Analysis on the Characteristics of Academic Achievement of Middle School Students About 'composition of matter': Focusing on the Results of the National Assessment of Educational Achievement (NAEA)

중학생들의 '물질의 구성' 영역 학업성취 특성 분석 : 국가수준 학업성취도 평가 결과를 중심으로

Abstract

Chemistry focuses on explaining macroscopic phenomena at the microscopic level with particles, such as atoms or molecules. Explanation using particles are bound to be considered as abstract by students, because it was dealing with invisible objects. For that reason, the science national curriculum presented to middle school students the explanation of the units related to the composition of matter. Therefore, understanding about the composition of matter in middle school students becomes an important basis for learning of chemistry, and it is necessary to investigate their understanding about composition of matter. In this study, students' understanding about 'composition of matter' region, which is first presented to middle school students, was confirmed at an overall level. In this line, this study analyzed the results of the items in the composition of matter region, and analyzed items were used in the National Assessment of Educational Achievement (NAEA) from 2015 to 2019. We analyzed the 9 items presented in the NAEA according to the response rate of options and response rate distribution curve, and explained the characteristics of understanding derived by each achievement level were examined. According to the analyzed results by dividing the conceptions about elements, atoms, and ions, students above the proficient achievement-level had scientific conceptions overall, but students below the basic achievement-level had inconsistent or naive conceptions. Based on the results for each item, this study discussed some implications to be considered or to be improved on teaching-learning for 'composition of matter'.

화학은 거시적인 현상에 대해 원자, 또는 분자와 같은 입자의 수준에서 설명하는 것을 중점에 둔다. 입자를 기반으로 한 설명은 눈에 보이지 않는 대상을 다룬다는 점에서 학생들에게 추상적으로 여겨질 수밖에 없다. 국가수준 교육과정에서는 이러한 이유로 물질을 구성하는 단위에 대한 설명을 중학생에게 처음 제시하고 있다. 따라서 중학생들이 갖는 물질의 구성에 대한 이해는 향후 화학 학습을 위한 중요한 기초가 되며, 학생들의 이해를 면밀하게 살필 필요가 있다. 본 연구에서는 중학교에서 처음 제시되는 '물질의 구성' 영역에 대한 학생들의 이해를 전반적인 수준에서 확인하였다. 이를 위해 국가수준 학업성취도 평가의 문항 중, 물질의 구성 영역에서 2015년부터 2019년까지 출제된 문항들의 결과를 분석하였다. 국가수준 학업성취도 평가에서 출제된 9개 문항의 답지 반응률과 성취도 점수에 따른 답지 반응률 분포 곡선을 중심으로 분석하고, 성취수준별로 보이는 이해의 특성을 살펴보았다. 원소와 원자 개념, 이온 개념에 대해 구분하여 살펴본 결과에 따르면, 보통수준 이상의 학생들은 전반적으로 과학적인 개념을 가지고 있었으나, 기초수준 이하 학생들은 일관적이지 않거나, 과학적이지 않은 개념을 가지고 있었다. 문항별 분석 결과를 토대로 '물질의 구성' 영역의 교수학습에서 고려해야 하거나 개선이 필요한 사항들에 대해 논의하였다.

서론

국가 수준 교육과정은 초·중등학교의 교육 목표를 제시함과 동시에 학교에서 편성, 운영해야 하는 내용을 제시하고 있다. 또한 각 교과에서 학교급별로 다루어야 하는 내용을 포함하고 있어, 학생들이 학년별로 학습하여 성취할 것으로 기대되는 기준을 제시하고 있다. 현재 초·중등 학교에 적용되고 있는 2015 개정 교육과정은 교과별 핵심 개념을 중심으로 학교급별 학습 내용을 구조화하고, 핵심 역량을 함양할 수 있는 교육이 이루어질 것을 강조하고 있다. 그 중에서, 핵심 개념을 중심으로 학생들이 학습할 내용을 구조화하는 것은 학년군, 영역 간의 유기적 연계를 더욱 강조하여 바라볼 필요가 있음을 말한다.¹ 즉, 핵심 개념들을 중심으로 내용 요소들이 수직적, 수평적으로 연계되고 계열화되어 있다. 이는 학생들이 교과의 내용 요소와 개념들을 어떻게 이해하고 있는지, 보다 구체적으로 점검할 필요성을 제기한다. 따라서 학생들의 성취수준을 구체적으로 파악하는 것은 국가수준의 교육과정 운영에 대한 점검의 측면에서 매우 중요하다. 이는 새로운 교육과정을 개발하는 과정에서 학생들의 성취를 반영할 수 있는 기초 자료로 활용한다는 면에서 필수적이다.² 아울러 학생들의 성취수준에 대한 점검 결과는 개별 학교에서 교수·학습을 계획하는 측면에서도 유용하게 활용할 수 있다.³

이러한 맥락에서 국가수준 학업성취도 평가(이하 학업성취도 평가) 결과는 교육과정 점검과 교수·학습 개선의 측면에서 많은 도움을 제공할 수 있다. 매해 대규모 집단을 대상으로 시행되는 학업성취도 평가는 현재 과학을 포함하여 5개 교과에 대해 학생들의 성취도를 점검하고 있으며, 최근에는 이에 영향을 미치는 교육 맥락 변인의 효과를 조사하여 결과를 보고하고 있다.³ 이중, 과학과 학업성취도 평가는 중학교 3학년 학생들을 대상으로 실시되고 있으며 중학교 1학년부터 3학년 1학기까지 학습한 내용을 평가 범위로 삼고 있다. 한편, 학업성취도 평가는 2000년부터 실시되었는데, 중학교의 경우 2013년부터 표집평가로 실시되어 과학과의 경우 1.5%의 중학생들을 표집하여 검사가 실시된다. 표집 평가는 주로 교육과정의 질 관리를 위한 점검을 주요 목적으로 삼고 있는데, 이에 따라 매해 한국교육과정평가원에서는 학생들의 문항별 응답 결과와 성취수준에 따른 분석 결과를 보고하고 있으며,⁴⁻⁸ 주기적으로 학업성취도의 추이를 파악하여 보고서로 제공하고 있다.^3,9 이와 함께 학생들의 답지 반응률 분포, 서답형 문항에 대한 심층 분석을 통해 보다 구체적으로 교과 내용에 대한 학생들의 이해의 특징을 면밀하게 분석하기도 하였다.^10,11 이러한 접근은 교실에서의 교수·학습을 위하여 성취수준별로 학생들이 이해하는 바와 더 학습이 필요한 내용에 대한 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 구체적인 실행 전략을 고민할 수 있는 기초자료가 되어 평가와 교수·학습 간의 환류를 원활하게 도울 수 있다.

과학과에서 이루어진 학업성취도 평가 결과를 토대로 한 연구들은 다양한 범주로 구분할 수 있다. 우선, 분석의 대상이 되는 교과목의 범위에 따라 구분할 수 있는데, 전반적인 학생들의 과학 성취를 파악하기 위해 일정 기간에 걸친 성취도 변화의 추이를 탐색하는 연구들이 있다.^2,12−14 또한, 과학 교과를 구성하는 과목별로 학생들의 성취의 특성을 교육과정 성취기준의 차원에서 구체적으로 설명하는 연구들도 있다.^15,16 이를 더욱 세분화하여 각 과목에서의 세부 영역별 또는 특정 과학 개념에 대한 학생들의 개념을 분석하기도 하였다.¹⁷⁻²¹ 또한 이기영 외²²의 연구는 학습발달과정의 관점에서 학업성취도 평가의 서답형 문항을 분석하였는데, 이는 학생들의 개념 변화와 발달의 경로를 추적하도록 안내한다는 점에서 의미가 있다. 이처럼 문항 분석 결과를 토대로 세부적으로 학생들의 개념을 분석한 연구들은 구체적으로 교수·학습에서 고려할 사항을 파악할 수 있도록 돕는 이점이 있다고 볼 수 있다. 다른 범주로 학업성취도 평가의 문항 특성을 분석하는 연구들도 있는데, 이재봉과 심규철²³의 연구는 문항의 유형과 행동 영역에 초점을 두어 생명과학의 문항들을 살펴보았고, 김은정과 한신²⁴은 탐구과정, 자료의 상황 차원에서 문항들을 분류하기도 하였다. 한편, 김현경 외¹⁰의 연구에서는 답지 반응률 분포 곡선을 이용하여 학업성취도 평가의 문항들을 분석하였다. 이러한 분석 방법의 도입은 성취도 점수별로 학생들이 정답과 오답에 반응하였는지 구체적인 정보를 제공할 수 있다는 점에서 특정 수준에 있는 학생들에게서 두드러지는 그들의 개념을 파악할 수 있게 돕는다. 선행연구들을 바탕으로 본 연구에서는 학업성취도 평가 결과 중 중학교 화학 영역 중 ‘물질의 구성’ 영역에 해당하는 문항을 답지 반응률을 중심으로 분석하여 원자와 이온에 관한 각 성취수준별 학생들의 이해 수준을 확인하고자 하였다.

화학에서 원자, 분자, 이온과 같이 물질을 구성하는 단위에 대한 이해는 그 중요성이 높다. 거시적으로 드러나는 물질의 특성이나 화학 반응을 입자 수준에서 이해하고 설명하는 것을 화학에서 중점을 두고 있으며, 다른 개념의 학습에 기반이 되기도 한다. 하지만, 물질을 구성하는 입자에 대한 내용은 거시적으로 다루기 어렵기 때문에 추상적으로 학생들에게 여겨질 수밖에 없다.²⁵⁻²⁷ 따라서 일반적으로 초등학교에서는 물질의 특성이나 변화에 대해 주로 거시적 수준에서 다루며, 중학교에서 처음으로 물질을 구성하는 입자를 구체적으로 다룬다.¹ 중학교에서는 원소, 원자, 분자, 원소 기호와 함께 이온 등의 내용이 도입되는데, 같은 학년군에서 입자의 운동과 물질의 상태, 상태변화를 학습할 때 입자 개념을 다룬 후, 입자의 의미를 구체적으로 학습하는 형태로 제시된다. 이후 화학 반응, 화학반응의 규칙에서 입자 개념을 활용하여 화학 반응을 설명함으로써 연계되며, 상위 학년에서 양성자, 중성자, 전자와 같은 개념으로 확장되어 다양한 화학 개념을 이해하는 기반이 된다. 이러한 구성은 7차 교육과정 이후 2015 개정교육과정까지 유사하게 유지되고 있으며, 다시 말하면 입자라는 관점을 학생들에게 제시한 후 입자가 무엇을 의미하는지 설명하여 이를 화학 반응에 도입하거나 확장하는 형태로 교육과정과 내용이 구성된다고 볼 수 있다.

다만, 앞서 밝혔듯이 입자 수준의 관점에서 이루어지는 설명은 학생들이 실세계에서 가시적으로 접할 수 없어 이해가 쉽지 않은 것이 사실이다. 따라서 입자를 모형을 이용하여 설명할 것을 주문하여 가능한 시각화된 형태로 학생들에게 제시되고 있다.²⁷ 그럼에도 불구하고 중학생들이 원자나 이온에 대한 표상으로부터 정보를 제한적으로 습득하거나 이해하는 경향이 있으며,^28,29 원자나 분자에 대한 시각 자료를 자신의 개념으로 재구조화하는 과정에 어려움을 경험한다고 보고되기도 하였다.³⁰ 또한 전해질, 용해도 등과 같은 물질의 특성 관련 개념을 입자 수준에서 다시 설명할 때, 오개념이 발생하는 것으로도 보고되고 있다.^31,32 이는 원자, 이온 등과 같은 미시적 대상들을 시각적 표현 형태로 변환하여 학습할 때 발생할 수밖에 없는 현상이라고 볼 수 있다. 실제, 곽영순(2018)의 연구³³에서 분석한 TIMSS 분석한 바에 따르면, 대체로 절반 이상의 학생들 정도가 원자의 구조에 대하여 과학적인 이해를 보이고 있는 것을 파악할 수 있다. 다시 말하면, 학습자들은 가시적으로 변환된 입자 개념을 다시 거시적인 물질의 특성과 연계하는 과정에서 다수의 정보 변환을 거치며, 이 과정에서 개념들의 중요 사항들을 누락할 여지가 발생한다.²⁹ 이와 같이 물질의 구성 요소가 처음 등장함에 따라 발생하는 간극을 폭넓게 파악하기 위해 물질의 구성 영역에 대한 중학생들의 이해 수준 탐색을 종합적으로 탐색할 필요가 있다.

앞선 논의를 바탕으로 본 연구에서는 물질의 구성 영역에 대한 학생들의 이해의 특성을 분석하였다. 그 중에서도 특히 국가수준 학업성취도 평가에서 출제된 물질의 구성영역과 관련된 문항들에 초점을 맞추고, 학생들의 성취수준별, 성취도 점수별로 이 영역에 대한 학생들의 이해 수준에 어떠한 특징을 보이는지 알아보고자 하였다. 다년간에 걸쳐 누적된 결과를 분석하기 위해, 2009 개정 교육과정이 적용된 시기인 2015년부터 2019년까지 5년간의 학업성취도 평가의 문항 중 물질의 구성 영역으로 분류된 선다형 문항들의 평가 결과를 살펴보았다. 이 영역의 문항들을 다시 성취기준을 기준으로 원소 및 원자, 이온 항목으로 구분하여 학생들의 이해 수준을 구체적으로 파악하고자 하였다. 이를 토대로 물질을 구성하는 단위에 대한 학생들의 개념을 구체적으로 파악해 교육과정과 교수·학습에 대한 개선 방안 및 시사점을 도출하는 것에 본 연구의 목적을 두었다.

연구 방법

분석 대상

물질의 구성 영역은 원소와 원자 개념 및 이온 개념을 다루는 영역으로 2009 개정 교육과정과 2015 개정 교육과정 모두 ‘물질의 구성’의 이름으로 유사한 내용을 다루고 있다. 교육과정 개정 시기별 성취기준은 Table 1에 제시한 바와 같다. 국가수준 학업성취도 평가의 물질의 구성 영역은 2009 개정 과학과 교육과정 및 2015 개정 과학과 교육과정에서 공통적으로 다루는 원소와 원자 개념, 이온개념을 문항으로 출제하였는데, 본 연구에서는 2009 개정 교육과정 시기에 원소와 원자, 이온 개념을 중심으로 출제된 문항 중, 공개된 문항을 분석하여 학생들의 성취 수준을 분석하였다. 분석 대상 문항은 Table 2와 같다. Table 2에서 문항별로 음영으로 표기한 정답률은 해당 성취수준의 대표문항임을 의미한다. 국가수준 학업성취도 평가에서는 선다형 문항의 경우 성취수준별로 정답률이 74% 이상일 경우, 그 문항을 해당 집단의 대표문항으로 분류한다.¹⁵

Table 1. Achievement Criteria of ‘composition of matter’ in 2009 revised national curriculum and 2015 revised national curriculum

Table 2. The information about analyzed items conducted in 2015-2019

한편 학업성취도 평가에서는 학생들의 평가 결과를 성취도 점수로 제공하고 있다. 이 점수는 문항반응이론으로 분석하여 변환한 것으로, 본 연구가 초점을 둔 2015년에서 2019년에는 성취도 점수의 폭을 300점으로 구분하였다. 이렇게 변환된 점수에 대해 수정된 Angoff 방법을 활용하여 분할점수를 만들고, 이를 이용해 앞서 언급했던 성취 수준을 구분한다. 성취수준의 구분은 교육과정에 대한 이해정도를 기준으로 하며, 중학교 학생들이 성취하기를 기대하는 내용의 80%, 50%, 20%가 각각 성취수준의 구분 범위에 해당한다.¹⁵

본 연구에서 초점을 둔 2009 개정 과학과 교육과정 시기에 국가수준 학업성취도 평가에서 출제했던 물질의 구성 영역 선다형 문항은 총 9문항으로, 원소와 원자 영역 4문항, 이온 영역 5문항이었다. 원소와 원자 영역에서 출제된 선다형 4문항의 평균 정답률은 58.48~72.31%이었으며, 이온 영역에서 출제된 선다형 4문항의 평균 정답률은 55.19~68.00%이었다. 원소와 원자 영역의 4문항 모두 보통학력 대표문항으로 결정하여 분석하였고, 이온 영역의 문항은 우수학력 대표문항으로 1개, 보통학력 대표문항으로 4개로 결정하여 분석하였다.

분석 방법

2009 개정 교육과정 시기에 출제된 중학교 학업성취도평가 문항 중 물질의 구성 영역의 문항을 교육과정 성취기준과 성취도 평가를 위한 평가준거 성취기준 순서로 배열한 뒤문항을분석하였다. 우선문항분석은문항이교육과정과 관련하여 어떤 목적으로 출제되었는지를 평가 목표 차원에서 분석하여 서술한 뒤, 대표문항 정보를 이용하여 해당문항을 대부분 해결한 대표 성취수준의 특징을 문항의 특징을 이용하여 제시하였다. 그 후 대표 성취수준 이하의 학생들이 왜 해당 문항의 목표에 도달하지 못했는지를 반응률이 높은 오답지 분석을 통해 제시하였다. 분석 내용은 해당 학업성취도 평가가 시행되었을 때 집필에 참여한 물리, 화학, 생물, 지구과학 전공의 집필자들의 교차 검토를 실시 한 뒤, 해당 전공의 외부 전공자의 검토를 받았었으며, 본 연구 논문으로 보고서 내용을 재구성하는 과정에서 공동 연구원 사이에 분석 내용을 교차 검토하는 과정을 거쳤다. 그리고 문항을 대부분 해결하지 못한 성취수준 학생들이 문항 해결을 위해 학습의 측면에서 어떤 노력이 필요한지를 문항의 특징과 학생 응답의 결과를 이용하여 제시하였다.

연구 결과

원소와 원자 개념에 대한 학생 반응

2009 개정 교육과정의 중학교 과학에서 다루는 원소 개념은 중학교 과학에서 처음 다룬다. 원소와 원자 개념의 경우, 모든 물질은 더 이상 분해되지 않는 물질인 원소로 이뤄져있음을 알고, 원소를 원소 기호로 나타냄을 학습한다. 그 후 원소는 원자라는 입자 단위로 구성되어 있다는 것과 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있음을 학습한다. 이때 원소 개념은 일상에서 경험하기 어려운 미시적 현상이므로 중학생들이 이해할 수 있도록 모형을 사용하여 학습하게 된다.

○ ‘물질은 더 이상 나눠지지 않는 순수한 물질인 원소로 구성되어 있음을 이해한다.’ 문항에 대한 학생 반응

이 성취기준에 대해 출제된 2개 문항에 대한 학생 반응은 Table 3에 제시하였다. 2016년 11번 문항의 경우, 원소와 화합물의 정의를 이해하고, 물을 전기 분해하면 수소와 산소로 분해되고 수소와 산소를 반응시키면 물을 합성할 수 있다는 정보로부터 물이 원소가 아니라는 사실을 끌어낼 수 있는지 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 64.30%, 우수학력의 정답률은 96.81%, 보통학력의 정답률은 80.13%로 보통학력 대표문항이었다. 보통학력 이상의 학생들은 물이 수소와 산소로 나눠지고 수소와 산소는 더 이상 분해되지 않는다는 사실에서 물은 원소가 아닌 화합물이며, 수소와 산소는 원소라는 것을 이해하고 있다고 이해할 수 있는 반면, 기초학력 이하의 학생들 중에는 오답 ②번의 반응률과 ⑤번의 반응률이 상대적으로 높음에 근거하여, 원소는 더 이상 다른 물질로 분해되지 않는 물질이라는 것과 화합물은 둘 이상의 원소가 결합한 물질이라는 정의에 대한 이해 부족이 있음을 추리해볼 수 있다.

Table 3. The test items (2016-11 and 2018-12), the response rate of options and response rate distribution curve

2018년 12번 문항의 경우, 원소는 더 이상 분해되지 않는다는 것을 확인할 수 있는 실험을 설계할 수 있는지 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 72.31%, 우수학력의 정답률은 99.14%, 보통학력의 정답률은 94.08%로 보통학력 대표문항이었다. 보통학력 이상의 학생들은 원소는 다른 물질로 더 이상 분해되지 않기 때문에 물이 원소인지 알아보기 위해 물이 다른 물질로 분해되는지 확인해야 함을 알고 있다고 이해할 수 있다. 반면, 기초학력 이하의 학생들 중에는 오답 ⑤번의 반응률이 정답을 제외한 다른 답지들의 반응률에 비해 높음에 근거하면, 다음과 같은 해석을 할 수 있다. 이 학생들은 물을 기화시킨 후 다시 액화시키는 상태 변화 과정을 통해 물이 원소인지 확인할 수 있다는 것으로 오해하는 것으로, 거시적인 수준에서의 변화와 물질의 변화를 혼동하고 있는 것으로 볼 수 있다. 즉, 거시적인 변화가 있는 상태 변화 과정에서 물질의 성질이 변하지 않는다는 것을 이해하지 못하며, 물질이 원소인지 확인하기 위해 물질이 더 작은 물질로 분해하는 것을 확인해야함을 이해하지 못하고 있음을 의미한다. 즉, 일부 학생들은 상태 변화와 화학 변화를 혼동하고 있다.

성취기준 ‘물질은 더 이상 나눠지지 않는 순수한 물질인 원소로 구성되어 있음을 이해한다.’에 대해 출제된 2개 문항 분석을 통해 보통학력 이상의 학생들은 물이 수소와 산소로 나눠지고 수소와 산소는 더 이상 분해되지 않는다는 사실로부터 물은 원소가 아닌 화합물이며, 수소와 산소는 원소라는 것을 이해할 수 있으며, 원소는 다른 물질로 더이상 분해되지 않기 때문에 물이 다른 물질로 분해되는지 확인해야 함을 알고 있다고 볼 수 있다. 반면, 기초학력 이하의 학생들은 원소는 더 이상 다른 물질로 분해되지 않는 물질이라는 것과 화합물은 둘 이상의 원소가 결합한 물질이라는 정의에 대한 이해가 부족하고, 상태 변화와 화학 변화를 구분하지 못하여 물질의 상태 변화 과정에서 물질의 성질이 변하지 않는다는 이해하지 못함을 알 수 있다. 또한, 물질이 원소인지 확인하기 위해 물질이 더 작은 물질로 분해하는 것을 확인해야함을 이해하지 못하고 있음을 알 수 있다. 따라서 기초학력 이하의 학생들이 원소의 성질을 이해할 수 있도록 학습 과정에서 단순히 원소가 더 이상 분해되지 않는 물질이라는 정의를 강의하는데 그치지 말고, 분해의 의미가 무엇인지에 대한 설명을 선행하여, 원소 개념 이해를 위한 학습을 진행할 필요가 있다. 더불어 원소와 원자 영역은 아니지만 중학교 과학1에서 다룬 상태 변화 등의 물리적 변화와 화합물의 분해를 통해 원소로 분해되는 변화가 어떻게 다른지를 이해시키는 교수·학습 과정도 다룰 필요가 있다.

○ ‘불꽃 반응을 통해 원소의 종류를 알아낼 수 있다.’ 문항에 대한 학생 반응

이 성취기준에 대해 출제된 1개 문항에 대한 학생 반응은 Table 4에 제시하였다. 2017년 11번 문항의 경우, 표를 분석하여 나트륨이 속해 있는 물질의 불꽃 반응색이 노란색임을 확인하고 질산 이온이 속해 있는 물질의 색이 다양하다는 것을 해석하여, 금속 원소가 불꽃 반응색을 결정한다는 것을 추리한 후 나트륨이 속해 있는 물질의 불꽃 반응색을 확인하여 답을 찾을 수 있는지 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 58.48%, 우수학력의 정답률은 97.21%, 보통학력의 정답률은 73.70%로 보통학력 대표문항이었다. 대표문항의 기준이 74%이지만 보통학력의 정답률이 74%에 매우 가까워 보통학력의 성취수준으로 대표하는 문항에 포함시켰다. 보통학력 이상의 학생들은 나트륨이 속해 있는 물질의 불꽃 반응색이 노란색임을 확인하고, 질산이 속해 있는 물질의 불꽃 반응색이 일정하지 않음을 안 뒤, 이를 이용하여 질산 나트륨의 불꽃 반응색은 나트륨에 의해 결정되어 노란색임을 찾을 수 있었다. 반면, 오답 ④번과 ⑤번의 반응률이 각각 9.24%, 19.07%로 다른 답지에 비해 높았다. 이를 이용하여 기초학력 이하의 학생들에 수준을 가늠해볼 수 있다. 기초학력 이하의 학생들은 문항에서 질문하고 있는 질산 나트륨의 불꽃 반응색을 판단하기 위해 주어진 자료를 해석하여 나트륨 성분이 포함된 물질은 모두 노란색이고, 질산 성분이 포함된 물질은 빨간색과 주황색으로 색이 다르므로 질산 나트륨의 불꽃 반응색은 나트륨 성분에 의해 나타나는 것임 추리하지 못함을 알 수 있다.

Table 4. The test item (2017-11), the response rate of options and response rate distribution curve

따라서 기초학력 이하의 학생들을 위한 교수학습 과정에서는 물질의 불꽃 반응색이 어떤 성분 때문인지를 단순히 강의하는 것만으로는 학생들에게 개념을 이해시킬 수 없다. 기초 탐구 과정 기능 중 분류 기능을 충분히 경험할 수 있도록 질산 나트륨의 불꽃 반응색이 질산 성분 때문인지를 주어진 실험 결과에서 찾아 판단하고 그 이유를 작성해보고, 그 후 나트륨 성분 때문인지를 주어진 실험 결과에서 찾아 판단하고 그 이유를 작성해보는 경험 등을 통해 학생들이 관찰, 분류 기능을 경험한다면 이 활동에근거하여 본 문항 형태의 자료를 해석하는 능력을 길러줄 수 있을 것이다.

○ ‘물질은 더 이상 나눠지지 않는 최소 입자인 원자로 구성되어 있음을 안다.’ 문항에 대한 학생 반응

이 성취기준에 대해 출제된 1개 문항에 대한 학생 반응은 Table 5에 제시하였다. 2017년 12번 문항의 경우, 전자를 발견한 톰슨의 실험과 원자핵을 발견한 러더퍼드의 실험결과를 나타낸 자료를 해석하여 원자가 원자핵과 전자로 구성되어 있다는 것을 찾아내는지 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 67.33%로 이전의 학업성취도 평가의 결과로부터 도출된 결과에 따르면, 대체로 절반 이상의 중학생들은 분자 모형에서 원자의 종류와 수를 인지하는 것으로 나타났다.¹⁵

Table 5. The test item(2017-12), the response rate of options and response rate distribution curve

한편, 이 문항에서 우수학력의 정답률은 99.00%, 보통학력의 정답률은 88.49%로 보통학력 대표문항이었다. 보통학력 이상의 학생들은 (-)전하의 전자를 발견한 톰슨의 실험과 원자의 크기에 비해 크기가 매우 작으며 (+)전하를 띠는 원자핵을 발견한 러더퍼드의 실험 결과를 바탕으로 원자의 구조는 (+)전하의 원자핵과 (-)전하의 전자로 구성되어 이해하고 있음을 확인할 수 있다. 반면, 오답 ②번의 반응률이 7.84%, ③번의 반응률 13.09%인 가운데, 기초학력 이하의 학생들에게서 특히 두 답지에 대한 반응률이 높음에 근거하면, 이들은 문항에 원자의 중심에 (+)전하의 원자핵이 있고 원자 내부는 대부분 빈 공간이라고 제시된 정보를 해석하지 못하고 원자 내부 대부분이 원자핵이 차지한다고 오해하고 있음을 예상할 수 있다. 그리고 ‘원자의구조로원자는 더이상쪼갤수없는입자이다.’를 선택한 학생들은 비록 그것이 과학적으로 옳은 설명이지만 문항에서 요구한 ‘이 자료로 알 수 있는 원자의 구조’가 아님에도 불구하고 자신이 알고 있는 기존의 정보를 정답으로 선택한 것이다. 이는 문항의 요구 사항이 무엇인지 파악하는 능력이 부족하기 때문에 나타난 현상으로 보인다.

따라서 기초학력 이하의 학생들을 위한 교수학습 과정에서는 강의를 통해 정보를 일방적으로 전달하는 것만으로는 학생들에게 학습 효과를 발휘하기 어렵다. ‘원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 입자이다’처럼 과학 교과에서 자주 등장하는 기초 개념들은 일정 수준 이상으로 인지하고 있어, 문항에서 묻는 내용과 무관하게 원자에 대한 중요 내용이라고 학생이 판단하여 ③번 답지의 반응률이 높았던 것으로 보인다. 즉, 이러한 응답의 특성으로부터 문항의 내용 파악이 정확하게 이루어지지 않았고, 해당 학생들의 경우에 언어로 표현된 정보의 해석 능력의 부족하다는 것을 유추할 수 있다. 따라서 학습 과정에서 접하는 정보를 해석하여 정보의 의미를 자신의 언어로 표현해보는 경험이 선행되고, 그 후 같은 조원 사이의 언어적 상호작용에 기반하여 학습할 수 있는 경험을 제공한다면 이 수준의 학생들의 이해 수준을 높일 수 있을 것으로 본다.

이온 개념에 대한 학생 반응

2009 개정 교육과정의 중학교 과학에서 다루는 이온 개념은 중학교 과학에서 처음 다룬다. 이온 개념과 관련하여 원소와 원자 영역에서 학습한 내용을 바탕으로 원자가 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 입자가 이온이며, 이를 원소 기호를 이용하여 나타내는 것을 학습한다. 원자가 이온이 되는 현상은 미시적 현상이므로 중학생들이 이해하기 쉽도록 모형을 이용하여 학습하게 된다.

○ ‘이온의 형성 과정을 설명하고, 이를 이온식으로 나타낼 수 있다.’ 문항에 대한 학생 반응

이 성취기준에 대해 출제된 1개 문항에 대한 학생 반응은 Table 6에 제시하였다. 2015년 15번 문항의 경우, 리튬 원자를 원자핵의 양전하와 전자 수로 나타낸 모형을 보고, 리튬 원자가 전자 한 개를 잃은 뒤 형성되는 리튬 이온 모형을 고를 수 있는지를 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 59.16%, 우수학력의 정답율은 78.57%,로 우수학력 대표문항이었다. 우수학력 이상의 학생들은 리튬 원자가 전자 1개를 내놓고 이온이 되는 모형을 보고, 이온 모형은 전자 1개가 부족하다는 것을 잘 찾고 있었다. 그런데, 이 문항이 우수학력 대표문항임에도 불구하고 우수학력 학생들 중에서 오답 ④번의 반응률이 높게 나타나고 있었다. 이는 문항에 제시된 양이온 생성과정을 보고 양이온은 원자가 전자를 잃는 과정임을 파악하지 못한다고 해석할 수 있다. 즉, 원자가 전자 1개를 잃은 후에도 전자개수가 동일하다고 생각하는 학생도 많았음을 의미하는데, 이는 모형으로 표현하는 이온의 생성 과정에 대한 이해 부족보다 이온의 의미에 대한 이해가 낮음을 확인시켜 주는 결과이다. 따라서 이온이 전하를 띄고 있다는 사실에 대한 학생들의 이해 수준을 구체적으로 점검하는 후속 연구가 필요하다. 후술할 2019년의 15번 문항의 경우, 이온을 화학식으로 기술하고 이를 모형으로 제시하도록 하여 이온이 전하를 띄고 있음에 대한 정보를 제공한 반면, 이 문항에서는 그러한 정보를 제공하지 않았기 때문에 학생들이 전하를 띈다는 것에 대한 이해를 점검하는 것이 필요하다고 볼 수 있다. 한편, 그리고 오답인 ⑤번의 반응률이 16.44%였고, 그래프를 통해 보통학력 이하의 학생들에게서 선택의 비율이 높았음을 확인할 수 있다. 즉, 보통학력 이하의 학생들 중에는 전자를 하나 잃고 양이온이 되는 이온 생성 과정을 나타낸 모형을 보고 오히려 전자 1개를 얻는 과정으로 오해하는 학생이 많음을 파악할 수 있다. 즉, 중성 원자가 전자를 잃고 양이온이 되는 과정을 모형으로 표현한 것을 이해하지 못하고 있음을 이해할 수 있다.

Table 6. The test item (2015-15), the response rate of options and response rate distribution curve

이는 원자핵 전하량과 전자 수를 나타낸 원자 모형과 전자를 잃는 과정을 모형으로 나타내었을 때, 원자가 전자를 내놓는 반응인지, 얻는 반응인지를 이해하는데 어려움이 있음을 알 수 있다. 이 현상을 통해 원자가 전자를 잃고 이온이 생성되는 개념을 이해하기 위해 교과서에서 제시한 입자 모형이 오히려 새롭게 학습해야 할 개념으로 인식되는 것은 아닌지 의심해볼 필요가 있다. 따라서 보통학력 이하의 학생들을 위한 교수학습 과정에서는 원자를 핵전하량이 나타난 원자핵과 핵전하량과 동일한 수의 전자로 표현한 원자 모형을 이용하여 이온이 될 때 전자수의 변화를 모형으로 나타내는 경험을 충분히 제공할 필요가 있다. 중학교에 많이 등장하는 입자 모형이 추상적 개념을 학습하는 인지적 비계의 역할을 할 수 있도록 학습에 이용되는 모형이나 비유물에 대한 충분한 이해 시간을 확보하고, 이 모형을 이용하여 목표한 추상적 개념을 학습하는 시간을 가질 필요가 있다.

○ ‘이온의 형성 과정을 모형으로 나타낼 수 있다.’ 문항에 대한 학생 반응

이 성취기준에 대해 출제된 1개 문항에 대한 학생 반응은 Table 7에 제시하였다. 2019년 15번 문항의 경우, 수소 원자가 전자 1개를 잃고 수소 양이온이 되는 이온 형성 과정을 보고 이를 모형으로 표현할 수 있는지를 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 68.00%, 우수학력의 정답율은 97.81%, 보통학력의 정답율은 84.88%로 보통학력 대표문항이었다. 보통학력 이상의 학생들은 수소 원자가 전자를 1개 잃고 양이온이 되므로 수소 이온은 원자보다 전자 1개가 부족하다는 생각을 잘 나타낸 모형을 찾을 수 있는 반면, 오답 ③번의 반응률이 15.87%이며 기초학력 이하의 학생들 중에는 ③번을 선택한 학생들이 많음에 근거하면, 수소 원자가 전자를 잃고 양이온이 되는 과정을 오히려 원자가 전자를 1개 얻어 음이온이 되는 과정으로 이해하는 비율이 높음을 알 수 있다. 문항에서 전자를 표시한 기호가 표현된 답지를 고른 것으로, 이는 문항에 주어진 자료가 화살표 이후에 전자 1개와 수소 양이온을 원소 기호로 나타낸 것이 무엇을 의미하는지 전혀 이해하지 못하기 때문으로 해석된다. 이 문항에 대한 반응을 해석해 보면 원소 기호로 표현한 것과 모형으로 표현한 것을 별개의 학습으로 생각하는 것으로 짐작된다.

Table 7. The test item (2019-15), the response rate of options and response rate distribution curve

따라서 기초학력 이하의 학생들을 위한 교수학습 과정에서 원자가 전자를 잃고 이온이 되는 과정을 원소 기호로 표현하는 것과 입자 모형으로 표현하는 것을 별개의 내용으로 학습하지 않도록 도와야 할 것이다. 입자 모형을 이용한 학습은 원자와 이온이라는 미시적이고 추상적인 개념을 학습하기 위해 이용하는 일종의 보조 도구이며 , 원자가 전자를 잃고 양이온이 되는 현상을 3차원 공간적으로 이해시키는데 도움을 주도록 해야 할 것이다. 인지수준이 낮은 학생들의 경우 교사의 강의만으로 학습하기에는 어려움을 겪으므로 입자 모형을 이용하여 원자와 이온이 어떤 의미를 갖는지 충분한 시간을 가지고 생각해보는 기회를 제공해야 할 것이다.

○ ‘앙금 생성 반응을 통해 이온의 종류를 알아낼 수 있다.’ 문항에 대한 학생 반응

이 성취기준에 대해 출제된 1개 문항에 대한 학생 반응은 Table 8에 제시하였다. 2018년 14번 문항의 경우, 몇 가지 앙금 생성 반응 실험 결과를 분석한 뒤, 미지의 용액에 질산 은(AgNO₃) 수용액을 몇 방울 넣었을 때 흰색 앙금이 생기는 것을 보고 미지 용액에 들어 있는 이온의 종류를 추리할 수 있는지 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 62.67%, 우수학력의 정답률은 97.71%, 보통학력의 정답률은 81.20%로 보통학력 대표문항이었다. 보통학력 이상의 학생들은 미지의 용액에 질산 은 수용액을 넣었을 때 흰색 앙금이 생기는 이유를 알아내기 위해 주어진 자료를 활용할 수 있었다. 즉, 질산 은을 넣었을 때 염화 칼슘과 염화 나트륨에서 모두 흰색 앙금이 생겼기 때문에 질산 은을 넣었을 때 앙금이 생기는 이유는 염화 칼슘과 염화 나트륨에 공통으로 포함되어 있는 염화 이온 때문이라는 것을 추리할 수 있다. 반면, 오답 ②번의 반응률이 10.56%, ④번의 반응률 10.78%이면서, 기초학력 이하의 학생들 중에는 이 두 답지를 선택한 비율에 높음에 근거하여 양이온과 음이온의 반응으로 이온의 종류를 해석하라는 문항의 출제 의도를 해석하지 못하고 질문한 질산 은에 포함된 질산 이온을 그대로 선택한 경향이 있음을 알 수 있다. 또한 주어진 자료의 의미를 해석하지 못하고 흰색 앙금이 생기는 두 물질에 포함된 칼슘이온과 나트륨 이온 중 한 물질을 골라 응답하고 있다고 추리해볼 수 있다.

Table 8. The test item (2018-14), the response rate of options and response rate distribution curve

따라서 기초학력 이하의 학생들이 앙금 생성 반응과 관련된 학습을 할 때 정보를 단순히 기억하는 형태의 학습은 교육과정 에서 요구하는 목표에 도달하기 어려움을 시사한다. 그 대신 실험 결과에서 얻은 자료를 분석하여 자료가 가진 의미를 해석하여 그 원인을 추리해보는 경험등의 기초 탐구 과정 기능을 함양하는 노력이 필요할 것이다.

○ ‘이온의 존재를 실험을 통해 알고, 이온이 사용되는 예를 설명할 수 있다.’ 문항에 대한 학생 반응

이 성취기준에 대해 출제된 2개 문항에 대한 학생 반응은 Table 9에 제시하였다. 2015년 13번 문항의 경우, 전해질을 구성하는 이온이 물에 녹아 색을 띠는 성분으로 구성된 전해질을 물에 적신 거름종이에 녹여 전원장치에 연결한 뒤, 색을 띠는 점이 특정 전극으로 이동하는 현상을 관찰하고 그것이 전하를 띠는 물질이 이동하는 것이며, 그 물질은 전해질에 들어 있던 물질인지를 알고 있는지를 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 67.27%, 우수학력의 정답률은 97.49%, 보통학력의 정답률은 85.43%로 보통학력 대표문항이었다. 보통학력 이상의 학생들은 전해질을 녹인 용액 중에서 특정 이온이 어떤 전극 쪽으로 이동하는 현상을 관찰하고 전해질을 구성하는 물질에 전하를 띠는 물질이 존재함을 판단하고, 이 실험의 목적이 수용액에 전하를 띠는 물질이 포함되어 있는지를 판단하는 것임을 알 수 있는 반면, 기초학력 이하의 학생들 중에는 오답 ②번과 ④번의 반응률이 상대적으로 높은데 이에 근거하면, 전해질을 녹인 수용액에서 일어나는 반응을 보고 단순히 화학 반응의 종류를 판단한다거나, 색을 띠는 이온의 이동 현상을 보고 앙금 생성 반응이 일어나고 있다고 오해하고 있었다. 또한 기초학력 미만의 학생들에게서 오답 ③번에 대한 반응률이 높음으로부터 이온의 분리와 석출을 혼동하고 있음을 파악할 수 있다. 이러한 응답 결과로부터 기초학력 이하의 학생들은 눈으로 관찰되는 현상적 특징만을 이용해 실험의 목적을 판단하는 경향이 있다고 추리해볼 수 있다.

Table 9. The test items (2015-13 and 2019-16), the response rate of options and response rate distribution curve

2019년 16번 문항의 경우, 전해질과 비전해질을 용해시킨 수용액에서의 용질의 입자 모형과 전기 전도성을 나타낸 결과를 이해하는지 평가하고자 하였다. 이 문항의 전체 정답률은 55.19%, 우수학력의 정답률은 98.03%, 보통학력의 정답률은 76.46%로 보통학력 대표문항이었다. 보통학력 이상의 학생들은 염화 나트륨과 염화 칼슘이 수용액에서 이온을 형성하면서 전기가 통하는 결과를 이용하여 물에 녹아 이온을 생성하는 물질은 수용액에서 전기가 통한다고 알아낼 수 있는 반면, 오답 ⑤번의 반응률이 16.89%이면서 기초학력 이하 학생들의 반응률이 높은 것에 근거하여, 기초학력 이하의 학생들은 문항에 주어진 자료에서 양이온이 어떤 극으로 이동하는지 정확히 관찰하지 않고 단순히 이온이 이동한다는 일부 현상만을 관찰하여 답을 찾고 있음을 알 수 있다.

‘이온의 존재를 실험을 통해 알고, 이온이 사용되는 예를 설명할 수 있다.’에 대해 출제된 2개 문항 분석을 통해 보통학력 이상의 학생들은 전해질을 물에 용해시키는 현상이나 실험 결과를 제시한 자료를 정확히 해석하여 실험결과가 의미하는 것을 이해할 수 있는 반면, 기초학력 이하의 학생들은 문항의 자료가 가진 의미를 전체적으로 해석하지 못하고 자료의 일부 특징에 한정하여 문항 정보를 왜곡하여 해석하는 경향이 있었다. 제시된 2개 문항 모두 개념에 대한 이해와 관련된 지식형 문항이 아니고 자료를 해석하여 결론을 도출할 수 있는지를 묻는 탐구형 문항이었기 때문에 평상시 학교 학습에서 탐구 상황 속에 학생들을 지속적으로 노출시키면 충분히 해결할 수 있는 능력이다. 이러한 결과는 학생들이 탐구 상황을 지속적으로 접하고, 결과에 대해 과학적으로 추론해볼 수 있는 기회를 위한 시간이 부여될 필요성을 제기한다.

결론 및 제언

본 연구에서는 2009 개정 교육과정 시기에 출제되었던 국가수준 학업성취도 평가의 과학과 문항 중, 물질의 구성 영역과 관련된 문항들을 분석하였다. 특히, 중학생들이 갖는 원자 및 원소, 이온에 대한 이해도를 답지 반응률을 중심으로 살펴보면서, 입자 수준에서 다루어지는 개념들에 대한 학생들의 이해의 특성을 종합적으로 파악하고자 하였다. 이러한 분석은 물질에 대해 미시적 관점이 처음으로 도입되는 시기가 중학교이며, 분석 대상 문항들이 처음으로 학생들이 접하는 물질의 구성 요소에 대한 구체적인 개념이라는 측면에서 의미가 있다. 무엇보다 입자 수준에서 물질에 대한 이해는 학생들이 추후 화학 과목을 학습함에 있어 기초가 된다는 점에서 과학적으로 타당한 이해를 요구한다. 본 연구의 결과로부터 학생들의 이해의 특성을 살핀 결과는 다음과 같다.

2009 개정 교육과정 시기 출제된 물질의 구성 영역에 해당하여 본 연구에서 분석한 선다형 문항은 총 9개였다. 본 연구에서 분류한 2개의 세부 영역으로 구분하면 원소와 원자 영역에서 4문항, 이온 영역에서 5문항이 출제되었으며, 정답률을 중심으로 살펴보면 이 문항들은 중간수준의 난도를 갖는 것으로 파악할 수 있다. 그 중에서 이온 영역의 1개 문항은 우수학력 대표문항이었고, 나머지 8개 문항은 모두 보통학력의 대표문항이었다. 즉, 전반적으로 문항의 난도는 중간 수준이었으며, 보통학력 이상의 학생들이 드러내는 이해의 수준과 기초학력 이하의 학생들이 보이는 이해 수준이 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 교육과정에서 진술하는 기본 내용 중 약 절반보다 낮은 수준의 이해만을 보이는 기초학력 이하의 학생들은 물질의 구성 영역에 대한 이해가 전반적으로 낮음을 의미하며,⁴ 해당 수준의 학생들이 드러내는 오답 선택의 특성으로부터 학생들이 과학적으로 타당하지 않게 이해하는 개념들을 파악할 수 있음을 시사한다. 한편, 결과로부터 물질을 구성하는 단위라는 측면에서 원소, 원자, 이온 등에 대한 개념들에 대한 이해가 연관되거나 일관적이지 못하고, 개별적인 이해에 머무르고 있는지 점검할 필요성을 파악할 수 있었다. 구체적으로는 다음의 내용을 확인할 수 있었다.

원소와 원자와 관련하여 학생들이 보이는 반응으로부터 다음과 같은 특징을 확인할 수 있다. 전반적인 정답률 정보로부터 원소나 원자에 대해 대체로 과학적인 개념을 갖고 있다고 볼 수 있었으나, 기초학력 이하의 학생들은 원소, 원자에 대해 이해에 중요한 요소인 추가적인 분해 여부에 대해 혼동하고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 기초학력 이하 학생들은 원소에 대한 문항들에서 더 이상 다른 물질로 분해되지 않는 물질이지만 이를 원소라고 답하거나, 원소의 확인 방법을 명확하게 인지하지 못했다는 점에서 원소를 물질의 기본적인 성분이며 분해되지 않는다는 측면에서 이해하는 것의 어려움을 드러냈다. 반면, 원자에 대한 문항에서는 쪼개지지 않는다는 입자라는 이해를 보여주어 일관된 설명을 하고 있지 못하는 것을 파악할 수 있었다. 구체적으로는 2017년 2번 문항에서 묻는 내용과 무관하게 원자를 더 이상 쪼개지지 않는 입자라는 답지를 선택한 비율이 높았음은 이러한 설명을 뒷받침 한다. 원소와 원자는 성분과 입자라는 관점에서 차이가 있지만, 이 개념들에 대한 이해는 일관적이어야 한다는 점에서 개별적인 교수·학습 시 상호 연관되어 의미를 파악하도록 안내할 필요가 있다. 아울러, 불꽃 반응 실험을 활용한 문항에서 드러난 학생들의 이해로부터 단순히 실험의 목적과 의미에 대한 강의만으로는 학생들이 탐구를 통해 자료를 해석하고 개념과 연관시킬 수 있는 능력을 함양하는 것에 한계가 있음을 확인할 수 있었다.

이온과 관련하여 학생들은 모형으로 표현되는 시각적 자료 또는 실험에서 나타나는 결과를 이온 개념과 대응함에 있어 일부 어려움이 있었다. 원자를 구성하는 원자핵과 전자로 표현되는 이온 모형에서 학생들은 전자의 이동을 토대로 적절한 이온 모형을 구성함에 있어 원자와 혼동하거나, 반대로 해석하는 경우들이 확인되었다. 특히 이온이 전하를 띄는 입자라는 내용에 대한 이해 수준을 정확하게 파악할 필요성이 있다. 화학식이나 모형을 통해 이온이 전하를 띄고 있다는 사실을 제공하는 경우에는 이온을 정확하게 표현하는 비율이 높았으나, 이를 제공하지 않는 문항에서는 이온 모형을 적절하게 표현하는 비율이 상대적으로 낮았다. 모형이나 식으로 제시된 이온의 개념을 활용하는 것은 상대적으로 쉽게 간주하나, 이온의 형성과정과 원리에 대해서 정확하게 이해하는 것의 어려움에 대해 보고한 이전의 연구³⁴나 본 연구의 결과를 고려하면 학생들이 이온의 정의에 대한 명확한 이해 수준을 진단하는 것이 지속될 필요가 있다. 한편, 이온과 관련된 실험들에서 양이온과 음이온의 종류에 따른 실험 결과를 적절하게 해석하지 못하고, 색을 띄는 물질과 같이 시각적으로 드러나는 현상에만 초점을 두어 과학적으로 추론하지 않고 단순하게 해석하는 경향도 드러냈다. 이러한 학생들의 응답결과는 미시적 수준에서 일어나는 과정을 거시적인 현상 또는 모형과 연관하는 과정에서 정보의 왜곡이 발생하고 어려움을 겪는 학생이 많다는 선행 연구들의 결과와 맥을 같이 한다.

본 연구의 결과는 거시적 현상과 미시적 과정을 연계하도록 구성된 물질의 구성 영역의 교수학습에 대해 몇 가지 시사점을 제시한다. 우선, 기초학력 단계에 있는 학생들을 위한 교수학습 방안을 보다 세밀하게 마련할 필요가 있다. 미시적 관점이 도입되는 물질의 구성 영역은 특히 학생들이 시각적 접근을 할 수 있도록 원자 모형과 같은 모형을 많이 사용한다. 하지만, 모형은 본래 이론, 현상, 자료 등과 복잡하게 연계될 수 밖에 없으며,³⁵ 그 과정에서 축약된 형태로 제시되거나 과학적으로 잘못된 개념을 학생에게 심어줄 가능성이 존재하는 것이 사실이다.³⁰ 따라서, 모형을 이용한 설명 과정에서는 모형이 실재하는 대상의 재현이 아니라 시각적 접근을 가능하게 하는 도구임을 학생들도 인지하도록 안내할 필요가 있다. 특히, 원자, 이온 등 다양한 모형들이 갖는 차이점과 차이점이 존재하는 이유를 설명하는 과정을 포함시키는 것은 학생들이 각 모형을 통해 개념을 파악하고 이해하는 과정에서 개념들을 명확하게 구분하고 이해할 수 있게 도울 것이다.

많은 교과서 및 교수학습 자료에서 모형을 통해 원자, 이온 등을 설명하고 있음을 감안하면, 이를 탐구 과정과 연관할 때 세심하게 교수학습 계획을 세워야 한다. 즉, 탐구 결과를 관련 개념과 연관시키는 과정에서 직접적인 설명도 필요하겠지만, 결과의 규칙성을 파악하고 그 규칙을 과학적 개념과 연관시키는 추론 과정을 경험할 수 있도록 학생들에게 기회를 충분히 제공할 필요가 있다. 탐구 과정 능력은 과학의 본성에 대한 이해,³⁶ 과학적 사고력 함양³⁷에 긍정적 영향을 주고, 과학적 탐구 능력은 논리적 사고력과 높은 상관관계를 가지면서 학생들의 학업 성취도에도 긍정적 영향³⁸을 미치기 때문에 기초학력 이하의 학생들이 탐구 과정 기능을 익힐 수 있도록 충분한 시간과 경험을 제공하는 것이 학생들의 고차원적 사고력을 함양시킬 수 있고 궁극적으로 어려운 개념의 학습도 도울 수 있는 기회가 될 것이다. 그래서 학교의 교수학습 과정에서 강의 중심의 학습에서 탈피하고 학생 중심의 탐구학습 기회를 더 확대하도록 노력해야 할 것이다.

한편, 본 연구에서 분석한 결과들은 이 영역에 국한시키지 않고, 후속 연구를 통해 화학 전반에 대한 학생들의 이해를 파악하도록 확장할 필요가 있다. 본 연구에서 초점을 둔 물질의 구성 영역은 학생들에게 미시적 관점에 기반한 설명이 처음 도입된다는 점에서 의미가 있지만, 화학 반응, 물질의 특성과 같은 영역에 대한 학생들의 이해 전반이 같이 파악될 때, 그 의미를 더할 수 있을 것이다. 학생들이 화학 전반에 대해 가지고 있는 이해를 대규모 평가 결과를 바탕으로 파악하는 것은 학생 수준별 교수학습 전략을 마련함에 있어 도움을 줄 수 있다. 또한 학생들이 해당 학년군에서 해당 개념들을 충분히 이해할 수 있는지 파악한 정보는 교육과정을 새롭게 구성하는 연구에도 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다. 본 연구에서 살펴본 결과는 선다형 문항의 정답률과 각 답지별 반응률에 근거한 것이므로, 학생의 응답 이유 등은 파악하기 어렵다는 한계가 있다. 따라서, 보다 구체적인 수준에서 각 개념들에 대한 학생들의 이해와 이해의 특징을 세부적으로 탐색하는 노력도 지속되어야 할 것이다.