2015 개정 교육과정에 따른
고등학교 통합과학의 이해 및 지도방법
자연의 구성 물질(규산염 광물)에 대한 성취기준과 내용 요소
자연의 구성 물질(규산염 광물)에 대한
교수·학습 설계 사례 및 탐구 활동 사례
1 자연의 구성 물질(규산염 광물)에 대한 성취기준과 내용 요소
1) 자연의 구성 물질(규산염 광물) 단원의 성취기준 분석
| 통합과학 자연의 구성 물질(규산염 광물) 성취기준 |
성취 기준 내용 요소
[10통과02-01] 지각과 생명체를 구성하는 다양한 광물과 탄소 화합물은 특 정한 규칙에 따라 결합되어 만들어진다는 것을 논증할 수 있다.
지각과 생명체 구성 물질의 규칙성
<사람을 구성하는 원소와 물질> <지각을 구성하는 물질>
[출처 : 통합과학 교과서(신영준 외 11인), 천재교육, p.62 통합과학 교과서(신영준 외 11인), 천재교육, p.63]
‘자연의 구성 물질’ 단원에서는 ‘생명체와 지각을 구성하는 단백질, 광물 등의 물질은 원소들 간의 규칙적인 화학 결합을 통해 만들어지며, 기존 물질의 물리적 성질을 변화시켜 다양한 신소재가 개발된다.’는 일반화된 지식을 아우르고 있습니다.
이와 관련하여 본 차시에서 다루는 성취기준은 [10통과02-01]이며, “지각과 생명체를 구성하는 다양한 광물과 탄소 화합물은 특정한 규칙에 따라 결합되어 만들어진다는 것을 논증할 수 있다.”로 제시되어 있습니다.
이 성취기준에서는 지각을 이루는 광물과 생명체를 이루는 탄소 화합물은 모두 구성 원소들이 특정한 규칙에 따라 결합되어 만들어진다는 것을 다룹니다. 특히 지각의
대부분을 이루는 규소 화합물의 구조에 대해 다루고, 그 구조의 규칙성이 광물의 특성을 결정한다는 것도 다루어야 합니다. 이 성취기준에서는 Si-O 사면체를 기본 골격으로 하는 규산염 광물의 구조를 다룹니다. 또한 생명체를 구성하는 탄소 화합물은 탄소(C)를 기본 골격으로 수소, 산소 등이 결합하여 만들어진다는 것을 다루되 구조식이나 화학식은 다루지 않으며 단위체의 구성 성분에 대한 명칭 암기도 지양해야 합니다.
따라서 이 단원에서는 구성 물질의 구조적 규칙성과 기본 단위체의 다양한 배열을 통해 여러 가지 구조가 형성될 수 있음을 체험과 관찰을 통해 학생들이 깨닫고 이해할 수 있도록 수업 자료를 구성하는 것이 중요합니다.
이 성취기준으로 구상한 수업을 예시하면 다음의 표와 같습니다.
| 성취기준 바탕의 수업 예시 |
차시 학습 주제 및 교수학습 활동 수업 모형 및 학습 방법 평가 방법
1
<지각과 생명체 구성 물질>
빅뱅 이후 우주와 별에서의 원소 합 성, 지구의 형성 과정 리뷰 및 지각과 생명체의 공통점과 차이점 비교와 토 의하기
탐구형: 추론 또는 협동·협력형: 토의
자기 평가 보고서 평가
2
<규산염 광물의 규칙성>
지구를 구성하는 광물의 규칙성을 탐 구를 통해 찾아보기
발견학습 모형 탐구형: 실험·실습
자기 평가 모둠 평가
3
<생명체와 탄소 화합물>
생명체의 기본 물질인 탄소 화합물의 특징에 대해 조사하고 토의하기
협동·협력형: 토의 자기 평가
1차시에서는 빅뱅 이후 우주의 원소 합성과 별에서의 원소 합성의 결과로 만들어진 물질이 지각과 생명체를 구성하고 있음을 간단하게 살펴보고, 탐구를 통해 지각과 생명체의 공통점과 차이점을 비교하고 토의하도록 구성합니다. 2차시에서는 규산염 사면체로 구성된 규산염 광물의 특성에 대해 알아보고 탐구를 통해 규산염 광물의 규칙성을 찾는 활동을 진행하도록 구성합니다. 3차시에서는 탄소와 탄소 화합물에 대해 학습하고 탐구를 통해 탄소 화합물의 특성을 조사하여 이들이 생명체를 구성하는 다양한 부분을 만들고 있음을 추론하는 것으로 구성할 수 있습니다.
2) 자연의 구성 물질(규산염 광물) 단원의 내용 요소 분석
성취기준 [10통과02-01]를 총 3차시로 구성한 앞의 수업 예시 중 2차시에 해당하는
‘규산염 사면체로 이루어진 규산염 광물의 규칙성’에 대해 알아보겠습니다.
(1) 지각 구성 물질
지각을 구성하는 주요 원소는 8가지가 있으며, 이중 산소와 규소가 차지하는 질량비가 가장 높습니다. 따라서 지각의 암석을 구성하는 조암 광물 역시 대부분 산소와 규소를 주성분으로 하는 규산염 광물입니다. 규산염 광물의 대표적인 예로 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모, 석영, 장석 등이 있습니다.
| 지각 구성 물질 |
지각의 8대 구성 원소(질량 기준) 주요 조암 광물의 구성비(부피 기준)
[출처 : 통합과학 교과서(이진우 외 11인), 미래엔, p.58 통합과학 교과서(정대홍 외 11인), 금성, p.60]
(2) 규산염 광물의 구조와 특징
규소는 탄소와 마찬가지로 주기율표의 14족 원소로, 원자가 전자가 4개입니다. 원자가 전자가 1~3개, 5~7개인 다른 원소들은 최대 3개의 원소와 공유 결합을 형성할 수 있지만, 규소는 4개의 공유 결합을 형성할 수 있습니다.
| 탄소와 규소의 전자 배치 |
[출처: 통합과학 교과서(신영준 외 11인), 천재교육, p.64]
이러한 전자 배치 덕분에 지각에 풍부한 규소를 중심으로 산소와 금속 원소들이 결합하여 다양한 규산염 광물이 만들어집니다. 아래 그림은 규산염 사면체의 기본 구조를 나타낸 것입니다. 규산염 사면체는 산소와 규소가 공유 결합을 하여 정사면체 모양을 형성합니다.
| 산소와 규소로 이루어진 규산염 사면체의 구조 |
[출처 : 통합과학 교과서(이진우 외 11인), 미래엔, p.59 통합과학 교과서(심규철 외 11인), 비상교육, p.60]
규산염 사면체는 전체적으로 (-)4가의 음전하를 띠고 있어 인접해 있는 양이온과 결합하거나 각 사면체의 산소를 다른 규산염 사면체와 공유하여 전기적으로 중성이 됩니다. 이에 따라 아래 그림과 같이 규산염 사면체를 기본 골격으로 하여 다양한 종류의 규산염 광물이 생성됩니다.
| 규산염 광물의 종류 |
<감람석> <휘석> <각섬석>
<흑운모> <석영> <정장석>
[출처 : 통합과학 교과서(심규철 외 11인), 비상교육, p.60~61]
2 자연의 구성 물질(규산염 광물)에 대한 교수·학습 설계 사례 및 탐구 활동 사례
1) 지구 구성 물질(규산염 광물)에 대한 교수·학습 설계 사례
| 지구 구성 물질 교수·학습 설계 사례 |
학습 주제 규산염 광물을 만드는 특별한 규칙 수업 모형 발견학습 모형
학습 목표 지각을 구성하는 광물이 특정한 규칙에 따라 결합하여 만들어지는 것을 설명할 수 있 다.
핵심 개념 지각과 생명체 구성 물질의 규칙성 평가 방법 자기 평가, 모둠 평가
학습 단계 교수·학습 활동 비고
탐색 및 문제 파악
• 암석의 대부분을 구성하는 규산염 광물에 대한 탐색 활동 - 지각을 구성하는 암석과 조암 광물에 관한 자료 학습 - 질문 : 조암 광물이 대부분 규산염 광물인 이유는?
강의
자료 제시 및 관찰 탐색
• 규산염 사면체의 특징 관찰 및 모형 제작 - 규산염 사면체의 기본 구조에 대한 학습 - 관찰 질문 : 규산염 사면체의 형태적인 특징은?
- [탐구]를 통해 규산염 광물의 기본 구조 모형 제작
강의 및 모둠 활동
자료 추가 제시 및 관찰 탐색
• 규산염 광물들의 결합 구조에서 찾을 수 있는 특징 탐색 - 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모, 석영, 장석의 결정 구조 학습 - 관찰 질문 : 규산염 광물들의 결합 구조에서 찾을 수 있는 특징은?
모둠 활동
규칙성 발견과 개념 정리
• 다양한 규산염 광물의 결합 모형 제작 및 규칙성 발견
- [탐구]를 통해 다양한 규산염 광물의 결합 구조를 직접 만들고 관찰하 여 각 광물에서 나타나는 규칙성 찾기
- 모둠원과 함께 자신들이 찾은 규칙성에 대해 발견하고 토의하여 일반 화하기
모둠 활동
정리 및 평가
• 규산염 사면체의 결합 규칙성에 대해 정리 - 자기 평가와 모둠 평가
- 규산염 광물의 규칙성에 대한 형성 평가 풀이
성취기준 [10통과02-01]의 총 3차시 수업 예시안 중 2차시 수업인 ‘지구 구성
물질(규산염 광물)’을 학습하기 위해 다음과 같이 교수·학습 과정을 설계하였습니다.
학습 주제는 ‘규산염 광물을 만드는 특별한 규칙’으로 발견 학습 수업모형을 적용하였습니다.
탐색 및 문제 파악 단계에서는 지구를 구성하는 다양한 암석과 조암 광물에 관한 자료를 살펴보고, 조암 광물의 대부분인 규산염 광물이 다양한 이유에 대해 생각해 봅니다.
다음으로 자료 제시 및 관찰 탐색 단계에서는 규산염 사면체의 형태적인 특징을 관찰하고 모형을 제작해 봅니다. 자료 추가 제시 및 관찰 탐색 단계에서는 규산염 광물들의 결합 구조에서 찾을 수 있는 특징을 탐색합니다. 규칙성 발견과 개념 정리 단계에서는 다양한 규산염 광물의 결합 구조 모형을 직접 만들고 관찰하여 각 광물에서 나타나는 규칙성을 찾아봅니다. 정리 및 평가 단계에서는 규산염 사면체의 결합 규칙성에 대해 정리하고, 이와 관련된 형성 평가 문제를 해결합니다.
2) 지구 구성 물질(규산염 광물)에 대한 탐구활동 소개 (1) 규산염 사면체 모형 만들기
| 규산염 사면체 모형 만들기 |
준비물 주요 특징
사면체 전개도(1인당 3개), 가위, 풀, 투명테이프,
빵 끈(1인당 6개)
• 전개도 모형 1개당 6빵 끈이 2개씩 필요하다.
• [그림 1]처럼 빵 끈을 양 끝이 3cm 정도 남도록 풀을 이용하여 붙인다.
• 빵 끈이 접착되면 전개도를 접어서 [그림 2]과 같이 테이프로 붙 여 사면체 모형을 완성한다.
• 학생 1명당 사면체 모형을 3개씩 만든다.
<그림 1 : 사면체 전개도와 빵 끈> <그림 2 : 완성된 모형>
※출처: 통합과학 교과서(신영준 외 11인), 천재교육, p.66.
이 탐구 활동에서는 규산염 사면체 구조를 모형으로 만들어보는 활동입니다. 모형 만들기 에 사용할 전개도용 종이는 일반 A4 용지보다는 약간 두꺼운 용지를 사용하는 것이 좋으
며, 미리 인쇄하여 학생 1명당 3장씩 배부합니다. 빵 끈을 준비할 때는 풀(접착제)로 잘 붙 어야 하므로 비닐 재질보다는 종이 재질이 좋습니다. 빵 끈은 사면체 모형의 한 변의 길이 보다 양쪽으로 각각 3cm 정도 남도록 붙여야 합니다. 그런 다음 사면체 모양으로 접고, 투 명테이프로 붙여 고정합니다.
(2) 규산염 사면체의 결합 구조 만들기
| 규산염 사면체의 결합 구조 만들기 |
준비물 주요 특징
규산염 사면체 모형, 풀,
휴대용 카메라(스마트폰)
• 각자가 만든 사면체를 모둠별로 모은 다음, 사면체를 연결하여 새로운 구조를 만든다. (사슬 모양, 2중 사슬 모양, 판 모양으로 연결한다.)
• 사면체를 연결할 때는 어느 방향에서 보더라도 대칭이 되도록 해야 함을 강조한다.
<사슬 형태로 연결> <2중 사슬 형태로 연결> <판 모양으로 연결>
※ 출처: 통합과학 교과서(신영준 외 11인), 천재교육, p.66.
다음은 각자가 만든 사면체를 모둠별로 모아서 다양한 결합 구조를 가진 규산염 광물 모형을 만들어 보는 활동입니다. 4명이 한 모둠을 형성하면 사슬 모양과 2중 사슬 모양의 구조를 만들어 볼 수 있고, 두 모둠에서 만든 사슬 구조를 연결하면 더 판 모양의 구조도 만들 수 있습니다. 사면체 모형을 연결할 때 과정별로 사진을 찍어 두도록 하면 결합 구조의 규칙성을 파악하는데 도움이 됩니다.
