열수지 자료 해석에서 드러난 중학생의 복사 평형, 온실 효과, 지구 온난화에 대한 이해
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1. 지구복사평형
(1) 학생의 오개념 사례
(2) 대처방안
복사 평형의 의미를 설명하는 학 생들의 반응 중 세 가지 오류 사례에는 공통으로 나 타나는 맥락이 있다.
태양 복사의 반사와 지구 복사 의 방출을 모호하게 생각하는 기저에는 학생들이 형 성하는 태양 복사와 지구 복사의 의미가 양적으로 강조되면서 두 복사의 질적 차이가 다소 간과된 측 면이 있기 때문이다. 학생들은 태양 복사와 지구 복 사 에너지의 양이 같아서 동일한 에너지로 인식하고, 두 에너지의 차이를 단순히 지구를 향하거나 우주를 향하는 방향으로 구분한다. 사실 그림 자료는 태양 복사와 지구 복사를 다른 색깔의 서로 다른 화살표 로 구분하면서 종류가 다른 에너지임을 은연중에 나 타내지만, 그 의미는 굳이 설명하지 않아도 다 아는 당연한 내용처럼 간과된 경향이 있다. 두 복사 에너 지의 양적인 평형 상태와 더불어 질적인 차이를 중 학생의 수준에 맞추어 언급하고, 이를 다양한 자료의 형식으로 표현하거나 해석하도록 하면 복사 평형을 보다 정교하고 정확하게 인식하고, 추후 연계되는 온 실 효과나 지구 온난화의 이해에 도움이 될 것으로 생각한다.
2. 온실효과와 복사평형의 이해
가. 대기의 유무에 따른 온실효과와 복사평형 이해
나 온실효과와 지구복사평형의 정량적 관계
3. 지구 온난화의 이해
(1) 학생들의 반응(오개념)
(2) 대처방안
첫째, 지구 온난화에 대한 학 생들의 복사 평형 관점이다. 대기 흡수(B)와 재복사 (C)가 증가한다고 바르게 응답한 학생들이 지표 복사 (A)의 증감 경향을 예상하면서 그들이 지닌 지구 온 난화에 대한 평형 관점을 드러냈다. 지표에서 흡수량 과 방출량이 같다는 평형 관점을 지닌 학생과 함께, 지표의 흡수량이 방출량보다 많아져서 평균 기온이 높아지며, 적어도 지표에서는 복사 평형을 이루지 않 는다고 생각하는 학생들이다. 2015 개정 교육과정의 중학교 성취 기준은 ‘온실 효과와 지구 온난화를 복 사 평형의 관점으로 설명할 수 있다’(MOE, 2015)이 지만, 이 성취 기준만으로는 지구 온난화에 대한 평 형 관점, 혹은 평형이 깨어진 관점 중 무엇을 취하라 는 것인지 명시적이지 않으며, 이를 가르치는 교사들 의 관점도 분명치 않다. 이 부분에 대한 교과서 서술 은 다음과 같다.
대기 중에 이산화 탄소와 같은 온실 기체의 농도가 증가하면 온실 효과가 강화되어 더 높은 온도에서 복사 평형이 이루어 지므로 지구의 평균 기온이 상승하게 된다. 이처럼 대기 중으 로 배출되는 온실 기체의 양이 증가하여 지구의 평균 기온이 지속적으로 상승하는 현상을 지구 온난화라고 한다(Noh et al., 2020).
대체로 중·고등학교 교과서의 진술은 지구 온난화 를 온실 효과의 강화(Lee et al., 2020;Lim et al., 2020;Oh et al., 2020)나 상승하는 경향(Shin et al., 2020)으로 설명하지만 강화되며 변화하는 과정인지, 순간적으로 복사 평형을 이루는 상태인지 합의되지 않았다. 특히 이를 가르치는 교사의 관점에 따라 학 생들의 관점도 달라질 수 있으며, 어떤 관점을 선택 하느냐에 따라 평형 관점을 취한 2번 유형, 비평형 관점을 취한 3번, 4번 유형의 학생들처럼 지표 방출 량(A)을 다르게 예상하게 된다. 상위 교육과정인 지 구과학Ⅰ의 성취 기준은 ‘지구 온난화를 지구 열수지 와 관련지어 이해한다.’(MOE, 2015)이며, 온실 기체 증가로 인한 장파 복사의 변화를 예상하는 문항이 대학수학능력시험 및 수능모의평가에도 꾸준히 출제 되고 있는 상황에서 학생들의 관련 개념 형성에 혼 란을 줄 수 있다. 이를 위해 복사 평형과 지구 온난 화에 대해 교사가 지닌 관점과 함께 해당 교수·학습 과정에서 어떤 관점으로 접근하고 있는지부터 우선 파악해야하며, ‘지구 온난화를 복사 평형의 관점으로 설명한다’는 성취 기준의 의미를 명확히 하거나 가이 드 라인을 제공할 필요가 있다.
둘째, 많은 학생들이 흡수량과 방출량의 차이에 의 해 평균 기온의 증가가 나타난다고 생각하며, 이러한 개념은 학생들로 하여금 온실 효과와 지구 온난화 모두 흡수량과 방출량이 같지 않은, 복사 평형이 깨 진 상태로 인식하도록 하는 원인이 된다. 특히 대기 에 의해 복사가 ‘갇혀서 빠져나가지 못하거나 지체된 다’는 표현은 방출량이 흡수량에 비해 적다는 암묵적 표현이므로 학생들의 복사 평형 관점 형성을 방해할 수 있다. 따라서 대기 유무에 따른 복사 평형 온도의 변화, 대기 조성 변화에 따른 복사 평형 온도 변화 경향으로 평균 기온 변화를 인식할 수 있도록 강조 해야 한다. 이를 위해 대안적 개념을 유도하는 교과 서 및 교재의 표현을 정제하고, 교사가 관련 내용에 서 활용하는 진술이나 비유 등을 분석해야 하며, 특 히 흡수량과 방출량은 각 계 사이에서 평형을 이룬 다는 개념으로 교정하거나 보완할 필요가 있다.
지구 온난화는 현재 인류에 닥친 기후변화 위기와 관련해 중요한 쟁점이므로 이에 대한 정확한 이해에 근거한 과학적 소양 함양이 절실한 시점이다. 특히 복사 평형, 온실 효과, 온난화는 지구계의 균형과 상 호작용이라는 관통 개념(crosscutting concepts)을 포 함하고 있으며, 다른 학문의 영역과 융합할 수 있는 빅 아이디어를 적용할 수 있는 좋은 소재다. 따라서 학생들의 이해 상황을 반영한 학습 경험 마련과 함 께, 정확한 이해를 방해하고 대안 개념을 유도하는 요소에 대한 면밀한 분석과 이를 교정할 대책 마련 이 필요하다.
[결론 및 시사점]
첫째, 복사 평형의 의미를 설명하는 학생들의 대안 개념에서 공통적으로 나타나는 맥락은 태양 복사와 지구 복사의 의미가 양적으로 강조되면서 두 복사 에너지의 질적 차이가 교수·학습 과정에서 다소 간 과된 측면이 있기 때문으로 추측된다. 모든 물체는 복사 에너지를 방출하며, 파장별 방출량은 온도에 의 해 결정된다는 복사의 기본 법칙과 전자기파의 개념 을 이해시키는 과정에서 두 복사 에너지의 양적인 평형 상태와 더불어 질적인 차이를 중학생의 수준에 맞추어 언급하고, 이를 텍스트 형식뿐만 아니라 그림, 도해, 수식 등 다양한 시각 자료를 활용하여 표현하 거나 해석하도록 한다면, 지구 온난화로 인한 기후 변화에 대한 학생들의 개념 체계가 더욱 정교하게 구축될 수 있을 것이다.
둘째, 온실 효과와 관련하여 일상 경험과 맞닿아 있는 ‘온실’이라는 비유를 통해 학생들은 온실 효과 를 친숙하게 여기지만, 세부적 과정과 원리를 중심으 로 교수·학습이 수행되지 않는다면, 대안 개념의 원 인이 되기 쉽다. 온실 효과에 대한 대안 개념은 선행 연구(Kook, 2003;Shin and Lee, 2006)에서도 지적 한 것처럼, 장파 복사가 지구 대기에 흡수되었다가 다시 지표로 재복사하여 보온되는 과정을 ‘온실’이라 는 폐쇄된 공간에 적용하여 온실 내부와 외부의 공 기 교환을 막아 대류를 억제하여 온실 내부가 보온 되는 물리적으로 전혀 다른 과정에 비유함으로써 갖 게 된 대안 개념으로 보인다. 따라서 온실 기체에 의 해 흡수된 에너지는 대기 복사의 형태로 방출되며 모든 단계에서 복사 평형이 유지됨을 명시적으로 언 급해줄 필요가 있다. 복사는 전자기파를 통해 열이 전달되는 현상으로 흡수한 열에너지는 언제나 모든 방향으로 방출된다는 열복사를 이해해야 복사 평형을 충분히 적용하거나 새로운 상황에 전이할 수 있을 것이다.
셋째, 지구 온난화를 이해하기 위해서는 장기적인 관점에서 지구계가 각 권의 상호작용을 통해 에너지 의 순출입 없이 복사 평형을 찾아가는 과정에 대한 이해가 필수적으로 요청된다(Hong, 2020). 복사 평형 온도가 대기 유무에 따라 달라지는 온실 효과에 대 한 기본적인 이해를 바탕으로 온실 기체가 증가하면 온실 효과에 의한 복사 평형 온도가 바뀌어 지구 온 난화 현상이 나타난다는 개념을 순차적으로 이해해야 한다. 그러나 지구 온난화를 온실 기체량 변화에 따 른 재평형을 찾아가는 과정으로 볼 것인지, 아니면 재평형을 이룬 이후의 결과로 볼 것인지에 따라 학 생들의 개념 이해가 상이했던 만큼 ‘지구 온난화를 복사 평형의 관점으로 설명한다’는 성취 기준의 의미 를 보다 명확히 해야 할 것으로 보인다.