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실험이나 관찰을 통해 얻은 데이터를 분석하고 이를 의미 있게 해석하기 위해 통계법을 사용하기도 하고 표와 그래프로 나타내면서 다양하게 해석한다. 그리고 실험이나 관찰을 통해 얻은 결과들로부터 결론을 도출하는 과학적 방법으로 흔히 귀납법, 연역법, 가설연역법을 사용한다.
결론 도출
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8.1 귀납법
귀납법은 개별적인 특수한 사실이나 현상으로부터 그 사례들이 포함되는 일반적인 결론을 이끌어내는 추리 방법이다. 구체적인 사실이나 현상에 대한 관찰로서 얻어진 지식을 일반적인 인식으로 이끌어가는 절차이며, 다양한 경험이나 실험의 결과를 일반화하는 방법이다.
자연현상
관찰 주제 설정
관찰 방법 및 절차의 고안
관찰 수행
관찰 결과해석 및 결론도출
귀납적 탐구방법
•가능한 한 모든 사실 기록하고, 현상을 관찰하거나 실험을 수행한다.
• 관찰결과나 실험결과를 수집하고 정리한 후 현상들 사이의 관계를 결정한다.
•이 관계로부터 보편법칙을 도출한다.
가. 귀납적 방법 과정
•보편적 일반화: 일부의 사례를 열거한 후, 나머지 전체를 미루어 판단한다.
예 소, 개, 돼지 등 가축은 죽는다. 따라서 닭, 토끼 등 다른 가축도 죽는다.
•통계적 일반화: 일부의 사례를 바탕으로 집단의 일정 비율만 판단한다.
예 철수, 영수, 영희네 집의 가축 가운데 30%는 닭이다. 따라서 이 동네의 가축 가운데 대략 30%는 닭이다.
• 과학지식을 관찰에서 귀납적으로 형성할 때 우리의 관찰을 과연 믿을 수 있느냐의 문제이다. 예를 들어 우리가 관찰할 때 우리의 관점에 의존하는 경우가 많다. 이를 ‘관찰의 이론 의존성’이라 한다.
• 데이터 수집 분량의 적절성 문제이다. 얼마나 많이 관찰해야 할지 얼마나 많은 데이터를 모아야 의미 있는 해석이 가능할지 이를 결정하는데 논란의 여지가 많다.
•전제들로부터 결론을 끌어낸다.
•그 과정이 타당하고 그 전제들이 참이면 그 결론도 참이다.
• 결론은 전제들이 통합되어 있을 뿐 그 전제 이외의 어떤 정보도 추가되거나 포함되지 않기 때문에 참의 전제들을 그대로 사용한다.
•전형적인 형식은 아리스토텔레스가 처음으로 개발한 삼단논법이다.
•논증이 타당할지라도 하나의 전제가 허위이면 허위의 결론이 도출된다.
•전제가 참일지라도 논증 과정이 타당하지 않으면 허위의 결론이 도출된다.
•전제가 허위일지라도 논증 과정이 타당하지 않으면 참의 결론이 도출된다.
나. 귀납적 추리 형식의 종류
다. 귀납적 추리의 문제와 한계
가. 연역적 방법 과정
나. 연역적 추리의 문제와 한계
8.2 연역법
연역법은 이미 알고 있는 전제를 근거로 새로운 결론을 유도하는 방법이다. 진리가 될 수 있는 가능성을 따지는 귀납 추론과는 달리, 명제들 간의 관계와 논리적 타당성을 따진다. 즉, 연역 추론으로는 전제들로부터 절대적인 필연성을 가진 결론을 끌어낼 수 있다.
사람은 누구나 죽는다 ……… 대전제 김씨는 사람이다 ……… 소전제 그러므로 김씨는 죽는다 ……… 결 론
결론 도출
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• 어떠한 현상의 관찰로부터 가설을 설정하고, 그 가설을 검증하는 과정을 통하여 이론이나 자연법칙을 끌어낸다.
• 가설을 설정하는 단계와 실험결과로부터 가설을 정당화하는 과정에는 귀납적인 추론이, 가설로부터 검증을 위해 실험을 설계하고 결과를 예측하는 단계에는 연역적인 사고가 요구된다.
가. 가설 연역적 방법
8.3 가설연역법
실제의 학문 연구가 전부 연역적 형태로서만 이루어질 수는 없으며 관찰이나 실험 등의 증명 과정 등이 포함되어 적용된다. 오늘날에는 전제로 삼은 가설을 검증하기 위해 그 가설에서 몇 개의 명제를 연역해 실험과 관찰 등을 수행하는 가설연역법이 널리 쓰인다.
가설 연역적 방법 가설 세우기
가설의 입증 법칙
가설의 시험
YES
NO 관찰
연구
•과학이 지니는 논리적이고 합리적인 특성만을 강조할 뿐 주관적, 심리학적, 사회학적 측면을 소홀히 취급한다.
•과학지식을 구성하는 단계보다는 그 정당화 단계에서만 적절히 이용될 수 있는 방법으로 인식되고 있다.
•보조가설과 대안가설이 제기되는 상황에 적용하기 어려운 점이 있다.
다. 가설-연역적 방법의 문제와 한계
1953년, 제임스 듀이 왓슨과 프랜시스 해리 콤프턴 크릭이 DNA가 이중 나선 구조를 가진다는 것을 밝히기까지의 과정을 가설 연역 방법으로 설명할 수 있다.
나. 예시: DNA 구조 연구
현상 탐구
1950년대의 그레고르 멘델의 연구로부터 유전 현상이 어떠한 규칙을 따른다는 것이 이미 알려져 있었지만 어떠한 메커니즘이 포함되는지 알려진 바가 없었다. 당시 케임브리지 대학 연구실의 연구자들은 DNA를 포함한 다양한 화학분자들의 X-선 회절에 대해 연구하고 있었다.
가설 설정 - 가설의 시험
이와 같은 탐구를 통해 라이너스 폴링은 DNA가 삼중 나선 구조일 것이라는 제안을 했다. 왓슨과 크릭도 이 가설을 생각해보았으나, 기존의 실험결과들을 설명하지 못했으므로 폴링의 가설을 받아들이지 않았다.
재가설 설정 - 예측
왓슨과 크릭은 DNA가 이중 나선 구조를 가지면, X-선 회절 무늬가 특정한 패턴을 가질 것이라는 예측을 하였다. 이것은 이중 나선 구조와 X-선 회절 무늬에 관련된 기존의 연구를 바탕으로 한 가설이었다. 왓슨과 크릭은 이중 나선 구조를 이용하여 DNA 복제에 대한 메커니즘을 간단히 예측하였다.
실험(가설 검증)
왓슨과 크릭은 그들의 연구 초안을 킹스 칼리지의 연구자들에게 보냈다.
로절린드 프랭클린은 이들의 연구에서 DNA 속의 물 함유에 관련하여 문제점을 발견하였다. 그후에, 왓슨과 크릭은 프랭클린의 정교한 X-선 회절 무늬를 통하여 DNA가 이중 나선 구조를 가짐을 확인하였다.
연구 보고서 작성 및 발표
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연구활동을 끝낸 후 조사와 실험을 통해 발견한 연구결과를 정리하여 논리적 체계에 맞게 작성한 글 연구 보고서는 일반적으로 연구목적, 연구방법, 연구결과, 연구결과의적용방안을 포함하여 논리적으로 작성되며, 체계는 제출하는 대상 및 목적에 따라 달라진다.
연구보고서를 작성하기 전에 정해진 보고서 서식을 확인하고, 서식에 따라 포함될 자료를 준비한다. 다음은 STEAM R&E 학생 연구활동 보고서의 체계이다.
가. 연구 보고서란?
나. 연구 보고서의 체계
STEAM R&E와 같이 학생들이 협동하여 연구 활동을 마친 뒤에는 연구 활동을 통해 얻은 결과를 정리하여 보고서를 작성하고, 발표회를 통해 여러 사람과 함께 결과를 공유한다.