- 거시적 이해와 입자 모형과의 관계
이들 입자 모형과 거시적 이해와의 관계를 살펴보기 위하여 입자 모형별로 응답자가 선택한 주요한 그래프 유형에 대하여 빈도수를 구하였다(
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). 그 결과 78 ℃에서 끓기 시작하여 일정한 두 개의 끓는점 구간을 갖는 그래프 유형을 선택한 10명 중 7명이 E 유형의 입자개념을 가지고 있었다. 다음은 이 유형에 해당되는 예비교사 3과 4와의 면담 내용이다. 이들은 에탄올이 먼저 끓고, 따라서 용액이 끓을 때 에탄올 분자만 기포 안에 존재한다는 인식이 있으며, 끓음과 증발의 입자 모형을 다르게 인식하고 있음을 알 수 있다.
Relations of particle model during boiling and macroscopic prediction in pre-service chemistry teachers’ responses about 1:1 ethanol/water mixture
Relations of particle model during boiling and macroscopic prediction in pre-service chemistry teachers’ responses about 1:1 ethanol/water mixture
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면담자: 왜 온도가 일정한 구간이 나타나나요?
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예비교사 3: 이거 에탄올의 끓는점이 78도이니까 에탄올의 끓는점에서 에탄올이 다 끓고, 물의 끓는점보다 낮아서 다 기화하고.......
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면담자: 액체 혼합물이 끓을 때 기포 안에 입자를 그려보세요.
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예비교사 3: 에탄올만 있는 것 같아요.
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면담자: 그러면 증발 상황에는?
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예비교사 3: 물이랑 에탄올이랑 기체로 될 것 같아요.
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면담자: 액체가 끓으면 액체 내부에서는 기포가 만들어지는데, 이때 기포 안의 입자를 그려보세요.
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예비교사 4: 끓는점에서요? 에탄올만 있을 것 같아요.
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면담자: 왜 에탄올만 있을 것 같아요?
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면담자: 그럼 끓기 전에 이 액체 표면 위에서는 입자는 어떻게 될 것 같아요?
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예비교사 4: 물이랑 에탄올이 다 있을 것 같아요. 근데 에탄올이 더 많을 것 같아요.
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면담자: 왜 에탄올이 더 많을 것 같아요?
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예비교사 4: 에탄올이 물보다 증발을 더 잘하니까요.
한편 78-100 ℃에서 끓기 시작하여 끓는점이 점점 증가하는 구간을 갖는 그래프를 선택한 예비교사 28명 중에서는 대체로 끓을 때 기포에 물과 에탄올이 함께 존재하며, 에탄올의 입자수가 더 많다(E>W유형)고 한 응답자가 19명으로 가장 비율이 높았다. 이들은 앞에서 지적한 것처럼 그 이유가 증발에서와 같이 에탄올이 더 잘 기화한다는 맥락으로 이해하는 예비교사도 있었으나, 에탄올 분자가 끌고 올라간다거나, 에탄올은 끓은 분자, 물은 증발한 분자라는 인식 등 대체적 개념이 존재하고 있다. 다음은 이러한 인식을 가진 예비교사 5와 예비교사 6과의 면담 내용이다.
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면담자: 액체가 끓을 때는 액체 내부에서는 기포가 만들어지는데, 이때 기포 안의 입자 움직임을 그려보세요.
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예비교사 5: 에탄올이 상대적으로 많을 것 같고, 물 분자도 어느 정도 있을 것 같아요.
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면담자: 왜 그렇게 생각했어요?
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예비교사 5: 에탄올이 날아가는데, 이 때 표면에 섞여 있는 몇 개의 물 분자도 같이 날아갈 것 같아서요.
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면담자: 끓기 시작할 때 기포 안의 분자 움직임은 어떻게 될까요?
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예비교사 6: 에탄올은 끓고 물은 증발하는 것이 있을 것 같아요. 액체 혼합물이 끓을 때 기포 안에 에탄올하고 물이 있는데, 에탄올은 끓은 거고, 물은 끓는 건 아니구요. 그냥 증발하는 걸로 생각을 했어요.
결론 및 제언
본 연구에서는 액체 혼합물의 끓음에 대한 예비 화학교사의 인식을 알아보기 위하여 65명의 예비 화학교사를 대상으로 에탄올 수용액의 끓는점과 가열 곡선 유형, 용액이 끓을 때의 기포 속 입자 모형 등에 대한 설문조사를 실시하였으며, 이 중 9명을 면담하였다. 설문자료와 면담 자료를 분석하여 얻은 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 에탄올 수용액의 끓는점에 대한 예비 화학교사의 예상은 두 유형이 대표적이다. 78~100 ℃에서 끓는다고 생각하는 예비교사는 끓을 때 에탄올 분자가 물 분자와의 인력이나 진로 방해 등을 통해 순수한 에탄올의 끓는점보다 높아진다고 생각하는 경우가 많았다. 또한 에탄올 수용액의 끓는점이 78 ℃라고 인식하는 예비교사들은 끓는점은 물질의 고유성질이므로 혼합물이 되어도 변하지 않는다고 생각하였다.
둘째, 액체 혼합물의 가열 시 온도변화에 대해서도 두 가지의 대표적인 인식이 있었다. 우선 액체 혼합물이 끓기 시작하면서 온도가 증가한다고 생각하는 예비교사는 에탄올이 끓으면서, 물의 비율이 높아져서 점점 끓는점이 증가하게 된다고 생각하거나 에탄올은 상태변화 하지만 액체로 남아있는 물이 열에너지를 흡수하여 온도가 증가한다고 생각하였다. 한편 상당수의 예비교사는 두 개의 일정한 온도 구간이 나타난다는 응답을 하였는데, 이들은 끓는점이 낮은 에탄올이 먼저 상태변화하고, 온도가 증가하다가 물이 상태변화 한다고 생각하였다.
셋째, 액체 혼합물이 끓기 시작할 때 기포 속의 입자 모형을 분석한 결과, 증발 상황에서는 대부분의 예비 화학교사가 기체상에 물과 에탄올이 동시에 존재하는 모형을 그렸으나, 끓음 상황에서는 기체상에 에탄올만 존재하는 모형을 그리는 비율이 증가하였다.
결과를 바탕으로 예비 화학교사가 액체 혼합물의 끓음에 대해 갖고 있는 인식에 대하여 얻은 결론은 다음과 같다.
첫째, 예비 화학교사는 휘발성 액체 혼합물의 각 성분은 각기 다른 온도에서 끓는다는 대체적 개념을 갖고 있었다. 즉, 끓는점이 낮은 에탄올이 먼저 끓어 나오고 물은 나중에 끓는다고 생각하고 있었다. 이를 바탕으로 또 다른 대체적 개념이 더하여져서 끓기 시작하는 온도와 가열곡선의 형태에 대한 예측은 다양한 양상으로 나타났다. 이러한 인식의 원인은 이전 교육과정에서 학습한 에탄올의 분별증류 개념의 영향도 있을 것이라고 생각된다. 에탄올의 분별증류는 중등 교육과정의 ‘혼합물의 분리’에서 실험과 함께 제시되고 있으며, 대학교육에서도 일반화학과 유기 화학 과목에서 실험과 원리학습이 강조되고 있어, 예비교사들이 에탄올 수용액의 끓음 상황을 분별증류 상황으로 간주하기 쉬울 것이다. 또한 분별증류 상황에서도 순수한 에탄올만 분리되는 것이 아님에도 불구하고, 이를 에탄올이 분리되고, 물이 분리되는 것으로 중고등학교에서 단순하게 배웠을 가능성이 있다. 이는 추후 연구로 확인할 필요가 있을 것이다.
둘째, 예비 화학교사는 휘발성 혼합액체의 미시적인 입자모형에 증발과 끓음의 거시적 관점을 적용하는 경향이 있었다. 즉, 끓음 시 발생하는 기포 안에 끓은 에탄올 분자와 증발한 물 분자가 존재한다고 하였다. 증발과 끓음은 거시적 현상으로 기화의 위치, 기포의 유무 등으로 구별되지만, 미시적으로는 둘 다 액체 입자가 기체 입자가 되는 현상으로 끓은 입자와 증발된 입자를 구별할 수 없다. 이러한 예비교사의 인식의 개선을 위해서는 거시적 현상을 미시적 관점과 연결하여 설명할 필요가 있다.
셋째, 대부분의 예비 화학교사들은 끓음을 증기압력 관점으로 설명하지 않는 경향을 보였다. 증기압력은 끓음을 설명하기 위해 필수적인 개념이지만,
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예비교사가 이해하기 어려운 개념 중 하나이다.
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끓는다는 것은 증기압력이 대기압과 같아지면서 일어나는 현상이라는 것, 끓는점 이하에서도 증기압력이 있고, 따라서 액체 혼합물의 전체 증기압력은 각 휘발성 물질의 증기압력의 합으로 나타난다는 명제를 바탕으로 액체 혼합물의 끓음이 이해되도록 할 필요가 있다.
액체 혼합물의 끓음에 대한 예비교사의 이해를 개선하기 위하여 다음을 제안한다. 첫째, 액체혼합물의 끓음에 대한 인식을 개선할 탐구 자료의 개발이 필요하다. 예비교사는 대학 교육과정의 일반화학과 물리화학을 이수하는 과정에서 액체 혼합물의 끓음에 대해 학습하게 되는데 이 때 액체 혼합물의 끓음에 대한 탐구 자료를 개발하여 예비교사 교육에 활용하면 예비 화학교사의 이해와 흥미를 높이는 데 도움이 될 것이다. 액체 혼합물의 끓는점이나 온도변화를 예상해보게 하고, 시범실험이나 실험을 통해 실제 용액의 끓음 현상을 접하고, 학생들의 개념변화를 유도할 활동을 제시하면 좋을 것이다. 여기에 액체 혼합물의 끓는점을 액체 증기압력 관점으로 생각해보는 과정을 포함할 것을 제안한다.
둘째, 예비교사 교육에서 액체 혼합물의 끓음에 대한 학습을 할 때, 입자적인 관점으로 현상을 이해할 수 있도록 도와주어야 한다. 분자는 눈으로 보이지 않기 때문에, 예비 화학교사들의 이해가 어렵고 대체적 개념을 형성하기 쉽다. 따라서 입자 모형을 이용한 교수학습 자료, 활동지를 통해 예비교사가 액체 혼합물 끓음 같은 거시적인 현상에 대해서 입자적인 관점으로 생각해볼 수 있게 도울 필요가 있다.
셋째, 휘발성 액체 혼합물의 끓음 현상은 라울의 법칙, 휘발성 혼합액체의 상평형도, 불변끓음 혼합물 등의 개념과 관련된다. 본 연구에서는 학년별 인식의 차이를 분석하지 못한 한계가 있다. 후속 연구를 통해 학년에 따른 차이와 관련 개념과의 연계를 살펴본다면 예비 화학교사를 포함한 화학을 전공하는 대학생을 위한 교수전략을 구성함에 있어 더 많은 정보를 제공할 수 있을 것이라 여겨진다.
Acknowledgements
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