웹 시뮬레이션 활용 과학수업에서 학습성과에 대한 몰입과 인지적실재감의 예측력 검증

Abstract

지식과 정보의 홍수의 시대라 불리고 있는 21세기이지만, 우리나라 중·고등학교 과학 교육의 형태는 여전히 입시 중심의 지식 암기 위주의 교육에서 탈피하지 못하고 있다(한국교육과정평가원, 2006a). 근본적으로 이러한 문제들에 대응하기 위해서는 무엇보다 실험과 같은 활동 위주의 과학수업이 전제되어야 하지만(강순희, 우애자, 정영란, 최경희, 2002; 한국교육과정평가원, 2006a; 한국교육과정평가원, 2006b; Ertepinar & Geban, 1996; National Research Council, 1996), 교사나 학생들이 통제할 수 없는 시수 부족과 열악한 실험실 환경이 자유로운 실험활동을 가로막고 있다. 나아가 실험시간과 실험실 환경이 조성된다고 하더라도 육안으로 관찰하기 어려운 눈에 보이지 않는 분자나 원자들의 운동들은 오개념을 생성해내기 쉬우며(박원혁, 허연, 2000; Shin, 2001), 관찰 가능한 것들일지라도 반응시간이 너무 길거나 너무 짧기도 하고 폭발의 위험 가능성을 내포하고 있는 실험들도 많이 존재하고 있다(심규철, 박종석, 김현섭, 김재현, 박영철, 류해일, 2001; Matsuda & Shindo, 2008; Shin, 2001). 따라서 이러한 제한점을 통제할 수 있는 것으로써, 웹(WWW) 기반 과학실험실은 학교 상황에 적합한 것으로 생각해 볼 수 있다(최옥순, 여성희, 2004; Fishwick, 1996). 국내에서 국가 차원에서 공식적으로 활발하게 운영되고 있는 웹 기반 과학실험 시뮬레이션은 에듀넷(http://www.edunet4u.net)과 사이언스올(http:// www.scienceall.com)등이 있는데(최옥순, 여성희, 2004), 이 도구들의 효과성에 대한 검증은 상당부분이 개념이해의 정도를 측정하는 성취도와 과학에 대한 태도 변화의 측면에서 실험집단과 통제집단 간에 어떠한 차이가 있는지를 알아보는 방법으로 진행되어왔다(최자은, 2000; 한정화, 2003). 따라서 처치효과를 학습성과의 향상도라는 측면에서만 볼 것이 아니라, 그러한 향상도에 기여하는 내적인 변인들과의 관계를 살펴보는 연구가 필요하다. 이와 더불어, 제 7차 교육과정에서 밝힌 과학교육의 목표는 '올바른 자연관을 가지는 것'이며, 올바른 자연관을 가지기 위해서는 과학의 기본개념 이해, 탐구능력 신장, 과학 학습에 대한 흥미와 호기심 신장, 과학이 기술의 발달과 사회의 발전에 미치는 영향에 대한 인식이 필요하다고 하였다. 또한, 제 7차 개정 교육과정에서는 학습 상황에서 학습자들의 흥미와 호기심을 유발시키고, 자기 주도성을 강조하여야 과학적으로 창의적인 학습자를 양성할 수 있다고 밝힌 바 있다(한국교육과정평가원, 2006b). 따라서 학습자들의 흥미와 호기심을 유발시키기에 적합한 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 학습도구와 학습자간에 발생하는 상호작용을 바탕으로 학습자들에게 나타나는 몰입 및 인지적실재감 등의 내적 변인과 학습성과와의 관계를 검증하는 연구가 필요하면서도 드물다는 사실은, 현 시점에서 본 연구에 대한 필요성을 지지해준다고 하겠다. 이와 같은 연구 목적을 반영하여 본 연구에서 살펴보고자 하는 구체적인 연구문제는 다음과 같다. 1. 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 도구를 활용한 실험집단과 전통적인 강의식 수업으로 진행한 통제 집단 간에는 학습성과(그래프 능력, 학업 성취도)에서 유의미한 차이를 보이는가? 2. 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 도구를 활용한 학습자들이 인식하는 몰입과 인지적실재감, 학습성과(그래프 능력, 학업 성취도) 간에는 유의한 상관관계가 있는가? 3. 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 도구를 활용한 학습자들이 인식하는 몰입 정도가 그래프 능력을 예측하는 데 있어 인지적실재감은 매개변인으로 작용하는가? 4. 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 도구를 활용한 학습자들이 인식하는 몰입 정도가 학업 성취도를 예측하는 데 있어 인지적실재감은 매개변인으로 작용하는가? 본 연구에서는 Csikszentmihalyi의 몰입(flow)에 대한 이론을 중심으로 웹 상에서 어떤 매체와의 상호작용을 재미있고 탐험적인 것으로 여기는 이용자의 인식으로 재해석한 Trevino와 Webster(1992)의 몰입의 개념을 사용하였으며 통제감, 주의집중, 호기심, 내적관심 네 가지로 측정하였다. 또한 인지적실재감은 기본적으로 학습내용이나 상황에 대한 학습자의 인식을 의미하는 학습실재감의 하위요인으로써, 학습내용의 이해정도, 지식창출 정도, 학습관리 정도로 측정하였다(Kang, Kim, & Park, 2008). 그리고 학습성과 변인인 그래프 능력은 그래프를 작성하고 해석하기 위한 학생의 능력을 의미하는 것으로(Mckenzie & Padillar, 1986), 과학탐구능력의 여러 하위요소 중에서 '자료 해석'과 '자료 변환' 요소를 충족하는 변인이다. 이 그래프 능력은 비교적 단시간에 더욱 구체적이고 효과적으로 학습자들이 획득할 수 있을 것이라고 예상되는 과학적 탐구능력으로 부분적인 과학탐구능력을 측정하고자 하였다. 두 번째 성과변인인 학업 성취도는 교육목표를 달성했는가의 여부를 알아보는 지표로써 해당 수업 내에서 학습자들이 얻는 개념 이해의 정도이다. 본 연구는 2010학년도 1학년에 입학한 신입생들을 대상으로 하였는데 이들은 사전 성취도 점수를 가지고 있지 않아 사전 성취도는 연구에서 제외하였고, 사후 학업 성취도만을 측정하여 집단 간 학업 성취도 점수의 비교에 사용하였고, 또한 실험집단만을 대상으로 몰입과 인지적 실재감, 그리고 학습성과(그래프 능력과 학업 성취도)의 관계를 살펴보는 데 사용되었다. 본 연구는 2010년 1학기에 대전광역시에 위치한 A 여자 중학교 1학년 학생 4개 반인 107명(실험집단 2개 반 53명, 통제집단 2개 반 54명)을 대상으로 하였고, 사전 그래프 능력 검사점수를 사용하여 집단 간 동질성 여부를 진단하였으며, 동질집단임을 확인한 후 처치를 시작하였다. 또한 웹 기반 과학실험 시뮬레이션으로 ExploreLearning팀이 개발한 도구인 'Gizmo' 실험 프로그램을 사용하였으며, 시뮬레이션의 원활한 사용을 위한 오리엔테이션 시간을 포함하여 총 5주 동안 일주일에 한 시간씩 처치를 수행하였다. 본 시뮬레이션 도구의 효과를 검증하기 위하여 집단 간 및 검사 시기(사전, 사후)에 따른 학습자들의 그래프 능력에 대한 차이를 살펴보는 반복측정 분산분석을 실시하고, 집단 간 학업 성취도에 대한 차이를 살펴보기 위하여 다시 한 번 독립표본 t 검증을 실시하였다. 그리고 실험집단만을 대상으로 각 변인들 간에 어떠한 상관관계가 있는지를 확인하기 위하여 Pearson r 상관계수를 도출한 후 다중공선성을 진단하였으며, 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 환경에서 학습자가 인식하는 몰입이 학습성과(그래프 능력과 학업 성취도)를 예측하는 데 있어 인지적실재감이 매개변인으로 작용했는지 여부를 살펴보기 위해, Judd와 Kenny(1981)의 연구를 바탕으로 매개역할 회귀검증방법을 사용하였다. 연구문제에 의한 연구결과를 종합하면 다음과 같다. 먼저, 웹 기반 과학실험 시뮬레이션을 사용한 실험집단과 강의식 수업으로 진행된 통제집단 간의 사후 그래프 능력의 차이를 살펴본 결과, 두 집단 간에 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것(F=13.74, p<.05)으로 나타났다. 또한, 실험집단은 사후 그래프 능력 점수가 사전 그래프 능력 점수보다 11.47점 높아지고 통계적으로도 유의한 것으로 나타난 반면(F=50.10 p<.05), 통제집단은 평균점수에 유의한 차이가 없는 것(F=.10, p>.05)으로 나타났다. 또한, 실험집단과 통제집단 간의 사후 학업 성취도의 차이를 살펴본 결과에서는 두 집단 간의 평균에 통계적으로 유의미한 차이가 없는 것(t=-.311, p>.05)으로 나타났으나, 실험집단의 평균(M=67.45, SD=19.70)이 통제집단의 평균(M=61.39, SD=18.69)보다 6.06점 높은 것으로 나타나 비교적 오랜 기간 처치를 수행해본다면 더 높은 향상도를 가져올 수 있을 것이라는 가능성을 제시해주었다. 둘째로, 웹 기반 과학실험 시뮬레이션을 사용한 학습자들의 몰입과 인지적실재감, 그리고 학습성과(그래프 능력 및 학업 성취도)와의 예측관계를 살펴보기 이전에 각 변인들의 상관관계를 분석한 결과, 몰입 수준은 인지적실재감(r=.75, p<.05), 그래프 능력(r=.44, p<.05), 학업 성취도(r=.39, p<.05)와 모두 유의한 정적인 상관관계를 보였고, 인지적실재감은 그래프 능력(r=.56, p<.05)과 학업 성취도(r=.49, p<.05)와 유의한 정적인 상관관계를 보이는 것으로 나타났다. 또한 몰입 변인과 인지적실재감 변인 간(r=.75, p<.05)에는 다중공선성이 의심되어 다중공선성 여부를 확인하였는데, VIF값이 1.0, TOL값이 1.0으로 VIF값이 10이하, TOL값이 0.1 이상이면 문제가 없다는 이종환(2009)의 연구를 바탕으로 문제가 없음을 확인하고, 서로 독립적인 변인으로 사용하였다. 한 편 학습성과 변인인 그래프 능력과 학업 성취도사이에는 예상보다 높은 정적 상관관계가 있는 것으로 나타났는데(r=.59, p<.05), 이는 처치기간에 배우는 단원인 샤를이나 보일의 법칙 등의 특성 상 학업 성취도 평가문항 자체에 그래프를 해석하고 작성하는 능력을 포함해야 하므로 상관이 보다 높게 나타난 것이라고 볼 수 있다. 셋째로, 그래프 능력에 대한 몰입의 예측력과 이들의 관계에서 인지적실재감의 매개역할을 검증한 결과, 몰입변인이 학습성과 변인인 그래프 능력을 유의하게 예측했고(ß=.44, p<.05), 몰입변인이 매개변인인 인지적실재감을 유의미하게 예측하였으며(ß=.75, p<.05), 몰입이 인지적실재감을 매개로 하여 그래프 능력에 영향을 미치는지 알아보기 위하여 위계적 회귀분석을 진행한 결과, 인지적실재감이 그래프 능력을 유의하게 예측하고(ß=.51, p<.05), 몰입의 영향력이 유의하지 않은 것으로 나타났고(ß=.06, p>.05) 0이 아니기 때문에, Judd와 Kenny(1981)의 연구에 따라 인지적실재감이 몰입과 그래프 능력을 부분 매개함을 알 수 있었다. 넷째로, 학업 성취도에 대한 몰입의 예측력과 이들의 관계에서 인지적실재감의 매개역할을 검증한 결과, 몰입변인이 두 번째 학습성과 변인인 학업 성취도를 유의하게 예측하였으며(ß=.39, p<.05), 몰입변인이 매개변인인 인지적실재감을 유의미하게 예측하였고(ß=.75, p<.05), 몰입이 인지적실재감을 매개로 하여 그래프 능력에 영향을 미치는지 알아보기 위하여 위계적 회귀분석을 진행한 결과, 인지적실재감이 그래프 능력은 유의하게 예측했으나(ß=.45, p<.05), 몰입의 영향력은 유의하지 않은 것으로 나타났고(ß=.05, p>.05) 0이 아니기 때문에, Judd와 Kenny(1981)의 연구에 따라 인지적실재감이 몰입과 학업 성취도를 부분 매개함을 알 수 있었다. 이러한 연구 결과를 종합해보면, 과학수업 시간에 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 도구를 사용한 집단은 호기심이 자극되고 도구와의 상호작용을 통제할 수 있으며, 주의가 집중되고 본질적인 흥미를 가지게 되며, 그것은 학습내용의 이해와 지식의 창출, 및 학습관리 과정을 활성화시켜 학습성과(부분적 과학탐구능력인 그래프 능력 및 학업 성취도)에 긍정적인 영향을 가져다 줄 수 있다고 볼 수 있다. 따라서 웹 기반 과학실험 시뮬레이션을 부분적으로 나마 학교 수업에 도입을 한다면 학습자들의 몰입과 인지적실재감을 상승시켜 학습자들의 과학탐구능력과 성취도에 긍정적인 영향력을 미칠 수 있을 것이라고 해석해 볼 수 있다. 이상의 연구결과를 바탕으로 후속연구를 위해 다음과 같이 제언하고자 한다. 첫째, 본 연구의 대상은 대전에 위치한 A 중학교에 2010에 1학년으로 입학한 신입생이었기 때문에 사전 성취도 평가점수를 얻을 수 없었고, 모두 여학생이었기 때문에 본 연구의 결과를 일반화하기에는 제한이 있을 수 있다. 따라서 광범위한 학년 및 학기의 학생들을 대상으로 학업 성취의 사전 사후 검증도 진행하여 웹 기반 과학실험 시뮬레이션의 효과를 살펴보는 더욱 보강된 후속 연구가 진행될 필요가 있다. 둘째, 본 연구는 1주일에 한 번, 4회 정도로 짧은 기간 동안 진행되어 단기간에 변화하기 어렵다고 판단되는 과학과 관련된 중요한 변인들을 측정하지 못하였다. 따라서 학교 상황에서 오랜 기간 학습자들을 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 실험과 접하게 하고 과학에 효과를 주는 것으로 연구된 다른 변인들 간의 관계를 살펴보는 연구들도 수행될 필요가 있다. 셋째, 본 연구에서는 몰입과 학습성과 변인을 예측하는 매개변인으로 학습 실재감의 하위 요소인 감성적 실재감, 사회적 실재감, 인지적실재감 중 인지적실재감만을 선정하여 사용하였다. 웹 기반 과학실험 시뮬레이션 환경에서 몰입과 학습성과 변인과의 관계에서 나타나는 감성적 실재감 및 사회적 실재감의 영향력도 살펴보는 후속 연구가 진행될 필요가 있으며, 해당 수업시간에 선생님의 개입정도를 판단하여 교수 실재감 변인을 투입하여 학습자들의 성취에 어떠한 영향을 주는지에 대한 구조적인 관계를 보는 후속 연구도 진행될 필요가 있다.;Science learning is composed of more important activities such as experimenting than seeing and hearing. However, science contents contain a lot of variables that cannot be controlled in classrooms or laboratories. And also, science curriculums have many educational contents hard to be observed or be measured in real situation. Even if possible, it takes very long time to gain some information by observation or measurement, and teachers sometimes have several obstruction factors in school. Accordingly, scientific fields need some systematical learning environment such as web(WWW). In the case of Korea, there are many web-based science experiment simulations such as "scienceALL" or "Edunet". However, these simulations have been adopting a tutorial method and a number of articles related these simulations have been examining only achievements and attitudes as measurement variables of simulation experiments. The ultimate purpose of science education is to understand scientific knowledges and to promote scientific process skills. For this, students should be exposed to inquiry processes such as experiments instead of acquiring scientific knowledges to be simply conveyed. Based on this, the purpose of this study is to identify effects of a web-based simulation instruction in science class. In order to do that, the researcher selected flow and cognitive presence as independent variables, and graphing skill and academic achievement as dependent variables. And this study is divided into two steps. In the first step, the researcher examines whether there is a significant difference between groups in learning outcomes. And in the second step, the researcher investigates the relationships among learners' flow, cognitive presence, and learning outcomes by Judd and Kenny(1981) steps in only the experimental group. By reflecting such study objectives, detailed study questions to be answered in this study are as follows, 1. Is there a significant difference between the 'control group' and the 'experimental group' in learning outcomes(graphing skill, academic achievement)? 2. Do learners' flow, cognitive presence, and learning outcomes (graphing skill, academic achievement) correlate with one another in a web-based simulation? 3. Does the cognitive centrality mediate the relationship between learners' flow and graphing skill in science class using a web simulation? 4. Does the cognitive centrality mediate the relationship between learners' flow and academic achievement in science class using a web simulation? 107 learners(control group: 54, experimental group: 53) at a girls' middle school located in Daejeon, Korea participated in the academic achievement test and a questionnaire was administrated to them, for 4 weeks. Before conducting the intervention, the results of pretest to search the homogeneity between the experimental group and the control group was no significant difference in graphing skill between the two groups(t=-.311, p>.05), so these groups are assumed homogeneous group. The tools that were used in conducting the experiment were a web-based science experiment simulation called "Gizmo" made by Explore Learning team and tools for flow measurement, cognitive presence measurement, graphing skill test, and achievement evaluation test. The data were analyzed by an independent sample t-test, repeated measure ANOVA, multiple correlation analysis, and simple & hierarchical regression analysis. The major findings of this research are as follows: First, there is a significant difference between the 'control group' and the 'experimental group' in post-graphing skill(F=13.74, p<.05). Furthermore, there is a significant difference between the pre-test and the post-test in the experimental group(F=50.10 p<.05), but there is no significant difference between the pre-test and the post-test in the 'control group'(F=.10, p>.05). It can be said that these findings show that the science class using a web-based science experiment simulation is more effective than the traditional instructor-led education. Second, as a result of correlation analysis, there are significant correlations among flow, cognitive presence and learning outcomes(graphing skill and academic achievement). By the way, as the correlation coefficient between flow and cognitive presence was a bit high, it was concerned about multicollinearity. However, it was verified that there was no problem, by identifying Tolerance(TOL=0.1) and Variance Inflation Factor(VIF=0.1). Third, before determining whether cognitive presence acts as a cognitive presence mediating variable between flow and graphing skill, the researcher conducted simple regressions to find out the influential relationships among variables. Flow has an effect on graphing skill (ß= .44, p<.05)and cognitive presence(ß= .75, p<.05). Based on these results, hierarchical regression was conducted to identify that cognitive presence mediated the relationship between flow and graphing skill. As a result, cognitive presence acts as a significant variable that has an effect on graphing skill(ß= .51, p<.05), however flow has no influence on graphing skill(ß= .06, p>.05). Therefore, cognitive presence partially mediates the relationship between flow and graphing skill. Fourth, cognitive presence partially mediates the relationship between flow and academic achievement. Flow has an effect on academic achievement(ß= .39, p<.05) and cognitive presence(ß= .75, p<.05). Based on these results, hierarchical regression was conducted to identify that cognitive presence mediated the relationship between flow and academic achievement. As a result, cognitive presence acts as a significant variable that has an effect on academic achievement(ß= .45, p<.05), however flow has no influence on academic achievement(ß= .05, p>.05). Therefore cognitive presence partially mediates the relationship between flow and graphing skill. These results can imply that learners' flow and cognitive presence have positive effects on graphing skill and graphing skill in web-based science experimental simulation environment. Several research issues that are deserved to be investigated in the future are suggested: First, the focus of this study was on female learners. There should be a profound study involved various subjects. Second, this study also lasted only for four weeks. Therefore it was impossible to measure variables such as scientific process skills that could be acquired through long time. So, it is also needed to attempt follow-up studies with diverse variables for extended treatment duration. Third, instead of cognitive presence as a dependent variable, it is necessary to continue identifying emotional presence or social presence in sub-domain of presence in web-based science experiment simulation environment.