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혁재 오
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1 Journal of the Korean Chemical Society Printed in the Republic of Korea 예비과학교사의화학개념에대한이해도조사와오답반응분석 : 중학교교육과정을중심으로 이현정 최원호, * 청계자유발도르프학교 한국교육과정평가원 ( 접수 ; 게재확정 ) Research of Pre-Service Science Teachers Understanding About the Chemistry Concept and Analysis of Incorrect Responses: Focus on Middle School Curriculum Hyun-Jeong Lee and Won-Ho Choi, * Cheonggye Free Waldorf School, Uiwang-si Gyeonggi-do , Korea Korea Institute for Curriculum and Evaluation, Seoul , Korea. * stensil@naver.com (Received June 30, 2011; Accepted September 21, 2011) 요약. 본연구에서는사범대학과학교육과에재학중인예비과학교사들을대상으로중학교교육과정에해당하는화학개념의이해도를조사하고예비과학교사들의배경변인에따른답지반응분석을실시하였다. 연구결과, 오답을선택하는예비과학교사들이모든문항에서나타났으며, 문제를해결했더라도각문항의해결에필요한개념을충분히이해하지못하는예비과학교사들이있음을알수있었다. 그리고특정문항에대해서는예비과학교사들이고등학교시절대학수학능력시험의선택과목으로화학을선택한것과상관없이정답률이낮았다. 이결과의원인을찾기위한심층질문을통해몇가지사실을알수있었다. 첫째, 중학교학생들이가지고있는오개념을예비과학교사들도가지고있었다. 둘째, 대학수학능력시험선택과목으로화학선택유무에따라정답률에차이가없었다. 셋째, 개념에대한본질적이해전에계산을통한문제풀이나단순기억에의해문제를해결하려는학습습관은오개념형성에영향을주었으며, 형성된오개념은대학생이되어도지속적으로나타나는경향이있었다. 주제어 : 예비과학교사, 오개념 ABSTRACT. We investigated the understanding of pre-service science teacher about the chemistry concept of middle school curriculum using some items in National Assessment of Educational Achievement and analyzed the result according to background variables of pre-service science teacher. The result was that there were some pre-service science teachers who select incorrect answer at all items, pre-service science teachers don t fully understand the concept needed to solve item. And the percentage of correct answer at some items was low regardless of selection of chemistry as an elective subject at CSAT(College Scholastic Ability Test). We found some facts through the depth interviews to find the cause of the result. First, the misconception acquired in middle school days is tend not to change until college student. Second, the formation of misconception is affected by the study habit with which solve problem by simple calculation and memory without essential understanding. Third, the study habit with which solve problem by simple calculation and memory without essential understanding could not replace misconceptions acquired in middle school days with scientific concept regardless of selection of chemistry as an elective subject at CSAT. Key words: Pre-service science teacher, Misconception 서론학생들은학교에서과학개념의학습이전에선개념을가지고있으며, 이것은학습에많은영향을끼치고쉽게변하지않는성질을가지고있다 1. 그래서학생들이잘못된선개념을계속유지한상태로후속학습에임하면새 로운오개념을형성할수있다 2. 과학오개념은과학교사들에게도나타난다. 중학교과학교사들의물리개념에대한이해도를조사한연구 3 에따르면물리를전공하지않은중학교과학교사들이힘과운동내용영역에서개념에대한정답률이높지않았고일부교사는오개념을가지고있어서물리개념을정

2 예비과학교사의화학개념에대한이해도조사 ( 중학교교육과정을중심으로 ) 1031 확히설명하는데어려움이있을수있다고하였다. 그리고빛과파동에대한개념을조사한연구 4 에서도부분적이지만본질적인이해를요구하는부분에서학생과유사한오개념이발견된다고보고하였다. 또한중학교과학교사들을대상으로실시한연구 5 에서교사들은확산개념에대하여부분적으로이해하고있었으며, 화학교사와학생들을대상으로전극전위에대한이해정도를조사한연구 6 에서전극간에전위차가있어도수용액속의전해질보다두전극의이온화경향이작으면전류가흐르지않는다는오개념이대부분의학생들과일부화학교사에게서발견되었다. 과학교사들이가지는과학오개념은예비과학교사에게도발견된다. 과학교사, 예비과학교사, 학생들을대상으로끓는점오름현상의원인을물어본연구 7 에따르면, 용매-용질간의인력을끓는점오름의원인으로인식하는비율이학생과예비과학교사, 화학교사모두에서나타났다. 또한예비화학교사들을대상으로화학전지에관한개념을조사한연구 8 에서예비과학교사의일부가갈바니전지와전해전지에대한개념을이해하는데어려움과오개념을가지고있었다. 현재모든화학개념에대하여확인된것은아니지만예비과학교사들이가진오개념은과학교사가된후학생들의오개념형성에영향을줄수있기때문에예비과학교사들이어떤오개념을가지고있는지조사하고오개념생성원인을연구하는것은우수한예비과학교사를양성한다는차원에서필요하다. 예비과학교사들을대상으로실시하는교사양성프로그램에서학생오개념에대한지식을배우는것도중요하지만 9, 예비과학교사들이오개념을갖지않도록하는것이선행되어야할것이다. 고등학교때과학심화선택과목 ( 물리I, 물리II, 화학I, 화학II, 생물I, 생물II, 지구과학I, 지구과학II) 이수여부와대학의기초과학과목 ( 일반물리학, 일반화학, 일반생물학, 일반지구과학 ) 의학업성취도사이에유의미한관계가있다는연구 10 가보고된바와같이미리관심을가지고준비한과목에대한성취도가높은것이당연한것으로생각할수있다. 하지만예비과학교사들이대학때가지는과학개념이고등학교교과서에서술된진술방식의수준을잘넘지못하고있다는연구 11 와같이대학생인예비과학교사들이중고등학생들에게서나타나는과학오개념을극복했다고보기어렵다. 본연구에서는예비과학교사들이과학오개념을가지고있다는가정을가지고예비과학교사들이중학교교육과정수준의개념에대하여어떤오개념을가지고있는지조사하고, 오개념형성에어떤경험이영향을주었는지알아봄으로써중등과학수업이나예비과학교사 의양성프로그램에서오개념을과학개념으로전환시키기위해고려할사항들에대한시사점을얻고자한다. 연구대상및방법연구대상본연구에서는예비과학교사들의중학교교육과정의화학개념에대한이해도를조사하기위하여경기도소재 D대학교사범대학과학교육과에서아직심화전공을선택하지않은 1학년 31명을연구대상으로하였다. 고등학교당시대학수학능력시험과학탐구의선택과목으로화학I만선택한학생이 21명, 화학II만선택한학생이 1명, 화학I, 화학II를모두선택한학생이 8명, 화학I, 화학II를전혀선택하지않은학생이 1명이었다. 2차설문대상자는 1차검사도구를회수하여분석한결과모든문항을맞춘 10명과검사도구를투입하자마자정답을무작위로체크하고제출한 1명을제외한 20명이었다. 검사도구본연구에서는한국교육과정평가원의 2008~2009년중학교국가수준학업성취도평가 12,13 문항의선다형문항중학생들이어려워하여오답이잘나타나는현상을관찰하기위하여정답률이 60% 미만이면서변별도가 0.40 이상인문항을선정하였다. 1차설문지는모두선다형 9문항으로구성되어있으며, 국가수준학업성취도평가문항을질문이나보기의변형없이사용하였다. 문항구성과응답시간의적절성을확인하기위하여연구대상자중 7명 ( 본검사대상에서제외 ) 을대상으로예비검사를실시하였다. 예비검사를통하여완성된 1차검사도구는검사목적에대한타당성검증을위해과학교육전공교수 2명에게검토를받아최종검사도구를완성하였다. 2차설문지는예비교사들이응답한 1차설문결과 ( 본인의문항별점수 ) 와함께틀린문항의보기를정답이라고생각한이유, 정답을고를때혼동되었던보기와그이유, 해당문항을해결하기위해필요하다고생각하는중학교수준의지식, 오답선택이유와본인의고등학교당시과학심화선택과목과의관련성등을묻는질문으로구성하였다. 최종검사도구를구성하는문항의특징은 Table 1과같다. 연구절차및분석방법본연구에서는우선예비과학교사 31명을대상으로 1 차설문을실시하였다. 1차설문은제한시간 40분동안배경변인에관한기초질문과평가문항에응답하도록

3 1032 이현정 최원호 Table 1. Characteristics of the test item consisting of survey No Year-Item Percentage of Discrimination Unit Achievement Standards Grade No Correct answer parameter Three States of Matter To express examples of change of state in everyday life in scientific terms Three States of Matter To observe the change of state through experiments and infer that matter is consists of molecules To measure the melting/boiling point of matter and Characteristics of Matter analyze the result To measure and analyze the solubility of matter and Characteristics of Matter know that solubility is characteristics of matter Separation of Mixture To understand that solubility is characteristics of matter and separate mixture using the difference of solubility Separation of Mixture To classify matters in everyday life as a pure substance and mixture Separation of Mixture To understand that boiling point is characteristics of matter and separate mixture using the difference of boiling point Construction of Matter To know the law of conservation of mass, law of definite proportion, law of multiple proportions, law of gaseous reaction Rules of Matter Change To know that the ratio of elements consisting compoud is constant through a simple chemical reaction experiment 하였고, 평균적으로응답한시간은 30분이었다. 국가수준학업성취도보고서에공개된정답률 (%) 과실제예비교사들의정답률 (%) 을비교하여, 9문항을모두맞춘 10명과불성실한응답자 1명을제외하여 2차설문대상자를선정하였다. 2차설문은 1차설문결과를이용하여정답선정근거에관한심층질문을실시하였다. 2차설문의심층질문의내용은검사도구에제시하였으며, 2차설문은서술형인점을고려하여시간을제한하지않았으나평균적으로응답하는데걸린시간은 1시간이었다. 1차설문결과를이용하여전체응답자들의문항별정답률, 고등학교당시수능과학탐구선택과목에따른정답률을조사하고정답률이낮은문항의특징을분석하였다. 2차설문결과를이용하여틀린이유, 설문응답자가문항을해결하기위해필요하다고제시한중학교수준의지식의적절성을중심으로분석하였다. 포는한국교육과정평가원의국가수준학업성취도연구보고서의자료를이용한것이다. 예비과학교사들의정답률은 95.5% 의높은정답률을보인문항부터 59.1% 의매우낮은정답률의문항까지다양했다. 특히정답률이 90% 미만인문항은물질의세가지상태단원의 2번 (88.6%), 혼합물의분리단원의 5번 (84.1%), 7번 (59.1%) 이었다. 설문에사용한문항이중학교교육과정의문항이었으며, 설문대상이과학교사가되기를희망하는사범대학에재학중인예비과학교사들이었음에도불구하고 90% 이하의정답률을나타내는문항들이존재한다는것은예비과학교사들중일부가각문항에서요구하는지식이나탐구능력이부족하다는것을의미한다. 구체적으로어떤능력이부족하며, 그런상황이발생한이유를알아보기위해각문항별로심층분석을실시하였다. 연구결과및논의예비과학교사들의문항별정답률 Table 2는 1차설문에포함된전체문항에대하여예비과학교사와중학생의정답률과답지반응분포를비교하여나타낸것이다. Table 2의예비과학교사의답지반응비율은 1차설문대상자 31명에대한각답지선택자수를백분율로나타낸것이며, 중학생들의답지반응과비교하여단원별로분석하였다. 중학생들의답지반응분 예비과학교사들의문항별응답특징 Fig. 1은제7차교육과정의 7학년물질의세가지상태단원에해당하는문항으로일상생활에서상태변화의예를찾아과학적용어로나타낼수있는지묻고있다. 이문항은흘러내린촛농이식어굳어버린현상은액체가고체로변한응고, 안경을낀채목욕탕에들어가면안경에김이서리는현상은공기중수증기가액체인물방울로변한액화, 아이스크림포장용기속에넣어둔드라이아이스크기가점점작아지는것은고체에서기체이산 Journal of the Korean Chemical Society

4 예비과학교사의화학개념에대한이해도조사 ( 중학교교육과정을중심으로 ) 1033 Table 2. Comparison of the Percentage of Correct answer and distribution of responses between pre-service science teachers and middle school students. Distribution of Responses (%) No Unit Correct Answer Division Percentage of Correct answer Three States of Matter 3 *A **B Three States of Matter 2 A B Characteristics of Matter 4 A B Characteristics of Matter 4 A B Separation of Mixture 2 A B Separation of Mixture 1 A B Separation of Mixture 1 A B Construction of Matter 5 A B Rules of Matter Change 3 A B *A: Pre-Service Science Teachers, **B: Middle School Students 중어떤상태로분류해야할지를헷갈려하였다. 그리고이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 물질의상태변화 (20 명 /20 명 ) Fig. 1. The Example Item of Three States of Matter. 화탄소로변하는승화라는것을알아야해결할수있는문항이다. 이문항의오답중반응률이가장높은것은중학생과예비과학교사모두 4번이었다. 오답 4번을정답으로선택한예비과학교사들의선택이유는다음과같으며, 괄호의수는오답자중해당이유를제시한인원수이다. 촛농이식어굳는것은응고, 드라이아이스가작아지는것은승화인건알았으나, 김이서리는현상에서김을물과같은액체로보아야할지, 수증기같은기체로보아야할지헷갈렸다. (2명/2명) 예비과학교사들의답변에근거하면김을기체와액체 예비과학교사들은이문항을해결하기위해물질의상태변화를알아야한다고제안하고있지만액화는기체가액체가되는현상으로, 어느정도일정한모양을가진액체 ( 예를들어, 물 ) 로변화하는것으로만알아왔다면김이서리는현상에서안경에낀김을액체로분류하기에어려움이있다. 중학생수준에서 3번이정답임을알기위해서는안경에생긴김을액체로생각해야한다. 단지물질의상태변화에관한개념을안다고정답을찾을수없다. 이문항분석을통해예비과학교사들중일부는물질의세가지상태와상태변화에대한일반적정의는잘알고있으나, 개념이적용되는현상을개념의본질적의미로해석하지못하고눈에보이는현상적수준에서개념을이해하려는경향이있음을알수있다. Fig. 2는제7차교육과정의 7학년물질의세가지상태단원에해당하는문항으로아세톤의상태변화실험을통해변화를관찰하고, 이로부터물질은분자로이루어져있음을추리해야하는문항이다. 분자로이루어져있음을

5 1034 이현정 최원호 Fig. 2. The Example Item of Three States of Matter. 추리한다는것은물질은물질의성질을갖는아주작은입자인분자로이루어져있다는사실과상태변화전과후에동일한분자로이루어져있음을알아야한다는것을의미한다. 이문항에서는비닐봉지안의어떤액체가기체, 액체로변하는상태변화를보여주고이를관찰하여액체와기체는모두입자인분자로이루어져있고, 분자의배열과분자간거리가변하고있다는것을알고있어야한다. 이문항은예비과학교사의정답률이 88.6% 로낮은편에속하며, 오답중반응률이가장높은것은중학생과예비과학교사모두 4번이었다. 이는분자의개념을제대로이해하지못하기때문에나타난결과로보인다. 오답을선택한예비과학교사들의선택이유는다음과같으며, 괄호의수는오답자중해당이유를제시한인원수이다. 보기ㄱ에서액체아세톤이기체로상태변화를하면서, 부피가증가할것이라고생각했기때문에맞다고생각했다. (3명/4명) 아세톤이상태변화를하면질량이증가한다. (1명/4명) 예비과학교사들의답변에근거하면액체아세톤이비닐봉지를모두채울만큼늘어난다의의미를아세톤이액체에서기체로상태변화하면서부피가증가한다는의미와동일시하거나상태변화에질량의변화를함께고려하고있는예비과학교사가있음을알수있다. 이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 물질의상태변화와샤를의법칙. (12명/20명) 분자운동과온도의관계. (4명/20명) 원자는생성, 파괴되지않는다. (4명/20명) 상당수의예비과학교사들은이문항을해결하기위해물질의상태변화와샤를의법칙을알아야한다고제안했으며, 분자운동과온도의관계, 원자의생성과파괴에대해이해하고있어야한다고응답하였다. 그러나이문항은샤를의법칙을이해하기이전에분자의개념에대 Fig. 3. The Example Item of Characteristics of Matter. 해제대로이해하고있으면해결할수있는문항이다. 즉, 중학생수준에서 4번이오답임을알기위해서는액체아세톤이비닐봉지를채울만큼늘어나는일이없으며, 아세톤이액체에서기체로상태변화하면서, 분자간거리가멀어져밀봉된비닐봉지안에는아세톤의성질을갖는아주작은알갱이로채워지게된다는것을이해해야한다. 온도가증가하면부피가증가한다는샤를의법칙을아는것만으로는이현상을분자라는입자로설명할수없다. 이문항분석을통해예비과학교사들은액체가쭉늘어나서비닐봉지가부푼다는생각은하지않지만일부예비과학교사들은분자에대한기초적인이해없이문항에주어진현상을자신의생각에맞춰문장을자의적으로해석하려는경향이있음을알수있다. Fig. 3은제7차교육과정의 8학년물질의특성단원에서순수한고체물질을가열하고냉각할때의온도변화그래프를해석하여각구간에서의물질의상태, 녹는점과어는점을찾아낼수있는지묻고있다. 이문항을해결하기위해서는고체의가열곡선이평평해지는이유와그구간의온도가녹는점이며, 녹는점이전구간의상태는고체이고, 이후구간의상태는액체임을알아야한다. 그리고액체를다시냉각시키면평평해지는구간의온도가어는점이며, 어는점이후구간의상태는고체임을알아야한다. 이문항의오답중중학생의반응률이가장높은것은 5번으로녹는점과어는점을동일시하지못하는학생들이많음을알수있다. 예비과학교사의반응률이가장높은것은 2번으로, 중학생들도두번째로많은반응률을보였다. 오답 2번을정답으로선택한예비과학교사들의선택이유는다음과같으며, 괄호의수는오답자중해당이유를제시한인원수이다. 고체의상변화과정으로, 고체와액체가공존하는융해의과정으로생각했다. 융해와응고의정의를제대로알지못했다. (2명/2명) Journal of the Korean Chemical Society

6 예비과학교사의화학개념에대한이해도조사 ( 중학교교육과정을중심으로 ) 1035 예비과학교사들의답변에근거하면고체를융해시키기시작하면녹는점이전에도액체가고체와함께공존한다고생각하는경우가있음을알수있다. 이문항의오답을정답으로생각한예비과학교사들은녹는점에서상태변화가일어난다는과학적개념에대하여깊이있게생각하지못하고고체를가열하면액체가된다는현상적인측면에대한오해로그래프상의녹는점이전에도고체와액체가공존한다고오해하고있었다. 그리고이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 물질의상태변화를알아야한다. (16명/20명) 에너지 (E) 출입에대해이해해야한다. (4명/20명) 예비과학교사들은이문항을해결하기위해물질의상태변화를알고에너지출입에대해이해해야한다고제안하고있다. 중학생수준에서 2번이오답임을알기위해서는고체가상태변화가일어나기전까지는온도만증가할수있으며, 상태변화가일어나기시작하면가해준에너지가상태변화에사용되어온도변화가없음을이해하고있어야한다. 그리고 4번이정답임을알기위해서는상태변화가끝난구간에서는액체상태이므로융해가일어날수없음을알고있어야한다. 즉, 예비과학교사들은이문항이상태변화와에너지출입에관련된내용임을알고는있지만어떤수준의지식이필요한지정확히제시하지못하였다. Fig. 4는제7차교육과정의 8학년물질의특성단원에서일정한온도에서물의질량에따라최대한녹을수있는용질의질량을표시한그래프를해석하여각점에서의용해도를구하거나비교할수있는지묻고있다. 이문항을해결하기위해서는용해도의정의가물 100 g에최대로녹는용질의질량이라는것을알고용해도는물질의특성으로용해도가다르면다른물질임을이해하고 Fig. 4. The Example Item of Characteristics of Matter. 있어야한다. 이문항의오답중중학생의반응률이가장높은것은 1번으로물의질량을고려하지못하고용질의질량만으로용해도를비교하는학생들이많음을알수있다. 예비과학교사의반응률이가장높은것은 2번으로, 중학생들도두번째로많은반응률을보였다. 오답 2번을정답으로선택한예비과학교사들의선택이유는다음과같으며, 괄호의수는오답자중해당이유를제시한인원수이다. 주어진그대로가용해도로생각하고, 그래프에 B와 C 상태가헷갈렸다. (2명/2명) 예비과학교사들의답변에근거하면용해도를용매인물의양에관계없이용질의질량만으로판단하는경우가있음을알수있다. 이문항의오답을정답으로생각한예비과학교사들은용해도가물 100g을기준으로정한다는정의를떠올리지못하였거나신중히자료를분석하지못하였다. 그리고이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 용해도 (20명/20명) 예비과학교사들은이문항을해결하기위해용해도개념이필요함을제안하고있다. 중학생수준에서 1, 2 번이오답임을알기위해서는용해도의정의가물 100g 에최대한녹을수있는용질의질량으로나타낸다는것을자료해석에적용하여그래프해석시물의질량을고려해야하며, 단지용해도의개념을아는것으로는이문항을해결할수없다. 즉, 예비과학교사들은이문항해결에필요한개념을알고있으나문항해결을위해개념을구체적으로어떻게활용해야할지를정확히제시하지못했다. 이문항분석을통해예비과학교사들중일부는중학교 3학년수준에서문제해결을위한물질의특성의종류나정의는알더라도해당개념의활용측면에서충분히이해하지못하거나그래프자료등에의적용면에서실수를하는경향이있음을알수있다. Fig. 5는제7차교육과정의 8학년혼합물의분리단원에해당하는문항으로용해도가물질의특성임을알고온도차에따른용해도를이용하여석출된혼합물의종류와양을구할수있는지묻고있다. 이문항에서주어진붕산과염화나트륨의질량은 80 o C에서의용해도로주어진양보다작다. 따라서이문항을해결하기위해서석출되는붕산의양은주어진양에서 0 o C의용해도를빼야하고, 염화나트륨의경우는주어진양이 0 o C의용해도보다

7 1036 이현정 최원호 Fig. 5. The Example Item of Separation of Mixture 작기때문에석출되지않는다는것을알고있어야한다. 이문항의오답중반응률이가장높은것은중학생과예비과학교사모두 5번이었다. 이는자료에주어진 80 o C 의용해도에서 0 o C의용해도를단순히빼줌으로써석출량을계산한결과이다. 오답 5번을정답으로선택한예비과학교사들의선택이유는다음과같으며, 괄호의수는오답자중해당이유를제시한인원수이다. 계산을해야하므로, 붕산의 80도용해도에서 20도용해도를빼주었다. (3명/5명) 개념은잘모르겠지만, 포화용액 80도에서의용해도에서냉각온도인 0도에서의용해도를빼면된다. (1명/5명) 중학교때배우면서이해는못했고, 계산을하고, 정답을맞추는것에익숙하다보니표만보고, 그냥뺐다. (4 명 /5명) 예비과학교사들의답변에근거하면용해도의개념을이해하고계산을하기보다문항에주어진 2개의온도에만초점을맞춰자료에주어진숫자로계산만을했음을알수있다. 그리고이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 용해도의개념을알아야한다. (12명/20명) 용해도는온도가높아질수록증가한다. (3명/20명) 포화또는불포화에따른용액의용해도를알아야한다. (5명/20명) 이문항을해결하기위해예비과학교사들은대부분용해도를이용해야한다는것은알고있으나, 문제해결에직접도움이되지않는용해도와온도의관계, 포화, 불포화, 과포화개념을알아야한다고제시하고있다. 이문항은단순히용해도의정의를아는것으로해결할수없고, 주어진붕산과염화나트륨의질량은 80 o C에서의용해도보다작기때문에 80 o C에서녹아있는용질의질 Fig. 6. The Example Item of Separation of Mixture. 량은주어진용질의질량임을알아야한다. 그리고주어진자료에서온도와용해도의관계, 0 o C로낮출때석출되는양은어떤질량차를이용해야할지알아야한다. 즉, 예비과학교사들중일부는용해도의의미와주어진용질의질량관계에관해정확한이해가부족하여온도차에따른용해도를이용하여석출되는용질의종류와양을제대로구하지못하였다. Fig. 6은제7차교육과정의 8학년혼합물의분리단원에해당하는문항으로일상생활에서사용하는물질을순물질과혼합물을구분하고혼합물에서도균일혼합물과불균일혼합물을구분할수있는지묻고있다. 이문항의오답중중학생의반응률이가장높은것은 4번으로순물질과혼합물을구분하지만주어진물질을균일혼합물과불균일혼합물로구분하지못함을알수있다. 예비과학교사의반응률이가장높은것은 3번으로예비과학교사들이오답을선택한이유는다음과같으며, 괄호의수는오답자중해당이유를제시한인원수이다. A는순물질, B는균일혼합물, C는불균일혼합물이라고생각했고, 공기는질소나산소가다르게섞여있는불균일혼합물, 암석은하나의원소로이루어진균일혼합물이라고생각했다. (2명/3명) 소금과산소는순물질이아니라고생각했다. (1명/3명) 중학생때개념보다대표적인예시를외워서문제를해결했다. (3명/3명: 중복응답 ) 예비과학교사들의답변에근거하면순물질과혼합물, 균일혼합물과불균일혼합물의구분방식은익숙하나물질의구분방식에해당하는예시를연결짓지못하고있으며, 물질구분의정의에대한이해보다는대표적인예시를기억하여문항을해결하려고하였다. 예비과학교사들은순물질과혼합물, 균일혼합물과불균일혼합물 Journal of the Korean Chemical Society

8 예비과학교사의화학개념에대한이해도조사 ( 중학교교육과정을중심으로 ) 1037 의대략적인정의나구분방식을기억하는수준에서알고있으나정확히이해하고있지못하기때문에제시된예시를각물질구분방식과연결짓지못한것으로보인다. 그리고이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 균일혼합물과불균일혼합물의구분과화합물의정의. (20명/20명) 예비과학교사들은이문항을해결하기위해혼합물의구분과정의를알아야한다고제안하고있지만, 정의를알아도예시를기억하는수준에서알고있다면시간이흐를수록각물질을연결짓기어렵다. 특히예비과학교사의응답인 공기는질소와산소등이다른비율로혼합되어있기때문에불균일혼합물이라고생각하였고 의경우처럼공기를기체분자운동론의입장에서이해하였다면불균일혼합물로구분하지는않았을것이다. 즉, 예비과학교사들중일부는물질구분방식이나각물질의성질에대한본질적이해보다는대표적인예시들을기억하는수준에서학습을하는경향이있음을알수있다. Fig. 7은혼합물의분리단원에해당하는문항으로끓는점이물질의특성임을이해하고, 그차를이용하여혼합물을분리할수있는지묻고있다. 이문항을해결하기위해서는주어진실험장치가끓는점을이용하여혼합물을분리할수있는장치임을알고이를이용하여분리할수있는혼합물이물과에탄올임을찾을수있어야한다. 이문항은예비과학교사의정답률이 59.1% 로가장낮고, 오답인 5번을정답으로생각한예비과학교사가 34.1% 에이르며이는중학생의오답지선택반응률과일치한다. 예비과학교사들이오답을선택한이유는다음과같으며, 괄호의수는해당이유를제시한인원수이다. 분별증류나분별결정을이용한분리라고생각했다. (1 명 /15명) 가열후냉각과정이필요한용해도차이에의한분리로생각했다. (8명/15명) Fig. 7. The Example Item of Separation of Mixture. 온도차이에의한분리방법이필요한실험인걸알았으나, 실험기구의정확한용도를몰라서헷갈렸다. (3명/15명) 정확히아니라고생각되는걸지우다가선택하게되었다. (3명/15명) 예비과학교사들의답변에근거하면이론적인개념은대략알고있으나, 실제실험기구를이용하여혼합물을분리하는데있어서실험기구의정확한용도를모르거나주어진실험기구를이용하여가상으로실험을순서대로설계해보고혼합물을분리하는것에어려움을나타내고있음을알수있다. 그리고이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 끓는점차이에의한혼합물의분리 (12명/20명) 혼합물의분리와실험기구의용도 (8명/20명) 예비과학교사들은이문항을해결하기위해끓는점차이에의한혼합물의분리과정과함께실험기구의용도를알고있어야한다고응답하였다. 하지만혼합물의분리에필요한각과정을물질의특성과연결지어이해해야정답과오답을구분할수있을것이다. 예비과학교사들이정답으로가장많이선택한오답 5번의질산칼륨과염화나트륨은혼합물을가열하여물에완전히녹인후, 다시이를냉각장치에넣고석출되는물질을분리해야하기때문에가지달린시험관을이용할필요가없으며, 석출된물질을분리하기위한과정이추가적으로필요하다. 즉, 예비과학교사들은보기에주어진알코올램프와얼음물을보고연상되는현상과관련된혼합물을선택한것으로보인다. 이문항분석을통해예비과학교사들중일부는용해도차이에의한혼합물의분리방법과끓는점차이에의한혼합물의분리방법을혼동하고있었다. 그리고혼합물의분리에관한개념은알고있지만관련된실험기구의정확한용도를모르거나실험과정과물질의특성을정확히연결지어이해하지못하는경향이있음을알수있다. Fig. 8은제7차교육과정의 9학년물질의구성단원에서암모니아기체가생성되는반응모형을보고반응전후, 분자의종류와수가변하는지, 물질의질량비와부피비가어떠한지, 같은부피속에들어있는물질의질량, 원자수에관해묻고있다. 이문항은중학교 1학년에서분자가물질을구성하는입자의의미로배운이후중학교 3학년에서원자모형을이용하여화합물을구성하는원자의공간배열을정성적으로이해하는과정을거치면

9 1038 이현정 최원호 Fig. 8. The Example Item of Construction of Matter. Fig. 9. The Example Item of Rules of Matter Change. 서분자는원자와그의미가다르며, 물질을구성하는각각의분자는그성질이다름을이해해야해결할수있는문항이다. 이문항의오답중반응률이가장높은것은중학생과예비과학교사모두 1번이었다. 오답 1, 2번을정답으로선택한예비과학교사들의선택이유는다음과같으며, 괄호의수는오답자중해당이유를제시한인원수이다. 기체는부피비로생각해야하는데, 모형만보고질량비로생각해서모형 ( 상자 ) 1개가질량비 1을의미하는것으로생각했다. (2명/4명) 분자와원자의개념을헷갈려서, 온도와압력이일정한상태에서반응전후에원자의종류 ( 성질 ) 는변하지않고, 그수도변하지않는다고생각했다. (2명/4명) 예비과학교사들의답변에근거하면기체는반응비가곧부피비와같은데부피비와질량비를혼동하거나모형에주어진원자표시를분자의개념으로잘못생각하여반응전후에분자의종류와수가변하지않는다고혼동하는경우가있음을알수있다. 이문항의오답을정답으로생각한예비과학교사들은주어진반응모형의본질적의미를생각하지않고눈에보이는수준에서모형을단순하게생각하였거나분자를물질의특성을나타내는입자로서의의미대신에단순한입자로서의미를받아들이고있었다. 그리고이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 질량보존의법칙과아보가드로의법칙. (16명/20명) 기체는일정온도와압력에서부피비가일정하다. (4명 /20명) 예비과학교사들은이문항을해결하기위해질량보존의법칙이나아보가드로의법칙의의미를알아야한다고제안하고있다. 중학생수준에서 1번이오답임을알기위해서는각물질의분자는원자들이모여질량등의독 특한성질을띠는분자로존재한다는것임을아는것이핵심이지반응전후의각물질의질량비는일정하다는정의를기억하는수준에서는해결하기어렵다. 그리고 5 번을정답으로알기위해서는주어진모형의상자가단위부피를의미하여상자안의입자묶음이분자임을아는것이필요하며, 아보가드로의법칙의의미를아는수준에서는해결하기어렵다. 즉, 예비과학교사들은이문항해결과관련된법칙을나열할수는있으나각보기의진위를판단하기위해필요한법칙중어떤원리를적용할지정확히제시하지못하였다. 이문항분석을통해예비과학교사들중일부는중학교 3학년수준에서본질적으로알아야할분자의의미에대한접근없이문항을피상적으로접근하거나필요한공식을정의수준에서도입하려는경향이있음을알수있다. Fig. 9는제7차교육과정의 9학년물질변화의규칙성단원에해당하는문항으로간단한화학반응실험 ( 산화구리 (II) 의생성 ) 을통하여화합물의성분비가일정함을이해하고있는지묻고있다. 이문항을해결하기위해서는구리가루를가열하여산화구리 (II) 가생성될때구리와산화구리의질량관계를나타낸결과를보고화합물의성분비가일정함을질량관계로설명할수있어야한다. 이문항의오답중중학생의반응률이가장높은것은 4 번으로구리의양이증가함에따라산화구리의양도증가한다는사실을모르거나주어진자료를해석하지못하는학생이많음을알수있다. 또한예비과학교사의반응률이가장높은것은 1번인데, 중학생들도두번째로많은반응률을보였다. 오답 1번을정답으로선택한예비과학교사들의선택이유는다음과같으며, 괄호의수는해당이유를제시한인원수이다. 산화구리가 1.25g씩늘어나는것은알았으나, 계산을잘못하여 1번을정답으로택했다. (2명/2명) 예비과학교사들의답변에근거하면연소과정에서성분비가일정하게증가하는것은알고있으나, 계산착오로 Journal of the Korean Chemical Society

10 예비과학교사의화학개념에대한이해도조사 ( 중학교교육과정을중심으로 ) 1039 인하여오답을택하였다고하였다. 하지만이문항은주어진자료를해석하여해결이가능하기도하지만화합물을구성하는성분원소의비율이일정하다는일정성분비의법칙을알고있다면각답지의진위여부를쉽게판단할수있다. 따라서이문항의오답을정답으로생각한예비과학교사들은일정성분비의법칙을문항에이용하지못하고있음을알수있다. 그리고이문항을해결하기위해필요한중학교수준의지식을제시하라는질문에대한응답은다음과같다. 일정성분비의법칙 (10명/20명) 산화에따른질량변화 (10명/20명) 예비과학교사들은이문항을해결하기위해구리의산화에따른질량변화와일정성분비의법칙을알아야한다고제안하고있다. 중학생수준에서 1번이오답임을알기위해서는일정한비율로산화구리가증가하므로 5g 의산화구리가생성되는데필요한구리의양이 4g 이므로 10 g의산화구리가생성되는데필요한구리의양은 8g임을알아야한다. 그러나이문항은일정성분비의법칙의정의를몰라도표에서산화구리를구성하는구리와산소의질량비가일정하다는것을알면해결할수있다. 또한 3번이정답임을알기위해서는산화구리는구리와산소만으로구성되어있으며, 주어진산화구리의질량에서구리의질량을빼어비교만할수있으면된다. 즉, 예비과학교사들은이문항을해결하기위해필요한법칙과법칙의정의는알고있으나그법칙의의미를이문항에어떻게활용해야할지를정확히제시하지못했다. 배경변인 ( 고등학교당시수능의과학탐구영역선택과목 ) 에따른문항별정답률 Table 3은대학수학능력시험의과학탐구영역선택과 목에따른문항별정답률이다. 화학1만선택한경우는전체정답률이 88.9%, 화학2만선택한경우도 88.9%, 화학1, 2를모두선택한경우의정답률은 86.4.% 였다. 수능과학탐구화학1, 화학2의선택유무에따라전체정답률에는큰차이가보이지않았으며 1번문항과 6번문항의경우는오히려화학1만선택한경우의정답률이높았다. 이는대학수학능력시험의과학탐구선택과목으로화학1이나화학2를선택하여공부한것이예비과학교사들의정답률이큰영향을주지않음을알수있다. 예비과학교사들이오답을택하게된원인이본인이수능과학탐구과목선택과어떠한관련이있는지에대한질문에예비과학교사들의응답은다음과같다. 중학교과정의내용만으로풀어야하는데, 화학1과화학2에나오는심화개념을먼저떠올려서복잡하게생각하게되었다. (2명/20명) 수능선택과목으로화학을선택하지않아서, 화학에대한기본개념이부족한상태이고, 중학교때배운과학내용은그당시에문제를푸는데만신경쓰고, 단순암기로문제를풀다보니개념이잘정립되지못했다. (6명/20명) 화학을선택은했지만, 중학교때이론적인개념을제대로익히지못하고, 고등학교에들어와서선택과목을택하여수능을보다보니, 기본적인내용을오히려등한시하고넘어가는경향이있다. (9명/20명) 기억나는대로풀어서크게관련이없다고생각한다. (3명/20명) 결론및제언본연구는예비과학교사들을대상으로중학교교육과정수준의화학개념에대한오개념을가지고있는지, 그 Table 3. Comparison of the Percentage of Correct Answer between Pre-service Teachers According to electives of CSAT(College Scholastic Ability Test) No Unit Percentage of Correct Answer Totality Electives 1 Electives 2 Electives Three States of Matter Characteristics of Matter Separation of Mixture Construction of Matter Rules of Matter Change Percentage of Average *Electives 1=selecting only Chemistry 1, Electives 2=selecting only Chemistry 2, Electives 3=selecting both Chemistry 1 & Chemistry 2

11 1040 이현정 최원호 리고오개념을가지고있다면그이유는무엇인지알아보기위하여국가수준학업성취도평가에서공개된중학교대상의일부문항을활용하여구성한설문을사범대학과학교육과에재학중인예비과학교사들을대상으로실시하였다. 본연구를통하여알수있었던점은다음과같다. 첫째, 예비과학교사들의각문항별오답반응에대한분석을통하여일부예비과학교사들에게나타난특징을단원별로알수있었다. 물질의세가지상태단원의문항분석을통하여, 물질의세가지상태와상태변화에대한일반적정의는잘알고있으나, 개념이적용되는현상을개념의본질적의미로해석하지못하고눈에보이는현상적수준에서개념을이해하려는경향이있었다. 그리고액체가기체로상태변화할때분자에대한기초적인이해없이문항에주어진현상을자신의생각에맞춰문장을자의적으로해석하려는경향과함께문제해결에필요한개념을적절히제시하지못했다. 물질의특성단원의문항분석을통하여, 녹는점에서상태변화가일어난다는과학적개념이나상태변화와에너지출입에관련된내용을지식적으로는알고있지만고체를가열하면액체가되는일상생활의경험으로인해녹는점이전에도가열만하면고체와액체가공존한다고오해하는경향이있었으며, 주어진문항을해결하기위해어떤수준의지식이필요한지정확히제시하지못하였다. 그리고용해도와관련된문제해결에필요한개념을알고있으나용해도를용매인물의양에관계없이용질의질량만으로판단하거나문제해결을위해개념을구체적으로어떻게활용해야할지정확히제시하지못했다. 혼합물의분리단원의문항분석을통하여, 용해도의의미와주어진용질의질량관계에관해정확한이해가부족하여온도차에따른용해도를이용하여석출되는용질의종류와양을잘구하지못하며, 문제해결에직접적으로필요한개념이무엇인지제시하지못하는경향이있었다. 그리고순물질과혼합물, 균일혼합물과불균일혼합물의구분방식은익숙하나물질의구분방식에해당하는예시를연결짓지못하고있으며, 물질구분방식의본질적인이해보다는대표적인예시를기억하여물질구분에관한내용을학습하려고하였다. 또한혼합물의분리에관한기본개념은알고있지만관련실험기구의정확한용도를모르거나실험과정과물질의특성을정확히연결지어이해하지못했다. 물질의구성단원의문항분석을통하여, 화학반응전후를나타낸모형을이해하기위해관련된법칙을나열할수는있으나분자의의미에대한이해가부족하여각 법칙을어떻게적용할지정확히제시하지못하였으며, 주어진분자모형의본질적의미를고려하지않고눈에보이는수준에서모형을피상적으로접근하거나필요한공식을정의수준에서도입하려고하였다. 물질변화의규칙성단원의문항분석을통하여, 일정성분비의법칙에대한이해를묻는간단한화학반응이주어졌을때, 문제해결에필요한법칙의종류와법칙의정의는알고있으나자료해석내용과개념을연계하여이해하거나, 법칙의의미를문제해결을위해어떻게활용해야할지를정확히제시하지못했다. 본연구에비록많은수의문항을이용하지못했지만중학교교육과정에해당하는각단원별문항에대한예비과학교사들의반응을통하여문제를해결하지못하는경우주어진결과를눈에보이는현상적수준에서해석하거나일상생활의경험에근거하여해석하거나주어진현상을자의적으로해석하려는경향이있음을알수있었다. 둘째, 설문에사용한문항이모두중학교교육과정수준이었음에도불구하고정답률이 90.0% 미만의문항이존재하였다. 7학년물질의세가지상태단원에서 1문항, 8학년혼합물의분리단원에서 2문항이었다. 예비과학교사의정답률이낮았던문항분석을통해, 예비과학교사들중일부는분자에대한기초적인이해없이문항에주어진현상을자의적으로해석하려는경향, 개념에대한정확한이해가부족하여제시된자료에개념을적용하지못하여문제해결의어려움, 혼합물의분리에관한개념을가지고있지만관련실험과정과물질의특성을정확히연결지어이해하지못하는경향등이발견되었다. 이분석에서나타난특징들은문제해결을위해필요한특정개념에대한충분한이해가부족하여주어진현상에대한자의적해석, 적용의어려움, 타개념과의연계가어렵다는점이다. 이는문제해결에필요한개념의본질적의미를이해하지못하거나개념이나용어의의미를정의수준에서기억하기때문이라고연구대상자들은답하고있었다. 연구대상자들에의하면그런문제풀이방식을취한근본적인이유를중고등학교학창시절부터개념에대한본질적이해를하기전에단순한계산이나용어수준의기억에의존하는학습습관을가지게된것을중요한이유로들고있었다. 또한특히낮은정답률을보인실험과관련된문항은중고등학교학창시절때실험수업에대한부족한경험도영향을주었을수있다. 이러한결과는우리나라교육이상급학교진학에맞춰져있는것과관련이있을것이다. 높은성적만을중요한목적으로여겨, 기본개념에대한충실한이해보다는단순암기나계산을이용하여문제풀이에만전념하려는학습풍토가 Journal of the Korean Chemical Society

12 예비과학교사의화학개념에대한이해도조사 ( 중학교교육과정을중심으로 ) 1041 영향준것으로보이는데이부분에대하여좀더심층적인연구를수행할필요가있다. 셋째, 대입을위해고등학교에서심화과목으로화학과목의선택유무에따라예비과학교사들의정답률에큰차이를보이지않았다. 일반적으로고등학교당시심화과정으로선택한과목이대학에서의성취도에영향을준다고알려져있지만본연구의결과는그렇지않았다. 그이유에대한심층질문에대한분석결과수능선택과목으로화학을선택을하였더라도중학교당시부터개념의본질적이해를위한노력보다는문제풀이위주의학습습관이몸에배어고등학교에서대입수능준비를위한학습에서도고쳐지지않았다는것이다. 이처럼고등학교때대입수능시험의심화선택과목으로화학을선택한것과상관없이중학교당시부터개념의본질적이해를하지않고넘어가는학습습관때문에기억위주의학습을하게되고고등학교에서도개념의어려움, 시간부족등으로인해시간을투자하거나개념의본질적이해를하기보다는중학교당시부터유지해오던계산과기억위주의학습전략을유지한것으로보인다. 이러한학습습관은사범대학에진학한시점에도영향을주어중학교교육과정에해당하는문항에대한해결을어렵게만들게한것으로보인다. 또한이러한접근은예비과학교사본인들의오개념형성에영향을주어장차교사가된후학생들의오개념형성에도영향을줄수있기때문에문제해결을위한접근방식에대한개선노력이필요할것이다. 개인의선행경험에의해형성된오개념은과학학습으로쉽게수정되기어렵다 1. 본연구의결과에서예비과학교사들의정답률이비록중학생보다높지만중학교당시의학습습관이고등학교를거쳐대학생이되어도개념이해에영향을줄수있음을알았다. 추후예비과학교사들의학습습관이대학에서의심화전공학습과정중에긍정적으로바뀔수있도록사범대학교육과정에대한 고찰이필요하며, 중고등학교학생들이올바른과학적개념을받아들일수있기위한학습습관에대한고찰도필요하다. 그리고무엇보다시험성적위주의학습풍토에서벗어나과학교육에서지향하는올바른목표에부합하는교수학습풍토가정착되기를희망한다. REFERENCES 1. Ausubel, D. Educational psychology; Holt, Rinehart & Winston: New York, U. S. A., Park, J. A.; Han, S. J.; Noh, T. H. J. Korea Assoc. Sci. Edu. 2010, 30(1), Park, K. Y.; Kim, Y. M. J. Korea Assoc. Sci. Edu. 2009, 29(8), Oh, W. K.; Kim, J. W. Sae Mulli 2006, 52(6), Koo, S. A.; Chae, H. K. J. Korea Assoc. Sci. Edu. 2008, 28(5), Park, J. H.; Kim, D. U.; Paik, S. H. J. Korea Assoc. Sci. Edu. 2006, 26(2), Yoon, H. S.; Jeong, D. H. J. Korea Assoc. Sci. Edu. 2006, 26(7), Kim, Y. M.; Ree, J. B.; Lee, S. K. Research of Curriculum Instruction 2007, 11(1), Han, S.; P, Y.; P, J.; N, T. Journal of the Korean Chemical Society. 2010, 54(1), Lee, B. K.; Chang, S. C. The Journal of Curriculum studies 2008, 26(2), Han, Y. H.; Heo, Y. H.; Paik, S. H. J. Korea Assoc. Sci. Edu. 2008, 28(1), Jeong, E. Y.; Choi, W. H.; Lee, I. H.; Kim, M. Y.; Shin, S. J.; Kim. J. K.; Choi, I. B.; Kim, H. K.; Kim, S. Y.; Yu, J. E. Korea Institute for Curriculum & Evaluation, 2009, RRE Choi, W. H.; Lee, I. H.; Lee, C. H.; Jeong, E. Y.; Park, J. K.; Shin, M. K.; Kim. J. K. Korea Institute for Curriculum & Evaluation, 2010, RRE

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Journal of Educational Innovation Research 2018, Vol. 28, No. 1, pp.99-117 DOI: http://dx.doi.org/10.21024/pnuedi.28.1.201803.99 2015 * A Analysis of the Characters and Issues about the 2015 Revised Social