[논문]증강현실을 활용한 소집단 학습에서 개념 이해 및 몰입, 상황 흥미를 촉진할 수 있는 학습 환경 탐색

신석진; 노태희; 이재원

doi:10.5012/jkcs.2020.64.6.360

증강현실을 활용한 소집단 학습에서 개념 이해 및 몰입, 상황 흥미를 촉진할 수 있는 학습 환경 탐색
An Exploration of Learning Environment for Promoting Conceptual Understanding, Immersion and Situational Interest in Small Group Learning Using Augmented Reality 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.64 no.6, 2020년, pp.360 - 370

신석진 (서울대학교 화학교육과) , 노태희 (서울대학교 화학교육과) , 이재원 (한국교육과정평가원)

초록
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이 연구에서는 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 개념 이해 및 몰입, 상황 흥미를 촉진할 수 있는 학습 환경을 학생들의 자기조절 수준에 따라 탐색하였다. 서울시에 소재한 남녀공학 고등학교 1학년 95명이 연구에 참여하였다. 한 모둠에 마커와 스마트 기기를 각각 1개(1-1), 2개(2-2) 또는 4개(4-4)를 제공하는 세 가지 학습 환경을 구성하고, 학생들을 4인 1모둠으로 편성하여 각 학습 환경에 무선 배치하였다. 통합과학 교과의 화학 결합 개념에 대하여 증강현실을 활용한 소집단 학습을 2차시 동안 실시하였다. 이원 변량 분석 결과, 개념 이해도 검사에서는 4-4 학습 환경의 점수가 1-1 또는 2-2 학습 환경보다 유의미하게 높았으며, 자기조절 수준이 낮은 학생들이 학습 환경 변화의 영향을 받았다. 몰입감 검사에서는 4-4 학습 환경의 점수가 1-1 학습 환경보다 유의미하게 높았고, 자기조절 수준이 높은 학생들이 학습 환경 변화의 영향을 받았다. 상황 흥미 검사에서 4-4 및 2-2 학습 환경의 점수는 1-1 학습 환경보다 통계적으로 유의미하게 높았고, 학습 환경 변화는 자기조절 수준 높은 학생과 낮은 학생 모두에게 영향을 주었다. 연구 결과를 바탕으로 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 학생들의 개념 이해 및 몰입, 상황 흥미를 촉진할 수 있는 학습 환경에 대한 교육적 함의를 논의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study explored the learning environment for promoting conceptual understanding, immersion, and situational interest in small group learning using augmented reality, according to the level of students' self-regulation. 95 ninth-grade students from a coed high school in Seoul participated in this study. Students were divided into a group of four and each group was randomly assigned to three learning environments that provide one marker and one smart device(1-1), two markers and two smart devices(2-2), and four markers and four smart devices(4-4) for a group. Small group learning using augmented reality was conducted for two class periods about the chemical bonding concept from the Integrated Science subject. Two-way ANOVA results revealed that students in the 4-4 learning environment scored significantly higher than those in the 1-1 or 2-2 learning environment in a conception test. Changes in the learning environment have affected students with a low level of self-regulation. In an immersion test, students in the 4-4 learning environment scored significantly higher than those in the 1-1 learning environment, and changes in the learning environment have affected students with a high level of self-regulation. As a result of situational interest test, students in the 4-4 and 2-2 learning environments scored significantly higher than those in the 1-1 learning environment, and changes in the learning environment have affected students with a low and a high level of self-regulation. Based on the results, the educational implications of the learning environment for promoting conceptual understanding, immersion, and situational interest in small group learning using augmented reality are discussed.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Numbers of subjects in the three AR learning environment by the level of self-regulation
그림 Figure 1. Covalent bonding model of water molecule embodied in augmented reality application.
표 Table 2. Means and standard deviations of the conception test scores by the level of self-regulation
표 Table 3. The results of two-way ANOVA on the conception test scores
표 Table 4. Means and standard deviations of the immersion test scores by the level of the self-regulation
표 Table 5. The results of two-way ANOVA on the immersion test scores
표 Table 6. Means and standard deviations of the situational interest test scores by the level of the self-regulation
표 Table 7. The results of two-way ANOVA on the situational interest test scores

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구의 결과를 바탕으로 증강현실을 활용한 소집단학습의 효과를 높이기 위한 시사점을 제안할 수 있다. 먼저 증강현실을 활용한 교수·학습을 설계하는 교사는 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 마커나 스마트 기기와 같은 학습 도구나 자기조절과 같은 학습자 특성이 교수·학습 효과에 영향을 주는 요소임을 알고 있어야 한다.
이에 이 연구에서는 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 마커와 스마트 기기 수를 달리한 학습 환경의 변화에 따른 개념 이해 및 몰입, 상황 흥미를 정량적으로 조사하고, 이때 학생들의 자기조절 수준이 학습 환경 변화에 따른 교수·학습 효과에 주는 영향을 분석하고자 한다.

제안 방법

이때 모둠원 간의 상호작용 향상을 위해 과학 담당 교사의 협조를 구하여 각 모둠에 반편성 고사 성적을 기준으로 상위와 하위 학생 각각 1명, 중위 학생 2명을 포함한 이질 집단을 구성하였다.²⁴ 증강현실을 활용한 소집단 학습에 관한 선행연구^15-17의 학습 환경을 분석하여, 소집단에 제공하는 마커 세트와 스마트 기기 수를 달리한 3가지 학습 환경을 구성하였다. 즉, 한 모둠에 마커 세트 1개와 스마트 기기 1개만을 제공하는 학습환경(이하 1-1 학습 환경), 마커 세트 2개와 스마트 기기 2 개를 제공하여 모둠원들이 증강현실을 함께 사용하는 학습 환경(이하 2-2 학습 환경) 및 한 모둠에 마커 세트 4개와 스마트 기기 4개를 제공하여 모둠 내 모든 학생이 개별적으로 마커와 스마트 기기를 사용하면서 소집단 학습에 참여할 수 있는 학습 환경(이하 4-4 학습 환경)을 구성하였다.
2차시의 수업 처치는 증강현실을 활용한 소집단 학습의 효과를 높이기 위해 선행 연구^{26, 27} 결과를 바탕으로 증강현실에 대해 도전적인 탐색 경험과 교사와 학생 및 학생들 사이의 피드백이 포함되도록 구성하였다. 즉, 모둠 내 학생들이 원자 카드를 조합해 화학 결합을 만드는 탐색적 활동과 관찰한 가상 객체의 특징을 분석하는 활동을 협력적으로 수행하면서 모둠 내 학생들 사이에 학습 내용에 대한 피드백이 이루어지도록 교수·학습을 설계하였다.
Tan과 Treagust29가 개발한 CBDI(Chemical Bonding Diagnostic Instrument)와 화학 결합 모형 그리기^{30, 31}의 문항을 분석하여사후 검사에 사용할 개념 이해도 검사지의 초안을 개발하였다. CBDI는 화학 결합 및 격자, 분자간 힘, 흑연의 전기전도성을 주제로 2단계(two-tier) 객관식 9문항으로 구성되어 있는데, 이 중에서 2015 개정 과학과 교육과정의 통합과학 교과 내용에 부합하는 3개 문항만을 번안하여 사용하였다. 또한, 물질의 화학 결합을 나타내는 그림은 글로는 설명하기 어려운 화학 결합에 대한 학생들의 내적이미지(mental image)를 효과적으로 표현할 수 있는 장점이있으므로, ³² 화학 결합에 대한 학생의 이해 수준을 보다 심층적으로 조사하고자 CBDI 문항과 별도로 결합 모형그리기 문항을 포함하였다.
87이었다. Tan과 Treagust29가 개발한 CBDI(Chemical Bonding Diagnostic Instrument)와 화학 결합 모형 그리기^{30, 31}의 문항을 분석하여사후 검사에 사용할 개념 이해도 검사지의 초안을 개발하였다. CBDI는 화학 결합 및 격자, 분자간 힘, 흑연의 전기전도성을 주제로 2단계(two-tier) 객관식 9문항으로 구성되어 있는데, 이 중에서 2015 개정 과학과 교육과정의 통합과학 교과 내용에 부합하는 3개 문항만을 번안하여 사용하였다.
상황 흥미는 증강현실의 활용과 같이 구체적인 상황에 의해 유발되는 흥미를 의미하므로, 제시한 상황을 ‘증강현실을 활용한 소집단 학습’으로 정의한 후 검사지의 지문을 ‘나는 증강현실을 활용한 소집단 학습이 흥미로웠다.’와 같이 증강현실의 상황에 맞게 수정하여 사용하였다.³⁶ 몰입과 상황 흥미에 관한 검사는 모두 5단계 리커트 척도로 5점 만점으로 구성되어 있으며, 과학교육 전문가 1인으로부터 번역의 적절성을 점검받았다.
2-2 학습 환경은 1-1 및 4-4 학습 환경의 중간 형태로서, 4-4 학습 환경보다 더 활발한 상호작용이 이루어질 수 있고, 동시에 1-1 학습 환경보다는 학생들이 증강현실을 조작 및 탐색할 기회를 더 많이 제공한 환경으로 구성하였다. 각 학급에 3가지 학습 환경의 모둠이 고르게 분포되도록 무작위 배정을 하여 학급 분위기나 학급별 교수 효과에 의한 편향이 나타나지 않도록 하였다. 연구에 참여한 108명 중 사후 검사에 참여하지 않았거나 과반의 검사 문항에 무응답을 한 학생 13명을 제외한 총 95명의 응답을 분석하였다.
공유 결합을 주제로 한 2차시에서도 1차시와 유사한 방법으로 소집단 학습을 진행하였다. 학생들은 증강현실을 사용하여 각 원자 카드의 원자 모형을 관찰한 후, 염소 분자(Cl2)와 물 분자(H₂O)의 공유 결합 모형을 만들며 전자배치상의 특징을 토의한 후 정리하였고, 모둠원들이 서로 협력하여 산소(O)와 플루오린(F) 원자 마커를 사용하여 생성 가능한 모든 공유 결합 모형(산소(O₂), 플루오린(F2), 플루오린화 산소(OF₂))을 만들며 결합의 종류와 바깥 껍질의 전자 수 등을 토의하여 정리하는 형태의 수업을 진행하였다.
선정하였다. 국내 협동 학습 상황에서 일반적인 모둠 편성 방법²³을 고려하여 4인 1 모둠으로 총 27개의 모둠을 편성하였다. 이때 모둠원 간의 상호작용 향상을 위해 과학 담당 교사의 협조를 구하여 각 모둠에 반편성 고사 성적을 기준으로 상위와 하위 학생 각각 1명, 중위 학생 2명을 포함한 이질 집단을 구성하였다.
이온 결합을 주제로 한 1차시에서 학생들은 먼저 나트륨 (Na) 원자 카드와 염소(Cl) 원자 카드를 각각 이용해 증강현실로 원자 모형을 관찰하면서 이들이 안정한 18족 원소의 전자 배치를 가질 수 있는 방법에 대해 토의하였다. 담당 교사는 학생들이 토의한 내용을 정리한 후, 증강현실로 염화 나트륨(NaCl)의 이온 결합 모형을 만드는 방법을 시범으로 제시하였다. 학생들은 같은 방법으로 이를 재현하면서 염화 나트륨의 이온 결합 모형에서 관찰할 수 있는 특징을 토의하여 활동지에 정리하였다.
이에 이 연구에서는 고등학교 1학년을 대상으로 소집단에 제공하는 마커와 스마트 기기 수를 달리한 세 가지 학습 환경을 구성한 후, 증강현실을 활용한 소집단 학습을 실시하고 학습 환경의 차이에 따른 교수·학습 효과를 개념 이해도, 몰입, 상황 흥미 측면에서 정량적으로 분석하였다. 또한 학생들의 자기조절 수준에 따라 증강현실을 활용한 소집단 학습의 효과를 비교하였다.
그러나 만일 학생들이 산소(O) 마커 1개와 수소(H) 마커 1 개만을 인접시킨다면 공유 결합이 생성되지 않은 채 두 개의 원자 모형이 그대로 있는 모습을 관찰하게 된다. 또한 학생들이 물리적 마커인 원소 카드나 가상 객체인 원자 모형을 조작하며 다양한 이온 및 공유 결합 모형을 탐색하도록 화면상의 가상 객체는 손으로 늘려 확대시킬 수있을 뿐만 아니라 회전, 이동 등의 다양한 조작 및 탐색 활동이 가능하도록 하였다. 이상의 증강현실 어플리케이션은 증강현실 프로그래밍 전문가 1인의 자문을 받아 연구자가 직접 개발하였으며, 현직 과학 교사 3인을 대상으로 어플리케이션의 기술적 안정성 및 사용성에 대한 피드백을 받아 수정 및 보완하였다.
이때 정지된 상태의 원자핵에는 양성자 수가 적혀있고 각 껍질에 존재하는 전자들은 궤도를 따라 원운동을 한다. 또한, 학생들이 여러 원소들의 원자 모형이 동시에 나타나도록 한 상태에서 두 개 이상의 원소 마커들을 인접시키는 경우, 옥텟 규칙에 따라 이온 결합 화합물이나 분자의 형성이 가능한 조합의 경우에 한하여 이온 결합이나 공유결합이 형성되는 과정과 결합 모형이 나타나도록 하였다. 예를 들어, 나트륨(Na) 마커와 염소(Cl) 마커를 일정 거리 이상 떨어뜨려 놓으면, 각각의 원자 모형이 스마트 기기 화면상에 제시되지만, 두 마커를 인접시키면 나트륨의 가장 바깥 껍질 전자 1개가 염소 원자의 바깥 껍질로 이동하면서 염화 나트륨의 결합 모형이 스마트 기기 화면상에 가상 객체로 제시된다.
연구에 참여한 108명 중 사후 검사에 참여하지 않았거나 과반의 검사 문항에 무응답을 한 학생 13명을 제외한 총 95명의 응답을 분석하였다. 모든 연구 참여 학생들을 자기조절 검사 점수의 중앙값에 기초하여 자기조절 수준 상위 및 하위 학생으로 구분하였다(Table 1).
몰입 검사는 Jackson과 Marsh³³의 Flow State Scale 36문항 중에서 증강현실의 특성과 몰입의 구인별 핵심 개념을 명확히 포함하는 18문항으로 재구성하고 타당화 과정을 거친 Seo³⁴의 검사지를 사용하였다. 상황 흥미에 관한 검사는 Chen 등³⁵의 Situational Interest Scales 24 문항을 사용하였다.
변량 분석(two-way ANOVA)를 실시하였다. 변량 분석을 위한 기본 가정을 고려하기 위해 각 변인에 대해 정상성과 동변량성을 점검하였다. 증강현실 학습 환경을 독립변인, 자기조절 수준을 구획 변인으로 하고 학생들의 개념 이해, 몰입, 상황 흥미를 종속 변인으로 사용하였다.
수업 중 교사는 교실을 순회하며 증강현실 사용에 어려움을 겪는 학생들에게 일부 도움을 주었으며, 학생들 사이의 상호작용이 촉진되도록 학습 분위기를 조성하였다. 본 차시 수업 직후, 약 20분 동안 사후 검사로 화학 결합에 관한 개념 이해도 검사와 몰입, 상황 흥미에 관한 검사를 실시하였다.
이러한 점을 고려할 때, 추가적인 정성연구를 통해 각 학습 환경에서 교수·학습 활동에 대한 심층적인 분석이 수반되어야 학습 환경에 대한 장·단점을 보다 심도 있게 논의할 수 있을 것으로 여겨진다. 뿐만 아니라 증강현실을 활용한 교수·학습 환경에는 어플리케이션의 특징이나 마커 종류 등의 다양한 요소들도 영향을 줄 수 있지만, 이 연구에서는 이를 통제 변인으로 둠으로써 이러한 외적 학습환경 요소들이 미치는 효과는 분석하지 않았다. 현재 증강현실을 활용한 소집단 학습에 대한 연구는 아직 초기 단계로서 교수·학습의 효과에 영향을 줄 수 있는 인지 용량, 학업성취 수준 등의 변인에 대한 정량 연구나 학생들의 언어적 상호작용과 같은 정성연구는 매우 부족한 실정이다.
사후 검사로 증강현실에 대한 소집단 학습을 수행한 학생들의 몰입 및 상황 흥미를 측정하기 위해 검사지를 번안하였다. 몰입 검사는 Jackson과 Marsh³³의 Flow State Scale 36문항 중에서 증강현실의 특성과 몰입의 구인별 핵심 개념을 명확히 포함하는 18문항으로 재구성하고 타당화 과정을 거친 Seo³⁴의 검사지를 사용하였다.
초기 분석틀의 개발이 완료된 후, 2인의 연구자가 무작위로 추출된 20부의 검사지를 각자 분석하여 결과를 비교하였고, 분석 의견이 일치하지 않는 경우에는 논의를 통해 분석틀을 수정 및 보완하였다. 이 과정을 반복하여 분석자간 일치도가 .92에 도달한 후 1인의 연구자가 화학 결합개념 검사의 그리기 문항에 대한 학생 응답을 모두 분석하였다. 최종 분석 틀에서 구조와 배열 요소는 양이온이나 음이온, 분자를 이루는 원자의 개수와 이들의 연결 및 배열 순서를 평가하였으며, 전자 배치 요소는 옥텟 규칙의 만족 여부와 내부 전자껍질의 전자 수를 평가하였다.
이어서 학생들은 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 산소(O), 염소(Cl) 원자 마커들을 사용하여 만들 수 있는 모든 이온 결합 모형(염화 칼륨(KCl), 산화 칼륨(K₂O), 염화 마그네슘(MgCl₂), 산화 마그네슘(MgO)) 을 증강현실로 자유롭게 만들어보는 활동을 하였다. 이때 결합이 형성되는 경우에는 형성된 모형을 관찰하며 전자배치상의 특징이나 화학식을 토의하였고, 결합이 생성되지 않는다면 그 이유에 대해서 토의하였다. 이후 교사는 각 활동의 핵심 내용을 PPT로 정리하는 강의를 10분 정도 진행하였다.
국내 협동 학습 상황에서 일반적인 모둠 편성 방법²³을 고려하여 4인 1 모둠으로 총 27개의 모둠을 편성하였다. 이때 모둠원 간의 상호작용 향상을 위해 과학 담당 교사의 협조를 구하여 각 모둠에 반편성 고사 성적을 기준으로 상위와 하위 학생 각각 1명, 중위 학생 2명을 포함한 이질 집단을 구성하였다.²⁴ 증강현실을 활용한 소집단 학습에 관한 선행연구^15-17의 학습 환경을 분석하여, 소집단에 제공하는 마커 세트와 스마트 기기 수를 달리한 3가지 학습 환경을 구성하였다.
또한 학생들이 물리적 마커인 원소 카드나 가상 객체인 원자 모형을 조작하며 다양한 이온 및 공유 결합 모형을 탐색하도록 화면상의 가상 객체는 손으로 늘려 확대시킬 수있을 뿐만 아니라 회전, 이동 등의 다양한 조작 및 탐색 활동이 가능하도록 하였다. 이상의 증강현실 어플리케이션은 증강현실 프로그래밍 전문가 1인의 자문을 받아 연구자가 직접 개발하였으며, 현직 과학 교사 3인을 대상으로 어플리케이션의 기술적 안정성 및 사용성에 대한 피드백을 받아 수정 및 보완하였다.
2%로 낮아 개념이해도 검사에서 배제하였고, 공유 결합 그리기 문항의 정답률은 약 30% 정도로 낮아 학생들에게 다소 어려웠던 것으로 나타났다. 이에 난이도를 조절하기 위해 정해진 원소로 만들 수 있는 특정 분자의 공유 결합 모형을 그리도록 문항을 수정하였다. 예를 들어, 질소에 해당하는 X 원자와 수소에 해당하는 Y 원자로 만들 수 있는 X₂와 XY3 분자의 공유 결합 모형을 그리도록 하였다.
미칠 수 있다. 이에 이 연구에서는 고등학교 1학년을 대상으로 소집단에 제공하는 마커와 스마트 기기 수를 달리한 세 가지 학습 환경을 구성한 후, 증강현실을 활용한 소집단 학습을 실시하고 학습 환경의 차이에 따른 교수·학습 효과를 개념 이해도, 몰입, 상황 흥미 측면에서 정량적으로 분석하였다. 또한 학생들의 자기조절 수준에 따라 증강현실을 활용한 소집단 학습의 효과를 비교하였다.
즉, 모둠 내 학생들이 원자 카드를 조합해 화학 결합을 만드는 탐색적 활동과 관찰한 가상 객체의 특징을 분석하는 활동을 협력적으로 수행하면서 모둠 내 학생들 사이에 학습 내용에 대한 피드백이 이루어지도록 교수·학습을 설계하였다. 이온 결합을 주제로 한 1차시에서 학생들은 먼저 나트륨 (Na) 원자 카드와 염소(Cl) 원자 카드를 각각 이용해 증강현실로 원자 모형을 관찰하면서 이들이 안정한 18족 원소의 전자 배치를 가질 수 있는 방법에 대해 토의하였다. 담당 교사는 학생들이 토의한 내용을 정리한 후, 증강현실로 염화 나트륨(NaCl)의 이온 결합 모형을 만드는 방법을 시범으로 제시하였다.
이때 결합이 형성되는 경우에는 형성된 모형을 관찰하며 전자배치상의 특징이나 화학식을 토의하였고, 결합이 생성되지 않는다면 그 이유에 대해서 토의하였다. 이후 교사는 각 활동의 핵심 내용을 PPT로 정리하는 강의를 10분 정도 진행하였다.
실시하였다. 이후 통합과학의 ‘물질의 규칙성과 결합’ 단원에서 원소의 주기성을 주제로 1차시 동안 학생들이 증강현실에 익숙해지도록 하기 위한 오리엔테이션과 연습 수업을 진행하였고, 이어서 이온 결합과 공유 결합을 주제로 각각 1차시씩 총 2차시 동안 수업 처치를 진행하였다. 모든 수업은 경력 10년의 과학 담당 교사 1인이 운영하였다.
최종 분석 틀에서 구조와 배열 요소는 양이온이나 음이온, 분자를 이루는 원자의 개수와 이들의 연결 및 배열 순서를 평가하였으며, 전자 배치 요소는 옥텟 규칙의 만족 여부와 내부 전자껍질의 전자 수를 평가하였다. 전자 이동 또는 공유 요소는 화학 결합의 종류에 따라 달리 채점하였는데, 이온 결합 화합물의 경우에는 금속 원자에서 비금속 원자로의 전자 이동, 이온 전하, 전기적 중성의 만족을 평가하였고 공유 결합 화합물에 대해서는 전자껍질의 겹침과 공유 전자 수를 평가하였다.
사이의 피드백이 포함되도록 구성하였다. 즉, 모둠 내 학생들이 원자 카드를 조합해 화학 결합을 만드는 탐색적 활동과 관찰한 가상 객체의 특징을 분석하는 활동을 협력적으로 수행하면서 모둠 내 학생들 사이에 학습 내용에 대한 피드백이 이루어지도록 교수·학습을 설계하였다. 이온 결합을 주제로 한 1차시에서 학생들은 먼저 나트륨 (Na) 원자 카드와 염소(Cl) 원자 카드를 각각 이용해 증강현실로 원자 모형을 관찰하면서 이들이 안정한 18족 원소의 전자 배치를 가질 수 있는 방법에 대해 토의하였다.
증강현실에서 카메라의 인식 대상이 되는 물리적 마커는 다양한 원소 카드이고, 화면상에 증강되는 가상 객체는 원자 모형이다. 즉, 학생들이 증강현실 어플리케이션을 실행한 후 스마트 기기의 카메라로 원소 카드를 비추면 스마트 기기의 화면에 해당 원소의 보어 원자 모형이 증강되어 나타나도록 하였다. 이때 정지된 상태의 원자핵에는 양성자 수가 적혀있고 각 껍질에 존재하는 전자들은 궤도를 따라 원운동을 한다.
²⁴ 증강현실을 활용한 소집단 학습에 관한 선행연구^15-17의 학습 환경을 분석하여, 소집단에 제공하는 마커 세트와 스마트 기기 수를 달리한 3가지 학습 환경을 구성하였다. 즉, 한 모둠에 마커 세트 1개와 스마트 기기 1개만을 제공하는 학습환경(이하 1-1 학습 환경), 마커 세트 2개와 스마트 기기 2 개를 제공하여 모둠원들이 증강현실을 함께 사용하는 학습 환경(이하 2-2 학습 환경) 및 한 모둠에 마커 세트 4개와 스마트 기기 4개를 제공하여 모둠 내 모든 학생이 개별적으로 마커와 스마트 기기를 사용하면서 소집단 학습에 참여할 수 있는 학습 환경(이하 4-4 학습 환경)을 구성하였다. 이때 1-1 학습 환경은 모둠원들이 증강현실을 함께 사용하므로 가상 객체에 대한 이해에서부터 제시된 과제의 해결 방법, 모둠별 활동지 작성에 이르기까지 학습 과정 전반에 걸쳐 활발한 논의와 학생 사이의 상호작용이 촉진될 것이다.
변량 분석을 위한 기본 가정을 고려하기 위해 각 변인에 대해 정상성과 동변량성을 점검하였다. 증강현실 학습 환경을 독립변인, 자기조절 수준을 구획 변인으로 하고 학생들의 개념 이해, 몰입, 상황 흥미를 종속 변인으로 사용하였다. 분산 분석 결과 학습 환경 사이에 유의미한 차이가 나타난 경우에는 LSD(Least Significant Difference)를 이용하여 사후 검정을 실시하였다.
제작하였다. 초기 분석틀의 개발이 완료된 후, 2인의 연구자가 무작위로 추출된 20부의 검사지를 각자 분석하여 결과를 비교하였고, 분석 의견이 일치하지 않는 경우에는 논의를 통해 분석틀을 수정 및 보완하였다. 이 과정을 반복하여 분석자간 일치도가 .
92에 도달한 후 1인의 연구자가 화학 결합개념 검사의 그리기 문항에 대한 학생 응답을 모두 분석하였다. 최종 분석 틀에서 구조와 배열 요소는 양이온이나 음이온, 분자를 이루는 원자의 개수와 이들의 연결 및 배열 순서를 평가하였으며, 전자 배치 요소는 옥텟 규칙의 만족 여부와 내부 전자껍질의 전자 수를 평가하였다. 전자 이동 또는 공유 요소는 화학 결합의 종류에 따라 달리 채점하였는데, 이온 결합 화합물의 경우에는 금속 원자에서 비금속 원자로의 전자 이동, 이온 전하, 전기적 중성의 만족을 평가하였고 공유 결합 화합물에 대해서는 전자껍질의 겹침과 공유 전자 수를 평가하였다.
예를 들어, 질소에 해당하는 X 원자와 수소에 해당하는 Y 원자로 만들 수 있는 X₂와 XY3 분자의 공유 결합 모형을 그리도록 하였다. 최종적으로 이 연구에서 개발한 개념 이해도 검사는 화학 결합에 대한 2단계 객관식 2문항, 화학 결합 모형 그리기 2문항 의총 4문항으로 구성하였다. 개발된 검사지는 과학교육 전문가 2인, 중등과학 교사 3인, 과학교육전공 대학원생이 참여한 수차례의 세미나를 통해 내용 타당도를 검증하였고, 신뢰도 계수(Cronbach’s α)는 .
원소들의 주기성에 대해 수업하였다. 학생들은 물리적 마커인 원자 카드를 스마트 기기로 비추어 가상 객체인 원자 모형을 관찰하고 전자 배치상의 특징을 정리하는 방식으로 소집단 학습을 하였다.
소집단 학습을 진행하였다. 학생들은 증강현실을 사용하여 각 원자 카드의 원자 모형을 관찰한 후, 염소 분자(Cl2)와 물 분자(H₂O)의 공유 결합 모형을 만들며 전자배치상의 특징을 토의한 후 정리하였고, 모둠원들이 서로 협력하여 산소(O)와 플루오린(F) 원자 마커를 사용하여 생성 가능한 모든 공유 결합 모형(산소(O₂), 플루오린(F2), 플루오린화 산소(OF₂))을 만들며 결합의 종류와 바깥 껍질의 전자 수 등을 토의하여 정리하는 형태의 수업을 진행하였다. 수업 중 교사는 교실을 순회하며 증강현실 사용에 어려움을 겪는 학생들에게 일부 도움을 주었으며, 학생들 사이의 상호작용이 촉진되도록 학습 분위기를 조성하였다.
화학 결합에 대한 개념 이해도 검사 중 화학 결합 그리기 문항을 채점하기 위해 무작위로 10부의 검사지를 추출한 후, 구조와 배열, 전자 배치, 전자 이동 또는 공유의 세가지 하위 요소를 중심으로 초기 분석틀을 제작하였다. 초기 분석틀의 개발이 완료된 후, 2인의 연구자가 무작위로 추출된 20부의 검사지를 각자 분석하여 결과를 비교하였고, 분석 의견이 일치하지 않는 경우에는 논의를 통해 분석틀을 수정 및 보완하였다.

대상 데이터

서울시에 소재한 1개 남녀공학 고등학교의 1학년에서 연구 참여에 자발적으로 동의한 5개 학급의 재학생 108명을 무작위로 선정하였다. 국내 협동 학습 상황에서 일반적인 모둠 편성 방법²³을 고려하여 4인 1 모둠으로 총 27개의 모둠을 편성하였다.
각 학급에 3가지 학습 환경의 모둠이 고르게 분포되도록 무작위 배정을 하여 학급 분위기나 학급별 교수 효과에 의한 편향이 나타나지 않도록 하였다. 연구에 참여한 108명 중 사후 검사에 참여하지 않았거나 과반의 검사 문항에 무응답을 한 학생 13명을 제외한 총 95명의 응답을 분석하였다. 모든 연구 참여 학생들을 자기조절 검사 점수의 중앙값에 기초하여 자기조절 수준 상위 및 하위 학생으로 구분하였다(Table 1).
이 연구에서 개발한 개념 이해도 검사지 초안의 난이도와 타당도, 어휘의 적절성 등을 종합적으로 점검하기 위해 연구 참여 학교가 아닌 고등학교 1학년 학생 38명(남: 25 명, 여: 13명)을 대상으로 예비 검사를 수행하였다. 이들은 화학 결합에 대해 학습을 한 상태였으며, 검사는 약 10분 정도의 시간이 소요되었다.

데이터처리

증강현실 학습 환경을 독립변인, 자기조절 수준을 구획 변인으로 하고 학생들의 개념 이해, 몰입, 상황 흥미를 종속 변인으로 사용하였다. 분산 분석 결과 학습 환경 사이에 유의미한 차이가 나타난 경우에는 LSD(Least Significant Difference)를 이용하여 사후 검정을 실시하였다. 이와 더불어 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 자기조절 수준에 따른 학습 환경별 개념이해, 몰입, 상황 흥미의 차이를 분석하기 위해 이원 분산 내재 설계(two-way nested design)에 따른 통계적 검증을 실시하였다.
분산 분석 결과 학습 환경 사이에 유의미한 차이가 나타난 경우에는 LSD(Least Significant Difference)를 이용하여 사후 검정을 실시하였다. 이와 더불어 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 자기조절 수준에 따른 학습 환경별 개념이해, 몰입, 상황 흥미의 차이를 분석하기 위해 이원 분산 내재 설계(two-way nested design)에 따른 통계적 검증을 실시하였다.내재 설계는 자기조절 수준과 종속 변인 사이에 상호작용은 고려하지 않고 상위 또는 하위 수준에서 세 가지 학습 환경을 비교하는 통계적 방법이다.
증강현실을 활용한 소집단 학습에서 마커와 스마트 기기 수를 달리한 학습 환경에 따른 소집단 학습 효과를 비교하고, 수업 처치와 학습자의 자기조절 수준 사이의 상호작용 효과를 조사하기 위하여 2×3 요인 방안에 의한 이원 변량 분석(two-way ANOVA)를 실시하였다. 변량 분석을 위한 기본 가정을 고려하기 위해 각 변인에 대해 정상성과 동변량성을 점검하였다.

이론/모형

사전 검사로 실시한 학습에 대한 자기조절 검사는 Pintrich 등²⁸이 개발한 MSLQ(Motivated Strategies for Learning Questionnaire) 중 자기조절에 대한 9문항을 번안하여 사용하였다. 이 검사는 5단계 리 커트 척도로 구성되어 있으며, 이연구에서 신뢰도 계수(Cronbach’s α)는 .
몰입 검사는 Jackson과 Marsh³³의 Flow State Scale 36문항 중에서 증강현실의 특성과 몰입의 구인별 핵심 개념을 명확히 포함하는 18문항으로 재구성하고 타당화 과정을 거친 Seo³⁴의 검사지를 사용하였다. 상황 흥미에 관한 검사는 Chen 등³⁵의 Situational Interest Scales 24 문항을 사용하였다. 상황 흥미는 증강현실의 활용과 같이 구체적인 상황에 의해 유발되는 흥미를 의미하므로, 제시한 상황을 ‘증강현실을 활용한 소집단 학습’으로 정의한 후 검사지의 지문을 ‘나는 증강현실을 활용한 소집단 학습이 흥미로웠다.
이 연구에서 사용한 증강현실 어플리케이션은 Unity 2.1을 기반으로 하는 AR/VR 콘텐츠 개발 플랫폼인 Vuforia SDK (software development kit) 소프트웨어를 사용하여 개발하였고, 가상 객체의 모델링은 3ds Max 2017 프로그램을 사용하였다. 목표 개념은 고등학교 1학년 통합과학의 ‘물질의 규칙성과 결합’ 단원 내 이온 결합과 공유 결합으로 정하였다.

성능/효과

그리고 자기조절 수준이 높은 학생들의 경우 증강현실을 개별적으로 사용하는 환경에서 증강현실이 제공하는 교수·학습 콘텐츠에 더욱 몰입하는 것으로 나타났는데, 증강현실을 사용하는 학습자의 몰입감은 학업 성취도에도 직접적인 영향을 줄 수 있다.³⁴ 따라서 이상의 결과를 종합적으로 고려하면, 증강현실을 활용한 소집단 학습에서는 소집단 내 학습자가 직접 증강현실을 조작 및 탐색하는 참여 기회를 확대하는 것이 자기조절 수준과 학습자 특성을 고려한 바람직한 방향이라고 판단할 수 있다.
최종적으로 이 연구에서 개발한 개념 이해도 검사는 화학 결합에 대한 2단계 객관식 2문항, 화학 결합 모형 그리기 2문항 의총 4문항으로 구성하였다. 개발된 검사지는 과학교육 전문가 2인, 중등과학 교사 3인, 과학교육전공 대학원생이 참여한 수차례의 세미나를 통해 내용 타당도를 검증하였고, 신뢰도 계수(Cronbach’s α)는 .71이었다.
다음으로 자기조절 수준에 따른 개념 이해도를 분석한 결과, 주 효과에서는 통계적으로 유의미한 차이(p=.000) 가 나타났지만, 학습 환경과 자기조절 수준 사이의 상호작용은 유의미하지 않았다. 이는 학습 환경과 무관하게 자기조절 수준이 높은 학생은 낮은 학생에 비해 개념 이해도가 유의미하게 높았음을 의미한다.
다음으로 자기조절 수준에 따른 몰입감을 분석한 결과 통계적으로 유의미한 차이(p=.003)가 있었으며, 학습 환경과 자기조절 수준 사이의 상호작용 효과는 유의미하지 않았다. 이는 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 자기조절 수준이 높은 학생은 낮은 학생에 비해 더욱 높은 몰입감을 느꼈다는 것을 의미한다.
또한 교육적 맥락에서 증강현실은 학생 중심의 능동적 학습을 촉진하기 때문에 학습에 대한 자기조절 능력은 증강현실을 협력적으로 사용하는 환경에서 중요한 학습자 특성으로 작용할 수 있으며, 실제로 자기조절 수준이 높은 학생은 낮은 학생보다 학습 개념을 잘 이해하였고 학습에 더 몰입하였으며 높은 수준의 상황 흥미를 느끼는 경향이 있었다. 이때 자기조절 수준이 다른 학생들이 학습 환경 변화에 영향을 받는 특징이 종속 변인에 따라 다르게 나타났다는 점은 주목할 만하다.
이상의 결과를 요약하면, 4-4 학습 환경은 1-1 학습 환경보다 개념 이해와 몰입, 상황 흥미 촉진에 효과적이었다. 또한, 4-4 학습 환경과 같이 직접 증강현실을 조작 및 탐색하는 기회를 높여주는 것은 자기조절 수준이 낮은 학습자들에게는 개념 이해와 상황 흥미의 향상에 효과적이며, 자기조절 수준이 높은 학생들에게는 몰입과 상황 흥미의 향상에 효과적이었다.
분석 결과를 Table 3에 제시하였다. 분석 결과, 4-4 학습 환경의 평균 점수(61.13)가 1-1 학습 환경(42.21) 및 2-2 학습 환경(45.74)의 평균 점수보다 높았으며, 이원 변량 분석 결과 이 차이는 유의미한 것으로 나타났다(p=.021). 따라서 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 마커 세트 및 스마트 기기 수를 달리한 학습 환경은 학생들의 개념 이해에 영향을 준다고 할 수 있다.
분석 결과, 몰입감과 유사하게 상황 흥미에서도 1-1 학습 환경에서 2-2, 4-4 학습 환경으로 갈수록 학생들의 상황 흥미가 점점 증가하는 경향이 있었다. 또한 학습 환경에 따라 학생이 느끼는 상황 흥미는 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다(p=.
000). 사후 검정(LSD) 결과, 4-4 학습 환경의 상황 흥미가 1-1 학습 환경에 비해 유의미하게 높았으며(p=.000), 2-2 학습 환경의 상황 흥미는 1-1 학습환경과 유의미한 차이가 있었다(p=.006). 즉, 증강현실을 사용한 소집단 학습에서 모둠 내 모든 학생이 각자 마커와 스마트 기기를 사용할 수 있는 4-4 학습 환경은 모둠에 마커와 스마트 기기를 1개만 제공하는 1-1 학습 환경보다 상황 흥미가 높았고, 모둠에 마커와 스마트 기기 2개를 제공하는 2-2 학습 환경 또한 1-1 학습 환경보다 상황 흥미가 높았다.
연구 결과, 개념 이해 측면에서는 모둠 내 모든 학생이 개별적으로 마커와 스마트 기기를 사용하면서 소집단 학습에 참여한 4-4 학습 환경이 모둠에 마커와 스마트 기기를 각각 1개씩 또는 2개씩 제공하는 1-1 또는 2-2 학습 환경보다 개념 이해에 더 효과적이었다. 이때 자기조절 수준이 높은 학생은 낮은 학생에 비해 목표 개념에 대한 이해도가 높았으며, 자기조절 수준이 낮은 학생들의 경우 학습 환경의 변화에 영향을 받아 목표 개념을 이해하는 정도에 차이가 있었다.
이들은 화학 결합에 대해 학습을 한 상태였으며, 검사는 약 10분 정도의 시간이 소요되었다. 예비 연구 결과, 물질의 분류개념이 포함된 객관식 문항은 정답률이 5.2%로 낮아 개념이해도 검사에서 배제하였고, 공유 결합 그리기 문항의 정답률은 약 30% 정도로 낮아 학생들에게 다소 어려웠던 것으로 나타났다. 이에 난이도를 조절하기 위해 정해진 원소로 만들 수 있는 특정 분자의 공유 결합 모형을 그리도록 문항을 수정하였다.
개념 이해에 더 효과적이었다. 이때 자기조절 수준이 높은 학생은 낮은 학생에 비해 목표 개념에 대한 이해도가 높았으며, 자기조절 수준이 낮은 학생들의 경우 학습 환경의 변화에 영향을 받아 목표 개념을 이해하는 정도에 차이가 있었다. 몰입 측면에서도 4-4 학습 환경의 학생들이 1-1 학습 환경의 학생들보다 몰입하여 소집단 학습에 참여하였으며, 자기조절 수준이 높은 학생의 경우에는 학습 환경 변화에 따라 느끼는 몰입감이 달라지는 경향이 있었다.
이때, 자기조절 수준이 높은 학생과 낮은 학생 모두 학습 환경의 변화에 따라 느끼는 상황 흥미에 차이가 있었다. 이상의 결과를 요약하면, 4-4 학습 환경은 1-1 학습 환경보다 개념 이해와 몰입, 상황 흥미 촉진에 효과적이었다. 또한, 4-4 학습 환경과 같이 직접 증강현실을 조작 및 탐색하는 기회를 높여주는 것은 자기조절 수준이 낮은 학습자들에게는 개념 이해와 상황 흥미의 향상에 효과적이며, 자기조절 수준이 높은 학생들에게는 몰입과 상황 흥미의 향상에 효과적이었다.
04)의 점수에 비해 유의미하게 높았다. 즉, 모든 학생이 각자 마커 세트와 스마트 기기를 가지고 참여하는 학습 환경이 마커 세트와 스마트 기기를 각각 1개씩 또는 2개씩 제공하고 함께 사용하도록 한 환경에 비해 화학 개념 학습에 효과적인 것으로 나타났다.
001). 즉, 이 연구에서 마커 및 스마트 기기의 수를 달리하여 제시한 소집단 학습 환경은 학생들의 몰입감에 영향을 주었으며, 4-4 학습 환경과 같이 마커와 스마트 기기를 학생들이 개별적으로 사용한 집단은 1-1 학습 환경과 같이 마커와 스마트 기기를 1개씩을 공유하여 사용한 집단에 비해 증강현실을 활용한 소집단 학습을 보다 몰입하여 수행한 것으로 볼 수 있다.
026) 모두 학습 환경에 따른 유의미한 즉 차이가 있었다. 즉, 자기조절 수준이 높거나 낮은 학생 모두 각 소집단에 제공된 마커와 스마트 기기의 수가 증가할수록 더 높은 상황 흥미를 느끼는 것으로 나타났다. 따라서 증강현실을 활용한 교수·학습을 설계할 때 가능한 소집단 내의 모든 학생이 증강현실을 사용하도록 접근성을 증대시키는 것이 바람직할 것이다.
006). 즉, 증강현실을 사용한 소집단 학습에서 모둠 내 모든 학생이 각자 마커와 스마트 기기를 사용할 수 있는 4-4 학습 환경은 모둠에 마커와 스마트 기기를 1개만 제공하는 1-1 학습 환경보다 상황 흥미가 높았고, 모둠에 마커와 스마트 기기 2개를 제공하는 2-2 학습 환경 또한 1-1 학습 환경보다 상황 흥미가 높았다.
081). 즉, 학습에 대한 자기조절 수준이 낮은 학생은 마커나 스마트 기기 수가 달라져도 몰입에 영향을 받지 않지만, 자기조절 수준이높은 학생은 마커나 스마트 기기 수와 같은 학습 환경에 큰 영향을 받은 것으로 나타났다.
학습에 대한 자기조절 수준에 따른 상황 흥미는 통계적으로 유의미한 차이가 있었으며(p=.008), 학습 환경과 자기조절 수준 사이의 상호작용 효과는 유의미하지 않았다. 이는 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 자기조절 수준이 높은 학생은 낮은 학생에 비해 높은 상황 흥미를 느꼈음을 의미한다.

후속연구

현재 증강현실을 활용한 소집단 학습에 대한 연구는 아직 초기 단계로서 교수·학습의 효과에 영향을 줄 수 있는 인지 용량, 학업성취 수준 등의 변인에 대한 정량 연구나 학생들의 언어적 상호작용과 같은 정성연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서 앞으로 이러한 연구들이 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
하지만 학생들이 각자 증강현실을 개별적으로 관찰하고 끝내는 수준에만 머물 경우 이 과정에서 발생할 수 있는 오개념이나 어려움 등에 관하여 도움을 받기 어려울 수 있다. 따라서 이때 교사가 학생들이 협력적으로 수행해야 하는 도전적인 학습 과제를 함께 제공하거나, 증강현실을 활용한 활동 이후 학생들이 각자 관찰한 가상 객체나 목표 개념 등에 대하여 토의하는 활동을 도입한다면 더욱 효과적일 것이다. 또한 증강현실 콘텐츠를 포함하는 디지털 교과서나 교사용 지도서에서는 증강현실 콘텐츠의 사용 방법뿐만 아니라, 증강현실을 사용하여 소집단 학습을 진행할 때의 바람직한 학습 환경이나 교수·학습 방법에 대한 실증적 정보들도 함께 알려줄 필요가 있을 것이다.
반면, 자기조절 수준이 낮은 학생들은 마커나 스마트 기기를 자신의 수준과 요구에 맞게 사용할 수 있는 4-4 학습 환경에서도 자기조절 수준이 높은 학생에 비해 몰입감의 증가폭이 낮았다고 할 수 있다. 따라서 이러한 결과가 나타난 것에 대한 원인을 분석하고, 자기조절 수준이 낮은 학생들의 몰입을 촉진할 수 있는 방안을 탐색할 필요성이 있을 것이다.
하지만 자기조절 능력은 소집단 학습에서 구성원들 사이의 관계 맺기, 공동의 의사 결정 등을 포함한 사회적 상호작용과도 밀접한 관련이 있므로, ²² 마커와 스마트 기기 수에 따른 학습 환경의 차이는 자기조절 수준이 다른 학생들에게서로 다른 영향을 미칠 수 있다. 따라서 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 학습 환경별 교수·학습 효과를 학생의 자기조절 수준에 따라 조사하면 각 학습 환경별 특징을 이해하고 최적의 학습 환경을 탐색하는데 도움이 될 것이다.
이 연구에서는 증강현실을 활용한 집단 사이의 효과를 비교하는 데 적합한 종속 변인을 우선적으로 선정하였기 때문에 통제집단을 두지 않았다는 점에서 해석에 주의를 기울일 필요가 있다. 즉, 이 연구에서 4-4 학습 환경이 1-1 및 2-2 학습 환경에 비해 증강현실을 활용한 소집단 학습에 더욱 적합한 것으로 나타났으나, 1-1 및 2-2 학습 환경도 통제집단에 비해서는 장점을 가질 수 있음을 유의해야 한다.
또한, 이 연구에서는 세 가지 학습 환경에 따른 교수·학습의 효과를 정량적으로 분석하였으므로, 실제로 각 학습 환경에서 나타나는 학생들의 역할이나 상호작용의 특징은 연구자가 예상한 것과 다르게 나타날 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 추가적인 정성연구를 통해 각 학습 환경에서 교수·학습 활동에 대한 심층적인 분석이 수반되어야 학습 환경에 대한 장·단점을 보다 심도 있게 논의할 수 있을 것으로 여겨진다. 뿐만 아니라 증강현실을 활용한 교수·학습 환경에는 어플리케이션의 특징이나 마커 종류 등의 다양한 요소들도 영향을 줄 수 있지만, 이 연구에서는 이를 통제 변인으로 둠으로써 이러한 외적 학습환경 요소들이 미치는 효과는 분석하지 않았다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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