전국과학전람회 학생 과학탐구 연구보고서의 오류 유형 분석

연구대상은 국립중앙과학관 홈페이지(https://www.science.go.kr/)에 탑재된 제64회 전국과학전람회 학생 과학탐구 연구보고서 중 장려상을 수상한 연구보고서 60개이다(Table 1). 코로나 팬데믹의 전국적인 사회적 거리두기로 인하여 학생 과학탐구 연구가 소극적으로 진행되었다는 점을 감안하여 코로나 팬데믹이 발생하기 직전인 제64회 대회의 보고서를 대상으로 하였다. 장려상은 시·도 교육청의 예선을 통과한 수준의 보고서이지만 우수상 등의 수상 범위에 포함되지 않은 것으로, 일정 부분에서 추가적인 지도가 필요할 수 있다는 점을 고려하여 선택하였다.

분석틀은 과학탐구 연구보고서에 따라 나타날 수 있는 오류를 유형화하여 분류하는 귀납적 사고 과정을 통해 구성하였다.²⁵ 첫째, 분석틀은 학생 과학탐구 연구보고서 목차에 따라 연구 문제/가설, 선행연구, 실험 수행, 결과, 결론, 참고문헌으로 구분하였다. 둘째, 전체 분석대상 연구보고서의 25%에 해당하는 15개 보고서를 분석하여 오류를 유형화, 유목화 하였다. 셋째, 과학연구 분야에서 석사 또는 박사 학위를 받고, 과학탐구 연구를 지도한 경력이 5년 이상인 교사 2인에게 분석틀에 대한 검토를 요청하여 최종 분석틀을 구성하였다(Table 2).

자료수집 분석을 위하여, 첫째, 학생 과학탐구 연구보고서를 학교급, 분야, 번호로 구분하여 정리하였다. 예를 들면 ‘초-화-1’은 초등학생, 화학 분야, 1번 보고서를 의미한다. 둘째, 분석틀에 따라 학생 과학탐구 연구보고서를 분석하였으며, 동일한 오류가 나타나는 경우 중복 체크하지 않고 1회로 체크하였다. 셋째, 연구진이 개별적으로 연구보고서를 분석한 후, 평가자 간 분석 일치도를 조사하였다. 평가자 간 일치도(inter-rater reliability)는 0.74로 신뢰할 수준인 것으로 나타났다. 넷째, 평가자와 일치하지 않는 부분에 대해서는 상호 재검사 과정과 논의 과정을 반복하여 연구진과 평가자 간의 오류 및 유형의 기준 일치도를 확인하였다. 다섯째, 분석결과의 신뢰도를 높이기 위해, 학생 과학탐구 연구 지도 경험이 있는 교사 2인과 분석결과를 공유하고 논의하였다. 단, 연구 결과는 대회에 출품한 학생 과학탐구 연구보고서 전체로 일반화하기 어렵다는 제한점을 갖는다.

연구 문제/가설은, ‘잘못된 연구 문제 설정’, ‘잘못된 가설’로 나타났다. ‘잘못된 연구 문제 설정’은 탐구 목적 및 주제와 관련 없는 연구 문제를 설정한 것을 의미한다. 예를 들면, ‘동백꽃이 하늘을 보고 떨어지는 낙하 원리 탐구’를 알아보는 실험에서 ‘동백꽃은 지역별로 언제 필까?’, ‘재래 동백꽃과 애기 동백꽃이 피고 질 때 모습 비교 관찰’등 탐구 목적과 직접적인 연관성이 없는 연구 문제를 설정하여 탐구를 수행한 경우이다(Fig. 1).

‘잘못된 가설’은 가설을 서술하는 방식이 잘못된 것을 의미한다. 가설은 탐구 문제에 대한 잠정적인 결과이며, 검증 가능하고 변인에 따른 탐구과정의 구체성과 명확성이 있어야한다. 하지만 가설을 서술하는 방식이 명확하지 않은 경우가 있었다. 예를 들면, ‘미세조류가 들어있는 용액의 종류는 미세조류의 이동과 관계가 있다.’, ‘미세종류의 양과 미세조류의 이동은 서로 관계가 있다.’, ‘액체의 높이와 미세조류 이동은 서로 관계가 있다.’ 등 가설을 ‘~와 관계가 있다.’의 형식으로 작성하였으며, 변인에 따른 결과를 구체적으로 서술하지 않는 경우이다(Fig. 2).

선행연구는 ‘선행연구에 대한 이해 부족’, ‘과학 오개념’으로 나타났다. ‘선행연구에 대한 이해 부족’은 선행연구 역할을 정확하게 파악하지 못하였거나 선행연구를 작성하지 않은 경우, 탐구 주제와 관련 없는 선행연구 내용을 제시하는 것을 의미한다. 예를 들면, ‘홀효과를 이용한 미세조류 수집 장치 개발’을 주제로 한 탐구에서 선행연구를 미세조류를 관찰하기 위한 현미경 사용법(Fig. 3) 또는 결론 도출을 위한 계산식을 조사하여 선행연구로 제시한 경우이다.

‘과학 오개념’은 과학 법칙과 원리를 잘못 해석하여 근거로 제시하거나 내용이 틀린 경우이다. 예를 들면, 보고서에 작성한 원소 기호나 이온식이 틀리거나 표기 방법이 잘못된 경우, 과학 법칙을 잘못 해석하여 선행연구로 제시한 경우이다.

실험 수행은 ‘변인 설정 오류’, ‘제한된 조건만 고려’, ‘측정의 오류’, ‘실험기구 부정확한 사용’, ‘기구 및 재료 선택의 오류’, ‘불충분한 실험 회수’로 나타났다. ‘변인 설정 오류’는 실험에 영향을 주는 요인을 고려하지 않고 탐구를 수행한 것을 의미한다. 예를 들면, 온도가 실험결과에 영향을 미치는 것을 인지하였지만, 온도를 변인으로 설정하지 않고 탐구를 수행하거나 탐구과정 중 벽돌 가루, 황사와 흙먼지 유입 등의 변수가 작용하였지만, 이를 변인으로 고려하지 않은 경우이다(Fig. 4).

‘제한된 조건만 고려’는 제한되거나 특정 조건만 고려하여 탐구를 수행한 경우를 의미한다. 예를 들면, ‘방풍 씨앗과 함께 양파를 보관하면 싹이 나지 않은 원인’을 분석하는 탐구과정 중 인터넷 검색을 통해 방풍 씨앗에 있는 여러 화학성분 중 특정 화학성분만 결과에 영향을 미칠 것이라고 예상하였으며, 실험 설계 시 방풍 씨앗의 다른 성분은 변수로 고려하지 않고 한 가지 화학성분만 고려하여 실험을 수행한 경우이다(Fig. 5).

‘측정의 오류’는 탐구과정에 필요한 데이터를 측정하는 방법이 잘못된 경우를 의미한다. 예를 들면, ‘달팽이의 여름잠에 미치는 환경요인’을 조사하는 연구에서 잠을 자는 달팽이 수를 측정하는 방법에 있어 명확한 시간 기준과 같은 측정 기준이 없이 임의대로 관찰 후 측정하여 결과값을 제시한 경우이다(Fig. 6).

‘실험기구 부정확한 사용’은 실험기구 사용 시 조작 방법이 정확하지 않은 경우를 의미한다. 예를 들면, 피펫, 스포이트와 같은 기구를 조작할 때 기구 사용법이 잘못되었거나, 교반기를 사용하여 동물성 기름을 녹이는 실험에서 페트리접시를 교반기 위에 올릴 때 닿는 면적이 동일하지 않은 상황에서 실험을 수행한 경우이다(Fig. 7).

‘기구 및 재료 선택의 오류’는 기구나 재료를 잘못 선택하여 탐구를 수행한 것을 의미한다. 예를 들면, 시약의 부피를 측정하는데 부피 측정 기구인, 눈금 실린더, 플라스크, 피펫을 사용하지 않고 비커를 사용하여 부피를 측정하는 경우이다.

‘불충분한 실험 회수’는 반복실험을 하지 않고 결과를 작성하는 것을 의미한다. 예를 들면, ‘양변기의 세균 실태를 파악하여 화장실 내 세균 확산이 되는 요인’을 알아보기 위해 세균을 배양하여 관찰하는 실험에서 변기의 종류, 물이 튀는 높이 등 다양한 조건을 고려하여 실험을 수행하였지만, 조건에 따른 반복실험을 수행하지 않고 결과를 해석한 경우이다(Fig. 8).

결과는 ‘결과 작성의 오류’, ‘자료 해석 및 변환의 오류’로 나타났다. ‘결과 작성의 오류’는 탐구 결과를 작성할 때 선행연구 내용을 그대로 기술하거나, 탐구 결과를 결론에 제시하는 것을 의미한다. 예를 들면, ‘특정지역에 생육하는 앉은 부채의 서식지’를 주제로 한 탐구에서 문헌 조사 내용을 탐구 결과로 제시하였으며(Fig. 9), 탐구과정을 통해 얻게 된 결과가 아닌 인터넷에서 검색한 내용을 결과로 작성한 경우이다.

‘자료 해석 및 변환의 오류’는 탐구 결과에 따른 해석이 틀리거나 데이터 변환이 잘못된 것을 의미한다. 예를 들면, 탐구 결과를 잘못 해석하여 탐구 결과와 일치성이 없거나, 그래프 작성이 명확하지 않은 경우이다. 특히 그래프 작성에서, 저수지에서 채취한 녹조물의 pH, NO₃^-, PO₄^3- 측정값을 그래프로 제시하였지만, 변인 간의 관계가 명확하게 나타나지 않았으며 Fig. 10과 같이 그래프의 x축, y축 변수를 정확하게 제시하지 않은 경우이다.

결론은 ‘타당하지 않은 결론 도출’, ‘가설설정과 결론 도출의 연관성 부족’, ‘과일반화’로 나타났다. ‘타당하지 않은 결론 도출’은 탐구과정과 결과에 따른 결론 일치도가 부족하거나 잘못된 것을 의미한다. 예를 들면, 불에 잘타지 않는 나뭇잎을 선별하기 위해 나뭇잎으로 불꽃 실험을 한 뒤 결과를 얻었으나, 결론을 탐구 결과를 바탕으로 서술하지 않고 ‘식물을 겉씨식물과 속씨식물로 나누고 여러 가지의 분류 방법이 있다는 걸 알게 됨’으로 작성하여 탐구내용과 관계없는 결론을 서술한 경우이다(Fig. 11).

‘가설설정과 결론 도출의 연관성 부족’은 설정된 가설과 결론 도출 간 연관성이 없는 경우를 의미한다. 예를 들면, ‘과산화수소분해를 통한 채소의 카탈라아제 반응 비교 연구’에서 초기 가설설정 과정에서 고려하지 않았던 변인이 실험 후 결과에 유의미한 영향을 주는 변인으로 작용한 것을 인지하고 초기에 설정한 변인을 바탕으로 결론을 서술하지 않고 결과에 영향을 준 변인 만 고려하여 결론을 서술하였다. 예를 들면, 과일의 신맛과 단맛이 카탈라아제 활성화 정도에 영향을 준다는 것을 고려하지 않고 실험을 수행하였으나 실험을 수행한 결과 신맛과 단맛이 결과에 영향을 미치는 것을 확인한 후 ‘과일의 신맛과 단맛이 카탈라아제 활성화 정도에 영향을 줄 것이라고 생각했는데 영향을 주었다.’로 가설설정 단계에서는 고려하지 않았던 변인을 포함하여 가설을 수정한 후 결론에 제시한 경우이다(Fig. 12).

‘과일반화’는 특수한 상황을 일반적인 상황으로 해석하는 것을 의미한다. 예를 들면, 냉장보관에 따른 채소의 카탈라아제 함량 변화를 탐구하는 실험에서, 채소를 냉장고에 일정 시간 동안 보관한 후 실험을 수행한 상황을 저온조건이 유지되는 상황으로 판단하여 ‘카탈라아제가 열에 약할 뿐 아니라 저온에서 효소작용이 떨어진다는 사실을 확인할 수 있었다.’는 결론을 도출하였다(Fig. 13). 이는 냉장고에 채소를 넣은 상황만으로 실험결과를 열과 온도에 따른 결과로 일반화하여 확대 해석한 경우이다. 실제 연구보고서의 실험 과정에 따르면, 잎줄기 채소, 뿌리채소 등 다양한 채소를 냉장고에 10일 동안 보관한 후, 냉장고에서 꺼내어 7일동안 실온에서 산소 거품의 최대 발생 높이를 측정하여 카탈라아제의 함량을 분석하였고, 실험 수행 과정에서 저온은 유지되지 않았다.

참고문헌은 ‘참고문헌 작성 오류’ 로 나타났다. 참고문헌 작성 오류는 참고문헌 기재와 관련 오류를 의미한다. 예를 들면, 보고서 작성 시 참고문헌을 사용하였지만 참고문헌 목록이나 보고서 본문에 각주로 제시하지 않은 경우, 참고문헌 목록에 참고문헌은 제시 되어있지만 보고서 본문에 인용 표기가 되어 있지 않은 경우이다. 또한 참고문헌을 표기하였지만 참고문헌 작성방법에 일관성이 없는 경우(Fig. 14)를 포함하여 블로그, 유튜브 등 공신력 없는 자료를 참고문헌으로 사용하여 기재한 경우이다.

학교급별 과학탐구 연구보고서 오류 유형의 빈도수 분석결과는 제시된 표와 같다(Table 3). 과학탐구 연구보고서 오류 경향성은 실험 수행에서 오류 빈도가 가장 많은 것으로 나타났고, 다른 유형은 학교급별로 다소 차이가 있었다. 초등학생은 실험 수행(36.88%), 선행연구(17.02%), 결론(16.31%), 연구 문제/가설(13.48%), 결과(9.93%), 참고문헌(6.38%) 순서이며, 중학생은 실험 수행(42.86%), 결론(20.00%), 선행연구(14.28%), 결과(11.43%), 연구 문제/가설(10.01%), 참고문헌(1.43%) 순서이고, 고등학생은 실험 수행(45.16%), 연구 문제/가설(16.13%), 결론(16.13%), 선행연구(11.83%), 결과(8.61%), 참고문헌(2.15%) 순서로 나타났다.

연구 문제/가설은 학교급에 따라 오류 양상 차이가 나타났다. 6개 중 초등학생(13.48%)은 네 번째, 중학생(10.01%)은 다섯 번째, 고등학생(16.13%)은 두 번째로 높은 오류 유형으로 조사되었다. 고등학생의 경우, 다른 과정에 비해 연구 문제/가설 설정에 어려움을 느끼고 있는 것으로 해석된다. 하위 유형 중 ‘잘못된 연구 문제 설정’과 ‘잘못된 가설’은 초등학생과 중학생은 비슷한 비율이었으며 고등학생은 ‘잘못된 연구 문제 설정’이 좀 더 높은 비율이었다. 탐구 문제의 발견은 창의적인 문제의 해결로 연결될 수 있다는 점에서²⁶ 문제 발견은 연구를 수행함에 있어 중요한 부분이며 교사는 탐구 주제에 맞는 연구 문제 설정을 잘 할 수 있도록 지도해야 한다.

선행연구는 6개 중 초등학생(17.02%)은 두 번째, 중학생(14.28%)은 세 번째, 고등학생(11.83%)은 네 번째로 조사되었다. 학교급이 낮을수록 상대적으로 오류 비율이 높았다. 초등학생 경우 선행연구에 대한 지도가 필요하며, 선행연구의 역할을 제대로 잘 알지 못하여 발생한 오류가 있었다. 선행연구는 탐구 주제와 관련한 정보를 수집 및 분석하여 탐구 주제 및 과정의 타당성을 검토하는 과정임에도²⁷불구하고 학생들은 단순하게 인터넷으로 검색한 결과를 검토과정이 없이 선행연구로 그대로 작성하는 등 공신력 없는 자료를 조사한 경우가 있었다. 또한 선행연구를 연구 결과에 제시하는 보고서도 있었다. 교사는 선행연구의 필요성, 역할과 기능 등에 대해 구체적으로 안내하고 탐구 주제에 따른 연구 분야와 관련 내용 및 주제어를 선별할 수 있도록 지도해야 한다.²⁷

실험 수행은 6개 중 모든 학교급에서 비율이 가장 높은 유형으로, 초등학생(36.88%), 중학생(42.86%), 고등학생(45.16%)으로 조사되었다. 학생 과학탐구 연구보고서에는 실험 수행 과정이 주로 제시 되어있으며, 그에 따라 하위 유형이 다른 과정에 비해 많았고 그 결과 상대적으로 오류 비율이 가장 높게 나타났다. 실험 수행의 하위 유형은 ‘변인 설정 오류’가 초등학생(12.06%), 고등학생(13.97%)으로 다른 유형에 비해 높은 비율로 나타났다. 중학생은 ‘변인 설정 오류’, ‘제한된 조건만 고려’, ‘측정의 오류’가 10.00%로 세 유형의 비율이 동일하였다. 초등학생, 중학생, 고등학생 모두 ‘변인 설정 오류’가 상대적으로 높은 비율이었으며, 이것은 탐구를 수행함에 있어 변인 설정의 필요성과 중요성에 대한 인식이 낮고,²⁸ 변인 통제를 적절하게 수행하지 못한다²⁹는 기존 연구 결과와 유사한 것으로, 학생들이 변인 설정 역량이 부족하다는 해석이 가능하다. 변인 설정은 과학탐구에서 타당한 원인과 결과를 도출하는데 핵심적인 과정이므로, 탐구 목적을 명확하게 정리하여 실험의 결과에 영향을 미치는 변인을 정확하게 설정할 수 있도록 지도해야 할 것이다.²⁷

결과는 6개 중 초등학생(9.93%)과 고등학생(8.61%)은 다섯 번째로, 중학생(11.43%)은 네 번째로 나타났다. 초등학생, 중학생, 고등학생 모두 결과 중 ‘결과 작성의 오류’가 ‘자료 해석 및 변환의 오류’ 보다 높은 비율로 조사되었다. 일반적으로 탐구 결과는 연구 수행에 따른 결과이며 해석은 결과에 대한 연구자의 해석을 제시해야 한다.²⁹ 하지만 학생들의 과학탐구 연구보고서 오류 유형 분석한 결과, 연구 결과에 선행연구나 이론적 배경을 작성하는 경우가 다수 있었다. 그러므로 교사가 학생을 지도할 때, 연구 결과에 포함시켜야 하는 내용과 실수하기 쉬운 점 등과 같은 결과 작성에 대한 구체적이며 실질적인 안내가 필요하겠다.

결론은 6개 중 중학생(20.00%)은 두 번째로, 초등학생(16.31%)과 고등학생(16.13%)은 세 번째로 나타났다. 초등학생과 중학생은 ‘타당하지 않은 결론 도출’, ‘가설설정과 결론 도출의 연관성 부족’, ‘과일반화’가 비슷한 비율로 나타났으며, 고등학생은 ‘가설설정과 결론 도출의 연관성 부족’이 ‘과일반화’보다 상대적으로 높은 비율로 조사되었다. 결론을 정리함에 있어서, 결과에 따른 결론이 명확하지 않고 예상이나 추리의 형태로 기술되거나, 또는 결론을 기술할 때 결과값을 설명하는 수준으로 작성하는 경우가 있었다. 교사는 학생들에게 연구 문제를 확인한 뒤 탐구 결과를 분석하여 논리적으로 추론하고, 결과와 거리가 멀거나 잘못된 결론 도출을 하지 않도록²⁷ 결론을 서술하는 방법을 지도하고 결과와 결론의 차이점을 구별할 수 있도록 지도해야 할 것이다.

참고문헌은 모든 학교급에서 오류 비율이 가장 낮았고, 초등학생(6.38%), 고등학생(2.15%), 중학생 (1.43%), 순으로 나타났다. 초등학생의 경우, 연구보고서에 참고문헌을 제시하지 않거나, 참고문헌의 표기가 틀린 경우도 있었다. 참고문헌을 정확하게 기술하는 것은 연구의 질을 평가하는데 중요한 척도가 되고 저작권 관련하여 중요한 이슈가 될 수 있으므로, 문서를 발행하는 기관의 지침에 따라 일관성 있게 작성하는 방법을 초등학교 때부터 구체적으로 지도를 해야 할 것이다.