개정 교육과정에 따른 2015
고등학교 통합과학의 이해 및 지도방법
자연의 구성 물질에 대한 성취기준 및 내용 요소
탄소 화합물의 결합 규칙성에 대한
교수 · 학습 설계 사례 및 탐구 활동 사례
1 자연의 구성 물질에 대한 성취기준 및 내용 요소
자연의 구성 물질 단원의 주요 내용 1)
지각과 생명체 구성 물질의 결합 규칙성 (1)
통합과학 성취기준 02-01
성취기준 내용 요소
통과 지각과 생명체를 구성하는 다양한
[10 02-01] 광물과탄소 화합물은특 정한 규칙에 따라 결합되어 만들어진다는 것을 논증할 수 있다.
규산염 광물, 탄소 화합물
탄소와 규소의 전자 배치
< >
규칙적으로 결합하여 생긴
<
규산염 광물>
탄소 원자의 결합 방식
< >
출처 : 탄소와 규소의 전자 배치: 통합과학 교과서 신영준 외( 8인), 천재교육, p.64.
규칙적으로 결합하여 생긴 규산염 광물: 통합과학 교과서 신영준 외( 8인), 천재교육, p.67.
탄소 원자의 결합 방식: 통합과학 교과서 김성진 외( 14인), 미래앤, p.61.
통합과학 성취기준 02-01은 “지각과 생명체를 구성하는 다양한 광물과 탄소 화합물은 특정한 규칙에 따라 결합되어 만들어진다는 것을 논증할 수 있다.”로 제시되어 있습니다. 이 성취기준은 광물을 이루는 기본 단위는 무엇이며, 이들은 어떻게 결합해 다양한 광물을 형성할까?, 생명체를 구성하는 대표적인 탄소 화합물은 무엇이며, 탄소 화합물의 결합 규칙성은 무엇인가?, 탄소와 규소의 어떤 특성이 생명체와 광물의 차이를 만드는가? 등과 같은 질문에서 출발합니다.
빅뱅 이후 우주와 별에서의 원소 합성으로 탄소와 규소가 만들어졌으며, 탄소와 규소는 주기율표 상의 같은 족 원소이므로 가장 바깥 껍질의 전자수가 같아 화학적 성질이 유사하고 결합 규칙성에 공통점이 많습니다. 즉, 탄소와 규소는 가장 바깥 껍질의 전자가 개이므로 원자 개당 최대 개의 공유 결합을 하여 안정한 전자 배치를 만들 수
4 1 4
있습니다. 이러한 전자적 특징으로 인해 탄소와 규소는 다양한 원소들과 결합하여 다양한 화합물을 만들 수 있었습니다 그림( 1).
지각에서의 규산염 광물은 규소를 중심으로 4개의 산소가 결합된 규산염 사면체가 기본 골격을 이루며, 이들이 다른 금속 원소와 결합하거나 각 사면체의 산소를 다른 규산염 사면체와 공유하여 다양한 형태의 구조를 만들었습니다. 예를 들면, 규산염 사면체의 연결 방식에 따라 단사슬 구조인 휘석, 복사슬 구조인 각섬석, 판상 구조인 흑운모, 망상 구조인 석영 등으로 규산염 광물을 분류할 수 있습니다 그림( 2).
한편, 생명체를 이루는 탄소 화합물의 중심에는 탄소가 있습니다. 탄소 원자는 같은 탄소원자 뿐만 아니라, 수소, 산소, 질소, 인 등의 원소와 공유 결합을 하여 다양한 탄소 화합물을 만들 수 있습니다. 특히, 탄소 원자들 사이의 결합 방식에 따라 사슬 모양 및 가지 달린 사슬 모양, 고리 모양의 다양한 구조를 가지며, 인접한 탄소 원자들 사이에 이중 및 삼중 결합을 가지기도 합니다 그림( 3).
생명체 구성 물질의 형성 (2)
통합과학 성취기준 02-02
성취기준 내용 요소
통과 생명체를 구성하는 물질들은 기본적인
[10 02-02] 단위체의 다양한 조합
을 통해 형성됨을 단백질과 핵산의 예를 통해 설명할 수 있다.
단위체, 단백질, 펩타이드 결합, 핵산(DNA, RNA)
단백질의 형성
< > <DNA와 RNA의 구조>
출처 : 단백질의 형성: 통합과학 교과서 신영준 외( 8인), 천재교육, p.69.
와 의 구조 통합과학 교과서 심규철 외 인 비상교육
DNA RNA : ( 11 ) , p.67.
통합과학 성취기준 02-02는 “생명체를 구성하는 물질들은 기본적인 단위체의 다양한 조합을 통해 형성됨을 단백질과 핵산의 예를 통해 설명할 수 있다.”로 제시되어 있습니다. 이 성취기준은 생명을 이루는 단백질과 핵산은 어떤 기본 단위체가 모여서 만들어질까?,
단백질과 핵산의 구조가 다양한 이유는 어떤 결합 규칙성에 기인한 것일까? 와 같은 질문에서 출발합니다.
단백질과 핵산과 같은 생명체를 이루는 주요 구성 물질은 탄소를 기본으로 한 단위체의 배열에 의해 다양성을 가지게 됩니다. 단백질의 단위체는 아미노산이며, 두 아미노산은 펩타이드 결합을 통해 연결될 수 있습니다. 생명체에 있는 아미노산이 약 20종류이며, 아미노산들이 특정한 순서로 연결되어 하나의 단백질을 만듭니다. 아미노산 사슬을 접히고 꼬이면서 입체적인 모양을 이루는데, 아미노산의 결합 순서가 달라지면 단백질의 구조가 달라집니다. 구조가 달라지면 기능도 변하고, 이에 따라 단백질의 종류가 결정되게 됩니다.
또한, 유전 정보를 저장하는 핵산은 DNA와 RNA로 이루어져 있습니다. 핵산의 단위체는 인산, 당, 염기가 1:1:1로 결합한 뉴클레오타이드이며, 뉴클레오타이드가 길게 연결되어 핵산이 됩니다. 특히, 핵산의 염기는 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 타이민(T), 유라실(U)의 5종류로 이루어지는데, DNA는 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 타이민(T) 염기를 가진 뉴클레오타이드 사슬 두 가닥이 꼬인 이중 나선 구조를, RNA는 타이민 대신 유라실(U)을 가진 단일 가닥 구조를 가집니다.
신소재의 개발과 활용 (3)
통합과학 성취기준 02-03
규소를 원료로 한 반도체
< > <초전도체의 이용>
그래핀의 이용
< > <탄소 나노 튜브와 풀러렌>
성취기준 내용 요소
통과 물질의 다양한
[10 02-03] 물리적 성질을 변화시켜 신소재를 개발한 사 례를 찾아 그 장단점을 평가할 수 있다.
신소재 반도체( , LED, 그래핀 등), 전자기적 성질
출처 : 규소를 원료로 한 반도체: 통합과학 교과서 송진웅 외( 16), 동아출판, p.74.
초전도체의 이용: 통합과학 교과서 심규철 외( 11인), 비상교육, p.75.
그래핀의 이용: 통합과학 교과서 김성진 외( 14인), 미래앤, p.73.
탄소 나노 튜브와 풀러렌: 통합과학 교과서 김성진 외( 14인), 미래앤, p.73.
통합과학 성취기준 02-03은 “물질의 다양한 물리적 성질을 변화시켜 신소재를 개발한 사례를 찾아 그 장단점을 평가할 수 있다.”로 제시됩니다. 이 성취기준은 인류는 자연의 재료를 어떻게 변화시켜 신소재를 만들어 왔을까?, 앞으로의 세상을 변화시킬 신소재는 무엇이 있을까? 라는 두 가지 질문에서 출발합니다.
신소재는 기존 소재의 물리적 성질을 변화시켜 새로운 기능과 성질을 갖는 물질입니다.
그 예로, 기존 소재의 화합물 조성을 변화시켜 전기적 및 자기적 성질을 달라지게 하거나, 결합 구조를 변화시켜 새로운 성질을 얻을 수 있습니다. 전기적 성질을 이용한 신소재로는 반도체, 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode) 등이 있습니다. 반도체의 핵심 부품은 족 원소는 규소 인데 순수한 규소는 전류가 잘 흐르지 않는 단점이 있으나 여기에
14 (Si) , ,
미량의 다른 원소를 첨가시키면 전기가 흐르는 성질이 증가된 반도체를 얻어낼 수 있습니다. 또한, 특정 온도 이하에서 저항이 0인 초전도 현상을 나타내는 물질을 초전도체라고 합니다. 초전도체의 자기적 성질을 이용하여 의료 기기인 자기 공명 영상 장치(MRI)나 자기 부상 열차를 만들 수 있습니다.
연필심의 구성 물질인 흑연의 한 층만 벗겨 내어 탄소 원자들이 평면을 이루는 구조를 그래핀(Graphene)이라고 합니다. 그래핀은 전기 전도성이 높고, 얇고 가볍지만 강도가 강한 특징이 있기 때문에 비행기의 소재나 투명하고 접히는 디스플레이 등의 다양한 첨단 기술의 현장에서 사용되는 신소재입니다. 또한, 탄소 원자들의 배열을 변화시키면 원통 모양의 탄소 나노 튜브나 축구공 모양의 풀러렌(Fullerene)을 만들 수 있습니다. 탄소 나노 튜브는 나노 핀셋, 현미경의 탐침 등에 사용되며, 풀러렌은 의약품의 체내 운반체로 사용되는 특징이 있습니다.
이 단원의 학습을 통해 규소와 탄소의 성질을 변화시켜 신소재를 만든 것과 같이 우리 주변에서 자연의 구성 물질을 이용하여 신소재를 개발한 사례를 이해하고 그 장단점을 평가할 수 있는 역량을 키울 수 있을 것으로 기대합니다.
2 탄소 화합물의 결합 규칙성에 대한
교수 학습 설계 사례 및 탐구 활동 사례
탄소 화합물의 결합 규칙성에 대한 교수 학습 설계 사례
1) ·
탄소 화합물의 결합 규칙성에 대한 교수 · 학습 설계 사례
학습 주제 탄소 화합물의 결합 규칙성 수업 모형 발견학습 수업 모형 학습 목표
탄소 화합물의 결합 모형 제작을 통해 탄소 화합물이 만들어지는 규칙성을 알아낼 수 있다.
핵심 개념 탄소 화합물의 결합 모형 평가 방법 보고서 평가, 동료 평가
학습 단계 교수·학습 활동 비고
탐색 및 문제
파악
단백질, 지질, 탄수화물의 결합 모형 분석 공통으로 중심이 되는 원소 탐색 -
탄소 산소 질소 원자 개당 공유 결합 수 탐색 - (C), (O), (N) 1
강의
자료 제시 및 관찰·탐
색
탄소 화합물의 결합 모형으로 만들기
과자와 이쑤시개를 사용하여 탄소 화합물의 결합 모형을 표현할 때
- ,
결합 규칙 및 주의 사항 안내
탄소 개 수소 개로 결합 모형 만들기
- (C) 3 , (H) 8 (※C3H8)
강의 및 모둠 활동
자료 추가 제시 및 관찰·탐
색
복잡한 탄소 화합물의 다양한 결합 모형 만들기
탄소 개 수소 개로 가능한 모든 경우의 결합 모형 만들어 - (C) 4 , (H) 10
보기 →사슬 및 가지 달린 사슬 모형 제작
탄소 개 수소 개로 가능한 모든 경우의 결합 모형 만들어 보 - (C) 3 , (H) 6
기 → 이중 결합 및 고리 모양 제작
모둠 활동
규칙성 발견과
개념 정리
탄소 화합물의 골격 그림을 분석하여 규칙성 발견하기
실제 탄소 화합물의 기본 골격 그림을 분석하여 탄소 화합물이 다양 -
한 모양으로 만들어질 수 있는 까닭 토의
모둠 활동
적용 및 응용
생명 현상에 관여하는 분자들의 구조와 결합 규칙성
비타민 트랜스 지방 등의 사례를 중심으로 해당 분자 구조에서 탄소 - ,
의 결합 규칙성을 정리
강의
성취기준 [10통과02-01]에서 다루는 탄소 화합물의 결합 규칙성을 학습하기 위해 다음과 같이 교수·학습 과정을 설계하였습니다. 학습 주제는 탄소 화합물의 결합 규칙성으로 총 차시의 활동이며 과학 수업에서 널리 사용하는 발견학습 수업 모형을 적용하였습니다 이
1 .
수업 모형은 생명 현상과 관련된 분자에서 중심이 되는 탄소의 결합 규칙성을 탐색하고
탄소 화합물의 골격 모형 만들기 활동을 통해 결합 규칙성을 더 확장하여 탐색하는 방법으로 수업이 진행됩니다. 이러한 과정에서 학생들은 탄소 화합물의 결합 규칙성을 발견하고 일반화하는 과정을 거치게 됩니다. 탐색 및 문제 파악 단계에서는 단백질, 지질, 탄수화물의 결합 모형에서 중심이 되는 원소를 찾고, 탄소, 산소, 질소에 대해 최대로 가능한 공유 결합 수를 탐색합니다. 자료 제시 및 관찰 탐색 단계에서는 과자와 이쑤시개를 사용하여 가능한 모든 경우의 탄소 화합물의 결합 모형을 만들어 보는 활동을 진행합니다. 이 활동은 학생들의 눈높이에서 다소 복잡할 수 있으므로 활동 난도를 고려하여 두 개의 탐구 활동을 순차적으로 수행합니다. 규칙성 발견과 개념 정리 단계에서는 실제 탄소 화합물의 골격 그림을 분석하여 탄소 화합물의 구조가 다양한 이유를 정리하여 일반화 합니다. 마지막으로 적용 및 응용 단계에서는 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 비타민이나 지방 등의 탄소 화합물 사례를 통해 해당 분자 구조에서도 탄소 화합물의 결합 규칙성을 발견할 수 있음을 정리합니다.
탄소 화합물의 결합 규칙성에 대한 탐구활동 소개 2)
과자와 이쑤시개를 사용하여 탄소 화합물의 결합 규칙성의 표현 (1)
과자와 이쑤시개를 사용하여 탄소 화합물의 결합 규칙성의 표현
준비물 주요 특징
구슬 모양 과자 두 종류의 색
( ),
이쑤시개
과자와 이쑤시개를 사용하여 탄소 화합물의 결합 모형을 만들 때결합 규칙과 주의 사항을 함께 제시
탄소(C)와 수소(H)의 개수를 제시한 후, 가능한 모든 경우의 결 합 모형을 제작
탐구 활동 모습
< > <사슬 및 가지달린 사슬 모양> <이중 결합과 고리 모양>
출처 : 통합과학 교과서 정대홍 외( 9인), 금성출판사, p.64.
앞의 발견학습 수업 모형에서 자료 제시 및 관찰 탐색 활동에서 사용할 수 있는 탐구 활동은 매우 다양합니다. 특히, 과자와 이쑤시개를 이용하여 간단하게 탄소 화합물의 결합 모형을 제작할 수 있습니다. 이 탐구 활동을 통해 학생들은 사슬 및 가지달린 사슬 모양, 이중 결합, 고리 모양에 이르기 까지 매우 다양한 탄소 화합물의 결합 모형을 만들어보고,
이 과정에서 탄소 화합물의 다양성과 결합 규칙성을 발견할 수 있습니다. 다만, 개방형 탐구로 본 활동을 수행하면 학생들에게 혼란과 오개념을 유발할 수 있으므로, 튜토리얼 형태로 결합 규칙을 체험하고 주의 사항을 안내해야 합니다. 또한, 탄소와 수소의 개수가 지나치게 많으면 너무 많은 결합 모형이 만들어지기 때문에, 탄소와 수소의 개수를 일정하게 제한을 두어 활동 난도를 낮추어줄 필요가 있습니다.
탄소 원자 모형을 사용한 탄소 골격 만들기 (2)
탄소 원자 모형을 사용한 탄소 골격 만들기
준비물 주요 특징
분자 모형 키트 탄소 원자 모형 결합 막대
( , )
탄소의 결합을실제와 유사하게 나타내어 결합 모양 결합각 등, , 의 세부 요소까지 관찰 가능
이중 결합과 삼중 결합은 단일 결합과 달리별도의 결합 막대를 사용하여 표현
분자 모형 키트 준비물
< ( )> <사슬 및 가지달린 사슬 모양> <이중 결합과 고리 모양>
출처 : 통합과학 교과서 심규철 외( 11인), 비상교육, p.62.
다음은 분자 모형 키트를 사용하여 탄소 골격을 만드는 탐구 활동입니다. 보통 분자 모형 키트는 탄소, 수소, 산소 등의 다양한 원소와 결합 막대들로 이루어져 있으나, 본 활동에서는 구멍 4개가 달린 검은색 공인 탄소와 결합 막대만을 사용하여 탄소의 다양한 골격 구조를 표현하는데 초점을 두었습니다. 이렇게 제작한 탄소의 결합 모형을 실제와 유사할 뿐만 아니라 결합 모양이나 결합각 등의 세부 요소까지 파악할 수 있는 장점이 있습니다. 다만, 이중 및 삼중 결합이 있는 경우, 단일 결합에서 사용한 결합 막대가 아닌 유연성이 있는 특별한 결합 막대를 사용해야 합니다.
개정 교육과정에서는 학생참여형 수업을 장려하기 때문에 탄소 화합물의 규칙성을
2015 ,
강의하기 보단, 학생들이 실제로 결합 모형을 제작하는 활동을 통해 다양한 탄소 화합물의 결합에서도 일정한 규칙성이 있다는 사실을 깨달을 수 있도록 안내하는 것이 중요합니다.
