공간시각화 학습에서의 웹 기반 가상현실 프로그램 개발 및 효과 분석

Abstract

Spatial visualization, a particular subset of spatial skill, is the ability to mentally manipulate, rotate, twist, or invert a pictorially presented stimulus object. Investigating spatial visualization is important because of correlational and logical-intuitive support for its relationship to most technical scientific occupations and especially to the study of mathematics, science, art, and engineering. However, spatial visualization is not one of the usual components of the school curriculum. Therefore spatial understanding is primarily informally acquired. Nevertheless, several studies of training programs to increase spatial visualization are reported in the literature and there are various theoretical explanations and hypotheses about spatial visualization ability. Some emphasize the contributions of biological factors-nature; Others emphasize the role of learning, practice, and socialization-nuture. As a result, questions have been raised regarding the interaction of instruction in affecting spatial ability. In the literature, several studies aimed at evaluating training programs to increase spatial abilities in general and spatial visualization in particular. The result from the present study is in conflict with the conclusion that spatial visualization is probably an innate capability not modifiable by a specific instruction. The purpose of this study was to develop web-based teaching program using the virtual reality. on spatial visualization. and investigate the retention effect of spatial instruction. Specifically, this study was designed to answer the following questions: 1. Will the web-based spatial visualization instruction affect the spatial visualization performance of students? 2. Will these effects be different for spatial visualization instruction through virtual reality than simple texts and graphics? 3.What are the sub-factors of spatial visualization improved considerably by the spatial visualization teaching program through virtual reality on the web? Total 67 women students in grades 10 and three teachers from three schools, representing a similar range of socioeconomic status, participated in the study and the students were separated to experiment group and control group: experiment group studied with spatial visualization teaching program through virtual reality, and control group studied with program composed with the only text and graphics. All Instruction was done by distance education based on the web. The unit of instruction of the spatial visualization teaching program developed in this study is the MGMP Spatial Visualization Unit developed by the Middle Grades Mathematics Project and the test used was the Middle Grades Mathematics Project(MGMP) Spatial Visualization Test(SVT). Comparison of the means for treatment and control group on both pretest and posttest indicates the effect difference of the each program.The gain score difference of two groups on pretest were not statistically significant at the .05 level. However, comparisions of pretest versus posttest on control and treatment group were statistically significant at .01, .001 levels, and the difference of treatment and control group mean on posttest was statistically significant at .01 level. The result of this investigation show that after web-based instruction intervention, control and treatment group gained significant from learning program in spatial visualization test. Another result regarding the effect of the instruction was that the effect of program using virtual reality higher than the effect of program using the only text and images. Final result is that web-based instruction program using virtual reality is more effective at the rotation which is one of the spatial visualization sub-factors.

; 3차원적 대상을 표현할 수 있는 공간시각화는 공간 능력의 특별한 한 요소로써 학교 교육과정상에 있는 일반적인 요소가 아니기 때문에 기본적으로 비형식적으로 다루어진다. 하지만 수학적 성취능력과 밀접한 관계를 가지고 있는 공간 시각화 능력은 학습에 의해 향상될 수 있다. 따라서 학교 수학 교육과정에서 충족시켜주지 못하고 있는 실세계, 즉 물리적 공간에 대한 탐구로서의 공간 시각화를 학생들 스스로 시간과 장소에 구애받지 않고 학습할 수 있는 방법이 필요하며, 그 학습 방법은 학습자와 프로그램간의 상호 의사소통이 활발한 방법이어야만 한다. 이러한 새로운 공간시각화 학습 프로그램의 개념을 실현하기 위한 시도로써 최근에 급속히 발전하고 있는 인터넷과 멀티미디어 기술을 적극 도입할 필요가 있으며 그중에서도 2차원적인 컴퓨터 스크린에 3차원적인 세상을 그려낼 수 있는 가상현실은 학습자들의 공간시각화 능력을 향상시킬 수 있는 효과적인 학습 프로그램 개발에 많은 시사점을 제공해 줄 것으로 생각된다. 이에 본 연구에서는 공간시각화 학습에서의 가상현실을 이용한 웹 기반 학습 프로그램을 개발하고 그 효과 분석을 통해 웹 상에서의 가상현실을 이용한 공간시각화 학습 프로그램의 가능성을 진단해 보았으며 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 웹 기반 공간시각화 학습 프로그램이 학습자들의 공간 시각화 능력 향상에 영향을 미치는가? 둘째, 가상 현실을 이용한 공간시각화 학습 프로그램으로 학습한 실험집단과 텍스트와 이미지만으로 구성된 공간시각화 학습 프로그램으로 학습한 통제 집단은 학습 효과 면에서 차이가 존재하는가? 셋째, 가상 현실을 이용한 공간시각화 학습 프로그램은 공간시각화 하위 요인 중 어떤 요인에 더 효과적인가? 연구 대상은 서울시에 소재한 C여자고등학교 10명과 경상남도 마산시에 소재한 J여자고등학교 26명, 김해시의 K여자고등학교 31명을 합하여 총 67명이 선정되었으며, 서울시에 소재한 C여자고등학교와 마산시의 J고등학교 학생 36명을 실험집단으로, 김해시의 K여자고등학교 31명을 통제집단으로 구분하였다. 실험집단은 가상현실을 이용한 웹 기반 공간시각화 학습 프로그램으로 학습을 하였으며, 통제집단은 텍스트와 이미지만으로 구성된 웹 기반 공간시각화 학습 프로그램으로 2주간 학습을 하였다. 실험에 사용된 사전, 사후 공간시각화 검사지는 미시간주립 대학교의 Middle Grades Mathematics Project(MGMP)에 의해 개발된 공간시각화 검사지를 사용하였으며, 실험집단과 통제집단은 본격적인 공간시각화 학습을 하기 전에 MGMP 검사지로 사전 검사를 받았고 2주간의 공간시각화 학습을 인터넷을 통한 원격교육으로 받은 후에 사후 공간시각화 검사를 받았다. 실험집단과 통제집단의 사전검사 및 사후검사 결과를 총점에 대해 집단별, 집단간 비교 분석하였으며, 문항분석에서는 각 집단의 정답률을 문항별, 문제 유형별로 조사하고 두 집단의 변화 정도 및 가상현실을 이용한 웹 기반 공간시각화 학습 프로그램의 효과를 공간시각화 하위 요인별로 구분하여 알아보았다. 실험 결과, 실험집단과 통제집단 모두 공간시각화 능력이 향상되었으며 실험집단이 통제집단에 비해 총점에서나 문항별, 문제 유형별 정답률에서도 더 높은 성취도를 보인 것으로 나타났다. 특히 가상현실을 이용한 웹 기반 공간시각화 학습 프로그램은 공간시각화 하위 요인 중 3차원적 회전 능력을 가장 많이 향상시키는 것으로 나타났다. 이러한 실험 결과를 종합적으로 정리해 본 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 공간시각화 능력은 지적 훈련 등의 후천적 노력이나 환경에 의해 극복 될 수 있으며 그 교수 방법은 교실에서 이루어지던 전통적인 모습이 아니라 오늘날 급속히 발전하고 있는 웹 기반 학습으로도 가능하다. 하지만 지금까지 웹 상에서 가장 많이 찾아볼 수 있었던 텍스트와 이미지 위주의 학습 프로그램 형식으로는 학생들의 공간시각화 능력을 의미있는 수준으로 향상시킬 수 없다. 선행된 여러 연구 결과처럼 공간시각화 학습 프로그램은 구체적인 대상물의 조작이 특히 강조되는 분야로써 그 이유는 공간시각화 능력 중 2차원적으로 표현되어진 3차원적 대상의 눈에 보이지 않는 부분을 시각화 할 수 있는 능력을 향상시키기 위해서는 실제로 학습자들이 직접적인 조작 활동을 통해 스스로 공간시각화 감각을 익혀야 하기 때문이다. 따라서 웹 상에서 이루어지는 공간시각화 학습 프로그램도 이런 실제 대상물의 조작과 같은 상호작용이 필수적이며 3차원적 시뮬레이션 효과가 포함된 프로그램이어야만 한다. 가상현실은 바로 이런 효과를 모두 만족시켜줄 수 있는 최신 기술로써, 효과적인 공간시각화 학습 프로그램을 만들기 위한 제작 도구로 적절하다고 생각된다.