우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 학습을 촉진하고 교육의 성과를 높이기 위해 최첨단 디지털 테크놀로지가 다양한 교육 분야에 활용되고 있다. 그중 증강현실(Augmented Reality)은 사용자가 직접 눈으로 보는 현실 세계에 가상 물체를 겹쳐 보여주는 기술로, 현실과 가상의 결합, 실시간 상호작용, 3차원 공간(3D)에 놓여있음의 3가지 특징을 가지고 있다[1]. 이러한 특징으로 몰입감과 현실감을 느낄 수 있으며[1], 실제 실험실에서 하기 어려운 실험이나 원자와 분자처럼 눈으로 볼 수 없는 부분에 대한 탐색이 가능하여[2, 3] 과학교육에 접목하려는 노력이 지속되었다[4]. 또한 사용자 관점에서 증강현실은 HMD(Head Mounted Display)를 필수적으로 요구하지 않으면서 스마트폰, 태블릿PC 같은 기기만 있으면 인터페이스를 작동시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다[5]. 이러한 특장점을 갖는 증강현실을 교육에 활용한 결과, 학습 동기 증가 및 흥미 향상[6], 실험실 활동, 탐구 활동과 관련한 긍정적인 태도 함양[7], 과학 개념과 과학적 현상의 이해 증가[8, 9], 과학적 탐구 능력, 과학적 사고력과 같은 역량 함양[10], 학습에서의 상호작용 증가[8, 11]와 같은 교육적 효과가 있는 것으로 나타났다.

2022 개정 과학과 교육과정에서는 미래 사회를 살아갈 학생들의 기초 소양 함양과 관련하여 다양한 디지털 기기와 테크놀로지를 활용한 과학 교수 학습 활동을 통해 디지털 소양(digital literacy)을 함양하는 것을 강조하고 있다. 이를 반영하여 과학 교과의 성취 기준에는 다양한 탐구 활동에서 디지털 도구가 활용될 수 있음이 언급되어 있다. 구체적으로, 운동과 에너지 영역의 ‘빛의 성질’ 단원의 성취 기준을 보면 성취 기준 적용 시 고려 사항에 “빛의 직진, 반사, 굴절 현상을 관찰할 때 컴퓨터 시뮬레이션, 가상현실, 증강현실 등을 이용하여 관찰을 보조할 수 있다”라는 설명이 제시되어 있다[12].

빛의 성질 단원에서 사용할 수 있으며 현재 초등교사들이 많이 활용하고 있는 증강현실 콘텐츠 중 하나는 한국과학창의재단에서 개발하여 제공하고 있는 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠이다[13]. ‘AR 빛 실험실’은 다양한 빛의 성질 학습을 위해 개발되었으며 마커(레이저, 거울, 렌즈, 프리즘 등) 기반 증강현실 콘텐츠이다. 앱스토어와 구글플레이에서 검색하여 손쉽게 설치할 수 있고 콘텐츠 활용에 필요한 마커는 ‘지능형 과학실 ON’ 사이트¹에서 내려받아서 사용할 수 있다. 콘텐츠를 통해 구면 거울과 빛의 반사, 다양한 렌즈에서 빛의 굴절, 다양한 물질에서 빛의 굴절, 빛의 분산, 빛의 혼합 실험을 할 수 있다. Figure 1은 빛의 분산 실험에 필요한 마커이며, Fig. 2는 빛의 분산 실험 내에서 ‘태양광’, ‘프리즘1’, ‘프리즘2’로 표시된 세 가지의 마커를 가지고 태양광이 프리즘 2개를 통과한 결과를 관찰하는 장면이다.

Figure 1. (Color online) Examples of markers.

Figure 2. (Color online) Exploring sunlight passing through two prisms using AR app.

학생들의 과학 학습에 이러한 증강현실 콘텐츠가 효과적으로 활용되기 위해서는 테크놀로지를 활용한 교수·학습과 관련된 교사 전문성 향상을 위한 노력과 지원이 필요하다[14]. 테크놀로지를 활용하는 교사 전문성은 교사가 특정 주제의 교수·학습 계획과 실행을 위해 적절한 특정 테크놀로지가 무엇인지 알고 그 특성을 활용하는 것과 깊게 연관되어 있다[15]. 또한 교사 수업 전문성의 향상은 수업 실행을 전제하고 있으므로, 과학 수업에 테크놀로지를 효과적으로 도입 및 활용하는 교사의 전문성 및 역량 함양에 대한 논의는 교사의 실제 수업계획, 실행, 성찰 과정에 기반하여 이루어져야 할 것이다. 이때 교사가 특정 테크놀로지를 적절하게 활용하는지 판단하는 데 있어 학생의 인지적 참여 수준은 주요한 판단 기준이 될 수 있다. 교수·학습 도구를 활용하는 목적은 궁극적으로 학생의 참여와 이해 증진을 목표로 하기 때문이다.

학습 과정에서 학생들의 인지적 참여(cognitive engagement)가 중요함은 계속 강조되어왔는데[16], 액티브 러닝(active learning)의 개념을 조작적으로 정의하고 이를 뒷받침하는 원리가 제안되었다[17]. 액티브 러닝은 학생들이 학습 자료에 능동적으로, 인지적으로 의미 있게 참여하는 학습을 뜻한다[18, 19]. Chi & Wylie[17]에 따르면 학습 중 직접 관찰이 가능한 학생들의 외현적 학습 행동(on-task behaviors)은 사고 과정을 반영하므로, 외현적 행동, 학습된 지식이 변화되는 과정, 예측되는 학습 결과, 예상되는 인지 결과 등을 기준으로 인지적 참여 수준을 구분할 수 있다. Chi & Wylie[17]는 인지적 참여 수준을 ‘수동적(passive)’, ‘능동적(active)’, ‘구성적(constructive)’, ‘상호작용적(interacitve)’ 즉, 위계를 가지는 4가지 수준으로 분류하였다(ICAP taxonomy). 4가지 인지적 참여 수준의 내용을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

첫째, ‘수동적 참여’에서 학습자의 외현적 행동은 가만히 교사의 설명을 듣고 있거나 영상 자료를 보는 것으로 나타나며 학습자는 지식을 수동적으로 수용한다. 수용된 지식은 기존 지식과의 통합 없이 캡슐화된 방식으로 저장되며, 저장된 지식은 동일 단서나 맥락이 주어질 때만 사용된다. 둘째, ‘능동적 참여’에서 학습자의 외현적 행동은 핵심 내용을 필기하거나 학습 교구를 사용하는 것으로 나타나며 학습자는 지식을 선택하고 조작한다. 선택되고 강조된 정보는 기존 스키마를 활성화하고 통합되어 저장된다. 저장된 지식은 학습 맥락과 동일하지 않은 맥락에서 적용될 수 있다. 셋째, ‘구성적 참여’에서 학습자의 외현적 행동은 학습한 내용을 자기만의 언어로 정리하거나 자기 생각을 발표하는 것으로 나타나며 학습자는 지식을 생성한다. 구성적 참여에서 핵심은 학습자가 새로운 정보를 기존 지식과 통합하는 과정을 거쳐 새로운 지식을 생성하며, 새로운 지식을 새로운 맥락이나 다른 문제 상황에 전이하는 것이다. 넷째, ‘상호작용적 참여’에서 학습자의 외현적 행동은 조별 구성원과 토론하거나 함께 개념도를 그리는 것으로 나타나며 학습자는 지식의 공동생산자가 된다. 두 학습자가 협력을 기반으로 구성적 참여의 핵심인 추론 과정을 거치면서 혼자서는 생성할 수 없는 지식을 공동으로 생성하는 것을 포함한다.

한편, 증강현실 콘텐츠를 활용하는 과학 수업에서 초등교사가 실제로 증강현실 콘텐츠를 어떠한 방식으로 활용하는지를 아는 것은 중요하다. 외부에서 개발·보급되는 증강현실 콘텐츠가 포함하고 있는 학습 자원은 정해져 있지만, 교사는 수업 목적과 의도에 의해 기반하여 증강현실 콘텐츠 내의 학습 자원 중 일부를 선택하여 전체 수업을 다양한 방식으로 구성할 수 있기 때문이다. 또한, 초등교사가 과학 수업에 증강현실을 활용한다고 해서 반드시 학생의 수업 참여와 상호작용이 증진되는 것은 아니다. Kerawalla et al.[20]의 연구에서도 달, 지구, 태양의 운동을 증강현실을 통해 탐색한 초등학생의 참여 정도가 직접 역할 놀이를 수행한 수업에 참여한 학생보다 낮음을 발견하였다. 연구자들은 그 원인을 교사의 수업 방식에서 찾았는데 교사가 학생들에게 증강현실을 조작하는 자율성을 적게 부여했기 때문이라고 해석하였다. 지구와 태양의 운동을 탐색할 수 있는 증강현실을 활용한 탐구 학습이 성공하려면 학생들에게 시간, 위치, 각도 등을 조작하는 기회와 자신의 한 행동의 의미를 성찰할 수 있는 시간을 제공해야 함을 강조한 Shelton & Hedley[21]의 연구 결과와 같은 맥락이라고 할 수 있다.

따라서 이 연구에서는 초등 과학 수업에서 활용되는 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠에 주목하였다. 선행 연구[13]를 통해, 초등교사들이 운동과 에너지 영역 중에서도 빛의 반사와 굴절에 관한 과학 수업을 할 때 해당 콘텐츠를 많이 사용하며, 실제 실험도 어느 정도 가능하지만, 학생들에게 좀 더 명확한 실험 결과를 보여주기 위해 증강현실 콘텐츠를 활용함을 알 수 있었다. 그러나 실제 과학 수업에서 증강현실 콘텐츠를 어떤 방식으로 구체적으로 어떻게 활용하고 있는지에 관한 연구나 증강현실 콘텐츠를 효과적으로 활용할 수 있도록 하는 교사 교육 방안에 관한 연구도 찾아보기 어려웠다.

이에 이 연구에서는 초등 예비교사들이 특정 주제의 과학 수업에서 증강현실 콘텐츠를 어떻게 활용하는지 그 활용 유형을 탐색하였다. 또한 증강현실 콘텐츠를 활용한 수업 활동이 어떠한 초등학생들의 인지적 참여 수준을 의도하고 계획되었는지를 분석하고자 하였다. 초등 예비교사들이 계획한 인지적 참여 수준과 활동 유형에 따른 수업 활동 사례를 기초로 증강현실 콘텐츠 활용과 관련된 교사 전문성 향상과 교사 교육에 대한 함의를 얻고자 하였다.

1. 연구 참여자 및 연구 맥락

이 연구에는 교육대학교 3학년에 재학 중인 62명의 초등 예비교사가 참여하였다. 이들은 1학년 과정에서 과학과 관련된 교양강좌를 4학점 이수하였고 2학년 과정에서 과학교육과 관련된 강좌를 2학점 이수하였다. 또한 연구자 중 1인이 담당하는 초등과학교육 관련 강좌(3학점)의 강의와 실험을 통해 2015 개정 초등 과학과 교육과정 및 교과서에서 다루는 에너지 영역의 주요 내용 요소(예를 들면, 빛의 성질, 전기회로, 열과 온도, 물체의 무게, 소리의 성질 등)를 학습하였다. 이 강좌에서 가상현실과 증강현실을 활용한 교육용 콘텐츠를 알아보고 직접 사용해 보는 실습을 하였는데, 교수자는 한국과학창의재단에서 개발·보급하는 실감형 콘텐츠와 한국교육학술정보원에서 개발하여 초등 과학 디지털교과서에서 제공하고 있는 실감형 콘텐츠를 소개하였다. 학기 말에는 모둠별로 실감형 콘텐츠를 활용하여 ‘빛의 성질’을 주제로 한 과학 수업지도안을 작성하는 과제를 수행하였다. 과제 수행 안내 사항에는 초등학교 고학년 학생(5–6학년)을 대상으로 하되, 교과서에 제시되었거나 교과서와 유사한 활동뿐 아니라 초등학생 수준에 적절하다고 판단되는 활동이라면 교사가 창의적으로 고안할 수 있음이 포함되었다. 또한 수업 전체를 실감형 콘텐츠로 진행해야 하는 것은 아니며 실감형 콘텐츠의 효과적 활용을 모색하도록 안내하였다. 수업지도안을 작성하여 제출한 후 수업 내용 중 증강현실 콘텐츠를 활용하는 핵심적인 부분만을 다루는 모의 수업을 하도록 하였으며 모둠별로 15분 내외 진행되었다.

연구 진행 전 연구 목적과 내용을 설명하였고 연구 참여에 동의하는 예비교사의 수업지도안과 모의 수업 시연 녹화 동영상을 연구 자료로 수집하였다. 결과적으로 초등 예비교사들은 모두 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 활용하여 수업을 계획하였고 한국교육학술정보원의 앱을 활용한 모둠은 없었다. 따라서 이 연구의 분석 대상은 모두 증강현실을 활용한 과학 수업지도안이라고 할 수 있다. 연구자가 처음부터 의도하지는 않았지만 모두 같은 앱을 사용하였기 때문에 초등 예비교사들이 같은 앱을 어떻게 다르게 활용하는지 그 차이를 좀 더 자세히 살펴볼 수 있었다.

2. 분석 방법

이 연구에서는 초등 예비교사의 증강현실 활용 과학 수업계획에 나타난 학생의 인지적 참여 수준과 증강현실 활용 유형을 분석하기 위하여 세 단계의 분석 과정을 거쳤다.

먼저 1단계에서는 모둠별로 작성된 수업지도안에 표현된 수업 활동을 세부 활동 단위로 나누었다. 16개 모둠별 수업지도안에 A부터 P의 기호를 부여하고 각 수업지도안에서 도출된 세부 활동 단위에는 1, 2, 3의 순으로 숫자를 부여하였다(예를 들어, 첫 번째 모둠의 첫 번째 세부 활동은 A-01). 16개 모둠별 수업지도안에서 전체 46개의 세부 활동을 추출하였고 이 세부 활동을 테크놀로지를 활용한 활동(Technology-enhanced Activity; TA)과 활용하지 않은 활동(non Technology-enhanced Activity; nTA)으로 분류하였다. 예비교사들이 계획한 수업 구성을 세부 활동으로 나누고, 각 활동을 테크놀로지 활용 여부로 분석한 예시는 Table 1과 같다. 수업 전체 흐름을 ‘도입/동기유발’, ‘전개’, ‘정리’로 구분하였을 때, 대부분의 모둠에서는 AR 활용 활동을 전개 단계에서 주로 계획하였다. 또 대부분 도입이나 동기유발은 간단하게 이루어져 별도의 활동으로 보기 어려웠으나 B조와 D조처럼 ‘도입/동기유발’ 단계에서 학생 참여하는 활동을 계획하는 경우도 일부 있었다.

Table 1

Example of lesson plan sequence and activities.

Group	Sequence and Activities
Group A	Introduction → Predicting how light will be refracted [A01/nTA] → Observation using AR [A02/TA] → Inferring the change of light speed in refraction [A03/nTA] → Summary
Group B	Introduction: Finding convex lens [B01/nTA] → Observing the shape of a convex lens [B02/nTA] → Observing objects with a convex lens [B03/nTA] → Observing light passing through a convex lens [B04/nTA] → Organizing features of lens [B05/nTA] → Doing a mission using AR [B06/TA] → Summary
Group C	Introduction → Observing the path of light [C01/nTA] → Observing the reflection of light using AR [C02/TA] → Making a light triangle using AR [C03/TA] → Summary
Group D	Introduction: A mixture of light [D01/nTA] → A mixture of light using AR [D02/TA] → The color of the shadow [D3/nTA] → Summary
Group E	Introduction → Observing the path of the laser [E01/nTA] → Observing the reflection of light using AR [E02/TA] → Summary

2단계에서는 Chi & Wylie[17]의 인지적 참여 수준 분석 틀에 기반하여 46개의 세부 활동의 인지적 참여 수준을 분석하였다(Table 2). 3단계에서는 테크놀로지를 활용한 활동 유형을 귀납적으로 도출하여 ‘탐색형’과 ‘게임·놀이형’으로 분류하였다.

Table 2

ICAP framework (Chi & Wylie[17]).

	Passive	Active	Constructive	Interactive
Examples of external activities	Listening to the teacher's explanation	Taking verbatim notes	Expressing what one has learned in one's own words	Defending and arguing a position in dyads or small group
Knowledge change processes	Store: new information is stored in an isolated way	Integrate: new information in integrated with activated prior knowledge	Infer: new knowledge is inferred from activated and integrated knowledge	Co-Infer: Each student iteratively infers knowledge with new inputs from conversational peer(s)
Expected knowledge changes	New knowledge is stored in isolation.	Existing schema is more complete & strengthened.	Inferences create new knowledge Existing schema become more enriched.	New knowledge can be created based on interaction with peers.
Expected cognitive outcomes	Recall	Apply	Transfer	Co-create

인지적 참여 수준과 활동 유형의 분석 예시는 Table 3과 같다. 1단계에서 3단계까지 분석 과정을 C조의 사례를 통해 살펴보면 다음과 같다. Table 1을 통해서 알 수 있듯이 C조의 예비교사들은 도입/동기유발 단계, 3개의 활동으로 구성된 전개 단계, 마지막 수업 내용 정리 및 차시 예고 단계로 구성된 수업을 계획하였다. 전개 단계의 3개 활동 중 2번째(C-02), 3번째(C-03) 활동이 증강현실 콘텐츠를 활용한 활동이었다. 그중 C-02는 교사가 제기한 탐구 문제(빛이 거울에 닿으면 어디로 가는지 알아봅시다)를 해결하기 위해 학생들이 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 조작하여 레이저의 빛이 평면거울, 오목거울, 볼록거울에 부딪혔을 때의 결과를 관찰하고 학습지에 빛의 경로를 그려보는 활동이었다. 만약 교사가 콘텐츠를 조작하고 학생들은 단순히 빛의 반사 경로를 관찰만 했다면 즉, 단순히 교사가 하는 것을 보고 받아들이기만 했다면 ‘수동적 참여‘로 분석했을 것이다. 하지만 C-02 활동에 참여한 개별 학생들은 능동적으로 앱과 마커를 조작하면서 빛의 경로를 관찰하고 활동지를 작성하였다. 즉, 교사가 제시한 정보를 학생이 선택하고 조작하는 외현적 행동(예: 교사가 하는 말을 공책에 옮겨 적기)이 나타났음을 알 수 있다. 또한 활동의 결과인 지식 습득의 관점에 있어 도입/동기유발 단계에서 언급되었던 일상생활에서 거울을 봤던 경험, 학생이 기존에 가지고 있던 경험 및 지식과 연관하여 빛의 반사 개념을 학습하게 되면서 기존의 지식이 더 견고해졌다고 볼 수 있으므로 ‘능동적 참여’ 수준으로 분석하였으며, 학생들이 직접 현상을 관찰하는 활동이므로 ‘탐색형’에 해당하는 활동 유형으로 분석하였다. C-03의 경우 학생이 직접 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 조작하여 C-02에서 배운 빛의 반사 개념을 적용할 수 있는 활동(거울을 사용하여 레이저로 삼각형 만들기 미션 수행)을 혼자서 하도록 계획하였으므로 C-02와 마찬가지로 ‘능동적 참여’ 수준 그리고 ‘게임·놀이형’ 활동 유형으로 분석하였다.

Table 3

Example of data analysis.

Group	Activity	TA/nTA	ICAP	Type
Group A	A-01	nTA	constructive	-
	A-02	TA	constructive	exploration
	A-03	nTA	constructive	-
Group C	C-01	nTA	active	-
	C-02	TA	active	exploration
	C-03	TA	active	game & play

1. 인지적 참여 수준에 따른 활동 분석 결과

16개의 수업지도안에서 추출된 46개의 활동 중 테크놀로지 활용 활동은 19개(41.3%), 테크놀로지를 활용하지 않은 활동은 27개(58.7%)였다. 테크놀로지 활용 활동을 인지적 참여 수준에 따라 분석하였을 때, 가장 낮은 수준인 수동적 참여와 가장 높은 수준인 상호작용적 참여는 나타나지 않았으며, 기존 능동적 참여 수준은 개인 활동과 그룹 활동 두 가지로 분류되었다. 기존 Chi & Wylie[17]의 인지적 참여 수준 분석 틀에서는 가장 높은 수준의 상호작용적 참여에서만 학생들이 그룹으로 활동하는 것을 고려하였다. 하지만 이 연구의 데이터 분석 결과, 초등 예비교사들은 개인 혹은 그룹이 능동적 참여하는 것으로 계획하였고 따라서 능동적 참여 수준을 개인과 그룹으로 구분하게 되었다. 그 결과, 19개의 테크놀로지 활용 활동은 능동적(개인) 참여 13개(68.4%), 능동적(그룹) 참여 3개(15.8%), 구성적 참여 3개(15.8%)로 분류되었으며, 수동적 참여와 상호작용적 참여는 나타나지 않았다(Table 4). 테크놀로지를 활용하지 않은 활동과 비교하였을 때, 수동적 참여의 비율은 낮았고 능동적(개인) 참여와 구성적 참여의 비율이 비슷하였으며, 능동적(그룹) 참여의 비율은 높았다.

Table 4

Classification of activities based on the level of cognitive engagement.

	Passive	Active	Co-Active	Constructive	Interactive	Total
TA	0	13(68.4%)	3(15.8%)	3(15.8%)	0	19(100%)
nTA	3(11.1%)	18(66.7%)	1(3.7%)	5(18.5%)	0	27(100%)

2. 테크놀로지 활용 활동(TA)의 유형 분석 결과

귀납적으로 도출된 테크놀로지 활용 유형은 2가지로 ‘탐색형’과 ‘게임·놀이형’이었다. 각 유형에 대한 설명은 Table 5와 같다. ‘탐색형’은 학생이 직접 증강현실 콘텐츠를 조작하면서 콘텐츠에서 나타나는 현상을 관찰하거나 학생이 추론을 통해 예측한 결과를 확인해 보는 활동이다. ‘게임·놀이형’은 콘텐츠를 활용하여 학생들이 주어진 미션을 완수하거나 경쟁하는 게임 활동이다.

Table 5

Types of technology-enhanced activity.

Type of TA	Description
Exploration	Observing the phenomenon as a student manipulates the app. Inferring results and confirming expected results.
Game & Play	Using the app to complete a given mission. To accomplish the mission, students use previously learned knowledge.

19개의 테크놀로지 활용 활동을 유형에 따라 분류하였을 때(Table 6) ‘탐색형’은 10개(52.6%), ‘게임·놀이형’은 9개(47.4%)였다. 인지적 참여 수준에 따른 활동 유형을 살펴보면, 능동적(그룹) 참여는 모두 ‘게임·놀이형’이었으며, 능동적(개인) 참여와 구성적 참여는 ‘탐색형’과 ‘게임·놀이형’ 두 가지가 모두 나타났다.

Table 6

Type of Technology-enhanced activity based on the level of cognitive engagement.

	Exploration	Game & Play	Total
Passive	0(0%)	0(0%)	0(0%)
Active	8(42.1%)	5(26.3%)	13(68.4%)
Co-Active	0(0%)	3(15.8%)	3(15.8%)
Constructive	2(10.5%)	1(5.3%)	3(15.8%)
Interactive	0(0%)	0(0%)	0(0%)
Total	10(52.6%)	9(47.4%)	19(100%)

3. 인지적 참여 수준과 활동 유형에 따른 수업 활동 사례

테크놀로지 활용 활동을 인지적 참여 수준과 유형의 두 기준으로 분석한 결과, 능동적(개인)-탐색형, 능동적(개인)-게임·놀이형, 능동적(그룹)-게임·놀이형, 구성적-탐색형, 구성적-게임·놀이형 총 5가지의 수업 활동 사례가 나타났다. 다음은 5가지 유형에 해당하는 대표적 사례이다.

1) 사례 1: 능동적(개인)-탐색형

J조는 빛의 굴절을 수업 주제로 선택하였고 수업 목표는 ‘빛이 굴절하는 현상을 인지하고 굴절이 일어나는 이유를 알 수 있으며, AR 콘텐츠를 통해 빛이 볼록렌즈를 통과할 때 생기는 변화를 관찰 및 활용하여 빛의 진행 방향을 조작해 볼 수 있다.’였다. 전체 수업은 3개 활동으로 구성되었으며, 두 번째 활동이 학생들이 직접 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 활용하여 빛이 꺾이는 현상을 관찰하는 활동이었다. J조 예비교사들이 의도한 것은 초등학생이 직접 스마트 기기로 앱과 마커를 활용하여 레이저에서 나온 빛이 볼록렌즈를 만나면 어떻게 되는지 개인적으로 관찰하고 교사의 질문에 답해 가며 관찰한 내용을 확인하는 것이었다(Fig. 3). 이 활동은 학생이 직접 개별적으로 증강현실 콘텐츠를 조작하여 관찰하는 활동이므로 능동적(개인)-탐색형에 해당하였다. 이러한 능동적(개인)-탐색형 수업 활동은 테크놀로지를 활용한 활동 19개 중 8개(42.1%)로 초등 예비교사가 가장 많이 계획한 방식이었다.

Figure 3. (Color online) PowerPoint material to be used in the class (Group J).

2) 사례 2: 구성적-탐색형

F조의 수업 주제는 ‘빛의 굴절’이었고, 전 차시에 학생들이 ‘빛의 굴절’에 대해서 배웠다고 가정하고 해당 차시에는 학생들이 증강현실 콘텐츠를 활용하여 빛이 ‘볼록렌즈’를 통과했을 때 어떻게 나아가는지 탐색하는 것을 계획하였다. 전체 수업은 두 개의 활동으로 구성되었으며 첫 번째 활동이 실제 볼록렌즈를 관찰하고 빛이 볼록렌즈를 통과했을 때의 모습을 예상해 본 후(Fig. 4), ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 활용하여 스스로 예상한 빛의 굴절 경로를 확인해 보는 것이었다(Fig. 5). F조에서 계획한 활동은 전 차시에서 배운 빛의 굴절의 개념을 바탕으로 볼록렌즈를 통과한 빛의 경로를 예상하게 한 후, AR 콘텐츠를 통해 직접 그 결과를 탐색해 보고 자신이 예측한 결과와 일치하는지를 탐구해 보는 것이었기 때문에 구성적-탐색형에 해당하였다. F조의 예비교사들이 제출한 수업지도안에도 “어떻게 되는지 예측하고 스스로 가설을 세워보도록 하였다. 그 후 직접 증강현실을 통한 실험으로 학생 스스로 자신의 가설을 확인해 볼 수 있도록 하였다.”라고 수업 의도를 작성하였다.

Figure 4. (Color online) PowerPoint material to be used in the class (Group F).

Figure 5. (Color online) Student's App manipulation and observation.

J조와 F조 두 사례의 공통점은 학생이 직접 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 학생들이 직접 조작하면서 탐구하도록 했다는 점이다. J조 수업계획은 학생들이 빛이 볼록렌즈를 통과하면 어떻게 되는지 관찰하고 교사가 질문을 하면 관찰한 것을 답하는 방식이었다. 반면, 같은 주제의 수업을 계획한 F조의 활동은 학생들에게 빛이 볼록렌즈를 통과했을 때의 경로를 예상하게 하고 예상 결과를 활동지에 적은 후, ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 통해 자신이 예상한 결과를 확인하도록 했다. 따라서 F조의 수업계획에 나타난 활동이 J조의 능동적(개인) 참여 수준보다는 한 단계 높은 구성적 참여 수준인 것으로 판단할 수 있었다.

3) 사례 3: 능동적(개인)-게임·놀이형

D조의 수업 주제는 빛의 혼합이었고 수업 목표는 ‘여러 가지 색의 빛을 AR로 혼합해 보고 혼합 결과를 알 수 있다’였다. 3개의 활동으로 구성된 D조의 수업 중 두 번째 활동에 해당하며 손전등과 다양한 셀로판지를 이용하여 학생이 직접 색이 혼합되는 것을 관찰하는 활동 후 진행되었다. ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 학생이 직접 조작하여 교사가 제시하는 5개의 미션을 완수하는 것으로 수업지도안에서 ‘미션 수행하기’라는 문구로 표현되었다(Fig. 6). 이 세부 활동의 목표 자체가 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠로 빛을 혼합해 보고 혼합 결과를 알아보는 것이었기 때문에 즉, 어떤 추론 과정이나 새로운 지식의 구성은 의도되지 않았기 때문에 능동적(개인)-게임·놀이형 사례로 볼 수 있었다.

Figure 6. (Color online) PowerPoint material to be used in the class (Group D).

4) 사례 4: 능동적(그룹)-게임·놀이형

L조는 수업 주제로 빛의 반사를, 수업 목표로 ‘빛이 거울에 부딪혀 나가는 모습을 설명할 수 있다’, ‘거울을 사용해 빛의 방향을 바꿀 수 있다’를 설정하였다. 이 수업 사례 역시 게임·놀이형으로 구분되었는데, 전술한 D조의 수업 활동과 거의 유사하지만 개인이 아닌 그룹별로 활동을 수행했다는 것에 차이점이 있었다. L조에서 계획한 증강현실 콘텐츠 활용 활동은 평면거울, 레이저와 같은 실제 실험 도구로 빛이 반사되는 것을 학생들이 직접 관찰한 후 이루어진 후속 활동이었다. 학생들이 첫 번째 활동을 통해 학습한 정반사의 개념을 적용하여 조별로 앱을 통해 미로를 빠져나오는 활동이었기 때문에(Fig. 7, Fig. 8) 능동적(그룹)-게임·놀이형이었고, 예비교사는 대부분 게임·놀이형을 L조의 예비교사들처럼 배운 내용을 미션 형태의 활동에 적용해 보는 의도로 활동을 계획한 것을 알 수 있었다.

Figure 7. (Color online) PowerPoint material to be used in the class (Group L).

Figure 8. (Color online) A student performing a mission with AR app.

5) 사례 5: 구성적-게임·놀이형

I조의 활동은 유일하게 구성적 참여를 의도한 게임·놀이형 사례였다. I조의 수업 주제는 빛의 굴절이었으며 수업 목표는 ‘볼록렌즈와 오목렌즈의 모양에는 어떤 특징이 말할 수 있다’, ‘볼록렌즈와 오목렌즈의 특징을 다양하게 활용할 수 있다’였다. 전술한 구성적-탐색형의 F조 수업 사례와 유사한 성취 기준에 해당하는 차시지만, I조에서는 교육과정에 언급된 볼록렌즈뿐만 아니라 오목렌즈를 수업 내용에 포함하였다. 전체 수업은 두 개의 활동으로 구성되었는데 두 번째 활동에서 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 활용했다. 해당 활동에서 AR을 활용하여 볼록렌즈와 오목렌즈에서 빛이 어떻게 굴절되는지 관찰하고, 각 렌즈의 특성에 맞게 빛을 하나로 모으거나 퍼뜨리는 방법을 학생 스스로 탐구하도록 하였다. 그리고 조별로 볼록렌즈와 오목렌즈를 이용하여 빛을 굴절시켜 골대로 골인시키는 미션을 완수하도록 하였다(Fig. 9). 마지막으로 미션을 어떻게 완수했는지 조별로 문제해결 방법을 발표하도록 하였다. 이 과정에서 학생들이 스스로 빛을 모으거나 퍼지는 방법을 알아보고 본인들만의 문제해결 방법을 전체 학급을 대상으로 발표하도록 하였기 때문에 구성적-게임·놀이형 활동에 해당한다.

Figure 9. (Color online) PowerPoint material to be used in the class (Group I).

사례 3, 사례 4, 사례 5는 모두 ‘게임·놀이형’이지만 의도된 인지적 참여 수준은 능동적(개인) 참여, 능동적(그룹) 참여, 구성적 참여로 각각 달랐다. 사례 3과 사례 4는 주어진 미션을 학생 개인이 수행하느냐 그룹이 수행하느냐에 차이점이 있을 뿐 의도된 인지적 참여 수준은 능동적 참여로 동일하였다. 반면 사례 5에서 나타난 I조의 활동은 볼록렌즈와 오목렌즈를 활용하여 빛을 모으거나 퍼뜨리는 방법을 조별로 스스로 탐구하고 주어진 미션 수행 후, 미션 수행 방법을 직접 발표하게 하였다. 즉, 배운 지식을 활용하여 추론하고 추론의 결과를 자신들의 언어로 표현해 보는 과정을 의도하였기 때문에 구성적 참여였으며, 사례 3과 사례 4에서 보이는 D조와 L조의 활동과는 구별되었다.

테크놀로지 활용과 관련된 교사 전문성 향상을 지원하기 위해서는 예비교사가 특정 주제의 수업에서 특정 테크놀로지를 적절하게 활용하는 수업계획을 세우고 실행하는 과정에 관한 연구가 필요하다. 이 연구에서는 초등 예비교사가 증강현실 콘텐츠를 활용하여 계획한 과학 수업지도안을 분석하여 예비교사가 증강현실 콘텐츠 활용 수업 활동에서 의도하고 있는 학생의 인지적 참여 수준과 증강현실 콘텐츠 활용 수업 활동의 유형 및 특징을 탐색하였다.

수업지도안을 세부 활동으로 구분하였을 때 총 46개의 수업 활동 중 테크놀로지를 활용 활동은 19개였다. 이 활동들을 인지적 참여 수준에 따라 분석했을 때, ‘능동적(개인) 참여’ 13개(68.4%), ‘능동적(그룹) 참여’ 3개(15.8%), ‘구성적 참여’ 3개(15.8%)로 분석되어 능동적(개인) 참여가 가장 많았으며, ‘수동적 참여’와 ‘상호작용적 참여’는 나타나지 않았다.

예비교사들이 증강현실 콘텐츠를 활용하여 계획한 수업 활동에서 ‘수동적 참여’가 나타나지 않은 것은 증강현실 콘텐츠가 가지는 특징 때문이라고 볼 수 있다. 대부분의 교육용 증강현실 콘텐츠는 마커와 앱을 구동할 수 있는 기기로 사용할 수 있다. ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠 또한 학생들에게 마커와 앱이 탑재된 기기만 제공된다면 교사나 성인의 도움이 없이 손쉽게 직관적으로 조작하고 활용할 수 있는 콘텐츠이다. 이러한 특성은 학생이 직접 조작하고 관찰하는 활동을 쉽게 계획하도록 할 수 있다. 한편, ‘구성적 참여’는 3개로 적은 편이고, ‘상호작용적 참여’는 나타나지 않은 점은 수업을 설계한 예비교사의 특성에 기인한 것으로 추측된다. ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 활용하면서 초등학생이 개인별로 자기의 생각을 표현해 보게 한 후, 개개인의 생각을 모아 종합하거나 새로운 생각을 구성해 보게 하는 활동을 계획하는 것도 가능하였지만, 대부분 예비교사는 그러한 활동을 계획하기보다 단순히 함께 미션을 해결하거나 개인의 생각을 단순히 발표하는 것에 그치는 활동을 계획하였다. 이러한 경향은 초등 예비교사들의 스마트 도구 활용 연구 결과[22]와 유사하였다. 선행 연구에서 초등 예비교사는 스마트 도구를 능숙하게 다루며, 스마트 도구를 초등학생들의 능동적 조작과 초등학생 간의 상호작용을 유발할 수 있는 도구로 인식하는 경향이 있었으나 실제로 수업을 설계할 때는 학생들에게 답을 찾도록 하는 방식, 지시적인 접근으로 계획하는 모습이 나타났다. 따라서 도구 활용에 대한 인식이 계획 및 실행으로 바로 이어지는 것은 아니며 실제 수업에서 학생 중심적으로 테크놀로지를 활용하는 역량은 부족한 것으로 보인다. 따라서 수업을 다양하게 계획해보는 활동이 이루어져야 하며[23], 더 나아가 수업 시연의 기회도 제공되어야 할 것이다[24].

하지만, 테크놀로지를 활용하지 않은 활동과 비교했을 때, 수동적 참여가 나타나지 않은 점, 능동적(그룹) 참여의 비율이 높은 점은 고무적인 결과라고 할 수 있다. 이는 증강현실 콘텐츠를 활용하면 학생 간의 상호작용이 증가한다는 선행 연구 결과[8, 11]와 일치하는 것이다. 또한 테크놀로지 활용 활동은 ‘탐색형’ 10개(52.6%), ‘게임·놀이형’ 9개(47.4%)의 두 가지 유형으로 분류되었다. ‘탐색형’은 직접 콘텐츠를 조작하면서 현상을 관찰하거나 과학적 추론을 통해 예측한 결과를 확인하는 유형이었다. ‘게임·놀이형’은 콘텐츠를 직접 조작하며 교사가 제시한 미션을 완수하는 유형이었으며, 미션은 대개 학습 내용을 적용하여 해결할 수 있는 형태였다.

테크놀로지를 활용하는 수업 활동의 인지적 참여 수준과 활동 유형을 조합하여 보았을 때 능동적(그룹) 참여는 모두 게임·놀이형이었으며, 능동적(개인) 참여와 구성적 참여는 탐색형과 게임·놀이형 두 가지가 모두 나타났다. 종합적으로, 테크놀로지 활용 활동은 능동적(개인)-탐색형 8개(42.1%), 능동적(개인)-게임·놀이형 5개(26.3%), 능동적(그룹)-게임·놀이형 3개(15.8%), 구성적-탐색형 2개(10.5%), 구성적-게임·놀이형 1개(5.3%) 총 5가지의 사례로 분류되었다.

이러한 결과를 보았을 때 초등 예비교사들은 주로 학생들이 능동적으로 앱을 조작하고 탐색하는 과정을 고려하여 수업 활동을 계획함을 알 수 있었다. 다만, 테크놀로지를 활용한 19개의 활동 중 구성적 참여를 의도하는 활동은 3개밖에 되지 않아 구성적 참여 수준 이상으로 수업 활동을 계획하는 것에는 어려움이 있음을 알 수 있다.

연구 결과에 기초하여 증강현실 콘텐츠 활용과 관련된 교사 전문성 향상과 교사 교육을 위하여 다음과 같이 제언한다.

첫째, 초등 예비교사들은 인지적 참여 수준 중 주로 능동적 참여를 의도하는 수업을 계획하였는데 이보다 높은 수준의 인지적 참여(구성적, 상호작용적)를 의도하는 수업을 계획할 수 있는 역량 함량이 필요하다. 또한 능동적 참여를 의도하는 활동의 비율은 테크놀로지를 활용하지 않는 활동에서도 유사하였으므로 전반적으로 구성적 혹은 상호작용적 수업 전략을 계획하는 역량 함양이 필요하다. 이를 위한 한 가지 방안은 예비교사들에게 ICAP 이론과 학생의 인지적 참여 수준의 예시를 소개하고 예비교사들에게 적절한 활동이나 전략을 생성해 보는 연습 기회를 주는 것이다. 이때 구성적 참여 혹은 상호작용적 참여로 분류될 수 있는 구체적인 수업 활동의 예시를 교수자가 소개하고 설명하는 것이 도움 될 것이다.

둘째, 초등 예비교사들에게 실감형 콘텐츠의 어포던스(affordance)를 명시적으로 안내할 필요가 있을 것이다. 연구 결과에서 볼 수 있듯이 똑같은 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 활용했음에도 불구하고 예비교사가 의도한 인지적 참여 수준과 활동 유형은 다양하게 나타났다. 대부분 예비교사는 증강현실 콘텐츠가 가지고 있는 교육적 어포던스 중에서도 학생들의 흥미 향상[6], 과학적 현상의 이해에 도움[8, 9], 학습에서의 상호작용 증가[8, 11] 부분을 주로 고려하였다. 따라서 증강현실 콘텐츠가 과학적 탐구 능력, 과학적 사고력 등과 같은 역량을 함양시키는 도구로도 활용될 수 있음을 안내할 필요가 있을 것이다. 이를 위해 예비교사들에게 실감형 콘텐츠를 탐색하고 실습하는 과정에서 단순히 앱을 몇 차례 조작해 보는 것에 그치는 것이 아니라 모둠별로 특정 콘텐츠를 활용할 수 있는 수업 주제, 수업 목표, 그에 따른 전략과 방법을 생각해 보고 이를 비교하여 평가하고 논의하는 시간을 충분히 제공해야 할 것이다. 이 연구에서 사용한 분석 틀은 예비교사나 교사가 자신의 수업 계획안을 평가할 때 주요한 기준틀이 될 수 있으며 연구 결과로 제시된 다섯 가지 수업 활동 사례 또한 교사 교육에 구체적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.

이 연구는 몇 가지 점에서 한계점이 있으며 이를 보완한 후속 연구가 이루어질 필요가 있다. 첫째, 이 연구에서는 초등 예비교사가 작성한 수업지도안만을 분석하였으며 실제 초등학교 현장에서 교사들이 ‘AR 빛 실험실’ 콘텐츠를 실제로 어떤 방식으로 해당 콘텐츠를 활용하고 어떤 유형의 활동을 계획하는지 조사하지 못하였다. 또한, 같은 콘텐츠라도 예비교사와 교사의 콘텐츠 활용 방식이 다를 수 있다는 점 또한 탐색하지 못하였다. 둘째, 이 연구에서는 수업계획에서 나타난 증강현실 콘텐츠 활용의 유형과 의도된 인지적 참여 수준만을 분석하였으며 실제 해당 수업이 실행된 과정과 결과는 질적으로 분석하지 못하였다. 교사나 예비교사는 수업을 계획할 때 예를 들어, 구성적-탐색형을 의도하였으나 실제 수업 실행을 한 결과 학생들의 인지적 참여 수준과 활동 유형은 그렇지 않을 수도 있기 때문이다. 셋째, 16개의 수업지도안을 분석하여 인지적 참여 수준에서 수동적 참여와 상호작용적 참여는 나타나지 않았으며, 활용 유형은 탐색형과 게임·놀이형 두 가지로 나타났다. 더 많은 수업지도안과 수업계획이 실제 구현된 과정을 고려하여 분석하였다면 이 연구에서는 나타나지 않은 인지적 참여 수준이나 더 다양한 활용 유형이 나타났을 것으로 예상된다. 따라서 이러한 연구의 한계점을 보완하여 후속 연구가 이루어져야 할 것이다.

이 성과는 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다(No. NRF-2021R1I1A3040733). This research was funded by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MOE: Ministry of Education), No. NRF-2021R1I1A3040733.

¹ 지능형과학실ON 사이트 주소: https://science-on.kofac.re.kr/body/archive/9730c09b819d473a8c19fb73ed271ab1/main.do