삼투 현상의 설명에 대한 EPM 기반의 시뮬레이션 제작과 SPM과의 비교
Development of an EPM-Based Simulation for the Explanation of Osmosis Phenomenon and Comparison with SPM
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본 연구는 삼투압에 대한 SPM과 EPM을 비교 분석하고, EPM 기반 시뮬레이션을 활용해 학생들이 삼투압의 미시적 과정을 직관적으로 이해할 수 있는 방안을 제안한다. 이를 통해 삼투압 교육에서의 기존 한계를 극복하고자 한다. SPM은 농도 차이에 의해 발생하는 현상으로 삼투압을 설명하는 반면, EPM은 분자들의 무작위한 충돌로 삼투압이 창발된다고 설명한다. SPM을 사용하는 것은 농도와 삼투압 사이의 상관을 인식하는 데에는 효과적이지만, 왜 그러한 상관이 형성되는지에 대한 인과 관계를 알기 힘들다는 단점이 있다. 반면, EPM을 사용하여 미시적 분자들의 무작위한 충돌로 인해 삼투압이 창발된다는 설명은 복잡계에 대한 이해를 해야 하는 어려움이 있지만, 인과 관계를 설명할 수 있다는 장점이 있다. 그동안에는 복잡계를 모델로 표현하는 것의 어려움 때문에 자연 현상을 설명하는 데 있어 EPM이 적극적으로 도입되지 않았다. 그러나 인공지능의 교육적 활용이 본격화되면서 복잡한 모델도 인공지능을 활용하여 시뮬레이션으로 구현하는 것이 가능해졌다. 따라서 본 연구에서는 분자들이 무작위한 충돌을 했을 때 삼투압이 어떻게 창발되는지 확인할 수 있도록 Chat GPT를 활용하여 EPM 기반의 시뮬레이션을 제작하였다. EPM은 선행 연구에서 보고된 삼투압과 관련된 오개념들이 형성되는 것을 방지할 수 있는 장점을 가진다. 따라서 화학교육에서 보편적으로 제시된 SPM과 함께 EPM에 기반한 시뮬레이션이 추가될 때 학생들의 삼투압 현상에 대한 깊은 이해가 가능해질 것이다.
Abstract
This study compares and analyzes the Sequential Process Model (SPM) and the Emergent Process Model (EPM) in relation to osmosis and proposes a method for enabling students to intuitively understand the microscopic processes of osmosis using an EPM-based simulation. The aim is to address existing limitations in osmosis education. While the SPM explains osmosis as a phenomenon driven by concentration differences, the EPM describes osmosis as an emergent process resulting from the random collisions of molecules. Using the SPM is effective for recognizing the correlation between concentration and osmosis, but it has the drawback of making it difficult to understand the causal relationship behind this correlation. In contrast, the EPM provides an explanation where osmosis emerges from the random collisions of microscopic molecules. Although the EPM requires an understanding of complex systems, it offers the advantage of elucidating the underlying causal relationships. Historically, the challenge of modeling complex systems has hindered the active adoption of the EPM in explaining natural phenomena. However, with advancements of Artificial Intelligence(AI) in education, it has become feasible to use AI to implement complex models as simulations. Consequently, this study developed an EPM-based simulation using ChatGPT to demonstrate how osmosis emerges from the random collision of molecules. The EPM has the advantage of preventing misconceptions about osmosis, as reported in previous studies. Therefore, when EPM-based simulations are introduced alongside the commonly used SPM in chemistry education, students can achieve a deeper understanding of the osmosis phenomenon.
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