3학년 ‘혼합물 분리’ 단원 지도와 교재연구

김인환․최원수(대구대학교)

Ⅰ. 머리말

이 지구상에는 철이나 물과 같이 하나의 물질로 된 순물질과 여러 가지 물질로 이루어진 소금물과 같은 혼합물이 존재한다.

두 가지 이상의 순물질로 이루어진 혼합물을 물질의 크기, 밀도, 끓는점 등과 같은 물질의 물리적․화학적 성질을 이용하여 분리할 수 있다.

본 단원을 통하여 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 여러 가지 혼합물을 분리하는 방법을 학습하게 되는데, 시각장애 학생들이 시각을 제외한 촉각 등의 감각을 최대한 활용할 수 있도록 교수학습활동을 계획하고, 수행해 나가야 한다.

물질의 분리에 대한 기초개념을 형성하기 위하여 설정되어진 초등학교 3학년의 ‘혼합물 분리’ 단원의 학습지도를 위한 수업전략과 과학탐구 방법에 관한 방안을 살펴보고자 한다.

Ⅱ. 이론적 배경

1. ‘혼합물 분리’ 단원의 특징

이 단원에서는 혼합물에서 순수한 물질을 얻기보다 서로 다른 속성을 지닌 물질로부터 비슷한 속성을 지닌 물질로 분리하는 것을 배우게 된다.

예를 들면, 자석에 붙는 것과 자석에 붙지 않는 것이 섞여 있는 혼합물로부터 자석에 붙는 것과 자석에 붙지 않는 것을 분리해내는 활동, 또는 물에 녹는 것과 물에 녹지 않는 것이 섞여 있는 혼합물로부터 물에 녹는 것과 물에 녹지 않는 것을 분리해내는 활동 등이다.

이 단원에서는 여러 가지 분리 방법을 생각하고 이에 따라 분리를 시도해 봄으로써 학생들의 창의성을 길러 주도록 하고 있다.

학생들이 혼합물 분리 방법을 찾아낼 수 있도록 적절한 단서를 제공하되 학생들 스스로 분리 방법을 고안해냈다는 성취감을 가지도록 하는 것이 매우 중요하다.

이 단원에서 다루는 고체와 액체 혼합물의 분리는 5학년 ‘용해와 용액’에서 용매의 종류와 양, 그리고 용매의 온도에 따라 녹는 고체의 양을 비교하는 활동의 기초가 된다.

‘혼합물 분리’에 관한 내용 전개는 다음과 같다.

(8) 혼합물 분리

(가) 고체 혼합물을 분리하는 방법을 설명할 수 있다.

(나) 서로 섞이지 않는 액체의 혼합물을 분리하는 방법을 설명할 수 있다.

(다) 고체외 액체의 혼합물을 분리하는 방법을 설명할 수 있다.

(라) 일상생활에서 혼합물을 분리하는 방법이 이용되는 예를 말할 수 있다.

[탐구활동]

(가) 알갱이의 크기, 자석의 성질 등을 이용한 고체 혼합물 분리하기

(나) 서로 섞이지 않는 액체 혼합물 분리하기

(다) 거름, 증발 실험하기

먼저 혼합물에서 순물질의 용어는 도입하지 않으며, 자석의 성질, 알갱이의 크기, 물에 녹는지의 여부 등 학생들이 경험적으로 가지고 있는 물질의 성질에 대한 기본적인 지식을 이용하여 고체 혼합물은 분리할 수 있는 방법을 생각해 보게 하고, 실제 활동을 통하여 탐구의 즐거움도 경험하도록 한다.

다음으로 간단한 기구 등을 사용하여 서로 섞이지 않는 액체의 수준에서 액체 혼합물을 분리해 보는 기회를 제공하도록 한다.

또한 여러 혼합물 중 가장 흔히 접하는 고체와 액체가 섞인 혼합물을 분리하는 방법에 관하여 다룬다.

먼저 물에 섞인 고체 중에서 물에 녹는 물질과 녹지 않는 물질로 구분하여 혼합물을 분리하는 방법이 다름을 설명한다. 고체와 액체의 혼합물을 분리하기 위해서 거름 혹은 증발의 방법이 가능한데, 액체에 녹지 않는 고체를 분리하는 경우, 거름 장치를 사용하여 분리하는 방안을 학생 스스로 찾아내는 것은 다소 어려울 수 있으므로 눈의 크기가 다른 체를 이용한 고체 혼합물의 분리 등을 예로 들어 설명할 수 있을 것이다. 소금물과 같이 액체에 녹아 있는 고체 물질의 경우에는 걸러서 분리할 수 없음을 알게 하고, 증발과 같은 다른 적절한 방법으로 액체를 제거함으로써 녹아 있는 고체 물질을 얻어낼 수 있음을 이해하게 한다.

나아가 마지막으로 일상 생활에서 여러 혼합물을 찾아보고 학습한 내용을 바탕으로 학생 수준에서 혼합물을 각각의 성분으로 분리할 수 있는 방법을 설명해보게 함으로써 일상생활에서 이용되는 혼합물 분리의 예들을 수업 시간에 배운 내용과 연결시킬 수 있도록 한다.

그리고 시각장애가 있는 학생들인만큼 실험기구 사용뿐만 아니라 실험 중 발생할 수 있는 상해나 화상 등에 대한 예방 방법과 조치 등을 반드시 사전에 지도하도록 한다.

2. 혼합물 분리

1) 물과 식용유가 섞이지 않는 이유 - 극성과 비극성

용매에는 물, 에탄올, 아세톤 등과 같이 극성을 띤 용매와 벤젠, 석유, 사염화탄소 등과 같이 극성을 띠지 않는 비극성 용매가 있는데, 극성 분자는 극성분자끼리, 무극성 분자는 무극성 분자끼리 잘 섞인다. 에탄올은 물과 같이 극성을 띄어 물과 잘 섞이나, 기름은 무극성이라 물과 기름이 서로 섞이지 않고 두 층으로 분리된다.

2) 기름이 물 위에 떠 있는 이유 - 밀도

서로 섞이지 않고 밀도의 차이가 있는 두 액체 혼합물의 경우에는 밀도가 큰 액체는 밑으로 가라앉고 밀도가 작은 액체는 위에 떠서 두 층을 이루게 된다. 그래서 물과 기름이 두 층으로 분리될 때, 밀도가 작은 기름이 물 위에 떠 있는 것이다.

3) 증발과 끓음

고체나 액체의 표면에서 물질의 분자가 기체로 되면서 공기 중으로 날아가는 현상을 증발이라고 한다. 끓는점에 도달하지 않아도 증발이 일어나는 이유는 물질의 분자가 끊임없이 운동하기 때문이다. 물의 경우 표면의 물은 끊임없이 공기 중으로 나가 기체가 되고 공기 중의 물 분자는 다시 그릇으로 돌아와 액체가 된다. 더 이상 증발이 일어나지 않는 경우는 기체로 변하는 물 분자와 다시 액체가 되는 물 분자의 수가 같은 평형 상태가 될 때이다. 이때는 특정 온도에서 대기압이 포화수증기압에 도달하게 된 때이다.

증발 속도는 온도가 높을수록, 바람이 많이 불수록, 액체 표면의 넓이가 넓을수록 빠르게 일어난다.

일정 압력하에서 액체가 어느 일정 온도에 도달하면 액체 표면에서의 증발 외에 액체 내부에서도 기체화가 일어나기 시작하는데, 이 액체 전체에서 일어나는 기체화 현상을 끓음이라고 한다. 끓기 시작할 때의 온도를 끓는점이라고 하며 순수 액체에서는 일정 압력하에서 끓는점이 일정하게 유지되나 용액에서는 농도의 변화에 따라 끓는점이 변한다. 기벽 또는 액체 속의 먼지 등에 부착된 공기가 떨어져 나와 기체화되어서 그 압력이 외부 압력을 넘을 때 끓기 시작한다.

3. SSCS 문제해결 수업모형

SSCS 문제해결 수업모형은 Pizzini 등(1988)이 고안하고 정교화한 4단계 문제해결 전략으로서 문제를 해결하는 동안 각 단계를 반복할 수 있는 <그림 1>과 같은 순환적 구조를 가진다.

<그림 1> SSCS 문제해결 수업모형의 순환식 구조

이 모형은 Search(문제인식), Solve(문제해결), Create(발표물 창안), Share(발표 및 토의)의 단계별 활동으로 이루어진다.

SSCS 문제해결 수업모형은 학생들에게 결과를 발표, 토론하게 함으로써 창의적인 태도를 길러줄 수 있고, 과학 수업 전반에 적용되어 학생들의 개념 이해 및 문제해결력의 향상에 성공적이고 창의적으로 활용될 수 있다는 장점이 있다. (Pizzini et al., 1988)  SSCS 문제해결 수업모형의 각 단계에서 학생의 문제해결 활동은 <표 1>와 같다.

<표 1> SSCS 문제해결 수업모형의 각 단계에서 학생의 문제해결 활동

Search (문제인식)	․ 문제의 인식과 발전을 용이하게 하는 브레인스토밍(brainstorming) 이나 아이디어 형성 기술(idea generating skill)을 포함 ․ 학생들은 시범 실험, 잡지나 신문 기사, 야외조사, 과학 교과서 등을 통해 문제를 발견 및 선택하고, 문제 선택의 기준을 밝히며 문제를 연구 가능한 형태로 진술함 ․ 학생들은 기존의 개념적 인지 구조에 기초해서 문제를 확인하고 정의함
Solve (문제해결)	․ 학생들은 앞 단계에서 정교화한 문제에 대해 해결 방안을 세우고 실행함
Create (발표물 창안)	․ 문제의 해와 관련된 결과물을 만들어 내고 그것을 문제와 비교하여 일반화하고 수정함 ․ 학생들은 자신의 사고 과정을 평가함
Share (발표 및 토의)	․ 발표물 창안 단계의 결과물에 기초한 복합적 상호작용을 통해 자신의 생각을 명확히 하면서 피드백 ․ 자신이 구한 해(solution)에 관하여 신중히 검토함으로써 다시 잠정적인 연구 문제 창출

Ⅲ. 단원지도를 위한 과학탐구상자

1. 차시별 과학탐구상자 개요

차시	활동 주제	탐구활동
1	모래와 철가루 혼합물의 분리	수준1: 여러 가지 종류의 물질을 통해 ‘자석’의 성질을 이해하기.
		수준2: 모래와 철가루의 성질과 여러 가지 분리방법을 이용하여 모래와 철가루 혼합물을 분리하는 방안을 찾기.
2	쌀과 콩 혼합물의 분리	수준1: ‘체’ 모형을 이용하여 거름의 원리를 이해하기.
		수준2: 쌀과 콩의 성질과 여러 가지 분리방법을 이용하여 쌀과 콩 혼합물을 분리하는 방안을 찾기.
3	물과 식용유 혼합물의 분리	수준1: 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 액체들은 무엇이며 어떠한 성질을 가지고 있는지 알아보기.
		수준2: 물과 식용유의 성질과 여러 가지 분리방법을 이용하여 물과 식용유 혼합물을 분리하는 방안을 찾기.
4	설탕과 모래 혼합물의 분리	수준1: ‘거름’과 ‘증발’이 무엇인지 이해하기.
		수준2: 설탕과 모래의 성질과 여러 가지 분리방법을 이용하여 설탕과 모래 혼합물을 분리하는 방안을 찾기.
5	여러 가지 물질이 섞여있는 혼합물의 분리	학습한 방법들을 이용하여 철가루, 모래, 설탕, 콩이 섞여 있는 혼합물을 차례차례 하나씩 분리하기.

2. 과학상자 교구 목록

연번	실험 기구명	세부사항	관련 차시
1	철가루, 모래 분리	자석 2개, 철가루 1pack, 모래, 쟁반2개, 비닐봉지, 고무줄	1, 5
2	동전 찾기	금속 탐지기 2개, 동전, 모래, 쟁반 2개	1
3	체 모형	체 모형, 크기가 다른 2가지 공	2
4	쌀과 콩 분리	3단 체, 쌀, 콩	2, 5
5	섞이지 않는 액체 분리	분별깔때기, 물, 식용유, 자동마개, 비커, 휴지	3
6	설탕, 모래 분리	설탕, 모래, 거름종이, 알코올램프, 삼발이, 석면철망, 증발접시, 비커, 물	4, 5

Ⅳ. 적용

1. 지도안 예시(1)

주제	모래와 철가루 혼합물의 분리		차시	1/5
학습목표	모래와 철가루 혼합물을 분리할 수 있는 방안을 찾는다.
학습관련요소	수업모형		학습자료
	문제해결식 수업 모형(SSCS)		자석, 철가루, 모래, 유리병, 지우개, 쟁반, 비닐봉지, 고무줄, 금속 탐지기, 동전, 모래, 모래상자
학습단계	학습요항	교수․학습 활동		자료 및 유의점
문제인식	문제상황 제시	ㆍ철가루와 모래를 따로 분리해야하는 문제 상황을 인식한다.		물질별로 각각 3~4가지의 성질을 제시하고 그러한 성질을 이용하는 방안의 예시를 제시한다. 단순한 기술적ㆍ조작적 방법이 아닌 각각의 물질들이 가진 성질의 차이에 중점을 두어 지도한다.
문제해결	실험설계	ㆍ철가루와 모래에 대한 다양한 성질과 혼합물 분리에 대한 여러 가지 실험방법을 제시받는다. ㆍ철가루와 모래의 성질 차이를 이용하여 분리할 수 있는 방법을 고안하여 결과를 예측하고 발표한다.
	실험수행	ㆍ각 모둠별로 고안한 실험을 수행하며, 실험결과를 얻어낸다.
	자료해석	ㆍ실험결과를 통해 철가루와 모래를 분리해낼 수 있는 적절한 방법이었는지를 판단한다.
발표물 창안	발표준비	ㆍ수행한 방안의 구체적인 과정과 결과를 공유할 수 있도록 요약 정리한다.
발표 및 토의	의사교환 및 평가	ㆍ수행한 방안의 구체적인 과정과 결과를 공유하고, 자기 조와 다른 조의 결과를 비교하고 반성하며, 다른 조의 결과를 평가한다.
	응용문제해결	ㆍ모래사장에서 동전을 잃어버렸을 때 찾는 방법을 모색해보고, 금속 탐지기를 이용한 방법을 관찰한다.

2. 지도안 예시(2)

주제	여러 가지 혼합물의 분리		차시	5/5
학습목표	여러 가지 물질이 섞여있는 혼합물을 분리할 수 있다.
학습관련요소	수업모형		학습자료
	문제해결식 수업 모형(SSCS) 모둠 간 게임 방식		자석, 철가루, 모래, 쟁반, 비닐봉지, 고무줄, 쌀, 콩, 2가지 종류의 체, 설탕, 거름종이, 알코올램프, 삼발이, 석면철망, 증발접시, 비커, 물
학습단계	학습요항	교수․학습 활동		자료 및 유의점
문제인식	문제상황 제시	ㆍ철가루, 모래, 설탕, 콩이 섞여 있는 혼합물을 따로 분리해야하는 문제 상황을 인식한다.
문제해결	실험설계	ㆍ혼합물 분리 단원을 학습하면서 배운 여러 가지 분리방법을 다시 되새긴다. ㆍ철가루, 모래, 설탕, 콩의 성질 차이를 이용하여 분리할 수 있는 방법을 고안한다.		물질의 각 성질과 계속된 분리에 지장이 없는 순서를 고려하도록 지도한다.
	실험수행	ㆍ4가지 물질의 혼합물을 분리하기 위해 각 모둠별로 고안된 실험을 수행하며, 실험결과를 얻어낸다.
	자료해석	ㆍ실험결과를 통해 4가지 물질을 분리해낼 수 있는 적절한 방법이었는지를 판단한다.
발표물 창안	발표준비	ㆍ수행한 방안의 구체적인 과정과 결과를 공유할 수 있도록 요약 정리한다.
발표 및 토의	의사교환 및 평가	ㆍ수행한 방안의 구체적인 과정과 결과를 공유하며 자기 조와 다른 조의 결과를 비교하여 반성하고, 다른 조의 결과를 평가한다. ㆍ가장 정확하게 신속하게 분리를 해낸 모둠을 시상한다.

토론/연구과제

1. 단순히 조작적 방법에 의한 물질의 분리가 아닌 각 물질의 고유한 물리적ㆍ화학적 성질에 대한 이해를 바탕으로 물질을 분리하였는지 확인할 수 있는 방법은 무엇인가?

참고문헌과 전산정보

교육인적자원부(2007). 초등학교 교육과정. 교육인적자원부 고시 제2007-79호.

교육인적자원부(2008). 기본교육과정. 교육인적자원부 고시 제2008-3호.

한국교육과정평가원(http://www.kice.re.kr) 2007년 개정 교육과정해설(4) 과학

한국교원대학교 과학교육연구소(2006). 초등학교 과학탐구수업 지도자료(4학년 화학편)

Pizzini, E. L., Abell, S. K., & Shepardson, D. P.(1988). Rethinking thinking in  the science classroom. The Science Teacher, 55(1), 22-25.