Ⅱ. 이론적 논의
2.4. 과학 활동 모델
2.4.1. SDDS(Scientific Discovery as Dual Search) 모델
인지과학에서는 전통적으로 과학적 사고를 바라보는 두 가지 관점이 존재한다. 하나는 과학적 사고를 문제 해결 과정으로 간주하는 입 장이다(Wertheimer, 1945; Simon, 1977). 문제 해결 과정은 정보 획득을 통해 ‘최초 지식 상태(Initial knowledge state)’에서 문제 해결 단계인 ‘목 표 상태(Goal state)’로 이동하는 인지적 과정이다. 일반적으로 최초 지식 상태에서 목표 상태로 이동하는 경우의 수는 사람이 감당할 수 없을 정 도로 방대하다. 이때 그 사람이 보유한 지식이 어떤 조건을 얼마나 제공 하는가에 따라 문제 해결의 경로는 제한된다. 이러한 측면에서 과학에서 의 문제는 이미 공유된 각종 패러다임, 출판된 지식, 연구 루틴, 통계적 방법, 표준화된 도구와 실험 등 강력한 조건들이 제공되므로 매우 제한된 경우의 수를 가진 문제 해결 과정이라 할 수 있다(Klahr, 2000). 그러나 과학적 발견 맥락의 경우 축적된 과학 활동에 제공하는 이러한 조건들이 적용되지 않으므로 문제 해결의 경우의 수는 다시 증가하게 된다.
반면, 인지과학에서는 과학적 사고를 ‘개념 형성’과정으로 바라보기도 한다. 앞서 살펴본 문제 해결 과정이 전략을 통한 게슈탈트적 과정이라 면 개념 형성은 실험 데이터의 일반화를 통해 규칙을 획득하는 귀납의 과정이다.
Simon & Lea(1974)는 과학적 사고를 바라보는 완전히 다른 이와 같은 두 입장을 하나의 틀로 통합하게 된다. 이러한 통찰에는 문제 해결 과정 이 이미 알고 있는 지식을 통해 안내되는 가설 수정의 과정이라는 점 그 리고, 개념 형성 과정에서 끊임없이 규칙에 관한 가설을 세우고 실험 데 이터에서 이를 검증하는 반복적 과정이 요구된다는 점이 단초를 제공하 였다. Simon & Lea가 제안한 통합적 관점의 핵심은 ‘규칙 공간(Space of rules)’과 ‘예시 공간(Space of intances)’이다. 이 두 공간은 서로 분리 되어 있으나 각 공간에서 획득한 정보는 다른 공간에서의 활동을 안내할 수 있다. 이러한 통합적 틀 안에서 ‘개념 형성’은 두 공간 사이 상호작용 을 통해 일어나며 ‘문제 해결’ 과정은 규칙 공간에서만 일어난다.
Simon & Lea의 통합적 관점은 최초로 가상의 인지적 공간을 도입하여
과학 활동에 대한 통합적인 이론 틀을 제공했다는 의미가 있다. 그러나 이는 연구참가자들이 세 개의 나열된 숫자의 규칙을 찾는 비교적 간단한 실험을 통해 도출된 것이다. 이에 Klahr & Dunbar(1988)는 좀 더 확장 되고 복잡한 과학적 맥락에 적용할 수 있는 인지 실험을 디자인하여 이 를 바탕으로 Simon & Lea의 아이디어를 확장하였다. 그 결과 Klahr &
Dunbar는 SDDS(Scientific Discovery as Dual Search)모델을 제안한다.
이는 과학적 발견의 과정을 ‘가설 공간(Hypothesis Space)’과 ‘실험 공간 (Experimental Space)’ 사이의 상호작용으로 간주하는 것이다. 또한, 이 러한 상호작용은 가설을 형성하고, 증거를 평가하여, 가설을 검증하는 세 가지 활동을 통해 이루어진다는 주장이다. 그림 2-11은 SDDS 모델에서 가능하다고 여겨지는 인지적 활동의 총체를 도식화 한 것이다.
[그림 2-11] Complete SDDS Goal Structure.
과학교육계에서 이러한 인지과학의 연구 결과에 주목하고 이를 반영해 야 한다고 주장했던 Osborne(2014)은 SDDS 모델과 추후 설명할 과학철 학자 Giere(2006)의 관점을 통합하여 과학교육적으로 유용한 형태인 그 림 2-12와 같은 틀을 제안하기도 하였다.
실험 공간 가설 공간
[그림 2-12] SDDS 모델과 Giere의 모델을 통합한 과학 활동에 관한 Osborne의 모델(2014)
Osborne은 이러한 통합적 틀이 과학자 집단의 규범적 기준에 부합하 는 문제 해결 방식을 반영하면서도 연역, 귀납, 귀추와 같은 전통적 사유 방식 역시 포함할 수 있다고 하였다.
2.4.2. 모델을 중심으로 한 과학 활동 모델
과학 활동이 경험적 데이터를 과학자 이론으로 설명하고 반대 로, 경험적 데이터에 비추어 회의적인 이론을 수정하거나 폐기하는 변증 법적 활동임을 고려하면(Halloun, 2006), 경험적 데이터와 과학자 이론을 중개하는 모델의 역할이 과학 활동에서 얼마나 중요한 것인지 충분히 짐 작할 수 있다. 따라서 이 절에서는 과학 활동에서 모델의 역할을 명시적 으로 포함한 과학 활동 모델을 소개하고자 한다.
먼저 제시할 모델은 앞서 설명했던 Giere(2001)의 틀이다. Giere가 모델 에 주목한 이유는 모델을 도입할 때 실제 과학 활동의 복잡한 모습을 설 명할 수 있기 때문이다. 그는 모델이 예측한 결과와 실제 측정된 경험적 데이터 사이의 정합성만이 과학 이론의 합리성 판단의 근거가 될 수 있
다고 하였다. 이때 경험적 데이터와 모델의 예측 사이 정합성에 관한 판 단은 참, 거짓과 같은 단순한 논리만으로는 불가능하며 항상 정도 (degree)의 문제로 나타난다. 이때 과학자 집단의 논의와 합의가 개입하 게 된다. 따라서 실제 과학 활동은 모델과 분리하여 생각할 수 없으며 모델과 실재 사이 관계는 그림 2-13과 같은 틀로 나타낼 수 있다는 것 이 Giere의 주장이다.
[그림 2-13] Giere가 말하는 과학 활동
그림 2-13는 모델과 실재 사이의 관계를 보여주기도 하지만 과학 활동 의 핵심적 도식으로 생각할 수 있다.
과학교육에서 모델을 중시한 관점을 강조한 학자로는 Hestenes가 대표 적이다. 그는 과학 활동이란 개념적 모델을 만들고 물리적 현상을 가장 잘 표상하는 개념적 모델을 선택하는 과정으로 묘사될 수 있다고 하였 다. 이때 이론 과학자는 물리 현상을 분석하는 모델을 만들며 실험 과학 자는 개념적 모델을 통해 해석될 수 있는 물리 현상의 규칙성을 탐지한 다. 그러므로 이론과 실험은 과학적 지식을 생성하는 순환적 과정을 구 성하는 상호 보완적 요소이다(Hestenes, 1992). 이러한 과정을 표현한 도 식은 그림 2-14에 나타나 있는데 여기서 Hestenes는 실재에 관한 가능 한 설명 체계로서의 이론을 ‘개념 세계(Conceptual World)’로, 설명의 대 상이 되는 경험적 현상은 ‘물리 세계(Physical World)’로 상정하였다. 또
한, 현상에 개념적 모델을 적절히 매칭하는 과정을 통해 개념 세계와 물 리 세계가 연결됨을 명시함으로써 두 세계를 중개하는 모델의 역할을 드 러냈다.
[그림 2-14] 모델의 역할(Hestenes, 1992)
지금까지 살펴본 Giere와 Hestenes의 도식은 과학 활동에서 모델의 역 할이 잘 드러나 있다. 그러나 경험적 데이터 또는 실제 현상에 비추어 변화되는 모델의 통시적 관점이 드러나 있지는 않다. 이에 마지막으로 Lopes(2002)의 ‘모델링 차원’을 제시한다(그림 2-15). 이 모델은 Giere나 Hestenes의 틀에서는 잘 나타나지 않는 모델의 변화를 포함하고 있다는 점에서 차별화된다. 이는 Lopes의 도식에서 말하는 모델이 정신 모델 (Mental model)이기 때문이다. Lopes가 이 도식을 제시한 원래의 목적은 과학 활동의 실제를 표상하기 위해서라기보다는 학생들이 문제를 해결할 때 요구되는 문제 상황의 모델링 능력을 평가하기 위한 기준틀의 수립이 다. 이러한 이유로 그림 2-15의 정신 모델은 학생들이 문제 상황을 대면
했을 때 자발적으로 생성된 것을 의미하며 과학적 개념 모델로 변모해야 할 미완의 것이다. 따라서 ‘생성 중(in production)’이라는 부연 설명이 붙어있다.
[그림 2-15] 모델링 차원(Lopes, 2002)
이처럼 Lopes의 도식은 앞서 소개한 과학 활동 모델들과는 차이가 있 다. 그러나 학생들에게 주어진 문제 상황을 과학자가 대면한 현상으로 대체하여 생각할 때 Lopes의 도식은 앞서 제시한 과학 활동 모델이 확 장된 것으로 간주할 수 있다고 판단된다. 이는 Lopes의 도식이 다른 과 학 활동 모델에 공통적으로 포함된 개념적 지식과 실제 현상 사이의 상 호작용을 포함하면서도 과학자가 생성한 모델의 역동성을 반영하고 있기 때문이다.
본 논문이 개념 세계와 경험 세계 사이의 상호작용을 통해 학생들이 모 델을 수정하여 모델을 진화시키는 활동을 중심으로 한다는 점에서 학생 의 정신 모델을 중심으로 한 Lopes의 도식은 유용한 분석틀을 제공할 수 있으리라 생각된다.