증강현실 활용 탐구학습이 중학생의 과학탐구능력, 과학적 태도, 학습 몰입에 미치는 효과

Abstract

Knowledge and information are rapidly increasing and a new form of learning has emerged by developing of Information and Communications. In particular, Augmented Reality(AR) can provide real information based on a three-dimensional image and promote the interest, learning flow through the characteristic sensual preoccupation of the media. Ultimately AR is recognized as a special learning media tool to enhance academic achievement and satisfaction. However, it is difficult to implement AR in classroom due to technical problems and lack of teaching-learning model. Recently, however it is easier to use AR in the field of education because of the increasing dissemination of smart devices and producing a marker more easily for augmented educational contents. AR can enhance our sense of reality, allowing for the coexistence of digital information while also improving the visual learning effect by connecting reality with virtual learning information. AR appears to have higher effectiveness in science education that contain to difficulty observation or explanation the time and space concept only using 2D data and text. In addition, it can be an alternative to the experiments lesson for time and place cost and safety problems. AR is suitable for inquiry learning to lead learner inquiry process such as observation, manipulation, setting up a hypothesis, testing a hypothesis and drawing a conclusion. Also, it can be made into deeper learning than the actual experiment, including wider range spatial and operational activities. Although the need for exploration activity is increasing, actual classrooms still continue to use the traditional teacher centered method. So it has lowered student's science process skills, curiosity, interest and pleasure in science. Science education experts put more emphasis on inquiry learning in the science teaching-learning model for expanding the science process skills and scientific attitudes. In recent years, researches are using a variety of media for inquiry learning, especially using AR. However, research about using AR in education is mainly done in the laboratories circumstances, so it is uncommon to apply to the classroom curriculum. And there are few studies to analyze the student's inquiry activities, willingness, participation and interaction in the learning process. The aim of this study is to explore the effect of inquiry learning using AR about science process skills, scientific attitudes and learning flow in middle school students. The research questions in this study are as follows: 1. Do the students who practice AR inquiry learning have better science process skills than those who practice traditional inquiry learning? 2. Do the students who practice AR inquiry learning have better scientific attitude than those who practice traditional inquiry learning? 3. Do the students who practice AR inquiry learning have better learning flow than those who practice traditional inquiry learning? In order to achieve the purpose of this study, data was collected from 120 8th graders who were randomly assigned to the experimental or comparison group in Seoul, South Korea. The participants science process skills and scientific attitude were measured by comparing pre- and post- tests. After 16 lessons about inquiry learning, the participants learning flow was measured. Collected data was analyzed by using SPSS. The major findings of this study are as follows: First, students who practice AR inquiry learning have no significant difference science process skills than those who practice traditional inquiry learning. Second, students who practice AR inquiry learning have better scientific attitude than those who practice traditional inquiry learning. Lastly, students who practice AR inquiry learning have better learning flow than those who practice traditional inquiry learning. Based on the result of this study, further research is suggested as follows: First, contents and instructional design for science inquiry learning utilizing AR are needed. Especially, inquiry learning include many activities such as experiments, discussion, field-trip and open inquiry. So further research is needed to see how each of these activities affect the science process skills of learners by combining with AR. Second, inquiry learning utilizing AR is affected differently depending on the characteristics of the learner, such as sex, age, a priori knowledge and spatial capacity of the learner. So in further studies, it will be considered learner's individual characteristics that were affect individual affective domain. Third, the learning flow has been studied with an important mediated variable to determine the learning process and the learning outcomes. Therefore in further studies, learning flow will be considered on the impact of the learning achievement, satisfaction, the learner's concentration and interest. In addition, a technical study that may interfere with the learning flow identifies the environment problems and improve a user-friendly interface, the marker utilization and community systems for AR in classroom. Fourth, the target of this study was 120 8th graders in Seoul, South Korea, which does not represent the whole group of students. More empirical studies are needed to generalize these findings. In particular, long-term studies are very important for using a new media such as AR, because of its effectiveness depends on the students' information literacy and learning different tendencies. In addition, it is necessary to confirm students' and teachers' abilities to create, share and use the content about AR technology. Lastly, in recent years, the research of AR-based mobile learning has grown with technical development of smart devices. So a technical review of the location-based AR and determination of actual field application is needed.;지식과 정보가 급격히 증가하고, 정보 통신이 발달하면서 다양한 방식의 새로운 학습 형태가 출현하였다. 특히, 증강현실(Augmented Reality)은 3차원 영상을 기반으로 현실감 있는 정보를 제공할 수 있고, 매체의 특성인 감각적 몰두를 통해 수업에 대한 흥미와 몰입을 촉진하며 궁극적으로 학업 성취와 만족도에 영향을 미친다는 점에서 특별한 학습 매체로서 인식되어지고 있다. 그러나 학교 현장에서는 증강현실을 구현하기 어려운 교실 환경의 기술적인 문제와 이와 연계된 교수학습 모형의 부족으로 인해 실제 수업에서의 활용에 어려움이 많았다. 최근에는 다양한 종류의 스마트 기기의 보급과 콘텐츠를 증강하기 위한 매개체인 마커를 인쇄물 등으로 쉽게 제작할 수 있기 때문에 교육현장에서의 활용도 수월해지고 있다. 증강현실은 기존의 교육 매체들과 다르게 사용자가 실제세계의 사물의 모습을 보면서 추가적으로 디지털화된 정보를 제공받는 독특한 학습정보의 제시방법을 통해 가상의 학습 정보를 증강할 수 있고, 현실과 가상의 학습정보를 연결해 줌으로써 시각적 효과를 높일 수 있다. 특히, 과학교과의 경우 직접 관찰이 힘들거나 텍스트와 2D자료만으로 설명하기 어려운 시·공간적인 개념이 포함되어 있기 때문에 이러한 증강현실의 활용은 그 효과성이 높을 것으로 보인다. 또한, 시간과 장소, 경비나 안전성의 문제로 인한 어려움을 겪는 과학 실험수업에 대한 대안이 될 수 있다. 이러한 증강현실 활용은 학습자가 주도적으로 관찰과 조작활동을 통해 가설설정, 탐색활동, 가설검증, 결론도출과 같은 과정에 따라 지식을 스스로 찾아내며, 자연스럽게 학습이 이루어진 다는 점에서 탐구학습에 적합하며, 관찰을 비롯한 탐구과정에서의 학습자의 공간적, 조작적 활동 범위를 넓게 하여 실제 실험보다 더 깊은 학습이 이루어질 수 있도록 해준다. 과학교육에서 적극적인 탐구활동의 필요성은 꾸준히 제기되어 왔지만, 실제 학교 현장에서는 여전히 전통적 강의식 수업을 하는 경우가 많으며, 이러한 현상은 학생들의 과학탐구능력, 과학에 대한 호기심, 흥미, 즐거움 등을 낮추게 된 원인이 되고 있다. 과학교육 전문가들은 과학탐구능력과 과학적 태도를 신장시키기 위한 교수학습 모형으로 탐구학습을 더욱 강조하고 있으며, 최근에는 다양한 매체 특히, 증강현실을 활용한 연구들이 증가하고 있다. 그러나 증강현실을 활용한 교육에 대한 연구들은 주로 연구실이나 실험실 상황의 단편적인 영역에서 이루어진 경우가 많고, 증강현실 콘텐츠를 활용하여 교실 수업에서 교과 단원에 적용한 경우가 드물었다. 또한, 이를 탐구학습과 연계하여 학생들의 학습활동을 심층적으로 분석하고, 학습자의 자발성, 참여성, 상호작용의 변화에 대한 정보를 제공하는 연구들은 많지 않다. 따라서 본 연구는 증강현실 활용 탐구학습을 실제 수업에 적용하여 중학생의 과학탐구능력, 과학적 태도, 학습 몰입에 미치는 효과를 알아보려고 한다. 이를 통해 증강현실이 과학 수업 환경과 접목되어 학습자의 탐구능력, 태도, 몰입에 미치는 요소들을 분석하여 효과적인 과학 학습을 촉진하기 위한 시사점을 제시하고자 한다. 이와 같은 연구목적에 따라 제안된 연구문제는 다음과 같다. 1. 증강현실 활용 탐구학습 집단은 전통적 탐구학습 집단과 과학탐구능력의 차이가 있는가? 2. 증강현실 활용 탐구학습 집단은 전통적 탐구학습 집단과 과학적 태도의 차이가 있는가? 3. 증강현실 활용 탐구학습 집단은 전통적 탐구학습 집단과 학습 몰입의 차이가 있는가? 본 연구의 목적을 달성하기 위하여 서울의 남자 중학교 2학년 학생 120명을 증강현실 활용 탐구학습을 적용한 실험집단과 전통적 탐구학습을 적용한 비교집단으로 구분하여 연구를 수행하였다. 사전검사를 통해 과학탐구능력, 과학적 태도를 측정한 후, 16차시의 증강현실 활용 수업과 전통적 탐구학습을 진행한 후, 사후검사로 과학탐구능력, 과학적 태도, 학습몰입을 측정하였다. 연구 분석 방법으로는 SPSS를 이용하여 과학탐구능력과 과학적 태도는 공분산분석(ANCOVA)을, 학습 몰입은 독립표본 t 검정을 실시하였으며, 이를 통해 실험집단과 비교집단간의 차이를 분석하였다. 연구문제에 따른 주요 연구 결과와 논의는 다음과 같다. 첫째, 증강현실 활용 탐구학습은 전통적 탐구학습과 비교하여 과학탐구능력의 유의한 차이를 나타내지 않았다. 본 연구의 실험은 16차시의 비교적 짧은 처치로 설계되어 복합적인 사고를 통해 증가되는 과학탐구능력이 실험집단과 비교집단 사이에서 큰 차이를 보이지 않았을 것으로 추측한다. 또한, 새로운 매체를 활용한 경우 학생들의 적응 기간이 필요하기 때문에 단기간의 실험 처치들이 과학탐구능력에 유의한 차이를 가져 오지 못한 것으로 판단된다. 그러나 실제로 실험집단과 비교집단은 모두 탐구학습을 진행하기 전보다 후에 과학탐구능력이 증가하였는데 이것은 탐구학습 과정에서 학습자들은 과학에 대한 개념 습득과 함께 탐구하는 방법을 체득하는 기회를 충분히 제공받아, 실생활과 관련된 문제들에 대한 인식과 해결을 위한 적용능력이 높아진 것으로 보인다. 둘째, 증강현실 활용 탐구학습은 전통적 탐구학습과 비교하여 과학적 태도에서 유의한 차이를 나타내었다. 이는 학생들이 증강현실 활용 수업에서 호기심을 갖고 주도적으로 학습에 접근하여 과학에 대한 정의적 영역의 증가가 나타난다는 기존의 선행연구들과 일치하며, 맥락성 있는 실제적인 환경에서 문제해결을 목표로 학습을 수행하며 다양하고 새로운 생각들을 직접 실행해볼 수 있게 되면서 창의성이 증가하였을 것으로 보인다. 셋째, 증강현실 활용 탐구학습은 전통적 탐구학습과 비교하여 학습 몰입에서 유의한 차이를 나타내었다. 이는 증강현실 기술의 활용이 단순한 감각적 호기심 제공을 뛰어넘어 증강현실이라는 매체와의 상호작용 과정을 통해 학습자의 호기심과 기대가 발생하였고, 이를 통해 학습 자체에 대한 몰입과 효과에도 의미 있게 작용함을 보여주는 결과로 추측된다. 본 연구의 결론을 바탕으로 한 후속연구에 대한 제언은 다음과 같다. 첫째, 과학 교과의 특성을 고려한 증강현실 활용 탐구학습을 위한 콘텐츠와 교수설계안이 필요하다. 특히, 탐구활동은 실험 뿐 아니라 토의, 실험, 조사, 견학, 과제연구와 같이 다양한 형태로 이루어질 수 있기 때문에 이러한 각각의 활동들이 증강현실과 접목하여 학습자의 탐구능력에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 후속 연구들이 필요하다. 둘째, 증강현실 활용 탐구학습이 학습자의 특성 특히, 학습자의 성별, 나이, 선지식, 공간능력 등에 따라 어떤 차이가 있는지에 대한 연구가 필요하다. 학습자의 특성에 따라 증강현실을 이해하고 적용하는 정도가 다를 수 있으며, 이것은 학습 동기, 학습 만족감과 같은 정의적 영역에 영향을 미칠 수 있으므로 학습자 개별적인 특성을 고려한 후속 연구들이 필요하다. 셋째, 학습 몰입은 학습 과정을 중시하는 최근의 연구들과 함께 학습 성과를 확인하는 중요한 매개변수로 연구되고 있다. 따라서 후속 연구에서는 이러한 학습 몰입이 학습의 성취도, 수업집중도, 흥미, 만족도등과 같은 학습 성과에 미치는 영향에 대한 연구가 진행되어야 한다. 또한 학습 몰입을 방해할 수 있는 기술적, 콘텐츠적 문제점을 확인하고 이에 대한 사용자 친화적인 인터페이스, 마커 활용, 커뮤니티 시스템 등에 대한 환경적인 연구들이 함께 진행되어야한다. 넷째, 연구기간과 대상의 확대를 통한 일반화가 필요하다. 특히, 증강현실과 같은 새로운 매체를 활용하는 경우 학생들의 정보 활용 능력과 학습 성향에 따라 그 효과성이 달라지기 때문에 이를 위한 장기적인 연구가 필요하다. 또한 학습자가 콘텐츠를 스스로 저작하거나 활용, 공유할 수 있는 능력들을 함께 구비할 수 있는지에 대한 고려가 필요하며, 학습자뿐만 아니라 교수자 도 이러한 증강현실 활용에 대한 인식과 기술친화성을 얼마나 지니고 있는지에 대한 확인 역시 선행되어야 할 필요가 있다. 다섯째, 최근에는 증강현실을 구현할 수 있는 스마트 기기들의 기술적인 발전에 따라 이동성을 기반으로 하는 체험형 탐구학습에 대한 연구들이 증가하고 있다. 증강현실 활용 체험형 탐구학습에 대한 기술적인 검토를 통해 실제 현장 적용의 가능성을 확인하는 연구가 필요하다. 더 나아가 결국 증강현실은 가상현실로 가는 교육의 중간 단계이므로, 인간과 컴퓨터 프로그램의 상호작용에 대한 활발한 논의가 필요하다.