대학수학능력시험 화학 I 문항 분석 및 학생과 교사의 인식 조사를 통한 화학 I 응시자 감소 원인 분석

학생. 연구 대상 학생들은 고등학교 과정 중 화학Ⅰ 교과를 이수하고 2017학년도 대학수학능력시험 과학탐구영역에 응시하는 고등학교 3학년 452명이다(Table 1). 대학수학능력시험에 응시하지 않거나, 과학탐구영역을 선택하지 않은 학생은 설문 대상에서 제외하였다.

교사. 연구 대상 교사들은 전국 고등학교에서 근무하는 과학교사 68명으로 그들의 세부 전공(물리, 화학, 생명과학, 지구과학, 공통과학)에 제한을 두지는 않았으나, 화학교사가 전체 응답자의 50% 이상이 되도록 하였다(Table 2).

대학수학능력시험 화학Ⅰ 문항 분석. 과학교육전문가 2인과 과학교육 전공 석박사과정 5인이 2009 개정 교육과정이 적용된 최근 3년간(2014학년도~2016학년도)의 대학수학능력시험 화학Ⅰ 60문항 중 교육과정에 제시된 내용보다 상위 수준의 사고력을 요하는 5문항을 선별하여 교육과정에 제시된 내용요소 및 성취수준과 평가 문항을 비교·분석하였다.

설문지 개발. 양장관의 선행 연구¹³를 참고하여 예비 설문지를 작성하였고, D광역시 소재 G고등학교 3학년 학생 2명과, D광역시 소재 고등학교에 근무하는 화학교사 3인과의 면담을 통해 수정ㆍ보완하였다. 최종적으로 과학교육 전문가 2인과 현장에 근무하고 있는 과학교육 전공 박사 과정 5인으로부터 타당성을 검증 받았다.

학생용 설문은 ‘배경변인, 대학수학능력시험에서 화학 I의 선택 여부, 화학 I 선택 혹은 미선택에 영향을 미친 요인, 대학수학능력시험 화학 I 기출 문항의 체감 난이도’를 확인하기 위한 문항으로 구성되었다. 기출 문항의 체감 난이도 선택의 이유를 묻는 개방형 질문을 통해 화학 I 문항에 대한 학생들의 구체적이고 다양한 의견을 수집하고자 하였다.

교사용 설문은 ‘배경변인, 대학수학능력시험 화학 I의 난이도 적절성, 최저학력기준 충족의 측면에서 화학 I의 적합성, 화학 I 응시 권유의 여부, 대학수학능력시험 화학 I 문항 개선의 필요성과 방향, 대학수학능력시험 화학 I 선택 비율 감소 원인에 대한 의견’을 확인하기 위한 문항으로 구성되었다. 이 때 선다형 문항마다 선택의 이유를 묻는 서술형 문항을 덧붙여 선다형 문항을 보충하였다.

설문 조사 및 분석. 설문지는 2016년 8월부터 2016년 9월까지, 직접 또는 우편과 이메일을 이용하여 배포하였으며 학생용 452부, 교사용 68부를 회수하여 통계처리를 하였다.

설문 문항은 선다형, 서술형으로 구성되어 있으며 설문결과는 선다형인 경우 응답률을 응답자의 수와 백분율로 나타내었고, 리커트 5점 척도를 사용, 항목별 수를 부여하여 평균을 제시하였다. 서술형 문항은 답변을 분석하여 같은 유형의 답을 범주화하여 유형별로 정리하였다.

대학수학능력시험 화학 I 기출문항 사례 분석에 사용된 문항은 2014학년도부터 2016학년도까지 출제된 60문항 중 5문항이다.

Fig. 1은 2014학년도 화학 I 18번 문항으로서 산과 염기의 중화 반응에 관해 묻는 문항이다. 교육과정에 ‘산과 염기의 중화 반응을 이해한다.’로 명시되어 있으며, 모형이나 비유 등을 이용하여 중화 반응의 원리와 양적 관계를 이해하는 성취기준을 바탕으로 출제된 문항이다.¹⁴

이 문항은 먼저 중화점을 찾은 후 혼합 용액의 액성을 파악해야 한다. 용액 속에 존재하는 H⁺ 또는 OH^-의 수를 각각 미지수로 두고 세 개의 연립방정식을 세워 풀어야 한다. 또한 실험 I과 II에서 혼합 전과 후 용액에 존재하는 이온의 종류와 수를 모두 구해야 한다는 점에서 제한된 시간 내에 풀이하는 것이 쉽지 않을 것으로 판단된다.

Fig. 2는 2014학년도 화학 I 20번 문항으로서 원소의 전기 음성도와 이온 반지름에 관해 묻는 문항이다. 교육과정에 ‘주기율표에서 원자가전자의 수, 원자 반지름, 이온화 에너지, 전기 음성도 등 원자의 성질이 주기적으로 변화됨을 설명할 수 있다.’로 명시되어 있으며, 원자의 전자배치를 기초로 주기율표 원소들의 원자가전자의 수를 파악하고 이를 통해 원소의 성질이 족과 주기에 따라 규칙적으로 변화하는 것을 이해하는 성취기준을 바탕으로 출제된 문항이다.¹⁴

이 문항은 주어진 원소의 전기 음성도를 크기 순서대로 나열한 후 <가정1> F과 O 사이의 전기 음성도 차가 0.5이므로 F의 전기 음성도가 a인 경우, <가정2> O와 N 사이의 전기 음성도 차도 0.5이므로 N의 전기 음성도가 a인 경우로 나누어 각각의 조건을 만족하도록 a, b, c, d, e 원소가 무엇인지 찾아야 하는 문항이다. 전기 음성도의 개념을 정확히 알고 주기율표에서 전기 음성도의 변화를 설명할 수 있더라도 수학적 사고력이 요구되는 문항이다.

Fig. 3은 2015학년도 화학 I 18번 문항, Fig. 4는 2016학년도 화학 I 20번 문항으로서 화학 반응식의 계수와 화학반응에서의 양적 관계에 대해 묻는 문항들이다. 교육과정에 ‘여러 가지 화학 반응을 화학 반응식으로 나타낼 수 있고, 원자량과 분자량 등을 이용해서 화학 반응에서의 양적 관계를 알 수 있다.’로 명시되어 있으며, 여러 가지 화학 반응을 나타내는 방법과 의미를 이해하고 화학 반응의 양적 관계를 통합적으로 이해하는 성취기준을 바탕으로 출제된 문항이다.¹⁴

Fig. 3의 문항은 A~C의 질량비를 구하고 질량 보존 법칙과 화학반응식의 계수비와 몰수비와 같다는 사실로부터 분자의 몰수비와 반응계수를 구하여야 한다. 기체 A, B, C의 분자량을 각각 임의의 문자로 두고 세 개의 연립 방정식을 세워 풀어야 하는 문항이다. 화학 반응식에서 양적 관계를 구할 줄 알더라도 복잡한 수리 계산이 필요할 뿐 아니라, 배점이 2점인 문항임에도 불구하고 풀이 단계가 복잡하여 상당한 풀이 시간이 요구된다.

Fig. 4의 문항 역시 화학 반응식에서 계수비는 몰수비와 같음을 이용하는 문항이다. 생성물 C의 계수 c가 1, 2, 3인 경우를 모두 가정하여 양적 관계를 알아낸 후 반응 후 전체 기체의 부피비와 일치하는 값을 찾아 계수 c를 결정해야 하므로, 풀이 단계가 복잡하여 많은 시간이 소요된다.

Fig. 5는 2016학년도 화학 I 19번 문항으로서 금속의 반응성(이온화 경향)을 적용하여 금속과 금속 이온의 반응에 관해 판단하는 문항이다. 교육과정에 ‘이산화탄소, 물, 메탄, 암모니아에서 화학 결합을 하고 있는 원자들 사이의 전기음성도 차이로부터 각 원소의 산화수를 설명할 수 있다.’로 명시되어 있으며, 교육과정 해설을 보면 산소에 의한 산화·환원 반응을 도입한 후 전자의 이동으로 산화·환원 반응을 이해하게 하며, 다양한 산화·환원 반응의 예를 들어 설명하도록 교수·학습 방법을 제시하고 있다. 특히 2007 개정 교육과정과는 달리 ‘금속의 반응성’을 구체적으로 언급하지 않고 쉬운 화학 반응을 예로 들어 산화·환원 반응을 판별하게 하도록 지도할 것을 강조하고 있다.¹⁴

이 문항은 금속과 금속 이온의 반응에 해당하므로 금속 A와 B의 화학 반응식을 구하고 양적 관계를 이용하여 풀어야 한다. 앞의 문항들과 마찬가지로 복잡한 수리 계산과정이 수반되므로 실제 학교 수업에서 성취기준·성취수준이 요구하는 전자의 이동만 다루어서는 문제를 쉽게 해결하기 힘들 것으로 예상되며, 금속의 반응성(금속의 이온화 경향) 원리를 이해하더라도 문항에서 정답을 찾기까지 많은 시간이 소요될 것이다.

선별된 기출문항들을 종합 분석한 결과, 교육과정에서 요구하는 깊이와 성취기준 및 성취수준에 비해 문항의 난이도와 문항 풀이에 필요한 능력이 다소 높다고 판단된다. 또한 문항에 포함된 화학의 원리는 간단하지만 미지수를 여러 개 설정하여 연립방정식을 풀어야 하거나 특정한 경우를 가정하여 논리적으로 판단해야 하는 등 수학적 사고력을 요구하는 문항이 다수 출제되었음을 알 수 있다.

대학수학능력시험 화학 I 과목 선택에 대한 학생의 인식. 대학수학능력시험 화학 I 과목 선택에 대한 학생의 인식을 파악하기 위한 설문조사 결과 전체 응답 학생 452명 중 2017학년도 대학수학능력시험에서 화학 I을 선택한 학생은 268명(59.29%), 미선택한 학생은 184명(40.71%)이다. 이 때 화학 I을 선택한 학생 268명의 선택과목 조합은 다음과 같다(Table 3).

화학 I을 응시하는 학생들은 대부분 II 과목보다는 I 과목을 선호하였으며, 특히 생명과학 I과 지구과학 I을 선호하는 것으로 나타났다. 이는 과학탐구영역 8과목(물리 I·II, 화학 I·II, 생명과학 I·II, 지구과학 I·II) 중 최대 2과목을 선택하는 현행 대학수학능력시험 체제에서 학생들의 과학탐구영역 학습량이 줄었을 뿐 아니라 본인이 공부하기에 어려운 과목은 배제하고 쉬운 과목으로 몰리는 현상이 나타났다는 양장관¹³의 연구 결과와 일치한다.

2017학년도 대학수학능력시험에서 화학 I을 선택한 학생 268명을 대상으로 화학 I을 선택한 이유를 묻는 문항의 응답 결과는 Table 4와 같다.

‘교과에 대한 흥미, 향후 진로 및 전공 희망 학과와의 관련성, 성적(등급)의 요인, 학업에 대한 부담’의 측면에서 봤을 때 시험 성적이나 학습의 수월함보다 교과에 대한 흥미와 관련 진로 선택을 위한 필요성 때문에 화학Ⅰ을 선택하여 공부했음을 알 수 있다. 기타 의견으로는 ‘학교 교육과정 편성 및 반편성에 따라서(13명)’, ‘주위 친구들이 많이 선택해서(4명)’ 등이 있었다. 이것은 학생들이 선택과목을 선택할 때 자신의 흥미나 적성, 대학 진학과의 연계성을 더 많이 고려한다는 선행 연구 결과와 일치한다.^4,7,15

2017학년도 대학수학능력시험에서 화학 I을 선택하지 않은 학생 184명에 대해 처음부터 화학 I을 선택하지 않은 학생 94명(51.09%)과 처음에는 화학 I을 선택하였으나 중도에 다른 과목으로 변경한 90명(48.91%)의 두 가지 유형으로 분류하고 화학 I을 선택하지 않은 이유를 묻는 문항의 응답 결과는 Table 5와 같다.

화학 I을 선택하지 않은 이유와 화학 I을 선택하여 공부하다가 다른 과목으로 변경한 이유에서 ‘성적’과 ‘학업에 대한 부담’이 중요한 요인으로 작용했음을 알 수 있다. 이는 학생들이 대학수학능력시험에서 유리한 과목을 우선 선택한다는 최순화 등⁴의 연구 결과와도 같은 맥락이라 할 수 있겠다. 또한 계열 구분이 없고 무학년제 선택과목의 편성이 가능한 현 교육과정에서 화학 I 학습 내용의 증가와 난이도의 상승은 이공계 선택의 기피현상을 심화시킬 수 있으며, 화학 교과를 선택하는 학생들의 비율 감소로 이어질 가능성이 있다는 점을 우려했던 전세영¹⁶의 연구 결과와 일치한다. 기타 의견으로는 ‘다른 과목 선생님의 영향(3명)’이 있었다.

‘화학반응의 양적관계’를 묻는 기출 문항을 제시하여 문항의 체감 난이도를 조사한 문항에서는 452명 중 326명(72.12%)이 ‘어렵다’고 답하였다(Table 6).

체감 난이도 선택의 이유를 묻는 문항에는 452명 중 374명이 답하였는데, ‘계산 과정이 복잡해서’라는 답변이 가장 많았다(Table 7). 이는 ‘보통이다’로 답하였더라도 부정적인 응답을 하는 경우가 많음을 알 수 있다. ‘수학적 접근이 어려워서’와 ‘화학이 아닌 수학 문제 같아서’ 라는 답변은 화학적 능력보다는 수학적 사고력과 계산 능력을 평가 하고 있다는 진술로 볼 수 있어, 학생들이 시험 말미에 접하게 되는 복잡한 수리 계산 문항을 부담스럽게 생각하고 있음을 알 수 있다.

대학수학능력시험 ‘화학 I’ 과목 선택에 대한 교사의 인식. 화학 I 교과와 대학수학능력시험에 대한 현직 고등학교 과학교사의 인식을 조사한 결과는 다음과 같다(Table 8,9).

현행 대학수학능력시험의 화학Ⅰ 문항이 2009 개정 교육과정에서 요구하는 내용요소를 평가하기에 적절한 난이도인가를 묻는 선다형 문항 1의 문항별 응답 빈도를 분석해 보면 68명 중 38명(55.9%)의 교사들이 부정적으로 답하였다(Table 8). 이 때 문항 난이도가 적절하다고 응답한 11명 중 3명(4.4%)만이 화학교사로 나타났는데, 타 교과 교사들의 긍정적인 응답이 많은 것은 비전공자로서 화학 I 문항의 난이도를 판단하기는 어려우므로 교육과정에 근거하여 선행학습을 유발하는 문항을 배제하였는가의 관점에서 판단한 것으로 보인다.

문항의 난이도에 대해 부정적으로 응답한 교사 38명을 대상으로 서술형 문항 1-1에 대한 응답을 분석해보면 화학이 아닌 수학적 사고력과 계산능력을 평가하고 있기 때문이라는 응답이 가장 많았는데(Table 9), 이는 화학반응의 양적 관계와 중화반응 등에서 지나치게 복잡한 계산과정이나 고차원의 수학적 능력이 요구되는 문항이 출제되고 있음을 현직 교사들 또한 심각한 문제로 인식하고 있음을 보여준다. 수리 문제를 바르게 해결할지라도 그 바탕에 있는 근본 개념을 이해하는 것은 아니라는 선행 연구의 결과를 고려해 볼 필요가 있을 것이다.^17,18

대학수학능력시험에서 최저등급을 충족시키기에 화학 I이 유리한 과목이라고 생각하는지를 묻는 선다형 문항 2에서는 전체 응답 교사 68명 중 긍정적인 응답이 7명(10.3%), 부정적인 응답이 40명(58.8%)으로 나타났다. 이들의 서술형 문항 2-1을 분석해보면 주로 상위권 학생들이 응시하는 화학 I은 과학교사들조차 문항이 지나치게 어렵고 등급 구분 점수가 높아 학생들이 원하는 등급을 받기에 불리한 과목이라고 인식하고 있음을 알 수 있다. 특히 선다형 문항 2에 긍정적으로 응답한 7명 중 3명만이 화학교사인 것으로 나타났는데 이는 설문에 응답한 전체 화학교사 41명 중 단 3명(7.3%)에 불과한 수치이다.

그러나 평소 학생들에게 대학수학능력시험에서 화학 I을 선택하여 응시하도록 권유하는가에 대한 질문 선다형 문항 3에는 68명 중 26명(38.3%)이 긍정적으로 답하였다. 이는 선다형 문항 1, 2와 비교했을 때 긍정적 응답이 부정적 응답보다 많으며 과학교사들이 화학 I의 선택을 권유하는 경우가 많음을 알 수 있다. 선다형 문항 3의 평균값(M) 역시 1, 2에 비해 보다 다소 높음을 볼 수 있다. 서술형 답변을 분석해 본 결과, 상위등급을 받기에 타 교과보다 화학 I이 불리하다고 교사 스스로 인식하고 있음에도 불구하고 이공계열 기초학문으로서 화학이 가지는 중요성과 화학 관련 진로의 다양성을 인지하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

대학수학능력시험 화학 I 문항 개선의 필요성과 방향에 대한 문항인 선다형 4에서는 68명 중 49명(72.1%)의 교사가 대학수학능력시험 화학 I 문항이 개선되어야 한다고 응답했다. 이들의 서술형 응답을 보면 대학수학능력시험 화학 I 선택 비율 감소 원인으로 지목된 복잡한 계산 과정과 수학적 사고력을 요하는 문제를 지양하고 전반적으로 난이도를 낮춰야 한다는 의견이 있었다.