자연 현상을 수량화하는 과정으로서의 측정은 과학 연구의 기본이며 공학과 기술 분야를 비롯하여 거의 모든 일상생활에 적용되고 있다[1]. 정확하고 정밀한 측정은 과학 연구의 신뢰성과 재현성을 뒷받침하여 과학 지식 체계의 발전에 크게 이바지해 왔으며[2], 따라서 과학교육에서도 측정의 중요성이 계속해서 강조됐다. 측정 기능은 탐구 과정의 기본적인 요소로 국내외 과학교육 과정에 필수적으로 포함되어 있다[3]. 또한 유초중등 과학교육 체계에서는 측정과 관련하여 측정할 대상, 정확도의 수준, 적합한 측정 도구의 선정 등을 중요한 학습 내용으로 제시하고 있다[4]. 과학교육에서 측정의 중요성이 강조되는데도 불구하고 실제 학교 과학 수업에서 학생들은 측정의 본성이나 측정 과정에 대한 이해가 부족한 것으로 보인다. 서정아의 연구에 의하면 중학생들은 측정 오차의 원인에 대해 깊이 검토할 기회를 얻지 못하며 이에 따라 측정 불확실성의 원인을 측정 장치나 측정 환경과 연결하지 못하고 자신의 부주의함 등 주로 인간에 기인한 것으로 보는 경향이 컸다[5]. 그러나 실험기자재의 부정확함이나 특성에 대한 안내 부족에서 오는 실험 결과의 부정확성은 과학 수업에서 교사와 학생이 가지는 교수학습 곤란의 중요한 원인이다[6].

온도 측정의 경우, 장치나 환경이 측정 불확실성에 끼치는 영향이 측정 방법이나 측정자의 숙달 정도에 의한 것보다 더 크기 때문에 온도 측정 장치에 대한 깊은 이해가 필요하다[7]. 온도의 정확한 측정은 비열이나 상태 변화의 조건 등 물질의 특성을 이해하는 데 필수적이며 에너지의 전달 및 보존 개념을 형성하는 데도 중요하다[8]. 그러나 대부분의 초 중등학교 교과서에서는 온도계 눈금을 읽을 때의 눈높이를 맞추는 것만을 강조할 뿐, 온도계의 정확도에 대한 정보나 온도 측정 과정에서 유의해야 할 점에 대한 안내가 부족하다.

Figure 1은 학교 실험실에서 사용하는 여러 가지 온도계를 상온에 두었을 때의 눈금을 나타낸 것으로 19.9 °C부터 22.7 °C까지 다양한 값을 가리키고 있다. 온도계가 다른 값을 가리킨다는 특징을 이해하지 못하고 2개 이상의 온도계를 사용하는 실험을 하면 설명하기 어려운 상황을 만날 수가 있다. 뜨거운 물과 찬물의 열평형 실험에서 얻은 온도 변화 그래프를 나타낸 Fig. 2를 보면 시간이 지난 후 찬물과 뜨거운 물의 온도가 역전되는 것을 볼 수 있다. 같은 조건에서 두 온도계의 눈금이 다른 값을 나타내는 것을 이해하지 못한다면 온도 역전을 설명하는데 곤란을 가질 것이다. 학교 현장에서 주로 사용하고 있는 알코올 온도계나 탐침형 저항 온도계가 정확하지 않다고는 이미 알려졌지만[9,10], 구체적인 정보를 찾을 수 없으므로 초 중등학교에서의 실험 활동에 적용하는 데는 한계가 있다.

Figure 1. (Color online) The readings of various thermometers placed at room temperature.

Figure 2. (Color online) Change in readings of two thermometers vs. time during thermal equilibrium.

본 연구에서는 초중등 학교에서 사용하는 접촉식 온도계 중 알코올 온도계와 탐침형 온도계를 중심으로 온도계의 특성을 파악하고자 하였다. 이들 온도계를 이용하여 물의 가열 곡선을 구할 수 있는지, 액체의 온도를 측정할 때, 온도계를 담그는 깊이에 따라 가리키는 눈금 값에 어떤 차이가 있는지, 온도계와 측정 대상 물체가 열평형 상태에 도달하는 시간은 어떠한지 등, 선행 연구를 통해서는 알기 어려운, 온도계의 특성에 대한 데이터를 얻고, 학교 과학 수업에서 온도계의 선택 및 사용 방법에 대한 시사점을 얻고자 하였다.

학교 과학 수업에서 사용하는 온도계의 특징을 파악하기 위하여 학교 현장에서 많이 사용하는 접촉식 온도계 중 알코올 온도계와 탐침형 온도계를 연구 대상으로 하였다. 알코올 온도계는 실험 수업에 사용하는 온도계 5개를 무작위로 선택하여 A_a부터 A_e까지 이름을 부여하였고, 탐침형 온도계는 탐침이 짧아 액체 속에 완전히 담글 수 있는 것과 탐침이 길어 액체 속에는 일부만 담글 수 있는 것을 선택하였다. 짧은 탐침형 온도계는 5개를 무작위로 선택하여 Ds_a부터 Ds_e까지 이름을 부여하였다. 긴 탐침형 온도계는 2개 상표의 제품을 3개씩 무작위로 선택하여 각각 Dl_a부터 Dl_c까지, Dl_d부터 Dl_f까지 이름을 부여하였다. 아울러 한국계측기기연구조합의 교정검사를 거친 긴 탐침형 온도계(이하 기준 온도계로 명칭)를 기준으로 삼아 이름을 STD로 부여하였다. 학교 실험실에서 사용하는 짧은 탐침형 온도계는 거의 한 상표의 제품이 사용되기 때문에 무작위로 5개를 선택하였고, 긴 탐침형 온도계는 매우 많은 상표의 제품이 사용되는데, 상표에 따른 차이가 있는지에 대한 기초 분석을 위해 2개의 상표를 선택하였으며 각 온도계의 탐침을 두는 위치가 크게 차이 나지 않게 하려고 상표별로 3개씩 선택하였다.

먼저 같은 종류의 온도계를 모두 항온수조에 담그고 온도 조절 장치의 눈금을 90 °C로 설정한 다음, 항온수조의 물이 가열되는 과정에서 각 온도계의 눈금 변화를 동영상으로 촬영하여 분석하였다.

다음으로는 항온수조의 온도 조절 장치 눈금을 30 °C 부터 90 °C까지 10 °C 간격으로 설정하고 동작시키면서 수조 속 물의 온도가 설정 온도에 도달한 후, 충분한 시간이 지나 온도계의 눈금이 안정되었을 때 각 온도계가 가리키는 온도 값을 비교하였다.

세 번째로는 항온수조의 온도 조절 장치 눈금을 50 °C로 설정한 다음, 알코올 온도계 및 표준 온도계의 탐침을 깊이를 달리하며 수조의 물에 담그면서 물에 잠긴 깊이에 따라 가리키는 온도 값이 안정화 되는 시간과 온도 값의 변화를 측정하여 분석하였다.

마지막으로 온도계 별로 상온 상태에서 50 °C의 물속에 담갔을 때 온도계별로 가리키는 온도 값이 안정화되는 과정을 분석하여 시간 상수를 구하고 비교하였다.

1. 가열 곡선

5개의 알코올 온도계와 표준온도계를 동시에 물에 담그고 가열하였을 때의 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 전체적으로 가열하는 동안 온도계의 눈금이 일정하게 증가하지 않고 순간적으로 감소하였다가 다시 증가하는 요동 현상을 관찰하였다. 온도계 유리 구조의 변화 및 모세관 내벽과 알코올 사이의 응집력에서 그 원인을 찾을 수 있다[8]. 또한 다른 온도계에 비해 온도계 별로 가리키는 눈금 값의 차이가 크다는 점을 통해 알코올 온도계는 유리 구조의 변화 및 알코올이 모세관 벽에 묻는 효과 등에 의한 경년 변화가 크다는 점을 확인하였다. 요동 현상의 폭은 온도계별로 다르며 A_c는 다른 온도계와 비교하면 전체적으로 현저히 낮은 눈금을 나타내고 있다. 경년 변화에 따른 성능 저하로 온도 측정 장치의 역할을 하지 못하게 된 것으로 보이며, 실험 전에 미리 걸러내서 폐기해야 할 필요가 있다[11].

Figure 3. (Color online) Heating curve measured with alcohol thermometers.

Figure 4는 긴 탐침이 달린 온도계를 이용하여 얻은 가열 곡선이다. 알코올 온도계에 비해 온도계 사이의 눈금 차이가 작고, 요동 현상의 폭도 전반적으로 작다는 점을 알 수 있다. 요동 현상의 폭은 온도계에 따라 비교적 큰 차이가 나는 것으로 보인다.

Figure 4. (Color online) Heating curve measured with long probe type digital thermometers.

한편, Fig. 5에 나타낸 바와 같이 짧은 탐침형 온도계를 통해 얻은 가열 곡선을 살펴보면 온도계 사이의 눈금 차이는 긴 탐침형 온도계와 비슷하나 순간 변화는 더 크다는 점을 확인할 수 있다. 탐침이 길면 물속 여러 지점의 평균 온도를 측정하는 효과가 있는데 반해 짧은 탐침은 가열 과정에서 대류 등에 의해 액체 내부에서 일어나는 불균일한 온도 분포의 영향을 더 민감하게 받을 것으로 생각된다.

Figure 5. (Color online) Heating curve measured with short probe type thermometers.

교과서에서 볼 수 있는, 시간에 따라 직선 형태로 증가하는 가열 곡선은 매우 이상적이며 실제 액체를 가열하면서 측정할 때는 그렇게 나타나지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 대안이 없는 상태에서 기존의 장치로 실험을 수행할 때도 가열 용기 내부 액체의 온도가 균일하지 않다는 점과 온도계의 눈금이 액체의 온도를 즉각적으로 나타내지 않는다는 것을 학생들이 인식할 수 있도록 도울 필요가 있다.

2. 특정 온도에서의 온도계 눈금

Table 1은 항온수조의 온도조절 장치를 30 °C부터 90 °C까지 10 °C 간격으로 조정한 후, 각각의 온도에서 충분한 시간이 지난 후에 항온수조에 부착된 온도계의 눈금과 기준 온도계를 비롯한 각 온도계의 눈금을 비교한 표이고, Fig. 6은 이를 그래프로 나타낸 것이다. 온도 변화 과정을 측정하는 것이 아닌, 충분한 시간을 거쳐 온도계 눈금이 안정화되었을 때를 비교하는 것이므로 교정 검사를 거친 온도계의 눈금을 기준으로 하였다.

Figure 6. (Color online) Readings of thermometers versus temperature of the water bath.

Table 1 . Readings of thermometers versus temperature of the water bath. Slope was acquired from water bath readings vs. readings of corresponding thermometers.

Thermometer type		Thermometer reading (°C)
Water batd		29.4	39.9	50.1	60.1	70.3	80.9	90.6	Slope
Standard thermometer		30.5	41.0	51.2	61.2	71.4	82.0	91.7
Short probe	Ds_a	29.9	40.4	50.6	60.6	70.8	81.4	91.0	1.00
	Ds_b	30.3	40.8	51.0	61.0	71.2	81.8	91.5	1.00
	Ds_c	31.0	41.4	51.6	61.6	71.8	82.3	92.2	1.00
	Ds_d	31.7	42.2	52.6	62.4	72.8	83.7	93.5	0.99
	Ds_e	31.9	42.4	52.5	62.5	72.9	83.2	92.6	1.01
Long probe	Dl_a	29.4	39.9	50.2	60.1	70.3	80.8	91.0	1.00
	Dl_b	29.0	39.3	49.7	59.6	69.9	80.5	89.8	1.00
	Dl_c	29.8	40.3	50.4	60.5	70.7	81.2	91.0	1.00
	Dl_d	29.5	40.2	50.4	60.4	70.5	81.2	91.1	1.00
	Dl_e	31.1	41.6	51.8	61.8	72.1	82.6	92.5	1.00
	Dl_f	31.0	41.5	51.7	61.8	72.0	82.6	92.2	1.00
Alcohol	A_a	24.3	35.5	45.5	55.0	65.6	76.3	87.8	0.98
	A_b	24.0	33.8	44.1	54.9	65.5	73.9	87.6	0.98
	A_c	17.3	26.9	36.2	46.8	58.2	69.3	77.7	0.99
	A_d	26.1	36.3	46.2	56.8	66.9	78.2	88.1	0.98
	A_e	27.9	38.2	48.6	58.5	68.9	78.8	89.0	1.00

표와 그래프를 보면 약간의 변화는 있지만 각 온도계의 눈금이 만드는 직선의 기울기가 대체로 일정하다는 것을 알 수 있다. Table 1에서 보인 바와 같이 1차원 적합(fitting)을 통해 구한 기울기는 탐침형 온도계의 경우, 1.00에서 1% 이내의 차이를 보이며 알코올 온도계의 경우 2% 이내의 차이가 난다.

기준 온도계와의 차이를 나타낸 Table 2를 보면, 눈금의 차이가 온도에 따라 변하지만, 탐침형 온도계는 차이 값의 표준편차가 0.2 °C 이하라는 점을 통해 변화량이 상대적으로 크지 않다고 할 수 있다. 즉, 탐침형 온도계는 측정값 자체는 믿을 수 없다고 하더라도, 이 온도계로 측정한 온도 변화량은 비교적 신뢰할 수 있는 것으로 보인다.

Table 2 . Difference in thermometer readings to standard thermometer versus reading of the water bath.

Water bath		29.4	39.9	50.1	60.1	70.3	80.9	90.6	Average	Standard deviation
Thermometers	Ds_a	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.6	-0.7	-0.6	0.038
	Ds_b	-0.2	-0.2	-0.2	-0.2	-0.2	-0.2	-0.2	-0.2	0.000
	Ds_c	0.5	0.4	0.4	0.4	0.4	0.3	0.5	0.4	0.069
	Ds_d	1.2	1.2	1.4	1.2	1.4	1.7	1.8	1.4	0.248
	Ds_e	1.4	1.4	1.3	1.3	1.5	1.2	0.9	1.4	0.195
	Dl_a	-1.1	-1.1	-1.0	-1.1	-1.1	-1.2	-0.7	-1.1	0.162
	Dl_b	-1.5	-1.7	-1.5	-1.6	-1.5	-1.5	-1.9	-1.6	0.153
	Dl_c	-0.7	-0.7	-0.8	-0.7	-0.7	-0.8	-0.7	-0.7	0.049
	Dl_d	-1.0	-0.8	-0.8	-0.8	-0.9	-0.8	-0.6	-0.8	0.121
	Dl_e	0.6	0.6	0.6	0.6	0.7	0.6	0.8	0.6	0.079
	Dl_f	0.5	0.5	0.5	0.6	0.6	0.6	0.5	0.5	0.053
	A_a	-6.2	-5.5	-5.7	-6.2	-5.8	-5.7	-3.9	-5.9	0.783
	A_b	-6.5	-7.2	-7.1	-6.3	-5.9	-8.1	-4.1	-6.9	1.262
	A_c	-13.2	-14.1	-15.0	-14.4	-13.2	-12.7	-14.0	-13.8	0.802
	A_d	-4.4	-4.7	-5.0	-4.4	-4.5	-3.8	-3.6	-4.5	0.489
	A_e	-2.6	-2.8	-2.6	-2.7	-2.5	-3.2	-2.7	-2.7	0.229

반면 알코올 온도계는 1차원 적합으로 통해 얻은 기울기가 2% 내에서 일정하지만, 차이 값의 표준편차가 최대 1.3 °C 인 것으로 보아 온도 변화량의 측정값이 탐침형 온도계에 비해 상대적으로 덜 신뢰할 수 있는 것으로 보인다.

온도계 2개를 사용하는 실험에서 각 온도계의 눈금을 정밀하게 보정하기 어려우면 온도에 따라 온도계 사이의 차이가 일정하다고 보고 한쪽 온도계의 눈금 값에 일정한 값을 더하거나 빼는 방법으로 간단히 보정하여 사용할 것을 제안한다. 눈금 실린더를 이용하여 메니스커스 현상이 일어난 액체의 부피를 측정할 때, 응집력이나 부착력에 의한 효과를 무시하고 중간 부분의 액체 면을 기준으로 눈금을 읽는다. 정교한 측정을 조금 양보하는 대신 측정의 편리함을 추구하는 것이라고 볼 수 있다. 이처럼 두 온도계의 눈금 차이를 일차적으로 보정하면, 번거로운 작업을 거치지 않고도 측정 오차를 상당량 줄이는 효과를 볼 수 있을 것으로 기대한다.

3. 잠긴 깊이에 따른 온도계 눈금

Table 3은 항온수조의 온도조절 장치를 50 °C로 설정한 다음, 수조에 담그는 알코올 온도계의 깊이를 달리하면서 측정한, 온도계의 눈금 값 및 안정화되는 데 걸리는 시간을 나타낸 것이다. 구부만 담그거나 침수선보다 깊이 담갔을 때는 표준 온도계와의 차이가 각각 0.4 °C, 0.3 °C이었고, 침수선 깊이까지 및 침수선 깊이의 반까지 담갔을 때는 표준 온도계와의 차이가 0.2 °C로 동일하였다. 알코올 온도계로 액체의 온도를 측정할 때, 종류에 따라 액체에 담그는 깊이가 다르다. 즉, 부분 침수(partical immersion) 온도계는 제시된 침수선까지 담그어야 하고, 전 침수(total immesion) 온도계는 모세관 속 알코올 막대의 끝부분까지 담가야 하며, 완전 침수(complete immersion) 온도계는 온도계 전체를 액체에 감가야 한다[7]. 그러나 구부가 액체 속에 충분히 잠기는 경우라면 침수 조건에 따른 눈금값의 차이는 크지 않고, 다만 눈금값이 안정화될 때까지 걸리는 시간만 차이가 났다. 구부에 있는 알코올의 양이 모세관에 있는 알코올에 비해 현저히 많고, 모세관을 따라 열이 전달되어 시간이 지나면 알코올 전체의 온도가 거의 같아지기 때문일 것이다. 참고로 본 연구에서 사용한 온도계는 5개 모두 침수선이 표시되어 있는 부분 침수형 온도계였으므로 온도계에 따른 차이는 크지 않다고 생각하여 잠긴 깊이에 따른 차이는 A_e 온도계만 사용하여 분석하였다.

Table 3 . Readings of alcohol thermometer and equivalent time.

Submergence condition	Temperature (°C)		Reading of standard thermometer (°C)	Stabilization time (s)
	initial	final
Bulb	25.3	49.7	50.1	51
Half of soak line to bottom	25.9	49.8	50.0	35
Soak line	24.8	49.9	50.1	33
5/4 of soak line to bottom	24.7	50.5	50.2	26

Table 4는 항온수조의 온도조절 장치를 50 °C로 설정한 다음, 수조에 담그는 표준 온도계의 탐침 깊이를 달리하면서 측정한, 온도 값 및 안정화되는 데 걸리는 시간을 나타낸 것이고, Fig. 7은 물에 잠긴 탐침의 깊이에 따른 온도계 눈금을 그래프로 나타낸 것이다. 탐침이 열을 잘 전도하는 금속으로 이루어졌기 때문에 깊이가 5 cm 이상인 조건에서는 안정화되는 데 걸리는 시간만 달라질 뿐 가리키는 온도는 차이가 0.1 °C 이내로 일정하다는 것을 알 수 있다.

Figure 7. (Color online) Readings of standard thermometer vs. depth of probe submerged in water.

Table 4 . Depth of standard thermometer’s submerged part.

Depth of probe submerged in water (cm)	Temperature (°C)		Stabilization time (s)
	initial	final
1	24.2	50.3	32
2	23	50.5	29
3	24.1	50.8	27
4	23.8	51.2	26
5	23.6	51.7	25
6	23.8	51.8	25
7	24.1	51.8	24
8	23.9	51.9	24
9	24.1	51.8	24
10	24.2	51.8	23

따라서 알코올 온도계와 탐침형 온도계 모두 액체에 잠긴 깊이는 어느 정도 이상이 되면 눈금 값에 영향을 주지 않고 안정화되는 시간만 달라진다는 점을 확인하였다.

4. 안정화 시간

온도가 T_i 상태인 온도계를 T_f조건에 두었을 때, 시간 t에 따른 온도계 눈금 T는 Eq. (1)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 시간 상수의 역수인 p는 탐침 또는 온도계의 표면적, 열전도율, 비열 등에 의해 결정되는 값이다[8].

T_i 와 T_f를 알고, 시간 t에 따른 온도 T 값을 측정한 데이터가 있으면 다음 과정을 거쳐 p값을 계산할 수 있다.

Equation (1)에서

양변에 자연로그를 취하고 정리하면

Equation (4)에서 y=ln(Tf−T)(Tf−Ti), x=t 로 두고 Fig. 8에서 보는 바와 같이 1차원 적합을 통해 기울기를 구하면 p값을 얻을 수 있다.

Figure 8. (Color online) Fitting process to find reciprocal of time constant p.

Figure 9는 이 과정을 거쳐 구한 p값을, T_i = 26 °C, T_f = 51.4 °C인 조건에 대입하여 계산한 값과 측정한 값을 비교한 그래프이다.

Figure 9. (Color online) Comparing measured and calculated thermometer reading vs. time.

Table 5는 각 온도계의 종류별 p값 및 T_i = 20 °C, T_f = 80 °C 조건에서 79.2 °C에 도달하는 시간과 79.9 °C에 도달하는 시간을 나타낸 표이다. 79.2 °C는 T_f와의 차이가 T_f의 1%인 조건이고, 79.9 °C는 T_f와의 차이가 알코올 온도계 및 표준온도계로 측정할 수 있는 최소 눈금인 0.1 °C 인 조건에 해당한다.

Table 5 . Thermometers’ reciprocal of time constants and time to reach 72.2 °C and 79.9 °C from 20 °C.

Thermometers	p(s−1)	Time to reach (s)
		72.2 °C	79.9 °C
Standard	0.1413	30.6	45.3
Alcohol	0.1498 ± 0.00679*	28.8	42.7
Long probe	0.1172 ± 0.0136	36.8	54.6
Short probe	0.2282 ± 0.0229	18.9	28.0

Table 5를 통해 접촉형 온도계를 이용하여 온도를 측정할 때, 측정 대상과 온도계 온도가 0.1°C 이내의 차이로 같아질 때까지 최대 55초까지 기다려야 한다는 점을 확인하였다. Table 6은 초기 온도가 20 °C인 조건에서 측정 대상 물체의 온도가 30 °C에서 70 °C까지 달라 질 때, 온도계 눈금이 측정 대상 물체의 온도보다 0.1 °C 낮은 값을 가리킬 때까지 걸리는 시간을 나타낸 표이다.

Table 6 . Thermometers’ time to reach 0.1 °C below the temperature of measuring target.

Thermometers	Time to reach below 0.1 °C (s)
	30 °C	40 °C	50 °C	60 °C	70 °C
Standard	32.6	37.5	40.4	42.4	44
Alcohol	30.7	35.4	38.1	40	41.5
Long probe	39.3	45.2	48.7	51.1	53
Short probe	20.2	23.2	25	26.3	27.2

이 점은 학교 과학 실험 교육에서 강조하지 않는 부분인데, 온도계 눈금이 안정될 때까지 기다렸다가 값을 읽어야 한다는 점을 인지하고 있더라도 측정 대상과 온도계 온도 사이의 차이가 줄어들수록 눈금이 변하는 시간이 길어지기 때문에 학생들은 온도계 눈금이 완전히 안정될 때까지 기다리지 못하고 온도계 눈금이 증가하는 도중에 눈금을 읽을 위험이 있다.

본 연구에서는 접촉식 온도계의 특성에 대해 자세히 살펴봄으로써 온도 측정의 정확도를 높이기 위한 시사점을 찾고자 하였다. 알코올 온도계와 탐침형 온도계의 특성에 대한 탐색을 통해 알게 된 점은 다음과 같다.

첫째, 온도계의 눈금은 물체 온도를 실시간으로 나타내지도 않으며 학교 실험 수업에 사용하는 온도계는 온도계별로 각기 다른 값을 가진다. 2개 이상의 온도계를 사용한 실험에서는 사전에 동일한 조건에서 두 온도계의 눈금을 확인하고 보정하는 작업이 필요하다. 알코올 온도계의 경우는 경년 변화로 인해 실제 온도와 현저히 다른 값을 가져 온도계의 역할을 하지 못하는 경우가 있다. 정기적으로 온도계의 상태를 확인하여 적절하지 않은 온도계를 걸러내어 폐기할 필요가 있다.

둘째 접촉식 온도계를 이용하여 물체의 온도를 측정할 때는 물체와 온도계 센서의 온도가 같아질 때까지 비교적 긴 시간이 필요하다. 본 연구에서는 측정 결과를 바탕으로 각 온도계의 시간 상수 및 온도계 눈금이 안정화 되는데 필요한 시간을 계산하였는데, 계산 결과에 의하면 같은 조건에서 짧은 탐침형 온도계가 안정화되는 시간이 가장 짧고, 이어서 긴 탐침형 온도계, 알코올 온도계 순으로 길었다. 많은 학생, 심지어 교사도 온도계를 측정 대상 물체에 접촉하면 즉각적으로 온도계가 물체 온도를 표시한다는 오개념을 가지고 있을 수 있다. 실험 교육과정에서 온도계의 눈금 변화를 관찰하여 눈금이 안정화될 때까지 생각보다 긴 시간이 필요하다는 점을 확인하도록 안내할 필요가 있다.

셋째 알코올 온도계로 액체의 온도를 측정할 때 종류에 따라 정해진 깊이만큼 담가야 하지만 본 연구에서는 구부가 충분히 잠긴다면 온도계 눈금이 안정화 될 때까지 시간만 조금 달라질 뿐 측정값에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 긴 탐침형 온도계도 탐침이 5 cm이상 액체에 잠기면 측정값이 탐침이 잠긴 깊이에 관계없이 일정하게 나타났다.

학생들이 과학적 맥락에서 논리적으로 사고하고 과학적으로 탐구하는 능력을 기르는 것은 오래전부터 과학교육의 기본적인 목표였다[3]. 과학 수업에서 학생들은 탐구를 통한 지식 및 개념의 습득과 함께 과학 및 과학 연구의 본성을 함께 이해하여야 한다. 과학에 능숙해진다는 것은 자연 세계에 대한 과학적 설명을 알고, 사용하고, 해석할 수 있으며, 과학적 증거와 설명을 생성하고 평가할 수 있고, 과학 지식의 본성과 발전을 이해하며, 과학적 실천과 담론에 생산적으로 참여하는 것이다[12]. 과학 학습 과정에서 학생들은 문제를 인식하고 증거를 바탕으로 과학적인 설명을 하며 논증과 정당화를 기반으로 하는 의사소통을 통해 과학의 본성을 이해하고 과학적 사고를 갖추는 것이 중요하다. 특히 증거를 이용한 토론에 참여하는 과정에서 과학적 설명의 논리와 경험적 증거를 이해하고, 과학이 증거를 기반으로 하는 지식이라는 것을 이해할 필요가 있다[3]. 여기서 우리가 강조하는 증거에는 글이나 말로 이루어진 언어적 증거뿐만 아니라 측정을 통해 얻은 수치 증거도 포함되어야 할 것이다. 학생들은 읽거나 들은 내용의 근거를 따지는 것과 함께 측정 장치로부터 얻은 데이터의 신뢰성도 함께 검토할 필요가 있다. 과학 지식의 본성과 발전의 이해에는 자료의 수집 과정에서 반드시 오차가 발생하며, 인간의 실수나 한계뿐만 아니라 실험 기구나 환경 등 다양한 오차의 원인이 있다는 점을 이해하는 것이 포함되어야 할 것이다.

본 연구에서는 학교 실험에 사용하는 온도계의 특성에 대해 살펴보았다. 후속 연구로 학생들의 학습 과정과 연관하여 온도계의 부정확성에 대해 학생들이 어떻게 인식하고 있는지, 온도계의 특성을 직접 살펴볼 수 있는 탐구 활동을 통해 학생의 인식이 어떻게 달라지는지 살펴볼 것을 제언한다.

이 연구는 2023년도 서울교육대학교 교내 연구비에 의하여 연구되었습니다.