[논문]전자 이동 모델과 산화수 변화 모델에 대한 화학 I 교육과정과 교과서 분석 및 화학교육전공 교사들의 인식 조사

김기향; 백성혜

doi:10.5012/jkcs.2017.61.4.204

전자 이동 모델과 산화수 변화 모델에 대한 화학 I 교육과정과 교과서 분석 및 화학교육전공 교사들의 인식 조사
Analysis of Curriculum and Textbooks of Chemistry I and Survey of Chemistry Education Major Teachers' Conceptions Related to Electron Movement Model and Oxidation Number Change Model 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.61 no.4, 2017년, pp.204 - 210

초록
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이 연구에서는 2009개정 교육과정 및 화학 I 교과서에 제시된 전자 이동 모델과 산화수 변화 모델의 서술방식을 분석하고, 화학교육전공 교사들을 대상으로 각 모델의 제한 조건에 대한 인식을 알아보았다. 교육과정과 교과서에서는 전자 이동 모델, 산화수 변화 모델을 제시하고 있으나, 각 모델의 제한 조건을 무시한 혼성 모델도 있었다. 혼성 모델은 공유결합 물질의 산화 환원 반응을 전자 이동 모델로 기술하거나 산화수 개념으로 설명하는 경우에도 가상적인 전자 이동과 실제적인 전자 이동을 혼동하게 하는 문제를 가진다. 산화 환원 반응에 대한 화학교육전공 교사들의 인식을 조사하기 위하여 설문지 및 면담을 실시하였다. 연구 결과, 많은 교사들이 각 모델의 제한 조건을 인식하지 못하고 있었으며, 혼성 모델로 인해 산화 환원 반응을 산 염기반응과 구분하는데 어려움을 가지는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we analyzed the descriptions of the electron movement model and the oxidation number change model presented in the 2009 revised curriculum and textbooks. We also investigated chemistry education major teachers' conceptions of limitations of each model. The electron movement model and oxidation number change model were presented in the curriculum and the textbooks. However, hybrid model was also presented which fail to grasp the limitation of each model. The hybrid model explains redox reactions of covalent bond compounds by electron movement model or even if it explains redox reactions by oxidation number change model, this explanations have the problem of confusing the virtual electron movement with the actual electron movement. A questionnaire and interviews were conducted to investigate chemistry education major teachers' perceptions of redox reactions. As results, many teachers did not recognize the limitations of each model and had difficulties to distinguish redox reactions from acid-base reactions because of the hybrid model.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. High school Chemistry I textbooks
표 Table 2. Information of the subjects
표 Table 3. Contents of the questionnaire
표 Table 4. Teachers' answers about the definition of oxidation number change
표 Table 5. Teachers' answers about the redox reaction to explain covalent bond compounds with electron movement model
표 Table 6. Teachers' answer comparison to check of thinking collision between electron movement model and oxidation number change model
표 Table 7. The teachers' perceptions about the criteria of oxidation–reduction reaction
표 Table 8. The classification of two different acid-base reaction

AI 본문요약
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문제 정의

이를 통해 산·염기 반응과 산화·환원 반응을 구분하는데 전자의 실제적 이동이 아닌 산화수 변화 모델을 이해하고 있는지 알아보았다.
따라서 이 연구에서는 2009 개정 교육과정의 화학 I에서 산화·환원 개념을 어떻게 설명하고 있는지 분석하기 위해 교육과정3과 4종의 화학 I 교과서16−19의 내용을 분석하였다(Table 1).
선행연구⁵에서는 7차 교육과정에서 개발한 교과서를 중심으로, 다양한 모델에 대한 기술 방법을 병렬이나 기술적 확장의 기준으로 교과서 및 교사 연구를 진행하였으나, 이 연구에서는 2009 개정 교육과정에 근거한 교과서에서 혼성 모델의 기술이 나타나는 지에 대해 분석하고자 하였다. 연구문제를 보다 구체적으로 제시하면 다음과 같다.
첫째, 공유결합 물질의 산화·환원 반응에서 산화수 변화를 실제 전자의 이동과 동일시 하는 것이다.

제안 방법

1번 문항은 산·염기 반응과 산화·환원 반응을 구분 하는 기준이 무엇인지 물어본 것으로, 이를 통해 어떤 모델로 산화·환원 반응을 판단하는지 알아보았다.
2번 문항 은 실제적인 전자 이동 모델로는 설명하는데 한계를 가지는 공유결합물질의 산화·환원 반응을 제시하고, 혼성 모델을 가지고 있는지 판단하고자 하였다.
4번 문항에서는 특정한 반응을 주고 이 반응이 산·염기 반응인지, 산화·환원 반응인지 구분하도록 하였다.
교과서에 제시된 산화·환원 개념은 전자 이동 모델, 산화수 변화 모델, 혼성 모델 등 세 가지로 분류 하였다.
이러한 과정을 통하여 적절한 반응식을 제시하거나 선다형 문항의 내용이 분명하게 의사전달이 될 수 있도록 수정하였다. 또한 다 섯 명의 화학교육전공 교사들을 대상으로 파일럿 테스트를 거쳐 반응 분석의 기준을 설정하였다. 또한 질문지 투입 후 연구 대상자들에게 면담을 실시하여 질문지에서 표현 하지 못한 심층적인 사고를 추가로 조사하였다.
혼성모델은 다시 두 가지로 나누어지는데, 이 연구에서는 공유결합 물질에 전자 이동 모델을 확장한 것을 전자 이동 모델에 기반한 혼성 모델로 분류하였다. 또한 실제적인 전자의 이동을 전기음성도가 큰 원자 쪽으로 전자가 치우친다고 가정하는 산화수 개념과 동일시하는 것을 이 연구에서는 산화수 변화 모델에 기반한 혼성 모델로 분류하였다.
또한 다 섯 명의 화학교육전공 교사들을 대상으로 파일럿 테스트를 거쳐 반응 분석의 기준을 설정하였다. 또한 질문지 투입 후 연구 대상자들에게 면담을 실시하여 질문지에서 표현 하지 못한 심층적인 사고를 추가로 조사하였다.
산화수 변화 모델로 설명해야 하는 산화·환원 반응을 전자 이동 모델로 설명하도록 요구하였을 때 혼성 모델을 가지고 있는지 확인하기 위하여 2번 문항을 제시하였으며, 루이스의 산·염기 반응에서 전자쌍을 주거나 받음에도 불구하고 이것이 산화·환원 반응이 아닌 이유를 묻는 3번 문항을 통해 산화·환원 반응을 산·염기 반응과 구분할 수 있는지 알아보았다.
산화수 변화 모델에 대한 교사들의 이해를 확인하기 위하여 먼저 산화수의 변화가 무엇을 의미하는지 묻는 5번 문항에 대한 교사들의 응답을 분석하였다(Table 4).
이 연구에서는 2009 개정 교육과정 화학 I 및 교과서의 전자 이동 모델과 산화수 변화 모델의 제시 방법을 분석하였다. 그 결과 화학 I 교육과정에서 전자 이동 모델의 제한 조건을 고려하지 않고 공유결합 물질의 산화·환원 반응을 전자 이동 모델로 설명하도록 제시하였으며, 교육 과정에 근거하여 개발된 4종의 교과서에서도 동일한 문제가 나타났다.
연구 대상. 이 연구에서는 질문지를 통해 1차로 교사들의 사고유형을 분석한 후에, 주관식 응답과 면담 등을 통해 교사의 사고 유형을 분석하였다. 연구 대상으로는 우리나라 중부지역에 위치한 교사양성 대학의 대학원에 재학 중인 화학교육전공 교사 19인을 선정하였다.
질문지 문항의 타당도를 높이기 위하여 화학교육 전문가 1인의 검토를 받았으며 그 후 대학원에 재학하는 화학교육전공 석사 및 박사 과정에 재학하는 교사 3인의 의견 을 수렴하여 수정하는 과정을 거쳤다. 이러한 과정을 통하여 적절한 반응식을 제시하거나 선다형 문항의 내용이 분명하게 의사전달이 될 수 있도록 수정하였다. 또한 다 섯 명의 화학교육전공 교사들을 대상으로 파일럿 테스트를 거쳐 반응 분석의 기준을 설정하였다.
이 연구에서 제시한 혼성 모델은 전자 이동 모델과 산화수 변화 모델의 병립적 제시⁵와는 차별화 된다. 즉, 가상적인 전자의 이동을 실제적인 전자의 이동과 혼동하거나, 산화수의 감소나 증가를 실제적인 전자의 감소나 증가로 인식하는 경우를 혼성 모델이라고 보았다. 특히 교사들의 혼성 모델 사고 유형은 교과서의 설명 유형과 매우 유사 함을 확인할 수 있었다.
산화수 변화 모델의 제한 조건으로는 가상적인 전자의 이동을 실제 전자의 이동으로 해석하는 오류가 발생할 수 있다. 혼성모델은 다시 두 가지로 나누어지는데, 이 연구에서는 공유결합 물질에 전자 이동 모델을 확장한 것을 전자 이동 모델에 기반한 혼성 모델로 분류하였다. 또한 실제적인 전자의 이동을 전기음성도가 큰 원자 쪽으로 전자가 치우친다고 가정하는 산화수 개념과 동일시하는 것을 이 연구에서는 산화수 변화 모델에 기반한 혼성 모델로 분류하였다.

대상 데이터

기타의 응답들은 대부분 산화수라는 용어를 다시 반복하여 진술하는 것이었다. 13명의 교사들은 산화수 변화를 전자 이동, 전자 밀도 변화, 전하 분포의 변화 등 전자의 치우침과 관련된 답을 선택하였다. 이러한 결 과를 통해 많은 교사들이 산화수 변화의 개념을 실제적인 전자의 이동과 혼동하고 있음을 확인할 수 있었다.
공유결합 물질인 질소와 수소의 반응에서 전자 이동 모델을 적용하여 전자가 수소에서 질소 쪽으로 이동했다고 응답한 교사는 8명이었으며, 이들은 전자 이동 모델에 기 반한 혼성 모델을 가지고 있다고 분석하였다. 왜냐하면, 공유결합물질의 경우에는 전자의 가상적인 이동을 고려 할 수는 있으나, 실제적인 전자의 이동이 있다고 보기 어 렵기 때문이다.
연구 대상으로는 우리나라 중부지역에 위치한 교사양성 대학의 대학원에 재학 중인 화학교육전공 교사 19인을 선정하였다. 보다 심층적인 분석을 위하여 많은 수의 교사를 대상으로 하지 않았고, 면담 등에서 래포를 형성할 수 있는 수의 연구대상을 선정하다. 구체적인 연구 대상자에 대한 정보는 Table 2와 같다.
산화·환원의 다양한 모델에 대한 화학교육전공 교사의 인식을 조사하는 대상으로, 화학 I 교과를 가르친 경험을 가진 교사 15명, 고등학교에 근무하지만 화학 I을 가르친 경험이 없는 교사 2명, 고등학교에 근무한 경험이 없는 중학교 교사 2명이 선정되었다.
이 연구에서는 질문지를 통해 1차로 교사들의 사고유형을 분석한 후에, 주관식 응답과 면담 등을 통해 교사의 사고 유형을 분석하였다. 연구 대상으로는 우리나라 중부지역에 위치한 교사양성 대학의 대학원에 재학 중인 화학교육전공 교사 19인을 선정하였다. 보다 심층적인 분석을 위하여 많은 수의 교사를 대상으로 하지 않았고, 면담 등에서 래포를 형성할 수 있는 수의 연구대상을 선정하다.
산화·환원의 다양한 모델에 대한 화학교육전공 교사의 인식을 조사하는 대상으로, 화학 I 교과를 가르친 경험을 가진 교사 15명, 고등학교에 근무하지만 화학 I을 가르친 경험이 없는 교사 2명, 고등학교에 근무한 경험이 없는 중학교 교사 2명이 선정되었다. 이 연구에서 다루는 전자이동 모델과 산화수 변화 모델은 고등학교 교육과정에서 소개되지만, 화학교육전공 교사는 임의적으로 중학교와 고등학교에서 학생들을 지도할 수 있으므로 연구 대상에 포함하였다.

성능/효과

그 결과 화학 I 교육과정에서 전자 이동 모델의 제한 조건을 고려하지 않고 공유결합 물질의 산화·환원 반응을 전자 이동 모델로 설명하도록 제시하였으며, 교육 과정에 근거하여 개발된 4종의 교과서에서도 동일한 문제가 나타났다.
따라 서 교사들의 인식은 교과서의 설명에 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 단지 두 명의 교사만이 전자의 이동으로는 질소와 수소의 반응을 설명할 수 없다고 응답하여 전자 이동 모델의 제한 조건을 인식하고 산화수 변화 모델을 제대로 인식하고 있는 것으로 나타났다.
따라서 과거 다른 교육과정 및 교과서와는 달리 산화·환원 개념에 대한 이해에 혼란을 야기하는 문제를 가지고 있음을 확인하였다.
문항 1에서 산화·환원 반응을 산·염기 반응과 구분하는 데 기준으로 산화수 변화 모델을 선택한 비율은 19명 중 15명으로 매우 높았으나, 루이스의 산·염기 모델에서 전자쌍의 주게 받게가 있음에도 불구하고 산화·환원이 아닌 이유를 묻는 3번 문항과 교차 분석을 한 결과(Table 7), 산화수 변화 모델에 대한 이해를 하는 교사는 5명뿐임을 알 수 있었다.
분석 결과, 19명 중에서 2명 만이 반응 후에 결합한 두 원자 사이의 전기음성도 변화가 산화수의 의미임을 인식하고 있었다. 기타의 응답들은 대부분 산화수라는 용어를 다시 반복하여 진술하는 것이었다.
다양한 문항들에 대한 교사들의 응답을 서로 비교하여 교차 분석한 이유는 어떤 상황에서도 산화수 변화 모델을 정확하게 이해하고 있는 교사가 얼마나 되는지 알아보기 위해서이다. 분석 결과, 문항의 교차 분석이 달라질 때마다 산화수 변화 모델을 이해하는 교사들의 수가 변화하는 것으로부터 교사들의 산화수 변화 모델의 안정성이 취약 하다는 것을 알 수 있었다.
분석한 4종의 교과서 모두 전자 이동 모델이나 산화수 변화 모델뿐 아니라 암모니아 합성과 같은 내용에서는 혼성 모델을 제시하고 있었다. 혼성 모델은 크게 두 가지 유형으로 구분할 수 있다.
설문 후에 이루어진 심층 면담을 통해 많은 교사들이 산화·환원 정의에 대한 혼란을 지니고 있음을 인식하게 되었고, 학생들을 가르치면서 전자 이동 모델이나 산화수 변화 모델에 근거한 혼성 모델로 인해 혼란이 발생하였음을 깨달았다.
예비교사들 과 교사들은 대부분 산화수의 변화에 대한 정의를 사용하지만, 연소 반응이나 금속 반응에서는 산소나 전자의 이동과 혼용해서 적용하는 양상을 보이고, 정의를 기계적으로 적용하여 산화·환원 반응을 잘못 인식하는 경향이 나타났다.
이 연구에서는 많은 교사들이 산화·환원 반응의 분류기준으로 산화수 변화 모델을 선택하였으나 실제로 분류 할 때에는 전자 이동 모델이나 전자 이동 모델과 산화수 변화 모델로부터 나온 혼성 모델에 의존하여 판단하는 경향을 나타내었다. 이는 실제적인 전자의 이동과 가상적인 전자의 이동에 대한 구분의 혼란으로부터 나온 것일 수 있다.
즉, 절반 가까운 교사들이 실제적으로 산화·환원 반응과 산· 염기 반응을 정확한 모델로 분류할 능력을 가지지 못하였음을 확인할 수 있었다.
화학교육 전공 교사들을 대상으로 산화·환원 반응을 판단하는 모델에 대한 교사들의 인식을 알아본 결과, 많은 교사들이 혼성 모델을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	닮은꼴 화학반응 단원에서 제시하는 반응은 무엇이 있는가?	산화·환원 개념은 역사적 발달을 거치며 의미가 변화되고 확장1,2된 대표적 예로 우리나라 고등학교 화학교육과정에서 중요하게 다루어지고 있다. 2016년 현재 우리나라 고등학교에서는 2009개정 교육과정을 진행하고 있으며, 이 교육과정에 따르면 화학 I의 ‘닮은꼴 화학반응’ 단원에서 산소 이동에 의한 산화·환원 반응, 전자 이동에 의한 산화·환원 반응, 산화수 변화에 따른 산화·환원 반응을 제시하고 있다. 3 이러한 경향은 앞으로 교과서가 개발될 2015 개정 교육과정에서도 지속되고 있다.
	교과서 기술의 문제로 학생들은 가장 포괄적인 개념인 산화수 변화 개념으로 사고의 확장이 이루어지지 않는다고하는데 그 이유는 무엇인가?	또한 이러한 교과서 기술의 문제 때문에 학생들은 가장 포괄적인 개념인 산화수 변화 개념으로 사고의 확장이 이루어지지 않는다고 주장하였다. 많은 선행연구에서 다양한 모델의 단편적 제시는 학생들이 산화·환원을 학습하는데 있어 갖게 되는 어려움의 주요한 원인이 된다고 하였다. 5−11 예를 들어, 다음 반응에서 수소 이온 (H+ )을 고려해 볼 때, 산소 이동 모델에 의하면 수소 이온은 산소를 얻어 산화 되는 것이고, 전자 이동 모델에 의하면 수소 이온은 산화 이온으로부터 전자를 얻어 환원이 된다. 그러나 산화수 변화 모델에 의하면 수소의 산화수는 +1로 변화가 없으므로 산화되거나 환원되지 않는다. 12 따라서 최종적으로 산화수 변화 모델로 사고의 확장이 이루어지지 않는다면, 학생들은 산화·환원 개념을 이해하는데 혼란을 가지게 될 것이다.
	현대의 산화·환원 개념으로 효과적인 전이가 일어나기 위해서는 어떤 방식이 필요한가?	윤희숙과 박하나의 연구5에서는 현대의 산화·환원 개념으로 효과적인 전이가 일어나기 위해서는, 산화·환원 개념의 역사적 발달의 맥락을 언급하면서 산화수 변화에 의한 정의의 유용성과 포괄성을 강조하는 방식을 제안하였다. 그러나 Justi 등14,15의 연구에 따르면 교재나 교사의 수업을 관찰해 볼 때, 다양한 모델이 역사적인 근거를 가지고 제시되기 보다는 혼성 모델로 제시되고 있음을 지적하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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