중학교 과학 교과서에 기술된 끓는점 측정 방법 분석 및 개선점 제안 Analysis and Improvement for Method of Boiling Point Measurement described in Middle School Science Textbooks원문보기
2009 개정 7학년 과학 1 교과서에 제시된 끓는점 실험을 할 때 측정에 영향을 미치는 요인을 분석하였으며, 실험을 통해 교과서에 제시된 실험 방법의 오류를 확인한 후 이를 개선하기 위한 방안을 제안하였다. 2009 개정 7학년 과학 1 교과서 9종에 제시된 끓는점 측정 실험을 분석하여 끓는점에 영향을 미치는 요인을 찾아보았더니 온도계의 종류, 가열 도구, 마개 밀폐 여부, 온도계의 위치, 가열 용기의 모양, 물질과 가열용기의 부피비와 같은 6종류의 요인을 확인하였다. 물질의 끓는점을 측정하는 실험을 수행할 때, 둥근바닥 플라스크의 10%만 물질로 채운 후 MBL온도 센서를 가지 부근에 위치하게 하고, 마개를 막아 핫플레이트로 가열하는 것이 가장 효과적인 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 이를 토대로 2009 개정 7학년 과학 1 교과서 9종과 비교하였더니 대부분의 교과서에서 수정되어야 할 점이 많은 오류가 있음을 발견하였다. 따라서 끓는점 측정에 대한 학생들의 학습 이해도를 높이고 오개념을 방지하기 위해 과학 1 교과서에 제시되어 있는 실험들이 보다 정확하게 개선되어야 할 것이다.
2009 개정 7학년 과학 1 교과서에 제시된 끓는점 실험을 할 때 측정에 영향을 미치는 요인을 분석하였으며, 실험을 통해 교과서에 제시된 실험 방법의 오류를 확인한 후 이를 개선하기 위한 방안을 제안하였다. 2009 개정 7학년 과학 1 교과서 9종에 제시된 끓는점 측정 실험을 분석하여 끓는점에 영향을 미치는 요인을 찾아보았더니 온도계의 종류, 가열 도구, 마개 밀폐 여부, 온도계의 위치, 가열 용기의 모양, 물질과 가열용기의 부피비와 같은 6종류의 요인을 확인하였다. 물질의 끓는점을 측정하는 실험을 수행할 때, 둥근바닥 플라스크의 10%만 물질로 채운 후 MBL 온도 센서를 가지 부근에 위치하게 하고, 마개를 막아 핫플레이트로 가열하는 것이 가장 효과적인 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 이를 토대로 2009 개정 7학년 과학 1 교과서 9종과 비교하였더니 대부분의 교과서에서 수정되어야 할 점이 많은 오류가 있음을 발견하였다. 따라서 끓는점 측정에 대한 학생들의 학습 이해도를 높이고 오개념을 방지하기 위해 과학 1 교과서에 제시되어 있는 실험들이 보다 정확하게 개선되어야 할 것이다.
We have analyzed affecting factors of boiling point measurement and proposed to improve these after identifying errors of boiling point experiment in 7th grade science textbooks of 2009 revised curriculum. In the result of analyzing affecting factor of boiling point measurement for nine kinds of sci...
We have analyzed affecting factors of boiling point measurement and proposed to improve these after identifying errors of boiling point experiment in 7th grade science textbooks of 2009 revised curriculum. In the result of analyzing affecting factor of boiling point measurement for nine kinds of science textbooks, we have identified six affecting factors like as types of thermometer, heating instrument, sealing or not of stopper, position of thermometer, shape of container, and volume ratio of material and container. When performing experiment of boiling point measurement, we identified the best results when heating with a hot plate, positioning thermo sensor of MBL near neck branch after filling and sopping 10% volumes of material in round bottom flask. Based on this result, we have compared nine kinds of 7th grade science textbooks and found many errors that must be corrected in most of textbooks. Therefore it should be improved the experiment of science textbooks to enhance the understanding of students and to prevent from misconceptions for boiling point measurement.
We have analyzed affecting factors of boiling point measurement and proposed to improve these after identifying errors of boiling point experiment in 7th grade science textbooks of 2009 revised curriculum. In the result of analyzing affecting factor of boiling point measurement for nine kinds of science textbooks, we have identified six affecting factors like as types of thermometer, heating instrument, sealing or not of stopper, position of thermometer, shape of container, and volume ratio of material and container. When performing experiment of boiling point measurement, we identified the best results when heating with a hot plate, positioning thermo sensor of MBL near neck branch after filling and sopping 10% volumes of material in round bottom flask. Based on this result, we have compared nine kinds of 7th grade science textbooks and found many errors that must be corrected in most of textbooks. Therefore it should be improved the experiment of science textbooks to enhance the understanding of students and to prevent from misconceptions for boiling point measurement.
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문제 정의
이 중에서 가열 용기의 크기와 실험 물질의 양의 경우 해당 조합이 너무 많기 때문에 이두 변인을 용기의 부피비로 통합하여 이를 조작, 측정하였다. 따라서 위의 6가지 변인을 한 가지씩 조작하여 실험을 통해 이론값과 차이가 나는 요인으로 판명되면 버리고 이후 실험에서 앞선 결과 중 최선의 방법으로 통일시킴으로써 실험의 복잡성을 줄이고자 하였다. 조작변인 외의 나머지 조건을 통제하여 다른 요인이 측정값에 미치는 영향을 최소화 하였으며 사전 실험 결과 에탄올의 경우 물중탕으로 인한 시간이 오래 걸리고, 에탄올 증기로 인해 실험실 환경오염 및 학생들의 건강에도 유해하다고 판단하여 실험 물질로는 각 학교에서 쉽게 구할 수 있는 수돗물을 이용하여 실험을 수행하였다.
본 연구는 2009 개정 교육과정 7학년 과학 교과서 9종 중 끓는점 측정과 관련된 단원의 이론과 실험을 분석하고, 끓는점 측정에 영향을 미치는 요인을 분석하여 실제 현장에서 준비 가능한 실험기구 들을 이용해 실험을 수행함으로써 이론값에 가까운 결과가 나타나는 실험 방법을 찾아보고자 한다 (Herron & Nurrenbern, 1999). 또한 이를 교과서와 대조함으로써 교과서에 제시된 실험 방법의 오류를 확인하고 개선하고자 한다.
본 연구는 2009 개정 교육과정 7학년 과학 교과서 9종 중 끓는점 측정과 관련된 단원의 이론과 실험을 분석하고, 끓는점 측정에 영향을 미치는 요인을 분석하여 실제 현장에서 준비 가능한 실험기구 들을 이용해 실험을 수행함으로써 이론값에 가까운 결과가 나타나는 실험 방법을 찾아보고자 한다 (Herron & Nurrenbern, 1999).
제안 방법
2009 개정 교육과정에 따른 9종의 7학년 과학1 교과서 물질 단원의 끓는점 측정 관련 실험을 분석한 후, 교과서에서 제시하는 방법을 항목별로 정리하였다. 7학년 과학 교과서 9종에서 제시하는 끓는점 측정 실험을 분석한 후 실험을 수행하여 끓는점에 영향을 미치는 요인을 선정한 후, 요인들을 변화시켜가면서 실험을 수행하여 이론값에 가까운 끓는점 측정 실험 방법을 모색하였다.
2009 개정 교육과정에 따른 9종의 7학년 과학1 교과서 물질 단원의 끓는점 측정 관련 실험을 분석한 후, 교과서에서 제시하는 방법을 항목별로 정리하였다. 7학년 과학 교과서 9종에서 제시하는 끓는점 측정 실험을 분석한 후 실험을 수행하여 끓는점에 영향을 미치는 요인을 선정한 후, 요인들을 변화시켜가면서 실험을 수행하여 이론값에 가까운 끓는점 측정 실험 방법을 모색하였다. 실제 학교에서 실험을 수행하는데 도움을 주기 위한 연구이므로 최대한 일선 학교에서 수업시간 중에 실험을 끝마칠 수 있는 조건들을 고려하여 최적의 방법을 모색한 후, 이를 실제 교과서와 비교하여 교과서에 제시된 실험의 문제점을 확인하였다.
과학 교과서 9종 분석을 바탕으로 끓는점 측정에 영향을 미치는 요인으로는 온도계의 종류, 가열도구, 밀폐여부, 온도계의 위치, 가열 용기의 모양, 가열 용기의 크기, 가열하는 실험 물질의 양을 선정하였다. 이 중에서 가열 용기의 크기와 실험 물질의 양의 경우 해당 조합이 너무 많기 때문에 이두 변인을 용기의 부피비로 통합하여 이를 조작, 측정하였다.
과학 교과서에 등장하는 끓는점 측정 실험에 큰 영향을 미치는 요소로는 압력이 있는데 대부분의 실험실 상황에서 압력을 조절하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 이를 조작변인으로 설정하지 않고 실험 당시의 기압을 측정하여 이에 부합하는 끓는점의 이론값(Clausius-Clapeyron 식에 대입)을 계산하여 측정된 측정값과 비교하였다. 또한 끓는점은 온도가 1분 이상 일정하게 유지될 때 끓는점으로 판명하였다.
과학 교과서의 물질 단원에서 끓는점 측정 실험이 기술된 부분을 온도계의 종류, 가열도구, 플라스크의 밀폐 여부, 온도계의 위치, 가열용기의 종류, 실험물질 및 양의 요인으로 분석하였다. 또한 최적의 끓는점 측정 실험 방법을 제안하기 위해 과서 용인에 따라 실험을 수행하여 문제점에 대한 자료를 수집하였다.
, 1934; Simmons, 1947). 그러나 이 두 온도계의 경우 충전재가 액체로 구성되어 있어 메니스커스가 존재하고 이 또한 오차의 원인이 되므로 앞으로 실험을 수행할 때 알코올 온도계와 수은 온도계를 배제하고 MBL 온도 센서(또는 디지털 온도계)을 이용하여 측정하였다(Ongley, et. al., 2008).
대부분 교과서에 등장하는 끓는점 측정 실험 방법이 비슷하게 제시되어 있음을 확인할 수 있다. 대다수의 학생과 교사들은 교과서에 제시된 내용이나 사진 자료를 참고하여 실험을 수행하게 되는데 구체적으로 실험 과정이 제시된 교과서도 있으나 실험기구가 장치된 사진을 제시하고 과정 자체는 간단히 서술된 교과서도 있어 이와 같은 경우에는 사진을 참고하여 실험 방법을 분석하였다.
또한 끓는점 그래프가 수평을 이루지 않고 끊임없이 변동하므로 정확한 끓는점을 측정하기 어려운 점을 지적하고 있다. 따라서 중탕 대신 직화로 가열하고, 50mL 둥근 바닥 플라스크와 소형 냉각기가 연결된 일체형 끓는점 측정 장치의 사용을 제안하였다.
과학 교과서의 물질 단원에서 끓는점 측정 실험이 기술된 부분을 온도계의 종류, 가열도구, 플라스크의 밀폐 여부, 온도계의 위치, 가열용기의 종류, 실험물질 및 양의 요인으로 분석하였다. 또한 최적의 끓는점 측정 실험 방법을 제안하기 위해 과서 용인에 따라 실험을 수행하여 문제점에 대한 자료를 수집하였다. 이에 분석을 근거로 하여 최적의 끓는점 실험에 대한 장치로 제안한 후 교과서 실험과 비교하고 분석하였다.
7학년 과학 교과서 9종에서 제시하는 끓는점 측정 실험을 분석한 후 실험을 수행하여 끓는점에 영향을 미치는 요인을 선정한 후, 요인들을 변화시켜가면서 실험을 수행하여 이론값에 가까운 끓는점 측정 실험 방법을 모색하였다. 실제 학교에서 실험을 수행하는데 도움을 주기 위한 연구이므로 최대한 일선 학교에서 수업시간 중에 실험을 끝마칠 수 있는 조건들을 고려하여 최적의 방법을 모색한 후, 이를 실제 교과서와 비교하여 교과서에 제시된 실험의 문제점을 확인하였다.
과학 교과서 9종 분석을 바탕으로 끓는점 측정에 영향을 미치는 요인으로는 온도계의 종류, 가열도구, 밀폐여부, 온도계의 위치, 가열 용기의 모양, 가열 용기의 크기, 가열하는 실험 물질의 양을 선정하였다. 이 중에서 가열 용기의 크기와 실험 물질의 양의 경우 해당 조합이 너무 많기 때문에 이두 변인을 용기의 부피비로 통합하여 이를 조작, 측정하였다. 따라서 위의 6가지 변인을 한 가지씩 조작하여 실험을 통해 이론값과 차이가 나는 요인으로 판명되면 버리고 이후 실험에서 앞선 결과 중 최선의 방법으로 통일시킴으로써 실험의 복잡성을 줄이고자 하였다.
또한 최적의 끓는점 측정 실험 방법을 제안하기 위해 과서 용인에 따라 실험을 수행하여 문제점에 대한 자료를 수집하였다. 이에 분석을 근거로 하여 최적의 끓는점 실험에 대한 장치로 제안한 후 교과서 실험과 비교하고 분석하였다.
따라서 위의 6가지 변인을 한 가지씩 조작하여 실험을 통해 이론값과 차이가 나는 요인으로 판명되면 버리고 이후 실험에서 앞선 결과 중 최선의 방법으로 통일시킴으로써 실험의 복잡성을 줄이고자 하였다. 조작변인 외의 나머지 조건을 통제하여 다른 요인이 측정값에 미치는 영향을 최소화 하였으며 사전 실험 결과 에탄올의 경우 물중탕으로 인한 시간이 오래 걸리고, 에탄올 증기로 인해 실험실 환경오염 및 학생들의 건강에도 유해하다고 판단하여 실험 물질로는 각 학교에서 쉽게 구할 수 있는 수돗물을 이용하여 실험을 수행하였다.
대상 데이터
9종 교과서 중 2종(D, F)은 비커를 사용하였고 2종(A, C)은 시험관을 사용하였다. 비커의 경우 실험실에서 가장 많이 사용하기는 하지만 밀폐시키기 어려워 정확한 끓는점을 측정할 수 없고, 시험관의경우 물중탕용으로는 적합하나 직접 가열을 하기에는 열을 받게 되는 면적이 적어 가열하는데 시간이 오래 걸린다.
9종 교과서 중 단 1종에서만 핫플레이트를 사용 하였고 나머지 8종에서는 알코올램프를 사용하였다. 이는 측정값에 큰 영향을 미치지는 않지만 시간의 경제성 및 안정적인 가열유도, 무엇보다 실험시 안전을 위해 가능한 핫플레이트를 사용하는 것이 좋다.
성능/효과
이는 액체의 끓는점보다 열원과의 거리 때문에 끓는점 이상의 온도가 측정된 것으로 생각된다. 결과적으로 액체 내부와 가지 부근의 이론값과 실제 측정 값을 비교한 결과 액체 내부보다는 가지 부근에서 측정한 값이 이론값에 훨씬 가깝다는 결론을 내릴수 있다. 액체가 더 많은 열을 받아 기체로의 상태가 변화되었기 때문에 액체의 경우는 아직 끓지 않은 상태이다.
둥근바닥 플라스크와 삼각 플라스크의 경우 모두 가열하는 동안 안정적으로 온도가 상승하였으며 끓는점 구간도 큰 변화 없이 일정하게 나타났다(그림 4). 그러나 80℃ 이후부터 끓는점이 나타나는 구간까지 걸린 시간도 크게 차이나지 않았다.
1%이며 기존 실험 활동과 비교했을 때 집중도가 높다고 응답하였다. 따라서 MBL을 과학 수업에 도입하면 학생들의 학습 동기를 높일 수 있고, 실험 시간이 짧게 걸리는 장점을 이용해 개념이해 및 토론에 많은 시간을 할애함으로써 실험 결과 분석력이 증가할 것이라고 판단하였다.
측정값의 안정적인 재현성 또한 중요한데 10%의 경우 거의 일정한 값을 나타내고 있다. 따라서 시간과 실험값의 정확성, 재현성을 모두 고려할 때 용기와 액체의 부피비가 10%정도 일 때, 최적의 결과를 나타낸다고 생각할 수 있다.
끓는점 측정값을 이론값과 비교해 봤을 때 둥근바닥 플라스크가 비교적 오차가 작게 나타났다. 또한 용기의 구조적인 측면에서 봤을 때 삼각플라스크는 바닥이 편평하여 안정적이고 실험장치가 간편하다는 장점이 있긴 하지만, 대류로 인한 열전달이 고르게 일어날 수 있는 둥근바닥 플라스크가 본 실험과 같이 액체를 가열하는 경우 보다 더 정확하고 재현성 있는 결과를 얻을 수 있다.
마개의 경우 끓는점에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 따라서 실험할 때 마개를 밀폐하는 것이 보다 정확한 값을 측정하는데 도움이 되었다.
물질과 용기의 부피비가 10%～90%의 다섯 가지 경우 모두 안정적으로 온도가 증가하였고 끓는점도 일정하게 나타났으나, 용기를 채운 물질의 양이 적을수록 끓는점까지 도달하는데 소요되는 시간이 평균적으로 짧게 나타났다(그림 5). 이를 바탕으로 중학교 수업시간이 45분임을 감안할 때 실험 설계 및 수행, 결과 수집부터 정리까지 수업 중에 끝내기 위해서는 최대한 실험 수행 시간이 짧게 하기 위해 용액의 양은 최소로 하면서 시간을 더욱 단축시키고 또한 차가운 용액을 가열하는 것보다 어느 정도 온도가 높은 용액을 학생들에게 제공하는 것이 실험에 더 효율적일 수 있다.
실험 데이터를 비교해보면 두 실험 모두 측정 중 온도가 증가하다가 감소하는 미세한 변화를 보이게 되는데 이러한 편차가 알코올램프의 경우 더 크게 나타났다. 알코올램프의 경우 불꽃이 바람에 흔들리거나 알코올램프의 높이에 따라 화력의 차이가 크게 나타나는데, 핫플레이트의 경우 알코올램프보다 안정적으로 실험을 수행할 수 있었다.
또한 제대로 밀폐가 안돼서인지 물이 끓기도 전에 많은 양의 물이 기화되어 사라지는 양상을 보였다. 실험실에서는 비커를 주로 사용하지만 보다 정확한 끓는점을 측정하기 위해서는 비커를 사용하지 않는 것이 좋다는 결론을 내리게 되었다.
실험 데이터를 비교해보면 두 실험 모두 측정 중 온도가 증가하다가 감소하는 미세한 변화를 보이게 되는데 이러한 편차가 알코올램프의 경우 더 크게 나타났다. 알코올램프의 경우 불꽃이 바람에 흔들리거나 알코올램프의 높이에 따라 화력의 차이가 크게 나타나는데, 핫플레이트의 경우 알코올램프보다 안정적으로 실험을 수행할 수 있었다. 다만 고온이 지속되면 중간에 퓨즈가 작동하여 가열이 일정 시간 멈추는 경우가 나타나지만 데이터 상에서 온도가 크게 변동되지 않았다.
물질과 용기의 부피비가 10%～90%의 다섯 가지 경우 모두 안정적으로 온도가 증가하였고 끓는점도 일정하게 나타났으나, 용기를 채운 물질의 양이 적을수록 끓는점까지 도달하는데 소요되는 시간이 평균적으로 짧게 나타났다(그림 5). 이를 바탕으로 중학교 수업시간이 45분임을 감안할 때 실험 설계 및 수행, 결과 수집부터 정리까지 수업 중에 끝내기 위해서는 최대한 실험 수행 시간이 짧게 하기 위해 용액의 양은 최소로 하면서 시간을 더욱 단축시키고 또한 차가운 용액을 가열하는 것보다 어느 정도 온도가 높은 용액을 학생들에게 제공하는 것이 실험에 더 효율적일 수 있다.
후속연구
끓는점 측정값에 가장 큰 영향을 미치는 것은 용기 입구의 밀폐 여부였는데 2종(D, F)은 입구를 개방하고 나머지 7종의 교과서는 밀폐 후 실험을 수행하도록 안내하고 있다. 게다가 밀폐하지 않은 2종(D, F)의 경우 용기로 비커를 사용하고 있으므로 결과가 이론값에 훨씬 못 미치고 가열곡선 또한 들쑥날쑥한 경향을 보일 것은 자명한 일이므로 이 두 교과서의 경우 실험 방법의 개선이 반드시 필요할 것으로 생각된다.
실제 수업에서 이런 일이 발생한다면 학생들에게는 이론과 실제 사이의 차이로 인해 인지부조화를 일으킬 수 있고, 교과서를 신뢰하는데 어려움이 있을 것이다. 또한 교사에게는 여러 가지 업무와 수업준비로 인해 실험을 준비하는 것도 어려운데 실험 결과마저 이론과 다르게 나타난다면 실험실 활용에도 도움이 되지 않을 것이므로 유의미한 교수․학습을 위해 필히 개선되어야 할 것이다.
이는 알코올 온도계가 학교 현장에서 쉽게 구할 수 있기 때문으로 생각되지만 관측자에 따라 오차의 원인이 될 수 있으므로 가능하다면 MBL이나 디지털 온도계를 사용하는 것이 보다 안정적이며 재현성 있는 측정값을 나타낼 것으로 생각된다. 또한 온도 측정에 걸리는 시간을 절약함으로써 결과 토의, 정리에 더 많은 시간을 투자할 수 있게 되므로 MBL을 사용하는 것이 보다 유익할 것이다.
9종 과학 교과서 중 가장 적은 부피비(B)가 20%였으며 이밖에 8종이 물질과 가열용기의 부피비가 30%가 넘었다. 이는 실험 수행 시간을 증가시킬 뿐만 아니라 이론값과의 오차, 측정값의 재현성에도 영향을 미칠 수 있으므로 여러 가지 요인을 고려할 때, 현재 제시된 물질의 양보다 적은 양으로 실험 방법을 안내한다면 수업시간 내에 보다 이론값에 가까운 실험을 수행할 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수업시간에 끓는점 측정 실험을 통해 학생들이 겪는 현상은?
그러나 막상 수업시간에 끓는점 측정 실험을 실시해보니 모든 모둠이 이론값과 다른 결과 값을 나타내었다. 학생들은 평소 자신이 알고 있던 물의 끓는점과 실제 측정한 결과가 다르게 나왔을 때 저마다 다양한 추측을 하면서 인지부조화를 겪었다(신혜승, 1995; 신동로, 이강님, 2005). 대다수의 학생 들은 이와 같은 실험 결과를 단순한 자신의 조작 실수이거나 온도계의 눈금을 읽을 때 메니스커스로 인한 오차로 여기고 여전히 인지구조 속에는 이론 값만 인식한 채 넘어간다.
과학을 학습함에 있어서도 중요한 방법 중 하나는?
학교현장에서 수업을 진행함에 있어서 교사의 획일적인 강의식 수업보다 학생이 주도적으로 참여하는 것을 강조하고 있다(팽애진, 백성혜, 2005; 최혜정, 정진수, 김상호, 2015). 과학을 학습함에 있어서도 중요한 방법 중 하나는 교과서에 제시된 이론을 가지고 실제로 실험을 수행하여 확인하는 것이다. 과학실험은 종합적인 사고력과 과정적인 지식을 가르치는데 있어서 중요한 가치를 지니며, 학생 들의 탐구 능력 향상과 과학적 태도 배양에 중요한 역할을 하고 있다(김성실, 2013; 황찬숙, 2014).
과학 교과서 9종 분석을 바탕으로 끓는점 측정에 영향을 미치는 요인은?
과학 교과서 9종 분석을 바탕으로 끓는점 측정에 영향을 미치는 요인으로는 온도계의 종류, 가열도구, 밀폐여부, 온도계의 위치, 가열 용기의 모양, 가열 용기의 크기, 가열하는 실험 물질의 양을 선정하였다. 이 중에서 가열 용기의 크기와 실험 물질의 양의 경우 해당 조합이 너무 많기 때문에 이두 변인을 용기의 부피비로 통합하여 이를 조작, 측정하였다.
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