교육학석사학위논문

열과 온도에 대해 중등학생들이 지닌 개념 조사

서울대학교 대학원 과학교육과 물리전공

류재혁

논문요약 및 결론

1. 요약

학생들이 열과온도에 대해 학습하기 전에 가지고 있는 선입견과 오인을 정확히 파악하고 이것이 학습이 진행되면서 어떻게 변하는가를 조사하면 학습지도에 도움이 될 수 있으리라는 생각에서 연구를 시작하였다.

열의 이동, 열평형, 열량과 온도 변화, 상태변화 중의 온도 불변에 대한 선입견을 조사하고 이것을 유형별로 분류하여 학습진행에 따라 어떻게 변하는 가를 조사 분석하였다.

분석 방법은 열과 온도에 대해 중학교에서 아직 학습하지 않은 중학교 1학년과 학습한 직후인 중학교 3학년, 고등학교 물리Ⅱ에서 열과 온도에 대해 학습하지 않은 고등학교 2학년 학생들에게 설문지를 배부하여 무작위로 50명씩을 추출하여 응답을 분석4하였는데, 계통도를 사용하여 학생들의 사고 유형을 점점 세분화해나가는 계통도분석법을 시도하였다.

여기에서 얻어진 결론은 다음과 같다.

많은 학생들이 열에 대응하는 것으로 냉기나 한기의 존재를 가정하였는데 중학교 1학년 학생의 92%, 3학년 학생의 72%, 고등학교 2학년 학생의 42%가 그렇게 생각하는 것으로 나타났다. 또한 학생들은 열이 고온에서 저온으로, 저온에서 고온으로 쌍방향으로 이동한다고 생각하는 경우가 많았는데 온도차에 의해 열이 이동한다고 설명한 학생 중 중학교 1학년 학생의 57%, 중학교 3학년 학생의 46%, 고등학교 2학년 학생의 23%가 그렇게 생각하는 것으로 나타났다.

많은 학생들이 온도와 열전도율과 관계된 체감온도를 구별하지 못하고 있었다. 따라서 동일한 환경에 놓여있는 두 물체의 온도가 다르다고 생각하고 있었다. 방안에 있는 장갑과 가위의 온도를 비교할 때 중학교 1학년 학생의 74%, 중학교 3학년 학생의 62%, 고등학교 2학년 학생의 56%가 장갑이 가위보다 온도가 높다고 응답하였다. 추운 겨울날 밖에 놓여있는 나무 도막과 금속도막의 온도를 비교하는데 있어서는 중학교 1학년 학생의 72%, 중학교 3학년 학생의 76%, 고등학교 2학년 학생의 94%가 나무도막의 온도가 높다고 응답하고 있어 갈수록 오인이 심화됨을 보여주었다. -20℃ 얼음을 -5℃ 공기에 노출시켰을 때 어떻게 될까에 대한 응답에서 얼음이 -20℃를 유지한다와 얼음이 녹는다는 응답 비율이 적지 않아 얼음의 속성과 열평형의 개념을 이해하지 못하는 학생의 비율이 많음을 알 수 있었다.

물체에 공급된 열량과 물체의 질량, 물체의 온도변화 사이의 관계도 중학교 3학년의 경우가 가장 높은 정답율을 보였음에도 정답율이 38%에 불과했다. 얼음이 녹을 때 온도가 변하지 않은다는 사실을 이해하는 학생도 많지 않았는데 중학교 1학년의 68%, 중학교 3학년의 42%, 고등학교 2학년 학생의 34%가 얼음물의 온도가 0℃보다 높거나 낮다고 응답하였다.

끓는 물의 경우 화력을 강하게 하면 온도가 올라간다고 생각한 학생이 많았으며 올라갔다 내려온다고 응답한 비율도 높았다. 중학교 3학년이 70%로 가장 높은 정답율을 보였다.

2. 결론

학생들은 열을 물질적 실체로 이해하려는 경향이 강하다. 이것은 학습이 진행되면서 어느 정도는 수정되나 여전히 물질적 실체로 생각하는 학생이 많다.

열평형에 대해서도 학습전에 직관적, 경험적 판단에 의하던 것이 학습후에 약간 과학적 사고로 변하긴 하나 시간이 지나면 다시 원래의 직관적 사고로 되돌아간다. 학습 전후를 통하여 여전히 비과학적으로 사고하는 비율이 높았다.

물의 가열에 대한 문제에서 학생들은 가해준 열량과 온도차, 질량과의 관계를 알고 있었으나 초보적인 수학개념이 형성되어 있지 않아 수식으로 표현하는데 어려움이 있었다.

얼음이 녹고 있는 동안에는 0℃를 유지한다는 것을 대부분의 학생들이 알고 있었다. 일부 학생들은 0℃보다 낮다고 응답하였는데 이러한 학생들의 비율은 고등학생의 경우에도 중학생의 비율과 비슷하였다.

끓는 물에는 열을 가해도 물의 온도가 변하지 않는다는 사실에 대해서는 학습 직후에는 이해하는 것처럼 보이나 시간이 지나면 직관적인 판단에 의존하여 온도가 올라간다고 응답하는 학생이 많았다.