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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.40 No.6 pp.624-638
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2019.40.6.624

Earth Science Prospective Teachers’ Perceptions on the Relationship between Absolute Humidity and Dew Point Temperature

So Ra Kang1, Eun-Kyoung Seo2*, Dong Young Kim3
1Chungnam Girl’s Middle School, Daejeon 34849, Korea
2Kongju National University, Gongju 32588, Korea
3Korea Institute for Curriculum and Evaluation, Jincheon 27873, Korea
Corresponding author: ekseo@kongju.ac.kr Tel: +82-41-850-8293
September 30, 2019 October 18, 2019 November 26, 2019

Abstract


A questionnaire was administered, and all responses were analyzed to examine prospective teachers’ conceptual understanding of the relationship between dew point temperature and absolute humidity in air parcels. The responses revealed that many prospective teachers have substantial misconceptions about the relationship. For example, some thought that the absolute humidity and the dew point temperature are proportional to each other, and that the dew point temperature is proportional to the water vapor mass in the parcel. The misconceptions seemingly stemmed from inadequate descriptions on the relationship in middle-school science textbooks of the 7th and 2007 revised curricula. The study notes that the first year students’ textbook of the 2015 revised curriculum introduced the concepts of evaporation, condensation, and volume changes as a function of gaseous pressure and temperature, from a perspective of molecular motion. It is suggested that keeping this perspective in the middle school curriculum, while introducing water vapor pressure as the measure of water vapor amount and dew point temperature, should help prevent middle school teachers and students from having misconceptions. There should be a concerted effort to make the science curriculum more consistent and coherent across the grade levels.



절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 지구과학 예비 교사들의 인식

강 소라1, 서 은경2*, 김 동영3
1충남여자중학교, 34849, 대전광역시 중구 동서대로 1368
2공주대학교 지구과학교육과, 32588, 충청남도 공주시 공주대학로 56
3한국교육과정평가원 수학능력시험본부, 27873, 충청북도 진천군 덕산면 교학로 8

초록


절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 예비 교사들의 인식을 조사하기 위하여 설문지를 투입하였다. 설문 결 과 예비 교사들이 “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”, “이슬점 온도는 공기 중의 수증기의 질량에 비례한다.”와 같 은 견고한 오개념을 갖고 있음을 발견하였다. 예비 교사들이 갖는 이러한 오개념은 절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 7차 교육과정과 2007 개정 교육과정 중학교 과학 교과서의 부정확한 서술 내용에서 기인하는 것으로 사료된다. 한편, 2015 개정 교육과정 중학교 1학년 과학 교과서는 증발, 응결, 압력과 온도 변화에 따른 기체의 부피 변화를 분자 운동의 관점에서 다루기 때문에, 중학교 교육과정에서 이러한 관점을 유지하기 위해 수증기량과 이슬점 온도의 척도로 서 수증기압의 도입은 예비 교사와 학습자의 오개념을 방지할 수 있으며, 과학 교육과정을 보다 일관되고 논리적으로 만들 수 있을 것으로 사료된다.



    Kongju National University

    서 론

    일상 생활에서 우리가 자주 경험하게 되는 이슬, 안개, 구름 등의 형성은 대기 중에 수증기가 포화될 때 발생하는 현상이다. 대기 중의 물과 관련된 과학 적 개념은 초창기 교육과정에서부터 현재 2015 개정 교육과정까지 과학과의 핵심 내용으로서 중요하게 다 루어지고 있다. 대기 중의 물과 관련된 개념들은 단 열 변화와 구름 생성, 각종 기상 현상과 같은 상위 개념을 도입하는 데 있어서 바탕이 되고 있다.

    우리는 이러한 자연 현상을 일상 생활에서 경험함 에 따라 과학적 개념을 학습하는 경우가 많지만, 때 때로 일상의 경험으로부터 얻어지는 개념이 과학적 개념과 다를 수 있다(Bar and Travis, 1991). 이와 같 이 어떤 자연 현상에 대해서 수업을 통하여 과학개 념을 학습하기 전에 이미 형성된 경험적 생각을 선 개념(preconception)이라고 하며, 선개념이 과학적 개 념과 다를 때, 이를 보통 오개념(misconception)이라 고 한다(Strike, 1983; Gilbert et al., 1982). ‘대기 중 의 물’에 대한 선개념 및 오개념과 관련한 선행 연구 들은 학생들이 대기 중의 물에 대한 과학적 개념을 형성하는 데 어려움을 겪으며, 이로 인한 오개념을 가질 수 있음을 제시하고 있다. Jeon and Kook (1998)은 구름 생성 개념에 대한 중·고등학생의 오개 념 연구에서 상당한 수의 연구 대상 중학생들이 습 도를 눈에 직접 보이는 수분의 양과 연관 짓고 있으 며, 특히 “기온이 높으면 증발현상이 활발하여 대기 중에 수증기가 많이 존재하므로 습도가 높아진다.”는 인식을 갖고 있음을 보고하고 있다. 또한 ‘이슬점 도 달’이나 ‘응결’ 등이 포화로 인한 결과가 아닌 포화 의 원인으로 잘못 인지하고 있음을 밝혔다. Cho and Jeong(2002)은 1032명의 중·고등학생들을 대상으로 대기 중의 물에 관한 오개념을 조사하였으며, 그 결 과 ‘온도만 상승한다면 절대 습도는 언제나 증가한 다.’는 오개념을 발견하였다. 하지만 ‘대기 중의 물’ 을 주제로 한 교육 주체의 인식 연구는 많지 않은 실정이고, 대부분의 연구가 선개념의 유형을 찾아내 거나 선개념의 원인을 파악하는 것이었다. 실제 교수 -학습 상황에 적용시킬 수 있는 모형 및 방법 개발에 관한 논문은 상대적으로 많지 않아서 교육 현장에서 이들 개념에 대한 오개념이 여전히 존재함을 발견할 수 있다.

    학습자들이 갖고 있는 선개념은 매우 안정적이어서 변화에 대해 강한 저항성을 보이기 때문에(Choi et al., 1993), 학습자들이 대학교육과정에서 정확한 과학 적 개념을 학습할지라도 잘못된 선개념은 학습량에 관계없이 지속적으로 나타나며(Osborne and Freyberg, 1985), 중·고등학생 시절 형성된 선개념이 후속 학습 에 영향을 주어 또 다른 오개념을 형성하기도 한다 (Choi et al., 1993). 학습 전에 학생이 가지고 있는 오개념은 인지적 발달 과정에서 또 다른 오개념을 구성하여 학습에 있어서 커다란 방해 요인이 되기 때문에 아동의 선개념에 대한 연구는 20여 년 동안 괄목할 만한 증가세를 이뤄왔다(Duit, 1991). 오개념 이 형성되는 원인으로 교과서의 내용이 부정확하고 불충분하거나 또는 교사의 잘못된 설명에 의해 형성 될 수 있다(Barrass, 1984;Storey, 1989, 1990; Nussbaum, 1981, Kang, 2001). 하지만 지금까지의 연구는 주로 학생들의 오개념에 치우쳐져 있는 실정이다. 학생들 은 교사가 수업한 내용을 바탕으로 자신이 이미 지 니고 있는 경험에 의한 지식과 사고체계에 따라 개 별적으로 해석하고 있기 때문에(Bae and Choi, 1991) 학습자가 올바른 과학적 개념을 갖기 위해서는 학교 교육을 통해 충분한 학습 경험을 제공해야 한다. 이 과정에서 학생들에게 개념을 전달하는 교사의 개념이 과학적 개념과는 다른 개념을 갖고 있거나, 교사가 개념을 바르게 이해하고 있더라도 교과서의 서술에 따라 다르게 설명한다면 학생들은 올바른 과학적 개 념과는 전혀 다른 개념을 재구성할 수 있다(Barrass, 1984). 결국, 과학 개념을 학습하는 데 영향을 미치는 중요한 요인 중 하나는 교사가 전달하는 개념이며, 교과서의 부적절한 설명 또한 학습자의 개념 형성에 지대한 영향을 끼칠 수 있다(Kang, 2001). Jeong (2003)은 증발과 끓음에 대해 중등 교과서의 내용을 분석하고 이를 바탕으로 과학 교사들의 사고를 조사 한 결과, 교과서에서 개념을 설명할 때 사용하는 용 어를 명확히 하지 않아 과학 교사들이 서로 상충된 개념을 가지게 되었음을 밝혔다.

    2018학년도 대학수학능력시험(이하 수능) 6월 모의 평가 지구과학 II 19번 문항에 제기된 이의 신청을 통해 ‘대기 중의 물’의 개념 중 ‘절대 습도’와 ‘이슬 점 온도’의 관계에 대한 오개념의 단서를 찾을 수 있 었다. 이 문항은 지표에 있는 공기덩어리의 이슬점 온도가 일정한 채로 가열된다면 절대 습도는 어떻게 변화할지를 물었다. 이 문항에 대해 이의 제기된 내 용들은 “이슬점과 절대 습도는 비례하기 때문에 이슬 점 온도가 일정하면 절대 습도도 변하지 않는다.”이 었다. 제시된 이의 신청 내용은 개인들이 갖고 있는 개념에 의한 논리와 교과서의 서술, 교육과정, 교사 와 강사의 수업 내용 등에 기반을 두었다. 이의 신청 내용을 통해 드러난 이슬점 온도와 절대 습도의 관 계성에 대한 오개념 연구의 필요성이 대두된다. 따라 서 앞으로 학생들에게 올바른 과학적 개념을 전달할 주체인 예비 교사를 대상으로 절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대해 어떠한 개념을 갖고 있는 지를 조사하고자 하며 절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 인식의 구조를 밝히고자 한다. 나아가 예비 교 사들이 갖고 있는 인식의 원인으로 이의 제기의 근 거로 제시된 교육과정 별 교과서의 개념과 그 개념 서술을 분석하고자 한다. 절대 습도와 이슬점 온도에 대한 오개념이 발견되고, 교과서에서 다루고 있는 개 념들에 대해 부정확한 서술이 있다면 이를 교정하고 보완하기 위한 개념 모형 및 전략 등을 제시하고자 한다.

    이 연구는 “절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대 한 오개념이 있을 것이다.”, “오개념은 교과서의 부정 확한 서술 내용에 기인했을 것이다.”라는 두 가지 연 구 가설을 세웠으며, 이들을 증명하기 위해, 설문 조 사와 문헌 조사라는 방법론을 사용하였다. 이 연구의 구체적인 연구 문제는

    첫째, 절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 예 비 교사들의 인식 조사,

    둘째, 예비 교사들의 인식의 원인 파악을 위한 절 대 습도와 이슬점 온도의 관계성에 대한 교과서의 내용 분석,

    셋째, 이슬점 온도에 대한 올바른 개념 형성을 위 한 교과서의 방향성 제시이다.

    이 연구를 통해 절대 습도와 이슬점 온도의 관계 에 대한 예비 교사들의 인식 구조를 명확히 하고, 교 과서의 부정확한 서술을 파악하고자 한다. 나아가 올 바른 개념 관계 형성을 위한 미래 교과서의 서술 범 위 및 개념 범위 등을 제안하고자 한다.

    연구 방법 및 절차

    2018학년도 수능 6월 모의평가 지구과학 II 19번 문항에 제기된 이의 신청의 사례를 통해 절대 습도 와 이슬점 온도의 관계에 대한 오개념이 있음을 확 인하고, 이와 관련된 선행연구를 분석하였다. 이들 선행 연구 분석을 통해, 절대 습도와 이슬점 온도에 대한 오개념 연구가 많지 않았으며, 이들 연구에서 발견된 오개념을 바로 잡기 위한 모형 개발 연구가 매우 부족한 실정이다. 본 연구에서는 절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 예비 교사의 인식을 명 확히 규명하기 위해 일련의 체계적인 문항들을 갖는 설문지를 개발하여 연구 대상자들에게 투입하였고, 설문 결과를 분석하였다. 이 과정에서 예비 교사의 인식의 원인을 파악하기 위하여 교과서를 부가적으로 분석하였다. 구체적인 연구 방법 및 절차는 다음과 같다.

    설문 조사

    현재 대학교 4학년 재학생과 2019년 학부 졸업생 은 중학교 과학 교과와 고등학교 지구과학을 이수하 여 절대 습도와 이슬점 온도에 대한 학습 경험이 있 으며, 대학교 대기과학 강의를 통해 절대 습도와 이 슬점 온도에 대한 충분한 학습과 사전 지식이 있기 때문에, 이들을 연구 대상으로 선정하였다. 연구 대 상은 국립사범대학에서 지구과학을 전공하고 있는 4 학년 재학생 16명과 2019년 졸업생 7명으로 구성되 어 있다.

    절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 관한 예비 교 사들의 인식을 파악하기 위해 설문지를 개발투입하여 연구를 수행하였다. 설문지는 선택형 7문항, 자유반 응형 5문항을 포함하며, 각각의 선택형 문항에 대한 선택 이유를 서술할 수 있도록 비구조적 설문지로 개발하였다. 개발한 예비 설문지는 지구과학 현직 교 사 2명을 대상으로 1차 예비 검사를 실시하여 문항 을 수정보완했으며, 과학교육과 대기과학 전문가의 검토를 거친 후, 다시 현직 지구과학 교사 5명에게 2 차 예비 투입을 하였다. 최초 개발 설문지로부터 크 게 수정되지는 않았지만, 2차 예비 투입 후 일부 수 정보완을 통해 본 연구에서 사용된 검사 문항을 완 성하였다.

    설문지 문항 설계를 위해 먼저 2018학년도 수능 6 월 모의평가 지구과학 II 19번 문항에 대한 이의 신 청에서 제기된 개념 유형을 분석하였다. 해당 문항을 Fig. 1에 나타내었다. 이 문항에 대한 이의 신청자들 은 2007 개정 교육과정의 절대 습도와 이슬점 온도 의 관계에 대한 중학교 과학 교과 내용을 근거로 “이 슬점과 절대 습도가 비례한다.”라고 주장하였다. 주요 이의 신청 내용은 다음과 같다.

    “이슬점이 16도라고 주어졌기 때문에 절대 습도도 같아야 한 다. 이슬점과 절대 습도는 절대적으로 비례한다.”

    “M사에서 출판한 중3 과학 교과서 170페이지의 내용에 온도 가 다르고 단위 부피당 수증기량이 서로 같은 두 공기의 이슬 점을 같다고 판단하는 문제가 있다.”

    “2007 개정 교육과정에서는 절대 습도를 단위부피당 수증기량 으로 정의하고 이걸 현재 수증기량으로 정의한 바 현재 수증 기량이 포화 수증기량과 같아지는 온도를 이슬점으로 정의하는 교육과정 내용을 생각해 볼 때 현재 수증기량이 같은 두 공기 덩어리가 부피가 달라 절대 습도가 다르다는 출제 의도는 교 육과정 상 타당하지 않다.”

    “중3 과학 교과서에서는 기온이 다르고 절대 습도가 같은 두 공기 덩어리의 이슬점이 같다는 내용을 소개하고 있다.(M사 교과서 170쪽)”

    이를 근거로 “절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 오개념을 갖고 있을 것이다.”의 가설을 설정하 였으며, 이 가설을 증명하기 위해 ‘절대 습도는 같지 만 이슬점 온도가 다른 여러 상황’과 ‘절대 습도는 다르지만 이슬점 온도는 같은 상황(정압 상황)’을 포 함하도록 설문 문항을 설계하였다.

    작성된 설문지의 각 문항의 내용과 목적을 Table 1 에 나타내었다. [문항1]은 2018학년도 수능 6월 모의 평가 지구과학 II에 출제된 문항을 그대로 포함한 것 으로, 어느 곳의 높이에 따른 기온의 분포를 나타내 는 그림을 제시하고, 지표의 공기 덩어리 A가 이슬 점 온도와 기압이 일정한 채 가열되어 B와 C의 상 태가 되었을 경우 절대 습도의 변화를 질문하였다. 이 문항에서 절대 습도에 대한 예비 교사의 인식을 알 수 있을 것이다. 특히 [문항1]에 관한 세부 문항 1-1~1-3을 통해 “절대 습도와 이슬점 온도의 관계, 절대 습도의 변화에 영향을 주는 물리량과 절대 습 도의 변화 과정“에 대한 질문을 통해 예비 교사의 인식을 파악할 수 있을 것으로 생각된다.

    [문항2]는 부피와 수증기 질량이 같지만 기온이 다 른 세 상황(T1>T2>T3)의 이슬점 온도를 비교하는 문 항이다. 이 문항을 통해 절대 습도가 같고 이슬점 온 도가 다른 상황에 대한 예비 교사들의 인식을 파악 할 수 있을 것으로 사료된다.

    [문항3]은 외부 기압이 일정하고 외부와 공기 덩어 리의 압력이 같은 상황(정압 상황)에서 공기 덩어리 를 냉각시킬 때, 공기 덩어리의 이슬점 온도의 변화 를 물었다. 이 문항을 통해 절대 습도는 다르지만 이 슬점 온도가 같은 상황에 대한 예비 교사들의 인식 을 살펴보고자 하였다. [문항3]의 세부 문항 3-1~3-2 에서는 “이슬점 온도의 변화에 영향을 주는 물리량과 이슬점 온도의 변화 과정”에 대한 질문을 제시하여 예비 교사의 인식을 파악하고자 하였다.

    “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”와 같은 오 개념을 갖고 있다면 [문항2]와 [문항3]에서 예비 교 사는 인지 갈등을 겪을 것으로 예상한다. 각 문항에 대한 연구 대상의 인식을 정확히 파악하기 위해, 사 고 과정을 수식, 그림 등을 이용하여 서술하도록 안 내했으며, 후속 문항 풀이가 선행 문항에 대한 힌트 가 되어 선행 문항으로 돌아가 기존에 기록한 응답 을 수정하지 않도록 안내하였다.

    개발한 문항에 대한 타당성은 현직 과학 교육 전 문가 1명, 현직 교사 3명, 대기과학 전문가 1명에게 의뢰하여 검토하였고, 현직 교사들로부터 교과 내용 과의 일치성, 문항의 적정성에 대한 검토와 대기과학 전문가로부터 문제의 정확성, 이해도 측정 문제로서 의 적합성 등에 대한 검토를 받았다.

    문헌 조사(교과서)

    2018학년도 수능 6월 모의평가 지구과학 II 19번 문항에 대한 이의 신청자 중 일부는 교육과정과 교 과서 내용을 근거로 이의를 제기했기 때문에 이를 근거로 “오개념은 교과서의 부정확한 서술 내용으로 부터 기인했을 것이다.”라는 또 하나의 가설을 설정 하였으며, 이를 증명하기 위해 연구 대상이 이수한 교육과정의 교과서 내용을 조사하였다.

    연구 대상 예비 교사들 중 현재 4학년 재학생들은 일반적으로 2007 개정 교육과정의 중학교 과학과 2009 개정 교육과정의 지구과학을 이수하였고, 4학 년 일부 재학생들과 2019년 졸업생들은 7차 교육과 정의 중학교 과학과 2009 개정 교육과정의 지구과학 을 이수하였다. 그리고 현재 교육 현장에서는 2009 개정 교육과정을 거쳐 2015 개정 교육과정이 적용되 고 있다.

    연구에서 다룰 교육과정은 편의상 숫자로 구분하고 (7, 2007, 2009, 2015), 중학교 과학(M)과 지구과학 I (H I), 지구과학 II (H II)를 구분하여 표기하였다. 또 한 교육과정 별 분석할 교과서는 학년에 따라 아라 비아 숫자로 표기하고, 학년의 뒤에 출판사명의 가나 다 순으로 ‘-아라비아 숫자’를 붙여 기호화하였다. 예 를 들어 2007 개정 교육과정의 중학교 3학년 교과서 (2007M3)의 경우, 교학사 교과서를 2007M3-1, 두산 동아 교과서를 2007M3-2로 표기하였다. 연구 대상이 이수한 교육과정에 따라 7M, 2007M, 2009H II 교과 서에서 습도와 이슬점 온도에 대한 서술 내용을 분 석하고, 추가적으로 연구 대상이 이수한 시기의 전후 적용되어 온 7H I, 2009M, 2015H II 교과서도 분석 하였다.

    연구 결과 및 논의

    절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 설문 조 사를 통해 오개념의 구조를 분석하였다. 또한 2018학 년도 수능 6월 모의평가 지구과학 II 19번 문항에 대 하여 2007 개정 교육과정과 교과서의 내용을 근거로 이의를 제기한 이의 신청자들과 마찬가지로, 설문 조 사에 앞서 실시한 기초 조사를 통하여 연구 대상자 들은 연구 내용에 대한 개념인 ‘절대 습도와 이슬점 온도의 관계’를 7차 교육과정 중학교 3학년 교과서와 2007 개정 교육과정 중학교 3학년 교과서를 통하여 학습하였음을 확인하였다. 따라서 오개념의 근원 중 의 하나가 교과서일 수 있음을 고려하여 연구 대상 이 이수한 교육과정의 교과서와 이들이 이수하기 전 후 적용된 교육과정의 교과서를 분석하였다.

    설문지에 드러난 예비 교사의 인식 분석

    1) [문항1] 절대 습도와 이슬점 온도의 관계

    이슬점 온도와 기압이 일정한 채 지표에 있는 공 기 덩어리를 가열할 때 절대 습도의 변화에 대한 예 비 교사의 인식을 살펴본 결과 “절대 습도가 감소한 다.”고 응답한 비율이 56% (13명)로 가장 높았고, “절 대 습도는 변화 없다.”고 답한 비율은 35% (8명), “절 대 습도가 증가한다.”고 답한 비율은 9% (2명)로 가 장 적었다.

    절대 습도가 “① 감소한다.”고 응답한 13명 중 7명 은 “절대 습도와 이슬점 온도는 서로 같은 개념이 아니며 비례한다고 볼 수 없다.”고 했으며, 이 중 4 명만이 절대 습도에 영향을 주는 물리량을 종합적으 로 사용하여 절대 습도의 변화 과정을 바르게 설명 하였고, 나머지 3명은 “절대 습도는 수증기 질량과 부피에 의해 변화되고, 부피는 온도에 의해서만 변화 되므로 온도가 변하면 절대 습도는 변한다.”와 같이 기술하고 있다. 부피는 온도와 압력에 의해 변화할 수 있는 물리량인데 온도에 의해서만 변화한다고 설 명하며 압력에 의한 부피 변화는 간과하여 설명하고 있다. 한편, 13명 중 4명은 절대 습도의 감소 과정을 옳게 설명했음에도 “절대 습도와 이슬점 온도가 비례 한다.”고 답변하였다. 이들은 절대 습도와 이슬점 온 도 각각에 대한 개념을 이해하고 있으나 기계적 학 습의 결과 각 개념을 서로 적용하는 것에 어려움을 겪는 것으로 생각되며, 중고등학교 교과서의 “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”는 학습의 결과가 대학 과정까지 고착화되어 쉽게 변화되지 않는 것으 로 생각된다. 13명 중 나머지 2명은 절대 습도의 변 화 과정을 적절하게 설명하지 못하였다.

    절대 습도가 “② 변화없다.”고 답한 8명 중 5명은 절대 습도와 이슬점 온도를 ‘비례 관계’라고 하며, 이슬점 온도가 변하지 않으면 절대 습도의 변화가 없다고 설명하였다. 이러한 오개념은 대기 중의 수증 기량을 나타내는 척도로 절대 습도를 사용하여 “공기 속에 수증기가 많이 있으면 이슬점은 높고, 적게 있 으면 이슬점은 낮다.” 등으로 서술한 7M3과 2007M3 교과서에 의한 학습 결과로 생각되며, 이후 대학 교 육과정에서 절대 습도와 이슬점 온도에 대해서 심화 학습을 했음에도 불구하고 한 번 형성된 개념이 쉽 게 바뀌지 않음을 여실히 보여준다. 한편, 8명 중 3 명은 “절대 습도는 어떠한 상황에서도 변하지 않는다.” 라는 오개념을 갖고 있다.

    절대 습도가 “③ 증가한다.”고 답한 2명은 절대 습 도에 대한 개념 부족으로 볼 수 있다.

    2) [문항2] 부피와 수증기 질량이 같고 온도가 다 른 상황에서의 이슬점 온도

    [문항2]는 ‘절대 습도가 같지만 온도가 다른 세 상 황(T1>T2>T3)에서의 이슬점 온도’를 묻는 문항이다. 각각의 상황에 있는 공기를 냉각시켜 이슬점 온도에 도달하는 과정을 살펴보면, 온도가 낮은 상황(T2, T3) 보다는 온도가 높은 상황(T1)에서 기체 입자들의 운 동량은 크며, 이로 인해 단위 체적 내 수증기 분자들 의 충돌 확률이 상대적으로 크기 때문에 수증기 분 자들의 응결 형성을 좀 더 원활히 할 것이다. 즉, 각 상황의 공기의 온도를 낮출 때, 온도가 가장 높았던 상황(T1)의 기체가 T2, T3 상황보다 먼저 이슬점 온도 에 도달한다. 이 세 가지 상황은 이상기체상태방정식 e = ρυRυT을 고려하면, 공기 중 수증기의 밀도인 절 대 습도(ρυ)는 동일하지만 온도(T)가 다르기 때문에 현재 수증기압(e)이 서로 다른 값을 가진다.

    이 문항에서 “온도가 낮으면 이슬점 온도도 낮다 (Td1>Td2>Td3).”라고 바르게 답한 비율이 21% (5명), ‘Td1<Td2<Td3’와 ‘기타’라고 답한 비율이 각각 4% (각 1명)였다. 그리고 “온도와 무관하게 세 상황에서 이 슬점 온도는 같다(Td1=Td2=Td3).”고 답한 비율이 71% (16명)로 가장 높았다.

    “① 온도가 낮으면 이슬점 온도도 낮다.”고 바르게 답한 5명 중 4명이 이슬점 온도는 수증기압의 함수 이며, 수증기압은 이상기체상태방정식에 의해 절대 습도와 온도의 함수이므로 “절대 습도가 일정하더라 도 온도가 다르면 수증기압도 다르다.”고 정확하게 설명하였다.

    “②이 슬점 온도는 Td1<Td2<Td3”라고 대답하거나 “④ 기타”라고 답한 두 명은 이슬점 온도에 대한 개 념의 부족에 의한 것으로 생각된다.

    “③ 이슬점 온도는 같다(Td1=Td2=Td3).”고 답한 16 명 중 10명이 “수증기 질량이 같아 이슬점 온도가 같다.”고 설명하였다. 이는 이슬점 온도를 수증기 질 량에 의한 함수로 인식하고 있는 것이다. 16명 중 4 명은 “이슬점 온도는 절대 습도에 비례하므로 절대 습도가 같으면 이슬점 온도도 같다.”고 설명한다. 이 는 절대 습도를 대기 중 수증기량의 척도로 사용한 7M3과 2007M3 교과서 서술에 기인한 오개념으로 판단되며, 이슬점 온도를 절대 습도에 의한 함수로 인식하고 있는 것이다. 이들 16명 중 일부는 이슬점 온도가 수증기압의 함수임을 인식하고 있지만, 수증 기압에 대한 명확한 개념이 형성되어 있지 않거나 수증기압에 영향을 주는 여러 변수에 대해 종합적 사고가 이루어지지 않고 있으며, 수증기압과 이슬점 온도의 관계에 대해 유의미한 관계가 형성되어 있지 않아 적용에 어려움을 겪는 것으로 생각된다. 한편, 16명 중 나머지 2명은 그렇게 생각한 이유에 대해 무응답이었다.

    3) [문항3] 정압 상태에서 공기 덩어리를 냉각시킬 때 이슬점 온도의 변화

    [문항3]은 ‘정압 상태이면서 절대 습도가 달라지는 상황에서 이슬점 온도의 변화’를 묻는 문항이다. 정 압 상태에서 공기 덩어리를 냉각시킬 때 이슬점 온 도의 변화에 대한 예비 교사의 인식을 알아본 결과 “공기 덩어리를 냉각시킬수록 공기 덩어리 내부의 이 슬점 온도가 감소한다.”고 응답한 비율은 18% (4명) 이었고, “변화 없다.”라고 바르게 응답한 비율은 65% (15명)로 가장 많았으며, “증가한다.”고 응답한 비율 은 14%(4명)이었다.

    이슬점 온도가 “① 감소한다.”고 답한 4명 중 1명 은 이슬점 온도와 절대 습도에 대한 개념이 비교적 명확히 정립되어 있지만 문제에 대한 이해 부족으로 이 보기를 선택한 것으로 보인다. 4명 중 다른 1명은 이슬점 온도가 수증기압의 함수라는 것을 알고 있고 수증기압을 이상기체상태방정식으로 옳게 설명했으나 수증기압을 온도 변화로만 설명하여 감소한다고 답했 으며, 절대 습도가 수증기압의 변수가 될 수 있음을 설명하지 않은 것으로 보아 수증기압과 절대 습도에 대한 개념이 명확히 정립되지 않은 것으로 보인다. 4 명 중 나머지 2명은 이슬점 온도와 절대 습도에 대 해 이해가 부족하였다.

    이슬점 온도가 “② 변화없다.”고 옳게 답한 15명 중 2명만이 이슬점 온도의 변화 과정을 수증기압과 이상기체상태방정식을 이용하여 옳게 설명하였고, 나 머지 13명은 “수증기 질량만이 수증기압에 영향을 준 다.”와 같이 이상기체상태방정식에 대한 이해가 부족 하거나 하나의 변인에만 집중함에 따라 다양한 변인 을 고려하지 못하는 경향을 보였고, 무응답도 있었다.

    이슬점 온도가 “③ 증가한다.”고 답한 4명은 “이 과정에서 절대 습도가 증가하고 있으며, 절대 습도와 이슬점 온도는 비례하기 때문에 이슬점 온도 또한 증가한다.”고 설명하였다. 이는 절대 습도를 대기 중 수증기량의 척도로 사용한 7M3과 2007M3 교과서 내용으로부터 기인한 전형적인 오개념 유형이다.

    연구 내용과 관련된 교과서 분석

    각 교육과정에서 습도와 이슬점 온도 개념을 다루 고 있는 단원들을 중심으로 교과서의 서술 방식을 분석한 결과, 각 교육과정 별 이슬점 온도를 설명하 기 위해 사용한 수증기량은 Table 2와 같다.

    연구 대상 중 4학년 재학생들이 일반적으로 이수 한 과정을 □로, 4학년 일부 재학생들과 2019년 졸 업생들이 이수한 과정을 ■로 표기하였다. ▣ 표기는 4학년 재학생들과 2019년 졸업생이 동시에 이수한 과정을 나타낸다. 연구 대상들이 이수하지 않은 교육 과정에서 제시하는 수증기량은 ○로 표기하였다. 7M3 과 2007M3에서는 수증기량으로 절대 습도를 사용하 였고, 2009M2에서는 수증기량으로 비습을 사용하였 다. 2009H II 교과서 2종에서는 각각 수증기량으로 절대 습도와 수증기압을 언급하였고, 2015H II 교과 서 2종 중 1종만이 절대 습도를 사용하여 수증기량 을 언급하였다.

    1) 7M3

    7M3 교과서 3종의 내용을 분석한 결과 대기 중의 수증기량과 이슬점 온도를 설명하기 위하여 절대 습 도의 개념을 도입하였다. 3종의 교과서 중 특히 7M3-3 교과서는 수증기량을 설명하는 데 있어서 물 리량의 용어를 구체적으로 언급하지 않았지만, 그림 에 나타낸 수증기량의 단위를 통해서 절대 습도를 사용함을 알 수 있다. 다음은 3종의 교과서에 나타난 서술의 예이다(adopted from Kim et al., 2003; Lee et al.; Jeong et al., 2004).

    포화된 공기 1 m3 속에 들어 있는 수증기의 양(g)을 포화 수 증기량이라고 한다.(7M3-1)

    포화 상태의 공기 1 m3 속에 들어 있는 수증기의 양을 g값으 로 나타낸 것을 포화 수증기량이라고 한다. (중략) 공기 중의 수증기가 물방울로 응결되기 시작할 때의 온도를 이슬점이라고 한다. 이슬점은 공기 속에 포함되어 있는 수증기의 양에 따라 다르게 나타난다. 공기 속에 수증기가 많이 있으면 이슬점은 높고, 적게 있으면 이슬점은 낮다.(7M3-2)

    포화 상태의 공기 1 m3 속에 들어 있는 수증기량을 포화 수증 기량이라고 한다. (중략) 어떤 공기의 온도가 내려가서 공기 속에 실제로 포함되어 있는 수증기량과 포화 수증기량이 같아 지는 온도가 되면 그 공기는 포화 상태가 된다. (중략) 이 때 의 온도를 이슬점이라고 한다. 이슬점은 (중략) 공기 중의 수 증기량이 많으면 높아지고, 적으면 낮아진다.(7M3-3)

    7M3-1 교과서는 수증기량과 이슬점 온도의 관계를 언급하지 않았지만, 나머지 2종 교과서는 “공기 속에 수증기가 많이 있으면 이슬점은 높고, 적게 있으면 이슬점은 낮다.”, “이슬점은 공기 중의 수증기량이 많 으면 높아지고, 적으면 낮아진다.”고 수증기량(절대 습도)과 이슬점 온도의 관계를 서술한다. 이는 학습 자들로 하여금 “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한 다.”고 생각하게 할 수 있는 서술 방식이다.

    한편, Fig. 2에 나타낸 7M3-2 교과서의 그림은 같 은 크기의 플라스크에 있는 수증기의 밀도(절대 습도) 가 온도가 감소함에 따라 변하지 않음으로 인해 이 들의 이슬점 온도는 같아야 한다고 설명하고 있다. 하지만, 이슬점 온도에 도달하는 과정에서 온도의 하 강에 따른 수증기 분자들의 운동량이 감소함에 따라 현재 수증기압 또한 낮아져 이슬점 온도도 같이 하 강하게 된다. 즉, 온도에 따른 절대 습도의 관계를 나타내는 그래프에서 절대 습도를 일정하게 한 채 공기의 온도를 감소시키는 상황은 엄밀히 말하자면 이슬점 온도가 일정한 상태라고 할 수 없다.

    이슬점 온도의 정의에 의하면 일정한 압력을 유지 하는 조건이 필요하다. 이러한 조건 하에서 온도가 하강할 때, 부피는 계속적으로 감소하여는 절대 습도 는 증가하게 된다. 따라서 Fig. 2에 나타난 교과서의 서술 방식은 이러한 상황을 올바르게 표현하고 있지 못하다. 그러므로 절대 습도로 포화 수증기량을 설명 하는 서술 방식은 정의에 맞지 않은 설명이기 때문 에 “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”는 오개념 을 불러일으킬 수 있다.

    2) 7H I

    7H I에서는 대기 중의 수증기량을 나타내는 척도 로 수증기압을 제시하고 있으며, 수증기압과 이슬점 온도에 대한 설명은 다음과 같다(adopted from Kim et al., 2003; Woo et al., 2003; Lee et al., 2002).

    일반적으로 대기 중의 수증기량은 수증기만의 양을 g으로 나 타내기도 하고, 수증기가 미치는 압력을 써서 hPa로 나타내기 도 한다. 기온이 일정할 때 대기 중에 포함될 수 있는 최대의 수증기량을 포화 수증기압이라고 한다. 포화 수증기압은 (중략) 기온이 높을수록 커진다. 이것은 기체 분자들의 운동이 활발해 지기 때문이다. (중략) 대기가 냉각되면 포화 수증기압은 점차 낮아져서 실제 수증기압과 같아진다. 이 때의 기온을 이슬점이 라고 하며, (후략) (7H I-1)

    높은 온도에서 수증기를 많이 포함한 공기 덩어리가 식어 이 슬점 이하로 온도가 낮아지면 포화 수증기압이 낮아지므로 수 증기의 일부가 물방울로 응결하게 된다.(7H I-2)

    대기 중에 포함된 수증기에 의한 압력을 수증기압이라 하는데, 수증기의 양이 많을수록 커진다. 공기가 수증기를 최대로 포함 하고 있는 상태를 포화 상태라 하고, 이때의 수증기압을 포화 수증기압이라고 한다. (중략) 어떤 공기를 냉각시키면 상대 습 도는 증가하여 공기는 수증기로 포화되고, 수증기의 응결로 물 방울이 생긴다. 이때의 온도를 이슬점이라 하며, 실제 수증기 압이 높을수록 이슬점 온도는 높다.(7H I-3)

    3종의 교과서 모두 대기 중 수증기량과 이슬점 온 도를 수증기압으로 설명한다. 수증기압으로 이슬점 온도를 설명하는 것은 정확한 과학적 개념이며, 학습 자들의 오개념을 줄일 수 있는 방법이다.

    3) 2007M3

    2007M3 교과서에서도 대기 중 수증기량과 이슬점 온도를 절대 습도의 개념으로 설명하고 있으며, 이에 대한 교과서의 서술 예는 다음과 같다(adopted from Kim et al., 2012; Park et al., 2012).

    공기 중에 수증기가 최대로 포함되어 있을 때 그 공기는 수증 기로 포화되었다 하고, 이 때의 공기 1 m3 속에 최대로 포함 될 수 있는 수증기의 양을 g으로 표시한 것을 포화 수증기량 이라고 한다. (중략) 이슬점은 공기가 포함하고 있는 수증기량 에 따라 달라진다. 즉 수증기를 많이 포함하고 있는 공기의 이슬점은 높고, 적게 포함하고 있는 공기의 이슬점은 낮다. (2007M3-1)

    포화 상태의 공기 1 m3 속에 들어 있는 수증기의 양을 g으로 나타낸 것을 포화 수증기량이라고 한다. (중략) 공기 중 수증 기의 양이 포화 수증기량과 같아지는 온도를 이슬점이라고 한 다. 공기 중에 수증기가 많이 포함될수록 이슬점이 높아지고, 공기 중에 수증기가 적게 포함될수록 이슬점이 낮아진다. (2007M3-2)

    2007M3의 두 교과서에서 수증기량(절대 습도)과 이슬점 온도의 관계에 대해 서술한 방식은 7M3의 서술 방식과 같은 방식으로, 학습자들에게 “절대 습 도와 이슬점 온도는 비례하다.”는 오개념을 불러일으 킬 수 있다.

    4) 2009M2

    2009M2 교과서에서는 수증기량을 소개하기 위하 여 비습이라는 물리량을 도입하였다. 비습의 개념이 교육과정에 포함되어 있지 않지만, 비습의 정의를 이 용하여 수증기량과 이슬점 온도를 설명하는 서술 예 는 다음과 같다(adopted from Shin et al., 2013; Lee et al., 2013).

    포화 상태의 공기 1 kg속에 들어 있는 수증기의 양을 g단위 로 나타낸 것을 포화 수증기량이라고 한다. (중략) 수증기가 응결되기 시작할 때의 온도를 이슬점이라고 한다. (중략) 공기 중에 포함된 수증기량이 많으면 높은 기온에서 포화되므로 이 슬점이 높고, 반대로 공기 중에 포함된 수증기량이 적으면 낮 은 기온에서 포화되므로 이슬점이 낮다.(2009M2-1)

    어떤 온도에서 1 kg의 공기가 최대로 포함할 수 있는 수증기 의 양(g)을 포화 수증기량(g/kg)이라고 한다. (중략) 온도가 더 낮아지면 수증기가 물방울로 응결하는데, 응결하기 시작할 때 온도를 이슬점이라고 한다. (중략) 공기 중에 수증기량이 많으 면 이슬점은 높고, 수증기량이 적으면 이슬점은 낮다. (2009M2-2)

    비습으로 이슬점 온도를 설명하는 것은 이슬점 온 도의 정의와 명확히 일치하지는 않지만, ‘압력이 일 정할 때’라는 조건 하에서 절대 습도에 비해 비교적 바르게 설명할 수 있다. 하지만 이슬점 온도를 비습 으로 설명하는 방법은 학습자들에게 ‘이슬점 온도는 수증기 질량에만 의존하는 함수’라는 오개념을 심어 줄 가능성이 있다.

    5) 2009H II

    2009H II는 단열변화 과정에서 일어나는 기온과 습도의 변화를 설명하고 있고, 그 예는 다음과 같다 (adopted from Lee et al., 2011; Choi et al., 2011).

    공기 덩어리가 상승하여 팽창하면 수증기의 밀도는 작아지므로 결국 수증기압이 낮아진다. 그 결과 수증기압에 의해 결정되는 이슬점은 (후략) (2009H II-1)

    이때 공기 덩어리에 포함된 전체 수증기의 양에는 변화가 없 지만 공기 덩어리의 부피가 상대적으로 커지기 때문에 단위 부피에 포함된 수증기의 양을 나타내는 절대 습도는 감소하게 된다. 이는 공기 덩어리 내부에서 수증기가 응결하기 어려워진 다는 것을 의미한다. 따라서 공기 덩어리 내부에서 응결이 시 작되는 온도(이슬점 온도)는 낮아진다.(2009H II-2)

    2009H II-1은 수증기의 밀도를 언급하지만, “수증 기압에 의해 이슬점이 결정된다.”고 바르게 서술하고 있는 반면, 교과서 2009H II-2에서는 절대 습도의 개 념을 언급하며, “절대 습도가 감소하여 이슬점 온도 가 낮아진다.”고 설명한다. 이는 7M3과 2007M3 교 과서의 바르지 못한 서술의 연장으로, 학습자들에게 “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”는 오개념을 불러일으킬 수 있다. 한편, 2009M2에서는 수증기량 의 척도로 비습을 도입하였으나 2009H II에서는 여 전히 절대 습도로서 수증기량을 이야기함으로써 교과 서 및 교육과정의 일관성 및 연계성이 부족하여 학 습자들의 개념 형성에 혼란을 야기할 수 있다. 또한 중학교 과정에서보다 고등학교 과정에서 매우 가변적 인 물리량을 사용함으로써 오히려 개념 형성에 저해 하고 있다. 이에 따라 대기 중의 물을 설명하기 위한 척도로 어떤 물리량을 사용하는 것이 바람직한 지에 대한 고찰이 필요하다.

    6) 2015H II

    2015H II에서는 대기의 연직 운동의 중요성을 다 루기 위해 단열 변화에서 기온과 습도의 변화를 다 음과 같이 언급하였다(adopted fromLee et al., 2019;Lee et al., 2019).

    어떤 높이가 되면 기온과 이슬점이 같아져 포화에 이르게 된 다.(2015H II-1)

    공기 덩어리가 상승하면 부피가 커지므로 단위 부피에 들어 있는 수증기량이 감소하여 이슬점이 낮아진다.(2015H II-2)

    2015H II-1은 단열 변화 과정에서의 습도 변화에 대해 구체적으로 언급하지 않지만, 2015H II-2 교과 서에서는 절대 습도의 정의와 이슬점 온도에 대해 서술하고 있다. 2015H II-2에 의하면 “절대 습도가 감소하면 이슬점이 낮아진다.”고 해석할 수 있으므로 학습자들에게 “절대 습도는 이슬점 온도와 비례한다.” 는 오개념을 심어줄 수 있다.

    결론 및 제언

    2018학년도 수능 6월 모의평가 지구과학 II 19번 문항에 제기된 이의 신청의 내용을 분석하여 드러난 ‘절대 습도와 이슬점 온도의 관계’에 대한 오개념의 존재 여부와 오개념의 구조를 분석하기 위하여 설문 조사를 실시하였다. 이를 통해 절대 습도와 이슬점 온도 사이의 관계성에 대해 매우 견고한 오개념이 있음을 발견할 수 있었다. 특히, 이의 신청자들은 이 문항과 관련하여 이의 제기의 근거로 교육과정과 교 과서를 제시하였다. 학습자들의 오개념은 선개념, 교 사의 부정확한 설명, 교과서의 서술 내용 등에 의해 발생할 수 있다(Gilbert et al., 1982; Barrass, 1984;Fisher and Lipson, 1986;Storey, 1989, 1990). 따라 서 연구 대상이 갖고 있는 오개념의 원인으로 각 교 육과정에서 다루고 있는 대기 중의 수증기량에 대한 교과서의 기술을 살펴보았으며, 그 결과 이들이 이수 한 교육과정의 교과서에서 현재 수증기량, 포화 수증 기량, 이슬점 온도 등의 개념들이 명확하지 않은 설 명이 있음을 발견하였다.

    연구에 앞서 설정한 가설인 “절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 오개념이 있을 것이다.”를 증명 하기 위해 ‘절대 습도는 같지만 온도가 다른 상황에 서의 이슬점 온도’, ‘정압 상태에서의 이슬점 온도 변화’에 대한 설문지를 작성하여 이를 연구 대상에게 투입하였다. 그 결과 일부 예비 교사들이 절대 습도, 이슬점 온도, 수증기압과 같은 개념에 영향을 주는 변인들 간의 관계성을 종합적으로 설명하지 못했으며, 절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대해 오개념을 갖고 있음을 발견할 수 있었다. ‘절대 습도가 동일하 지만 온도가 다른 상황에서의 이슬점 온도’에 대한 예비 교사의 인식을 파악할 수 있는 문항에서 온도 와 무관하게 “수증기 질량과 이슬점 온도는 비례한 다.”, “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”는 오개 념을 발견하였다. 정압 상태로 공기 덩어리를 냉각시 키면 부피의 감소로 인해 절대 습도(수증기의 밀도) 는 증가하지만 온도가 감소하여 수증기압에 변화가 없으므로 이슬점 온도는 변하지 않는다. 더욱이 이 정압 과정은 중학교 교육 과정에서 다루는 샤를의 법칙을 이용하여 설명할 수 있는 내용이다. 이에 대 한 예비 교사의 인식을 조사한 결과, 대부분이 이상 기체상태방정식을 활용하여 이슬점 온도에 대해 옳게 설명했지만, 일부 예비 교사들은 “절대 습도가 증가 하므로 이슬점 온도가 증가한다.”라는 오개념을 갖고 있었다.

    연구를 위해 설정한 두 번째 가설인 “오개념은 교 과서의 부정확한 서술 내용에 기인했을 것이다.”를 증명하기 위해, 발견된 오개념의 원인으로 연구 대상 이 이수한 교육과정과 전후 적용되고 있는 교육과정 의 교과서를 분석한 결과, 7M3과 2007M3 교과서뿐 만 아니라 2009H II, 2015H II 교과서에서 대기 중 의 수증기량의 척도로 절대 습도를 도입하고 있음을 발견했다. 절대 습도를 사용하여 이슬점 온도를 설명 하는 것은 학생들에게 “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”는 오개념을 심어줄 가능성이 크다. 이렇게 형성된 오개념은 학습자의 인지 구조에 고착화되어 후속 학습에 의해 쉽게 변화되지 않아 대학 교육과 정을 거쳤음에도 여전히 발견된다. Kang(2001)은 학 생들의 선개념이 견고한 이유를 교과서의 부적절한 설명 때문이라고 지적하였다. 교과서의 부정확한 내 용은 학생들에게 오개념을 심어줄 수 있으므로, 올바 른 과학적 개념을 가지고 교과서를 서술하는 것이 바람직하다. 2009M2 교과서에서는 비습으로 수증기 량과 이슬점 온도를 설명하고 있다. 이는 절대 습도 로서 이슬점 온도를 설명하는 것보다 비교적 정확한 과학적 개념에 가까운 설명이지만, ‘압력이 일정할 때’라는 제한 조건이 있어야 성립하므로, 그래프와 함께 기압 정보를 제공하거나, 이슬점 온도를 ‘압력 이 일정할 때, 현재 수증기량이 포화 수증기량과 같 아지는 온도’로 정의하는 것이 좋은 방법일 것이다. 하지만, 비습으로 수증기량과 이슬점 온도를 설명하 는 방법은 학습자들에게 설문 조사한 결과에서 드러 난 것과 같이 “수증기 질량과 이슬점 온도는 비례한 다.”와 같은 또 다른 오개념을 불러일으킬 수 있다.

    7H I와 같이 수증기압을 도입하여 이슬점 온도를 설명하는 것이 과학적 정의를 따르는 것이며, 학습자 들의 오개념을 줄일 수 있는 방법이지만, Park(2009) 에 의하면 예비과학교사들은 포화 수증기압 개념에 대해 크고 작은 오개념을 갖고 있다. 수증기압으로 이슬점 온도를 효과적으로 설명하기 위해, 수증기압 을 도입할 때 분자운동론적인 설명이 선행병행되어야 한다. 2015M1의 ‘기체의 성질’ 단원에서 ‘입자의 운 동’, ‘기체의 압력’, ‘기체의 압력과 부피의 관계’, ‘기 체의 온도와 부피의 관계’와 같은 내용 요소를 입자 의 운동 관점으로 다루기 때문에, 이후 이슬점 온도 와 응결 현상을 다룰 때 대기 중 수증기량의 척도로 수증기압을 도입할 수 있을 것이다.

    따라서 중학교 교과서에서 이슬점 온도를 설명하는 데 있어서 수증기압의 개념을 사용하는 것이 가장 바 람직하다. 수증기압은 수증기의 밀도(절대 습도)와 온 도 두 변수의 영향을 받는 물리량이다. Fig. 3는 수증 기압에 영향을 주는 변인을 설명하기 위해 구상한 모 형이다. 기온이 동일한 경우 수증기 밀도(절대 습도) 가 클수록 수증기 입자들의 충돌 횟수가 많고 이로 인해 수증기압도 크다. 한편, 수증기의 밀도(절대 습 도)가 동일한 경우에는 기온이 높을수록 수증기 입자 들의 운동이 활발하며, 이로 인해 수증기압도 크다.

    이 모형을 이용하면 이상기체상태방정식의 도입 없 이 수증기압, 기온, 수증기의 밀도(절대 습도)의 관계 를 설명할 수 있으며, 나아가 이 모형과 함께 Fig. 4 과 같이 수증기압으로 이슬점 온도를 설명하면 “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”는 오개념 형성을 방지할 수 있다.

    Fig. 4은 포화 수증기압 곡선에 공기 덩어리 A, B, C의 온도와 수증기압 상황을 표시한 것이다. 공기 덩 어리 A와 C는 온도가 같지만 절대 습도가 달라 수 증기압에 차이가 있는 경우이다. 이 경우는 Fig. 3의 기온이 동일하고 수증기 밀도가 다른 경우의 수증기 압에 적용하여 설명할 수 있다. 수증기 밀도(절대 습 도)가 큰 A의 경우가 현재 수증기압이 더 크고 이슬 점 온도도 더 높다. 이 상황만 비교할 경우 절대 습 도와 이슬점 온도는 비례한다고 생각할 수 있다. 하 지만, 이슬점 온도는 수증기압의 함수이며, 수증기압 은 절대 습도만의 함수가 아니라 온도의 함수이기도 하다. 다음 두 경우는 절대 습도뿐만 아니라 온도 또 한 고려해야 하는 경우이다. 공기 덩어리 B와 C의 경우, 절대 습도가 동일하지만 온도가 달라 수증기압 에 차이가 있는 상황이다. 이 경우는 Fig. 3의 수증 기 밀도가 동일하고 기온이 다른 경우의 수증기압에 적용하여 설명할 수 있다. 온도가 높은 B의 경우가 C보다 현재 수증기압이 더 크고 이슬점 온도도 더 높다. 이들의 절대 습도는 같지만 이슬점 온도가 다 른 상황이다. 한편, 공기 덩어리 A와 B의 경우, 이슬 점 온도가 동일하지만 온도와 절대 습도가 모두 다 른 상황이다. 공기 덩어리 B는 A보다 온도가 높은 대신 절대 습도는 작아 현재 수증기압이 A와 동일할 수 있다. 이는 절대 습도가 달라도 이슬점 온도가 같 은 상황이다. 공기 덩어리 B와 C, A와 B의 비교는 절대 습도와 온도를 모두 고려하는 상황으로 “절대 습도와 이슬점 온도는 비례한다.”는 오개념 형성의 방지를 도울 수 있는 좋은 예시이다. 따라서 이슬점 온도의 정의에 부합하는 수증기압이라는 물리량을 도 입하여 이슬점 온도를 설명한다면, 절대 습도와 이슬 점 온도의 관계에 대한 오개념 유발을 방지할 수 있 으며, 이미 형성된 오개념도 해소할 수 있을 것으로 사료된다. 더욱이 중학교 1학년 과정에서 배우는 기 체 입자의 운동 개념을 확장하여 수증기압에 적용함 으로써 이슬점 온도를 설명한다면 절대 습도와 이슬 점 온도의 관계에 대한 보다 올바른 과학적 개념을 제공할 수 있을 것이다. 이는 현재 교육부가 추구하 는 통합 과학 교육의 지향점과 일치하는 교육 내용 이기도 하다.

    이 연구를 통해 절대 습도와 이슬점 온도의 관계 에 대한 예비 교사들의 인식과 이들의 인식에 영향 을 준 교과서의 바르지 못한 서술 내용을 확인할 수 있었고, 발견된 문제점을 해결할 방법으로 대기 중 수증기량을 나타내는 척도로서 수증기압을 도입해야 함을 제안하고자 한다.

    한편, 이 연구의 설문지에 참여한 설문자의 표본 크기를 고려할 때 연구 결과를 일반화하는 데 다소 무리가 있을 수 있다. 그럼에도 불구하고 본 연구의 결과는 학생들이 절대 습도와 이슬점 온도의 관계에 대한 올바른 과학적 개념을 형성할 수 있도록 하기 위한 교사의 수업 연구에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로도 이 연구와 같이 교사들이 오개념 으로 갈 수 있는 과학 개념들을 사전에 파악하고, 이 에 대한 교사의 인식을 조사하여 학생들에게 정확한 과학 개념을 전달할 수 있는 방안을 연구하는 것이 계속적으로 필요하리라 생각된다.

    사 사

    이 논문은 2019년 공주대학교 학술연구지원사업의 연구지원에 의하여 연구되었습니다.

    Figure

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    Question #19 of Earth Science II of 2018 June Evaluation Test for College Scholastic Aptitude Test(CSAT), which can be found on the web site of Korea Institute for Curriculum and Evaluation (KICE, 2017).

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    Relationship among saturated water vapor (in g/m3), air temperature and dew point in the science textbooks of 7M3-2 (adopted from Lee et al., 2003).

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    Variables affecting water vapor pressure in the equation of state for the specified air.

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    Saturation water vapor pressure curve as a function of temperature and dew point temperature for three different situations (TA=TC<TB, ρA>ρB=ρC , eA=eB>eC)..

    Table

    The list of concept categories and purposes of questions included in the questionnaire where this study tries to examine potential misconceptions

    Adoption status of the variables to represent the actual amount of water vapor in the air parcel in explaining the concept of dew point temperature for each of the curricula

    Reference

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