스마트 기기를 활용한 과학 수업이 중학교 영재 학생의 인식 및 과학적 태도에 미치는 영향

스마트 기기를 활용한 수업에 대한 효과를 분석한 선행 연구와 수업에 활용 가능한 애플리케이션 및 수업 프로그램을 검토하였다. 그 후 AR 및 VR 등의 애플리케이션을 이용하여 스마트 기기를 활용한 8차시의 수업 프로그램을 개발하였다. 이 과정에서 과학 교육 전문가 및 현직 교사, 석·박사 과정 5인의 검토를 받았다. 수업 프로그램 적용 전과 후의 과학적 태도와 AR 및 VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업에 대한 인식을 알아보기 위하여 설문지를 개발하였으며 영재 학생에게 8차시 과학 수업 프로그램을 적용하였다. 수업 프로그램 적용 후 과학 수업 프로그램을 적용한 영재 학생을 대상으로 사후 설문을 실시하였다. 설문 결과를 분석한 후 이를 좀 더 면밀하게 알아보기 위하여 1:1 심층 면담을 실시하였다.

본 연구는 중소도시에 소재한 영재교육원에서 동일한 중등화학 심화과정을 이수하고 있는 16명 학생을 대상으로 수업 프로그램을 적용하였다. 영재 학생들은 영재교육원 내의 규정에 따라 선발된 학생으로 중학교 1학년과 2학년 학생들 16명이 함께 수업에 참여하였으나 설문에 응답하지 않은 학생 1명을 제외한 15명 학생의 데이터를 분석 대상으로 하였다. 영재 학생들 중 2명의 학생은 스마트폰을 소지하고 있지 않았다. 또한 15명의 영재 학생들 중 13명의 학생은 스마트 기기를 활용한 수업을 받아본 경험이 있었으나 AR과 VR을 모두 활용한 수업을 받아본 경험이 있는 학생은 4명뿐이었다.

본 연구 대상은 중학교 1~2학년으로 구성되어 있으며 교육 과정의 제한이 없는 프로그램으로 수업이 가능하다. 과학 교육 전문가 1인, 현직 교사 2인, 과학 교육 박사 과정 1인, 과학 교육 석사 과정 1인이 수업 프로그램 개발 및 검토 과정에 참여하였다.

열역학과 물질의 구성을 주제로 AR 및 VR을 접목시킨 활동으로 수업 프로그램을 개발하였으며 활동지를 통하여 수업을 진행하였다(Fig. 1). 수업 프로그램은 총 8차시로 구성되어 있으며 개발한 수업 프로그램 및 주요 활동은 다음과 같다(Table 1).

Figure1.

Example of worksheet.

1-2차시 수업은 ‘화학반응에서 열에너지 출입을 이해하며 열과 온도, 입자 운동 사이의 관계를 이해한다’라는 학습 목표로 구성하였다. 이 때 손난로와 아이스팩에서의 열에너지 출입을 확인하는 VR 애플리케이션과 온도에 따른 입자의 운동 및 온도가 다른 두 물체가 만났을 때 입자의 운동을 확인할 수 있는 VR 애플리케이션을 활용한 활동을 추가하였다. 3-4차시 수업은 ‘열의 이동 방법과 효율적인 단열 방법에 대해 말할 수 있으며 상태 변화가 일어날 때의 열의 출입을 설명할 수 있다’라는 학습목표로 구성하였다. 단열과 냉난방기구를 효율적으로 배치하는 방법에 대해 알아보는 VR 애플리케이션과 상태변화가 일어날 열출입을 확인할 수 있는 AR 애플리케이션을 활용한 활동을 추가하였다. 5-6차시는 ‘모든 물질이 원소로 이루어져 있음을 이해하며 다양한 물질들은 화학 결합으로 생성되었음을 안다’라는 학습 목표로 구성하였다. 물, 불, 흙, 공기 4가지를 이용하여 여러 물질을 만들어 보는 애플리케이션과 원자의 구조를 확인할 수 있는 AR, VR 애플리케이션을 활용한 활동을 추가하였다. 7-8차시는 ‘물질의 특성에 대해 알고 이를 이용하여 혼합물을 분리할 수 있다’라는 학습 목표로 구성하였다. 혼합물을 분리하는 VR 애플리케이션을 활용한 활동을 추가하였다. 또한 물의 전기 분해 실험 실제 실험도 실시하였으며 QR코드를 통해 영재 학생들이 직접 영상으로 실험 방법을 보며 개별적으로 실험을 할 수 있도록 설계하였다. 실험 및 AR, VR을 활용한 활동은 패들렛을 통하여 영재 학생들의 생각과 실험 결과를 공유할 수 있도록 수업을 구성하였다.

수업 전 스마트 기기를 소지하지 않은 학생을 파악하였으며 2인 1조로 사용 가능한 태블릿 PC 및 스마트 폰을 사전에 준비하였다. 또한 스마트 기기를 장착한 후 가상 현실을 체험할 수 있는 HMD를 개인별로 준비하였다. 두 달에 거쳐 8차시 수업을 적용하였으며 사전 설문과 사후 설문은 약 2달 간격을 두고 진행하였다.

영재 학생들의 과학적 태도, 수업 만족도 및 스마트 기기를 활용한 수업에 대한 인식을 알아보기 위하여 설문지를 구성하였다(Table 2). 과학적 태도 검사지 TOSRA(Test of Science-Related Attitudes)는 과학의 사회적 시사, 과학적 태도의 적용, 과학 수업에 대한 흥미, 과학 탐구에 대한 태도, 과학 관련 취미에 대한 관심, 과학에 대한 직업적 관심, 과학자의 평범함으로 7가지 하위 영역으로 구성되어 있는데¹⁹ 본 연구의 취지에 알맞은 과학 수업에 대한 흥미, 과학에 대한 직업적 관심, 과학 탐구에 대한 태도 3개의 하위 영역을 선택하였다. 항목 별로 4개씩 총 12개의 문항을 토대로 전문가 집단의 안면타당도를 거쳐 본 연구에 알맞게 수정·보완하여 설문을 구성하였다. 본 검사지의 신뢰도 계수는 Cronbach’s α .63 이상의 신뢰도를 보였다. 수업 프로그램의 적용 후 과학적 태도의 변화를 알아보기 위하여 과학적 태도 설문지는 수업 프로그램 적용 전과 후에 실시하였다.

수업 만족도를 측정하기 위해서 Yu & Kwon(2009)²¹이 초등학생의 과학 수업 만족도를 알아보기 위하여 개발된 설문지를 AR 및 VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업과 영재 학생을 대상으로 적합하게 용어를 수정 보완하였다. 수업 환경, 교수자, 과학 수업 내용에 대한 3가지 영역으로 구성하였다. 본 검사지의 신뢰도 계수는 Cronbach’s α .81 이상의 신뢰도를 보였다. 또한 영재 학생들이 생각하는 AR 및 VR을 활용하지 않은 과학 수업과 AR, VR과 같은 스마트 기기 활용 수업에 대한 인식을 알아보기 위하여 5점 만점의 리커트 척도(Likert Scale)로 물어보는 8개의 문항을 추가하였다. 수업 만족도와 스마트 기기를 활용한 수업에 대한 인식은 수업 프로그램 적용 이후에만 실시하였다. 또한 AR, VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업에 대한 인식을 면밀하게 알아보기 위하여 스마트 기기를 활용한 수업의 수준과 내용이 적절한지 또한 경험해 본 이전 수업들과 차이가 있는지에 대해 리커트 척도로 구성된 3가지 문항을 사용하였다. 또한 이러한 분석 결과를 좀더 면밀하게 알아보기 위하여 심층 면담을 실시하였으며 이때 반구조화된 질문지를 사용하였다(Table 3). 이 과정에서 과학 교육 전문가 및 현직 교사, 박사 과정생, 석사 과정생 등 총 5인의 검토를 받았다. 또한 심층 면담은 수업 프로그램의 적용과 설문 조사가 모두 끝난 이후 개별적으로 15명의 영재 학생 모두를 대상으로 약 20여분 동안 진행하였다.

AR, VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업을 적용한 후 영재 학생들의 수업 만족도를 5점 만점의 리커트 척도로 분석하였다(Table 4). 분석한 결과 과학 수업 내용과 교수자에 대해서는 높은 수업 만족도를 보였지만 과학 수업 중 활용된 스마트 기기 및 애플리케이션과 같은 수업 환경에 대해서는 다른 영역에 비해 낮은 만족도를 보였다. 하지만 전체 영역에서 평균은 4.34으로 4점 이상인 높은 수업 만족도를 보였다. Kim & Hong(2015)의 선행 연구에서는 스마트 기기를 활용한 STEAM 프로그램을 개발하여 학생들의 과학 흥미도 뿐만 아니라 수업 만족도를 알아보았다. 이는 스마트 기기를 활용한 STEAM 수업을 적용한 Kim & Hong(2015)의 수업만족도가 높은 결과와 맥을 같이한다.²²

영재 학생들에게 과학적 태도 검사의 하위 영역 중 ‘영재 학생들에게 과학적 태도 검사의 하위 영역 중 ‘과학 수업에 대한 흥미’, ‘과학에 대한 직업적 관심’과 ‘과학 탐구에 대한 태도’ 영역을 사전 사후 설문을 실시하여 평균값을 도출하였다(Table 5). ‘과학 수업에 대한 흥미’, ‘과학에 대한 직업적 관심’과 ‘과학 탐구에 대한 태도’ 3가지 영역의 사전과 사후의 평균 값이 모두 상승하였다. 따라서 수업을 적용하기 전과 수업을 적용한 후 이러한 과학적 태도의 차이가 유의미한 차이를 보이는지 알아보기 위하여 통계 분석을 하였다. 본 연구의 대상은 15명으로 샘플 수가 30명 이상이 되지 않아 정규성 가정이 충족되는지 분석하였으며 정규성 가정을 충족시키지 못하여 비모수통계 중 대응표본 t-test에 해당하는 Wilcoxon 부호-서열 검정으로 분석하였다. SPSS 27 프로그램을 이용하여 영재 학생들의 과학적 태도 사전 사후의 차이를 Wilcoxon 부호-서열 검증을 실시하였으며 그 결과는 Table 6과 같다. 분석 결과 ‘과학 수업에 대한 흥미’ 영역의 사전 점수는 4.50, 사후 점수는 4.78으로 AR 및 VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 과학 수업을 적용한 후 0.28점 유의하게 향상되었다(p < .05). ‘과학에 대한 직업적 관심’ 영역의 사전 점수는 4.35, 사후 점수는 4.60으로 0.25점 유의하게 향상되었다(p < .05). 마지막으로 ‘과학 탐구에 대한 태도’ 영역의 사전 점수는 4.47, 사후 점수는 4.83으로 0.36점 유의하게 향상되었다(p < .05). 즉, AR과 VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 과학 수업 프로그램으로 영재 학생들의 ‘과학 수업에 대한 흥미’, ‘과학에 대한 직업적 관심’과 ‘과학 탐구에 대한 태도’가 증가하였다. 따라서 AR, VR을 접목시킨 스마트 기기 활용 수업이 영재 학생의 과학 수업에 대한 흥미, 과학에 대한 직업적 관심, 과학 탐구에 대한 태도를 향상시키는데 효과적이라고 해석할 수 있다. 애플리케이션을 기반으로 생물을 관찰하고 기록하는 학습이 초등학생들의 과학 관련 태도를 유의미하게 향상시킨 Park(2020)의 연구 결과와도 일치하는 것이다.²³ 또한 다른 검사 도구를 이용하여 스마트 기기를 활용한 수업을 적용하여 과학적 태도의 향상을 보인 다른 선행 연구^5,24와 같은 연구 결과를 보인다.

영재 학생들의 AR 및 VR의 실감형 콘텐츠를 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업에 대해 어떻게 인식하고 있는지 알아보기 위하여 5점 만점의 리커트 척도로 구성한 설문을 실시하였고 기술 통계를 실시한 평균값과 표준편차는 Table 7과 같다. 영재 학생들은 스마트 기기를 활용한 수업의 내용이 적절한지에 대해 4.60점으로 가장 높은 인식을 보였으며 그 다음은 4.33점으로 앞으로도 스마트 기기를 활용한 수업에 참여하고 싶은지에 대해 높은 인식을 보였다. 반면에 스마트 기기를 활용한 수업을 한 후 과학 관련 직업을 알아보고 싶다는 생각이 드는지에 대해서는 3.73점으로 다른 문항에 비해 낮은 인식을 보였다. 또한 전체적으로 모든 문항에서 표준 편차가 크게 나타남은 영재 학생의 개인적인 성향이 영향을 미치기 때문이라고 해석할 수 있다. 하지만 전반적으로 스마트 기기를 활용한 과학 수업에 대한 인식이 평균 4.13점이며 모든 문항이 3.5점 이상으로 스마트 기기를 활용한 수업에 대해 긍정적으로 인식하고 있음을 알 수 있다.

영재 학생들의 AR 및 VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업에 대한 인식을 알아보기 위한 서술형 응답을 분석한 결과는 다음과 같다(Table 8). 스마트 기기를 활용한 수업에 대한 전반적은 인식을 알아보기 위하여 전문가 집단의 안면타당도 검토를 거쳐 학생들의 답변 내용을 장점과 단점으로 나눈 뒤 다시 유형별로 구분하여 유목화 하였다. 유형으로 분류한 뒤 빈도수를 계산한 결과, 스마트 기기를 활용한 수업의 장점의 빈도수는 29개, 단점의 빈도수는 10개로 장점의 응답수가 약 3배 더 많이 응답하였다.

AR 및 VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업의 장점으로 응답한 29개의 답변 중 수업 시간의 단축이 가능하다는 점이 10개(34.5%)로 가장 많이 차지하였다. 또한 수업이 흥미롭고 재밌다는 점이 7개(24.1%), 다양한 경험과 체험이 가능하다는 점이 5개(17.2%) 순으로 응답하였다.

AR 및 VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업의 단점으로 응답한 10개의 답변 중 애플리케이션의 완성도가 낮다는 점 5개(50.0%)로 가장 많이 응답하였다. 또한 VR을 사용할 때 어지럽다는 점이 2개(20.0%), 애플리케이션의 조작이 어렵다는 점이 2개(20.0%) 순으로 응답하였다.

리커트 척도로 분석한 결과를 토대로 1:1 심층 면담을 실시하였다. 특히 과학적 태도 및 수업 만족도에 영향을 미친 요인을 좀더 심층적으로 알아보고자 하였다. 영재 학생들은 AR, VR을 접목시켜 스마트 기기를 활용한 수업을 하게 되면 시간을 절약한다는 점에서 긍정적으로 인식하였다. 실제 실험이 아닌 스마트 기기를 활용한 수업을 하게 된다면 오래 걸리는 실험 시간을 단축할 수 있으며 위험한 실험을 안전하게 진행할 수 있다는 점이 그 이유이다. 생명과학 VR 콘텐츠를 활용한 수업에 대한 장점으로 시간적, 윤리적 및 재정적 제약이 있는 실험의 체험이 가능하다고 보고한 Kwon et al.(2018) ²⁵의 선행 연구와 맥을 같이 한다.

영재 학생들은 AR, VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업이 흥미도 및 이해도를 향상시킨다는 점에서 긍정적으로 인식하였다. 스마트 기기를 활용하게 되면 다양한 활동 및 경험을 할 수 있어 수업에 대한 흥미가 증가하게 된다고 인식하였다. 이는 과학적 태도 중 ‘과학 수업에 대한 흥미’ 영역이 증가한 이유로 해석할 수 있으며 과학 수업에 대한 흥미가 일반 학생들 보다 높은 영재 학생들도 스마트 기기를 활용한 수업이 과학 수업에 대한 흥미를 더욱 증가시킬 수 있다는 점에서 의미가 있다. 특히 과학 영재 학생들이 4차 산업혁명의 미래 사회에 적합한 인재가 될 수 있는데 이들이 첨단 기술을 접목시킨 수업에 흥미가 있다는 것은 수업의 효과로써 고무적인 것으로 보인다. 또한 단순한 이론 수업보다 AR 및 VR을 통해 원리를 알게 되며 실제 눈으로 볼 수 없는 원자와 같은 입자들을 직접 볼 수 있다는 점에서 이해가 더 잘 된다고 응답하였다.

특히 실험 결과를 바로 한눈에 볼 수 있다는 점에서 긍정적으로 인식하였으며 스마트 기기를 활용한 활동 중 동기 유발을 위해 직접 작동하는 활동의 만족도가 더 높았으며 이러한 점에서 리커트 척도 결과 높은 수업 만족도와 과학적 태도가 유의하게 증가했음을 알 수 있다. 이는 초등학교 5학년을 대상으로 몸을 구성하는 기관에 대한 수업을 통해 학생들은 평소의 수업보다 이해가 잘 되며 스스로 조작할 수 있다는 점에서 긍정적인 인식을 보인 선행연구²⁶와 결과가 일치한다. 수업 프로그램을 개발하고 적용할 시 학생들이 스스로 조작하며 활동할 수 있는 애플리케이션 및 활동으로 구성해야 함을 알 수 있다.

AR, VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업을 하였을 때 스마트 기기의 오류와 애플리케이션의 완성도가 낮다는 점에서 부정적으로 인식하였다. 이는 스마트 기기 및 애플리케이션에 대한 ‘수업 환경’ 영역의 수업 만족도가 낮게 나온 결과의 이유로 해석할 수 있다. 가상 현실은 머리 착용 디스플레이를 이용하여 가상의 세계 속에서 활동을 진행하게 된다. 가상 현실은 오래 사용하게 되면 어지러움을 유발할 수 있다는 단점을 가지고 있으므로 시간의 간격을 두고 활동을 진행할 필요가 있다. 어지러움은 감각기관 간의 정보 차이로 인해 발생하는 것으로 증강 현실의 단점 중 하나이다. 따라서 수업 중 VR을 활용할 시 학습자의 건강 상태 및 학습 시간을 종합적으로 고려하여 몰입감은 최대한으로 높이고 어지러움은 최소화 시키는 수업 프로그램의 개발이 필요하다.²⁵

스마트 기기를 잘 활용하게 되면 오히려 실제 실험으로 집중을 못하는 학생들에게 흥미를 유발하게 되어 수업에 잘 참여할 수 있으며 다수의 학생을 가르치는 선생님이 지도해주는 활동만 하면 되므로 긍정적인 점도 있다고 응답하였다. 스마트 기기를 활용한 수업을 실제 학교 현장에서 적용하는 것에 대한 긍정적인 인식은 다음과 같다.

증강 현실을 활용한 학습은 학생들에게 즐거움을 유발할 수 있어 학습 동기를 높이는 효과를 보인다는 선행 연구²⁵와 맥을 같이한다. 또한 스마트 기기를 활용하여 수업을 하게 되면 학생들의 동기 부여 및 집중에 효과적이라고 인식하였다. 이러한 긍정적인 평가는 수업 중 가상현실을 통해 학생들이 긍정적인 정서를 갖게 되며 학습 내용에 대한 흥미와 학습 동기를 얻게 되어 자기주도적 학습을 유도한 결과인 선행 연구²⁸와 맥을 같이 한다.

한편 영재 학생들의 인식을 분석한 결과, 스마트 기기를 활용한 수업에 대해 상충되는 긍정적인 인식과 부정적인 인식이 존재한다. 학습의 흥미를 높이게 되어 집중을 할 수 있다는 긍정적인 인식과 오히려 스마트 기기를 이용하여 딴 짓을 하게 되어 수업에 집중하지 않게 된다는 부정적인 인식이 존재한다. 이는 학생들의 개인적인 성향 뿐 아니라 교사가 수업을 어떻게 진행하는지가 영향을 줄 수 있다고 생각한다.

스마트 기기를 활용하지 않은 수업과 스마트 기기를 활용한 수업을 비교했을 때 가장 큰 차이점은 무엇이라고 생각하는지에 대한 질문의 학생들의 대답은 다음과 같다. 먼저 영재 학생들은 대체로 교사가 교과 내용을 설명해주는 강의식 수업을 일반적인 수업으로 인식하고 있었으며 수업에서 직접 실험 재료를 사용하여 실험을 하는 수업을 실험 수업으로 인식하고 있었다. 또한 직접 실험 대신 스마트 기기나 가상 현실, 증강 현실을 활용한 실험을 하는 수업을 스마트 기기 활용 수업으로 인식하였다. 영재 학생들은 일반적인 수업과 비교하였을 때 스마트 기기를 활용한 수업은 단순한 영상이 아닌 직접 활동하며 참여가 가능하다는 점에서 긍정적으로 인식하였다. 또한 AR, VR을 접목시켜 스마트 기기를 활용하여 수업을 하게 되면 자율적으로 공부가 가능하게 되며 쉽게 사용할 수 있으며 원하는 사진이나 영상을 확대하여 볼 수 있다는 점에서 긍정적으로 인식하였다. 이는 초등학교 3~4학년을 대상으로 STEAM 수업을 통해 직접 실습이 가능하며 체험해 볼 수 있다는 점이 가장 높은 결과를 보인 선행 연구와²⁸ 맥을 같이 한다.

반면 서책형 교과서 없이 디지털 교과서 및 스마트 기기로만 수업을 하는 것에 대해서는 대체로 부정적으로 인식하였다. 실제 실험과 스마트 기기를 활용한 실험 활동에 대해서는 실제 실험은 직접 결과를 관찰할 수 있으며 와닿는 점이 더 많다는 점에서 실제 실험이 더 좋다고 응답하였다. 이러한 인식은 서책형 교과서에서 디지털 교과서의 전환을 추진하는 시점에서 고려해야할 사항이다. 반면 스마트 기기를 활용한 활동은 오래 걸리는 실험과 위험한 실험을 대체할 수 있다는 점에서 필요하다고 응답하였다. 또한 패들렛을 통해 다른 조의 결과나 다른 학생들의 의견을 공유할 수 있다는 점에서 스마트 기기를 활용한 수업은 필요하다고 인식하였다. 이러한 점에서 특히 스마트 기기와 애플리케이션을 활용한 활동만이 아니라 실제 실험과 병행하는 수업이 필요하다고 응답하였다.

AR, VR을 접목시킨 과학 수업에 대한 영재 학생들의 인식을 분석한 결과, 학생들은 스마트 기기를 활용하지 않은 과학 수업과 스마트 기기를 활용한 수업에 대해 긍정적인 인식을 보였다. 또한 강의식 수업인 일반적인 수업보다는 AR, VR을 접목시킨 스마트 기기를 활용한 수업에 대해 더 긍정적으로 인식하였다. 영재 학생들은 스마트 기기를 활용한 활동만을 진행하는 것에 대해서는 부정적으로 인식하였다. 시간과 환경을 모두 고려하였을 때 실제 실험이 가능한 여건이 된다면 가상 현실과 증강 현실 등의 스마트 기기를 활용한 수업보다는 실제 실험 수업을 더 긍정적으로 인식하였다. 따라서 스마트 기기를 활용한 수업 뿐 아니라 실제 실험 수업을 병행한 수업이 필요함을 알 수 있다. 그러나 코로나 19로 인하여 비대면 수업이 불가피한 상황에서는 실제 실험이 불가능하므로 AR, VR을 접목시킨 수업의 필요성을 간과할 수 없다.