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동국대학교 2010학년도

자연계 모의논술고사 문제해설

Ⅰ. 출제의도

(1) 자연계열 특성에 부합하는 과학적 분석력과 논리적인 사고, 그리고 기본적인 수리능력을 평가하고자 함

(2) 교과목의 지식 정도에 대한 암기위주의 지식평가를 지양하고 다양한 형식의 자연과학적 글에 대한 이해력 및 판단력을 평가하고자 함

(3) 특정 단일 주제에 대한 장문 제시문의 정리요약을 요구하는 기존의 일반적인 논술방식을 벗어나, 다수의 제시문에서 논지를 찾아내 비교 분석할 수 있는 통합적 사고력에 대한 평가를 하고자 함

(4) 지정된 시간 내에 제시된 분량의 글을 이해하고 분석할 수 있는 수험생들의 기본적인 학습능력을 평가

(5) 자연과학분야에 대한 다양한 형태의 제시문(고전, 대중매체 기사문, 논문 발췌 등등)과 과학적 표현수단(표 및 그래프 등)의 제시를 통해 획일화된 논술형식을 벗어나 변별력 향상을 도모

(6) 문항 별 출제의도

[문제 1]

고교 과학 교과 과정에서 핵심적인 주제의 하나로 다루어지고 있는 ‘지구 온난화’ 주제와 연관된 여러 가지 제시문들을 소개하고, 주어진 문제 해결에 이들 제시문들을 얼마나 논리적으로 활용하는지를 보고자 하였다.

[문제 2]

최근 관심이 높아지고 있는 바이오매스에서의 바이오연료 사용이 화석연료 사용과 어떠한 공통적 특성을 가지며, 이러한 유사한 화학적 성질에도 불구하고 왜 바이오연료 사용이 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소 증가를 방지할 수 있는지에 대해서 제시문을 근거로 논술하는 능력을 평가하고자 하였다.

[문제 3]

고등학교 과정에서 학습한 물리 이론을 일상에 적용하여 설명할 수 있는 능력을 측정하고자 하였다. 이론에 대한 이해는 현상에 적용할 수 있는 능력을 함께 기르는 것을 의미한다. 과학을 학습하는 것은 과학에서 나오는 수학 법칙을 적용하는 능력만이 아니라 실제 일상에서 부딪치는 자연 현상 및 기술 현상을 설명할 수 있는 능력을 기르는 것이다. 이런 적용 능력을 측정하는 것이 본 문제의 출제 의도였다. 제시문 중에는 고등학교 과정에서 학습하지 않는 반도체 이론을 포함하고 있지만, 제시된 내용을 근거로써 활용하는데 큰 문제는 없다고 본다.

[문제 4]

수학에서는 복잡하고 모호한 내용을 좀 더 간결하고 명확하게 표현하고 전달하기 위해 기호를 다양하게 사용한다. 이러한 기호은 이공계학문에 있어 하나의 언어로써 자리매김을 하고 있다. 본 제시문에서는 다소 복잡해 보이는 기호를 보여주고 그 의미를 파악하는 능력을 확인하도록 준비하였다.

Ⅱ. 문제 해설

[문제 1, 2]

고교 과학 교과 과정에서 핵심적인 주제의 하나로 다루어지고 있는 ‘지구 온난화’ 주제와 연관된 여러 가지 제시문들을 소개하고, 주어진 문제 해결에 이들 제시문들을 얼마나 논리적으로 활용하는지를 보고자 하였다.

제시문 [가]는 화석연료의 사용이 이산화탄소 증가와 어떠한 상관관계를 가지는지 보여주는 예시문이다. 제시문 [나]는 바이오매스의 정의에 대해 소개한 글로서 기본적인 과학적 용어와 친숙한 학생들이 쉽게 이해할 수 있는 글이다. 제시문 [다]는 온난화의 원인이 화석 연료 사용과 무분별한 녹지 개간에 있음을 설명하는 시사적인 글이다. 제시문 [라]는 바이오매스를 포함하는 생명체 구성 요소들이 생태계에서 순환함을 설명하는 교과서적인 글이다. 제시문 [마]에서는 생태계에서의 탄소 순환이 어떻게 이루어지는지 구체적으로 설명하였고, [바]에서는 생물체 구성원소의 순환이 에너지의 흐름과 다름을 제시하고 있다.

[문제 1] 지구온난화를 초래한 과학적 현상 중 하나인 화석연료의 사용과 근대 산업에서 이루어진 무분별한 녹지 개발 등에 대해 정확히 독해하고 논리적으로 분석하여 서술할 수 있는지 평가하고자 하였다.

[문제 2]에서는 생태계 내 탄소의 순환과정에 대한 제시문의 이해를 바탕으로 바이오매스 자원 활용의 장점에 대해 분석하고 추론할 수 있는지를 평가하는 문제이다.

[문제 3]

최근 시사적인 주제가 되고 있는 에너지 위기를 극복하는 방안으로 제시되는 재생가능에너지 기술은 제시된 다양한 물리 이론에 근거하고 있다. 태양에너지라는 재생에너지의 궁극원이 풍력 터빈, 광전지 등의 기술을 통해 전기, 열 등 다양한 에너지로 변화되어 사용되는 것은 첫 번째 제시문에 나오는 열역학 법칙에 기초하고 있다. 두 번째 제시문은 반도체를 재료로 하고 있는 태양광 전지가 전기를 생산하는 기본 원리를 설명하고 있다. 세 번째 제시문에서는 수력 발전과 조력 발전에서 이용되는 발전기의 원리를 설명해주는 전자기 이론에 관한 내용이다. 네 번째 제시문은 조력 발전을 가능하게 하는 조수 간만이 일어나는 원리를 설명하고 있다. 다섯 번째는 물질이 에너지로 변화하는 전환을 설명하는 아인슈타인의 방정식에 관한 내용인데, 이 방정식은 재생에너지의 궁극원인 태양에너지가 생성되는 원리를 설명해준다. 이들 제시문을 활용하여, 재생에너지 기술과 재생에너지원이 어떤 물리 이론에 근거하여 생활에서 필요한 에너지로 활용될 수 있으며, 또한 다양한 형태로 존재하는 재생에너지원이 화석에너지와 달리 고갈되지 않는 에너지원으로서 존재할 수 있는지를 설명할 수 있다.

[문제 4]

고교과정에서 배우는 수열의 합을 표시하기 위해 [eqn: Sum_i=1^n a_i]와 같은 기호를 정의하고 이 기호를 좀 더 다양한 형태로 사용될 수 있는 예를 소개하였다. 이러한 예를 통해 기호의 의미와 활용법을 명확히 이해하도록 하였으며, 동일한 결과 또는 내용에 대해서 단일한 형태로만 표현되는 것이 아니라는 점을 제시하였다. 목적에 맞게 다양한 형태의 수식을 이용하는 것이 중요하다는 사실을 보여주었다. 제시문의 [eqn: sum _{i=1} ^{10} a _{i} (2i)+ sum _{j=1} ^{10} (b _{2j-1} +b _{2j} )(11-j)]와 [eqn: sum _{i=1} ^{10} sum _{j=1} ^{2i} (a _{i} +b _{j} )]는 동일한 내용을 의미하는 수식이지만 의미의 전달에 있어 앞의 수식보다는 [eqn: sum _{i=1} ^{10} sum _{j=1} ^{2i} (a _{i} +b _{j} )]이 더 간결하고 명료하다. 하지만, 문제 1을 푸는데 있어서는 수열의 특성상 [eqn: sum_i=1^10 a_i (2i) +sum_j=1^10 (b_2j-1 +b_2j )(11-j)]을 이용하는 것이 더 효과적이다. 그 이유는 [eqn: b_1 =6,~b_2 = -1,~ b_3 =-2,~ b_4 =7,~b_5 =2,~b_6 =3]에 있어 [eqn: (b_2j-1 +b_2j )]이 모두 5가 되기 때문이다. 따라서 문제 1에서 요구하는 답은 [eqn: -sum_i=1^3 a_i (2i) +sum_j=1^3 (b_2j-1 +b_2j )(4-j)]의 값을 구하는 것으로 [eqn: a_1 =3 , ~a_2 =5,~a_3 =2]을 대입하면 [eqn: 3*2+5*4+2*6-5*(3+2+1)=-8]이 된다.

Ⅲ. 평가의 주안점

(1) 문제 및 주제의 정확한 이해 및 분석

- 문제의 요지를 이해하고 제시문의 내용을 정확히 분석하였는지에 대한 평가

- 주제에 관련된 핵심 내용이 적절하게 표현되는지에 대한 평가

(2) 내용의 논리성

- 주제에 관련된 내용이 전개되었는지에 대한 평가

- 문제의 핵심적 내용이 정확히 분석되어 논리적인 표현으로 서술되었는지에 대한 평가

- 문제 해결의 방안과 설명이 구체적으로 논술되었는지에 대한 평가

(3) 형식의 타당성

- 논증의 형식이 논리적으로 타당한지에 대한 평가

- 전제로 사용된 명제들에 오류가 없는지에 대한 평가

- 결론이 명확하게 제시되었는지에 대한 평가

- 문장과 문장, 문단과 문단이 논리적으로 연결되었는지에 대한 평가

(4) 언어 사용의 정확성

- 표현 의도에 적합한 어휘 선택에 대한 평가

- 철자법 및 문법의 오류에 대한 평가

- 답안 분량의 적절성에 대한 평가

Ⅳ. 예시답안

[문제 1]

근대 산업화는 석유와 석탄과 같은 화석연료에서 얻어지는 에너지 사용에 크게 의존하고 있다. 화석연료는 고대의 생물자원에서 유래한 유기 탄소원이며, 이를 연소할 때 이산화탄소가 발생한다. 일반적으로, 생태계 내에서 생물체로부터 생성되는 이산화탄소는 광합성에 의해 생물체 유기탄소화합물로 고정되고, 탄소는 다시 생명체의 대사과정을 통해 순환되어지므로 대기 중 이산화탄소 농도는 일정하게 유지된다. 반면에 화석연료의 연소는 지하에 저장되어 있던 유기물의 탄소를 이산화탄소의 형태로 일방적으로 대기로 방출하는 과정이다. 화석연료의 대량 사용은 온실가스 중 하나인 이산화탄소의 대기 중 농도를 급격히 증가시키는 결과를 초래하여 지구 온난화의 주요 원인으로 작용하였다. 또한 산업화에 따른 산림의 파괴와 농지의 축소로 인해 이산화탄소를 흡수하는 광합성 식물의 개체군이 줄어들었고, 따라서 대기 중 이산화탄소 증가는 악화되어 이로 인한 지구 온난화가 가속화되었다.

[문제 2]

바이오매스는 생물체와 이로부터 얻어지는 모든 유기물로서, 화석연료와 같은 유기탄소화합물이다. 따라서 바이오매스는 화석연료와 마찬가지로 저장된 에너지원으로서의 가치를 지니며 연료로서의 활용이 가능하다. 하지만 지하에 저장되어 있던 유기탄소를 이산화탄소의 형태로 일방적으로 대기로 방출하는 화석연료 연소와는 달리, 바이오매스의 연소로 발생되는 이산화탄소는 생태계의 탄소 순환에 의해 지속적으로 순환된다. 따라서 바이오연료 사용의 활성화는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소의 증가와 이에 따른 지구온난화를 저감할 수 있고, 이로 인해 나타나는 최근의 기상이변을 억지하는데 이바지할 수 있다.

과학적 근거: 생물체에 저장되어 있는 모든 바이오매스는 궁극적으로 식물을 포함하는 독립영양생물체가 광합성 과정에서 고정한 이산화탄소로부터 얻어진다. 바이오매스를 연료로 활용하여 연소하였을 때, 유기화합물로 고정되었던 탄소는 이산화탄소의 형태로 다시 대기로 돌아간다. 이렇게 생성된 양 만큼의 이산화탄소는 다시 광합성 생물에 의해 흡수되어지고, 이는 생태계 먹이사슬을 따라 다시 생물체로 순환되어진다. 이산화탄소의 총량에 해당되는 바이오매스가 다시 만들어지는 선순환 과정이 일어나는 것이다. 이러한 순환과정은 자연환경에서 일어나는 탄소의 순환과정과 동일한 경로를 따르는 것이며, 추가적인 이산화탄소의 증가는 일어나지 않는다. 바이오매스 연소로 생성되는 이산화탄소를 다시 흡수하여 생물체로 고정시킬 수 있는 광합성 식물의 총량이 인위적으로 격감되지 않는다면 이러한 탄소 순환은 지속적으로 일어나고, 따라서 생태계 내 이산화탄소 농도는 일정하게 유지될 수 있다.

[문제 3]

이 시나리오에 나오는 재생가능 에너지 기술, 즉, 풍력터빈, 광전지, 수력발전, 조력 발전은 제시된 물리 이론에 따라 우리가 필요로 하는 생활 에너지인 전기, 열을 생산해내는데 이용되고 있다. 반도체로 이루어진 광전지는 반도체 내에서 생성되는 전자-정공쌍에서 전자가 전기장에 의해 이동하게 되면서 전기를 생산하게 된다. 수력발전과 조력 발전에 쓰이는 발전기는 제시문 다에 나오는 자석의 운동으로 전류가 발생할 수 있는 전자기 원리에 기반하고 있다. 조력 발전의 근원인 조수 간만은 제시문 라에 나오는 뉴튼의 인력에서 그 발생 원인을 찾을 수 있다. 지열이나 태양열을 난방으로 활용할 수 있는 것은 열 이동의 방향을 언급하고 있는 열역학 2법칙에 기초하고 있다. 이들 기술에 의해 태양에너지가 전기, 열에너지로 전환하는 과정은 제시문 가에 나오는 에너지에 관한 법칙인 열역학 제 1법칙과 제 2법칙을 따르고 있다. 재생에너지원의 궁극원인 태양에너지는 제시문 마에 나오는 아인슈타인의 방정식에 따라 태양 안에서 이루어지는 핵융합이 계속되는 한 생성되는 것으로 다른 화석 에너지나 핵에너지의 한계성을 뛰어넘게 해준다.

[문제 4]

수열 [eqn: a_i]를 [eqn: b_1 ,b_2 ,b_3 ,ldots]수열의 첫 번째부터 [eqn: 2i]번째 수까지에서 각각 빼준 값들 모두를 더한 합은 제시문의 예를 통해 구할 수 있다. 즉, 제시문에서의 [eqn: sum _{i=1} ^{10} sum _{j=1} ^{2i} (a _{i} +b _{j} )]를 [eqn: sum _{i=1} ^{3} sum _{j=1} ^{2i} (b _{j} -a _{i} )]으로 바꾸어 풀면 된다. 뿐만 아니라 [eqn: sum _{i=1} ^{3} sum _{j=1} ^{2i} (b _{j} -a _{i} )]는 [eqn: sum_j=1^3 (b_2j-1 +b_2j )(4-j)-sum_i=1^3 a_i (2i)]와 동일함을 알 수 있고 [eqn: b_1 =6,~b_2 = -1,~ b_3 =-2,~ b_4 =7,~b_5 =2,~b_6 =3]에 있어서 [eqn: (b_2j-1 +b_2j )]가 모두 5가 됨을 알 수 있다. 이러한 사실들을 종합하면 문제에서 요구하는 답은   [eqn: 5*(3+2+1)-(3*2+5*4+2*6)=-8]이 된다.