[논문]다양한 산·염기 문제해결과정에서 드러난 고등학교 3학년 이과 학생들의 준미시적 표상화 능력의 결여

박철용; 원정애; 김성기; 최희; 백성혜

doi:10.5012/jkcs.2020.64.1.30

다양한 산·염기 문제해결과정에서 드러난 고등학교 3학년 이과 학생들의 준미시적 표상화 능력의 결여
Lack of Sub-microscopic Representation Ability of 12th Grade Science Students in Various Acid and Base Problem Solving Processes 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.64 no.1, 2020년, pp.30 - 37

박철용 (공주사대부설고등학교) , 원정애 (대전광역시교육청) , 김성기 (광주과학고등학교) , 최희 (봉명고등학교) , 백성혜 (한국교원대학교 화학교육과)

초록
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이 연구는 산·염기 반응의 준미시적 표상화 과정에서 학생들이 부딪치는 문제점을 파악하는 것이다. 이를 위하여 다양한 산·염기 모델을 학습한 고등학교 3학년 이과 학생들 30명을 선정하였다. 학생들의 준미시적 표상화 능력을 파악하기 위하여 한 종류의 용질과 용매 상황, 두 종류의 용질과 용매 상황, 용매가 물인 경우와 물이 아닌 경우 등 다양한 맥락의 9 문항을 개발하였다. 모든 문항에서 화학변화 개념의 결여가 지속적으로 나타났다. 수용액 상황과 비수용액 맥락에서, 암모니아를 용질이나 용매로 제시한 문항에서 화학결합 개념의 결여 빈도는 높았다. 그리고 이온화도 개념 결여의 비율도 매우 높았다. 따라서 화학 교사들은 다양한 산·염기 문제를 푸는 상황에서 학생들이 부딪치는 어려움을 분석함으로써 학생들의 준미시적 표상화 능력을 높여줄 수 있다는 것을 알아야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to identify the problems faced by students in sub-microscopic representation of acid-base reactions. Herein, we selected 30 students of 12th grade science classes, who had studied various acid-base models. In order to investigate the sub-microscopic representation ability of the students, we developed nine items related to various contexts, such as one type of solute and solvent, two types of solutes and solvent, cases with water as solvent or with nonaqueous solvents. For all items, we consistently observed lack of concept of chemical change. In context of aqueous and nonaqueous solutions, the frequency of lack of concept of chemical bonding was high if ammonia was the solute or solvent. Moreover, the frequency of lack of concept related to the degree of electrolytic dissociation was high. Therefore, chemistry teachers should understand that students' ability to sub-microscopic representation of acid-base reactions can be enhanced by analyzing the difficulties faced by the students in solving diverse acid-base problems.

주제어

표/그림 (8)

그림 Figure 1. The links between the three levels of chemical representation of matter.²²
표 Table 1. Context considered in item development
그림 Figure 2. The examples of items related to non-aqueous solution and aqueous solution.
그림 Figure 3. Examples of students’ answers related to lack of chemical change concept.
그림 Figure 4. Examples of students’ answers related to lack of chemical bonding concept in item 3.
그림 Figure 5. Examples of students’ answers related to lack of chemical bonding concept in item 4~6.
그림 Figure 6. Examples of students’ answers related to lack of electrolytic dissociation degree concept.
표 Table 2. Number of students with lack of concepts by the items (%)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 문항에서 제시한 정보들은 학생들의 산·염기 개념에 대한 준미시적 표상화 능력의 표현에 대한 보조의 역할을 할수 있도록 제시하였다.
예를 들어 선행연구25에서 학생들은 암모니아에 수산화 이온이 포함되어 있지 않기 때문에 수소 이온만 있는 것을 보고 산으로 오해한다는 연구 결과를 발표하였다. 따라서 이 연구에서도 학생들의 오개념을 확인하기 위하여 암모니아에서 수소 이온이 떨어질 수 있는 형태의 준미시적 표상을 제시하였다. 이때 준미시적 표상을 하나의 질소 원자와 3개의 수소 원자로 표현할 수도 있지만, 이렇게 된다면 복잡성이 올라가기 때문에 학생들의 다양한 응답을 분류하는 기준이 너무 많아질 수 있어서 하나의 수소만으로 분리할 수 있는 표상으로 제한하여 제시하였다.
연구에서는 문항에서 주어진 제한된 입자 수를 고려하여 상대적으로 농도를 고려할 수 있도록 표현하였다. 그러나 명확하게 온도와 농도의 정보를 제시하지 않는다면 학생들은 비수용액에서의 해리도를 예측할 수 없을 것이다.
이 연구에서는 다양한 맥락의 산·염기 문제해결과정에서 고등학교 3학년 이과 학생들이 드러낸 준미시적 표상화의 문제점을 파악하고자 하였다.
이 연구에서는 학생들이 다양한 맥락의 산·염기 문제를 준미시적 표상으로 나타내는 과정에서 발생하는 문제점이 무엇인지를 파악하고자 하였다.
이 연구의 초점은 입자에 대한 준미시적 표상을 사용하는 역량이 아니라 다양한 산·염기 개념을 맥락에 적용하는 역량을 알아보는 것이다.

제안 방법

개발한 문항에서는 용질이 한 종류인 맥락에서 용질과 용매가 각각 산인지 염기인지 혹은 둘 다 아닌지의 세 가지 답지 중에 한 가지 답을 선택하도록 하였으며, 응답을 한 이유를 적도록 하였다. 이러한 답지 구성은 Furió-Más 등의 연구26에서 밝힌 개념모델(Conceptual model) 3가지를 토대로 하였다.
이러한 답지 구성은 Furió-Más 등의 연구26에서 밝힌 개념모델(Conceptual model) 3가지를 토대로 하였다. 그러나 용질이 두 종류인 맥락에서는 용질과 용매의 산, 염기 분류 및 그 이유를 통하여 학생들이 가지고 있는 생각을 표현한 보기(a, b, c)를 개발하였다 (Fig. 2). 이때 답지의 제작에 산·염기 학습발달과정에 대한 선행연구26를 참고하였다.
다양한 산·염기 맥락에 따라 준미시적 표상화 능력을 알아보기 위하여 총 9개 문항을 개발하였다.
또한 대입 준비로 바쁜 고등학교 3학년 학생들을 대상으로 설문을 할 수 있는 고등학교가 매우 한정적이라는 문제도 있었다. 따라서 연구자들과 래포(rapport) 를 형성하고 있는 교사들에게 연구의 취지를 설명하고, 이들이 가르치는 학생들에게 교사들이 직접 설문조사를 실시하였다. 학생들에게는 문항을 풀면서 이해가 되지 않는 부분에 대해서는 질문을 하도록 요청하였으나, 문항 풀이 과정에서 특별한 문항의 문제는 제기되지 않았다.
교사들은 연구 대상 학생들에게 연구의 취지를 설명하고, 연구 참여에 대한 동의서를 학생 및 학부모로부터 받은 학생들만을 대상으로 자료를 수집하였다. 또한 일부 문항의 응답을 하지 않은 학생들의 설문은 배제하고, 모든 문항에 답을 한 학생들의 설문지만을 자료로 활용하였다. 이러한 과정을 통해 최종적으로 분석 대상으로 선택된 학생 수는 30명이었다.
연구의 대상은 비록 고등학교 3학년 학생들이지만, 산·염기에 대한 내용은 초등학교 5학년부터 중학교에서도 다루기 때문에 보다 보편적인 연구 대상을 위하여 학생들이 선행 지식의 문제로 인해 답을 못하는 상황이 발생하지 않도록 각 물질에 대한 기본적인 정보(화학식, 모형, 성질, 지시약의 색변화)를 문항에 제시하고, 답을 선택한 이유를 적거나 자신의 생각을 그림으로 표현해 보도록 요구하였다. 또한 제시한 물질 중에서 어느 부위의 수소가 떨어지는 지에 대한 정보가 부족하여 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위하여 맥락을 제시할 때 반응에 참여하지 않는 부분은 한 형태의 다각형으로 제시하였다. 그러나 실제로 반응에 참여하지 않는 수소 입자이지만 학생들이 산으로 작용하여 떨어질 수 있다는 오개념을 가진 경우에는 이를 분리될 수 있는 입자로 표시하였다.
연구의 대상은 비록 고등학교 3학년 학생들이지만, 산·염기에 대한 내용은 초등학교 5학년부터 중학교에서도 다루기 때문에 보다 보편적인 연구 대상을 위하여 학생들이 선행 지식의 문제로 인해 답을 못하는 상황이 발생하지 않도록 각 물질에 대한 기본적인 정보(화학식, 모형, 성질, 지시약의 색변화)를 문항에 제시하고, 답을 선택한 이유를 적거나 자신의 생각을 그림으로 표현해 보도록 요구하였다.
자료 분석 학생들의 설문 조사 결과는 질적 자료의 일반적인 분석 법27에 따라 유목화(categorizing), 코딩(coding), 심화 코딩의 절차에 따라 분석되었다. 연구자가 설문 답변의 패턴을 탐색하여 1차로 유목화한 후에 코딩하였고, 과학교육 전문가 2인, 화학교육 박사과정 1인과 함께 유목화와 코딩의 타당성을 검토하였다. 그 결과, 학생들의 반응은 크게 3가지 유형으로 분류하였다.
따라서 이 연구에서도 학생들의 오개념을 확인하기 위하여 암모니아에서 수소 이온이 떨어질 수 있는 형태의 준미시적 표상을 제시하였다. 이때 준미시적 표상을 하나의 질소 원자와 3개의 수소 원자로 표현할 수도 있지만, 이렇게 된다면 복잡성이 올라가기 때문에 학생들의 다양한 응답을 분류하는 기준이 너무 많아질 수 있어서 하나의 수소만으로 분리할 수 있는 표상으로 제한하여 제시하였다.
이를 위하여 다양한 산·염기 모델을 학습한 고등학교 3학년 이과 학생들 30명을 대상으로 설문 조사를 하였으며, 한 종류의 용질이 용매에 녹는 상황과 두 종류의 용질이 용매에 녹는 상황, 용매가 물인 경우와 물이 아닌 경우 등으로 맥락을 구분한 9개의 문항을 개발하였다.
자료 분석 학생들의 설문 조사 결과는 질적 자료의 일반적인 분석 법27에 따라 유목화(categorizing), 코딩(coding), 심화 코딩의 절차에 따라 분석되었다. 연구자가 설문 답변의 패턴을 탐색하여 1차로 유목화한 후에 코딩하였고, 과학교육 전문가 2인, 화학교육 박사과정 1인과 함께 유목화와 코딩의 타당성을 검토하였다.
특히 Brønsted-Lowry 개념은 Arrhenius 개념과 달리 비수용액 상황에서도 산·염기 반응이 일어나기 때문에 비수용액 상황에서 학생들이 준미시적 표상을 어떻게 적용하는지 알아보기 위하여 ④~⑥ 문항을 개발하였다.
다양한 산·염기 맥락에 따라 준미시적 표상화 능력을 알아보기 위하여 총 9개 문항을 개발하였다. 표상화 능력을 파악하기 위하여 개발한 9 문항에서 요구하는 맥락은 크게 용매인 물에 한 종류의 용질인 산이나 염기가 녹는 상황 (문항 ①~③), 물이 아닌 암모니아나 아세트산 용매에 한 종류의 용질인 산이 녹는 상황(④~⑥), 그리고 용매인 물에 두 종류의 용질인 산과 염기가 녹는 상황(⑦~⑨) 등 3가지로 구분하였다. 특히 Brønsted-Lowry 개념은 Arrhenius 개념과 달리 비수용액 상황에서도 산·염기 반응이 일어나기 때문에 비수용액 상황에서 학생들이 준미시적 표상을 어떻게 적용하는지 알아보기 위하여 ④~⑥ 문항을 개발하였다.
나머지 한 유형은 이온화도 개념의 결여인데 이는 ②, ③, ⑥번 문항에서 분석하였다. 학생들의 설문 응답 결과를 바탕으로 유목을 정교화하여 재코딩을 거친 후 타당성을 검토하였으며, 이러한 과정은 새로운 유목이 발견되지 않을 때까지 반복하였다.

대상 데이터

설문대상은 3개고등학교의학생들을편의표집(conveniencesampling)하였다. 본 연구의 개방형 설문지 작성시간은 약 40~50분 정도 소요되며 상당한 집중력이 필요하기 때문에 무선표집한 학교에 투입하면 학생들이 무성의하게 답을 할 경우 의미 있는 자료를 얻기 어렵다고 판단하였기 때문이다.
연구 대상으로는 고등학교 3학년 이과 학생들을 선택하였다. 연구 시점에서 고등학교 3학년 학생들은 2009 개정교육과정에서 다루는 여러 가지 산·염기 개념을 학습한 상태였다.
또한 일부 문항의 응답을 하지 않은 학생들의 설문은 배제하고, 모든 문항에 답을 한 학생들의 설문지만을 자료로 활용하였다. 이러한 과정을 통해 최종적으로 분석 대상으로 선택된 학생 수는 30명이었다.

이론/모형

이러한 답지 구성은 Furió-Más 등의 연구26에서 밝힌 개념모델(Conceptual model) 3가지를 토대로 하였다.

성능/효과

둘째는 화학결합 개념의 결여인 데, 물질 중에서 어느 부위의 수소 이온이 떨어지고 붙는지에 대한 개념 부족으로 다양한 유형의 오류를 나타내었다. 셋째는 이온화도 개념의 결여인데, 거의 대부분의 학생들이 이러한 문제를 가진 것으로 관찰되었다.
연구 결과, 학생들은 준미시적 표상으로 산·염기 반응을 나타내는 과정에서 3가지 유형의 결여를 보여주었다.
첫째는 화학변화 개념의 결여인데, 고등학교 3학년 이과 학생들로 화학 II 교육과정까지 이수하였지만 거시적 관점의 물리변화로 산·염기 반응을 준미시적 표상화하는 비율이 꾸준히 관찰되었다.
화학결합 개념의 결여는 ③번, ④번, ⑤번, ⑥번, 그리고 ⑨번 문항에서 상대적으로 높은 비율을 나타내었다. 이중 에서 ⑥번을 제외한 모든 문항은 공통적으로 암모니아를 용질이나 용매로 사용하고 있다.
9개 문항에 따른 결여 유형별 학생들의 반응을 분석하여 Table 2에 제시하였다. 화학변화 개념의 결여는 맥락에 따라 큰 변화를 보이지 않고 비교적 일정한 비율(평균 14.4%)을 유지하였다. 연구 대상 학생들이 고등학교 3학년 이과 학생임에도 불구하고, 고려할만한 비율의 학생들이 여전히 물리변화와 화학변화의 구분을 준미시적 표상 수준에서 못하고 있으며, 산과 염기의 반응을 혼합으로 생각하거나 용질이 사라지는 상황으로 이해하고 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Chittleborough & Treagust21의 주장은 무엇인가?	이를 제안한 Johnstone18,19의 관점은 화학 교육 연구에 매우 유익한 기여를 하였다.17,21−23 Chittleborough & Treagust21는 Johnstone18이 제안한 준미시 수준(sub-microscopic level)을 실제 세계(real world)와 표상(representation)의 겹침으로 제시하였다(Fig. 1).
	고등학교 3학년 학생들의 어려움을 위해 교사들에게 요구되는 바는 무엇인가?	그러나 이 연구를 통해 중등화학교육과정을 모두 이수한 고등학교 3학년 학생들이 산·염기 반응을 준미시적 표상으로 표현하는데 어려움을 가지고 있음을 확인하였다. 따라서 교사들은 산·염기 반응을 가르칠 때 실험 현상을 상징적인 화학 반응식으로만 표현하지 말고, 준미시적 표상으로 표현하는 훈련을 학생들에게 제시하는 것이 필요하다. 또한 앞으로 화학 I과 II 교과서에서도 화학반응식과 함께 다양한 맥락에서의 준미시적 표상을 제시하려는 노력도 필요하다고 본다.
	화학의 가장 보편적인 특징은 무엇인가?	화학은 근본적으로 물질의 구성, 성질, 반응을 핵심적으로 다룬다. 17 그리고 화학의 가장 보편적인 특징은 미시적 관점과 거시적 관점이 서로 연결되어 있다는 것이다. 19−21 예를 들어, 용액이나 기체의 발생과 같은 거시적 수준의 관찰은 미시적 수준의 원자, 분자, 이온의 상호작용으로 설명한다.

참고문헌 (29)

Nakhleh, M. B. J. Chem. Educ. 1992, 69, 191.

상세보기
Garnett, P. J.; Garnett, P. J.; Hackling, M. W. Stud. Sci. Educ. 1995, 25, 69.

상세보기
Paik, S. H. J. Chem. Educ. 2015, 92, 1484.

상세보기
Taber, K. S. Int. J. Sci. Educ. 2000, 22, 399.

상세보기
Taber, K. S. Int. J. Sci. Educ. 2008, 30, 1027.

상세보기
Talanquer, V. J. Chem. Educ. 2006, 83, 811.

상세보기
Teo, T. W.; Goh, M. T.; Yeo, L. W. Chem. Educ. Res. Pract. 2014, 15, 470.

상세보기
Taber, K. S.; Coll, R. K. In Chemical Education: Towards Research-Based Practice; Springer: Dordrecht, 2002; pp 213-234.
Watts, D. M.; Gilbert, J. K. Res. Sci. & Tech. Educ. 1983, 1, 161.

상세보기
Tumay, H. Chem. Educ. Res. Pract. 2014, 15, 366.

상세보기
Tumay, H. Chem. Educ. Res. Pract. 2016, 17, 229.

상세보기
Schmidt, S. R. Mem. Cognit. 1991, 19, 523.

상세보기
Wandersee, J. H.; Mintzes, J. J.; Novak, J. D. In Handbook of Research on Science Teaching and Learning; Gable, D. L., Ed.; Macmillan Publishing Company: NY, 1994.
Sanger, M. J.; Greenbowe, T. J. J. Chem. Educ. 1999, 76, 853.

상세보기
Schmidt, H. J.; Baumgartner, T.; Eybe, H. J. Res. Sci. Teach 2003, 40, 257.

상세보기
Demircioglu, G.; Ayas, A.; Demircioglu, H. Chem. Educ. Res. Pract. 2005, 6, 36.

상세보기
Gilbert, J. K.; Treagust, D. F. In Multiple Representations in Chemical Education; Springer; Dordrecht, 2009; pp 1-8.
Johnstone, A. H. J. Comput. Assist. Learn 1991, 7, 75.

상세보기
Johnstone, A. H. Chem. Educ. Res. Pract. 2000, 1, 9.

상세보기
Jensen, A. R. The G Factor; Praeger: Westport, C. T., 1998.
Chittleborough, G.; Treagust, D. F. Chem. Educ. Res. Pract. 2007, 8, 274.

상세보기
Talanquer, V. Int. J. Sci. Educ. 2011, 33, 179.

상세보기
Taber, K. S. Chem. Educ. Res. Pract. 2013, 14, 156.

상세보기
Kousathana, M.; Demerouti, M.; Tsaparlis, G. Sci. & Educ. 2005, 14, 173.

상세보기
Romine, W. L.; Todd, A. N.; Clark, T. B. Sci. Educ. 2016, 100, 1150.

상세보기
Furio-Mas, C.; Calatayud, M. L.; Guisasola, J.; Furio- Gomez, C. Int. J. Sci. Educ. 2005, 27, 1337.

상세보기
Creswell, J. W.; Miller, D. L. Theory Into Practice 2000, 39, 124.

상세보기
Oxtoby, D. W.; Gillis, H. P.; Butler, L. J. Principles of Modern Chemistry, 7th ed.; Cengage Learning: 2015.
Harris, D. C. Quantitative Chemical Analysis, 7th ed.; W. H. Freeman & Company: 2007.

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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