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문제 정의
- 본 연구에는 위 선행 연구를 포함한 기존 교육 자료의 분석을 수행하여 ‘샤를의 법칙’의 정량적인 실험 수업이 실시되기 어려운 요소들을 찾아 분석하고 이를 개선한 우리나라 수업 환경에 맞는 실험을 제안하고자 하였다. 즉 간편하고 결과가 명확한 실험 방법과 실험 장치를 개발함으로써 학생들의 실험수업을 통한 정확한 개념 형성에 기여하고 정교하게 계획된 실험을 학교 급별에 따라 정성적, 정량적 설명 모두 가능하게 제시하고자 하였다.
- 과학 교과에서 실험이 학생들로 하여금 과학적 탐구의 과정을 체험하게 함으로써 과학적 개념과 지식을 원리적으로 터득할 수 있게 한다는 점을 생각해 보면, 과학적 설명과 실험의 일치는 학생들의 과학적 개념 형성에 매우 중요함을 알 수 있다. 이 연구는 ‘샤를의 법칙’을 확인할 적절한 실험 방법을 제안하였다. 이와 같이 과학적 설명과 실험 검증이 일치하도록 실험 장치와 방법을 개선하는 후속 연구들이 다양하게 시도되고 제안될 필요가 있다.
- 기체의 성질을 나타내는 ‘샤를의 법칙’은 중학교 과학 및 고등학교 화학에 걸쳐 소개되는 중요한 내용이다. 이에 본 연구에서는 학교 현장에서 직접 실험해서 교육적으로 의미있는 결과를 얻을 수 있고 실질적으로 활용 가능한 실험 방법을 개발하였다. 이를 위해 교과서에 소개된 실험과 선행 연구들을 분석하여 실험 기구들의 장단점을 알아내고 이를 바탕으로 최적의 실험 장치와 실험 방안을 구안하였다.
- 본 연구에는 위 선행 연구를 포함한 기존 교육 자료의 분석을 수행하여 ‘샤를의 법칙’의 정량적인 실험 수업이 실시되기 어려운 요소들을 찾아 분석하고 이를 개선한 우리나라 수업 환경에 맞는 실험을 제안하고자 하였다. 즉 간편하고 결과가 명확한 실험 방법과 실험 장치를 개발함으로써 학생들의 실험수업을 통한 정확한 개념 형성에 기여하고 정교하게 계획된 실험을 학교 급별에 따라 정성적, 정량적 설명 모두 가능하게 제시하고자 하였다.
- 기체의 부피가 온도에 따라 변하는 것을 학생들이 알 수 있는 정도로만 학습하기를 요구하므로 온도가 올라가면 기체의 부피가 커지고 온도가 낮아지면 기체의 부피가 작아지는 것을 관찰하는 정도로만 실험 방법을 조절할 수 있을 것이다. 즉, 학생들이 바이알 속 기체의 온도를 변화시키면서 유리관 속의 액체 방울이 움직이는 현상을 관찰하게 하는 것이다. 이 때 바이알과 피펫을 연결한 기구는 교사가 미리 준비하여 주고 액체 방울은 관찰이 용이하게 색이 있는 물감으로 염색을 하면 좋을 것이다.
제안 방법
- 이에 대해서 좀 더 실증적으로 알아보기 위해 교과서에 제시된 실험방법 중 한 형태의 실험을 실시하였다. 250 mL 삼각플라스크에 30 mL 유리주사기를 연결하고 물중탕 가열하면서 기체의 온도와 부피변화를 측정하였다. 이 때 위에 지적한 문제로 인해 압력의 변화가 예상되므로 MBL장비를 사용하여 부피변화 2 mL 간격으로 온도와 압력을 함께 측정하였다.
- 선행 연구된, ‘샤를의 법칙’ 실험의 분석을 통해서 현장에서 적용하는데 따르는 문제점을 도출하고 이를 토대로 개선한 실험을 개발하였다. 국내•외, ‘샤를의 법칙’ 관련 실험 연구들을 조사하여 그 연구들에서 활용한 또는 개발한 장치들의 장•단점을 분석하고, 과학 교과서에 제시된 실험들의 현실적인 문제점들을 실험 정확성과 학교 수업 현장에서의 활용 가능성의 측면에서 분석하여 현장 적합성을 가진 실험 장치 및 실험 방법을 구안하는데 활용하였다.
- 온도가 떨어지기 시작하면 유리관 안에서 변화하는 기체의 부피를 식별하기 위해 마개’로서 유리관 끝에 액체방울을 떨어뜨린다. 그러면 온도가 감소하면서 액체 방울이 유리관 안으로 빨려 들어가고 이때부터 온도와 부피를 관찰한다. 넣어주는 액체로 물을 사용할 경우 수증기 영향을 받게 되므로 수증기 영향을 받지 않는 글리세롤을 사용한다.
- 0 mL 피펫을 개량한 유리관을 연결한 장치를 60 ℃ 항온조의 물에 담그고 ‘마개’로 작용할 물질 (액체방울)을 아주 가는 스포이트를 사용하여 유리관 아래 부분에 넣어주었다. 그리고 시간이 지남에 따라 액체방울의 위치, 즉 기체의 부피를 측정하였다. 온도가 일정하게 유지되므로 수증기 영향이 없다면 액체방울의 위치는 변하지 않아야 한다(즉, 부피가 일정하게 유지되어야 한다).
- Table 1에서 보는 바와 같이 모든 교과서가 기체 의 온도와 부피에 관한 내용을 수록하고 있었다. 기체의 온도와 부피 단원 내용은 모두 탐구와 설명으로 구성되어 있었고, 탐구 형태는 기체의 부피가 온도가 변함에 따라 변하는 것을 체험할 수 있는 활동으로 구성된 실험이었다. 풍선의 크기가 온도에 따라 변하고, 플라스크에 연결된 유리관 속 액체 방울이 온도가 변함에 따라 움직이는 것을 관찰하는 것 등이 그것이다.
- 유리관을 연결하였고 온도를 변화시키는 방법으로 물중탕 가열 방법을 선택하였다. 또한 기체의 부피 변화를 알아보기 위해 유리관 위에 액체방울을 넣어 측정하였고 온도 측정을 디지털 온도계를 사용하였다. 이러한 방식으로 실험을 실시하면서 학교 현장 수업에 적용 가능한 실험 방법 및 조건을 탐색하였다.
- 교과서 분석은 교육 내용으로서, ‘샤를의 법칙’이 얼마나 중요하게 다루어지고 있는지, 그리고 학교 급별에 따라 탐구활동과 내용 전개가 어느 정도 깊이 있게 전개되고 있는지 파악할 수 있게 할 것이며 탐구활동의 실험이 효과적으로 학습될 수 있는 성격의 활동인지 알 수 있게 할 것이다. 또한 실험들에서 활용한 기구들을 살펴보고 장점과 단점 등을 분석하였다. 분석된 교과서는 다음과 같다.
- 기체의 온도를 변화시키는 방법으로 물중탕 방법을 사용하였다. 물중탕 기구를 1 L 비커로 사용한 결과와 250 mL 눈금실린더로 사용한 결과를 비교하였다. 바이알은 2 mL 크기이고 피펫 유리관은 0.
- 선행 연구된, ‘샤를의 법칙’ 실험의 분석을 통해서 현장에서 적용하는데 따르는 문제점을 도출하고 이를 토대로 개선한 실험을 개발하였다. 국내•외, ‘샤를의 법칙’ 관련 실험 연구들을 조사하여 그 연구들에서 활용한 또는 개발한 장치들의 장•단점을 분석하고, 과학 교과서에 제시된 실험들의 현실적인 문제점들을 실험 정확성과 학교 수업 현장에서의 활용 가능성의 측면에서 분석하여 현장 적합성을 가진 실험 장치 및 실험 방법을 구안하는데 활용하였다.
- 유리관을 연결하였고 온도를 변화시키는 방법으로 물중탕 가열 방법을 선택하였다. 또한 기체의 부피 변화를 알아보기 위해 유리관 위에 액체방울을 넣어 측정하였고 온도 측정을 디지털 온도계를 사용하였다.
- 이 외에도 기구를 구비하는데 필요한 비용이 학교 현장에서 대량으로 구입할 수 있을 정도의 가격 수준이어야 하고 조작이 간편해야 하고, 무엇보다도 적절한 수준의 경향성을 보여주는 그래프를 그릴 정도의 정량적인 결과를 얻을 수 있어야 한다. 이 기준에 따라 교과서 및 문헌에 제시된 실험 기구를 조사하였고 Rockley 외 1인(1995)이 보고한 실험 장치를 참조하여 다음과 같은 실험 장치 및 실험 방법을 개발하였다.
- 250 mL 삼각플라스크에 30 mL 유리주사기를 연결하고 물중탕 가열하면서 기체의 온도와 부피변화를 측정하였다. 이 때 위에 지적한 문제로 인해 압력의 변화가 예상되므로 MBL장비를 사용하여 부피변화 2 mL 간격으로 온도와 압력을 함께 측정하였다. 3차에 걸쳐 실험한 결과를 Table 4에 나타내 었는데2) 온도와 부피가 변화면서 압력도 함께 변하는 것을 볼 수 있다.
- 중등학교 수업시간에 활용할 수 있으려면 실험 시간이 적절해야 한다. 이는 물의 냉각 속도와 관련이 있으므로 이를 알아보기 위해 물중탕 기구로 사용하는 250 mL 눈금실린더 속에 물을 넣고 냉각시키면서 시간과 온도를 측정하였다.
- 또한 기체의 부피 변화를 알아보기 위해 유리관 위에 액체방울을 넣어 측정하였고 온도 측정을 디지털 온도계를 사용하였다. 이러한 방식으로 실험을 실시하면서 학교 현장 수업에 적용 가능한 실험 방법 및 조건을 탐색하였다.
- 따라서 측정이 쉽게 하려면 기체가 담겨있는 기구의 부피는 크게 하고 그 부피의 변화를 관찰하는 부분의 부피는 작게 하여 변화폭이 크게 나타나게 하여야 한다. 이를 고려하여 부피를 측정하기 위한 기구는 바이알과 피펫을 활용하였다. 피펫의 내부 부피는 바이알에 비해서 매우 작으므로 기구의 전체 부피는 바이알의 크기에 의해 결정되고, 피펫의 내부는 가는 관의 형태이므로 전체 부피가 조금 변해도 피펫에서는 그 변화가 크게 나타나고 피펫에 새겨진 눈금은 이미 계량화되어 있으므로 쉽게 부피 변화를 측정할 수 있다.
- 부피변화를 측정하기 위해 유리관에 마개로서 액체 방울을 넣어 주었는데, 물방울을 사용하였을 때는 실험 결과 얻어진 그래프에서 곡선으로 약간 휘는 현상이 관찰되었다. 이를 물방울에서 증발한 수증기 영향으로 가정 하고 다른 형태의 실험을 통해 확인하였다. 좀 더 정량적이고 정밀한 ‘샤를의 법칙’ 실험 결과를 얻기 위해선 이 요소도 고려하여야 하므로 물방울 대신 수증기를 발생시키지 않는 글리세롤 방울로 실험하여도 좋을 것으로 연구되었다.
- 이에 본 연구에서는 학교 현장에서 직접 실험해서 교육적으로 의미있는 결과를 얻을 수 있고 실질적으로 활용 가능한 실험 방법을 개발하였다. 이를 위해 교과서에 소개된 실험과 선행 연구들을 분석하여 실험 기구들의 장단점을 알아내고 이를 바탕으로 최적의 실험 장치와 실험 방안을 구안하였다. 실험 장치로 기체의 부피를 측정하기 위해 바이알과 피펫을 개량한
- 이를 확인하기 위해서 위 기구를 이용하여 두 가지 방법으로 비교 실험을 수행하였다. 하나는 바이알과 피펫 유리관이 연결된 기구를 물 안에 완전히 잠기게 하여 실험하는 것이고 하나는 바이알 부분만 잠기게 하고 피펫 유리관 부분은 공기 중에 노출하여 실험하는 것이다.
- 이에 대해서 좀 더 실증적으로 알아보기 위해 교과서에 제시된 실험방법 중 한 형태의 실험을 실시하였다. 250 mL 삼각플라스크에 30 mL 유리주사기를 연결하고 물중탕 가열하면서 기체의 온도와 부피변화를 측정하였다.
- 9, 10 이 같은 측면에서 볼 때 기구를 선택하고 개선하는 것이 실험을 개선하는 일의 한 부분이라면 개발된 기구를 사용한 실험의 다양한 측면을 고찰하고 현장에 맞는 조건 및 방법을 찾는 것이 또 다른 한 부분이라고 할 수 있다. 이에 여러 단계의 실험 과정을 통해서 바이알과 피펫 유리관이 연결된 실험 장치를 이용한 실험 방법을 개발하였다.
- 제7차 교육과정 중학교 1학년 과학 교과서, 고등학교 화학 I 교과서, 고등학교 화학 U 교과서의, ‘샤를의 법칙’ 탐구 내용 및 설명에 관해 분석하였다. 각 중·고등학교 과학 교과서에는, ‘샤를의 법칙’과 관련한 내용이 서로 다른 방식으로 반영되거나 기술되어 있다.
대상 데이터
- 5) 실험에 사용한 바이알은 부피가 대략 4 mL 인 것을 사용하였다. 바이알의 부피가 약 4 mL 이므로 15 ℃가 변하는 온도 구간에서 대략 0.
- 교육인적자원부에서 검정한 7차 교육과정의 중학교 1학년 과학 교과서는 9종으로, 이들 모두가 분석 대상이 되었다. Table 1에서 보는 바와 같이 모든 교과서가 기체 의 온도와 부피에 관한 내용을 수록하고 있었다.
- Table 2는 화학 I 교과서 내용을 분석한 것이다. 교육인적자원부에서 검정한 고등학교 화학 I 교과서 8종으로 모두가 분석 대상이 되었다.
- 고등학교 화학 II 교과서에 대한 분석은 Table 3에 실었다. 분석 대상이 된 것은 교육인적자원부에서 검정한 고등학교 화학 II 8종 교과서이 다. 모든 교과서에 실험 또는 자료해석의 형태로 ‘샤를의 법칙’ 탐구활동이 수록되어 있었다.
이론/모형
- 기체의 온도를 변화시키는 방법으로 물중탕 방법을 사용하였다. 물중탕 기구를 1 L 비커로 사용한 결과와 250 mL 눈금실린더로 사용한 결과를 비교하였다.
성능/효과
- 결과적으로 4 mL 바이알과 1.0 mL 피펫을 가공한 유리관을 연결하여 눈금실린더에 넣고 물중탕 가열하여 온도를 높인 후 60 ℃ 정도에서 글리세롤을 유리관에 넣고 냉각시키면서 온도와 부피를 측정하여 ‘샤를의 법칙’을 나타내는 우수한 결과를 얻었다. 온도에 따른 부피를 그래프로 나타내었을 때 일차함수 형태의 직선을 얻었고(R2 = 0.
- 이런 까닭에 온도가 높아지면 기체의 부피도 커진다는 수준에서 정성적으로 보여줄 뿐 정량적인 설명, 즉 기체의 부피 변화가 온도 변화에 비례해서 변한다는 정량적인 경향성을 다루는 실험 내용은 포함하고 있지 않았다. 그러나 9종중 6종에서 ‘샤를의 법칙’을 모든 기체는 압력이 일정할 때 온도가 올라가면 부피가 일정하게 증가하여 비례관계가 있다”는 개념은 설명으로 소개하고 있었는데, 그 중 1종에서는 온도가 1 ℃ 올라갈 때 기체의 부피가 0 ℃ 부피의 1/273씩 증가한다는 설명도 포함되어 있었다. Table 1에 표시한 개념 수준은 탐구활동과 설명을 종합적으로 표시한 것으로 ‘샤를의 법칙’ 내용이 어느 정도 설명되었는지에 따라 위계를 정한 것이다.
- 두 실험에서 보이는 선형성은 피펫 유리관을 물 밖으로 배치한 것에서 월등히 좋게 나타났다. 그러나 절대 0도에 대한 예측 값은 더 많이 벗어나고 있다.
- 특히, ‘샤를의 법칙’은 “먼저 섭씨 온도와 기체의 부피 간의 관계를 도출한 후, 이를 절대 온도와 기체의 부피 간의 관계로 정량화”하게 하고 있다. 따라서 고등학교 과학과 수업에서는 이 연구에서 제안한 실험 방법을 활용하여 실험에서 얻어진 결과로 그래프를 그려서 기체의 부피와 온도가 선형 비례하는 정도뿐 아니라 절대 0도까지 구해 보게 하는 정교한 실험 방법을 적용할 수 있다.
- 이것은 유리관에 넣은 물방울에서 수증기가 발생하는 것을 보여주는 결과로서 발생한 수증기로 포화상태에 이르게 되면 더 이상 증발이 일어나지 않아 부피가 변하지 않는 것으로 해석할 수 있다. 반면 글리세롤 방울 실험 결과에서는 부피 변화가 없으므로 증발의 영향이 거의 없음을 확인하였다.
- 온도를 변화시키는 방법은 바이알을 손으로 감싸 쥐어서 열을 전달하는 방법과 뜨거운 물과 얼음물을 준비하여 바이알을 담그는 방법 등이 있을 수 있겠다. 실제 실시해 본 결과 손으로 바이알을 감싸 쥐기만 해도 액체 방울이 잘 움직이는 것을 관찰할 수 있었는데 이런 간단한 활동을 통해 학생들의 흥미를 유발하고 쉽게 과학 개념을 이해할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 온도계의 원리 이해로 개념 확장을 할 수 있는 장점도 있다.
- 이 같은 차이는 용기의 구조 및 물의 양에 따라 대기 중으로 열을 뺏기는 시간과 관련이 있는 것으로 눈금실린더를 이용하는 경우 측정시간을 1/2 정도 앞당길 수 있음을 알 수 있다. 실험 수업을 2개 수업시간을 붙여서 운영한다고 가정할 때 물중탕 기구로 1 L 비커보다는 250 mL 눈금실린더 사용하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
- 5). 예상대로 수증기 영향이 없었기 때문에 선형성을 나타내는 상관계수가 0.999로 물을 사용했을 때의 값 0.969(Table 6, Fig. 3 참조)보다 높게 나타났고, 절대 0도에 대한 예측 값도 -216.7 ℃로 물에서의 -203.4 ℃보다 이론값에 근접한 값을 얻을 수 있었다. 이로써 더욱 정량적이고 정밀한 ‘샤를의 법칙’ 실험 결과를 얻기 위해서는 ‘마개’로 사용할 액체 물질을 선정할 때 증발의 영향을 최대한 받지 않는 물질을 선택해야함을 확인할 수 있었다.
- 0 mL 피펫을 가공한 유리관을 연결하여 눈금실린더에 넣고 물중탕 가열하여 온도를 높인 후 60 ℃ 정도에서 글리세롤을 유리관에 넣고 냉각시키면서 온도와 부피를 측정하여 ‘샤를의 법칙’을 나타내는 우수한 결과를 얻었다. 온도에 따른 부피를 그래프로 나타내었을 때 일차함수 형태의 직선을 얻었고(R2 = 0.999), 데이터를 확장하여 절대 0도값을 구하면 -216.7 ℃로 이론값(-273 ℃)에 많이 근접한 값을 얻을 수 있었다.
- 4 ℃보다 이론값에 근접한 값을 얻을 수 있었다. 이로써 더욱 정량적이고 정밀한 ‘샤를의 법칙’ 실험 결과를 얻기 위해서는 ‘마개’로 사용할 액체 물질을 선정할 때 증발의 영향을 최대한 받지 않는 물질을 선택해야함을 확인할 수 있었다.
- 이를 물방울에서 증발한 수증기 영향으로 가정 하고 다른 형태의 실험을 통해 확인하였다. 좀 더 정량적이고 정밀한 ‘샤를의 법칙’ 실험 결과를 얻기 위해선 이 요소도 고려하여야 하므로 물방울 대신 수증기를 발생시키지 않는 글리세롤 방울로 실험하여도 좋을 것으로 연구되었다.
- 반면 ‘샤를의 법칙’에 대한 설명은 8종의 교과서 모두 정량적으로 이루어지고 있었다. 즉, 기체의 부피가 온도에 비례하는데 온도가 1 ℃ 올라갈 때 0 ℃ 부피의 1/273씩 증가한다는 구체적이고 자세한 설명이 포함되어 있었고 4종에서는 기체의 부피가 0이 되는 온도인 절대 0도에 대한 설명도 포함되어 있었다.
후속연구
- 각 중·고등학교 과학 교과서에는, ‘샤를의 법칙’과 관련한 내용이 서로 다른 방식으로 반영되거나 기술되어 있다. 교과서 분석은 교육 내용으로서, ‘샤를의 법칙’이 얼마나 중요하게 다루어지고 있는지, 그리고 학교 급별에 따라 탐구활동과 내용 전개가 어느 정도 깊이 있게 전개되고 있는지 파악할 수 있게 할 것이며 탐구활동의 실험이 효과적으로 학습될 수 있는 성격의 활동인지 알 수 있게 할 것이다. 또한 실험들에서 활용한 기구들을 살펴보고 장점과 단점 등을 분석하였다.
- 중학교 1학년, 화학 I , 화학U에, ‘샤를의 법칙’ 내용이 모두 포함되어 있다. 그러나 내용 수준에서 차이가 나므로 개발한 실험도 이에 맞게 수준을 조절하여 학교 급에 따라 활용할 수 있을 것이다.
- 2007년 개정 교육과정 중 중학교 1학년 과학에서는 ‘기체의 온도와 부피 사이의 관계’를 보여주는 필수 탐구활동으로 “기체의 압력에 따른 부피 변화, 기체의 온도에 따른 부피 변화를 관찰하여 그래프로 나타내기”를 수행하도록 하고 있어 정량적인 데이터로부터 온도와 기체의 부피 관계를 알아내는 수준을 요구하고 있다. 그러나 현재 교과서에 수록된 내용을 살펴보면 ‘샤를의 법칙’을 탐구과정의 간단한 실험을 통해 정성적으로 설명하거나 실험 없이 이론 설명으로 그치고 있기 때문에 이 실험에 대한 중학교 1 학년 수준의 실험 개발이 필요하고 더불어 고등학교 과정에 필요한 실험에 대한 검토도 필요하다.
- 중학교 1학년 과학과 내용으로 포함된 가열에 따른 기체 부피의 변화는 분자 운동과 관련이 있으나 학생들이 이에 대해 이해하기가 쉽지 않으므로 ‘바람 빠진 축구공에 불을 쬐면 팽팽해지는 것’ 같은 전형적인 예를 통한 정성적인 설명, 또는 교사에 의한 시범 실험 등을 통해 지도하도록 되어 있다. 기체의 부피가 온도에 따라 변하는 것을 학생들이 알 수 있는 정도로만 학습하기를 요구하므로 온도가 올라가면 기체의 부피가 커지고 온도가 낮아지면 기체의 부피가 작아지는 것을 관찰하는 정도로만 실험 방법을 조절할 수 있을 것이다. 즉, 학생들이 바이알 속 기체의 온도를 변화시키면서 유리관 속의 액체 방울이 움직이는 현상을 관찰하게 하는 것이다.
- 따라서 향후 중학교 1학년 과학과 수업에서는 앞서 제안한 실험 방법을 사용하여 기체의 부피를 온도를 변화시키면서 측정하게 하고 측정된 결과를 그래프로 나타내도록 하는 것이 좋을 것이다. 이 때 “온도가 증가하면 부피도 증가하고, 온도의 변화에 따라 일정하게 부피도 변한다”는 수준의 학습이 가능하도록 실험의 수준을 조절하는 것이 필요하다.
- 둘째, 측정 온도 구간은 너무 넓지 않으며 위험하지 않은 온도 구간에서 수행되는 것이 필요하다. 셋째, 온도 구간이 넓지 않은 온도 구간에서도 부피 변화를 크게 관찰할 수 있는 구조의 기구가 필요하다. 이 외에도 기구를 구비하는데 필요한 비용이 학교 현장에서 대량으로 구입할 수 있을 정도의 가격 수준이어야 하고 조작이 간편해야 하고, 무엇보다도 적절한 수준의 경향성을 보여주는 그래프를 그릴 정도의 정량적인 결과를 얻을 수 있어야 한다.
- 이 연구를 통해 개발한 실험은 학교 급별 교육 과정에 따라 수준을 조절하여 실시할 수 있을 것이고 각 학교 실험실이나 수업 환경에 맞추어 조정할 수 있을 것으로 기대한다.
- 이 연구는 ‘샤를의 법칙’을 확인할 적절한 실험 방법을 제안하였다. 이와 같이 과학적 설명과 실험 검증이 일치하도록 실험 장치와 방법을 개선하는 후속 연구들이 다양하게 시도되고 제안될 필요가 있다.
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