Analysis of Coherence in Middle School Students' Representation of Particulate Concepts

중학생들의 전해질과 이온에 관련된 입자 개념 표현의 일관성 분석

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 questionnaire was developed to find out how students represented particles in two contexts: solid and solution states of electrolytes, and ion precipitation reaction. The questionnaire was administered to $9^{th}$ grade students after classes of 'electrolyte and ions' unit. The responses of students were analyzed using framework developed for categorization of students' concepts. The results are as follows: First, it was found that students used various concepts on particles when they explained solid and solution state of electrolytes, respectively. Second, we identified students' concepts of particles used to explain ion precipitation reaction. In addition, we recognized that majority of students failed to write correct chemical symbols. Third, approximately 79% of students showed coherent responses for explanation of particles in solution state of both electrolytes and ion precipitation reaction. About 57% of students had scientific concepts. Some suggestions were made based on results for acquisition of scientific concepts on particles in different contexts.

학생들이 특정 내용 영역을 설명할 때 사용하는 개념은 맥락의 영향을 받기도 하며, 맥락과 관계없이 일관적으로 유지되기도 한다. 이 연구의 목적은 중학생들이 특정 내용 영역에서 사용하는 입자 개념을 살펴보고, 학생들의 입자 개념에 미치는 맥락의 영향을 알아보는 것이다. 이를 위하여 학생들이 고체 상태와 수용액 상태의 전해질을 설명할 때와 수용액 상태의 서로 다른 전해질이 혼합되어 고체 상태의 앙금을 형성하는 현상을 설명할 때 입자를 어떻게 표현하는지 알아볼 수 있도록 검사지를 제작하였다. 중학교 3학년 학생들을 대상으로 '전해질과 이온' 단원의 수업이 끝난 후에 검사를 실행하고, 개발한 분류틀에 따라 학생들의 응답을 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 고체 상태와 수용액 상태의 전해질을 설명한 응답의 분석을 통해 학생들이 다양한 입자 개념을 가지고 각각을 설명하고 있음을 알 수 있었다. 둘째, 앙금 생성 반응을 설명하기 위해 학생들이 사용하는 입자 개념을 파악할 수 있었으며, 많은 학생들이 화학기호를 표현하는데 어려움을 갖고 있다는 것을 알 수 있었다. 셋째, 약 57%의 학생들이 과학적 개념을 일관적으로 적용하여 수용액 상태의 입자에 대해 전해질과 앙금 생성 반응을 설명하였고, 비과학적 개념을 가지고 있는 학생을 모두 포함했을 때 일관성 있는 설명을 제시한 학생들은 전체의 약 79%였다. 연구 결과를 바탕으로 학생들이 여러 맥락에서 입자에 대한 과학적 개념을 습득하는데 도움이 될 수 있는 방안을 제안하였다.

서 론

화학 개념을 습득하기 위해서는 거시적(macroscopic), 미시적(microscopic), 상징적(symbolic) 수준에서의 종합적 이해가 필요한데,30 특히 미시적 수준에서의 이해는 눈으로 관찰할 수 없는 입자 개념을 대상으로 하기 때문에 학생들이 어려워하는 것으로 알려져 있다.5,25 입자와 관련된 학생들의 다양한 사전 개념이 보고되었고, 많은 학생들이 원소, 원자나 분자를 명확히 구분하거나 용해나 확산, 화학반응을 입자적 수준에서 설명하는데 어려움을 느끼는 것으로 알려져 있다.1,3,8,9,14,17−19,29

학생들의 사전 개념에 대한 해석은 크게 두 가지 측면에서 이해되고 있다. 그 중 하나는 학생들이 상대적으로 안정적인 개념 구조를 가지고 있다는 입장이다.2,32 이러한 개념 구조는 존재론적, 인식론적인 기본 전제들을 바탕으로 형성되어 있기 때문에 쉽게 변화하지 않으며 일관적이며 설명적이라는 특성을 지닌다. Vosniadou와 Brewer33는 지구의 모양을 원반모양으로 설명하는 정신모형을 가지고 있는 학생들 중, 낮과 밤이 바뀌는 현상을 설명하는 과정에도 같은 모형을 적용하는 학생들이 있다는 것을 보고한 바 있다. 다른 하나는 학생들의 개념은 불안정하며 조각으로 이루어져 있어 상황이나 맥락에 따라 비일관적으로 적용된다는 입장이다.4,31 diSessa4는 ‘힘’이라는 개념에 대해 학생들이 분절적이고, 상황의존적(contextbound)인 지식을 가지고 있음을 보고한 바 있다. 즉, 학생들은 특정 영역에서 과학적 개념과 비과학적인 개념을 동시에 가지고 있으며,24,26 상황에 따라 다른 개념을 활용한다는 것이다.16

특정 내용 영역에서의 맥락이 관련 개념에 미치는 영향에 대한 연구는 주로 물리 영역에서 많이 이루어졌으며 화학 영역, 특히 입자 개념과 관련된 연구는 상대적으로 적은 편이다.28 입자와 관련된 연구로는 Nakhleh, Samarapungavan과 Saglam13과 Teichert et al.28의 연구가 있다. Nakhleh et al.13은 연구에 참여한 대부분의 중학생들이 원자와 분자에 대해 과학적 개념을 가지고 있으며 이를 이용하여 상태변화를 설명했지만, 물질의 성질이나 용해 과정은 과학적 개념을 활용하여 설명하지 못한다는 것을 확인하였다. Teichert et al.28은 학생들이 전기전도도를 설명할 때와 끓는점 오름을 설명할 때 제시하는 수용액 속 입자에 대한 개념이 일관적이지 않다는 것을 알아내어 학생들이 가지고 있는 입자 개념이 상황 의존적임을 확인하였다. 이 외에는 미시적 수준에서의 입자 개념과 맥락간의 관련성에 대해 밝혀진 바가 거의 없다. 미시적 수준에서의 입자에 대한 이해는 화학에서 요구되는 가장 기본적인 개념 중의 하나라는 점을 고려해 볼 때, 다양한 맥락에서의 연구가 진행될 필요가 있다.

본 연구에서는 중학생들이 서로 다른 맥락에서 어떤 입자 개념을 나타내는지 살펴보고, 맥락이 학생들의 입자 개념에 어떤 영향을 미치는지 알아보았다. 이를 위하여 2007개정 교육과정의 9학년 ‘전해질과 이온’ 단원을 선정하였다. 이 단원의 목표는 물질이 전해질과 비전해질로 구분됨을 이온화를 통하여 이해하고, 앙금 생성 반응을 통하여 이온 간의 반응을 확인하는 것이다.12 전해질과 비전해질에 대한 연구는 주로 학생들이 가지고 있는 다양한 사전 개념의 종류와 사전 개념의 생성 원인, 과학적 개념 습득을 위한 효과적인 수업전략의 개발을 중심으로 진행되어 왔다.6,10,21,22 앙금 생성 반응에 대해서는 실험 수업을 진행한 반과 모형을 활용한 수업을 진행한 반 학생들을 대상으로 수업의 효과를 비교한 연구가 있다.15 교과서에 제시되어 있는 전해질은 주로 이온성 물질의 개념을 바탕으로 설명되어 있으며,6 앙금 생성 반응은 이온 간의 반응을 가시적으로 확인할 수 있는 실험과 입자 모형을 이용하여 그림으로 설명되어 있다. 학생들이 미시적인 관점에서 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응을 설명할 때 나타나는 입자 개념을 살펴보고, 이들을 비교하면서 맥락이 입자 개념에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위한 본 연구의 연구문제는 다음과 같다.

첫째, 학생들은 고체 상태와 수용액 상태일 때 전해질 입자를 어떻게 표현하는가?

둘째, 학생들은 앙금 생성 반응 전(수용액 상태)과 앙금 생성 반응 후(수용액 상태, 고체 앙금)의 입자를 어떻게 표현하는가?

셋째, 학생들은 전해질과 앙금 생성 반응을 설명할 때, 수용액 상태에서의 입자를 일관적으로 표현하는가?

 

연구 내용 및 방법

연구 대상 및 방법

본 연구는 서울시에 소재한 중학교 한 곳에 재학 중인 3학년 학생 85명을 대상으로 진행하였다. 해당 학생들은 같은 교사에게서 6차시(3주)에 걸쳐 ‘전해질과 이온’ 단원을 학습하였다. 학생들이 ‘전해질과 이온’ 단원을 학습한 후에 검사를 시행하였다. 수거한 85명의 응답 중, 모든 문항에 성실하게 응답한 61명의 응답을 선정하여 분석하였다.

검사 도구

이정아10가 전해질과 이온에 대한 고등학생들의 설명 유형을 분석하기 위하여 개발한 검사지에서 두 문항을 선정하여 본 연구의 목표에 부합하도록 수정한 후 사용하였다. 추상적인 입자 개념을 효과적으로 확인하기 위하여 학생들의 생각을 그림으로 표현할 수 있도록 주관식 형태의 문항을 이용하였다. 문항 1은 염화 나트륨(NaCl)이 고체 상태와 수용액 상태에서 각각 어떻게 존재하는지 그림으로 표현하게 하는 것이다. 문항 2는 탄산 나트륨(Na2CO3)과 염화 칼슘(CaCl2)이 각각 수용액 상태에서 어떻게 존재하는지 그리도록 한 후, 이 두 수용액을 섞었을 때 수용액에는 어떤 입자들이 존재하는지 그림으로 표현하게 하는 것이다. 과학교육 전문가 2인과 화학 전공 중등교사 1인이 문항 내용의 타당도와 표현의 적절성을 검토하였다.

자료 분석 및 결과 처리

학생들이 작성한 검사지의 답안에 제시된 개념들을 분류하기 위하여 선행 연구 결과10,23를 참고하여 Fig. 1과 같이 분류틀을 제작하였다. 1단계에서는 학생들의 입자 표현 방식(입자를 이온, 원자, 분자 중 어떤 것으로 표현하였는가?)을 기준으로 학생들의 응답을 분류하였다. 문항 1에 대한 학생들의 응답은 1단계의 기준만으로 분류가 가능하였다. 문항 2에 대한 응답은 앙금 생성 반응 이전의 수용액 속 입자에 대한 응답과 앙금 생성 반응 이후의 수용액 속 입자 및 앙금에 대한 응답으로 나누어 분류하였다. 앙금 생성 반응 이전의 수용액 속 입자에 대한 응답은 입자 표현 방식(1단계), 입자의 화학식 표현(3단계), 입자의 몰수 비 표현(4단계)을 거쳐 분류하였다. 입자의 화학식 표현은 입자의 화학식 표현이 올바른지 아닌지를 확인하였으며, 입자의 몰수 비 표현은 수용액 속에 존재하는 입자의 몰수 비를 고려하여 바르게 표현하였지 그렇지 않은지 확인하였다. 앙금 생성 반응 이후의 수용액 속 입자에 대한 응답은 1~4단계를 거쳐 분류하였다. 생성된 앙금에 대하여 앙금의 표현(2단계)을 추가하여 분류하였는데, 이 때 학생들이 앙금의 형성을 표현하였는지, 앙금의 화학식을 바르게 나타내었는지 확인하였다. 분석의 신뢰도를 높이기 위하여 연구자 2인이 분류 기준에 대해 논의한 후, 개별적으로 학생들의 응답을 분류하였다. 분 류가 끝난 후 결과를 서로 비교하고, 서로 다른 결과에 대해서는 논의를 통하여 합의에 도달하는 과정을 반복하였다.

Figure 1.Framework for categorizing the concept of particles.

‘전해질과 이온’의 수업

‘전해질과 이온’ 단원의 수업은 총 6차시에 걸쳐 진행되었다. 각 차시 별 학습 내용은 Table 1에 정리한 것과 같다.

Table 1.The contents of instruction for ‘electrolyte and ions’ unit

1차시의 학습 내용은 전해질과 비전해질의 분류였다. 교사는 학생들이 실험실에서 교과서에 제시되어 있는 탐구 실험을 학생들이 직접 수행하면서 다양한 물질을 대상으로 전류가 통하는지 아닌지 알아보도록 하면서 수업을 진행하였다. 2차시에는 교사가 이온화 개념에 대해 설명하면서, 학생들이 이온화가 전해질과 비전해질을 구별하는 특성 중의 하나임을 이해하도록 하였다. 교사는 전해질의 이온화를 설명하는 과정에서 교과서에 제시되어 있는 염화 나트륨 그림(Fig. 2(a))을 활용하여 수업을 진행하였다. 3차시에는 교사가 전해질 수용액에서 이온의 이동 원리를 설명하고, 학생들이 시각적으로 이온의 이동을 확인할 수 있도록 탐구 실험 동영상(http://www.youtube.com/watch?v=BM3CDHX091o)을 활용하여 수업을 진행하였다. 4차시의 내용은 앙금 생성 원리를 이해하는 것이 었다. 교사는 몇 가지 예를 들면서 앙금 생성 반응을 설명하였는데, 그 중의 하나는 Fig. 2의 (b)에 제시된 것과 같다. 5차시는 미지 수용액 속의 이온을 확인하는 활동을 중심으로 수업을 진행하였다. 교실에서 small scale chemistry 키트를 이용하여 학생들이 조별로 앙금 생성 반응 실험을 진행하도록 하였다. 6차시의 수업 목표는 학생들이 앙금 생성 반응을 화학식으로 표현할 수 있도록 하는 것이었다. 교사가 화학식으로 앙금 생성 반응을 표현하는 방법을 학생들에게 설명하고, 학생들이 직접 여러 가지 앙금 생성 반응 과정을 화학식을 써 볼 수 있는 기회를 제공하였다.

Figure 2.(a) NaCl in solid and aqueous solution, (b) representation of ion precipitation reaction for NaCl and AgNO3 solution (Lee, J. et al.).

 

연구 결과 및 논의

전해질에서의 입자 표현

고체 상태와 수용액 상태에서 존재하는 염화 나트륨(NaCl) 입자에 대한 학생들의 응답을 입자의 표현 방식을 기준으로 다섯 가지 유형(A~E)으로 분류하였다. 각 유형별 응답 내용과 각 유형에 해당하는 학생들의 수를 Table 2에 나타내었다. A 유형은 고체 상태와 수용액 상태에서 모두 이온의 형태(Na+와 Cl−)로 존재한다고 표현한 것이다. B 유형은 고체 상태와 수용액 상태에서 모두 원자의 형태(Na와 Cl)로 존재한다고 응답한 것이다. 고체 상태에서는 원자로 수용액 상태에서는 이온으로 존재한다고 응답한 학생들은 C 유형으로 분류하였다. D 유형에 속하는 학생들은 고체 상태와 수용액 상태에서 NaCl이 모두 분자의 형태로 존재한다고 표현하였다. E 유형은 고체 상태에서는 분자, 수용액 상태에서는 이온으로 존재한다고 표현한 것이다.

Table 2.*: scientific concept

전체 학생의 32.8%에 해당하는 20명의 학생들이 유형 A에 해당하는 과학적 개념을 가지고 있는 것으로 나타났다. 이들은 고체 상태와 수용액 상태에서 존재하는 입자들을 모두 이온으로 표현했으며, 고체 상태에서는 양이온과 음이온이 서로 붙어 있고, 수용액 상태에서는 서로 멀리 떨어져 있는 것으로 표현하였다. 29.4%의 학생들이 B 유형과 같이 염화 나트륨이 고체 상태와 수용액 상태에서 모두 원자 상태로 존재한다고 응답하였다. 유형 D는 염화 나트륨의 화학식을 그대로 쓴 것인데 이에 해당하는 학생들은 이온 결정에 대한 개념이 없거나 염화 나트륨이 분자 상태로 존재한다고 생각하여 화학식을 있는 그대로 쓴 것으로 볼 수 있다. 전해질이 수용액에서 이온이 아니라 중성 원자나 분자로 존재한다고 생각하는 학생들이 있다는 결과는 기존의 연구 결과와도 일치한다.5,10,20,23 이정아,10 Ebenzer과 Erickson5은 고등학생, Smith와 Metz,23 Raviolo20는 대학생을 대상으로 연구를 진행하였음에도 중학생들을 대상으로 한 본 연구에서와 같은 유형의 개념을 학생들이 가지고 있음을 확인한 것으로 보아 이러한 개념이 쉽게 과학적 개념으로 전환되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

고체 상태에서는 원자, 수용액 상태에서는 이온으로 존재한다는 C 유형에 해당하는 응답을 한 학생은 17명으로 전체 학생의 27.9%에 해당했다. 또한 고체 상태에서는 분자, 수용액 상태에서는 이온으로 존재한다는 E 유형의 응답을 한 학생도 2명 있었다. 고체 상태일 때와 수용액 상태일 때 입자의 유형이 달라진다는 C와 E 유형의 응답이 나타나는 이유는 해당 학년의 단원에서 전해질은 고체 상태에서는 전류가 흐르지 않고, 수용액에서만 전류가 흐른다는 개념이 강조되고 있는 것과 연관시켜 생각해 볼 수 있다. 교과서에서 양이온은 (−)극, 음이온은 (+)극으로 이동하기 때문에 전류가 흐른다고 설명하고 있기 때문에 학생들은 전류가 흐르는 수용액 상태에서만 이온이 존재한다고 생각할 수 있다. 고체 상태에서는 전류가 흐르지 않기 때문에 전하를 띠지 않는 원자나 분자의 형태로 존재한다고 생각하는 것으로 볼 수 있다.

앙금 생성 반응에서의 입자 표현

탄산 나트륨(Na2CO3)과 염화 칼슘(CaCl2) 수용액을 섞으면 탄산 칼슘(CaCO3)의 앙금이 생성된다. 앙금 생성 반응에서의 입자 표현을 분석한 결과, 학생들은 입자를 이온이나 원자의 형태로 표현하고 있음을 알 수 있었다. 이때 학생들의 입자에 대한 올바른 이해 정도를 파악하기 위하여 화학식과 이온의 전하량 표현, 입자의 몰수 비 표현도 추가로 분석하였다. 앙금 생성 반응에 대한 학생들의 응답은 혼합 이전의 탄산 나트륨(Na2CO3)과 염화 칼슘(CaCl2) 수용액에 존재하는 입자에 대한 응답과 혼합하여 앙금 생성이 일어난 후의 수용액에 존재하는 입자에 대한 응답으로 나누어 분류하였고, 이를 각각 Fig. 3과 4에 나타내었다.

Figure 3.The types of students’ responses before precipitation reaction and the number of students in each type.

Figure 4.The types of students’ responses after precipitation reaction and the number of students in each type.

Fig. 3은 혼합 이전 수용액에 존재하는 입자에 대한 학생들의 응답을 분류하고, 각 유형에 속하는 학생들의 수를 나타낸 것이다. 먼저, 수용액에 존재하는 입자의 표현 방식에 따라 이온인 경우를 A 유형, 원자인 경우를 B 유형으로 분류하였다(1단계). 각 유형 내에서 입자의 화학식과 입자의 몰수 비를 올바르게 표현하였는지에 따라 학생들의 응답을 세분화하였다(3, 4단계). 수용액에서의 입자를 이온으로 표현하고, 그 화학식과 몰수 비를 모두 올바르게 표현한 학생들은 Na2CO3 수용액과 CaCl2 수용액에서 각각 19명(31.1%)과 20명(32.8%)이었다.

수용액 속의 입자를 이온으로 표현한 학생들(A 유형) 중, 이온의 화학식이나 전하량, 양이온과 음이온의 비율을 제대로 표현하지 못한 학생들은 Na2CO3 수용액과 CaCl2 수용액에서 각각 25명(41.0%)으로 나타났다. 수용액 속의 입자를 원자로 표현한 B 유형에 속하는 학생들은 Na2CO3 수용액과 CaCl2 수용액에서 각각 17명(27.9%)과 16명(26.2%)으로 나타났으며, 이들 중 일부는 입자의 화학식이나 몰수 비를 제대로 표현하지 못했다.

두 용액을 혼합하여 앙금 생성 반응이 일어난 후의 수용액에 존재하는 입자들에 대한 학생들의 응답을 분류한 결과는 Fig. 4와 같다. 먼저, 수용액에 존재하는 입자를 이온이나 원자로 표현하였는지에 따라 A 유형과 B 유형으로 분류하였다(1단계). 생성된 앙금의 표현, 입자의 화학식, 입자의 몰수 비를 하위 기준으로 하여 학생들의 응답을 세분화하였다(2, 3, 4단계). 생성된 앙금, 이온의 화학식과 전하량, 입자의 몰수 비를 모두 바르게 표현하여 과학적 개념을 가지고 있다고 판단되는 학생은 11명으로 전체 학생의 18.0%에 불과하였다. 앙금은 바르게 표현하였지만 이온의 화학식과 이온의 몰수 비를 잘못 표현한 학생들은 14명(23.0%)으로 여러 유형 중 가장 높은 비율을 차지하고 있음을 알 수 있었다. 입자를 이온으로 표시하지 않고, 앙금 생성 반응 후 수용액 내 구경꾼 이온을 원자나 분자로 표현한 B 유형의 학생들은 16명(26.2%)이었으며 이들 중 8명은 앙금의 화학식을 바르게 표현하였다. 다른 8명은 응답에 앙금을 나타내지 않고, 수용액 속에 원자들만이 있는 것으로 표현하였다. 기타 응답은 학생들이 앙금 반응 후의 생성물을 분자로 표현한 것으로, 화학 반응이 일어나지 않은 것처럼 원래의 분자(Na2CO3와 CaCl2)가 그대로 존재하는 것으로 표현한 학생이 2명 있었으며, NaCl과 CaCO3로 표현한 학생이 5명 있었다.

많은 학생들이 생성된 앙금을 응답에 나타내지 않았으며, 앙금을 표현한 학생들 중에서도 앙금의 화학식을 제대로 쓰지 못한 학생들이 많았다. 또한 수용액 속에서의 이온의 전하량 표현이나 이온의 몰수 비를 바르게 알고 있지 못한 학생들이 다수 나타났다. 이러한 결과는 이온의 전하나 산화수를 제대로 알지 못하기 때문에 화학기호를 제대로 표현하지 못하며, 특히 다원자 이온의 이해와 올바른 화학식의 작성하는데 많은 어려움을 갖는다는 기존의 연구 결과와도 일치한다.7,27

전해질과 앙금 생성 반응에서의 입자 표현 비교

고체 상태에서의 염화 나트륨은 단위 분자로 존재하는 대신 양이온과 음이온이 결정구조를 이루고 있으며, 수용액 상태에서는 나트륨 이온과 염화 이온으로 존재한다. 앙금 생성 반응의 경우, 수용액에서 이온으로 존재하는 입자들 중 탄산 이온과 칼슘 이온은 서로 반응하여 고체 상태의 앙금을 형성하고 나트륨 이온과 염화 이온은 반응에 참여하지 않고 구경꾼 이온으로 존재한다. 앙금 생성 반응을 설명할 때 앙금을 표현하지 않은 학생들도 많았을 뿐만 아니라 앙금을 표현한 대다수의 학생들이 앙금을 화학식으로 표현하여 학생들이 앙금을 이온의 결합 으로 생각하는지 원자의 결합으로 생각하는지에 대해 파악할 수 없었다. 따라서 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응을 설명할 때 수용액 속의 입자들만을 분석 대상으로하여 학생들의 응답을 비교해 보았다. 학생들의 응답은 4가지 유형으로 분류할 수 있었다. 각 유형에 속하는 학 생들의 응답 예시와 각 유형에 속하는 학생들의 수를 Table 3에 나타내었다.

Table 3.*scientific concept

1유형에 속하는 학생들은 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응의 전과 후를 설명할 때 수용액에 존재하는 입자들을 모두 이온으로 표현하였다. 35명(57.4%)의 학생들이 이에 해당하였으며, 이 학생들은 과학적 개념을 가지고 있었으며, 서로 다른 맥락에서도 과학적 개념을 지속적으로 적용할 수 있음을 알 수 있었다. 1유형을 제외한 다른 유형에 속하는 학생들은 과학적 개념과 비과학적 개념을 동시에 가지고 있거나 비과학적 개념을 가지고 있다고 볼 수 있다.

전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응을 설명할 때 수용액 속의 입자들을 모두 원자나 분자로 표현한 2유형에 속하는 학생들은 13명(21.3%)이었다. 전해질을 설명할 때, 11명의 학생들이 모든 입자를 원자로, 2명의 학생들이 모든 입자를 분자로 표현하였다. 이들 중 Table 3에 제시된 것처럼 화학식을 바르게 표현하지 않은 학생들(Na2 나 Cl2로 표현)도 있었다. 하지만 올바른 화학식의 표현과 관계없이 입자를 전하를 띠지 않는 입자로 생각하고 있다는 점을 기준으로 이 유형으로 분류하였다. 전해질을 설명할 때, 수용액 속의 입자를 원자로 표현한 11명의 학생들은 비록 과학적 개념을 가지고 있지는 않았지만, 앙금 생성 반응에서도 수용액 상태에서의 입자를 원자로 표현했다는 점에서 일관성을 나타낸다고 볼 수 있다. 다른 2명의 학생들은 전해질을 설명할 때에는 수용액 상태에서의 입자를 분자로, 앙금 생성 반응을 설명할 때에는 수용액 상태에서의 입자를 원자로 표현했다는 점에서 비과학적 개념을 가지고 있으며, 상황에 따라 다른 개념을 사용하는 것으로 보인다. 이 유형에 속하는 학생들은 이온, 원자와 같은 입자의 개념과 차이를 명확히 알지 못하거나 전해질과 앙금 생성 반응에서 이온이 관여한다는 것을 알지 못한다고 생각되며, 입자에 대한 과학적 개념이 부족하다고 볼 수 있다.

전해질을 설명할 때에는 수용액 속의 모든 입자를 원자(또는 분자)로, 앙금 생성 반응을 설명할 때에는 수용액속의 모든 입자를 이온으로 표현한 3유형에 속하는 학생들도 9명(14.7%)이 있었다. 이들 중 7명의 학생들은 수용액 상태의 전해질을 원자, 2명의 학생들은 분자로 표현하였다. 9명의 학생들 모두 앙금 생성 반응을 설명할 때 수용액 속의 입자를 이온으로 표현하였다. 따라서 이 유형에 속하는 학생들은 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응을 설명할 때, 수용액 속 입자 표현이 일관적이지 않음을 볼 수 있다.

4유형으로 분류한 4명의 학생들은 전해질을 설명할 때에는 모든 입자를 이온으로, 앙금 생성 반응을 설명할 때에는 모든 입자를 원자로 표현하였다. 교과서에서 전해질을 설명할 때, 비전해질과 구분하여 전해질이 수용액 상태에서 전류가 흐르는 물질임을 강조하면서 전류가 흐르 는 이유를 이온의 이동으로 설명한다. 이에 따라 전해질을 설명할 때에는 수용액 상태에서 이온이 존재함을 표현할 수 있었을 것이다. 하지만 앙금 생성 반응에서 모든 입자를 원자로 표현했다는 점에서 일관적이지 않으며 과학적 개념과 비과학적인 입자 개념을 동시에 갖고 있는 것으로 볼 수 있다.

염화 나트륨, 탄산 나트륨과 염화 칼슘 전해질이 수용액 상태일 때 입자를 표현한 내용을 비교해 본 결과 전체학생의 78.7%에 해당하는 48명의 학생들이 전해질을 설명할 때와 앙금 생성 반응을 설명할 때에 수용액에 존재하는 입자의 형태에 대해 일관적인 개념을 적용하고 있음을 알 수 있었다. 다만 21.3%에 해당하는 13명의 학생들은 비과학적인 개념을 서로 다른 맥락에서 일관적으로 적용하고 있었다.

 

결론 및 제언

학생들이 거시적인 현상을 미시적인 관점에서 어떻게 바라보고 있는지 알아보고, 이러한 미시적인 관점에서의 설명이 일관적인지를 알아보기 위하여 연구를 진행하였다. 이를 위하여 중학교 3학년 ‘전해질과 이온’ 단원의 내용 중 전해질과 앙금 생성 반응과 관련한 내용을 선정하였다. 전해질과 앙금 생성 반응을 미시적인 관점에서 이해하기 위해서는 입자의 개념에 대한 이해가 필수적이며, 전해질을 설명하는 과정에서도 고체 상태와 수용액 상태에서의 입자에 대한 설명이 제시되어 있고, 앙금 생성 반응을 설명하는 과정에서도 수용액 상태에서의 입자가 앙금이 되면서 고체 상태가 되기 때문에 서로 다른 상태에서의 입자 개념을 비교해 볼 수 있기 때문이었다.

연구 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다. 첫째, 서로 다른 맥락에서 과학적 개념을 일관성 있게 적용한 학생은 그리 많지 않았다. 전해질과 앙금 생성 반응을 설명할 때 수용액 상태에 존재하는 입자가 모두 이온이라는 과학적 개념을 가지고 있는 학생은 전체 학생의 57.4%였다. 하지만 고체 상태의 전해질까지도 모두 이온의 형태로 표현한 학생은 32.8%였다.

학생들은 수업 시간에 실험을 통해 전해질이 수용액 상태에서 전류가 흐르는 물질이라는 것과 서로 다른 이온이 만나 앙금을 생성할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 전해질과 비전해질의 차이, 고체 상태와 수용액 상태의 전해질, 이온화의 원리, 앙금 생성 반응에 대해 입자적 수준에서 이해할 수 있도록 다양한 교과서 삽화를 활용한 수업을 들었다. 그럼에도 불구하고 고체 상태일 때는 원자나 분자로, 수용액 상태일 때는 이온으로 표현한 학생들도 있었다. 이러한 비과학적 개념은 전류가 고체 상태의 전해질에는 통하지 않고, 수용액 상태일 때는 통하는 현상을 설명할 수 있기 때문에 학생들이 갖게 되었을 수도 있다. 많은 학생들이 전해질과 앙금 생성 반응을 설명할 때, 이온 개념을 활용하지 못했다는 것은 교수전략의 변화가 요구됨을 시사한다.

둘째, 입자의 화학식과 몰수 비를 정확히 표현하는데 어려움을 느끼고 있는 학생들이 다수 있음을 알 수 있었다. 앙금 생성 반응 전(수용액 상태)과 앙금 생성 반응 후(수용액 상태, 고체 앙금)의 입자 표현을 분석한 결과, 생성된 앙금의 표현, 입자의 화학식, 입자의 몰수 비를 모두 바르게 설명한 학생은 매우 적게 나타났다. 따라서 학생들이 가지고 있는 비과학적 개념과 그 개념의 설명력을 좀 더 구체적으로 조사하고 분석하는 후속 연구가 필요하다고 여겨진다.

셋째, 주어진 맥락에 따라 다른 입자 개념을 적용하는 학생들도 있었으며, 자신만의 입자 개념을 서로 다른 맥락에서 일관적으로 적용하는 학생들도 있었다. 동일한 학생이 작성한 답안을 비교하여 고체 상태와 수용액 상태일 때 각각의 전해질 입자 표현을 분석한 결과, 염화 나트 륨 전해질을 표현할 때 고체 상태와 수용액 상태에서의 염화 나트륨을 언제나 이온으로 표현해야 함에도 불구하고 원자나 분자로 표현한 학생들이 있었다. 염화 나트륨이 수용액 상태일 때를 표현한 답안과 탄산 나트륨과 염화 칼슘이 각각 수용액 상태로 있다가 서로 섞이면서 앙금 생성 반응을 할 때의 입자를 표현한 답안을 비교하였다. 이를 분석한 결과 전체 학생의 약 79%에 해당하는 학생들이 수용액 상태의 전해질에 존재하는 입자를 일관적으로 표현하고 있음을 알 수 있었다. 이를 통해 학생들이 수용액 상태의 전해질 속 입자가 이온이라고 과학적으로 표현하거나 원자나 분자 형태로 수용액 속에 존재한다고 비과학적으로 표현하는 방식이 전해질의 종류에 상관없이 일관적임을 알 수 있었다.

본 연구 결과를 통하여 학생들이 고체 상태와 수용액 상태일 때의 전해질과 서로 다른 전해질이 섞이면서 앙금 생성 반응을 하는 거시적인 상황을 미시적으로 표현할때 다양한 입자를 가지고 설명하고 있음을 확인하였다. 과학적인 개념에 따른 표현이나 비과학적인 개념에 따른 표현이나 거시적인 상황을 미시적으로 표현할 때 대부분의 학생들이 일관적으로 설명하고 있음을 확인하였다. 학생들이 가지고 있는 다양한 입자 개념은 교과서의 삽화를 그대로 받아들이거나 혹은 교과서의 삽화를 학습하였음에도 불구하고 자신 나름의 개념을 갖기 때문에 나타나는 것이라 여겨진다. 또한 비과학적 개념에 의한 입자 표현이더라도 거시적인 상황을 어느 정도 설명할 수 있기 때문에 유지되는 것이라 생각된다. 따라서 추후 학생들이 좀 더 관심을 가지고 집중해서 교과서 삽화를 보도록 하는 방안에 대한 연구가 필요하다. 다양한 종류의 전해질에 대해 매력적인 교과서 삽화를 개발하는 것이 필요하다. 또한 교과서에 전해질의 종류를 달리하여 삽화를 제시함으로써 일반적으로 전해질의 고체 상태와 수용액 상태일 때 입자가 어떻게 존재하는지를 학생 스스로 유추하여 과학적 개념을 형성하도록 하는 노력이 요구된다.

더불어 학생들이 가지고 있는 전해질과 관련된 거시적인 현상을 설명할 수 있는 비과학적 개념에 대한 구체적인 연구가 필요하다. 주어진 거시적인 현상에 일관적으로 비과학적 개념을 이용하여 설명하는데 어려움이 없기 때문에 학생들의 비과학적 개념을 수정하기 어렵다. 따라서 학생들이 가지고 있는 다양한 비과학적 개념들이 어떤 거시적인 상황에 적용할 수 있는지 조사하고, 이에 해당하지 않는 상황을 적절하게 제시함으로써 과학적 개념을 갖도록 지도해야 할 것이다.

마지막으로 학생들이 이온, 원자, 분자를 화학기호로 표현하고, 이온화와 앙금 생성 반응을 화학식으로 바르게 표현할 수 있도록 하는 지도가 요구된다. 화학은 거시적, 미시적, 상징적 수준에서의 종합적인 이해가 필요한 학문이다. 화학기호나 화학식에 대한 이해는 화학 개념을 이해하고 표현하는데 있어 요구되는 기본적인 능력이므로 이러한 상징적 수준에서의 이해를 돕는 노력이 필요할것으로 생각된다.