탄소중립 시대, 화학 영재교육의 탐구 기반 접근의 필요성(2026년 6월호)

강명종 | 강원대학교 화학신소재학과 부교수, mjkang@kangwon.ac.kr

서 론

탄소중립은 현대사회에서 과학기술 분야에 한정된 주제가 아닌, 환경 문제에 기인한 모든 산업 및 인류 활동에 영향을 주는 중요한 주제가 되었다. 특히 기후 변화 대응과 RE100이라는 대주제 아래, 탄소중립은 친환경 에너지로의 전환, 관련 기술 혁신 및 산업 구조 재편을 포함하는 복합적 개념으로, 그 중심에는 태양광 에너지, 수소 에너지, 바이오매스 에너지의 활용, 이산화탄소 포집, 전환 및 저장과 같은 화학적 개념이 포함되어 있다. 이러한 점에서 탄소중립 문제의 해결은 단순한 환경 관련 문제를 화학의 개념을 통해 해결하는 기술 기반의 문제가 아니라, 경제, 사회, 기술이 결합한 복합적인 문제 해결의 과정에서 화학의 역할과 책임을 다시 한번 고민하게 한다.

허나, 탄소중립 문제의 해결은 단순히 과학 지식의 활용을 통해 풀 수 있는 문제가 아닌 다양한 관련 기술의 효율성, 경제성, 환경적 관점의 상호 상충하는 개념들을 합리적으로 조합하여 사회적 합의를 통해 해결되어야 한다. 다시 말해, 이는 하나의 정해진 정답으로 문제 해결 방안은 마련하는 것이 아닌, 다양한 해결 방법을 구성하는 요소별 가중치에 기반한 합리적인 기준을 마련하여 복합적인 사고를 통해 결정을 내려야 하는 과정이라는 것을 의미 한다.

위와 같은 탄소중립 문제와 같이 여러 분야의 상호 이해가 상충하는 사회‧기술적 문제는 4차 산업혁명 시대를 맞이하여 향후 지속적으로 증가할 것으로 예상되는 바, 이에 따른 화학 영재교육의 교육적 방향성의 재설정이 필요하다. 실험적 교육법을 통해 이론적 심화 개념을 습득하는 기존의 화학 영재교육의 방향성이 탄소중립과 같은 기술‧사회‧환경 관련 문제가 결합한 복합적 문제 해결에 적합한 방향성인가에 대해 다시 한번 생각해 볼 필요가 있다.

본 론

1.  탄소중립 문제의 구조적 특성과 교육적 의미

탄소중립 문제는 하나의 답이 정해져 있지 않은 대표적인 비정형 문제로, 다양한 요소가 상호 작용하는 구조를 가지는 ‘정답의 부재’와 ‘복합성’을 내재하고 있다. 이산화탄소 포집을 통한 대기 중 이산화탄소 농도 저감이라는 주제를 예로 들면, 이산화탄소 포집 방법에는 탄소 포집 및 지층/해저 저장, 직접 공기 포집, 산림 및 습지 복원 등의 다양한 방법이 존재한다. 이 중 지층/해저 저장법은 비용상의 문제가 있으며, 산림 및 습지 복원은 복원에 상당한 기간이 소요되는 등 각각의 방법은 경제적‧사회적‧기술적‧환경적으로 서로 다른 장단점을 가지고 있다. 따라서, 문제 해결 과정은 이산화탄소 포집을 통한 저감의 최적 방법 한 개를 찾는 것이 아니라 다양한 대안을 비교하고 선택하는 탐구적 과정으로 이해되어야 하며, 이러한 특성은 기존에 정형화된 문제와는 근본적으로 다른, 기술적 개념과 요소를 종합적으로 고려해야 하는 [그림 1]과 같은 구조로 표현된다.

2.  기존 화학 영재교육의 한계점

현재의 화학 영재교육은 주로 피교육자들이 제한된 조건에서 심화한 화학적 개념을 이해하고, 이를 적용하여 정답을 도출하는 훈련을 반복하며 심화한 개념 이해를 바탕으로 정형화된 문제 해결 능력 위주의 교육 방식으로 진행되고 있다.

위의 방식은 학습자의 화학적 개념의 이해도와 적용력을 향상하는 데는 효과적이지만, 탄소중립 문제와 같이 기술적인 요소(이산화탄소 포집 기술, (광)전기화학적 이산화탄소 전환 기술 등), 해당 기술의 경제성(기술의 실효성 등), 사회‧정책적 요구(지자체 탄소중립 녹색성장 정책, RE100 등)의 복잡한 관계들이 얽혀있는 다층적 관계를 반영하지 못하는 한계를 지닌다.

특히, 하나의 정답을 빠르고 정확하게 도출하는 데에 집중되어, 문제의 맥락이 단순화되어 있고, 결과 중심의 평가를 수행하는 과정에서, 학습자들은 문제 해결을 위한 다양한 가능성을 탐색하여야 하는 비정형의 다층적 관계 문제에서 효율적이고 합리적인 결과 도출 방법을 충분히 교육받지 못한다는 문제점이 존재한다. 예를 들면, 이산화탄소 전환 촉매 물질로 구리 등의 물질이 높은 전환 효율 및 산물 선택성을 보여주고, 그 이유는 구리의 원자 배열 구조에 기인한다는 사실은 학습할 수 있으나, 구리 촉매를 활용한 반응이 실질적으로 산업에 활용되지 못하는 이유에 대해서는 기존의 학습 방법으로는 체득하기 어렵다. 이러한 차이는 다음 [표 1]과 같이 간소화하여 표현할 수 있다.

3.  교육 목표의 전환과 개념의 재위치화

위에서 언급한 대로, 기존 화학 영재교육은 심화 개념을 이론적 방법과 실험적 방법의 복합적 방법을 통해 습득하고, 문제를 해결하는 방향으로 집중되어 왔으므로, 다층적 문제의 해결을 위해 교육 목표의 전환이 필요하다. 학생 주도적으로 문제를 정의하고, 이를 모델링 기반의 학습을 통해 최종적인 의사결정 단계에 도달하는 능력의 함양을 핵심 목표로 설정하여야 한다. 문제의 구조를 파악하고 핵심 변수를 도출하며, 습득한 다양한 조건을 고려하여 합리적인 선택을 내리는 경험과 탐구활동 위주의 교육법이 필요하다 [그림 2].

이러한 학습의 과정에서 화학 개념의 역할 또한 변화가 필요하다. 화학 개념은 기존의 더 이상의 학습을 통한 정답 도출의 목적이 아닌, 문제 해결을 위한 도구로의 기능을 하여야 한다. 예를 들어, 화학 평형의 개념은 이산화탄소 포집 과정에서의 포집제와 대기 중 이산화탄소 농도에 따른 포집 효율의 관계로 연계할 수 있고, 반응속도론의 개념은 촉매 물질의 선택과 촉매 반응 조건 설정에 따른 이산화탄소 전환 효율과의 관계로 연계할 수 있으며, 태양 에너지의 활용을 통해 전기화학 반응의 필요한 에너지를 일부 대체할 수 있는 광전기화학 시스템의 구성으로의 연계 등의 화학적 개념이 실제 문제 해결의 맥락에서 연계성을 가지고 활용될 때, 탐구활동을 통한 종합적 학습의 의미를 확장할 수 있다.

4.  탐구 기반 접근의 필요성

탄소중립 문제와 같은 다층적 문제는 실제 과학적 문제 해결과 유사한 접근법인 문제 인식, 질문 생성, 가설 설정, 검증, 해석, 의사 결정 과정의 흐름으로 이어지는 탐구 기반 접근의 영재교육 방법을 활용하는 것이 효과적인 종합적 교육방법이 될 것이다[그림 3]. 중요한 점은 학생들 스스로가 질문을 생성하고 근거를 바탕으로 판단하는, 단순한 실험 활동이 아닌 사고방식체계를 이해하고 구성하는 방법의 교육적 가치가 현대의 화학 영재교육에 필요한 교육법이다. 다만, 탐구 기반 접근의 영재교육 방법 활용을 위해서는, 기존과는 차별화된 피교육자의 사고 확장 및 개념의 도구화 적용을 수행할 수 있는 적절한 교육 도구 및 자료 개발에 관한 심층적인 연구가 차후 진행되어야 할 것이다.

결 론

탄소중립은 단순한 하나의 학습 주제가 아니라, 화학 영재교육의 방향을 제고하게 만드는 하나의 계기로 작용한다. 이는 ‘무엇을 가르칠 것인가’의 기존 화학 영재교육의 개념을 넘어, 학습자들에게 ‘어떠한 사고와 역량을 길러야 합리적인 결론에 도달하는가?’에 대한 포괄적 교육 개념으로 확장되며, 이는 앞으로의 화학 영재교육의 방향성에서 탐구적 학습법의 중요함을 다시 한번 일깨워 주는 좋은 주제이다. 관련하여, 지속적인 연구를 통해 프로젝트 기반 학습법(PBL), 플립 러닝 등 탐구적 학습법의 고도화와 학습 수행을 위한 학습 도구 개발의 활성화가 촉진되었으면 하는 바이다.

 참고문헌

1. National Research Council, A Framework for K–12 Science Education; National Academies Press: 2012.

2. OECD, The Future of Education and Skills: Education 2030 ; OECD Pub-lishing: 2018.

3. Jonassen, D. H., Educ. Technol. Res. Dev. 2000, 48, 63.

4. Prince, M.; Felder, R., J. Eng. Educ. 2006, 95, 123.

5. IPCC, Climate Change 2021: The Physical Science Basis; Cambridge University Press: 2021.

6. 서혜애, 과학적 창의성과 과학영재교육의 방향. 영재교육연구, 2004,14, 65.

강명종 Myung Jong Kang

•  서강대학교 화학과/생명과학과, 학사 (2009.3–2013.2)

•  서강대학교 화학과(물리화학 전공), 박사 (2013.3–2018.8, 지도교수: 강영수)

•  한국화학연구원 박사후 연구원 (2018.9–2020.8)

•  강릉원주대학교 화학신소재학과 조교수, 부교수(2020.9–2026.2)

•  강원대학교 화학신소재학과 부교수 (2026.3–현재)