선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 특히 고등학생들의 개념 이해나 오개념 형성은 교사들의 개념 이해와도 밀접한 관련이 있으므로 예비 교사 교육에서 올바른 과학적 개념을 갖도록 하는 것이 중요하다. 그러므로 본 연구에서는 퍼텐셜 에너지 곡선을 이용한 개념 질문지를 사용하여 예비 화학 교사들의 퍼텐셜 에너지 곡선에 대한 이해 정도를 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 본 조사 결과 얻은 개념 질문지의 선택형 물음에 대한 응답은 답지별 백분율로 제시하였다. 서술형 물음의 응답은 각 문항별로 그 응답을 유목화하고 각 유목별 응답 백분율을 제시하였다.
- 본 조사 결과 얻은 개념 질문지의 선택형 물음에 대한 응답은 답지별 백분율로 제시하였다. 서술형 물음의 응답은 각 문항별로 그 응답을 유목화하고 각 유목별 응답 백분율을 제시하였다. 응답의 유목화는 연구자 중의 한 명이 1차 작업을 하고, 그 결과를 연구자들과 다른 화학교육전공 대학원생 3명이 함께 검토하면서 수정 보완하였다.
- 대문항 4는 고전 역학과 양자 역학의 차이에 대한 질문이다. 완성된 개념 질문지는 화학교육전공 대학원생 3명을 대상으로 예비 조사를 하면서 문장의 이해 정도와 문항의 타당성을 점검하였다.
- 서술형 물음의 응답은 각 문항별로 그 응답을 유목화하고 각 유목별 응답 백분율을 제시하였다. 응답의 유목화는 연구자 중의 한 명이 1차 작업을 하고, 그 결과를 연구자들과 다른 화학교육전공 대학원생 3명이 함께 검토하면서 수정 보완하였다.
- 이 상상실험에서는 지름 1 cm의 구슬을 사용하여 두 구슬의 움직임에 대해 고전 역학을 적용할 수 있도록 하였다. 화학 결합이나 기체의 응축은 원자나 분자의 수준이므로 엄밀하게 따지면 양자 역학을 적용해야 하지만, 기체 분자 운동론과 같이 경우에 따라서는 기체 분자의 움직임을 고전 역학으로 설명하기도 한다.
- 최소 접근 거리로 C점을 택한 1명의 응답자도 그 이후의 움직임에 대해서는 D점에서 멈춘다고 응답하여 역학적 에너지 보존 개념의 적용에 일관성이 없었다. 즉, 이 응답자는 E점, D점, C점에서의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지 값을 역학적 에너지 보존을 이용해서 정확하게 기술하였고, 최소 접근 거리로 C점을 선택한 것도 다음과 같이 언급하여 역학적 에너지 보존 개념을 잘 적용하였다.，'처음 구슬이 움직 일 때 E점에 있었으므로 퍼텐셜 에너지-100 J을 가지고 있었다.
- 퍼텐셜 에너지 곡선에 대한 개념 질문지는 선행 연구를 참고하여 연구자들이 제작하였다. 전체 4개의 대문항으로 구성하였으며, 대문항 1번은 6개의 소문항, 대문항 3번은 4개의 소문항을 포함하고 있다.
- 퍼텐셜 에너지 곡선에 대한 예비 화학 교사들의 이해 정도를 알아보기 위하여 퍼텐셜 에너지 곡선을 이용한 개념 질문지를 제작하여 사용하였다. 개념 질문지 조사대상은 대도시 소재 한 대학교의 사범대학 화학교육전공 3학년 학생 24명과 4학년 학생 26명으로 총 50명이었다.
대상 데이터
- 퍼텐셜 에너지 곡선에 대한 예비 화학 교사들의 이해 정도를 알아보기 위하여 퍼텐셜 에너지 곡선을 이용한 개념 질문지를 제작하여 사용하였다. 개념 질문지 조사대상은 대도시 소재 한 대학교의 사범대학 화학교육전공 3학년 학생 24명과 4학년 학생 26명으로 총 50명이었다. 연구 대상자는 모두 대학에서 일반화학, 화학열역학, 양자화학을 수강하였다.
- 개념 질문지 조사대상은 대도시 소재 한 대학교의 사범대학 화학교육전공 3학년 학생 24명과 4학년 학생 26명으로 총 50명이었다. 연구 대상자는 모두 대학에서 일반화학, 화학열역학, 양자화학을 수강하였다.
성능/효과
- 운동에너지를 100 J로 응답한 30%의 경우는 전체 역학적 에너지가 음의 값을 가지면 안 된다는 오개념에 기인한 것으로 볼 수 있다.22 즉, 전체 응답자의 30%는 퍼텐셜 에너지가 -100J로 음의 값을 가지는 것은 수용하였지만 운동에너지를 100 J로 응답하여 전체 에너지가 음의 값을 가지는 것은 수용하지 않았음을 알 수 있다. 운동 에너지를 -100 J이라고 응답한 한 응답자는 총 에너지 합이 -200 J이 되어야 한다고 기술했는데, 그 이후 문항 1-(3)에서도 D점은 운동 에너지 0, 퍼텐셜 에너지 -200 J, 문항 1-(5)에서도 B점은 운동 에너지 -200 J, 퍼텐셜 에너지 0이라고 응답하였다.
- 그러므로 두 구슬이 서로 접근할 때나 다시 멀어질 때도 모두 역학적 에너지 보존을 적용하지 못하는 응답자가 많음을 알 수 있다. 결과적으로 극히 일부를 제외한 대부분의 예비 화학 교사들은 두 구슬이 가진 전체 에너지를 고려하지 못하고, 역학적 에너지 보존 자체는 알고 있지만 이 상상실험의 상황에 제대로 적용하지 못하는 것으로 나타났다.
- 넷째, 예비 화학 교사들은 두 구슬이 가진 에너지와 퍼텐셜 에너지 곡선의 우물 깊이를 비교하여 두 구슬이 진동 운동을 하거나 또는 완전히 멀어질 수 있음을 잘 알지 못하였다. 그러므로 두 구슬을 이용한 상상실험을 화학결합이나 기체의 액화와 연관하여 제대로 설명하지 못하였다.
- 둘째, 예비 화학 교사들은 특정 거리에 있는 두 구슬 사이에 작용하는 힘의 방향은 퍼텐셜 에너지 곡선을 이용하여 잘 아는 것으로 나타났으나 그 이유에 대해서는 명확하게 설명하지 못하였다. 즉, 두 구슬 사이에 작용하는 힘의 방향은 퍼텐셜 에너지 곡선의 최저점을 기준으로 인력과 반발력이 작용하는 것을 알고 있었으나, 그 이유를 퍼텐셜 에너지 곡선의 기울기를 이용하여 명확하게 설명한 예비 화학 교사는 10%로 적었다.
- 같은 전하를 띤 물체의 거리가 가까워졌을 때는 70% 이상의 학생들이 퍼텐셜 에너지가 높아진다고 옳게 대답했지만, 반대 전하를 띤 두 물체의 거리가 멀어졌을 때는 옳게 대답한 학생들이 45% 이하였다. 또한 만유인력과 관련하여 질량을 가진 두 물체의 거리에 따른 퍼텐셜 에너지 변화와 지구 주위를 타원 궤도로 돌고 있는 인공위성과 지구와의 거리에 따른 퍼텐셜 에너지 변화를 물어 본 결과 둘 다 옳게 대답한 학생은 22%밖에 되지 않았고, 40%의 학생들은 두 물음에 대해 일관성 없는 대답을 하였다. 따라서 많은 학생들이 퍼텐셜 에너지 개념을 제대로 이해하고 있지 못하며, 같은 문제라도 상황에 따라 다르게 응답함을 알 수 있다.
- 퍼텐셜 에너지 값은 퍼텐셜 에너지 곡선에서 그 수치를 읽기만 하면 되는데도 66%만 -100 J로 제대로 응답하였고, 28%가 그 절댓값인 +100 J로 응답하였다. 또한 전체 역학적 에너지 값이 음의 값을 갖는 것에 대해서도 상당한 거부감을 느끼는 것으로 드러났다. 초기 조건에서 두 구슬이 정지해 있으므로 두 구슬의 운동 에너지는 0인데, 이에 대한 정답률은 16%밖에 되지 않았다.
- 이들은 앞의 문항 3-(1), (2), (3)에서도 완전하지는 않지만 대체로 옳은 응답을 했던 응답자들이다. 온도가 낮아지면 운동 에너지가 감소하여 입자간 거리가 줄어들어 액화가 일어난다는 응답이 20%였고, 운동 에너지가 감소하여 입자간 거리가 줄어들어 퍼텐셜 에너지가 감소하여 액화한다는 응답도 12% 있었다. 그런데 온도가 낮아지면 운동 에너지가 감소하므로 역학적 에너지 보존에 의해 퍼텐셜 에너지가 증가한다는 잘못된 응답이 30%나 되었다.
- 응답자의 대부분은 온도가 낮아지면 운동 에너지가 감소하는 것을 알고 있었다. 그러나 온도가 낮아지면 운동에너지가 감소하게 되어 퍼텐셜 에너지 곡선의 우물에 갇히게 되어 액화한다고 명확하게 서술한 응답은 4%밖에 되지 않았다.
- 둘째, 예비 화학 교사들은 특정 거리에 있는 두 구슬 사이에 작용하는 힘의 방향은 퍼텐셜 에너지 곡선을 이용하여 잘 아는 것으로 나타났으나 그 이유에 대해서는 명확하게 설명하지 못하였다. 즉, 두 구슬 사이에 작용하는 힘의 방향은 퍼텐셜 에너지 곡선의 최저점을 기준으로 인력과 반발력이 작용하는 것을 알고 있었으나, 그 이유를 퍼텐셜 에너지 곡선의 기울기를 이용하여 명확하게 설명한 예비 화학 교사는 10%로 적었다. 그러므로 퍼텐셜 에너지 곡선 설명에서 인력과 반발력이 작용하는 구간만 명시할 것이 아니라 그것이 퍼텐셜 에너지 곡선의 기울기 때문에 나누어진 것이라는 설명도 덧붙일 필요가 있다.
- 첫째, 예비 화학 교사들은 퍼텐셜 에너지가 음의 값을 가질 수 있음에 대해 의아해 하는 것으로 드러났다. 퍼텐셜 에너지 값은 퍼텐셜 에너지 곡선에서 그 수치를 읽기만 하면 되는데도 66%만 -100 J로 제대로 응답하였고, 28%가 그 절댓값인 +100 J로 응답하였다.
후속연구
- 퍼텐셜 에너지 곡선이 주어졌을 때 두 구슬의 운동에 역학적 에너지 보존을 적용한다거나, 그 결과 두 구슬의 운동을 예측한다거나, 또한 이러한 상상실험이 화학 결합이나 기체의 액화, 분자의 진동 운동과 연관된다든지 하는 것은 어떤 새로운 개념을 터득하는 것이라기보다는 이미 알고 있는 지식을 서로 연관시키는 것에 해당한다. 그러므로 본 연구에서 사용한 개념 질문지의 상상실험을 활용한다면 퍼텐셜 에너지 곡선에 대한 이해를 증진시키고, 이와 관련되는 지식들을 서로 연관시킬 수 있는 기회를 제공할 수 있을 것이다.
- 다섯째, 예비 화학 교사들은 두 구슬을 이용한 상상실험에서 구슬대신 원자를 사용한다면 원자의 움직임을 고전역학으로 설명할 수 없음을 깨닫지 못하였다. 지름1cm의 구슬을 사용하는 경우는 초기 조건이 주어지면 고전역학으로 그 움직임을 예측할 수 있지만, 원자의 경우에는 불확정성 원리로 인해 원자가 움직이는 궤적을 알 수 없게 됨을 생각하지 못한 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.