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2017년 2월 석사학위 논문
고등학교 융합형 과학에서 과학사를 활용한
과학의 본성 함양 프로그램 개발
조선대학교 대학원
과 학 교 육 학 과
신 길 수
고등학교 융합형 과학에서 과학사를 활용한
과학의 본성 함양 프로그램 개발
Development of nature of science program through history of science
: In the high school integrated science
2017년 02월
조선대학교 대학원
과 학 교 육 학 과
신 길 수
고등학교 융합형 과학에서 과학사를 활용한
과학의 본성 함양 프로그램 개발
지도교수 김 선 영
이 논문을 교육학 석사학위신청 논문으로 제출함
2016년 10월
조선대학교 대학원
과 학 교 육 학 과
신 길 수
신길수의 석사학위논문을 인준함
위원장 조선대학교 교 수 조 광 희 (인)
위 원 조선대학교 교 수 조 정 훈 (인)
위 원 조선대학교 교 수 김 선 영 (인)
2016 년 11 월
조선대학교 대학원
목 차
Ⅰ. 서론
··· 11. 연구의 필요성··· 1
2. 연구목표··· 3
3. 연구의 제한점··· 4
Ⅱ. 이론적 배경
··· 51. 과학의 본성··· 5
2. 과학사··· 12
3. 과학의 본성 함양을 위한 과학사의 활용··· 13
4. 2009 개정 및 2015 개정 과학과 교육과정··· 15
5. 과학사를 활용한 과학의 본성 함양 선행연구 고찰··· 16
Ⅲ. 연구방법
··· 211. 연구 절차··· 21
2. 연구 기간··· 22
3. 수업 프로그램 개발··· 22
1) 교육과정 분석··· 23
2) 문헌 조사 및 과학사 분석··· 24
3) 프로그램 개발···26
4) 수업 프로그램 예비 적용··· 30
Ⅳ. 연구결과 및 논의
··· 311. 2009 개정 과학과 교육과정 교과서에 반영된 과학사 분석··· 31
2. 과학사 및 과학사에 반영된 과학의 본성 탐색··· 42
1) 생명의 기원에 대한 과학사 및 과학사에 반영된 과학의 본성··· 42
(1) 생명의 기원에 대한 과학사 ··· 42
(가) 고대 그리스의 세계관 ··· 42
(나) 과학의 시작 ··· 43
(다) 중세암흑기와 르네상스의 시작 ··· 44
(라) 자연발생론과 생물속생설 ··· 45
(마) 최초의 생명체 ··· 48
(2) 생명의 기원에 관한 과학사에 반영된 과학의 본성(NOS) 요소 · 50 2) 진화론에 대한 과학사 및 과학사에 반영된 과학의 본성··· 54
(1) 진화론에 대한 과학사 ··· 54
(가) 다윈 이전의 진화론 ··· 54
(나) 다윈의 진화론 ··· 56
(다) 진화론이 사회에 끼친 영향 ··· 60
(2) 진화론에 관한 과학사에 반영된 과학의 본성(NOS) 요소 ··· 62
3) 유전물질로의 DNA 발견 및 구조규명에 대한 과학사 및 과학사에 반 영된 과학의 본성··· 64
(1) 유전물질로의 DNA 발견 및 구조규명에 대한 과학사 ··· 64
(가) 멘델의 유전법칙 ··· 64
(나) 멘델 이후의 유전학 ··· 67
(다) 유전물질로의 DNA ··· 68
(라) DNA 이중나선구조의 규명 ··· 71
(2) 유전물질로의 DNA 발견 및 구조규명에 관한 과학사에 반영된 과학 의 본성(NOS) 요소 ··· 75
3. 수업 프로그램 개발··· 80
1) 수업 프로그램의 예비 적용 및 수정∙보완 내용··· 80
2) 생명의 기원에 대한 교수학습 프로그램 개발··· 83
3) 진화론에 대한 교수학습 프로그램 개발··· 87
4) 유전물질로의 DNA 발견 및 구조규명에 대한 교수학습 프로그램 개발··· 90
5) 수업 프로그램의 교과 연계성 분석··· 94
Ⅴ. 결론 및 제언
··· 981. 결론··· 98
2. 제언··· 99
【참고문헌】
··· 101Ⅵ. 부록
··· 1061. 교수학습 과정안··· 106
(1) 레디의 실험··· 106
(2) 니덤과 스팔란차니의 논쟁··· 107
(3) 푸셰와 파스퇴르의 논쟁··· 108
(4) 최초의 생명체··· 109
(5) 다윈의 진화론··· 110
(6) 진화론에 영향을 끼친 사상··· 111
(7) 다윈과 월러스··· 112
(8) 유전법칙의 발견··· 113
(9) DNA 이중나선 구조의 규명··· 114
(10) DNA 구조 규명의 경쟁자들··· 115
2. 탐구활동지··· 116
탐구활동 Ⅰ··· 116
탐구활동 Ⅱ··· 118
탐구활동 Ⅲ··· 121
탐구활동 Ⅳ··· 124
탐구활동 Ⅴ··· 127
탐구활동 Ⅵ··· 132
탐구활동 Ⅶ··· 134
탐구활동 Ⅷ··· 136
탐구활동 Ⅸ··· 140 탐구활동 Ⅹ··· 143
표 목 차
[표 Ⅱ-1] 과학의 본성의 주요 측면(Lederman et al., 2002) ··· 5
[표 Ⅱ-2] 과학의 본성의 주요 측면(Bartholomew & Osborne, 2004) ··· 9
[표 Ⅲ-1] 고등학교 과학 제 1부 ‘우주와 생명’의 ‘생명의 진화’ 내용요소(교 육과학기술부, 2011) ··· 23
[표 Ⅲ-2] 수업 프로그램 개발에 사용된 과학사를 조사하기 위한 참고 문헌 ···· 24
[표 Ⅲ-3] 융합형 과학에 적용 가능한 과학사 분석(교육과학기술부, 2011) ··· 25
[표 Ⅲ-4] Bartholomew & Osborne(2004)과 Lederman et al.(2002)의 과학의 본성 요소 ···· 26
[표 Ⅳ-1] 교과서에 반영된 과학사의 분류 기준 ··· 31
[표 Ⅳ-2] 본문에 서술된 형태로 제시된 과학사의 영역별 분류 ··· 32
[표 Ⅳ-3] 탐구활동 혹은 읽기 자료의 형태로 제시된 과학사의 영역별 분류 ···· 33
[표 Ⅳ-4] 과학의 본성에 대한 질문의 영역별 분류 ··· 34
[표 Ⅳ-5] 고대 그리스의 과학자들과 주장 ··· 43
[표 Ⅳ-6] 아리스토텔레스의 주장 ··· 44
[표 Ⅳ-7] 르네상스 이후의 과학자와 주장 ··· 45
[표 Ⅳ-8] 자연발생론과 생물속생설을 주장하던 과학자들과 그들의 주장 ··· 48
[표 Ⅳ-9] 최초의 생명체에 대해 연구하던 과학자들과 그들의 주장 ··· 50
[표 Ⅳ-10] 생명의 기원에 관한 과학사에 반영된 과학의 본성(NOS) 요소 ··· 52
[표 Ⅳ-11] 다윈 이전에 진화에 대한 주장을 하던 과학자들과 그들의 주장 ··· 56
[표 Ⅳ-12] 다윈이 진화론을 발표할 당시 여러 과학자들과 그들의 업적 및 주장 ···· 60
[표 Ⅳ-13] 다윈의 진화론 발표 이후 과학자들과 그들의 주장 ··· 61
[표 Ⅳ-14] 진화론에 관한 과학사에 반영된 과학의 본성(NOS) 요소 ··· 63
[표 Ⅳ-15] 멘델의 유전법칙이 발표될 당시 과학자들과 그들의 주장 ··· 66
[표 Ⅳ-16] 멘델의 법칙을 재발견한 과학자들과 그들의 업적 ···68
[표 Ⅳ-17] 유전물질로의 DNA를 연구하던 과학자들과 그들의 주장 ··· 70
[표 Ⅳ-18] DNA 이중나선 구조 규명에 관련된 과학자들과 그들의 주장 ··· 74
[표 Ⅳ-19] 유전물질로의 DNA 발견 및 구조규명에 관한 과학사에 반영된 과학의 본 성(NOS) 요소 ··· 78
[표 Ⅳ-20] 수업 프로그램의 예비 적용 결과와 수정·보완 내용 ··· 82
[표 Ⅳ-21] 생명의 기원에 대한 교수학습 프로그램 및 포함된 NOS 요소 ··· 84
[표 Ⅳ-22] 생명의 기원에 대한 수업 프로그램의 흐름 ··· 86
[표 Ⅳ-23] 진화론에 대한 교수학습 프로그램 및 포함된 NOS 요소 ··· 88
[표 Ⅳ-24] 진화론에 대한 수업 프로그램의 흐름 ··· 89
[표 Ⅳ-25] 유전물질로서의 DNA 발견 및 구조규명 과학사에 대한 교수학습 프로그 램 및 포함된 NOS 요소 ··· 91
[표 Ⅳ-26] 유전물질로의 DNA 발견 및 구조 규명에 대한 수업 프로그램의 흐름 ·· 93
[표 Ⅳ-27] 수업 프로그램 적용 및 교과 연계성 ··· 94
그 림 목 차
[그림 Ⅱ-1] 과학의 본성(NOS)에 관한 요약 내용(이영희, 2013) ··· 11
[그림 Ⅲ-1] 연구 절차 ··· 21
[그림 Ⅲ-2] 연구 기간 ··· 22
[그림 Ⅲ-3] 과학사 도입을 위한 수업 모형(Monk & Osborne, 1997) ··· 28
[그림 Ⅲ-4] 수업 프로그램에 사용된 수업 모형의 절차(김경순, 노정아, 서인호, 노태희, 2008) ··· 29
ABSTRACT
Development of nature of science program through history of science
: In the high school integrated science
Shin Gil Su
Advisor : Prof. Sun Young Kim, Ph.D.
Departmant of Science Education Graduate School of Chosun University
The 2009 revised science curriculum`s goal is the development of citizens who have the scientific literacy. A citizen with scientific literacy is a citizen who can make decisions about social problems and this process can be achieved through a proper understanding of the nature of science. A variety of studies have been carried out for the development to citizens with scientific literacy.
Among them, the necessity of direct teaching of the nature of science is suggested, and the development of the nature of science through the history of science, which can show the way in which the scientists have experienced the way of thinking and scientific knowledge, has been focused. In our country, it is stated that students should understand the nature of science. In addition, The 2009 revised curriculum 'science' is integrated science that the educational goal was reflected the development of the nature of science by presenting it as a minimum scientific literacy to be understand as a member of the democratic society. The 2015 revised science curriculum has steady maintained important of nature of science and using of history of science for interest, motivate of student. Also nature of science more classific suggest in six point. The purpose of this study is to research the history of science about biology by person, era
that can be presented about nature of science and to develop program using the history of science through the analysis of the history of science that can be used in the integrated science .
According to the flow of the curriculum, first this research find a possibility of development of nature of science program that using the history of science through The 2009 revised curriculum and textbook analysis. Second, by analyzing the history of science related to biology which can be presented about the nature of science by each age and person, this research could analyze the 11 elements of nature of science about the history of science in three themes.
Third, this research could develop a program that can be applied to the 'evolution of life' area of the integrated science Part 1 'space and life' area by finding relating of curriculum.
the developed program that contained three of program to The occurrence of life, one of program to The origin of life, three of program to th evolutional theory, three of program to history of science about mendel to Watson and Crick.
first to fourth program deal with Scientific methods and critical testing, Historical development of scientific knowledge, Science and questioning by the process of scientific knowledge. fifth to seventh program about The theory of evolution deal with Diversity of scientific thinking, Creativity, scientific theories and law. eighth to tenth program deal with Creativity, Cooperation and collaboration in the development of scientific knowledge, social and cultural embeddedness of scientific knowledge by discovery of genetic material about Mendel to Watson and Crick. in this way, linked historical process suggested in program development expected to be higher understanding of the concept of subject content and utilization of tuition for the development of the nature of science.
국문 초록
고등학교 융합형 과학에서 과학사를 활용한
과학의 본성 함양 프로그램 개발
신 길 수
조선대학교 대학원 과학교육학과 (지도교수 김 선 영)
과학교육의 중요한 목표는 과학적 소양을 지닌 시민의 양성이다. 과학적 소양을 지 닌 시민이란 사회 문제에 대한 의사결정을 내릴 수 있는 시민을 말하며 올바른 의사결 정은 과학의 본성에 대한 올바른 이해를 통해 이루어질 수 있다. 과학적 소양을 지닌 시민의 양성을 위해 다양한 연구가 이루어졌고 그 중 과학의 본성의 직접적 교수의 필 요성에 대한 제안과 과거 과학자들이 겪었던 사고방식과 과학적 지식이 형성되는 과정 을 보일 수 있는 과학사의 활용을 통한 과학의 본성의 함양이 부각되었다. 국내에서도 교육과정에 과학의 본성의 함양을 강조하고 있으며 2009 개정 교육과정 ‘과학’은 융 합형 과학의 성격을 띠는 과목으로서 교육목표를 민주주의 사회의 구성원으로서 갖추 어야할 최소한의 과학적 소양의 함양으로 제시하여 과학의 본성에 대한 교육을 반영하 였다. 2015 개정 교육과정 역시 과학의 본성에 대한 중요성은 유지되고 있으며 과학사 의 활용을 명시함과 동시에 과학의 본성을 6가지 요소로 제시함으로써 2009 개정 교육 과정에 비해 더 구체화 되었다.
이러한 교육과정의 흐름에 따라 본 연구는 첫째, 2009 개정 교육과정 및 교과서 분 석을 통해 과학사를 활용한 과학의 본성 함양 프로그램 개발 가능성을 탐색 하였다.
둘째, 과학의 본성에 대해 제시할 수 있는 생물학에 관련된 과학사를 시대별, 인물별
로 탐색하여 크게 3가지 주제의 과학사에 반영된 11가지 과학의 본성 요소를 분석할 수 있었다. 셋째, 주제별 과학사의 제시에 있어 교과 연계성 탐색을 통해 융합형 과학 제 1부 ‘우주와 생명’영역의 ‘생명의 진화’영역에 적용할 수 있는 수업 프로그램 을 개발할 수 있었다.
개발된 수업 프로그램은 생명의 기원에 대한 주제로 생명의 발생에 대한 과학사를 다룬 3차시, 최초의 생명체에 대한 과학사를 다룬 1차시 수업과 진화론에 대한 주제로 다윈의 진화론에 대한 과학사를 다룬 3차시 수업과 유전물질로의 DNA 발견 및 구조규 명에 대한 주제로 유전 물질이 밝혀지기 까지 멘델에서부터 왓슨과 크릭의 DNA 이중나 선 구조 규명에 대한 과학사를 다룬 3차시의 수업을 개발하여 총 10차시 분량의 수업 을 완성하였다. 1차시부터 4차시 까지는 과학적 지식이 형성 되는 과정을 통해 과학적 방법과 비판적 검증과 과학지식의 역사성, 과학과 문제 제기를 위주로 프로그램을 개 발하였으며 5차시부터 7차시는 진화론에 대한 수업으로서 과학적인 사고의 다양성과 창의성 그리고 과학적 이론과 법칙에 대해 다룬 프로그램을 완성하였다. 8차시부터 10 차시는 멘델에서부터 왓슨과 크릭에 이르기 까지 유전물질이 밝혀지는 과정을 통해 창 의성, 과학 연구 과정에서 협력과 공동연구, 과학적 지식에서 사회·문화의 영향에 대 해 다루고자 하였다. 이와 같이 역사적 흐름에 따라 연관된 과학사들의 제시로 이루어 진 프로그램의 개발을 통해 교육현장에서 활용 가능성을 모색하고 교과 내용의 개념적 이해와 더불어 과학의 본성의 함양을 위한 수업활용도가 높을 것이라 기대한다.
Ⅰ. 서론
1. 연구의 필요성
현대 과학 교육에 있어 과학의 본성(nature of science)은 중요한 요소이다. 과학 의 본성에 대한 이해는 과학교육 목표중 하나인 과학적 소양을 지닌 시민의 양성에 필 요하며 학생들이 사회 문제에 대한 의사결정을 내리는 과정에서 필요한 지식, 기술, 태도의 함양은 과학의 본성에 대한 올바른 이해를 통해 이루어질 수 있다(AAAS, 1993;
Meichtry, 1992; National Research Council, 1996). 이에 따라 교사의 교육 또는 교 육과정 개선 분야의 연구에 있어서 과학의 본성에 대한 교사의 직접적인 교수의 필요 성이 제안 되었고(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000a), 학생들이 실제 과학자들이 겪 었던 사고방식과 역사적으로 과학적 지식이 형성되는 과정을 경험하는 직접적인 과학 의 본성의 함양에 대한 유용성이 제안됨에 따라 과학사와 과학의 본성을 연계하는 방 법이 부각 되었다(Duschl, 1990; Irwin, 2000; Solomon et al., 1992).
우리나라에서도 교육과정의 변화에 있어 학생이 직접 과학적 활동을 통해 과학지식 의 생성과정에 참여하여 과학적 지식의 형성 과정과 잠정성과 같은 과학의 본성을 다 루어야 함을 명시하기도 하였다(교육인적자원부, 2007). 2009 개정 교육과정에서‘과 학’은 ‘우주와 생명’과 ‘과학과 문명’ 두 단원으로 구성되어 있다. 제 1부 ‘우 주와 생명’은 우주의 탄생에서 태양계의 형성과 생명체의 출현에 이르는 과정까지 주 요 과학 개념의 이해를 바탕으로, 이 과정을 밝히기 위한 과학자들의 의문과 해결방안 의 탐색으로 과학의 본성을 이해하게 한다. 그리고 제 2부 ‘과학과 문명은 첨단 과학 기술을 기반으로 하는 현대 사회에 과학의 기여를 이해함과 동시에 정보통신, 신소재, 인류의 건강과 과학기술, 에너지와 환경 등에 대한 기초적 과학개념의 학습으로 올바 른 의사소통과 판단력을 기르고자 한다(교육과학기술부, 2011). 2009 개정 교육과정은 교육목표를 학생들이 민주주의 사회의 구성원으로서 갖추어야 할 최소한의 과학적 소 양을 함양하기 위함이라고 제시하여 ‘과학’에서 과학의 본성에 대한 과학사를 활용 한 교육을 반영하였다(교육과학기술부, 2011).
2015 개정 교육과정에서 공통과목에 해당하는 과학탐구실험은 역사적 실험을 통한 과학의 본성의 지도를 명시하고 있다(교육과학기술부, 2015). 또한 과학사라는 선택 과목을 통해 과학의 본성에 있어 과학사의 활용을 강조하는 것과 같이 2015 개정 교육
과정에서는 과학사의 활용과 과학의 본성에 대한 교육이 더욱 강조되고 있다.
하지만 지금까지 반영된 여러 노력에도 불구하고 2009 개정 교육과정의 융합형 과 학이 과학의 본성에 대한 견해에 미치는 영향을 조사한 연구결과, 학생들의 과학의 본 성적 견해에 대해 유의미한 차이를 일으키지 못하는 것으로 분석되었다. 양찬호, 김민 환, 노태희(2015)가 수행한 연구는 융합형 과학 이수 전후 학생들의 과학의 본성에 대 한 인식변화를 VOSE를 번역하여 수정·보완한 검사지를 통해 알아보고자 하였다. 과학 지식의 임시성, 관찰의 본성, 과학적 방법, 이론과 법칙, 상상력의 사용, 과학지식의 타당성, 과학에서의 주관성과 객관성 7개 요소에 대해 리커트척도로 검사한 결과 학생 들의 과학의 본성에 대한 견해는 통계적으로 유의미한 차이는 아니었지만 이수 전보다 이수 후에 더 낮게 나왔다. 이 결과는 학생들의 과학의 본성에 대한 현대론적 관점으 로의 변화에 융합형 과학이 별다른 영향을 끼치지 못하는 것을 뜻하며 관찰의 본성, 과학적 방법, 이론과 법칙, 과학적 지식의 타당성의 4개 요소에서는 통계적으로 유의 미한 변화가 없었으나 과학지식의 임시성, 상상력의 사용 2개 요소에서는 오히려 통계 적으로 유의미한 하락을 보였다. 융합형 과학이 오히려 학생들의 현대론적 과학의 본 성에 대한 견해 형성에 부정적인 영향을 끼친 이유로는 ‘우주의 기원’단원에서 제시 되는 과학사가 과학 개념과 이론의 소개에 중점을 두었고 과학사에서 제시된 논쟁이 그 결과만을 단정적으로 기술하는 경우가 많았기 때문으로 분석되었다(김민나, 권상 운, 이경호, 2012). 또한 교과서 내에 도입된 과학사 관련 내용들은 단순 사실 혹은 지식전달 위주의 보충학습 정도로 제시되어 있다는 한계를 갖는다(김도욱, 2015). 이 렇게 단순히 제시된 과학사는 학생들로 하여금 단지 과거의 흥미로운 사건 혹은 이야 기 정도로 받아들이는 경향이 있으며 과학사에 등장하는 과학자의 사고와 추리를 당시 의 사회적, 문화적 상황을 무시한 채 현재 과학개념으로 이해하여 단순히 과거의 잘못 된 사고와 추론으로 간주하는 경향이 있다(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000a;
Khishfe & Abd-El-Khalick, 2002).
따라서 과학자들의 논쟁과 그들이 겪었던 탐구과정, 인지적 활동을 경험할 수 있는 과학사를 활용한 과학의 본성 함양 프로그램의 개발이 필요하다. 그러므로 본 연구에 서는 생물학과 관련된 과학사에서 다양한 과학사 소재를 인물별, 시대별로 탐색하여
‘생명의 진화’ 단원에서 사용 가능한 교육 프로그램을 개발하고자 한다.
2. 연구목표
고등학교 융합형 과학에서 생물학과 관련된 과학사가 진행되어지는 전체 과정에 있 어 과학의 본성 함양을 목표로 하는 수업 프로그램 개발을 위한 연구 문제는 다음과 같다.
첫째, 2009 개정 고등학교 10학년 융합형 과학 교육과정 및 7종의 교과서에 제시된 과학사의 분석을 통해 프로그램 개발 가능성을 탐색한다.
둘째, 융합형 과학에서 활용 가능한 과학사를 시대별, 인물별로 탐색하고 과학사에 반영된 과학의 본성 요소를 분석한다.
셋째, 융합형 과학의 교육과정과의 연계성 분석으로 생물 관련 단원에서 실제 수업 에 적용 가능한 과학사를 활용한 과학의 본성 함양 프로그램을 개발한다.
3. 연구의 제한점
본 연구의 제한점은 다음과 같다.
첫째, 융합형 과학에서 활용 가능한 과학사의 문헌 조사에 있어 국내에서 발행된 혹은 번역된 문헌을 사용하였다. 과학사의 발전에 있어 서양의 과학사가 차지하는 비 중이 절대적인 만큼 최근에 발행된 영문서적에 대한 문헌조사가 제한적이다.
둘째, 본 연구에 있어 융합형 과학에 활용 가능한 과학사 조사는 2009 개정 교육과 정의 교과서에 적합한 대상을 위주로 선정하였다. 현재 2015 개정 교육과정이 발표된 만큼 추후 발행될 교과서와 본 연구에서 제시한 과학사 간의 비교가 필요하다.
셋째, 본 연구에서 개발한 과학의 본성의 함양을 위한 프로그램은 고등학교 학생들 을 대상으로 실증적인 검증과정을 거치지 못하였기 때문에 일반화하기에 무리가 있다.
Ⅱ. 이론적 배경
1. 과학의 본성
현대 과학교육에 있어 중요한 목표중 하나는 민주주의 사회에서 합리적 의사결정을 할 수 있는 시민의 육성에 있으며 이 과정에 있어 과학적 소양의 성취가 핵심적 요소 가 되고 있다. 과학적 소양을 위해 다양한 방법이 제시되고 있으며 그 중 과학의 본성 에 대한 이해는 과학적 소양의 함양을 위한 중요한 요소로서 이해되고 있다(AAAS, 1993; Millar & Osborne, 1998; NRC, 1996). 따라서 과학의 본성에 대한 이해는 궁극 적으로 합리적 의사결정이 가능한 민주시민의 육성이라는 현대 과학목표를 이루기 위 해 적합한 요소이다. 이러한 과학의 본성의 교육학적 필요성에 대해 대다수의 사람들 이 동의하고 있지만 과학지식이 변해왔던 것처럼 과학의 본성에 대한 개념 역시 사회, 역사, 철학의 발달함에 따라 같이 변화한다는 특성으로 인해(Abd-El-Khalick &
Lederman, 2000a) 과학의 본성적 요소를 무엇으로 정의할지, 그리고 그 수준은 어느 정도로 정해야 할지는 과학교육자, 과학철학자, 과학사학자들 사이에 합의가 되지 않 았다(Abd-El-Khalick et al., 1998; Bartholomew & Osborne, 2004; Schwartz et al., 2004). 하지만 이와 같이 과학의 본성에 대한 다양한 견해가 존재하는 가운데 각각의 다양한 분야에 속하는 여러 학자들 간의 논의를 통해 과학의 본성에 대한 합의를 이끌 어낸 경우가 있었다. Lederman(1992)은 미국과학진흥협회(AAAS)와 미국연구위원회 (NRC)를 통한 문헌연구를 기초로 하여 과학의 본성을 제안하였고, 이후 연구 (Lederman, 1999)에서 과학적 이론과 법칙을 추가하여 Lederman et al.(2002)이 과학 교육자, 과학 사회학자, 과학철학자와 합의된 과학의 본성 8가지를 구체적으로 제시하 였다. Lederman et al.(2002)이 제시한 과학의 본성 요소는 [표Ⅱ-1]과 같다.
과학의 본성 요소 내용
과학의 본성적 지식에
서 경험적 측면 과학지식은 자연 현상에 대한 관찰에 근거한다.
과학에서 관찰, 추론, 그리고 이론적 실재
과학은 감각기관 혹은 감각의 확장을 통해 이루어지는 관찰 과 관찰의 해석을 통해 이루어지는 추론에 기반을 둔다.
과학적 이론과 법칙 이론은 표면적으로 관계 없어 보이는 하나 이상의 현상들을
[표Ⅱ-1] 과학의 본성의 주요 측면(Lederman et al., 2002)
첫째, 과학의 본성적 지식에서 경험적 측면이란 과학은 부분적으로 자연현상에 대 한 관찰에 근거한 것이지만 자연현상에 대한 관찰은 인간의 감각기관 또는 복잡한 기 구를 통해 얻어지며 이론적 틀에 의한 해석의 과정을 거치기 때문에 과학자들은 대부 분의 자연현상에 직접적으로 접근할 수 없다는 것이다.
둘째, 과학에서 관찰, 추론, 그리고 이론적 실제란 학생들은 관찰과 추론을 할 수 있어야한다는 것이다. 관찰은 직접적으로 접근 가능한 감각을 통해 자연현상을 서술적 으로 진술하며 ‘공중의 물체는 땅으로 떨어지는 경향이 있다’와 같이 비교적 쉽게 관찰의 일치에 도달할 수 있다. 하지만 추론은 감각을 통한 접근이 불가능한 현상에 대한 진술로서 ‘물체는 중력에 의해 땅으로 떨어진다’와 같이 중력에 대한 개념의 이해에 있어 행성 간 상호작용에 의한 공전 궤도의 변화에 대한 예측, 태양의 중력에 의한 별빛의 휘어짐 현상과 같은 접근 혹은 계산 가능한 속성이다.
셋째, 과학적 이론과 법칙에 있어서 이론은 표면적으로 관계없어 보이는 하나 이상 의 현상들을 설명하는 역할을 한다. 예를 들어 분자운동론은 물리적 상태에서 물질의 변화, 화학적 반응의 속도, 열과 열의 전달에 관련된 다른 현상을 설명하는 역할을 한 다. 더 중요한 것은 이론이 연구문제를 발생시키고 미래의 연구를 안내하는 중요한 역 할을 한다는 점이다. 이론과 법칙의 차이점은 이론은 하나 이상의 분야에서 얻어진 다 양한 현상을 설명하는 역할을 한다는 것이다. 관찰과 추론의 구분과 같이 이론과 법칙 설명하는 것이며 법칙은 관찰 가능한 현상을 기술하는 서로 다른 종류의 과학 지식이다.
과학의 본성적 지식에 서 창의성과 상상력
과학지식의 발전은 자연현상의 관찰로부터 시작되지만 이 과 정에 있어 상상력과 창의성이 필요하다.
과학의 본성적 지식에 서 이론의존성
과학자들은 그들의 수행하는 연구에 있어서 개인이 갖는 배 경요인(이론적 배경, 신념, 사전 지식, 훈련, 경험, 예측)에 영향을 받는다.
과학적 지식에서 사 회·문화적 영향
과학은 인간의 활동이기 때문에 사회적, 문화적 맥락 속에서 수행되는 사람들에 의해 만들어 지므로 문화적 요소와 지적 영역에 영향을 받는다.
과학적 방법 과학적 지식의 형성에 있어서 특정한 접근법이란 없다.
과학의 본성적 지식의 가변성
과학적 지식에 있어서 절대적이며 확실한 것은 없으며 지식, 사실, 이론, 법칙은 변할 수 있다.
의 구분은 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 법칙은 관찰 가능한 현상의 관계에 대한 서술적 진술이다. 일정 온도에서 기체의 압력과 부피와의 관계를 진술한 보일의 법칙 이 이러한 경우의 예가 된다. 반면에 이론은 관찰 가능한 현상 또는 현상의 규칙성에 대한 설명을 하며 분자 운동론이 보일의 법칙을 설명하는 역할이 이러한 경우의 예가 된다. 이론은 연구문제의 탐색과 연구가 나아가야할 방향성의 제시에 중요한 역할을 한다. 이론을 통한 현상의 확인으로 검증 가능한 예측이 도출되며 이러한 예측과 증거 들로 이론의 신뢰수준이 향상된다. 일반적으로 법칙은 현상의 묘사적 진술이며 이론은 현상 혹은 규칙성에 대한 추론적 설명을 말한다. 과학적 이론은 종종 관찰 불가능한 존재에 대한 가정 또는 명백한 이치와 단정을 기반으로 한다. 이론은 직접적 검증이 불가능하며 간접적인 증거를 통해서만 정당성을 주장할 수 있다. 과학자들은 특별히 검증 가능한 예측을 이론으로부터 이끌어 내며 이를 통해 반례를 검토한다. 이러한 예 측과 실재적 증거에 대한 논의를 통해 검증된 이론의 신뢰 수준을 상승시킨다. 학생들 은 이론과 법칙관의 관계에서 이론이 법칙이 될 수 있다는 단순하고 위계적인 관점을 고수한다. 법칙이 이론보다 상위의 지위를 갖는다고 믿는 이러한 개념은 부적절하며 이론과 법칙은 서로 다른 종류의 지식이며 이론역시 법칙만큼이나 논리적이다.
넷째, 과학의 본성적 지식에서 창의성과 상상력이란 상상력과 과학은 경험적 측면 이 있다는 것이다. 과학적 지식의 발전은 자연현상의 관찰로부터 시작되지만 이 과정 에 있어서 인간의 상상력과 창의성이 필요하다. 과학은 활력이 없고, 완전히 이성적이 며, 질서정연하다는 일반적인 믿음과는 달리 과학의 설명과 이론의 실재를 밝히는 데 있어 과학자들에게 많은 창의성이 요구된다. 원자 스펙트럼 선에서 정교한 오비탈과 에너지 준위에 관한 보어의 원자모델로의 도약은 이러한 예가 된다. 이러한 측면에서 과학이란 자연현상의 정확한 복사체가 아닌 원자 모형 혹은 종의 구분처럼 기능적이며 이론적 모델 같은 과학적 실재를 필요로 한다.
다섯째, 과학의 본성적 지식에서 이론의존성이란 과학자들의 이론적 배경, 신념, 사전지식, 훈련, 경험, 그리고 예측은 그들이 수행하는 연구에 영향을 미친다는 것이 다. 이러한 배경요인은 과학자들의 연구하는 문제와 연구의 수행, 관찰하는 것, 관찰 하지 않는 것 그리고 이러한 관찰의 해석에 영향을 미친다. 과학적 지식의 생산에서 배경요인은 관찰에 대한 해석에 영향을 미치며 관찰과 연구는 항상 질문과 문제에 대 한 대답으로 의미를 획득하고 특정한 이론적 견해를 통해 도출된다.
여섯째, 과학적 지식에서 사회·문화적 영향이란 인간의 계획으로서 과학은 큰 문 화적 맥락과 그 문화를 만들어내는 사람들에 의해 수행된다는 점이다. 이러한 이유로
과학은 그것이 속한 다양한 문화적 요소와 지적 영역에 영향을 주고받으며 이러한 요 소는 사회구조, 권력구조, 정치, 사회경제적 요인, 철학, 종교로 한정되진 않는다.
일곱째, 과학적 방법이란 과학적 지식의 형성에 있어 특정한 접근법이 정해져 있지 않다는 것이다. 과학적 방법에 대해 널리 퍼진 오개념 가운데 하나가 과학에 특별한 방법이 있을 것이라는 생각이다. 이러한 오개념의 기원은 프랜시스 베이컨의 귀납적 방법이 확실한 지식을 보장한다는 데에서 출발하였다. 이런 귀납주의와 반증주의에 의 한 오개념은 과학교과서에 의해 널리 보급되었고 심지어 수업에서 이것을 분명히 가르 치고 있는 실정이다. 과학적 방법은 과학자들이 과학연구를 하는 데 있어서 요리법과 같은 순차적 절차가 있는 것처럼 보여져왔다. 과학자들이 관찰, 비교, 측정, 검증, 추 측, 가정, 창의적 아이디어, 개념적 도구, 이론의 구성, 설명과 같은 방법을 사용하는 것은 사실이지만 과학적 방법에 있어서 지식의 발전을 의심할 여지없이 보장하는 방법 이란 존재하지 않으며 진실한 지식으로 이끄는 단 하나의 활동절차는 존재하지 않는 다.
여덟째, 과학의 본성적 지식의 가변성이란 믿을 수 있고 견고한 과학적 지식일지라 도 절대적이며 확실할 수는 없다는 것이다. 지식, 사실, 이론, 법칙과 같은 과학적 주 장은 새로운 증거와 사고방식 혹은 기술의 발전으로 인해 바뀔 수 있다. 새롭게 발견 된 증거의 재해석으로 새로운 이론적 발전이 이루어지며 문화와 사회적 분위기를 바꾸 고 연구프로그램의 방향성을 변화시킨다. 과학에서 가변성이란 추론적, 창의적, 그리 고 사회·문화적 내재성과 독립된 과학적 지식이 하나로 존재하지 않는다는 것이다.
Osborne et al.(2003)은 영국의 과학자 5명, 과학 역사가·철학자·사회학자 5명, 과학 교육자 5명, 과학 커뮤니케이터 4명, 교사 4명 등 총 23으로 이루어진 집단을 대 상으로 델파이 기법을 통해 학교 과학교육 과정에서 다루는 과학의 본성 중 9가지 핵 심적 구성요소를 연구하였고, Bartholomew & Osborne(2004)가 이를 명료화 하였다.
Bartholomew & Osborne(2004)이 제시한 과학의 본성 요소는 [표Ⅱ-2]와 같다.
과학의 본성 요소 내용 과학적 방법과 비판적
검증
과학은 대조군 활용과 같은 특정한 실험 방법을 사용하며 한 번의 연구로 형성되는 과학적 지식은 없다.
과학과 확실성
학교에서 가르치는 과학적 지식들이 합리적 의심을 받지 않 는 이유를 알아야 하며 새로운 증거가 제시 된다면 과학 지 식도 바뀔 수 있다.
과학적 사고의 다양성 과학자들은 다양한 방법을 통해 과학적 지식을 형성한다.
가설 설정과 예측 자연현상에 대한 가설 설정과 예측은 과학적 지식의 발전에 필수적이다.
과학 지식의 역사성 학생들은 과학 지식의 역사적 배경을 알아야 한다.
창의성 과학자들의 연구에 있어서 창의성과 상상력이 필요하다.
과학과 문제 제기 과학적 지식은 질문과 이에 대한 대답의 거듭된 과정을 통해 검증된 이론과 기술을 도출한다.
자료의 분석과 해석 과학자들은 동일한 자료를 서로 다른 방식으로 해석할 수 있 다.
과학 연구 과정에서의
협력과 공동연구 과학 연구는 협력과 경쟁 활동이다.
[표Ⅱ-2] 과학의 본성의 주요 측면(Bartholomew & Osborne, 2004)
첫째, 학생들은 과학에서 아이디어의 검증을 위해 실험적 방법이 사용되며, 특히 대 조군의 사용과 같은 기본적 방법이 있음을 배워야한다. 이때 한번의 실험으로 과학적 지식의 주장을 하기엔 충분치 않다는 점을 명확히 해야 한다. 둘째, 과학과 확실성에 관하여 학생들은 많은 과학적 지식들 중에서 특히 학교에서 배우는 과학이 잘 입증되 고 합리적 의심을 받지 않는지 그리고 왜 다른 과학적 지식은 더 의심을 받는지 인식 해야한다. 최근의 과학적 지식이 우리가 알아낸 최선의 것이지만 새로운 증거 또는 이 전 증거에 대한 새로운 해석이 주어진다면 변할 수 있다는 것을 설명해야한다. 셋째, 과학적 사고의 다양성이란 관점에서 학생들은 과학에서 다양한 방법과 접근법이 사용
되고 한 가지 방법 또는 접근법이 사용되는 것이 아니라는 것을 배워야 한다. 넷째, 학생들은 과학자들이 자연현상에 대한 가설과 예측을 발전시킨다는 것을 배워야하며 이런 과정은 새로운 지식 및 주장의 발전에 필수적이란 것을 알아야한다. 다섯째, 과 학 지식의 역사성이란 학생들은 과학적 지식의 발전에 대한 역사적 배경을 배워야 한 다는 것이다. 여섯째, 창의성이란 인간의 다른 활동만큼 과학에 있어서 창의력과 상상 력이 사용된다는 것을 학생들이 알아야하며, 과학적 아이디의 생성은 거대한 지적 활 동이란 것을 인식해야 한다는 것을 말한다. 과학자들은 다른 직업군 만큼이나 열성적 이며 영감과 상상력에 의존하는 사람에 속한다. 일곱째, 과학과 문제 제기란 과학자들 이 지속적이고 반복적인 질문과 답을 찾는 과정을 통해 새로운 질문을 이끌어내는 중 요한 측면에 대해 학생들이 배워야한다는 점을 말한다. 이런 과정은 실증적으로 검증 된 새로운 과학적 이론이나 방법의 등장을 이끌어낸다. 여덟째, 자료의 분석과 해석은 과학적 작업은 자료에 대한 능숙한 분석과 해석이 포함된다는 것을 학생들이 배워야 함을 의미한다. 과학적 지식주장은 단순한 자료가 아니라 해석과 세련된 기술을 요구 하는 이론의 정립과 같은 과정을 통해 등장한다. 따라서 과학자들은 같은 자료에서 서 로 다른 해석과 의견 불일치가 도출될 수 있다. 아홉째, 과학 연구 과정에서의 협력과 공동 연구란 과학적 연구에 있어 과학자들이 때론 협력을 하기도 하고 때론 경쟁을 한 다는 것을 학생들이 알아야한다는 것이다. 개인이 상당한 기여를 할 수 있지만, 과학 적 연구는 대부분 집단에 의해 수행되고, 종종 여러 전문분야와 여러 나라에 속한 집 단에 의해 수행된다. 새로운 지식주장은 일반적으로 공동체에 공유되고 받아들여지며, 반드시 동료의 비판적 재검토과정을 거쳐야한다.
국내 연구에서 이영희(2013)는 과학의 본성에 대한 다양한 견해 중에서 교육학적으 로 내포된 과학의 본질적 속성을 고려하여 과학 교육을 위한 중요 국가차원의 지침서 인 AAAS(1993), NRC(1996)와 약 20여년 동안 과학의 본성에 대해 연구되고 발표되었던 연구 논문 내용들을 토대로 4가지 범주로 요약하였다. 이영희(2013)가 요약한 과학의 본성에 대한 내용은 [그림 Ⅱ-1]과 같다.
미국 국가적 차원의 지침서 과학 교육 연구자들의 논문
∙Science for All Americans(AAAS, 1990)
∙Benchmarks for Science Literacy (AAAS, 1993)
∙National Science Education Standards(NRC, 1996)
∙ N a t i o n a l S c i e n c e T e a c h e r s A s s o c i a t i o n ( N S T A , 2 0 0 0 )
∙Eight characteristics of th nature of science by Lederman et al. (2001)
∙Nine NOS ideas by McComas (2005)
∙Nine themes of th nature of science by Bartholomew et al. (2004)
∙Seven Ideas of th nature of science by Ackerson, et al. (2006)
과학의 본성(NOS)에 관한 요약 내용 Theme Ⅰ: 과학 지식의 본성(Nature of Scientific Knowledge)
1) 과학은 사실, 개념, 법칙, 이론등과 같은 내용적 지식으로 정리된다.
2) 과학적 지식은 자연 현상을 설명하고 예측한다.
3) 과학적 지식은 가변성이 있다.
4) 과학에는 다른 종류의 지식의 형태가 있다(법칙과 이론은 다른 형태의 지식이다).
5) 새로운 과학적 지식은 과학적 탐구의 과정에서 나온다.
Theme Ⅱ: 과학적 탐구의 본성(Nature of Scientific investigation) 1) 과학은 경험적 근거에 기초한다.
2) 과학은 관찰과 추론에 근거한다.
3) 과학에는 다양한 방법의 탐구 방식이 있다(보편적인 규정된 순서와 같은 방법은 존 재하지 않는다).
4) 과학적 실험은 탐구 기술을 이용하여 새로운 아이디어를 시험하는데 있어서 중요하다.
Theme Ⅲ: 과학적 사고의 본성(Nature of Scientific thinking) 1) 과학에 있어서 논리력과 상상력은 모두 중요하다.
2) 과학자들은 절대적으로 객관적일 수는 없으나 편견을 피하려 노력한다.
3) 과학적 지식은 역사와 함께 발달하여 왔다.
4) 회의적 태도와 비판적 의식은 과학적 사고에 있어서 매우 중요하다.
Theme Ⅳ: 과학과 기술 및 사회의 관계적 본성(STS)
1) 과학은 사회에 긍정적인 방향으로뿐만 아니라 부정적인 방향으로도 이용되어 질 수 있다.
2) 과학과 기술은 서로 영향을 주고받으나 같은 영역은 아니다.
3) 과학은 복잡한 사회적 활동이다.
4) 과학은 사회적 및 문화적 영향을 받는다.
5) 과학과 그 방법으로 사회의 모든 문제를 해결할 수는 없다(과학의 제한성).
6) 과학은 상호 협조적으로 행하여진다(다양성의 공헌).
[그림 Ⅱ-1] 과학의 본성(NOS)에 관한 요약 내용(이영희, 2013, p. 6)
요약한 과학의 본성은 ‘지식체계로서의 과학’, ‘ 탐구로서의 과학’, ‘사고 방 법으로서의 과학’, ‘과학과 기술 및 사회의 상호 작용’과 같이 4가지로 범주화 되 었다. 이 범주에 속하는 세부 영역들은 학생과 교사에게 구체적 틀의 제시를 위해 국 가 차원의 지침서와 여러 연구에서 제시된 과학의 본성을 과학적 소양에 기반 하여 범 주화한 내용이다.
2. 과학사
좁은 의미로의 과학사란 자연과학에서 자연을 인식하는 인식론적 발전을 취급하며, 자연현상을 실증주의적, 사실주의적 입장에서 설명하려는 이론 체계의 발전과정의 분 석과 이러한 과정에 있어 기여한 사람들의 생애와 그들이 사용했던 인지적, 물질적 수 단을 밝히는 것이다(오진곤, 1994). 넓은 의미에서 과학사란 과학을 사회 현상으로 바 라보며 이를 인간이 이해할 수 있는 방식을 찾는 분야로 과학사를 통해 과학적 발견에 포함된 과학적, 철학적, 역사적, 사회적 맥락을 알 수 있는 포괄적 접근이 가능하다고 하였다(양승훈 외 4명, 1996).
Argyll(1855)은 이러한 과학사를 과학 교육에 최초로 적용할 것을 주장하였다. 영 국과학진흥협회(British Association of th Advacement of Science: BAAS)의 총재였던 Argyll은 과학교육에 과학사를 함께 가르쳐 역사적 교훈과 과학자들의 일화를 통해 학 생들이 과학에 대한 포괄적 견해를 갖게 할 수 있다고 하였다. 이러한 노력은 19세기 March(1883)에 의해 다시 주장된다. 그는 과학의 오류 가능성과 역사성을 과학사를 활 용하여 기원론적 접근이라 불리는 역사적 순서에 따른 학습 내용 전달로 가르칠 수 있 다 믿었다(양승훈 외 4명, 1996). 1947년 하버드 대학의 총장인 Conant는 과학사에서 볼 수 있는 과학적 탐구과정의 중요성을 강조하였으며 과학사를 통해 일반인들에게 과 학을 가르치는 것이 효과적임을 주장하였다(Matthew, 1994).
미국과 유럽을 중심으로 과학 철학과 과학사(History and Philosophy of science) 를 활용한 과학교육의 도입에 대한 논의는 과학사를 통한 과학교육에 대한 논의와 함 께 활발하게 일어났다. 그 결과 과학교육에서 과학사의 활용에 대한 인식으로 영국과 학교과과정(British National Science Curriculum: BNSC)에서는 HPS가 교과과정의 5%
를 차지하도록 편성되고 있으며, 미국의 과학교육 개혁 보고서인 U.S Project 2061에 서는 과학교육에 HPS의 활용을 강력히 주장하고 있다(Rutherford & Alhlgren, 1989).
우리나라에서 처음으로 과학사를 과학교육에 도입해야 한다는 주장은 송상용(1971) 에 의해 제기되었다. 그는 과학사의 도입을 통해 과학에 별 흥미가 없는 인문·사회계 열 학생들에게 현대 과학을 가르칠 수 있는 방안으로 과학적 결과의 단계를 역사적 방 법과 결과의 분석을 통해 그 패턴과 논리적 관계를 드러내는 논리적 방법이라 제시하 였으며, 이를 통해 학생들에게 과학에 대한 흥미와 자신의 전공 분야 속에서 관련된 새로운 통찰력을 얻을 수 있을 것이라 주장하였다(양승훈 외 4명, 1996). 하지만 이 시기는 수업 모델 혹은 구체적 교수전략이 거의 이루어지지 않은 과학사 도입의 주장
이었고 1990년대 중반 이후에서야 과학 교육에 과학사를 도입하려는 실질적 시도가 이 루어졌다(김현미, 2006). 이후 양승훈은 ‘물리학과 역사’(1997)를 통해 물리학사를 교재로 과학교육에 도입한 시도를 하였다. 이 교재를 통해 물리학의 성립과정과 개념 을 동시에 제시하였으며 과학사를 도입한 수업을 수행할 수 있도록 학습지도안을 제시 하였다(이정한, 2003).
생물영역에서 과학사를 도입한 연구로는 길학균과 이길재(1998)에 의해 수행된 연 구가 대표적이다. 고등학교 1학년 유전 수업의 멘델의 법칙에 있어 과학사를 통한 개 념 변천 과정을 제시하여 학생들 스스로 오개념을 스스로 확인하고 과학적 개념으로 변화할 수 있게 하였다. 박남이와 이길재(2000)는 과학사를 통한 진화 수업이 학생들 이 과거의 오개념에 노출되고 자신의 개념을 과학적 개념으로 변화시키는 과정을 통해 학습효과의 극대화를 일으킬 수 있음을 보였다. 이처럼 과학사를 적용한 과학교육은 여러 연구자들이 확인하였듯이 학생들의 개념변화와 문제 해결 능력에 긍정적 영향을 주는 것을 볼 수 있었다(김현미, 2006).
3. 과학의 본성 함양을 위한 과학사의 활용
1980년대에 이르러 STS 교육운동, 1990년대의 만인을 위한 과학운동(Science for all)과 과학 역시 문화의 한 부분으로 인식되어야 한다는 주장으로 과학사를 활용한 과학교육이 도입되었고(Jenkins, 1990; Matthews, 1994), 과학의 본성에 대한 이해의 함양을 도구로서 과학사의 활용이 제안되었다(Duschl, 1990; Irwin, 2000; Solomon et al., 1992). 오늘날 초·중등 과학교과에서 인간이 현재의 인식에 도달하기까지에 대 한 맥락이 무시되고 있으며 이로 인해 현재의 인식에 도달하기 위한 추론의 고리가 무 시되어 교사와 학생들이 불완전한 지식을 갖는다(Duschl, 1990). 과학사는 이러한 과 정에 있어 과학 지식이 시대적 배경에 따른 변화와 사회와 문화의 영향을 받는 과정을 보여줌으로서 과학의 본성에 대한 이해를 함양할 수 있다(Solomons et al., 1992). 또 한 과학사를 통해 사회의 구성원으로서 과학자가 미치는 영향, 상호작용과정, 과학사 에 나타나는 과학자들의 창의적 활동을 통해 학생들이 일반적으로 과학에 대해 갖고 있는 극단적인 사실주의를 해소할 수 있다(Irwin, 2000).
과학의 본성에 대한 초기 과정에 있어 주된 초점은 교육과정의 변인과 과학의 본성 에 대한 교육과정의 개발 및 수행으로, 과학 과정 기술 수업과 기초적 과학 활동으로 과학의 본성의 함양을 목표로 하는 암시적 접근과 과학의 본성의 직접적인 제시 혹은
과학이 갖는 역사적∙철학적 요소의 활용으로 계획적이고 의도적인 과학의 본성의 함양 을 목표로 하는 명시적 접근으로 이루어졌다.(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000b). 최 근의 문헌 연구에 의하면 암시적 접근법에 비해 명시적 접근법이 학생들의 과학의 본 성에 대한 견해를 현대적 관점으로 전환시키는 데 더 효과적임을 보여준다 (Abd-El-Khalick & Akerson, 2004; Akerson et al., 2000; Akerson & Hanuscin, 2007). 하지만 과학사를 소재로 한 수업에서 단순히 읽기 자료나 강의의 형태로 과학 사가 제시될 경우 학생들은 그 당시 관점으로 이해하는 것이 아닌 현재의 과학적 개념 과 관점으로 과학사를 이해하는 경향이 있다(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000a). 이 경우 과학사에서 보여지는 과학자의 사고와 추리는 당시의 사회적, 문화적 상황이 고 려되지 않은 채 이해되며 원래의 의도와 달리 과거의 흥미로운 사건 혹은 과거의 잘못 된 개념으로 무시당할 가능성이 높다(Khishfe & Abd-El-Khalick, 2002). 따라서 과학 사의 단순 제시만으로 학생들의 과학의 본성에 대한 현대적 관점으로 전환시키는 것은 한계가 있다. 이러한 한계점을 해결하기 위해 명시적 접근법에 학생들이 자신의 과학 의 본성에 대한 관점을 검토할 수 있는 구조화된 활동의 기회가 제공되는 명시적·반 성적 접근(explicit and reflective approach)이 제안되었다(Lederman &
Abd-El-Khalick, 1998).
국내에서도 과학사를 도입하여 과학의 본성의 함양을 위한 연구가 진행되었다. 정 배현(2003)은 고등학교 1학년을 대상으로 과학사를 활용한 11차시 분량의 프로그램의 개발 및 수업 적용을 통해 학생들의 과학의 본성에 대한 견해와 신념의 변화를 조사하 였다. 연구 결과 과학사를 활용한 프로그램은 학생들의 과학의 본성에 대한 관점과 인 식론적 신념을 현대적 관점으로 전환시키는 데 전통적 수업보다 유의미하게 향상된 효 과를 나타내었다. 진혜진(2011)은 고등학교 1학년을 대상으로 ‘원자 모형의 변천사’
라는 과학사를 활용하여 흐름도를 바탕으로 학생들의 과학의 본성에 대한 견해의 변화 를 조사하였다. 연구 결과 대다수의 문항에서 긍정적인 효과를 보았으나 ‘과학지식의 잠정성’에 관련된 문항은 유의미한 차이를 보이지 못하였다. 박기수(2013)는 고등학 교 과학영재 1학년을 대상으로 ‘과학사 기반 화학자 탐구 프로그램’을 개발하여 학 생들의 과학의 본성에 대한 견해와 과학적 태도, 과학 진로지향도에 미치는 영향을 조 사하였다. 연구 결과 과학의 본성에 대한 견해는 현대론적 관점으로 변화하였으나 과 학적 태도와 진로지향도에 있어서는 통계적으로 유의미한 변화를 보이지 못하였다. 이 처럼 과학의 본성 함양을 위한 다양한 과학사의 활용은 다양한 방면으로 이루어 지고 있다.
4. 2009 개정 및 2015 개정 과학과 교육과정
‘제 7차 교육과정’과 ‘2007 개정 교육과정’의 ‘과학’이 갖는 물리, 화학, 생 명 과학, 지구과학의 내용 간 분과적 특성을 극복하기 위해 ‘2009 개정 과학과 교육 과정’의 ‘과학’은 개별적 과목의 세분화에 앞서 물상과학과 생명과학의 핵심내용을 전체적으로 학습할 수 있도록 고안되었다. ‘과학’의 제 1부 ‘우주와 생명’에서는 우주의 탄생에서부터 지구상의 생명체의 출현에 이르는 과정에 이르기까지 중요한 과 학적 개념의 이해를 통해 그 과정에서 창의성과 그 과정을 밝혀내기까지 과학자들이 가졌던 의문과 창의적 문제 해결 방안으로 과학의 본성뿐만 아니라 과학자들의 삶을 통해 인성적 측면까지 배울 수 있다. 제 2부에서는 현대 문명에 첨단 과학기술의 기여 를 이해하고 이에 관련된 기초적 과학개념을 통해 민주화된 과학기술 사회의 구성원으 로서 올바른 문제 파악, 의사소통, 판단, 문제 해결능력을 갖추도록 한다(교육과학기 술부, 2009a).
이와 같은 과학의 본성 교육에 대한 강조는 2015 개정 과학과 교육과정에서도 그 기조를 유지하고 있다. 공통과목에 해당하는 ‘과학탐구실험’에서는 과학의 본성이라 는 핵심 개념을 포함시켰으며 과학자들이 수행하였던 역사적 실험을 통해 과학의 본성 을 이해시키고자 하고 있다. 또한 2015 개정 과학과 교육과정은 과학사의 활용에 있어 선택과목 ‘과학사’를 통해 과학의 본성에 대한 이해를 강조하고 있으며 과학의 발달 과정을 역사적으로 고찰하여 과학의 본성의 이해를 지도하고자 하고 있다. 선택과목의 융합과학 역시 주요 과학 개념의 파악에 있어 그 과정을 밝혀내기 위한 과학자들의 의 문, 창의적 해결방안을 통해 과학의 본성에 대한 이해를 명시하고 있다. 이와 같이 2015개정 교육과정의 각 과학과 과목은 공통적으로 학생들의 지적 호기심과 학습 동기 를 자극하기 위한 과학사의 활용의 장려와 단편적 과학의 본성에 대한 교육에서 벗어 나 과학의 본성적 요소에 대해 과학의 잠정성, 과학적 방법의 다양성, 과학 윤리, 과 학･기술･사회의 상호 관련성, 과학적 모델의 특성, 관찰과 추리의 차이로 구체적 나열 하고 이를 위한 적절한 소재를 활용할 것을 명시하고 있다(교육과학기술부, 2015).
현대 사회에서 최소한의 과학 지식과 과학적 소양의 함양이 필요하다는 데에는 모 두가 공감한다. 학생들의 대부분은 과학과 직접적인 관련이 없는 진학 및 사회 진출을 할 것 이기 때문에 과학의 기본 지식을 학습하는 것 못지않게 중요한 것이 과학을 통 한 창의성과 민주시민의 일원으로서 자신의 생각에 따라 판단하고 이웃과 소통하기 위 해 높은 수준의 인성이 필요하다. 이런 의미에서 ‘2009 개정 과학과 교육과정’의
‘과학’과 ‘2015 개정 과학과 교육과정’은 과학적 소양을 토대로 창의성과 인성을 두루 갖춘 인재 육성이 목표이다. 이러한 과정에 있어 자연을 과학적으로 탐구하는 능 력은 학생들이 사회로 진출하여 활동할 때 과학지식보다 탐구의 자세와 문제 파악 및 해결방식이 더 큰 도움이 되기에 중요하다. 문제 파악 및 해결방식은 과거 과학자들의 이야기를 통해 어떻게 과학적 발견이 이루어졌는지, 그 발견이 어떤 과정을 통해 핵심 기술로 발전하게 되었는지를 통해 효율적으로 학습할 수 있다(교육과학기술부, 2009b). 이처럼 과학과 교육과정은 과학적 소양을 함양하기 위한 과학의 본성에 대한 교육 뿐만 아니라 그 과정에 있어 과학사의 활용을 적극 제시하고 있다.
5. 과학사를 활용한 과학의 본성 함양 선행연구 고찰
정배현(2003)은 7차 교육과정 고등학교 1학년 과학의 ‘Ⅰ. 탐구’ 단원과 ‘Ⅳ.
생명’ 단원에서 과학사의 적용 가능 단원을 선정하여 17차시의 수업 프로그램을 개발 하였다. 고등학교 1학년 학생 70명을 대상으로 수업처치에 대한 과학의 본성 견해 변 화를 VOSTS(Views On Science-Technology-Society, Aikenhead, G. S. & Ryan, A.
G.,1992) 중 9문항을 추출하여 검사한 결과 통계적으로 유의미한 향상을 보였다.
김영희(2004)는 중학교 3학년 138명(처치 집단 68명, 통제 집단 70명)을 대상으로 과학사와 소집단 토론을 이용한 수업이 학생들의 과학의 본성에 대한 견해에 미치는 영향을 조사하였다. 5차시 분량의 소집단 토론 수업을 통해 변화한 학생들의 과학의 본성에 대한 견해를 Aikenhead et al.(1989)와 Solomon et al.(1996)을 바탕으로 노태 희 등(2002)이 사용한 검사 도구를 활용하여 과학 이론의 정의, 모델의 성질, 과학 이 론의 잠정성, 과학 이론의 성질에 대해 측정한 후 2개월뒤 다시 파지검사를 실시하였 다. 검사결과 과학 이론의 성질에 대한 문항 중 ‘과학이론은 창조된다’라는 관점과
‘창의력’에서 통제 집단과 처치 집단에서 현대론적 관점과 거리가 먼 답변이 나왔으 며 파지검사 결과 ‘과학 이론의 정의’문항에서만 처치 집단이 유의미한 차이를 유지 할 뿐 다른 문항에서는 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 못하였다.
유미현, 여상인, 홍훈기(2007)은 중학교 3학년 2학급 78명(처치 집단 39명, 통제 집단 39명)을 대상으로 기원론적 접근법을 통해 개발된 49쪽 분량의 교재를 통한 24차 시의 수업처치 후 VOSTS(Views On Science-Technology-Society, Aikenhead, G. S. &
Ryan, A. G.,1992) 중 8문항을 추출하여 과학의 의미, 과학자의 특성, 과학 지식의 사 회적 구성 및 과학에서의 합의도출, 관찰의 속성, 가학적 모형의 속성, 과학 지식의
잠정성에 대한 학생들의 인식 변화를 연구하였다. 연구 결과 두 집단 간 통계적으로 유의미한 차이가 발견되지 못하였는데 이는 전통적 수업에서 교과서를 통해 기본적인 수업으로 과학의 본성을 배웠고, 기존 교과서에도 과학사적인 내용이 어느 정도 포함 되었으며 소집단 토론이 전체 24차시의 수업 중 2차시에 불과하여 유의미한 차이가 없 었다고 분석하였다.
최준환(2008)은 4개 중학교 3학년생 708명을 대상으로 과학사를 과학수업에 적용하 여 과학의 본성에 대한 이해 발달을 측정하였다. 과학사를 활용한 10차시 수업을 개발 하여 적용하였으며 조별 활동간 교사의 의도적인 과학의 본성제시에 대해 학생들이 스 스로 숙고 해보도록 하는 활동과 학생 스스로 토의와 반성적 활동을 통해 개념을 구성 하도록 하였다. 검사도구로는 이은아(2001)의 ‘과학의 본성에 대한 학생들의 이해 발 달 평가 문항’중 20개를 선정하였고 Lederman et al.(2001)이 개발한 VNOS-C와 VNOS-B문항을 번안 후 정하여 사용하였다. 연구 결과 과학적 지식의 가변성, 과학적 방법을 통한 비판적 검증, 창의성 항목에서 학생들의 전통적 관점이 현대적 관점으로 개선되었으나 과학에는 실험이라는 실증적 과정이 필요하다는 견해에서는 유의미한 변 화가 나타나지 않았다.
도송희, 왕요한, 박종석(2009)은 중학교 3학년 4개학급 152명을 대상으로 통제 집 단과 처치 집단으로 구분한 후 5주간 ‘물질 변화에서의 규칙성’단원에 10차시의 수 업을 적용하여 과학의 본성에 대한 학생들의 인식 변화를 연구하였다. 박종원과 김두 현(2008)의 과학적 탐구의 본성에 대한 진술문의 내용을 재구성한 검사도구는 과학적 탐구 기능 3문항, 과학적 탐구 과정 방법 4문항, 과학적 탐구의 사회성 3문항의 총 10 문항으로 구성되었다. 처치 집단에서 하나의 문항을 제외한 모든 문항에서 과학의 본 성의 이해에 대해 통계적으로 유의미한 향상이 보였으나 탐구 과정과 방법에 대해서는 학생들의 견해가 수업 처치 후 오히려 하락하였다. 연구자들은 반성을 강조한 수업을 하다 보니 과학탐구과정에 대한 이해에 학생들이 집중하지 못한 것을 그 이유로 분석 하였다.
진혜진(2011)은 고등학교 1학년 150명을 대상으로 원자 모형의 발전사에 대한 과학 사에 암시적·명시적 교수법을 적용한 교수학습지도안을 개발하여 수업 처치 후 설문 조사를 통해 학생들의 과학의 본성에 대한 인식 변화를 연구하였다. 안유라(2011)에 의해 만들어진 검사지를 기반으로 제작한 리커트척도 12문항의 설문지는 과학 지식의 잠정성, 과학 지식의 주관성, 과학적 방법에 대한 믿음, 이론과 법칙 사이의 관계, 관 찰과 추리 사이의 관계, 과학자의 창의력, 사회적이고 문화적인 요인에 대한 학생들의
인식을 검사하였다. 연구 결과 전체적으로 학생들의 과학의 본성에 대한 견해가 긍정 적으로 변화하긴 하였으나 설문지 문항 중 과학지식의 잠정성에 대해 묻는 1번 문항에 서는 유의미한 차이가 보이지 않았다. 과학 지식의 잠정성을 묻는 2번 문항에서는 유 의미한 변화가 있는 것을 통해 학생들이 ‘잠정성’이라는 단어에 생소하였고 학교 교 육과정에서 ‘잠정성’에 대한 교육, 토론, 논의할 기회가 부족한 것을 원인으로 분석 하였다.
김희정(2011)은 예술 전공 고등학교 1학년 207명을 대상으로 명시적 수업을 통해 과학의 본성에 대한 인식변화를 연구하였다. 이 연구에서 과학의 본성을 하나의 개념 으로 보고 개념생태를 도입하여 학생들의 과학의 본성 개념 변화과정을 분석하는 틀로 사용하였다. 미술전공의 110명은 실험 탐구를 이용하였고 음악 전공 97명은 과학사를 이용한 각각 8차시의 수업을 진행한 후 과학의 본성 요소별 변화가 뚜렷한 10명의 학 생을 선정하여 2회의 추가 심층 면담을 실시하였다. 선다형 검사지로 VOSTS, 개방형 검사지로 VNOS-C를 수정하여 관찰의 이론 의존성, 과학지식의 잠정성, 과학적 의사결 정, 과학 이론의 사회적 구성, 과학적 추론의 검증, 이론의 가정(가설), 과학적 예상, 과학적 방법, 과학지식의 인식론적 지위 총 9개 과학의 본성 요소에 대한 학생의 인식 변화를 사전·사후 검사를 통해 연구하였다. 검사 결과 과학지식의 잠정성과 관찰의 이론의존성은 연관되어 있음을 알 수 있었다. 8차시의 실험 탐구 수업을 처치한 집단 에서 ‘과학 지식의 잠정성’을 명시적으로 수업하지 않았음에도 불구하고 검사 결과 통계적으로 유의미한 변화를 보였는데 이는 관찰의 이론 의존성과 추론의 특징의 학습 을 통해 자연스럽게 학습되어진 것으로 판단하였다. ‘과학의 사회문화적 내재성’,
‘과학지식의 잠정성’, ‘과학적 방법의 다양성’은 현대적 관점으로 변화한 것처럼 보였으나 심층 면담 결과 중도적 혹은 부분적 변화이거나 단순한 사례의 확장의 개념 으로 이해하는 경향을 보였다. 또한 ‘이론과 법칙’은 수업 처치 후에도 오개념이 고 쳐지기 힘들며 인식변화가 어려웠음을 알 수 있었다. ‘창의적 상상력의 특징’은 학 생들이 창의성에 대한 개념정의를 정확히 해주어야 탐구의 모든 단계에서 사용됨을 이 해시킬 수 있다는 결과를 얻었다.
박기수(2013)은 Renzulli의 심화학습 3단계 모형과 Monk & Osborne(1997)을 기초로 하여 김경순 등(2008)이 구성한 명시적·반성적 수업 모형의 병합을 통해 ‘과학사 탐 구 프로그램’을 개발하였다. 이 프로그램은 17명의 고등학교 1학년 영재학생을 대상 으로 6주간 22차시의 수업으로 진행되었으며 Aikenhead & Ryan(1992)이 개발한 114개 의 선다형 문항인 VOSTS(View On Science-Technology-Society) 중 8문항을 추출한 유
미현(2008)의 검사도구를 이용하여 학생들의 과학의 본성에 대한 인식 변화를 조사하 였다. 검사도구는 과학의 정의, 과학자의 특성, 과학자의 정직성, 과학지식에 미치는 개인의 영향, 과학에서 합의 도출, 관찰의 이론의존성, 과학적 모형의 속성, 과학지식 의 잠정성에 대해 검사를 하였으며 검사결과 과학적 모형의 속성 요소에서만 통계적으 로 유의미한 차이가 나타났다. 나머지 요소에서 통계적으로 유의미한 변화가 없는 이 유를 학생들이 실증주의적 견해와 과학사를 단순히 과거의 잘못된 지식이라 인식하는 문제점으로 인하여 과학의 본성에 대한 인식 변화가 일어나지 못하였다고 분석하였으 며 과학지식의 잠정성 영역은 사전검사에서 이미 대다수의 학생들이 현대적 관점을 갖 고 있어 통계적으로 유의미한 변화를 보이지 못한 것으로 분석되었다.
변혁재(2013)는 과학사를 활용하여 초등 과학영재학생의 과학의 본성에 대한 인식 변화를 연구하였다. 초등 과학 영재 4,5,6학년 66명(처치 집단 33명, 통제 집단 33명) 을 대상으로 10개의 과학사 프로그램을 적용한 연구는 과학의 본성에 대한 초등학생들 의 견해(노태희 등, 2002) 연구에서 사용된 과학의 본성 검사지를 통해 과학의 목적, 과학 이론의 정의, 모델의 성질(상상력), 과학 이론의 잠정성, 과학 이론의 성질(창의 성)에 대한 각각 1문항씩 총 5문항으로 구성된 선다형 검사지를 사용하였다. 연구 결 과 처치 집단에서 통제 집단에 비해 과학의 본성에 대한 견해가 통계적으로 유의미한 향상을 보였다.
김도욱(2015)은 주제에 따른 과학사-역할놀이를 예비초등교사 215을 대상으로 적용 하여 과학의 본성에 대한 이해를 측정하였다. 멘델레예프의 주기율표 변천과정을 역할 놀이 프로그램에 적용하여 VOSTS(Views On Science-Technology-Society, Aikenhead, G. S. & Ryan, A. G.,1992)를 학생들의 수준에 맞게 고안(김도욱 등, 1995)한 문항을 사용하여 관찰의 이론 의존성, 과학지식의 잠정성에 대한 요소를 측정하여 처치 집단 에서 통제 집단에 비해 통계적으로 유의미한 향상이 있음을 확인하였다. 특히 관련 지 식의 수준과 흥미가 낮고 역할놀이 활동이 어렵다고 느낀 그룹이 오히려 그렇지 않은 다른 그룹에 비해 과학의 본성에 대한 인식 수준이 더 높게 나타났다는 연구 결과는 과학사의 제시에 있어 관련 지식에 대한 흥미, 난이도의 고려뿐만 아니라 시계열적 배 열역시 중요함을 시사한 연구였다.
Solomon et al.(1992)은 영국의 11세부터 14세 중학생 5개 학급을 대상으로 18개월 에 걸친 과학사 프로그램을 통해 학생들의 과학의 본성에 대한 견해를 조사하였다. 학 생들을 대상으로 한 과학에 있어서 실험, 가설 설정과 예측, 과학적 이론과 법칙, 과 학의 본성적 지식에서 이론의존성 등을 면담과 설문조사를 통해 조사하였다. 연구 결
