[과학교육론] 1-1. 과학 지식의 형성 과정과 특성

1. 과학 지식의 정의

(1) 전통적 인식론 : 과학지식은 과학자가 참이라고 믿는 것으로 절대 불변하는 진리이다.

• 철학 : 경험주의, 실증주의, 합리주의
• 과학지식은 신념, 진리, 증거로 구성된다. → 과학지식은 과학자가 참이라고 믿는 것이고(신념), 명제는 반드시 진리이며(진리), 또 다양한 방법을 통해 정당화된 것이다(증거).
• 과학지식은 불변, 객관적, 절대적이다.
• 과학은 관찰, 검증, 논리적 추리로 인해 형성된 합리적인 학문이다.
• 과학 이론의 변화는 누적적, 진화적으로 이루어진다.
• 과학적 방법 : 귀납법, 연역법, 가설연역법

 

(2) 현대 인식론 : 과학지식은 자연현상을 설명하기 위해 사회적 합의를 통해 구성된 설명체계이다.

• 철학 : 구성주의
• 과학은 사회적 변화와 학문 발달에 따라 함께 발달하는 비합리적 학문이다.
• 과학지식은 가변적, 주관적, 상대적이다.
• 과학 이론의 변화는 격변적, 점진적으로 이루어진다.
• 과학은 절대불변의 진리가 아니며 새로운 증거에 의해 언제라도 바뀔 수 있다.
• 과학적 방법 : 귀납법, 연역법, 가설연역법 + 귀추 + 꿈, 영감, 은유, 비유, 직관 등등 다양하다.

 

▶ 과학의 본성

• 잠정성 : 과학지식은 절대불변의 진리가 아니라 잠정적이며 새로운 증거에 의해 언제든지 바뀔 수 있다. 오랜 기간 지속되지만 잠정적인 특성을 지닌다. 과학 지식은 한계를 지니며 언제든지 바뀔 수 있다.
• 관찰의 이론 의존성 : 선경험, 선지식, 생각 등이 관찰에 영향을 준다.
• 사회적 합의의 산물 : 과학지식은 당대 과학자들이 사회적 합의를 통해 구성한 설명체계
• 경험적 증거에 기반 : 과학 지식은 관찰과 실험적 증거에 의존한다.
• 과학, 기술, 사회는 상호 관련성
• 과학의 발전은 이론뿐 아니라 기술의 활용을 통해서도 이루어진다.
• 과학은 사회적, 역사적 상황과 문화적 전통의 영향을 받는다.
• 과학자는 윤리적으로 바람직한 태도를 갖추어야 한다.
• 과학은 여러 과학자 사이의 협력에 의해 발전된다.
• 과학적 방법의 다양성
• 상상력, 창의성 : 과학지식은 기본적으로 실험데이터에 의존하나, 상상력과 창의성이 관여된다.
• 모형의 사용 : 과학자는 실험이나 현상을 설명하기 위해 상상력과 창의력을 바탕으로 만들어진 모형을 이용한다.
• 주관성이 개입된다. : 같은 데이터에 대해서도 여러 가지 다른 해석과 추론이 만들어질 수 있다.

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2. 과학지식의 종류

(1) 표상적 지식 : 관련 있는 정보가 인지구조에 표상화 되어 있어 필요할 때마다 머리에 떠올려야 하는 지식. 머릿속에 저장된 지식) (F=ma, 뉴턴의 법칙을 안다)

(2) 절차적 지식 : 특정 행동을 수행하는 방법 또는 절차, 기능과 능력에 관한 지식(자동차 운전을 한다. 컴퓨터를 이용할 줄 안다.)

(3) 경험적 지식 = 사실적 지식 : 경험에 바탕을 둔 과학적 사실에 관한 지식(물은 0℃에서 언다, 달은 지구 주위를 공전한다.)

(4) 선험적 지식 : 순수 이성에 바탕을 두어 정당화 된 지식, 합리주의에 기반한 명제나 증명(삼각형의 내각의 합은 180°이다.)

(5) 논리적 지식 : 설명하려는 주어에 서술 부분이 포함되어 분석적 문장으로 표현되는 지식(정의, 설명)

(6) 규범적 지식 : 가치나 도덕적, 윤리적 기준 또는 규범을 나타내는 지식 (가치판단 → 좋다, 싫다/ 이롭다, 해롭다)

 

 

3. 과학 지식의 구성 요소

(1) 사실 : 오감을 통해 관찰한 바를 진술한 것

• 관찰과 측정을 통해 얻어진 구체적이고 검증 가능한 정보 단편
• 감각들을 통해 지각할 수 있는 것들
• 개념, 원리, 법칙, 이론의 바탕
• 한계 : 감각기관, 인지구조, 이론 의존성

(2) 개념 : 관찰, 현상에서 나타나는 공통적인 준거 속성(명사로 표현) (예) 산, 염기, 중화반응

• 어떤 특성이나 속성들을 공통적으로 가지고 있는 물체, 성질, 현상에 대한 추상적 관념
• 개념 형성 획득 과정은 능동적이다. (개념형성 → 개념 분화 → 개념변화)

(3) 법칙 : 개념들 사이의 관계를 진술한 것. (예) 질량보존의 법칙, 보일-샤를의 법칙

• 개념들 사이의 관계를 진술한 복합언명
• 자연현상의 규칙성을 기술하는 일반화된 진술
• 관찰 사실에 나타난 규칙성을 일반화 한 것으로 경험적이며 새로운 증거에 의해 기각이 가능하다.

(4) 원리 : 여러 개념들 사이 관계를 나타낸 더 포괄적이고 복잡한 아이디어, 법칙에 대한 법칙 (예) 르샤틀리에 원리, 온도가 올라갈수록 풍선 안에 있는 기체 분자의 운동이 활발해진다.

• 일반화
• 관찰된 현상을 지배하는 절대적 진리로 분석적이며 기각되거나 부정되지 않음

(5) 이론

• 이론 : 자연현상에 대한 설명 체계
• 모형, 비유를 이용해 표현
• 사실과 법칙을 이해하는 수단 + 새로운 사실에 대한 예측력, 설명력을 가지고 있다.
• 수정, 보완되거나 기각될 수 있다.
• 사실이나 법칙으로 구체화되는 경우는 없다.
• 좋은 이론은 정확성, 일관성, 단순성, 유용성이 있는 이론이다.

 

(6) 모형 : 과학적 현상을 이해하고 설명하기 위해 물체, 실체, 현상 등을 단순화하여 나타낸 표상이자 설명의 방법

• 자연현상을 설명하기 위해 구성된 도구로 추상적인 과학개념, 자연현상을 일상생활의 구체적 사물, 현상에 빗대어 표현한 것
• 우리가 볼 수 없는 것에 대한 표상 (예) 보어의 원자 모형
• 장점: 학생들이 자연현상을 미시적 입자수준(원자, 분자)으로 설명, 추상적 과학개념들 간 복잡한 관계 설명해야 하는 경우 모형을 활용
• 직관적, 시각적으로 학습이 가능하여 이해하기 쉽고 흥미가 유발된다.
• 친숙한 소재나 조작활동을 통해 흥미와 호기심이 유발된다.
• 형식적 사고가 어려운 학생들의 이해를 도울 수 있다.
• 한계점 : 실제와 완전히 일치하는 것이 아니다. → 수업 시 실제와 모형의 공통점과 차이점을 분명하게 제시해야함

 

* 이론, 모형의 역할(추론, 상상력사용) : 자연현상, 개념, 법칙 설명. 새로운 현상 예측하여 실험유도. 관찰방법, 사실이 달라짐, 잠정성

 

참고) 화학에서의 모형

모형	특징, 장점	한계점
분자-공막대 모형	원자-공, 결합길이 비례하는 막대기 →결합차수, 결합각, 결합길이 잘 표현	실제 분자에는 막대기X 원자는 공처럼 딱딱X 전자, 원자핵의 운동성X 전자분포X
분자-공간 채움모형	전자구름 분포, 분자의 구조 시각화	결합각, 결합차수, 결합길이X 전자원자핵 운동성X
분자-풍선 모형	풍선-원자주위 전자쌍 접촉면적-전자 간 반발 전자구름 분포, 분자의 구조 시각화 분자 기하구조에 대한 전자쌍 반발원리 → 구체화, 단순화	분자내 원자의 모양, 결합각, 결합길이, 전자운동성X 공유, 비공유전자쌍 구분X 반발력 차이X
전자발견 확률분포	흰 종이 동심원에 붉은 점 찍기 단위면적당 찍힌 점의 수 = 전자발견확률

 

(6) 가설 : 인과적 질문에 대한 잠정적인 답

• 문제의 답에 대한 잠정적 추측, 또는 현상에 대한 임시적 설명체계
• 확고하게 검증되지 않은 법칙이나 이론으로서 검증을 거쳐 법칙이나 이론이 된다.
• 조건

[1] 잠정적 답

[2] 과학적으로 검증 가능

[3] 변인 간의 관계로 기술

[4] 과학적 근거에 기반

 

• 종류

• 임시 변통적 가설 : 관찰이나 실험을 통해 검증할 수 없는 가설, 증명이 불가능한 가정
• 대담한 가설 : 많은 내용을 포함하여 일반성이 넓고 반증 가능성이 높은 가설
• 보조가설 : 과학 이론과 법칙의 검증에 필요한 부가적 가정