뿌리학습 · 중학 과학탐구
과학적 탐구 방법, 과학기술의 영향과 지속가능한 삶
과학은 자연 현상을 이해하려는 활동이고, 그 이해에 이르는 방법이 과학적 탐구다.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
15일 무료 · 끝나도 자동 결제 없음 · 이후 월 결제 9,800원부터
개념 정리
먼저 오해 하나를 풀고 가자. 탐구라고 하면 실험실에서 실험하는 장면이 떠오르지만, 탐구가 곧 실험은 아니다. 실험은 탐구 방법 가운데 하나다. 별의 움직임이나 지층의 형성처럼 사람이 조건을 바꿔 볼 수 없는 대상도 있다. 이런 경우에는 오랜 기간 관찰하거나 여러 자료를 조사해 규칙을 찾는다. 이것도 엄연한 과학적 탐구다.
탐구는 대체로 이런 흐름을 따른다. 먼저 궁금한 것이나 해결하려는 문제를 분명히 한다. 다음으로 그 문제에 대한 잠정적인 답을 세우는데 이것이 가설이다. 그리고 가설이 맞는지 확인할 방법을 설계해 수행하고, 얻은 자료를 정리해 해석한 뒤, 결론을 내린다.
여기서 두 가지를 짚어야 한다. 첫째, 이 단계들이 반드시 한 방향으로만 진행되는 것은 아니다. 자료를 해석하다가 설계에 문제가 있었음을 발견하면 다시 설계 단계로 돌아간다. 둘째, 가설은 단순한 짐작이 아니라 관찰이나 자료를 통해 타당한지 검토할 수 있는 형태여야 한다. 확인할 방법이 없는 문장은 가설이 되지 못한다.
탐구 결과는 가설을 지지하는 근거가 되기도 하고 지지하지 않는 근거가 되기도 한다. 여기서 하나 더 짚어 두자. 가설이 지지되지 않았다고 해서 탐구가 실패한 것이 아니다. 그것도 의미 있는 결과다. 왜 예상과 달랐는지 살펴 가설을 고치고 다시 탐구하면 된다. 과학은 이렇게 고쳐 나가면서 발전한다.
이제 탐구 설계에서 가장 중요한 부분을 보자. 변인 통제다.
실험에서는 결과에 영향을 줄 수 있는 조건을 변인으로 다룬다. 무엇을 바꾸고 무엇을 측정하며 어떤 조건을 같게 유지하는지에 따라 변인을 세 가지로 구분한다.
조작 변인은 실험하는 사람이 알아보려고 일부러 다르게 하는 조건이다. 종속 변인은 조작 변인을 바꿈에 따라 달라지는 결과다. 통제 변인은 결과에 영향을 줄 수 있어서 일부러 같게 유지하는 나머지 조건이다.
식물의 성장에 빛의 세기가 어떤 영향을 주는지 알아본다고 해 보자. 빛의 세기가 조작 변인이고, 식물이 자란 정도가 종속 변인이다. 물의 양, 온도, 흙의 종류, 씨앗의 상태는 모두 같게 맞춰야 하는 통제 변인이다.
여기서 핵심 원칙이 나온다. 이런 실험에서는 알아보려는 요인만 다르게 하고 결과에 영향을 줄 수 있는 다른 조건은 가능한 한 같게 유지해야 한다. 만약 빛의 세기와 물의 양을 동시에 다르게 했다면, 식물이 더 자란 것이 빛 때문인지 물 때문인지 알 수 없다. 결론을 뒷받침할 근거가 사라지는 것이다.
통제 변인을 중요하지 않은 조건으로 여기기 쉬운데 그렇지 않다. 결과에 영향을 줄 수 있기 때문에 일부러 같게 유지하는 것이다. 영향을 주지 않는 조건이라면 애초에 신경 쓸 필요도 없다.
비교의 기준을 두는 것도 같은 이유에서다. 조작 변인을 적용한 집단을 실험군, 그렇지 않은 집단을 대조군이라고 한다. 견줄 대상이 없으면 실험군에서 나타난 변화가 그 요인 때문인지 원래 그런 것인지 판단하기 어렵다. 실험의 목적과 설계에 맞는 비교 대상을 마련해야 한다.
자료를 얻은 뒤에도 할 일이 남아 있다. 자료가 많다고 결론이 저절로 나오지는 않는다. 자료의 성격에 맞게 표나 그래프로 정리하고, 거기에 나타난 경향이나 관계, 차이를 읽어 내야 한다. 이 과정이 자료 해석이고, 여기서 나온 판단이 결론이 된다.
이제 과학과 기술이 사회에 미치는 영향으로 넘어가자.
먼저 두 말을 구분해 두자. 과학은 자연 현상을 이해하려는 활동이고, 기술은 그 지식을 활용해 문제를 해결하는 활동이다. 둘은 서로 영향을 주고받는다. 과학의 발견이 새로운 기술을 낳고, 새로운 기술로 만든 도구가 다시 과학의 관찰 범위를 넓힌다. 현미경이 만들어진 뒤 세포를 발견하게 된 것이 그런 예다.
과학과 기술의 발전은 인류의 생활을 크게 바꾸었다. 질병의 원인을 알아내고 치료법을 개발해 수명이 늘었고, 농업 기술이 발전해 식량 생산이 늘었으며, 교통과 통신이 발달해 멀리 떨어진 곳과도 쉽게 오가고 소통하게 되었다.
최근에는 인공지능을 비롯한 첨단 기술이 빠르게 발전하고 있다. 인공지능은 많은 자료에서 규칙을 찾아내 질병을 진단하거나 날씨를 예측하는 데 쓰이고, 사람이 하기 어려운 일을 대신하기도 한다. 이런 기술은 앞으로 일하는 방식과 생활 모습을 더 크게 바꿀 것으로 보인다.
그런데 여기서 균형을 잡아야 한다. 과학기술의 발전이 좋은 결과만 가져오는 것은 아니다. 같은 기술이 이로운 쪽과 해로운 쪽에 모두 쓰일 수 있다. 화학 비료는 식량 생산을 늘렸지만 지나치게 쓰면 토양과 물을 오염시킨다. 정보 기술은 소통을 편리하게 했지만 개인 정보가 새어 나갈 위험도 함께 커졌다. 인공지능도 편리함과 함께 일자리 변화나 판단의 공정성 같은 문제를 낳는다.
그래서 과학기술의 영향을 판단할 때는 한쪽만 보아서는 안 된다. 어떤 점이 이롭고 어떤 점이 문제가 되는지 함께 살피고, 문제를 줄이면서 이로움을 살리는 방법을 찾아야 한다.
이런 관점이 특히 중요해지는 곳이 지속가능한 삶의 문제다. 인류는 에너지와 자원을 이용해 생활을 편리하고 풍요롭게 만들어 왔지만, 그 과정에서 온실가스 배출과 자원 소비, 환경 오염이 늘면서 기후 변화와 자원 고갈 같은 문제도 커졌다. 지속가능한 삶이란 지금 세대가 필요한 것을 누리면서도 미래 세대가 필요한 것을 누릴 가능성을 해치지 않는 삶을 말한다. 환경을 지키는 일만이 아니라 사람들의 생활과 경제가 함께 유지되는 것까지 포함한다.
과학기술은 이 문제에서 두 가지 얼굴을 가진다. 문제가 커지는 데 과학기술의 쓰임이 관여했지만, 문제를 알아내고 줄이는 데도 과학기술이 필요하다. 기온과 대기 성분을 오랫동안 측정해 기후가 어떻게 변하는지 알아내는 것도, 태양광이나 풍력 같은 재생 에너지와 에너지를 덜 쓰는 기기를 개발하는 것도 과학기술이다. 그렇다고 기술만으로 해결되는 것은 아니다. 좋은 기술이 개발되어도 사람들이 실제로 쓰지 않거나 필요한 제도가 마련되지 않으면 기대한 효과를 충분히 내기 어려울 수 있다.
그래서 실천은 개인과 사회 두 차원에서 함께 이루어져야 한다. 개인은 쓰지 않는 전기 기구의 전원을 끄고, 물건을 오래 쓰고 분리배출하며, 가까운 거리는 걷거나 대중교통을 이용할 수 있다. 사회는 재생 에너지 설비를 늘리고, 자원을 다시 쓰는 체계를 갖추고, 기기의 에너지 효율 기준을 정하는 등의 방법을 쓸 수 있다. 한 사람의 실천이 미치는 영향은 작을 수 있지만, 많은 사람이 함께 실천하면 그 영향이 커질 수 있고, 개인의 선택은 사회의 생산과 소비 방식에도 영향을 줄 수 있다.
실천 방안을 고를 때도 과학적 탐구의 방법이 쓰인다. 좋아 보이는 방법이 실제로 효과가 있는지 자료로 비교하고, 실천한 뒤에는 에너지 사용량 같은 결과를 측정해 확인하며, 효과가 작으면 방법을 고친다. 앞에서 배운 가설과 검증, 자료 해석이 여기서도 그대로 쓰인다. 어떤 방안이 더 나은지는 사람마다 의견이 다를 수 있다. 그럴 때는 근거로 든 자료가 정확한지, 그 근거가 주장과 이어지는지를 기준으로 따져 본다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과01-01]과학적 탐구 방법을 이해하고, 일상생활의 문제에 대한 과학적 해결 방안을 제안할 수 있다.
자주 하는 착각
탐구의 과정
- 과학적 탐구를 실험하는 일과 같은 것으로 본다. 탐구 하면 실험 장면이 떠오르기 때문이다. 실험은 탐구 방법의 하나일 뿐이다. 천체나 지층처럼 실험할 수 없는 대상은 관찰과 조사로 탐구하며, 이 역시 과학적 탐구다.
- 탐구가 정해진 순서를 그대로 따라야 하는 것으로 본다. 교과서에 단계가 번호로 제시되기 때문이다. 문제 인식, 가설 설정, 탐구 설계와 수행, 자료 해석, 결론 도출은 일반적인 흐름이지만 실제로는 앞 단계로 되돌아가기도 한다.
- 가설을 무엇이 일어날지에 대한 짐작으로만 본다. 예상과 같은 말로 쓰이기 때문이다. 가설은 관찰이나 자료를 통해 타당한지 검토할 수 있는 형태여야 한다. 확인할 방법이 없는 문장은 가설이 될 수 없다.
- 가설이 틀리면 탐구가 실패한 것이라고 본다. 맞히는 것이 목표라고 생각하기 때문이다. 가설이 지지되지 않는 것도 의미 있는 결과다. 그 결과를 바탕으로 가설을 수정해 다시 탐구할 수 있다.
변인 통제와 탐구 설계
- 결과에 영향을 줄 수 있는 조건을 여러 개 한꺼번에 바꾼다. 여러 조건을 바꾸면 결과가 뚜렷해질 것 같기 때문이다. 이런 실험에서는 알아보려는 요인만 다르게 하고 다른 조건은 가능한 한 같게 유지해야 한다. 여러 개를 바꾸면 차이가 무엇 때문인지 알 수 없다.
- 조작 변인과 종속 변인을 뒤바꿔 답한다. 두 변인이 함께 제시되기 때문이다. 실험하는 사람이 의도적으로 바꾸는 것이 조작 변인이고, 그에 따라 달라지는 결과가 종속 변인이다.
- 통제 변인을 실험과 무관한 조건으로 본다. 바꾸지 않는 조건이라 중요하지 않다고 생각하기 때문이다. 통제 변인은 결과에 영향을 줄 수 있어서 일부러 같게 유지하는 조건이다. 통제하지 않으면 결론의 근거가 무너진다.
- 대조군을 두는 이유를 설명하지 못한다. 실험군의 결과에만 집중하기 때문이다. 대조군은 실험군과 견주어 조작한 요인의 영향을 판단하게 해 주는 비교 기준이다. 적절한 비교 대상이 없으면 나타난 변화가 그 요인 때문인지 판단하기 어렵다.
- 자료가 많으면 결론이 저절로 나온다고 본다. 데이터가 곧 답이라고 생각하기 때문이다. 자료는 해석해야 의미가 된다. 자료의 성격에 맞게 표나 그래프로 정리하고 거기에 나타난 경향이나 관계를 읽어 내는 과정이 필요하다.
과학기술의 영향
- 과학기술의 발전이 좋은 결과만 가져온다고 본다. 생활이 편리해진 면이 먼저 보이기 때문이다. 같은 기술이 이로운 쪽과 해로운 쪽에 모두 쓰일 수 있다. 영향을 판단할 때는 양면을 함께 보아야 한다.
- 과학과 기술을 같은 말로 쓴다. 붙여서 쓰는 일이 많기 때문이다. 과학은 자연 현상을 이해하려는 활동이고, 기술은 그 지식을 활용해 문제를 해결하는 활동이다. 서로 영향을 주고받지만 목적이 다르다.
지속가능한 삶과 과학기술
- 지속가능한 삶을 자원을 아껴 쓰는 일로만 본다. 절약을 강조하는 활동이 익숙하기 때문이다. 지속가능한 삶은 지금 세대가 필요한 것을 누리면서도 미래 세대가 필요한 것을 누릴 가능성을 해치지 않는 삶이다. 환경뿐 아니라 사람들의 생활과 경제가 함께 유지되는 것까지 포함한다.
- 환경 문제를 일으켰으니 과학기술을 멀리해야 한다고 보거나, 반대로 사람들의 행동이 바뀌지 않아도 기술이 환경 문제를 모두 해결해 줄 것이라고 본다. 과학기술을 문제의 원인이나 해결책 한쪽으로만 떠올리기 때문이다. 과학기술의 쓰임이 문제를 키우는 데 관여했지만, 문제를 알아내고 줄이는 데도 과학기술이 필요하다. 다만 좋은 기술이 개발되어도 사람들이 실제로 쓰지 않거나 필요한 제도가 마련되지 않으면 기대한 효과를 충분히 내기 어려울 수 있다.
- 개인의 실천은 너무 작아서 의미가 없다고 본다. 한 사람의 영향이 작아 보이기 때문이다. 많은 사람이 함께 실천하면 그 영향이 커질 수 있고, 개인의 선택은 사회의 생산과 소비 방식에도 영향을 줄 수 있다. 개인 차원과 사회 차원의 실천이 함께 필요하다.
- 실천 방안을 좋아 보이는 것으로 고르고 효과는 따져 보지 않는다. 의도가 좋으면 결과도 좋을 것이라고 생각하기 때문이다. 방안의 효과는 자료로 비교하고, 실천한 뒤에는 결과를 측정해 확인해야 한다. 앞에서 배운 가설과 검증, 자료 해석이 여기서도 쓰인다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
과학적 탐구는 실험을 통해 이루어지는 활동이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
탐구라고 하면 실험실에서 실험하는 장면이 자연스럽게 떠오르기 때문에, 탐구와 실험을 같은 것으로 생각하기 쉬워요. 실제로는 실험은 여러 탐구 방법 중 하나일 뿐이에요. 천체나 지층처럼 직접 실험하기 어려운 대상은 관찰이나 조사로 탐구하는데, 이것도 엄연한 과학적 탐구예요.
과학적 탐구는 일반적인 흐름이 있지만 필요에 따라 앞 단계로 되돌아가기도 한다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
교과서에서 탐구 단계가 번호로 제시되다 보니 그 순서를 반드시 지켜야 하는 고정된 절차로 받아들이기 쉬워요. 실제로는 문제 인식, 가설 설정, 탐구 설계와 수행, 자료 해석, 결론 도출이 일반적인 흐름을 이루지만, 탐구 중간에 예상치 못한 결과가 나오면 가설을 다시 설정하거나 탐구를 새로 설계하는 것처럼 앞 단계로 되돌아가는 일이 흔히 일어나요.
가설은 앞으로 무엇이 일어날지에 대한 짐작을 표현한 문장이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
가설과 예상이 비슷한 말처럼 쓰이는 경우가 많아서, 가설을 단순한 짐작이나 예상과 같은 것으로 받아들이기 쉬워요. 실제로는 가설은 단순한 짐작과 달리, 관찰이나 자료를 통해 맞는지 틀린지를 검토할 수 있는 형태여야 해요. 확인할 방법이 없는 문장은 아무리 그럴듯하게 들려도 가설로 볼 수 없어요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반