Ⅵ-2.6 ★ 도구를 손에 쥐고 질문으로 9수04-04 2022 개정 교육과정

질문에서 시작해 결론까지 —
통계적 탐구의 한 바퀴

성취기준[9수04-04] 통계적 탐구 문제를 설정하고, 공학 도구를 이용하여 자료를 수집하여 분석하고, 그 결과를 해석할 수 있다.

지금까지 배운 것은 도구였다. 평균 · 표준편차 · 산점도 · 상자그림. 그러나 도구만으로는 아무것도 알아낼 수 없다. 먼저 질문이 있어야 한다. 좋은 질문을 세우고 · 자료를 모으고 · 알맞은 도구로 분석하고 · 조심스럽게 해석하는 네 걸음 — 이 한 바퀴가 통계적 탐구다.

01도구는 다 배웠다. 그래서 무엇을 알아낼 것인가

Tools are not questions
"우리 학교 매점에 어떤 간식을 더 들여야 할까?"

이 질문에 답하려면 무엇이 필요한가. 평균? 상자그림? 산점도? — 아직 아무것도 정할 수 없다. 질문이 너무 흐리기 때문이다. 누구에게 물을 것인지, 무엇을 재야 하는지가 정해지지 않았다.

질문을 이렇게 고쳐 보자. "우리 학교 3학년 학생 30명은 일주일에 매점에서 간식을 몇 번 사 먹으며, 어떤 종류를 가장 자주 고르는가?" 이제 대상(3학년 학생)도, 잴 것(횟수와 종류)도 분명하다. 자료를 모을 수 있고, 도구도 저절로 정해진다.

통계는 계산에서 시작하지 않는다. 질문에서 시작한다.

02통계적 탐구의 네 단계

Problem · Data · Analysis · Conclusion
1단계 · 문제 설정

자료로 답할 수 있는 질문으로 좁힌다

알고 싶은 것을 한 문장으로 적는다. 누구를 대상으로 무엇을 잴 것인지가 그 문장 안에 들어 있어야 한다.

"우리 반은 책을 많이 읽나?" → "우리 반 학생은 하루에 몇 분 책을 읽는가?"
2단계 · 자료 수집

어디서 · 누구에게서 · 어떻게 모을지 정한다

모집단을 정하고, 전부 조사할지(전수조사) 일부만 조사할지(표본조사) 결정한다. 표본이라면 치우치지 않게 뽑는 것이 전부다.

설문 · 측정 · 관찰 · 공공 데이터 내려받기 — 방법은 여러 가지. 무엇을 썼는지 기록해 둔다.
3단계 · 분석

질문에 맞는 도구를 골라 계산하고 그린다

표로 정리하고, 대푯값과 산포도를 구하고, 그림으로 그린다. 질문의 종류가 도구를 정한다 — 중심이 궁금하면 대푯값, 퍼짐이면 표준편차나 IQR, 비교면 상자그림, 관계면 산점도.

공학 도구(스프레드시트 · 통계 프로그램 · 아래 실험실)를 쓰면 계산이 아니라 판단에 시간을 쓸 수 있다.
4단계 · 해석

처음의 질문에 문장으로 답하고, 한계를 밝힌다

숫자를 나열하는 것은 해석이 아니다. "그래서 답이 무엇인가"를 말하고, 이 결론이 어디까지 통하는지, 무엇이 부족했는지를 함께 적는다.

해석에서 나온 새 궁금증이 다음 탐구의 1단계가 된다 — 탐구는 돌고 도는 바퀴다.

순서를 지켜야 하는 이유  자료를 먼저 모으고 나서 질문을 만들면, 이미 나온 결과에 맞는 질문을 고르게 된다. 그러면 어떤 자료든 그럴듯한 결론이 나와 버린다. 질문을 먼저 적어 두는 것은 자신을 속이지 않기 위한 장치다.

03좋은 탐구 문제의 조건

What makes a statistical question

이 다섯 가지를 통과하면 탐구를 시작해도 좋다

  1. ① 자료로 답할 수 있는가 — 잴 수 있어야 한다

    "우리 반은 착한가?"는 잴 수 없다. "우리 반 학생은 한 달에 봉사활동을 몇 시간 하는가?"는 잴 수 있다.

  2. ② 대상이 분명한가 — 모집단을 적어라

    "청소년은…"처럼 막연하면 누구에게 물어야 할지 정할 수 없다. "우리 학교 3학년 학생"처럼 범위를 못 박는다.

  3. ③ 답이 하나로 정해져 있지 않은가 — 변이가 있어야 한다

    "3학년 1반은 몇 명인가?"는 답이 하나뿐이라 통계 문제가 아니다. 사람마다 값이 다른 것을 물어야 분포가 생기고, 그래야 통계가 필요해진다.

  4. ④ 감당할 수 있는 크기인가

    "전국 중학생의 수면 시간"은 우리 힘으로 모을 수 없다. 모을 수 있는 범위로 줄이고, 줄였다는 사실을 결론에서 밝힌다.

  5. ⑤ 비교하거나 관계를 묻는 형태인가 (권장)

    "A와 B 중 어느 쪽이 더 큰가", "$x$ 가 커지면 $y$ 도 커지는가" 형태의 질문은 도구가 바로 정해지고 결론도 뚜렷해진다.

다듬기 전

"사람들은 유튜브를 많이 보나?"

· 대상이 없다 — "사람들"이 누구인가
· "많이"의 기준이 없다
· 무엇을 잴지 모른다 (시간? 횟수? 개수?)

다듬은 뒤

"우리 학교 3학년 학생은 하루에 영상을 몇 분 보는가? 평일과 주말에 차이가 있는가?"

· 대상 = 우리 학교 3학년 학생
· 잴 것 = 하루 시청 시간(분)
· 비교 대상 = 평일 vs 주말 → 상자그림 두 개로 답할 수 있다

04모집단과 표본 — 누구에게 물을 것인가

Population, sample, and bias
개념 ①

모집단과 표본 Population & Sample

모집단 ⊃ 표본

모집단은 우리가 알고 싶은 대상 전체. 표본은 그 중 실제로 조사한 일부다.

전체를 다 조사하면 전수조사, 일부만 조사해 전체를 추측하면 표본조사. 시간과 비용 때문에 대부분의 조사는 표본조사다.

모집단 — 알고 싶은 대상 전체 표본 표본은 모집단의 축소판이어야 한다
개념 ②

무작위 추출 Random Sampling

모든 대상이 뽑힐 기회가 같도록

표본이 모집단을 대표하게 만드는 가장 확실한 방법. 번호를 붙여 제비뽑기하거나, 난수를 만들어 뽑는다.

"편한 사람부터 뽑기", "관심 있는 사람만 응답하기"는 무작위가 아니다. 이때 표본은 한쪽으로 치우친다.

표본의 크기보다 뽑는 방법이 먼저다. 치우친 방법으로 100만 명을 모아도, 잘 뽑은 1,000명을 이기지 못한다.

치우친 표집 ①

편한 사람만 뽑기

"쉬는 시간에 우리 반 친구 10명에게 물어보고 '전교생은 축구를 가장 좋아한다'고 결론지었다."
표본이 우리 반에 갇혀 있다. 모집단이 전교생이라면 학년·성별·반이 골고루 섞이도록 뽑아야 한다.
치우친 표집 ②

스스로 응답한 사람만 모으기

"온라인 설문 링크를 올리고 답한 사람만 집계했더니 '급식 만족도 매우 낮음'이 나왔다."
굳이 시간을 내어 응답하는 사람은 대개 할 말이 많은 사람이다. 만족하는 다수는 응답하지 않는다.
치우친 표집 ③

장소가 답을 정해 버리기

"도서관 앞에서 '하루 독서 시간'을 물었더니 평균 70분이 나왔다."
도서관 앞에 있는 사람은 이미 책을 읽으러 온 사람이다. 어디서 묻느냐가 답을 미리 결정해 버렸다. Ⅵ-2.4의 표본 편향 바로 그것.

역사 속 사례 — 240만 명이 틀린 이유  1936년 미국 대통령 선거에서 한 잡지사는 약 240만 명의 응답을 모아 승자를 예측했지만 결과는 정반대였다. 명단을 자동차 등록부·전화 가입자·잡지 구독자에서 뽑는 바람에 표본이 형편이 넉넉한 사람들로 치우쳤던 것이다. 같은 해 훨씬 작은 표본을 대표성 있게 뽑은 조사는 결과를 맞혔다. 표본은 크기가 아니라 뽑는 방법이 승부를 가른다.

05도구 고르기 — 질문이 도구를 정한다

Choosing the right tool

알고 싶은 것 → 꺼내 쓸 도구

Ⅵ-2.1 ~ Ⅵ-2.5 에서 배운 것 전부
알고 싶은 것도구배운 곳
한 집단의 중심은 어디인가평균 · 중앙값 · 최빈값Ⅵ-2.1
튀는 값이 섞여 있을 때의 중심중앙값Ⅵ-2.1 · 2.5
한 집단이 얼마나 흩어졌는가분산 · 표준편차Ⅵ-2.2
두 집단의 분포를 견주고 싶다상자그림 두 개를 같은 눈금에Ⅵ-2.5
튀는 값이 있는지 판정하고 싶다1.5 × IQR 규칙Ⅵ-2.5
두 변수가 함께 변하는가산점도Ⅵ-2.3
그 관계를 원인이라 말해도 되는가말할 수 없다 — 상관 ≠ 인과Ⅵ-2.4

표의 왼쪽 칸이 곧 탐구 문제의 형태다. 문제를 정확히 적어 두면 오른쪽 칸은 저절로 따라온다. 반대로 도구부터 정하면 — 망치를 든 사람에게 모든 것이 못으로 보이는 일이 벌어진다.

06해석의 규칙 — 결론을 어디까지 말할 수 있나

Rules for the conclusion

해석에서 반드시 지킬 다섯 가지

① 처음의 질문에 문장으로 답하라 · "평균 42분, 중앙값 38분"은 결과일 뿐이다. "우리 반 학생은 하루 40분 안팎을 읽으며, 절반은 38분보다 적게 읽는다"가 답이다.
② 결론을 표본 밖으로 넓히지 마라 · 3학년 30명을 조사했다면 결론도 그 3학년까지다. "요즘 청소년은…"으로 늘리는 순간 근거가 사라진다.
③ 상관은 인과가 아니다 · 두 변수가 함께 움직여도 한쪽이 원인이라 말할 수 없다. 잠복변수 · 역인과 · 우연을 먼저 의심하라. (Ⅵ-2.4)
④ 한계를 스스로 밝혀라 · 표본이 작았는지, 표집이 치우쳤는지, 자기보고라 부풀려졌는지. 한계를 적은 보고서가 더 믿음직하다.
⑤ 다음 질문을 남겨라 · "왜 주말에만 늘어날까?" 같은 새 궁금증이 다음 탐구의 1단계가 된다.

통계는 확실함을 주지 않는다. 자료가 허락하는 만큼만 조심스럽게 말하는 것 — 그것이 통계를 제대로 쓰는 태도다.

07실험실 — 네 단계를 따라가는 탐구 도구

Interactive inquiry workbench

문제를 적고, 자료를 넣고, 분석 결과를 받아 해석까지

단계 버튼으로 앞뒤로 오갈 수 있다. 3단계에 들어서면 질문의 종류에 맞는 도구가 자동으로 선택되어 계산과 그림이 만들어진다.

결론 문장 틀 · "[모집단]을 대상으로 [무엇]을 조사한 결과 [핵심 수치]였다. 따라서 처음의 질문에 대한 답은 [답]이다. 다만 [한계]라는 점을 감안해야 한다."

08개념 점검 5문항

Quick check
QC 01
통계적 탐구의 네 단계를 순서대로 말하라.
정답 보기
문제 설정 → 자료 수집 → 분석 → 해석. 해석에서 나온 새 질문이 다시 1단계가 된다.
QC 02
모집단과 표본은 어떻게 다른가?
정답 보기
모집단은 알고 싶은 대상 전체, 표본은 그 중 실제로 조사한 일부. 표본으로 모집단을 추측하는 것이 표본조사.
QC 03
"우리 반은 착한가?"가 통계적 탐구 문제로 적절하지 않은 이유는?
정답 보기
잴 수 없기 때문. 자료로 답할 수 있는 형태(봉사 시간·도움 횟수 등)로 바꾸어야 한다.
QC 04
도서관 앞에서 하루 독서 시간을 조사하면 어떤 문제가 생기는가?
정답 보기
치우친 표집(표본 편향). 이미 책을 읽으러 온 사람만 뽑히므로 실제보다 크게 나온다.
QC 05
두 집단의 분포를 한눈에 견주려면 어떤 그림을 쓰는가?
정답 보기
상자그림을 같은 눈금 위에 나란히 그린다. 중앙값 선 · 상자 길이(IQR) · 수염을 차례로 비교한다.

09예제 2선

Worked examples
예제 1 · 탐구 문제 다듬기

"청소년은 스마트폰을 많이 쓰는가?" 이 질문을 통계적 탐구 문제로 다듬고, 자료 수집 계획을 세워라.

문제점 ① · 대상이 없다. "청소년"은 전국 수백만 명이라 우리가 조사할 수 없다.
문제점 ② · "많이"의 기준이 없다. 얼마부터 많은 것인가?
문제점 ③ · 무엇을 잴지 정하지 않았다. 사용 시간인지 · 켠 횟수인지 · 앱 개수인지.
다듬은 문제 · "우리 학교 3학년 학생은 하루에 스마트폰을 몇 분 사용하는가? 평일과 주말에 차이가 있는가?"
자료 수집 계획 · 모집단은 우리 학교 3학년 전체. 반마다 번호를 뽑아 무작위로 40명을 뽑고, 스마트폰의 사용 시간 기록 화면을 보고 평일 하루와 주말 하루의 분(分)을 적게 한다. (기억에 의존한 자기보고는 부정확하므로 기록 화면을 쓴다.)
쓸 도구 · 평일·주말 두 집단의 비교이므로 상자그림 두 개. 중심은 중앙값, 퍼짐은 IQR로 말한다.
대상 · 잴 것 · 비교 기준을 넣으면 도구까지 저절로 정해진다
예제 2 · 분석 결과를 해석 문장으로

두 반의 하루 독서 시간(분)을 조사했다. A반 $5, 10, 12, 15, 18, 20, 25, 30, 35$ · B반 $12, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 22, 24$ (각 9명, 무작위 추출). 결과를 해석하여라.

A반의 다섯 수 요약 · $n = 9$ 이므로 $Q_2 = 18$. 아래 절반 $5, 10, 12, 15$ 에서 $Q_1 = \dfrac{10+12}{2} = 11$, 위 절반 $20, 25, 30, 35$ 에서 $Q_3 = \dfrac{25+30}{2} = 27.5$. IQR $= 16.5$. 평균 $= \dfrac{170}{9} \approx 18.9$.
B반의 다섯 수 요약 · $Q_2 = 18$. $Q_1 = \dfrac{14+15}{2} = 14.5$, $Q_3 = \dfrac{20+22}{2} = 21$. IQR $= 6.5$. 평균 $= \dfrac{160}{9} \approx 17.8$.
비교 · 중앙값은 두 반 모두 18분으로 같고 평균도 1분 남짓 차이뿐이다. 그러나 IQR은 $16.5$ 대 $6.5$ 로 A반이 2배 넘게 퍼져 있다.
해석 문장 · "두 반의 하루 독서 시간은 중심이 거의 같지만(중앙값 둘 다 18분), A반은 5분만 읽는 학생과 35분을 읽는 학생이 함께 있어 편차가 훨씬 크다. B반은 대부분 14~22분 사이에 모여 있다."
한계 · 각 반 9명씩만, 그것도 하루치만 조사했다. 시험 기간이었는지 같은 사정에 따라 값이 달라질 수 있고, 이 결론은 조사한 두 반을 넘어 학교 전체로 넓힐 수 없다.
중심이 같아도 퍼짐이 다르면 다른 이야기다 — 그리고 한계를 함께 적는다

10연습 8문항

Practice · ★ basic / ★★ standard / ★★★ challenge
P01
통계적 탐구의 첫 번째 단계는 무엇인가?
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자료보다 질문이 먼저다. 문제 설정 → 자료 수집 → 분석 → 해석.
P02
조사하려는 대상 전체를 무엇이라 하는가?
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알고 싶은 대상 전체가 모집단. 탐구 문제에는 이것이 분명히 적혀 있어야 한다.
P03
모집단에서 실제로 뽑아 조사한 일부를 무엇이라 하는가?
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조사한 일부가 표본. 표본으로 모집단을 추측하는 것이 표본조사다.
P04★★
모집단의 모든 대상이 뽑힐 기회를 똑같이 갖도록 표본을 뽑는 방법을 무엇이라 하는가?
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무작위 추출. 제비뽑기나 난수를 쓴다. 표본이 모집단을 대표하게 만드는 가장 확실한 방법.
P05★★
"우리 학교 학생의 아침 식사 여부를 알아보려고 급식실 앞에서만 조사했다." 이 자료 수집의 문제를 한 낱말로 말하면?
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급식실 앞에 있는 학생은 이미 식사를 하러 온 학생이다. 뽑은 장소가 답을 정해 버린 치우친 표집(표본 편향).
P06★★
"1반과 2반의 하루 수면 시간 분포에 차이가 있는가?" — 이 질문에 답하기 위해 그릴 그림은?
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두 집단의 분포 비교이므로 같은 눈금 위에 상자그림 두 개. 중앙값 선과 상자 길이(IQR)를 견준다.
P07★★★
1936년 미국 대통령 선거 예측에서, 어떤 조사는 약 240만 명이나 응답을 받고도 결과를 틀렸다. 표본이 컸는데도 틀린 까닭을 짧게 쓰라.
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명단을 자동차 등록부·전화 가입자 등에서 뽑아 표본이 한쪽 계층으로 치우쳤기 때문이다. 표본은 크기보다 대표성이 먼저다.
P08★★★
"학원에 다니는 학생일수록 성적이 높다"는 자료를 얻었다. 이것만으로 "학원이 성적을 올린다"고 말할 수 없다. 부모의 소득처럼 두 변수 모두를 움직이는 제3의 변수를 무엇이라 하는가?
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잠복변수. 상관관계가 보여도 잠복변수·역인과·우연을 배제하기 전에는 인과라 말할 수 없다. (Ⅵ-2.4)

11한 줄로 정리

Synthesis

네 단계

문제 설정 → 자료 수집 → 분석 → 해석. 그리고 다시 새 질문으로.

좋은 문제

잴 수 있고 · 대상이 분명하고 · 값이 사람마다 다르고 · 감당할 크기.

표본

크기보다 뽑는 방법. 치우친 표본은 아무리 커도 모집단을 대표하지 못한다.

도구 선택

중심이면 대푯값 · 퍼짐이면 표준편차와 IQR · 비교면 상자그림 · 관계면 산점도.

해석

질문에 문장으로 답하고, 조사한 범위 밖으로 넓히지 않으며, 한계를 밝힌다.

변하지 않는 경고

상관은 인과가 아니다. 자료가 허락하는 만큼만 말한다.

중단원 완성  대푯값 · 분산과 표준편차 · 산점도와 상관관계 · 상관관계의 해석 · 상자그림과 분포 비교 · 통계적 탐구. 여섯 차시로 통계의 한 바퀴를 돌았다. 이제 중단원 점검과 수행과제에서 이 도구들을 한꺼번에 꺼내 쓴다.