원자 모형 변천에 대한 화학Ⅰ교과서 서술 분석과 교사·학생들의 인식조사

Abstract

본 연구는 고등학교 교과서의 ‘원자모형변천’ 내용을 중심으로 과학사적 관점에서 내용 서술의 깊이를 평가하는 Niaz(1998)의 분석틀을 통해 교과서를 분석해보고, 실제 이를 활용하는 교사와 학생들의 인식을 설문지를 통해 알아보았다. 대상은 고등학교 화학Ⅰ 교과서 4종(2009개정)과 중·고등학교 교사 22명, 그리고 ‘원자모형변천’을 배운 고등학교 학생 66명이다. 교사와 학생용 설문지는 각각 3부분으로 이루어져 있다. 각각의 내용은 ‘원자모형변천’내용, 실제 수업에 과학사 도입에 대한 견해, 과학의 본성 검사문항으로 구성되었으며 교과서 분석틀과 선행연구를 토대로 제작하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 분석 대상 교과서는 러더퍼드의 핵과 알파입자 산란의 희박성, 현대원자모형으로의 발전에 관한 내용은 과학사적으로 충분히 서술하였지만 톰슨과 보어의 내용에 있어서는‘원자모형’의 변화과정에 대한 언급이 부족하였다. 톰슨의 실험에 관한 부분은 상충되는 이론을 충분히 설명하기보다 결과적으로 선택된 한쪽 이론만을 언급하였으며, 보어의 관점은 3가지 항목 중 2종에서만 각각 1개의 분석기준을 만족하였다. 둘째, 교사들은 과학사에 대해 어느 정도 알고 있지만 톰슨에서 보어까지는 한 이론에서 다음 이론으로 넘어가는 연결고리를 체계적으로 설명하지 못하였다. 또한, 과학사와 이를 토대로 과학의 본성을 연결시키는 것에 대한 중요성에 대한 물음에는 대부분의 교사들이 과학사 도입의 필요성에 긍정적인 답변을 보였다. 교사들은 과학사 도입이 중요한지 알지만 수업시수나 교육과정과 같은 현실적인 문제에 부딪혀 어려움을 느끼는 것으로 나타났다. 셋째, 학생들의 경우 ‘원자모형변천’에 대해 톰슨, 러더퍼드에 관한 문항은 정답률이 높았으나 에너지 불연속성, 보어와 현대모형에서는 다소 정답률이 떨어지는 경향을 보였다. 과학사가 개념이해와 흥미에 긍정적인 영향을 미치며 ‘원자모형변천’을 통해 과학사뿐 아니라 과학지식의 잠정성까지 배운다고 응답하였으나 실제 과학의 본성 검사결과는 과학이론의 정의와 모형의 성질을 제외하고 대체적으로 현대 인식론적 견해를 갖지 못하고 있음이 나타났다. 본 연구결과 ‘원자모형변천’과정에 대해 교과서는 과학사적 서술이 부족한 부분이 있었다. 교사와 학생들은 과학사를 도입한 수업에 대해 긍정적인 반응을 보였고, 교사들은 과학사를 통해 과학의 본성까지 지도하는 것에도 중요성을 인식하지만 실제로는 수업시수 등의 문제로 어렵다는 반응을 보였다. 따라서 현실적인 상황에서 과학사를 도입하여 효과적으로 과학의 본성을 지도할 수 있는 다양한 학습지도 방법 개발이 필요하다. 또한 학생 입장에서 과학사를 통해 명확하게 과학의 본성을 이해 할 수 있도록 실험의 이유와 이론의 변화과정에 대해 더 강조하여 지도할 필요가 있음을 시사한다.;This study looked into the science textbooks using the framework of Niaz(1998) as an analysis tool to assess the depth of the contents from the view of the scientific history. How teachers and students, the users of those textbooks, think and feel about the contents of the books was analyzed through a survey. The research examined four kinds of ChemistryⅠ textbooks (Revised in 2009) of high school curriculums. The respondents of survey included twenty-two teachers of middle schools or high schools and sixty-six high school students who have studied ‘The historical changes of atomic model’. The questionnaires were designed based on the textbook analysis tool and previous studies, and are composed of three parts; ‘The historical changes of atomic model’, ‘Views on the introduction of scientific history into the curriculum’ and ‘Questions on the nature of science’. The findings of the research are as followings; First, all of the three textbooks provide adequate explanation on the history of the modern atomic theory and molecular structure model with supple description of Rutherford atom and sparse alpha particle scattering. On the contrary, the textbooks do not provide sufficient explanation as to how atomic model was developed by Thomson and Bohr’s research. In a case of Thomson’s experiments, the books mention only the ultimate theory rather than fully describing conflicting theories. In the meantime, regarding Bohr’s perspective, only two out of three textbooks met one requirement criteria on the analysis tool respectively. Second, while teachers’ knowledge on the history of science was not inadequate, they could not explain the links between theories in an organized manner. In addition, on a question whether it is important to provide an education on the history of science and bridge the history with the nature of science, majority of teachers who responded the survey answered positively about the need to introduce the history of science in the curriculum. However, the limit class hours and public requirements on curriculum among others were presented as obstacles in the actual adoption. Third, most students answered correctly on the questions regarding theories of Thomson and Rutherford but did less on the questions regarding energy discontinuity, theories of Bohr and modern atom model. Students responded that the history of science helped them understand concepts and made science all the more interesting. They even went as far as to say that through the ‘timeline of atomic and molecular models’, they learned that scientific theories can only be tentative. However, the actual test results on the nature of science revealed that students in general did not have acute perception on modern science except the definition of a scientific history and the characteristics of the models. The results of this study demonstrate that textbook do not provide adequate historical description on the ‘timeline of atom and molecular structure models’. Both teachers and students responded positively on the introduction of the history of science in curriculum. Teachers pointed to the limit class hours as one of obstacles in the actual adoption, while sharing the idea that the history of science could be useful in teaching students of the nature of science. These findings imply that various teaching and learning methods need to be developed so as to teach the nature of science with the historical point of view in an effective manner. In addition, the research also illustrates that for the students’ better and clear understanding of the nature of science, emphasis on the reasons of a scientific experiment and the evolvement of theories need to be made during the class hours.