끓음과 끓는점에 대한 화학교사들의 관찰과 추론 활동 및 반성적 사고 분석

Abstract

과학 실험 수업에서 실험 결과가 교과서에 제시된 것과 달라서 교사와 학생들이 어려움을 겪는 경우가 간혹 있다. 이때 이론과 일치하는 결과를 얻기 위해 실험 방법을 수정할 수도 있지만 이론과 일치하지 않는 관찰 정보에 대해 추론하여 새로운 지식으로 발전시켜가는 것이 탐구의 본질에 더 가깝다. 따라서 본 연구는 교사 및 예비교사들이 끓음 및 끓는점 관련 실험에서 기존 이론과 다른 관찰 사실에 대해 추론하는 과정과 그 내용을 살펴봄으로써 탐구적 실험 수업 지도에 도움을 주고자 하였다. 본 연구의 대상은 화학을 전공한 교사 및 예비교사(이하 화학교사) 17명이며 이들의 관찰과 추론 활동에는 4가지의 끓음 및 끓는점 관련 실험 동영상이 활용되었다. 먼저, 끓음 및 끓는점에 대한 화학교사들의 사전 지식 조사가 진행되었다. 이어서 동영상을 시청한 후 관찰한 사실과 그 관찰 사실에 대한 설명을 기록하도록 하였으며 기록한 내용을 토대로 토론이 진행되었다. 모든 활동이 끝난 후에는 반성적 사고를 적도록 하였다. 끓음 및 끓는점에 대한 화학교사들의 사전 지식을 조사한 결과, 대부분의 화학교사들이 끓음과 끓는점의 정의 및 관찰 방법을 과학 및 화학 교과서와 대학 물리화학 교재에 제시되어 있는 대로 인식하고 있음을 알 수 있었다. 또한 모든 화학교사들이 기포 발생 여부로 끓음을 관찰할 수 있다고 인식하고 있었는데, 끓음의 시점에 대한 기준으로 삼는 기포 발생 패턴에는 차이가 있다는 것을 알 수 있었다. 끓음 및 끓는점에 대한 화학교사들의 관찰과 추론 활동의 내용과 특징을 분석한 결과, 대부분의 경우 화학교사가 지니고 있던 사전 지식에 영향을 받아 관찰과 추론이 이루어졌으며 다양한 관찰 사실과 그 사실에 대한 다양한 설명 방식들이 있었음을 살펴볼 수 있었다. 또한 화학교사들이 끓음과 끓는점이 기대 혹은 이론대로 관찰되지 않을 수 있다는 것을 인지하게 되었으며 그 원인에 대해 기포 발생 용이성에 영향을 주는 다양한 요인들과 관련지어 설명할 수 있게 됨을 살펴볼 수 있었다. 그리고 관찰과 추론 과정에서 이론과 증거가 불일치할 경우 불일치 문제를 해결하기보다는 증거를 무시하여 불일치 상황을 수용하는 소극적인 탐구의 태도를 보이는 것을 살펴볼 수 있었다. 끓음 및 끓는점에 대한 관찰과 추론 활동 중 토론에 대한 반성적 사고를 조사한 결과, 토론이 관찰과 추론 활동 과정 및 과학의 본성 습득에 중요하게 작용하는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통해서 다음과 같은 시사점을 얻을 수 있다. 본 연구에서 살펴본 화학교사들의 끓음 및 끓는점에 대한 관찰과 추론 활동 내용을 실제 수업 적용에 참고할 수 있다. 즉, 학생들이 관찰할 가능성이 있는 다양한 현상들과 그 현상들에 대한 설명 방식을 예상하여 수업 지도에 참고할 수 있을 것이다. 또한 교사가 학생들의 토론 과정을 지속적이고 면밀하게 살펴봄으로써 활발한 탐구 활동이 일어나도록 해야 한다. 즉, 학생들의 사고방식에 오개념이 포함되어 과학자적인 사고방식으로 토론이 합의되는 것을 방해하고 있지 않은지, 문제 해결의 방향으로 나아가기보다 문제 상황을 수용하는 수동적인 태도를 유지하고 있지 않은지 등을 살펴보아야 할 것이다. 본 연구에 대한 후속 연구로 끓음 및 끓는점에 대한 학생 대상의 관찰과 추론 활동을 분석하는 연구가 제안될 수 있다. 또한 끓음 및 끓는점 외에도 기존 지식대로 관찰되지 않아 어려움을 겪는 실험 주제에 대해서 교사 및 학생들의 관찰과 추론 활동을 분석하는 연구가 제안될 수 있다.;In scientific experiment classes, sometimes teachers and students are perplexed when the experimental results are different from what is stated in the textbooks. At this moment of perplexity, the experiment methods can be modified to obtain the result matched with the theory. However, scientific inquiry originally aims to develop new knowledge by reasoning about observations which is unknown by the existing knowledge. Therefore, for the purpose of help teachers to scientific inquiry instruction, this study attempts to understand teachers' and pre-service teachers' reasoning process and explanations about the observations differ from the existing knowledge related to boiling and boiling point. The participants of this study were 17 teachers and pre-service teachers majored in chemistry("the chemistry teachers"). For the observation and reasoning activities, 4 experimental video clips on boiling and boiling point were utilized. First, the chemistry teachers’ prior knowledge related to boiling and boiling point was examined. Then, they were asked to record the observed facts and the explanations about those facts after watching the video clips. Then they had a chance to engage in a discussion based on the written contents. After all the activities were finished, the participants were asked to write down their reflective thinking. According to the investigation on the chemistry teachers' prior knowledge about boiling and boiling point, the chemistry teachers were aware of the definition and observation methods of boiling and boiling point as written in science and chemistry textbooks and university physical chemistry textbooks. Also, all of the chemistry teachers agreed that boiling can be determined by bubble generation. However, there were a few different view points about bubble generation patterns at the starting point of boiling. In obedience to the analysis of the contents and specifics of the chemistry teachers’ observation and reasoning activities, it was noted that in most cases their observation and reasoning activities were influenced by their prior knowledge, and that there were various observed facts followed by several ways to explain those facts. Moreover, they have recognized the fact that boiling and boiling point may not always be observed according to their expectations or theories and that causes of the unexpected observations can be explained by various factors affecting the easiness of bubble generation. Also, when a mismatch between a theory and an evidence occurred, instead of trying to solve the mismatching problem they tended to display a passive attitude towards scientific inquiry and accepting the mismatch by ignoring the evidence. In accordance of the findings from the investigation on reflective thinking about discussion activities, it was found that discussion had an important role in observation, reasoning activities and acquiring the nature of science. Throughout this study the following suggestions can be obtained. This study looked into the chemistry teachers' observation and reasoning activities about boiling and boiling point that can be applied in actual classes. In other words, the contents of the chemistry teachers' observation and reasoning activities can be used as a helpful reference when teachers try to prepare for their classes by predicting a variety of possible phenomena students may observe and a variety of ways to explain them. In addition, teachers should look carefully and continually to the students' discussion process in order to foster active scientific inquiry. That is, teachers should be conscious about students’ discussion process for preventing consensus to scientists' mindset from disturbing due to students' misconceptions, and for not maintaining a passive attitude to troubleshoot a problem. As a follow-up of the current study, a research for students' activities of observation and reasoning about boiling and boiling point can be proposed. Furthermore, in addition to boiling and boiling point research on experiment subjects that also show gaps in observed and existing knowledge could be analyzed with teachers' and students' observations and reasoning activities.