개방형 탐구를 경험한 예비과학교사의 과학 지식의 본성에 대한 이해와 과학 탐구에 대한 태도 변화

본 연구에서는 서울 소재의 사범대학교 내 과학교육과에서 1학년 1학기에 개설한 ‘탐구화학실험’과목을 수강 중인 학생 60명 중 연구 참여 공고를 통해 연구 참여자 40명을 모집하였다. 과학의 본성에 대한 이해와 과학 탐구에 대한 태도 변화를 측정하기 위하여 연구 참여자인 40명의 학생을 대상으로 설문지를 통한 검사를 실시하였고, 그 중 면담까지 참여를 원한 20명을 대상으로 개인 면담을 진행하였다. 이러한 과정을 통해, 설문지 검사에 참여한 40명의 학생들 중 중·고등학교 재학 시 정규 과학 수업이나 특별활동에서 결과가 제시된 과정을 그대로 따라서 수행하는 확인 실험이나 구조화된 탐구를 경험한 학생이 34명, 직접 문제를 설정하거나 탐구 방법을 설계해 본 경험이 있는 학생은 10명, 가설 설정의 경험이 있는 학생은 9명, 친구들과 논의를 통해 결론을 도출해 본 경험이 있는 학생은 27명인 것으로 조사되었다. 면담에 참여한 20명의 학생은 대부분 구조화 된 탐구 또는 확인 실험을 경험하였으며, 개방형 탐구 경험이 있는 학생은 4명인 것으로 나타났다.

과학 지식의 본성 검사지: 과학 지식의 본성에 대한 이해를 측정하기 위하여 김문선³⁸이 번역한 Nature of Science Knowledge Scale(NSKS)³⁹을 수정하여 사용하였다. NSKS는 창의성, 초도덕성, 간결성, 발전성, 통합성, 검증가능성의 6개 하위 영역으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 과학 지식이 자연 현상을 간결하고 명확하게 설명한다는 본성을 설명하기 위한 간결성 영역을 제외하였고, 과학 지식이 사회 구성원의 동의를 얻어서 만들어진다는^19,40,41,42 특성을 논의하기 위한 사회성 영역을 추가하였다. 사회성 영역의 문항은 Aikenhead & Ryan⁴³이 개발한 Views on Science-Technology-Society(VOSTS)와 임재항 외⁴⁴가 개발한 STS에 대한 고등학생들의 견해에 관한 평가도구의 문항을 참고하였다. 최종적으로 본 연구에서 사용한 검사지는 창의성(과학 지식은 창의적 상상력의 산물이다), 초도덕성(과학 지식은 그 자체로 선악을 판단할 수 없다), 발전성(과학 지식은 대체될 수 있다), 통합성(과학 지식은 법칙, 이론, 개념을 연결한다), 검증가능성(과학 지식은 실험적으로 증명할 수 있다), 사회성(과학 지식은 사회 구성원들의 합의를 통해 구성된다)의 6개 하위 영역으로 구분되어 있고, 각 하위 영역은 8개 문항으로 이루어졌으며 이에 검사지는 총 48문항으로 구성되어 사용되었다. 검사지는 개방형 탐구 실험이 시작하기 전, 중, 후에 투입되었고, 검사 시간은 20분 정도 소요되었다. 검사지의 내적 일관성 신뢰도(Cronbach’s α)는 전체 .895 이었으며, 하위 영역에서는 창의성 .785, 초도덕성 .907, 발전성 .723, 통합성 .723, 검증가능성 .849, 사회성 .734 이었다.

과학탐구에 대한 태도 검사지: 과학 탐구에 대한 태도의 변화를 측정하기 위하여 Fraser⁴⁵가 개발한 과학 관련 태도 검사지(Test of science Related Attitudes; TOSRA)의 7개 하위 영역 중에서 과학 탐구에 대한 태도와 태도의 적용 영역에서 각 10문항씩 총 20문항으로 구성한 이선향⁴⁶의 검사지를 사용하였다. 검사지는 개방형 탐구 수업이 시작하기 전, 중, 후에 투입되었고, 검사 시간은 20분 정도 소요되었다. 검사지의 내적 일관성 신뢰도(Cronbach’s α)는 .742이었다.

개인 면담: 개방형 탐구 실험의 효과를 심도 있게 알아 보기 위하여 개인 면담을 3차례 실시하였다. 1차 면담은 개방형 ‘탐구화학실험’이 시작하기 전에 중·고등학교 재학 시 경험한 탐구 경험의 방식에 대해 질문하였고, 2차와 3차 면담은 수업 중간과 후에 ‘탐구화학실험’을 통해 경험한 개방형 탐구 활동에 대해 질문하였다. 면담 내용은 과학 지식의 본성 검사지와 과학 탐구에 대한 태도 검사지 문항과 관련 지어 2차와 3차 모두 동일하게 구성하였다. 과학 지식의 본성과 관련해서는 “과학 지식을 만들어 나갈 때 창의성이 필요하다고 생각하십니까?”, “과학 지식을 한 명의 과학자가 만들 수 있다고 생각하십니까?”와 같은 질문으로 시작하여 학생들의 응답에 따라 구체적인 질문을 다르게 하였다. 이전 면담과 비교하여 응답이 달라진 경우 생각이 변화한 이유에 대해 추가적으로 질문하였다. 과학 탐구에 대한 태도와 관련해서는 “과학 탐구를 해야 하는 이유가 무엇이라고 생각하십니까?”, “탐구에 있어서 가장 중요하다고 생각하는 것은 무엇입니까?” 와 같은 질문을 시작으로 학생들의 응답에 따라 구체적인 질문이 달라지는 반 구조화된 형식으로 면담을 진행하였다.

개인 면담은 면담 참여에 동의한 20명 학생을 대상으로 실시하였고, 약 40~60분 정도 소요되었다. 면담 장소는 연구실이나 ‘탐구화학실험’이 진행된 실험실에서 이루어졌으며 면담 초반에 학교 이야기를 하며 라포(Rapport)를 형성하는 등 면담 장소에 적응하고 편안한 분위기에서 면담을 진행할 수 있도록 하였다. 면담 내용은 참여자의 동의를 얻은 후 모두 녹음하여 전사하였고, 추가적인 질문이나 확인 사항이 있을 경우에는 서면으로 대화하였다.

자료 분석은 SPSS 통계 프로그램을 이용하여 검사지의 양적 분석과 면담 자료의 질적 분석으로 이루어져 있다. 검사지는 5점 리커트 척도 문항으로 구성되어 있으며 ‘전혀 그렇지 않다’는 1점, ‘매우 그렇다’는 5점으로 점수 산출을 하였다. 과학 지식의 본성 검사와 과학 탐구에 대한 태도 검사의 평균과 표준편차를 구하고, 통계적으로 유의미한 차이가 있는지 알아보기 위해 반복측정 분산분석을 실시하였다.

면담 자료는 모두 전사한 후 Miles & Huberman⁴⁷의 분석 방법을 참고하여 분석하였다. 처음 단계에서는 면담 내용을 여러 번 읽으면서 검사지 문항과 관련 있다고 판단되는 응답을 찾아 표시하였다. 다음 단계에서는 검사지 문항을 표현하는 단어나 구를 찾아 표시하고, 이 때 도출한 단어나 구를 포괄하는 전체적인 내용으로 묶어 주제를 파악하였다. 그 다음 단계에서는 검사지의 하위 영역 중 어디에 속하는지 분류하였다. 이 때, 학생들의 응답이 검사지의 하위 영역에 속하지 않을 경우 따로 분류해 놓았다. 마지막으로 반복적으로 응답들을 읽으며 분류한 자료에서 드러나는 세분화된 주제들을 선정하고, 이 과정을 반복하여 자료를 감소(Data Reduction)시키며 수집된 자료를 주제에 맞게 축소하였다. 예를 들어 P35학생의 2차 면담 응답 중 검사지 문항과 관련 있는 것으로 표시해 놓은 “논의 하면서 제 생각이 수정되는 것도 많았고. 그래서 그게(여러 사람과 탐구하는 게) 제일 중요한 거 같아요.”와 같은 문장은 ‘논의’, ‘생각이 수정’, ‘여러 사람과 탐구’, ‘제일 중요’ 등과 같은 단어나 구를 표시하고, 과학 지식의 본성 검사지 하위 영역 중 사회성 영역과 관련이 있는 것으로 분류하였다. ‘논의’, ‘여러 사람과 탐구’ 와 같은 키워드를 바탕으로 ‘합의를 통해 구성하는 과학 지식’과 같이 주제를 세분화하였다. 이러한 결과는 다시 1차, 2차, 3차 면담 시기별로 나누어 비교하며 변화의 패턴을 찾았다.

과학 지식의 본성에 대한 이해는 Liu & Lederman⁴⁸의 연구에서 교사들의 과학의 본성에 대한 관점을 분석하는 데 사용한 분석틀을 참고하여 이해 부족, 미성숙한 이해, 성숙한 이해로 세부 기준을 설정하여 분석하였다. 과학 탐구에 대한 태도는 검사지 문항을 바탕으로 과학 탐구의 중요성, 과학 탐구에 대한 선호, 과학 탐구에 대한 흥미의 변화를 부정적 태도와 긍정적 태도를 나누어 분석하였다.

면담 자료 분석의 신뢰성을 높이기 위해 과학교육 전문가 1명과 과학교육 전공의 석사 과정 대학원생 2명이 1차 면담에 대하여 분석하여 비교하면서 신뢰도를 높였다. 과학교육 전공의 석사과정 대학원생 1명이 면담 자료를 모두 분석하였고, 3회 반복하여 분석하는 과정에서 차이가 많은 결과는 과학교육 전문가와 협의하여 조정하였다.

개방형 ‘탐구화학실험’은 사범대학 과학교육과 1학년 학생을 대상으로 한 학기 동안 진행되었다. 한 학기 총 15차시 수업 중에서 5차시는 실험 기구 사용법, 실험실 안전 수칙 교육, 기본 조작 실험, 중간 및 기말 고사로 배당되었고, 10차시가 개방형 탐구 실험으로 진행되었다. 실험실에서 수행 가능한 주제 중 학생들이 같은 현상을 관찰한 후 다양하게 탐구 문제를 설정하여 진행할 수 있을 것이라고 예상되는 주제를 10개 선택하여 진행하였다. 또한 예비과학교사 대상의 수업임을 고려하여 중·고등학교 화학 교과내용과 관련이 있는 ‘샤를의 법칙, 표면장력, 밀도, 산과 염기, 혼합물의 분리, 반응 속도, 침전 반응, 반응열, 삼투현상, 어는점 내림’ 과 같은 주제를 선택하여 탐구 활동을 구성하였다.

본 연구에서는 ‘창의적 문제 해결력 지향 일반화학 실험’⁴⁹에 포함되어있는 실험을 Fig. 1과 같이 개방형 탐구 실험 형태로 수정하였다. 개방형 탐구 실험 형태를 통해, 학생들의 실험은 다음과 같은 과정으로 전개되었다. 첫째, 탐구 활동의 시작으로 시범 실험을 통해 학생들이 공통된 현상을 관찰한다. 둘째, 관찰을 바탕으로 조별 논의를 통해 탐구 문제를 설정한다. 셋째, 탐구 문제에 대한 잠정적인 답으로써 가설을 설정하거나 결과를 예측한다. 넷째, 학생들이 직접 탐구 문제를 해결하기 위해 탐구 방법을 설계한다. 본 연구에서 주된 탐구 방법은 실험이었으며, 실험 기구의 명칭이나 용량을 상세하게 명시하여 어떻게 측정 또는 관찰할 것인지 구체적으로 설계하도록 안내되었다. 다섯째, 설계한 실험을 수행하며 학생들이 측정하거나 관찰한 결과를 기록할 때 가장 적합하다고 판단한 방식을 선택하도록 자율성이 주어졌다. 여섯째, 결과를 분석하고 설정한 탐구 문제에 대한 결론을 도출하는 것까지 학생들 스스로 주도하여 진행한다. 위와 같은 탐구 과정에서 정해진 순서는 없었으며, 상황에 따라 자율적으로 탐구 절차를 조율하여 수행하도록 하였다.

전체적인 탐구 과정은 모두 학생들 상호 간의 논의가 기반이 되었으며, 교수자는 실험실을 순회하며 발문을 통해 학생들에게 가이드를 제시하는 역할을 하였다⁵⁰. 예를 들어 실험을 설계할 때 탐구 문제에서 초점을 맞춘 변인을 제외한 나머지 변인들을 통제할 수 있도록 하였으며, 이와 같은 과정은 직접적인 제시보다는 발문을 통해 조원과 논의하여 스스로 결정할 수 있도록 안내하였다.

학생들은 조별로 보고서를 작성하였으며, 각각 탐구를 자율적으로 수행하였기 때문에 동일한 실험 주제에 대하여 그 내용이 상이하였다. 예를 들어 6주차 ‘반응 속도: 알코올의 산화·환원 반응’ 실험에서 95% 알코올, 증류수, 그리고 이 둘을 반씩 섞은 용액에 각각 지시약을 떨어뜨린 후 시간의 흐름에 따라 각 용액에서 색이 다르게 변화하는 것을 관찰했을 때, 탐구 문제를 ‘알코올 농도가 진할수록 색 변화가 진할까?’와 같이 설정한 조가 있는 반면, 같은 현상에 대해 다른 조는 ‘온도가 색 변화에 영향을 줄까?’ 와 같이 탐구 문제를 설정하였다. 탐구 문제에 따라 학생들은 농도와 온도 변인에 초점을 맞추어 실험 방법을 각각 다르게 설계하였다. 변화를 관찰하는 시점 역시 3분 간격과 15분 간격으로 서로 달랐으며, 실험을 수행하는 과정도 각각 독립적으로 다르게 진행되었다. 일괄적인 탐구 과정을 거쳐 같은 결론을 얻게 되는 구조화된 탐구나 동일한 탐구 문제에 대해 탐구를 진행하는 안내된 탐구와는 달리, 개방형 탐구에서는 예비과학교사들이 탐구 문제를 각각 다르게 설정할 수 있으며 실험을 수행하는 과정과 실험 결과로부터 얻은 결론도 모두 다르게 나타날 수 있음을 확인할 수 있다. 학생들이 작성한 보고서의 예시는 Fig. 2와 같다.

개방형 탐구 실험 활동을 경험한 학생들의 과학 지식의 본성에 대한 이해 검사의 평균과 표준편차, 반복측정 분산 분석 결과는 Table 1과 같다. 개방형 탐구 실험 활동의 경험이 전체 평균과 하위 영역 중에서는 창의성, 초도덕성, 사회성이 통계적으로 유의미하게 향상되었다(p<.05). 창의성 영역에서는 8개 문항 모두 평균이 향상되었고, 특히 ‘과학 이론과 예술가의 작품은 창의성을 나타낸다는 의미에서 서로 비슷하다.’ 문항이 1차 3.08점에서 2차, 3차에서 각각 3.42점, 3.93점으로 다른 문항들에 비하여 매우 큰 폭으로 향상되었다. 초도덕성 영역에서는 6개 문항의 평균이 향상되었고, ‘과학 지식을 좋거나 나쁘다고 판단해서는 안 된다.’ 문항이 1차 3.63점에서 2차, 3차 각각 3.83점, 4.0점으로 다른 문항에 비하여 비교적 크게 향상된 것으로 나타났다. 사회성 영역에서는 5개 문항의 평균이 향상되었고, ‘과학 지식을 만들어가기 위해서 여러 사람의 합의가 필요하다.’ 문항이 1차 3.78점에서 2차, 3차 각각 4.11점, 4.22점으로 다른 문항에 비하여 비교적 크게 향상된 것으로 나타났다.

반면 발전성과 통합성 영역은 1차, 2차, 3차 검사에서 다른 영역에 비해 평균이 높았으나 크게 변화를 보이지 않은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 학생들은 이미 고등학교 교육과정을 통해 과학 지식의 변천에 대해 학습하였으며, 융합과학의 도입⁵¹으로 물리, 화학, 생물, 지구과학의 과학 지식이 서로 관련이 있을 뿐만 아니라 법칙, 이론, 개념이 통합적으로 과학 지식 체계를 구성함을 이해하고 있기 때문인 것으로 보인다. 미국 초등 예비교사를 대상으로 개방형 수업 환경에서 진행된 연구²³에서는 창의성과 검증 가능성 영역에서 유의미한 차이를 보여 본 연구 결과와는 다소 상이한 결과를 나타냈다.

사후 검정으로 창의성, 초도덕성, 사회성 영역에서 검사 시기 간의 유의미한 차이를 알아보기 위하여 다중비교 검증을 시행한 결과는 Table 2와 같다. 초도덕성과 사회성 영역은 개방형 탐구 활동을 경험한 초반에 유의미한 차이가 나타난 반면, 창의성 영역은 초반에 유의미한 차이를 보이지 않다가 후반에 유의미한 향상을 나타냈다(p<.05). 학생들이 조별로 이루어지는 개방형 탐구 활동을 경험함으로써 과학 지식이 여러 사람들의 논의와 합의를 기반으로 생성되며, 이 과정을 통해 생성된 과학 지식의 선악을 판단할 수 없다는 사회성과 초도덕성 영역은 비교적 직관적으로 이해하였기 때문에 초반에 유의미한 차이가 나타난 것으로 생각된다. 하지만 개방형 탐구를 경험하는 초반에는 자유롭게 가설을 설정하고 창의적으로 탐구를 진행하기 보다 알고 있는 과학 지식을 활용해서 객관적으로 검증하는 것에 중점을 두어 창의성 영역의 경우 후반에 유의미한 차이가 나타났다고 보인다.

개인 면담 분석 결과, 검사지의 하위 영역 중 통계적으로 유의미한 변화를 보였던 창의성과 사회성 영역에서는 의미 있는 생각의 변화를 관찰하였으나 초도덕성 영역에 대한 변화는 나타나지 않았다. 오히려 통계적으로 유의미한 차이가 없는 발전성과 검사지 하위 영역에는 포함되어 있지 않은 주관성에 대해 언급한 다수의 학생이 있었다. 이를 바탕으로 분석한 면담 결과는 다음과 같다.

과학 지식의 구성 과정에서의 창의성. 과학의 본성 중 하나는 인간의 상상과 창조를 기반으로 과학 지식이 만들어진다는 것이다 ^52,53. 그러나 20명 중 13명의 학생들은 1차 면담에서 과학 탐구와 창의성은 전혀 연관이 없거나 별로 필요하지 않다고 응답하였다. 하지만 개방형 탐구 활동을 경험한 후에는 과학 지식을 구성하는 탐구 활동에 창의성이 필요하다고 응답하는 학생들이 증가하였다.

P13학생은 개방형 탐구를 경험한 후 2차 면담에서 창의성에 대한 자신의 생각이 바뀌었다고 직접적으로 언급하며, 현상을 관찰할 때 새로운 관점을 바라보기 위해 창의성이 필요하다고 응답하였다. 3차 면담에서는 보다 구체적인 상황을 제시하며 창의성이 필요하다는 것을 설명하였다. 또한 가설을 설정하거나 탐구를 수행할 때에도 다양한 관점에서 바라보며 창의적으로 사고하는 것이 필요함을 스스로 느꼈다고 덧붙였다.

P30학생은 1차 면담에서 가설 설정과 같은 탐구의 특정 과정에서 창의성이 필요하다고 생각하고 있었으나, 과학 지식을 구성해 나가는 전체 과정에서 창의성이 필요한 것으로 이해하지는 못하였다. 그러나 2차 면담에서는 일반적인 과학 탐구 활동에서 창의성이 기반이 된다는 점을 이해하는 것으로 나타났다. 3차 면담에서는 탐구 문제나 가설을 설정하는 단계 외에도 실험을 설계하고 결과를 해석해 결론을 도출하는 탐구의 전 과정에 있어서 창의성이 필요하다고 응답하였다.

과학 탐구 과정에서 창의성이 필요하다고 응답한 학생은 1차 면담에서 7명이었으나, 2차 면담에서는 15명으로 증가하였다. 이 중에는 탐구 문제를 정하고 가설을 세워 탐구를 수행한 후에는 과학 지식의 객관성을 확보하기 위해 창의성이 필요하지 않다고 생각하는 미성숙한 관점을 보인 학생은 10명이었고, 자료를 수집한 후 왜 그런 결과가 나타났는지 설명하기 위해서도 창의성이 필요하다고 생각하는 성숙한 이해의 관점을 가진 학생은 5명이었다. 이후 3차 면담에서는 성숙한 이해의 관점을 가진 학생이 9명으로 증가하였다. 이러한 결과는 개방형 탐구를 경험하는 학기 중반까지는 탐구 문제나 가설을 설정하는 것에 초점을 맞추어 창의적 사고의 필요성 역시 탐구 문제나 가설 설정 과정에서만 필요하다고 이해한 것으로 볼 수 있다. 하지만 개방형 탐구 활동의 경험이 많아질수록 결과를 얻고 해석하는 방법이 정해져 있지 않다는 것을 깨닫고 탐구의 모든 과정에서 창의성이 필요하다고 이해하게 된 것으로 판단된다.

합의를 통해 구성되는 과학 지식의 사회성. 탐구를 통해 과학 지식을 구성할 때에는 합의를 이끌어내야 하기 때문에^19,40 다른 구성원들을 설득하여 동의를 얻는 과정이 필요하다. 그러나 개방형 탐구 활동을 경험하기 전에는 대부분의 학생들은 한 사람의 과학자에 의해 과학 지식이 만들어질 수 있다고 이해하고 있는 것으로 나타났다. P35학생은 한 명의 과학자가 자신의 가설을 검증하게 되면 이론이 된다고 응답하여, 다른 사람과의 협의나 동의를 얻는 과정에 대해서는 생각하지 않는 것으로 보인다. 하지만 2차 면담에서는 1차 면담과는 달리 다른 사람들이 어떠한 생각을 갖는지 고려해야 한다고 응답하였다. 과학 지식이 생성 되는 과정이 여러 사람에 의해 이루어진다는 것을 이해하게 된 것으로 보인다. 또한 실제 자신이 조원들과 논의를 하며 생각이 수정되거나 정리되는 경험을 한 것을 바탕으로 이야기하는 모습을 보였다.

구조화된 탐구나 안내된 탐구 역시 조별 활동으로 이루어져, 조원들과 의사 소통할 수 있지만 탐구 문제를 비롯해 방법과 결과가 제시되어 있는 방식의 탐구를 통해서는 단순히 절차 수행에 필요한 대화만 제한적으로 이루어졌다고 생각된다. 학생들의 탐구 경험은 대부분 고등학교 수업이었으며, 교과서 탐구 활동이 의사소통 활동을 충분히 반영하지 못하였다는 연구 결과와 같은 맥락으로 보인다.⁵⁴ 면담을 통해 학생들이 이전에 경험한 탐구보다 개방형 탐구 활동이 더 많은 의사소통을 기반으로 진행되었음을 알 수 있다.

P35학생은 한 명의 과학자가 이론을 만들 수 있다고 응답했던 1차 면담과 달리 3차에서는 여러 기관이 협력하여 과학 지식을 구성해 나간다고 응답하였다.

3차 면담에서는 P35학생의 응답처럼 여러 공동체들의 협력으로 과학 지식을 구성해 나갈 수 있다고 이해하는 학생들이 나타났다. 과학 지식을 생성하는 과정인 과학 탐구는 공동체 안에서 이루어지며, 과학과 관련한 다양한 공동체는 더 큰 공동체 즉, 사회 구성원들의 공동체 안에 존재한다.⁴¹ 과학 지식은 다양한 공동체 속에서 발전하고 수용되며 그 표준이 세워지기 때문에⁴² 과학 지식을 구성해 나가는 과정에는 과학자나 연구원뿐만 아니라 우리 사회의 다양한 구성원이 참여할 수 있다. 하지만 과학 지식이 만들어지는 과정이 과학자나 연구원의 공동체에서 더 나아가, 보다 큰 공동체에 속한 사회 구성원들의 합의로써 이루어진다는 성숙한 이해의 관점을 갖게 된 학생은 3차 면담에서도 2명에 불과하였다.

탐구를 통한 과학 지식의 발전성. 과학 지식의 본성 이해 검사지 분석 결과에서 발전성 영역의 평균은 1차, 2차, 3차 면담에서 모두 다른 영역에 비하여 높게 나타났다. 1차 면담을 통해서도 대부분의 학생들은 과학 지식의 발전성을 이해하고 있는 것으로 나타났다. P15학생은 1차 면담에서 단순히 지금까지 그래왔기 때문에 과학 지식이 바뀔 수 있으며 계속해서 발전해 나간다고 응답하였다. 반면 2차, 3차 면담에서는 탐구를 통해 과학 지식이 만들어지는 과정을 예시로 들어 과학 지식이 계속해서 발전해나가는 것을 설명하였다. 과학 지식을 구성할 때 창의성이 필요하다는 것을 바탕으로 기존과 다른 측면에서 탐구를 수행해 다른 결과를 얻을 경우, 과학 지식이 수정되거나 바뀔 수 있다고 이해한 것으로 보인다.

P1학생의 경우에는 2차 면담까지 과학 지식이 항상 바뀌었던 사례들을 보아 과학 지식이 변할 수 있다고 설명하였다. 하지만 3차 면담에서는 실험을 예로 들며 결론에 대한 해석이 잘못 되었을 경우 과학 지식이 바뀔 수 있다고 응답하였다.

P1학생은 개방형 탐구 중 실제로 실험 결과에 대한 해석에 따라 실험의 결론이 달라지는 것을 경험했다고 하였다. 이러한 탐구 과정을 경험하며 과학자의 해석에 따라서 결론이 달라질 수 있다는 것을 알게 되고, 이로부터 과학 지식이 수정되고 발전되는 이유를 생각하게 된 것으로 보인다. 1차 면담의 분석 결과, 과학 지식은 탐구를 통해 계속해서 발전할 수 있다고 생각하는 성숙한 이해의 관점을 가진 학생은 4명에 불과했지만 2차 면담에서는 12명, 3차 면담에서는 14명으로 증가하였다.

연구자 관점이 개입되는 과학 탐구의 주관성. 본 연구에서 사용한 과학 지식의 본성에 대한 이해 검사지의 하위 영역에는 과학 지식을 구성하는 탐구 과정에 연구자의 주관이 개입될 수 있다^20,52,55는 주관성 영역은 포함되어 있지 않다. 따라서 검사지를 통해 분석하지는 못하였지만 개인 면담에서 많은 학생들이 개방형 탐구를 경험하면서 과학 탐구를 통해 지식을 구성해 나갈 때 연구자의 주관이 개입될 수 있음을 응답하였다.

1차 면담에서 다수의 학생들이 과학 지식이나 탐구 방법은 객관적이라고 언급하였다. 이로부터 학생들이 과학 지식의 주관성에 대하여 어떻게 이해하고 있는지 알아보고자 2차, 3차 면담에서 주관성과 관련된 질문을 하였다. 면담을 진행하면서 학생들이 응답한 내용을 분석하여 도출한 주제이기 때문에 변화를 분석하는 것은 다소 어려움이 있었다. 하지만 1차 면담에서 다른 과학 지식의 본성 영역에 해당하는 응답을 통해 학생들의 생각을 알 수 있었다.

P3학생은 과학 지식의 사회성을 설명하면서 탐구 과정이 객관적이라고 말하였다. 2차 면담에서도 1차 면담과 유사하게 많은 결과들을 통해 결론을 도출하여 과학 지식이 만들어지기 때문에 반증이 존재하지 않는다면 객관적이라고 응답하였다. 하지만 3차 면담에서는 같은 질문에 대해 다른 응답을 하였다. 탐구 결과를 해석하고 판단하는 과정에서 연구자의 주관이 개입될 수 있다고 이해하는 것으로 나타났다. 또한 개방형 ‘탐구화학실험’을 통해 본인이 직접 느꼈다고 덧붙인 것으로 미루어 볼 때, 실제 자신의 경험을 토대로 탐구 결과를 해석하는 과정뿐만 아니라 현상을 관찰하고 탐구 문제를 설정하는 과정에서도 연구자의 주관이 개입될 수 있다고 이해하게 되었다고 생각된다.

P14학생도 2차 면담에서 과학 지식을 만들어가는 과정에 주관이 개입되지 않고 실제 자신이 탐구 활동에서 경험했던 것처럼 변인을 통제하거나 사진을 촬영하는 등 객관적으로 진행하였을 것이라고 응답했으나, 3차 면담에서는 원하는 결과가 있을 경우 주관이 개입될 가능성이 있다고 생각하는 것으로 나타났다.

개방형 탐구는 제시된 과정을 그대로 수행하는 것이 아니라, 실제 과학자와 같이 탐구를 독립적으로 수행하기 때문에 이를 통해 학생들이 과학 지식을 구성하는 과정에서 주관이 개입될 수 있다는 것을 경험한 것으로 보인다. 특히 탐구 문제에 대해 가설을 설정한 후 가설이 기각되지 않는 방향으로 탐구를 진행하게 되는 것을 경험하였다고 응답하였으며, 결과를 해석하여 결론을 도출하는 과정에서도 연구자의 해석에 따라 결론이 달라질 수 있다고 생각하게 된 것으로 나타났다.

개방형 탐구 실험 활동을 경험한 학생들의 과학 탐구에 대한 태도 검사의 평균과 표준편차, 반복측정 분산분석 결과는 Table 3과 같다. 개방형 탐구 실험 활동 경험 후 평균이 통계적으로 유의미하게 향상되었으나(p<.05), 1차보다 2차 평균이 낮아졌고 다시 3차에서 높아지는 경향을 보이고 있다. 문항별로 살펴보면 20개 문항 중 13개 문항의 평균이 1차보다 2차에서 낮아졌다가 3차에서 다시 높아졌다. ‘나는 어떤 일이 일어난 원인을 실험을 통해 알아내는 것을 선호한다’라는 문항의 경우 1차, 2차, 3차의 평균이 각각 3.29점, 3.09점, 3.32점이고, 유사하게 ‘나는 어떤 문제에 대한 답을 듣는 것보다 실험을 하여 해결하기를 좋아한다’ 문항에서는 1차, 2차, 3차 평균이 각각 3.29점, 3.09점, 3.32점으로 나타났다.

사후 검정으로 다중비교 검증을 통해 검사 시기 간의 과학 탐구에 대한 태도의 차이를 분석한 결과, Table 4와 같이 2차와 3차 사이에서 통계적으로 유의미한 차이를 보였다(p<.05).

최진과 서혜애의 연구⁵⁶에서는 교사교육 과정에서 탐구 중심 생물 수업을 경험한 예비과학교사의 과학 태도에 긍정적 변화가 나타났다. 반면 개방적 가설검증 모형의 탐구 수업을 경험한 고등학생들은 과학에 대한 태도가 부정적으로 변화하였다.²⁵ 본 연구에서 개방형 탐구 활동을 경험한 학생들의 경우 최종적으로 과학 탐구에 대한 태도가 긍정적으로 향상되었으나, 학기 중반에는 부정적이었고 학기 말에는 긍정적으로 변화한 것은 주목할 필요가 있겠다. 학생들이 개방형 탐구 활동이 계속됨에 따라 개방형 탐구 활동을 어떠한 상황에서 경험하였는지, 태도가 어떻게 변화하였는지 보다 구체적으로 알아보기 위해 개인 면담을 분석하였다.

P9학생은 개방형 탐구 활동을 경험한 중반까지 태도가 부정적이었으나 학기말에는 긍정적으로 변한 것으로 나타났다. 학기 중반에 시행한 2차 면담에서는 개방형 탐구 활동에서는 답을 알지 못한 채 스스로 해결해 가는 과정을 경험하였기 때문에 탐구가 불확실하다고 생각했고, 탐구보다 직접적으로 지식을 전달 받는 것을 더 선호하는 것으로 보고했다. 또한 개방형으로 진행되는 수업 방식을 “낯설다.”, “당황스럽다.”고 표현하였다. 이와 같은 요인들이 과학 탐구에 대한 태도에 부정적인 영향을 준 것으로 생각된다. 하지만 3차 면담을 통해서는 개방형 탐구 활동을 경험할수록 점차 익숙해졌다고 응답하였다.

P9학생은 탐구를 경험함으로써 세밀하게 관찰할 수 있게 되었다고 응답하였으며, 탐구의 과정에 대해서도 긍정적인 태도를 보이는 것으로 생각된다. 낯선 개방형 탐구의 방식에 익숙해진 것이 과학 탐구에 대한 태도가 긍정적으로 변하는 데 영향을 주었다고 볼 수 있다. 본 연구에 참여한 학생들은 대부분 1학년 1학기에 재학 중이었고, 중·고등학교 과학 수업에서 개방형 탐구 경험을 해 본 학생은 20명 중 6명에 불과하였다. 이에 실제 탐구 과정을 스스로 수행해야 하는 개방형 탐구 초반에는 과학 탐구가 복잡하고 어렵다고 생각하여 부정적인 태도를 보인 것으로 생각된다.

반면 P13학생의 경우 탐구를 경험할수록 과학 탐구에 대해 계속해서 긍정적인 태도를 보였다. 2차 면담 내용을 통해 개방형 탐구 활동을 경험함으로써 뿌듯함과 성취감을 느끼게 된 것을 알 수 있었다. 또한 개방형 탐구를 경험한 후 실생활에서도 과학 탐구와 같은 방식으로 생각하게 되었다고 응답하였다. 3차면담에서는 탐구에 대해 더욱 긍정적인 태도를 보였다.

개방형 탐구 활동을 경험하며 과학 탐구를 이전보다 친근하게 생각하게 된 것으로 보인다. 또한 직접 자신감이 생겼다고 언급하였으며, 이 외에도 “뿌듯했다”, “기쁘다”와 같이 탐구 활동에서 느낀 바를 표현하여 과학 탐구에 대한 태도가 매우 긍정적인 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 Woolnough⁵⁷의 연구에서 학생들이 자율적으로 탐구 문제를 선정해 연구할 때 보다 긍정적인 태도를 나타낸다는 연구 결과와도 일치한다.

P34학생의 경우는 개방형 탐구 활동이 진행되는 동안 계속해서 탐구는 복잡하고 어려운 것이라는 생각을 하며 부정적인 태도를 보였다. 과학 탐구가 어렵고 힘든 이유를 물었을 때 탐구 과정 자체보다는 다른 전공 수업, 평가와 같은 요인들로 응답하였다. 개방형 탐구 활동을 경험하는 동안 다른 요인들로 인해 느낀 부정적 감정들이 과학 탐구에 대한 태도에 부정적인 영향을 미쳤을 수 있다. 개방형‘ 탐구화학실험’이 한 학기 동안 진행된 후에도 과학 지식을 생성해 나가는 과학 탐구에 대해 부정적인 태도를 보였으며 탐구를 통해 구성하는 것보다 이미 구성된 과학 지식을 습득하는 것을 더 선호하는 것으로 나타났다.

과학 탐구에 대한 면담 내용을 과학 탐구의 중요성, 과학 탐구에 대한 선호, 과학 탐구에 대한 흥미의 3개 항목으로 구분하여 긍정적인 태도를 나타내는 학생 수를 분석한 결과, Table 5와 같이 변화하는 것으로 나타났다.

검사지 분석 결과에서 탐구 활동 2차 검사에서 과학 탐구에 대해 부정적인 태도를 보인 것은 대다수의 학생들이 과학 탐구의 중요성은 계속하여 인식하고 있으나, 과학 탐구에 대한 선호와 흥미에 대해 긍정적인 태도를 보인 학생수가 감소했기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 전반적으로 3차 면담에서 학생들은 낯선 개방형 탐구 수업 방식에 익숙해 졌다고 하였으며, 과학 탐구를 직접 경험함으로써 탐구의 필요성과 중요성을 알게 되었고 흥미도 증가하였다고 응답하였다. 처음 접하는 개방형 탐구 과정이 어렵고 복잡하다고 생각해 과학 탐구에 대한 태도에 부정적 영향을 줄 수 있다고 생각되나, 충분한 개방형 탐구 활동을 경험했을 때 과학 탐구에 대한 태도가 긍정적으로 변화할 수 있는 것으로 보인다. 이는 실제 과학자의 탐구에 가깝게 설계한 ‘확장적 탐구’를 적용한 윤혜경과 박승재⁵⁸의 연구에서도 탐구 동기가 통계적으로 유의미하게 향상되지는 않았지만, 전반부보다 후반부에서 긍정적인 변화가 나타난 것과 유사한 결과라고 볼 수 있다.