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Knowledge State Analysis of Ionic Equation for Middle School Students
Knowledge State Analysis of Ionic Equation for Middle School Students
Journal of the Korean Chemical Society. 2015. Dec, 59(6): 499-507
Copyright © 2015, Korean Chemical Society
  • Received : February 10, 2015
  • Accepted : August 27, 2015
  • Published : December 20, 2015
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회정 윤
윤하 이
영신 김

Abstract
본 연구의 목적은 이온화식 작성에 대한 중학생들의 이해 정도를 알아보는 것이다. 서울시 소재 중학교 한 곳에 재학중인 3학년 학생 219명이 연구에 참여하였다. 6차시에 걸친 ‘전해질과 이온’ 단원의 수업이 끝난 후, 이온화합물의 이온화 과정을 이온화식으로 표현하도록 구성한 서술형 검사를 실시하였다. 검사 결과를 분석하여 이온화합물의 구성 특성에 따라 이온화식 서술에 대한 정답률을 파악하였으며, 이온화식 표현과 관련된 지식상태를 토대로 이온화식 표현의 위계 관계를 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 이온화합물을 구성하는 양이온과 음이온의 종류, 전하량과 구성 개수를 바탕으로 이온화합물들을 여섯 집단으로 분류하고 집단의 특성에 따라 학생 응답을 분석한 결과 정답률에 차이가 나타났다. 둘째, 지식 상태 분석 결과 이온화합물을 구성하는 양이온과 음이온의 종류와 전하량, 구성 개수를 알아내어 이온화 과정을 식으로 표현하는 지식상태가 구조화되어 있음을 알 수 있었다. 연구 결과를 바탕으로 효과적인 이온화식 학습 전략의 설계를 위한 시사점을 제안하였다.
Keywords
서 론
화학 개념에 대한 이해는 거시적(macroscopic), 미시적(submicroscopic), 상징적(symbolic)인 세 가지 수준에서 복합적으로 이루어져야 한다. 1 거시적 수준에서는 우리가 경험하고 관찰할 수 있으며 측정 가능한 구체적인 현상에 대한 이해를 주로 다루는데, 2,3 질량, 밀도, 농도, 압력과 같이 고체, 액체나 기체 등의 성질을 나타내는 표상이 이에 해당된다. 미시적 수준에서는 현상에 대한 원자, 분자, 이온 등과 같은 입자 수준에서의 이해를 다룬다. 1 미시적 세계를 설명하기 위해서는 다양한 모델, 모형이나 다이어그램 등이 주로 활용된다. 특정 개념을 표현하거나 아이디어를 소통하기 위해 사용되는 표식은 상징적 수준에 속하며 원소기호, 화학식, 화학반응식 등이 상징적 표상에 해당한다. 3
해당 분야의 전문가들은 세 가지 수준의 표상을 이해하고 있을 뿐만 아니라 이들을 적절히 변환하여 사용하면서 특정 현상이나 개념을 능숙하게 설명할 수 있다. 하지만 학생들은 하나의 표상을 이해하는 것도 어려워하는 경우가 많으며, 4 특히 미시적 수준과 상징적 수준에서 현상을 이해하고 설명하는 데 미숙하다. 5,6 많은 학생들이 원자, 이온, 분자를 명확하게 구분하여 이해하지 못하고 용해, 확산이나 화학반응과 같은 다양한 현상을 입자적인 수준에서 설명하지 못하는데 이는 주로 미시적 수준에서 다루는 입자 개념이 관찰 불가능하기 때문이다. 79 또한 많은 학생들이 화학에서 널리 사용되고 있는 화학기호, 화학식, 화학반응식과 같은 여러 가지 상징적 표상의 의미를 올바르게 해석하여 이해하고 사용하는 것을 어려워하는데, 10 그 이유 중 하나로 상징적 표상의 활용과 인지수준과의 연관성이 제기된 바 있다. 11 영국의 CSMS(Concepts in Secondary Mathematics and Science) 프로그램에서 개발한 교과내용 분류틀에서는 비례 논리를 이용하여 정량적인 관계를 나타낼 수 있으며, 화학기호를 다양하게 사용하여 실험 결과에 가장 부합하는 반응식을 만들 수 있으려면 후기 형식적 수준의 인지수준을 지녀야 한다고 제시하고 있다. 이를 근거로 국내 관련 연구에서는 화학반응의 양적 관계 및 그 계산을 하기 위해서는 학생들의 인지수준이 후기 형식적 수준에 도달해야 한다고 판정한 바 있다. 11
대표적인 상징적 표상의 하나인 화학식은 과학자들이 합의한 압축된 형태의 추상적이고 전문적인 언어로 화합물의 이름이나 화학반응 과정을 나타낼 때 사용될 뿐만 아니라 화합물의 양적·질적 조성과 구조에 대한 정보도 포함하고 있다. 12,13 따라서 화학식을 이해하는 것은 화학의 기본적인 언어와 표현 방식을 이해하는 것이라고 볼 수 있다. 또한 화학식과 같은 상징적 표상에 대한 이해력과 활용능력이 높을수록 화학 문제해결력이 높다는 연구 결과를 볼 때, 14 화학식의 의미를 잘 이해하고 사용하는 것은 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. 하지만 많은 학생들이 화학 학습 중 겪는 가장 부정적인 경험 중의 하나로 화학반응식의 계수 맞추기 연습을 들었으며, 15 이 밖에도 화학식과 관련하여 여러 가지 어려움들을 겪는 것으로 나타났다.
Taskin과 Bernholt(2014) 10 는 기존의 연구 결과들을 바탕으로 화학식과 관련하여 학생들이 어려워하는 내용을 크게 네 가지 영역에서 정리하였다. 첫 번째로 많은 학생들이 화학식의 의미와 기능을 제대로 이해하지 못하고 있다는 것이다. 즉, 원소기호가 단순히 원소나 물질의 약자라고 생각하거나 16 화학반응식에서 사용하는 +나 화살표 기호가 무엇을 의미하는지 알지 못하는 경우가 이에 해당한다. 17 또한 분자식에서 계수나 원소기호 아래에 쓰는 첨자의 의미를 정확히 모르는 경우도 있었다. 17,18 둘째로 학생들은 화학식을 정확하게 쓰는 것을 어려워한다. Glažer와 Devetak(2002) 19 에 의하면 그 원인은 산화수의 의미를 제대로 이해하지 못하거나 이온의 전하를 잘못 알고 있기 때문인 것으로 보인다. 또한 화학반응식을 완성하는데 있어 많은 학생들이 반응물과 생성물을 올바르게 쓰지 못하거나 계수를 제대로 쓰지 못하는 것으로 알려져 있다. 18,20 셋째, 학생들은 화학식을 이해하고 해석하는 것을 어려워한다. 많은 학생들이 실험식이나 분자식에서 원소기호 옆의 첨자의 의미를 이해하지 못하며 21 화학반응식에 표현된 화학식을 보면서 원자와 분자의 구별을 명확하게 하지 못하는 것으로 나타났다. 22 마지막으로 화학식을 미시적 수준의 입자 그림과 연결하여 설명하는 것을 어려워하는 학생들도 있는 것으로 나타났다. 21,23
국내에서는 원자나 분자, 이온 등에 대한 학생들의 개념 이해 정도 탐색, 24,25 입자에 대한 학생들의 이해를 돕기 위한 수업 자료 개발 26,27 과 같이 미시적 수준에서의 이해를 중심으로 한 연구들이 주로 이루어져왔다. 입자에 대한 상징적 표현을 올바르게 하지 못하는 학생들이 있다는 결과는 언급된 바 있지만 28 상징적 수준에서의 이해를 탐색하기 위하여 진행된 연구는 거의 없었다.
원자, 분자, 이온과 같은 미시적 수준의 입자 관련 개념은 중학교 과학과 교육과정에서 처음 제시된다. 2007개정 과학과 교육과정의 경우, 물질 관련 영역의 ‘물질의 세 가지 상태’, ‘분자의 운동’, ‘상태 변화와 에너지’ 단원에서 상태 변화와 관련된 거시적 현상을 관찰한 후 이를 미시적인 입자와 관련지어 이해하도록 한다. 29 이어 ‘물질의 구성’과 ‘우리 주위의 화합물’ 단원에서는 물질을 구성하는 입자의 종류를 세분화하여 탐색할 수 있도록 관련 내용을 제시한다. 이 과정에서 입자를 원자와 이온, 화합물 등으로 구분하며 이를 기호로 표현하는 상징적 수준에서의 학습이 이루어질 수 있도록 구성되어 있다. ‘전해질과 이온’ 단원에서는 전류가 흐르는 현상을 입자적 관점에서 설명하며 이온화 과정을 식으로 표현하고 앙금 생성 반응을 통해 이온의 존재를 확인하게 하는 것을 목표로 한다. 2009개정 중학교 과학과 교육과정에서 원자, 분자, 이온과 같은 입자 관련 개념은 ‘물질과 에너지’ 분야의 ‘물질의 구성’ 단원에서 제시된다. 30 ‘물질의 구성’에서는 원소, 원자, 원소 기호, 이온을 다룬다. 학습 내용 성취 기준을 살펴보면 미시적 관점에서 입자로서의 원자 개념과 이온의 형성 과정을 이해하고, 원소 기호를 사용하여 원소, 화합물, 이온식을 표현할 수 있도록 하는 상징적 수준에서의 학습이 이루어지는 것을 목표로 한다. 또한 앙금 생성 반응을 통해 주변에 이온이 존재하며 이온의 종류를 이해하고 이온이 사용되는 예를 알도록 하는 것을 목표로 한다. ‘물질의 구성’ 단원은 중학교 1~3학년군의 ‘화학 반응에서의 규칙성’과 ‘여러 가지 화학 반응’ 단원과 연계된다. ‘물질의 구성’ 단원에서 다루었던 이온식, 이온화식, 이온 반응식 등에 대한 이해를 바탕으로 화학 반응을 화학 반응식으로 표현하며, 특히 중화 반응에서 산과 염기의 이온화를 이온화식으로 나타내고 중화 반응을 이온 반응식으로 표현할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.
본 연구에서는 학생들의 이온화 과정에 대한 기호 표현 방식을 분석하여 거시적인 화학 반응 중 하나인 이온화 과정을 미시적인 입자 수준에서 이해하고 이를 기호로 표현하는데 요구되는 학생들의 이해 수준을 알아보았다. 이는 학생들이 이온화 과정뿐만 아니라 거시적인 화학 반응을 미시적인 입자 수준에서 이해하고, 이를 상징적인 기호로 표현하는데 요구되는 것이 무엇인지 파악하는데 도움이 될 것이다.
화합물, 이온식, 이온화식을 나타낼 때, 원소 기호, 이온의 전하 크기와 전하 종류, 다원자 이온의 종류와 표현, 이온의 개수 표현 등과 같은 여러 가지 개념에 대한 이해가 필요하다. 이러한 개념의 위계 구조와 학생의 지식상태를 알아보기 위한 방법 중의 하나로 지식상태 분석이 있다. 지식상태 분석은 지식의 위계성에 근거하여 평가 문항 간에 내재되어 있는 지식의 상태를 분석하여 평가에 관련된 지식 전체에 대한 정보를 추론하는 지식공간론(knowledge space theory) 31 에 근거를 둔다. 기존에 빛과 관련된 개념, 32 천체관측 관련 개념, 33 유전관련 개념 34 등에 대한 지식상태 분석이 이루어진 바 있다.
본 연구에서는 상징적 수준에서 화학식에 대한 학생들의 이해 정도를 알아보기 위하여 중학생들을 대상으로 학생들이 구체적인 이온화합물에 대한 이온화식을 기호로 표현할 때 어떤 어려움을 갖고 있는지 살펴보았다. 이를 위하여 입자와 관련된 거시적인 현상으로 전해질이 물에 녹아 이온화되는 현상을 관찰하고 이해한 후 이를 상징적 기호를 사용하여 이온화식으로 나타내는 것을 목표로 하는 수업을 진행하였다. 수업이 끝난 후에 학생들이 이온화합물에 대한 상징적 기호를 바르게 이해하고 이온화식으로 나타낼 수 있는지 알아보고, 이온화합물의 구성 특성에 따라 학생들의 이해 정도가 어떻게 달라지는지를 분석하였다. 또한 이온화식 표현과 관련한 지식상태 분석을 통하여 이온화식 표현의 위계 관계를 파악하였다. 연구 결과를 바탕으로 효과적인 이온화식 학습 전략의 수립에 필요한 점들을 제안하였다.
연구 내용 및 방법
- 연구 대상 및 방법
본 연구는 서울시에 소재한 중학교 한 곳에 재학 중인 3학년 학생 219명을 대상으로 진행하였다. 학생들은 동일한 교사로부터 3주 동안 6차시에 걸쳐 ‘전해질과 이온’ 단원을 학습하였다. 교사는 해당 단원의 수업 이전에 학생들에게 이전 학년에서 학습한 입자 관련 내용을 상기시키기 위하여 한 차시 동안 원자와 이온, 원소 기호 표현에 대해 설명하였다. 교사는 학생들이 이온화 현상을 관찰하여 전해질을 이해한 후, 여러 가지 화합물의 이온화 과정과 앙금 생성 반응을 기호를 이용하여 표현하는 방법을 익힐 수 있도록 지도하였다. 수업은 학생들이 교과서에 제시된 내용과 탐구 활동을 이해할 수 있도록 교과서 중심으로 진행되었다. 6차시의 수업이 끝난 후, 본 연구에서 제작한 검사지를 이용하여 이온화식 이해도 검사를 실시하였다.
- 검사 도구
화학식을 해석하고 해당 이온화합물의 이온화 과정을 예상하여 화학 반응식으로 표현하는 능력을 알아보기 위해 서술형으로 구성된 이온화식 이해도 검사지를 제작하였다. 검사지에 포함될 이온화합물을 선정하기 위하여 글과 그림을 포함한 본문, 탐구 활동과 개념 확인 문제에 포함되어 있는 이온화합물들을 대상으로 수업 시간에 활용하였던 교과서 35 의 ‘전해질과 이온’ 단원을 분석하였다. 이름과 화학식으로 제시된 빈도를 모두 합하여 계산한 결과, 총 28개의 이온화합물이 교과서에 제시되어 있었는데 그 종류와 빈도는 1 에 제시한 것과 같다.
Frequency(f) of each ionic compound presented in textbook
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Frequency(f) of each ionic compound presented in textbook
검사 도구를 제작하기 위하여 교과서에 제시된 빈도수가 높은 것을 중심으로 양이온과 음이온의 종류, 다원자이온의 포함 여부, 양이온과 음이온의 구성비와 같은 이온화합물의 구성 특성을 고려하여 이온화합물을 선택하였다. 검사 도구가 학생들의 화학 반응식 표현 능력을 검사하기 위한 도구로 적합한지에 대해 화학교육을 전공한 과학교육전문가 3인의 내용타당도를 확인하였다. 이러한 과정을 거쳐 최종 선정한 15개의 이온화합물은 1 에 진하게 표시하였다. 검사 도구에는 이온화합물의 화학식과 화합물명을 제시하고, 학생들이 이온화합물에 해당하는 이온화 과정을 화학 반응식으로 표현하도록 하였다.
- 자료 분석 및 결과 처리
검사 결과의 분석에서 원소 기호를 포함하여 이온을 기호로 바르게 표현하였는가(이온화합물을 구성하는 양이온과 음이온을 화학식으로 바르게 표현하였는가), 해당 이온의 개수를 계수로 바르게 표현했는가, +와 화살표를 의미에 맞게 표현하였는가(화학 반응식의 방향을 바르게 나타냈는가)의 세 가지 기준을 모두 만족하는 경우만을 정답으로 처리하였다. 세 기준을 모두 만족시키며 이온화식을 바르게 응답한 경우를 ‘1’, 그렇지 않은 경우를 ‘0’으로 코딩하여 통계 자료로 이용하였다. 예를 들어 염화칼슘 화합물의 경우 구성 이온인 칼슘 이온과 염화 이온을 Ca 2+ 와 Cl 으로 바르게 표현하고, 반응이 일어나는 정반응의 방향으로 화살표를 나타내며, 이온의 개수를 해당 이온의 계수 형태로 표현한 경우, 즉 Ca 2+ 와 Cl 의 비율을 1:2로 표현한 경우를 정답으로 하여 1점을 부과하였다. 이에 비해 화학 반응이 일어나는 방향으로 화살표를 바르게 표현하였으나,
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와 같이 이온의 전하량과 이온의 개수 표현을 잘못한 경우나 이온을 기호로 바르게 표현하였으나 이온화 반응이 일어나는 방향과 반대(역반응의 방향)로 화살표를 나타낸 경우 등은 오답으로 판단하여 0점으로 처리하였다.
이온화식에 대한 정답률과 지식상태를 분석하기 위해 마이크로소프트사의 오피스2013 엑셀 36 을 이용하였다. 위계도 작성은 김석천 외(2007) 37 가 제시한 것과 같이 평가결과의 입력, 위계 분석, 핫세 정보, 위계도 작성의 처리 순서를 거쳐 진행하였다. 먼저 평가결과의 입력을 위하여 학생들의 검사 결과가 맞으면 ‘1’, 틀리면 ‘0’으로 입력하였다. 두 번째 단계는 위계 분석이다. 자료를 입력한 후 마이크로소프트사의 오피스 2013 엑셀 프로그램을 실행하면 문항 간의 위계를 파악하여 위계가 있으면 ‘1’, 위계가 없으면 ‘0’으로 나타난다. 이 때 위계 관계를 분석하기 위한 인정률(오차의 허용한계)은 5%로 하였다. 지식상태 분석을 위하여 위계 분석을 통해 얻게 되는 자료를 보다 단순화시키는 작업이 필요하다. 즉 세 번째 단계로 모든 문항의 순서 관계에서 추이적 관계로 생성되는 관계들을 제외하여 자료의 처리를 단순화시킨 핫세 정보를 얻는 과정을 실행하였다. 마지막 단계는 위계도를 작성하는 것이다. 이는 세 번째 단계에서 얻은 핫세 정보를 평면에 도식화하는 과정으로 이렇게 작성된 도식을 핫세 다이어그램(Hasse diagram)이라고 한다. 얻어진 핫세 다이어그램을 문항별 정답율을 고려하여 높낮이를 조절하여 최종 위계도를 얻었다.
연구 결과 및 논의
- 이온화식 표현에 대한 정답률 분석
15개의 이온화합물에 대한 이온화식을 채점한 결과, 염화 나트륨에 대한 이온화식의 정답률이 79.4%로 가장 높게 나타났으며 질산 칼슘의 정답률은 34.0%로 가장 낮게 나타났다. 기존 연구 결과에 의하면 학생들은 화학반응식에서 계수의 의미, 원소기호 아래에 쓰는 첨자의 의미, 산화수의 의미를 제대로 이해하지 못하고 있는 것으로 알려져 있다. 17,19,21 따라서 학생들이 이온화 과정을 바르게 예상하고 표현하는데 영향을 줄 수 있는 변인으로 양적 관계에 영향을 주는 양이온과 음이온의 구성비와 전하량, 다원자 이온의 포함 여부를 고려해 볼 수 있다. 11 이에 학생들의 이온화식 표현에 대한 정답률 값의 차이가 이온화합물의 이러한 특성과 관련이 있는지 파악하기 위하여 양이온과 음이온의 구성비와 다원자 이온의 포함 여부를 정리하여 정답률과 함께 2 에 나타내었다.
The characteristics of selected ionic compounds and correct answer rate
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The characteristics of selected ionic compounds and correct answer rate
전체 이온화합물 중 양이온과 음이온의 구성비가 1:1인 화합물은 염화 나트륨, 염화 칼륨, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 질산 은과 황산 구리였다. 이러한 양이온과 음이온의 구성비가 1:1인 이온화합물의 이온화식 정답률은 구성비가 1:2나 2:1인 다른 이온화합물의 정답률보다 높음을 알 수 있었다. 양이온과 음이온의 구성비가 1:1인 이온화합물들 중 다원자 이온을 포함하지 않는 염화 나트륨, 염화 칼륨의 정답률이 다원자 이온을 포함하는 이온화합물인 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 질산 은의 정답률보다 더 높게 나타났다. 이러한 경향은 크로뮴산 칼륨을 제외한 양이온과 음이온의 구성비가 1:1이 아닌 이온화합물들의 경우에서도 유사하게 나타났다. 염화 구리, 염화 칼슘, 염화 바륨과 같이 다원자 이온을 포함하지 않는 이온화합물의 정답률이 다원자 이온으로 구성되어 있는 이온화합물의 정답률보다 높았다. 이러한 결과는 이온화합물이 이온화되어 생성되는 양이온이나 음이온을 나타낼 때 다원자 이온이 포함되어 있는 경우 학생들이 첨자나 계수를 쓰는데 있어 더 많이 실수를 한다는 Naah와 Sanger(2012)의 연구결과 38 와도 일치한다. 크로뮴산 칼륨의 높은 정답률은 1 에 제시한 빈도와 관련지어 생각해 볼 수 있다. 크로뮴산 칼륨은 양이온과 음이온의 구성비가 1:1이 아니면서 다원자 이온을 포함한 다른 이온화합물보다 교과서에 제시되어 있는 빈도가 상대적으로 높았다. 특히 크로뮴산 칼륨은 이온의 이동을 확인하는 탐구 실험에 사용되었으며 이온화식과 이온화된 상태의 양이온과 음이온이 교과서에 그림으로 제시되었던 화합물이었기 때문에 정답률이 높았을 것으로 짐작해 볼 수 있다.
양이온과 음이온의 구성비와 전하량, 다원자 이온의 포함 여부를 고려하여 전체 이온화합물을 3 과 같이 6개의 그룹으로 분류하였다. 그룹 Ⓐ, Ⓑ, Ⓒ는 모두 양이온과 음이온이 1:1의 구성비를 갖는 이온화합물들이다. 그룹 Ⓐ와 Ⓑ에는 양이온과 음이온의 구성비와 전하량이 1인 이온화합물이 포함되는데, 그룹 Ⓐ에는 다원자 이온을 포함하지 않는 염화 나트륨과 염화 칼륨, 그룹 Ⓑ에는 다원자 이온을 포함하는 수산화 나트륨과 수산화 칼륨, 질산은이 포함된다. 그룹 Ⓒ에는 양이온과 음이온의 구성비가 1:1, 양이온과 음이온의 전하량이 2이며 다원자 이온을 포함하는 황산 구리가 속한다. 그룹 Ⓓ, Ⓔ, Ⓕ는 양이온과 음이온의 구성비가 1:1이 아닌 이온화합물들이며, 그룹 Ⓓ에는 구성비가 1:2, 다원자 이온을 포함하지 않으며 양이온과 음이온의 전하량비가 2:1인 염화 구리, 염화 칼슘, 염화 바륨이, 그룹 Ⓔ에는 구성비가 2:1, 다원자 이온을 포함하며 전하량 비가 1:2인 크로뮴산 칼륨, 황산 나트륨, 탄산 나트륨이, 그룹 Ⓕ에는 구성비가 1:2이며 다원자 이온을 포함하고 전하량 비가 2:1인 수산화 바륨, 수산화 칼슘, 질산 칼슘이 속한다. 각 그룹에 속하는 이온화합물의 정답률은 3 과 같다.
Characteristics of ionic compounds and correct answer rate of each group
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Characteristics of ionic compounds and correct answer rate of each group
학생들의 이온화식에 대한 이해도를 살펴본 결과, 이온화합물의 특성에 기초한 위계 관계가 있음을 알 수 있었다. 양이온과 음이온의 비가 1:1이며 원자단 이온을 포함하지 않는 그룹 Ⓐ에 속하는 이온화합물이 가장 낮은 위계 단계에 있으며, 그 상위 단계에 양이온과 음이온의 비가 1:1이면서 원자단 이온으로 이루어진 그룹 Ⓑ가 위치하는 것으로 보인다. 황산 구리를 구성하는 양이온과 음이온의 전하량을 고려하고 원자단 이온을 포함하고 있다는 점을 감안하면 그룹 Ⓒ는 그룹 Ⓑ보다 다소 높은 위계 단계에 위치할 것이다. 양이온과 음이온의 비가 1:1이 아닌 그룹 Ⓓ, Ⓔ, Ⓕ는 그룹 Ⓐ, Ⓑ, Ⓒ보다 위계가 높을 것이며, 그 중에서도 원자단 이온으로 이루어진 그룹 Ⓔ와 Ⓕ의 위계가 더 높을 것으로 예상된다.
- 이온화식 표현에 대한 지식상태 분석
이온화합물의 조건 특성에 따라 화학식으로 표현된 이온화합물의 이온화 과정을 예상하여 이온화식으로 표현한 결과를 평가하여 이온화합물의 특성에 따라 바르게 이온화식으로 표현하는 데에 어떤 차이를 보이는지 알아보기 위하여 실시한 지식상태 분석 결과는 >. 1 과 같다. 각 이온화합물이 앞서 3 에서 제시했던 분류 그룹 중 어디에 속하는지도 그림에 같이 표시하였다.
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Result of knowledge state analysis.
. 1 (a)에 제시된 지식 상태 분석 결과를 통해 15개 이온화합물의 이온화식 표현과 관련한 학생들의 지식 상태는 크게 세 단계의 위계를 가지고 있음을 확인하였다. 가장 하위 단계에 속하는 이온화합물은 염화 나트륨과 염화 칼륨이며 중간 단계의 위계에 속하는 이온화합물은 수산화 나트륨과 수산화 칼륨이었다. 이러한 위계는 이온화합물의 구성 조건 특성을 고려하여 제시하였던 예상 위계와 일치하였다. 나머지 11개의 이온화합물은 가장 상위 위계에 위치하였으며, 황산 구리와 질산 은을 제외한 대부분의 화합물들은 양이온과 음이온의 구성비가 1:1이 아니면서 원자단 이온을 포함하는 이온화합물이었다. 그룹 Ⓓ, Ⓔ, Ⓕ 사이에 위계가 있을 것이라 예상했던 것과 달리 해당하는 모든 이온화합물들이 거의 비슷한 위계를 나타내었다.
이온화합물의 특성에 따른 위계를 보다 자세히 살펴보기 위하여 설명하고자 하는 특성을 강조한 . 1 (b), (c), (d)를 제시하였다. . 1 (b)는 양이온과 음이온의 구성비가 1:1인 이온화합물들의 지식 상태를 나타낸 것이다. 그림에서 보면 세 단계로 위계 관계를 보이고 있음을 알 수 있다. 정답률이 높은 염화 나트륨과 염화 칼륨이 가장 아래에 위치하였으며 상위 단계에 원자단 이온을 포함하는 이온화합물이 위치하고 있다. 원자단 이온을 포함하는 이온화합물의 위계는 예상과 달리 수산화 나트륨과 수산화 칼륨의 상위에 황산 구리와 질산 은이 위치하였다. 이는 황산 이온(SO 4 2− )과 질산 이온(NO 3 )이 수산화 이온(OH )과 달리 첨자를 포함하는 화학식으로 표현되어 있어 학생들이 화학식을 보고 구성 이온을 알아내는 데 좀 더 높은 수준의 이해를 필요로 하기 때문으로 보인다. 염화 나트륨과 관련된 지식상태를 살펴보면, 염화 나트륨은 상위에 위치하는 수산화 나트륨, 수산화 칼륨과 모두 위계 관계를 맺고 있으며 가장 상위에 있는 질산 은과 직접적으로 위계 관계를 가지고 있었다. 이에 반해, 염화 칼륨은 원자단 이온을 포함하는 화합물 중 일부인 수산화 칼륨, 황산 구리와 위계 관계를 보인다는 것이 차이점이다. 양이온과 음이온의 구성비가 1:1인 이온화합물 중에서 염화 나트륨 - 수산화 나트륨 - 황산 구리로 이온화 과정에 대한 지식이 구조화되어 있음을 볼 수 있다.
정답률이 두 번째로 높았던 염화 칼륨을 기준으로 본 이온화합물들의 지식 상태는 . 1 (c)와 같다. 염화 칼륨의 상위에 수산화 칼륨이 자리하며 수산화 칼륨이 최상위단계의 이온화합물 중 그룹 Ⓔ와 Ⓕ에 속하는 이온화합물 다수와 위계 관계를 가지고 있는 것으로 나타났다. 반면 그룹 Ⓒ와 Ⓓ에 속하는 이온화합물 다수는 중간 단계 없이 염화 칼륨과 직접적인 위계 관계를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 경향에서 벗어나는 이온화합물로 그룹 Ⓔ에 속하는 크로뮴산 칼륨은 수산화 칼륨과 위계 관계를 갖지 않으며, 반대로 그룹 Ⓓ에 속하는 염화 바륨은 수산화 칼륨과 위계 관계를 갖는 것으로 나타났다. 이는 그룹 Ⓔ 중에서 크로뮴산 칼륨의 정답률이 가장 높다는 결과와 그룹 Ⓓ 중 염화 바륨의 정답률이 가장 낮은 것과 연관지을 수 있다고 생각된다. 정답률이 가장 높았던 염화 나트륨을 기준으로 하였을 때의 지식 상태에는 모든 이온화합물이 포함되어 나타났다( . 1 (d)). 염화 나트륨과 중간 단계 없이 직접적으로 위계 관계를 나타내는 질산 은을 제외한 모든 이온화합물이 수산화 나트륨과 위계 관계를 갖는 것으로 나타났다.
이러한 결과를 바탕으로 이온화합물을 구성하는 양이온과 음이온의 종류와 전하량, 구성 개수를 알아내어 이온화 과정을 식으로 표현하는 지식 상태는 구조화되어 있음을 알 수 있었다. 위계 관계를 결정짓는데 양이온과 음이온의 구성비와 원자단 이온의 포함 여부, 첨자 표현이 영향을 미치는 것으로 생각된다. 또한 비슷한 조건 특성을 갖더라도 위계 관계가 동일하지 않다는 결과를 통해 이온화합물의 화학식 표현을 바르게 해석하고 이온화 과정을 바르게 식으로 나타내는 학습을 위해서 학생들에게 제시해야 하는 이온화합물을 신중하게 선정할 필요가 있음을 유추해 볼 수 있다. 지식 상태에 따르면 이온화 과정을 바르게 이해하기 위해서는 지식의 위계 관계가 확실히 나타나는 화합물들을 선정하는 것이 필요할 것으로 보인다. 이 단원에서는 KCl보다는 NaCl을, KOH보다는 NaOH를 선택하는 것이 효과적인 학습이 될 것으로 생각된다.
결론 및 제언
본 연구에서는 상징적 수준의 이해인 화학식 표현에 대한 학생들의 이해 정도를 알아보기 위하여 이온화식과 관련한 중학생들의 이해 정도를 알아보았다. ‘전해질과 이온’ 단원의 학습을 통해 학생들은 전해질과 관련된 거시적 현상을 직접 관찰하고 경험하며, 미시적 수준인 이온 개념에 대한 이해를 도모하고, 이온화합물의 구성과 반응을 원소 기호를 이용하여 표현하는 상징적 수준의 학습을 수행하였다. 그 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
학생들의 이온화식 표현과 관련된 이해 정도는 해당 이온화합물의 양이온과 음이온의 구성비와 원자단 이온의 포함 여부, 원자단 이온의 원자 구성비 등에 따라 다르게 나타났다. 이온화식을 표현할 때 양이온과 음이온의 구성비가 1:1이 아니며 원자단 이온의 원자 구성이 복잡하고 다양한 이온화합물의 경우 정답률이 더 낮다는 점과 상징적인 기호를 이해하여 구성하는 이온의 종류를 알아내야 하는 다원자 이온을 포함하는 경우에 정답률이 더 낮다는 점을 바탕으로 학생들이 기호 표현에서 어려워하는 점과 그 이유를 추론해 볼 수 있다. 기호로 표현된 이온화합물의 화학식을 통해 학생들은 이온화합물을 구성하는 양이온과 음이온의 종류와 양적 관계를 파악할 수 있어야 한다. 화학 교과의 내용이 요구하는 인지 수준을 분석한 연구 11 를 보면 화학반응식의 관계를 알아내는 것은 초기 형식적 조작기의 인지 수준을 요구하며, 화학 반응의 양적 관계를 알아내고 계산을 하는 것은 후기 형식적 조작기의 인지 수준을 요구한다. 양이온과 음이온의 구성비가 1:1이 아닌 이온화합물의 이온화식을 바르게 예상하고 표현하기 위해서는 양이온의 종류와 음이온의 종류를 알아내는 것뿐만 아니라 양이온과 음이온의 양적 관계를 파악할 수 있는 비례 논리를 필요로 하는 것이다. 따라서 화학식이나 화학 반응식 표현과 관련된 수업에서 교사는 학생들이 이온화식을 어려워하는 인지적인 요인을 파악하여 그에 맞추어 구체적인 그림이나 모형을 제시하고 기호를 이해하는 방식에 대해 자세하게 설명해 줄 필요가 있다.
또한 학생들의 이온화식 표현과 관련한 지식상태를 분석한 결과 이온화합물에 대한 이해에 위계가 있음을 확인하였다. 구성이 간단한 염화 나트륨과 염화 칼륨과 같은 이온화합물은 가장 낮은 위계단계에 있었으며, 이 외의 원자단 이온을 포함한 이온화합물이 상위 위계 단계에 위치하였다. 가장 높은 단계에 위치한 이온화합물들의 공통점은 모두 화학식에 첨자를 포함하고 있다는 점이었다. 이러한 위계 관계는 학생들의 정답률로 예상한 위계 단계와도 일치한다. 따라서 교사는 위계 단계를 고려하여 단원의 전체적인 수업을 계획할 필요가 있다. 가장 낮은 단계의 간단한 이온화합물을 먼저 제시한 후 상위 단계에 있는 이온화합물을 제시함으로써 학생들의 이해도를 높여갈 수 있을 것이다. 또한 수업의 효율성 측면을 고려하여 제한된 시간 안에 화학식과 이온화식에 대한 이해도를 높이기 위해서는 본 연구의 이온화합물과 관련된 지식상태에서 구조화된 지식에 해당하는 이온화합물을 중심으로 수업을 진행하는 방안도 가능할 것이다.
본 연구에서 제시한 바와 같이 학생 개개인의 지식상태를 분석한 후 이를 교수 내용과 방법에 반영하여 맞춤형 수업 방식을 설계한다면 효과적인 이온화식 수업이 가능할 것으로 기대된다. 모든 학생들의 지식상태를 개별적으로 반영한 수업이 어렵다면 유사한 지식상태를 가지고 있는 학생들을 그룹으로 배정하고 그룹 별로 진행하는 수업을 진행하는 방안도 고려해 볼 수 있다. 다만 본 연구에서 도출된 결과인 이온화합물의 지식 상태는 연구 대상 학생들의 답변을 기초로 작성된 내용으로 연구 대상이나 연구 시점을 달리할 경우 결과가 다를 수 있다. 따라서 이온화식 이해와 관련된 지식 상태를 일반화하기 위해서는 앞으로 더욱 다양한 집단을 대상으로 한 연구가 필요하다. 또한 같은 집단을 대상으로 학습 시기에 따라 지식 상태가 어떻게 달라지는지 분석하여 시기에 따른 지식 상태 변화에 대한 연구도 필요할 것이다.
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