화학 탐구에서 인과적 질문 전략이 가설 생성에 미치는 영향

Abstract

Hypotheses are significant for scientific inquiry as a gateway connecting causal questions and scientific explanations of surprising phenomena. In this dissertation, three studies identified perspectives on hypotheses in science education and investigated how the causal question strategy affects hypothesis generations, particularly from the scientific knowledge perspective and the developmental perspective. The first study qualitatively identified science teachers' perspectives on hypothesis and their conflict. As a result, teachers appeared to have three perspectives on hypothesis: scientific knowledge perspective, instrumental perspective, and developmental perspective. The scientific knowledge perspective is a view that has been taken primarily by existing hypothesis generation literature. In this viewpoint, hypotheses are regarded as a means of generating scientific knowledge. The instrumental perspective is a view that considers the instrumental influences of hypotheses on society. This viewpoint is a new one for hypothesis generation research in that it does not limit hypothesis generation activities to the narrow meaning of science as a scientific knowledge system but rather considers them from a broader perspective. Finally, the developmental perspective is a view that even invalid hypotheses are acceptable if they can help students' learning and development. Acceptable hypotheses from this viewpoint can help students understand the nature of science and improve their scientific thinking and abilities to generate scientific hypotheses. In this study, however, the teachers' instrumental perspective sometimes conflicted with their scientific knowledge perspective because there was doubt that students' invalid hypotheses could not be both scientifically and educationally meaningful. This study implies that discussions on the various perspectives of hypotheses need to be made in research on hypothesis generation education. Nevertheless, this study also implies that the scientific knowledge perspective needs to be pursued primarily in hypothesis generation research. The second study investigated how a treatment requesting a high level of justification for students' predictions, i.e., causal question strategy at a personal level, affects undergraduate students generation of valid hypotheses in a subsequent computer-based surface tension measurement experiment. Specifically, forty chemistry education students were divided into two groups of twenty students(A and B) and then individually justified their predictions for 10 minutes. At this stage, the group A students were asked to write up to two scientifically plausible reasons for their predictions, while group B was asked to write up to eight reasons. Afterward, they individually conducted a 30-minute computer-based surface tension measurement experiment. As a result, the group B students, who had been asked to justify their predictions more, generated significantly more valid hypotheses in the subsequent surface tension measurement experiment(p<.012). It seems that the causal question strategy promoted deliberate thinking, or abductive thinking, in the subsequent inquiry process. Existing learning models of hypothesis generation, which follow the perspective of scientific knowledge, have had a limitation in that they do not mention how tentative causes should be emphasized in the process of hypothesis generation. In this regard, the study implies that constant reflection on one's understanding needs to be accompanied to induce valid hypothesis generation more. The third study qualitatively investigated how the causal question strategy affects hypothesis generation in a context of open chemical inquiry by middle school science gifted students. In other words, it was investigated that what detailed causal questioning strategies exist in the interactive and practical context and what changes appear in hypothesis generation in the perspective of scientific knowledge. Also, what meaning the causal question strategy has was analyzed from the scientific knowledge perspective and the developmental perspective. As a result, it was found that detailed strategies in the interactive context include inducing stepwise logic, suggesting logical weakness, and emphasizing conceptual understanding. Each detailed strategy influenced students to generate new hypotheses, modify existing logic, and explore relevant information independently. Furthermore, the causal question strategy led to the following two changes over time from the scientific knowledge perspective. The first is that as the inquiry progressed, hypotheses created changed from observational ones to theoretical ones. Early in the inquiry, the students hypothesized randomly using visible variables, but as the teacher continued to emphasize causal questions, students sought to find more fundamental reasons. Eventually, later in the inquiry, they came up with theoretical hypotheses, including theoretical entities. The second change is that multiple independent hypotheses changed to complementary ones. Multiple independent hypotheses refer to several hypotheses proposed simultaneously but not relevant to each other. There were multiple independent observational hypotheses early in the inquiry because students randomly proposed hypotheses using visible variables. The characteristics of multiplicity and independence were also maintained when students later made theoretical hypotheses. However, as the teacher's causal question strategy continued to stimulate the weaknesses of multiple independent theoretical hypotheses, students eventually proposed a complementary hypothesis that is a fusion of existing hypotheses. This one was more valid in that it complemented the weaknesses of existing ones. Meanwhile, the strategy emphasizing causal questions in the open chemical inquiry did not only affect the hypothesis generation from the scientific knowledge perspective. This strategy was educational and developmental in that it motivated students to overcome limitations arising from their inquiry by themselves and to gradually pursue valid hypotheses based on the cause of the phenomenon. The causal question strategy was also valuable in that it kept the students focused on hypothesis generation activities based on intimate relationships between the teacher and the students, while Socratic dialogue sometimes destroys relationships by irritating the other person. Therefore, emphasizing causal questions in open chemical inquiry may be significant as a potential way to resolve the conflict between the scientific knowledge perspective and the developmental perspective. In this paper, it was found that there could be a variety of perspectives on hypothesis and that the causal question strategy facilitating the generation of scientific hypotheses could be meaningful not only from the scientific knowledge perspective but also from the developmental perspective. The results and discussions of this paper are thought to further guide students beyond the limits of the existing scientific knowledge perspective into practices of science and contribute to students establishing a mature perspective on scientific inquiry.

현상에 대한 잠정적 원인으로 정의되는 가설은 놀라운 현상에 대한 인과적 질문과 과학적 설명을 연결하는 관문으로서 과학탐구에 있어서 중요한 의미를 지닌다. 본 논문에서는 세 가지 연구를 통해 과학교육 맥락에서 가설에 대하여 어떤 관점이 있으며, 인과적 질문 전략이 특히 과학지식 관점과 발달적 관점에서 가설 생성에 어떤 영향을 미치는지를 확인하였다. 첫 번째 연구는 가설에 대한 과학교사들의 관점과 갈등을 질적으로 조사한 것이다. 연구 결과, 교사들은 가설에 대하여 과학지식 관점과 도구적 관점, 발달적 관점을 가지고 있었다. 과학지식 관점이란, 기존의 가설 생성 연구들에서 주로 취하던 관점으로, 이 관점에서 가설은 과학지식을 생성하기 위한 수단으로 여겨진다. 도구적 관점이란, 사회에 대한 가설의 도구적 영향력을 고려하는 관점이다. 이 관점은 가설 생성 활동을 과학지식 체계로서의 협의의 과학에 한정시키지 않고 좀 더 넓은 시각에서 가설 생성을 고민하게 만들 수 있다는 점에서 가설 생성 연구에 있어 새로운 관점이라고 할 수 있다. 마지막으로 발달적 관점은 타당하지 않은 가설조차 그 생성 과정에서 학생의 학습과 발달을 도울 수 있다면 수용할 수 있다는 관점이다. 이 관점에서 수용가능한 가설은 학생들의 과학적 사고 및 가설 생성 능력을 점진적으로 증진시키거나 혹은 과학의 본성을 체득시키는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 본 연구에서 교사들의 발달적 관점은 때때로 과학지식 관점과 충돌하곤 했는데, 왜냐하면 학생들이 세운 타당하지 않은 가설이 과학적으로는 물론 교육적으로도 의미가 있을 수 있는지 의심이 있었기 때문이었다. 본 연구의 결과는 가설 생성 교육에 관한 연구에서 가설의 다양한 관점에 대한 논의가 이뤄질 필요가 있으며, 그럼에도 불구하고 과학지식 관점이 기본적으로 가설 생성 연구에서 계속 추구될 필요가 있음을 시사한다. 두 번째 연구는 자신의 예상에 대하여 정당화 요구 수준을 높이는 처치, 즉 개인적 수준에서의 인과적 질문 전략이 이후 컴퓨터 기반 표면장력 측정 실험에서 대학생들의 가설 생성에 어떤 영향을 미치는지를 조사한 것이다. 구체적으로, 40명의 화학교육 전공 대학생들은 20명씩 두 집단(A집단과 B집단)으로 구분된 뒤 최대 10분 동안 개별적으로 자신들의 예상에 대하여 정당화 활동을 수행하는 시간을 가졌다. 이때, A집단 학생들은 예상에 대하여 과학적으로 그럴듯한 이유를 2개까지만 쓰도록 요청받았고, B집단은 8개까지 쓰도록 요청받았다. 이후, 학생들은 개별적으로 30분 동안 컴퓨터 기반 표면장력 측정 실험을 수행하였다. 연구 결과, 자신의 예상에 대하여 높은 수준의 정당화 요구를 받은 B집단 학생들이 이후 표면장력 측정 실험에서 타당한 가설을 유의미하게 더 많이 생성함이 확인되었다(p<.012). 이는 인과적 질문 전략이 이후 탐구 과정에서 숙고적 사고, 즉 귀추적 사고를 촉진하였기 때문으로 보인다. 과학지식 관점을 따르는 기존 가설 생성 수업 모형들이 현상에 대한 잠정적인 원인을 찾도록 요구하면서도 요구 수준 및 방법에 대해서는 언급하지 않았다는 한계가 있었는데, 본 연구의 결과는 이 과정에서 타당한 가설 생성을 유도하기 위해서는 자신의 이해에 대한 끊임없는 반성이 수반될 필요가 있다는 것을 시사한다는 점에서 의의가 있다. 세 번째 연구는 중학교 과학영재들의 화학 자유탐구 맥락에서 인과적 질문 전략이 가설 생성에 어떤 영향을 미치는지를 질적으로 조사한 것이다. 즉, 상호작용적이고 실제적인 맥락에서의 인과적 질문 전략에는 어떤 세부 전략이 있는지, 그리고 그러한 전략이 탐구가 진행됨에 과학지식 관점에서의 가설 생성에 어떤 변화를 야기하는지 조사하였다. 또한, 인과적 질문 전략이 과학지식 관점뿐만 아니라 학생의 발달적 관점에서 어떤 의미가 있는지도 분석되었다. 연구 결과, 상호작용적 맥락에서 인과적 질문 전략의 세부 전략에는 단계적 논리 유도하기, 논리의 허점 제시하기, 개념 이해 확인하기가 있었다. 각각의 세부 전략들은 학생들로 하여금 새로운 가설을 생성하게 하거나 기존의 논리를 수정하게 하고, 학생들로 하여금 관련된 정보를 스스로 탐색하도록 하는데 영향을 주었다. 또한, 인과적 질문 전략은 시간의 흐름에 따라 과학지식 관점에서 다음의 두 가지 변화를 가져왔다. 하나는 탐구가 진행될수록 생성되는 가설이 관찰적 가설에서 이론적 가설로 변화했다는 것이다. 탐구 초기에 학생들은 눈에 보이는 변인에 대하여 무작위적으로 가설을 세웠으나, 교사에 의해 인과적 질문이 계속 강조되자 학생들은 이에 더 근본적인 이유를 찾고자 했으며, 결국 탐구 후반부에 가서 이론적 용어가 핵심적으로 포함된 이론적 가설을 세우게 되었다. 다른 변화는 독립적인 복수 가설이 상호보완적인 가설로 변화했다는 것이다. 탐구 초반에 학생들은 눈에 보이는 변인들을 사용하여 가설들을 마구잡이로 생성했기 때문에, 서로 관련성이 떨어지는 복수의 관찰적 가설들이 존재했다. 그리고 독립적이고 복수적인 특징은 탐구 중후반부에 학생들이 이론적 가설들을 세울 때도 유지되었다. 그러나 교사의 인과적 질문 전략이 계속되면서 독립적인 복수의 이론적 가설들의 약점을 더욱 자극하자, 마침내 학생들은 각각의 가설들이 상호보완적으로 융합된 가설을 제안하게 되었고, 이것은 기존 가설들의 약점을 보완했다는 점에서 더 타당한 가설이었다. 한편, 화학 자유탐구 맥락에서 인과적 질문을 강조하는 전략은 단순히 과학지식 관점에서 가설을 생성하는 데에만 영향을 준 것은 아니었다. 이것은 학생들로 하여금 탐구 활동에서 발생하는 한계들을 주체적으로 극복해 나가도록 동기화하고, 점차적으로 현상의 원인에 근거한 타당한 가설을 추구하도록 했다는 점에서 교육적이고 발달적이었다. 또한, 문답법이 종종 짜증을 유발시켜 대화 상대방과의 관계성을 파괴시키는 데 반해, 인과적 질문 전략은 교사와 학생 간 친밀한 관계성에 기반하여 가설 생성 활동에 계속 집중하도록 만들었다는 점에서도 가치가 있었다. 따라서, 화학 자유탐구 맥락에서 인과적 질문을 강조하는 것은 가설에 대한 과학지식 관점과 발달적 관점 사이의 갈등을 해소하기 위한 잠재적인 방안으로서 의의가 있음이 제안되었다. 본 논문에서는 가설에 대하여 다양한 관점이 존재할 수 있다는 사실이 확인되었고, 과학적 가설의 생성을 촉진하는 인과적 질문 전략이 과학지식 관점에서 효과가 있을 뿐만 아니라 발달적 관점에서도 과학교육적인 의미가 있을 수 있다는 사실이 드러났다. 이 논문의 결과와 논의는 추후 기존의 과학지식 관점의 한계를 넘어 더 넓은 관점에서 학생들을 과학의 실천전통 속으로 안내하고, 학생들로 하여금 과학탐구에 대한 성숙한 관점을 확립하도록 하는 데 기여할 수 있을 것이라 생각된다.