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문제 정의
- 고등학교 과학 및 화학 II 교과서에 제시되어 있는 ‘반응 속도’ 단원에서 목표로 하는 학습 내용을 조사하기 위하여 차세대 교과서를 포함한 모든 종류의 검인정 교과서를 선정하여 11종의고등학교 ‘과학’ 교과서와 8종의 ‘화학 II’ 교과서를 분석하였다. ‘반응 속도’는 10학년 과학과 화학 II에 서 모두 제 시되는 개념으로 다루는 내용의 깊이는 다르지만 개념적으로 같은 내용을 다루고있으므로 본 연구에서는 함께 분석하였다. 과학교육 전문가 2인이 협의를 통해 교과서에 제시된 학습 목표를 살펴보고 탐구 활동의 형태와 소재를 분류하였으며 탐구 활동의 질문과 교과서 서술 내용을 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 ‘반응 속도’ 단원에서‘묽은 염산과 마그네슘 리본의 반응’ 실험이 다루는 개념 또는 학습 내용을 파악하고, 이를 기준으로 기존 실험의 문제점과 개선 방안을 살펴보고자 한다. 구체적인 연구문제는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 ‘반응 속도 측정’ 단원에서 고등 학교 ‘과학’ 교과서와 ‘화학 II’ 교과서에서 주로 다루고 있는 ‘묽은 염산과 마그네슘 리본의 반응’의 실험이 교과서에서 제시하는 학습 내용에 적절한 실험인지 고찰하였고, 학습 내용에 적합하게 개선된 실험조건을 제시하였다.
- 0035 bar인 MBL실험 장치의 압력 센서를 사용하여 생성되는 수소 기체의 압력을 측정하였으며, 각 실험은 항온수조를 사용하여 온도를 일정하게 유지한 상태로 3회 반복하여 수행하였다. 이들 실험 결과를 토대로 적합하다고 생각 되는 개선 실험을 제안하였다.
- 이에 반응 속도 단원에서 다루고자 하는 내용과 실험 결과를 일치시키기 위하여 반응 속도에 영향을 주는 반응물질 인 수소이온의 양을 마그네슘의 양보다 적게 하는 조건에서 반응을 진행시키는 개선 실험을 수행하였다. 실험 결과, 반응 속도가 시간에 따라 점점 느려지는 그래프를 얻을수 있었다.
제안 방법
- ‘ 반응 속도’ 단원 에서 반응 속도의 측정과 개념이해에 있어서 주요한 학습 내용인 '시간에 따라 반응 속도가 점차적으로 감소’하는 것을 관찰할수 있는 적절한 실험 조건을 찾기 위하여 마그네슘과 반응하는 염산의 양과 농도를 변화시키면서 실험을 실시하였다. 정량적인 데이터를 얻기 위하여 MBL (Microcomputer-Based Laboratory) 을 사용하였고 생 성 된 수소 기 체 의 부피 를 측정 하기 위한 수상치환의 번거 로움을 피 하고 MBL sensor 를 이용하였고 사용한 MBL의 압력 센서는 정밀 도가 ±0.
- 실험장치는 Bang(2006)의 반응 속도 측정 실험 장치를 참고하였으며 수소 기체의 압력을 측정하기 위하여 고안한 실험 장치를 Figure 3에 나타내었다.12 가지 달린 삼각 플라스크에 염산을 넣고 삼각 플라스크 마개에 연결된 고리에 마그네슘 리본을 매달아 놓은 후, 장치가 준비된 후 삼각플라스크를 흔들어서 마그네슘 리본이 떨어지도록 한다. 온도를 일정하게 유지하기 위하여 항온조를 사용하였으며 삼각 플라스크를 MBL 압력 센서와 연결하고, 이를 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 생성된 수소 기체의 압력 값을 얻었다.
- 학생들에게 실험 탐구 활동은 교실 수업만큼이나 중요하며 그 과정과 결과가 특정 단원의 학습 목표를 체득하는 데 결정적일 수 있으므로 교사가 실험의 설계, 준비, 결과 및 토론할 내용을 숙지하고 있어야 한다.8 묽은 염산과 마그네슘의 반응을 통한 반응 속도에 대한 교사들의 이해 정도를 알아보기 위하여 설문 조사를 실시하였다. 설문지에는 고등학교 ‘과학’ 교과서 중 한 교과서에서 제시된 반응 속도 측정 실험을 그대로 제시하였으며, 반응 속도를 정량적으로 알아볼 수 있도록 각각의 묽은 염산과 마그네슘 리본의 양(mole) 을 제시하였다.
- 설문의 내용은 실제로 이 실험을 수행해 보았는지에 대한 여부를 물은 후, 교과서에서 제시된 조건에서의 실험 결과를 예측하게하고, 염산의 농도를 반응의 당량과 비슷한 수준까지 작게 하였을 때의 실험 결과에 대해 예측해 보도록 하였다. 개발한 설문지는 예비 검사를 통해 일차 수정을 한 후, 화학 및 과학 교육 전공자 4인의 검토를 통해 최종 수정되었다. 개발된 설문지를 과학 또는 화학 II를 가르치고 있는 현직 교사에게 투입하였고 고등학교 과학 교사 가운데 반응 속도를 가르쳐 본 경험이 있는 교사 24명의 응답을 얻었다.
- 고등학교 과학 및 화학 II 교과서에 제시되어 있는 ‘반응 속도’ 단원에서 목표로 하는 학습 내용을 조사하기 위하여 차세대 교과서를 포함한 모든 종류의 검인정 교과서를 선정하여 11종의고등학교 ‘과학’ 교과서와 8종의 ‘화학 II’ 교과서를 분석하였다. ‘반응 속도’는 10학년 과학과 화학 II에 서 모두 제 시되는 개념으로 다루는 내용의 깊이는 다르지만 개념적으로 같은 내용을 다루고있으므로 본 연구에서는 함께 분석하였다.
- ‘반응 속도’는 10학년 과학과 화학 II에 서 모두 제 시되는 개념으로 다루는 내용의 깊이는 다르지만 개념적으로 같은 내용을 다루고있으므로 본 연구에서는 함께 분석하였다. 과학교육 전문가 2인이 협의를 통해 교과서에 제시된 학습 목표를 살펴보고 탐구 활동의 형태와 소재를 분류하였으며 탐구 활동의 질문과 교과서 서술 내용을 분석하였다. 탐구 활동의 학습 내용을 보다 분명히 알아보기 위하여 고등학교 ‘과학’ 교사용 지도서와 제 7차 과학교육과 교육과정 안을 함께 분석하였다.
- 교과서 반응 속도 단원에서 반응 속도의 측정과 개념을 설명하기 위하여 높은 빈도로 제시되고 있는 ‘산과 금속의 반응에서의 수소기체의 부피 측정’ 실험을 단원의 학습 내용에 적합하게 개선하기 위하여 몇 가지 새로운 실험 조건을 고안한 후 이를 수행하였다. 반응 속도 측정의 정확성과 묽은 염산과 마그네슘 리본 반응에서의 반응속도의 측정에서의 문제점을 해결하기 위하여 생성되는 수소 기체의 부피를 측정하는 대신 정밀 도가 ±0.
- 먼저 마그네슘 리본의 양의 10배 정도의 수소이온이 존재하는 조건에서 실험을 수행하였다. 마그네슘 리본 5.
- 교과서 반응 속도 단원에서 반응 속도의 측정과 개념을 설명하기 위하여 높은 빈도로 제시되고 있는 ‘산과 금속의 반응에서의 수소기체의 부피 측정’ 실험을 단원의 학습 내용에 적합하게 개선하기 위하여 몇 가지 새로운 실험 조건을 고안한 후 이를 수행하였다. 반응 속도 측정의 정확성과 묽은 염산과 마그네슘 리본 반응에서의 반응속도의 측정에서의 문제점을 해결하기 위하여 생성되는 수소 기체의 부피를 측정하는 대신 정밀 도가 ±0.0035 bar인 MBL실험 장치의 압력 센서를 사용하여 생성되는 수소 기체의 압력을 측정하였으며, 각 실험은 항온수조를 사용하여 온도를 일정하게 유지한 상태로 3회 반복하여 수행하였다. 이들 실험 결과를 토대로 적합하다고 생각 되는 개선 실험을 제안하였다.
- 선행연구에서 지적한 반응 초기 반응이 지연되는 문제를 보완하기 위하여 마그네슘 리본의 표면적의 산화막을 제거한 후 삼각 플라스크의 마개에 고리를 연결하여 마그네슘 리본을 달아놓고 장치가 준비 되 면 삼각플라스크를 흔들어 서 마그네 슘이묽은 염산 수용액에 떨어지도록 했다. 반응열로 인한 온도의 변화를 줄이기 위해 항온조로 온도를 일정하게 유지 (25 °C)하였다.
- 수소기체의 발생량이 많을수록 플라스크의 압력이 증가하므로 이때의 반응 속도는 단위 시간당 압력의 변화로 볼 수 있다. 선행연구에서 지적한 반응 초기 반응이 지연되는 문제를 보완하기 위하여 마그네슘 리본의 표면적의 산화막을 제거한 후 삼각 플라스크의 마개에 고리를 연결하여 마그네슘 리본을 달아놓고 장치가 준비 되 면 삼각플라스크를 흔들어 서 마그네 슘이묽은 염산 수용액에 떨어지도록 했다. 반응열로 인한 온도의 변화를 줄이기 위해 항온조로 온도를 일정하게 유지 (25 °C)하였다.
- 설문지에는 고등학교 ‘과학’ 교과서 중 한 교과서에서 제시된 반응 속도 측정 실험을 그대로 제시하였으며, 반응 속도를 정량적으로 알아볼 수 있도록 각각의 묽은 염산과 마그네슘 리본의 양(mole) 을 제시하였다. 설문의 내용은 실제로 이 실험을 수행해 보았는지에 대한 여부를 물은 후, 교과서에서 제시된 조건에서의 실험 결과를 예측하게하고, 염산의 농도를 반응의 당량과 비슷한 수준까지 작게 하였을 때의 실험 결과에 대해 예측해 보도록 하였다. 개발한 설문지는 예비 검사를 통해 일차 수정을 한 후, 화학 및 과학 교육 전공자 4인의 검토를 통해 최종 수정되었다.
- 8 묽은 염산과 마그네슘의 반응을 통한 반응 속도에 대한 교사들의 이해 정도를 알아보기 위하여 설문 조사를 실시하였다. 설문지에는 고등학교 ‘과학’ 교과서 중 한 교과서에서 제시된 반응 속도 측정 실험을 그대로 제시하였으며, 반응 속도를 정량적으로 알아볼 수 있도록 각각의 묽은 염산과 마그네슘 리본의 양(mole) 을 제시하였다. 설문의 내용은 실제로 이 실험을 수행해 보았는지에 대한 여부를 물은 후, 교과서에서 제시된 조건에서의 실험 결과를 예측하게하고, 염산의 농도를 반응의 당량과 비슷한 수준까지 작게 하였을 때의 실험 결과에 대해 예측해 보도록 하였다.
- 12 가지 달린 삼각 플라스크에 염산을 넣고 삼각 플라스크 마개에 연결된 고리에 마그네슘 리본을 매달아 놓은 후, 장치가 준비된 후 삼각플라스크를 흔들어서 마그네슘 리본이 떨어지도록 한다. 온도를 일정하게 유지하기 위하여 항온조를 사용하였으며 삼각 플라스크를 MBL 압력 센서와 연결하고, 이를 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 생성된 수소 기체의 압력 값을 얻었다. 수소기체의 발생량이 많을수록 플라스크의 압력이 증가하므로 이때의 반응 속도는 단위 시간당 압력의 변화로 볼 수 있다.
- 위와 같은 학습 내용과 관련하여 교사들의 인식을 살펴보기 위하여 교과서의 '금속과 산의 반응 속도 측정’ 탐구 실험을 그대로 제시하여, 반응 속도 그래프를 예상하게 하였다. 설문에 응답한 92%의 교사들은 교과서나 교사용 지도서 에서 제시된 형태와 같이 실험 결과가 반응이 진행됨에 따라 반응 속도가 점점 느려지는 ③번 그래프를 실험 결과로 예상하였고 (Figure 1), 선행 연구에서 실제 실험을 통해 관찰된다고 보고된 ②번, ④ 번 그래프를 선택한 교사는 각 1 명뿐이었다.
- ‘ 반응 속도’ 단원 에서 반응 속도의 측정과 개념이해에 있어서 주요한 학습 내용인 '시간에 따라 반응 속도가 점차적으로 감소’하는 것을 관찰할수 있는 적절한 실험 조건을 찾기 위하여 마그네슘과 반응하는 염산의 양과 농도를 변화시키면서 실험을 실시하였다. 정량적인 데이터를 얻기 위하여 MBL (Microcomputer-Based Laboratory) 을 사용하였고 생 성 된 수소 기 체 의 부피 를 측정 하기 위한 수상치환의 번거 로움을 피 하고 MBL sensor 를 이용하였고 사용한 MBL의 압력 센서는 정밀 도가 ±0.0035 bar로 비교적 정확한 압력 값을 얻을 수 있었으며 발생한 수소 기체의 압력을 0.1 초 간격으로 측정하였다. 실험장치는 Bang(2006)의 반응 속도 측정 실험 장치를 참고하였으며 수소 기체의 압력을 측정하기 위하여 고안한 실험 장치를 Figure 3에 나타내었다.
- 과학교육 전문가 2인이 협의를 통해 교과서에 제시된 학습 목표를 살펴보고 탐구 활동의 형태와 소재를 분류하였으며 탐구 활동의 질문과 교과서 서술 내용을 분석하였다. 탐구 활동의 학습 내용을 보다 분명히 알아보기 위하여 고등학교 ‘과학’ 교사용 지도서와 제 7차 과학교육과 교육과정 안을 함께 분석하였다. 교사용 지도서에는 교과서에서 제시 되지 않았지만 학생들에게 제 시되어야 하는 학습 내용이 자세하게 기술되어 있어서 학습 내용을 보다 명확히 파악할 수 있었다.
대상 데이터
- 개발한 설문지는 예비 검사를 통해 일차 수정을 한 후, 화학 및 과학 교육 전공자 4인의 검토를 통해 최종 수정되었다. 개발된 설문지를 과학 또는 화학 II를 가르치고 있는 현직 교사에게 투입하였고 고등학교 과학 교사 가운데 반응 속도를 가르쳐 본 경험이 있는 교사 24명의 응답을 얻었다. 응답자의 대부분은 교사경력이 10년 이상이었고 전공은 화학이 19명, 물리 2명, 생물 2명, 지구과학 1명이었다.
데이터처리
- 응답자의 대부분은 교사경력이 10년 이상이었고 전공은 화학이 19명, 물리 2명, 생물 2명, 지구과학 1명이었다. 얻어진 결과를 분석하기 위하여 각 문항의 응답 빈도를 구하였다.
이론/모형
- 1 초 간격으로 측정하였다. 실험장치는 Bang(2006)의 반응 속도 측정 실험 장치를 참고하였으며 수소 기체의 압력을 측정하기 위하여 고안한 실험 장치를 Figure 3에 나타내었다.12 가지 달린 삼각 플라스크에 염산을 넣고 삼각 플라스크 마개에 연결된 고리에 마그네슘 리본을 매달아 놓은 후, 장치가 준비된 후 삼각플라스크를 흔들어서 마그네슘 리본이 떨어지도록 한다.
성능/효과
- 고등학교 ‘과학’ 11종, ‘화학 II’ 8종의 교과서와 교사용 지도서 11종을 분석한 결과, 상당수의 수의 교과서가 ‘묽은 염산과 마그네슘 리본의 반응’을 자료해석 또는 탐구 실험의 형태로 제시하여 학생들이 스스로 문제를 해결하고 반응 속도에 대한 내용을 습득하도록 유도하고 있었고, ‘일반적으로 반응 속도가 시간에 따라서 점점 느려진다’는 것을 이해하는 것을 주요한 학습 내용으로 제시하고 있음을 알 수 있었다. 또한 이와 관련 하여 교사들에게 교과서의 실험 조건을 제시하고 결과를 예상해 보도록 한 결과, 대부분의 교사들은 시간에 따라 반응 속도가 점점 느려질 것으로 예상하였으며, 이는 교사들도 반응 속도의 시간에 따른 변화에 대하여 교과서나 교사용 참고서의 내용과 동일하게 인식하고 있음을 의미한다.
- 과학, 화학 II 교과서의 탐구 활동과 본문의 내용, 교사용 지도서를 분석한 결과 ‘시간의 변화에 따른 반응 속도의 변화’를 이해하는 것이 주된 학습 내용이었으며, 중등 교과서의 수준에서는 일반적으로 반응 속도는 ‘반응이 진행됨에 따라 점점 느려진다’라고 생각한다는 것을 알 수 있다. 그러나 선행 연구에 의하면 고등학교 과학 교과서에서 제시된 조건（산의 농도와 마그네슘리본의 양）하에서의 화학 반응 속도는 유사 0차 반응으로 시간에 따른 기체 부피의 기울기가 점차 줄어드는 형태가 아닌 직선에 가까운 그래프로 나타난다.
- 그래프를 살펴보면 교과서에 제시된 조건, 즉 묽은 염산이 과량일 때에서와 묽은 염산이 제한 시약일 때에 모두 실험 결과와 이론적으로 유도한 식의 피팅 결과가 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 각각의 피팅 그래프에서 얻어진 상수 값 方와 k 를 이용하여 반응 속도 상수 k값을 계산하였고, 25C 에서 얻어 진 값은 각각 2.
- 실험 결과, 반응 속도가 시간에 따라 점점 느려지는 그래프를 얻을수 있었다. 또한 ‘묽은 염산과 마그네슘 리본의 반응’을 수소이온 농도의 2차 반응으로 가정하여 이론적 인 그래프를 그린 결과, 수소이 온이 제 한 시 약일 경우 실험 결과와 동일하게 이론적으로도 시간에 따라 반응 속도가 점점 느려지는 그래프를 얻을 수 있었다.
- 이를 통하여 생성된 수소 기체의 압력을 측정하고 묽은 염산의 농도를 낮추어 실험을 수행하였을 때의 결과가 이론적으로도 잘 맞음을 보여준다. 또한 개선된 실험의 결과 그래프가 교과서에서 제시된 실험의 결과보다 초기 반응 속도와 나중 반응 속도의 차이가 현저하게 나타났 으며 ‘일반적으로 반응이 진행됨에 따라 반응 속도가 점점 느려진다’는 교과서 기술을 설명하고 표현하기에 적합하였다.
- 반응 속도의 측정과 관련된 탐구 활동을 살펴보면 실험과 자료해석의 두 가지 형태이며, 실험이 제시된 것은 7종, 자료해석은 12종이었다. 또한 소재적 측면에서 분석하여 보면, 반응 속도를 설명하기 위하여 산과 금속과의 반응을 제시한 교과서가 11종이 있었고, 과산화 수소 등의 분해반응이 6종, 기타 반응이 2종 있었다(Table 1). 산과 금속의 반응은 ‘산의 성질’에서 접한 친숙한 반응이면서, 생성된 기체의 부피를 측정 하여 반응의 생성 물을 정량적인 그래프로 나타내기 쉬워 반응 속도의 설명에 유용하기 때문에 많은 교과서에서 제시하는 것으로 생각된다.
- 또한 단순히 시 간에 따라서 반응속도가 점점 느려지기 때문이라고 답한 교사도있었다. 묽은 염산의 양이 마그네슘의 양과 비슷한 조건에서의 예측결과(Figure 2)에서는 동일한③번 그래프를 선택한 경우가 63%로 가장 많았 으며, 농도의 감소가 오히려 기울기를 일정하게 하게 할 것으로 예상하여 ②번을 선택한 교사가 29%, 묽은 염산의 농도가 줄어듦에 따라 마그네슘 리본의 농도가 과량이 되어 수소기체가 계속해서 발생할 것으로 예상하여 ①번을 선택한 교사가 4% 있었다. 이는 설문에 반응물의 몰수를직 접 적으로 제 시 하였음에도 대 부분의 교사들은 반응하는 수소이온과 마그네슘의 비율이 반응 속도 그래프에 미치는 영향을 고려하지 않고 있으며, ‘반응 속도는 시간에 따라 느려진다’는 것을 기계적으로 적용하는 경향이 있음을 보여준다.
후속연구
- 개선된 실험 조건으로 실험을 수행할 경우 교과서에서 제시된 것과 일치하는 반응 속도 그래프를 얻을 수 있고, 따라서 반응 속도의 시간에 따른 변화를 설명하고 학습하기에 더욱 효과적일 것으로 생각된다. 또한 소극적 측면에서 살펴보면 이론에서 예상된 것과 일치하지 않는 실험 결과로 인해 실험에 대한 부정적인 인식을 갖거나 억지로 이론에 짜맞추어 실험 결과를 왜곡하려는 경향을 줄이는 데에 도움이 될 것으로 생각된다.
- 즉, 염산이 제한시약이 되는 조건에서는 교과서에 제시된 형태의 그래프인, 반응이 진행됨에 따라 반응물의 농도가 감소함으로써 반응 속도가 점차 감소하는 형태의 그래프를 얻을 수 있다. 그러므로 현재의 교과서에서 제시되고 있는 탐구 실험의 조건을 염산이 제한시약이 되는 조건으로 개선한다면, 반응 속도의 측정 단원에서 주된 학습 내용의 설명에 적합한 결과를 얻게 되고, 탐구 실험이 학습 내용을 이해하는 데 더 효과적일 수 있을 것으로 예상된다.
- 실제로 개선된 실험이 기존의 실험에 비해 반응속도와 관련된 개념을 학생들이 학습하기에 더 효과적인지 알아보기 위해서는 개선된 실험을 교육현장에 적용하는 후속 연구가 필요할 것이다. 또한 교과서에 제시되고 있는 탐구 실험이 해당 되는 학습 내용에 적합한 것인지, 오히려 개념 형성에 방해가 되지는 않는지 고찰해 볼 필요가 있을 것이다. 아울러 지금까지 교과서 실험에 대한 다양한 개선 연구들이 꾸준히 진행되어 왔음에도 불구하고, 이의 반영은 실제로 많이 되어 있지 않고 있다.
- 개선된 실험 조건으로 실험을 수행할 경우 교과서에서 제시된 것과 일치하는 반응 속도 그래프를 얻을 수 있고, 따라서 반응 속도의 시간에 따른 변화를 설명하고 학습하기에 더욱 효과적일 것으로 생각된다. 또한 소극적 측면에서 살펴보면 이론에서 예상된 것과 일치하지 않는 실험 결과로 인해 실험에 대한 부정적인 인식을 갖거나 억지로 이론에 짜맞추어 실험 결과를 왜곡하려는 경향을 줄이는 데에 도움이 될 것으로 생각된다. 실제로 개선된 실험이 기존의 실험에 비해 반응속도와 관련된 개념을 학생들이 학습하기에 더 효과적인지 알아보기 위해서는 개선된 실험을 교육현장에 적용하는 후속 연구가 필요할 것이다.
- 따라서 실험 활동이 그 단원에서 학습하고자 하는 개념과 얼마나 잘 연결되어 있는지를 고찰하여 실험 활동에 접근해야 한다. 또한 학습 개념에 적합하지 않은 실험이 제시되어 있는 경우 이를 적절히 수정, 보완하는 연구가 필요하다.
- 또한 소극적 측면에서 살펴보면 이론에서 예상된 것과 일치하지 않는 실험 결과로 인해 실험에 대한 부정적인 인식을 갖거나 억지로 이론에 짜맞추어 실험 결과를 왜곡하려는 경향을 줄이는 데에 도움이 될 것으로 생각된다. 실제로 개선된 실험이 기존의 실험에 비해 반응속도와 관련된 개념을 학생들이 학습하기에 더 효과적인지 알아보기 위해서는 개선된 실험을 교육현장에 적용하는 후속 연구가 필요할 것이다. 또한 교과서에 제시되고 있는 탐구 실험이 해당 되는 학습 내용에 적합한 것인지, 오히려 개념 형성에 방해가 되지는 않는지 고찰해 볼 필요가 있을 것이다.
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