과학자의 탐구 과정에서 나타나는 과학적 상상력의 특성 탐색

Abstract

본 연구는 과학 지식의 생성 과정과 과학자의 사고에서 중요한 역할을 수행하는 과학적 상상력에 대한 이해를 도모하는 것이다. 최근 과학 교육은 창의적 인재 육성을 목표로 두고, 학생의 상상력을 함양할 것을 강조하고 있다. 현대적 의미에서 상상력은 인간이 가지는 기본적인 특성으로 간주되고 있으며 우리 삶에서 절대적으로 필요한 능력으로 정의된다. 과학자가 자연 세계에 의문을 가지고 문제를 생성한 뒤, 증거를 수집하고 설명을 구성하는 방법을 통해 과학 지식이 생성된다. 과학자가 일상에서 수행하는 활동은 자연 세계를 이해하는 측면에서의 실질적 과학 탐구로 정의되고 있다. 본 연구에서 연구자는 과학자가 실제로 수행하는 연구 과정을 과학 탐구 과정으로서 이해하였으며, 과학자는 과학 탐구 수행자(scientific inquirer)로 여겨진다. 과학자의 탐구 과정에서 상상력은 중요한 역할을 수행하고 있으며, 과학 교육자와 철학자들은 과학 활동이 과학자의 상상력과 추론 등의 가치가 포함되는 활동이라는 점에 동의하고 있다. 이처럼 상상력은 과학자의 탐구 활동에서 과학자의 사고과정과 과학적 성취에 영향을 주는 중요한 요인이다. 따라서 본 연구는 과학에서 상상력의 역할을 탐색함으로써 과학적 상상력의 교육적 활용방안을 제시하고자 하였다. 본 연구는 두 가지의 연구 내용으로 이루어진다. 첫째, 과학자의 탐구 과정에서 발현되는 과학적 상상력의 특성과 요소를 탐색한다. 둘째, 과학자의 실제 탐구가 이루어지는 과정에서 상상력이 어떤 역할을 수행하는지 알아본다. 연구를 수행하기에 앞서 상상력의 개념과 특성을 명확히 할 필요가 있었다. 따라서 이론적 배경에는 상상력 개념에 대한 논의와 현대적 관점에서의 상상력이 지니는 특성을 제시하였고, 과학에서의 상상력에 관한 선행 연구들로부터 과학적 상상력이 어떻게 제시되고 있는지 살펴보았다. 자료의 수집과 분석은 질적 연구 방법을 이용하여 이루어졌다. 연구 참여자로는 과학 연구 성과를 지니고 있으며, 연구 경력이 풍부한 국내 과학자 21명이 선정되었다. 이들을 대상으로 심층 면담을 실시하였고, 그 결과를 보고하였다. 자료 수집은 2014년 4월부터 10월에 이루어졌으며, 면담은 기본 2회를 기준으로 1회당 1시간 – 1시간 30분으로 구성되었다. 심층 면담은 과학자 개인의 과학적 성취와 그 성취가 이루어지게 된 탐구 과정에 중점을 두고 이루어졌으며, 각 탐구 과정에서 과학자의 상상력이 어떻게 발현되고 강조되고 있는지를 알아보기 위한 질문들을 구성하였다. 자료의 분석에는 선행 연구에서 도출한 과학적 상상력의 세 가지 특성을 기반으로 한 분석틀을 이용하였다. 또한 과학자의 연구 과정은 실질적 과학 탐구 모형에 기반을 둔 탐구 요소 분석틀을 사용하여 분석하였다. 심층 면담 결과로부터, 과학자의 탐구에서 상상력의 특성이 잘 드러나는 사례들을 귀납적으로 추출하였고, 이를 기반으로 과학적 상상력의 요인을 구성하였다. 과학적 상상력이 탐구 과정에서 어떤 역할을 수행하고 있는지 구체적으로 드러내기 위하여 과학자 9명의 개별 사례를 분석하고 제시하였다. 연구 결과, 과학적 상상력의 요인은 감성적 이해, 창의적 변형, 생산적 구성의 세 가지로 구성되었다. 이는 과학적 상상력의 세 가지 특성에 기반을 두고 있다. 감성적 이해는 상상력의 감성적 특성에 기반을 두고 있으며, 과학자의 탐구 과정에서 동기 혹은 영감을 주는 요인이다. 감성적 이해의 하위 요소로는 심미적 경험과 과학적 감성이 도출되었다. 심미적 경험은 자연에 대한 인식과 경험이 경이감으로 전환되어 나타나는 이해를 의미하며, 과학적 감성은 과학자들이 탐구 과정에서 경험하는 호기심과 폭넓은 흥미를 의미한다. 창의적 변형은 상상력의 창의적 특성이 강조된 것으로, 독창적 사고와 다양한 표현의 하위 요소를 포함한다. 독창적 사고는 남들과 다른 독특한 방식으로 접근하는 관점을 의미하며, 다양한 표현은 과학자가 아이디어를 구체화하고 묘사하여 변형하는 데에 사용되는 표상을 나타낸다. 마지막으로 생산적 구성은 상상력의 생산적 특성에 기반을 둔다. 하위 요소로는 산출과 재구성, 그리고 탐색과 정교화가 도출되었다. 산출과 재구성은 새롭고, 알려지지 않은 것을 생산하거나, 기존의 것을 발전시켜 재생산하고자 하는 특성을 의미한다. 탐색과 정교화는 과학적 상상력의 산출물이 현실적으로 구현 가능한 것인지 판단하는 특성으로 정의된다. 과학자의 탐구 과정에서 작용하는 과학적 상상력의 역할을 구체적으로 나타내기 위하여, 과학자 9명의 개별 사례를 분석하여 살펴보았다. 과학자의 탐구 과정에서 과학적 상상력은 문제 확인 및 가설생성, 실험 설계 및 실험 수행, 결론 도출에 이르는 전체 탐구 단계에서 강조되어 나타나고 있었다. 9명의 과학자 사례로부터 사례 간 교차분석을 통해, 과학 탐구 단계에서 작용하는 과학적 상상력의 역할을 네 가지로 도출하였다. 첫째, 과학적 상상력은 새로운 아이디어를 생성하고 문제를 형성하도록 하는 역할을 수행한다. 둘째, 과학자로 하여금 사고를 확장하게 하고, 탐구를 지속해나갈 수 있는 동기로서 작용한다. 셋째, 아이디어를 변형하고 구체화하는 과정에 도움을 준다. 넷째, 아이디어를 현실화하기 위해 정교화 하는 과정에서 문제 해결의 방안을 제시하는 역할을 수행한 것으로 해석되었다. 과학적 상상력의 역할과 탐구 단계에서의 강조점을 기반으로 과학적 상상력을 재정의 하여 제시하였고, 수행 전략의 예시를 제시하였다. 본 연구 결과로서 도출된 과학적 상상력의 요인은 현대적 의미에서 상상력의 특성에 기반을 두고 있으며, 실제 과학자의 탐구에서 나타나는 사례들을 기반으로 하고 있다는 점에서 기존 연구와 차별화된다. 뿐만 아니라 과학자의 개별 탐구 과정에서 나타나는 상상력의 역할을 제시하고, 그에 따른 전략들을 도출함으로써 이후 과학 탐구에서 상상력을 강조한 모형이나 프로그램에의 적용 가능성을 지닌다. ;The contemporary view of science is regarded as a value-laden human activity. Researchers who have analyzed many successful scientists’ activities reported that scientists’ imagination was used for the new scientific discoveries. Thus, science educators and philosophers have insisted that imagination and creativity naturally involved in the process of science. The purpose of this study were to explore characteristics of the scientific imagination and to suggest utilization of imagination in science learning. For this purpose, two research problems were drawn:(1) What are the characteristics of scientific imagination in scientists’ actual research process, and (2) In what ways the scientific imagination addressed in scientists’ inquiry process. This study adopted a current understanding view of imagination and its’ characteristics as a framework. As an initial step, individual interviews were conducted with eight scientists to explore the nature of scientific imagination. Three characteristics of scientific imagination were drawn from the pilot study : (1) Emotional aspect, (2) Creative aspect, and (3) Productive aspect. Twenty one prominent Korean scientists who have rich research experiences and research achievement were purposefully recruited as participants. Data was collected by using an in-depth interviews with selected scientists. Each interview lasted 60 - 100 minutes. Interview was focused on the process of their specific scientific research (e. g. why and how they researched and what they obtained from the research results) and their perception of imagination which they reflect on during their work. Qualitative method was applied to data analysis to explore the components of scientific imagination. Based on the characteristics of scientific imagination, the components and the sub-components of scientific imagination were extracted. Also, nine scientists’ case were described to provide the relations between the scientific imagination and actual inquiry process. As results, three characteristics were founded: Emotional inspiration, Creative transforming, and Productive construct. Each characteristic represented the characteristic of scientific imagination. Emotional inspiration refers to the emotional traits performing a role of motivation and inspiration to scientists’ imagination in the research process. It consists of ‘aesthetic experience’ and ‘scientific emotion’ as components. Creative transforming is defined as creative traits appearing when scientists use their imagination in problem solving. Its’ components include ‘originality’ and ‘representative diversity’. And Productive construct refers to the productive traits to generate new ideas and to formulate ideas in order to actualize it. There were two components, which is ‘creation and reconstruct’ and ‘exploration and elaboration’. From results of the case analysis, the components of scientific imagination were appeared in all inquiry process, but it was emphasized differently for each inquiry process. Emotional inspiration dimension was dominantly emphasized in the hypothesizing phase, while Creative transforming and Productive creation were emphasized in designing, carrying out and evaluating phase of scientific inquiry. Based on the results, new definitions of scientific imagination were drawn, considering the inquiry process. Scientific imagination is defined as (1) the ability to recognizing and forming new question based on scientific emotion and aesthetic experience toward natural or scientific phenomena, (2) the ability to forming new question based on the originality, (3) the ability to solve the problem with various representations by transforming ideas, (4) the ability to solve the problem using scientific knowledge and experience, and (5) the ability to generate new ideas and reproduce ideas through scientific reasoning.