2019 봄 - 교수체제설계

Instructional System Design

교수학습과정안 작성 과제

고등학교 「화학Ⅰ」의  ‘중화반응’에 대한 개념 적용 교수설계 모형을 활용하여

이 경 건 (화학교육과 박사과정)

[교안 개발의 논리]

본 교수학습과정안은 개념 적용 교수설계 모형에 기반하여 고등학교 「화학Ⅰ」의  ‘중화반응’을 가르칠 수 있도록 구성하였다. 교수 방식으로서는 제시, 연습, 피드백의 순서로 이어지는 일상적 방식을 활용하였다.

고등학생들에게 가장 흔한 중화반응의 전형은 염산(HCl)과 수산화나트륨(NaOH)의 중화반응일 것이며(일종의 전형적 실례), 이것이 학생들에게 사전 지식으로 작용하고 있을 것이다. 이러한 중화반응은 산화환원반응(대응적 비예) 등과 혼동하지 않기 위한 구별이 필요하다. 중화반응 개념 자체는 결정적 특성이 많지 않으므로, 알고리즘 기법을 사용할 필요는 없을 것으로 판단하였다.

중화반응에서 수소 이온을 포함하는 산의 종류, 수산화 이온을 포함하는 염기의 종류, 생성된 염의 용해도, 사용하는 지시약의 종류와 중화점에서 지시약의 색상 등이 다양할 수 있다는 점은 발산적 연습의 사례가 될 것이다.

[수업 청사진]

□ 개	념: 중화반응(neutralization)

□ 대상 학습자: 고등학교 2학년

□ 수업 수준: 중간

□ 수업 시간: 40분 + 예비 5분

□ 결정적 특성

- 산의 수소 이온(H+)과 염기의 수산화 이온(OH-)이 만나 물이 생성되는 반응이다. (알짜 이온 반응식)

- 중화 반응에서 수소 이온과 수산화 이온은 같은 양만큼 반응한다.

- 이 때 산의 음이온과 염기의 양이온(구경꾼 이온)이 결합하여 염(salt)을 형성한다.

□ 가변적 특성

- 수소 이온을 포함하는 산의 종류는 다양할 수 있다.

- 수산화 이온을 포함하는 염기의 종류는 다양할 수 있다.

- 생성된 염의 용해도는 다양할 수 있다. (앙금이 발생할 수도 있다.)

- 사용하는 지시약의 종류, 중화점에서 지시약의 색상은 달라질 수 있다.

방법

실행

Ⅰ. 제시

1. 전형적인 예

‧ 시청각 자료를 이용하여 중화반응 개념의 전형적인 예를 보여준다.

2. 주의 집중

‧ 시청각 자료로 중화반응의 사례를 제시하고 명조체 글자로 개념을 제시한다.

3. 개념 정의

‧ 중화반응 개념의 정의를 제시한다.

‧ 교사와 학생 간의 대화적 토의를 통해 개념의 결정적 특성을 발견하도록 한다.

‧ 산화환원반응, 결합의 재형성 반응 등과 비교 및 대조를 통해 개념을 더욱 명확히 한다.

4. 파악 단계

‧ 중화반응의 전형적 예로 시청각 자료를 다시 보여주면서 중화반응의 결정적 특성을 구체적으로 명확하게 이해하도록 한다.

‧ 이때 개념 정의는 다시 보여주지 않음으로써 학생들로 하여금 회상/기억하도록 한다.

‧ 3의 대화적 토의에서 학생들이 말하였던 내용 중 결정적 특성에서 벗어나는 내용들을 가변적 특성과 연관지어 설명한다.

5. 주의 집중

‧ 생활 속에서 중화반응을 활용하는 사례를 실물로 제시한다.

‧ 중화반응의 결과로 pH가 변화하여 지시약의 색이 변하는 영상물을 제시한다.

6. 예

‧ 산화환원반응과의 비슷한 점과 차이점을 알아본다. (대응적 비예)

7. 다양성

‧ 중화 반응에 참여할 수 있는 수소 이온을 포함하는 산의 종류는 염산 이외에도 다양함을 설명한다.

‧ 중화 반응에 참여할 수 있는 수산화 이온을 포함하는 염기의 종류는 수산화나트륨 이외에도 다양함을 설명한다.

‧ 중화 반응을 확인하기 위해 사용할 수 있는 지시약이 다양함을 설명한다. (지시약 색깔로 중화반응 여부 자체를 판단할 수는 없다)

8. 예가 아닌 경우

‧ 연소를 비롯한 단순 산화환원반응, 앙금생성반응, 결합구조 변화 반응 등은 중화반응이 아님을 설명한다.

Ⅱ. 연습

1.

연습 가

‧ 교사가 화학 반응식 2개를 제시하고, 학생들에게 그 중 중화반응에 해당하는 것을 찾도록 한다.

연습 나

‧ 교사가 화학 반응식 2개를 제시하고, 철수라는 가상의 인물이 그 중 하나는 중화반응에 해당하는 것으로, 다른 하나는 중화반응에 해당하지 않는 것으로 분류한 상황을 제시한다. 학생들에게 철수의 의견이 과학적으로 옳은지 검토하도록 한다.

2. 다양성

‧ ‘연습 가’는 중화반응의 결정적 특성에 대하여

‧ ‘연습 나’, ‘연습 다’는 중화반응의 가변적 특성에 대하여

Ⅲ. 피드백

1. 동기화, 칭찬/격려

‧ 학생의 응답이 있은 후 즉시 피드백을 제공한다.

‧ 옳은 응답에 대하여 확인과 칭찬을 한다.

2. 유도

‧ 옳지 않은 응답에 대하여 개념과 관련된 힌트를 제공하여 학생이 재시도 하게 하거나 만약 여전히 대답을 못하면 정답과 설명을 제공한다. 이 때 격려도 곁들인다.

3. 정보 제시

‧ 중화반응에 대한 보다 자세한 설명과 풍부한 사례를 조사할 수 있는 교육용 웹사이트를 소개한다.

[수업 교안]

방법

실행

시간(45분)

Ⅰ. 제시

전형적인 예

주의 집중

교사: 이번 시간에는 중화반응에 대해 공부하겠습니다.

그림 1. 염산과 수산화나트륨의 중화반응

(https://www.youtube.com/watch?v=qh7h_WJAv5M)

교사: (시청각자료 1을 제시하며) 여러분이 지금 보고 있는 자료는 중화반응의 전형적인 예인 염산과 수산화나트륨의 반응입니다. 동영상을 잘 보면서 이것을 왜 중화반응이라고 하는지 생각해봅시다.

3

개념 정의

교사: 방금 전 선생님이 이야기했듯이 이것을 왜 중화반응이라고 하는지 우리 한 번 이야기를 해봅시다.

학생: 중간 성질을 띠게 되기 때문입니다, 서로 만나서 없어지기 때문입니다, 염산이 반응하기 때문입니다... 등의 대답

교사: 네 맞습니다. 중화반응은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온이 만나 물이 생성되는 반응입니다. 알짜 이온 반응식으로는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)

5

파악 단계

교사: (그림 1을 제시하며) 그렇다면 이 영상에서 나타난 화학 반응은 왜 중화반응이라고 할 수 있을까요?

학생: 염산의 수소 이온과 수산화나트륨의 수산화 이온이 만나서 물이 생성되기 때문입니다.

교사: 그렇습니다. 이 영상에 나타난 화학 반응이 중화반응인 이유가 그것입니다. 다만 여기서 수소 이온을 포함하는 산은 염산 이외에 여러 가지가 있을 수 있고, 수산화 이온을 포함하는 염기 또한 수산화 나트륨 이외에 여러 가지가 있을 수 있습니다.

3

주의집중

교사: 그렇다면 실생활에서 관찰할 수 있는 중화반응의 사례에는 무엇이 있는지 다음 물건을 보고 생각해볼까요? (제산제를 꺼내 든다) 이게 무엇일까요?

그림 2. 제산제

학생: 제산제입니다.

교사: 맞습니다. 우리가 속이 쓰릴 때 먹는 제산제는, 염산을 포함하여 산성인 위액을 중화하기 위한 염기성 물질에 해당합니다.

교사: 한편 우리는 중화반응이 일어났는지를 확인할 수 있는 방법으로서 지시약을 사용하게 됩니다. 다음 영상물을 보면서 중화반응이 일어날 때 지시약의 색이 변하는 것을 관찰해봅시다.

그림 3. 중화반응이 일어났는지를 확인하는 지시약

(https://www.youtube.com/watch?v=YB_-Jvb0EV0)

학생: 색이 빨간색에서 파란색으로 바뀌었습니다.

교사: 맞습니다. 지시약은 pH의 변화를 알게 해주므로, 중화반응이 일어났다는 것 또한 이러한 색의 변화로 알 수 있습니다.

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예

교사: 중화반응과 비슷하지만 다른 예로서는 산화환원반응이 있습니다. 중화반응은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온이 일대일로 만나 반응하여 물을 생성하는 반응입니다. 산화환원반응은 물질들이 서로 수소, 산소, 전자쌍을 주고받거나 산화수가 변화되는 반응을 의미합니다. 두 반응 모두 수소나 산소가 개입한다는 점에서 어느 정도 유사한 면이 있습니다. 또한 산화환원반응의 결과로서 산과 염기가 생성되기도 합니다. 하지만 중화반응과 산화환원반응은 서로 다른 것입니다.

3

다양성

학생: 선생님, 그렇다면 중화반응이라고 할 수 있는 반응들에는 무엇이 있나요?

교사: 좋은 질문입니다. 중화 반응에 참여할 수 있는 수소 이온을 포함하는 산의 종류는 염산 이외에도 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH) 등으로 다양합니다. 마찬가지로, 중화 반응에 참여할 수 있는 수산화 이온을 포함하는 염기의 종류는 수산화나트륨 이외에도 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 암모니아(NH3) 등으로 다양합니다. 그렇기에 이들 각각이 서로 반응하는 경우에는 모두 중화반응이라고 할 수 있습니다.

학생: 알겠습니다. 예를 들어, 염산과 수산화 나트륨의 반응 뿐 아니라 황산과 수산화칼륨의 반응, 질산과 수산화칼슘의 반응 등도 중화반응이라고 할 수 있는 것이군요?

교사: 바로 그것입니다. 또한, 중화반응을 확인하기 위해 사용할 수 있는 지시약 또한 페놀프탈레인, BTB, 메틸오렌지 등으로 다양합니다. 다른 지시약을 써서 색이 다르게 보인다고 하여, 중화반응이 일어나지 않은 것은 아닙니다.

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예가 아닌 경우

학생: 선생님, 그렇다면 매우 다양한 물질들이 중화반응에 참여할 수 있는 것이로군요?

교사: 그렇습니다. 하지만 이전에 언급했듯이 연소를 비롯한 산화환원반응, 염화칼륨(KCl)과 질산은(AgNO3)으로부터 염화은(AgCl)이 생성되는 앙금생성반응, 단순히 원자간 결합이 재배열되는 경우 등 중화반응이라고 할 수 없는 화학 반응들도 많다는 점에 유의하여야 합니다.

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Ⅱ. 연습

연습 가.

교사: (산화철화 일산화탄소의 반응 및 이산화탄소화 수산화리튬의 반응을 제시하며) 이 두 화학반응 중 중화반응은 어떤 것인지, 그 이유는 무엇인지에 대한 문제를 풀어봅시다.

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연습 나.

교사: (수산화칼슘과 탄산의 반응, 수산화나트륨과 탄산의 반응을 제시하며) 문제에서 철수는 한 가지 반응은 중화반응으로, 한 가지 반응은 중화반응이 아닌 것으로 생각하였습니다. 철수의 생각이 과학적으로 옳은지 문제를 풀어봅시다.

Ⅲ. 피드백

청사진에서 제시한 바와 같이 진행한다.

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[연습문제]

1. 다음에 제시된 두 화학반응식 중 중화반응은 어떤 것이며, 그 이유는 무엇인가?

① Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

② CO2(g) + 2LiOH(s) → H2O(l) + LiCO3(g)

2. 철수는 탄산칼슘(CaCO3) 앙금이 생성되는 반응 A가 중화 반응이라고 옳게 생각하였다. 그런데 철수는 반응 B에서는 앙금이 생성되지 않으므로 중화반응이 아니라고 생각하였다. 철수의 생각은 과학적으로 옳은가?

A: Ca(OH)2(aq) + H2CO3(aq) → CaCO3(s) + 2H2O(l)

B: 2NaOH(aq) + H2CO3(aq) → NaCO3(aq) + 2H2O(l)

참고문헌

최미화, 서인호, 한문정, 정대홍, 김혜경, 최길순 (2017). 고등학교 화학Ⅰ (전시본). 서울: 미래엔

좋은 분석

좋습니다.

다만, 동영상 자료 이외에 매체 활용 방식은?

이 것 이외에 평가 문항은 어디에?