개정 교육과정에 따른 2015
고등학교 통합과학의 이해 및 지도방법
화학변화에 대한 성취기준 및 내용 요소 화학변화에 대한 교수 · 학습
설계 사례 및 탐구 활동 사례
1 화학변화에 대한 성취기준 및 내용 요소
화학변화 단원의 주요 내용 1)
산화 환원 반응 (1)
통합과학 성취기준 06-01
성취 기준 내용 요소
통과 지구와 생명의 역사에 큰 변화를 가져온
[10 06-01] 광합성, 화석 연료 연소, 철기 시대를 가져 온 철의 제련등의 공통점을 찾을 수 있다.
통과 생명 현상 및 일상생활에서 일어나고 있는 다양한 변화의 이 [10 06-02]
유를 산화와 환원에서 나타나는 규칙성과 특성 측면에서 파악하여 분석할 수 있다.
산화와 환원
우리 주변에서 일어나는 산화 환원의 예
< >
출처 : 우리 주변에서 일어나는 산화 환원의 예: 통합과학 교과서 송진웅 외( 17인), 동아, p.177.
통합과학 성취기준 06-01은 “지구와 생명의 역사에 큰 변화를 가져온 광합성, 화석 연료 사용, 철기 시대를 가져 온 철의 제련 등의 공통점을 찾을 수 있다.”로 제시되어 있습니다. 이 성취기준은 광합성, 호흡, 화석 연료 연소, 철의 제련 등의 대표적인 화학변화인 산화 환원 반응을 통해 이들 반응이 지구와 생명의 역사에 가져온 혁신적 변화를 이해하는 것입니다. 자연계를 구성하는 여러 시스템들은 구성 요소들의 상호작용을 통해 끊임없이 변화하는데, 이러한 변화에는 일정한 규칙이 있으며 예측 가능한 변화의 양상을 나타냅니다. 즉 자연계의 여러 시스템은 정지한 시스템이 아니라, 화학 반응을 통해 계속 변화하며 다양해졌다는 것을 다룹니다. 이러한 화학 반응의 예로 우선 모든 에너지의 원천인 태양 에너지를 지구상의 생명체가 사용 가능한 형태로 만드는 화학 반응인 광합성이 있습니다. 광합성은 녹색 식물이 태양 에너지를 흡수하여 이산화탄소와 물로부터 포도당과 산소를 생성하는 반응으로 이는 무기물을 유기물로 만들어 생물들이
에너지원으로 사용하게 하는 화학 반응입니다. 원시 대기에는 산소가 없었으나 광합성을 하는 생물의 출현으로 지구 대기는 산소가 풍부하게 되었고, 대기 중의 산소가 축적되면서 오존이 만들어지고 성층권에 오존층을 형성하였습니다. 오존층을 통해 지구로 유입되는 해로운 자외선이 차단됨에 따라 그동안 물속에서만 생활 가능했던 생물들이 수중 환경을 벗어나 육상으로 진출할 수 있는 환경이 제공되었습니다. 지구 대기 중에 풍부해진 산소는 반응성이 큰 물질로 여러 가지 화학 반응을 일으키는 데 특히 화석 연료 등을 연소하면서 난방과 조리가 가능하게 되었고 화석 연료가 운송 수단 등의 연료로 이용되면서 인류 문명에 큰 영향을 끼쳤습니다. 또한 인류 문명에서 큰 영향을 미친 철은 금과 구리와 같은 금속에 비해 사용 시기가 상대적으로 늦습니다. 이는 철이 자연계에서 원소 상태로 존재하지 못하고 산소와 반응하여 산화철 상태로 발견되기 때문입니다. 따라서 철광석에서 원하는 금속을 제련하여 사용하기 위해서는 산화철에서 산소를 제거하는 과정을 거쳐야만 합니다. 광합성, 화석 연료 연소, 철의 제련 등의 화학 반응은 공통적으로 산소가 관여하는 대표적인 산화 환원 반응입니다.
다음으로 성취기준 06-02은 “생명 현상 및 일상생활에서 일어나고 있는 다양한 변화의 이유를 산화와 환원에서 나타나는 규칙성과 특성 측면에서 파악하여 분석할 수 있다.”로 제시되어 있습니다. 이 성취기준에서는 화석 연료의 연소, 철광석의 제련, 호흡, 광합성 반응에서 원소 상태의 물질이 화합물로 바뀌기도 하고, 화합물이 원소 상태의 물질로 변하기도 하는 화학변화에서 나타나는 규칙성과 특성을 다루고 있습니다. 특히 철과 같은 대부분의 금속 원소는 주로 광물 속에 산소와 결합된 형태로 존재하는데 이들 광물 속에서 순수한 금속을 얻기 위해서는 산소를 떼어내는 산화 환원 반응을 거쳐야 합니다. 이러한 반응들은 산소를 얻거나 잃는다는 산소 이동에 의한 규칙성, 전자를 잃거나 얻는다는 전자 이동에 의한 규칙성을 보여줍니다. 이처럼 생명 현상 및 일상생활에서 일어나고 있는 다양한 변화들 중 물질들은 산화 환원 반응을 거치면서 새로운 성질을 갖는 물질로 바뀌게 되며 이를 통하여 우리가 원하는 물질을 얻을 수도 있다는 것을 설명하고 있습니다.
산과 염기 (2)
통합과학 성취기준 06-03
성취 기준 내용 요소
통과 생활 주변의 물질들을
[10 06-03] 산과 염기로 구분할 수 있다.
통과
[10 06-04] 산과 염기를 섞었을 때 일어나는 변화를 해석하고 일상생활, 에서중화 반응을 이용하는 사례를 조사하여 토의할 수 있다.
산성과 염기성 공통 이온
지시약 중화 반응
< pH>
출처 : 여러 가지 물질의 pH: 통합과학 교과서 정대홍 외( 11인), 금성출판사, p.203.
통합과학 성취기준 06-03은 “생활 주변의 물질들을 산과 염기로 구분할 수 있다.”로 제시되어 있습니다. 이 성취기준에서는 위에서 분비되는 염산은 산이고 위산 과다를 해결하기 위해 먹는 제산제는 염기인 것처럼 우리 주변에서 접하는 물질들을 산, 염기, 중성 물질로 구분 가능함을 설명하고 있습니다. 염산, 황산, 질산 등 산으로 분류되는 물질들은 물에서 이온화하여 공통적으로 수소 이온(H )을 내놓으며, 공통 이온인 H 으로 인해 공통적인 성질을 가집니다. 산은 공통적으로 신맛이 나고, 좋은 전해질로 작용하며, 금속과 반응하여 수소 기체를 발생시키고 탄산염과 반응하여 이산화탄소 기체를 발생시키는 성질이 있습니다. 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘 등 염기로 분류하는 물질들은 물에서 이온화하여 수산화 이온(OH )을 내놓으며, 공통 이온인 OH 으로 인해 공통적인 성질을 가집니다. 염기는 공통적으로 쓴맛이 나고, 좋은 전해질로 작용하며, 단백질을 녹이는 성질이 있어 미끈미끈한 촉감을 느낄 수 있는 성질이 있습니다. 이러한 산과 염기는 지시약을 통해 구별할 수 있습니다.
통합과학 성취기준 06-04은 “산과 염기를 섞었을 때 일어나는 변화를 해석하고, 일상생활에서 중화 반응을 이용하는 사례를 조사하여 토의할 수 있다.”로 제시되어 있습니다. 이 성취기준에서는 산에 염기를 섞으면 산의 성질이 약해지며, 산의 성질이 사라지기도 한다는 것을 설명하고 있습니다. 신맛이 강한 김치에는 소다를 넣어주거나 달걀껍질을 넣어두면 신맛이 약해지며, 회의 비릿한 맛을 없애기 위해 레몬즙을 뿌리기도 합니다. 오랫동안 비료를 뿌려 산성화된 토양에는 석회가루를 뿌려주고, 위산이 많이 분비되어 속이 쓰릴 때는 수산화 마그네슘이나 수산화알루미늄이 주성분인 제산제를 먹게 됩니다. 우리 주변에서 만나는 많은 물질들이 산이거나 염기인 경우가 많으며, 산의 성질을
약하게 하거나 없애기 위해서 염기를 섞는 방법을 선택할 수 있습니다. 나아가 산과 염기의 반응은 산성화된 토양, 호수 등을 효과적으로 중화시키기 위해 석회 가루를 정밀하게 살포하는 경우처럼 환경 문제를 해결하는 방법으로도 이용될 수 있습니다. 이를 통해 일상생활에서 이용되는 다양한 화학 반응의 사례와 원리를 알 수 있습니다. 산과 염기의 반응인 중화 반응이 일어나면 열이 발생되며 혼합 용액의 액성은 산성, 중성, 염기성으로 변화하게 되는데 지시약의 색 변화를 통해 확인할 수 있습니다. 이렇게 산과 염기를 섞었을 때 나타나는 현상을 관찰함으로써 미시적 세계에서 일어나는 변화를 파악할 수 있습니다.
2 화학변화에 대한 교수 학습 설계 사례 및 탐구 활동 사례
화학변화에 대한 교수 학습 설계 사례
1) ·
화학변화에 대한 교수 · 학습 설계 사례
학습 주제 산과 염기의 반응 수업 모형 POE 모형 학습 목표
산과 염기를 섞었을 때의 일어나는 변화를 예측하고 관찰한 후 결과를 해석하여 설명, 할 수 있다.
핵심 개념 산, 염기, 중화 반응 평가 방법 보고서 평가, 동료 평가
학습 단계 교수·학습 활동 비고
도입
실험 시 안전 사항 및 주의 사항 안내
같은 농도의 산과 염기 수용액이 담긴 비커 준비하기 산과 염기의 부피를 달리하여 가지 세트 구성
- 3~5
혼합 실험 후 측정 및 관찰할 사항 안내 혼합 용액의 온도 지시약의
- ( ,
색, 혼합 용액의 pH)
기구 및 시약 준비
전개 예측
산과 염기 수용액을 혼합하기 전 예측하기 혼합 용액의 온도 변화
-
지시약의 색 변화 -
혼합 용액의 변화
- pH
혼합 용액의 액성 -
개별 및 모둠 활동
관찰
각 세트별로 산과 염기 수용액을 혼합하며 관찰하기 혼합 용액의 온도 측정
-
지시약의 색 관찰 -
혼합 용액의 측정
- pH
모둠 활동
설명
실험 결과를 해석하고 설명하기 혼합 용액의 액성 설명하기 -
온도 변화가 나타나는 이유 설명하기 -
개별 및 모둠 활동
정리 및 평가
산과 염기를 반응시킬 때 나타나는 변화와 그 이유 설명 중화열이 발생 물이 생성
* ,
모둠 평가 실시
동료 평가 자기 평가
성취기준 [10통과06-04]에서 다루는 산과 염기의 중화 반응을 학습하기 위해 다음과 같이 교수·학습 과정을 설계하였습니다. 학습 주제는 산과 염기의 반응으로 총 1차시의 활동이며 과학 교과에서 널리 사용하는 POE 모형을 적용하였습니다.
도입 단계에서는 실험 시 안전 사항과 주의할 점에 대하여 교사가 안내한 후, 산과 염기 수용액을 포함한 시약 및 기구를 모둠별로 준비하는 모둠 활동을 수행합니다.
전개 단계 중 예측 단계에서는 산과 염기 수용액을 혼합하는 실험을 수행하기 전 결과를 예상해보는 활동을 수행합니다. 우선 개별적으로 학생 스스로 결과를 예측한 후, 모둠별로 예측한 사항을 서로 공유하여 모둠을 대표하는 예측 결과를 합의해 봅니다.
관찰 단계에서는 실제 산과 염기 수용액을 혼합하는 실험을 수행합니다. 모둠별로 각자 정해진 역할을 수행하며 실험에서 나타나는 변화를 관찰하면서 혼합 용액의 온도와 pH를 측정합니다. 관찰과 측정의 결과는 모둠원이 함께 공유합니다.
설명 단계에서는 실험 후 나타난 결과에 대한 이유에 대해 고민해 봅니다. 우선 개별적으로 학생 스스로 결과가 나타나는 이유를 설명한 후, 모둠별로 설명한 사항을 서로 공유하여 모둠을 대표하는 설명을 합의해 봅니다.
정리 및 평가 단계에서는 교사가 주도하여 전체 실험 과정과 결과에 대한 내용을 정리하며 모둠별로 모둠 내에서 모둠원에 대한 동료 평가 및 자기 평가를 실시합니다.
화학변화에 대한 탐구 활동의 특징 2)
실험 시 안전 사항 및 주의 사항 (1)
산과 염기를 사용하는 실험에서는 특히 용액이 손에 묻는 경우 즉시 흐르는 물로 충분히 씻어야 합니다. 만일 산이 묻었을 때 염기를 이용하여 중화하면 더 심한 화상을 입을 수도 있음을 강조합니다.
다음으로 실험 후의 기구 등을 깨끗이 세척하지 않으면 용액이 남아 있어 다음 실험의 결과에 영향을 줄 수 있음을 강조하여 흐르는 물에 반복하여 헹구어 깨끗이 세척하도록 지도합니다.
실험 후 사용한 용액들은 폐수통에 반드시 처리하도록 지도합니다.
시약 및 기구 준비 (2)
시약 및 기구 준비
준비물 주요 특징
묽은 염산, 수산화나트륨 수용액, 눈금 실린더, 비커, 만능 지시약,
디지털 온도계, pH 미터
같은 농도의 묽은 염산과 수산화나트륨 수용액을 준비해 야 같은 부피끼리 반응할 때 완전히 중화됨.
만능지시약의 색을 통해 혼합 용액의 액성을 추측할 수 있 음.
혼합 용액의 온도가 가장 높은 경우에 중화 반응이 가장 많이 일어났음을 확인할 수 있음.
측정을 통해 혼합 용액의 정확한 액성을 판단할 수 있 pH
음.
시약을 준비하는 교사의 입장에서 진한 농도의 용액을 사용하면 실험 결과가 보다 뚜렷하게 나타날 수 있지만 위험할 수 있고, 묽은 농도의 용액을 사용하면 위험성은 줄어들지만 실험 결과가 뚜렷하게 나타나지 않을 수 있기 때문에 적정 농도를 판단하는 것은 매우 중요합니다. 특히 이 실험에서 진한 용액을 사용하면 온도 변화는 뚜렷하게 나타나지만 일반적인 pH 미터의 측정 범위 pH 0~14를 벗어날 수 있고, 묽은 용액을 사용하면 pH 0~14의 적정 범위에서 결과가 나타나지만 온도 변화가 뚜렷하게 나타나지 않을 수도 있습니다. 그래서 대부분의 산과 염기의 반응 실험에서 온도와 pH를 동시에 측정하는 실험은 교과서에 제시되지 않습니다.
대략 0.25M 정도의 용액을 사용하면 온도와 pH를 적정 범위에서 측정할 수 있습니다. 묽은 염산을 제조할 때 시약용 진한 염산(36.5%)의 경우 몰농도가 12M 정도이므로 물 당 염산 를 조심스럽게 섞어 배로 희석하면 됩니다 수산화나트륨 수용액은
47mL 1mL 48 .
몰 을 물에 녹여 부피플라스크에 수용액을 만들면 됩니다
10g(0.25 ) 1L 1L .
실험 기구 사용법 (3)
디지털 온도계와 pH는 본 수업 이전에 별도의 시간에 실험 기구 사용법을 교육하여 학생 한명, 한명이 직접 사용해보면 원활한 실험 수업 진행을 할 수 있습니다.
본 수업 초기에 실험 기구 사용법까지 다루게 되면 실제 탐구 수행 시간이 매우 짧아져 차시에 끝내기 어렵습니다 이 경우 예측 관찰 단계까지 수행하고 설명 단계부터는
1 . ,
차시에 진행할 수 있습니다
2 .
특히 학생들은 눈금실린더나 피펫을 이용하여 용액의 부피를 측정하여 비커로 옮기는 절차에서 흔히 실수를 하게 됩니다. 즉 바로 비커의 눈금으로 용액의 부피를 맞추는 경우도 있는데 이 경우 부피의 오차가 생각보다 크게 나타납니다. 즉 비커의 눈금은 신뢰할 수 없고 비커마다 같은 눈금의 부피가 다르다는 사실도 실험 기구 사용법에서 다루면 좋습니다.
모둠 편성 (4)
인 모둠씩 모둠인 명 학급의 예를 들겠습니다 학생들이 많이 제기하는 이의
4 1 6 24 1 .
사항이 바로 모둠 활동에서의 기여도 차이입니다. 일반적으로 번호순이나 랜덤으로 모둠을 편성하는 경우 모둠 간 편차와 모둠 내 편차가 다양하게 나타납니다.
따라서 사전에 모둠을 편성하거나 수업 초 모둠을 편성할 때, 모둠별로 모둠원의 역할을 먼저 설명하고 원하는 역할을 스스로 선택하게 한 후 모둠별로 조합을 하거나 아니면 모둠장을 먼저 자발적으로 6명을 선발한 후 각 모둠장에게 1명의 모둠원을 지명할 수 있는 권리를 주고 나머지 모둠별 2명은 랜덤으로 선정할 수도 있습니다. 학생들의 경우 교사가 합리적으로 편성한 모둠보다도 본인들이 선택한 모둠에 더욱 애착을 가지는 경향이 있습니다.
모둠 내 역할은 이끔이 역할( 배분, 토의 진행 등), 꼼꼼이 기구( , 용액 준비, 관찰 사항 기록 등), 깔끔이 기구( 세척, 폐수 처리 등) 등의 예처럼 교사가 사전에 제시할 수도 있고
아니면 모둠 내에서 협의를 통해 적절히 역할을 배분할 수도 있습니다.
예측 단계 (5)
수업 모형의 핵심 단계이면서 학생들이 모둠 활동 안에서도 개별 활동을 진행할 수 POE
있는 단계입니다. 각자 실험에서 나타날 변화를 스스로 예측한 후 각자의 예측을 모둠원이 공유하여 의견을 교환하고, 모둠을 대표할 수 있는 결과 예측을 합의하는 등 과학적 의사소통능력을 함양하는 계기를 만들게 됩니다.
관찰 단계 (6)
실제 실험을 수행하며 나타난 결과를 관찰하여 기록하는 단계로 이미 예측을 한 상황에서 본인의 예측이 맞는지 확인한 후 실험을 수행하는 학생들의 몰입도는 상당히 높아집니다. 이 경우 다양한 기구 온도계( , pH미터 등 를) 여러 명이 나누어 담당하면서 협업의 중요성도 깨닫게 됩니다.
설명 단계 (7)
실험 결과가 나타나게 된 이유를 설명하고 예측한 결과와 실제 실험 수 나타난 결과가 일치하는지를 확인하는 단계로 이미 학생들은 선수 학습과 전시 학습을 통해 화학 반응이 일어나면 반응하는 반응물과는 성질이 다른 생성물이 생성된다는 사실과 산, 염기의 공통적인 성질 등을 이해하고 있으므로 화학 반응식을 이용하여 실험 결과를 설명할 수 있습니다.
예측 단계와 마찬가지로 각자 실험에서 나타난 변화에 대하여 스스로 설명한 후 각자의 설명을 모둠원이 공유하여 의견을 교환하고, 모둠을 대표할 수 있는 결과 설명을 합의하는 경험을 할 수 있습니다.
평가의 과정 (8)
평가의 경우 보고서 평가와 모둠 평가가 활용될 수 있습니다. 교사는 보고서의 내용을 바탕으로 결과의 정확성과 설명의 타당성 등을 평가할 수 있습니다. 다음은 평가 내용과 기준의 예시입니다.
평가 내용과 기준 예시
평가 항목 평가 내용/ 평가 기준 평정
예측하기
예측 활동을 수행하여 자신의 생각을 글로 표현할 수 있다 예측 과정 유무.(
에 대한 평가)
1 / 2 관찰하기 실험의 결과를 정확하게 측정할 수 있다. 1 / 2 / 3
설명하기
실험의 결과로부터 혼합 용액의 액성을 정확하게 판단할 수 있다. 1 / 2
실험의 결과가 나타나는 이유를 과학적으로 설명할 수 있다. 1 / 2 / 3 합계
교사 평가와 더불어 모둠 평가를 통해 동료 평가와 자기 평가를 실시할 수 있습니다.
특히 모둠 평가는 모둠원과 자신의 활동을 피드백함으로써 한 단계 성장할 수 있는 계기를 제공합니다. 모둠 평가의 결과는 전체 평가에 포함할 수도 포함하지 않을 수도 있습니다. 다음은 모둠 평가 중 동료 평가지의 예시입니다.
모둠 평가 중 동료 평가지의 예시
본인을 포함하여 우리 모둠의 모든 모둠원의 역할에서 잘한 점과 아쉬운 점 등 기여도를5단계로 평가하 시오.
5 4 3 2 1
매우 우수 우수 보통 미흡 매우 미흡
번호 이름 잘한 점 아쉬운 점 기여도
단계 평가 5
번
번
번
번
다음은 모둠 평가 중 자기 평가지의 예시입니다.
모둠 평가 중 자기 평가지의 예시
이번 모둠 활동에서 본인의 활동에 대하여 잘한 점 아쉬운 점을 포함하여 전체적으로 평가하시오, . (특히 이전 수행 평가보다 발전한 점이 있다면 꼭 적어주세요.)
잘한 점
○
아쉬운 점
○
발전한 점
○
평가: 매우 만족/ 조금 만족/ 보통/ 조금 부족/ 매우 부족 이번 모둠 활동을 통해 배우고 느낀 점을 구체적으로 쓰시오.
학생의 활동지 결과 기록표 일부 예시 (9)
학생의 활동지 결과 기록표 일부 예시
실험 혼합 용액( ) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
수용액의 부피
HCl (mL) 22 24 26 28
수용액의 부피
NaOH (mL) 28 26 24 22
수용액의 처음 온도 HCl (℃)
수용액의 처음 온도 NaOH (℃) 혼합 용액의 최고 온도(℃) 혼합 용액의 최고 온도(℃)
수용액의 처음 온도 NaOH (℃) 혼합 용액의 pH
측정 시 온도 pH (℃) 지시약의 색
혼합 용액의 액성 산성 중성 염기성 ( , , )
