논술자료
[고교논술자연계] 어떤 원인이 실험 결과에 영향 주는지 분석
설경.
2008. 4. 30. 16:38
[중앙일보] 고교 자연계열 논술은 대학이 평가하려는 수험생의 수리적·과학적 원리에 대한 이해, 자료 분석 능력 등을 유형별로 세분화해 제시한 지면입니다. 교과서 개념들이 어떻게 응용 문제화됐는지 보여주며, 교과서로 수능도 함께 공부할 수 있도록 꾸몄습니다. 대입 지도 경험이 풍부한 현직 교사들이 교과서를 보는 새로운 시각을 제시할 것입니다.
< 게재순서 > 1.이해분석력 ① 사실과 원리, 주장과 근거 ② 그래프와 자료 해석 上, 下 ⑶ 탐구자료 분석 上, 下 2. 논증력 3. 창의력
< 집필 > ▶김기권 경희고(지구과학) ▶김은주 덕수고(생물) ▶김흥규 광신고(수학) ▶이동흔 남강고(수학) ▶이효근 보인고(과학) ▶정형식 숭실고(물리) ▶조분순 여의도여고(화학) 교사 (가나다순)
STEP 1 오늘의 논술 들어가기
탐구과정에는 귀납적 탐구와 연역적 탐구가 있다. 이 중 연역적 탐구의 설계에서 다뤄지는 변인들에 대해 알아보자. 연역적 탐구에서 실험에 관계되는 요인에는 독립변인과 종속변인이 있다. 독립변인은 실험 결과에 영향을 주는 변인, 즉 원인에 해당하는 변인으로 그래프에서는 x축에 놓인다. 이 독립변인엔 가설을 검증하기 위해 변화시켜 주는 변인인 조작변인과 실험 결과에 영향을 미치지 않도록 일정하게 유지해주는 통제변인이 있다. 독립변인은 관례적으로 흔히 조작변인을 말한다. 종속변인은 독립변인의 변화에 따라 변하는 변인으로 결과에 해당하며, 그래프에서 y축에 놓인다. 예를 들어보자.
이때 조작변인과 종속변인 사이의 관계에 대한 일반화를 원리나 법칙이라 부른다.
위에 언급한 광합성 속도 측정 실험에서 조작변인은 서로 다른 빛의 세기와 같이 측정 가능한 조작변인을 주어야 하며, 이에 따른 광합성 속도(발생하는 산소 기포 수)는 측정 가능해 그들 사이에 관계를 '빛의 세기가 강할수록 광합성의 속도는 빨라진다'는 내용으로 일반화할 수 있다.
STEP 2 교과서 열어보기
▶ 가설 - 연역적 탐구활동의 변인통제
연역적 탐구활동은 자연현상이나 일상생활의 문제 상황을 해결하기 위해 '어떤 원인이 어떤 결과에 영향을 미친다'는 가설을 세우고 이를 검증하는 과정이다. 이 가설을 다음처럼 도식화할 수 있다.
과학탐구에 대한 가설을 설정한 후 종속변인과 독립변인을 찾아내고 실험에서 통제돼야 할 변인을 구별해야 한다. 즉, 실험 결과에 관여하는 독립변인(조작변인)과 종속변인을 구별하고, 두 변인 사이의 관계에 영향을 줄 수 있는 제2, 제3의 변인(통제변인)을 일정하게 유지해줘야 하는데 이를 변인통제라고 한다.
▶ 예제 : 다음은 철수와 영희가 벽걸이 추시계의 시간을 맞추기 위해 다음과 같은 모형실험을 설계해 수행한 가설-연역적 탐구과정이다.
위 탐구과정은 가설-연역적 탐구과정(문제 인식→가설 설정→탐구 설계→탐구 수행→자료 해석→결론 도출→일반화)의 일부분이다.
▶ 문제 1. 단계 1~4의 탐구과정에서 검증하려는 가설이 무엇인지 밝히고, 그 가설 중 조작변인과 통제변인에 대해 각각 설명하시오.
▶ 해설 : '추시계 시간이 매일 조금씩 늦어지는 경우 어떻게 하면 시간을 맞게 조절할 수 있을까'라는 문제인식에 대해 영희는 '더 무거운 추를 매달면 시간을 빨리 가게 할 수 있을 것이다'라고 해결 가설을 제시했다. 이는 '추의 질량이 달라지면 진동주기가 달라진다'라는 가설로 정리할 수 있다. 이 가설에서 추의 질량은 탐구과정에서 체계적으로 변화시켜야 할 변인이므로 조작변인이다. 이 경우 진동주기에 영향을 줄 수 있는 다른 요인을 찾는 것이 중요한데, 길이 1m로 일정하게 유지시켜야 하는 실의 길이, 추를 진동시키는 높이, 추를 진동시키는 장소(지역에 따라 중력 값이 달라 진동주기가 달라진다) 등도 엄격하게 통제돼야 하는 통제변인에 해당된다.
▶ 문제 2. 단계 5는 단계 4의 탐구결과가 가설에 맞지 않을 때 수행하는 탐구과정 중의 어떤 단계다. 위 실험을 종합적으로 판단할 때 단계 5에서 영희가 말했을 내용을 서술하시오.
▶ 해설 : 단계 5는 단계 4의 기존 가설을 버리고 가설을 수정하는 단계다. 단계 6에서 실의 길이를 0.5m, 1.0m 등으로 체계적으로 변경하면서 실험을 했으므로 새로운 가설은 '실의 길이가 달라지면 진동 주기가 달라질 것이다'라는 내용으로 말했을 것이다. 서울대 자연계열 논술평가요소에 '수리적·과학적 상황에서 변인이나 대상 사이의 관계 설정 능력'을 포함하고 있다. 이는 객관식 문제로 측정하기 힘든 탐구과정능력을 평가하려는 의도다. 따라서 위의 예와 같이 교과서의 탐구활동을 할 때 무조건 따라하지 말고 스스로 문제를 던져 보고 이를 해결하기 위해 잠정적 결론인 가설을 설정하는 능력을 길러야 한다. 이를 검증하기 위해 크게 독립변인과 종속변인으로 구분하고, 독립변인을 조작변인과 통제변인으로 구분해 보는 습관을 길러 본다. 최근 논술고사에선 수학 능력시험에서 측정하기 어려운 이런 가설 설정능력과 실험 설계능력을 묻는 문제가 자주 출제되고 있다.
STEP 3 기출문제 다시 보기
▶ 기출 문제 변형 < 2004 수학능력시험 공통과학 >
영희는 다음과 같은 실험을 시도했다.
/
(1) 그림과 같이 긴 판으로 빗면을 만들고, 공을 가만히 놓아 구르게 한다.
(2) 일정한 시간 간격으로 공의 위치를 빗면에 표시한다.
(3) 출발점으로부터 표시된 점까지 거리를 측정한다.
다음은 영희가 이 실험에서 검증할 수 있는 가설들을 나열한 것이다.
① 공의 속력은 시간에 비례한다.
② 공의 이동 거리는 시간의 제곱에 비례한다.
③ 빗면의 기울기가 커지면 공의 가속도가 커진다.
위 세 가지 가설 중 검증이 가능한 가설과 어려운 가설을 분류하고, 각각 이유를 설명하라.
▶ 해설 : 영희가 한 실험에서 검증이 가능한 가설은 ①과 ②이고, 검증하기 어려운 가설은 ③이다. 일정한 시간 간격 동안 공의 위치를 표시해 출발점으로부터 표시된 점까지의 거리를 S1, S2, S3,… 라고 하자. 가설 ①의 경우 일정한 시간이 지날 때마다 공의 속력은 다음과 같이 된다.
< 게재순서 > 1.이해분석력 ① 사실과 원리, 주장과 근거 ② 그래프와 자료 해석 上, 下 ⑶ 탐구자료 분석 上, 下 2. 논증력 3. 창의력
< 집필 > ▶김기권 경희고(지구과학) ▶김은주 덕수고(생물) ▶김흥규 광신고(수학) ▶이동흔 남강고(수학) ▶이효근 보인고(과학) ▶정형식 숭실고(물리) ▶조분순 여의도여고(화학) 교사 (가나다순)
STEP 1 오늘의 논술 들어가기
위에 언급한 광합성 속도 측정 실험에서 조작변인은 서로 다른 빛의 세기와 같이 측정 가능한 조작변인을 주어야 하며, 이에 따른 광합성 속도(발생하는 산소 기포 수)는 측정 가능해 그들 사이에 관계를 '빛의 세기가 강할수록 광합성의 속도는 빨라진다'는 내용으로 일반화할 수 있다.
STEP 2 교과서 열어보기
▶ 가설 - 연역적 탐구활동의 변인통제
연역적 탐구활동은 자연현상이나 일상생활의 문제 상황을 해결하기 위해 '어떤 원인이 어떤 결과에 영향을 미친다'는 가설을 세우고 이를 검증하는 과정이다. 이 가설을 다음처럼 도식화할 수 있다.
▶ 문제 1. 단계 1~4의 탐구과정에서 검증하려는 가설이 무엇인지 밝히고, 그 가설 중 조작변인과 통제변인에 대해 각각 설명하시오.
▶ 해설 : '추시계 시간이 매일 조금씩 늦어지는 경우 어떻게 하면 시간을 맞게 조절할 수 있을까'라는 문제인식에 대해 영희는 '더 무거운 추를 매달면 시간을 빨리 가게 할 수 있을 것이다'라고 해결 가설을 제시했다. 이는 '추의 질량이 달라지면 진동주기가 달라진다'라는 가설로 정리할 수 있다. 이 가설에서 추의 질량은 탐구과정에서 체계적으로 변화시켜야 할 변인이므로 조작변인이다. 이 경우 진동주기에 영향을 줄 수 있는 다른 요인을 찾는 것이 중요한데, 길이 1m로 일정하게 유지시켜야 하는 실의 길이, 추를 진동시키는 높이, 추를 진동시키는 장소(지역에 따라 중력 값이 달라 진동주기가 달라진다) 등도 엄격하게 통제돼야 하는 통제변인에 해당된다.
▶ 문제 2. 단계 5는 단계 4의 탐구결과가 가설에 맞지 않을 때 수행하는 탐구과정 중의 어떤 단계다. 위 실험을 종합적으로 판단할 때 단계 5에서 영희가 말했을 내용을 서술하시오.
▶ 해설 : 단계 5는 단계 4의 기존 가설을 버리고 가설을 수정하는 단계다. 단계 6에서 실의 길이를 0.5m, 1.0m 등으로 체계적으로 변경하면서 실험을 했으므로 새로운 가설은 '실의 길이가 달라지면 진동 주기가 달라질 것이다'라는 내용으로 말했을 것이다. 서울대 자연계열 논술평가요소에 '수리적·과학적 상황에서 변인이나 대상 사이의 관계 설정 능력'을 포함하고 있다. 이는 객관식 문제로 측정하기 힘든 탐구과정능력을 평가하려는 의도다. 따라서 위의 예와 같이 교과서의 탐구활동을 할 때 무조건 따라하지 말고 스스로 문제를 던져 보고 이를 해결하기 위해 잠정적 결론인 가설을 설정하는 능력을 길러야 한다. 이를 검증하기 위해 크게 독립변인과 종속변인으로 구분하고, 독립변인을 조작변인과 통제변인으로 구분해 보는 습관을 길러 본다. 최근 논술고사에선 수학 능력시험에서 측정하기 어려운 이런 가설 설정능력과 실험 설계능력을 묻는 문제가 자주 출제되고 있다.
STEP 3 기출문제 다시 보기
▶ 기출 문제 변형 < 2004 수학능력시험 공통과학 >
영희는 다음과 같은 실험을 시도했다.
(1) 그림과 같이 긴 판으로 빗면을 만들고, 공을 가만히 놓아 구르게 한다.
(2) 일정한 시간 간격으로 공의 위치를 빗면에 표시한다.
(3) 출발점으로부터 표시된 점까지 거리를 측정한다.
다음은 영희가 이 실험에서 검증할 수 있는 가설들을 나열한 것이다.
① 공의 속력은 시간에 비례한다.
② 공의 이동 거리는 시간의 제곱에 비례한다.
③ 빗면의 기울기가 커지면 공의 가속도가 커진다.
위 세 가지 가설 중 검증이 가능한 가설과 어려운 가설을 분류하고, 각각 이유를 설명하라.
▶ 해설 : 영희가 한 실험에서 검증이 가능한 가설은 ①과 ②이고, 검증하기 어려운 가설은 ③이다. 일정한 시간 간격 동안 공의 위치를 표시해 출발점으로부터 표시된 점까지의 거리를 S1, S2, S3,… 라고 하자. 가설 ①의 경우 일정한 시간이 지날 때마다 공의 속력은 다음과 같이 된다.
