위치 에너지 곡선에 대한 교과서 서술 분석과 예비 화학 교사들의 이해 조사

Abstract

위치 에너지 곡선은 화학 결합, 분자의 진동 운동, 기체 분자간 상호작용 등을 이해하는데 필수적인 개념이므로 화학 교사가 명확하게 이해해야 하는 개념 중의 하나이다. 본 연구에서는 입자의 거리에 따른 위치 에너지 곡선이 도입된 부분의 중등학교 교과서를 분석하였다. 그리고 위치 에너지 곡선에 대한 개념 질문지를 사용하여 위치 에너지 곡선에 대한 예비 화학 교사들의 이해 정도를 조사하였다. 검사 대상은 서울 소재 사범대학의 화학교육을 전공하는 3학년 학생 24명, 4학년 학생 26명과 교육대학원 학생 15명이었다. 개념 질문지는 구슬 두 개의 거리에 따른 위치 에너지 변화 곡선을 주고 상상실험을 하는 것으로 구성하였다. 상상실험은 네 가지의 다른 초기 조건으로 제시하였고, 그 이후에 화학 결합, 기체의 액화, 분자의 진동 운동과 관련된 질문을 추가하였다. 중학교 3학년 과학 교과서를 분석한 결과 모든 교과서에서 위치 에너지의 기준점을 설정하는 것이 임의적이라고 설명하였다. 또한 역학적 에너지 보존 법칙도 그림과 예시를 들어 자세히 설명하였다. 7차 교육과정의 화학II와 2009 개정 교육과정의 화학I에서는 이온 결합과 공유 결합 부분에서 두 입자간 거리 사이의 위치 에너지 곡선을 제시하였다. 위치 에너지 곡선의 세로축을 단순히 에너지라고 표현하였다. 또한 위치 에너지의 기준점 설정이 임의적임을 설명하지 않아 학생들이 비과학자적 개념을 유발할 소지가 있다. 개념 질문지의 응답을 분석한 결과 예비 화학 교사들은 역학적 에너지 보존을 대부분 알고 있었으나 이를 상상실험의 조건에 제대로 적용하지 못하는 것으로 나타났다. 그리고 구슬에 작용하는 힘의 방향은 대체로 알고 있었으나, 초기 위치에서 구슬이 이동하여 위치 에너지가 가장 낮은 우물 바닥에서 정지할 것이라고 생각하는 예비 화학 교사들이 상당히 많았다. 또한 위치 에너지 곡선과 관련지어 화학 결합, 기체의 액화, 분자의 진동 운동에 대한 이해도가 매우 낮은 것으로 드러났다. 9명의 예비 화학 교사를 대상으로 한 면담을 분석한 결과는 다음과 같다. 예비 화학 교사는 위치 에너지의 0점에 대한 개념이 명확하지 않으므로 위치 에너지 곡선 자체에 대한 해석을 어려워하였다. 그리고 평형 결합 거리에서 두 구슬이 정지할 것이라는 오개념(misconception)을 가지고 있었으며, 작용하는 힘이 없는 경우 물체가 정지한다고 생각하였다. 또한 평형 결합 거리에서 두 입자 사이에 인력이 작용한다는 직관적 사고를 가지고 있었다. 주어진 초기 조건에 따른 구슬의 움직임을 제대로 예측하지 못하는 것으로 보아 예비 화학 교사들의 위치 에너지 곡선에 대한 이해 정도가 아주 낮음을 알 수 있다. 세부적으로 위치 에너지, 운동 에너지, 역학적 에너지 보존에 대한 기본 개념과 적용 능력이 부족한 것으로 드러나 이에 대한 기본 개념을 정리해주는 것이 필요하다. 또한 위치 에너지 곡선에 대한 이해를 증진시키기 위해서 본 연구에서 사용한 개념 질문지의 상상실험을 이용하는 것도 하나의 방법일 것으로 생각된다. ;A potential energy curve is an essential concept to understand the chemical bonding, molecular vibration motion and molecular interactions. In this research, the descriptions on the potential energy, mechanical energy conservation, and potential energy curve in the secondary school science textbooks were analyzed and the understandings of corresponding concepts of pre-service chemistry teachers were investigated. Research subjects were 24 junior students, 26 senior students and 15 graduate students studying chemistry education in the college of education. A concept questionnaire consisted of thought experiments with four different initial conditions was developed to survey pre-service teachers’ conceptions of potential energy curve. In the senior middle school science textbook, all published text books described that setting up the reference point of potential energy is arbitrary and also low of conservation of mechanical energy was kindly presented in a query with picture and examples. On the other hand, in the Chemistry II high school textbooks by the 7th revised curriculum and the Chemistry I textbooks by the 2009 edition of curriculum, the potential energy curve was appeared in the parts of ionic bonding and covalent bonding. It was found that the vertical axis of potential energy curve was verbalized as an “energy” instead of “potential energy” and no explanation was given for the arbitrariness of the reference point of potential energy. The questionnaire survey results showed that the pre-service chemistry teachers understood the mechanical energy conservation but they could not apply it to the thought experiment situations given in the questionnaire. Also they had the knowledge of direction of force exerts between two marbles. However, there were a lot of pre-service teachers who believed that the marble will stop moving at the bottom of potential energy curve well. In addition, research discovered that pre-service teachers have poor knowledge of chemical bonding, liquefaction of gas, and molecular vibration. The thought experiments used in the questionnaire would be a good tool to improve the understanding of potential energy curve.