Analysis of Error Types on National Science Fair's Students' Research Reports

전국과학전람회 학생 과학탐구 연구보고서의 오류 유형 분석

Abstract

The purpose of this study was to investigate the errors in science inquiry research reports written by students who won the encouragement award at the National Science Fair, and analyze the frequency of error types by school levels. The framework for analysis was constructed based on the table of contents of the students' science inquiry research reports, and the reports were analyzed for errors in six stages: Research question/hypothesis, prior research, experimental procedure, results, conclusions, and references. The study identified several types of errors at each stage, such as unreasonable research questions and wrong hypotheses in the research question/hypothesis stage, and limited considerations under certain conditions and selection of inappropriate experimental instruments in the experimental procedure stage. The study found that the frequency ratio of experimental procedure error was the highest across all school levels, and the order of errors varied by school level. Frequency ratio of error types of school level was: in the elementary school students' reports, errors were analyzed in the order of experimental procedure (36.88%), prior research (17.02%), conclusions (16.31%), research question/hypothesis (13.48%); In the middle school students' reports, experimental procedure (42.86%), conclusions (20.00%), prior research (14.28%), results (11.43%), research question/hypothesis (10.01%); In the high school students' reports, experimental procedure (45.16%), research question/ hypothesis (16.13%), conclusions (16.13%), and prior research (11.83%). The findings could be used to guide teachers in helping students conduct scientific inquiry research or write reports.

이 연구의 목적은 전국과학전람회에서 장려상을 수상한 학생의 과학탐구 연구보고서 오류를 조사하고, 학교급별 오류 유형 빈도를 분석하는 것이다. 학생 과학탐구 연구보고서 목차를 바탕으로 분석틀을 구성하고 연구 문제/가설, 선행연구, 실험 수행, 결과, 결론, 참고문헌 6단계로 나누어 오류를 분석하였다. 연구 문제/가설에서 '잘못된 연구 문제 설정', '잘못된 가설' 실험 수행에서 '변인 설정 오류', '제한된 조건만 고려', '측정의 오류', '실험기구 부정확한 사용', '기구 및 재료 선택의 오류', '불충분한 실험 회수'등 각 단계별로 여러 유형의 오류를 확인하였다. 연구결과, 실험 수행은 모든 학교급에서 오류 비율이 가장 높았으며, 실험 수행을 제외한 오류 유형의 비율은 학교급별로 차이가 있었다. 학교급별 오류 유형 비율은 초등학생은 실험 수행(36.88%), 선행연구(17.02%), 결론(16.31%), 연구 문제/가설(13.48%), 중학생은 실험 수행(42.86%), 결론(20.00%), 선행연구(14.28%), 결과(11.43%), 연구 문제/가설(10.01%), 고등학생은 실험 수행(45.16%), 연구 문제/가설(16.13%), 결론(16.13%), 선행연구(11.83%) 순으로 나타났다. 이 연구 결과는 교사가 학생 과학탐구 연구 및 보고서 작성을 지도할 때 지도계획을 수립하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

서론

‘연구(Research)’는 탐구를 기반으로 한 인간의 체계적인 활동으로,¹ 지식이 생성되고 정당화되는 과정에서 핵심적인 역할을 한다.^2-8 연구는 주제와 내용에 따라 다양한 방법 또는 창의적인 방법을 적용하여 수행하기 때문에 주제 선정, 연구방법, 자료 구성, 자료 표현과 디스플레이 등에서 연구자의 자율성과 독창성을 필요로 한다.

과학자들의 연구는 아름다운 세상의 신비를 창조하고, 과학자들은 즐겁기 때문에 연구하고 즐거운 것은 연구가 아름답기 때문이다.⁹ 과학 연구가 아름답기 위해서 다음의 조건을 만족해야 한다.⁹ 첫째, 연구는 문제의 해결을 위해 필요한 타당하고 깊이 있는 지식을 포함한다. 둘째, 연구는 객관적이고 효율적이며, 연구 문제/가설을 해결하기 위해 필요한 방법과 재료만을 사용한다. 셋째, 연구는 문제를 해결하는데 결정적이며, 새로운 의문을 창출해야 한다.

‘연구와 교육(Research & Education, R & E)’은 과학탐구 연구의 경험을 통한 교육으로, 학생이 과학자처럼 연구를 통해 지식을 구성하며 즐거움을 깨닫게 되고, 그것을 아름다운 가치로 받아들이는 것을 기대하는 것이다.⁹ 학생은 연구활동을 수행함으로써 새로운 지식을 얻거나 문제를 해결하는 등의 지적 사고 과정을 경험하고 과학적 탐구 역량을 계발하게 된다. 즉 적합한 연구방법을 선별하고 효율적으로 연구를 수행하여 연구 문제와 가설을 해결함으로써 문제해결과 관심 그리고 더 나아가 새로운 의문을 생성하게 된다. 따라서 학생들에게 R & E의 경험을 제공하기 위해 여러 기관이나 협회 등에서 다양한 과학탐구 R & E 대회를 주관하여 개최하고 있다.¹⁰

과학탐구 R & E의 효과는 중학생들의 논리적 사고력 향상에 긍정적인 영향을 주고,¹¹ 고등학생들의 경우 과학자의 공동체 문화에 근접한 실행을 통해 과학적 지식, 이해, 태도의 강화, 그리고 초보 연구자로서 인식 변화 등이 나타났다.¹² 뿐만 아니라 탐구 문제 설정, 변인 추출, 가설 설정, 결론 도출 등에서 높은 수준의 향상을 보여준다.¹³ 정교하게 계획된 R & E 프로그램은 초등학생들의 관찰, 분류, 측정 등의 과학탐구 능력 향상에 유의미한 영향을 준다.¹⁴ 그러므로 과학탐구 R & E를 통해 과학자의 실제적(authentic) 경험을 제공하고 학생들의 내적 동기에 따른 탐구 연구를 수행할 수 있는 환경 및 다양한 기회 제공이 필요하며 교사는 학생 과학탐구를 수행하는데 조력자로서 역할을 수행해야 한다.¹⁵

교사들은 과학탐구 R & E가 과학학습에 중요하고 의미있다는 것은 인식하고 있지만, 실제 학생들을 지도하는데 있어서 어려움과 제한점(constraints)이 있다고 호소한다. 교사의 과학탐구 R & E 지도를 지원하기 위해 ‘과학 탐구 R & E 교사 연수’ 또는 매뉴얼 등을 제공하지만, 교사들은 개인적 경험이나 대외 탐구대회 주최 측에서 제공하는 ‘제한된 안내’를 자체적으로 해석하여 학생들을 지도하거나,¹⁶ 대학교수 또는 전문가 자문, 전문서적, 과거 출품작에 의존하여 지도하는¹⁷ 경향이 있다.

전국과학전람회는 1949년 1회 대회부터 현재까지 학생들에게 과학탐구 R & E의 경험을 제공하는 대표적인 대회이다. 이와 관련된 선행연구는 화학부분 수상작 주제의 연도별 변화추이,¹⁶ 생물부문 출품작 내용분석,¹⁸ 출품작의 중학교 과학 교과서와의 연계성 분석연구¹⁹ 등과 같이 과학탐구 주제의 경향성 연구의 수준과 범위를 분석하는 연구가 있다. 과학전람회 실태 및 개선방안에 관한 연구,¹⁷ 과학탐구 수행 학생들이 인식하는 과학전람회 준비과정에서의 경험과 어려움에 대한 연구,²⁰ 지도교사들을 대상으로 학생을 지도하면서 교사가 겪는 어려움을 조사한 현상학적 연구²¹등이 있다. 또한 학생들의 과학탐구 실행 인식을 조사한 연구결과에 따르면, 초등학생은 탐구 주제 선정, 실험 도구 선택, 탐구 결론 도출,²² 중학생은 주제 선정, 탐구 주제나 탐구 가설에 따른 변인 설정,²³ 고등학생은 연구결과 정리, 실험절차 수행, 타당한 연구주제 선정 등에 어려움을 느끼고 있는 것으로 조사되었다.²⁴ 이와 같이 다양한 연구가 수행되었으나, 학생들이 작성한 과학탐구 R & E 연구보고서를 분석하여 학생 탐구 지도를 위한 시사점을 도출하는 연구는 제한적으로 진행되었다.

이 연구는 전국과학전람회 학생 과학탐구 연구보고서를 대상으로, 학생 과학탐구 연구보고서의 오류 및 학교급에 따른 유형별 빈도수를 조사하여 분석하였다. 이때 오류는 과학탐구 연구보고서의 탐구 과정에 포함된 잘못된 내용. 미흡하거나 보완되어야 할 내용 등을 의미한다. 이 연구의결과는 교사가 학생 과학탐구 연구를 지도하는데 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

연구 방법

연구대상

연구대상은 국립중앙과학관 홈페이지(https://www.science.go.kr/)에 탑재된 제64회 전국과학전람회 학생 과학탐구 연구보고서 중 장려상을 수상한 연구보고서 60개이다(Table 1). 코로나 팬데믹의 전국적인 사회적 거리두기로 인하여 학생 과학탐구 연구가 소극적으로 진행되었다는 점을 감안하여 코로나 팬데믹이 발생하기 직전인 제64회 대회의 보고서를 대상으로 하였다. 장려상은 시·도 교육청의 예선을 통과한 수준의 보고서이지만 우수상 등의 수상 범위에 포함되지 않은 것으로, 일정 부분에서 추가적인 지도가 필요할 수 있다는 점을 고려하여 선택하였다.

Table 1. Subjects (No.)

분석틀 구성

분석틀은 과학탐구 연구보고서에 따라 나타날 수 있는 오류를 유형화하여 분류하는 귀납적 사고 과정을 통해 구성하였다.²⁵ 첫째, 분석틀은 학생 과학탐구 연구보고서 목차에 따라 연구 문제/가설, 선행연구, 실험 수행, 결과, 결론, 참고문헌으로 구분하였다. 둘째, 전체 분석대상 연구 보고서의 25%에 해당하는 15개 보고서를 분석하여 오류를 유형화, 유목화 하였다. 셋째, 과학연구 분야에서 석사 또는 박사 학위를 받고, 과학탐구 연구를 지도한 경력이 5년 이상인 교사 2인에게 분석틀에 대한 검토를 요청하여 최종 분석틀을 구성하였다(Table 2).

Table 2. Framework for analysis

자료수집 및 분석

자료수집 분석을 위하여, 첫째, 학생 과학탐구 연구보고서를 학교급, 분야, 번호로 구분하여 정리하였다. 예를 들면 ‘초-화-1’은 초등학생, 화학 분야, 1번 보고서를 의미한다. 둘째, 분석틀에 따라 학생 과학탐구 연구보고서를 분석하였으며, 동일한 오류가 나타나는 경우 중복 체크하지 않고 1회로 체크하였다. 셋째, 연구진이 개별적으로 연구보고서를 분석한 후, 평가자 간 분석 일치도를 조사하였다. 평가자 간 일치도(inter-rater reliability)는 0.74로 신뢰할 수준인 것으로 나타났다. 넷째, 평가자와 일치하지 않는 부분에 대해서는 상호 재검사 과정과 논의 과정을 반복하여연구진과 평가자 간의 오류 및 유형의 기준 일치도를 확인하였다. 다섯째, 분석결과의 신뢰도를 높이기 위해, 학생 과학탐구 연구 지도 경험이 있는 교사 2인과 분석결과를 공유하고 논의하였다. 단, 연구 결과는 대회에 출품한 학생 과학탐구 연구보고서 전체로 일반화하기 어렵다는 제한점을 갖는다.

결과 및 논의

오류 유형

연구 문제/가설은, ‘잘못된 연구 문제 설정’, ‘잘못된 가설’로 나타났다. ‘잘못된 연구 문제 설정’은 탐구 목적 및 주제와 관련 없는 연구 문제를 설정한 것을 의미한다. 예를 들면, ‘동백꽃이 하늘을 보고 떨어지는 낙하 원리 탐구’를 알아보는 실험에서 ‘동백꽃은 지역별로 언제 필까?’, ‘재래 동백꽃과 애기 동백꽃이 피고 질 때 모습 비교 관찰’등 탐구 목적과 직접적인 연관성이 없는 연구 문제를 설정하여 탐구를 수행한 경우이다(Fig. 1).

Figure 1. Example of unreasonable research questions.

‘잘못된 가설’은 가설을 서술하는 방식이 잘못된 것을 의미한다. 가설은 탐구 문제에 대한 잠정적인 결과이며, 검증 가능하고 변인에 따른 탐구과정의 구체성과 명확성이 있어야한다. 하지만 가설을 서술하는 방식이 명확하지 않은 경우가 있었다. 예를 들면, ‘미세조류가 들어있는 용액의 종류는 미세조류의 이동과 관계가 있다.’, ‘미세종류의 양과 미세조류의 이동은 서로 관계가 있다.’, ‘액체의 높이와 미세조류 이동은 서로 관계가 있다.’ 등 가설을 ‘~와 관계가 있다.’의 형식으로 작성하였으며, 변인에 따른 결과를 구체적으로 서술하지 않는 경우이다(Fig. 2).

Figure 2. Example of wrong hypothesis.

선행연구는 ‘선행연구에 대한 이해 부족’, ‘과학 오개념’으로 나타났다. ‘선행연구에 대한 이해 부족’은 선행연구 역할을 정확하게 파악하지 못하였거나 선행연구를 작성하지 않은 경우, 탐구 주제와 관련 없는 선행연구 내용을 제시하는 것을 의미한다. 예를 들면, ‘홀효과를 이용한 미세조류 수집 장치 개발’을 주제로 한 탐구에서 선행연구를 미세조류를 관찰하기 위한 현미경 사용법(Fig. 3) 또는 결론 도출을 위한 계산식을 조사하여 선행연구로 제시한 경우이다.

Figure 3. Example of lack of understanding a prior research.

‘과학 오개념’은 과학 법칙과 원리를 잘못 해석하여 근거로 제시하거나 내용이 틀린 경우이다. 예를 들면, 보고서에 작성한 원소 기호나 이온식이 틀리거나 표기 방법이 잘못된 경우, 과학 법칙을 잘못 해석하여 선행연구로 제시한 경우이다.

실험 수행은 ‘변인 설정 오류’, ‘제한된 조건만 고려’, ‘측정의 오류’, ‘실험기구 부정확한 사용’, ‘기구 및 재료 선택의 오류’, ‘불충분한 실험 회수’로 나타났다. ‘변인 설정 오류’는 실험에 영향을 주는 요인을 고려하지 않고 탐구를 수행한 것을 의미한다. 예를 들면, 온도가 실험결과에 영향을 미치는 것을 인지하였지만, 온도를 변인으로 설정하지 않고 탐구를 수행하거나 탐구과정 중 벽돌 가루, 황사와 흙먼지 유입 등의 변수가 작용하였지만, 이를 변인으로 고려하지 않은 경우이다(Fig. 4).

Figure 4. Example of incorrect variable.

‘제한된 조건만 고려’는 제한되거나 특정 조건만 고려하여 탐구를 수행한 경우를 의미한다. 예를 들면, ‘방풍 씨앗과 함께 양파를 보관하면 싹이 나지 않은 원인’을 분석하는 탐구과정 중 인터넷 검색을 통해 방풍 씨앗에 있는 여러 화학성분 중 특정 화학성분만 결과에 영향을 미칠 것이라고 예상하였으며, 실험 설계 시 방풍 씨앗의 다른 성분은 변수로 고려하지 않고 한 가지 화학성분만 고려하여 실험을 수행한 경우이다(Fig. 5).

Figure 5. Example of concern limited conditions

‘측정의 오류’는 탐구과정에 필요한 데이터를 측정하는 방법이 잘못된 경우를 의미한다. 예를 들면, ‘달팽이의 여름잠에 미치는 환경요인’을 조사하는 연구에서 잠을 자는 달팽이 수를 측정하는 방법에 있어 명확한 시간 기준과 같은 측정 기준이 없이 임의대로 관찰 후 측정하여 결과 값을 제시한 경우이다(Fig. 6).

Figure 6. Example of measurement misconduct.

‘실험기구 부정확한 사용’은 실험기구 사용 시 조작 방법이 정확하지 않은 경우를 의미한다. 예를 들면, 피펫, 스포이트와 같은 기구를 조작할 때 기구 사용법이 잘못되었거나, 교반기를 사용하여 동물성 기름을 녹이는 실험에서 페트리접시를 교반기 위에 올릴 때 닿는 면적이 동일하지 않은 상황에서 실험을 수행한 경우이다(Fig. 7).

Figure 7. Example of improper use of laboratory equipment/materials.

‘기구 및 재료 선택의 오류’는 기구나 재료를 잘못 선택하여 탐구를 수행한 것을 의미한다. 예를 들면, 시약의 부피를 측정하는데 부피 측정 기구인, 눈금 실린더, 플라스크, 피펫을 사용하지 않고 비커를 사용하여 부피를 측정하는 경우이다.

‘불충분한 실험 회수’는 반복실험을 하지 않고 결과를 작성하는 것을 의미한다. 예를 들면, ‘양변기의 세균 실태를 파악하여 화장실 내 세균 확산이 되는 요인’을 알아보기 위해 세균을 배양하여 관찰하는 실험에서 변기의 종류, 물이 튀는 높이 등 다양한 조건을 고려하여 실험을 수행하였지만, 조건에 따른 반복실험을 수행하지 않고 결과를 해석한 경우이다(Fig. 8).

Figure 8. Example of inadequate number of experiments.

결과는 ‘결과 작성의 오류’, ‘자료 해석 및 변환의 오류’로 나타났다. ‘결과 작성의 오류’는 탐구 결과를 작성할 때 선행연구 내용을 그대로 기술하거나, 탐구 결과를 결론에 제시하는 것을 의미한다. 예를 들면, ‘특정지역에 생육하는 앉은 부채의 서식지’를 주제로 한 탐구에서 문헌 조사 내용을 탐구 결과로 제시하였으며(Fig. 9), 탐구과정을 통해 얻게 된 결과가 아닌 인터넷에서 검색한 내용을 결과로 작성한 경우이다.

Figure 9. Example of incorrect experimental results.

‘자료 해석 및 변환의 오류’는 탐구 결과에 따른 해석이 틀리거나 데이터 변환이 잘못된 것을 의미한다. 예를 들면, 탐구 결과를 잘못 해석하여 탐구 결과와 일치성이 없거나, 그래프 작성이 명확하지 않은 경우이다. 특히 그래프 작성에서, 저수지에서 채취한 녹조물의 pH, NO₃^-, PO₄^3- 측정값을 그래프로 제시하였지만, 변인 간의 관계가 명확하게 나타나지 않았으며 Fig. 10과 같이 그래프의 x축, y축 변수를 정확하게 제시하지 않은 경우이다.

Figure 10. Example of inappropriate interpretation of data.

결론은 ‘타당하지 않은 결론 도출’, ‘가설설정과 결론 도출의 연관성 부족’, ‘과일반화’로 나타났다. ‘타당하지 않은 결론 도출’은 탐구과정과 결과에 따른 결론 일치도가 부족하거나 잘못된 것을 의미한다. 예를 들면, 불에 잘 타지 않는 나뭇잎을 선별하기 위해 나뭇잎으로 불꽃 실험을 한 뒤 결과를 얻었으나, 결론을 탐구 결과를 바탕으로 서술하지 않고 ‘식물을 겉씨식물과 속씨식물로 나누고 여러 가지의 분류 방법이 있다는 걸 알게 됨’으로 작성하여 탐구내용과 관계없는 결론을 서술한 경우이다(Fig. 11).

Figure 11. Example of unreasonable conclusions.

‘가설설정과 결론 도출의 연관성 부족’은 설정된 가설과 결론 도출 간 연관성이 없는 경우를 의미한다. 예를 들면, ‘과산화수소분해를 통한 채소의 카탈라아제 반응 비교 연구’에서 초기 가설설정 과정에서 고려하지 않았던 변인이 실험 후 결과에 유의미한 영향을 주는 변인으로 작용한 것을 인지하고 초기에 설정한 변인을 바탕으로 결론을 서술하지 않고 결과에 영향을 준 변인 만 고려하여 결론을 서술하였다. 예를 들면, 과일의 신맛과 단맛이 카탈라아제 활성화 정도에 영향을 준다는 것을 고려하지 않고 실험을 수행하였으나 실험을 수행한 결과 신맛과 단맛이 결과에 영향을 미치는 것을 확인한 후 ‘과일의 신맛과 단맛이 카탈라아제 활성화 정도에 영향을 줄 것이라고 생각했는데 영향을 주었다.’로 가설설정 단계에서는 고려하지 않았던 변인을 포함하여 가설을 수정한 후 결론에 제시한 경우이다(Fig. 12).

Figure 12. Example of conclusions with low relevance to hypotheses.

‘과일반화’는 특수한 상황을 일반적인 상황으로 해석하는 것을 의미한다. 예를 들면, 냉장보관에 따른 채소의 카탈라아제 함량 변화를 탐구하는 실험에서, 채소를 냉장고에 일정 시간 동안 보관한 후 실험을 수행한 상황을 저온조건이 유지되는 상황으로 판단하여 ‘카탈라아제가 열에 약할 뿐 아니라 저온에서 효소작용이 떨어진다는 사실을 확인할 수 있었다.’는 결론을 도출하였다(Fig. 13). 이는 냉장고에 채소를 넣은 상황만으로 실험결과를 열과 온도에 따른 결과로 일반화하여 확대 해석한 경우이다. 실제 연구보고서의 실험 과정에 따르면, 잎줄기 채소, 뿌리채소 등 다양한 채소를 냉장고에 10일 동안 보관한 후, 냉장고에서 꺼내어 7일동안 실온에서 산소 거품의 최대 발생 높이를 측정하여 카탈라아제의 함량을 분석하였고, 실험 수행 과정에서 저온은 유지되지 않았다.

Figure 13. Example of overgeneralization.

참고문헌은 ‘참고문헌 작성 오류’ 로 나타났다. 참고문헌 작성 오류는 참고문헌 기재와 관련 오류를 의미한다. 예를 들면, 보고서 작성 시 참고문헌을 사용하였지만 참고문헌 목록이나 보고서 본문에 각주로 제시하지 않은 경우, 참고문헌 목록에 참고문헌은 제시 되어있지만 보고서 본문에 인용 표기가 되어 있지 않은 경우이다. 또한 참고 문헌을 표기하였지만 참고문헌 작성방법에 일관성이 없는 경우(Fig. 14)를 포함하여 블로그, 유튜브 등 공신력 없는 자료를 참고문헌으로 사용하여 기재한 경우이다.

Figure 14. Example of not properly citied references.

학교급별 오류 빈도 분석결과

학교급별 과학탐구 연구보고서 오류 유형의 빈도수 분석 결과는 제시된 표와 같다(Table 3). 과학탐구 연구보고서 오류 경향성은 실험 수행에서 오류빈도가 가장 많은것으로 나타났고, 다른 유형은 학교급별로 다소 차이가 있었다. 초등학생은 실험 수행(36.88%), 선행연구(17.02%), 결론(16.31%), 연구 문제/가설(13.48%), 결과(9.93%), 참고문헌(6.38%) 순서이며, 중학생은 실험 수행(42.86%), 결론(20.00%), 선행연구(14.28%), 결과(11.43%), 연구 문제/가설(10.01%), 참고문헌(1.43%) 순서이고, 고등학생은 실험 수행(45.16%), 연구 문제/가설(16.13%), 결론(16.13%), 선행연구(11.83%), 결과(8.61%), 참고문헌(2.15%) 순서로 나타났다.

Table 3. Frequency ratio of error types (Unit: Number, %)

연구 문제/가설은 학교급에 따라 오류 양상 차이가 나타났다. 6개 중 초등학생(13.48%)은 네 번째, 중학생(10.01%)은 다섯 번째, 고등학생(16.13%)은 두 번째로 높은 오류 유형으로 조사되었다. 고등학생의 경우, 다른 과정에 비해 연구 문제/가설 설정에 어려움을 느끼고 있는 것으로 해석된다. 하위 유형 중 ‘잘못된 연구 문제 설정’과 ‘잘못된 가설’은 초등학생과 중학생은 비슷한 비율이었으며 고등학생은 ‘잘못된 연구 문제 설정’이 좀 더 높은 비율이었다. 탐구 문제의 발견은 창의적인 문제의 해결로 연결될 수 있다는 점에서²⁶ 문제 발견은 연구를 수행함에 있어 중요한 부분이며 교사는 탐구 주제에 맞는 연구 문제 설정을 잘 할 수 있도록 지도해야 한다.

선행연구는 6개 중 초등학생(17.02%)은 두 번째, 중학생(14.28%)은 세 번째, 고등학생(11.83%)은 네 번째로 조사되었다. 학교급이 낮을수록 상대적으로 오류 비율이 높았다. 초등학생 경우 선행연구에 대한 지도가 필요하며, 선행연구의 역할을 제대로 잘 알지 못하여 발생한 오류가 있었다. 선행연구는 탐구 주제와 관련한 정보를 수집 및 분석하여 탐구 주제 및 과정의 타당성을 검토하는 과정임에도²⁷불구하고 학생들은 단순하게 인터넷으로 검색한 결과를 검토과정이 없이 선행연구로 그대로 작성하는 등 공신력 없는 자료를 조사한 경우가 있었다. 또한 선행연구를 연구 결과에 제시하는 보고서도 있었다. 교사는 선행연구의 필요성, 역할과 기능 등에 대해 구체적으로 안내하고 탐구 주제에 따른 연구 분야와 관련 내용 및 주제어를 선별할 수 있도록 지도해야 한다.²⁷

실험 수행은 6개 중 모든 학교급에서 비율이 가장 높은 유형으로, 초등학생(36.88%), 중학생(42.86%), 고등학생(45.16%)으로 조사되었다. 학생 과학탐구 연구보고서에는 실험 수행 과정이 주로 제시 되어있으며, 그에 따라 하위 유형이 다른 과정에 비해 많았고 그 결과 상대적으로 오류 비율이 가장 높게 나타났다. 실험 수행의 하위 유형은 ‘변인 설정 오류’가 초등학생(12.06%), 고등학생(13.97%)으로 다른 유형에 비해 높은 비율로 나타났다. 중학생은 ‘변인 설정 오류’, ‘제한된 조건만 고려’, ‘측정의 오류’가 10.00%로 세 유형의 비율이 동일하였다. 초등학생, 중학생, 고등학생 모두 ‘변인 설정 오류’가 상대적으로 높은 비율이었으며, 이것은 탐구를 수행함에 있어 변인 설정의 필요성과 중요성에 대한 인식이 낮고,²⁸ 변인 통제를 적절하게 수행하지 못한다²⁹는 기존 연구 결과와 유사한 것으로, 학생들이 변인 설정 역량이 부족하다는 해석이 가능하다. 변인 설정은 과학탐구에서 타당한 원인과 결과를 도출하는데 핵심적인 과정이므로, 탐구 목적을 명확하게 정리하여 실험의 결과에 영향을 미치는 변인을 정확하게 설정할 수 있도록 지도해야 할 것이다.²⁷

결과는 6개 중 초등학생(9.93%)과 고등학생(8.61%)은 다섯 번째로, 중학생(11.43%)은 네 번째로 나타났다. 초등학생, 중학생, 고등학생 모두 결과 중 ‘결과 작성의 오류’가 ‘자료 해석 및 변환의 오류’ 보다 높은 비율로 조사되었다. 일반적으로 탐구 결과는 연구 수행에 따른 결과이며 해석은 결과에 대한 연구자의 해석을 제시해야 한다.²⁹ 하지만 학생들의 과학탐구 연구보고서 오류 유형 분석한 결과, 연구 결과에 선행연구나 이론적 배경을 작성하는 경우가 다수 있었다. 그러므로 교사가 학생을 지도할 때, 연구 결과에 포함시켜야 하는 내용과 실수하기 쉬운 점 등과 같은 결과 작성에 대한 구체적이며 실질적인 안내가 필요하겠다.

결론은 6개 중 중학생(20.00%)은 두 번째로, 초등학생(16.31%)과 고등학생(16.13%)은 세 번째로 나타났다. 초등학생과 중학생은 ‘타당하지 않은 결론 도출’, ‘가설설정과 결론 도출의 연관성 부족’, ‘과일반화’가 비슷한 비율로 나타났으며, 고등학생은 ‘가설설정과 결론 도출의 연관성 부족’이 ‘과일반화’보다 상대적으로 높은 비율로 조사되었다. 결론을 정리함에 있어서, 결과에 따른 결론이 명확하지 않고 예상이나 추리의 형태로 기술되거나, 또는 결론을 기술할 때 결과값을 설명하는 수준으로 작성하는 경우가 있었다. 교사는 학생들에게 연구 문제를 확인한 뒤 탐구 결과를 분석하여 논리적으로 추론하고, 결과와 거리가 멀거나 잘못된 결론 도출을 하지 않도록²⁷ 결론을 서술하는 방법을 지도하고 결과와 결론의 차이점을 구별할 수 있도록 지도해야 할 것이다.

참고문헌은 모든 학교급에서 오류 비율이 가장 낮았고, 초등학생(6.38%), 고등학생(2.15%), 중학생 (1.43%), 순으로 나타났다. 초등학생의 경우, 연구보고서에 참고문헌을 제시하지 않거나, 참고문헌의 표기가 틀린 경우도 있었다. 참고문헌을 정확하게 기술하는 것은 연구의 질을 평가하는데 중요한 척도가 되고 저작권 관련하여 중요한 이슈가 될 수 있으므로, 문서를 발행하는 기관의 지침에 따라 일관성 있게 작성하는 방법을 초등학교 때부터 구체적으로 지도를 해야 할 것이다.

결론 및 제언

전국과학전람회 제64회 대회에서 장려상을 받은 학생 과학탐구 보고서를 분석하여 오류유형 및 학교급별 빈도를 조사한 결론 및 제언은 다음과 같다.

첫째, 학생 과학탐구 연구보고서를 연구 문제/가설, 선행연구, 실험 수행, 결과, 결론, 참고문헌의 내용을 분석한 결과, 각각에서 1-6개의 오류가 나타났다. 연구 문제/가설에서 ‘잘못된 연구 문제 설정’, ‘잘못된 가설’, 선행연구에서 ‘선행연구에 대한 이해 부족’, ‘과학 오개념’, 실험 수행에서 ‘변인 설정 오류’, ‘제한된 조건만 고려’, ‘측정의 오류’, ‘실험 기구 부정확한 사용’, ‘기구 및 재료 선택의 오류’, ‘불충분한 실험 회수’, 결과에서 ‘결과 작성의 오류’, ‘자료 해석 및 변환의 오류’, 결론에서 ‘타당하지 않은 결론 도출’, ‘가설 설정과 결론 도출의 연관성 부족’, ‘과일반화’, 참고문헌에서 ‘참고문헌 작성 오류’ 등으로 유형화할 수 있었다.

각 오류들은 학생들이 과학탐구 연구보고서를 작성할 때 각 내용의 의미와 역할을 명확하게 인지하지 못하여 발생할 수 있다. 학생이 주체가 되어 과학탐구 연구보고서를 작성하지만 교사의 기본적인 가이드와 지도는 반드시 필요하다. 그러므로 학생 과학탐구 연구를 지도하는 교사는 과학적 가설의 개념, 탐구 문제 설정 방법, 선행연구의 역할과 목적, 변인 설정, 실험 수행의 의미와 다양한 조건, 실험기구의 선택과 사용, 결과와 결론, 결론에 작성되어야 하는 내용, 참고문헌 작성법 등 각각의 의미와 역할을 구체적으로 지도하고 안내해야 할 것이다. 이에 대회를 주최하는 기관이나 교육청에서 학생 과학탐구 지도 교사를 위한 연수나 자료를 제공하고 있으므로, 그러한 자료를 효율적으로 활용하는 방안 모색이 필요하겠다.

그리고 교육청, 연구기관, 관련 지자체는 과학탐구 연구지도 경험이 풍부한 교사지원단을 구성하여 학생 과학 탐구 연구지도 경험이 없는 교사나 비과학 전공 교사를 위한 멘토링이나 컨설팅을 실시하는 등과 같이 지도교사 지원 시스템 구축과 운영을 검토해야 한다. 특히 기존에 실시되었던 컨설팅이나 연수는 주로 대면으로 이루어졌기 때문에 물리적인 공간과 시간의 제약이 있었다. 하지만 현재는 온라인 플랫폼을 활용한 컨설팅과 연수가 활발하게 진행되고 있으며 이러한 방법이 교육현장에도 익숙해졌다. 협업과 협력을 할 수 있는 온라인 플랫폼을 구축하여 과학탐구 연구를 하면서 교사와 학생이 원하는 경우, 시·공간을 초월하여 다양한 전문가의 지원과 컨설팅을 통해 연구보고서 검토 및 지도 방법에 대한 자문을 받으면 효과적으로 학생을 지도할 수 있을 것이다.

또한 교사가 충분한 시간을 가지고 학생을 지도할 수 있도록 지도교사가 소속되어 있는 학교, 교육청, 관련 기관의 협조가 필요하다. 학생 과학탐구 연구 대회를 담당하는 교사의 경우 행정 업무에 이를 포함시켜 다른 교사와의 업무 균형을 맞추어 주거나, 동료교사와의 협업 및 지원이 필요하다. 학생 과학탐구 연구를 지도하는 활동은 한 명의 교사가 감당해야하는 업무가 아니라, 여러 교사가 상호협력적으로 지도하고 운영할 수 있도록 분위기 조성이 필요하겠다.

둘째, 학교급별 오류빈도를 분석한 결과에 따르면, 실험 수행이 모든 학교급에서 비율이 높은 것으로 조사되었다. 초등학생은 36.88%, 중학생은 42.86%, 고등학생은 45.16%이었다. 또한 학교급별 비율이 높은 오류 유형은 초등학생과 고등학생의 경우, 변인 설정 오류(12.06%, 12.17%)이며, 중학생의 경우 변인 설정 오류, 제한된 조건만 고려, 측정의 오류, 결과 작성의 오류 유형이 각각 10.00%로 같은 비율이었다. 초등학생, 중학생, 고등학생 모두 변인 설정 오류가 다른 오류 유형에 비해 높은 비율이었으며, 변인 설정 오류를 제외한 오류 유형별 비율은 학교급별로 조금씩 차이가 있었다. 이것은 학교급별로 학생들이 탐구 연구를 수행하거나 연구보고서를 작성하는데 어려워하는 부분에 다소 차이가 있음을 보여준 결과이며 학교급별로 탐구 연구 지도 전략을 차별화해야 한다는 해석이 가능하다.

피아제의 인지발달에 따르면, 초등학생들은 구체적 조작기에 해당하지만 인지구조가 변인 설정을 하기에 구조화 되어있지 않다는 점에서 변인 설정 방법에 대한 교사의 구체적인 지도가 요구된다. 초등학생의 경우 연구 문제/가설에 따른 실험결과를 미리 예측하여 실험을 수행하는 경우가 있었다. 이러한 원인으로 다양한 조건을 고려하지 못하고 실험결과에 맞추어 제한된 실험을 하는 경우가 있었다. 정해진 답을 찾아가는 탐구가 아닌 다양한 조건에 따른 결과를 고민하고 탐구할 수 있도록 학생을 지도해야 한다.

중학생의 경우 변인 설정 오류를 포함하여 제한된 조건만 고려, 측정의 오류, 결과 작성의 오류가 같은 비율이었다. 다른 학교급에 비해 오류 유형에 따른 비율이 비슷한 값으로 분포하고 있었다. 초등학생과 동일하게 변인 설정, 다양한 조건 고려, 정확한 측정 및 결과 작성에 대한 가이드가 필요하다.

고등학생의 경우 초등학생과 동일하게 변인 설정 오류, 제한된 조건만 고려 순서로 높은 비율이었다. 주어진 연구 문제와 관련하여 정확하게 변인을 설정할 수 있도록 비계설정이 필요하다. 비계설정은 교사의 역할이 될 수도 있지만, 또래 친구들과 함께하는 활동 등을 통해 탐구주제에 대해 다양하게 논의할 수 있는 기회를 제공해주면, 그 과정을 통해서도 가능하다. 교내 또는 인근 지역의 학교와 협업하여 관심사가 비슷한 학생들과 과학탐구 공동체를 만들어 상호 작용할 수 있는 기회를 제공하는 것도 방법이 될 수 있다. 또래 친구들과 과학탐구 연구 주제를 바탕으로 다양한 시각에서의 토론, 논의과정을 거쳐 실험을 수행하고, 탐구 연구보고서를 작성하면서 탐구 연구를 하는 방법을 자연스럽게 습득하게 되고 과학탐구에 대한 진정한 가치를 알아가는 기회가 될 수 있다.

과학탐구 R & E와 같은 활동은 학생의 자기주도적 과학탐구력 신장에 의미 있는 경험을 제공한다. 그러나 교사에게 수업과 행정업무 이외에 과학탐구 R & E 활동 지도가 추가된다면, 교사에게 새로운 부담으로 작용할 수 있다. 그러므로 교사의 R & E 지도를 위해서 교사가 학생들을 지도할 수 있는 시간 확보, 학생 R & E 지도를 위한 교사연수, 가이드북이나 체크리스트의 제공, 교사가 학생을 지도하면서 발생하는 어려움이나 문제해결에 도움을 주거나 해결 방안을 모색할 수 있는 컨설팅이나 학교공동, 교육청, 지역대학, 연구소 등이 함께 협력한 지원시스템 구축은 반드시 필요하다. 특히 이 연구에서 나타난 학생 과학탐구 연구보고서 작성시 어려워하는 부분을 사전에 교사에게 제공하고 관련 방안을 안내한다면, 학생 탐구역량 신장 및 교사의 지도 업무 경감에 실질적인 도움이 될 것이다.