[과학교육론] 1-4. 과학이론의 특성과 변화

1. 과학 이론의 수준

(1) 좋은 이론의 준거

• 포퍼 : 반증 가능성이 높을수록 좋은 가설이다.
• 라카토스 : 좋은 이론은 새로운 관찰 가능한 자료를 예측하고 발견할 수 있어야 한다. ▶ 설명력과 예측력이 클수록 좋은 이론
• 라우든 : 경험적인 문제를 해결하는 능력이 뛰어나고[증거, 지지사례], 개념적인 문제에 덜 부딪칠수록[변칙사례 설명] 좋은 이론이다. ▶ 문제 해결능력이 뛰어날수록 좋은 이론

- 문제의 유형

• 경험적 문제 : 일련의 자료, 사실, 법칙적 유형과 같이 이론이 설명해야 하는 것
• 개념적 문제 : 이론이 직면하게 되는 논쟁의 여지나 이견들

 

(2) 과학이론의 수준 : 공모델(라카토스 연구프로그램 응용)

① 내부의 견고한 핵 - 중심이론	② 외부의 부드러운 핵 - 경계이론	③ 주변 이론
핵심적인 설명체계 경쟁이론 부재 중심이론은 경계이론이나 주변이론으로 내려가지는 못한다. 폐기만 가능	정립된 설명 체계, 발명된 것 아직 검증되지 않은 아이디어들로부터 내부를 보호한다. 일부 경쟁이론 존재 핵 안으로 들어가거나 주변 이론으로 가는 것 모두 가능	새로운 설명 체계 조야한 아이디어 수준 다양한 경쟁이론 존재 성장해서 경계이론, 중심이론으로 갈 수 있다.

▶ 경쟁 관계에 있는 이론 중 한 이론이 다른 이론보다 문제를 더 많이 해결하면 좋은 이론으로 판단된다. 또한 그 이론으로부터 예측한 것이 실제로 관찰되는 경우, 그 이론의 위치는 더욱 확고해진다.

 

2. 과학 이론의 변화 모형

[1] 누적 모형 : 과학자들의 연구를 통해 얻어진 새로운 사실이나 이론이 기존의 과학 지식 체계에 축적됨으로써 과학 지식이 발달한다. (all 보존)

• 인식론적 배경(철학) : 전통적 인식론인 경험주의와 실증주의에 기초
• 경험론 : 기존의 지식체계에 새로운 사실, 개념, 법칙, 이론이 관찰을 통해 자연에서 발견된 그대로 누적되어 발달한다고 봄
• 실증주의 : 검증과정을 거쳐 확증되거나 입증된 것만이 더해져 과학지식이 발달한다고 봄
• 방법론적 배경 : 귀납주의에 기초
• 한계
• 관찰의 이론의존성
• 지식의 변화과정에서 발생하는 갈등과 불일치 측면을 무시함

 

[2] 베이컨의 결정적 실험: 경쟁하는 두 이론이 있을 때 어떤 실험의 결과가 두 이론 중 한 이론에서 예상한 것과 일치하면 그 실험을 통해 두 이론 중 하나를 분명히 선택할 수 있다.

경쟁하는 복수의 가설들이나 이론들 가운데 하나를 분명하게 선택할 수 있게 해준다.

 

[3] 진화 모형: 여러 경쟁이론 중 검증을 가장 잘 견뎌낸 이론이 기존의 과학 지식에 더해져 새로운 과학 지식을 이 루게 되며, 이러한 과학 지식의 변화에 따라 과학이 발달한다. (보존+대체)

- 과학지식의 보존과 이론의 대체 과정 모두를 통해 과학이 발달한다고 보는 입장

- 장점 : 과학지식의 보존과 이론의 대체 과정을 동시에 설명할 수 있다.

- 새로운 이론은 기존 이론의 내용을 모두 포괄하고, 기존 이론이 해결할 수 없었던 문제도 해결한다.

- 대표학자 : 포퍼, 라카토스

(1) 포퍼의 반증주의

• 반증주의 : 과학지식은 오로지 반증만이 가능하다고 본다. 과학은 문제에서 출발한다. 과학자는 이 문제를 해결하기 위한 검증 가능한 가설을 내놓는다. 엄격한 검증과 비판을 견뎌내면 살아남아 발전하고, 반증 사례가 나타나면 폐기된다.
• 반증가능성이 높을수록 좋은 이론이다. (명확하고 포괄적인 것)
• 반증주의의 문제점

• 관찰의 이론 의존성과 반증의 오류 가능성
• 역사적 사례와 일치하지 않는다. 반증사례가 나타나면 이론이 폐기되어야하는데 그렇지 않았다.
• 임시 변통적 가설이 첨가되면 이론의 반증이 어렵다.

 

(2) 라카토스의 연구 프로그램 : 쉽게 바뀌지 않고 오랫동안 유지되는 특성이 있다.

- 현상을 설명하기 위한 여러 경쟁이론(연구프로그램)이 존재하는데 어떤 이론은 발전하고 어떤 이론은 퇴행한다.

그렇다면 이론이 잘 발전하려면 어떤 방법을 따라야 하는가? 긍정적 발견법

 

① 연구프로그램의 구성

연구 프로그램	1) 개념적 구조	견고한 핵	연구프로그램의 바탕이 되는 기본적 가정들로 이루어진 개념체계 수정될 수 없고 폐기만 가능하다. 매우 일반적이며 이론적인 가설의 형태를 취하고 있다. 견고한 핵은 한 프로그램이 전개되어 나갈 때 기본 원리의 역할을 한다.
		보호대	견고한 핵을 보충하는 보조가설과 초기조건 및 관찰 자료에 대한 가정들로 구성된다. 관찰의 결과에 따라 보호대를 수정·보완함으로써 견고한 핵을 반증으로부터 보호한다.
	2) 방법론적 규칙 (=발견법)	긍정적 발견법	변칙사례를 만났을 때 이를 해결하기 위해 보호대를 수정하고 보완하여 견고한 핵이 자연현상을 설명하고 예측할 수 있도록 보강한다. 변칙사례도 확증 사례화하여 설명력을 높이고 이론을 확장, 정교화하는 활동 핵 자체를 보다 넓은 범위로 설명하고 새로운 사실을 예측하는 새로운 가설을 핵에 첨가한다.
		부정적 발견법	연구프로그램이 변칙사례를 만났을 때 이를 인정하지 않고 해결하려 하지 않으며 연구프로그램을 계속 유지한다. 견고한 핵은 수정되지 않고 원래의 상태로 유지되어야 한다. 핵을 보호하기 위해서 (핵이 결코 수정되지 않도록) 보호대를 수정 보완한다. ex) 변칙사례를 무시 또는 거부하는 경우, 기존이론의 특수사례로 예외처리하거나 임시변통가설을 내놓는 것, 뉴턴 역학의 완전성을 위해 마찰 도입

② 연구 프로그램 상태 – 예측력에 따라 구분

전진적 연구 프로그램	기존의 연구프로그램이 해결한 문제와 해결하지 못했던 문제도 해결하고 새로운 문제나 사실을 예측하는 연구 프로그램 ▶ 설명력과 예측성 증가 전진적 연구 활동 : 보다 많은 유형의 자료를 설명하고 개념적인 문제를 줄여 가는 연구 활동 ex) 아보가드로의 분자설 → 돌턴의 원자설을 개선 → 혼란 사라짐 : 전진적 연구프로그램
퇴행적 연구 프로그램	기존 연구프로그램에 포함된 내용과 문제해결 방법을 그대로 유지한 채 정체되어 있는 연구프로그램 ▶ 예측력 감소 퇴행적 연구 활동 : 이론이 설명하지 못하는 자료나 사실이 많고, 개념적인 문제들에 많이 부딪치는 연구 활동 설명력이 있어도 예측력이 없으면 퇴행적 연구프로그램 설명력 없어도 퇴행적 연구 프로그램

• 연구프로그램이 전진적인가 퇴행적인가 하는 것은 새로운 현상의 발견을 유도하는 데 성공하는가 아니면 계속 실패하는가에 의해 결정된다.
• 라카토스와 포퍼의 차이점 : 라카토스는 보조가설의 수정과 보완은 가능하나 견고한 핵의 교체나 연구프로그램 자체의 반증은 불가능 하다고 본 반면, 포퍼는 단 한 번의 결정적 실험으로 반증이 가능하다고 보았다.

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[4] 격변 모형 : 과학의 발달은 새로운 패러다임의 출현에 의해 혁명적인 방식으로 이루어진다.

(1) 쿤의 과학혁명

• 새 이론은 기존의 이론과 양립할 수 없고, 과학자들은 혁명적인 새로운 이론을 받아들인다.
• 새로운 이론은 자연 세계를 보고, 생각하며, 기술하는 새로운 방식을 제공한다. → 패러다임
• 한 이론이 교체되면 교체되는 이론과 관련된 세계관, 과학적 방법, 과학의 목적, 과학적 탐구의 결과와 그 해석 등이 모두 한꺼번에 새로운 것으로 변한다.

 

(2) 과학 혁명의 과정 : 전과학 → 정상과학 → 과학의 위기 → 과학 혁명 → (끝이 열린 과정)

전과학	과학적인 이론의 체계를 갖추지 못한 단계로서 비조직적이고 다른 여러 경쟁이론들이 공존하는 단계 전과학 단계에서 한 이론 또는 이론들의 집합체가 출현하여 많은 사람들을 설명할 수 있고, 다양한 요인을 포함하면서도 보다 단순한 성질을 띠어 경쟁이론들 중 성공적인 이론으로 확립되면 정상과학 단계로 발전한다.
정상과학	여러 경쟁이론 중에서 과학적 문제를 쉽고 효과적으로 해결하거나 자연현상을 명료하게 설명하는 것이 과학자들의 지지를 통해 패러다임으로 수용된다. 수수께끼 풀이 활동 : 정상과학 단계에서는 소속 집단의 모두가 같은 패러다임에 의해서 관찰, 과학적 조사, 실험 등을 수행하면서 자연현상을 설명하고 통제, 조절하여 패러다임을 정교화하고 발달시키는 수수께끼 풀이 활동이 일어난다. 변칙사례 설명 과정 * 정상과학단계에서의 수수께끼 풀이활동 ① 사실적 조사 ② 패러다임지지 ③ 정교화 ④ 문제 해결 안정적 탐구 : 이미 받아들여진 지식체계의 이론적 구조를 밝히거나 발전시키기 위한 탐구가 이루어진다.
위기	기존의 이론으로는 설명할 수 없는 사례들이 나타나기 시작하고 축적되면 위기를 맞는다. 패러다임에 모순되는 변칙사례가 계속해서 나타나고 해결되지 못한다. 과학의 위기 단계에서 기존 패러다임을 따르지 않는 문제풀이 활동이 일어난다.
과학혁명	위기를 극복하기 위해 새로운 이론체계를 제안하고, 사회적 합의에 의해 받아들여지면 새로운 패러다임이 형성됨으로써 과학혁명이 일어난다. 유동적 탐구(혁명적 탐구) : 새로운 개념의 발견과 법칙의 발전으로 새로운 개념체계를 개발하는 탐구 이후 새로운 정상과학이 일어남

[5] 점진모형 : 과학이론의 변화는 점진적인 특성을 띤다.

(1) 탐구 요소 : 이론, 방법, 목적

- 과학은 3가지 요소인 이론, 목적, 방법으로 구성된 네트워크이며, 이 전체가 바뀌는 것이 아니라 부분적인 변화를 통해 발전한다.

(2) 각 요인들이 서로 독립적으로 변하여 다른 영역의 발달을 유도한다.

연구전통이 바뀔 때, 새로운 이론, 목적, 방법이 한 번에 바뀌지 않고 서로 독립적으로 변한다.

방법이 발전 시 이론이 발전 or 목적이 변화 시 이론이 발전.