디자인 기반 과학(DBS)에 대해 알아보자.

디자인은 과학적 지식과 실제 문제해결 기술을 구축할 수 있는 수단이 될 수 있다고 합니다. 학교과학과 달리, 대부분의 현실 세계의 문제는 정의가 복잡하고, 필요한 정보가 부족하며, 정답이나 최선의 해결책이 알려져 있지 않기 때문입니다. 오늘은 과학교과에서의 디자인이 왜 필요한지 살펴보도록 하겠습니다. 

 

1. 미시간 대학교의 DBS란?

DBS는 학생들이 인공물 디자인에 참여함으로써 과학적 이해와 실제 문제해결능력을 키울 수 있도록 돕는 것을 목표로 합니다. 학생들이 잘 정의된 문제에 집중하는 전통적인 방식으로 구축된 과학 지식을 실제 문제에 적용하는 게 아니라, 디자인 경험 자체가 DBS 커리큘럼의 핵심인 것입니다. 모든 과학 지식, 문제해결  능력은 잘 정의되지 않은 실제 문제를 해결하기 위한 구체적인 사례로서 인공물을 디자인하는 맥락에서 구성됩니다. 

 

 

2. 왜 디자인을 과학 학습의 수단으로 사용하나요?

 디자인은 인간의 물질적, 정신적 필요에 비추어서 주변 환경에 대한 인간의 인식과 적응을 반영하는 인간의 경험, 기술, 이해의 영역입니다. 인간은 자연스럽게 디자인에 참여할 수 있습니다. 인간은 자신의 필요에 맞는 환경에 적응하기 위해 도구와 재료를 의도적으로 사용하기 때문입니다. 따라서 디자인 능력은 인간의 근본적인 적성이라고도 합니다(Roberts, 1995). 실제로 어린아이들의 놀이에는 디자인적 활동의 특징이 많이 포함되어 있다고 합니다(Baynes, 1994).

 일상적인 디자인이 즉흥적, 직관적이라면 과학에서의 디자인은 조금 다를 수 있습니다. 공식적인 프로세스이고, 디자인 프로세스의 결과가 수용 가능한지의 여부를 결정하는 명시적인 단계가 있습니다. 다만, 최종 설계 제품으로 이어지는 정해진 경로는 과학에서의 디자인에서도 정답이 없습니다. 

 이렇게 교실에서 과학과 디자인을 결합하는 아이디어는 영국에서 많은 주목을 받았습니다. 하지만, 디자인을 과학 학습을 지원하는 수단으로 사용하기보다는 과학의 학습 후에 적용하는 방식으로 연구가 이루어졌습니다. 미국에서는 디자인활동을 활용하는 과학교육 프로그램이 개발되기도 했습니다(Kafai & Ching, 1998; Kolodner, Crismond, Gray, Holbrook, & Puntambekar, 1998; Penner 외 1998). 이러한 프로그램에서는 디자인 문제를 해결하는 동안 발생하는 문제에 대해 학생들이 토론합니다. 이 과정에서 학생들은 토론과 함께 모델을 구성, 평가, 수정하는 여러 번의 반복을 기반으로 구축됩니다. 각 반복은 동일한 과학 개념에 초점을 맞출 수 있으며, 점점 복잡해집니다. 

 

3. 디자인을 과학학습에 적용한 연구 사례

• Penner et al., 1998: 인간 팔의 생체 역학에 대한 탐구 동기를 부여하기 위해 어린이들에게 인간 팔꿈치 모형을 디자인하게 했습니다. 이 연구는 학생들의 모델 개발과 학습과정에서 이 인공물의 중요성에 초점을 맞추었습니다. 학생들은 특별한 세부 사항을 지정하지 않고, 팔꿈치처럼 기능하는 무언가를 만들어야 하는 목표를 부여받았습니다. 이 연구에서 학생들은 다섯 번의 수업 시간에 걸쳐 모델을 만들고, 평가하고, 수정했습니다. 그런 다음 교사가 만든 모형을 사용하여 팔에 가해지는 하중과 이두근 위치가 팔에 미치는 영향을 조사했습니다. 이 연구는 인공물을 디자인하는 것이 과학 학습에 효과적인 맥락이 될 수 있다는 것을 보여줍니다. 
• Roth(1996): 어린이를 위한 공학을 사용하여 학생들에게 탑, 다리, 오두막을 만드는 데 대부분의 시간을 할애했습니다. 그는 특히 이러한 인공물이 지식의 사회적 구성에서 차지하는 중요성에 관심을 가졌습니다. 이 연구에 따르면 어떤 경우에는 학생들이 수용 가능한 인공물을 만드는 데 필요한 공학적 지식을 집단적으로 발견하는 것으로 나타났습니다. 이 연구는 공학적 개념과 그 기반이 되는 과학 원리 사이의 관계를 학생들이 명확하게 이해할 수 있도록 명시적으로 노출시켜야 함을 시사합니다.
• 키파이와 칭(1998): 신경과학과 같은 과학 주제를 다루는 컴퓨터 소프트웨어를 설계하는데 협력합니다. 이 소프트웨어는 어린 학생들이 신경과학 주제를 학습하는데 도움을 주기 위한 것입니다. 학생들은 연구 질문을 선정하고, 소프트웨어로 구현하고, 설계 과정에서 스스로를 관리할 책임이 있습니다. 이경우 디자인 프로젝트는 학생들이 미리 신경과학을 학습한 후 프로젝트에서 자신의 지식을 구현하고, 근거를 마련하고 적용하는 긍정적인 경험이었다고 합니다. 
• TERC(2000): 장갑 만들기, 보트 만들기, 온실 만들기, 투석기 만들기라는 4가지 고등학교 단원을 개발했습니다. 예를 들어 장갑 만들기 단원에서 학생들은 장갑을 만들고 테스트하기 위한 설계 개요와 지침을 받습니다. 그런 다음에 팀을 이루어서 다양한 단열재에 대한 데이터를 수집하고, 여러 장갑을 비교하고, 간단한 실험을 통해 체온 피드백에 대해 배웁니다. 그런 다음 학생들은 장갑을 디자인하고 프로토타입을 제작하여 성능을 테스트한 후, 다른 학생 팀에게 결과를 발표합니다. 

 

34. Fortus, D., Dershimer, R. C., Krajcik, J., Marx, R. W., & Mamlok‐Naaman, R. (2004). Design‐based science and student learning. Journal of Research in Science Teaching, 41(10), 1081-1110.