Exploring Effective Environments for Using Tools in Small Group Science Learning with Manipulative Augmented Reality

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 사범대학 과학교육과(화학전공), 2023. 2. 노태희.The use of augmented reality (AR) in science education makes it easier for students to understand complex abstract concepts by visualizing unobservable phenomena. In addition, augmented reality provides students with interactive learning experiences through the manipulation and exploration of markers and virtual objects and facilitates interaction among students. Considering the media characteristics of augmented reality, one of the strategies for enhancing educational effectiveness is to utilize manipulative augmented reality in small group learning. However, in previous studies, it was found that there were differences in the number of markers and smart devices provided to each group. Augmented reality for observing virtual objects was mainly used. Markers and smart devices are not only tools of augmented reality, but also important elements of the learning environment that have an influence on the effectiveness of small group learning. Thus, it is necessary to compare environments for using tools and investigate the effective learning process in a manipulative augmented reality setting. In this study, we compared instructional effects and discourse by environments for using tools in small group learning with manipulative augmented reality and analyzed interactions in the effective learning process. For this study, we developed a manipulative augmented reality of chemical bonding topics. Based on analysis of previous studies, we classified environments for using tools into the sharing tools environment and the individual tools environment. Each group of students in the sharing tools environment shares one marker and one smart device. In the individual tools environment, each student in the group has a marker and a smart device. We quantitatively compared the instructional effects of the sharing tools environment and the individual tools environment in terms of concept understanding, immersion, and situational interest (Study Ⅰ). We compared the discourse in small group learning by environments for using tools (Study Ⅱ). To deeply understand the effective learning process, we analyzed verbal interactions and physical interactions (Study Ⅲ). In Study I, we investigated the instructional effects of environments for using tools in small group learning with manipulative augmented reality based on the level of students' self-regulation. Sixty-four first-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 either the sharing tools environment or the individual tools environment. The sharing tools environment provided one marker and one smart device in each group, and the individual tools environment provided four markers and four smart devices in each group. The students participated in small group learning with augmented reality for 2 class hours about the chemical bonding concept from the Integrated Science subject. Prior to the instructions, the self-regulation test for learning was administered. After the instructions, the conception test, the immersion test, and the situational interest test were administered. Two-way ANOVA results revealed that scores of conception, immersion, and situational interest for the individual tools environment were significantly higher than those for the sharing tools environment. There were no significant interactions between the environments for using tools and the level of self-regulation in the scores of the conception test, the immersion test, and the situational interest test. The scores of the individual tools environment were significantly higher than those of the sharing tools environment in the antecedents, experiences, and effects factors, which are subcategories of immersion. In the analyses of situational interest, the scores of the individual tools environment were significantly higher than those of the sharing tools environment for all subcategories except the challenge. In Study Ⅱ, we analyzed discourse in small group learning with manipulative augmented reality and investigated participation types, discourse types, and knowledge building processes by environments for using tools. First-grade high school students (N=24) were divided into a group of four, and six groups were assigned to the sharing tools environment and the individual tools environment. All students participated in small group learning with augmented reality for 2 class hours to learn the chemical bonding concept. All classes were audio- and video-taped in groups, and semi-structured interviews were conducted with six students. The results of the study revealed that the sharing tools environment had a high proportion of one-student dominating type, while the individual tools environment had a high proportion of partly participating type and most students participating type. The number and types of discourses were more diverse in the individual tools environment than in the sharing tools environment. The discourses in the individual tools environment also had a similar ratio of knowledge sharing and knowledge construction. In the sharing tools environment, the knowledge building process was only meaningful for some students. On the other hand, in the individual tools environment, most of the group members constructed correct knowledge about the target concept, and the misconceptions of some group members were corrected through small group discussions. In Study Ⅲ, we analyzed the verbal interactions, physical interactions, and the relevance of the verbal and physical interactions to comprehend the effective learning process. First-grade high school students (N=12) were organized into three groups of the individual tools environment. The small group activities with augmented reality were audio- and video-taped, and semi-structured interviews were conducted with three students. Verbal interactions were analyzed at the levels of an individual statement and an interaction unit, while physical interactions were analyzed with a focus on markers, virtual objects, and worksheets. The results revealed that the frequencies of statements at the information question/explanation and the direction question/explanation were high within individual statement units. Within interaction units of verbal interactions, the frequencies of reformative and cumulative interaction were relatively high. The frequencies of progress were also found to be high within both individual statement units and interaction units. Students' physical interactions were mainly conducted without meaningful verbal interactions. When their physical interactions were accompanied by knowledge construction-related verbal interaction, the frequencies of gazing at virtual objects and worksheet-related interactions were high. In contrast, various exploratory activities related to the manipulation of markers mainly appeared when they conducted physical interactions only or when their physical interactions were accompanied by management-related verbal interactions. On the basis of the results, we discuss the effective environments for using tools in small group learning with manipulative augmented reality. In addition, we suggest educational implications for educators in designing educational strategies and implementing learning with augmented reality.과학 교육에서 증강현실은 관찰하기 어려운 현상을 시각화하여 학생들이 복잡하고 추상적인 개념을 이해하는 것을 돕는다. 또한 증강현실은 학생들에게 마커를 조작 및 탐색하는 쌍방향의 학습 경험을 제공하고 학생들 사이의 상호작용을 촉진한다. 증강현실의 매체적 특징을 고려할 때, 조작형 증강현실을 활용한 소집단 학습은 증강현실의 교육적 효과를 높이기 위한 전략 중 하나이다. 하지만, 선행 연구에서는 모둠에 제공하는 마커와 스마트 기기 수에 차이가 있었으며, 가상 객체를 관찰하는 유형의 증강현실이 주로 사용되었다. 증강현실의 도구인 마커와 스마트 기기는 소집단 학습에 영향을 주는 중요한 학습 환경 요소이므로, 조작형 증강현실을 사용하는 맥락에서 도구 사용 환경을 비교하고 효과적인 학습 과정을 조사할 필요가 있다. 이 연구는 조작형 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 도구 사용 환경별 교수학습 효과와 담화를 비교하고, 효과적인 학습 과정에서 나타난 상호작용을 분석하였다. 화학 결합 주제의 조작형 증강현실을 개발했으며, 선행 연구를 분석하여 도구 사용 환경을 도구 공유 환경과 개별 도구 환경으로 구분하였다. 도구 공유 환경의 학생들은 마커와 스마트 기기를 공동으로 사용하며, 개별 도구 환경의 학생들은 마커와 스마트 기기를 각자 사용한다. 도구 공유 환경과 개별 도구 환경의 교수학습 효과를 개념 이해 및 몰입, 상황 흥미 측면에서 정량적으로 비교하였다(연구 Ⅰ). 소집단 학습에서 나타난 담화를 도구 사용 환경별로 비교하였다(연구 Ⅱ). 효과적인 학습 과정을 심층적으로 이해하기 위해 언어적 상호작용과 물리적 상호작용을 분석하였다(연구 Ⅲ). 연구 Ⅰ에서는 조작형 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 도구 사용 환경의 교수학습 효과를 학생들의 자기조절 수준에 따라 조사하였다. 서울시에 소재한 남녀공학 고등학교 1학년 64명이 연구에 참여하였으며, 학생들을 4인 1 모둠으로 편성하고 도구 공유 환경과 개별 도구 환경으로 무선 배치하였다. 이때 도구 공유 환경은 한 모둠에 마커와 스마트 기기를 각각 1개씩 제공했으며, 개별 도구 환경은 한 모둠에 마커와 스마트 기기를 각각 4개씩 제공하였다. 학생들은 통합과학 교과의 화학 결합을 주제로 증강현실을 활용한 소집단 학습에 2차시 동안 참여하였다. 사전 검사로 학습에 대한 자기조절 검사를 실시하였고, 사후 검사로 개념 이해도, 몰입, 상황 흥미 검사를 실시하였다. 이원 변량 분석 결과, 개별 도구 환경의 개념 이해도, 몰입, 상황 흥미 점수가 도구 공유 환경보다 유의미하게 높았다. 도구 사용 환경과 자기조절 수준 사이의 상호작용 효과는 없었다. 또한 몰입의 하위 요소인 선행, 과정, 효과 요소에 대해서도 개별 도구 환경의 점수가 도구 공유 환경보다 유의미하게 높았다. 상황 흥미에서는 도전을 제외한 모든 하위 요소에서 개별 도구 환경의 점수가 도구 공유 환경보다 유의미하게 높았다. 연구 Ⅱ에서는 조작형 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 나타난 담화를 분석하여 도구 사용 환경별로 참여 유형, 담화의 유형, 지식 형성 과정을 조사하였다. 고등학교 1학년 24명을 4인 1 모둠으로 나누고 6개 모둠을 도구 공유 환경과 개별 도구 환경에 배치한 후, 화학 결합에 대해 증강현실을 사용한 소집단 학습을 2차시 동안 실시하였다. 모든 수업 과정은 모둠별로 녹음 및 녹화하였으며, 학생 6명을 대상으로 반구조화된 면담을 실시하였다. 연구 결과, 도구 공유 환경은 일인 주도형의 비율이 높았으나, 개별 도구 환경은 부분 참여형 및 다수 참여형의 비율이 높았다. 개별 도구 환경은 도구 공유 환경보다 담화 수가 많고 유형이 다양했으며, 지식 공유와 지식 구성 담화의 비율이 유사하였다. 도구 공유 환경에서는 일부 학생에 대해서만 의미 있는 지식 형성 과정이 나타났다. 반면 개별 도구 환경에서는 모둠원 대부분이 목표 개념에 대해 올바른 지식을 구성하며 의미 있는 지식 형성 과정이 이루어졌으며, 일부 모둠원에게 나타난 오개념은 소집단 토의를 통해 올바른 과학 개념으로 수정되었다. 연구 Ⅲ에서는 효과적인 학습 과정을 이해하기 위해 언어적 상호작용, 물리적 상호작용, 언어적 및 물리적 상호작용의 관련성을 분석하였다. 고등학교 1학년 12명을 대상으로 개별 도구 환경의 3개 모둠을 구성하였다. 증강현실을 활용한 소집단 활동을 녹음 및 녹화하였으며 학생 3명을 대상으로 반구조화된 면담을 실시하였다. 언어적 상호작용은 개별 진술과 상호작용 단위 수준에서, 물리적 상호작용은 마커, 가상 객체, 활동지에 중점을 두고 분석하였다. 연구 결과, 개별 진술 단위에서는 정보 질문과 정보 설명 및 방향 질문과 방향 설명에 대한 진술의 빈도가 높았고, 상호작용 단위에서는 교정형 및 누적형 상호작용의 빈도가 높았다. 학습 진행에 관한 개별 진술 및 상호작용의 비율도 높게 나타났다. 학생들의 물리적 상호작용은 유의미한 언어적 상호작용 없이 단독으로 이루어진 경우가 가장 많았다. 학생들이 지식 구성 언어적 상호작용을 하며 물리적 상호작용을 할 때는 가상 객체를 응시하거나 활동지 관련 활동을 하는 빈도가 높았다. 물리적 상호작용만 수행하거나 운영 관련 언어적 상호작용을 하며 물리적 상호작용을 할 때는 마커의 조작과 관련한 다양한 탐색 활동이 주로 나타났다. 이상의 연구 결과를 바탕으로 조작형 증강현실 활용한 소집단 학습에서 효과적인 도구 사용 환경을 논의하였다. 또한 증강현실 활용 학습 및 교수 전략 수립에 관한 교육적 함의를 제언하였다.제1장. 서론 1 1. 연구 배경과 목적 1 2. 연구 문제 7 3. 연구의 제한점 8 4. 용어의 정의 10 제2장. 이론적 배경 및 선행 연구 13 1. 증강현실 활용 학습 13 1.1 증강현실의 개념 및 분류 13 (1) 증강현실의 개념 13 (2) 증강현실의 분류 14 1.2 증강현실에 관한 교수학습 이론 17 (1) 멀티미디어 학습 이론 17 (2) 구성주의 이론 20 1) 상황학습 22 2) 협력학습 23 (3) 몰입 학습 이론 25 1.3 증강현실의 교육적 활용 27 1.4 증강현실 활용 학습의 교육적 효과 31 1.5 증강현실을 활용한 교수학습 설계의 방향 41 2. 과학 교육에서 증강현실 44 2.1 과학 교육에서 증강현실의 활용 44 2.2 과학 교육에서 증강현실의 장점과 매체적 특징 49 2.3 과학 교육에서 증강현실 기반의 국외 및 국내 연구 동향 56 3. 과학 교육에서 스마트 기기나 증강현실을 활용한 소집단 학습 62 3.1 스마트 기기를 활용한 소집단 학습 62 (1) 스마트 기기를 활용한 소집단 학습의 효과 62 (2) 스마트 기기를 활용한 소집단 학습에서 학습 환경 탐색 65 3.2 증강현실을 활용한 소집단 학습 72 (1) 증강현실을 활용한 소집단 학습의 효과 72 (2) 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 외적 학습 환경 77 (3) 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 도구 사용 환경 탐색 80 제3장. 조작형 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 도구 사용 환경에 따른 교수학습 효과 비교 (연구 I) 83 1. 서론 83 2. 연구 방법 86 2.1 연구 참여자 86 2.2 연구 단원 87 2.3 조작형 증강현실 애플리케이션 개발 88 (1) 조작형 증강현실 애플리케이션의 설계 88 (2) 조작형 증강현실 애플리케이션의 개발 및 구성 92 2.4 연구 절차 99 2.5 검사 도구 104 2.6 분석 방법 107 3. 연구 결과 및 논의 108 3.1 통계 분석을 위한 기본 가정 검토 108 3.2 개념 이해에 미치는 영향 109 3.3 몰입에 미치는 영향 111 3.4 상황 흥미에 미치는 영향 114 4. 요약 및 제언 118 제4장. 조작형 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 도구 사용 환경에 따른 담화 비교 (연구 II) 121 1. 서론 121 2. 연구 방법 123 2.1 연구 참여자 123 2.2 연구 상황 124 2.3 연구 절차 및 방법 125 2.4 분석틀 128 (1) 참여 유형 128 (2) 담화의 유형 128 (3) 지식 형성 과정 136 2.5 분석 방법 137 3. 연구 결과 및 논의 138 3.1 참여 유형 138 3.2 담화의 유형 143 3.3 지식 형성 과정 147 4. 요약 및 결론 152 제5장. 조작형 증강현실을 활용한 소집단 학습에서 나타나는 언어적·물리적 상호작용 (연구 III) 155 1. 서론 155 2. 연구 방법 158 2.1 연구 참여자 158 2.2 연구 절차 158 2.3 상호작용 분석틀 160 (1) 언어적 상호작용 160 (2) 물리적 상호작용 168 2.4 분석 방법 170 3. 연구 결과 및 논의 171 3.1 언어적 상호작용 171 (1) 개별 진술 단위 분석 171 (2) 상호작용 단위 분석 175 3.2 물리적 상호작용 180 4. 요약 및 결론 184 제6장. 결론 및 제언 188 1. 연구의 요약 188 2. 결론 및 제언 190 3. 추후 연구 과제 194 참고 문헌 197 부록 217 ABSTRACT 220박