목탄 연소시 부피변화와 질량변화에 대한 고등학생들의 개념조사

Abstract

본 연구에서는 목탄 연소시 부피변화와 질량변화에 대한 고등학생들의 개념을 알아보고자 하였다. 이를 위하여 샤를의 법칙, 질량보존의 법칙에 대한 POE 활동지를 개발하여 인천시의 고등학교 2학년 4개 학급 111명을 대상으로 2개 학급(56명)에는 예비실험과 본실험을 나머지 2개 학급(55명)에는 본실험만을 행하였다. 샤를의 법칙에 대한 연구 결과는 가열에 의해 화학반응이 일어나지 않는 경우에는 ‘예측’에서 부피변화에 대한 정답을 말하고 바른 설명을 한 학생이 66.1%, ‘설명’에서는 71.4%로 학생들은 온도와 부피와의 관계를 연결지어 생각하는 것으로 나타났다. 그러나 가열에 의해 화학반응이 일어나게 되면 ‘예측’과 ‘설명’ 모두 약 20%만이 온도와 부피와의 관계를 설명하는 것으로 나타나 화학반응이 일어나는 경우에는 학생들이 온도와 부피와의 관계를 연결지어 생각하지 못함을 알 수 있었다. 질량 보존의 법칙에 대해 ‘예측’에서는 질량의 변화가 없다고 말하고 바른 설명을 한 학생이 32.4%였는데, ‘관찰’을 통하여 100%의 학생이 질량의 변화가 없다고 말하였음에도 불구하고 ‘설명’에서는 73.8%만이 바른 설명을 할 수 있었다. 또한 학생들의 응답 유형을 살펴보면 오답을 나름대로 과학적 개념으로 설명하려고 시도했던 흔적을 볼 수 있는데 이는 학습을 통해 배웠지만 온전하지 못한 과학적 개념이 오히려 자신의 생각을 합리화하여 학생들의 생각의 수정을 방해하고 있음을 알 수 있었다. 연소로 인한 부피변화에 대하여 ‘예측’과 ‘설명’ 사이의 개념 변화를 분석한 결과 ‘예측’에서 오개념을 소유한 학생 67.9% 중 37.2%가 실험을 관찰한 후의 ‘설명’에서는 부분적이나마 과학적인 개념으로 생각의 변화를 가져 왔음을 볼 수 있었다. 예비실험과 본실험의 응답결과를 비교해 보면 예비실험을 거쳐 본실험을 한 학생들은 연소에 의한 부피변화에 대하여 예비실험의 ‘예측’에서는 66.1%, ‘설명’에서는 71.4%가 바른 설명을 하였는데, 본실험의 ‘예측’에서는 16.1%. ‘설명’에서는 28.6%만이 바른 설명을 하였다. 예비실험 없이 본실험만 한 학생들은 본실험의 ‘예측’과 ‘설명’ 모두 30.0%가 바른 설명을 하여 예비실험을 한 학생들보다 정답률이 더 높은 것을 볼 수 있었다. 화학반응식을 쓰기 전후의 응답을 비교해 본 결과 화학반응식을 쓰기 전에는 반응 전후 기체의 양적변화를 통한 부피변화를 설명할 수 있는 학생들이 한 명도 없었으나 화학반응식을 써본 후에는 18.9%의 학생들이 반응 전후 기체의 양적변화를 설명할 수 있게 되었다. 이것으로 보아 학생들이 화학반응을 이해할 때 화학반응식을 써보게 하는 것이 더 효과적임을 알 수 있었다. 본 연구의 결과로 볼 때 앞으로 교사가 수업을 설계할 때 학생들로 하여금 개념 변화를 경험하게 하기 위해서는 학생들에게 미리 실험상황에 대하여 예측하게 하고 설명을 해 주는 것이 더 나은 방법임을 알 수 있었다. 그러므로 앞으로는 학생들의 개념 형성과 개념 변화에 도움이 될 만한 POE 활동지의 모형을 개발할 필요가 있겠다. 또한 수업을 할 때 실생활에서도 과학적인 법칙을 적용할 수 있도록 여러 가지 실험 상황을 만들어 다양하게 과학적 법칙을 설명해 주어야 하고 예비실험과 본실험을 설계할 때에는 두 실험의 차이와 공통점을 학생들로 하여금 확실하게 인식할 수 있도록 실험 설계를 해야 하겠다.;This study intended to find out the students' conceptions about the changes of volume and mass during the charcoal combustion. To find it out, POE worksheets composed of pre and main experiments were developed regarding 'Charles' law' and 'law of conservation of mass'. The subjects were 111 students of 11th grade and divided into two groups. Pre and main experiments were administered to one group(56 students) and only main experiment was administered to the other group(55 students). The results of the research about Charles' law are as follows: In the pre experiment, heating gas without chemical reaction, the percentage of students who gave correct explanation for the volume change was 66.1% at "prediction" stage and 71.4% at "explanation" stage. However, in the main experiment, heating gas resulting chemical reaction, only about 20% of students gave correct explanation for the volume change. These results indicate that students have difficulties in relating temperature and volume change in the presence of chemical reaction. With regards to law of conservation of mass, at the stage of "prediction", there were 32.4% of students who could explain correctly that there is no change in the mass. Even after observing no mass change through experiment, only 73.8% made a correct explanation at the stage of "explanation". The students who had answered wrong tried to explain why they had such answers in their own "scientific" way. The incomplete conceptions that students have prevent them from correcting their conceptions. From the analysis of students' conceptions for volume change at the stage of "prediction" and "explanation", it was found that 37.2% of students who initially gave wrong answer at the "prediction" stage gave partly scientific answers at the "explanation" stage. In the group of students who were involved in both pre and main experiments, the percentages of students who gave correct answer for volume change were 66.1% at "prediction" and 71.4% at "explanation" stage of pre experiment and 16.1% at "prediction" and 28.6% at "explanation" stage of main experiment. On the other hand, 30.0% of the other group of students who were involved only main experiment showed correct answer at both "prediction" and "explanation" stage. This means that the percentage of correct answers of the students without pre experiment is higher than that of the ones with them. Concerning with the gaseous volume changes before and after the reaction, no student could explain it before asking to write the chemical reaction equation. But after they wrote the reaction equation 18.9% of them could explain the gaseous volume change through the reaction. This shows that the chemical reaction equation is useful to understand the stoichiometry of chemical reaction. The results of this study indicate that the POE activity is a useful teaching strategy to have students to experience conceptual change. Therefore, it is recommended to develop POE activity worksheets which can derive students' conceptual changes. Also, it is needed to design various kinds of experimental situations to teach the scientific laws so that students can apply the laws in their real lives. In designing pre and main experiments, it is important to let students recognize the differences and similarities between pre experiment and main experiment.