공정한 실험은 아이들이 처음 배우는 본격적인 과학 기술 중 하나이자, 가장 쉽게 잘못하기도 하는 것 중 하나입니다. 방법은 간단합니다. 한 가지 조건만 바꾸고 나머지는 모두 똑같이 유지한 뒤, 어떤 일이 일어나는지 측정하면 됩니다. 경사로를 굴러 내려가는 장난감 자동차는 이를 가르치는 대표적인 방법입니다. 아이들 누구나 결과를 예측하고, 관찰하고, 측정할 수 있기 때문입니다.
이 수업은 교실 바닥에서 실제 자동차와 책을 사용해 진행할 수도 있고, 공간이나 준비 시간이 부족하거나 모든 모둠이 토론에 활용할 수 있는 명확한 결과를 얻고 싶을 때는 램프 레이스 실험실을 사용할 수도 있습니다.
공정한 실험이란 무엇일까요?
공정한 실험에는 세 가지 종류의 변인이 있습니다. 학급에서 사용할 수 있는 말로 칠판에 적어 보세요.
- 우리가 바꾸는 것. 한 가지만 바꿉니다. 예를 들어 경사로 아래에 놓는 책의 수입니다.
- 우리가 측정하는 것. 자동차가 경사로를 떠난 뒤 바닥 위를 얼마나 멀리 굴러가는지입니다.
- 같게 유지하는 것. 같은 자동차, 같은 경사로, 같은 표면을 사용하고, 밀지 않고 놓습니다.
유용한 문장 틀: “우리는 ...을 바꾸고, ...을 측정하고, ...을 같게 유지했습니다.”
실험 1: 경사로가 더 가파르면 자동차가 더 멀리 갈까요?
먼저 학급 학생들에게 예측하게 하세요. 그런 다음 같은 표면에서 경사로 아래에 놓는 책의 수를 달리해 자동차 A와 자동차 B를 나란히 달리게 하세요. 각 경주의 결과는 자동으로 결과표에 추가되므로, 몇 차례 경주를 하고 나면 학급에 충분한 데이터가 모입니다.
자동차 A
자동차 B
높이를 책 1권부터 5권까지 바꾸었을 때, 나무 표면에서 실험실이 측정한 결과는 다음과 같습니다.
경향이 뚜렷해서 어린아이들도 자기 말로 설명할 수 있습니다. 책이 많을수록 자동차는 더 멀리 갑니다. 나이가 더 많은 아이들은 책을 한 권 더 놓을 때마다 나무 표면에서 약 1.26 m씩 거의 같은 거리가 더해진다는 점을 알아차릴 수 있습니다.
실험 2: 어떤 표면에서 자동차가 가장 멀리 굴러갈까요?
이번에는 두 자동차 모두 책 3권을 사용해 높이를 같게 유지하고, 표면만 바꿉니다. 표면은 경사로와 바닥을 모두 덮습니다. 학급에서 다섯 가지 표면을 모두 시험할 때까지 한 번에 두 표면씩 경주해 보세요.
| 표면 | 책 3권을 놓았을 때 바닥에서 이동한 거리 |
|---|---|
| 나무 | 2.76 m |
| 종이 | 1.51 m |
| 카펫 | 0.26 m |
| 수건 | 움직이지 않음 |
| 사포 | 움직이지 않음 |
표면이 매끄러울수록 자동차는 더 멀리 굴러갑니다. 책 3권을 놓았을 때 수건, 사포 위의 자동차는 전혀 움직이지 않습니다. 실험이 잘못된 것이 아닙니다. 이야기를 나눠 볼 만한 결과입니다.
어떤 자동차는 왜 움직이지 않을까요?
거친 표면은 바퀴를 뒤로 잡아당깁니다. 경사가 충분히 가파르지 않으면 그 힘이 경사 아래로 미는 힘보다 강해져 자동차가 제자리에 멈춰 있습니다. 각 표면에서 자동차를 움직이게 하는 데 필요한 책의 최소 권수를 학급에서 찾아보세요.
- 나무: 책 1권
- 종이: 책 2권
- 카펫: 책 3권
- 수건: 책 4권
- 사포: 책 5권
마찰을 처음 알아보는 간단한 활동으로, 일상생활과도 연결됩니다. 미끄럼틀이 매끄러운 이유와 물건이 미끄러지지 않게 사포를 사용하는 이유를 생각해 보세요.
실험 3: 공정하지 않은 실험 찾아내기
자동차 A는 카펫 위에 두고 책 2권을 올립니다. 자동차 B는 나무 바닥 위에 두고 책 4권을 올립니다. 자동차 B가 쉽게 이기지만, 이렇게 물어보세요. 책의 수 때문일까요, 아니면 표면 때문일까요? 두 가지를 한 번에 바꾸었기 때문에 아무도 알 수 없습니다. 무엇이 잘못되었고 어떻게 고칠 수 있는지 학급에서 설명하게 해 보세요. 공정하지 않은 실험을 알아차릴 수 있는 아이들은 이 개념을 제대로 이해한 것입니다.
결과 기록하기
세 개의 열로 된 간단한 표면 충분합니다. ‘무엇을 바꾸었는지’, ‘거리’, ‘무엇을 알아차렸는지’를 기록하세요. 실제 교실에서 만든 경사로에서는 시도할 때마다 결과가 달라지므로, 각 테스트를 세 번 실시하고 가운데 값을 사용하세요. 실험실에서는 고정된 모델을 사용하기 때문에 매번 같은 결과가 나옵니다. 따라서 실제 상황의 복잡한 현상을 측정하기 전에 패턴을 살펴보기에 좋습니다.
실험실 안내: 경사로의 길이는 1m이고, 책 한 권을 더 쌓을 때마다 높이가 5cm씩 높아집니다. 높이는 쉽게 볼 수 있도록 실제보다 세 배 크게 표시했습니다. 바닥의 길이는 6m입니다.
학급에 던질 질문
- 무엇을 바꾸고, 무엇을 측정했으며, 무엇을 그대로 두었나요?
- 두 자동차를 밀지 않고 놓아야 하는 이유는 무엇인가요?
- 놀이터 미끄럼틀에는 어떤 표면을 선택하겠나요? 물체가 미끄러지지 않도록 멈춰야 하는 경사로에는 어떤 표면을 선택하겠나요?
- 카펫 위에 책을 5권 놓으면 어떤 일이 일어날 것 같나요? 시험해 보세요.