유추에 의한 과학 개념 학습 효과

Abstract

People understand a new knowledge domain, namely, the target in terms of a familiar domain, that is, the base. This process is called an analogy. People reason analogically because of deep similarity embedded between the two domains, even they don't seem to be so similar. Schema induction occurs as a result of the mapping the elements of the base onto those of the target. The knowledge is then transferred from the base to the target. There are two ways for this transfer: projection-first processing and alignment-first processing. Projection-first (PF) models propose that analogical processing begins with the base; information first abstracted from the base is projected to the target. Alignment-first (AF) models propose, however, that an initial analogy stage is for a role-neutral alignment; this stage is followed by a directional process of inference projection. Whereas PF models assume that mapping between different knowledge domains is accomplished without alignment, AF models assume that mapping should begin with alignment. The purpose of present study is to test the predictions of these models in three experiments. The main variables to examine these predictions include 'alignment experience' and 'the presentation order of the base and target'. One of the major predictions is as follows: if people abstract a schema only with the base, as PF models predict, they should perform better in an inference task when it is preceded by the base than when it is preceded by the target. If people induce a schema with both the base and the target, as AF models predict, their performance should not differ in the two presentation conditions. Stimulus materials for scientific concepts developed by Donnelly and McDaniel (1993) were used in the present research. For each concept three short passages were constructed. One passage for a simple description condition provided a literal description of the target concept and the other passage for an analogy condition relating the target concept to its base concept. A third condition provided only familiar concepts. Unlike the literal and the familiar conditions, the analogy condition contains explicit structural alignment of the base and the target. The participants of three experiments were college students, but Experiment 3 further included high school students, too. In this research, the solutions of target inference problems were used as an indirect measure to assess the degree of schema induction developed in each condition. Two main dependent measures were a total score and an apt-concept score. The aptness rating task was also carried out to discriminate which analogy passages are more relevant in explaining scientific concepts. Seven out of twelve concepts were selected by the criterion of high aptness to form an apt-concept score in inference problems. This score turned out to be more sensitive than the total score in evaluating the effect of analogy. One further dependent measure was a difference score in Experiment 2, which was the performance difference in problem solving between the second trial and the first trial. In Experiment 1, we compared the familiar and the analogy condition to explore the effect of alignment on schema induction. If people process an analogy via a PF process, their performance should not differ in two conditions, regardless of whether the passages include alignment or not. If people process an analogy via an AF process, participants in the analogy condition would outperform the participants in the familiar condition. The analyses of the total score and the apt-concept score supported the prediction of the AF models. One additional finding was that the apt-concept score showed the benefit of analogy. When analyzed in terms of this score, the performance in the analogy condition was much better than that in the literal description condition. This result was consistent with that of previous studies and provided a basis to use the apt-concept score in analyzing the results of Experiments 2 and 3. In Experiment 2, we examined the effect of the alignment experience within a person. Participants in three conditions of Experiment 1 were all presented with analogy passages with an interval of one month. Even if participants in Experiment 2 have already had the representation of the target concept to some degree, an analysis of difference score (in apt-concept score) between the two learning trials showed that the familiar-analogy condition produced more solutions than the analogy-analogy condition, indicating that alignment of the base and target elements is important in schema induction and that repetition of alignment is not. We thus obtain another set of data supportive of the AF theory. In Experiment 3, we examined the effects of the alignment experience along with the presentation order of the base and the target. If the presentation order had an influence on schema induction, the PF theory would be supported. There were no effects for the main variables in terms of the total score. The analysis of the apt-concept score clearly shows a three-way interaction by background knowledge, presentation order, and alignment experience. The pattern of results for college students showed different interactions between alignment experience and presentation order, depending upon their levels of background knowledge. High school students showed main effects of alignment experience, which further supported the predictions of the AF models. These findings suggest that to be more effective analogy for the novice, a familiar concept should be presented first and then followed by the alignment of the base and target surely. In three experiments we tested the predictions of contrasting theories regarding schema induction. The effects of alignment found in Experiments 1, 2, and 3 and no main effect of presentation order in Experiment 3 converge in support of the AF models. These results reveal that analogy is first processed by alignment. It should be emphasized that it is not sufficient to induce a schema from a base and that analogical mapping should first begin with the alignment of the base and the target elements. Finally, both the theoretical as well as practical implications of the major results of present experiments were discussed. Further implications of the AF models are considered. ;유추는 친숙한 내용인 바탕을 통해서 낯설고 새로운 내용인 표적을 이해하는 과정이다. 바탕과 표적 간에 심층적 유사성을 통해 서로 다르게 보이는 두 개념 (예, 팽이 회전과 지구 자전) 사이에도 유추가 이루어질 수 있으며, 유추의 결과로 추상적 도식이 귀납된다. 유추의 핵심 단계는 사상으로, 이 과정을 통해서 바탕 정보가 표적으로 전이될 수 있다. 사상 과정에서 구조 정렬이 포함되는지에 따라 두 입장이 존재한다 (여기서 구조 정렬이란, 명제로 이루어진 두 표상 간의 대응이 구조적으로 일치함을 뜻한다). 선투사 입장은 바탕 영역으로부터 도식 귀납이 직접 이루어진 후 표적 영역으로 투사된다고 보며, 선정렬 입장은 바탕 영역과 표적 영역의 요소들이 정렬을 이루어 도식이 귀납된다고 간주한다. 즉, 선투사 입장은 정렬 없이 사상이 일어난다고 보는 반면, 선정렬 입장은 사상이 정렬로부터 시작된다고 주장한다. 이 연구에서는 세 실험을 통해 두 이론의 예언을 검증하고자 하였다. 두 입장의 예언을 구분하는 주된 변인은 정렬 경험과 바탕과 표적의 제시 순서였다. 만약 선투사 이론의 예언대로 도식이 바탕으로부터 직접 귀납된다면, 표적이 선행된 조건보다 바탕이 선행된 조건에서 추론 과제 수행이 더 높아야 한다. 그러나 만약 선정렬 이론의 예언대로 바탕과 표적 모두로부터 도식이 귀납된다면 두 제시 조건 간에 차이가 없어야 한다. 따라서 이들 변인들의 효과를 분석함으로써 이론적 대립을 해소할 수 있을 것으로 기대되었다. 유추는 여러 분야에서 사용되고 있으나, 교육 장면에서 특히 인과 구조를 포함한 과학 개념을 가르칠 때 효과적일 수 있다. 즉 심층적 유사성에 의한 유추는 추상적인 표적 과학 개념을 친숙하고 구체적인 바탕 개념으로 잘 설명할 수 있다. 앞서 언급된 두 이론의 입장을 검증하기 위해 실험에서는 Donnelly와 McDaniel (1993)의 12개 과학 개념을 사용하였다. 각 과학 개념은 세 진술문 즉, 교과서처럼 표적만 기술한 단순 기술문, 유추를 통해 기술한 유추 진술문, 바탕만 제시한 친숙 진술문을 통해 설명되었다. 단순 기술문과 친숙 진술문에는 각각 표적이나 바탕 개념으로 구성되었으므로, 정렬을 포함하지 않지만, 유추 진술문에는 표적과 바탕 개념이 상위 관계를 중심으로 대응되어 있으므로 정렬이 포함되어 있었다. 실험 1, 2, 그리고 3은 대학생을 대상으로 실시하였으며, 실험 3의 경우 대학생 외에 과학 배경 지식이 적은 고교생도 포함되었다. 이 연구에서는 표적 문제 해결 여부로서 도식 귀납을 확인하였다. 세 실험에서 사용한 주요 종속 측정치는 추론 문제의 총점과 고-유추적절성 개념 점수였다. 별도의 집단을 대상으로 실험에 사용된 유추 진술문의 적절성을 평정하게 하고, 적절성이 높은 7 개념에 대해서 고-유추적절성 개념 점수를 얻었다. 고-유추적절성 개념 점수가 유추 효과를 검증하는데 더 민감한 측정치로 판단되었다. 또 다른 종속 측정치로는, 실험 2에서 산출된 차이 점수가 있는데, 이 차이 점수는 일차 시행과 이차 시행 간의 수행 차이를 나타낸다. 실험 1에서는 참여자 간 정렬 경험이 도식 귀납에 미치는 영향을 살펴보기 위해 친숙 조건과 유추 조건을 비교하였다. 정렬 유무에 따라 친숙 조건에서는 바탕 개념으로 이루어진 친숙 진술문을 제시하였고, 유추 조건에서는 바탕과 표적이 정렬된 유추 진술문을 제시하였다. 선투사 입장의 예언에 따르면, 친숙 조건과 유추 조건은 수행의 차이가 없어야 한다. 반면 선정렬 입장에서 볼 때, 친숙 조건보다는 정렬이 포함된 유추 조건의 수행이 더 높아야 한다. 총점과 고-유추적절성 개념 점수를 분석한 결과, 친숙 조건보다 유추 조건의 수행 수준이 더 높았으며 이는 선정렬 입장을 지지한다. 한편, 유추 조건의 경우, 총점에서는 통제 조건인 단순 기술 조건과 수행의 차이가 없었으나, 고-유추적절성 개념 점수에서 수행이 더 높은 것으로 나타났다. 이결과는 외국의 선행 연구들에서 유추가 단순 기술보다 개념 학습에 더 효과적이라는 결과를 뒷받침해주는 것으로서, 실험 2, 3의 결과 해석에서 총점보다는 고-유추적절성 개념 점수에 더 비중을 두게 된 근거를 제공하였다. 실험 2에서는 참여자 내 정렬 경험이 도식 귀납에 미치는 영향을 검토하였다. 참여자가 이전에 가지고 있던 개념 표상에 대해서 추후에 주어진 정렬 경험의 영향을 살펴봄으로써, 도식 귀납에 대한 선투사 입장과 선정렬 입장을 비교하였다. 선행 연구와 비교하기 위해 일차 실험 실시 후 일개월이 지나서 같은 참여자에게 이차 실험을 실시하였다. 실험 2의 참여자는 이미 표적에 대한 표상을 어느 정도 가지고 있는 것으로 볼 수 있다. 두 학습 시행 간 고-유추 적절성 개념에 대한 차이 점수를 분석한 결과, 친숙-유추 조건이 유추-유추 조건보다 수행이 더 높았다. 이는 도식 귀납에서 바탕과 표적의 정렬이 중요하며 정렬의 반복은 그렇지 않다는 것을 시사한다. 따라서 실험 2에서도 선정렬 입장이 지지됨을 확인할 수 있었다. 실험 3에서는 실험 1, 2를 통해 검증된 정렬 경험의 효과가 바탕과 표적의 제시 순서 효과와 어떻게 상호작용 하는지를 살펴보고자 하였다. 만약 제시 순서가 도식 귀납에 영향을 준다면 선투사 입장이 지지될 수 있을 것이다. 총점 분석시 제시 순서나 정렬 경험의 주효과가 나타나지 않았다. 그러나 고-유추 적절성 개념 점수를 분석한 결과, 배경 지식, 제시 순서 그리고 정렬 경험 간 삼원 상호작용 효과가 분명히 나타났다. 대학생을 대상으로 한 결과는 배경 지식에 따라 정렬 경험과 제시 순서 간에 서로 다른 상호작용 효과를 보여주었다. 과학 배경 지식이 비교적 적은 고교생의 경우, 정렬 경험의 주효과가 나타남으로써 선정렬 입장이 지지됨을 확인할 수 있었다. 이들 결과는 유추가 초보자에게 더 효과적으로 사용되기 위해서는 친숙한 개념이 먼저 제시되고 바탕과 표적의 정렬이 반드시 뒤따라야 함을 시사한다. 세 실험을 통해 유추에 의한 도식 귀납에 대한 선투사 입장과 선정렬 입장의 예언을 검증하였다. 실험 1, 2, 그리고 3에서 관찰된 정렬 경험의 효과 및 실험 3에서 제시 순서의 효과 없음은 직접 또는 간접적으로 선정렬 입장을 지지한다. 이는 은유 처리에서처럼 유추에서도 투사가 아닌 정렬로부터 처리되기 시작함을 보여준다. 결론적으로 바탕은 표적으로 전이되어야 할 정보의 원천이지만, 학습되어야 할 표적과 이와 유사한 바탕의 존재만으로는 유추에 의한 도식 귀납에 충분하지 못하며, 유추 사상은 바탕과 표적 요소의 초기 구조 정렬로부터 시작된다는 점을 확인하였다. 이 연구는 이론적 측면에서는 유추에 의한 과학 개념 학습에서 선투사 입장과 선정렬 입장을 비교하였다는 데 의의가 있으며, 실용적인 측면에서는 유추를 통해 과학 개념을 가르칠 때 바탕 개념과 표적 개념의 요소들을 정렬시키는 것이 효과적인 방법임을 시사하였다는 데 큰 의의가 있다.