대학생들의 오비탈에 대한 이해도 조사

Abstract

최근 고등학생들과 대학생들을 대상으로 원자 모형과 오비탈 개념의 이해도를 알아보는 연구들이 진행되고 있다. 이 연구들에서 고등학생들과 대학생들 모두 원자 구조의 이해가 부족한 것이 드러났지만 어떠한 요인이 영향을 주는지에 대한 연구는 이루어지지 않았으므로 원자 구조를 전반적으로 이해하는데 영향을 미치는 요인이 무엇인지 분석할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 학생들이 원자 모형과 오비탈 각각의 개념과 이 둘 사이의 관계가 올바르게 형성되기 위한 중요한 이론적 설명이 무엇인지 알아보기 위한 목적으로 진행되었다. 이를 위하여 원자 구조에 대한 학생들의 이해도를 알아보기 위한 검사지를 개발하였고, 연구 대상으로 서울에 소재한 두 개의 대학교와 대전에 소재한 한 개의 대학교를 포함하는 국내의 세 개의 대학교에서 일반화학 수업을 수강하는 247명의 학생들을 선정하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결과를 살펴보면 다음과 같다. 첫째, 원자 모형에 대한 개념을 양자 역학적 관점으로 인식하고 있는 학생이 전체의 41.7%였고 이에 영향을 미치는 요인은 5가지 변수 가운데 고등학교 재학 시 화학Ⅱ 이수 여부로 나타났다(p=0.01). 나머지 학생들은 여전히 원자핵 주변에서 전자가 일정한 궤도로 돌고 있다는 보어 모형이나 현대 원자 모형과의 혼합된 개념을 가지고 있었다. 둘째, 오비탈에 대한 개념을 올바르게 인식하고 있는 학생은 전체의 78.9%였고 이에 영향을 미치는 요인은 원자 모형에 대한 개념에 영향을 미치는 요인과 마찬가지로 5가지 변수 가운데 고등학교 재학 시 화학Ⅱ의 이수 여부로 나타났다 (p<0.001). 셋째, 원자 모형과 오비탈의 관련성에 대한 인식에 대해서 조사한 결과 24.7%에 해당하는 학생들만이 이 두 개념의 관계에 대해 올바르게 인식하고 있었으며 이에 영향을 미치는 요인은 대학교에서 수강하는 무기화학의 수강 여부로 나타났다(p=0.024). 또한 원자 모형과 오비탈 개념의 관련성을 제대로 이해하지 못하는 학생들과 두 개념의 관련성까지 올바르게 이해하는 학생들의 관련 문제를 푸는 능력의 차이를 보고자 학생들의 이해도와 정답률 사이의 관계를 분석한 결과 두 개념을 올바르게 인식한 학생들이 관련 문제를 푸는 능력 역시 높은 것으로 나타났다(p<0.001). 넷째, 화학Ⅱ와 무기화학의 설명 방식의 차이점을 살펴보고 무기화학에서의 어떠한 설명 방식이 학생들의 원자 구조 이해에 영향을 주는지 알아보았다. 그 결과 화학Ⅱ에서는 이 개념들에 대한 이론적 뒷받침을 설명하는 요소들이 부족하고 혼재된 모형의 설명방식으로 학생들에게 혼동의 여지를 주게 되지만 무기화학에서는 현대의 원자 모형이 원자핵 주변의 전자 분포와 운동을 오비탈, 즉 파동함수로 나타난다는 것을 다소 어렵지만 일관되게 설명하고 있었다. 슈뢰딩거 방정식, 파동함수의 해 등의 복잡한 식과 증명 과정이 이해하기 쉽지는 않지만 올바른 개념 이해를 위한 일관된 설명이 오히려 개념의 혼돈을 줄여주는 것으로 여겨진다. 이는 다소 이해하기 힘들지만 원자 모형과 오비탈을 처음 학습하는 학생들에게 올바른 과학적 개념을 제대로 가르치기 위해서는 이론적 배경이 뒷받침 된 양자역학적 설명이 필요하다는 것을 의미한다. 고등학교 화학 수준에서 오비탈 개념을 가르치는 데에는 분명 깊이의 한계가 있지만 무기화학에서 제시되는 파동함수의 의미를 일관되게 명시할 필요가 있다. 또한 미시적인 개념인 원자 구조에 대해서 학생들이 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 학습 도구들이 개발되어야 하겠고 이러한 멀티미디어를 이용한 수업이 학교 현장에 적용되는 것이 필요할 것으로 판단된다.;The concepts of atomic structure and orbital are important for understanding modern chemistry. It is difficult that the students misunderstanding them learn more advanced theories. At this point, several studies showed the status of comprehension of high school and university students. Two studies in Korea represented that the majority of the subjects misunderstood the relationships between atomic structure and orbital, although they grasped each one. We performed this study to recognize what is theoretically important explain in students' understanding exactly each concepts of atom model and orbital, and their relationship. The subjects of this investigation consisted of 247 students in 2 universities of Seoul and 1 university of Daejeon, who learned the concepts of atomic model and orbital in general chemistry course. We developed the questionnaire to check understandings about atomic structure, orbital, and their relationship. The univariate analysis for 5 variables was performed initially. Then, we carried out the multivariate anaylsis with the significant variables from initial analysis. All analyses were performed by SPSS statistical package (version 12.0). We used chi-square and multi-logistic analysis. P < 0.05 was considered to indicate statistical significance. The results were as follows: Firstly, the results revealed that the 41.7% of students were able to properly explain the atomic model. High school chemistry II among 5 variables was a statistically significant factor. (p=0.01). Secondly, the results revealed that the 78.9% of students were able to properly explain the orbital concept. High school chemistry II among 5 variables was a statistically significant factor. (p<0.001). Thirdly, the results revealed that the 24.7% of students were able to properly explain the relationship between the two concepts. Inorganic chemistry among 5 variables was a statistically significant factor (p=0.024). We investigated the differences in the explanation methods, which affect students' understanding of atomic structure in chemistry II and inorganic chemistry. Chemistry II has made the students confuse concepts for atomic structure as its explanation method was insufficient and mixed. Whereas, the explanations of inorganic chemistry showed consistently that the electronic distribution in atomic model appear as orbitals, wave function. Therefore, it would helpful for the students to understand atomic structure and orbital that the course of high school chemistry II make up for the weak points from the course of inorganic chemistry, although it seems a little difficult.