과학 글쓰기를 통한 원자 모형과 오비탈에 대한 고등학생들의 개념 분석

Abstract

본 연구에서는 과학 글쓰기를 활용하여 원자 모형 및 오비탈에 대한 고등학교 학생들의 개념을 분석하였다. 대상 학생은 경기도 소재의 고등학교 2학년 학생 64명이었고 원자 모형 및 오비탈에 대한 글쓰기 문항 3문항이 제시 되었다. 학생들의 글쓰기 내용을 바탕으로 개념 이해 정도를 파악하였고 학생 개인별 개념 구조도를 그려 학생들이 가지고 있는 개념 사이의 연결 관계를 파악하였다. 또한 객관식 개념 검사지와 비교하여 개념 검사 도구로서 과학 글쓰기의 특성을 알아보았다. 글쓰기 내용을 분석하면서 추가적인 개념 확인이 필요한 학생들에 대해 면담을 실시하였으며 필요한 경우 고등학교 화학Ⅰ 교과서 분석이 함께 이루어졌다. 과학 글쓰기 내용을 분석한 결과 첫째, 과학 글쓰기를 통해 원자 모형의 변화 과정을 설명할 때 학생들은 돌턴, 톰슨, 러더퍼드 원자 모형까지는 비교적 잘 설명하였으나 보어, 현대 원자 모형은 모형과 근거를 잘 설명하지 못하였다. 또한 모든 단계에서 공통적으로 원자 모형보다 근거를 설명하지 못하였다. 보어의 원자 모형과 현대 원자 모형은 추상적인 모형으로 학생들이 이해하기 어려운 양자 이론까지 포함되어 있다. 또 보어의 원자 모형과 현대 원자 모형이 도입된 근거가 교과서에 자세히 서술되어 있지 않고 실험적 근거도 적어 학생들이 잘 이해하지 못한다고 볼 수 있다. 둘째, 현대 원자 모형을 설명할 때 양자역학적 관점에서 정확한 의미의 전자 분포에 대해 설명한 학생은 31.3%에 불과했다. 현대 원자 모형은 비가시적, 추상적인 개념이고 이러한 모형이 나오게 된 이유 및 근거에 대해 교과서의 설명이 부족하므로 학생들이 이를 잘 이해하지 못한다고 볼 수 있다. 셋째, 오비탈이 무엇인지 설명할 때 학생들은 오비탈에서 중요한 확률적 개념 보다는 오비탈의 기호 및 종류, 전자 배치를 더 중요하게 여겼다. 학생들이 오비탈의 확률 의미를 이해하지 못하는 것은 양자역학적 관점의 부족으로 볼 수 있다. 교과서에는 전자의 발견 확률 개념이 단순 암기밖에 할 수 없는 형태로 서술되어 있었다. 교과서의 구성도 전자 배치에 초점을 맞추고 있어 학생들은 오비탈에서 전자 배치 원리를 중요하게 받아들이는 것으로 생각된다. 학생들의 과학 글쓰기 내용을 개인별로 개념 구조도로 나타낸 결과 학생 개인별로 원자 모형 및 오비탈에 대한 개념의 수와 연결 정도가 다름을 시각적으로 확인할 수 있었다. 개념 구조도는 학생들의 글쓰기 내용을 시각화 시킬 수 있어 글쓰기 분석 도구로 활용할 수 있고 학생들의 개념 변화 학습에 활용할 수 있다. 과학 글쓰기를 개념 검사 도구로 사용한 결과 연구자가 의도하지 않은 학생들의 자연스러운 개념이 드러났고 개념에 대한 포괄적인 이해 정도를 파악할 수 있었다. 또한 글쓰기 내용을 개념 구조도로 나타내면 학생들이 가지고 있는 개념 사이의 연결 관계를 파악하기에 용이했다. 현대 원자 모형과 오비탈에 대한 학생들의 이해도를 높이기 위해서는 고전 물리학으로 미시 세계를 설명하는 것은 힘들기 때문에 새로운 이론이 필요하다는 교과서의 설명이 제시되어야 한다. 그 후 불확정성 원리에 따라 전자의 발견 확률만을 알 수 있으므로 이를 나타낸 함수가 오비탈이라는 설명이 필요하다. 과학 글쓰기를 통해 학생의 개념 이해 정도를 알아보는 것이 유용하다는 것을 확인하였으므로 앞으로 학생들의 개념을 알아보기 위해 과학 글쓰기를 활용할 수 있겠다. 또한 학생들의 개념을 파악하기 위해 효과적으로 글쓰기를 분석하는 방법에 대한 연구가 필요하겠다.;The purpose of this study is to examine the high school students’ understanding about the atomic models and the atomic orbitals by utilizing the science writing. As object of study, it was selected 64 students who were sophomore in a high school located in Kyeonggi province and the science writing task composed of three items about the atomic models and the atomic orbitals was given to the students. Based on the contents of students' writing, it was grasped how they understand and the connectivity between concepts that students have through the students' concept structural drawings. Also the characteristic of science writing was investigated as a tool for investigating concept comparing with a questionnaire with concept of multiple choice. In order to get additional information, some of the students were interviewed and also high school "Chemistry I" textbooks were analyzed. The results are as follows: First, as a result of analyzing the contents of science writing, when explaining about the evolution of atomic model, students were good at describing about Dalton, Thomson, and Rutherford’s atomic models while they were relatively poor about Bohr and the modern atomic models. Bohr and the modern atomic models are more difficult to understand than earlier models because the quantum theory is implicit in those models. Also, the textbook descriptions about the last two models were not detailed enough for the students to understand. Second, for the modern atomic model, only 31.3% of students described the statistical view of electron distribution corresponding to quantum theory. As mentioned above, the modern atomic model is regarded to be an invisible and an abstract concept due to the base of the quantum theory which is not easy to understand for high school students. Third, students valued the symbol, type and electron configuration rather than probabilistic concept in orbitals when they described orbitals. What makes it hard for the students to understand the meaning of the probability of orbitals is regarded to be due to insufficient quantum-mechanical perspective. In the textbook, the concept of the probability of finding the electron is only described as to simply should be memorized. Since the contents of the textbook also focuses on the electron configurations, the students are regarded to value the principles of the building up electrons in the atomic orbitals. As a result of using the science writing in the concept structural drawings by individual, it was visually able to be found that there are difference among atomic models and number of concept of orbitals and the connectivity by each student. The concept structural drawings could be used as an tool for analyzing writing because students' writings are able to be visualized and it is also able to be used as students' conceptual change instructions. As a result of using the science writing as a tool for investigating concept through the concept structural drawings, it was revealed that it is students' natural concept without being intended by researchers and it could be comprehensively understand about the concept. Also, it was easy to understand the connectivity of students’ concepts when the writing is expressed in the concept structural drawings. In order to improve the student's understanding about modern atomic model and orbitals, it should be emphasized in the textbook that new theory should be explained because it is hard to explain microscopic world in classic physics. Further explanation about atomic orbitals is needed since it can be known the only probability of finding electron according to the uncertainty principle. It could be utilized science writing to figure out the student's conceptions in future because it was confirmed that to investigate understanding of concept of students through science writing was useful. Also, researches for the effective method of analyzing the writing in order to figure out students' conceptions would be necessary.