[논문]2009 및 2015 개정 교육과정의 화학 교과서에서 모델 관련 내용 분석: 수용액 전기 분해를 중심으로

김기향; 장하석; 백성혜

doi:10.5012/jkcs.2019.63.4.289

2009 및 2015 개정 교육과정의 화학 교과서에서 모델 관련 내용 분석: 수용액 전기 분해를 중심으로
Analysis of Contents related to Models in the Chemistry Textbooks of the 2009 & 2015 Revised Curricula: Focusing on the Electrolysis of Aqueous Solutions 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.63 no.4, 2019년, pp.289 - 306

김기향 (세종과학예술영재학교) , 장하석 (영국 케임브리지대 과학사.과학철학과) , 백성혜 (한국교원대학교 화학교육과)

초록
AI-Helper

이 연구에서는 2015 개정 교육과정의 교과서에서 "모델의 개발과 사용"이라는 항목에서 변화가 있는지 확인하기 위하여 2009 개정 교육과정의 교과서 내용과 비교 분석하였다. 이를 위하여 2015 개정 교육과정의 화학 I 교과서 8종, 화학 II 교과서 6종을 분석하였으며, 2009 개정 교육과정의 화학 I 교과서 4종, 화학 II 교과서 4종을 비교 분석하였다. 분석 범위는 수용액의 전기 분해에 관련된 내용만 선택하였다. 또한 동일한 실험을 다른 모델로 해석하는 전해질 관련 내용을 비교하기 위하여 2015 개정 교육과정 중학교 과학 2 교과서 4종의 관련 단원 내용을 2009 개정 교육과정의 중학교 과학 2 교과서 9종과 비교 분석하였다. 분석 결과, 학년과 단원에 따라 동일한 실험을 다른 모델로 설명하고 있었으며, 모든 설명은 단일 모델로 제한하여 제시하였다. 또한 모델과 일치하지 않을 수 있는 실험 결과가 나오는 전해질의 종류를 제한하는 경향이 2009 개정 교육과정보다 2015 개정 교육과정에서 더 뚜렷하게 나타났다. 이 결과는 2015 개정 교육과정에서 개발된 교과서에서 "모델의 개발과 사용"을 반영하기 위한 노력이 필요함을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to compare the contents of chemistry textbooks developed according to the 2015 revised curriculum with the contents of the 2009 revised curriculum to research the change in "the development and use of models". To do this, we analyzed 8 kinds of Chemistry I textbooks and 6 kinds of Chemistry II textbooks from the 2015 revised curriculum and compared them with 4 kinds of Chemistry I textbooks and 4 kinds of Chemistry II textbooks from the 2009 revised curriculum. The scope of the analysis was the explanations of the textbooks related to aqueous electrolysis experiments. In order to compare the contents regarding electrolytes when the same experiments are interpreted with different models, we analyzed contents of 4 kinds of middle school science textbooks from the 2015 revised curriculum and 9 kinds of middle school science textbooks from the 2009 revised curriculum. As a result of the analysis, the same experiment was explained by different models according to the grade level and unit, and all explanations were limited to a single model. Also, the tendency to limit the kinds of electrolytes for controlled experimental results is more pronounced in the 2015 revised curriculum than in the 2009 revised curriculum. From this results, we suggest that efforts are needed to reflect the "development and use of models" in chemistry textbooks developed according to the 2015 revised curriculum.

주제어

표/그림 (23)

그림 Figure 1. The three spheres of activity for scientists and engineers.¹
그림 Figure 2. Model of science activity.²⁰
그림 Figure 3. Modified model for students’ activity in classroom.²⁴
그림 Figure 4. Modified model in science textbooks.²⁴
그림 Figure 5. A graphic representation of Priestley’s metaphor concerning the growth of knowledge and ignorance.³⁶
표 Table 1. Contents of the textbooks developed according to the 2009 revised curriculum
표 Table 2. Contents of the textbooks developed according to the 2015 revised curriculum
그림 Figure 6. The model of electrolysis of water in Chemistry I textbook of the 2015 revised curriculum.⁵³
그림 Figure 7. An electrolysis experiment of chemistry I textbook of the 2015 revised curriculum.⁴⁹
그림 Figure 8. One modern view of the electrolysis of water.⁷⁴
그림 Figure 9. An experiment of electrolysis of water in Chemistry I textbook of the 2009 revised curriculum.⁴⁰
그림 Figure 10. The model to explain the phenomena that current flows when the ionic compounds dissolve in water in Chemistry I textbook of the 2015 revised curriculum.⁵¹
그림 Figure 11. An experiment to confirm existence of charged ions in Science 2 textbook.⁷⁰
그림 Figure 12. The model to explain the phenomena in which electric current flows due to charged ions in Science 2 textbook of the 2015 revised curriculum.⁷⁰
그림 Figure 13. The model to explain the phenomena in which electric current flows due to charged ions in Science 2 textbook of the 2015 revised curriculum.⁶³
그림 Figure 14. An experiment of electrolysis of water in Science 2 textbook of the 2009 revised curriculum.⁶²
그림 Figure 15. An experiment of electrolysis of NaCl aqueous solution in Chemistry II textbook of the 2015 revised curriculum.⁵⁷
그림 Figure 16. Color change of indicator depending on acidity of solution after electrolysis.
그림 Figure 17. Change of carbon electrode after electrolysis in KNO₃ (aq) solution (left), NaOH (aq) solution (right).
표 Table 3. The ratio of gas volumes generated by electrolysis according to the concentration of Na₂SO₄(aq)
그림 Figure 18. Electrolysis of 1M KNO₃ electrolyte solution with in SSC Apparatus.
표 Table 4. The ratio of gas volumes according to types and concentration of the electrolyte
그림 Figure 19. Electrolysis of KNO₃ electrolyte solution with different concentration in SSC apparatus (The red arrow is the (+) pole, the blue arrow is the (-) pole).

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

³⁹ 만약 교과서에서 학생들의 인지 수준 등을 고려한다는 이유로 한 가지 모델만을 과학적 개념으로 제시한다면, 학생들은 모델이 잠정성을 가진다는 것을 인식하기 어렵기 때문에 모델을 과학적 사실로 받아들일 가능성이 크다. 따라서 이 연구에서는 모델의 특성에 대한 선행 연구가 잘 이루어진 물의 전기 분해에 대한 내용을 중심으로 2015 개정 교육과정에 근거하여 개발된 화학 교과서의 내용을 분석함으로써 모델의 개발과 사용에 대한 내용이 어느 수준으로 교과서에 반영되어 있는지 알아보고자 한다.
물의 전기 분해 현상을 설명하기 위하여 과학자들은 서로 다른 모델들을 상상, 추론하고, 이러한 모델로부터 예측되는 현상을 확인하면서 이그노런스에 해당하는 부분을 드러내었다. 따라서 이 연구에서도 물의 전기 분해와 관련된 내용을 중심으로 화학 교과서가 모델을 어떻게 제시하고 있는지에 대해 분석해 보고자 한다.
수용액의 전기 분해에서 전해질이 실제 관여하는지 알아보기 위해 전해질의 종류에 따라 (+) 극과 (-) 극에서 발생하는 기체의 부피비가 다른지 검증해 보는 실험을 수행할 수 있다. 연구자들이 실제 실험한 결과를 Table 4에 제시하였다.
이 연구에서는 2015 개정 교육과정에서 강조하는 모형의 개발과 사용, 증거에 기초한 토론과 논증과 같은 “기능” 활동을 위하여 다양한 조건에서 다른 실험 현상을 관찰하도록 제안하고자 한다.
실험의 가치는 모델의 적합성을 평가하는 과정을 통해 인식되어야 한다는 점에서 2015 개정 교육과정에서 새롭게 강조한 ‘모델의 개발과 사용’, ‘증거에 기초한 토론과 논증’, ‘평가’ 기능의 활동으로 매우 중요하다. 이 연구에서는 수용액의 전기 분해 실험을 통해 중등학교 화학 교과서에서 증명하고자 하는 모델이 학년에 따라 달라지며, 실제 실험 자료와 일치하지 않는 사례가 발생함을 제시하였다. 또한 이 연구에서는 2015 개정 교육과정에서 개발한 중등학교 화학 교과서를 2009 개정 교육과정에서 개발 된 교과서와 비교함으로써 교육과정의 변화가 교과서에 제대로 반영되었는지에 대해서도 분석하였다.
그 대신 (-)극에서는 물이 전기 분해 되면서 수소 이온이 발생한다. 이러한 모델은 순수한 물 뿐 아니라 표준 환원 전위를 고려하여 전해질도 전기 분해에 참여한다는 새로운 모델을 제시하는 것이다. 예를 들어 “전해질 음이온과 물에서 전자를 내놓기 쉬운 물질이 산화되기 때문에 F⁻, CO₃²⁻, PO₄³⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻ 등은 물이 산화되어 산소 기체가 나오고, Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Al³⁺ 등은 수용액에서 환원되기 어려우므로 물이 대신 환원되어 수소 기체가 나온다.
전해질의 농도를 매우 묽게 하면 물론 전해질의 존재를 무시하고 실험 결과를 해석할 수 있지만, 어느 정도 농도가 유지되지 않으면 물은 전기 분해 되지 않는다. 전해질 없이는 물의 전기 분해 현상이 나타나지 않고, 전해질의 농도가 진해지면 실험 결과로 측정한 기체의 부피비가 물만 순수하게 분해되는 값과 차이가 생기는 이러한 실험 현상을 이 연구에서 제안함으로써 앞으로 개발될 교과서에서 모델의 개발과 사용, 증거에 기초한 토론과 논증, 평가, 의사소통 등의 활동이 보다 활발하게 이루어지기를 기대해 보고자 한다.

가설 설정

8의 모델을 수정할 필요를 느껴야 한다. 그 중에 하나의 시도는 Fig. 8의 모델과 달리, 전해질은 전류를 흘려주는 역할 이외에 다른 역할을 담당할 것이라는 가정이다. 예를 들어, 전류가 흐르면서 극에 닿은 물만 산화 환원에 참여하여 전자의 이동을 일으키는 것이 아니라, 전해질도 이동하면서 극에 닿아서 스스로 전자를 주고받는 산화환원 반응에 참여한다는 것이다.

제안 방법

48−55 실험 결과로부터 생성된 기체를 확인하여 물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 구성되었다는 사실을 추리하도록 한다.
수용액의 메니스커스를 유리관의 눈금 0에 맞추고 60분이 지난 후 수용액의 수위 변화를 통해 발생한 기체의 부피를 측정하였다. 단, 0.5M, 1.0M 수용액에 20V의 전압을 가했을 경우, 기체의 발생 속도가 빨라 20분 후에 기체의 부피를 측정하였다. Table 3의 결과는 2회 반복 실험의 평균값이다.
이 연구에서는 수용액의 전기 분해 실험을 통해 중등학교 화학 교과서에서 증명하고자 하는 모델이 학년에 따라 달라지며, 실제 실험 자료와 일치하지 않는 사례가 발생함을 제시하였다. 또한 이 연구에서는 2015 개정 교육과정에서 개발한 중등학교 화학 교과서를 2009 개정 교육과정에서 개발 된 교과서와 비교함으로써 교육과정의 변화가 교과서에 제대로 반영되었는지에 대해서도 분석하였다. 그러나 수용액의 전기 분해에 관련된 교과서 내용에 국한하여 보았을 때에는 큰 변화가 없었으므로, 이 연구에서는 2015 개정 교육과정에서 강조하는 모델과 관련된 ‘기능’을 수행할 수 있도록 교과서의 내용이 재구성될 필요성을 제안하였다.
또한 전해질 용액의 농도 차이, 그리고 전압 차이에 따른 실험 결과의 변화를 확인하기 위하여 0.1M, 0.2M, 0.5M, 1.0M Na2SO4 수용액에 10V, 20V의 전위를 가하며 전류량, 각 전극에서 발생한 기체의 부피를 측정하였다.
라는 그의 책에서 물의 전기 분해에 관련된 과학자들의 다양한 모델을 소개하였다. 물의 전기 분해 현상을 설명하기 위하여 과학자들은 서로 다른 모델들을 상상, 추론하고, 이러한 모델로부터 예측되는 현상을 확인하면서 이그노런스에 해당하는 부분을 드러내었다. 따라서 이 연구에서도 물의 전기 분해와 관련된 내용을 중심으로 화학 교과서가 모델을 어떻게 제시하고 있는지에 대해 분석해 보고자 한다.
0M NaOH 수용액, Na₂SO₄ 수용액, KNO₃ 수용액에 10V의 전압을 가하며 각 전극에서 발생한 기체의 부피를 측정하였다. 발생한 기체의 부피는 수용액의 메니스커스를 유리관의 눈금 0에 맞추고 수용액의 수위 변화를 통해 측정하였다. 대부분의 수용액에서는 기체의 부피를 30분 후 측정하였으며, 0.
분석 대상 자료를 과학사 및 과학철학 전문가 1인, 과학교육 전문가 1인과 현직 화학 교사인 과학교육 박사 1인, 현직 화학 교사인 박사과정 3인이 교차 분석한 후, 일치되지 않은 부분은 상호 의견교환 과정을 거쳐 분석 기준을 재조정한 후에 최종적인 분석을 하였다.
0M Na₂SO₄ 수용액에 10V, 20V의 전위를 가하며 전류량, 각 전극에서 발생한 기체의 부피를 측정하였다. 수용액의 메니스커스를 유리관의 눈금 0에 맞추고 60분이 지난 후 수용액의 수위 변화를 통해 발생한 기체의 부피를 측정하였다. 단, 0.
연구자들이 실제 실험한 결과를 Table 4에 제시하였다. 이 실험은 호프만식 전기 분해 장치와 탄소 전극을 사용하였으며 0.2M, 0.5M, 1.0M NaOH 수용액, Na₂SO₄ 수용액, KNO₃ 수용액에 10V의 전압을 가하며 각 전극에서 발생한 기체의 부피를 측정하였다. 발생한 기체의 부피는 수용액의 메니스커스를 유리관의 눈금 0에 맞추고 수용액의 수위 변화를 통해 측정하였다.
이에 관련된 내용을 다룬 교과서로 2009 개정 교육과정의 화학 I 교과서 4종,40−43 화학 II 교과서 4종44−47과 2015 개정 교육과정의 화학 I 교과서 8종,48−55 화학 II 교과서 6종56−61을 분석하였다.

대상 데이터

2015 개정 교육과정의 교과서에서 모델의 개발과 사용이라는 항목에 변화가 있는지 확인하기 위하여 ‘수용액의 전기 분해’와 관련된 내용을 분석 대상으로 선정하였으며 2009 개정 교육과정 교과서와 비교였다.
구체적인 실험 결과를 Table 3에 제시하였다. 대부분의 교과서에서는 SSC(Small Scale Chemistry) 실험을 제시하고 있지만, 백금전극이나 탄소전극과 같은 다양한 전극의 사용이 용이하고, 부피비 관찰이 보다 확실하게 관찰되는 장점 때문에 2015 개정 교육과정 화학 I 교과서 4종에 제시하고 있는 호프만식 전기 분해 장치로 실험 자료를 수집하였다(Fig. 6). 또한 전해질 용액의 농도 차이, 그리고 전압 차이에 따른 실험 결과의 변화를 확인하기 위하여 0.

성능/효과

⁴⁸⁻⁵⁵ 실험 결과로부터 생성된 기체를 확인하여 물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 구성되었다는 사실을 추리하도록 한다. 그리고 물 분자가 수소 기체와 산소 기체로 분해되는 과정에서 전류를 흘려주면서 전자가 공유 결합에 관여한다는 것을 제시한다.
연구자들이 수행한 모든 실험에서는 수소와 산소 기체 이외에 다른 물질들이 생성되고 있음을 생성 기체의 부피비, 지시약의 색변화, 전극의 반응, 침전물 등을 통해 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과에 근거하면 전기 분해를 통해 물이 수소와 산소로 구성되었다는 것을 증명할 수 없다.
이러한 실험 결과는 전해질 수용액의 전기 분해 과정에서 순수하게 물만 분해되는 이상적인 상황이 아니라는 것을 보여준다. 따라서 이러한 실험을 통해 2015 개정 교육과정에서 강조하는 모형의 개발과 사용, 증거에 기초한 토론과 논증, 평가, 의사소통 등의 활동이 가능하도록 구성할 수 있다.
3). 즉, 자연 현상을 탐구하기보다는 교실에서 통제된 현상을 관찰하거나 실험한 후, 이러한 관찰 자료를 자연 현상과 동일시하는 것으로 나타났다. 따라서 이 과정에서 모델의 예측 기능이 사라지고, 모델이 직접적으로 관찰 자료를 설명하는 형태로 이루어지는 것이 일반적이었다.
전기 분해 실험을 실제 수행하면 교과서의 모델로는 예측할 수 없는 3가지의 현상을 관찰할 수 있다. 첫째, Na₂SO₄ 수용액에서는 항상 (-)극에서 발생하는 기체의 부피가 (+)극에서 발생하는 기체의 부피보다 2배 이상 크다. 물론 교과서의 실험에서 보려는 초점이 기체의 부피비가 아니라 수소 기체와 산소 기체의 발생이라고 할 수 있지만, 기체의 부피비가 2배 이상이 나오는 결과는 발생하는 기체가 순수하게 물에서 분해된 수소 기체와 산소 기체만이 아니며 다른 기체의 존재를 포함한다는 해석의 근거를 제공한다는 점에서 의미를 가진다.
호프만식 실험 장치의 문제일 수 있으므로, SSC 실험 장치로 실험한 결과, 1M KNO₃ 수용액에서는 (+)극이 은백색이 검은색으로 변했으며, 바닥에 검은색 침전물이 쌓이는 것을 관찰할 수 있었다(Fig. 18). 이는 극이 전기 분해 과정에서 반응함을 보여준다.
호프만식 전기 분해 장치의 문제 때문에 기체의 부피 측정에 오차가 발생할 수 있으므로, SSC 실험 장치로 KNO₃ 수용액에 9V를 가한 실험(Fig. 19)도 수행하였으나, 이 실험에서도 산소의 부피가 수소의 부피보다 5배~10배 정도 더 많이 나오는 것을 확인하였다.

후속연구

그러나 수용액의 전기 분해에 관련된 교과서 내용에 국한하여 보았을 때에는 큰 변화가 없었으므로, 이 연구에서는 2015 개정 교육과정에서 강조하는 모델과 관련된 ‘기능’을 수행할 수 있도록 교과서의 내용이 재구성될 필요성을 제안하였다.
9). 다양한 전해질을 사용함으로써 나타날 수 있는 다양한 실험 결과를 토대로 증거에 기초한 토론과 논쟁, 모델의 적절성에 대한 평가 활동이 가능할 수 있다. 이러한 점에서 전해질을 한 가지로 제한한 2015 개정 교육과정의 모든 화학 I 교과서는 오히려 모델에 관련된 “기능”을 학생들이 경험할 기회를 제한하였다고 볼 수 있다.
또한 만약 교사들이 수업의 목표로 수용액의 전기 분해 실험을 통해 물이 수소 2 : 산소 1의 부피로 결합했다는 것을 증명하고자 한다면, 물의 전기 분해 실험 장치로 백금 전극을 사용하고, 전해질은 농도에 관계없이 NaOH 수용액을 사용하는 것이 적절하다. 이러한 조건에서 벗어난다면, 예상과 다른 다양한 실험 결과를 얻게 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미국 차세대 과학교육표준(Next Generation Science Standards 이하 NGSS)에서 제시하는 새로운 방안은 무엇인가?	1 그동안 과학교육에서는 탐구 실험을 강조하면서, 질문을 던지고, 관찰하고, 실험하고, 측정하는 과정을 통해 자료를 얻고 해결 방안을 검증하는 탐구에 초점을 두었다. 그러나 이제 그보다 더 중요한 활동으로, 이론과 모델을 만들고, 추론하고, 계산하고, 예측하는 활동을 통해 가설을 구축하고 해결 방안을 제안하는 것, 즉 설명과 해결 방안을 개발하는 과정과 그 결과로 나온 이론이나 모델을 자연 현상과 연결하면서 비평하고, 분석하는 평가 활동이 강조되었다. NGSS에서는 이를 ‘Practice’라고 하였다.
	국내에서 NGSS의 영향을 받아 무엇이 강조되는가?	우리나라 2015 개정 교육과정은 NGSS의 영향을 받아, 내용 체계 및 성취 기준의 요소로 ‘Practice’를 ‘기능’으로 번역하고 모든 학년의 과학 교육과정에서 강조하고 있다.2 교육과정에 제시된 기능의 항목으로 문제 인식, 자료의 수집·분석 및 해석, 결론 도출과 같은 전통적인 탐구 기능뿐 아니라, 수학적 사고와 컴퓨터 활용, 모형의 개발과 사용, 증거에 기초한 토론과 논증, 평가, 의사소통 등이 포함되어 있다.
	그동안 과학교육은 어떤 방법을 추구하였는가?	1)을 제시하였다.1 그동안 과학교육에서는 탐구 실험을 강조하면서, 질문을 던지고, 관찰하고, 실험하고, 측정하는 과정을 통해 자료를 얻고 해결 방안을 검증하는 탐구에 초점을 두었다. 그러나 이제 그보다 더 중요한 활동으로, 이론과 모델을 만들고, 추론하고, 계산하고, 예측하는 활동을 통해 가설을 구축하고 해결 방안을 제안하는 것, 즉 설명과 해결 방안을 개발하는 과정과 그 결과로 나온 이론이나 모델을 자연 현상과 연결하면서 비평하고, 분석하는 평가 활동이 강조되었다.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증