2009 개정 교육과정에 따른 교과서에서 이온 화합물의 설명 개념과 모형 및 학생 이해도 분석 An Analysis of Concept Description and Model and Student Understanding About Ionic Compound in Textbooks Developed Under the 2009 Revised National Curriculum원문보기
이 연구에서는 2009 개정 교육과정에 따른 교과서에서 제시하고 있는 이온 화합물의 설명 개념과 모형을 분석하고, 학생들이 이온 화합물에 대해 어떻게 이해하고 있는지 설문 검사하였다. 교과서 분석은 중학교 과학2 교과서 9종과 고등학교 화학 I과 화학 II 교과서 4종을 대상으로 하였고, 설문 검사는 중학교 2학년, 고등학교 1~3학년 학생 194명을 대상으로 실시하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 교과서 내용 분석 결과, 이온 화합물을 설명할 때 사용한 과학적 개념과 이를 표현하는 모형은 교과서 마다 차이가 있었다. 이온 화합물의 정의에서는 정전기적 인력, 강한 결합, 규칙적 배열, 결합비의 개념 중 몇 가지를, 이온 화합물의 성질에서는 녹는점, 부서짐, 용해, 전기 전도성 중 몇 가지를 선택적으로 제시하였다. 또한 설명 없이 모형만 제시하거나 설명만 하고 모형은 제시하지 않은 경우도 있었다. 이러한 차이는 중학교 과학2 교과서에서와 같이 이온 화합물에 대한 별도의 성취기준이 없는 경우와 결합비나 용해와 같이 학년별로 동일한 개념을 반복하여 다룰 때 더 크게 나타났다. 둘째, 이온 화합물에 대한 학생 설문 분석 결과, 이온의 형성 과정과 결합비를 설명할 때 과학적 개념을 잘 적용하지 못하였고 모형으로 표현하는 것을 어려워하였다.
이 연구에서는 2009 개정 교육과정에 따른 교과서에서 제시하고 있는 이온 화합물의 설명 개념과 모형을 분석하고, 학생들이 이온 화합물에 대해 어떻게 이해하고 있는지 설문 검사하였다. 교과서 분석은 중학교 과학2 교과서 9종과 고등학교 화학 I과 화학 II 교과서 4종을 대상으로 하였고, 설문 검사는 중학교 2학년, 고등학교 1~3학년 학생 194명을 대상으로 실시하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 교과서 내용 분석 결과, 이온 화합물을 설명할 때 사용한 과학적 개념과 이를 표현하는 모형은 교과서 마다 차이가 있었다. 이온 화합물의 정의에서는 정전기적 인력, 강한 결합, 규칙적 배열, 결합비의 개념 중 몇 가지를, 이온 화합물의 성질에서는 녹는점, 부서짐, 용해, 전기 전도성 중 몇 가지를 선택적으로 제시하였다. 또한 설명 없이 모형만 제시하거나 설명만 하고 모형은 제시하지 않은 경우도 있었다. 이러한 차이는 중학교 과학2 교과서에서와 같이 이온 화합물에 대한 별도의 성취기준이 없는 경우와 결합비나 용해와 같이 학년별로 동일한 개념을 반복하여 다룰 때 더 크게 나타났다. 둘째, 이온 화합물에 대한 학생 설문 분석 결과, 이온의 형성 과정과 결합비를 설명할 때 과학적 개념을 잘 적용하지 못하였고 모형으로 표현하는 것을 어려워하였다.
In this study, ionic compound in the science textbooks developed under the 2009 revised national curriculum were analyzed in terms of the scientific concept and model description and the student understanding through the questionnaires. Analysis of textbooks was performed for science2 of middle scho...
In this study, ionic compound in the science textbooks developed under the 2009 revised national curriculum were analyzed in terms of the scientific concept and model description and the student understanding through the questionnaires. Analysis of textbooks was performed for science2 of middle school and chemistry I & II of high school. Questionnaire was carried out with 194 students including middle school 2nd grade and high school 1st-3rd grade. The results are as follows: First, as a result of analysis of textbooks, scientific concepts and models used to explain the ionic compound showed differences depending on the types of textbooks. In addition, scientific models were provided with or without explanation for the scientific concepts. Second, analysis of the questionnaire showed that students didn’t properly understood scientific concepts and models in the ion formation, stoichiometric ratio between ions.
In this study, ionic compound in the science textbooks developed under the 2009 revised national curriculum were analyzed in terms of the scientific concept and model description and the student understanding through the questionnaires. Analysis of textbooks was performed for science2 of middle school and chemistry I & II of high school. Questionnaire was carried out with 194 students including middle school 2nd grade and high school 1st-3rd grade. The results are as follows: First, as a result of analysis of textbooks, scientific concepts and models used to explain the ionic compound showed differences depending on the types of textbooks. In addition, scientific models were provided with or without explanation for the scientific concepts. Second, analysis of the questionnaire showed that students didn’t properly understood scientific concepts and models in the ion formation, stoichiometric ratio between ions.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 2009 개정 교육과정에서 이온 화 합물에 대해 출판사별 교과서가 과학적 개념을 사용하여 설명하고, 그 이해를 돕기에 충분한 모형을 다양하게 제시 하고 있는지 분석하고자 한다. 이어서 다양한 문항 형태로 구성한 설문 검사지를 통해 실제로 이온 화합물에 대해 학 습한 중•고등학교 학생들의 이해 정도를 조사하고자 한다.
이 연구에서는 이전 교육과정에 비해 2009 개정 교육과 정에서 학습 내용이 크게 줄어든 이온 화합물의 설명 개념과 모형에 대해 분석하고, 설문 검사지를 제작하여 학생들이 이온 화합물에 대해 어떻게 이해하고 있는지 조사하였다
따라서 이 연구에서는 2009 개정 교육과정에서 이온 화 합물에 대해 출판사별 교과서가 과학적 개념을 사용하여 설명하고, 그 이해를 돕기에 충분한 모형을 다양하게 제시 하고 있는지 분석하고자 한다. 이어서 다양한 문항 형태로 구성한 설문 검사지를 통해 실제로 이온 화합물에 대해 학 습한 중•고등학교 학생들의 이해 정도를 조사하고자 한다. 학년별 학생들의 다양한 응답 유형을 파악한다면 이온 화 합물에 대한 교과 학습 후 학생들이 어려워하는 점이 구체 적으로 어떤 것인지 알 수 있을 것이다.
제안 방법
개발한 설문 검사지는 화학 전공 전문가 1 인과 화학 전공 중등교사 3인이 문항 내용의 타당도와 표현의 적절성을 검토하였고, 예비 검사를 한 후 다시 화학 전공 전문가의 도움을 받아 문항 구성 및 표현을 수정하였다. 검사지 문항을 푸는 데 시간 제한을 두지는 않았으나 보통 20〜30분 정도 소요되었다.
교과서 분석 방법. 교과서가 제시하고 있는 이온 화합물 관련 내용을 설명 개념과 모형의 2가지 측면에서 분석하였 다. 이를 위해 먼저 교과서 내용의 개발 기준이 되는 2009 개정 교육과정에 따른 학습 내용의 성취기준35에 근거하 여 중학교 과학2, 고등학교 화학I 과 화학II의 이온 화합물 관련 단원에서 제시하고 있는 이온 화합물의 설명내용과 모형을 추출하였다.
교과서에서 추출한 설명 내용은 과학 2 에서 ‘이온 화합물’, 화학I 에서 ‘이온 결합의 형성 ’, ‘이온 결합의 형성과 에너지’, ‘이온 결합 화합물의 구조와 성질’ 이고, 화학II에서 ‘이온 결정의 성질과 구조’이다. 다음으로 교육과정 학습 내용의 성취기준35과 문헌 조사36-44를 통해 이온 화합물과 관련된 설명 내용의 과학적 개념과 모형의 분류 기준을 정하였다. 분류 기준은 Table 1과 같고,36-44 이 분류 기준에 따라 이온 화합물을 설명할 때 사용한 개념과 모형을 분석하였다.
설문 검사지는 이러한 선 행 연구3,4,6,7를 토대로，이온의 형성’ 1문항,，이온 화합물의 형성’ 2문항,，이온 화합물의 성질’ 2문항,，이온 결정의 구조’ 3문항의 전체 7문항으로 구성하였다. 문항의 유형은 선택 형（진위형, 선다형）뿐만 아니라 이온 화합물의 형성과 모 형에 관해 직접 설명하고 표현할 수 있는 설명형과 그림형을 혼합하여 개발하였다. 설문 검사지는 Fig.
문헌 조사를 통해 이온 화합물 관련 내용의 과학적 개념 과 모형의 분류 기준을 정하고, 이 분류 기준에 근거하여 2009 개정 교육과정에 따른 교과서가 제시하고 있는 이온 화합물에 대한 설명 개념과 모형을 분석하였다. 이어서 실 제로 이온 화합물에 대해 학습한 중•고등학교 학생 194명 을 대상으로 설문 검사를 실시하고, 문항별 응답 유형에 따라 결과를 분석하여 학생들이 이온 화합물에 대해 어떻 게 이해하고 있는지 학년별로 조사하였다.
다음으로 교육과정 학습 내용의 성취기준35과 문헌 조사36-44를 통해 이온 화합물과 관련된 설명 내용의 과학적 개념과 모형의 분류 기준을 정하였다. 분류 기준은 Table 1과 같고,36-44 이 분류 기준에 따라 이온 화합물을 설명할 때 사용한 개념과 모형을 분석하였다.
또한 이온 화식을 표현할 때 양이온과 음이온의 비가 1:1이 아닌 경 우를 어려워한다6고 보고하였다. 설문 검사지는 이러한 선 행 연구3,4,6,7를 토대로，이온의 형성’ 1문항,，이온 화합물의 형성’ 2문항,，이온 화합물의 성질’ 2문항,，이온 결정의 구조’ 3문항의 전체 7문항으로 구성하였다. 문항의 유형은 선택 형（진위형, 선다형）뿐만 아니라 이온 화합물의 형성과 모 형에 관해 직접 설명하고 표현할 수 있는 설명형과 그림형을 혼합하여 개발하였다.
교과서가 제시하고 있는 이온 화합물 관련 내용을 설명 개념과 모형의 2가지 측면에서 분석하였 다. 이를 위해 먼저 교과서 내용의 개발 기준이 되는 2009 개정 교육과정에 따른 학습 내용의 성취기준35에 근거하 여 중학교 과학2, 고등학교 화학I 과 화학II의 이온 화합물 관련 단원에서 제시하고 있는 이온 화합물의 설명내용과 모형을 추출하였다. 교과서에서 추출한 설명 내용은 과학 2 에서 ‘이온 화합물’, 화학I 에서 ‘이온 결합의 형성 ’, ‘이온 결합의 형성과 에너지’, ‘이온 결합 화합물의 구조와 성질’ 이고, 화학II에서 ‘이온 결정의 성질과 구조’이다.
문헌 조사를 통해 이온 화합물 관련 내용의 과학적 개념 과 모형의 분류 기준을 정하고, 이 분류 기준에 근거하여 2009 개정 교육과정에 따른 교과서가 제시하고 있는 이온 화합물에 대한 설명 개념과 모형을 분석하였다. 이어서 실 제로 이온 화합물에 대해 학습한 중•고등학교 학생 194명 을 대상으로 설문 검사를 실시하고, 문항별 응답 유형에 따라 결과를 분석하여 학생들이 이온 화합물에 대해 어떻 게 이해하고 있는지 학년별로 조사하였다.
검사 도구. 중학교 2학년과 고등학교 1~3학년 학생들을 대상으로 이온 화합물에 대해 학습한 이후 이온 화합물에 대해 어떻게 설명하고 그림으로 표현하는지 조사하기 위 해 설문 검사지를 개발하였다
첫째, 교과서별 설명 개념과 모형 제시의 차이는 성취기 준이 구체적이지 않은 경우 더 크게 나타났다. 즉, 중학교 과학2에서 이온 화합물의 정의에 대한 성취기준은 없고 화합물을 원소 기호를 사용하여 나타내도록 하고 있어 이온 화합물을 설명할 때 교과서마다 정전기적 인력, 강한 결합 , 규칙적 배열, 결합비를 선택적으로 설명하였다. 고등학 교 화학II에서도 성취기준이 금속의 결정 구조만을 설명 하도록 하여34 교과서마다 이온의 결정 구조를 선택적으 로 설명하였다.
대상 데이터
분석 대상 교과서. 2009 개정 교육과정에 따라 개발되어 현재 사용되고 있는 중•고등학교 교과서 중에서 이온 화 합물과 관련된 내용을 포함하고 있는 교과서를 분석 대상 으로 한정하였다. 이온 화합물과 관련된 내용 요소를 포함 한 교과서 단원은 중학교 과학2「물질의 구성」, 고등학교 화학I「아름다운 분자 세계」와 화학II「다양한 모습의 물 질」단원이다.
이온 화합물과 관련된 내용 요소를 포함 한 교과서 단원은 중학교 과학2「물질의 구성」, 고등학교 화학I「아름다운 분자 세계」와 화학II「다양한 모습의 물 질」단원이다. 분석에 사용한 출판사별 교과서는 중학교 과학2교과서 9종, 고등학교 화학I교과서 4종, 화학II교과 서 4종34이며, 각각 기호 M21~M29, H11~H14와 H21-H24 로 표시하였다.
이온 화합물 관련 문항에서 학년별로 학생들 이 이미 배운 학습 내용에 대해 어떻게 설명하고 표현하는 지 조사하기 위해 이온 화합물에 대해 처음 배운 중학교 2 학년과 고등학교 1~3학년 학생을 연구 대상으로 하였다. 연구 대상은 학부모로부터 동의를 얻은 경기 소재 A 중학 교 2학년 44명과 서울 소재 B 고등학교 학년별로 50명씩 총 194명이다.
학생 설문 분석 연구 대상. 이온 화합물 관련 문항에서 학년별로 학생들 이 이미 배운 학습 내용에 대해 어떻게 설명하고 표현하는 지 조사하기 위해 이온 화합물에 대해 처음 배운 중학교 2 학년과 고등학교 1~3학년 학생을 연구 대상으로 하였다. 연구 대상은 학부모로부터 동의를 얻은 경기 소재 A 중학 교 2학년 44명과 서울 소재 B 고등학교 학년별로 50명씩 총 194명이다.
중학교 과학2「물질의 구성」단원. 중학교 과학2「물질의 구성」단원에서 성취기준은 이온의 형성을 설명하고 이를 이온식과 모형으로 나타내며, 간단한 이온 화합물을 원소 기호로 나타낼 수 있도록 하는 것이다.
학생 설문 분석 연구 대상. 이온 화합물 관련 문항에서 학년별로 학생들 이 이미 배운 학습 내용에 대해 어떻게 설명하고 표현하는 지 조사하기 위해 이온 화합물에 대해 처음 배운 중학교 2 학년과 고등학교 1~3학년 학생을 연구 대상으로 하였다.
성능/효과
7%). 결정 전체 모형은 표현하지 못하고, 양이온과 음이온의 개 수비만 고려하여 단위 입자만 표현한 유형 6과 유형7 도 있었다(10.0%〜22.0%). 전체적으로 모른다고 응답한 유형 이 가장 많았고, 고등학교 1학년에서 중학교 2학년보다 더 낮은 정답률(정답 6%, 모름 76.
0%는 이웃하는 모든 이온 사이에 끌어당기는 힘이 있다고 응답하였다. 교과서 내용 분석 결과, 교과서 9종 중 8종이 3차원의 이온 결정 모형을 제시하였으므로 2차원 모형을 통해 염화 나트륨 결정을 표현한 경우 많은 수의 염화 나트륨이 모인 것으로 생각하는3 오개념은 적었지만, 학생 중의 2.0%〜18.2%는 이온 사이에 인력이 작용하지 않는다고 응답하였고, 8.0%〜66.0% 는 모른다고 응답하였다
문항 Q6은 '염화 나트륨 결정의 3차원 구조에］ 관한 문항 으로 두 가지의 결정 모형 (공간 채움 모형, 공 막대 모형)을 모두 제시하였으므로 염화 이온은 여섯 개의 나트륨 이온 으로 둘러싸여 있고, 각 나트륨 이온은 여섯 개의 염화 이 온으로 둘러싸여 있음을 쉽게 알 수는 있다. 교과서 내용 분석 결과, 중학교 과학2 교과서 8종, 화학I 교과서 4종의 교과서가 염화 나트륨의 결정 모형을 제시하였으므로 문 항에 제시한 모형을 보고 답할 수 있었으나 중학교 2학년 〜고등학교 2학년까지는 무 응답률이 높았다
다음으로 중학교 2학년, 고등학교 1〜3학년 학생들이 이온 화합물에 대한 학습을 한 후 관련 문항에서 어떻게 설명하 고 표현하는지를 조사 분석한 결과, 학년별로 약간의 차이 가 있으나 염화 나트륨 용해 과정 (Q3)과 모형 (Q4), 염화 나 트륨 결정의 2차원 모형 (Q5)에 관한 이해도는 높은 반면 이온의 형성과 에너지 (Q1), 이온 결합의 형성 과정 (Q2), 염 화 나트륨 결정의 3차원 모형 (Q6), 염화 칼슘 결정의 결합 비와 모형 (Q7)에 관해서는 어려워하는 것으로 나타났다.
둘째, 고등학교 2학년, 3학년에서는 화학I, 화학II를 선 택하여 화학 결합 물질로서의 이온 결합 화합물을 구체적 으로 학습하게 됨에 따라 이온 결합 화합물에 대한 과학적 개념을 형성하게 됨을 알 수 있다. 그러나 학생들은 이온 결합 화합물에 대해 다양한 개념을 가지고 설명하고 있었 고 많은 경우 글로 설명하거나 모형으로 표현하는 것에 어 려움을 느끼고 있었다.
둘째, 학년별로 동일한 개념을 다루게 될 때 후속 학습 에서는 학습 개념이 반복되지 않도록 선수 학습 내용을 선 택적으로 다루고 있어서 학년별로 설명개념이 연속되지 않고 단절될 수 있다. 또한 선수 학습에서 설명개념과 모 형을 선택적으로 제시한 경우 후속 학습에서 누락이 있을 수 있다.
0%로 낮았다. 양이온과 음이온의 결합비를 반대로 생 각하여 '칼슘 이온: 염화 이온의 개수비=2: 1'로 표현한 유 형 3과유형4도 있었으며(6.0%〜18.1%), 칼슘 이온: 염화 이온의 개수비=1:1'로 표현한 유형 5도 적지 않았다(2.0%〜22.7%). 결정 전체 모형은 표현하지 못하고, 양이온과 음이온의 개 수비만 고려하여 단위 입자만 표현한 유형 6과 유형7 도 있었다(10.
Q4 응답 유형별 모형의 대표 적인 예와 응답률은 Table 10과 같다. 염화 나트륨의 용해 모형에 대하여는 해리되지 않는다거나 '양이온+음이온' 으로 해리된다거나 녹아서 없어진다는 등의 다양한 유형의 오개념을 보였다.
문항 Q2는 고등학교 화학【에서 화학 결합의 종류에 대해 배운 후에 답할 수 있는 문항으로 고등학교 2~3학년에서 정답률이 높았다. 이온 결합을 형성하는 과정의 2단계 모 형을 모두 정확하게 표현한 유형은 9.1%~44.0%로 정답률 이 높지 않았고, 전자의 이동으로 이온이 형성되는 1단계 만 옳게 표현한 유형이 20.5%~32.0%이었다. 나트륨 원자 와 염소 원자로부터 직접 전자의 이동이 있어 결합한다고 표현하였거나 잘 몰라서 2단계 모두 옳지 않게 표현한 유 형이 중학교 2학년과 고등학교 1학년에서 많았고, 이온 결 합이 형성될 때 원자 자체가 변하는 것으로 잘못 표현한 경우도 있었다.
0%). 전체적으로 모른다고 응답한 유형 이 가장 많았고, 고등학교 1학년에서 중학교 2학년보다 더 낮은 정답률(정답 6%, 모름 76.0%)을 보였다
첫째, 교과서별 설명 개념과 모형 제시의 차이는 성취기 준이 구체적이지 않은 경우 더 크게 나타났다. 즉, 중학교 과학2에서 이온 화합물의 정의에 대한 성취기준은 없고 화합물을 원소 기호를 사용하여 나타내도록 하고 있어 이온 화합물을 설명할 때 교과서마다 정전기적 인력, 강한 결합 , 규칙적 배열, 결합비를 선택적으로 설명하였다.
첫째, 문항 전체에서 학년이 증가할수록 정답률이 높아 지는 편이었으나 고등학교 1학년의 경우는 중학교 2학년의 경우보다 정답률과 평균이 낮았고, 고등학교 3학년에서는 정답률이 높았다. 고등학교 1학년은 2009 개정 교육과정 상 고등학교 과학에서 이온 화합물 관련 내용을 학습하지 않았다.
후속연구
또한 설명 개념을 명확하게 하기 위해 모형을 제공할 때는 다양한 형 태의 모형을 제공하고 설명을 함께 제시해야 한다. 끝으로 이온 화합물과 같은 추상적 개념의 이해를 돕기 위해서는 학생들이 직접 그려보거나 설명할 수 있도록 하는 다양한 학습 방법을 제시할 필요가 있다.
'이온 화합물의 용해’ 과정에 대해서는 학생들의 이해도가 높은 편이었으나 일부 학생 들은 해리되지 않는다거나 '양이온+음이온’의 상태로 해 리된다는 등의 다양한 유형의 오개념을 가지고 있었다. 따 라서 이러한 오개념을 줄이기 위해서는 우선 과학적 개념 을 정확히 이해시키고 추상적인 텍스트뿐만 아니라 다양 한 모형 제시를 통해 명확한 개념 형성을 도와주어야 할 것이 다. 또한 '이온 화합물의 모형과 결합비’에서 염화 나트륨 한 가지 모형만을 제시하기보다는 다양한 유형의 모형을 제시하고, 염화 칼슘과 같이 양이온과 음이온의 결합비가 1:2인 다른 결정의 모형을 함께 제시한다면 학생들은 양이 온과 음이온의 결합비를 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것이 다.
그러나 학생들은 이온 결합 화합물에 대해 다양한 개념을 가지고 설명하고 있었 고 많은 경우 글로 설명하거나 모형으로 표현하는 것에 어 려움을 느끼고 있었다. 따라서 이온 결합 화합물의 과학적 개념을 가르칠 때 추상적인 텍스트와 한두 가지의 모형만 을 제시하기보다는 다양한 모형을 설명과 함께 제시하고, 학생들이 직접 그려보거나 설명할 수 있도록 하는 학습 방 법이 필요할 것으로 보인다.4，15-18
따 라서 이러한 오개념을 줄이기 위해서는 우선 과학적 개념 을 정확히 이해시키고 추상적인 텍스트뿐만 아니라 다양 한 모형 제시를 통해 명확한 개념 형성을 도와주어야 할 것이 다. 또한 '이온 화합물의 모형과 결합비’에서 염화 나트륨 한 가지 모형만을 제시하기보다는 다양한 유형의 모형을 제시하고, 염화 칼슘과 같이 양이온과 음이온의 결합비가 1:2인 다른 결정의 모형을 함께 제시한다면 학생들은 양이 온과 음이온의 결합비를 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것이 다. 이러한 학생 응답 유형을 종합하여 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있었다.
학년별 학생들의 다양한 응답 유형을 파악한다면 이온 화 합물에 대한 교과 학습 후 학생들이 어려워하는 점이 구체 적으로 어떤 것인지 알 수 있을 것이다. 이를 통해 오개념을 피 할 교수 학습 방법을 제시한다면 추상적이고 미시적 수준인 이온 화합물 개념에 대해 학생들이 옳은 과학적 개념을 갖게 하고, 흥미와 이해도도 향상시킬 수 있을 것이다.4,21,24,31,33
이어서 다양한 문항 형태로 구성한 설문 검사지를 통해 실제로 이온 화합물에 대해 학 습한 중•고등학교 학생들의 이해 정도를 조사하고자 한다. 학년별 학생들의 다양한 응답 유형을 파악한다면 이온 화 합물에 대한 교과 학습 후 학생들이 어려워하는 점이 구체 적으로 어떤 것인지 알 수 있을 것이다. 이를 통해 오개념을 피 할 교수 학습 방법을 제시한다면 추상적이고 미시적 수준인 이온 화합물 개념에 대해 학생들이 옳은 과학적 개념을 갖게 하고, 흥미와 이해도도 향상시킬 수 있을 것이다.
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