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문제 정의
- 본 연구에서는 중학생들이 서로 다른 맥락에서 어떤 입자 개념을 나타내는지 살펴보고, 맥락이 학생들의 입자 개념에 어떤 영향을 미치는지 알아보았다. 이를 위하여 2007 개정 교육과정의 9학년 '전해질과 이온' 단원을 선정하였다.
- 이를 위하여 2007 개정 교육과정의 9학년 '전해질과 이온' 단원을 선정하였다. 이 단원의 목표는 물질이 전해질과 비전해질로 구분됨을 이온화를 통하여 이해하고, 앙금 생성 반응을 통하여 이온 간의 반응을 확인하는 것이다.12 전해질과 비전해질에 대한 연구는 주로 학생들이 가지고 있는 다양한 사전 개념의 종류와 사전 개념의 생성 원인, 과학적 개념 습득을 위한 효과적인 수업전략의 개발을 중심으로 진행되어 왔다.
- 학생들이 거시적인 현상을 미시적인 관점에서 어떻게 바라보고 있는지 알아보고, 이러한 미시적인 관점에서의 설명이 일관적인지를 알아보기 위하여 연구를 진행하였다. 이를 위하여 중학교 3학년 '전해질과 이온' 단원의 내용 중 전해질과 앙금 생성 반응과 관련한 내용을 선정하였다.
가설 설정
- 셋째, 학생들은 전해질과 앙금 생성 반응을 설명할 때, 수용액 상태에서의 입자를 일관적으로 표현하는가?
제안 방법
- 2(a))을 활용하여 수업을 진행하였다. 3차시에는 교사가 전해질 수용액에서 이온의 이동 원리를 설명하고, 학생들이 시각적으로 이온의 이동을 확인할 수 있도록 탐구 실험 동영상(http://www.youtube.com/watch?v=BM3CDHX091o)을 활용하여 수업을 진행하였다. 4차시의 내용은 앙금 생성 원리를 이해하는 것이었다.
- 고체 상태와 수용액 상태에서 존재하는 염화나트륨(NaCl) 입자에 대한 학생들의 응답을 입자의 표현 방식을 기준으로 다섯 가지 유형(A~E)으로 분류하였다. 각 유형별 응답 내용과 각 유형에 해당하는 학생들의 수를 Table 2에 나타내었다.
- 문항 2는 탄산나트륨(Na2CO3)과 염화칼슘(CaCl2)이 각각 수용액 상태에서 어떻게 존재하는지 그리도록 한 후, 이 두 수용액을 섞었을 때 수용액에는 어떤 입자들이 존재하는지 그림으로 표현하게 하는 것이다. 과학교육 전문가 2인과 화학 전공 중등교사 1인이 문항 내용의 타당도와 표현의 적절성을 검토하였다.
- 6차시의 수업 목표는 학생들이 앙금 생성 반응을 화학식으로 표현할 수 있도록 하는 것이었다. 교사가 화학식으로 앙금 생성 반응을 표현하는 방법을 학생들에게 설명하고, 학생들이 직접 여러 가지 앙금 생성 반응 과정을 화학식을 써 볼 수 있는 기회를 제공하였다.
- 5차시는 미지 수용액 속의 이온을 확인하는 활동을 중심으로 수업을 진행하였다. 교실에서 small scale chemistry 키트를 이용하여 학생들이 조별로 앙금 생성 반응 실험을 진행하도록 하였다. 6차시의 수업 목표는 학생들이 앙금 생성 반응을 화학식으로 표현할 수 있도록 하는 것이었다.
- 앙금 생성 반응을 설명할 때 앙금을 표현하지 않은 학생들도 많았을 뿐만 아니라 앙금을 표현한 대다수의 학생들이 앙금을 화학식으로 표현하여 학생들이 앙금을 이온의 결합으로 생각하는지 원자의 결합으로 생각하는지에 대해 파악할 수 없었다. 따라서 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응을 설명할 때 수용액 속의 입자들만을 분석 대상으로 하여 학생들의 응답을 비교해 보았다. 학생들의 응답은 4가지 유형으로 분류할 수 있었다.
- 4와 같다. 먼저, 수용액에 존재하는 입자를 이온이나 원자로 표현하였는지에 따라 A 유형과 B 유형으로 분류하였다(1단계). 생성된 앙금의 표현, 입자의 화학식, 입자의 몰수 비를 하위 기준으로 하여 학생들의 응답을 세분화하였다(2, 3, 4단계).
- 3은 혼합 이전 수용액에 존재하는 입자에 대한 학생들의 응답을 분류하고, 각 유형에 속하는 학생들의 수를 나타낸 것이다. 먼저, 수용액에 존재하는 입자의 표현 방식에 따라 이온인 경우를 A 유형, 원자인 경우를 B 유형으로 분류하였다(1단계). 각 유형 내에서 입자의 화학식과 입자의 몰수 비를 올바르게 표현하였는지에 따라 학생들의 응답을 세분화하였다(3, 4단계).
- 생성된 앙금에 대하여 앙금의 표현(2단계)을 추가하여 분류하였는데, 이 때 학생들이 앙금의 형성을 표현하였는지, 앙금의 화학식을 바르게 나타내었는지 확인하였다. 분석의 신뢰도를 높이기 위하여 연구자 2인이 분류 기준에 대해 논의한 후, 개별적으로 학생들의 응답을 분류하였다. 분류가 끝난 후 결과를 서로 비교하고, 서로 다른 결과에 대해서는 논의를 통하여 합의에 도달하는 과정을 반복하였다.
- 앙금 생성 반응 이후의 수용액 속 입자에 대한 응답은 1~4단계를 거쳐 분류하였다. 생성된 앙금에 대하여 앙금의 표현(2단계)을 추가하여 분류하였는데, 이 때 학생들이 앙금의 형성을 표현하였는지, 앙금의 화학식을 바르게 나타내었는지 확인하였다. 분석의 신뢰도를 높이기 위하여 연구자 2인이 분류 기준에 대해 논의한 후, 개별적으로 학생들의 응답을 분류하였다.
- 먼저, 수용액에 존재하는 입자를 이온이나 원자로 표현하였는지에 따라 A 유형과 B 유형으로 분류하였다(1단계). 생성된 앙금의 표현, 입자의 화학식, 입자의 몰수 비를 하위 기준으로 하여 학생들의 응답을 세분화하였다(2, 3, 4단계). 생성된 앙금, 이온의 화학식과 전하량, 입자의 몰수 비를 모두 바르게 표현하여 과학적 개념을 가지고 있다고 판단되는 학생은 11명으로 전체 학생의 18.
- 문항 2에 대한 응답은 앙금 생성 반응 이전의 수용액 속 입자에 대한 응답과 앙금 생성 반응 이후의 수용액 속 입자 및 앙금에 대한 응답으로 나누어 분류하였다. 앙금 생성 반응 이전의 수용액 속 입자에 대한 응답은 입자 표현 방식(1단계), 입자의 화학식 표현(3단계), 입자의 몰수 비 표현(4단계)을 거쳐 분류하였다. 입자의 화학식 표현은 입자의 화학식 표현이 올바른지 아닌지를 확인하였으며, 입자의 몰수 비 표현은 수용액 속에 존재하는 입자의 몰수 비를 고려하여 바르게 표현하였지 그렇지 않은지 확인하였다.
- 이때 학생들의 입자에 대한 올바른 이해 정도를 파악하기 위하여 화학식과 이온의 전하량 표현, 입자의 몰수 비 표현도 추가로 분석하였다. 앙금 생성 반응에 대한 학생들의 응답은 혼합 이전의 탄산나트륨(Na2CO3)과 염화칼슘 (CaCl2) 수용액에 존재하는 입자에 대한 응답과 혼합하여 앙금 생성이 일어난 후의 수용액에 존재하는 입자에 대한 응답으로 나누어 분류하였고, 이를 각각 Fig. 3과 4에 나타내었다.
- 동일한 학생이 작성한 답안을 비교하여 고체 상태와 수용액 상태일 때 각각의 전해질 입자 표현을 분석한 결과, 염화나트륨 전해질을 표현할 때 고체 상태와 수용액 상태에서의 염화나트륨을 언제나 이온으로 표현해야 함에도 불구하고 원자나 분자로 표현한 학생들이 있었다. 염화나트륨이 수용액 상태일 때를 표현한 답안과 탄산나트륨과 염화칼슘이 각각 수용액 상태로 있다가 서로 섞이면서 앙금 생성 반응을 할 때의 입자를 표현한 답안을 비교하였다. 이를 분석한 결과 전체 학생의 약 79%에 해당하는 학생들이 수용액 상태의 전해질에 존재하는 입자를 일관적으로 표현하고 있음을 알 수 있었다.
- 앙금 생성 반응에서의 입자 표현을 분석한 결과, 학생들은 입자를 이온이나 원자의 형태로 표현하고 있음을 알 수 있었다. 이때 학생들의 입자에 대한 올바른 이해 정도를 파악하기 위하여 화학식과 이온의 전하량 표현, 입자의 몰수 비 표현도 추가로 분석하였다. 앙금 생성 반응에 대한 학생들의 응답은 혼합 이전의 탄산나트륨(Na2CO3)과 염화칼슘 (CaCl2) 수용액에 존재하는 입자에 대한 응답과 혼합하여 앙금 생성이 일어난 후의 수용액에 존재하는 입자에 대한 응답으로 나누어 분류하였고, 이를 각각 Fig.
- 이정아10가 전해질과 이온에 대한 고등학생들의 설명 유형을 분석하기 위하여 개발한 검사지에서 두 문항을 선정하여 본 연구의 목표에 부합하도록 수정한 후 사용하였다. 추상적인 입자 개념을 효과적으로 확인하기 위하여 학생들의 생각을 그림으로 표현할 수 있도록 주관식 형태의 문항을 이용하였다.
- 앙금 생성 반응 이전의 수용액 속 입자에 대한 응답은 입자 표현 방식(1단계), 입자의 화학식 표현(3단계), 입자의 몰수 비 표현(4단계)을 거쳐 분류하였다. 입자의 화학식 표현은 입자의 화학식 표현이 올바른지 아닌지를 확인하였으며, 입자의 몰수 비 표현은 수용액 속에 존재하는 입자의 몰수 비를 고려하여 바르게 표현하였지 그렇지 않은지 확인하였다. 앙금 생성 반응 이후의 수용액 속 입자에 대한 응답은 1~4단계를 거쳐 분류하였다.
- 가 전해질과 이온에 대한 고등학생들의 설명 유형을 분석하기 위하여 개발한 검사지에서 두 문항을 선정하여 본 연구의 목표에 부합하도록 수정한 후 사용하였다. 추상적인 입자 개념을 효과적으로 확인하기 위하여 학생들의 생각을 그림으로 표현할 수 있도록 주관식 형태의 문항을 이용하였다. 문항 1은 염화나트륨(NaCl)이 고체 상태와 수용액 상태에서 각각 어떻게 존재하는지 그림으로 표현하게 하는 것이다.
- 이들 중 Table 3에 제시된 것처럼 화학식을 바르게 표현하지 않은 학생들(Na2 나 Cl2로 표현)도 있었다. 하지만 올바른 화학식의 표현과 관계없이 입자를 전하를 띠지 않는 입자로 생각하고 있다는 점을 기준으로 이 유형으로 분류하였다. 전해질을 설명할 때, 수용액 속의 입자를 원자로 표현한 11명의 학생들은 비록 과학적 개념을 가지고 있지는 않았지만, 앙금 생성 반응에서도 수용액 상태에서의 입자를 원자로 표현했다는 점에서 일관성을 나타낸다고 볼 수 있다.
- 학생들이 '전해질과 이온' 단원을 학습한 후에 검사를 시행하였다.
- 15 교과서에 제시되어 있는 전해질은 주로 이온성 물질의 개념을 바탕으로 설명되어 있으며,6 앙금 생성 반응은 이온 간의 반응을 가시적으로 확인할 수 있는 실험과 입자 모형을 이용하여 그림으로 설명되어 있다. 학생들이 미시적인 관점에서 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응을 설명할 때 나타나는 입자 개념을 살펴보고, 이들을 비교하면서 맥락이 입자 개념에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위한 본 연구의 연구문제는 다음과 같다.
대상 데이터
- 고체 상태에서는 원자, 수용액 상태에서는 이온으로 존재한다는 C 유형에 해당하는 응답을 한 학생은 17명으로 전체 학생의 27.9%에 해당했다. 또한 고체 상태에서는 분자, 수용액 상태에서는 이온으로 존재한다는 E 유형의 응답을 한 학생도 2명 있었다.
- 본 연구는 서울시에 소재한 중학교 한 곳에 재학 중인 3학년 학생 85명을 대상으로 진행하였다. 해당 학생들은 같은 교사에게서 6차시(3주)에 걸쳐 '전해질과 이온' 단원을 학습하였다.
- 학생들이 '전해질과 이온' 단원을 학습한 후에 검사를 시행하였다. 수거한 85명의 응답 중, 모든 문항에 성실하게 응답한 61명의 응답을 선정하여 분석하였다.
- 이를 위하여 2007 개정 교육과정의 9학년 '전해질과 이온' 단원을 선정하였다.
- 이를 위하여 중학교 3학년 '전해질과 이온' 단원의 내용 중 전해질과 앙금 생성 반응과 관련한 내용을 선정하였다.
- 해당 학생들은 같은 교사에게서 6차시(3주)에 걸쳐 '전해질과 이온' 단원을 학습하였다.
성능/효과
- 이들은 고체 상태와 수용액 상태에서 존재하는 입자들을 모두 이온으로 표현했으며, 고체 상태에서는 양이온과 음이온이 서로 붙어 있고, 수용액 상태에서는 서로 멀리 떨어져 있는 것으로 표현하였다. 29.4%의 학생들이 B 유형과 같이 염화나트륨이 고체 상태와 수용액 상태에서 모두 원자 상태로 존재한다고 응답하였다. 유형 D는 염화나트륨의 화학식을 그대로 쓴 것인데 이에 해당하는 학생들은 이온 결정에 대한 개념이 없거나 염화나트륨이 분자 상태로 존재한다고 생각하여 화학식을 있는 그대로 쓴 것으로 볼 수 있다.
- 셋째, 주어진 맥락에 따라 다른 입자 개념을 적용하는 학생들도 있었으며, 자신만의 입자 개념을 서로 다른 맥락에서 일관적으로 적용하는 학생들도 있었다. 동일한 학생이 작성한 답안을 비교하여 고체 상태와 수용액 상태일 때 각각의 전해질 입자 표현을 분석한 결과, 염화나트륨 전해질을 표현할 때 고체 상태와 수용액 상태에서의 염화나트륨을 언제나 이온으로 표현해야 함에도 불구하고 원자나 분자로 표현한 학생들이 있었다. 염화나트륨이 수용액 상태일 때를 표현한 답안과 탄산나트륨과 염화칼슘이 각각 수용액 상태로 있다가 서로 섞이면서 앙금 생성 반응을 할 때의 입자를 표현한 답안을 비교하였다.
- 둘째, 입자의 화학식과 몰수 비를 정확히 표현하는데 어려움을 느끼고 있는 학생들이 다수 있음을 알 수 있었다. 앙금 생성 반응 전(수용액 상태)과 앙금 생성 반응 후 (수용액 상태, 고체 앙금)의 입자 표현을 분석한 결과, 생성된 앙금의 표현, 입자의 화학식, 입자의 몰수 비를 모두 바르게 설명한 학생은 매우 적게 나타났다.
- 본 연구 결과를 통하여 학생들이 고체 상태와 수용액 상태일 때의 전해질과 서로 다른 전해질이 섞이면서 앙금 생성 반응을 하는 거시적인 상황을 미시적으로 표현할 때 다양한 입자를 가지고 설명하고 있음을 확인하였다. 과학적인 개념에 따른 표현이나 비과학적인 개념에 따른 표현이나 거시적인 상황을 미시적으로 표현할 때 대부분의 학생들이 일관적으로 설명하고 있음을 확인하였다.
- 셋째, 주어진 맥락에 따라 다른 입자 개념을 적용하는 학생들도 있었으며, 자신만의 입자 개념을 서로 다른 맥락에서 일관적으로 적용하는 학생들도 있었다. 동일한 학생이 작성한 답안을 비교하여 고체 상태와 수용액 상태일 때 각각의 전해질 입자 표현을 분석한 결과, 염화나트륨 전해질을 표현할 때 고체 상태와 수용액 상태에서의 염화나트륨을 언제나 이온으로 표현해야 함에도 불구하고 원자나 분자로 표현한 학생들이 있었다.
- 수용액 속의 입자를 이온으로 표현한 학생들(A 유형) 중, 이온의 화학식이나 전하량, 양이온과 음이온의 비율을 제대로 표현하지 못한 학생들은 Na2CO3 수용액과 CaCl2 수용액에서 각각 25명(41.0%)으로 나타났다. 수용액 속의 입자를 원자로 표현한 B 유형에 속하는 학생들은 Na2CO3 수용액과 CaCl2 수용액에서 각각 17명(27.
- 둘째, 입자의 화학식과 몰수 비를 정확히 표현하는데 어려움을 느끼고 있는 학생들이 다수 있음을 알 수 있었다. 앙금 생성 반응 전(수용액 상태)과 앙금 생성 반응 후 (수용액 상태, 고체 앙금)의 입자 표현을 분석한 결과, 생성된 앙금의 표현, 입자의 화학식, 입자의 몰수 비를 모두 바르게 설명한 학생은 매우 적게 나타났다. 따라서 학생들이 가지고 있는 비과학적 개념과 그 개념의 설명력을 좀 더 구체적으로 조사하고 분석하는 후속 연구가 필요하다고 여겨진다.
- )의 앙금이 생성된다. 앙금 생성 반응에서의 입자 표현을 분석한 결과, 학생들은 입자를 이온이나 원자의 형태로 표현하고 있음을 알 수 있었다. 이때 학생들의 입자에 대한 올바른 이해 정도를 파악하기 위하여 화학식과 이온의 전하량 표현, 입자의 몰수 비 표현도 추가로 분석하였다.
- 염화나트륨, 탄산나트륨과 염화칼슘 전해질이 수용액 상태일 때 입자를 표현한 내용을 비교해 본 결과 전체 학생의 78.7%에 해당하는 48명의 학생들이 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응을 설명할 때에 수용액에 존재하는 입자의 형태에 대해 일관적인 개념을 적용하고 있음을 알 수 있었다. 다만 21.
- 염화나트륨이 수용액 상태일 때를 표현한 답안과 탄산나트륨과 염화칼슘이 각각 수용액 상태로 있다가 서로 섞이면서 앙금 생성 반응을 할 때의 입자를 표현한 답안을 비교하였다. 이를 분석한 결과 전체 학생의 약 79%에 해당하는 학생들이 수용액 상태의 전해질에 존재하는 입자를 일관적으로 표현하고 있음을 알 수 있었다. 이를 통해 학생들이 수용액 상태의 전해질 속 입자가 이온이라고 과학적으로 표현하거나 원자나 분자 형태로 수용액 속에 존재한다고 비과학적으로 표현하는 방식이 전해질의 종류에 상관없이 일관적임을 알 수 있었다.
- 이를 분석한 결과 전체 학생의 약 79%에 해당하는 학생들이 수용액 상태의 전해질에 존재하는 입자를 일관적으로 표현하고 있음을 알 수 있었다. 이를 통해 학생들이 수용액 상태의 전해질 속 입자가 이온이라고 과학적으로 표현하거나 원자나 분자 형태로 수용액 속에 존재한다고 비과학적으로 표현하는 방식이 전해질의 종류에 상관없이 일관적임을 알 수 있었다.
- 연구 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다. 첫째, 서로 다른 맥락에서 과학적 개념을 일관성 있게 적용한 학생은 그리 많지 않았다. 전해질과 앙금 생성 반응을 설명할 때 수용액 상태에 존재하는 입자가 모두 이온이라는 과학적 개념을 가지고 있는 학생은 전체 학생의 57.
- 학생들은 수업 시간에 실험을 통해 전해질이 수용액 상태에서 전류가 흐르는 물질이라는 것과 서로 다른 이온이 만나 앙금을 생성할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 전해질과 비전해질의 차이, 고체 상태와 수용액 상태의 전해질, 이온화의 원리, 앙금 생성 반응에 대해 입자적 수준에서 이해할 수 있도록 다양한 교과서 삽화를 활용한 수업을 들었다.
후속연구
- 더불어 학생들이 가지고 있는 전해질과 관련된 거시적인 현상을 설명할 수 있는 비과학적 개념에 대한 구체적인 연구가 필요하다. 주어진 거시적인 현상에 일관적으로 비과학적 개념을 이용하여 설명하는데 어려움이 없기 때문에 학생들의 비과학적 개념을 수정하기 어렵다.
- 또한 비과학적 개념에 의한 입자 표현이더라도 거시적인 상황을 어느 정도 설명할 수 있기 때문에 유지되는 것이라 생각된다. 따라서 추후 학생들이 좀 더 관심을 가지고 집중해서 교과서 삽화를 보도록 하는 방안에 대한 연구가 필요하다. 다양한 종류의 전해질에 대해 매력적인 교과서 삽화를 개발하는 것이 필요하다.
- 주어진 거시적인 현상에 일관적으로 비과학적 개념을 이용하여 설명하는데 어려움이 없기 때문에 학생들의 비과학적 개념을 수정하기 어렵다. 따라서 학생들이 가지고 있는 다양한 비과학적 개념들이 어떤 거시적인 상황에 적용할 수 있는지 조사하고, 이에 해당하지 않는 상황을 적절하게 제시함으로써 과학적 개념을 갖도록 지도해야 할 것이다.
- 앙금 생성 반응 전(수용액 상태)과 앙금 생성 반응 후 (수용액 상태, 고체 앙금)의 입자 표현을 분석한 결과, 생성된 앙금의 표현, 입자의 화학식, 입자의 몰수 비를 모두 바르게 설명한 학생은 매우 적게 나타났다. 따라서 학생들이 가지고 있는 비과학적 개념과 그 개념의 설명력을 좀 더 구체적으로 조사하고 분석하는 후속 연구가 필요하다고 여겨진다.
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