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나도 과학자!

직접 경험하며 이해하는 재미있는 과학 시간

과학교육에서 실험탐구는 이론적인 개념을 실제로 경험하고 이해하는 데 중요한 역할을 합니다. 실험을 통해 학생들은 추상적인 개념을 실제 상황에 적용하고 관찰하며 문제 해결 능력을 키우게 됩니다. 이를 통해 과학적 사고와 탐구 능력을 발전시키며, 자기 주도적 학습 능력을 기를 수 있습니다. 또한, 미래에 과학적인 직업이나 전공을 선택하는데 중요한 기반이 됩니다. 최근에는 과학 기자재의 발전으로 다양한 분야의 과학 실험이 가능해졌습니다. 특히 무선 센서를 활용한 데이터 수집이 쉬워져 실험 결과를 단순히 관찰하는데 그치는 것이 아니라 정량적 분석과 탐구가 용이해졌습니다. 다양한 센서 중 무선 분광광도계를 활용한 실험탐구 프로젝트를 소개하고자 합니다.

‘활성산소와 항산화제’ 주제로 실험탐구 프로젝트의 시작…
학생들 탐구 능력 향상 기대

실험과 탐구설계의 경험이 부족한 학생들에게 처음부터 자유주제 탐구를 제시할 경우 막연해하거나 학교에서 탐구하기 어려운 주제를 생각하는 경우가 많습니다. 학생들의 탐구 능력을 향상시키고 내실 있는 실험 활동이 가능하도록 ‘활성산소와 항산화제’를 대주제로 하여 10차시에 걸친 실험탐구 프로젝트를 진행했습니다.

1차시  분광광도계의 기본 원리, 마이크로피펫 사용하기

이번 프로젝트에서 가장 핵심이 되는 실험 기구는 무선 분광광도계와 마이크로피펫입니다. 따라서 실험기기의 작동 원리와 사용방법에 대한 숙지가 매우 중요합니다. 분광광도계는 시료의 흡광도를 측정하기 위해 주로 사용하는데 시료는 눈으로 보이는 색과 보색 관계의 빛을 주로 흡수하며, 시료의 농도는 흡광도와 비례합니다. 마이크로피펫은 기본적인 사용방법을 익힌 뒤 e-tube에 증류수를 옮기는 연습을 수차례 반복했습니다. 그리고 모둠원 간 옮긴 증류수의 양을 비교해 자신이 옮긴 양이 정확한지 확인하도록 지도했습니다.

2차시 색소 용액의 흡수스펙트럼 측정과 최대 흡수 파장 찾기

두 번째 차시부터는 분광광도계를 사용해 시료의 흡광도 측정 실험을 수행했습니다. 색을 띠며 구입하기 쉬운 식용 색소 가루(적색, 노란빛, 초록색)를 증류수에 녹여 시료를 만든 뒤 모둠별로 배부합니다. 그리고 실험을 실시하기 전 빛의 보색 관계를 이용해 각 용액이 흡수하는 빛의 색을 예측하고 보고서에 작성하도록 지도합니다. 각각의 식용 색소 용액은 마이크로피펫을 이용해 큐벳으로 옮긴 뒤 분광광도계를 이용해 흡수스펙트럼을 측정했습니다. 사진 1과 사진 2 는 실험에서 측정한 노란색과 초록색 용액의 흡수스펙트럼 결과입니다.

위 그래프를 활용해 흡수스펙트럼의 최대 흡수 파장을 찾고 빛의 파장에 따른 흡수 정도를 예상결과와 비교해 모둠별로 토의하도록 지도했습니다.

3차시 색소 용액의 농도별 흡광도 측정과 그래프 그리기

세 번째 차시에는 농도와 흡광도의 관계를 알아보기 위해 모둠별로 노란색 색소 용액과 증류수를 큐벳에 옮겨 서로 다른 4가지 농도의 색소 용액을 제작하게 했습니다. 흡광도가 1이하일 때 사진 3 흡광도와 농도가 선형 비례 관계를 나타내므로 이를 고려해 시료를 준비합니다. 그리고 2차시에 분석한 최대 흡수 파장(426nm)을 이용해 각 용액의 흡광도를 측정합니다. 무선 분광광도계와 연결된 앱을 활용하면 사진 4 와 같이 색소 용액의 농도에 따른 흡광도를 그래프로 나타내고 추세식과 값을 확인할 수 있습니다. 실험 결과 모든 모둠에서 이 0.98 이상이 나오는 등 실험은 성공적으로 잘 수행되었으며, 이를 확인한 학생들도 자신들의 수행 결과에 뿌듯해하며 실험에 자신감을 가지는 모습을 볼 수 있었습니다.

4~5차시 DPPH를 이용한 찻잎의 항산화력 측정하기

기본기를 탄탄히 익혔으니 이제 본 실험으로 DPPH를 이용한 항산화력 측정 실험을 수행했습니다. 수업 전에 활성산소, 항산화력 및 DPPH에 대한 영상을 미리 시청하고 구글 클래스룸을 이용해 영상 내용에 대한 빈칸 채우기 과제를 수행하도록 했습니다. 사전에 실험의 기초 지식을 학습하고 참여하니 실험에 대한 이해를 높이고 적극적 참여를 유도할 수 있었습니다.

시중에 판매하는 0.2mM DPPH 용액은 흡광도가 2이상으로 농도가 진하기 때문에 에탄올과 1:1로 혼합했을 때 흡광도가 1 이하가 되도록 희석해 사용했습니다. 찻잎은 녹차, 루이보스, 둥글레차 티백을 끓는 물에 5분간 우린 뒤 에탄올에 희석해 모둠별로 배부합니다. 그리고 대조군, 실험군, 바탕용액을 다음과 같이 제조한 뒤 517nm에서 흡광도를 측정했습니다. 이때 실험군은 용액을 혼합하고 5분간 암실에 둔 뒤 흡광도를 측정합니다.

DPPH는 항산화력을 측정하기 위해 사용되는 대표적인 시약으로 산화된 상태에서는 보라색이지만 항산화제에 의해 환원되면 노란색을 띱니다. 항산화력이 강할수록 제한된 시간 안에 더 빠르게 색이 변하는데 그 결과 흡광도의 변화를 측정한 뒤 항산화력을 라디칼 소거능(%)으로 나타낼 수 있습니다.

사진 5에서 A2는 녹차, B2는 둥글레차, C2는 루이보스의 실험군을 나타낸 것입니다. 녹차와 루이보스가 둥글레차에 비해 항산화력이 훨씬 높은 것을 육안으로도 확인할 수 있습니다. 실험 시간의 여유가 있을 경우 양성 대조군으로 비타민 C의 라디칼 소거능을 측정해 찻잎 추출액과 비교 분석할 수 있습니다. 개인별로 실험 결과를 작성하도록 구글 시트에 분석 양식을 제작하고 구글 클래스룸을 이용해 과제를 배포했습니다.

6차시 모둠별 자유주제 탐구 : 탐구설계

지금까지 학습한 실험 원리와 방법들을 토대로 ‘항산화력’에 대한 모둠별 자유주제 탐구를 실시했습니다. 연구 주제에 대한 예시를 제시하고, 구글과 논문 검색 사이트를 활용한 자료 검색 방법 등을 안내해 모둠별로 궁금한 소재를 찾도록 했습니다. 다음은 학생들이 선정한 몇 가지 주제들입니다.

선정한 주제에 따라 준비물과 구체적 실험과정을 계획하도록 지도했습니다. 학생들은 이전 실험의 내용을 바탕으로 실험과정을 어렵지 않게 구성했습니다. 단, 식품의 추출액을 만들고 희석하는 과정에 대한 추가 지도가 필요합니다. 고형 음식물은 잘게 잘라 에탄올과 1:10의 비율로 혼합한 뒤 막자사발로 갈아 추출액을 만듭니다. 추출액은 깔대기와 거름종이를 이용해 거른 뒤 에탄올에 희석해 사용합니다. 학생들이 완성한 탐구 설계안은 모둠별로 구글 클래스룸을 이용해 제출하도록 했습니다. 그리고 설계의 부족한 부분은 댓글로 달아 다음 시간까지 보완해 오도록 지도했습니다. 탐구 설계가 부실하면 다음 차시의 실험을 제대로 수행하기 어려우므로 꼼꼼히 지도하는 것이 필요합니다.

7~10차시 모둠별 자유주제 탐구 : 탐구수행 및 결과 발표

여러 차례 실험을 통해 실험 내용과 과정에 대한 숙지가 잘 되어 있으므로 대부분의 모둠에서 성공적인 실험 결과를 얻을 수 있었습니다. 실험 결과 라디칼 소거능(%)을 계산하고 예상했던 결과와 비교해 발표자료를 제작한 뒤 함께 공유하는 시간을 가지며 활동을 마무리했습니다.

10차시에 걸친 긴 프로젝트를 통해 과학 원리의 학습, 탐구설계, 탐구수행, 결과 분석의 전 과정을 내실있게 수행할 수 있었습니다. 학생들은 자신이 수행한 과정과 결과물에 보람을 느끼며, 한 단계 더 성장할 좋은 기회가 되었습니다.

장정호 선생님은 현재 상계고등학교에서 생명과학 교사로 재직 중이다. 교사와 학생을 대상으로 다양한 주제의 실험 강의를 진행 중이며, ‘융합인재교육 수업아이디어 공모전’에서 수상한 바 있다. 과학 탐구 실험 교육에 관심을 가지고 학습 콘텐츠를 지속적으로 개발, 적용하고 있다.