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문제 정의
- 과학 학습은 학습자가 직접 과학적 사고와 탐구 활동을 통해 과학 현상이나 원리, 지식 등을 학습해야 하므로 학생 중심의 자기주도 학습이 이루어져야 한다. 본 연구는 이런 요구를 파악하여 중학교 과학1 디지털 교과서를 대상으로 증강현실(AR)을 적용한 디자인 기획을 연구하였다.
- 증강현실을 적용하면 실제 사진에 3D 이미지를 생성하여 적용함으로써 학생들 스스로 다양한 각도로 조작하며 관찰하는 능동적인 학습이 되고 현실감과 몰입감을 높여 수업의 질이 개선될 것으로 생각된다. 이에 증강현실을 적용한 3D 디자인이 필요한 이유를 정리해 보았다[표 5].
제안 방법
- 학계 전문가로는 대전 ○○○○중학교 과학교사, 대전 ○○중학교 과학교사, 공주 ○○중학교 과학교사, 공주 ○○고등학교 정보부장교사, 대전시 교육청 교육 전문가와 인터뷰 하였고, 업계 전문가로는 3D 프로그램(MAX, 라이노, 스케치업) 디자이너, 3D 프로그램 강의를 하는 전문가와 전자책을 출판하고 있는 대전 B출판사, C출판사 대표와 인터뷰 하였다. 동일한 시간과 장소에 모이기 힘든 관계로 연구자의 증강현실을 적용한 디지털 교과서의 디자인된 모형을 보여주고 전화 및 면담을 통해(30분-40분) 인식 조사를 하였다. 전문가들의 인터뷰에서 실제 디지털 교과서로 수업하면서 경험한 사례를 인터뷰 하였고, 연구자의 증강현실을 적용한 디지털 교과서 디자인 모형에 대한 평가 의견을 들었다.
- 첫째 연구자의 증강현실을 적용한 과학1 디지털 교과서의 활용 방안의 필요성을 어떻게 예상하는지 긍정적인 면과 부정적인 면을 묻는 질문으로 구성하였다. 둘째 연구자의 증강현실을 적용한 과학1 디지털 교과서의 디자인 모형으로 학습했을 때 학습 효과 개선에 대한 긍정적인 면과 부정적인 면을 묻는 질문, 셋째 증강현실을 적용한 과학1 디지털 교과서의 활용 방안의 타당성에 대한 긍정적인 면과 부정적인 면을 묻는 질문으로 구성하였다.
- 중학교 과학1 디지털 교과서를 에듀넷(edunet) 사이트에서 다운로드하여 ‘학습 목표’, ‘학습 내용’, ‘학습 방법’을 참고하여 중학교 과학1 디지털 교과서에서 제공하는 실험 영상, 노트, 쓰기, 검색 기능 등을 조사하였다. 또한 증강현실(AR)을 적용한 수업 사례를 조사하여 증강현실이 과학 교과 학습에 필요함을 제시하였다.
- 이는 실험 장비 구축의 어려움, 디바이스, 3D 디자인 콘텐츠, 스마트 기기가 갖춰진 교육 환경 등이 부족하기 때문이다. 연구자는 중학교 과학1 디지털 교과서에 증강현실을 적용한 디자인 모형을 통해 과학 실험에서 교사와 학생들에게 지속 가능한 수업이 될 수 있다는 평가를 받았고 단편적이고 수동적인 학습이 아닌 학생들 스스로 직접 조작하고 탐구해 보며 결론을 검증하고 해석하는 학습이 된다. 또한 일본의 BYOD(Bring Your Own Device) 사례처럼 우리나라 디지털 교과서도 학생들의 본인의 단말기를 활용해서 학습한다면 디바이스 부족 부분은 해결될 것이라 생각된다.
- 연구자는 증강현실 디자인을 적용한 중학교 과학1 디지털 교과서 연구를 검증하고자 2017년 12월부터 2018년 2월 기간에 학계(8명)와 업계(4명)로 구분하여 전문가 심층 인터뷰를 실시하였다[표 6]. 심층 인터뷰를 선택한 이유는 질적 연구 방법의 가장 대표적인 방법으로 학계 전문가는 현재 디지털 교과서로 수업을 하고 있는 현직 교사로서 상세한 정보를 얻을 수 있고, 심층 인터뷰를 통해 얻어진 자료는 실제 경험에 근거한 내용이기 때문이다.
- 이런 기술적인 전망에 맞춰 증강현실을 적용한 중학교 과학1 디지털 교과서 디자인 기획을 연구범위로 선정했으며 연구주제와 관련된 증강현실을 적용한 수업 사례를 조사하여 증강현실 기술이 디지털 교과서에 왜 필요하며 어떤 실험에서 학습에 도움이 되는지 ‘학습목표’를 기초로 디자인을 기획한 후 전문가(업계와 학계 12명)의 의견 검증을 들었다.
- 증강현실을 적용한 수업 사례 조사를 통해 증강현실을 수업에 적용했을 때 교육적 효과가 크게 향상되었음을 알 수 있었다. 이에 본 연구는 현재 증강현실 기술이 적용되지 않고 있는 중학교 과학1 디지털 교과서에 증강현실 기술과 3D 콘텐츠가 반영된 디자인 기획안을 연구 내용으로 제시하였으며, 디자인 기획 구성은 [표4]와 같다.
- 하지만, 이는 서책형 교과서의 실험으로서 장비 구축 등의 어려움이 있어 지속적으로 활용되지 못하였다. 이에 연구자는 서책형 교과서의 실험과정이 아닌 중학교 과학1 디지털 교과서에 증강현실을 적용하여 단원별 실험과정에서 지속 가능한 학습이 이루어질 수 있도록 디자인 기획을 하였다.
- 동일한 시간과 장소에 모이기 힘든 관계로 연구자의 증강현실을 적용한 디지털 교과서의 디자인된 모형을 보여주고 전화 및 면담을 통해(30분-40분) 인식 조사를 하였다. 전문가들의 인터뷰에서 실제 디지털 교과서로 수업하면서 경험한 사례를 인터뷰 하였고, 연구자의 증강현실을 적용한 디지털 교과서 디자인 모형에 대한 평가 의견을 들었다.
- 조사 항목은 크게 세가지로 인터뷰 하였다.
- 중학교 과학1 디지털 교과서를 에듀넷(edunet) 사이트에서 다운로드하여 ‘학습 목표’, ‘학습 내용’, ‘학습 방법’을 참고하여 중학교 과학1 디지털 교과서에서 제공하는 실험 영상, 노트, 쓰기, 검색 기능 등을 조사하였다.
- 첫째 연구자의 증강현실을 적용한 과학1 디지털 교과서의 활용 방안의 필요성을 어떻게 예상하는지 긍정적인 면과 부정적인 면을 묻는 질문으로 구성하였다. 둘째 연구자의 증강현실을 적용한 과학1 디지털 교과서의 디자인 모형으로 학습했을 때 학습 효과 개선에 대한 긍정적인 면과 부정적인 면을 묻는 질문, 셋째 증강현실을 적용한 과학1 디지털 교과서의 활용 방안의 타당성에 대한 긍정적인 면과 부정적인 면을 묻는 질문으로 구성하였다.
- 첫째, ‘물의 여행(Journey of water)’은 2005년도 한국교육학술정보원(KERIS)과 포항공대 디지털 체험센터에서 공동 개발한 체험형 학습 콘텐츠로 화상 카메라로 들어오는 영상을 통해 미리 정의된 마커를 찾아내어 증강현실을 활용하였다.
대상 데이터
- 심층 인터뷰를 선택한 이유는 질적 연구 방법의 가장 대표적인 방법으로 학계 전문가는 현재 디지털 교과서로 수업을 하고 있는 현직 교사로서 상세한 정보를 얻을 수 있고, 심층 인터뷰를 통해 얻어진 자료는 실제 경험에 근거한 내용이기 때문이다. 학계 전문가로는 대전 ○○○○중학교 과학교사, 대전 ○○중학교 과학교사, 공주 ○○중학교 과학교사, 공주 ○○고등학교 정보부장교사, 대전시 교육청 교육 전문가와 인터뷰 하였고, 업계 전문가로는 3D 프로그램(MAX, 라이노, 스케치업) 디자이너, 3D 프로그램 강의를 하는 전문가와 전자책을 출판하고 있는 대전 B출판사, C출판사 대표와 인터뷰 하였다. 동일한 시간과 장소에 모이기 힘든 관계로 연구자의 증강현실을 적용한 디지털 교과서의 디자인된 모형을 보여주고 전화 및 면담을 통해(30분-40분) 인식 조사를 하였다.
- 학습 효과의 개선면에서는 디지털 교과서의 적극적인 수업 활용이 앞으로의 교육 환경에 적합하다는 의견이었다. 활용 방안의 타당성에 대해서는 8명이 긍정적, 4명이 보통이라 응답 하였다. 활용 방안의 타당성 면에서는 보통이라 응답한 의견 중 너무 복잡한 증강현실 3D 구현은 다소 생소하거나 오히려 불편할 수 있다는 내용이었다.
성능/효과
- 넷째, ‘지층과 화석’ 증강현실 사례는 A업체에서 개발한 증강현실 콘텐츠를 활용하여 실제 경험해 보기 힘든 화석의 생성 과정을 마커를 이용해 시야를 회전시키고 확대, 축소가 가능하게 설계되어 웹 카메라를 통해 직접 조작해 본 결과 개념 이해가 향상되고 흥미도가 매우 높았으며, 전문가 인터뷰 결과 현장 체험을 대체할 수 있을 것이라는 기대를 얻었다[10].
- 둘째, ‘지구의 내부 관찰’ 증강현실 사례는 마커와 카메라를 이용하여 인터페이스를 한 결과 개념 이해도의 향상과 흥미도가 증가한 결과를 얻었다.
- 둘째, 증강현실(AR)을 적용한 디지털 교과서는 교사와 학생들의 교수 학습을 질적으로 개선 가능하게 한다. 위험 요소가 있는 실험, 시간 소요가 많은 실험을 디지털 교과서의 증강현실(AR) 영상이 대신해 줌으로써 교사와 학생들의 교수 학습을 질적으로 개선 가능하게 한다.
- 본 연구에 인터뷰를 해준 전문가들은 공통적으로 활용 방안의 필요성, 학습 효과 개선과 활용 방안의 타당성에 있어 긍정적이라고 평가하였다. 특히, 연구자의 중학교 과학1 디지털 교과서에 증강현실 3D 콘텐츠 시스템 구성도의 실험 과정에서 학생들이 다각도로 관찰할 수 있는 점이 실험 과정과 결과에 이르기까지 능동적인 수업이 될 수 있다고 응답하였다.
- 셋째, ‘디지털 교과서와 증강현실 통합’ 사례는 증강현실 실체형 인터페이스를 동시에 활용하여 보다 효율적으로 디지털 교과서를 학습 활동에 활용한 연구로 가상 체험학습 시스템이 갖춰진 대전시 A초등학교 6학년 학생 142명을 대상으로 2주 동안 증강현실 수업을 한 후 학업 성취도, 학습 흥미도, 몰입도 검사를 한 결과 모든면에서 효과성을 거두었다[9].
- 셋째, 증강현실(AR)을 적용한 디지털 교과서는 증강현실 3D 디자인 콘텐츠을 계속 발전 가능하게 한다. 과학 실험과정에서 2D 디자인보다 학습 효과가 우수한 증강현실을 적용한 3D 디자인 영상을 제공함으로써 앞으로 교육부의 디지털 교과서 개발 과정에서 증강현실 3D 디자인 콘텐츠를 계속 발전 가능하게 한다.
- 다섯째, ‘Sea water’는 중학교 수업 현장에서 증강현실을 적용한 사례이다. 증강현실 기술을 통한 양방향적 수업 환경을 조성하여 흥미도를 높이고 몰입도를 향상시켜 성취도와 만족도가 높은 학습 결과를 얻었다. 학생들의 실제 인터페이스 면에서도 긍정적인 효과를 보았다[11].
- 증강현실을 적용한 수업 사례 조사를 통해 증강현실을 수업에 적용했을 때 교육적 효과가 크게 향상되었음을 알 수 있었다. 이에 본 연구는 현재 증강현실 기술이 적용되지 않고 있는 중학교 과학1 디지털 교과서에 증강현실 기술과 3D 콘텐츠가 반영된 디자인 기획안을 연구 내용으로 제시하였으며, 디자인 기획 구성은 [표4]와 같다.
- 현재 에듀넷(edunet)에서 제공하는 중학교 과학1 디지털 교과서는 서책형 교과서를 pdf 형태 그대로 제공하는 비중이 가장 높았고 동영상, 노트, 쓰기, 참고자료 검색 기능이 제공되고 있었지만 과학 교과처럼 실험을 통해 학생들 스스로 탐구하며 자기주도 학습을 하기에는 짧은 동영상만으로는 부족하다는 것을 조사를 통해 알 수 있었다.
- 활용 방안의 타당성에 대해서는 8명이 긍정적, 4명이 보통이라 응답 하였다. 활용 방안의 타당성 면에서는 보통이라 응답한 의견 중 너무 복잡한 증강현실 3D 구현은 다소 생소하거나 오히려 불편할 수 있다는 내용이었다.
- 인터뷰에 응한 전문가들은 대부분 활용 방안의 필요성에 대해서 11명이 긍정적이었고, 1명은 보통이라 답하였다. 활용 방안의 필요성에 대해 긍정적으로 대답한 가장 큰 이유는 실험을 통한 학습이 많은 과학 과목에서 실제에 가까운 체험이 가능하기 때문에 지속 가능한 수업이 될 수 있다는 의견이었다. 학습 효과의 개선면에서는 10명이 긍정적이라 답하였고 2명이 보통이라 답하였다.
후속연구
- 셋째, 증강현실(AR)을 적용한 디지털 교과서는 증강현실 3D 디자인 콘텐츠을 계속 발전 가능하게 한다. 과학 실험과정에서 2D 디자인보다 학습 효과가 우수한 증강현실을 적용한 3D 디자인 영상을 제공함으로써 앞으로 교육부의 디지털 교과서 개발 과정에서 증강현실 3D 디자인 콘텐츠를 계속 발전 가능하게 한다.
- 본 연구를 통해 교육부의 디지털 교과서 개발에 있어 실험이 필수인 과학 과목에 증강현실을 적용한 디지털 교과서가 개발되어 위험 요소가 따르는 실험, 시간 소요가 많은 실험 등을 대체할 수 있을 것이며 증강현실이 적용된 디지털 교과서의 교육적 효과가 지속되기 위해서는 교사의 디지털 교과서 활용 방안의 교육 이수가 정기적으로 필요하며 이는 학생들의 자기주도 학습을 높여주어 학력 신장으로 이어지는 효과를 보게 될 것으로 기대한다.
- 중학교 과학1 디지털 교과서의 학습은 현재 제공하고 있는 디지털 교과서를 활용함과 동시에 증강현실 3D 디자인의 추가 구현이 꼭 필요하다. 중학2, 중학3 디지털 교과서에도 위 사항을 바탕으로 데스크탑, 태블릿 PC, 스마트폰의 카메라를 활용한 증강현실이 적용되어 과학 교과 실험에서 우선적으로 제공되어야 할 것이다. 특히, 과학 교과는 단원별로 반드시 실험을 통해 학습해야 하는 과목으로 증강현실을 적용하여 3D 영상이 추가적으로 활용된다면 높은 학습 효과로 이어질 것이다.
- 중학2, 중학3 디지털 교과서에도 위 사항을 바탕으로 데스크탑, 태블릿 PC, 스마트폰의 카메라를 활용한 증강현실이 적용되어 과학 교과 실험에서 우선적으로 제공되어야 할 것이다. 특히, 과학 교과는 단원별로 반드시 실험을 통해 학습해야 하는 과목으로 증강현실을 적용하여 3D 영상이 추가적으로 활용된다면 높은 학습 효과로 이어질 것이다. 과학 실험에서 직접 관찰이 어렵거나 여러 장치들을 갖춰야만 가능한 실험, 위험한 실험 등에 적용이 용이하며 증강현실을 적용한 실험은 학생들 스스로 직접 조작하여 결론을 검증하고 해석하는 능동적인 학습이 된다.
- 과학적 사례를 다양한 이미지나 동영상으로 제시해 주고 과학적 원리를 직접 조작하여 깨닫게 하는 점에서 서책형 교과서로는 절대 구현할 수 없는 학습 방법과 학업 성취도의 향상을 이루어준다. 향후 실험 내용이 3D 형식으로 상세하게 설명될 수 있어 디지털 교과서가 많이 쓰일 전망이다[1].
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