이공계 대학원에서 하는일 #01: 과학 (연구) 그리고 문제 해결 방법

이공계 대학원을 진학하게 되면, 과학을 하게 됩니다. (당연한 말이죠 ;; )

 

저는 6차 교육과정을 거쳤고, 공통과학 1장에는 과학자가 하는일이 소개 되어 있엇는데, 요즘은 교과과정이 바뀌면서 과학자가 하는일은 빠져 있네요. ;; 어쨌든 과학자가 하는일을 대학원에서 하게 됩니다.

 

■ 과학적 방법

과학적 방법은 아래와 같습니다. 

 

과학적 방법. 출처: 위키피디아

 

 

대학원에 가게 되면 위에 언급된 바와 같이 아래의 5가지를 챗바퀴 돌듯 하게 됩니다.

1) 자연현상을 관찰

2) 문제 제기 (왜 그러지?)

3) 가설설정

4) 실험 및 결과 분석

5) 결론도출

 

연구실 마다 주제는 각기 다르지만, 위 5개 과정을 졸업할 때 까지 반복하게 됩니다. ;;

각 과정과 그와 관련된 팁을 좀 드리도록 하겠습니다.

 

 

■ 자연현상을 관찰, 문제제기

보통은 대학원에 가게되면 연구하는 연구 주제가 있습니다. 대학원생이 연구 주제를 지도교수님께 제안하는 경우도 있지만, 많지는 않습니다. (박사과정 학생들에게 연구주제를 설정해 오라는 연구실도 있습니다.) 큰 주제는 지도교수님께서 설정해 주시고, 주제에 주어진 문제를 대학원생이 스스로 학습하고 해결한다고 생각하시면 됩니다.

 

■ 가설설정을 위한 팁: 논문 탐색과 서적 탐독

예전에 지도교수님께서 '실험은 머리로 하는것이지 몸으로 하는 것이 아니다.'라는 말씀을 하신적이 있습니다. 당시에는 몸으로 하지 않으면 어떻게 실험한다는 것이지 라는 생각을 하기도했는데, 지나고 보니 지도교수님께서 하신 말씀이 무엇인지 이해할 수 있었습니다.

실험은 머리로 한다는 말은, 그동안의 지식을 바탕으로 올바른 가설을 세우는 것이었습니다.

그간의 지식을 바탕으로, 이런 결과들이 있었으니까, 이런 실험을 하면 내 가설이 맞는지 틀리는지 알 수 있을 거야. 라고 생각을 하는 것이죠.  저는 이 단계가 연구 꽃이라고 생각합니다. 

이 때 가설을 보다 논리적으로 세우기 위한 방법으로 논문 탐독과 서적 탐독이 있습니다. 관련분야의 논문을 많이 읽을 수록 가설이 풍부해지고 더욱 논리적으로 변하게 됩니다. (논문을 많이 읽어야 하는 이유죠)

 

대학원생 분들은 이미 잘 알고 계시겠지만, 구글 스칼라를 이용하면 원하는 키워드의 논문을 빠르게 검색할 수 있습니다.

 

구글 스칼라 홈페이지

 

 

다만, 모든 논문을 볼 수 있는 것은 아닙니다. 논문도 엄연한 출판물이므로 어떤 논문들은 구매를 해야 볼 수 있습니다. 유료논문임에도 쉽게 다운로드 받아 볼 수 있다면, 그건 이미 기관 (주로 대학교)에서 사용료를 지불했기 때문일 것입니다.

 

무료로 논문을 볼 수 있는 사이트도 있는데, 이는 논외로 하겠습니다. (힌트를 드린다면 구글에서 무료 논문 사이트 등으로 검색하면 답을 얻을 수 있으리라 생각합니다.)

 

이외에도 국내 사이트 중에 riss.kr 이라는 사이트가 있는데, 이 사이트는 졸업논문을 쉽게 찾아서 볼 수 있습니다. 졸업논문들도 좋은 정보들이 많이 들어 있으니, 아이디어를 얻고자 하신다면 한번 방문해 보시는 것도 좋습니다.

 

가설설정을 첨예하게 세울 수 있는 다른 방법으로 전공서적 탐독이 있습니다. 서점에서는 다양한 전공서적을 판매하고 있습니다. 어떤 분야에 빠른 지식 습득이 필요하다면 역시 전공서적만한게 없습니다. 다만, 좀 비싸니 정말 필요한 서적이라면 교수님께 말씀드려 구매하는게 좋을듯 합니다. (대학원생들 가난하자나요 ㅠ)

 

■ 실험

이제는 가설설정 단계에서 세웠던 가설을 실험을 통해 확인하는 차례입니다.

과학은 차이로 입증하는 학문이기 때문에, 대조군 (또는 비교군, 영어로는 control이라고 부릅니다.)을 설정해야합니다. 그러고보니 대학원생 때 control 없이 실험을 진행하는 바람에 교수님께 혼난적도 많네요. 대학원생 분들이라면 이미 잘 알고 계시겠지만, 무엇이 올바른 control인지. 실험전에 반드시 생각해보고 실험에 착수하시는게 좋습니다.

 

■ 결과와 원인분석: 실험과정, 4M, 그리고 6하원칙

가설을 증명한 실험을 하는게 가장 좋다는 건 누구나 알고 있습니다. 그런데 그런일은 많지 않죠. (저 또한 그랬습니다.) 연구를 하다보면 수많은 변수를 만나게 되기 때문이죠. 이 때 제가 주로 사용하는 방법은 실험과정 분석, 4M, 그리고 6하원칙입니다.
실험과정 분석은 실험을 수행하는 각 스텝별로 이 곳에 문제가 있다면 무엇이 원인인지 생각해 봅니다.

10 w/v% NaCl 수용액 제조 (NaCl 10g/물 100 mL)를 예를 들어 보겠습니다.

1. NaCl, 약수저를 준비한다.
2. 저울에 유산지를 깔고 NaCl 10g을 잰다.
3. 비이커에 물 100 mL을 채운다
4. 물 100 mL이 담긴 비이커에 NaCl 10 g을 넣는다.
5. NaCl이 잘 용해되도록 저어준다.

 

실험을 통해 10 w/v% NaCl 수용액이 잘못만들어 졌다고 판단이 들면 실험 과정을 적고 실험 과정별로 문제가 있는지 판단해 봅니다.

1. NaCl이 문제인가? KCl을 사용하지는 않았나? 약수저는 깨끗하게 세적되었나?
2. 유산지로부터 가루등이 뭍어 나지는 않나? 저울에 이상은 없나? 유산지 무게는 제외가 되었나?
3. 비이커에 금이 가지는 않았나? 물 100 mL는 맞는가? 95 mL은 아니었나?
4. NaCl을 물에 넣을 때 흘리지는 않았나?
5. NaCl이 물에 충분히 용해 되었나?

 

예시는 간단하지만 실제 연구할 때 실험과정을 상세히 적고, 각 과정에 문제가 없는지를 꼼꼼히 따져보면 의외로 실험과정에서 어디에 문제가 있었는지 발견하게 되는 경우도 있습니다.

 

4M은 man, machine, material, method의 앞 M을 따서 4M이라고 부릅니다.

Man이 문제라면 다른 실험자가 동일한 실험을 해볼 수 있도록 하여 비교합니다.

Machine이 문제라면 다른 장비를 사용해 봅니다.

Material이 문제라면 새로운 시약 (Lot이 다른것 또는 시약 오염등을 고려하여 fresh한 시약을 사용) 등을 사용해 봅니다.

Method가 문제라면 앞서 말씀드린 실험과정의 step을 분석해 봅니다.

 

6하원칙은 잘 알고 계시다 시피 누가, 언제, 어디서, 무엇을, 어떻게, 왜 입니다.

6하원칙 중 하나가 문제인지를 따져 봅니다.

누가가 문제인가? (4M의 nan에 해당되네요.)

언제가 문제인가? 낮에는 되고 밤에는 안되는가?

어디서가 문제인가? 연구실이 문제인가? 연구실 이외의 장소에서 해야하는가? 온습도는 영향을 주지 않는가?

무엇이 문제인가? (4M의 machine과 material 이 해당되네요.)

어떻게가 문제인가? (4M의 method에 해당되네요.)

왜가 문제인가? 가설 자체를 잘못 세운 것인가?

 

■ 결론도출

가설대로 결과가 나왔다면 쉽게 결론을 내릴 수 있습니다. 그리고 논문 준비를 하면 되겠죠. (브라보!) 결과분석에서 가설과 다르다면 결과를 바탕으로 새로운 가설을 세우고, 새로운 실험을 하여 가설이 맞는지 검증하면 됩니다. (보통은 가설과 결론이 일치 하지 않아서 긴 시간동안 가설을 수정해가며 실험을 진행합니다.)

 

지금까지 이공계 대학원생이 하는일 - 과학 (연구)를 알아보았습니다.

다음에는 커뮤니케이션 (발표)에 대해 알아보겠습니다.

 

제글 읽어주셔서 감사드립니다.

 

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