자연계열 논술고사 출제의도 및 문항설명

□ 출제 의도

◦ 자연과학을 탐구하는 데 있어서는 정보를 이해하고 분석하는 능력과 더불어 이를 과학적으로 추론하여 자신의 견해를 논리적으로 표현하는 능력도 필요하다. 따라서 과학적 추론 능력의 중요성을 환기하기 위해 중등교육과정을 이수하며 습득한 수학과 과학적 지식을 GPS나 생명체 탐사와 같이 실용적인 소재나 과학사의 주요한 발견 등 구체적인 모형에 적용하여 과학적이고 통합적인 추론을 하도록 요구하였다.

◦ 주어진 제시문에서 논제와 관련된 수리적, 과학적 개념과 원리를 인지하고, 자료와 변인을 고려한 설명 모형을 설계하여 과학적 근거와 개념에 기초한 서술을 유도하는 데 중점을 두고 출제하였다.

* 인용한 제시문은 논제에 맞춰 정보를 가감하는 등 원전을 재구성하였다.

【문항 1】

□ 출제 의도

◦ 스마트 폰이나 네비게이션 등으로 우리 생활에 친숙한 GPS 위성항법시스템을 소재로 고등학교 교육과정을 이수하며 습득한 수학 및 과학의 지식을 구체적인 현상에 적용하여 해석할 수 있는지 평가하고자 하였다.

◦ 제시문에서는 GPS의 항법시스템에 대한 일반적인 이해를 돕고, 논제의 내용을 추론하고 해결하는 데 필요한 정보를 제공하였다. 이를 통해 GPS에 대한 단편적 지식을 묻기보다는 고등학교 과정에서 배운 물리, 지구과학, 여러 가지 수학적 원리를 활용하여 문제를 해결하고 추론하는 능력을 평가하고자 하였다.

□ 문항 설명

◦ 제시문

- GPS에 대한 단편적 지식만으로 논제를 해결하지 않도록, GPS 구성 원리, 오차 요인, 정밀도에 대한 정보 등 GPS를 이해하는 데 필요한 자료를 다양하게 제시하였다.

- 【제시문 1】에서는 GPS의 기본적인 개념, 구성요소 및 전리층 전파굴절에 대한 과정을 소개하였다. (□교양으로 읽는 과학의 모든 것 Ⅱ□, 한국과학창의재단)

- 【제시문 2】에서는 GPS 위성배열에 따른 위치 정밀도를 나타내는 원리 및 DOP 값을 계산하는 과정을 제시하였다.

◦ 논제 구성

- 논제 1: 고등학교 교과과정에서 배운 전기와 자기의 기본적인 원리를 이용하여,    GPS 신호가 전리층을 통과하면서 발생하는 속도 감소현상을 개념적으로 설명하도록 하였다. 전리층을 통과하면서 전파의 속도가 느려진다는 사실을 제시문에 제공함으로써 단편적 지식을 묻기보다는 개념을 이해하여 논리적으로 설명하는 능력을 묻고자 하였다.

- 논제 2: 제시문에서 식으로 주어진 전리층 지연현상을 GPS로부터 얻어지는 두 개의 주파수 정보와 거리 정보를 이용하여 보정할 수 있는지를 생각해 보도록 하였다. 그리고 간단한 수학적 유도를 통해 도출하고자 하는 요소를 논리적으로 이끌어 낼 수 있는지 평가하고자 하였다.

- 논제 3: 제시문에 주어진 GPS 위성의 기하학적 배열에 따른 위치 정밀도의 변화를 고등학교 수학 교과과정에서 배운 간단한 행렬 및 삼각함수를 사용하여 식으로 유도하게 함으로써 2차원 상에서의 최적의 배열에 대한 기하학적 개념을 묻고자 하였다. 그리고 이 결과를 실제 GPS에서 사용되는 3차원으로 확장하여 추론하게 함으로써, 고등학교 교과과정과 실생활에 활용되는 과학기술의 연계성을 확인할 수 있도록 하였다.

【문항 2】

□ 출제 의도

◦ 다양한 매체를 통해 소개되는 과학기술 정보를 분석하여 가치를 판단하고, 말과 글로 자신의 의견을 표현하는 능력은 과학자에게 중요하다. 학문 사이의 경계가 없어지고 인문사회와 이공계 학문의 융합이 필요한 시대에 과학자의 인문적 소양의 필요성도 대두되고 있다. 이러한 점에서 문항 2에서는 과학의 탐구와 관련된 구체적인 제시문을 분석하고, 재구성하게 함으로써 과학적 추론, 문장 이해력, 표현력 등을 종합적으로 평가하고자 하였다.

□ 문항 설명

◦ 제시문

- 【제시문 1】에서는 과학적 탐구의 일반적인 과정으로 고등학교 교과서에 소개되어 있는 문제 인식, 가설 설정, 실험 설계, 결과 비교를 인용하였다. 그리고 이를 다시 문제 인식과 연구 대상의 설정, 모델의 제안, 모델에 근거한 예상, 실험 수행과 실험 자료, 부정적 증거, 긍정적 증거, 일반화의 과정으로 세분화한 후, 각 과정에 대한 설명을 함께 제시하였다. 또한 과학적 추론을 적용할 때는 사례에 따라 특정 과정을 생략하거나 순서를 바꾸어 유연하게 적용해야 함을 강조하였다. (고등학교 과학 교과서,『과학적 추론의 이해』)

- 【제시문 2】는 케플러가 행성의 운동에 관한 세 가지 법칙을 발견하는 과정을 과학사적 시각에서 기술한 내용을 소개하였다. 이 제시문에서 저자는 케플러의 타원 궤도 발견이 과학적 사실을 넘어 인간이 세계를 바라보는 패러다임을 바꾸었다는 점을 강조한다. 케플러는 우주의 조화로운 기하학적 모형을 믿었으나, 한편으로 매우 자유롭고 객관적인 태도를 가졌다. 케플러는 행성의 궤도를 알아내기 위해 티코 브라헤의 정밀한 관측 자료를 분석했으며, 결국 행성이 완벽한 도형이라고 믿어지던 원이 아니라 타원 궤도를 따라 움직인다는 사실을 발견하였다. 원 궤도에서 타원 궤도로의 이행은 중세적 세계관에서 실증적 세계관으로 패러다임이 옮겨졌음을 의미한다. (『객관성의 칼날』, 찰스 그리피스)

◦ 논제 구성

- 논제 1: 고등학교 교과서에 소개된 과학적 발견 중에서 잘 알려져 있는 세 개의 사례 중에서 하나를 선택하여 【제시문 1】에 소개한 과학적 추론 과정에 맞추어 재구성하도록 하였다. 이 논제를 통해 학생의 과학적 추론 능력을 평가함과 동시에 교과서에 소개된 유명한 과학적 사례를 학생이 얼마나 정확하고 포괄적으로 이해하는지도 확인하고자 하였다.

- 논제 2: 케플러가 행성의 궤도를 원에서 타원으로 수정하는 탐구 과정을 과학적 추론 과정을 적용하여 재구성하도록 요구하였다. 학생들은 【제시문 1】에 소개된 추론 과정을 참고하되, 개조식이나 단답형이 아닌 완성된 자신의 글로 표현하도록 하였다. 일반적으로 고등학교 과학 교과서에는 케플러가 수행한 탐구 과정이나 의미는 생략하고, 탐구의 결과인 법칙에 관한 설명만 기술되어있다. 그러나 이 문제에서 학생은 케플러의 법칙 자체보다는 행성의 궤도가 완벽한 도형인 원이 아니라 타원이라는 결론에 도달하기까지 케플러가 겪은 어려웠던 탐구 과정을 중심으로 서술하도록 하였다. 따라서 학생들이 제시문을 읽지 않거나 이해하지 못하고 사전 지식에 의존하여 케플러의 법칙 자체에 대해서만 기술하면 좋은 평가를 받기 어렵다.

【문항 3】

□ 출제 의도

◦ 지구의 환경에 익숙한 우리들이 전혀 가보지 못한 행성이나 위성의 현상을 우주탐사선이 조사한 자료들을 토대로 예상해 볼 수 있는지를 평가하고자 하였다. 고등학교 교과서에서 배운 물리, 지구과학, 화학, 생물의 종합적인 지식과 논리적 추론을 바탕으로, 타이탄 위성에서의 물리 법칙, 환경, 생명체, 특히 외계 생명체의 존재 가능성 등을 논의하도록 하였다. 반드시 제시문에 제공된 과학적 정보와 자료에 근거하여 논의를 전개하도록 요구하였다.

□ 문항 설명

◦ 제시문

- 【제시문 1】에서는 카시니-호이겐스 우주탐사선이 토성의 위성인 타이탄을 탐사하는 과정과 이로부터 관측된 대기, 표면 환경 및 화학 조성 등을 소개하였다. (NASA 및 ESA 발표 자료)

- 【제시문 2】에서는 타이탄의 대기에 존재하는 혹은 존재할 것으로 생각되는 몇 가지 물질의 상평형 그림을 제시하고, 어는점 내림 현상에 대해 설명하였다. (고등학교 화학 교과서)

- 【제시문 3】에서는 생명 탄생의 조건에 관한 중요한 몇 가지 과학적 실험과 가설을 제시하였다. (고등학교 지구과학 Ⅰ 및 생물 Ⅱ 교과서, 『세상을 바꾼 위대한 과학에세이』, 마틴 가드너)

◦ 논제 구성

- 논제 1: 주어진 평균 기온과 중력을 바탕으로, 이상기체 방정식과 대기압 간의 관계를 설정하고 타이탄 대기의 분포를 추정하여 지구와 비교해 보도록 하였다.

- 논제 2: 지구에서 일어나는 과학적 현상의 원인과 결과를 이해하고, 이를 바탕으로 카시니-호이겐스가 관찰한 자료들로부터 타이탄의 환경과 그곳에서 일어나는 현상들을 종합적으로 유추해 보도록 하였다.

- 논제 3: 고등학교 생물 교과서에 소개된 생명의 탄생에 관한 내용과 최근 과학계에서 이슈가 되고 있는 외계 생명체에 대한 몇 가지 연구 결과 및 가설을 제시하였다. 그리고 이를 통해 학생이 갖고 있는 단편적 지식보다는 주어진 자료를 통해 자신의 주장에 대한 논거를 과학적으로 추론할 수 있는 능력을 평가하고자 하였다.

【문항 4】

□ 출제 의도

◦ 우리 주변에서 발생하고 있는 여러 가지 현상들 중에는 시간 지연에 의한 효과가 중요하게 다뤄지는 경우가 많다. 일례로 약물 투여 시 평형 상태로 약물의 농도가 수렴해 가는 과정을 추론해 보는 것은 약물의 생체 적용에서 중요한 문제이다. 이 문항에서는 투여된 약물 농도의 변화 과정을 고등학교 수학 교과과정에서 배운 기본적인 개념들, 즉 연속함수의 성질, 함수의 극한과 극한값의 계산, 수학적 귀류법(모순에 의한 증명법)과 귀납법 등을 이용하여 간단한 수학적 모델을 바탕으로 한 추론 능력을 평가하고자 하였다.

□ 문항 설명

◦ 제시문

- 학생들이 공통적으로 이수하고 있는 교과과정을 고려하여 논제 해결에 필요한 설명이 충분히 제공되도록 작성하였다.

- 【제시문 (가)】는 도입부로, 학생들이 논제에서 이야기하고 있는 수학적 모델의 의미와 질문 내용을 충분히 이해할 수 있도록 관련 배경을 설명하였다.

- 【제시문 (나)】에서는 논제 해결에 필요한 연속함수의 중간값 정리에 대해 설명하였다.

◦ 논제 구성

- 논제 1: 수학적 증명 방법의 중요한 도구인 귀류법, 연속함수의 개념과 성질을 얼마나 잘 이해하고 있는지를 확인하고자 하였다.

- 논제 2: 수학 10-가, 수학 Ⅰ에서 배운 수학적 귀납법과 함께 귀납법을 함수의 예측에 어떻게 적용할 수 있는지에 대한 이해를 평가하고자 하였다.

- 논제 3: 약물 투여 실험 시 시간 지연 효과가 약물 농도의 평형상태와 평형상태로의 수렴성에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 이해를 평가하고자 하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 수학적 귀납법, 연속함수의 성질에 관한 전반적인 이해가 요구된다.