과학의 관찰과 탐구

'과학적 소양’에 대한 정의

1.1847년 윌킬슨이 ‘모든 이를 위한 과학(science for all)’에서 처음 언급
2.과학 문해력-’과학의 내용을 읽고 쓸 줄 아는 정도’의 의미
3.아직 충분한 공감대가 형성되지 않은 측면이 있음.

1.펠라 등
과학의 기초 개념, 과학의 본성, 과학자의 연구 윤리, 과학과 사회의 연관성, 과학과 인간의 상호 연관성, 과학과 기술에 대한 이해를 전제

2.스미스
주변 사건에 대한 이해, 대중 매체에 나타난 과학 관련 내용의 진실성을 확인할 수 있는 능력, 사회에서 과학 활동의 연관성과 중요성을 평가할 수 있는 능력

과학?

과학이란 지식이 만들어지는 과정
따라서 과학적 활동에는 지식이 만들어지는 과정이 있고, 이런 과정 후에는 과학적 산물이 생겨야 하기 때문에
과학적 활동은 과정과 산물이라는 최소한 두 개의 요소로 이루어진다.

과학적 산물

① 사물
가장 두드러진 과학의 산물은 "사물"이다. 과학적 사고와 이론, 기술자와 발명가에 의해 고안된 과학과 기술의 상호 작용적 결과이다.

예) 제트기, 로켓, 핸드폰, 리모콘, 의료 기구, 의료용 돼지 등

② 사실
사실은 단순히 알려진 하나의 정보로서 사실은 구체적이고 관찰 가능한 것이다. 사실 뒤에는 숨은 이론은 없고, 사실은 그저 단순히 존재할 뿐이다.

예)
지구는 자전출을 중심으로 24시간마다 한 번씩 자전한다.
물분자는 수소와 산소 원자로 구성된다.
모든 동물의 76%가 곤충이다.

③ 개념
개념은 몇 개의 사실이나 관찰 결과를 함께 묶은 생각이다. 예를 들면 "녹색 식물은 성장하는 데 빛을 필요로 한다."는 진술에는 '빛'과 '녹색 식물의 성장'이란느 두 개의 개념을 관련시킨 것이다. 개념은 관찰 결과에 있어서 규칙성을 설명하는 추상화 된 것이다

예)
1. 녹색 식물은 빛을 향해 굽는다.
2. 인간은 음식을 사용하여 몸에 필요한 에너지를 얻고 성장을 한다.
3. 흐르는 물은 골짜기를 침식시키며 흐른다.
4. 달의 영향으로 밀물과 썰물이 생긴다.

④ 일반화
일반화는 여러 개의 유사한 개념들이 연결된 포괄적인 생각이다. 예를 들면 '식물은 양분과 빛과 물을 필요로 한다.'는 것은 최소한 3개의 개념을 포함하는 일반화이다.
일반화를 만들려면 여러 개이 사례에 대해서 검증되어야 한다. 일반화는 두 개의 요인으로 특정지을 수 있다. 즉, 예상력과 설명력을 가져야 한다. 좋은 일반화는 유사한 상황에서 무엇이 일어날지를 정확하게 예측하여야 하고, 다른 상황에서는 왜 그것이 일어났는지를 만족스럽게 설명할 수 있어야 한다.

예)
1. 행성, 혜성, 행성간 물질은 타원 궤도로 태양 주위를 공전한다.
2. 녹색 식물은 생물이다.
3. 전기는 일을 하는 데 쓰인다.
4. 무거은 대리석과 가벼운 대리석을 똑같은 힘으로 밀었을 때 무거운 대리석이 더 멀리 굴러간다.
5. 병이 내는 소리의 깊이는 그 병 속의 물높이에 달려 있다.

⑤ 과학적 이론
이론은 증명되지는 않았지만 맞는 것으로 보이는 일반화이다. 유명한 원자론이 그 예이다. 원자 이론에 의하면 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵 주위를 음전하를 가지고 빠른 속도로 움직이는 질량이 거의 없는 전자가 멀리더 돌고 있다. 이 이론은 간접적인 증거에 기초된 것으로 원자를 실제로 본 사람은 없다. 그러나 원자가 원자이론에서 묘사된 것처럼 그렇게 구성되어 있다는 것을 여러 가지 과학적 실험이 보여 주고 있다. 그래서 우리가 원자를 실제로 볼 수 없고 원자의 구조를 직접적 관찰로 증명해 보일 수 없더라도 원자 이론은 우리에게 원자가 어떻게 생겼는지를 말해 준다. 여기에 이론의 한계가 있다. 아이들이 스스로 이론을 발견하기는 어렵다.

예) 분자 운동 이론, 일반 상대성 이론, 진화론

⑥ 과학적 법칙
과학적 법칙은 논박의 여지가 없이 진실로 여겨지는 이론을 말한다. 과학자는 법칙을 절대적 진리로 받아들이는데 주저하고 회의적 태도를 유지하지만 의지할 여지가 없고 예상 가능하고 설명 가능한 철저한 이론과 일반화들을 법칙으로 여긴다. 과학의 세계에는 법칙이 몇 개에 불과하다.

예) 뉴턴의 제3법칙, 만유인력의 법칙, 질량보존의 법칙

과학의 탐구 과정

기초탐구과정

① 관찰

② 분류

③ 의사소통

④ 측정

⑤ 예상

예상은 관찰이나 측정 결과에 기초하여 규칙성을 파악하고 나중에 관찰되거나 일어날 현상이 구체적으로 어떻게 될지 미리 판단하는 것이다. 일관성 있는 경향을 보이는 어떤 범위의 자료에서는 내삽이나 외삽을 사용한다.(**)

예상은 '만약 어떤 일이 벌어진다면 어떻게 될 것이다.'같이 어떤 주어진 상황에서 일어날 일에 대한 개인의 최상의 추측(추리)이다.
예)
만약 접시 위에 쌀벌레가 기어다니고 있을 때, 식초를 떨어뜨리면 어떻게 될까?
만약 건전지의 +극과 -극 양극을 연결하면 어떻게 될까?
만약 도미노를 약1Cm 간격으로 곡선형으로 세우고 첫번째 노미노를 밀면 어떻게 될까?

예상은 과학을 하는 데 필수적인 것이고 아동은 실험하기 전에 예상을 하도록 격려해야 한다. 이런 방법으로 아동은 어떤 현상에 대해서 아무 생각 없이 무엇이 일어날 것인가를 단순히 받아들이기는 것보다는 무엇이 일어날 것인가를 생각해 보고, 생각했던 대로 일어나는가를 비교하는 것을 배우게 된다. 예상과 실제 일어난 불일치가 바로 더 탐구할 가치가 있는 것이다.

⑥ 추리
추리는 어떤 일이 왜 일어났느냐에 대한 개인의 최상의 추측이다. 이것은 일어날 것을 추측하는 예상과 대조된다. 추리에서 우리는 일어난 일의 원인이 무엇인지 추측해야 한다. 그 추측은 우리가 발견한 근거를 바탕으로 이루어져야 한다.

추론적 사로는 모든 과학적 이해의 기본이다. 많은 경우 우리는 직접 과학실험을 통해 이것을 관찰하기도 하지만 때론 직접적으로 관찰할 수 없는 경우에 우리는 추리할 수 밖에 없다.

통합탐구 과정

⑦ 문제인식

⑧ 가설설정

아미 알고 있는 사실과 개념이나 관찰을 근거로 하여 문제에서 제기된 변인 사이의 관계를 경험적으로 검증할 수 있도록 진술하는 것을 말한다. 가설 설정은 계획된 실험이나 조사를 수행할 때 중요하며, 예상과 유사하지만 그보다 더 통제적이고 형식적이다. 가설설정은 정보를 활용하여 예상되는 실험 결과에 대해 최상의 경험적 예측을 만들어내는 것이다. 예상은 경험의존적인 반면, 가설 설정은 전제의존적이라고 할 수 있다.

예)
예상-촛불을 컵으로 덮으면 촛불이 꺼질 것이다.
가설설정 - 촛불을 컵으로 덮으면 산소가 소모되어 촛불이 꺼질 것이다.

어떤 일이 일어날 지 미리 알고 있다면 현상을 조사하는 것에 중점을 많이 두지 않을 것이다. 주어진 변인이 변화할 때 진자의 운동 속도가 어떻게 변할 것이라는 당신 생각을 진술한 것을 가설이라고 한다.
가설은 다음과 같은 형식을 포함한다.
"만약 진자에 이렇게 한다면(변인), 전자의 속도는 빨라진다. 혹은 느려진다.(변인)"

가설은 두 변인들 사이의 관계에 대한 자신이 가진 최상의 추측을 진술한 것이다.
예)
만약 경사를 높인다면(변인), 트럭이 굴러가는 데 시간이(변인) 덜 걸릴 것이다.
만약 경사를 낮춘다면(변인), 트럭이 굴러가는 데 시간이(변인) 더 걸릴 것이다.

이에 반해 예상은 단순히 우리가 어떤 일을 했을 때 무엇이 일어날까를 생각한다.

예) 내가 만약 석회석에 식초를 떨어뜨리면 어떻게 될까? -여기에는 식초라는 하나의 변인만 있다.

⑨ 변인통제

⑩ 자료변환
양적 자료-숫자나 그래프, 측정으로 얻은 자료
그러나 질적 자료의 수집에도 신경을 써야 한다.(실험하면서 관찰할 수 있는 특정한 모양이나 현상 등)

⑪ 자료해석

⑫ 결론도출

⑬ 일반화

이 밖에도 David Jerner Martin은 동합탐구과정에 조작적 정의, 실험수행, 모형구성 등의 활동이 포함되어 진다고 주장한다.