5학년 ‘용해와 용액’ 단원 지도와 교재 연구

차정호․김학범(대구대학교 과학교육학부)

I. 머리말

용해란 녹는 물질인 용질이 녹이는 물질인 용액 사이로 고르게 퍼져나가는 현상을 말하는 것으로, 정안 학생들에게도 이해시키기에 까다로운 개념 중 하나이다. 그 이유는 용해의 결과로 용질이 되는 물질이 용액 속에 고르게 퍼지면서 사라지기 때문이다. 즉, 용해 뒤의 현상에 대해서는 시각적으로 관찰할 수 없다. 따라서 어떤 면에서 보면, 용해라는 현상에 대한 이해 여부는 시각적인 관찰 가능 여부와 관련이 적을 수도 있다. 이 강좌에서는 용해라는 개념을 현상적으로 다루고 있는 초등학교 5학년의 ‘용해와 용액’ 단원 학습 지도를 위해 과학탐구를 촉진하기 위한 수업 전략을 활용하는 방안을 살펴보고자 한다.

II. 이론적 배경

1. ‘용해와 용액’ 단원의 특징

국민공통기본교육과정의 시작 단계인 3, 4학년에서는 주로 순수한 물질에 대해 다루는 것에 비해 5학년의 ‘용해와 용액’ 단원에서는 혼합물을 대상으로 하여, 용해 과정과 용해 과정에 영향 주는 여러 요인을 중심으로 다루게 된다. 혼합물에 대한 내용으로 3학년 과정에서 고체와 액체 혼합물의 분리를 다루는데, 이때는 고체와 액체의 성질을 이용한 분리 방법에 초점이 있다. 반면 5학년 과정의 ‘용해와 용액’ 단원에서는 고체가 액체에 녹아 들어가는 용해에 대한 설명과 함께 용해 과정에 영향을 주는 요인(주로 온도)에 대하여 다루게 된다. 이렇게 학습한 내용은 9학년 ‘물질의 특성’에서 다루는 용해도 개념과 질량보존의 법칙을 이해하기 위한 기초가 된다.

용해에 관한 내용 전개는 다음과 같다.

(2) 용해와 용액

㈎ 용질의 녹는 양은 용매의 종류와 양에 따라 다름을 안다.

㈏ 온도와 용질의 녹는 양과의 관계를 설명할 수 있다.

㈐ 용해 전과 후의 무게가 변하지 않음을 안다.

[탐구 활동]

㈎ 여러 가지 용매에 따른 물질의 용해 정도 관찰하기

㈏ 물질의 녹는 양과 온도의 관계 알아보기

㈐ 용해 전과 후의 무게 측정하기

우선, 고체 물질이 액체에 녹는 양에 초점을 두어 용매의 종류에 따라 용질의 녹는 양이 달라질 수 있음을 설명한다. 어떤 용질이 용해되었는지 그렇지 않은지는 관찰을 통해 판단하도록 하고 있다. 다음으로 온도 변화에 따른 녹는 양의 변화를 다루게 되는데, 이때 특정 온도에서의 녹는 양을 정량적으로 측정하거나 그 결과를 다루지는 않고, 온도가 높아질수록 녹는 양이 많아진다는 수준에서 이해할 수 있도록 지도하게 된다. 한편으로는 용질을 녹일 때 도구를 사용하여 저어 주는 것이 빨리 녹이는 데 도움이 되지만, 더 많이 녹이는 것이 아님을 명확하게 인식시킬 필요가 있다. 마지막으로 용해 전에 용질과 용액의 무게의 합과 용액의 무게가 같은 것을 실험을 통해 비교함으로써 용해 전후에 무게 변화가 없음을 설명한다.

2008년에 개정된 기본교육과정(교육인적자원부 고시 제2008-3호)에서 ‘용해와 용액’과 관련된 내용을 살펴보면, 용해와 관련된 직접적은 내용은 제시되어 있지 않다. 다만, 용액을 만드는 데 사용되는 고체 물질과 액체 물질의 특징을 조사하는 데 필요한 ‘맛 변별’, ‘냄새 변별’, ‘촉감 변별’ 등의 내용으로 그 연관성을 찾을 수 있겠다.

2. 용해와 용액

1) 용해

용해란 두 종류 이상의 물질이 고르게 섞이는 과정을 말한다. 이 단원에서 다루게 되는 가루 물질이 물과 같은 액체에 녹는 현상도 다른 물질이 섞이게 되므로 용해에 해당한다. 미시적 관점에서 표현하자면, 용해란 서로 다른 물질의 분자들이 고르게 섞이는 과정인 것이다(그림 1). 고체인 가루 물질이 액체 상태인 물 분자 사이로 고르게 섞이면서(녹으면서), 분자들 사이의 거리가 멀어지게 되므로 거시적인 관점에서는 그 형체가 사라지게 되는 것이다.

<그림 1> 용해 과정

용해라는 현상 자체는 입자와 입자 사이에 작용하는 상호작용과 관계가 있다. 물질을 구성하는 입자들 사이에는 서로 인력이 작용하는데, 예를 들면 설탕을 물에 녹이게 되면 설탕과 설탕, 설탕과 물, 물과 물 입자 사이에 인력이 작용하게 된다. 여기에서 그 어떤 힘보다도 설탕과 물 사이에 작용하는 인력이 크게 되면 설탕이 물 속으로 퍼져 나가게 되는데 이것이 바로 녹는 현상(용해)인 것이다.

2) 가루 물질을 빠르게 녹이는 방법

가루 물질을 빠르게 녹이는 방법으로 젓기와 온도 높여주기를 들 수 있다. 가루 물질은 우리 눈으로 보기에는 작은 알갱이지만 실제로는 굉장히 많은 입자들의 덩어리라고 할 수 있다. 이들이 녹으려면 입자들이 서로 결합한 것을 떼어내야 용매 사이로 퍼져 나갈 수 있게 된다. 또한 용해가 일어나기 위해서는 가루 물질을 구성하는 분자와 용해 분자 사이에 인력이 작용하도록 환경을 조성해 줘야 한다. 이러한 상황에서 막대를 이용하여 저어주게 되면 결합하고 있는 가루 입자들을 서로 떼어내 주고, 용매 입자 사이에 인력이 작용할 수 있도록 환경을 만들어주기 때문에 빨리 녹게 되는 것이다.

온도를 높여주게 되면 입자들의 운동이 활발해지게 되는데, 이 활발한 운동 때문에 결합한 입자들이 잘 떨어지도록 해주고, 가루 물질과 용매가 서로 상호작용할 수 있도록 도와주게 된다.

3. 5E 수업 모형

5E 과학과 수업모형은 교실 현장에서 과학교육을 보다 효율적으로 수행하기 위한 하나의 수업 접근법이라고 할 수 있다. 명칭에 나타난 것처럼  5E 모형은 Engage(개입), Explore(탐색), Explain(설명), Elaborate(정교화), Evaluate(평가)로 이루어진 5단계의 학습 활동이다. 이 모델은 BSCS (Biological Science Curriculum Study)라는 생물 교육과정 개발 프로젝트의 근간이 된 것으로, 이 접근법을 통해 학생들 스스로 자신의 과학 개념 학습을 향상시키는 데 도움을 제공하고자 하였다(Bybee, 1997). 이는 학생들의 능동적인 활동을 강조한다는 점에서 구성주의와 관련된 수업의 좋은 예라고 볼 수 있다. 즉, 과학 수업을 학생들이 정보를 수동적으로 받아들이는 것이 아니라, 학생들의 기존 경험과 새로운 탐구로부터 얻은 지식을 바탕으로 자신만의 의미를 구성해 가는 과정으로 본 것이다. 특히 과학 학습에서 학생들의 흥미 유발하는 현상으로부터 시작하여 그들의 호기심을 만족시켜줄 수 있는 심도 있는 탐구를 통해 새로운 과학적 개념을 형성해가게 된다. 이 과정에서 무엇보다도 교사의 역할이 중요한데, 학생들이 자기 주도적으로 지식을 구성해 갈 수 있도록 지원하고 격려하는 것이 필요하다. 5E 모형의 전반적인 절차는 다음 <표 1>과 같다(Miami Museum of Science, 2001).

<표 1> 5E 모형의 수업 절차

Engage 개입	∙어떤 사건이나 질문에 대해 학생들의 흥미와 호기심을 유발하고, 학생들이 이미 알고 있는 것과 연관을 시킴 ∙질문하기, 놀라운 사건 보여주기, 문제 상황 제시하기 등
Explore 탐색	∙소그룹을 통하여 탐구활동 수행 ∙교사의 지도하에 주요 개념과 기술에 대한 사전지식 명료화
Explain 설명	∙학생은 자신이 이해한 것을 동료 학습자나 교사에게 설명 ∙교사는 학생들의 발표 내용에 용어 도입
Elaborate 정교화	∙학습한 새로운 개념이나 사고유형을 다른 상황에 적용 ∙학습 내용을 실제 세계와 연결하여 탐구나 이해를 심화시킴
Evaluate 평가	∙학생들은 자신의 지식, 기술, 능력을 평가 ∙교사는 학생들의 향상 정도를 평가함

III. 단원지도를 위한 과학탐구상자

1. 차시별 과학탐구상자 개요

차시	활동 주제	탐구활동
1	여러 가지 가루 물질 물에 녹이기	-여러 가지 가루 물질의 냄새, 촉감, 맛 관찰하기 -관찰 결과들을 기초로 용질 추리하기
		-용질을 물에 넣고 현상 관찰하기 -용질이 든 용액들 비교하기
2	여러 가지 용매에 따른 가루 물질 녹이기	-용매의 냄새, 촉감, 맛 관찰하기 -관찰 결과들을 기초로 용매 추리하기
		-용질을 용매에 넣고 현상 관찰하기 -용질이 든 용액들을 비교하기
3	용매의 양에 따라 용질의 녹는 양 관찰하기	-메스실린더를 사용하여 일정한 양의 용매 옮겨 붓기
		-윗접시저울을 사용하여 일정한 양의 용질 무게 측정하기
		-용매의 양을 달리하여 녹이기 -용매에 넣은 용질의 양과 녹은 상태 비교하기
4	찬 물과 따뜻한 물에 동일한 양의 용질(설탕) 녹이기	-찬 물과 따뜻한 물의 온도 차이에 대한 느낌 표현하기
		-찬 물과 따뜻한 물에서 소금(설탕)의 상태 비교 관찰하기
5	용매에 용질을 빨리 녹이기	-유리 막대로 저어주기, 가루로 만들기, 온도를 높여주기 등에 따라 용해 속도 비교하기
6	용해 전과 후의 무게 비교하기	-메스실린더를 사용하여 일정한 양의 용매 옮겨 붓기 -저울(수평, 양팔, 전자 등)을 이용하여 무게 측정

2. 교구 목록

연번	실험 기구명	세부사항	관련 차시
1	여러 가지 용질	[식용] 소금, 설탕, 커피, 콩가루, 고춧가루, 생강가루, 마늘가루, 들깨가루, 와사비, 각설탕, 후추, 밀가루 [비식용] 염화나트륨	1,2,3,4,5,6
2	여러 가지 용매	[식용] 물, 식용유, 오렌지 주스, 콜라, 사이다, 포도 주스, 레몬주스, 사과식초, 간장 [비식용] 아세톤,	1,2,3,4,5,6
3	용질을 담을 플라스틱 통	플라스틱 재질이며 뚜껑이 있을 것	1,2,3,4,5,6
4	용매를 담을 플라스틱 통	플라스틱 재질이며 뚜껑이 있을 것	1,2,3,4,5,6
5	수조	플라스틱 재질의 기존 실험 기구	1,4,5,6
6	스탠드	기존 실험 기구	2
7	비커	기존 실험 기구	1,2,3,4,5,6
8	실		2
9	헝겊주머니	복주머니형태의 주머니	2
10	메스실린더	시각장애학생을 위한 개발된 실험 기구	3,4,5,6
11	윗접시 저울	기존 실험 기구에 분동 무게를 점자로 표시	3,4,5,6
12	가열장치	전기포트	4,5
13	유리막대	기존 실험 기구	5
14	막자	기존 실험 기구	5
15	막자사발	기존 실험 기구	5

IV. 적용

1. 지도안 예시(1)

주제	가루 물질 관찰하기		차시	1/6
학습목표	1) 감각을 사용하여 여러 가지 가루 물질을 특징을 관찰할 수 있다. 2) 여러 가지 가루 물질을 물에 녹여보고 용해를 이해할 수 있다.
학습관련요소	수업모형		학습자료
	5E 모형		여러 가지 가루 물질(소금, 설탕, 커피, 콩가루, 고춧가루 등), 용질을 담을 플라스틱 통, 수조
학습단계	학습요항	교수․학습 활동		자료 및 유의점
개입	흥미유발	․우리 집에서 접할 수 있는 가루 물질에는 어떤 것들이 있을지 발표시킨다.
탐색	문제제시	․일상생활에서 볼 수 있는 가루 물질을 구별하는 방법을 생각해 보게 한다. ․소금이나 설탕을 예로 들어 어떻게 구별할 수 있을지 생각해 보게 한다. ․다양한 가루 물질들은 물에 넣었을 때 어떤 변화가 있을지 질문한다.
	탐색 및 관찰	․물에 다양한 가루 물질을 녹일 때 공통적으로 나타나는 현상을 조사한다. ․주방에서 구할 수 있는 가루 물질들이 물 속에 들어가면 어떻게 되는지 발표시킨다.		학생들이 촉각을 이용하여 관찰하도록 지도한다.
	결과 발표 및 정리	․실험한 결과를 물에 녹는 것과 녹지 않는 것으로 구분하여 발표시킨다. ․가루 물질이 물에 녹았을 때의 현상을 정리해 준다.
설명	개념 설명	․가루 물질이 물에 녹는 현상을 용해라고 한다. ․물에 녹는 가루 물질을 용질이라고 하며, 가루 물질을 녹이는 물을 용매라고 한다.
정교화 및 평가	응용 문제 해결	․가루 물질이 아닌 기체가 액체에 녹아 있는 탄산음료의 경우, 용질과 용매는 무엇인지 해결해 보도록 한다.

2. 지도안 예시(2)

주제		가루 물질 관찰하기		차시	1/6
학습목표		1. 찬 물과 따뜻한 물의 온도 차이를 비교할 수 있다. 2. 찬 물과 따뜻한 물에서 소금의 상태를 비교할 수 있다.
학습관련요소		수업모형		학습자료
		5E 모형		가열장치, 비커, 메스실린더, 윗접시 저울, 물, 다양한 가루 물질, 수조
학습단계	학습요항		교수․학습 활동		자료 및 유의점
개입	흥미유발		․커피를 뜨거운 물에 타서 마시는 이유를 생각해 보게 한다.
탐색	문제제시		․소금과 설탕을 찬물과 따뜻한 물에 녹일 때 어느 쪽이 더 많이 녹겠는지 발표시킨다.
	탐색 및 관찰		․소금과 설탕을 찬물과 따뜻한 물에 녹이면서 어느 쪽이 많이 녹는지를 실험을 통해 조사한다.		비닐 장갑을 착용한 상태에서 용해 여부를 조사한다.
	결과 발표 및 정리		․학생들이 실험한 결과를 찬물의 경우와 따뜻한 물의 경우로 구분하여 발표시킨다. ․소금의 경우와 설탕의 경우를 구별하여 발표하도록 지도한다.
설명	개념 설명		․소금이나 설탕과 같은 가루 물질은 따뜻한 물에 많이 녹음을 설명해 준다. ․소금이나 설탕 이외의 다른 용질의 경우도 이와 같음을 설명한다.
정교화 및 평가	응용 문제 해결		․커피 가루를 따뜻한 물에 녹이는 이유를 설명해 보게 한다. ․녹차 티백을 뜨거운 물에 우리는 이유를 설명해 보게 한다.

토론/연구과제

1. 가루 물질이 완전히 용해된 이후에는 사라지기 때문에 시각적으로는 가루 물질의 존재 여부를 확인할 수 없다. 시각장애를 가진 학생에게나 정안 학생에게 이를 확인할 수 있도록 하려면 어떻게 지도해야 할까?

2. 용해 이후에는 시각장애 학생이나 정안 학생 모두 현상을 관찰할 수 없다. 용해 현상에 대한 이해 측면에서 시각장애 학생과 정안 학생 사이에는 어떤 차이가 있을까?

참고문헌과 전산정보

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

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

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

Miami Museum of Science (2001). Constructivism and the Five E's. http://www.miamisci.org/ph/lpintro5e.html