과학영재창의연구지원센터 홈페이지로 이동 R&E FOR YOU(과학영재창의연구지원센터 웹진) 3호(2021년 11월)

I. 모든 사람은 연구자!

영화 '이미테이션 게임(The Imitation Game, 2014)'은 수학자, 암호학자, 논리학자인 앨렌 튜링(Alan Mathison Turing)의 삶을 스토리로 구성한 영화이다. 앨렌 튜링은 수학의 개념을 '튜링 기계'의 추상 모델로 형식화하여 컴퓨터 과학의 발전에 커다란 공헌을 했다. 튜링 기계는 긴 테이프에 기록된 여러 가지 기호들을 일정한 규칙에 따라 바꾸는 기계이다. 이 기계는 제2차 세계대전에서 독일군의 군사 암호를 해석하여 1,700만 명 이상의 목숨을 구할 수 있었다.

영화에서 앨렌 튜닝의 명언들이 등장한다. 이 명언들은 연구자 및 연구의 가치를 이야기한다.

그리고,

근본적으로 모든 사람은 연구자의 자질을 가지고 있으며, 스스로 연구하는 과정을 통해 성장한다. 모든 사람은 연구를 통해 자신의 독창성과 상상력, 그리고 문제해결력을 마음껏 발휘할 수 있다. 왜냐하면 '내가' 관심이 있다면, 아무것도 아니라고 생각할 수 있는 현상이나 사물까지 연구 대상으로 설정하여 과학적으로 탐구하는 것이기 '연구'이기 때문이다.

연구(硏究, Research, Studies)는 주제 선정, 연구방법, 자료의 구성, 자료의 표현과 디스플레이 등에서 연구자의 자율성과 독창성을 필요로 한다. 연구자는 스스로 주체가 되어 주제를 선별하고 연구 활동을 기획하고 결과를 산출하는 과정에서 시행착오의 경험과 실패의 가치, 그리고 도전적 창조를 경험하게 된다.

본 고에서는 본인이 수행한 연구 및 학생들을 지도한 경험에 기반하여 초보 학생연구자들에게 '연구에 대한 조언'을 연구의 아름다움과 연구윤리(연구자의 약속), 연구방법 등의 관점에서 개괄적으로 제시하고자 한다. 연구(research)와 다양한 조건 아래에서 여러 가지를 측정하는 실험(experiment)은 구별되지만, 연구의 대표적인 방법으로 실험이 이용되는 초, 중등학교의 상황을 고려하여 연구와 실험을 동일한 의미로 사용하였다.

II. 연구의 아름다움: 연구의 가치

연구는 연구내용에 따라 다양한 방법 또는 창조적인 방법을 적용하여 수행할 수 있다. 연구는 지식이 생성되고 정당화되는 과정에서 핵심적인 역할을 한다(Galison, 1987, 1997; Hacking, 1983, 1989; Han, 2004; Lee, 2002, 2009).

로버트 크리즈는 저서 '세상에서 가장 아름다운 실험 열 가지(The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science)'에서 과학자들의 연구는 아름다운 세상의 신비를 창조한다고 역설한다. 저자는 과학의 아름다움이 갖는 의미와 역할을 이야기하고, 앙리 푸앵카레의 말을 인용한다. "즐겁기 때문에 연구하고, 즐거운 것은 연구가 아름답기 때문이다."

연구가 아름답기 위한 조건에 따르면, 첫째, 연구는 문제해결을 위한 타당하고 깊이 있는 지식을 포함한다. 아름다운 연구는 세상에 대한 근원적인 지식을 새롭게 나타낼 수 있어야 한다. 뉴턴의 프리즘 연구는 프리즘을 통과한 빛의 화려한 색깔 때문이 아니라, 빛이 여러 파장으로 이루어져 있다는 새로운 지식을 밝혀냈기 때문에 아름답다. 프리즘은 뉴턴의 연구 이전에도 아이들이 가지고 놀던 장난감이었다. 그러나 빛의 여러 속성들에 관심을 가지고 프리즘을 통과한 빛을 다시 프리즘에 통과시켜 원래의 빛으로 돌이킨 연구를 수행한 연구자가 뉴턴이었다. 뉴턴은 연구를 통해 빛이 다양한 여러 빛깔들의 혼합이며 세분화할 수 있다는 것을 발견하였고, 빛을 새로운 연구 대상으로 만들었다. 초보 학생연구자가 연구를 통해 새롭게 지식을 구성하고 연구의 즐거움을 깨달을 때 연구는 아름다운 가치로 다가온다.

둘째, 연구는 객관적이고 효율적이어야 한다. 연구문제를 해결하기 위해 필요한 방법과 재료들만을 사용한다. 에라스토테네스의 지구 둘레 재기는 이 효율성이 가장 잘 발휘된 연구 사례로써, 간단한 기하학과 알렉산드리아에서 시에네 사이의 거리, 해시계만을 사용하여 지구 둘레를 계산하였다. 에라토스테네스는 당시의 사람들도 쉽게 알 수 있었던 '하짓날 알렉산드리아에서의 각도가 전체 원에서 차지하는 비가 지구 둘레와 시에네와 알렉산드리아의 거리 사이의 비와 같다'는 평범한 사실을 통해 비교적 정확한 지구 둘레를 구해낼 수 있었다. 이 실험은 단순한 것으로도 우주적인 단위를 측정할 수 있다는 것을 보여주었다. 초보 학생연구자는 적합한 연구방법을 선별하여 효율적으로 연구를 수행하여 연구문제를 해결해야 한다.

셋째, 연구는 문제를 해결하는데 결정적이어야 하고, 새로운 의문을 솟게 해야 한다. 갈릴레오의 연구는 물체는 무게에 상관없이 똑같이 떨어진다는 것을 해결하였고, 또한 물체를 떨어지게 하는 힘에 대한 새로운 의문을 솟게 하였다. 갈릴레오의 연구는 기존의 아리스토텔레스의 자연관을 파기하고 새로운 자연관의 필요성을 극적으로 보여준다. 초보 학생연구자는 연구를 통해 문제해결과 관심, 그리고 새로운 의문을 생성한다.

로버트 크리즈에 따르면, "우리가 연구의 아름다움을 음미할 수 있을 때, 아름다움이란 본래 어떤 것이었는지, 그 근본적인 의미에 눈을 뜨게 되는 것이다."(로버트 P. 크리즈/역 김명남, 출판사 지호)

III. 연구윤리와 연구수행: 약속과 신뢰

2. 연구수행

가. 연구 질문의 생성 및 연구문제의 정교화

연구의 시작은 세상에 대한 관심과 호기심이다. 연구자는 관찰과 질문, 그리고 순수한 호기심과 내 질문에 타당성이 있다고 생각하는 자신감으로 연구주제를 선별하고, 연구문제를 정교화한다. 연구자가 스스로 문제를 인식하고 정의하는 것이 중요하다. 좋은 질문의 생성을 스스로 생각할 수 있는 힘으로부터 나온다.

• 연구자들에게 관심 있는 주제를 선별하고, 브레인스토밍이나 마인드매핑을 이용하여 범위를 좁혀가며 연구문제를 선정한다.
• 선정한 연구문제가 실제적인 연구 수행 및 자료 수집이 가능한가를 검토하여 최종 연구문제를 선정한다.
• 가치 있는 연구문제 또는 가설은 질문을 구성하고, 선행연구를 하고, 실험 여부를 검토하고, 변인을 설정한다.

다음은 연구문제를 점검하고 설정하는 단계를 요약한 표이다.

연구문제를 점검하고 설정하는 단계

구분	내용
연구문제 체크	연구문제가 연구주제와 일치하는가?
	연구문제는 테스트가 가능한가?
	연구문제는 독립변인과 종속변인을 가지고 있는가?
	연구문제는 선행연구에서 진행된 연구와 차별화되는가?
	연구문제의 변인들을 통제할 수 있는가?
	윤리적 문제없이 연구문제나 가설을 검증할 수 있는가?
연구문제 설정 단계	연구문제가 연구주제와 일치하는가?
	주제와 관련된 현상을 관찰한다.
	관찰한 사실을 평가하고 문제로 발전할 가능성을 검토한다.
	탐구하고자 하는 가능성 있는 질문들의 목록을 창조한다.
	연구문제나 가설을 발전시킨 후, 실험을 통해 검증, 테스트할 수 있는지 점검한다.

나. 문헌 및 선행연구의 중요성

문헌 및 선행연구는 연구주제와 관련된 학문적이며 실용적 정보를 수집·분석하여 연구주제와 연구방법의 창의성, 타당성, 적합성 등을 검토하고 아이디어를 얻는 과정이다.

첫째, 적절한 범위의 선행연구를 통해 연구주제와 관련된 지식적 이해 및 안목을 넓히고, 연구의 가치, 중복된 연구 등을 체크할 수 있다. '미세먼지'를 연구주제로 선정했을 때, 선행연구 범위는 지구과학 분야의 기상, 기후 연구, 또는 화학 분야의 물질 등으로 달라질 수 있다.

둘째, 연구주제와 관련된 참신한 아이디어를 얻을 수 있고, 기존의 아이디어와 차별화하고, 연구주제를 명료화, 정교화할 수 있다.

셋째, 연구의 문제점을 인식하거나, 간과할 수 있는 연구방법이나 절차상의 오류를 발견할 수 있다. 그리고 연구과정 중에 발생할 수 있는 문제점과 해결 방안에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한 제한된 시간과 여건 속에서 의미 있는 연구결과를 도출할 수 있는지를 점검할 수 있다.

다. 연구방법의 선별

연구방법은 다양한 여러 방법들이 있다. 연구환경, 연구자의 특성 등을 고려하여 연구문제를 해결할 수 있는 가장 타당하고 적절한, 그리고 효율적인 방법을 선택하여 연구를 수행한다.

실험연구는 연구자의 관심 변인인 독립변인을 통제하고 조작함으로써 종속변인이 어떻게 변화하는가를 분석하는 연구이다. 실험연구의 경우, 실험집단과 통제집단을 설정한다. 그리고 각 집단에 서로 다른 처치를 한다면, 어떤 처치를, 얼마 동안, 어떤 방법으로 투입할 것인지를 결정한다. 만약 실험기구나 장비를 사용한다면, 기구와 장비에 대해서 결정한다.

조사연구는 현상을 파악하기 위해 주로 사용되는 연구방법으로 원인과 결과를 분석하기보다는 현재의 상태를 알아보기 위한 목적으로 사용된다. 조사연구일 경우, 누구를 대상으로 조사할 것인지, 조사자료를 어떻게 표집할 것인지(표집방법)을 결정한다. 그리고 면접법 또는 설문지 조사로 연구를 수행할 것인지 결정한다. 면접 방법을 사용할 경우, 누구를 대상으로, 언제, 어디서, 어떻게, 무엇을 질문할 것인지 결정한다. 설문지를 사용할 경우, 누구를 대상으로, 언제, 어떤 방법, 무엇을 질문할 것인지를 결정한다. 어떤 방법으로 연구대상에게 발송하고, 언제, 어떤 방법으로 회수하며, 그 뒤에는 어떤 절차에 의하여 자료를 분석할 것인지를 결정한다.

관찰연구는 관찰자의 관찰에 의하여 연구대상의 특성을 파악하고 분석하는 연구이다. 관찰연구일 경우, 연구대상자의 수, 어떤 사람들을 선별할 것인지를 결정한다. 그리고 연구대상자의 행위를 어떤 방법으로, 어떻게, 얼마만큼 시간 간격을 두고 관찰할지를 결정한다. 몇 명의 관찰자가 관찰을 진행할 지를 결정하고, 관찰자를 대상으로 관찰 방법에 대해 교육한다. 관찰결과는 수기, 전자매체, 녹음 등 어떻게 기록할 것인지를 결정하여 준비한다. 관찰결과의 불일치가 있을 때는 어떻게 할 것인지 등을 사전에 정리한다.

IV. 마무리: 열정과 도전의 가치

본인의 직업인 대학교수가 하는 중요한 일 중의 하나는 연구를 수행하고 논문을 쓰는 일이다. 일반적으로 논문은 연구의 결과를 보다 많은 사람들과 공유하기 위하여 학술대회에서 발표하거나 학술지에 게재한다. 그 경우, 심사자들 또는 평가자들이 연구자가 투고한 논문을 심사하여 논문의 주제가 학술지의 성격이나 theme에 부합하는지, 논문의 표절과 윤리성, 논리성, 완성도 등을 평가하여 게재 여부를 판정한다. 본 저자도 학술지에 논문을 투고하여 '게재가' 또는 '게재 불가' 판정을 받은 경험이 있다. 게재 불가 판정은 기분이 좋지는 않지만, 그것 또한 연구의 과정이다.

연구를 해 본 사람과 해 보지 않은 사람은 어떤 차이가 있을까?

첫째, 두려움 또는 자신감이다. 해보지 않은 사람은 그 일을 할 때 발생할 수 있는 모르는 일에 대한 두려움이 있을 수 있다. 연구는 '배움'과 '할 수 있음'을 모두 경험할 수 있다. 연구는 학생들이 과학적 현상에 대한 이해를 돕고 새로운 생각을 펼치는데 도움을 주는 발판같은 것이다. 연구가 '실패'하여 연구결과가 예상과 다르면, 그 이유를 찾고, 성공하면 자신감을 얻어 새로운 것에 도전하게 된다.

둘째, 이해도이다. 연구의 목적과 이론적 배경, 실험에 쓰이는 재료들의 특성, 연구과정이 왜 필요하고 무엇을 의미하는 지 등을 실제 체험으로 이해할 수 있다. 연구라는 경험을 통해 과학적 현상과 지식에 대한 이해도를 높이고, 연구결과가 예상과 다르더라도 그 이유나 오류를 찾으며 학습할 수 있다.

셋째, 시행착오의 경험과 실패의 가치에 대한 경험이다. 경험은 성공과 실패로 나누어진다. 직접 경험을 하지 않은 사람은 실패 또한 알지 못한다. 연구하는 동안 경험하는 실패를 통해 배우는 것은 매우 가치 있는 것이다.

연구는 창의력과 문제해결력, 논증의 훈련이다. 연구는 완성도 높은 결과물이 아니라 시행착오의 경험이고, 논리적 사고의 훈련이다. 그리고 문제를 해결하고자 하는 열정과 끝까지 완주해내는 끈기, 인내의 훈련이다. 초보 학생연구자의 열정과 도전을 기대한다.