체험과학 속 과학적 방법
Happy LAB 서문
체험과학을 처음 준비하고 시작할 때 우리가 운영하는 체험과학은 교육의 일부였습니다. 교육의 틀에서 운영되는 체험과학에서 질문의 답은 정해져 있었습니다.
교육은 일반화된 이론을 중심으로 학습합니다. 지시약 실험에서는 산-염기를 이야기했습니다. 에어로켓 실험에서 작용-반작용 이야기 하고 페이퍼 글라이더 실험에서 베르누이 원리를 이야기 했습니다. 팽이를 이용한 실험에서는 원심력과 구심력을 이야기했습니다.
교육의 틀에서 체험과학은 과학교육이었고 실험은 활동의 목적에서 벗어난 일반화된 된 이론과 법칙을 이야기 하기 위한 도구였습니다. 반면에 체험과학에 참가하는 아이들은 보이지 않는 이론에는 관심이 없었고, 스스로 보이는 법칙들을 찾아내어 능동적으로 지식을 흡수하고 그 지식을 확장시키고 싶어 했습니다.
과학자의 입장에서 나는 과학을 이야기 하고 있는 것인가?
아이들은 과학을 경험하고 있는가?
나에게 질문이 생겼고 해결해야 했습니다. 과학을 이야기 할수 있고 과학을 경험하게 해 줄수 있는 체험과학, 보이는 과학을 만들어 주어야 했습니다.
과학적 방법은 질문을 해결하는 과정에서 다양한 영역의 특성이 반영되어야 하므로 하나로 정형화하기에는 무리가 있습니다.
그러나 질문을 해결하기 위해 자료조사를 진행하고, 실험을 통하여 법칙(Law)을 찾아내고, 법칙을 설명하기 위한 가설을 세우고, 가설을 검증하여 이론(Theory)을 일반화시키는 요소는 동일하게 적용됩니다.
과학적 방법체험과학은 이학이나 공학 영역의 콘텐츠가 주로 사용됩니다. 이학이나 공학에서 과학자들은 질문이 생기면 자료조사를 통하여 실험을 설계하고 진행하여 재현성 있는 법칙을 찾아냅니다.
실험을 통하여 법칙을 찾아내던 과학자들은 법칙들을 설명할 수 있는 이론을 만들고 싶어 합니다. 자료조사와 실험을 통한 법칙의 발견은 매우 어려운 과정이기 때문에 이론이 만들어 지면 앞으로 생길 수 있는 질문을 해결하기 위해 찾아내야 하는 법칙의 발견을 좀더 쉽게 할 수도 있기 때문입니다.
이론을 만들어 내기 위하여 과학자들은 가설을 세우고 검증을 위한 실험을 진행합니다. 법칙을 찾아내기 위한 실험은 실험결과의 분석을 통하여 진행되지만 검증을 위한 실험은 가설로 만들어진 법칙에 맞는 실험 결과가 나와야 한다는 차이점이 있습니다.
검증이 이루어지면 발견된 법칙들과 설명할 수 있는 이론은 일반화가 되어 후대에게 경험을 전달하기 위한 교육의 주요 도구가 됩니다.
경험의 깊이는 낮더라도 넓은 스펙트럼의 영역을 다루어야 하는 체험과학 프로그램에서 질문을 던지고, 자료조사를 진행하고, 실험을 통하여 법칙을 찾아내고, 가설과 검증을 통하여 이론을 일반화시키는 모든 과정을 포함시키는 것은 불가능합니다.
자연과학의 한 분야인 화학에서 다루는 일반화학과 일반화학실험은 같은 과목처럼 보이지만 배우는 내용에 차이가 있습니다. 일반화학실험은 질문-자료조사-실험을 통해 법칙을 찾는 과정의 반복학습입니다. 학생들은 반복학습을 통해 도구를 다루는 기술, 측정, 재현성, 기록, 실험실 안전을 몸에 익힙니다. 일반화학은 일반화된 법칙-가설-검증-이론을 중심으로 배웁니다. 일반화학실험이 과학적 방법에서 가장 중요한 실험에 대한 요소를 반복적인 연습으로 몸에 익히는 과정이라면 일반화학은 과학적 방법을 통하여 일반화된 지식을 이해하고 축적하는 과정인 것입니다.
일반화학실험에서는 이론의 언급을 지양하고 법칙을 중심으로 설명합니다. 실험에 참가한 학생들이 도구를 다루는 기술, 측정, 재현성, 기록, 실험실 안전을 몸에 익힐수 있게 반복학습을 진행하고 기록의 고찰을 통하여 법칙을 찾을 수 있게 지도합니다.
체험과학은 과학적 방법의 요소 중 실험의 영역입니다. 따라서 체험과학은 이론의 언급을 지양하고 법칙을 중심으로 하는 실험의 범위에서 설계하고 실험실 바깥 운영(OUT LAB) 특성을 고려하여 재현성 있는 현상이 참가자의 눈 높이와 주어진 환경에서 관찰 가능한 콘텐츠로 운영되어야 합니다.
재현성 있는 현상을 참가자가 관찰할 수 있는 보이는 과학
법칙이 되는 재현성 있는 현상을 참가자가 관찰할 수 있는 보이는 과학을 설계하고 운영해야 된다는 뜻입니다.
보이는 과학을 설계할 때 이론의 언급은 지양해야 합니다. 하나의 실험에서 보여주는 법칙만을 설명하는 이론은 없습니다. 단편적인 하나의 실험에서 이론을 설명하면 참가자에게 이론은 암호가 되고 보이지 않는 과학이 되어 질문의 확장을 방해합니다. 또한 가설을 세우고 실험을 통한 검증을 진행하고 이론을 완성하는 과정은 많은 경험의 축적과 전문지식이 필요합니다. 경험과 전문지식이 부족한 체험과학에 가설, 검증, 이론을 포함시키면 암호가 되고 보이지 않는 과학이 됩니다.
재현성 있는 현상을 참가자가 관찰할 수 있는 보이는 과학은 기록과 산출물이 법칙이 되고 체험과학의 목적인 질문의 확장이 자연스럽게 이어지도록 합니다.
체험과학 속 과학적 방법오늘은 어떤 경험이 나를 즐겁게 해줄까?
체험과학에서 질문은 즐거운 체험에 대한 기대감으로 이미 특정되어 있습니다. 자료조사는 운영자의 정보제공으로 대체가능합니다. 실험은 측정, 재현성, 기록, 실험실 안전을 반복학습할 수 있게 설계가 가능합니다. 법칙은 기록과 산출물 그 자체가 법칙이 될 수 있습니다.
기대감 :
체험과학 참가자들은 "오늘은 어떤 실험이 나를 즐겁고 행복하게 해줄까?"에 대한 기대감을 가지고 있다. 질문이 이미 특정되어 있으며 동기유발은 보이는 과학, 즐거운 과학, 행복한 과학에 대한 기대감으로 충분하다.
정보제공 :
자료조사는 진행하는 사람의 정보제공으로 대체된다. 진행할 실험에 대한 간단한 소개, 조작 방법, 실험실 안전을 중심으로 정보를 제공한다.
실험 중 발견하게 될 현상은 실험실 안전과 관련이 있거나 세심한 관찰이 아니면 발견이 어려운 경우에만 제공하여 참가자 스스로 발견하도록 진행하는 것이 효과적이다.
실험 :
과학교육에 필요한 법칙과 이론을 찾아가는 과정. 즉, 과학적 방법을 이용해 질문을 해결하는 과정이 과학입니다. 과학적 방법을 구성하는 요소 중 실험은 측정, 재현성, 기록, 실험실 안전 등의 요소가 숙련되었을 때 설계와 실행이 가능합니다. 실험에 필요한 이러한 요소들은 즐거운 경험을 방해하지 않고 자연스러운 반복학습을 통하여 자연스럽게 몸에 익힐 수 있는 장점이 있습니다.
실험체험과학에서 실험은 측정과 관찰, Drop&Drop(기술의 숙달, 재현성), 기록, 실험실 안전으로 구성되며 단순한 규칙과 자연스러운 반복이라는 경험을 통하여 습관화 시킬 수 있습니다.
※ Drop&Drop은 분석화학실험 첫 시간에 진행하는 실험 기구의 정밀성 관찰 및 실험자의 재현성 훈련 프로그램으로 이를 확장하여 체험과학의 설계에 적용하였다.
측정과 관찰 : 측정은 참가자의 혼선을 피하기 위해 디지털 측정기구를 사용하는 것이 좋으며 아날로그 측정기구를 사용하는 경우 가늠법과 유효숫자에 대한 학습이 필요합니다. 관찰은 일반적이지 않은 현상을 참가자 스스로 발견하도록 진행하는 것이 필요하며 세심한 관찰이 아니면 발견이 어려운 경우에만 시연이나 사전 정보제공을 하는 것이 좋습니다.
Drop&Drop : Drop&Drop은 일회성 프로그램의 경우 정밀한 기구를 사용하거나 Kit를 미리 제작하여 사용하는 것이 좋으며 다차시 프로그램의 경우 실험안에 학습을 포함시켜 운영이 가능합니다.
기록 : 일회성 프로그램의 경우 기록은 산출물로 대체하는 것이 좋으며 다차시 프로그램의 경우 스케치나 사진 등을 포함하는 경험한 사실의 기록을 중심으로 지도하고 제공한 정보에 실험실 안전이 포함되어 있다면 반드시 기록하도록 지도합니다. 참가자가 발견한 현상이나 법칙이 있다면 참가자의 눈높이에 맞는 언어를 이용하여 결과로 기록하도록 지도하고 느낀점이나 일반화된 지식 등을 포함하는 고찰의 기록은 지양하도록 한니다.
실험실안전 : 위험을 뜻하는 영어 단어인 hazard와 danger 사이에는 큰 차이가 있습니다. danger는 어떤 조건에 맞지 않을 경우 사고가 발생할 수 있다는 뜻이고, hazard는 어떤 조건이 위험의 가능성은 있으나 적절히 처리하면 사고가 발생하지 않는다는 뜻입니다. 실험은 많은 hazard를 포함하고 있다고 하는 것이 적절합니다. 체험과학에서 실험실 안전에 대한 정보는 실험이 진행되는 동안 반복적으로 제공되어야 하며 필요하다면 행동의 제한이 필요하고 위험의 정도에 비례하여 행동의 제한이 커져야 합니다.
법칙과 질문의 확장 :
보이는 과학으로 운영된 체험과학의 기록과 산출물은 재현성과 객관성을 충족시킵니다. 기록과 산출물 그 자체가 재현성과 객관성의 조건을 충족하는 법칙이 되는 것입니다.
참가자의 눈높이에서 능동적으로 흡수한 지식은 자연스런 질문의 확장을 가져옵니다. 질문의 확장이 과학에만 국한될 필요는 없습니다. 또한 질문의 확장을 억지로 유도하거나 강요해서도 안됩니다.
참가자가 흡수한 지식에 대한 질문의 확장은 체험과학 참가 직후 진행 될 수도 있고 시간이 지난 후 생활, 예술, 경진대회 등 참가자가 필요한 순간에 자연스럽게 진행됩니다.
유도나 강요 없이 참가자 스스로의 의지에 의해 확장된 질문은 체험과학 참가를 통하여 몸에 습관화된 과학적 방법으로 질문을 해결하는 시작이 됩니다.
보이는 과학(IN LAB)
즐거운 과학(OUT LAB)
행복한 과학(happy LAB)
지시약 실험은 좀 더 다양한 색을 만들고 싶어하는 아이들의 질문에 답하기 위하여 기존 페놀프랕레인에 티몰블루, 메틸레드 등 지시약을 추가하여 관찰하고 기록하는 과정을 중심으로 설계하고, 만능지시약과 적채 및 장미를 이용한 지시약 페이퍼를 만들고 이를 이용하여 결과를 기록하고 응용할 할수 있는 콘텐츠로 재설계 했습니다.
지시약의 색변화를 만드는 물질을 가루비누용액, 간수, 레몬즙, 식초, 유한락스, 식소다 등 다양하게 준비하여 다양한 물질이 섞이지 않도록 하고 유한락스 등 주위가 필요한 물질을 다루는 방법을 포함시켜 Drop&Drop과 실험실 안전을 경험하고 몸에 익힐 수 있도록 운영하였습니다.
에어로켓 실험은 로켓을 더 멀리 날리고 싶어한는 아이들의 질문에 답하기 위해 안정익의 역할, 무게중심과 공력중심의 이동에 따른 로켓의 비행안정성을 관찰할 수 있도록 재설계했습니다.
Kite(연)
종이비행기페이퍼글라이더를 좀 더 오래 날게 하고 싶어하는 아이들의 질문에 답하기 위해 작용-반작용법칙에 의한 양력의 생성과 글라이더에서 무게중심과 공력중심의 이동에 따른 글라이더의 비행을 관찰할 수 있는 종이비행기와 Kite(연)을 콘텐츠로 추가하여 프로그램을 재설계 했습니다.
팽이를 이용한 실험은 회전속도와 무게에 따라 팽이가 자세를 유지하려는 힘이 변하는 현상과 무거운 원판을 가지고 있는 팽이가 고속회전할 때 자세를 유지하려는 힘을 직접 경험할 수 있는 무거운 원판을 가지고 있는 자석팽이와 완구형 자이로스코프를 이용한 실험으로 프로그램을 재설계 했습니다.
보이는 과학(IN LAB) : 무엇을 보여 줄 것인가
즐거운 과학(OUT LAN) : 어떻게 운영할 것인가
보이는 과학(IN LAB)의 콘텐츠로 구성된 즐거운 과학(OUT LAB) 프로그램은 체험과학에 참가하는 아이들의 질문에 답하기 위해 그렇게 시작되었고 설게하는 사람, 운영하는 사람, 참가하는 사람 모두 행복한 과학(happy LAB)이 되었습니다.
시간이 지나면서 같이 하는 교사들이 많아 졌고 체험과학교실의 콘텐츠들을 과학교육으로 완성시키는 것은 교육학을 전공한 교사에게 맡기기로 하고 과학자인 나는 보이는 과학을 설계하고 보완하기 위해 노력했습니다.
