과학의 불확실성 유형과 과학 교과서 속 사례 = The Types of Scientific Uncertainty and Their Examples in Science Textbooks

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Science activities inherently involve uncertainty. Scientists manage the uncertainty to achieve their own certainty, using it as a driving force in their scientific endeavors. However, people often misunderstand scientific uncertainty as purely negative. Understanding science activities correctly is an important goal in science education, but there is a lack of specific research in this area. Therefore, there is a need to establish an understanding of scientific uncertainty and explore ways to convey it accurately to students.
The research question is as follows. First, what types of scientific uncertainties are inherent in science activities, and how do scientists cope with each uncertainty? Second, how do high school science textbooks present examples of scientific uncertainties? To answer these questions, Research 1 explored scientific uncertainties by analyzing various research literature. Research 2 analyzed how the scientific uncertainties, extracted through Research 1, are represented in high school science textbooks.
Research 1 analyzed 33 research papers on scientific uncertainties. To select the research targets, 6 recent science education papers over the past ten years focusing on uncertainty inherent in science activities were initially chosen. From these selected papers, a snowball sampling method was used to expand to 33 documents regarding scientific uncertainty. The selected research targets were analyzed using traditional literature review methods. Various elements related to scientific uncertainties were extracted from each document, and common elements were grouped to derive categories.
The results of the literature analysis concluded that scientific uncertainties can be categorized into four types: First, uncertainty is inherent in ‘data sampling and measurement’ due to extraction of only a part of nature as data and limitations of measurement devices. Secondly, ‘theory and model generation’ generates uncertainty because theories and models undergo idealization processes and may be subject to modification. Third, predicting the future perfectly through science is impossible, making uncertainty in ‘prediction and decision-making’, especially when interwined with society. Fourth, uncertainty is inherent in ‘human activities’, as scientists are also human and cannot make the right decision at every moment.
Through literature analysis, scientists were found to cope with the four types of scientific uncertainty as follows: First, to reduce the uncertainty inherent in ‘data extraction and measurement,’ scientists openly acknowledge uncertainties generated from data sampling and device limitations in the research process and strive to develop research methods or devices. Second, to deal with the uncertainty inherent in ‘theory and model generation,’ scientists repeatedly criticize and modify theories and models. Thirdly, scientists acknowledge the uncertainty in ‘prediction and decision-making’ and communicate probabilistic results using statistical methods. Fourthly, to reduce the uncertainty inherent in ‘human activities,’ scientists utilize communication channels within the scientific community, such as peer review.
Research 2 focused on how high school textbooks present the scientific uncertainties. For this purpose, three textbooks from the 2015 revised curriculum, ’Integrated Science’, ‘Science Inquiry Experiment’, and ‘History of Science’, which aim to understand science activities were analyzed. The analysis was guided by the types of scientific uncertainties and scientists' coping strategies derived from Research 1.
The results of the textbook analysis are as follows: Firstly, the textbooks mainly introduced scientific uncertainties and scientists' coping strategies while introducing science concepts based on the historical development of science. Particularly through the ‘History of Science’ textbook, uncertainties regarding science and its relationships with society, politics, and economics were mentioned. Secondly, there were discrepancies in the textbook description of how scientists deal with scientific uncertainty compared to the results of the literature analysis. While scientists are to communicate probabilistic outcomes, the textbooks sometimes used deterministic statements. Third, the uncertainty and coping strategies regarding limitations of measurement devices were absent from the main text and inquiry activities of the textbooks.
The conclusion drawn from these research findings is as follows: First, uncertainty is inherent in science activities, and to understand scientific uncertainty correctly, it is necessary to understand how scientists cope with uncertainties. Second, textbooks convey scientific uncertainty and scientists' coping strategies when introducing concepts alongside scientific thinking processes or historical developments. However, textbooks have limitations in including only some types of scientific uncertainties or in conveying misunderstandings about how scientists cope with scientific uncertainties.
The implications and suggestions of this research are as follows: To understand science activities correctly, it is necessary to view them from the perspective of uncertainty and understand the efforts of scientists to handle it. This can help students develop scientific attitudes and trust in science. Furthermore, when developing textbooks, efforts should be made to address various types of scientific uncertainties and to properly introduce scientists' coping strategies with scientific uncertainty to students.

국문 초록 (Abstract)

과학 활동에는 불확실성이 내재해 있다. 과학자들은 불확실성에 대처하며 나름의 확실성에 도달하기 위해 과학 활동에 더욱 정진하므로 불확실성은 과학 활동의 원동력이다. 그러나 사람들은 과학 활동의 불확실성을 마냥 부정적인 것으로 오해한다. 과학교육에서 과학 활동을 올바르게 이해하는 것은 중요한 목표이지만, 과학의 불확실성에 관한 구체적인 연구가 부족하다. 이에 과학의 불확실성에 대한 이해를 정립하고, 학생들에게 올바르게 전달할 방법을 탐색할 필요가 있다.
본 연구의 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 과학 활동에는 어떤 유형의 불확실성이 내재하며, 과학자들은 각각의 불확실성에 어떻게 대처하는가? 둘째, 고등학교 과학 교과서는 불확실성이 드러나는 과학 활동의 사례를 어떻게 제시하는가? 이에 답하기 위해 연구 1에서는 각종 연구 문헌을 분석하여 과학 활동에 내재한 불확실성을 탐색하였다. 연구 2에서는 연구 1에서 추출한 과학의 불확실성이 고등학교 과학 교과서에서 어떻게 표현되고 있는지를 분석하였다.
연구 1은 과학의 불확실성을 다룬 연구 문헌 33개를 분석한 연구이다. 연구 대상을 선정하기 위해 먼저 과학 활동에 내재한 불확실성을 주제로 한 최근 10년 동안의 과학교육 논문 6개를 선별하였다. 선별된 논문으로부터 눈덩이 표집을 통해 과학의 불확실성을 다루는 문헌 33개로 확장하였다. 선정한 연구 대상을 전통적인 문헌 고찰 방법에 따라 분석하여 각 문헌에서 과학의 불확실성과 관련된 요소들을 모두 추출하였다. 추출된 요소 중 공통된 요소들을 묶어 범주를 도출하였다.
문헌 분석 결과, 과학의 불확실성을 다음의 네 가지로 유형화하였다. 첫째, ‘데이터 추출과 측정’ 시 현상의 일부만을 데이터로 삼아 추출하고 기기에 측정 한계가 있으므로 불확실성이 내재한다. 둘째, ‘이론 및 모델의 생성’에는 이상화를 거치며 자연 현상을 충분히 설명하지 못하거나 새로운 현상을 설명하기 위해 수정될 수 있다는 불확실성이 존재한다. 셋째, 과학을 통해 ‘예상과 의사결정’을 할 때 미래를 완벽하게 예측할 수 없는 불확실성이 있으며, 특히 사회와 복잡하게 얽혀 그 불확실성이 더욱 증대된다. 넷째, ‘인간 활동’에 내재한 불확실성에 따라 과학을 하는 주체인 과학자들이 내리는 결정이 매 순간 항상 옳을 수만은 없다.
문헌 분석을 통해 과학자들은 네 가지 과학의 불확실성에 다음과 같이 대처함을 확인하였다. 첫째, ‘데이터 추출과 측정’에 내재한 불확실성을 축소하기 위해 과학자들은 데이터 샘플링과 기기의 한계로 인한 불확실성을 연구 과정에 솔직하게 밝히고 연구 방법이나 기기를 발전시킨다. 둘째, ‘이론 및 모델 생성’에 내재한 불확실성에 대처하기 위해 과학자들은 이론 및 모델을 거듭 비판하며 수정·보완하는 태도를 지닌다. 셋째, 과학자들은 과학을 통한 ‘예상 및 의사결정’의 불확실성을 인정하고 통계적 방법을 활용하여 확률적 결과를 소통한다. 넷째, ‘인간 활동’에 내재한 불확실성을 줄이기 위해 과학자들은 동료 검토와 같은 과학 커뮤니티 내 소통 창구를 활용한다.
연구 2에서는 고등학교 교과서가 과학의 불확실성이 드러나는 사례를 제시하는 방식을 탐색하였다. 이를 위해 2015 개정 교육과정을 통해 개발된 교과서 중 과학 활동에 대한 이해를 명시적인 목표로 하는 ‘통합과학’, ‘과학탐구실험’, ‘과학사’의 3개 과목 교과서 3종을 분석하였다. 연구 1에서 도출한 과학의 불확실성 유형과 이에 대한 과학자들의 대처를 분석 준거로 삼았다.
교과서 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 교과서에서 과학의 불확실성과 이에 대한 과학자들의 대처는 주로 과학사적 발전 과정에 따라 학습 내용을 소개하는 부분에서 나타났다. 특히 ‘과학사’ 교과서를 통해 과학과 사회, 과학자와 사회·정치·경제적 이해관계로 인한 불확실성이 표현되었다. 둘째, 교과서에서 과학자가 과학의 불확실성에 대처하는 모습과 다르게 서술된 부분이 있었다. 과학자가 예상 결과를 확률적으로 소통한다는 문헌 분석 결과와는 달리, 교과서에서는 확정적인 발문을 사용하기도 하였다. 셋째, 연구 1에서 추출한 불확실성 중 측정 기기의 한계로 인한 불확실성과 그에 대한 대처는 교과서에 제시되지 않았다.
이상의 연구 결과를 종합한 결론은 다음과 같다. 첫째, 과학 활동에 불확실성이 내재하며, 과학의 불확실성을 올바르게 이해하기 위해서 과학자가 불확실성에 어떻게 대처하는지를 동시에 알아야 한다. 둘째, 교과서는 주로 과학자의 사고 과정이나 과학사적 발전 과정이 두드러지는 개념을 학습할 때 과학의 불확실성과 이에 대한 과학자의 대처를 전달하였다. 그러나 교과서는 다양한 과학의 불확실성 중 일부 요소만 포함하거나, 과학의 불확실성에 대한 과학자의 대처를 오해하게끔 전달하였다는 한계가 있다.
이 연구의 시사점 및 제언은 다음과 같다. 과학 활동을 올바르게 이해하기 위해 과학 활동을 불확실성의 관점으로 바라보고, 과학의 불확실성과 이에 대처하기 위한 과학자의 노력을 이해하는 것이 필요하다. 그럼으로써 학생들은 과학적 태도를 기르고 과학을 신뢰할 수 있다. 또한, 교과서 개발 시 다양한 유형의 과학의 불확실성을 다루고 학생들에게 과학자의 대처도 올바르게 소개하기 위해 노력할 필요가 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1. 연구의 필요성 1
• 1.2. 연구 문제 4
• 1.3. 용어의 정의 5
• 1.4. 연구의 제한점 7
• 제2장 이론적 배경 9
• 2.1. 과학교육에서 과학 활동에 대한 올바른 이해 9
• 2.2. 과학 활동에 내재한 불확실성 12
• 2.3. 과학교육에서 과학의 불확실성에 대한 올바른 이해 14
• 제3장 연구 방법 18
• 3.1. 문헌 고찰을 통한 과학의 불확실성 탐색 19
• 3.1.1. 문헌 고찰 대상의 선정 및 수집 19
• 3.1.2. 데이터 분석 방법 24
• 3.2. 교과서 속 과학의 불확실성 사례 분석 26
• 3.2.1. 연구 대상의 선정 및 수집 26
• 3.2.2. 데이터 분석 방법 27
• 제4장 연구 결과 및 논의 29
• 4.1. 데이터 추출과 측정에 내재한 불확실성 30
• 4.1.1. 연구 문헌 속 데이터 추출과 측정의 불확실성 30
• 4.1.2. 데이터 추출과 측정의 불확실성에 대한 대처 32
• 4.1.3. 교과서 속 데이터 추출과 측정의 불확실성 33
• 4.2. 이론 및 모델 생성에 내재한 불확실성 38
• 4.2.1. 연구 문헌 속 이론 및 모델 생성의 불확실성 38
• 4.2.2. 이론 및 모델 생성의 불확실성에 대한 대처 40
• 4.2.3. 교과서 속 이론 및 모델 생성의 불확실성 41
• 4.3. 예상과 의사결정에 내재한 불확실성 48
• 4.3.1. 연구 문헌 속 예상과 의사결정의 불확실성 48
• 4.3.2. 예상과 의사결정의 불확실성에 대한 대처 51
• 4.3.3. 교과서 속 예상과 의사결정의 불확실성 52
• 4.4. 인간 활동에 내재한 불확실성 56
• 4.4.1. 연구 문헌 속 인간 활동의 불확실성 56
• 4.4.2. 인간 활동의 불확실성에 대한 대처 59
• 4.4.3. 교과서 속 인간 활동의 불확실성 60
• 제5장 결론 62
• 5.1. 요약 62
• 5.2. 결론 및 시사점 64
• 참고문헌 66
• 부록 73
• Abstract 75