과학 탐구 과정(과학 원리의 발견 과정과 제품의 발명 과정)

1. 과학 탐구

지식(知識, knowledge, 노하우, know-how)이란 모르는 것(미지, 未知)을 알아내어 이를 축적한 것이다. 모르는 것(미지)의 대상은 사실일 수도 있고 숫자(미지수, 未知數) 일 수도 있고 관계를 나타내는 것일 수도 있으며 과정이나 방법일 수도 있다.
모르는 것(미지, 未知)을 알아내는 것을 탐구라고 한다.
과학적 탐구는 논리학과 수학에서 먼저 발전되어 온 논리를 이용한다. 논리에는 크게 귀납법과 연역법이 있다. 과학에서 귀납적 탐구 방법은 여러 가지 관찰 결과를 증거로 나열하고 그 증거를 종합하여 결론을 도출한다. 다윈의 진화론도 이러한 귀납적 탐구 방법으로 이루어졌다.
연역적 탐구 방법은 결론을 제시하고 증거를 찾아 결론을 증명하는 것이므로 임시 결론인 가설을 설정한 후에 실험을 실시하여 이를 확인한다.  과학적 탐구에서 연역적 탐구 방법은 귀납적 탐구 방법과 비교할 때 임시 결론인 가설을 설정하는 단계가 있다는 것이 다르다.

2. 과학적 탐구 과정 

연역법에 의한 과학적 탐구과정의 예를 들어보면 다음과 같다.
 관찰, 문제 발견, 가설 설정, 검증실험, 자료 정리 및 자료변환, 결론, 일반화

가. 관찰

왜(why)라는 생각을 가지고 감각기관(도구를 이용)으로 대상을 관찰하여 정보를 얻거나 연구 중에 새로운 현상을 관찰하여 정보를 얻는다.  의문점을 탐색하는 수단으로 귀납적 탐구 방법을 이용한다.
1) 정성적 관찰 : 대상에서 구성이나 성질을 관찰
2) 정량적 관찰 : 대상에서 양적 관계를 관찰

나. 문제 발견

단순한 관찰이나 실험 중의 관찰로 기존의 지식과 다른 새로운 문제를 인식한다.

다. 가설 설정

발견된 문제에 대하여 알고 있는 지식으로 임시적 결론을 내리는 것이다.(독립변인 중의 조작 변인과 종속 변인 관계로 서술한다.)
예) 빛의 세기(조작 변인)가 강해지면 광합성량(종속 변인)이 증가할 것이다.

*예상(내삽법, 외삽법)
* 내삽법(內揷法, 보간법, 補間法, interpolation) : 몇 개의 점에 주어진 함숫값을 기초로 그 점들 사이의 함숫값을 구하는 근사 계산법

실험한 결과의 데이터가 조작 변인 x=1, 2, 3, 4 일 때 종속 변인 y= 2, 4, 6, 8이라면 x=2.5일 때 y=? y=5가 될 것이라고 예상함

*외삽법(外揷法, 보외법, 補外法, extrapolation) : 함숫값이 변수가 있는 영역 내에서만 알려져 있을 때에 영역 밖에서의 값을 추정하는 방법

실험한 결과의 데이터가 조작 변인 x=1, 2, 3, 4일 때 종속 변인 y= 2, 4, 6, 8이라면 x=6일 때 y=? y=12가 될 것이라고 예상함

라. 검증 실험(변인 통제)

가설을 입증하는 연역적 탐구실험을 한다.
예) 대조 실험(對照實驗, control experiment, 대조군과 실험군의 비교)
 프란체스코 레디(Francesco Redi, 1621~1697, 이탈리아)가 최초로 대조 실험 방법을 사용하였다.
  실험 장치를 여러 개를 준비하여 한 개는 실험에 영향을 주는 요인(독립변인)을 자연 상태(wild type)와 같이 그대로 유지하게 하는데 이것을 대조군이라 하며 실험의 기준이 된다. 다른 실험장치에는 실험에 영향을 주는 요인(독립변인) 중 하나씩 대조군과 다르게 하고(조작 변인) 남어지 다른 독립변인(통제 변인)은 동일(적정한 일정값)하게 하여(변인통제) 실험을 하는 것으로 실험군이라 한다. 각 실험장치의 결과를 종속 변인이라 하는데 어느 조작 변인에 의해 결과(종속 변인)가 어떻게 변했는지를 알아내는 실험이다.

*레디의 생물 속생설(생명 속생설) 대조 실험
프란체스코 레디(Francesco Redi, 1621 ~ 1697, 이탈리아)는 썩은 생선에서 생기는 구더기는 파리의 알로부터 생길 것이다(생선에 생기는 구더기는 생선에 파리알이 들어갔을 때 생길 것이다.)라는 가설을 세우고 실험을 실시하였다.
 레디는 3종류의 생선 도막을 1가지씩 넣은 3개의 플라스크를 2세트 준비하여 가열한 다음 1세트는 마개를 연 채로 두고(대조군), 1세트는 얇은 천으로 막았다(실험군). 이 외의 기구, 고기, 장소, 온도 등 다른 조건들(통제 변인)은 같게 하였다(변인통제).
얼마 후 마개가 열린 플라스크에는 구더기가 생겼는데 얇은 천으로 막은 쪽에는 구더기가 생기지 않았다(결과).
생선에 생기는 구더기는 생선에 파리알이 들어갔을 때 생긴다(결론).
 얇은 천위에서 파리의 알을 발견하고는 얇은 천이 파리 알이 유입되는 것을 막아 파리가 생기지 않았고 얇은 천을 가리지 않은 쪽은 파리 알이 유입되어 파리가 발생하였다고 해석하여 썩은 생선에서 생기는 구더기는 파리의 알로부터 생겼다는 결론을 내리게 되었다.

* 변인(變因, variable)
변화될 수 있는 모든 인자를 변인이라 하며 원인이 되는 변인을 변화시킴에 따라 이에 대응하여 나타나는 결과 변인 간의 관계를 찾아낸다.

(가) 독립 변인(獨立變因, independent variable) : 종속 변인을 변화시키는 원인으로 작용하는 변인이며  조작 변인과 통제 변인이 있다.

(1) 조작 변인(x, 造作變因, manipulated variables) : 독립변인 중 하나의 변인으로 종속 변인에 어떻게 작용하는가를 알아보기 위해 의도적으로 변화시키는 하나의 변인이다.

(2) 통제 변인(統制變因, control variable) : 여러 독립 변인 중 조작 변인을 제외하고 적정한 양으로 일정하게 유지해야 하는 나머지 변인들이다.

(나) 종속 변인(y, 從屬變因, dependent variable) : 조작 변인의 변화에 따라 결과로 나타나는, 조작 변인의 영향을 받아 따라 변하는 변인이다.

(다) 변인 통제(變因統制, control of variable) : 조작 변인과 종속 변인의 관계에 영향을 줄 수 있는 나머지 통제 변인들을 적정한 양으로 일정하게 유지(통제)하는 일이다.

예를 들어 빛의 세기가 광합성량에 미치는 영향을 알아보는 실험이라면 빛의 세기가 독립변인 중 조작 변인이고 광합성량이 종속 변인이다. 그런데 빛의 세기뿐만 아니라 온도, 이산화탄소 농도 등도 광합성량에 영향을 미치므로 독립변인이다.
빛의 세기에 따른 광합성량을 알아보기 위해 빛의 세기를 달리하여 광합성량을 측정할 때 온도, 이산화탄소 농도 등도 같이 변화되었다면 빛의 세기 변화 때문에 광합성량이 달라졌는지 온도, 이산화탄소 농도의 변화 때문에 광합성량이 달라졌는지 알 수 없다. 그래서 빛의 세기만 변화시키고 나머지 독립변인인 온도는 적정한 온도로 일정하게 하고, 이산화탄소 농도 등도 적정 농도로 일정하게 유지해야 한다. 이때 독립변인 중에서 조작 변인인 빛의 세기를 제외한 독립변인인 온도, 이산화탄소 농도 등을 통제 변인이라 하고 실험할 때 이들 통제 변인을 적정한 양으로 일정하게 유지하는 것을 변인 통제라 한다.

마. 실험 결과(자료해석)

1) 자료 정리
유효수로 실험 데이터를 정리한다.
예) mm단위의 자로 측정한다면 mm 소수점 첫째 자리까지 여러 번 측정하여 데이터를 얻었다면 측정값을 합산하여 평균하였을 때 소수점 둘째 자리에서 반올림하여 소수점 첫째 자리까지 mm단위로 평균값을 표기한다.

2) 자료 변환
실험 데이터를 표로 정리하거나 그래프로 만들어 쉽게 해석할 수 있도록 한다.
그래프에서는 원인이 되는 조작 변인은 가로의 x축, 그에 따른 결과로 나타나는 종속 변인은 세로의 y축으로 나타낸다.
자료를 그래프로 그리는 목적은 x와 y의 관계를 한눈에 쉽게 파악할 수 있기 때문이다.

바. 결론

실험 결과 및 자료를 해석하여 결론을 내린다. 예를 들어 도표로 나타낸 그래프가 y=2x로 해석되었다면 조작 변인 2배에 비례하여 종속 변인은 증가된다고 결론을 내리는 것이다.
결론이 가설과 일치하면 논문으로 발표한다.
결론이 가설과 일치하지 않으면 실험의 결론을 이용한 새로운 가설을 세워 다시 실험을 한다.

사. 일반화
실험 결과를 논문으로 발표하였을 때 같은 분야의 수많은 연구자들이 실험하여 옳다고 확인하여 전폭적인 지지를 하면 이론으론 확립되는 것이다.

3. 미지수 기호(the symbol for an unknown)

수학에서 모르는 숫자를 나타내기 위한 변수로 기호를 먼저 사용하였다. 기호를 사용함으로써 표기가 간단해져 서술이 편리하기 때문이다. 옳음과 틀림(참과 거짓) 관계를 나타내는 등식인 방정식에 미지수( 未知數)를 포함하였던 것이다. 방정식에 쓰이는 미지수에는 항상 일정한 값을 가지는 상수와 여러 가지 값으로 변화시켜 쓸 수 있는 변수가 있다. 그런데 초기에는 미지수를 나타내는 기호를 사용하는 사람의 마음대로 아무것이나 사용하였다.
그러다가 16세기말, 프랑스의 수학자 프랑수아 비에트(François Viète, 1540 ~ 1603)가 처음으로 미지수에는 모음 문자를 사용하였고, 상수에는 자음 문자를 사용했다.
이어서 1637년, 르네 데카르트(René Descartes, 1596 ~ 1650)는 미지수를 x, y, z, w 등 알파벳의 마지막 문자들로, 상수를 a, b, c 등 알파벳의 시작 문자들로 표기하였는데 이 표기법이 현대까지 이어져 사용되고 있다(미지수의 기호로 x를 처음 사용한 것은 아랍인이라고 말하는 사람도 있다.).
 미지수 표기는 이것들만 사용되는 것이 아니고 시간일 경우엔 t(time), 길이는  l(length), 너비는 w(width), 높이는 h(height), 거리는 d(distance), 각도는 θ, 반지름은 r(radius) 등으로 사용되고 미분방정식에서는 △, ▽, d, ∂ 등이 사용되고 있다.
데카르트의 미지수 표기 이후로 모르는 것이나 새로운 것이 발견되면 미지의 것이란 의미로 X라는 기호로 표기했다. X-ray, X염색체, Y염색체 등이 그 예이다.

4. 변수와 변인(variable)

수학에서 변수(variable)라는 이름은 독립변수(x)의 값이 변화함에 따라 이에 대응하는 종속변수(y)의 값도 따라서 변화하는(varies) 데에서 유래되었다.
과학에서는 변하는 것이 숫자가 아니고 요인이므로 변인이라 한다. 독립 변인 (independent variable)은 원인으로 작용하거나 영향을 주는 변인으로 조작 변인과 통제변인이 있다.
조작 변인(x, 造作變因, manipulated variables)은 어떻게 원인으로 작용하는가를 알아보기 위해 의도적으로 변화시키는 하나의 변인이다.
통제변인(統制變因, control variable)은 여러 독립 변인 중 조작변인을 제외하고 일정하게 유지해야 하는 나머지 변인들이다. 통제변인을 일정하게 함으로써 이들 통제변인의 영향을 제한하고 조작변인과 종속변인과의 관계만을 나타낼 수 있는 것이다.
종속 변인(y, 從屬變因, dependent variable)은 조작 변인의 변화에 따라 결과로 나타나는, 조작 변인의 영향을 받는 변인이다.
수학에서 보통 등식으로 나타낼 때 종속변수는 좌변에 홀로 놓고 나머지 독립변수들이나 상수는 우변에 놓는다.
그래프를 그릴 때 독립변수(x)는 x축, 종속변수(y)는 y축으로 한다.
그런데 수학에서는 독립변수(x)와 종속변수(y)의 구별이 어렵다.
예를 들어 y=2x라는 등식이 있다고 가정하면 y는 종속변수, x는 독립변수이다.
이식을 x=1/2y로 변환할 수 있다.
이때 x값이 독립변수인지 종속변수인지 겉으로는 알 수가 없다. 단지 x값을 독립변수로 나타내기로 약속했기 때문에 독립변수라 할 뿐이다.
그러나 과학에서는 실제 현상을 나타내는 것이므로 독립변인과 종속변인이 분명하게 구별된다. 예를 들어 '빛의 세기(조작변인, x)가 강해지면 광합성량(종속변인, y)이 증가한다'라고 하자. 이것은 빛의 세기가 광합성량에 영향을 주는 독립변인 중의 조작변인이며  광합성량은 빛의 세기에 영향을 받는 종속변인이다. 이 관계를 광합성량을 독립변인(조작변인)으로 하고 빛의 세기를 종속변인으로 바꾼다면 '광합성량이 증가하면 빛이 강해진다'가 된다. 이것은 논리적으로 맞지 않는다는 것을 쉽게 알 수 있다.
조작변인과 종속변인 관계를 그래프로 그릴 때는 원인이 되는 조작변인은 가로의 x축, 그에 따른 결과로 나타나는 종속변인은 세로의 y축으로 나타낸다.

5. 발견과 발명

새로운 원리를 발견하거나 새로운 물건을 발명해 내는 능력을 창의력이라 한다. 과학 탐구 능력이 뛰어난 사람이 창의력이 높다고 할 수 있다. 창의력에는 새로운 원리를 발견하는 창의력과 원리를 이용하여 새로운 분야로 확장해 나가는 응용력이 있다. 어느 쪽이 더 중요하다고 말할 수 없지만 귀납적 방법을 주로 이용하여 새로운 원리를 발견하는 것이 확장성이 크고 이론적 의미가 크지만 순수과학에 가까워 경제적 효과가 서서히 나타난다. 반면에 주로 연역적 방법으로 발견된 원리를 이용하여 응용분야를 넓히면 경제적 효과를 즉시 볼 수 있는 경우가 많다.
발견과 발명을 하기 위해서는 탐구 능력 중에서도 가장 중요한 것은 관찰에 의한 문제인식 능력이 높아야 한다. 무엇을 할 것인지을 알아야 시작할 수 있기 때문이다. 관찰에 의한 문제인식 능력을 높이기 위해서는 엉뚱한 생각과 같은 확산적 사고가 필요하다. 그리고 어떤 분야에서 관찰에 의한 문제 인식을 하려면 그런 환경에 먼저 접해야 한다. 그런 환경에 접하지 않으면 관찰을 할 수 없기 때문이다.   그리고 IQ가 높거나 지식이 많다고 창의력이 더 높은 것도 아니며 발견과 발명을 잘할 수 있는 것도 아니다.
보통 이상의 IQ와 지식을 가졌다면 발견과 발명을 충분히 할 수 있다.
그것은 실제로 발견과 발명을 하기 위한 실험에는 창의력뿐만 아니라 한 우물을 끝까지 파는 집중력과 지구력이 있어야 하기 때문이다.
발견과 발명을 위한 실험은 시간의 제한을 받는 것도 아니며 혼자서 모든 것을 해야 하는 것도 아니다. 다른 사람의 도움을 받을 수도 있으며 실패를 해도 계속할 수 있는 것이다. 수많은 관련 책을 읽고 여러 전문가를 찾아 배워 계속 노력한다면 실패를 거듭할수록 점점 더 많은 가설과 독립변인(조작변인)에 대한 실험을 하게 될 것이므로 결국은 적합한 가설과 독립변인(조작변인)을 찾아 실험을 성공시킬 수 있을 것이기 때문이다.  여기에 더하여 실험을 빠르게 성공시키기 위한 적합한 가설과 독립변인(조작변인)을 선택하게 하는 수렴적 사고를 가졌다면 더욱 좋을 것이다.

과학 탐구 과정(과학 원리의 발견 과정과 제품의 발명 과정).hwp

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