32기 배연우
전람회, R&E, 교내 탐구대회 등등. 연구를 진행해야 하는 상황은 이따금 막막하게만 느껴집니다. 이번 글에서는 주제는 어떻게 정할지, 각 보고서 항목이 요구하는 바는 무엇인지, 어떻게 탐구를 해야하는지에 대해 설명하고자 합니다. 개인적인 경험이 기반되어있으므로 참고자료 정도로생각해주시면 감사하겠습니다.
1. 주제 정하기-선행연구는 어떻게 찾을까?
연구의 시작은 연구주제를 찾는 것부터 시작합니다. 연구주제를 쉽게 말하면 ‘문제를 해결하기 위해, 이러한 방법을 시도해보겠다’라고 말할 수 있습니다. 혹은 ‘무엇을 알기위해, 이러한 실험을 해보겠다’가 될 수도 있겠죠.
주제를 정하는 방법은 크게 두 가지가 있습니다. 방법을 먼저 찾고 이 방법으로 해결할 문제를 찾는 것. 두 번째는 문제를 해결하기 위한 방법을 찾는 것입니다. 예를 들어볼까요?
1) 미세 입자를 잘 흡착할 수 있는 물질을 찾았다. 이것으로 무엇을 할 수 있을까? 미세플라스틱을 응집할 수 있겠구나!
2) 미세플라스틱 문제를 해결하고 싶다. 미세 입자와 잘 결합하는 물질을 찾아볼까?
어떤 방법이 더 좋다고는 할 수 없습니다. 둘 중 어떤 방법이든 충분히 창의적일 수 있거든요.
해결할 문제를 찾는 것은 비교적 수월합니다. 당대 이슈화되는 문제들은 근래 뉴스, 연구동향을 살펴보는 것으로 알아낼 수 있기 때문입니다. 평소 과학 이슈를 다루는 과학 전문 기자의 기사를 모아보거나 CHERIC, BRIC과 같은 연구동향 사이트를 활용해볼 수 있습니다. 국립중앙과학관에서 전람회 수상작들을 찾아보거나 평소 유튜브에서 과학 관련 채널을 구독하는 것도 방법이겠지요.
1번의 경우 이미 방법이 정해졌기 때문에 해결할 문제만 찾으면 바로 주제가 정해진 셈입니다. 따라서 이 아래부터는 2)를 기준으로 설명해보겠습니다. 해결방법을 찾아내는 것이 문제 찾기보다 좀 더 어려울 수 있습니다. 우리는 전문 연구자도, 천재도 아니기에 갑자기 천재적인 방법을 떠올릴 수 없습니다. 뭔가 떠올랐다 해도 분명 선행연구가 있을 거에요. 이 시점에서, 우리는 선행연구를 찾아보아야 합니다.
선행연구 찾기의 첫 번째 스텝은 학술 검색 사이트입니다. 대표적인 사이트는 아래와 같습니다.
1) 디비피아 : 학교 IP로 접속하면 모든 논문을 무료로 사용할 수 있어 우리 학교 학생들이 가장 애용하는 사이트입니다. 국내 논문을 쉽고 편리하게 접할 수 있습니다. 연구 주제를 찾기도 좋지만 연구 방법을 참고하기에도 좋습니다.
2) 구글 스콜라 : 가장 다양하고 가장 많은 양의 논문을 접할 수 있습니다. 우측에 PDF 표시가 있는 논문은 바로 다운로드가 가능하며 원하는 논문을 찾을 확률이 높습니다.
3) RISS : 디비피아에 등록되지 않은 논문들도 나옵니다. 학교기관 로그인은 불가하나 무료인 논문이 많아 용이합니다.
4) KISS : 디비피아와 종종 연동되어 사용됩니다. 구글에서 서치할 시 주로 나오는 사이트입니다.
선행연구 조사에서 학술 검색 사이트만을 사용해서는 안됩니다. 학술 논문으로 등록되지는 않았더라도 다양한 선행연구가 존재할 수 있거든요. 그 밖에는…
5) 국립중앙과학관 : 전람회 혹은 발명대회 수상작들을 살펴볼 수 있습니다.
6) 화학프런티어페스티벌 : 화프부터 전람회 등, 다양한 대회의 수상작들을 검색할 수 있는 ‘수상작 검색’ 메뉴가 존재합니다. 연구 본문을 볼 수는 없지만 어떤 연구가 있었는지 살펴보기에 가장 유용합니다.
7) 구글 : 종종 기업체나 연구소, 교육기관 등에서 기술이나 이론을 소개하는 자료를 만들어 업로드하곤 합니다. 영어로 검색할 수록 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.
자, 사이트에 들어갔으니 이제 검색을 해야합니다. 어떤 식으로 검색해야할까요? 해결하고자 하는 문제가 ‘미세플라스틱’이라고 해봅시다. 먼저 ‘미세플라스틱’을 키워드로 검색한다면 다양한 검색결과가 나올 것입니다. 시험 삼아 디비피아에 검색해보았습니다. ‘TED-GC-MS를 이용한 다양한 환경매질별 미세플라스틱 분석방법 연구’ 라던가 ‘인천지역 유통 수산물 및 수산물가공품 중 미세플라스틱 오염도 조사’와 같은 논문들이 나오는군요. 향후 연구방법을 참고하기는 좋겠지만 ‘미세플라스틱 제거’라는 주제 구체화에 크게 도움이 되어 보이진 않습니다. 따라서 ‘미세플라스틱 제거’ 혹은 ‘미세플라스틱 흡착’, ‘미세플라스틱 응집’과 같은 키워드로 바꿔야 할 것입니다. 이러면 다양한 선행연구를 접할 수 있게 됩니다. 현재의 해결방법에 대해 알아갈 수 있는 것이죠. 하지만 선행연구를 따라해서는 연구가 되지 않을 것입니다. 차별화가 필요한 시점이죠. 이곳이 가장 어려운 곳입니다. 남이 도와줄 수 없는 부분이기 때문입니다. 하지만 다양한 선행연구를 접하다 보면 조금씩 감이 잡혀갑니다. 가장 쉬운 예를 들어볼까요?
‘A논문에서는 a를 해결하기 위해 d라는 방법을 이용하였다.’
‘B논문에서는 c를 해결하기 위해 b라는 방법을 이용하였다.’
‘c라는 문제는 D라는 현상과 유사한 작용을 보인다.’
‘D라는 현상은 d에 의해 억제된다.’
라는 사실을 발견했다고 해봅시다. c라는 문제를 해결하는 기존 방법은 b입니다. 그런데 c는 D라는 현상과 유사한 작용을 보인다는군요. 그리고 d는 D라는 현상을 억제합니다. 그렇다면 c라는 문제또한 d에 의해 억제될 수 있지 않을까요? 이러한 가능성을 검증해보기 위해 다시 A 논문으로 돌아가봅시다. A에서 a라는 문제가 어떤 것이고, d가 어떠한 작용을 하길래 a가 해결되었을까, 그 방법은 무엇이었을까 등을 살펴보는 것입니다. 만약 가능성이 있어보인다면 주제는 아래와 같이 정해질 수 있을 것입니다.
‘c를 해결하기 위해 d라는 방법을 적용해보겠다’
주제가 대략적으로 정해졌다면, 다음은 유사도 검증입니다. 앞서 설명했던 다양한 사이트에서 d라는 방법과 D 현상, c 문제에 대해 최대한 많은 자료를 찾아봅시다. 만약 유사한 선행연구가 없다면 다음으로 넘어가봅시다.
2. 연구 계획하기-무엇을, 어떻게, 왜?
연구 주제 정하기가 등산 시작이라면, 연구 계획은 산 정상 넘기입니다. 이곳만 넘으면 다음은 가는 길이 거의 정해진 내리막이지만 정상까지는 갈 길을 알 수 없습니다. 연구 계획에서 어려운 것은 ‘무엇을’,’어떻게’ 보다는 ‘왜’입니다. 많이들 간과하지만 가장 중요한 것이죠. 이번에는 제가 과거에 했던 R&E 과제를 예를 들어 설명해보겠습니다.
1학년 시절 연구했던 R&E 과제는 ‘마찰계수에 영향을 미치는 요인에 대한 정량적 탐구’입니다. 교육과정에서는 마찰력에 영향을 주는 것이 수직항력 뿐이라고 하고 문제를 풀죠. 하지만 현실적으로는 그렇지 않습니다. 이론적으로는 고려되지 않는 요인이 마찰력에 주는 영향을 검증하고자 한 것입니다. 연구 계획의 첫 번째, 변인 설정과 가설 설정(무엇을,왜?)입니다.
당시 변인으로 설정했던 것은 온도, 접촉면적, 수직항력이었습니다. 이때 각각의 변인들에는 그 변인을 선택한 타당한 이유가 있어야 합니다. 저는 마찰력 발생 원인이 냉용접이라는 점을 들어 변인에 당위성을 부여하였습니다.
1) 온도(변인): 온도에 따라 마찰하는 표면 입자의 상태가 달라질 것이다. 이것은 분명 서로 접촉하고 있는 표면 입자들의 순간적 결합 정도에 영향을 줄 것이다.(가설)
2) 접촉면적: 전체 수직항력가 같더라도 단위 면적 당 압력이 달라진다면 표면 입자 간 결합에 변화가 있을 것이다.
3) 수직항력: 이론적으로는 수직항력과 마찰력이 정비례하고 마찰계수는 일정해야한다. 이를 실험적으로 검증하고자 한다.
이론적 배경을 바탕으로 무엇이 무엇에 어떤 영향을 줄 것이다, 라는 가설을 논리적으로 설정해야 합니다. 그렇지 않으면 연구에 허점이 생기기 때문이죠. 변인과 가설을 설정했다면 다음은 연구 방법(어떻게)입니다. 위의 예시로 계속 설명해보겠습니다. 온도와 접촉면적, 수직항력이 운동마찰계수에 주는 영향을 알아보려면 어떻게 해야할까요? 먼저 생각할 것은 조작변인과 통제변인입니다.
조작변인: 온도
통제변인: 무게, 속도, 재질, 시간 etc…
이 변인들을 효과적으로 조작하기 위해 저는 당시 러닝매트, 금속판, 힘 센서, MDF로 만든 센서 고정판, 정량화 된 추 등을 사용하였습니다. 상자모양의 실험체를 고정 판 위의 힘 센서와 철사로 연결해 정지하게 하고, 러닝패드를 작동시켜 러닝패드 표면과 실험체 바닥면이 마찰하게 한 것이지요. 이렇게 하면 힘 센서에 마찰력이 측정됩니다. 이때, 각 설계의 당위성은 다음과 같습니다.
1) 러닝패드: 속도를 일정히 유지할 수 있으며 표면의 재질이 균일하다.
2) 힘 센서: 50N까지 측정이 가능하며 소수점 아래 둘째자리까지 측정되는 정밀한 센서이다.
3) 금속판으로 제작한 실험체: 2*20(cm) 크기의 금속판 여러 개를 이어붙이는(조립하는) 방식으로 제작하여, 접촉면적 조절이 쉽고 열전도율이 높아 온도 조절 또한 용이하다. 온도 조절은 실험체 안에 특정 온도의 물을 붓고 실험체의 온도를 비접촉식 온도계로 재어 일정한 온도 범위 내에서 측정을 수행하였다.
또한 모든 실험에 대해 실험체를 통일할 수 있도록 설계하였습니다. 연구 계획 단계에서 꼼꼼해야 나중에 고생하지 않고, 나중에 심사를 받게 될 때도 질의에 답하기 좋습니다. 계획이 끝났다면 이제 진행할 차례입니다. 계획한 대로 된다면 좋겠지만 꼭 그렇지 않을 때도 있지요. 무언가에 막히더라도 팀원과 지도 선생님, 혹은 그 분야를 잘 아는 친구들에게 도움을 청해가며 해결해나갈 수 있을 것입니다.
3. 결과 해석하기-통계 처리는 기초 중의 기초!
어찌 저찌 실험이 끝났다면 이제 결과를 해석할 차례입니다. 다른 분야도 비슷하겠지만, 특히 물리-역학 실험에서는 ‘반복 실험’이 필수적입니다. 실험결과, 즉 데이터는 많을수록 좋습니다. 가능한 많은 양의 실험을 해야하는 것이죠.
충분한 데이터와 적합한 통계 처리가 없으면 그 연구는 신뢰를 얻을 수 없습니다.
앞서 마찰력 연구의 예시를 이어서 들어보겠습니다. 힘 센서는 초당 1번의 측정을 수행하는 센서였고, 저는 당시 모든 실험에 대해 1분간 실험체를 운동시키며 하는 측정을 두 번에서 세 번까지 수행하였습니다. 마찰력 측정 데이터가 모든 실험에 대해 120개에서 180개 가량, 가끔은 300개 가까이 추출된 것이죠. 이 수많은 데이터를 의미있게 하기 위해서는 통계적인 처리가 필요합니다. 단순히 평균만 내는 것이 아니에요.
실험 중 러닝패드의 이상, 손의 떨림 등으로 인해 급변했던 데이터 값은 더미 데이터이므로 제거해줍니다. 더미 데이터를 제거하고 나면 데이터는 100개 정도로 줄어듭니다. 이제 이 마찰력 데이터의 평균과 표준편차를 내줍니다. 가능하다면 측정 불확도와 같은 오차범위와 관련된 통계도 내줍시다. 이 과정을 거치면 데이터의 신뢰도를 높일 수 있을 뿐 아니라 실험이 제대로 이루어졌는지 스스로 확인 할 수 있습니다. 만약 표준편차나 오차범위가 너무 크다면 실험을 다시 하거나 설계 단계부터 수정해야겠지요.
평균과 표준편차와 같은 통계 처리는 기초 중의 기초이자 없어서는 안 될 과정입니다.
심사과정에서도 통계 처리 과정을 거쳤는가를 살핍니다. 이 연구결과가 제대로 된 것인지, 유의미한 것인지, 신뢰도를 검증하기 위해서지요.
저는 당시 통계 처리 결과 유의미한 마찰력 평균값이 나왔습니다. 이제 연구 목적인 마찰계수에 준 영향을 알아봐야겠죠. 평균 마찰력 값을 기준으로 마찰계수를 계산하고 조작변인에 따른 각각의 계수를 비교하였습니다. 접촉면적이 정지마찰계수에 준 영향을 살펴 본 결과에서는 면적이 클 수록 계수도 크다는 경향성을 찾아볼 수 있었고, 접촉면적이 운동마찰계수에 준 영향에서는 가장 작은 면적을 제외하고는 면적이 작아질수록 마찰계수가 커지는 경향을 볼 수 있었습니다. 이제 이러한 결과를 해석할 차례입니다. 이론적 배경을 바탕으로 왜 그러한 결과가 나왔을까에 대해 생각해보는 과정이죠. 이 과정은 지도교사선생님의 도움을 받는 것이 좋습니다.
+) 실험 과정은 최대한 자주, 많이 촬영하는 것이 좋습니다. 어떤 목적을 달성하기 위한 실험이었다면 성공한 순간을 꼭 영상으로 남겨주세요. 어제 성공했던 실험이 내일도 성공하리란 보장은 어디에도 없답니다.
4. 보고서 작성하기
연구 과정이 마무리되었다면 이제 보고서를 작성할 차례입니다. 사람, 대회, 상황, 분야에 따라 달라지지만 일반적으로는 다음과 같은 내용을 담게 됩니다.
1) 연구요약: 말 그대로 총 연구 내용을 요약해 둔 것입니다. 논문에서 흔히 볼 수 있는 초록을 뜻하기도 합니다. 간단한 이론 배경에서부터 주제, 이 연구의 의의, 선행연구와의 차이점과 간단한 결과 설명을 중심으로 분량 제한에 맞춰 작성해야합니다. 중심어로는 연구 대상, 선행연구와 차별되는 중심 키워드, 조작변인 등을 언급할 수 있을 것입니다.
2) 서론: 연구를 시작하게 된 대략적인 배경 설명이라고 할 수 있습니다. 연구 대상의 정의, 연구 대상이 갖는 의미, 내가 해결하고자 하는 문제점의 심각성 등 연구 동기와 목적을 서술하게 됩니다. 연구에 의미를 부여하는 부분이며 보고서의 시작이므로 소홀해서는 안 될 것입니다.
3) 이론적 배경: 연구 대상 및 연구 방법 등에 사용되는 이론적 배경에 대해 작성해야 합니다. 보고서를 읽는 사람이 연구 내용을 이해하는데 도움을 줄 수 있도록 작성해야합니다.
4) 선행 연구: 기존에 어떤 연구가 있었는지 제시하고 내 연구와의 차이점을 서술하는 부분입니다. 이 부분에서 읽는 사람을 충분히 설득하지 못하면 연구로써 가치를 얻기 힘들 것입니다. 선행 연구의 어떤 단점을 해결했거나 선행 연구에서 고려되지 않았던 부분에 대해 연구했다거나, 선행 연구와는 차별화된 새로운 실험 기법을 시도했다거나 하는 점을 충분히 제시해주어야 합니다.
5) 연구 방법 및 절차: 앞서 설명했던 연구 계획을 서술하는 부분입니다. 어떤 조작변인을 대상으로 하며 어떻게 설정했는지(ex: 온도는 10도, 20도, 30도로 설정하여 실험을 수행하였다), 실험 기기는 어떤 것을 사용하였는지, 어떻게 제작하였는지 등을 분량이 허락하는 한에서 적절히 설명하는 것이 좋습니다. 너무 과해도 좋지 않습니다. ~를 이용하여 ~을 제작하였다, 정도가 적절할 것입니다. 다만 화학이나 생명처럼 시약의 용량이 중요할 경우 구체적으로 제시하는 것이 좋습니다. 실험 구도 등을 사진으로 첨부하면 보고서가 풍부해집니다.
6) 연구 결과 및 고찰: 결과와 고찰을 분리해 작성하는 경우도 있습니다. 결과란 말그대로 실험 결과이므로 연구 절차와 항목을 일대일 대응시켜 실험 결과를 표나 그래프와 같은 한눈에 들어오는 자료로 제시해주는 것이 좋습니다. 결과를 제시할 때는 통계적 절차와 결과, 결과의 경향성, 의미, 중요한 점을 짚어줍시다. 만약 통계적으로 부족한 부분이 있거나 결과를 해석하기 어려울 때에는 추가 연구를 제언할 수 있을 것입니다.
7) 결론 및 제언: 앞서 결과와 고찰을 요약하고 강조하는 부분입니다. 또한 연구에 가치를 부여하는 부분이기도 합니다. 이 연구결과가 활용될 수 있는 곳 등 기대효과를 제시하고 향후 어떤 추가 연구를 할 수 있을지 서술해야합니다.
8) 참고문헌: 출처 표시 양식은 구글 등에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 논문의 경우 논문 첫장이나 다운로드 페이지에 출처 양식이 있으므로 복사하여 사용하면 편리합니다. 각 참고문헌에는 번호를 달고 본문에서 인용되거나 참고해 작성한 부분에 해당 번호를 붙여 표시해주어야 합니다. 비단 보고서 뿐 아니라 자료를 만들 경우 출처는 필수이자 의무임을 명심합시다.
9) 사진: 실험 구도 등 사진을 삽입할 때에는 ‘캡션 넣기’ 등으로 제목이나 설명을 달아주는 것이 좋습니다. 논문 형식일 경우 ‘Fig 1. (사진 내용)’ 과 같은 캡션을 넣어야 합니다.
10) 표 작성: 표도 사진과 마찬가지로 제목이나 설명을 달아주어야 합니다. 논문 형식일 경우 ‘Table 1.(표 제목, 내용)’ 과 같은 캡션을 넣게 됩니다.
5. 내 연구가 가지는 가치 찾기
모든 연구는 가치를 가집니다. 경험으로써, 개인의 자산으로써, 타인의 참고자료로써든요. 하지만 비단 대회 뿐 아니라 앞으로 연구를 해나갈거라면 내 연구가 가지는 가치를 찾는 것은 중요한 과제입니다. 이 가치란 것은 대부분 기존 것과의 ‘차별성’으로부터 비롯됩니다.
만약 A라는 문제를 해결하기 위한 연구라고 해봅시다. 기존의 해결방법은 a이고 내 연구는 b라는 방법일 경우, 연구가 가지는 가치의 예시는 다음과 같을 것입니다.
1) 창의성: 기존에는 고려되지 않았던 요소, 혹은 접점이 없어보이는 여러 분야 간 결합, 쓸모없어 보이는 물질의 재발견, 선행 연구가 간과한 문제점에 대한 연구라는 점이 창의성을 보일 수 있을 것입니다. 사챌과 같은 아이디어 위주의 연구에서는 어려운 실험적 테크닉보다는 학생다운 창의성을 강조하는 만큼, 연구 중심 아이디어에서 잘 드러나야할 것입니다.
2) 경제성, 효율성, 편리성: 투자 대비 성과가 높은 방법/결과를 제시한 연구에서 보여집니다. a는 10만큼의 결과를 얻기 위해서는 50만큼의 전기와 30만큼의 시간을 투자해야 한다고 해봅시다. 그에 반해 b는 30만큼의 전기만 사용해도 되거나 10만큼의 시간밖에 걸리지 않는다면 기존 방법에 비해 경제성과 효율이 좋은 방법일 것입니다. 이러한 효율성은 2배, 3배만큼 큰 상승을 기대하는 것이 아닙니다. 2~3%의 효율만 증가해도 전체의 관점에서 보면 엄청난 이득을 거둘 수 있기 때문입니다. 또한 실험 방법이나 제작 공정 등이 기존 것과 비교해 편리할 경우, 그것도 좋은 장점이 될 수 있습니다.
3) 친환경, 사회적 가치: 버려지는 바이오매스를 이용하는 것은 조금 식상할 수도 있겠습니다만, 충분한 강점을 가지고 있다면 나쁘지 않은 주제가 될 수도 있을 것입니다. 21세기 현대 사회에서 환경 문제는 중요한 당면과제이기 때문이죠. 에너지 하베스팅, 재활용, 환경유래물 활용 등의 주제가 친환경적 가치를 가지고 있을 것입니다. 또한 장애인이나 아동,노약자,디지털 소외층과 같은 사회적 약자를 위한 기술 개발은 사회적 가치를 가지고 있는 주제가 될 것입니다.
4) 기초과학적, 교육적 가치: 산업이나 기타 목적성 연구가 아니더라도 충분히 가치를 지닐 수 있습니다. 기존에 연구되지 않았던 상황에 대해 데이터를 축적하고 다른 연구자의 참고자료나 교육자들의 교육 소스로써 사용될 수 있으니까요.
5) 그 외: 융합 탐구의 경우 심미성, 가시성 등의 가치를 가질 수 있으며 다양한 곳에 적용될 수 있다는 범용성이나 발전 가능성, 확장성 등도 가능할 것입니다.
처음 연구를 하는 막막함을 해소하는 것에 조금이나마 도움이 되었기를 바라며, 글을 마치겠습니다. 모두 즐겁고, 재밌고, 윤리적인 연구를 하시길 바랍니다.