Analysis on the Characteristics of Academic Achievement About 'properties of matter' and 'change of matter': Focusing on the Results of the National Assessment of Educational Achievement (NAEA) in the 2009 Revised Curriculum

물질의 성질 및 물질의 변화 영역에서 중학생들의 학업성취 특성 분석 : 2009 개정 교육과정 시기 국가수준 학업성취도 평가 결과를 중심으로

Abstract

Chemistry is the subject which includes properties, change, and composition of matter. Chemistry has the system which explains observable properties and change with microscopic level, it explains them using scientific theory and laws. In the national-level curriculum, the properties and changes of matter are continuously dealt with from elementary school to high school, and the curriculum are organized so that students could strengthen their understanding about matter. In other words, understanding of the properties and changes of matter is the base to explain everyday life with the view of chemistry, and these two are classified as domains of chemistry in the 2015 revised science curriculum. In this study, we confirmed students' understanding about properties of matter and change of matter, through the analysis about results of the National Assessment of Educational Achievement (NAEA). For that purpose, this study analyzed the 12 items about properties of matter, and 19 items about change of matter, which were used in the NAEA from 2015 to 2019. According to the results of classifying and analyzing questions according to the core concept, the understanding about the two domains significantly changed between the proficient achievement-level students and basic achievement-level students. Depending on the achievement-level, there was a difference in explaining the phenomenon by using the perspective of particles, and by associating scientific concepts and models, or there was a difference in understanding the inquiry related to these two domains. Based on this analysis, this study discussed some implications to be improved on teaching-learning for 'properties of matter', and 'change of matter'.

화학은 물질의 성질, 변화, 구조에 대해 다루는 교과로, 관찰 가능한 성질과 변화를 미시적인 수준으로 설명하고, 이를 이론과 법칙 등으로 설명하는 체계를 갖는다. 국가수준 교육과정에서는 물질의 성질과 변화에 대해 초등학교부터 고등학교에 이르기까지 연속적으로 다루면서, 학생들이 물질에 대한 이해를 심화시킬 수 있도록 내용을 구성하고 있다. 즉, 물질의 성질과 변화에 대한 이해는 화학의 관점에서 우리 주변을 설명하기 위한 기반이 되며, 이 둘은 2015 개정 과학과 교육과정에서 화학 교과의 영역으로 분류된다. 본 연구에서는 국가수준 학업성취도 평가의 결과를 분석하여 중학생들의 물질의 성질과 물질의 변화 영역에 대한 이해를 확인하고자 하였다. 이러한 목적에서 본 연구에서는 2015년부터 2019년까지 출제된 물질의 성질에 대한 12개 문항, 물질의 변화에 대한 19개 문항을 분석하였다. 핵심 개념에 따라 문항들을 분류하여 분석한 결과에 따르면, 두 영역에 대한 이해는 보통학력과 기초학력에 해당하는 학생들에게서 큰 폭으로 변화하고 있었다. 입자의 관점을 사용하고 과학 개념과 모형을 연관시켜 현상을 설명하거나, 이 두 영역에서 다루는 탐구에 대해 이해하는 것이 성취수준에 따라 차이가 있었다. 이러한 분석을 토대로 물질의 성질과 물질의 변화 영역에 대해 교수학습 과정에서 개선이 필요한 사항들을 논의하였다.

서론

국가수준 교육과정은 우리나라의 교육을 통해 달성하고자 하는 목표를 제시하면서, 각 교과에서 편성하고 운영해야 하는 내용을 설명한다. 현 2015 개정 교육과정에서는 교과별로 학습할 기초 개념이나 원리를 핵심 개념으로 제시하고, 핵심 개념과 연관시켜 각 학년군에서 학습해야 하는 필수 내용으로 내용 요소를 제시하고 있다¹. 즉, 2015 개정 교육과정에서는 핵심 개념을 중심으로 학교에서 학생들이 무엇을 학습할 것인지 안내하고 있다. 또한 여러 핵심 개념들이 교과의 어떠한 세부 분야에 속하는지 ‘영역’이라는 틀로 설명하고 있는데, 교육과정에 따르면 영역은‘교과의 성격을 가장 잘 나타내주는 최상위의 교과 내용 범주’이므로,¹ 영역은 교과의 성격과 학습해야 하는 내용을 가장 잘 나타내는 범주로 볼 수 있다.

2015 개정 교육과정에서 화학 교과는 물질의 구조, 물질의 성질, 물질의 변화의 3개의 영역으로 내용을 구조화하고 있다. 물질의 성질과 물질의 변화 영역은 초등학교에서부터 다루고, 물질의 구조 영역은 중학교에서 처음 도입된다. 즉, 화학 교과는 학생들에게 물질의 성질과 변화에 대해 거시적 수준에서 관찰하고 이를 미시적인 수준, 다시 말하면 입자의 관점에서 설명하여 원리, 이론, 법칙에 대해 이해하도록 구성한 체제를 갖추고 있다. 구체적으로는 초등학교 교육과정에서 현상을 관찰하고 기술하는 방식으로 물질의 성질과 변화를 설명하도록 구성하고, 중학교에서 입자 개념을 도입하여 물질의 성질과 화학 변화 등을 구체적으로 학습하고 이를 고등학교로 연계시킨다.¹ 따라서, 화학 교과의 구성을 고려하면, 물질의 성질과 변화에 대한 이해는 물질 세계의 특징을 전반적으로 파악할 수 있는 기반이 된다는 면에서 중요하다.

화학 교과 학습의 기반이라는 측면에서 중학교 학생들의 물질의 성질과 변화에 대한 이해를 점검하는 것은 매우 중요하다. 특히, 화학 교과에 대한 초, 중, 고 학습의 연계성을 고려하면 이러한 중요성은 더욱 높아진다. 앞서 밝혔듯이 2015 개정 교육과정에서는 영역과 핵심 개념을 중심으로 다양한 내용 요소들을 학년군 간에 계열적으로 배치하여 학습이 유기적으로 연계될 것을 기대한다. 즉, 이 영역들에 대한 중학생들의 이해를 진단하는 것은 물질 세계에 대한 학생들의 거시적인 수준의 이해를 점검함과 동시에, 미시적인 관점에서 현상의 이유를 연계하여 과학적으로 설명할 수 있는지 파악하는데 활용할 수 있다. 또한 관찰한 현상에 대해 원리와 법칙을 포함한 설명 체계를 구축해 나가는 과정이 중학교에서 이루어지며, 중학교 학생들이 각 내용 요소를 어떻게 이해하는지 점검하는 것은 추후 고등학교에서의 학습에 대한 기초 자료로 활용될 수 있다. 아울러 중학교 학생들을 위한 교수학습의 개선에 도움을 제공하기 위한 목적에서 학생들의 학업 성취에 대한 점검이 필요하다.^2,3

2015 개정 교육과정에서 물질의 성질과 물질의 변화 영역은 각각 2개 범주로 구분할 수 있다. 핵심 개념을 기준으로 물질의 성질 영역은 물리적 성질과 화학적 성질, 물질의 상태를 다루며, 물질의 변화 영역은 물질의 상태 변화와 화학 반응, 에너지 출입을 다룬다. 이 영역들에 대해 많은 선행 연구들은 각 영역에서 다루는 내용에 대해 거시적 관점과 미시적 관점에서 학생들의 이해를 점검하였다. 선행 연구에 따르면 보일 법칙과 샤를 법칙과 같은 기체의 성질,⁴ 물질의 상태와 상태 변화,^5,6 물질의 특성과 혼합물⁷ 등의 내용에 대한 현상 수준에서의 이해가 적절하지 않은 비율도 높지만, 이를 미시적인 관점, 즉 입자를 이용하여 설명하는 것을 학생들이 특히 어려워한다고 말한다. 특히 학생들의 물질 세계에 대한 거시적 설명과 미시적 설명 간의 정합성이 낮은 특징이 나타나는데,⁷ 이러한 점은 중학교에서의 학습 내용이 후기 구체적 조작기에서 초기 형식적 조작기까지의 수준을 요구한다는 연구 결과와⁸ 연관된다. 또한 입자 모형과 같은 표상이 학습에 포함됨에 따라 거시적 현상의 속성을 입자에 대입하거나, 입자 등으로 표현되는 대상들 사이의 관계를 정확하게 인지하지 못한다는 특징이 나타나기도 한다.⁴

물질의 변화 영역 중 화학 반응에 대해서도 학생들이 보이는 과학적이지 않은 대안 개념을 탐색한 연구들을 다수 살펴볼 수 있다. 중학생들을 대상으로 사회적 상호 작용을 강조한 모형 형성 수업을 활용한 박현주 외(2014)의 연구⁹에서는 화학 반응에서의 변화가 물질이 단순히 빠져나가는 것을 의미한다고 보거나, 열을 일종의 반응물로 보는 경우를 확인할 수 있다. 입자 관점의 설명이 도입된 이후에도 화학 변화에 대해 부적절한 설명이 제시된다는 점은 두 관점을 연계하여 설명하는 것이 어려움을 말한다. 고등학교 1학년 중 성취도가 높은 학생들을 대상으로 화학 변화에서의 질량 보존에 대한 설명을 연구한 조나연과 백성혜(2020)의 연구¹⁰에서도 연구 프로그램 초기 화학 반응을 현상적인 수준에서만 설명하여 질량 보존이 이루어지지 않는다고 언급하는 경우를 볼 수 있다. 즉, 관찰 가능한 사실에 집중하여, 오히려 과학적으로 적절한 설명 체계를 갖추지 못하는 경우가 발생함을 확인할 수 있다. 이와 관련하여 화학 반응의 중요한 법칙 중 하나인 일정 성분비 법칙의 학습 방안을 탐색한 백성혜 외(2010)의 연구¹¹에서는 실험이나 모형을 활용한 교수학습을 적용하여도, 두 방식 모두 관찰한 사실로부터 규칙성을 탐색하도록 학생들을 안내하는 것이 어려움을 확인하였다. 또한 중학교 3학년에 도입되는 화학 반응식을 작성하는 과정에서도 입자의 보존을 고려하지 않거나, 화학식이 포함하는 정보를 이해하지 못하는 경우를 살펴볼 수 있다.¹² 이상의 연구들을 종합하면, 중학교에서 학생들은 거시적, 미시적 설명 체계를 갖춰야 함과 동시에 화학식으로 대표되는 상징적인 표현들도 모두 연계해 설명 체계를 갖춰야 하며, 이 과정에서 어려움을 겪고 있다고 볼 수 있다.

다양한 선행 연구들이 보고와 같은 학습의 어려움을 고려하면, 중학생들이 이 두 영역의 내용을 어떠한 수준까지 이해하고 있는지 종합적으로 점검하는 것은 필수적이다. 이러한 선상에서 중학생들의 성취를 파악하기 위한 방안으로 국가수준 학업성취도 평가(이하 학업성취도 평가)의 분석 결과는 의미 있게 사용할 수 있다. 과학과의 경우 우리나라의 중학교 3학년 학생 중 1.5%를 표집하여 매년 검사가 이뤄지는 국가수준 학업성취도 평가는 응답 결과를 바탕으로 학생들의 성취수준을 4수준부터 1수준까지 구분하여 각 수준별 학생들의 성취 특징을 보고하고 있다.¹³⁻¹⁸ 또한 일정 기간의 결과를 종합하여 학생들의 성취에서 나타나는 특성의 전반적인 추이를 분석하여 교육과정과 교수학습에 대한 시사점을 제공하기도 하였다.^3,19 이러한 연구들에 기초하여 보다 상세하게 학생들의 성취에 대한 추이를 밝히거나,^2,20,21 특정 학문 영역의 과학 개념에 대한 학생들의 이해 수준을 집중적으로 분석하는 연구²²⁻²⁶ 등이 이뤄졌으며, 이를 통해 학생들의 성취수준과 교육과정 성취기준별 이해의 특징을 체계적으로 분석해오고 있다.

화학 교과에서도 학업성취도 평가 결과를 토대로 학생들의 성취를 살펴보는 연구들이 이루어졌다. 최원호의 연구^27,28에서는 2개년에 걸친 초등학생과 중학생들의 성취 특성을 성취기준별로 구분하여 살펴보았다. 성취기준별 결과를 학생들의 성취수준으로 구분하여 각 수준별 학생들이 이해하는 내용과 어려워하는 내용을 상세하게 분석하였다. 백종호 외(2021)의 연구²⁹에서는 2009 개정 교육 과정 시기의 학업성취도 평가 결과 중 원소, 원자, 이온 등을 다루는 물질의 구조 영역에 대한 이해의 특징을 구체적으로 살펴보았다. 한편, 본 연구에서 초점을 두는 물질의 성질과 물질의 변화에 대한 우리나라 학생들의 이해는 TIMSS 결과로부터 확인할 수 있다. TIMSS 2015 결과를 분석한 곽영순(2018)의 연구³⁰에 따르면, 우리나라 학생들은 물질의 성질 영역에 대해 대체로 국제 평균보다 높은 이해도를 갖는 것으로 나타났고, 물질의 변화 영역에 대해서도 국제 평균과 유사한 정답률을 보였다. 다만 이전 주기의 결과와 비교했을 때, 주기율, 산과 염기의 성질, 질량 보존 법칙 등에 대한 문항에서 정답률의 차이가 발생했는데, 이는 교육과정의 변화에 기인한 것이라고 이 연구는 설명하였다. 이와 같이 대규모 평가로부터 산출되는 결과는 교육과정에 대한 시사점을 제공하고, 교수 학습의 방향에 대해 논의하기 위해 필수적이나, 화학 교과에 대해 대규모 평가 결과에 기반한 분석이 많지 않은 것도 사실이다.

앞선 논의를 바탕으로 본 연구에서는 국가수준 학업성취도 평가 결과를 토대로‘물질의 성질’, ‘물질의 변화’ 영역에 대한 학생들의 성취 특성을 탐색하고자 하였다. 동일한 교육과정이 운영된 기간의 학업성취도 평가 결과를 분석하기 위해 2009 교육과정이 적용된 2015년부터 2019년까지 5년에 걸쳐 출제한 문항들의 결과를 분석하였다. 이 문항들을 2015 개정 교육과정에서의 영역과 핵심 개념을 중심으로 재분류하고, 각 개념별로 보이는 학생들의 이해 수준을 파악하는 것에 본 연구의 주안점을 두었다. 이러한 분석을 토대로 물질의 성질, 물질의 변화에 대한 학생들의 이해를 높이기 위한 교수학습에 대한 개선 방안을 논의하였고, 교육과정 개편에 대한 시사점을 도출하고자 하였다.

연구 방법

분석 대상

2015 개정 과학과 교육과정의 물질 영역은 크게 물질의 구조, 물질의 성질, 물질의 변화로 구성되는데, 본 연구는 물질의 성질, 물질의 변화 영역에서 출제된 문항을 분석 대상으로 하였다. 본 연구에 대한 이해를 돕기 위해 각 영역의 핵심 개념별로 2009, 2015 개정 과학과 교육과정 성취기준을 비교하여 제시하였다(Table 1, 2). 먼저 물질의 성질 영역에서 핵심 개념 ‘물리적 성질과 화학적 성질’에 해당하는 성취기준의 경우 2009, 2015 개정 교육과정 모두 순물질과 혼합물, 물질의 특성을 거의 유사하게 다루고 있으며, 핵심 개념 ‘물질의 상태’에 해당하는 성취기준의 경우도 물질을 구성하는 입자의 운동, 기체의 압력과 부피와 관계, 기체의 온도와 부피의 관계를 거의 유사하게 다루고 있다. 물질의 변화 영역에서 핵심 개념 ‘물질의 상태 변화’에 해당하는 성취기준의 경우는 상태 변화와 입자 배열, 상태 변화에서의 온도 변화와 열에너지의 관계를 거의 유사하게 다루고 있으며, 핵심 개념 ‘화학 반응’의 경우는 2015 개정 과학과 교육과정에 기체 반응의 법칙이 추가된 것을 제외하면 물리 변화와 화학 변화의 비교, 화학 반응식의 표현, 질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙을 동일하게 다루고 있다. 핵심 개념 ‘에너지 출입’의 경우는 화학 반응에서의 에너지 출입을 이용한 장치 설계를 다루는 내용인데, 2015 개정 과학과 교육과정에 새롭게 추가되어 2009 개정 과학과 교육과정에는 제시되지 않았다.

Table 1. Achievement Criteria of ‘properties of mater’ in 2009 and 2015 revised national curriculum

Table 2. Achievement Criteria of ‘change of mater’ in 2009 and 2015 revised national curriculum

본 연구의 분석에 이용된 문항은 2009 교육과정 시기에 국가수준 학업성취도 평가에서 출제된 문항으로 물질의 성질 영역에서 12문항, 물질의 변화 영역에서 17문항이었다(Table 3).²⁾

Table 3. The number of items analyzed

*2015 개정 교육과정에 제시된 핵심 개념을 의미함.

분석 방법

본 연구에서는 분석 대상 문항을 물질의 성질 영역과 물질의 변화 영역의 핵심 개념으로 분류하여 문항을 분석하였다. 문항 분석은 먼저 문항의 출제 의도와 평가준거 성취기준을 이용하여 문항의 특징을 제시하고, 그 문항의 수준별 대표 문항 정보를 이용하여 해당 교육과정 성취 기준의 내용에 대한 학생들의 성취 수준별 특징을 도출하였다. 이 연구에서 이용한 성취수준은 우수학력, 보통학력, 기초학력, 기초미달의 4개이며, 성취수준의 구분 기준은 학생들이 성취하기를 기대하는 교육과정 내용의 80%, 50%, 20%를 이해한 수준이다.^3,27,29

성취수준별 특징은 대표 문항으로 분류되기 위한 정답률인 74%에 도달한 수준과 도달하지 못한 수준을 구분하여 대표 문항에 해당하는 성취수준의 학생들에게 있을 것으로 추정되는 성취 특성을 문항의 답지 반응을 분석하여 제시하였다.³⁾ 예를 들어 특정 문항에서 우수학력, 보통학력의 정답률이 74%를 넘기고, 기초학력, 기초학력 미달 수준에서 74% 미만일 경우 해당 문항을 보통학력 수준의 대표 문항으로 정한다. 그리고 문항 분석 결과를 토대로 해당 문항을 해결하지 못한 성취수준 학생들의 성취기준 이해 제고를 위해 필요한 교수·학습 방안을 제안하였다. 본 연구에 이용한 분석 내용은 해당 학업성취도 평가가 시행되었을 때 집필에 참여한 전문가들의 교차 검토와 보고서 집필과정에서 외부 전공자의 검토를 받아 작성되었으며, 본 연구 논문 집필 과정에서 연구자 사이에 교차 분석 과정을 통해 성취수준별 학생의 특징을 새롭게 분석한 내용을 추가하였다.

연구 결과 및 논의

‘물질의 성질’ 영역에 대한 성취 특성

2015 개정 과학과 교육과정에서 물질의 성질 영역에는 핵심 개념 ‘물리적 성질과 화학적 성질’, ‘물질의 상태’에 대해 성취기준을 구성하고 있다. 핵심 개념 ‘물리적 성질과 화학적 성질’과 관련하여 본 연구의 분석 대상 문항에서는 끓는점, 녹는점, 용해도가 물질의 특성임을 이해하는지, 물질의 특성을 이용하여 혼합물을 분리하는 현상을 이해하는지 평가하였다. Table 4는 ‘물리적 성질과 화학적 성질’과 관련된 문항의 정보와 성취수준별 정답률이다.

Table 4. The information of analyzed items about ‘physical properties and chemical properties’

* 음영은 해당 학력의 대표수준 문항임을 의미함.

**문항번호는 ‘출제연도-검사지 내 문항번호’로 구성됨. 이하 문항에 대한 정보를 동일하게 표기함.

대표 문항 정보를 중심으로 분석한 바에 따르면, 이 영역에 대하여 우수학력 학생들은 물질의 특성과 관련하여 끓는점이 물질의 특성임을 확인하기 위해 같은 물질의 부피를 달리하여 끓는점을 측정하도록 실험을 설계할 수 있었지만, 보통학력 이하의 학생 중에는 물질의 특성임을 확인하기 위해 물질의 양을 달리하여 물리적 성질을 측정하는 실험을 설계해야 함을 이해하지 못하는 것으로 분석되었다(문항 19-14). 우수학력 학생들은 다른 물질의 특성인 용해도에 대해 온도에 따른 경향성을 나타낸 그래프를 해석할 수 있으며, 용해도만큼 용질이 물에 용해되었을 때는 포화 용액이 된다는 것을 이해하고 있었다(문항 15-12). 같은 문항의 결과를 토대로 우수학력 학생들은 용해도 곡선이 주어졌을 때, 높은 온도의 포화 용액의 온도를 낮출 때 석출되는 용질의 질량을 계산할 수 있음을 알 수 있었다. 반면, 보통학력 이하의 학생 중에는 높은 온도의 포화용액의 온도를 낮출 때 석출되는 용질의 질량을 계산하는 것에 어려움을 겪는 것으로 분석되었다(문항 15-12). 혼합물의 분리와 관련해 우수학력 학생들은 서로 잘 섞이는 액체 혼합물을 분리하기 위해 끓는점 차이를 이용하여 분별 증류 장치를 이용해야 함을 알고 있었지만, 보통학력 이하의 학생 중에는 두 액체가 잘 섞인다는 정보를 이용하지 않고 다르게 제시된 특정 정보인 밀도 정보만을 이용하여 혼합물 분리를 위한 다른 실험 도구를 선택하기도 하였다(문항 18-13).

보통학력 이상의 학생들은 물질의 특성과 관련해 물질의 종류와 질량이 다른 액체의 가열 시간에 따른 온도 변화 그래프를 분석하고 이를 이용하여 끓는점이 물질의 특성임을 설명할 수 있다. 하지만 기초학력 이하의 학생 중에는 주어진 자료에서 끓는점과 물질의 질량이 관계있다고 해석해 물질의 종류와 질량을 구분하여 해석하는 능력이 부족한 것으로 분석되었다(문항 17-15). 그리고 보통학력 이상의 학생들은 용해도 곡선을 해석하여 특정 온도에서 서로 다른 물질의 용해도 크기를 비교할 수 있지만, 기초학력 이하의 학생들은 용해도 곡선의 의미가 물 100g에 용질이 최대로 용해될 수 있는 양을 나타냄을 이해하지 못하거나 용해도 변화라는 의미 이해에 어려움을 겪고 있었다(문항 17-13). 혼합물의 분리와 관련해 보통학력 이상의 학생들은 끓는점 차이를 이용하여 액체 혼합물을 분리하는 방법이 증류임은 알고 있지만, 기초학력 이하의 학생 중에는 증류와 추출을 오해하는 비율이 높았다(문항 15-10). 보통학력 이상의 학생들은 액체를 이용해 다양한 고체 혼합물을 분리하는 실생활 사례를 밀도 차를 이용하는 것으로 설명할 수 있었으나, 기초학력 이하의 학생 중에는 특정 사례에 대해 혼합물 분리의 원리를 적용하는 것에 어려움이 있었다(문항 17-14).

앞선 분석을 정리하면, 우수학력 학생들은 핵심 개념 ‘물리적 성질과 화학적 성질’에서 요구하는 물질의 특성의 의미를 정확히 이해하여 물질의 특성을 확인하기 위한 탐구 과정까지 설계할 수 있고, 화학적 상황에서 간단한 비례 문제를 풀이하는 등 탐구 상황과 간단한 수학적 상황을 연계하여 이해하는 능력이 있음을 확인할 수 있다. 한편, 보통학력 학생들은 핵심 개념 ‘물리적 성질과 화학적 성질’에서 요구하는 개념을 이용해 그래프와 같이 여러 가지 정보가 포함된 자료를 해석하고, 관련되는 사례들을 연관시키거나, 교과서의 대표적인 탐구 방법에 대하여 일부 이해하는 능력이 있었다.

반면, 보통학력 학생들은 물질의 특성과 혼합물의 분리에서 요구하는 핵심 개념에 대한 이해가 부족하여 탐구 과정을 설계하는 능력이 부족함을 확인할 수 있었다. 그리고 과학적 상황에서 비례와 같은 간단한 수학적 상황을 연결지어 이해하는 능력이 부족하기 때문에 학습하는 개념을 다른 상황에 적용해보는 기회를 증가시키는 것이 필요한데, 특히 실험 등의 탐구 상황에서 학습한 개념을 적용해볼 수 있도록 통합 탐구의 기회를 제공하거나 화학적 상황과 수학적 상황을 연계지어 이해할 수 있도록 융합적 상황에 학생들을 노출시킬 필요가 있다. 또한 액체 혼합물의 분리 실험에서도 물질의 특성과 혼합물 분리 방법을 기계적으로 연결하기보다 두 액체 혼합물의 다양한 특징을 조사하고, 혼합물을 분리할 때 이용하기 가장 적당한 특징이 무엇인지를 선택하여 그 이유를 논의하는 기회를 제공할 필요가 있다.

기초학력 학생들은 핵심 개념 ‘물리적 성질과 화학적 성질’에서 대표 문항이 존재하지 않아 수행 능력 수준을 추리할 수 없었지만 여러 정보가 포함된 자료를 해석하여 그 의미를 이해하는 능력이 부족하고, 교과서에 대표적으로 존재하는 탐구 방법의 의미에 대한 이해가 부족하였다. 그래서 기초학력 이하의 학생들은 학습 과정에서는 개념 이해를 위한 설명보다는 자료 해석이 필요한 통합적 탐구 상황을 많이 만들고, 학생이 직접 자료를 해석하여 이를 자신의 언어로 동료나 교사에게 표현해보는 경험을 많이 제공할 필요가 있다.

핵심 개념 ‘물질의 상태’와 관련하여 본 연구의 분석 대상 문항은 증발과 확산 현상을 보고 분자 운동으로 설명할 수 있는지, 기체의 압력과 부피, 기체의 온도와 부피 자료를 해석하여 설명할 수 있는지 평가하도록 구성되어 있다. Table 5는 ‘물질의 상태’와 관련하여 출제된 문항의 정보와 성취수준별 정답률이다.

Table 5. The information of analyzed items about ‘state of matter’

* 음영은 해당 학력의 대표수준 문항임을 의미함.

대표 문항 정보를 중심으로 살펴보면, 우수학력 학생들은 저울에서 에탄올이 기화하여 가벼워지는 현상을 보고 에탄올 분자의 증발, 즉 스스로 운동함에 의한 것을 이해하나, 보통학력 이하의 학생 중에는 저울의 변화를 에탄올 분자의 운동과 연관시켜 동적인 관점으로 해석하지 못하는 경우가 많았다(문항 16-10). 우수학력 학생들은 실험 상황에 대한 자료를 해석하여 일정 온도에서 기체의 압력과 부피의 곱이 항상 일정하여 기체의 압력과 부피가 반비례하고, 압력이 증가하여 부피가 감소할 때 분자 사이의 거리가 감소함을 이해하고 있었다. 반면, 보통학력 이하의 학생 중에는 실험에 제시된 압력에 대한 자료를 해석해 부피를 계산하지 못하는 비율이 높았다(문항 16-15). 한편, 보통학력 이하의 학생 중에는 샤를 법칙과 관련된 자료를 해석하여, 해당 원리가 적용되는 사례를 찾지 못하였으나, 우수학력 학생들은 이 실험 자료를 해석하여, 온도를 낮출 때 나타나는 사례들 중 옳은 것을 찾을 수 있었다(문항 19-11). 또한 우수학력 학생들은 도구를 따듯하게 감쌀 때 부피가 팽창하는 현상을 관찰하고, 이를 기체 분자들 사이의 거리가 멀어진다고 이해하지만, 보통학력 이하의 학생 중에는 온도가 올라간다는 증거가 있음에도 불구하고 기체 분자가 플라스크 가운데로 모인다고 오인하는 경향이 있었다(문항 18-15).

한편, 기초학력 이상의 학생들은 찬물과 따듯한 물속에 잉크를 떨어뜨렸을 때 따듯한 물에서 잉크가 더 빨리 퍼지는 실험 결과를 보고 이 실험의 목적이 온도에 따른 잉크의 확산 속도 확인임을 알아낼 수 있으나 기초학력 미달 학생은 실험 과정과 결과로부터 실험의 목적을 파악해내지 못하였다(문항 19-10).

이 분석을 통해 우수학력 학생들은 핵심 개념 ‘물질의 상태’에서 요구하는 물질의 입자 운동 개념을 비교적 정확히 이해하여 증발 등의 현상이나 기체의 압력 또는 온도 변화에 따른 부피 변화 현상을 입자 개념으로 설명하고, 새로운 현상에 적용하여 설명할 수 있음을 알 수 있다. 보통학력 학생들은 핵심 개념 ‘물질의 상태’에서 대표문항이 존재하지 않아 타 수준의 학생에 비해 특징적인 수행 능력 수준을 추리할 수 없었지만 실험 현상 관찰에 근거하여 기체의 성질을 입자 관점에서 추리하는 데 어려움을 겪었고, 자료 해석에 기반하여 구성한 원리를 새로운 상황에 적용하는 적용 능력이 부족하였다. 따라서 어떤 개념을 학습할 때 한 가지 상황보다는 다양한 상황을 이용하여 개념이나 원리의 의미를 이해하도록 노력할 필요가 있으며, 교사가 설명하는 개념을 단순히 수용하는 환경보다는 탐구적 상황 속에서 현상을 관찰하고 해석해 보는 기회를 충분히 제공할 필요가 있다.

한편, 기초학력 학생들은 주어진 정보 속에 포함된 간단한 변인을 찾는 정도의 능력을 갖추고 있으나, 기초학력 미달 학생들은 글의 형태로 주어진 내용에서 간단한 변인을 찾는 수준의 읽기 능력도 갖추고 있지 않아, 기초 학력 미달 학생들을 위한 학습에서는 개념 강의보다는 읽기 중심의 기초 학습이 더 필요함을 알 수 있었다.

‘물질의 변화’영역에 대한 성취 특성

2015 개정 과학과 교육과정에서 물질의 변화 영역에는 핵심 개념 ‘물질의 상태 변화’, ‘화학 반응’, ‘에너지 출입’에 대해 성취기준을 구성하고 있다. 핵심 개념 ‘물질의 상태 변화’와 관련하여 본 연구의 분석 대상 문항에서는 상태 변화에 대한 입자 모형으로의 설명, 물질의 상태 변화시의 온도 변화와 에너지 출입에 대한 설명을 이해하는지 평가하였다. Table 6은 ‘물질의 상태 변화’와 관련하여 출제된 문항의 정보와 성취수준별 정답률이다.

Table 6. The information of analyzed items about ‘phase change of matter’

* 음영은 해당 학력의 대표수준 문항임을 의미함.

분석 결과에 따르면, 우수학력 학생들은 기체 상태를 구성하는 입자들은 액체에 비해 입자간 거리가 상대적으로 멀고 입자간의 간격이 균일함을 알고 있지만, 보통학력 이하의 학생 중에는 용기가 부풀어 오른다는 사실에만 초점을 두고, 액체가 기체가 되면 구성 입자들이 용기 벽면 쪽으로 퍼져 분포하거나 액체보다 입자의 크기가 더 커진다고 생각하는 경우가 있었다(문항 16-09). 이러한 경향은 녹는점에서 물질의 상태를 입자로 표현하라는 물음에 미시적 수준에서 과학적으로 타당하지 않게 응답하지 못하는 비율이 높았다는 선행 연구의 결과와 유사한 것으로⁷, 거시적 변화를 미시적으로 설명함의 어려움을 보여준다. 또한, 우수학력 학생들은 고체 물질을 가열할 때의 시간에 따른 온도 곡선을 보고 가해준 에너지와 물질의 상태 변화와의 관계를 이해하고 있지만, 보통학력 이하의 학생 중에는 온도가 일정한 구간에서 상태 변화가 일어남을 이해하지 못하는 경우들이 있었다(문항 19-12). 한편, 우수학력 학생들은 기화하면서 열을 흡수하는 현상의 예로 땀이 마르면서 시원해지는 현상이 이에 해당함을 찾을 수 있지만, 보통학력 이하의 학생 중에는 아이스크림을 녹지 않게 도와주는 드라이아이스의 상태 변화가 이에 해당한다고 오해하기도 하였다(문항 18-11).

보통학력 이상의 학생들은 입자 모형으로 나타낸 물질의 상태 변화를 보고 기체에서 액체로 상태 변화하는 예시를 적절히 선택할 수 있었지만, 기초학력 이하의 학생 중에는 성에의 생성을 기체에서 액체로 상태 변화한 물질로 오해하는 경우들이 나타났다(문항 18-10). 보통학력 이상의 학생들은 고체, 액체, 기체 상태의 분자 배열을 나타낸 모형을 보고 각 상태에 대응하는 모형을 찾을 수 있었던 반면, 기초학력 이하의 학생들은 각 상태의 분자 배열을 순서 없이 나타낸 모형을 보고 각 상태를 대응하는 것에 어려움을 겪었다(문항 17-10). 특히, 이 문항의 결과에 따르면 기초학력 이하의 학생들은 가장 규칙적인 분자 배열 모형을 나타낸 것이 고체의 모형인지 찾을 수 있었지만 액체와 기체 상태의 상대적 분자 배열 상태를 정확히 구분하지 못하고 있었다. 앞선 문항과 마찬가지로 보통학력 이상의 학생들은 물질의 세 가지 상태를 입자 배열로 나타낸 모형을 보고 고체, 액체, 기체를 판단하고 물질의 상태를 입자의 운동 관점, 입자 사이의 거리 관점에서 구분할 수 있었다. 하지만 기초학력 이하의 학생들은 보통학력 이상의 학생들과 다르게 드라이아이스가 고체 상태인지 모르거나 입자 배열 모형의 관점에서 물질의 상태를 정확히 구분하여 이해하지 못하는 것을 확인할 수 있었다(문항 15-14).

이러한 결과로부터 우수학력 학생들은 핵심 개념 ‘물질의 상태 변화’에서 요구하는 물질의 상태 변화를 입자 모형을 이용한 분포와 연관하여 이해하고 있으며, 상태 변화 시의 온도 변화와 열에너지의 출입 관계를 생활 속의 사례와 관련지어 이해함을 확인할 수 있었다. 한편, 보통 학력 학생들은 물질의 세 가지 상태를 나타낸 입자 모형을 제시하는 경우에 모형을 보고 어떤 물질의 상태에 해당하는지 판단할 수 있으며, 특정 상태 변화에 해당하는 일상생활 속의 대표적 사례를 고를 수 있었다. 반면 입자 모형을 스스로 구성해야 하는 상황에서는 다른 양상을 보이는데, 문항 16-09의 결과와 같이 물질의 상태 변화를 입자 모형의 분포로 표현하지 못하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 보통학력 이하의 학생들은 상태 변화 시의 온도와 에너지 출입 관계를 나타낸 자료를 이해하는 것을 어려워하여 생활 속 대표적 상태 변화 사례를 에너지 출입과 관련지어 이해하는 데에도 어려움이 있었다. 보통학력 학생들의 경우는 상태 변화 현상을 설명하기 위해 온도 변화와 열에너지 출입이라는 두 개념을 동시에 이해하는 것이 어려우므로, 이들을 위해서는 두 개념을 각각 이해한 후, 이를 융합시켜 이해시키는 순서로 학습 과정을 계획하는 것을 고려할 수 있다.

기초학력 학생들은 특정 상태 변화에 해당하는 일상생활 속의 대표적 사례를 찾지 못하고, 입자 배열 모형을 보고 물질의 상태를 정확히 구분하지 못했다. 기초학력 학생들의 경우는 입자 모형에 대한 이해가 어려운 상황이므로 상태 변화와 입자 모형을 연결지어 이해시키는 것보다 상태 변화의 특징에 대한 관찰과 서술 등으로 상태 변화의 특징에 대한 충분한 학습이 이뤄진 후 입자 모형을 이용하여 설명하는 방식을 따라야 할 것이다. 그리고 기초학력 학생들의 경우는 필요한 기초 개념이 결손되어 일회성의 강의로는 학생들이 이해하기 어려우므로 반드시 자신이 이해한 내용을 동료에게 설명해보는 활동을 반복하게 할 필요가 있다.

핵심 개념 ‘화학 반응’과 관련하여 본 연구의 분석 대상 문항은 물리 변화와 화학 변화의 구분과 설명, 화학 반응과 화학 반응식의 이해, 질량보존 법칙과 일정 성분비 법칙을 이해하는지 평가하는 내용들을 포함하고 있다.

Table 7은 ‘화학 반응’과 관련하여 출제된 문항의 정보와 성취수준별 정답률이다.

Table 7. The information of analyzed items about ‘chemical reaction’

* 음영은 해당 학력의 대표수준 문항임을 의미함.

분석 결과에 따르면, 다음과 같은 특징을 확인할 수 있다. 우수학력 학생들은 여러 물질이 반응하여 새로운 물질이 만들어지는 현상을 보고 화학 반응이 일어났음을 알고, 화학 반응의 특징으로 물질의 성질이 변하지만 원자의 종류와 수가 변하지 않음을 알고 있었다. 반면, 보통 학력 이하의 학생 중에는 예시와 연관하여 화학 반응이 새로운 물질이 생성되는 반응임은 이해하나, 그 반응이 일어나는 동안 원자의 개수가 일정하다는 사실을 이해하지 못하는 경우들이 나타나기 시작했고, 기초학력 이하의 학생들은 두 변화를 구분하는 것 자체에 큰 어려움이 있었다(문항 15-11). 우수학력 학생들은 화학 반응식을 모형으로 표현할 때 화학식 앞의 계수만큼 화학식에 해당하는 모형 분자의 개수를 표현해야 함을 알고 있는 반면, 보통 학력 이하의 학생 중에는 생성물 2HCl에서 HCl 분자가 2개라는 것을 모르고 H 원자 2개와 Cl 원자 2개가 결합된 한 개 분자로 잘못 이해하는 경우들이 나타났다(문항 18-16). 또한 우수학력 학생들은 수소와 질소가 반응하여 암모니아를 생성하는 화학 반응식을 해석할 수 있어 주어진 모형으로 만들 수 있는 암모니아 분자 모형의 개수, 남는 질소 분자 모형 개수 등을 추론할 수 있었으나, 보통학력 이하의 학생 중에는 화학 반응식을 완성하는 과정에 대한 이해나, 주어진 모형과 관련지어 남거나 생성되는 물질을 설명하는 능력이 부족한 학생들이 있었다(문항 16-13).

화학 반응의 규칙성과 관련하여 우수학력 학생들은 반응하는 물질의 양과 생성물의 양을 나타낸 결과를 분석하여 반응하는 물질 사이에 일정한 비가 성립함을 해석해낼 수 있었으나, 보통학력 이하의 학생들은 이와 같은 자료를 일정 성분비 법칙과 연관시켜 해석해내는 데 어려움을 겪고 있었다(문항 19-13). 또한, 우수학력 학생들은 화합물을 구성하는 성분 원소의 질량비는 항상 일정하다는 사실을 이해하여 구성 원소의 종류와 질량 정보가 주어진 자료를 통해 구성 원소의 종류와 반응에서의 질량비를 파악하고, 과량으로 주어진 물질의 종류와 반응 후 남는 물질의 질량을 계산할 수 있었다. 반면 보통학력 이하의 학생들은 성분 원소의 질량이 제시된 정보를 바탕으로 성분 원소의 종류와 질량비를 계산하고, 과량으로 주어진 물질을 파악하는 것까지는 수행할 수 있었으나, 일정 성분비 법칙에 대한 이해를 바탕으로 제시된 반응물의 정보를 활용하여 생성되는 물질이나 남는 물질의 질량을 비례적으로 계산하는 것은 어려워하였다(문항 15-16).

이 영역에 대해 보통학력 이상의 학생들은 일상생활에서 일어나는 대표적인 변화를 화학 변화와 물리 변화로 구분할 수 있지만, 기초학력 이하의 학생 중에는 일상생활의 대표적 현상들을 화학 변화와 물리 변화로 구분하는 것을 어려워하였다(문항 17-16). 앞선 문항들의 결과와 연관시키면, 우수학력 학생들은 화학 반응을 구분하고 변화의 주요 특징들도 이해한다면, 보통학력 학생들은 화학 반응과 물리 반응을 구분할 수 있는 이해에 도달했다고 볼 수 있다. 한편, 보통학력 이상의 학생들이 반응 전후의 질량과 반응 결과가 제시된 결과를 보고 화학 반응 전후에 질량이 보존됨을 해석해낼 수 있는 반면, 기초학력 이하의 학생 중에는 일부 실험 결과만을 이용하며, 자료의 의미를 일차적으로 읽고 이해하는 능력이 부족하였다(문항 18-17). 또한 보통학력 이상의 학생들이 반응하는 구리의 질량이 증가할 때 산소의 질량도 비례하여 증가하는 실험 결과를 보고 구리와 산소의 질량비가 일정함을 해석할 수 있는 반면, 기초학력 이하의 학생 중에는 문항의 질문이 요구하는 의미를 잘못 이해하거나 그래프의 x축과 y축의 관계를 이해하지 못하고 있었다(문항 16-16).

기초학력 이상의 학생들은 물 분자 1개를 구성하는 성분이 수소 원자 2개와 산소 원자 1개라는 정보를 이용하여 적절한 물 분자 모형을 선택할 수 있었지만, 기초학력 미달 학생 중에는 분자 모형의 개념을 이해하지 못하고, 주어진 정보를 이용하여 적절한 분자 모형을 선택하지 못함을 확인할 수 있었다(문항 15-09). 앞선 문항의 사례와 유사하게 기초학력 이상의 학생들은 탄소 원자 모형과 산소 분자 모형을 이용하여 이산화 탄소 분자 모형을 선택할 수 있었지만 기초학력 미달 학생 중에는 문항에서 요구하는 의도를 이해하지 못하거나 모형의 의미를 이해하지 못하는 것으로 나타났다(문항 16-14).

이러한 분석을 통해 우수학력 학생들은 핵심 개념 ‘화학 반응’에서 요구하는 화학 반응의 의미를 원자의 종류와 수의 관점에서 이해하고 있었고, 화학 반응식에 포함된 화학식, 계수의 의미를 이해하고 있어 질량 보존 법칙, 일정 성분비 법칙의 의미를 모형을 이용하여 설명하기에 어려움이 없음을 확인하였다. 또한 반응하는 물질의 질량을 나타낸 자료를 해석하여 반응하는 물질 사이의 관계를 해석할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 보통학력 학생들은 일상생활에서 일어나는 대표적인 변화를 화학 변화와 물리변화로 구분할 수 있고, 화학 반응을 통해 새로운 물질이 만들어짐을 이해하고 있으나, 원자의 종류와 수로 설명하는데는 일부 어려움이 있었다. 그리고 화학 반응에 참여하는 물질의 질량 관계를 나타난 실험 결과를 보고 물질 사이의 질량 관계를 말하는 등 자료를 일차적으로 해석하는 것은 가능하지만 일정 성분비 법칙과 같이 실험 결과 이면에 포함된 의미를 해석하는 것에는 어려움이 있었다. 따라서 보통학력 학생을 대상으로 교수학습을 계획한다면, 화학 반응의 특징, 원자의 종류와 수를 나타낸 모형을 이용한 설명을 충분히 경험시키는 것을 고려할 필요가 있다. 또한, 화학 반응식과 화학식 학습에서 O₂와 2O의 의미를 구분지어 이해시키는 등 화학 반응식에 포함된 상징적 기호를 이해시키기 위한 노력이 필요하다.

한편, 기초학력 학생들은 문항 15-09나 16-14의 결과에서 볼 수 있듯이, 물질을 구성하는 원자들을 레고 블록과 같은 의미로 끼워지는 수준에서 이해하고 있었지만 일상 생활의 대표적 현상들을 화학 변화와 물리 변화로 구분하는데 어려움이 있었다. 이러한 오류는 물리 변화와 화학 변화 모두 상태 또는 관찰하는 대상이 바뀌었다는 생각에 근거하였을 가능성이 크다.³¹ 이러한 이해를 변화시키기 위해서는 상태 변화에 대한 이해를 명확하게 하는 것이 필요하고, 연소 반응을 이용하여 설명하는 초등학교에서의 화학 변화에 대한 설명을 강화할 필요도 있다. 한편 기초학력 이하의 학생들은 실험 결과의 공통점을 해석하는 등 자료의 의미를 일차적으로 이해하는 문해 능력도 부족했다. 따라서 기초학력 학생 대상의 교수학습 과정에서는 학생들의 수용적 학습 습관을 고치기 위한 노력이 필요하며, 이를 위해 시간과 노력이 필요하더라도 교사가 제공한 다양한 예시를 이용하여 그 의미를 학생이 직접 동료에게 설명하는 등의 적극적 학습 활동을 도입할 필요가 있다.

결론 및 제언

본 연구는 2009 교육과정 시기의 국가수준 학업성취도 평가의 결과를 바탕으로 2015 개정 교육과정에서 구분하는 ‘물질의 성질’과 ‘물질의 변화’ 영역에 대한 학생들의 이해를 성취수준별로 구분하여 살펴보고자 하였다. 2015년 부터 2019년까지 총 5년간 시행된 국가수준 학업성취도 평가 결과 중, 이 영역에 해당하는 문항들에 대한 학생들의 응답 결과를 분석하였고, 2015 개정 교육과정에서의 핵심 개념을 중심으로 구분하여 논의하였다. 물질의 성질 영역은 물리적 성질과 화학적 성질, 물질의 상태를 핵심 개념으로 포함하고 있으며, 물질의 변화 영역은 물질의 상태 변화, 화학 반응을 핵심 개념으로 포함하고 있다. 이 내용들은 초등학교 과학부터 다루는 내용이며, 중학교에서는 거시적 관점의 설명과 미시적인 관점인 입자 개념을 활용한 해석을 연계시키고 과학 이론과 법칙들을 포괄하는 설명 체계를 구축하도록 제시된다는 점에서 학생들에게 중요하다.

분석 대상 문항 중 물질의 성질 영역의 문항은 총 12개로 물리적 성질과 화학적 성질과 관련하여 7개, 물질의 상태와 관련하여 5개였다. 7개 문항은 우수학력, 4개 문항은 보통학력, 1개 문항은 기초학력의 대표 문항이었다. 한편, 물질의 변화 영역에 해당하는 문항은 총 17개로, 물질의 상태 변화와 관련하여 6개, 화학 반응과 관련하여 11개였다. 8개 문항은 우수학력, 6개 문항은 보통학력, 2개 문항은 기초학력의 대표 문항이었고, 1개 문항은 대표 문항 정보를 산출하지 못하였다.

각 문항들을 분석한 결과를 토대로 다음과 같은 특징을 확인할 수 있었다. 우선, 중학생들은 물질의 상태와 화학 반응 등의 변화를 설명함에 있어 성취수준별로 다른 양상을 보였고, 특히, 입자 개념을 사용하여 거시적 측면의 특징을 설명함에 있어 차이가 나타났다. 우수학력인 학생들은 대체로 미시적인 관점의 해석을 더해 물질의 상태나 상태 변화 시 입자 배열의 변화 등을 판단함에 있어 어려움이 없었고, 원자와 분자 개념을 구분하여 화학 반응을 설명하거나 규칙성을 말할 수 있음을 확인할 수 있었다. 반면, 보통학력 이하의 학생들은 거시적인 변화가 없는 상황에서는 입자 관점을 도입함에 있어 어려움이 없지만, 상태의 변화를 입자의 분포 변화로 설명하는 것에 어려움을 보이거나, 화학 반응을 설명함에 있어 원자와 분자 개념을 혼동하는 등의 특징을 보였다. 즉, 상태 변화나 화학 반응과 같이 변화가 수반되는 상황에 대해 입자를 연결하여 설명을 요구할 때 어려움이 있었다. 또한, 2016년 9번에서 볼 수 있듯이 보통학력 이하의 학생들은 상태의 변화를 입자의 관점에서 설명할 때 입자의 크기 변화 등으로 설명하는 경우가 있었는데, 이러한 오류는 선행 연구⁴에서 언급한 미시적 수준의 표상을 거시적 상황과 연관할 때 나타나는 가장 대표적인 오류라고 볼 수 있어 입자 관점을 통한 설명의 어려움을 보여준다. 한편, 기초학력 이하 학생들은 물질의 상태 변화와 관련되는 2018년 10번 문항에서와 같이 입자 개념이 도입되는 것 자체를 어려워하여 미시적 관점의 설명 도입 이전에 거시적인 현상의 특징이나 현상의 변화를 탐구하고 기술하는 학습의 필요성을 확인하였다. 아울러 미시적인 입자 개념을 이용한 설명을 위해 시각적인 모형을 도입하는 것이 구체적 조작기 수준의 학생에게 효과적이지만, 모형의 한계를 고려한 교수학습을 함께 계획하는 것이 중요하다. 본 연구의 분석 대상 문항 중 변화가 수반되는 상황에 대한 성취수준별 학생들의 이해 수준이 다른 점이나 선행 연구의 결과를 고려하면,⁴ 학생들이 표현하는 그들의 모형에 보다 관심을 가질 필요성이 있으며, 학생 자신의 모형과 교사가 설명하는 모형, 실제와의 차이를 명시적으로 드러내어 설명하는 것이 중요하다.

둘째, 관찰 가능한 현상과 과학 개념을 연관시키는 측면에서 성취수준별로 차이가 나타나고 있었다. 우수학력 학생들은 대체로 현상과 과학 이론 및 법칙 등을 연관시켜 설명할 수 있었으나, 보통학력 이하의 학생들은 2015년 16번, 2018년 16번 문항과 같이 특정 상황을 설명하기 위해 필요한 과학 개념이나 모형의 선택이 필요한 경우에 다소 혼동하였다. 기초학력 이하의 학생들은 2015년 11번, 2017년 16번 문항과 같이 화학 변화와 물리 변화에 해당하는 현상을 구분하는 것부터 어려워함을 확인할 수 있었는데, 이러한 점은 물질의 변화 영역뿐만 아니라 물질의 특성과 혼합물의 분리를 다루는 물질의 성질 영역에서도 나타나는 특징이었다. 선행 연구에서도 녹는점, 용해도 등의 거시적 수준의 물질의 특성을 이해하는 비율이 높지 않았고,⁷ 다양한 특성들을 혼합물 분리의 원리로 설명하는 것도 어려워하였다.³² 관찰 현상을 과학적인 증거로 해석하거나 현상과 개념을 연결하여 설명하는 능력은 과학 교과의 중요 목표임을 감안하면, 특정 개념과 대응하는 대표적인 현상에서부터 시작하여 다양한 현상들을 사례로 활용하여 설명하는 교수학습 경험을 기초학력 학생들을 위해 충분히 제공할 필요가 있다.

셋째, 실험을 중심으로 하는 탐구 상황에 대한 이해가 성취수준별로 차이가 있었다. 특히, 이러한 경향은 물질의 성질을 활용한 혼합물의 분리, 기체의 성질이나 화학 반응의 규칙성과 관련된 탐구에서 두드러졌다. 보통학력 학생들의 경우에는 실험의 목표에 대해서는 대체적으로 이해하는 비율이 높았으나, 물질의 상태와 관련된 2016년 15번, 2019년 11번, 물리적 성질과 화학적 성질에 대한 2018년 13번, 화학 반응에 대한 2019년 13번 문항과 같이 실험을 설계하거나 실험으로부터 얻은 데이터를 변환하는 과정에서 다소 어려움이 있음을 확인하였다. 이러한 점은 기초학력 이하의 학생에게서 더 두드러지고 있었다. 따라서 다양한 탐구 상황에 대한 해석을 교사의 상황 설명만으로 한정하기보다 통합적 탐구 상황으로 교수학습을 구성하고 관찰한 결과와 자료를 변환하여 해석하는 기회를 충분히 제공하는 것이 필요하다. 특히 본 연구에서 초점을 둔 두 영역은 혼합물의 분리나 기체와 관련된 다양한 실험들이 제시된다는 점에서 탐구 기반 수업을 구성하기에 용이하다.³³ 탐구 기반의 수업이 학업 성취도,³⁴ 과학적 사고력 등의 핵심 역량,³⁵ 과학에 대한 태도^36,37 등에 미치는 긍정적인 면을 고려할 때 탐구 기반 수업을 활용하여 과학 개념과 과학 교과 기능의 습득과 함양을 조화롭게 달성할 수 있는 방안을 지속적으로 고민하는 것이 필요하다.

본 연구는 학업성취도 평가의 문항 분석 결과를 활용하여 2015 개정 교육과정의 화학 영역에 해당하는 물질의 성질과 물질의 변화 영역에 대응하는 성취기준을 이용하여 학생들의 성취수준을 탐색하였다. 화학은 물질 세계에 대해 물질의 구조와 성질, 변화를 아울러서 다루는 교과임을 고려하면, 본 연구의 결과는 중학교 학생들을 위해 입자 관점을 기반으로 하여 물질의 상태, 화학 반응 등에 관련되는 개념들을 어떻게 도입할지 시사점을 제공할 수 있을 것이다. 또한 이 결과를 이용하여 초등학교에서 어떤 내용의 교수학습이 더 강화될 필요가 있는지와 함께 고등학교에서 수업을 계획할 때의 방향 설정에도 도움을 제공할 수 있을 것이다. 다만, 학생들이 보이는 비과학적, 또는 대안 개념을 직접적으로 탐색한 것이 아니라는 측면에서 각 개념에 대한 상세한 이해를 파악하는 연구가 지속될 필요가 있다. 더불어 본 연구에서 사용한 평가 결과에서 기초학력 수준 학생들의 대표 문항의 정보가 부족했다는 점은 기초학력에 해당하는 학생들에 대해 보다 상세한 진단이 필요함을 의미한다. 기초학력과 기초학력에 미도달한 학생들이 증가하는 최근의 경향을 고려하면,²¹ 이 수준에 속하는 학생들을 더 적극적으로 과학 학습에 참여시킬 수 있는 방안 마련을 위한 정확한 진단이 지속될 필요가 있다.