Crosscutting Concepts 관점에서 본 묽은 용액 총괄성 모델 개발과 화학 교사 인식 변화 = Development of a Colligative Properties Model for Dilute Solutions and Chemistry Teachers’ Perception Changes from a Crosscutting Concepts Perspective

국문 초록 (Abstract)

Crosscutting Concepts 관점에서 본 묽은 용액 총 괄성 모델 개발과 화학 교사 인식 변화 박 주 혜 한국교원대학교 대학원 화학교육전공 (지도교수 백 성 혜) 본 연구는 묽은 용액의 총괄성을 이해하는 데 있어 기존의 엔탈피 중 심 설명이 갖는 한계를 보완하기 위하여 엔트로피 개념을 활용한 새로운 모델을 개발하고, 화학 교사들의 인식 변화를 탐색하고자 수행되었다. 묽 은 용액의 총괄성은 용질의 종류와 관계없이 용액의 몰랄농도에 비례하 는 성질을 나타내는 중요한 화학 개념이지만, 실제 수업 현장에서는 교 사들이 교과서에 제시된 설명 방식을 그대로 수용하거나, 묽은 용액의 총괄성이 용질의 종류와 무관하게 나타나는 근본적인 이유에는 충분히 주목하지 못하는 경향이 있었다. 이에 본 연구는 엔트로피가 자연 현상 의 방향성을 결정하는 핵심 개념이라는 점에 주목하여, 교사들이 묽은 용액의 총괄성으로 나타나는 삼투현상, 어는점내림, 끓는점오름을 엔트로 피를 활용하여 설명하고, 모델을 개발할 수 있도록 하였다. 연구 대상은 K 교육대학원 화학 교육 전공의 현직 화학 교사 23명으 로, 사전 설문–모델 개발–사후 설문으로 이어지는 단계별 절차를 거쳤 다. 사전 설문에서는 묽은 용액의 총괄성의 의미와 그 이유, 용질의 종류 와 상관없이 용액의 몰랄농도에만 비례하는 이유, 묽은 용액의 총괄성을 이해하기 위해 필요한 개념과 이유를 질문하고 탐색하여 교사들의 인식 유형을 파악하고, 이어서 각 교사들이 직접 묽은 용액의 총괄성으로 나 타나는 현상을 엔트로피를 이용하여 모델을 개발하도록 하였다. 개발한 모델에 대해서는 엔트로피를 포함한 여부, ‘Crosscutting Concepts’에 해 당하는 ‘Patterns’과 ‘Cause and effect’의 반영 여부를 중점적으로 분석 하였다. 사전·사후에서 설문을 모두 진행한 문항을 분석한 결과, 사전 설문에 서 엔트로피 개념을 도입한 교사는 23명 중 3명에 불과하였으나, 사후에 는 18명으로 증가하였다. 이는 교사들이 묽은 용액의 총괄성에 대한 설 명을 암기적으로 제시하던 수준에서 벗어나, 용질 입자가 엔트로피 변화 를 일으킨다는 과학적 근거를 통해 현상의 본질을 설명할 수 있게 되었 음을 의미한다. 특히 모델링 과정을 통해 ‘Crosscutting Concepts’의 관점에서 교사들 의 사고가 확장된 것이 두드러졌다. 교사들은 용질의 농도 증가에 따라 끓는점 오름과 어는점 내림이 일정한 패턴을 보인다는 점을 ‘Patterns’의 개념으로 인식하고, 이러한 현상이 엔트로피 변화라는 원인에 의해 발생 한다는 점을 ‘Cause and effect’로 연결하는 사고를 형성하였음을 알 수 있었다. 2022 개정 교육과정은 2015 개정과 달리 엔트로피 개념을 새롭게 포함 하고 있어, 이를 활용하면 묽은 용액의 총괄성을 보다 과학적이고 통합 적으로 설명할 수 있다. 이에 따라 교육과정 재구성을 통해 엔트로피 중 심의 수업 설계가 가능하도록 교사 교육을 강화해야 한다. 나아가 ‘Crosscutting Concepts’ 관점을 반영한 교육과정과 교과서 개발, 그리고 이에 대한 교사 교육프로그램을 개발할 필요가 있다. 본 연구는 2022 개정 교육과정이 도입됨에 따라 엔트로피 개념과 관련 된 교수‧학습 내용을 구체화하는 과정에 기초 자료로 활용될 수 있으며, 나아가 학생들이 묽은 용액의 총괄성을 올바르게 이해하고 과학적 개념 을 형성하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론1
• 1. 연구의 필요성 및 목적1
• 2. 연구 문제5
• Ⅱ. 이론적 배경 및 선행 연구 고찰 7
• 1. 이론적 배경 7
• 가. 과학 교사의 전문성7
• 나. 모델과 모델링, 모델의 이그노런스, 모델의 본성 9
• 다. Crosscutting Concepts 14
• 라. Ausubel의 교수-학습 이론16
• 2. 묽은 용액의 총괄성 이해를 위한 선행 연구와 교육과정 분석 20
• Ⅲ. 연구 절차 및 방법 26
• 1. 연구 절차 26
• 2. 인식 조사 27
• 가. 연구 대상 27
• 나. 사전사후 설문지 개발 28
• 다. 자료 수집 30
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 32
• 1. 묽은 용액의 총괄성에 대한 화학 교사들의 인식 분석 32
• 2. 묽은 용액의 총괄성에 대한 화학 교사들의 이해 정도와 인식
• 분석 35
• 3. 묽은 용액의 총괄성에서 ‘엔트로피’ 개념 도입의 필요성 37
• 4. 모델링 활동40
• 가. 엔트로피의 필요성과 모델의 이그노런스를 인식한 유형 40
• 나. 엔트로피의 필요성은 인식하였지만, 모델의 이그노런스를
• 인식하지 못한 유형 46
• Ⅴ. 결론 및 제언 56
• 1. 요약 및 결론 56
• 2. 제언 59
• 참고문헌61
• ABSTRACT 71