물질의 입자성 개념에서 증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략의 개발과 적용 Development and Application of the Multiple Representation-Based Learning Strategies Using Augmented Reality on the Concept of the Particulate Nature of Matter원문보기
이 연구에서는 증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략이 학생들의 개념 이해도, 학업 성취도, 과학 수업에 대한 즐거움에 미치는 영향을 조사하였다. 남녀 공학 중학교 2학년 학생 136명을 처치 집단과 통제집단으로 무선 배치하였다. 학생들은 네 차시 동안 물질의 특성과 관련한 입자 개념을 학습하였다. 이때 처치 집단의 학생들에게는 증강현실이 제공하는 표상들 사이의 연계와 통합을 촉진할 수 있는 다중 표상 학습 전략을 개발하여 적용하였다. 이원 공변량 분석 결과, 개념 이해도, 과학 수업에 대한 즐거움 검사에 대한 처치 집단의 점수는 학생들의 사전 성취 수준과 무관하게 통제 집단보다 유의미하게 높았다. 개념 이해도 검사의 하위 개념 중 입자의 보존에 대해서는 유의미한 차이가 나타났으나, 분포 및 운동에 대해서는 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 학업 성취도 측면에서는 사전 성취 수준과 유의미한 상호작용 효과가 나타났다. 이때 하위권 학생들의 성취도는 유의미하게 향상되었으나 상위권 학생들에게는 유의미한 효과가 나타나지 않았다. 연구 결과를 바탕으로 과학 교수학습에서 증강현실의 효과적인 활용을 위한 교육적 시사점을 논의하였다.
이 연구에서는 증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략이 학생들의 개념 이해도, 학업 성취도, 과학 수업에 대한 즐거움에 미치는 영향을 조사하였다. 남녀 공학 중학교 2학년 학생 136명을 처치 집단과 통제집단으로 무선 배치하였다. 학생들은 네 차시 동안 물질의 특성과 관련한 입자 개념을 학습하였다. 이때 처치 집단의 학생들에게는 증강현실이 제공하는 표상들 사이의 연계와 통합을 촉진할 수 있는 다중 표상 학습 전략을 개발하여 적용하였다. 이원 공변량 분석 결과, 개념 이해도, 과학 수업에 대한 즐거움 검사에 대한 처치 집단의 점수는 학생들의 사전 성취 수준과 무관하게 통제 집단보다 유의미하게 높았다. 개념 이해도 검사의 하위 개념 중 입자의 보존에 대해서는 유의미한 차이가 나타났으나, 분포 및 운동에 대해서는 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 학업 성취도 측면에서는 사전 성취 수준과 유의미한 상호작용 효과가 나타났다. 이때 하위권 학생들의 성취도는 유의미하게 향상되었으나 상위권 학생들에게는 유의미한 효과가 나타나지 않았다. 연구 결과를 바탕으로 과학 교수학습에서 증강현실의 효과적인 활용을 위한 교육적 시사점을 논의하였다.
In this study, we investigated the effects of the multiple representation-based learning strategies using augmented reality in terms of students' conceptual understanding, achievement, and enjoyment of science lessons. 136 8th-grade students in a coed middle school were randomly assigned to the trea...
In this study, we investigated the effects of the multiple representation-based learning strategies using augmented reality in terms of students' conceptual understanding, achievement, and enjoyment of science lessons. 136 8th-grade students in a coed middle school were randomly assigned to the treatment and the control group. The students learned the concept of the particulate nature of matter related to the properties of substances for four class periods. The multiple representation-based learning strategies designed to facilitate the connecting and integrating representations provided from augmented reality were developed and administered to the students of the treatment group. Results of two-way ANCOVA revealed that the scores of a conceptions test and enjoyment of science lessons test of the treatment group were significantly higher than those of the control group, regardless of their prior science achievement. In a conceptions test, there was a significant difference in the concept of preservation of particles. However, the difference was not statistically significant in the concept of distribution and motion of particles. In terms of an achievement test, there was a significant interaction effect by their prior science achievement. The scores of low-level students were significantly improved, but the effects were not significant to high-level students. On the bases of the results, educational implications for effective teaching and learning using augmented reality are discussed.
In this study, we investigated the effects of the multiple representation-based learning strategies using augmented reality in terms of students' conceptual understanding, achievement, and enjoyment of science lessons. 136 8th-grade students in a coed middle school were randomly assigned to the treatment and the control group. The students learned the concept of the particulate nature of matter related to the properties of substances for four class periods. The multiple representation-based learning strategies designed to facilitate the connecting and integrating representations provided from augmented reality were developed and administered to the students of the treatment group. Results of two-way ANCOVA revealed that the scores of a conceptions test and enjoyment of science lessons test of the treatment group were significantly higher than those of the control group, regardless of their prior science achievement. In a conceptions test, there was a significant difference in the concept of preservation of particles. However, the difference was not statistically significant in the concept of distribution and motion of particles. In terms of an achievement test, there was a significant interaction effect by their prior science achievement. The scores of low-level students were significantly improved, but the effects were not significant to high-level students. On the bases of the results, educational implications for effective teaching and learning using augmented reality are discussed.
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문제 정의
이후 학생들은 증강현실을 활용하여 제시된 실험 사진 위에 증강되어 나타나는 입자를 관찰하며, 물과 포도당 입자의 개수, 분포, 움직이는 방향, 상대적인 빠르기 등을 활동지에 제시된 표에 기록하였다. 또한, 포도당이 용해되기 전 물속에 가라앉아 있는 상황과 완전히 용해되고 난 후의 상황을 입자 그림으로 묘사하는 활동을 하였다. 이후 학생들은 거시적 수준의 현상과 증강현실을 통해 관찰한 미시적 입자 수준의 현상 사이의 관계를 서로 연결 짓는 활동을 하였다.
또한, 다중 표상 학습에서 외적 표상 간의 연계와 통합을 촉진하는 방안으로 이루어지는 글쓰기 활동은 학생들이 재미있게 수업에 참여할 수 있는 환경을 조성하여 인지적 측면과 아울러 정의적 측면에서도 긍정적인 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다(Kang, 2006). 이 연구에서는 증강현실을 활용한 활동을 하였을 뿐 아니라 거시적 수준의 표상과 미시적 수준의 표상을 서로 연결지어 통합적으로 탐색하도록 하였는데, 이러한 활동이 복합적으로 작용하여 학생들의 과학 성취 수준과 관계없이 수업에 대한 즐거움을 향상하는 데 도움을 준것으로 볼 수 있다.
예를 들어, 증강현실의 물리적 마커가 그 자체로는 유의미한 정보를 전달하지 않고 가상객체를 불러오는 역할만을 담당하는 경우에는 현실 세계와 가상객체의 자연스러운 혼합이라는 증강현실의 매체적 장점(Kye, Kim, & Ryu, 2007)이 제한될 수 있다. 이에 이 연구에서는 다중 표상 학습 이론을 적용하여 증강현실의 물리적 마커가 눈으로 관찰할 수 있는 실험 상황에 관한 거시적 표상을 제공하고, 가상객체가 물질의 입자성에 관한 미시적 표상을 제공함으로써 서로 다른 수준의 표상에 대한 정보를 제공하였다. 또한, 학생들이 동시에 여러 가지 표상을 볼 때 느낄 수 있는 인지적 부담을 최소화하고, 동시에 가상객체에만 집중할 때 발생할 수 있는 물리적 마커에 대한 무주의 맹시(inattentional blindness; Simons & Chabris, 1999) 현상을 방지함으로써 학생들이 물리적 마커와 가상객체 모두에 충분한 주의를 기울일 수 있도록, 먼저 물리적 마커를 관찰하고 이후 증강현실을 활용하여 물리적 마커와 가상객체를 함께 관찰하도록 하였다.
이에 이 연구에서는 다중 표상 학습에 관한 선행 연구(Kang, 2006; Kang, Kim, & Noh, 2008)를 참고하여 학생들이 증강현실을 활용하여 각 표상에서 관찰할 수 있는 특징을 파악한 후, 표상 사이의 연계 오류를 감소시키고 표상들 사이의 올바른 연계와 통합 과정을 촉진하는 활동을 도입하였다.
특히 중학교 2학년 과학의 ‘물질의 상태’ 단원에서는 용해도, 녹는점, 끓는점, 밀도 등의 개념을 중심으로 실험을 통해 거시적으로 나타나는 현상을 관찰하고, 이를 입자 그림을 통해 미시적 입자 관점에서 해석하는 활동을 하고 있으므로 증강현실을 활용한 다중 표상 학습을 적용하기에 적절하다고 할 수 있다. 이에 이 연구에서는 중학교 2학년 물질의 특성 단원을 중심으로 물질의 입자성 개념에서 증강현실을 활용한 다중 표상 학습을 실시하고, 입자성에 대한 개념 이해도, 학업성취도 및 과학 수업에 대한 즐거움의 측면에서 그 효과를 조사하였다.
이에 이 연구에서는 증강현실(augmented reality)의 매체적 특징에 주목하였다. 증강현실은 현실 세계에 컴퓨터 그래픽을 통해 구현된 3차원의 가상객체를 실시간으로 증강하여 표현하는 멀티미디어 기술이다(Jang & Kye, 2007).
처치 집단에서는 학생들이 연구 상황 및 증강현실을 활용한 수업에 익숙해지도록 증강현실 어플리케이션의 활용 방법에 관한 오리엔테이션을 포함한 연습 수업 1차시를 순물질과 혼합물 개념에 대해 실시 하였다. 이후 용해도, 녹는점과 끓는점 개념에 대해 각각 2차시씩 총 4차시 동안 증강현실 활용한 다중 표상 학습 전략이 적용된 수업을 실시하였다.
제안 방법
사전 검사에서는 2015 개정 과학과 교육과정의 중학교 1학년 ‘물질의 상태 변화’ 단원에서 다루는 입자의 기초 개념에 대한 이해 수준을 조사하였다. 10개의 입자로 된 고체 물질의 입자 그림을 제시한다음, 이 물질이 액체 및 기체 상태가 되었을 때의 입자 그림을 각각 그리고 입자의 개수, 분포와 운동 등을 자세히 설명하도록 하였다. 사후 검사는 학생들의 입자 개념을 조사한 선행 연구(Lee, Lee, & Noh, 2018; Noh & Scharmann, 1997)를 참고하여 목표 단원인 중학교 2학년 ‘물질의 특성’ 단원의 주요 개념인 녹는점, 끓는점, 용해도 개념에 관하여 제시된 상황을 입자 그림으로 나타내는 3문항으로 구성하였다.
1차시는 연습 차시로서 먼저 증강현실의 기본적인 개념과 증강현실 어플리케이션의 사용 방법을 익히는 오리엔테이션을 실시한 후, 순물질과 혼합물 개념의 정의를 학습하고 주변의 물질을 순물질과 혼합물로 구별하는 활동을 하였다. 학생들은 스마트 기기의 카메라로 순물질과 혼합물을 대표하는 물과 설탕물이 각각 담겨있는 비커 사진을 비추며, 그 위에 증강되어 나타나는 물 입자와 설탕 입자를 관찰하는 활동을 하였다.
이때 담당 교사의 협조를 구하여 소집단마다 직전 학기 성적을 기준으로 상위와 하위 학생 각각 2명을 포함한 이질 집단을 구성하였다. 각 조마다 연구자가 직접 개발한 증강현실 어플리케이션이 설치된 스마트 기기와 조별 활동지를 각각 2세트씩 제공하였으며, 별도로 각 학생에게 활동 결과를 기록할 수 있는 개별 활동지를 제공 하였다.
개념 이해도 검사로 입자 개념에 대한 학생들의 이해도를 조사하였다. 사전 검사에서는 2015 개정 과학과 교육과정의 중학교 1학년 ‘물질의 상태 변화’ 단원에서 다루는 입자의 기초 개념에 대한 이해 수준을 조사하였다.
구획 변인은 상하로 구분한 학생들의 사전 과학 성취 수준으로 하였다. 개념 이해도 검사에서는 전체 점수뿐만 아니라 입자의 보존 개념과 분포 및 운동 개념의 점수에 대해서도 각각 이원 공변량 분석을 시행하였다. 또한, 분석 결과 수업 처치와 사전 성취 수준 사이에 통계적으로 유의미한 상호작용 효과가 있을 경우 추가로 단순 효과 검증을 시행하였다.
개념 이해도 검사의 채점은 학생들의 응답을 입자의 보존, 분포 및 운동 측면으로 세분하여 분석한 다음, 각각의 하위 개념에 포함된 오개념의 수와 특징을 고려하여 보존에 대해 최대 1점, 분포 및 운동에 대해 최대 1점으로 각각 부분 점수를 부여하여 합산하는 방법으로 실시하였다(Noh & Scharmann, 1997).
이때 독립 변인은 수업 처치이며, 공변인과 종속변인은 개념 이해도 검사, 학업성취도 검사, 과학 수업에 대한 즐거움 검사에 대한 사전 검사와 사후 검사 점수를 각각 활용하였다. 구획 변인은 상하로 구분한 학생들의 사전 과학 성취 수준으로 하였다. 개념 이해도 검사에서는 전체 점수뿐만 아니라 입자의 보존 개념과 분포 및 운동 개념의 점수에 대해서도 각각 이원 공변량 분석을 시행하였다.
이에 이 연구에서는 학생들이 증강현실을 통해 여러 외적 표상을 동시에 관찰할 때 느낄 수 있는 인지적 부담을 줄일 수 있도록 증강현실을 활용하기 전에 학생들에게 목표 개념에 관한 거시적, 상징적 표상을 먼저 제시하였다. 그리고 증강현실을 활용하여 목표 개념과 관련된 실험 상황에 관한 거시적 표상과 입자에 관한 미시적 표상을 동시에 관찰한 후에는 증강현실을 통해 관찰한 여러 수준의 표상들을 통합적으로 고려하고 연계할 수 있도록 설계된 논의 활동을 수행하였다. 이러한 일련의 활동을 통해 처치 집단의 학생들은 단순히 물질의 특성과 관련한 여러 수준의 외적 표상들을 각각 학습한 통제 집단의 학생들보다 효과적으로 물질의 특성과 관련한 입자 개념을 학습할 수 있었던 것으로 보인다.
셋째, 다중 표상 학습에서 발생할 수 있는 연계 오류를 감소시키기 위한 활동의 일환으로, 정리한 내용을 바탕으로 눈으로 직접 관찰할 수 있는 거시적 현상과 눈에 보이지 않는 미시적 입자 사이의 관계를 연결 짓는 활동을 하였다. 넷째, 자신이 속한 조의 활동 결과를 다른 조원들과 공유하고 서로 다른 점이 있다면 원인을 함께 논의하는 활동을 하였으며, 이때 교사는 학생들이 발표한 내용을 정리하며 이를 물질의 특성 개념과 연결 지어 설명하였다. 차시별 구체적인 활동은 다음과 같다.
이는 학생들이 활동지를 통하여 목표 개념에 관한 거시적 수준과 상징적 수준의 표상을 충분히 관찰하고 인지하도록 하기 위함이다. 둘째, 학생들에게 스마트 기기를 나누어 준 후, 증강현실을 활용 하여 앞서 살펴본 실험 사진 위에 증강되어 나타나는 입자 모형을 관찰하는 활동을 하였다. 이때 학생들은 거시적 표상과 미시적 표상을 함께 관찰하고 그 결과를 활동지에 글과 그림으로 정리하는 활동을 하였으며, 교사는 학생들이 다양한 탐색 활동을 능동적으로 수행할 수 있도록 최소한으로 학생들의 활동에 개입하였다.
1을 사용하였고, 가상객체의 모델링은 3ds Max 2017을 사용하였다. 또한, 담당 과학교사의 협조를 얻어 연구 참여 학교가 활용하는 과학교과서와 지도서, 기존에 사용하던 수업 자료 등을 수집한 후, 학생들이 학습한 내용과 수준을 파악하였다. 이후 수업에 활용한 활동지와 교사용 수업 지도안, PPT 등 필요한 교수학습 자료 일체를 개발하였으며, 이 과정에서 과학교육 전문가 2인과 현직 과학교사 3인이 참여한 수차례의 세미나를 통해 내용의 타당성 및 교육과정의 적절성을 점검받았다.
개념 이해도 검사에서는 전체 점수뿐만 아니라 입자의 보존 개념과 분포 및 운동 개념의 점수에 대해서도 각각 이원 공변량 분석을 시행하였다. 또한, 분석 결과 수업 처치와 사전 성취 수준 사이에 통계적으로 유의미한 상호작용 효과가 있을 경우 추가로 단순 효과 검증을 시행하였다. 모든 통계 분석에는 SPSS statistics 23 프로그램을 사용하였다.
또한, 학생들이 동시에 여러 가지 표상을 볼 때 느낄 수 있는 인지적 부담을 최소화하고, 동시에 가상객체에만 집중할 때 발생할 수 있는 물리적 마커에 대한 무주의 맹시(inattentional blindness; Simons & Chabris, 1999) 현상을 방지함으로써 학생들이 물리적 마커와 가상객체 모두에 충분한 주의를 기울일 수 있도록, 먼저 물리적 마커를 관찰하고 이후 증강현실을 활용하여 물리적 마커와 가상객체를 함께 관찰하도록 하였다.
또한, 처치 집단의 학생들이 1차시에 오리엔테이션 활동을 하거나 2-5차시에 증강현실을 활용한 다중 표상 전략에 따른 추가적인 활동을 할 때 통제 집단의 학생들은 개별 활동지에 제시된 연습 문제를 풀고 교사의 설명을 듣는 활동을 하였다. 모든 수업 처치가 끝난 후에는 모든 연구 참여자를 대상으로 물질의 특성 관련 개념에 관한 개념 이해도, 학업 성취도 검사 및 과학 수업에 대한 즐거움에 관한 사후 검사를 실시하였다.
모든 연구 참여자를 대상으로 개념 이해도, 학업 성취도 및 과학 수업에 대한 즐거움에 관한 사전 검사를 실시하였다. 약 1주 후 중학교 2학년 ‘물질의 특성’ 단원의 순물질과 혼합물, 용해도, 녹는점과 끓는점 개념에 대해 약 3주 동안 총 5차시에 걸친 수업을 진행하였다.
사후 검사는 목표 단원인 중학교 2학년 ‘물질의 특성’ 단원에서 교육과정의 성취기준에 따라 녹는점과 끓는점, 용해도 등의 목표 개념을 주제로 문항을 구성하였다.
사후 검사는 학생들의 입자 개념을 조사한 선행 연구(Lee, Lee, & Noh, 2018; Noh & Scharmann, 1997)를 참고하여 목표 단원인 중학교 2학년 ‘물질의 특성’ 단원의 주요 개념인 녹는점, 끓는점, 용해도 개념에 관하여 제시된 상황을 입자 그림으로 나타내는 3문항으로 구성하였다.
이때 학생들은 거시적 표상과 미시적 표상을 함께 관찰하고 그 결과를 활동지에 글과 그림으로 정리하는 활동을 하였으며, 교사는 학생들이 다양한 탐색 활동을 능동적으로 수행할 수 있도록 최소한으로 학생들의 활동에 개입하였다. 셋째, 다중 표상 학습에서 발생할 수 있는 연계 오류를 감소시키기 위한 활동의 일환으로, 정리한 내용을 바탕으로 눈으로 직접 관찰할 수 있는 거시적 현상과 눈에 보이지 않는 미시적 입자 사이의 관계를 연결 짓는 활동을 하였다. 넷째, 자신이 속한 조의 활동 결과를 다른 조원들과 공유하고 서로 다른 점이 있다면 원인을 함께 논의하는 활동을 하였으며, 이때 교사는 학생들이 발표한 내용을 정리하며 이를 물질의 특성 개념과 연결 지어 설명하였다.
약 1주 후 중학교 2학년 ‘물질의 특성’ 단원의 순물질과 혼합물, 용해도, 녹는점과 끓는점 개념에 대해 약 3주 동안 총 5차시에 걸친 수업을 진행하였다.
2-3차시에는 용해도 개념을 학습하였다. 연구자는 10℃, 37℃, 60℃로 서로 다른 온도의 물 250g에 일정량의 포도당을 용해시키는 실험을 직접 수행한 후, 60℃에서는 모든 포도당이 용해되어 있지만 37℃와 10℃에서는 포도당 일부가 가라앉아 있는 실험 사진을 준비하였다. 학생들은 활동지에 제시된 실험 사진과 내용, 포도당의 용해도 곡선을 보며 거시적 수준에서 일어난 현상을 관찰하고 논의하였다.
담당 과학교사의 협조를 구하여 학생들의 사전 과학 성취 수준을 상위(65명)와 하위(101명)의 두 단계로 구분하였다. 연구자는 학생들의 개인정보보호를 위하여 담당 과학교사가 직전 학기 과학 성적을 기준으로 학생들의 성취 수준을 상위, 하위의 두 단계로 구분하고 임의의 ID로 부호화한 자료를 제공받아 활용하였다. 이중에서 한 가지 이상의 사전 또는 사후 검사에 무응답을 한 불성실한 참여자 30명을 제외하고 136명(남학생 68명, 여학생 68명)의 응답을 분석하였다.
4-5차시에는 녹는점과 끓는점 개념을 학습하였다. 연구자는 학생들이 서로 다른 순물질의 녹는점과 끓는점의 차이를 비교할 수 있도록 -20℃, 20℃, 80℃에서 각각 고체와 액체 또는 액체와 기체 상태로 존재하는 물과 에탄올 사진을 제시하였고, 다음으로 순물질과 혼합물의 상태 변화와 끓는점의 차이를 비교할 수 있도록 끓는점에서 시간에 따른 물과 포도당 용액의 사진을 제시하였다. 활동지에는 실험 사진과 내용, 물과 에탄올 및 물과 포도당 용액의 녹는점과 끓는점을 각각 나타낸 그래프를 제시하였다.
모든 수업은 학생들을 4인 1조의 소집단으로 편성한 후 진행하였다. 이때 담당 교사의 협조를 구하여 소집단마다 직전 학기 성적을 기준으로 상위와 하위 학생 각각 2명을 포함한 이질 집단을 구성하였다. 각 조마다 연구자가 직접 개발한 증강현실 어플리케이션이 설치된 스마트 기기와 조별 활동지를 각각 2세트씩 제공하였으며, 별도로 각 학생에게 활동 결과를 기록할 수 있는 개별 활동지를 제공 하였다.
증강현실을 활용한 다중 표상 학습의 효과를 조사하기 위한 통계분석에서는 먼저 공변량 분석의 기본 가정인 공변인과 종속변인의 상관성, 정상성과 동변량성, 등회귀선을 점검한 후, 2×2 요인 방안에 의한 이원 공변량 분석(two-way ANCOVA)을 실시하였다. 이때 독립 변인은 수업 처치이며, 공변인과 종속변인은 개념 이해도 검사, 학업성취도 검사, 과학 수업에 대한 즐거움 검사에 대한 사전 검사와 사후 검사 점수를 각각 활용하였다. 구획 변인은 상하로 구분한 학생들의 사전 과학 성취 수준으로 하였다.
2-5차시는 본 수업 차시로서 증강현실을 활용한 다중 표상 학습을 실시하였다. 이를 위해 다중 표상 학습 및 증강현실과 관련한 선행연구를 체계적으로 분석한 결과를 바탕으로 증강현실의 활용 효과를 극대화하도록 수업 과정을 설계하였다. 예를 들어, 증강현실의 물리적 마커가 그 자체로는 유의미한 정보를 전달하지 않고 가상객체를 불러오는 역할만을 담당하는 경우에는 현실 세계와 가상객체의 자연스러운 혼합이라는 증강현실의 매체적 장점(Kye, Kim, & Ryu, 2007)이 제한될 수 있다.
이를 위해 증강현실의 물리적 마커와 가상객체가 각각 거시적 표상과 미시적 표상에 관한 정보를 제공하도록 증강현실 어플리케이션을 개발한 후, 학생들이 증강현실을 통해 제시되는 다중 표상을 관찰하고, 표상 사이의 올바른 연계와 통합 과정을 촉진하며, 연계 오류가 나타나지 않도록 하기 위한 활동을 포함하는 다중 표상 학습 전략을 구성하였다. 이상의 전략을 수업에 적용한 처치반과 전통적으로 교사의 강의식 수업을 실시한 통제반을 비교한 결과, 개념 이해도 측면에서는 학생들의 사전 성취 수준과 무관하게 전통적인 학습에 비해 증강현실을 활용한 다중 표상 학습이 더 효과적이었다.
최근 과학교육 분야에서 국내외적으로 증강현실의 활용 효과를 조사하는 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 증강현실의 매체적 특성을 고려한 구체적인 교수학습 전략을 개발하고 그 효과를 조사한 연구는 부족하다. 이에 이 연구에서는 물질의 입자성 개념을 대상으로 증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략을 개발하여 적용한 후, 그 효과를 입자 개념에 대한 이해도, 학업 성취도, 과학 수업에 대한 즐거움 측면에서 조사하였다.
거시적, 미시적, 상징적 수준의 외적 표상들은 학생들에게 각각 다른 정보를 제공함으로써 서로 다른 인지 과정을 유도한다(Ardac & Akaygun, 2005; Cha, Kim, & Noh, 2004). 이에 이 연구에서는 학생들이 증강현실을 통해 여러 외적 표상을 동시에 관찰할 때 느낄 수 있는 인지적 부담을 줄일 수 있도록 증강현실을 활용하기 전에 학생들에게 목표 개념에 관한 거시적, 상징적 표상을 먼저 제시하였다. 그리고 증강현실을 활용하여 목표 개념과 관련된 실험 상황에 관한 거시적 표상과 입자에 관한 미시적 표상을 동시에 관찰한 후에는 증강현실을 통해 관찰한 여러 수준의 표상들을 통합적으로 고려하고 연계할 수 있도록 설계된 논의 활동을 수행하였다.
처치 집단에서는 학생들이 연구 상황 및 증강현실을 활용한 수업에 익숙해지도록 증강현실 어플리케이션의 활용 방법에 관한 오리엔테이션을 포함한 연습 수업 1차시를 순물질과 혼합물 개념에 대해 실시 하였다. 이후 용해도, 녹는점과 끓는점 개념에 대해 각각 2차시씩 총 4차시 동안 증강현실 활용한 다중 표상 학습 전략이 적용된 수업을 실시하였다. 모든 수업은 학생들을 4인 1조의 소집단으로 편성한 후 진행하였다.
학생들은 활동지에 제시된 실험 사진과 내용, 포도당의 용해도 곡선을 보며 거시적 수준에서 일어난 현상을 관찰하고 논의하였다. 이후 학생들은 증강현실을 활용하여 제시된 실험 사진 위에 증강되어 나타나는 입자를 관찰하며, 물과 포도당 입자의 개수, 분포, 움직이는 방향, 상대적인 빠르기 등을 활동지에 제시된 표에 기록하였다. 또한, 포도당이 용해되기 전 물속에 가라앉아 있는 상황과 완전히 용해되고 난 후의 상황을 입자 그림으로 묘사하는 활동을 하였다.
증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략을 효과적으로 구현하기 위하여 연구자가 직접 안드로이드 운영체제(Android OS) 기반의 스마트 기기용 증강현실 어플리케이션을 개발하였다. 증강현실의 구성 요소 중 학생들이 스마트 기기의 카메라로 비추는 현실 세계의 대상인 물리적 마커(physical marker)는 목표 개념과 관련한 실험 상황을 촬영한 사진으로 하였고, 스마트 기기의 화면상에서 물리적 마커에 증강되어 나타나는 가상객체(virtual object)는 실험 상황에 적합한 3차원의 입자 모형으로 하였다.
증강현실을 활용한 다중 표상 학습이 학생들의 개념 이해에 미치는 영향을 구체적으로 분석하고자, 입자의 하위 개념에 관하여 각각 이원 공변량 분석을 실시하였다. 그 결과, 학생들의 입자 개념 중 보존에 대해서는 수업 처치의 주 효과가 나타났으나(MS=3.
증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략을 효과적으로 구현하기 위하여 연구자가 직접 안드로이드 운영체제(Android OS) 기반의 스마트 기기용 증강현실 어플리케이션을 개발하였다. 증강현실의 구성 요소 중 학생들이 스마트 기기의 카메라로 비추는 현실 세계의 대상인 물리적 마커(physical marker)는 목표 개념과 관련한 실험 상황을 촬영한 사진으로 하였고, 스마트 기기의 화면상에서 물리적 마커에 증강되어 나타나는 가상객체(virtual object)는 실험 상황에 적합한 3차원의 입자 모형으로 하였다. 즉, 다중 표상 학습의 관점에서 증강현실의 물리적 마커는 거시적 수준의 표상으로, 가상객체는 미시적 수준의 표상으로 동시에 제공되도록 하였다.
구체적인 수업 활동은 다음과 같은 단계를 거쳐 구성하였다. 첫째, 증강현실을 활용하기 전에 목표 개념과 관련한 실험 장면을 촬영한 사진을 실험과 관련한 표 또는 그래프와 함께 분석하고 논의하는 활동을 하였다. 이는 학생들이 활동지를 통하여 목표 개념에 관한 거시적 수준과 상징적 수준의 표상을 충분히 관찰하고 인지하도록 하기 위함이다.
통제 집단에서는 교사의 판서와 개별 활동지를 활용한 전통적인 강의식 수업을 실시하였다. 통제 집단의 개별 활동지 및 수업 내용은 기본적으로 처치 집단과 동일하게 구성하였으나, 물질의 특성과 관련한 입자 개념은 증강현실 대신 교과서나 개별 활동지에 제시된 입자 그림을 활용하여 학습하도록 하였다. 또한, 처치 집단의 학생들이 1차시에 오리엔테이션 활동을 하거나 2-5차시에 증강현실을 활용한 다중 표상 전략에 따른 추가적인 활동을 할 때 통제 집단의 학생들은 개별 활동지에 제시된 연습 문제를 풀고 교사의 설명을 듣는 활동을 하였다.
1차시는 연습 차시로서 먼저 증강현실의 기본적인 개념과 증강현실 어플리케이션의 사용 방법을 익히는 오리엔테이션을 실시한 후, 순물질과 혼합물 개념의 정의를 학습하고 주변의 물질을 순물질과 혼합물로 구별하는 활동을 하였다. 학생들은 스마트 기기의 카메라로 순물질과 혼합물을 대표하는 물과 설탕물이 각각 담겨있는 비커 사진을 비추며, 그 위에 증강되어 나타나는 물 입자와 설탕 입자를 관찰하는 활동을 하였다.
연구자는 10℃, 37℃, 60℃로 서로 다른 온도의 물 250g에 일정량의 포도당을 용해시키는 실험을 직접 수행한 후, 60℃에서는 모든 포도당이 용해되어 있지만 37℃와 10℃에서는 포도당 일부가 가라앉아 있는 실험 사진을 준비하였다. 학생들은 활동지에 제시된 실험 사진과 내용, 포도당의 용해도 곡선을 보며 거시적 수준에서 일어난 현상을 관찰하고 논의하였다. 이후 학생들은 증강현실을 활용하여 제시된 실험 사진 위에 증강되어 나타나는 입자를 관찰하며, 물과 포도당 입자의 개수, 분포, 움직이는 방향, 상대적인 빠르기 등을 활동지에 제시된 표에 기록하였다.
학생의 답안 작성 의도를 구체적으로 파악하고자 문제 상황에 따른 물질의 거시적 상태 또는 물질에서 일어나는 현상을 간략히 쓰고, 입자의 배열과 상태 등을 고려하여 입자의 모양과 크기, 개수, 분포, 운동 등을 자세히 설명하도록 하였다. 개념 이해도 검사의 채점은 학생들의 응답을 입자의 보존, 분포 및 운동 측면으로 세분하여 분석한 다음, 각각의 하위 개념에 포함된 오개념의 수와 특징을 고려하여 보존에 대해 최대 1점, 분포 및 운동에 대해 최대 1점으로 각각 부분 점수를 부여하여 합산하는 방법으로 실시하였다(Noh & Scharmann, 1997).
즉, 다중 표상 학습의 관점에서 증강현실의 물리적 마커는 거시적 수준의 표상으로, 가상객체는 미시적 수준의 표상으로 동시에 제공되도록 하였다. 현직 과학교사 3인으로부터 과학 및 교육적 측면에 대한 피드백을 받아 어플리케이션을 수정 및 보완하였으며, 증강현실 프로그래밍 전문가 1인으로부터 개발한 증강현실 어플리케이션의 기술적 안정성에 대하여 검토 받았다. 증강현실 어플리케이션의 개발 플랫폼은 Unity 2.
연구자는 학생들이 서로 다른 순물질의 녹는점과 끓는점의 차이를 비교할 수 있도록 -20℃, 20℃, 80℃에서 각각 고체와 액체 또는 액체와 기체 상태로 존재하는 물과 에탄올 사진을 제시하였고, 다음으로 순물질과 혼합물의 상태 변화와 끓는점의 차이를 비교할 수 있도록 끓는점에서 시간에 따른 물과 포도당 용액의 사진을 제시하였다. 활동지에는 실험 사진과 내용, 물과 에탄올 및 물과 포도당 용액의 녹는점과 끓는점을 각각 나타낸 그래프를 제시하였다. 이후의 활동은 용해도 개념에 대한 2-3차시 수업과 같은 흐름으로 구성하였다.
대상 데이터
경기도에 소재한 남녀 공학 중학교 한 곳의 6개 반에서 연구 참여에 자발적으로 동의한 2학년 학생 166명(남학생 81명, 여학생 85명)이 연구에 참여하였다. 연구자는 무작위로 3개 반을 선정하여 각각 통제 집단(84명)과 처치 집단(82명)에 무선 배치하였다.
이중에서 한 가지 이상의 사전 또는 사후 검사에 무응답을 한 불성실한 참여자 30명을 제외하고 136명(남학생 68명, 여학생 68명)의 응답을 분석하였다. 연구 참여자 중 통제 집단은 72명, 처치 집단은 64명이었으며, 사전 과학 성취 수준을 기준으로 상위 학생은 59명, 하위 학생은 77명이었다. 각 집단별 연구 참여자 수를 Table 1에 제시하였다.
경기도에 소재한 남녀 공학 중학교 한 곳의 6개 반에서 연구 참여에 자발적으로 동의한 2학년 학생 166명(남학생 81명, 여학생 85명)이 연구에 참여하였다. 연구자는 무작위로 3개 반을 선정하여 각각 통제 집단(84명)과 처치 집단(82명)에 무선 배치하였다. 담당 과학교사의 협조를 구하여 학생들의 사전 과학 성취 수준을 상위(65명)와 하위(101명)의 두 단계로 구분하였다.
연구자는 학생들의 개인정보보호를 위하여 담당 과학교사가 직전 학기 과학 성적을 기준으로 학생들의 성취 수준을 상위, 하위의 두 단계로 구분하고 임의의 ID로 부호화한 자료를 제공받아 활용하였다. 이중에서 한 가지 이상의 사전 또는 사후 검사에 무응답을 한 불성실한 참여자 30명을 제외하고 136명(남학생 68명, 여학생 68명)의 응답을 분석하였다. 연구 참여자 중 통제 집단은 72명, 처치 집단은 64명이었으며, 사전 과학 성취 수준을 기준으로 상위 학생은 59명, 하위 학생은 77명이었다.
데이터처리
증강현실을 활용한 다중 표상 학습의 효과를 조사하기 위한 통계분석에서는 먼저 공변량 분석의 기본 가정인 공변인과 종속변인의 상관성, 정상성과 동변량성, 등회귀선을 점검한 후, 2×2 요인 방안에 의한 이원 공변량 분석(two-way ANCOVA)을 실시하였다.
이론/모형
과학 수업에 대한 즐거움 검사는 사전 검사와 사후 검사 모두 과학에 대한 태도 검사(test of science related attitude; Fraser, 1981) 중에서 ‘과학 수업의 즐거움’ 영역의 10문항을 국문으로 번역한 후, 과학교육 전문가 2인에게 번역의 적절성을 점검받아 사용하였다.
이를 위한 방법으로, 교사가 학생에게 두 개 이상의 표상을 동시에 제공하는 다중 표상 학습(multiple representation-based learning; Van Someren et al., 1998) 이론을 고려할 수 있다. 표상이란 교사가 어떤 현상이나 개념을 설명하기 위해 사용하는 표, 그림, 영상, 실험, 모형 등의 정보를 의미하는데(Kang, 2006), 다중 표상의 관점에서 보면 증강현실은 현실 세계와 가상객체를 통하여 최소 두 가지의 서로 연계된 표상을 동시에 제공하는 도구로 볼 수 있다(Sayed, Zayed, & Sharawy, 2011).
현직 과학교사 3인으로부터 과학 및 교육적 측면에 대한 피드백을 받아 어플리케이션을 수정 및 보완하였으며, 증강현실 프로그래밍 전문가 1인으로부터 개발한 증강현실 어플리케이션의 기술적 안정성에 대하여 검토 받았다. 증강현실 어플리케이션의 개발 플랫폼은 Unity 2.1을 사용하였고, 가상객체의 모델링은 3ds Max 2017을 사용하였다. 또한, 담당 과학교사의 협조를 얻어 연구 참여 학교가 활용하는 과학교과서와 지도서, 기존에 사용하던 수업 자료 등을 수집한 후, 학생들이 학습한 내용과 수준을 파악하였다.
성능/효과
행동 영역 및 내용 영역별 문항 수는 사전 검사와 같게 구성하였다. 개발된 개념 이해도 및 학업 성취도 검사지는 과학교육 전문가 2인과 중등학교 화학 교사 3인으로부터 내용 타당도를 검증받았다. 학업 성취도 검사의 채점은 각 문항에 1점을 부여하여 10점 만점으로 산출하였다.
학업 성취도 측면에서는 증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략이 하위권 학생들의 성취도 향상에만 긍정적인 영향을 미친 것으로 나타났다. 과학 수업에 대한 즐거움 측면에서는 사전 성취 수준과 무관하게 증강현실을 활용한 다중 표상 학습에서 전통적인 학습보다 학생들은 더 높은 즐거움을 느낀 것으로 나타났다.
증강현실을 활용한 다중 표상 학습이 학생들의 개념 이해에 미치는 영향을 구체적으로 분석하고자, 입자의 하위 개념에 관하여 각각 이원 공변량 분석을 실시하였다. 그 결과, 학생들의 입자 개념 중 보존에 대해서는 수업 처치의 주 효과가 나타났으나(MS=3.471; F=4.343; p=.039), 분포 및 운동에 대해서는 수업 처치의 주 효과가 나타나지 않았다(MS=2.016; F=2.775; p=.098). 수업 처치와 사전 성취 수준 사이의 상호작용 효과는 모든 경우에서 나타나지 않았다(p>.
05), 수업 처치와 사전 성취 수준 사이의 상호작용 효과는 나타나지 않았다. 또한, 사전 성취 수준과 무관하게 처치 집단의 교정 평균 점수가 전통 집단의 교정 평균 점수보다 높았다. 이는 학생들의 사전 성취 수준과 무관하게 증강현실을 활용한 다중 표상 학습이 전통적인 학습에 비해 입자 개념 이해에 더 효과적이라는 것을 의미한다.
분석 결과, 개념 이해도에서 수업 처치의 주 효과가 나타났으나(p<.05), 수업 처치와 사전 성취 수준 사이의 상호작용 효과는 나타나지 않았다.
분석 결과, 수업 처치의 주 효과가 나타났고(p<.05), 수업 처치와 사전 성취 수준 사이의 상호작용 효과는 나타나지 않았다.
분석 결과, 수업 처치의 주 효과는 나타나지 않았으나(p>.05), 수업 처치와 사전 성취 수준 사이의 상호작용 효과가 통계적으로 유의미하게 나타났다(p.05), 하위권 학생들은 처치 집단의 교정 평균이 통제 집단의 교정 평균보다 높았으며 그 차이도 통계적으로 유의미하였다(p<.05).
이를 위해 증강현실의 물리적 마커와 가상객체가 각각 거시적 표상과 미시적 표상에 관한 정보를 제공하도록 증강현실 어플리케이션을 개발한 후, 학생들이 증강현실을 통해 제시되는 다중 표상을 관찰하고, 표상 사이의 올바른 연계와 통합 과정을 촉진하며, 연계 오류가 나타나지 않도록 하기 위한 활동을 포함하는 다중 표상 학습 전략을 구성하였다. 이상의 전략을 수업에 적용한 처치반과 전통적으로 교사의 강의식 수업을 실시한 통제반을 비교한 결과, 개념 이해도 측면에서는 학생들의 사전 성취 수준과 무관하게 전통적인 학습에 비해 증강현실을 활용한 다중 표상 학습이 더 효과적이었다. 이때 입자의 하위 개념 중 보존에 대해서는 유의미한 차이가 나타났으나, 분포 및 운동에 대해서는 유의미한 차이가 나타나지 않았다.
또한, 담당 과학교사의 협조를 얻어 연구 참여 학교가 활용하는 과학교과서와 지도서, 기존에 사용하던 수업 자료 등을 수집한 후, 학생들이 학습한 내용과 수준을 파악하였다. 이후 수업에 활용한 활동지와 교사용 수업 지도안, PPT 등 필요한 교수학습 자료 일체를 개발하였으며, 이 과정에서 과학교육 전문가 2인과 현직 과학교사 3인이 참여한 수차례의 세미나를 통해 내용의 타당성 및 교육과정의 적절성을 점검받았다.
또한, 사전 성취 수준과 무관하게 처치 집단의 교정 평균 점수가 전통 집단의 교정 평균 점수보다 높았다. 즉, 학생들은 사전 성취 수준과 무관하게 증강현실을 활용한 다중 표상 학습을 전통적인 학습에 비해 즐겁다고 생각하는 것으로 나타났다.
이때 입자의 하위 개념 중 보존에 대해서는 유의미한 차이가 나타났으나, 분포 및 운동에 대해서는 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 학업 성취도 측면에서는 증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략이 하위권 학생들의 성취도 향상에만 긍정적인 영향을 미친 것으로 나타났다. 과학 수업에 대한 즐거움 측면에서는 사전 성취 수준과 무관하게 증강현실을 활용한 다중 표상 학습에서 전통적인 학습보다 학생들은 더 높은 즐거움을 느낀 것으로 나타났다.
후속연구
이를 고려할 때, 물질의 특성 관련 개념 중 학생들의 보존 개념 이해가 유의미하게 향상되었다는 것은 주목할 만한 결과라 할 수 있다. 그러나 입자의 분포 및 운동의 이해에 대해서는 유의미한 차이가 나타나지 않았으므로, 이에 대한 이해를 높이기 위한 방안이 필요할 것이다.
, 1997). 따라서 학업 성취도의 효과가 하위권 학생들에게만 나타난 것에 대한 원인을 탐색하고, 이를 보완하기 위한 후속 연구가 이루어질 필요가 있을 것이다.
하지만 증강현실의 효과를 밝히기 위한 다양한 양적 연구가 수행되고 있음에 비해, 질적인 연구는 충분히 이루어지지 않고 있다. 따라서 향후 연구에서는 과학 교과에서 증강현실을 활용한 교수학습이 이루어지는 과정을 보다 심층적으로 분석하는 연구가 이루어질 필요가 있다.
예를 들어, 입자의 분포 구역이 가상의 선을 통하여 표시되도록 하거나 온도나 물질의 상태에 따른 입자의 운동 속도를 정량적으로 표시하는 방안을 고려할 수 있다. 또한, 입자가 빠른 속도로 계속 운동하는 경우 학생들이 입자의 개수를 세는 활동에 어려움을 겪을 수 있으므로 입자의 운동을 잠시 멈출 수 있게 하는 등의 기능을 추가할 수도 있을 것이다. 이와 같이 학생들이 물리적 마커와 디스플레이를 손으로 직접 조작하며 가상 객체를 탐색할 수 있는 증강현실의 실물형 사용자 인터페이스(tangible user interface)와 이를 통한 다감각적 정보 제공은 증강현실이 동영상과 차별화되는 특성이기도 하다(Kye, Kim, & Ryu, 2007).
, 2015). 이상의 선행연구 결과를 바탕으로 과학 수업에서 증강현실을 활용할 때뿐 아니라, 활용 전후에도 증강현실의 매체적 특징을 고려한 수업 활동이 적절히 도입될 필요성을 제기할 수 있다. 그러나 지금까지 과학 교과에서 증강현실을 활용한 연구는 초기 단계로, 증강현실의 효과를 다양한 측면에서 탐색한 연구가 대부분이고 증강현실을 교수학습 전략의 측면에서 어떻게 활용해야 더욱 효과적인지에 대한 논의는 미흡한 편이다(Akçayır & Akçayır, 2017).
한편, 학업 성취도 측면에서의 효과가 하위권 학생들에게서만 나타난 것은 이 연구에서 개발한 증강현실이 목표 개념과 관련된 거시적 표상과 미시적 표상만을 주로 제공한 것뿐만 아니라, 학생들의 상호작용에서 나타나는 특징에서 한계점을 찾을 수 있었다. 이러한 맥락에서 증강현실을 활용한 다중 표상 학습의 한계점을 보완하고 상위권 학생들에게도 유의미한 영향을 줄 수 있는 추가적인 지도 방안을 고안할 필요가 있다.
이와 같이 학생들이 물리적 마커와 디스플레이를 손으로 직접 조작하며 가상 객체를 탐색할 수 있는 증강현실의 실물형 사용자 인터페이스(tangible user interface)와 이를 통한 다감각적 정보 제공은 증강현실이 동영상과 차별화되는 특성이기도 하다(Kye, Kim, & Ryu, 2007). 향후 증강현실의 이러한 매체적 특징을 종합적으로 고려하여 증강현실 어플리케이션을 개발한다면, 학생들이 입자의 보존, 분포 및 운동, 인력과 같은 물질의 입자성과 관련한 다양한 개념을 쉽게 이해하도록 도울 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물질의 입자성 개념을 이해하기 위해서는 무엇이 필요한가?
물질의 입자성은 화학 반응과 기체 법칙 등 과학 교과의 중요한 개념을 설명하고, 거시적 수준에서 일어나는 현상과 원리를 체계적으로 이해하는 데 필수적인 기초 개념이다(Merritt & Krajcik, 2013; Rappoport & Ashkenazi, 2008). 물질의 입자성 개념을 이해하기 위해서는 눈에 보이지 않는 미시적 대상에 대한 추상적 사고 등 형식적 조작 수준의 높은 사고력이 필요하므로(Park, Park, & Kang, 2013), 학생들은 물질의 입자성 개념과 관련하여 다양한 오개념을 가지고 있는 경우가 많다(Adadan, Irving, & Trundle, 2009; ; Yoon & Lee, 2014; Yoon & Woo, 2007). 이에 우리나라의 교육과정은 학생들이 물질의 입자성을 쉽게 이해할 수 있도록 먼저 실험과 관찰을 통해 눈으로 직접 관찰할 수 있는 거시적 수준의 개념을 학습하고, 입자 그림이나 애니메이션 등을 통해 이와 관련된 미시적 수준의 현상을 학습하도록 구성되어 있다(MOE, 2015).
증강현실이란 무엇인가?
이에 이 연구에서는 증강현실(augmented reality)의 매체적 특징에 주목하였다. 증강현실은 현실 세계에 컴퓨터 그래픽을 통해 구현된 3차원의 가상객체를 실시간으로 증강하여 표현하는 멀티미디어 기술이다(Jang & Kye, 2007). 가상객체는 현실 세계와 연관된 정보를 무엇이든 자유롭게 표현할 수 있으므로 교육 분야의 활용에도 잠재력이 크다.
증강현실을 활용한 다중 표상 학습 전략이 학생들의 개념 이해도, 학업 성취도, 과학 수업에 대한 즐거움에 미치는 영향을 조사 한 결과는?
이때 처치 집단의 학생들에게는 증강현실이 제공하는 표상들 사이의 연계와 통합을 촉진할 수 있는 다중 표상 학습 전략을 개발하여 적용하였다. 이원 공변량 분석 결과, 개념 이해도, 과학 수업에 대한 즐거움 검사에 대한 처치 집단의 점수는 학생들의 사전 성취 수준과 무관하게 통제 집단보다 유의미하게 높았다. 개념 이해도 검사의 하위 개념 중 입자의 보존에 대해서는 유의미한 차이가 나타났으나, 분포 및 운동에 대해서는 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 학업 성취도 측면에서는 사전 성취 수준과 유의미한 상호작용 효과가 나타났다. 이때 하위권 학생들의 성취도는 유의미하게 향상되었으나 상위권 학생들에게는 유의미한 효과가 나타나지 않았다. 연구 결과를 바탕으로 과학 교수학습에서 증강현실의 효과적인 활용을 위한 교육적 시사점을 논의하였다.
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