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가설 연역적 탐구 실험이 과학 탐구 능력과 과학의 본성에 미치는 영향 및 가설 설정과 검증 과정의 특징 분석

Title
가설 연역적 탐구 실험이 과학 탐구 능력과 과학의 본성에 미치는 영향 및 가설 설정과 검증 과정의 특징 분석
Other Titles
The influence of hypothetico-deductive experiment on science inquiry skills and the nature of science and the analysis of characteristics in the processes of generating and evaluating hypotheses by students
Authors
김지영
Issue Date
2007
Department/Major
대학원 과학교육학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Abstract
과학적 탐구는 자연에서 일어나는 현상을 이해하기 위한 방법으로 자연에 관해 질문을 던지고 그 질문에 대한 답을 찾아가는 과학의 과정을 일컫는다. 과학적 탐구의 대표적 방법인 가설 연역법은 가설을 생성하고 검증하는 일련의 과정으로 가설 연역법에 기초한 탐구 학습은 학생들로 하여금 다양한 탐구 과정 기능을 활용할 수 있게 하고, 과학적 지식이 형성되는 과정을 경험할 수 있게 한다. 과학 교수 학습 과정에서 가설 연역법에 기초한 탐구가 이루어지기 위해서는 구체적인 수업 전략이 필요하며 그러한 전략에 기초한 수업이 학생들에게 미치는 영향에 관한 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 학교에서 가설 설정의 활용 실태와 교사들의 가설에 대한 인식을 조사하였으며(연구 Ⅰ), 가설 연역적 방법에 기초한 수업 모형을 제안하고 이 모형에 기초한 수업이 학생들의 과학 탐구 능력과 과학의 본성에 미치는 영향을 알아보았다(연구 Ⅱ). 또한 가설 연역적 탐구 실험 수행 과정에서 학생들의 가설 설정과 검증 과정의 특징을 분석하였다(연구 Ⅲ). 연구 Ⅰ의 결과, 모든 탐구 과정 기능 중에서 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 것은 자료 해석이었으며 가장 적게 사용되는 것은 가설 설정이었다. 이뿐 아니라 가설 설정 기능은 현장에서 교사들이 가장 활용하기 어려워하는 탐구 과정 기능으로 나타났으며 그 이유로 가설 연역적 수업안의 부재를 가장 많이 언급하였다. 중학교 교사들이 고등학교 교사들보다, 교육 경력이 짧은 교사들이 긴 교사들보다 가설 설정 기능의 활용에 더 어려움을 느끼는 것으로 나타났다. 많은 교사들이 가설을 적절하게 정의하였으나 선택형 문항이 주어졌을 때 소수의 교사들만이 가설을 바르게 선택하였으며 가설과 예상을 가장 많이 혼동하고 있었다. 학교 현장에서 가설 설정을 활용하기에 가장 힘들다고 생각함에도 불구하고, 많은 과학 교사들이 중학생 이상이면 ‘가설 설정’ 수업이 가능하다고 보았다. 가설 설정과 관련된 탐구 실험이 수행되기 위해서는 가설의 명확한 정의에 대한 안내와 가설 설정을 위한 교수 전략이 제시되어야 할 필요가 있겠다. 연구 Ⅱ는 가설 연역적 탐구 실험 수업 전략을 개발하고 이 실험 수업이 학생들의 과학 탐구 능력과 과학의 본성에 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구에서 개발한 가설 연역적 탐구 실험은 가설의 설정과 가설의 검증 부분으로 구성하였으며 가설 설정 부분은 귀추적 이론에 기초하여 구성하였다. 연구 결과 가설 연역적 탐구 실험은 실험의 과정이 안내된 탐구 실험보다 학생들의 과학 탐구 능력 신장과 과학의 본성에 대한 관점의 변화에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 과학 탐구 능력 중 기초 탐구에서는 예상이, 통합 탐구에서는 가설 설정, 변인 통제, 일반화 등이 통계적으로 유의미한 향상이 나타났다. 과학의 본성 중에서는 관찰의 이론 의존성, 과학적 추론, 가설에 대한 관점이 현대적인 관점으로 변화되었다. 가설 연역적 탐구 실험의 효과는 주로 피상적 학습 전략을 사용하는 학생들보다 심층적 전략을 사용하는 학생들에게 효과적이었다. 연구 Ⅲ은 가설의 생성 과정과 검증 과정에서 학생들의 반응의 특징을 분석하기 위한 목적으로 수행되었다. 학생들의 가설 생성 과정을 분석하고 가설을 제안하게 된 근거에 따라 학생들의 가설을 실험 탐색 가설과 배경 지식 탐색 가설로 분류하였다. 실험 탐색 가설은 실험 상황의 탐색으로부터 가설이 도출된 경우이며 배경 지식 탐색 가설은 관련된 배경 지식의 탐색으로부터 가설이 도출된 경우이다. 실험 탐색 가설의 경우, 학생들은 의문 상황의 관찰을 통해 쉽게 발견할 수 있는 변인이나 의문 상황이 일어나기 전과 후에 차이가 나는 변인들을 가설로 제안하였다. 배경 지식 탐색 가설의 경우, 학생들은 의문 상황과 관련된 과거 경험이나 과학적 이론을 떠올려 가설을 설정하였다. 이때 떠올린 배경 지식이 관찰한 현상과 원인적인 면에서 유사성을 가지고 있는 경우의 가설을 본질적 유사 가설로, 현상과 겉으로 드러나는 외적인 면에서 유사성을 가지고 있는 경우의 가설을 표면적 유사 가설로 분류하였다. 본질적 유사 가설은 다른 가설보다 과학적인 설명 가설에 더 가까웠다. 다음으로 학생들의 가설 검증 과정을 분석하고 예측 결과와 실험 결과가 일치하지 않을 경우 학생들의 반응 유형을 예측 확신형, 실험 확신형, 합리적 수용형, 권위 의존형으로 분류하였다. 예측 확신형은 실제 실험의 결과보다 자신의 가설에 기초하여 예측한 결과를 더 신뢰하는 유형의 반응으로 자신이 예측한 결과가 나올 때까지 실험을 반복하여 실시하는 경향을 나타내었다. 실험 확신형은 예측한 결과보다 실험에서 얻어진 결과를 더 신뢰하는 유형의 반응으로 단 한 번의 실험 수행에서 얻어진 결과에 기초하여 가설을 기각하는 경향을 나타내었다. 합리적 수용형은 예측 결과나 실험 결과가 틀릴 가능성을 모두 고려하여 수정하는 유형의 반응이며 권위 의존형은 교사의 의견이나 교과서의 내용에 의존하여 가설의 수용과 기각을 결정하려고 하는 유형의 반응이다. 예측한 결과와 실험의 결과가 일치할 경우 학생들의 반응 유형은 가설의 무조건적 수용 유형과 가설의 조건적인 수용 유형으로 분류하였다. 가설의 무조건적 수용의 유형은 예측된 결과와 실험의 결과가 일치하는 한 번의 실험으로 바로 가설을 수용하는 형태의 반응이다. 반면 가설의 조건적인 수용의 유형은 예측된 결과와 실험 결과가 일치할 경우 반복적인 실험이나 다른 조와의 실험 결과의 비교를 통해 가설의 수용이나 기각을 결정하는 반응이다. 반응 유형 중에서 예측 확신형과 무조건적 가설 수용형이 다른 유형보다 많이 나타났으며 이러한 결과로부터 학생들은 자신이 설정한 가설을 수용하려는 경향이 크다는 것을 알 수 있다.;This study examined the influences of hypothetico-deductive experiment on students' science inquiry skills and students' understanding about the nature of science(NOS) and it investigated the characteristics found in the process of generating and evaluating scientific hypothesis. This study was composed of three part, part I of the study examined the practical use of process skills under the seventh curriculum at secondary school and teachers' perceptions about hypothesis. It was found that data interpretation skill has been used the most frequently and hypothesis formation skill has been used the least in teaching science among all the process skills. In addition to the above result, the most difficult process skill that could be used in science class by science teacher was hypothesis formation. It was mainly due to the absence of teaching strategy for hypothesis formation and partly the lack of discussion skill and cognitive ability. According to result of χ2 test, it was found that the teachers at junior high school had more difficulty in using hypothesis formation skill than the teachers at senior high school. And teachers of short teaching term had more difficulty in using hypothesis formation than the teachers of long teaching term. As a result of the survey, 63.1%of the science teachers participating in the survey properly defined hypothesis. But 5.0% of the science teachers chose the correct answer to the question of hypothesis when it was the objective test and 39.0% of the science teachers regarded hypothesis as prediction. Thinking that hypothesis formation was the most difficult process skill to be used practically in school, more than 90% of science teachers thought that hypothesis skill could be used in junior high school or elementary school. Considering the result of Part I, it was thought that a guide to clear conceptions of hypothesis was needed and many teaching strategies for making experiments related to hypothesis formation was necessary Part II dealt with development of the strategy for hypothetico-deductive experiment and the effects of it on students' science inquiry skills and students' understanding about the NOS. The hypothetico-deductive experiment developed consisted of hypothesis formation and hypothesis evaluation and a part of hypothesis formation was based on abduction theory. The hypothetico-deductive experiment had a more positive effect on the improvement of students' science inquiry skills than the guided experiment. Especially, in the case of base inquiry skills, there was a statistically meaningful improvement in prediction and there was a statistically meaningful improvement in hypothesis formation, controling variables and generalization in the case of integrated inquiry skills. The students at transition state in cognitive level exhibited a statistically meaningful improvement in science inquiry skills. Also, the students that mainly use the deep learning strategy exhibited a meaningful statistically improvement in science inquiry skills. The hypothetico-deductive experiment had a more positive effect on the improvement of students' understanding about the NOS than the guided experiment. The students exhibited more sophisticated understanding in theory dependance of observation, scientific reasoning and hypothesis among the nature of science. The students that use mainly surface learning strategy exhibited more sophisticated understanding in hypothesis. But the students that use mainly deep learning strategy exhibited more sophisticated understanding in theory dependance of observation, scientific reasoning and hypothesis. Based on the result of Part Ⅱ, participating in the process of forming scientific knowledge through hypothetico-deductive experiment could have a positive effect on the improvement of student's integrated inquiry skills and of students' understanding about the NOS. But it was found that there were limitations in improving overall understanding about NOS only by making hypothetico-deductive experiment. Part Ⅲ was carried out with an intention to analyze the characteristics of student' reaction in the process of generating and evaluating scientific hypotheses. As the result of analyzing the process of generating scientific hypothesis, the type of the hypothesis was classified as hypothesis exploring experimental context and hypothesis exploring background knowledge according to ground of generating hypothesis. In the case of the hypothesis exploring experimental context, students suggested as hypothesis the variables that could be easily recognized by observing the situation in question or that had differences after the occurrence of the situation in question. In the case of the hypothesis exploring background knowledge, the students generated the hypoehtsis by recalling experience in the past or scientific theories related to the situation in question. The hypothesis exploring background knowledge was classified as superficially similar hypothesis and essentially similar hypothesis. If the recalled background knowledge was similar to the observed phenomena in terms of the cause, the hypothesis was referred as essentially similar hypothesis. And if the recalled background knowledge was similar to t도 observed phenomena in externally exposed aspect, the hypothesis was referred as superficially similar hypothesis. The essentially similar hypothesis was closer to scientifically explanatory hypothesis than other hypotheses. According to the results of analyzing the process of hypothesis evaluation, when a predicted result didn't coincide with a experimental result, the type of student's responses was classified into the type of confidence in predict, confidence in experiment, rational acceptance and dependance on authority. In the type of confidence in predict, the students trusted a predicted result more than real experimental results and they tended to repeat the same experiment until they obtained the predicted results. In the type of confidence in experiment, the students trusted experimental results more than predicted results and they even tended to reject their hypothesis after executing only the first experiment. In the type of rational acceptance, the students investigated all the possibility of errors of their predict or experiments and revised them. And in the type of dependance on authority, the students depended on teacher or textbook for deciding to accept or reject hypothesis. When a predicted result coincided with a experimental result, the type of responses was classified into the type of as unconditional acceptance of hypothesis and conditional acceptance of hypothesis. In the type of unconditional acceptance of hypothesis, the students accepted hypothesis just after executing only one experiment of which the result coincided with the predicted result. Ane in the type of conditional acceptance, the students decided to accept or reject the hypothesis after executing experiments repeatedly or comparing experimental result with results of other group when a predicted result coincided with a experimental result. Among all the types of response, the type of confidence in predict and the type of unconditional acceptance of hypothesis were found more than other type of responses in evaluating hypothesis. And this result seems to mean that the students had a tendency to accept their hypotheses.
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