STEAM R&E
Student Guide Book
김성원(이화여자대학교) 외 5명
주제 선정하기 1
Quick Guide STEAM R&E
Student Guide Book
•관심있는 주제
•다양한 자료 검색
•브레인스토밍
연구 아이디어 떠올리기
•구체적인 질문 만들기
•‘어떻게’, ‘무엇이‘, ‘언제’,
‘누가’, ‘어떤’을 이용해보자.
예비 연구주제 만들기
•독립변인과 종속변인 찾기
•내게 필요한 지식이나 실험기구는 무엇인가?
연구주제 구체화하기
가설 만들기 2
•p.14 참고
•여러가지 가설 예시를 참고하여 만들어보자.
•독립변인과 종속변인의 관계 파악하기
•가설 예시 만들어보기
가설 초안 만들기 가설 작성해보기
•내가 만든 가설은 “검증 가능한” 진술인가?
•변인의 관련성을 어떻게 확인할 것인가?
검증 가능한 가설
자료 찾기 3
•다수 유사 검색어 정하기
•영문 검색어 정하기
주제 관련 전문기관 또는 전문가 정하기
학술논문 찾기
자료 찾기 도서관 검색
구글 스칼라 검색
공공기관 검색
전문가 자문 주제 관련 검색어 정하기
연구 설계 – 연구 계획서 작성 4
해결방안 탐색 영역 구체적 지식의 활용 변인의 조작적 정의
수집과 오차
•숫자와 단위가 표현된 데이터
• 실험군과 대조군을 수학적으로 비교하기 위한 데이터
• 측정값에는 오차가 생기므로, 오차를
•숫자 측정이 아닌 변화를 기록
• 관찰을 통해 특성(색상, 냄새, 질감 등)을 기술
• 서술적 설명 외에도 범주, 빈도, 질적 데이터
STEAM 연구에서는 양적 측정이 많으나 질적인 설명으로 양적 데이터의 해석을 보완해줌
양적 데이터
결론 도출 8
자료 찾기
제목 작성하기 10
제목에 들어가야 하는 핵심요소 파악하기
연구내용 요약해보기
정보를 잘 전달하면서도 신뢰할 수 있는 연구 제목의 특징은 무엇인가?
제목의 특성 알아보기
과학 연구 제목이 갖추어야 하는 조건 고려하여 제목 쓰기
제목 작성해보기
통계 6 실험값을 표와 그래프로 나타내기 7 연구보고서 작성 및 발표 9
법칙 및 결론 도출 관찰
연구
관찰 결과 해석 및 결론 도출
가설의 시험
자연 현상 관찰 주제 선정 관찰 방법 및 절차의 고안
관찰 수행
가설 세우기 가설의 검증
NO
YES
귀납적 탐구방법가설 연역적탐구방법 결론 도출을 위한 사전 작업 데이터 특성에 적합한
그래프 선택 꼭 필요한 데이터를
포함하기 결과 해석
표 작성하기
그래프 작성하기 독립변수와
종속변수에 따라 자료 정리
결과 정리
연구 결론 및 기대 효과 작성
결과는 알기 쉽고 정확하게 정리하자!
모든 자료의 출처는 정확하게 밝히기!!
연구 방법 및 결과 작성
참고문헌 작성 및 전체 문서 양식 맞추기 보고서 서식 및
체계 확인하기
발표 형식 확인 및 발표 준비 구두 발표
포스터 발표 연구 목적과 필요성을
논리적으로 작성한다 연구 목적 및 이론적 배경 작성하기 표본에서 얻은 통계치로 모집단의 현상과 특징을 추정
• 가설검증
•카이 제곱
•t-test
•상관관계
• ANOVA 추리통계
모집단이나 표본으로부터 수집된 자료의 특성치 구하기
•중심경향성: 최빈수, 평균, 중간값
•분산도: 범위, 사분위수 범위, 표준편차, 분산 기술통계
차 례
자유 주제 탐구란 무엇인가? ……… 5
1. 주제 선정하기 ……… 7
2. 가설 만들기 ……… 11
3. 자료찾기 ……… 15
4. 연구계획서 작성 ……… 19
5. 측정 데이터 수집과 오차 ……… 31
6. 통계 ……… 35
7. 실험값을 표와 그래프로 나타내기 … 39 8. 결론 도출 ……… 49
9. 연구보고서 작성 및 발표 ……… 53
10. 제목 작성하기 ……… 59
부 록 1. 연구노트 사례 ……… 65
2. 연구윤리 및 위반 사례 ……… 66
3. 온라인 표절검사 ……… 70
4. 실험실 안전 ……… 72
5 자유 주제 탐구란 무엇인가?
① 자유 주제 탐구 는 학생들이 궁금하던 문제를 찾아 과학적인 방법을 사용하여 해결하고 이를 다른 사람에게 알리는 일체의 과정을 말한다.
② 자유 주제 탐구는 학생들이 스스로 문제를 찾고 이를 해결하기 위한 방법도 스스로 고안하여 문제를 해결하는 것이다.
③ STEAM R&E 는 자유 주제 탐구의 좋은 예인데 우리가 경험하는 생활 속에서 학생 스스로 문제를 찾되 융합적인 문제를 찾거나 문제를 해결할 때에 융합적인 방법 을 활용하는 학생 활동을 말한다.
④ 탐구 주제는 학생들이 늘 경험하는 즐거워하는 내용이어야 하며 학생들이 스스로 해결이 가능한 내용이어야 한다. 학생들이 볼 때 재미가 없거나 해결하기 어려운 주제는 절대로 피해야 한다.
⑤ 주제가 선정된 이후에는 이로부터 학생들이 궁금해하고 해결이 가능한 구체적인 연구 문제를 설정 해야 한다.
⑥ 연구 문제를 해결하기 위한 구체적인 연구 설계 가 필요하다. 연구 설계에는 연구 문제를 포함하여 연구 내용, 과학적인 연구 방법, 예측가능한 결과 등을 담고 있어야 한다.
⑦ 과학적인 연구 방법에는 연구 대상, 연구 기간, 데이터 얻는 방법, 데이터 분석하는 방법, 결론 도출방법 등이 포함되며 이 모든 방법에는 다른 사람들이 동의할만한 타당한 논리적인 근거를 제시해야 한다. 물론 학생들 수준으로 작성하기에는 쉽지 않지만, 최선을 다해야 한다.
⑧ 최종 결과를 얻게 되면 이를 다른 사람에게 알리는 과정이 필요하다. 본인의 결과를 소개하는 목적으로도 필요하지만, 다른 사람으로부터 비평을 통해 본인의 연구에서 부족한 점을 알고 훨씬 더 나은 연구로 개선하는 과정으로서 꼭 필요하다.
연구 구상하기: 주제 선정하기
1
7
첫째, 연구를 위한 아이디어를 생각하는 데 도움이 되는 방법을 알아보고, 결정한다.
둘째, 가능한 한 여러 연구주제를 나열해본다.
셋째, 떠올린 연구주제를 실제로 수행할 수 있는 실험 가능한 질문의 형태로 바꿔본다.
아이디어 떠올리기 내가 연구하고 싶은 것은 무엇인가?
연구 수행
연구 수행하기 연구 노트 작성하기
자료 수집하기
내 주제 깊이 알기 다음 내용에 대한 이론적 배경 조사
•독립변인과 종속변인
•연구해야할 대상 연구 설계하기
실험하고자 하는 변인 결정하기 연구실 자원과 도구 확인하기 결과 보고하기
과학 연구 보고서 작성하기 포스터 발표 또는 구두 발표
연구계획서 작성 가설 만들기 시범실험 수행하기 연구도구 익히기, 과학적 글쓰기 통계 분석
통계 돌리기 자료를 표나 그래프로 변환하기
패턴 찾기 데이터 해석하기 자료가 의미하는 것이 무엇인가?
가설 받아들이거나 기각하기 연구 결과가 어떤 의미를 가지는가?
과학 연구를 수행하기 위해 먼저 해야할 일은 연구주제를 결정하고 전체적인 연구 방향을 떠올리는 것이다.
어떻게 하면 연구주제를 정할 수 있을까? 평소 내가 가지고 있던 궁금증이나 과학 수업시간에 배웠던 것, TV나 매체를 통해 접했던 것들을 떠올려보자. 또는 일상 속에서 불편했던 것이나 문제점을 찾은 것이 있다면 그것도 좋다. 이런 과정을 거쳐 찾은 아이디어중, 내가 더 알고 싶은 것을 연구주제로 삼을 수 있다. 이 과정은 과학 연구를 설계하는 데 필요한 과정이다.
그렇다면 과학 연구는 어떻게 이루어질까? 다음은 STEM 연구 과정으로 소개된 절차이다.
[그림 1.1] STEM 연구 과정 여기에서는 다음의 내용을 다룰 것이다.
주제 선정하기
1
* Harland, 2011
*
•내가 관심이 있는 주제(topic)를 선택한다. 내가 평소에 더 알고 싶었거나 궁금했던 주제가 있을 것이다. 주제를 선정하면 꽤 긴 시간 동안 그 주제에 관해 연구하게 된다. 그러니 신중하게 선택하자.
•인터넷으로 검색해보자. 이미 수행된 연구 프로젝트나 보고서를 포함하여 내가 수행하게 될 분야 전반에 대한 일반적인 정보를 수집해보자.
•TV나 인터넷에서 내가 들어본 적이 있는 주제를 떠올려보자. 무엇이 있었는가?
•내 가족과 관련된 이슈를 생각해보자. 특정한 주제에 내가 관심이 가는 개인적인 이유가 있을 수도 있다.
•과학책이나 수학책, 과학 잡지 등을 펼쳐보고 아이디어를 얻자.
•최근 학교 과학 시간에 어떤 실험을 해보았는가? 그 실험에서 연구대상은 무엇이었나? 더 알아보고 싶었던 것이 있었다면 무엇인가?
연구 아이디어는 어떻게 떠올릴 수 있을까? 평소에 내가 관심을 가졌던 대상이나 하고 싶은 과학 연구 분야가 있었다면 정리해보자. 이 단계에서는 가능한 한 많은 아이디어를 떠올리는 것이 좋다. 브레인스토밍, 친구와의 논의, 자료찾기 등 여러 가지 방법을 통해 아이디어를 생각해보자. 아래 제시된 방법을 활용해도 좋다.
1.1 연구 아이디어 떠올리기
연구주제를 결정했다면 이제 해야 할 일은 구체적인 형식의 질문을 만드는 것이다. 이때, “왜” 질문보다는
“어떻게, 무엇이, 언제, 누가, 또는 어떤”을 이용해 질문을 만들어보도록 하자. “왜 물고기 수정체는 사람의 수정체와 다르게 생긴 걸까?”라는 질문은 범위가 너무 넓어서 실험을 통해 알아보기가 어렵다. 이 질문을 좀 더
연구 구상하기: 주제 선정하기
1
9
앞서 연구주제를 결정했다면, 실제 연구를 수행할 수 있는 주제로 구체화해야 한다. [그림 2]에 있는 질문들을 활용해보자: 내가 연구할 분야(연구주제)는 무엇인가?, 내가 조작하거나 변화시킬 수 있는 것은 무엇일까?
(독립변인), 어떤 효과를 측정할 수 있을까? (종속변인), 내가 필요한 지식이나 기술, 도구에는 무엇이 있는가?
내가 조작하거나 변화시킬 수 있는 것은? (독립변인)
내가 측정할 수 있는 효과는
무엇인가?
(종속변인)
내가 필요한 지식, 기술이나 도구는
무엇인가?
1.2 연구주제 구체화하기
[그림 1.2] 연구주제 파고들기
내가 선택한 (예비) 연구주제에 대해, 위 질문을 스스로에게 던져보고 대답을 가능한 한 많이 만들어보자.
다시 말해, 한 가지 연구주제에 대해 여러 가지 연구 조합이 나올 수도 있다. 이 때 모든 질문에 완벽하게 답을 할 필요는 없다. 브레인스토밍을 통해 하나의 연구주제로부터 다양한 조합들을 만들어내는 것이 이 단계의 목표임을 잊지 말자. <표 *>는 이 단계에 적용할 수 있는 샘플이다. 이를 참고해보자.
연구하고 싶은 분야: 식물 연구하고 싶은 분야: 식물
내가 조작하거나 변화시킬 수 있는 것은 무엇일까? (독립변인) 내가 조작하거나 변화시킬 수 있는 것은 무엇일까? (독립변인)
□ (태양)빛의 양
□ (태양)빛의 양
□ (태양)빛의 투과도나 색상
□ (태양)빛의 투과도나 색상
□ 식물을 담은 박스의 사이즈나 재질
□ 식물을 담은 박스의 사이즈나 재질
어떤 효과를 측정할 수 있을까? (종속변인) 어떤 효과를 측정할 수 있을까? (종속변인)
□ 식물의 성장 속도
□ 식물의 성장 속도
□ 열매 맺음의 유무
□ 열매 맺음의 유무
□ 식물에서 새로 나는 잎사귀 수
□ 식물에서 새로 나는 잎사귀 수
□ 식물 줄기 당 잎사귀 수
□ 식물 줄기 당 잎사귀 수
□ 식물 뿌리의 성장 속도
□ 식물 뿌리의 성장 속도
내가 필요한 지식이나 기술, 도구에는 무엇이 있는가?
내가 필요한 지식이나 기술, 도구에는 무엇이 있는가?
□ 식물은 어떻게 성장해나가나? 통제된 환경에서 식물이 성장하는 데 필요한 요소는
□ 식물은 어떻게 성장해나가나? 통제된 환경에서 식물이 성장하는 데 필요한 요소는 무엇인가?
무엇인가?
□ 식물 연구에 적합한 식물의 종류는 무엇인가?
□ 식물 연구에 적합한 식물의 종류는 무엇인가?
□ 식물의 뿌리나 줄기 구조에 영향을 주지 않고자 할 때, 식물의 성장 연구는 어떻게
□ 식물의 뿌리나 줄기 구조에 영향을 주지 않고자 할 때, 식물의 성장 연구는 어떻게 수행할 수 있을까?
수행할 수 있을까?
□ 식물을 흙에 심지 않고 다른 곳에 심어서 연구하는 것이 가능한가?
□ 식물을 흙에 심지 않고 다른 곳에 심어서 연구하는 것이 가능한가?
□ 뿌리, 줄기, 잎의 색깔
□ 뿌리, 줄기, 잎의 색깔
□ 식물의 상태 (영양소 결핍 유무)
□ 식물의 상태 (영양소 결핍 유무)
□ 벌레 유무
□ 벌레 유무
□ 뿌리 길이
□ 뿌리 길이
□ 온도와 습도
□ 온도와 습도
□ 물의 양
□ 물의 양
수행 가능한 연구 프로젝트 어떤 분야를
연구해야 할까?
1. 연구 프로젝트를 위한 아이디어를 얻기 위해 갔던 장소를 최소 세 군데 이상 나열해보자. 어디를 다녀왔으며, 왜 그곳에 갔는가? 그곳에서 무엇을 얻었나?
2. 내가 선정한 연구 주제 아이디어를 1~3순위를 기술해보자.
3. 각각의 연구주제를 실험이 가능한 질문으로 만들어보자. 내가 가장 관심이 가는 연구질문은 무엇인가?
직접 해봅시다!
연구문제 설정하기: 가설 만들기
11
2
첫째, 실험으로 검증 가능한 가설을 쓰는 법을 알아본다.
둘째, 내 연구를 위한 가설 초안을 작성해본다.
셋째, 가설에서 예측의 중요성을 이해한다.
가설은 연구자가 아이디어를 검증하기 위해 만든 “잠정적인”, 즉 임시적 진술문이다. 과학 연구를 수행하는 연구자는 실험을 통해 이 진술문이 받아들여지거나 기각되기를 기대할 것이다. 가설 작성과 관련해 다음 사항을 유의하자. 만일 어떤 실험을 통해 가설이 맞는 것으로 판단되었다 하더라도, 이 한 번의 실험이 변인 간의 특정한 관련성을 확정해주는 것은 아님을 인지하자. 다시 말해, 연구자는 하나의 실험에서는 알 수 없거나 설명할 수 없는 다른 변인들이 있을 수 있다는 것을 이해하고 있어야 한다.
여기에서는 연구문제를 설정하고 실험을 위한 가설을 만드는 방법을 다룬다.
가설 만들기
2
다음은 플라나리아 복제에 물의 산성도(pH)가 미치는 영향을 알아보기 위한 실험 가설의 예시를 나타낸 것이다.
독립변인은 밑줄 표시하였고, 종속변인은 물결 표시하였다.
챕터 1에서 연구주제를 구체화하면서 독립변인과 종속변인을 찾아보았다. 이 챕터에서는 두 변인들 간에 존재할 수 있는 관련성-정적상관 혹은 부적상관-에 대한 예측을 해 볼 것이다. 우선 예시를 들어보자. 시험공부를 한 시간의 절대적 양과 시험 성적의 관계를 알아보고 싶다고 가정해보자. 이에 대해 다음의 두 가지 관련성에 대해 예측해볼 수 있다.
이와 같이 정적 관련성과 부적 관련성을 고려하여 가설 초안을 만들어볼 수 있다. 가설 초안을 만들 때 다음의 예시를 참고하여 만들어보자.
이제 가설 초안을 작성했다면, 문장을 잘 다듬어보자. 내 가설이 다음의 세 가지 요소를 포함하고 있는지 꼭 확인하자.
2.1 가설 초안 작성하기
2.2 가설 작성 예시
① 시험공부를 한 시간이 많을수록 시험 성적은 높을 것이다. (정적상관)
② 시험공부를 한 시간이 많을수록 시험 성적은 낮을 것이다. (부적상관)
• 만일 이 과 관련이 있다면, 예측 것이다.
• 만일 이 변한다면, 은 예측 것이다.
• 이 됨에 따라, 은 예측 될 것이다.
독립변인 독립변인 독립변인
종속변인
종속변인 종속변인
① 만일 플라나리아 복제 속도가 물의 산성도와 관련이 있다면, 산성에서의 플라나리아는 알카리성에서의 플라나리아보다 더 느리게 복제될 것이다.
② 만일 플라나리아가 사는 환경의 산성도가 낮다면, 플라나리아 복제 속도가 감소할 것이다.
③ 플라나리아가 사는 환경의 산성도가 감소하면 플라나리아 복제 속도는 감소할 것이다.
③ 독립변인이 종속변인에 어떤 영향을 줄지에 대한 예측
① 독립변인 ② 종속변인
예측은 일반적으로 차이점을 기술하는 문구를 포함하는데, 예를 들면 증가한다/감소한다, 높아진다/
낮아진다, 더/덜, 또는 빨라진다/느려진다 등이 있다.
연구문제 설정하기: 가설 만들기
13
2
2.3 검증 가능한 가설과 검증 불가능한 가설
① 만일 테니스 코트의 재질이 테니스볼이 튀어 오르는 높이에 관련이 있다면, 거친 표면은 볼의 반동 높이를 감소시킬 것이다.
② 테니스 코트의 재질이 거칠수록, 테니스볼의 반동 높이는 감소할 것이다.
③ 테니스 코트의 표면이 거칠 경우, 매끈한 표면에 비해, 테니스 코트의 재질은 테니스볼의 반동 높이를 감소시킬 것이다.
테니스 코트의 재질은 테니스 볼이 반동할 때의 속도에 영향을 줄 수 있다.
위의 예시에서도 모든 가설은 테니스 코트의 재질과 테니스 볼의 반동 높이 간의 관계성을 기술하고 있음을 확인하자.
가설을 작성할 때 유의해야 할 마지막 점은 반드시 “검증 가능한” 진술이어야 한다는 것이다.
검증 가능한 진술은 두 가지 변인의 관련성을 확인할 수 있는 실험(test)이 명확하게 제시되는 것이다. 다음은 검증 불가능한 진술로 볼 수 있겠다.
위 진술문은 왜 검증 불가능할까? 위 가설이 맞는지 틀리는지 알아보기 위해서 어떤 실험을 해보면 될지 명확히 나타내주지 않고 있기 때문이다. 따라서 위 가설은 검증 불가능하다고 볼 수 있다. 검증 가능한 진술을 작성하기 위해서는, 연구자가 연구대상이나 변인과 관계된 지식을 충분히 알고 있어야만 한다. 즉, 다양한 자료를 찾아 읽어보고 선행된 연구들에는 무엇이 있는지 찾아본 뒤, 내가 궁금한 것을 실험가능한 형태로 질문을 만들어야 하는 것이다.
그렇다면, 내 가설은 검증 가능한가? 이를 연습하기 위해 다음 사례를 살펴보자. 아래 제시된 가설을 읽어보고, 이 가설을 작성한 연구자는 어떤 과학적 사실(지식이나 개념)들을 찾아보고 알고 있었을까? 혹은, 이 가설을 가지고 내가 연구를 수행한다고 할 때, 실험수행에 앞서 반드시 알아야 하는 과학적 사실들에는 무엇이 있을까?
적어보자.
예시 ①증발률은 응축되는 정도로 측정될 수 있다. ②빛의 파장은 빛의 색깔로 결정된다.
③빛의 색깔을 바꾸는 것은 각 식물이 받게 되는 파장을 조절하는 한 가지 방법이다.
만일 증발률이 빛의 파장과 관계가 있다면, 히베르티아 스칸덴스 (Hibbertia scandens)라는 식물을 짧은 파장의 빛에 노출시키면 응축이 덜 일어나는 결과를 가져올까?
앞에서 제시된 1,2,3번의 실험 가설에는 ‘플라나리아 복제 속도’와 ‘물의 산성도(pH)’라는 두 개의 변인을 확인할 수 있다. 그럼 왜 이 두 가지 변인을 선택하였을까? 중요한 점은, 선행연구를 통해 이 두 변인 간의 어떤 관련성이 있다는 것이 이미 검증되었다는 것이다. 가설을 통해 이처럼 검증된 선행연구 결과에 기반하여 어떤 변인 간의 관계를 파악하고 예측한다. 다른 예시를 살펴보자. 아래는 테니스 코트의 표면이다음은 테니스 코트의 표면이 테니스볼이 튀어 오르는 높이에 미치는 효과를 예측하는 실험에서의 가설 예시이다.
1. 내가 만든 가설 초안을 기술해보자. 가설이 독립변인, 종속변인, 둘 사이의 관계(예측)를 포함하였는가?
2. 가설 작성을 위해 내가 찾은 과학적 사실들은 무엇이 있는지 기술해보자.
3. 가설은 검증 가능한 질문인가? 내 가설을 검증할 수 있는 실험은 무엇인지 떠올려보자.
직접 해봅시다!
연구문제 설정하기: 가설 만들기
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3
자료 찾기
3
학생들은 주제를 설정하거나 연구문제를 확정할 때 자료에 많은 의존을 한다. 이는 아이디어를 얻거나 연구 참조할 때 꼭 필요한 과정이다. 여기에서는 학생들로 하여금 연구와 관련된 자료를 찾는 방법이나 팁을 소개하고자 한다.
3.1 단계별 검색 전략
3.2 도서관 검색
• 학생들에게 관심이 있는 자료나 진행하려는 연구와 관련이 있는 자료를 찾기 위해서는 먼저 핵심어, 즉 키워드를 설정해야 한다.
•키워드는 다양하게 동의어, 연관어, 상위어, 하위어 등을 활용하여 지정한다.
•키워드는 하나만 할 수도 있지만 가능한 한 여러 개를 정하여 검색의 범위를 좁혀야 한다.
• 한국어에만 국한하지 말고 외국의 문헌도 참고할 수 있어야 하므로 적어도 키워드의 영어 표현도 잘 알아야 한다.
•최근의 국문 논문에는 반드시 국문, 영문의 핵심어를 표기하도록 하고 있으니 이들을 참고하면 좋다.
• 검색결과가 많은 경우에는 자료 유형(논문, 단행본, 학위논문 등)과 온라인 이용이 가능한지 여부, 소장 위치 등으로 제한한다.
• 일반적으로 도서관에는 단행본, 총서, 연속간행물(신문, 잡지), 전자도서(e-book, 학술지), 학위논문 등의 형태로 자료를 소장하고 있다.
• 최근에는 거의 모든 도서관 자료들을 온라인으로 검색이 가능하다. 어느 도서관에 접속하였을 때 그 도서관에 인쇄물로 소장하였는지, 전자 자료의 형태로 소장하였는지 확인할 수 있다.
• 인쇄물인 경우 분류 기호를 확인할 수 있으며 대출이 가능한지 또는 자료 열람만 가능한지 표기가 되어 있다. 확인된 후에는 직접 방문하여 열람 또는 대출하면 된다.
• 온라인 검색의 경우 특정자료는 접근이 불가하거나 출력이 불가한 경우도 있으니 이러한 경우에는 해당 도서관에 확인해야 한다.
• 해당 도서관에 소장되어 있지 않더라도 원문복사 신청이 가능한 경우도 있으니 해당 도서관에 문의해보면 좋다.
3.3 인터넷 검색
학생들은 대부분 우리나라 포탈 사이트 중 하나인 ‘네이버’ 검색을 즐겨 활용하며 최근에는 동영상 자료인
‘Youtube’를 적극 활용하는 추세이다. 그러나 이들은 개인적으로 작성한 것이어서 그 자료의 참, 거짓을 가늠하기 어렵다. 따라서 개인 블로그나 게시판에서 얻은 자료들은 참고로만 활용하고 반드시 그 정보의 진위를 확인해야 한다. 가능한 한 공공 기관이 제작한 정보제공처를 활용하도록 한다.
우리나라의 자연과학이나 주요 공학관련 국립 연구기관의 홈페이지 주소는 다음과 같다. 이 주소에 게재된 자료를 주로 활용하거나 관련 전문가로부터 정보의 진위 확인을 해야 한다.
가. 공공기관
한국과학기술연구원 www.kist.re.kr/
한국표준과학연구원: www.kriss.re.kr/
한국화학연구원: www.krict.re.kr/
한국생명공학연구원: www.kribb.re.kr/
한국식품연구원: www.kfri.re.kr/
한국지질자원연구원: www.kigam.re.kr/
한국천문연구원: www.kasi.re.kr/
한국해양과학기술원 www.kiost.ac.kr/
한국전자통신연구원 www.etri.re.kr/
한국항공우주연구원 www.kari.re.kr/
한국생산기술연구원 www.kitech.re.kr/
한국과학기술정보연구원 www.kisti.re.kr/
국가 수리과학연구소 www.nims.re.kr/
한국 에너지 기술연구원 www.kier.re.kr/
안전성평가연구소 www.kitox.re.kr/
한국전기연구원 www.keri.re.kr/
한국기계연구원 www.kimm.re.kr/
한국환경산업기술원 www.keiti.re.kr/
국립기상과학원 www.nims.go.kr/
한국기초과학지원연구원 www.kbsi.re.kr/
한국원자력연구원 www.kaeri.re.kr/
국가핵융합연구소 www.nfri.re.kr/
이 국가연구기관 외에도 주요 자연과학이나 공학회 관련 학회들의 홈페이지나 이와 관련된 학과 소재 주요 대학의 홈페이지를 활용할 수도 있다.
연구문제 설정하기: 가설 만들기
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이전의 한국과학 창의재단을 통해 지원받은 STEAM R&E 프로그램 중에서 유사 연구의 전문가를 지도교사를 통해 확인할 수 있으면 도움을 받을 수 있다.
우선 관련 연구의 전문가를 찾는 일이 중요하다. 연구주제와 관련되어 유사한 연구를 수행한 연구자들을 최근 뉴스 등을 검색하여 자문에 적합한 전문가를 찾는다. 또는 연구주제와 관련된 공공기관의 홈페이지를 찾아 적합한 연구자를 찾는다. 그렇지 않으면 거주지 부근의 주요 대학에 관련 학과가 있는지 찾고 그 학과의 교수 명단에서 적합한 전문가를 물색한다. 연구소의 경우 연구소의 기구를 참조하여 해당부서가 있는지 확인하고 부서의 최근 연구 내용이나 분야를 참조하여 전문가를 찾을 수 있다. 필요한 경우에 대학이면 해당 학과장에게, 연구소면 해당 부서장에게 전문가 추천을 의뢰할 수도 있다.
위의 여러 경로를 통하여 적합한 전문가를 찾은 후 본 취지를 잘 설명하고 연구에 대한 개요와 자문 및 자료를 요청할 수 있다. 이때 전화를 활용할 수 있으나 가급적이면 업무 방해를 최소화하기 위해 이메일로 요청한다.
나. 구글 학술 검색
다. 전문가 자문
• 구글 학술 검색(https://scholar.google.com/)을 활용하기 바란다. 여기에서 검색된 자료는 모두 학술자료로서 신뢰할만하며, 단행본이나 학술지에 게재된 전문적인 정기간행물 자료이다. 검색은 앞서 안내한 적당한 키워드를 통하여 검색하면 된다.
•여기에서 검색할 때, 한국어나 영어 키워드를 사용할 수 있다.
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연구 설계 – 연구 계획서 작성
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연구 설계 – 연구 계획서 작성
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문제해결에 필요한 스킬을 이해하는 과정으로 문제를 발견하고 방법을 생각하고 실행하는 흐름으로 문제해결과정을 이해하게 하면서, 흐름으로 생각하여 빈틈을 없애도록 한다. 이 과정에서 방법을 생각 하는 단계에서 목표 달성을 위한 방안 수립을 하게 하는데, 이 과정을 본질적 문제의 발견, 문제해결 방 안을 수립 , 프리젠테이션(설득)으로 나누고 본질적 문제의 발견을 다시 정보 수집, 분석, 정리·통합하여 추출하는 세 과정으로 나눈다. 또한 이 과정에서 필요한 정보를 구분하고, 수집된 정보의 의미를 이해하며, 핵심이 무엇인가를 파악하는 것이 중요하다(Ohmae & Saito, 2003).
* 본문 22페이지 참조
☞ 연구 설계, 문제 해결을 위한 설계 과정에서 해야하는 과업들을 두 세 개의 문장으로 잘 표현해준 ‘맥킨지식 문제해결’의 문구
“연구제안서는 상대방이 거절하지 않도록 신뢰를 주고, 자신을 잘 드러낼 수 있어야 한다. ”*
4.1 연구계획서를 잘 쓰려면?
가. 수준 높은 연구 계획서 작성의 중요성
나. STEAM R&E의 연구계획서가 타당성을 가지고 잘 갖추어져 있어야 하는 이유
다. 과제 선정 조건
연구 계획서는 다른 표현으로 연구 제안서라고도 한다. 연구 제안서는 연구를 수행하기 위한 지원 혹은 허가를 받는 과정으로, 연구 계획서가 높은 수준으로 작성되지 않으면 심사자들이 연구를 승인 혹은 지원하지 않는다.
연구를 주관기관의 지원 없이 수행하기는 어려우므로, 주관기관의 심사자들이 승인해줄 수 있도록 계획서를 작성해야한다.
•STEAM R&E는 제안한 연구 계획서 중에 선발하여 선정한 과제에만 연구비를 지원하기 때문이다.
•연구 제안서는 영문으로 ‘proposal’ 이라는 표현을 사용한다. 이는 청혼할 때 사용하는 propose와 같은 의미를 가지고 있다. 최근에는 결혼을 약속한 뒤로 이벤트 형태로 연인간에 프로포즈 이벤트를 하지만, 원래 청혼은 상대방에게 결혼을 해달라는 요청과 같으므로, 상대방이 수락 혹은 거절할 수 있다. 따라서 상대방이 거절하지 않도록 신뢰를 주고, 자신을 잘 드러낼 수 있어야 한다. 이것을 연구 제안서의 측면으로 해석하면 다음과 같은 측면을 이야기할 수 있다.
과제가 선정되기 위해서는 과제 심사자들이 학생들이 제안한 연구가 ①필요한 연구인지 ②그 계획이 타당하고
③수행 가능한 수준인지 ④연구가 수행됨에 따라 발생할 수 있는 기대효과가 있는지 ⑤학생들은 연구 수행이 가능한 수준인지의 조건을 만족할 수 있어야 하고, 이러한 내용이 연구계획서에 포함되어 있어야 한다.
• 내 제안(계획서)을 받아들여달라
• 내 제안(계획서)는 타당하다
• 내 제안(계획서)은 다른 사람들에게도 어떠한 장점(이익)이나 가치가 있을 것이다
• 내 계획서는 충분히 이행 가능하다
• 나를 믿어달라
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평가 요소 평가 내용
연구 계획의 적절성 및
충실성 (40%)
연구 주제가 선행연구들에 비해 독창성 있으며, 그 내용이 창의적인 방법이나 결과를 요구하는가?
연구 주제 및 배경이 학생들이 실생활에서 해결해야 할 문제 상황에 근거하여 제시되었는가?
다양한 분야*의 지식을 융·복합적으로 활용할 수 있는 주제인가?
*과학, 기술·공학, 수학, 인문·예술 등 STEAM 주요 분야
학생들이 흥미와 호기심, 즐거움을 느낄 수 있도록 학생의 눈높이에 맞는 실천 가능한 연구주제인가?
☞학생 주도적 연구 활동이 가능한 고등학교 수준의 연구 주제인가?
추진체계의 적합성 (20%)
•연구주제 및 배경에서 제시한 [실생활에서 해결해야 할 문제 상황]을 학생들이 직접 해결책을 찾을 수 있도록 연구방법이 제시되었는가?
•선행연구들에 관한 맥락을 파악하여, 표절(자기표절 포함)이 아닌 차별화된 연구계획을 제시하였는가?
*본인 및 타인의 선행연구와의 차이, 참고자료 출처 등을 명확히 기재
•연구의 전체 진행과정에서 학생들이 창의적으로 설계하는 과정이 포함되어 있는가?
•연구 산출물 또는 새로운 아이디어 도출이 가능한 연구 계획인가?
•일상생활 문제 해결 등 가치 있는 연구 결과 도출이 예상되는가?
•본 연구과정을 통해 도출될 것으로 예상되는 연구결과로 새로운 연구에 도전할 수 있는가?
•학생들의 역할 및 학생 간 역할분담 효율성
•지도교사 또는 외부전문가와 학생 간 역할분담의 효율성
•연구 추진 일정의 적절성
•예산 집행 계획의 적절성
4.2 STEAM R&E 과제 평가 기준
•적(?)을 알고, 나를 알아야 백전 백승!
•STEAM R&E의 선정기준은 매년 공개되는 공고문에 간단하게 나와있다.
•과제 선정 기준의 평가내용을 꼼꼼하게 읽어보고 그에 맞게 연구 계획서 작성하자.
•아래의 표는 STEAM R&E 선정기준으로 많이 사용되는 평가 기준으로 2015년 공고된 내용이다.
* 2015년 STEAM R&E 선정 평가 기준에서 발췌
*
연구 주제 선정 후 해야 할 학생들이 연구 주제 선정 후 해야 하는 중요한 활동에는 무엇이 있을까?
연구 계획서 작성을 위해 가장 우선시 되어야하는 과정은 주제 선정이다. 주제 선정 후에 다양한 활동과 사고 과정이 필요하지만, 이를 크게 나누면 ‘해결방안 탐색-가설, 연구방향 세우기’, ‘이론적 토대 마련-영역 구체적 지식을 구조화하기’, ‘변인의 조작적 정의-변인 통제 및 변수 구분하기’ 세 가지로 나눌 수 있겠다.
☞ 아래에 먼저 ‘해결방안 탐색’과 ‘영역 구체적 지식의 활용’ 두 과정에서 사용할 수 있는 활동지를 제시하였다.
활동지를 작성하며 연구계획서에 들어갈 내용을 정리할 수 있다.
4.3 연구 계획서 작성을 위한 활동
해결 방안을 찾아보기 위해 다양한 방법으로 사고하는 단계이다.
가. 해결방안 탐색
발산적 사고: 아이디어(예를 들어, 귀무가설(null hypothesis)과 대립가설, 예측되는 결과, 예상하는 반론 등)을 생각나는 대로 적어본다. (Brainstorming)
사고의 흐름 작성: 자신이 작성한 아이디어에 흐름이 있었다면 순차적으로 적어본다.
핵심 아이디어 추출: 작성한 것 중에 가장 중요한 아이디어를 선택하여 정리한다.
역으로 사고하기: 핵심 아이디어와 다른 시각으로 문제에 접근하여, 놓친 것은 없는지 찾아본다. 다른 사람들도 이런 생각을 했을 텐데, 왜 발명 혹은 활용하지 않았을까? 생각해 본다.
1.
2.
3.
1.
2.
3.
1.
2.
3.
추출한 핵심 아이디어 반대 혹은 다른 시각
*
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4
문제 상황 및 관련 지식을 찾아 연관 지어보는 단계이다.
나. 영역 구체적 지식의 활용
이론적 토대 마련: 관련 연구 논문이나 문헌을 최대한 많이 수집하여 이론적 배경을 정리한다.
특허 기술 검색: 다른 특허 기술 사용이나 침해, 특허 등록에 대비하여 관련된 특허를 검색해 본다.
Refernce list
☞ 참고문헌 작성법을 숙지하여 작성한다.
i. 내용 뒤(Authors, Year) 작성
ii. Reference list에 Authors(Year). title. source.
1. 이번 연구에서 활용할 특허기술이 있는가? 있다면 적어보라.
2. 본 연구의 결과를 특허 등록할 계획이 있는가? 있다면 먼저 등록된 특허가 없는지 확인해 보았는가?
* 모든 활동지는 황요한(2015)의 논문에서 발췌, 수정
*
학생들에게 사고 훈련을 위한 시간이 어느 정도 보장되어 있다면, ‘해결 방안 탐색’ 과정을 먼저하고, 그 탐색한 해결 방안과 관련된 ‘영역 구체적 지식’을 찾아보게 하여 반복적으로 수정해 나가는 것을 권장한다.
하지만 대부분 이러한 시간이 보장되어 있지 않기 때문에, 이 두 개의 활동지는 함께 사용하는 것이 좋을 것으로 보인다. 각 활동들을 위해 추가로 필요한 설명을 아래에 붙이겠다.
•사고의 흐름 작성 : 다양한 아이디어들을 모둠 안에서 내고 나면, 이 아이디어들을 몇 개의 순서 흐름 혹은 유사성을 토대로 묶어 분류할 필요가 있다. 활동지에 있는대로 3개 정도의 흐름으로 아이디어들을 분류한다면, 이 분류가 후에 연구 방법의 흐름을 작성하는데 도움이 될 것이다.
•핵심 아이디어 추출 : 발산적 사고와 사고의 흐름 작성이 끝나면, 분류된 여러 개의 아이디어 중에 우리의 해결 방안으로 가장 적절하다고 생각하는 하나의 아이디어를 추출하여 그 아이디어를 구체화해나가는 방법을 택하여야 한다. 핵심 아이디어 추출은 연구 방향이 한 방향으로 기틀을 잡아가는데 도움이 된다.
•역으로 사고하기 : 이 과정은 내 아이디어의 허점은 없는지, 다르게 생각하면 더 좋은 방법은 없는지에 대해 분석해보는 과정이다. 미래의 내가 실수하는 것을 미연에 방지할 수 있는 과정으로, 대표적인 질문으로는 ‘다른 사람들도 이것을 궁금해했을텐데(혹은 다른 사람들도 이런 것을 만들어보려고 했을텐데), 왜 하지 않았을까? 혹은 왜 이 방법을 사용하지 않았을까?’ 등으로 스스로에게 질문을 던져가는 것이다. 이러한 질문에 대한 대답은 다음 활동지인 ‘영역 구체적 지식의 활용’ 활동을 통해 얻을 수 있다.
•이론적 토대 마련 : 연구 계획서의 중요한 목적은 내 연구가 얼마나 타당한가에 대해 다른 사람을 설득하는 것이다. 이를 위해, 기존의 연구들의 성과와 내가 하고자 하는 연구가 어떻게 다르며, 현재 관련된 이슈가 이러한데, 우리가 하려는 것은 어떤 것이다! 와 같은 등으로 근거가 타당한 논리를 제시할 수 있어야 한다. 이를 위해 우리는 관련 논문이나 문헌을 찾아, 관련된 글들을 정리해둘 필요가 있다.
이론적 토대 마련은 이에 관한 문헌들을 찾아 정리하는 과정이고, 참고문헌을 작성하는 방법을 간단하게 안내해두었다.
•특허기술 검색 : STEAM R&E의 많은 프로젝트들은 연구보다는 개발 쪽에 초점이 맞춰지는 경우가 많다. 이 경우, 개발과 관련된 다양한 직무 발명 자료들이 특허출원 자료에 나타나고 있는데, 이러한 자료들은 포털 검색에서 잘 나타나지 않아 놓치는 경우가 많다. 이러한 부분을 해소하기 위해 활동지에 특별히 특허기술 검색에 대한 란을 따로 만들었다.
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다. 변인의 조작적 정의 ― 변인 통제 및 변수 구분하기
구현 및 조작 요소 결정: 이론 모형 검증을 위한 구현 및 조작할 부분을 결정한다.
실험조건의 명확화: 오차를 줄이기 위해 통제 되어야 할 실험 환경적 조건을 명확하게 한다.
제약조건과 경계 값 고려: 수행의 제약과 실험 조건을 벗어나는 범위를 예상하여 세운다.
변인의 조작적 정의: 조작해야 하는 변인을 정의하고 조작 범위와 단위 등을 명확히 결정한다.
구현할 것/조건
독립변인
종속변인
조작변인 통제변인
예세포의 정상적인
성장/pH2의 조건 온도 수질 세포의 성장정도
통제 변인
실험 환경적 조건
제약조건: 결과 확인이 어렵거나 실험자체를 어렵게 하는 조건이 있다면 기재 센서가 인식할 수 있는 물리적 양, 측정도구의 한계 등
경계 값: 실험 가능한 범위선
예 pH 1-14 중 6-8에서만 실험이 가능하므로, 경계값은 pH 6과 8이다.
☞ 아직 경계값을 모르며, 조작변인으로 설정되어 있다면 다음 문항에 작성
변인 조작 범위 조작 정도와 단위 (얼마 단위로 조작할지)
* 모든 활동지는 황요한(2015)의 논문에서 발췌, 수정
*
우리가 학교 과학시간에 배우는 것은 독립변인과 종속변인, 그 중에 독립변인에는 조작변인과 통제변인이 있다.
라는 정도 일 것이다. 하지만 실제 연구를 하다보면, 이러한 변인들을 어떻게 조작할 것인지, 변인 중에 실제 실험이나 연구의 환경에 영향을 주는 것과 주지 않는 것, 그리고 이에 대한 환경적 요인, 그리고 변인의 조작적 정의에 영향을 주는 경계값 등의 다양한 요인들이 존재하게 된다.
물론 실제 실험을 하면서 이런 요인과 변수에 대해 찾아가야 하지만, 연구를 위해 가설을 세울 때에는 이러한 요인과 변수들을 모두 고려하고, 변수들 간의 관계까지 염두에 둘 필요가 있다. 간혹 어떠한 변수들은 결과에 직접적으로 영향을 주는 것이 아니라, 또다른 변수를 매개로 하여 영향을 주기도 하는 매개변수들이 되기도 하며, 이러한 매개변수들이 나타나는 모형으로 연구 결과를 내야하는 경우에는 이런 변수들의 역할을 규정하지 않으면 바람직한 연구 결과를 내지 못한다.
위의 활동지를 작성하면서 변수들의 역할과 요인간의 관계를 이해하되, 실제 연구 수행중에서도 매개변수가 있을 수 있다는 것을 꼭 염두하면서 실험에 임하길 바란다.
① 모든 연구는 발산(확산)적 사고와 수렴적 사고의 교차 반복이 이루어지며 발전된다.
② 연구 설계는 아래 단계 중 작게는 ‘Define-Ideate’과정을, 크게는 모든 과정을 다 포함할 수 있으므로, 포괄적으로 생각하며 사고를 자주 전환하는 것이 필요하다.
Design Thinking은 최근 각광받는 프로젝트 수행 모형의 하나로 사용되고 있으며, 공학 분야에서 많이 활용된다.
위의 그림 중 아래 “Number of Possibilities”는 각 단계에서 발산적 사고와 수렴적 사고가 반복적이고 교차로 이루어짐을 보여준다. 그래프가 위로 올라가는 구간은 발산적 사고, 아래로 내려가는 구간은 수렴적 사고를 한다고 볼 수 있다.
Tip 1
[그림4.1] Design Thinking의 단계 EMPATHIZE
How do I approach the
callenge?
How do I interpret my
findings?
What do we create?
How do I build my idea?
How do I prove and improve the
idea?
DEFINE IDEATE PROTOTYPE TEST
Number of Possibilities
*
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4.4 STEAM R&E 연구계획서 양식
Ⅰ. 서론 1. 연구의 필요성
•연구의 배경
☞ 왜 이 연구를 시작하게 되었는지, 이 연구가 왜 필요한지, 이 연구를 통하여 어떤 것들을 얻고자 하는지 중심으로 기술
•문제의 착안점
•연구 주제 선정 동기
☞ 연구 주제 관련하여 사전에 진행한 연구가 있는 경우, 언제 어떻게 어디까지 진행되었는지 사실을 바탕으로 세부적으로 기술하고, 사전 연구에 비해 본 연구의 차별성을 구체적으로 제시할 것
2. 연구의 목적
예 따라서, 우리는 OOO가 OOO한지를 밝히고자 한다.
3. 연구 문제에 대한 구체적, 선언적 진술
예 OOO가 OOO에 필요한지를 밝히기 위해, 우리는 XXX, YYY, ZZZ을 수행하여 OOO의 AAA, BBB 관계를 규명할 예정이다.
4. 연구의 제한점
Ⅱ. 이론적 배경
•선행연구로부터 얻은 지식 •선행연구에서 밝히지 못한 것, 선행연구의 한계점
☞ 선행연구와의 차별성 (연구 방법, 연구 내용, 연구 대상)
Ⅲ. 연구 내용 및 방법
•연구 전체의 개관을 인포그래픽으로 나타낼 수 있어야 함.
•픽토그램, 간단한 이미지, 파워포인트를 활용해 제작
* 조선일보디자인편집팀
* 치매 치료 가능성 제시한 줄기세포
치매환자의 피부세포 채취
다양한 세포로 분화 유도
건강한 신경세포로
분화 질병 원인 연구에 이용
신약 물질 시험에 이용 면역세포
[그림 4.2] 연구 과정 제시의 예 [그림 4.3] 목표, 연구 내용 제시의 예
Ⅳ. 연구 추진 체계 및 일정 1. 연구 대상
•왜 이 연구 대상을 선택하였는가를 정확히 이해(생명과학 분야)
•연구 대상의 장점, 단점, 한계, 가능성 및 대상 모델 시스템을 이해하고 설명
•원래 연구 목적에 해당하는 세포와 연구에 사용하는 대체 세포 간의 연관성 설명
•연구 대상이 대체될 경우, 대체 가능한 근거를 설명할 수 있어야 함.
2. 연구 내용 3. 연구 과정 세분화 •주요 활동
4. 세부 연구 방법 및 절차
☞ 연구 내용별 문제 해결을 위한 실험, 기법, 전문가 자문 등 연구 방법과 구체적 연구활동 계획을 기술 5. 분석 방법
A: 연구 주제 확정 및 해결방안 탐색을 위한 그룹 회의 B: 문헌 조사
C: 주제에 적합한 mentor 선정, 전문가 자문 회의 D: 역할 분담 회의, 지식 점검, 기술 점검 E: 연구 방법 구성을 위한 스터디 F: 중간보고서 제출
G: 연구 주제의 가치 및 창의적 접근을 위한 지속적 질문 H: 세부 설계
I: 연구 수행
J: 결과 보고, 최종보고서 제출
년 15 16
월 7 8 9 10 11 12 1 2
A B C D E F G H I J
[그림 4.1] 연구 계획표의 예시*
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Ⅴ. 기대 효과 및 활용 1. 예상 결과
•본 연구를 수행했을 때 결과로 예상되는 내용을 작성한다.
또한 예상한 결과가 계획과 다르게 나타났을 때에 대비한 plan B를 간단하게 작성할 수 있다면 더 좋다.
☞ 2단계 해결방안 탐색의 ‘도표화’ 요소 2. 기대 효과
☞ 본 연구의 예상 결과 및 본 연구를 통해 얻게 될 긍정적 효과, 가치 등에 대해 개략적 기술 3. 사후 활용 계획
☞ 연구 성과의 확산 및 공유 방안, 본 연구 이후 예상되는 후속 연구 및 연계 활동 등에 대해 기술
Ⅵ. 관련 전문가 및 예상 자문 내용
•25p에 있는 ‘영역구체적 지식의 활용’ 활동을 통해 찾은 논문의 저자들 중 해당 분야의 전문가를 찾아볼 수 있음.
•어떤 부분에 대해 문의할 것인지를 구체적으로 작성해두면 좋으며, 사전에 전문가에게 메일을 보내어 자문 요청을 해두고 답을 받았다면, 이 내용을 명시
Ⅶ. 참고 문헌
☞ 문헌자료 및 기타 참고자료의 출처를 명확히 기재할 것
Ⅷ. 부록(분석 기준표, 연구 도구 등)
특허명세서와 논문에서 아이디어와 이론적 토대를 얻자!
•연구 설계를 위한 탐색 과정에서 다양한 포털 검색을 사용할 수 있으나, 실제 STEAM R&E 수행을 위한 이론적 기반을 마련하는 탐색을 위해서는 아래 사이트들을 권장한다.
•KIPRIS 특허정보넷에서는 STEAM R&E를 위한 발명에 대한 아이디어들을 얻을 수 있다.
•GOOGLE SCHOLAR에서는 학문적으로 검증된 문서들을 필터링 해서 볼 수 있는 기능을 지원한다.
Tip 2
KIPRIS GOOGLE SCHOLAR
**
* 황요한(2015) 논문에서 수정, 발췌
** 광역발명교육센터 워크북 발췌
측정 데이터 수집과 오차
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측정 데이터 수집과 오차
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연구를 통해 수집되거나 측정되는 데이터의 종류는 양적데이터 와 질적데이터 로 나뉜다. 양적 데이터는 숫자로 나타내는 데이터로, 수치와 함께 측정단위가 포함되어야 한다. 질적 데이터는 색상, 냄새, 질감 같이 특성을 나타내거나 주어진 상황에 대한 확신(예 “확고함”, “적당히 확고함”, “드물게”)외에도 빈도, 비율로 나타낸다.
STEAM 연구에서는 양적 데이터를 많이 쓰나, 질적 데이터로부터 얻은 설명이 양적데이터의 해석을 보완해주거나 다른 관점을 제공해주기도 한다.
✽양적인 = 수로 표현하는 데이터(정량화)
✽질적인 = 특성을 기술하는 데이터 또는 범주화 할 수 있는 데이터(분류된 데이터)
5.1 양적 데이터
•실험군과 대조군을 수학적으로 비교하기 위해 관측 값을 범주화, 구성 및 분류한다.
✽실험군: 연구자의 의도가 포함된 처치를 받는 그룹
✽대조군: 처치를 받지 않는 자연적이고 일반적인 그룹, 통제반이라고도 함.
✽사전 데이터: 실험이 진행되기 전의 측정된 데이터.
실험군과 대조군이 동질집단임을 확인하고자 시행하기도 함.
✽사후 데이터: 실험 또는 처치가 진행된 이후 측정하는 데이터.
실험이 주는 영향을 확인하고자 시행
✽독립변수: 다른 변수에 영향을 주는 변수
✽종속변수: 영향을 받는 변수, 독립변수에 의하여 변화되는 변수 예 ‘독서시간이 학업성취도에 미치는 효과’를 연구한다면 독서시간이 독립변수이고
학업성취도는 종속변수가 된다.
• 실험을 통해 얻는 데이터는 종속변수의 영향을 알아보고자 양적 측정(면적, 각도, 전도도, 밀도, 전류, 힘, 열, 습도, 길이, 광도, 질량, pH, 압력, 염도, 온도, 시간, 속도, 부피 등)을 하며, 이때 측정값은 숫자와 함께 미터법이나 국제단위계(SI)의 단위를 사용하여 나타낸다.
•실험과정에서는 이전에 수집된 양적 데이터(사전 데이터)와 실험 이후의 데이터(사후 데이터) 간의 차이가 통계적으로 유의미한지를 판단한다.
※ 실험 측정에서의 오차 처리
•오차란 양을 측정하였을 때 생기는 것으로 측정값과 참값의 차이를 말한다.
즉 오차 = 측정값- 참값 이며, 오차가 작을수록 정밀하다고 할 수 있다.
•크기가 큰 것과 작은 것이 같은 오차로 측정되었을 때에는 큰 쪽의 것이 상대적으로 높은 정밀도로 측정된 것이다. 이와 같은 뜻에서 측정의 정밀도는 상대오차 = 오차 ÷ 참값(또는 그의 %) 로 표시하는 것이 편리하다.
•측정은 반드시 오차를 수반하며, 이런 오차는 여러 가지로 분류되지만 대체로 제거 가능한 것과 제거 불가능한 것으로 구별 할 수 있다. 측정에서의 잘못도 오차에 속하지만 이는 주의하면 제거할 수 있다.
참 고
측정 데이터 수집과 오차
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a. 계기 오차
계기 오차는 계기의 최소 눈금이하 1/10 까지를 추정해서 읽을 때 생기는 불가피한 오차를 말하며, 측정하는 사람의 개인차에도 관계된다. 숙련에 의해 오차를 줄일 수는 있으나 원리적으로 완전히 없앨 수는 없다. 보통 계기 오차(σ)는 최소 눈금의 3/10, 즉 0.3으로 잡는다.
b. 우연 오차
오차가 생기는 원인이 불규칙적이라고 생각되는 것이며, 이것이 오차론의 대상이 된다. 측정으로 되풀이하고, 평균값을 사용함으로서 우연 오차를 줄일 수 있다. 따라서 측정을 여러번 반복 수행하여야 한다.
c. 오차해석
측정 결과만으로는 참값을 알 수 없는 경우가 대부분이므로 참값 대신에 평균값을 사용하게 된다.
이렇게 하면 측정값에 대한 신뢰도가 문제가 된다. 신뢰도를 나타내는 방법으로 편차, 표준 편차, 표준 오차를 사용한다.
예를 들어 어떤 물리량 를 N번 측정하고, 측정값 = , 평균값= 라 하면, 평균값 는 이며, 각 측정값에 대한 편차는 이다.
또한 표준편차는 는
이며, 표준오차 는
d. 측정값의 표현
일반적으로 (평균값 ± 표준편차)로 나타내되, 유효숫자의 표현에 유의해야 한다.
e. 측정과 오차
측정에는 반드시 오차가 수반되므로, 측정값은 오차론에 따라 처리하고, 그 결과는 여러 가지 방법으로 표시한다. 측정값은 (수)표, 도표(그래프 등), 실험식 등으로 표시한다.
☞오차를 알고 있는 경우에는 [그림 5.2]의 ㉡과 같이 오차막대를 사용하여 그 크기를 나타낸다.
이다.
[그림 5.1] 잘못된 그래프 [그림 5.2] 양호한 그래프
y단위 y단위
x단위 x단위
* *
㉠
㉡
㉢ σ= 0.3 × (최소 눈금)
* 한국교원대의 물리실험으로부터 발췌
STEM 분야 연구결과 양적데이터 질적(서술적)데이터
생물학 지렁이 성장 환대 위쪽 62조각,
아래는 170조각 환대의 뒤쪽은 핑크, 반대쪽은 갈색
화학 침전 반응 2.1g 밝은 노란색 침전물 = 4 (1-5척도)
지리학 토양비료 360mL 물을 첨가했을 때 토양색은 변하지 않았지만 지독한
냄새가 났다.
물리/공학 장력과 인장압력 87g, 6.4cm 찰칵 소리가 나기 전에 줄에서 큰 소리가 났다.
[표 5.1] STEM 연구를 위한 양적/질적(기술적) 데이터 예시
5.2 질적 데이터
•질적 데이터는 숫자 측정이 아닌 변화를 기록하는 것으로, 관찰을 통해 보이는 것을 설명하거나 특정 범주로 분류하여 얻어진다.
•질적 데이터는 서술적 설명 외에도 범주, 빈도, 비율로 나타낼 수 있다. 빈도를 알아보는 것은 보통 정량화되지 않는 변화들을 찾는데 도움을 준다. 여러 연구 유형별 양적/질적 데이터의 예시를 <표 5.1>에 나타내었다.
통계
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통계는 기술통계와 추리통계로 나뉜다. 기술통계는 수집된 자료의 특성치를 구하는 것이며, 추리통계는 표본에서 얻은 통계치를 가지고 모집단의 모수치를 추정하는 통계적 방법이다.
6 통계
•특성치: 자료의 특성을 나타내는 값, 표본 집단의 특성치를 (표본)통계치라고 함.
•표본집단: 모집단 중의 일부를 뽑아서 만들어진 집단
•모집단: 연구의 대상이 되는 전체 집단
•모수치: 모집단의 특성을 나타내는 값
6.1 기술 통계
기술통계는 수집된 자료(모집단 또는 모집단에서 추출된 표본 집단으로부터 추출)의 특성치를 구하는 것이다.
이때 수집된 자료는 실험에서 나온 숫자 정보이며, 여러 번 실험하여 얻은 실험군과 대조군의 측정값들이다.
일반적으로 ‘중심 경향성’과 ‘분산도’를 알아본다.
가. 중심 경향성
나. 분산도
a. 최빈수
a. 범위 b. 평균
c. 중간값
분산도는 개별 값이 다른 값과 어떻게 다른지를 나타내며 ‘편차’, ‘범위’, ‘분산’으로 알 수 있다. 편차를 통해 평균과 얼마나 다른지를 알 수 있으며, 평균으로부터 퍼져 있을수록 값이 커진다. 분산도를 측정하는 방법으로 범위, 사분위수 범위, 표준편차, 분산의 4가지가 있다.
최빈수는 데이터세트에서 가장 많이 보이는 수를 말한다. 최빈값은 한 개의 값만 있지 않고, 같은 빈도수를 갖는 여러 개의 값이 될 수도 있다.
범위는 분산도를 측정하는 가장 일반적인 방법으로 데이터가 어떻게 퍼져 있는지 나타낸다. 범위는 가장 작은 수와 큰 수 사이의 차이를 측정하여 계산한다.
평균을 계산하는 방법은 모든 값들을 더해서 값들의 개수로 나누는 것이다. 여러 실험을 진행하였고 그 값들을 비교하고 싶다면 평균값을 구하면 된다. 평균은 데이터 값이 거의 대칭을 이룰 때 유용하며, 이상치가 존재할 때에는 데이터가 비대칭이므로 평균 측정에서 오류가 생길 수 있다. 이상치가 있을 때에는 평균보다는 중간값이 더 유용할 수 있다.
중간값은 숫자들을 낮은 것부터 높은 것으로 순서대로 나열하여 가장 가운데 값을 나타낸다. 홀수개의 데이터들이 있을 때는 가운데 값을 의미하나, 짝수개의 데이터들의 중간값은 2개일 수도 있다.
이상치들이 있을 때 중간값을 사용한다.
✽온도 측정 결과가 12, 12, 12, 14, 14, 15, 15, 15, 15, 37, 39 이라면, 가장 많이 나온 15가 최빈수이다.
✽만일 12, 12, 13, 14, 14, 15, 15, 15, 15, 37, 39 라는 온도 값이 있을 때, 범위는 39-12=27이 된다.
✽이상치: 아주 특별히 크거나 아주 작은 관측값, 관측된 다른 값들과는 달리 매우 동떨어진 값
b. 사분위수 범위(=IOQ)
IOQ는 데이터 세트를 도표/그래프에서 네 구간으로 나누어 표현하는데, 측정한 데이터를 각각 25%씩 나눈다. 사분위수 범위는 이상치 데이터를 측정할 때 유용하다.
통계
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c. 표준편차(=SD)
d. 분산
표준편차(=SD)는 변이성을 알아볼 때 가장 빈번하게 사용하는 방법이다. SD가 클수록 각각의 데이터가 평균으로부터 멀리 떨어져 있음을 의미하며, 낮은 SD를 가질수록 평균주위에 데이터들이 몰려있음을 알 수 있다. 모집단을 대표하는 표본이 많을수록 통계적으로 더 정확하므로, 실험을 구상할 때 4-10개 정도가 실험군과 대조군에 포함되어야 한다.
분산은 표준편차의 제곱이다. 분산은 평균으로부터의 평균적인 거리와 더불어 숫자들이 서로 얼마나 퍼져 있는지를 알려주기 때문에 항상 표준편차와 같이 표시되어야 한다.
✽만일 12, 12, 13, 14, 14, 15, 15, 15, 15, 37, 39에서 중간값은 15이다. 낮은 사분위수 중간값은 13이고 높은 사분위수 중간값은 15이다. 사분위수 범위를 구하기 위해서는 이 두 값 사이의 차를 구하면 된다. 즉 15-13=2이다.
가설: 둘 또는 그 이상의 변수간의 관계에 대한 잠정적인 해답을 제시한 진술문이다.
연구가설: 연구문제에 대한 잠정적인 해답으로서 변인의 관계성에 대한 일반적인 진술을 연구가설이라 함.
예 ‘소득수준이 높을수록 사회정책에 비판적 태도를 가질 것이다.’
영가설: ‘집단 간 차이가 없음’으로 정의.
예 ‘소득 수준이 높은 집단과 낮은 집단 간에는 사회정책에 대한 비판적 태도에서 차이가 없을 것이다.’
대안가설: 영가설과 대립관계에 놓여 있는 가설.
예 ‘소득수준이 높은 집단과 낮은 집단 간에는 사회 정책에 대한 비판적 태도에서 차이를 보일 것이다.’
6.2 추리 통계
추리 통계는 수집된 자료로 그 자료가 추출된 모집단의 현상이나 특징을 추정, 예견, 일반화하려는 통계이다.
추리 통계는 그룹간의 차이가 우연인지 실험조치에 따른 결과인 지룰 수학적으로 판단하도록 도와주므로 자료 수집에 신중을 기해야 한다. 추리 통계방법은 ‘가설 검증’, ‘t-test’, ‘ANOVA’, ‘카이 제곱’, ‘상관관계’ 등이 있다.
가. 가설 검증
가설검증은 모집단의 특성에 대한 어떤 가설을 설정한 뒤 표본의 특성치를 통해 그 가설에 대한 채택 여부를 결정하는 방법이다. 연구가설을 영가설로 검증하는 방법으로, 이때 영가설은 통계적으로 기각하기 위해 설정한 가설이다.
추리 통계를 통해 그룹 간의 차이가 유의하다면, 영가설이 틀렸다는 증거를 가지게 되므로 영가설을 기각하고 대안 가설을 받아들일 수 있다.
나. t-test
다. ANOVA
라. 카이 제곱
마. 상관관계
t-test는 실험군과 대조군의 두 표본의 평균이 통계적 유의한 차이가 있는지 판단하게 도와준다. 만일 차이가 존재한다면 영가설을 기각하고 대안 가설을 받아들일 수 있다.
t-test를 사용하기 위해서는 각각의 그룹은 적어도 10개의 값을 가져야 하므로, 동일 환경에서 10번의 개별적인 실험을 통해 얻어진 측정값을 사용하여야 한다.
많은 STEAM 연구에서 ANOVA를 사용하는 데, 독립변수가 하나일 때 분산의 원인이 집단간 차이에 의해 영향을 받았는지를 알고 싶을 때 사용한다. ANOVA 검증 결과가 두 그룹에서 유의한 차이를 보인다면, 두 그룹은 서로 다르다는 것을 나타낸다.
카이 제곱은 종속변수가 성별, 인종, 고소득자, 자동차 유형 같은 질적/범주형 변수 등에 사용된다. 따라서 두 개의 질적 변수 사이에 관련성이 있는 지, 즉 ‘빈도수의 차이가 통계적으로 유의미한지 알기 위해 양적 자료를 사용’하여 검증하는 것이다.
상관관계는 두 변인 사이에 통계적 유의도의 존재 여부를 판단할 때 쓰이며, 변인 사이의 중요성, 강도, 방향성을 알려준다. 상관관계 검증을 계산하기 전에 산포도를 통해 두 변인 사이에 상관관계가 존재하는지를 판단할 수 있다.
대응표본 t검정: 하나의 모집단으로부터 얻게 되는 2개의 수치를 비교하는 분석 독립표본 t검정: 서로 다른 두 집단의 평균을 비교할 때 사용
예 ‘교수법(전통적, 시청각, 개인교수)에 의한 고등학생 1학년 학생의 물리점수 비교 연구’를 수행하고자 할 때, 독립변수는 교수법 1개이지만 전통적, 시청각, 개인 교수법의 3가지 집단으로 나눠져 있다. 이때 각 집단의 평균이 차이가 있는 지를 집단 간 분산과 집단 내 분산을 이용하여 분석하는 방법이다.
대응표본 t검정 독립표본 t검정
한 개의 모집단 두 개의 모집단
평균 비교
하나의 모집단에서 2개의 값 두 개의 모집단의 평균 값 분산 비교가 필요 없음 표준편차, 분산을 먼저 비교해야 함
결과값을 그래프와 표로 나타내기
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그래프와 표는 연구결과를 시각적으로 표현하는데 매우 효과적인 방법이다. 또한 그래프로부터 연구결과에 대한 전반적인 분석과 해석을 하는데 큰 도움을 얻을 수도 있다. 따라서 원자료나 가공된 데이터를 그래프 또는 표로 나타내는 것은 매우 중요하다.
연구의 결과로 얻어진 가공하지 않은 값들을 원자료라고 한다. 이 원자료를 가지고 기술통계나 추리통계 방법을 이용하여 분석한 2차 데이터(가공된 데이터)를 얻기도 한다.
결과값을 그래프와 표로 나타내기
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7.1 그래프로 나타내기
그래프에는 여러 가지 종류가 있는데, 연구결과의 내용에 따라 가장 적합한 그래프를 선택하는 것이 좋다.
선 그래프: 직교좌표계에서 데이터를 나타내는 점들을 선으로 연결하여 나타낸다. 독립변수(x축)의 일정 간격에 따라 종속변수(y축)인 데이터의 추세를 표시하는데 유용하다.
히스토그램: 양적 데이터를 나타내는 그래프. 어떤 특정 값에 대한 빈도수를 나타내고자 할 때 사용한다.
상자 수염 그림: 양적 데이터의 분포를 설명하는데 이용된다. 이 그래프에서는 최솟값, 최댓값, 특이값, 사분위간 범위, 중앙값, 하위 사분위, 상위 사분위를 나타낸다.
산포도: 직교좌표계에서 독립변수와 종속변수를 모두 하나의 점으로 나타내는 그래프이다. 점들의 경향성(기울기)을 통하여 정적 상관관계인지 부적 상관관계인지, 혹은 두 변수들 간의 상관이 없는지를 파악할 수 있다.
막대그래프: 질적 데이터의 분포를 설명하는데 이용된다. 막대의 크기로 특정 카테고리(범주)의 빈도수를 나타낸다.
파이 차트: 마치 피자처럼 하나의 전체 원반을 데이터의 크기에 비례하는 구역으로 나누어 나타내는 원형 차트를 말한다.
방사형 차트: 알아보고자 하는 어떤 특성이 n개의 범주를 가질 때, n개의 축을 그려 이 범주에 대하여 얻어진 값을 각각의 축에 대해 나타내는 평면 차트를 말한다. 마치 거미줄처럼 나타내는 차트이다. 원점을 기준으로 3개 이상 범주의 값들을 비교할 때 유용하게 사용된다.
그래프의 종류
결과값을 그래프와 표로 나타내기
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가. 양적 데이터를 그래프로 나타내기
a. 선 그래프
아래의 선 그래프는 시토키닌이 식물의 성장에 미치는 효과를 나타낸 것이다. x축은 실험한 날의 수를 나타내고 있고, y축은 날마다 측정한 식물의 높이를 나타내고 있다. 그리고 실험그룹과 통제그룹에 대한 결과값을 한 그래프에 모두 표현하고 있어서 결과를 비교하기 쉽다.
•직교좌표계에서 데이터를 나타내는 점들을 선으로 연결하여 나타낸다.
•주로 독립변수를 x축으로, 종속변수를 y축으로 설정한다. 예를 들어, 시간에 대한 결과값의 변화(추이)를 보고자 할 때는 독립변수가 시간이 되므로 그래프의 x축을 시간으로 놓으면 된다.
이때 y축은 종속변수로서의 결과값으로 설정한다.
•선 그래프는 시간의 흐름이나 일정 간격의 항목에 따른 추세를 표시하는 데 유용하며, 특히 데이터 요소가 많고 데이터 요소를 표시하는 순서가 중요한 경우에 적합하다.
엑셀에서 선 그래프를 작성할 때, 유의해야 할 점은 다음과 같다.
•x와 y의 각 축에 대해 변수를 지칭하는 제목과 단위를 반드시 기입하여야 한다.
•축 위에 눈금(주 눈금과 보조눈금)이나 눈금선을 표시하는 것이 좋다. 보조눈금은 생략해도 무관하나 필요하면 포함시키도록 한다. 눈금선은 그래프를 처음 보았을 때 너무 복잡해 보이지 않도록 적당한 개수로 한다.
•위의 그래프와 같이 하나의 그래프에 여러 개의 선 그래프를 그릴 경우 반드시 범례를 달아서 각각의 선 그래프가 어떤 데이터를 나타내고 있는지 알려주어야 한다.
•그래프의 위쪽에 그래프 제목을 포함시키도록 한다. 이는 그래프가 어떤 연구결과를 나타내고 있는지를 신속하게 알려주는 역할을 한다. 또는 그래프 제목을 생략하는 대신 그래프 하단에 그림설명을 첨부하기도 한다.
참 고
(mm)
