- P-ISSN 3022-8719
본 연구는 중등 과학 실험에서 흔히 다루는 보일의 법칙(Boyle’s Law) 실험에서 관찰되는 실제 기체의 비이상적 거동을 정량적으로 분석하고, 이를 설명하기 위해 생성형 인공지능(ChatGPT)을 도구로 활용한 탐구 사례를 제시한다. 질소(N2)와 이산화탄소(CO2)를 이용한 압력-부피 측정 실험 결과, 두 기체 모두 보일의 법칙에 따른 이론값보다 높은 압력을 나타내며 이상기체 거동에서 벗어나는 현상을 보였다. 이러한 편차는 기체 분자 간 상호작용과 분자 자체의 부피를 고려한 반데르발스(van der Waals) 방정식을 통해 설명될 수 있으나, 이는 고차 방정식의 해석을 요구하여 중등 교육과정 수준에서 접근하기 어려운 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 ChatGPT를 활용하여 실험 데이터에 대한 곡선 맞춤(Curve Fitting)을 수행, 반데르발스 상수를 도출하고 분자 구조에 따른 상호작용의 차이를 규명하였다. 연구 결과, 도출된 상수값은 문헌값과 유의미한 상관관계를 보였으며, 특히 분자의 크기와 전자 수가 더 많은 이산화탄소가 질소보다 더 큰 분자 간 인력을 가짐을 확인하였다. 본 연구는 인공지능 도구가 복잡한 데이터 해석 과정을 지원함으로써 학생들의 탐구 깊이를 심화시킬 수 있음을 시사한다.
This study presents an inquiry case utilizing generative artificial intelligence (ChatGPT) to quantitatively analyze the non-ideal behavior of real gases observed in Boyle’s Law experiments, a common topic in secondary science education. Pressure-volume measurements of nitrogen () and carbon dioxide () revealed that both gases exhibited pressures higher than the theoretical values predicted by Boyle’s Law, demonstrating a clear deviation from ideal gas behavior. Although such deviations can be explained by the van der Waals equation—which accounts for intermolecular interactions and finite molecular volume—applying this model in secondary education is challenging due to the mathematical complexity of solving high-order equations. To overcome this educational barrier, this study employed ChatGPT to perform curve fitting on the experimental data, thereby deriving van der Waals constants and elucidating differences in intermolecular interactions based on molecular structure. The derived constants showed a significant correlation with literature values; specifically, it was confirmed that carbon dioxide, with its larger molecular size and greater number of electrons, exhibits stronger intermolecular attraction than nitrogen. These findings suggest that AI tools can effectively support complex data interpretation processes, thereby deepening students' scientific inquiry capabilities beyond the limitations of traditional calculation methods.