생명과학 고2 생명 시스템의 구성

대조 실험과 변인

독립변인·종속변인·통제변인을 구분하고, 실험군과 대조군을 설정하여 실험의 타당성을 확보하는 방법을 이해한다.

알아보려는 요인 하나만 다르게 처리한 실험군과, 그 요인만 빼고 나머지 조건을 똑같이 맞춘 대조군을 함께 두어 결과의 차이를 그 요인 탓으로 돌릴 수 있게 만든 실험입니다.

대조군은 '비교의 기준선'입니다. 기준선이 없으면 실험군에서 무슨 일이 일어나도 그게 내가 넣은 것 때문인지, 원래 그랬을 일인지 알 수가 없습니다.

쉽게 말하면

귀납·연역 추론에서 본 연역적 탐구는 가설을 실험으로 시험합니다. 그런데 실험을 해서 차이가 나왔다고 해서 곧바로 '내가 바꾼 것 때문'이라고 말할 수는 없습니다. 그렇게 말할 자격을 만들어 주는 장치가 대조 실험입니다.

실험에 영향을 줄 수 있는 모든 요인을 변인이라 부르고, 크게 둘로 나눕니다. 독립 변인은 실험자가 다루는 쪽, 종속 변인은 그 결과로 변해서 측정되는 쪽입니다.

독립 변인은 다시 둘로 갈라집니다. 조작 변인은 실험자가 의도적으로 다르게 만드는 단 하나의 요인입니다. 통제 변인은 결과에 영향을 줄 수 있지만 실험군과 대조군에서 똑같이 맞춰 두는 나머지 모든 요인입니다. 조작 변인은 하나, 통제 변인은 가능한 한 전부 — 이것이 원칙입니다.

종속 변인은 실험이 끝난 뒤 우리가 재는 값입니다. 조작 변인을 바꿨더니 종속 변인이 달라졌다면, 그리고 다른 것은 모두 같게 유지했다면, 그제야 '조작 변인이 종속 변인에 영향을 준다'고 말할 수 있습니다.

실험군과 대조군의 차이는 오직 조작 변인 하나여야 합니다. 이 조건이 무너지면 결과의 차이를 무엇 탓으로도 돌릴 수 없게 되고, 실험 전체가 결론을 내놓지 못하는 자료 더미가 됩니다. 실험이 실패하는 가장 흔한 이유는 측정 실수가 아니라 설계 단계의 이 구멍입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

각기병과 쌀겨 — 닭에게 백미와 현미를 먹인 실험

겉껍질을 벗긴 백미만 먹인 닭 무리와, 쌀겨가 남은 현미를 먹인 닭 무리를 비교합니다. 조작 변인은 '먹이의 종류' 하나이고, 닭의 품종·나이·사육 온도·먹이의 양·물은 모두 똑같이 맞춥니다. 종속 변인은 각기병 증세의 발생 여부입니다. 백미 쪽에서만 증세가 나타났다면, 쌀겨에 든 어떤 물질이 부족해서 생긴 병이라는 결론으로 이어집니다.
예시 2

검정말의 광합성량과 빛의 세기

전등과 검정말 사이의 거리만 바꾸고(조작 변인), 물의 온도·이산화 탄소 농도·검정말의 양·측정 시간은 모두 같게 합니다(통제 변인). 1분 동안 올라오는 기포 수를 셉니다(종속 변인). 전등을 가까이 가져가면서 온도까지 올라갔다면 통제가 깨진 것이므로, 물 사이에 물통을 하나 두어 열을 차단하는 것까지가 설계에 포함됩니다.
예시 3

대조군에도 '처리'가 필요하다

약의 효과를 보는 실험에서 대조군에게 아무것도 하지 않으면 안 됩니다. 대조군에게는 약 성분만 빠진 액체(예: 생리 식염수)를 같은 방식으로 같은 양만큼 투여합니다. 그래야 두 집단의 차이가 '주사를 맞았다는 사실'이 아니라 '약 성분'뿐이게 됩니다.

순서대로 하면

대조 실험 설계하는 순서

1가설에서 원인 후보와 결과를 뽑아냅니다. 원인 후보가 조작 변인, 결과가 종속 변인입니다.
2조작 변인을 하나만 정합니다. 두 개를 동시에 바꾸면 결론을 낼 수 없습니다.
3결과에 영향을 줄 수 있는 나머지 요인을 최대한 많이 적어 봅니다. 이것이 전부 통제 변인입니다.
4실험군과 대조군을 만듭니다. 대조군은 조작 변인만 빼고 나머지 처리를 실험군과 똑같이 받습니다.
5종속 변인을 어떻게 측정할지 미리 정합니다. 언제, 무엇을, 어떤 단위로 잴지까지 정해 둡니다.
6같은 실험을 여러 번 반복하거나 개체 수를 늘려, 우연히 나온 차이가 아님을 확인합니다.

세 가지 변인 구분하기

구분	조작 변인	통제 변인	종속 변인
누가 정하나	실험자가 일부러 다르게 함	실험자가 똑같이 맞춰 둠	실험 결과로 나타남
개수	하나	가능한 한 전부	측정하려는 값
소속	독립 변인	독립 변인	종속 변인
검정말 실험에서	전등과의 거리	온도, $C O_{2}$ 농도, 검정말의 양	1분간 발생한 기포 수
빠뜨리면	실험 자체가 성립하지 않음	결과를 무엇 탓으로도 돌릴 수 없음	잴 것이 없음

자주 하는 오해

대조군을 '아무 처리도 하지 않은 집단'이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움실험군에는 약을 주사하고, 대조군에는 아무것도 하지 않고 그냥 둔다

실제로는대조군도 실험군과 똑같은 과정을 다 거치되, 조작 변인만 빠져야 합니다. 약 대신 성분이 없는 액체를 같은 방법으로 같은 양 투여합니다.

아무것도 하지 않으면 두 집단의 차이가 '약 성분'만이 아니라 '주사를 맞았다는 경험'까지 두 개가 되어 버립니다. 그러면 결과의 차이가 둘 중 무엇 때문인지 가릴 수 없습니다. 대조군의 목적은 '가만히 두는 것'이 아니라 조작 변인 하나만 빼고 완전히 똑같은 상황을 만드는 것입니다. 이 문장을 '대조군 = 무처리'로 외워 두면 실험 설계 문제를 계속 틀립니다.

두 가지를 한꺼번에 바꿔 놓고 하나 탓으로 결론 내리기

이렇게 생각하기 쉬움빛도 더 세게 하고 비료도 더 주었더니 식물이 훨씬 잘 자랐다. 그러니 빛이 세면 잘 자란다

실제로는조작 변인이 둘이 되어 버렸으므로, 이 실험으로는 빛 때문인지 비료 때문인지, 아니면 둘의 상호작용 때문인지 알 수 없습니다.

실험이 인과를 말할 수 있는 유일한 근거는 '다른 모든 것이 같았다'는 사실입니다. 그 조건이 깨지는 순간, 실험 결과는 아무리 뚜렷해도 원인을 가리키지 못하는 상관관계로 내려앉습니다. 데이터가 많다고 해결되지 않습니다 — 설계가 잘못된 실험은 반복해도 잘못된 실험입니다. 알아볼 요인이 두 개라면 실험을 두 번 나눠서 해야 합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

귀납·연역 추론고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

생물의 특성고2

같은 단원의 개념 — 생명 시스템의 구성

귀납·연역 추론고2 생명과학 탐구 방법고2 생물의 특성고2 원핵세포와 진핵세포고2

자주 묻는 질문

Q1통제 변인을 어디까지 맞춰야 하나요? 세상의 모든 것을 같게 할 수는 없잖아요.

결과에 영향을 줄 만한 요인을 맞추면 됩니다. 실험실의 벽 색깔까지 맞출 필요는 없지만, 온도·빛·먹이·개체의 나이처럼 종속 변인을 흔들 수 있는 것은 반드시 맞춰야 합니다. '이 요인이 결과를 바꿀 수 있는가'가 판단 기준입니다.

Q2같은 실험을 여러 번 반복하는 이유는 무엇인가요?

한 번의 결과는 우연일 수 있기 때문입니다. 유난히 튼튼한 개체가 실험군에 몰렸을 수도 있습니다. 반복하고 개체 수를 늘리면 그런 우연의 영향이 줄어들어, 관찰된 차이가 진짜 조작 변인 때문이라는 신뢰가 커집니다.

Q3상관관계가 있으면 인과관계가 있는 것 아닌가요?

아닙니다. 두 값이 함께 움직이더라도 제3의 요인이 둘 다를 움직이고 있을 수 있습니다. 관찰 자료만으로는 이것을 배제하기 어렵고, 그래서 조작 변인을 직접 바꾸는 대조 실험이 필요합니다. 인과를 주장하려면 실험이 필요하다는 말은 이런 뜻입니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 생명과학 · 생명 시스템의 구성 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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