압력에 미치는 영향, 상평형 그림의 세로축에 대한 의미, 증기 압력 곡선과 포화 수증기량 곡선과의 관계 등에 대한 것이다. 수정된 문항에 대한 신뢰도를 조사하기 위해 화학전공 교사 5인을 대상으로 검사-재검사 신뢰도를조사하였으며, 설문 문항의 평균 신뢰도는 0.8이었다.
성별로는 9명이 남자 교사였으며, 16명이 여자 교사였다. 연구 대상 교사들 중에서 상평형 그림을 지도해 본 경험을 가진 교사는 11명이었고, 이를 지도한 경험이 없는 교사는 14명이었다. 물의 증발과 관련된 개념으로 포화 수증기량 곡선에 대한 내용을 지도한 경험을 가진 교사는 12명이었고, 지도한 경험을 가지지 않는 교사는 13명이었다.
성능/효과
이러한 사고의 변화 및 교과서의 문제점에 대해 충분히 토의한 후반부 수업 후 제출한 설문지를 통해, 수업 내용 중 어떤 개념이 상평형을 이해하는데 도움을 주었는지 물어보았다. 그 결과, 10명 중 8명의 교사들은，평형과 비평형의 차이에 대한 인식’을 꼽았으며,，포화 수증기량 곡선을 도입하여 설명한 방식 ’이 도움을 주었다고 응답한 교사는 7명이었다. 또한 '증기 압력 곡선에서 세로축의 의미’에 대한 재해석이 도움을 주었다고 응답한 교사도 4명이었다.
5와 같이 제시하였다. 그 내용에서 공기의 영향이 무시될 수 있음을 인식하였으며, 상평형 곡선의 세로축은 외부 압력이 아닌 증기 압력만을 나타낸다는 점도 인식하면서 개념변화가 일어나서 상태 변화란 평형이 이동되는 과정임을 확실하게 깨달았음을알 수 있다.
수업을 통해 이에 대한 사고의 전환이 교사들의 선개념을 교정하는데 효과적이었음을 확인할 수 있었다. 또한 이미 중학교 과정에서 학습한 포화와 불포화’의 개념을 도입하고 지구과학 영역에서 다루는 포화 수증기량 곡선의 내용에 ‘동적 평형’의 개념과 ‘평형 이동’의 개념을 관련지어 설명함으로써 공기 중에서 물이 증발하는 현상을 상평형 그림으로 이해하는데 도움을 줄 수 있음도 확인 하였다. 이러한 사고는 궁극적으로 화학에서 다루는 상태 변화와 지구과학에서 다루는 상태 변화를 연결 지음으로써 통합교과적 사고도 유발할 수 있을 것이다.
예를 들어 대기 중에서의 상태 변화를 설명하기 위해서는 현재 화학 II 교과서의 상평형 그림에 대한 설명 방식을 동적 평형의 개념으로 바꾸고, 여기에 평형 이동의 법칙을 도입하여 상태 변화를 설명하는 것이 필요할 것이다. 수업을 통해 이에 대한 사고의 전환이 교사들의 선개념을 교정하는데 효과적이었음을 확인할 수 있었다. 또한 이미 중학교 과정에서 학습한 포화와 불포화’의 개념을 도입하고 지구과학 영역에서 다루는 포화 수증기량 곡선의 내용에 ‘동적 평형’의 개념과 ‘평형 이동’의 개념을 관련지어 설명함으로써 공기 중에서 물이 증발하는 현상을 상평형 그림으로 이해하는데 도움을 줄 수 있음도 확인 하였다.
따라서 많은 교사들이 이 내용을 지도할 때 이상적인 상황인 닫힌계, 공기를 포함하지 않고 한 물질만 존재할 때 등의 조건만 고려함으로써 일상생활에서 관찰되는 증발이나 승화와 같은 상태 변화에 이 개념을 적용하는데 어려움을 겪는다. 연구 결과, 많은 화학전공 교사들이 대기 중에서의 증발을 상평형 그림으로 설명하는데 어려움을 겪고 있음을 확인할 수 있었다.
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