58(6)-01(E-014-A).fm

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1 Journal of the Korean Chemical Society Printed in the Republic of Korea 중학생들의전해질과이온에관련된입자개념표현의일관성분석 윤회정 이윤하, * 경북대학교 대영중학교 ( 접수 ; 게재확정 ) Analysis of Coherence in Middle School Students Representat of Particulate Concepts Heojeong Yoon and Yoonha Lee, * Kyungpook Natal University, Daegu , Korea. * cocoon001@hanmail.net Daeyoung Middle School, Seoul , Korea (Received July 9, 2014; Accepted August 29, 2014) 요약. 학생들이특정내용영역을설명할때사용하는개념은맥락의영향을받기도하며, 맥락과관계없이일관적으로유지되기도한다. 이연구의목적은중학생들이특정내용영역에서사용하는입자개념을살펴보고, 학생들의입자개념에미치는맥락의영향을알아보는것이다. 이를위하여학생들이고체상태와수용액상태의전해질을설명할때와수용액상태의서로다른전해질이혼합되어고체상태의앙금을형성하는현상을설명할때입자를어떻게표현하는지알아볼수있도록검사지를제작하였다. 중학교 3학년학생들을대상으로 전해질과이온 단원의수업이끝난후에검사를실행하고, 개발한분류틀에따라학생들의응답을분석하였다. 연구결과는다음과같다. 첫째, 고체상태와수용액상태의전해질을설명한응답의분석을통해학생들이다양한입자개념을가지고각각을설명하고있음을알수있었다. 둘째, 앙금생성반응을설명하기위해학생들이사용하는입자개념을파악할수있었으며, 많은학생들이화학기호를표현하는데어려움을갖고있다는것을알수있었다. 셋째, 약 57% 의학생들이과학적개념을일관적으로적용하여수용액상태의입자에대해전해질과앙금생성반응을설명하였고, 비과학적개념을가지고있는학생을모두포함했을때일관성있는설명을제시한학생들은전체의약 79% 였다. 연구결과를바탕으로학생들이여러맥락에서입자에대한과학적개념을습득하는데도움이될수있는방안을제안하였다. 주제어 : 입자, 이온, 원자, 전해질, 앙금생성반응 ABSTRACT. The concepts used to explain specific phenomenon can be influenced by context or coherent regardless of context. The purpose of this study is to understand middle school students concept of particles in particular context and to investigate the effects of context on concept of particles. A conceptual questnaire was developed to find out how students represented particles in two contexts: solid and solut states of electrolytes, and precipitat react. The questnaire was administered to 9 th grade students after classes of electrolyte and s unit. The responses of students were analyzed using framework developed for categorizat of students concepts. The results are as follows: First, it was found that students used various concepts on particles when they explained solid and solut state of electrolytes, respectively. Second, we identified students concepts of particles used to explain precipitat react. In addit, we recognized that majority of students failed to write correct chemical symbols. Third, approximately 79% of students showed coherent responses for explanat of particles in solut state of both electrolytes and precipitat react. About 57% of students had scientific concepts. Some suggests were made based on results for acquisit of scientific concepts on particles in different contexts. Key words: Particles, Ion, Atom, Electrolyte, Ion precipitat react 서론화학개념을습득하기위해서는거시적 (macroscopic), 미시적 (microscopic), 상징적 (symbolic) 수준에서의종합적이해가필요한데, 30 특히미시적수준에서의이해는눈 으로관찰할수없는입자개념을대상으로하기때문에학생들이어려워하는것으로알려져있다. 5,25 입자와관련된학생들의다양한사전개념이보고되었고, 많은학생들이원소, 원자나분자를명확히구분하거나용해나확산, 화학반응을입자적수준에서설명하는데어려움을 -580-

2 중학생들의전해질과이온에관련된입자개념표현의일관성분석 581 느끼는것으로알려져있다. 1,3,8,9,14,17 19,29 학생들의사전개념에대한해석은크게두가지측면에서이해되고있다. 그중하나는학생들이상대적으로안정적인개념구조를가지고있다는입장이다. 2,32 이러한개념구조는존재론적, 인식론적인기본전제들을바탕으로형성되어있기때문에쉽게변화하지않으며일관적이며설명적이라는특성을지닌다. Vosniadou와 Brewer 33 는지구의모양을원반모양으로설명하는정신모형을가지고있는학생들중, 낮과밤이바뀌는현상을설명하는과정에도같은모형을적용하는학생들이있다는것을보고한바있다. 다른하나는학생들의개념은불안정하며조각으로이루어져있어상황이나맥락에따라비일관적으로적용된다는입장이다. 4,31 disessa 4 는 힘 이라는개념에대해학생들이분절적이고, 상황의존적 (contextbound) 인지식을가지고있음을보고한바있다. 즉, 학생들은특정영역에서과학적개념과비과학적인개념을동시에가지고있으며, 24,26 상황에따라다른개념을활용한다는것이다. 16 특정내용영역에서의맥락이관련개념에미치는영향에대한연구는주로물리영역에서많이이루어졌으며화학영역, 특히입자개념과관련된연구는상대적으로적은편이다. 28 입자와관련된연구로는 Nakhleh, Samarapungavan과 Saglam 13 과 Teichert et al. 28 의연구가있다. Nakhleh et al. 13 은연구에참여한대부분의중학생들이원자와분자에대해과학적개념을가지고있으며이를이용하여상태변화를설명했지만, 물질의성질이나용해과정은과학적개념을활용하여설명하지못한다는것을확인하였다. Teichert et al. 28 은학생들이전기전도도를설명할때와끓는점오름을설명할때제시하는수용액속입자에대한개념이일관적이지않다는것을알아내어학생들이가지고있는입자개념이상황의존적임을확인하였다. 이외에는미시적수준에서의입자개념과맥락간의관련성에대해밝혀진바가거의없다. 미시적수준에서의입자에대한이해는화학에서요구되는가장기본적인개념중의하나라는점을고려해볼때, 다양한맥락에서의연구가진행될필요가있다. 본연구에서는중학생들이서로다른맥락에서어떤입자개념을나타내는지살펴보고, 맥락이학생들의입자개념에어떤영향을미치는지알아보았다. 이를위하여 2007 개정교육과정의 9학년 전해질과이온 단원을선정하였다. 이단원의목표는물질이전해질과비전해질로구분됨을이온화를통하여이해하고, 앙금생성반응을통하여이온간의반응을확인하는것이다. 12 전해질과비전해질에대한연구는주로학생들이가지고있는다양한사전개념의종류와사전개념의생성원인, 과학적개념습 득을위한효과적인수업전략의개발을중심으로진행되어왔다. 6,10,21,22 앙금생성반응에대해서는실험수업을진행한반과모형을활용한수업을진행한반학생들을대상으로수업의효과를비교한연구가있다. 15 교과서에제시되어있는전해질은주로이온성물질의개념을바탕으로설명되어있으며, 6 앙금생성반응은이온간의반응을가시적으로확인할수있는실험과입자모형을이용하여그림으로설명되어있다. 학생들이미시적인관점에서전해질을설명할때와앙금생성반응을설명할때나타나는입자개념을살펴보고, 이들을비교하면서맥락이입자개념에미치는영향을알아보았다. 이를위한본연구의연구문제는다음과같다. 첫째, 학생들은고체상태와수용액상태일때전해질입자를어떻게표현하는가? 둘째, 학생들은앙금생성반응전 ( 수용액상태 ) 과앙금생성반응후 ( 수용액상태, 고체앙금 ) 의입자를어떻게표현하는가? 셋째, 학생들은전해질과앙금생성반응을설명할때, 수용액상태에서의입자를일관적으로표현하는가? 연구내용및방법연구대상및방법본연구는서울시에소재한중학교한곳에재학중인 3 학년학생 85명을대상으로진행하였다. 해당학생들은같은교사에게서 6차시 (3주) 에걸쳐 전해질과이온 단원을학습하였다. 학생들이 전해질과이온 단원을학습한후에검사를시행하였다. 수거한 85명의응답중, 모든문항에성실하게응답한 61명의응답을선정하여분석하였다. 검사도구이정아 10 가전해질과이온에대한고등학생들의설명유형을분석하기위하여개발한검사지에서두문항을선정하여본연구의목표에부합하도록수정한후사용하였다. 추상적인입자개념을효과적으로확인하기위하여학생들의생각을그림으로표현할수있도록주관식형태의문항을이용하였다. 문항 1은염화나트륨 (NaCl) 이고체상태와수용액상태에서각각어떻게존재하는지그림으로표현하게하는것이다. 문항 2는탄산나트륨 (Na 2CO 3) 과염화칼슘 (CaCl 2) 이각각수용액상태에서어떻게존재하는지그리도록한후, 이두수용액을섞었을때수용액에는어떤입자들이존재하는지그림으로표현하게하는것이다. 과학교육전문가 2인과화학전공중등교사 1인이문항내용의타당도와표현의적절성을검토하였다.

582 윤회정 이윤하 Table 1. The contents of instruct for electrolyte and s unit Instruct 1 2 3 4 5 Figure 1. Framework for categorizing the concept of particles.

3 582 윤회정 이윤하 Table 1. The contents of instruct for electrolyte and s unit Instruct Figure 1. Framework for categorizing the concept of particles. 6 Content classificat of electrolytes and non-electrolytes principles of izat principles of movement in solut principles of precipitat react identificat of s in unknown solut writing chemical react formula for precipitat react 자료 분석 및 결과 처리 학생들이 작성한 검사지의 답안에 제시된 개념들을 분 전해질과 이온 의 수업 류하기 위하여 선행 연구 결과10,23를 참고하여 Fig. 1과 같 이 분류틀을 제작하였다. 1단계에서는 학생들의 입자 표 전해질과 이온 단원의 수업은 총 6차시에 걸쳐 진행 되었다. 각 차시 별 학습 내용은 Table 1에 정리한 것과 같다. 현 방식(입자를 이온, 원자, 분자 중 어떤 것으로 표현하 였는가?)을 기준으로 학생들의 응답을 분류하였다. 문항 1차시의 학습 내용은 전해질과 비전해질의 분류였다. 교사는 학생들이 실험실에서 교과서에 제시되어 있는 탐 1에 대한 학생들의 응답은 1단계의 기준만으로 분류가 가능하였다. 문항 2에 대한 응답은 앙금 생성 반응 이전 구 실험을 학생들이 직접 수행하면서 다양한 물질을 대 상으로 전류가 통하는지 아닌지 알아보도록 하면서 수업 의 수용액 속 입자에 대한 응답과 앙금 생성 반응 이후의 수용액 속 입자 및 앙금에 대한 응답으로 나누어 분류하 을 진행하였다. 2차시에는 교사가 이온화 개념에 대해 설 명하면서, 학생들이 이온화가 전해질과 비전해질을 구별 였다. 앙금 생성 반응 이전의 수용액 속 입자에 대한 응답 은 입자 표현 방식(1단계), 입자의 화학식 표현(3단계), 입 하는 특성 중의 하나임을 이해하도록 하였다. 교사는 전 해질의 이온화를 설명하는 과정에서 교과서에 제시되어 자의 몰수 비 표현(4단계)을 거쳐 분류하였다. 입자의 화 학식 표현은 입자의 화학식 표현이 올바른지 아닌지를 있는 염화 나트륨 그림(Fig. 2(a))을 활용하여 수업을 진행 하였다. 3차시에는 교사가 전해질 수용액에서 이온의 이 확인하였으며, 입자의 몰수 비 표현은 수용액 속에 존재 하는 입자의 몰수 비를 고려하여 바르게 표현하였지 그 동 원리를 설명하고, 학생들이 시각적으로 이온의 이동을 확인할 수 있도록 탐구 실험 동영상( 렇지 않은지 확인하였다. 앙금 생성 반응 이후의 수용액 속 입자에 대한 응답은 1~4단계를 거쳐 분류하였다. 생성 com/watch?v=bm3cdhx091o)을 활용하여 수업을 진행 하였다. 4차시의 내용은 앙금 생성 원리를 이해하는 것이 된 앙금에 대하여 앙금의 표현(2단계)을 추가하여 분류하 였는데, 이 때 학생들이 앙금의 형성을 표현하였는지, 앙 었다. 교사는 몇 가지 예를 들면서 앙금 생성 반응을 설명 하였는데, 그 중의 하나는 Fig. 2의 (b)에 제시된 것과 같 금의 화학식을 바르게 나타내었는지 확인하였다. 분석의 신뢰도를 높이기 위하여 연구자 2인이 분류 기준에 대해 다. 5차시는 미지 수용액 속의 이온을 확인하는 활동을 중 심으로 수업을 진행하였다. 교실에서 small scale chemistry 키 논의한 후, 개별적으로 학생들의 응답을 분류하였다. 분 류가 끝난 후 결과를 서로 비교하고, 서로 다른 결과에 대 트를 이용하여 학생들이 조별로 앙금 생성 반응 실험을 진행 하도록 하였다. 6차시의 수업 목표는 학생들이 앙금 생성 해서는 논의를 통하여 합의에 도달하는 과정을 반복하였다. 반응을 화학식으로 표현할 수 있도록 하는 것이었다. 교 Figure 2. (a) NaCl in solid and aqueous solut, (b) representat of precipitat react for NaCl and AgNO3 solut (Lee, J. et al.). Journal of the Korean Chemical Society

입자에대한학생들의응답을입자의표현방식을기준으로다섯가지유형 (A~E) 으로분류하였다.

A 유형은고체상태와수용액상태에서모두이온의형태 (Na + 와 Cl ) 로존재한다고표현한것이다.

고체상태에서는원자로수용액상태에서는이온으로존재한다고응답한학생들은 C 유형으로분류하였다.

E 유형은고체상태에서는분자, 수용액상태에서는이온으로존재한다고표현한것이다. 전체학생의 32.

The types of students responses on NaCl particles in

4 중학생들의전해질과이온에관련된입자개념표현의일관성분석 583 사가화학식으로앙금생성반응을표현하는방법을학생들에게설명하고, 학생들이직접여러가지앙금생성반응과정을화학식을써볼수있는기회를제공하였다. 연구결과및논의전해질에서의입자표현고체상태와수용액상태에서존재하는염화나트륨 (NaCl) 입자에대한학생들의응답을입자의표현방식을기준으로다섯가지유형 (A~E) 으로분류하였다. 각유형별응답내용과각유형에해당하는학생들의수를 Table 2 에나타내었다. A 유형은고체상태와수용액상태에서모두이온의형태 (Na + 와 Cl ) 로존재한다고표현한것이다. B 유형은고체상태와수용액상태에서모두원자의형태 (Na와 Cl) 로존재한다고응답한것이다. 고체상태에서는원자로수용액상태에서는이온으로존재한다고응답한학생들은 C 유형으로분류하였다. D 유형에속하는학생들은고체상태와수용액상태에서 NaCl이모두분자의형태로존재한다고표현하였다. E 유형은고체상태에서는분자, 수용액상태에서는이온으로존재한다고표현한것이다. 전체학생의 32.8% 에해당하는 20명의학생들이유형 Table 2. The types of students responses on NaCl particles in solid and solut with response rate Type NaCl in solid NaCl in solut Response rate, number of students (%) A * 20 (32.8) atom atom B 18 (29.4) atom C 17 (27.9) molecule molecule D 4 (6.6) molecule E 2 (3.3) *: scientific concept Total 61 (100.0)

584 윤회정 이윤하 A에해당하는과학적개념을가지고있는것으로나타났다. 이들은고체상태와수용액상태에서존재하는입자들을모두이온으로표현했으며, 고체상태에서는양이온과음이온이서로붙어있고, 수용액상태에서는서로멀리떨어져있는것으로표현하였다. 29.4% 의학생들이 B 유형과같이염화나트륨이고체상태와수용액상태에서모두원자상태로존재한다고응답하였다.

5 584 윤회정 이윤하 A에해당하는과학적개념을가지고있는것으로나타났다. 이들은고체상태와수용액상태에서존재하는입자들을모두이온으로표현했으며, 고체상태에서는양이온과음이온이서로붙어있고, 수용액상태에서는서로멀리떨어져있는것으로표현하였다. 29.4% 의학생들이 B 유형과같이염화나트륨이고체상태와수용액상태에서모두원자상태로존재한다고응답하였다. 유형 D는염화나트륨의화학식을그대로쓴것인데이에해당하는학생들은이온결정에대한개념이없거나염화나트륨이분자상태로존재한다고생각하여화학식을있는그대로쓴것으로볼수있다. 전해질이수용액에서이온이아니라중성원자나분자로존재한다고생각하는학생들이있다는결과는기존의연구결과와도일치한다. 5,10,20,23 이정아, 10 Ebenzer과 Erickson 5 은고등학생, Smith와 Metz, 23 Raviolo 20 는대학생을대상으로연구를진행하였음에도중학생들을대상으로한본연구에서와같은유형의개념을학생들이가지고있음을확인한것으로보아이러한개념이쉽게과학적개념으로전환되지않는다는것을확인할수있었다. 고체상태에서는원자, 수용액상태에서는이온으로존재한다는 C 유형에해당하는응답을한학생은 17명으로전체학생의 27.9% 에해당했다. 또한고체상태에서는분자, 수용액상태에서는이온으로존재한다는 E 유형의응답을한학생도 2명있었다. 고체상태일때와수용액상태일때입자의유형이달라진다는 C와 E 유형의응답이나타나는이유는해당학년의단원에서전해질은고체상태에서는전류가흐르지않고, 수용액에서만전류가흐른다는개념이강조되고있는것과연관시켜생각해볼수있다. 교과서에서양이온은 ( ) 극, 음이온은 (+) 극으로 이동하기때문에전류가흐른다고설명하고있기때문에학생들은전류가흐르는수용액상태에서만이온이존재한다고생각할수있다. 고체상태에서는전류가흐르지않기때문에전하를띠지않는원자나분자의형태로존재한다고생각하는것으로볼수있다. 앙금생성반응에서의입자표현탄산나트륨 (Na 2CO 3) 과염화칼슘 (CaCl 2) 수용액을섞으면탄산칼슘 (CaCO 3) 의앙금이생성된다. 앙금생성반응에서의입자표현을분석한결과, 학생들은입자를이온이나원자의형태로표현하고있음을알수있었다. 이때학생들의입자에대한올바른이해정도를파악하기위하여화학식과이온의전하량표현, 입자의몰수비표현도추가로분석하였다. 앙금생성반응에대한학생들의응답은혼합이전의탄산나트륨 (Na 2CO 3) 과염화칼슘 (CaCl 2) 수용액에존재하는입자에대한응답과혼합하여앙금생성이일어난후의수용액에존재하는입자에대한응답으로나누어분류하였고, 이를각각 Fig. 3과 4에나타내었다. Fig. 3은혼합이전수용액에존재하는입자에대한학생들의응답을분류하고, 각유형에속하는학생들의수를나타낸것이다. 먼저, 수용액에존재하는입자의표현방식에따라이온인경우를 A 유형, 원자인경우를 B 유형으로분류하였다 (1단계). 각유형내에서입자의화학식과입자의몰수비를올바르게표현하였는지에따라학생들의응답을세분화하였다 (3, 4단계 ). 수용액에서의입자를이온으로표현하고, 그화학식과몰수비를모두올바르게표현한학생들은 Na 2CO 3 수용액과 CaCl 2 수용액에서각각 19명 (31.1%) 과 20명 (32.8%) 이었다. Figure 3. The types of students responses before precipitat react and the number of students in each type. Journal of the Korean Chemical Society

6 중학생들의전해질과이온에관련된입자개념표현의일관성분석 585 Figure 4. The types of students responses after precipitat react and the number of students in each type. 수용액속의입자를이온으로표현한학생들 (A 유형 ) 중, 이온의화학식이나전하량, 양이온과음이온의비율을제대로표현하지못한학생들은 Na 2CO 3 수용액과 CaCl 2 수용액에서각각 25명 (41.0%) 으로나타났다. 수용액속의입자를원자로표현한 B 유형에속하는학생들은 Na 2CO 3 수용액과 CaCl 2 수용액에서각각 17명 (27.9%) 과 16명 (26.2%) 으로나타났으며, 이들중일부는입자의화학식이나몰수비를제대로표현하지못했다. 두용액을혼합하여앙금생성반응이일어난후의수용액에존재하는입자들에대한학생들의응답을분류한결과는 Fig. 4와같다. 먼저, 수용액에존재하는입자를이온이나원자로표현하였는지에따라 A 유형과 B 유형으로분류하였다 (1단계). 생성된앙금의표현, 입자의화학식, 입자의몰수비를하위기준으로하여학생들의응답을세분화하였다 (2, 3, 4단계 ). 생성된앙금, 이온의화학식과전하량, 입자의몰수비를모두바르게표현하여과학적개념을가지고있다고판단되는학생은 11명으로전 체학생의 18.0% 에불과하였다. 앙금은바르게표현하였지만이온의화학식과이온의몰수비를잘못표현한학생들은 14명 (23.0%) 으로여러유형중가장높은비율을차지하고있음을알수있었다. 입자를이온으로표시하지않고, 앙금생성반응후수용액내구경꾼이온을원자나분자로표현한 B 유형의학생들은 16명 (26.2%) 이었으며이들중 8명은앙금의화학식을바르게표현하였다. 다른 8명은응답에앙금을나타내지않고, 수용액속에원자들만이있는것으로표현하였다. 기타응답은학생들이앙금반응후의생성물을분자로표현한것으로, 화학반응이일어나지않은것처럼원래의분자 (Na 2CO 3 와 CaCl 2) 가그대로존재하는것으로표현한학생이 2명있었으며, NaCl과 CaCO 3 로표현한학생이 5명있었다. 많은학생들이생성된앙금을응답에나타내지않았으며, 앙금을표현한학생들중에서도앙금의화학식을제대로쓰지못한학생들이많았다. 또한수용액속에서의이온의전하량표현이나이온의몰수비를바르게알고

전하나 산화수를 제대로 알지 못하기 때문에 화학기 았을 뿐만 아니라 앙금을

이해 금을 화학식으로 표현하여 학생들이 앙금을 이온의 결합 와 올바른 화학식의

비교 반응을 설명할 때 수용액 속의 입자들만을 분석 대상으 로하여 학생들의

학생들의 응답은 으로 생각하는지 원자의 결합으로 생각하는지에 대해 파 고체

각 유형에 속하는 학 대신 양이온과 음이온이 결정구조를 이루고 있으며, 수용

칼슘 이온은 서로 반응하여 고체 상태의 앙금을 형성하고 나트륨 이온과 염화

앙금 생 1유형에 속하는 학생들은 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응의 전과

7 윤회정 이윤하 586 있지 못한 학생들이 다수 나타났다. 이러한 결과는 이온 성 반응을 설명할 때 앙금을 표현하지 않은 학생들도 많 의 전하나 산화수를 제대로 알지 못하기 때문에 화학기 았을 뿐만 아니라 앙금을 표현한 대다수의 학생들이 앙 호를 제대로 표현하지 못하며, 특히 다원자 이온의 이해 금을 화학식으로 표현하여 학생들이 앙금을 이온의 결합 와 올바른 화학식의 작성하는데 많은 어려움을 갖는다는 기존의 연구 결과와도 일치한다.7,27 악할 수 없었다. 따라서 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 전해질과 앙금 생성 반응에서의 입자 표현 비교 반응을 설명할 때 수용액 속의 입자들만을 분석 대상으 로하여 학생들의 응답을 비교해 보았다. 학생들의 응답은 으로 생각하는지 원자의 결합으로 생각하는지에 대해 파 고체 상태에서의 염화 나트륨은 단위 분자로 존재하는 4가지 유형으로 분류할 수 있었다. 각 유형에 속하는 학 대신 양이온과 음이온이 결정구조를 이루고 있으며, 수용 생들의 응답 예시와 각 유형에 속하는 학생들의 수를 액 상태에서는 나트륨 이온과 염화 이온으로 존재한다. Table 3에 나타내었다. 앙금 생성 반응의 경우, 수용액에서 이온으로 존재하는 입자들 중 탄산 이온과 칼슘 이온은 서로 반응하여 고체 상태의 앙금을 형성하고 나트륨 이온과 염화 이온은 반 응에 참여하지 않고 구경꾼 이온으로 존재한다. 앙금 생 1유형에 속하는 학생들은 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응의 전과 후를 설명할 때 수용액에 존재하는 입 자들을 모두 이온으로 표현하였다. 35명(57.4%)의 학생들 이 이에 해당하였으며, 이 학생들은 과학적 개념을 가지 Table 3. The types of students responses in electrolyte vs precipitat react Type Electrolyte (NaCl) Precipitat react (Na2CO3+CaCl2 2NaCl+CaCO3) 1* Response rate, number of students (%) 35 (57.4) atom/molecule atom 2 11 (18.0) / 2 (3.3) atom/molecule 3 7 (11.4) / 2 (3.3) 4 atom 4 (6.6) * scientific concept Journal of the Korean Chemical Society

8 중학생들의전해질과이온에관련된입자개념표현의일관성분석 587 고있었으며, 서로다른맥락에서도과학적개념을지속적으로적용할수있음을알수있었다. 1유형을제외한다른유형에속하는학생들은과학적개념과비과학적개념을동시에가지고있거나비과학적개념을가지고있다고볼수있다. 전해질을설명할때와앙금생성반응을설명할때수용액속의입자들을모두원자나분자로표현한 2유형에속하는학생들은 13명 (21.3%) 이었다. 전해질을설명할때, 11명의학생들이모든입자를원자로, 2명의학생들이모든입자를분자로표현하였다. 이들중 Table 3에제시된것처럼화학식을바르게표현하지않은학생들 (Na 2 나 Cl 2 로표현 ) 도있었다. 하지만올바른화학식의표현과관계없이입자를전하를띠지않는입자로생각하고있다는점을기준으로이유형으로분류하였다. 전해질을설명할때, 수용액속의입자를원자로표현한 11명의학생들은비록과학적개념을가지고있지는않았지만, 앙금생성반응에서도수용액상태에서의입자를원자로표현했다는점에서일관성을나타낸다고볼수있다. 다른 2 명의학생들은전해질을설명할때에는수용액상태에서의입자를분자로, 앙금생성반응을설명할때에는수용액상태에서의입자를원자로표현했다는점에서비과학적개념을가지고있으며, 상황에따라다른개념을사용하는것으로보인다. 이유형에속하는학생들은이온, 원자와같은입자의개념과차이를명확히알지못하거나전해질과앙금생성반응에서이온이관여한다는것을알지못한다고생각되며, 입자에대한과학적개념이부족하다고볼수있다. 전해질을설명할때에는수용액속의모든입자를원자 ( 또는분자 ) 로, 앙금생성반응을설명할때에는수용액속의모든입자를이온으로표현한 3유형에속하는학생들도 9명 (14.7%) 이있었다. 이들중 7명의학생들은수용액상태의전해질을원자, 2명의학생들은분자로표현하였다. 9명의학생들모두앙금생성반응을설명할때수용액속의입자를이온으로표현하였다. 따라서이유형에속하는학생들은전해질을설명할때와앙금생성반응을설명할때, 수용액속입자표현이일관적이지않음을볼수있다. 4유형으로분류한 4명의학생들은전해질을설명할때에는모든입자를이온으로, 앙금생성반응을설명할때에는모든입자를원자로표현하였다. 교과서에서전해질을설명할때, 비전해질과구분하여전해질이수용액상태에서전류가흐르는물질임을강조하면서전류가흐르는이유를이온의이동으로설명한다. 이에따라전해질을설명할때에는수용액상태에서이온이존재함을표현할수있었을것이다. 하지만앙금생성반응에서모든 입자를원자로표현했다는점에서일관적이지않으며과학적개념과비과학적인입자개념을동시에갖고있는것으로볼수있다. 염화나트륨, 탄산나트륨과염화칼슘전해질이수용액상태일때입자를표현한내용을비교해본결과전체학생의 78.7% 에해당하는 48명의학생들이전해질을설명할때와앙금생성반응을설명할때에수용액에존재하는입자의형태에대해일관적인개념을적용하고있음을알수있었다. 다만 21.3% 에해당하는 13명의학생들은비과학적인개념을서로다른맥락에서일관적으로적용하고있었다. 결론및제언학생들이거시적인현상을미시적인관점에서어떻게바라보고있는지알아보고, 이러한미시적인관점에서의설명이일관적인지를알아보기위하여연구를진행하였다. 이를위하여중학교 3학년 전해질과이온 단원의내용중전해질과앙금생성반응과관련한내용을선정하였다. 전해질과앙금생성반응을미시적인관점에서이해하기위해서는입자의개념에대한이해가필수적이며, 전해질을설명하는과정에서도고체상태와수용액상태에서의입자에대한설명이제시되어있고, 앙금생성반응을설명하는과정에서도수용액상태에서의입자가앙금이되면서고체상태가되기때문에서로다른상태에서의입자개념을비교해볼수있기때문이었다. 연구결과를바탕으로다음과같은결론을내릴수있었다. 첫째, 서로다른맥락에서과학적개념을일관성있게적용한학생은그리많지않았다. 전해질과앙금생성반응을설명할때수용액상태에존재하는입자가모두이온이라는과학적개념을가지고있는학생은전체학생의 57.4% 였다. 하지만고체상태의전해질까지도모두이온의형태로표현한학생은 32.8% 였다. 학생들은수업시간에실험을통해전해질이수용액상태에서전류가흐르는물질이라는것과서로다른이온이만나앙금을생성할수있다는것을확인하였다. 또한전해질과비전해질의차이, 고체상태와수용액상태의전해질, 이온화의원리, 앙금생성반응에대해입자적수준에서이해할수있도록다양한교과서삽화를활용한수업을들었다. 그럼에도불구하고고체상태일때는원자나분자로, 수용액상태일때는이온으로표현한학생들도있었다. 이러한비과학적개념은전류가고체상태의전해질에는통하지않고, 수용액상태일때는통하는현상을설명할수있기때문에학생들이갖게되었을수도있다. 많은학생들이전해질과앙금생성반응을설명

9 588 윤회정 이윤하 할때, 이온개념을활용하지못했다는것은교수전략의변화가요구됨을시사한다. 둘째, 입자의화학식과몰수비를정확히표현하는데어려움을느끼고있는학생들이다수있음을알수있었다. 앙금생성반응전 ( 수용액상태 ) 과앙금생성반응후 ( 수용액상태, 고체앙금 ) 의입자표현을분석한결과, 생성된앙금의표현, 입자의화학식, 입자의몰수비를모두바르게설명한학생은매우적게나타났다. 따라서학생들이가지고있는비과학적개념과그개념의설명력을좀더구체적으로조사하고분석하는후속연구가필요하다고여겨진다. 셋째, 주어진맥락에따라다른입자개념을적용하는학생들도있었으며, 자신만의입자개념을서로다른맥락에서일관적으로적용하는학생들도있었다. 동일한학생이작성한답안을비교하여고체상태와수용액상태일때각각의전해질입자표현을분석한결과, 염화나트륨전해질을표현할때고체상태와수용액상태에서의염화나트륨을언제나이온으로표현해야함에도불구하고원자나분자로표현한학생들이있었다. 염화나트륨이수용액상태일때를표현한답안과탄산나트륨과염화칼슘이각각수용액상태로있다가서로섞이면서앙금생성반응을할때의입자를표현한답안을비교하였다. 이를분석한결과전체학생의약 79% 에해당하는학생들이수용액상태의전해질에존재하는입자를일관적으로표현하고있음을알수있었다. 이를통해학생들이수용액상태의전해질속입자가이온이라고과학적으로표현하거나원자나분자형태로수용액속에존재한다고비과학적으로표현하는방식이전해질의종류에상관없이일관적임을알수있었다. 본연구결과를통하여학생들이고체상태와수용액상태일때의전해질과서로다른전해질이섞이면서앙금생성반응을하는거시적인상황을미시적으로표현할때다양한입자를가지고설명하고있음을확인하였다. 과학적인개념에따른표현이나비과학적인개념에따른표현이나거시적인상황을미시적으로표현할때대부분의학생들이일관적으로설명하고있음을확인하였다. 학생들이가지고있는다양한입자개념은교과서의삽화를그대로받아들이거나혹은교과서의삽화를학습하였음에도불구하고자신나름의개념을갖기때문에나타나는것이라여겨진다. 또한비과학적개념에의한입자표현이더라도거시적인상황을어느정도설명할수있기때문에유지되는것이라생각된다. 따라서추후학생들이좀더관심을가지고집중해서교과서삽화를보도록하는방안에대한연구가필요하다. 다양한종류의전해질에대해매력적인교과서삽화를개발하는것이필 요하다. 또한교과서에전해질의종류를달리하여삽화를제시함으로써일반적으로전해질의고체상태와수용액상태일때입자가어떻게존재하는지를학생스스로유추하여과학적개념을형성하도록하는노력이요구된다. 더불어학생들이가지고있는전해질과관련된거시적인현상을설명할수있는비과학적개념에대한구체적인연구가필요하다. 주어진거시적인현상에일관적으로비과학적개념을이용하여설명하는데어려움이없기때문에학생들의비과학적개념을수정하기어렵다. 따라서학생들이가지고있는다양한비과학적개념들이어떤거시적인상황에적용할수있는지조사하고, 이에해당하지않는상황을적절하게제시함으로써과학적개념을갖도록지도해야할것이다. 마지막으로학생들이이온, 원자, 분자를화학기호로표현하고, 이온화와앙금생성반응을화학식으로바르게표현할수있도록하는지도가요구된다. 화학은거시적, 미시적, 상징적수준에서의종합적인이해가필요한학문이다. 화학기호나화학식에대한이해는화학개념을이해하고표현하는데있어요구되는기본적인능력이므로이러한상징적수준에서의이해를돕는노력이필요할것으로생각된다. Acknowledgments. Publicat cost of this paper was supported by the Korean Chemical Society. REFERENCES 1. Adadan, E.; Savasci, F. Internatal Journal of Science Educat 2012, 34(4), Blown, E. J.; Bryce, T. G. K. Internatal Journal of Science Educat 2006, 28(12), Devetak, I.; Vogrinc, J.; Glazar, S. A. Research in Science Educat 2009, 39(2), disessa, A. A. Cognit and Instruct 1993, 10(2 3), Ebenzer, J. V.; Erickson, G. L. Science Educat 1996, 80(2), Eom, K.; Hwang, I. Research in Curriculum Instruct 2006, 10(1), Glaažr, S. A.; Devetak, I. Acta Chimica Slovenica 2002, 49, Kabapinar, F.; Leach, J.; Scott, P. Internatal Journal of Science Educat 2004, 26(5), Kang, D. H.; Paik, S. H.; Park, K. T. Journal of the Korean Chemical Society 2004, 48(4), Lee, J. A. The Analysis of High School Students Explanatory Patterns About Electrolytes and Ions. Master s Thesis, Korea Natal University of Educat, Chung-Buk, Korea, Lee, J.; Noh, S.; Paik, J.; Lee, B.; Kang, D.; Kim, J.; Lee, Journal of the Korean Chemical Society

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