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다양한 실습 통해 과학이 더 쉽게!

고등학교 학생들은 공통과목으로 과학탐구실험 수업을 듣게 되어있다. 2015개정 교육과정 이전에는 없었던 과목이다. 과학탐구실험은 교과 내용을 배우고 문제풀이에 적용하는데 급급하지 않고 ‘과학 탐구’와 ‘과학 실험’을 자유롭게 할 수 있는 과목이다. 특히 상대평가가 아니라 절대평가로 이루어지기 때문에 시험부담이 덜 해 수행평가 100%로 운영하기에도 적절하다. 과학교사를 하다보면 아이들이 이론이나 문제풀이는 곧 잘해도 실험이나 탐구 경험이 적어 탐구 자체를 막막해하는 경우를 많이 볼 수 있다.

과학탐구실험 교육과정을 보면 크게 ‘Ⅰ. 역사 속의 과학탐구, Ⅱ. 생활 속의 과학 탐구, Ⅲ. 첨단 과학 탐구’로 나누어져 있다. 그런데 교과서를 보면 본 내용을 시작하기 전에 ‘과학 탐구 안내’라는 챕터가 있으며 그 안에 ‘과학 탐구 방법, 탐구 보고서 작성 방법, 실험실 안전 수칙, 실험 기구 사용 방법’에 대한 안내가 교육과정 성취기준에 포함되지 않는 내용임에도 불구하고 마치 약속한 것처럼 나와 있다. 그만큼 과학탐구실험을 수행하는데 있어서 사전적으로 학습이 필요하고 중요한 부분이기에 집필진들이 교과서에 포함시켜 놓은 게 아닐까 싶다.

모든 내용이 중요하지만 이 글에서는 ‘과학 탐구 방법’에 대해서 이야기 해보고자 한다. 교과서에 ‘과학 탐구 방법’에 대한 안내가 잘 나와 있지만, 아이들이 스스로 실습해보고 직접 판단해보기 좋은 활동이 들어있지는 않다. 배운 내용을 활용하여 적용이나 실습을 해보지 않으면 체화되지 않기 마련이다. 따라서 학생들에게 배운 내용을 차근차근 적용해보고 피드백을 받는 경험은 중요하다. 따라서 이 글에서는 과학 탐구과정에 대해 알아보고 학생들과 단계별 실습 활동을 한 사례를 공유하고자 한다. 아래 표는 과학 탐구과정을 여러 자료를 종합하여 정리한 것이다. 우선을 교과서와 한페이지로 내용을 정리한 아래 표 등을 이용하여 과학탐구과정과 주의점을 알아본다.

 <표> 과학 탐구과정 전체 개요

탐구과정	활동 내용
탐구 문제 인식	자연 현상에 대한 의문을 진술
가설 설정	탐구 문제에 대한 최선의 답으로 가설을 진술 과학적 가설의 정의와 과학적 가설이 갖춰야 할 조건 1) 탐구문제에 대한 답인가? 2) 타당한 근거를 기초로 한 답인가? 3) 독립변인과 종속변인의 관계로 진술되었는가? 4) 실험을 통해 검증 가능한 진술인가? 5) 일반화된 형태의 진술인가? 과학적 가설을 진술하는 방법 1) 환경 요인과 대상 자체 속성에서 다양한 변인 추출 2) 종속변인과 종속변인에 영향을 미치는 가장 유력한 독립변인 선택 3) 독립변인과 종속변인의 관계로 가설 설정
실험 설계	만일 가설이 참이라면, 특정 조건에서 관찰 할 수 있는 현상을 예측하고, 예측 내용을 확인할 수 있도록 실험 조건을 계획 만일 가설이 참이라면, 특정한 조건에서 관찰될 수 있는 현상을 예측 예측을 확인할 수 있는 실험 조건을 설계 독립변인 조작하는 방법, 종속변인 측정하는 방법, 통제 변인을 일정하게 유지하는 변인 통제 방법 고안
실험	실험 설계한 내용을 수행하여 자료를 수집
자료 정리 및 해석	자료 정리 : 실험으로부터 얻은 자료를 실험의 목적에 따라 또는 문제 해결을 위해 보다 유용하며 쉽게 해설할 수 있는 표, 그래프, 그림 등으로 정리 ※ 자료 정리 방법 자료를 분석한다. 자료를 표료 정리한다. 적합한 그래프를 선택한다.         그래프를 작성한다. 1) (축이 있을 경우) X축과 Y축을 결정한다. 2) (축이 있을 경우) 축의 눈금을 설정한다. 3) 데이터를 표시한다. 4) 범례를 표시한다. 5) 그래프의 제목을 작성한다. < 그래프 종류별 작성 방법 안내 > 그래프란 수치 자료의 크기, 경향, 관계, 분포 등을 시각적으로 표현하는 방법이다. 그래프는 자료를 시각적으로 요약하여 제시함으로써 자료의 해석을 용이하게 해주며, 자료의 의미를 효과적으로 전달하게 해준다. 그래프의 종류는 크게 막대 그래프, 원 그래프, 선 그래프, 띠 그래프가 있다. 막대 그래프 : 집단이나 시대별 자료의 수, 양, 비율 등을 비교하고자 하는 경우에 사용한다. 학급 별 과학 점수를 비교할 때, 막대 그래프를 이용할 수 있다. 이때 X축에는 학급을, Y축에는 과학 점수를 표시하며, 막대의 길이는 자료의 양에 비례하여 표현하고 그래프의 제목은 그래프 하단 중앙에 위치하게 놓는다. 선 그래프 : 시간이나 순서에 따라 자료의 값이 어떻게 변화하는지 조사하고자 하는 경우에 사용한다. 연 평균 기온 변화를 조사할 때, 선 그래프를 이용할 수 있다. 이때 X축에는 연도를, Y축에는 연 평균 기온을 표시하며, 시간이나 순서에 따라 자료의 값은 완만하게 선으로 연결하고 그래프의 제목은 그래프 하단 중앙에 위치하게 놓는다. 원 그래프 : 전체에 대한 구성 성분(부분)의 비율들을 비교하고자 하는 경우 사용된다. 지각을 구성하는 성분들의 구성 비율을 비교할 때, 원 그래프를 이용할 수 있다. 이때 전체 원 면적을 100%로 하고, 각 성분이 차지하는 비율은 그 성분 비율에 해당하는 부채꼴 면적으로 나타내며, 큰 비율 값에서 작은 비율 값으로 12시 방향을 기준으로 시계방향으로 표현하고 그래프의 제목은 그래프 하단 중앙에 위치하게 놓는다. 띠 그래프 : 어떤 성분의 전체에 대한 구성 성분 비율을 다른 전체에 대한 구성 성분 비율과 비교하고자 하는 경우 사용된다. 삶은 콩의 구성 성분 비율과 밀빵의 구성 성분 비율을 비교할 때, 띠 그래프를 이용할 수 있다. 이때 띠의 전체 길이를 100%로 하고, 각 구성 성분이 전체에서 차지하는 비율을 띠 토막의 길이로 나타내며, 자료에서 각 구성 요소들이 순서를 갖게 배치하여 그 구성 요소들을 서로 비교하기 쉽도록 작성하고 그래프의 제목은 그래프 하단 중앙에 위치하게 놓는다.   자료 해석 : 자료의 의미를 파악하여 변인 사이의 관계를 자신의 말로 표현
결론 도출	예측 내용과 자료 해석 결과를 비교하여 가설을 검증(가설지지 또는 기각)하여 결론을 도출

이론에 대해 배웠다면 이제 직접 적용해볼 차례이다. 참고한 자료에는 단계별로 다양한 실습 활동이 나와 있었지만, 시간 관계 상 학생들이 수행할 때 어려움을 겪으면서 중요하다고 생각하는 활동 3가지를 선정하여 수업하였다. 우선 과학은 올바른 과학적 가설을 설정하는 것부터 시작한다.

<그림2> 실험을 설계 및 수행하여 얻은 데이터를 과학적으로 해석하고 분석하기 적절한 형태로 변환

가설을 설정하고 그에 맞게 실험을 설계 및 수행하여 데이터를 얻었다면 이제 이를 과학적으로 해석하고 분석하기 적절한 형태로 변환할 수 있어야 한다.
마지막으로 한 실습 활동은 실험 보고서 결과 분석하기(결론 도출)이다. 학생들은 실험 결과와 결론을 구분하지 못 하는 경우가 많다. 과학탐구과정에서 결론 도출은 그 탐구 과정의 꽃이라고 생각한다. 실험을 잘 설계하고 수행해서 좋은 데이터를 얻는 것에 더해서 멋진 분석이 이루어졌을 때 좋은 과학 이론이 만들어지기 때문이다. 티코 브라헤의 천체 관측 기록에 케플러의 기하학적 분석이 더해서 천체의 움직임을 설명하는 법칙을 만들어낼 수 있었던 것처럼 말이다. 학생 수준에서 적절한 수준의 과학 결론 도출을 할 수 있는 자료를 얻기 위해서 과학전람회 수상작을 이용해 자료 분석 및 결론 도출 실습자료를 만들었다. 국립중앙과학관 홈페이지에 전국과학전람회 → 전국 과학 전람회 → 전람회 통합검색에 수상작 보고서가 한글파일로 게시되어 있으며, 서울특별시교육청과학전시관 → 경진대회/행사 → 입상작에 과학전람회 및 탐구발표대회 입상작의 요약서가 게시되어 있기 때문에 필자가 만든 자료 외에도 다양한 분야의 실험에서 학습 자료를 만들어볼 수 있다. 이 방법은 필자가 ‘과학영재교육연수’를 받을 때 연수를 해주신 김영학 선생님이 알려 주신 방법인데 학생들의 과학탐구과정을 지도할 때 효과적이라 매번 활용하고 있다.

<그림3> 실험 보고서 결과 분석하기(결론 도출)

또한 더 심도 깊은 자유탐구를 하고 싶어 하는 학생에게는 ‘과학영재의 자유탐구를 안내하는 연구단계별 질문목록 개발(2014, 정용욱 외 3인)’을 참고하면 학생들의 탐구를 잘 하고 있는지 꼼꼼히 확인하는 가이드라인과 같은 역할을 하는 체크리스트를 제공할 수 있다. 그리고 학생들에게도 과학전람회 수상작을 참고하라고 안내한다면 적절한 수준의 질 좋은 다양한 예시를 통해 학생들의 과학 탐구의 질이 수직 상승할 수 있다.

이처럼 원래 과학 교과서에서 제대로 다루지 않았던 ‘과학 탐구 방법’이 ‘과학 탐구 실험’이라는 교과를 통해 모든 학생들에게 과학 탐구 과정을 체계적으로 교육과정 중에서 수업할 수 있게 되었으며, 이를 통해 학생들의 과학적 사고력, 과학적 탐구 능력, 과학적 문제 해결력, 과학적 의사소통 능력, 과학적 참여와 평생 학습 능력 등의 과학과 핵심 역량을 다양한 실습을 통해 함양을 할 수 있게 되었다는 점에서 그 의미가 깊다. 하지만 이런 실습 위주의 교과가 교사들에게 수업 준비와 진행에 부담이 되는 것은 사실이다. 좋은 수업을 구성하고 진행하고 싶어도 기존에 해보지 않았던 수업이기에 그 막막함은 더하다. 따라서 과학 탐구 방법을 수업하려고 계획하시는 선생님들께 이 글이 실질적인 도움이 되길 바란다.

신다인 선생님은 현재 경동고등학교에서 물리교사로 재직중이다. 2015년에 서울 중등학교교사로 임용됐으며, 2017년 부터‘신나는 과학을 만드는 사람들 연구회’ 회원으로 활동중이며, 도서‘과제탐구끝판왕’저자이기도 하다. 이외 과학창의재단, LG상남도서관, 서울시교육청 등 다양한 협력사업에 참여중이다.