최근 발표된 2022 개정 교육과정의 주요 내용을 살펴보면 인공지능과 디지털 리터러시(digital literary)를 강조하고 있다. 해당 교육과정의 도입으로 인해 고등학교에 인공지능 기초, 인공지능 수학, 데이터 과학과 같은 과목이 신설되었고, 모든 교과에서 교과 교육을 통한 디지털 기초 소양 함양을 목표로 하게 되었다[1]. 디지털 리터러시를 교과교육에서 함양하고, 실천하기 위해서는 에듀테크(Edutech)가 필요하다. 에듀테크는 Education과 Technology의 합성어로 정보통신 기술을 활용하여 학습을 촉진하고 교수학습을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 기술을 의미한다. 국내의 에듀테크 도입의 역사를 간략히 기술하면 1990년대 말 학교의 교단 선진화 사업 이후 ICT 활용 교육이 이루어지고, 학교 현장의 교육 정보화를 위한 기본 인프라가 구축되었다. 2000년대 이후 초고속 인터넷이 보급되면서 e-러닝이 등장하고, 2010년대에는 스마트폰, 스마트 패드를 활용하면서 스마트 러닝(smart learning)이라는 모바일 장치를 활용한 교육이 활성화되었다[2]. 2010년대 중반 이후에는 4차 산업혁명의 주축을 담당하는 기술인 인공지능(Artificial Intelligence; AI), 사물인터넷(Internet of Things; IoT), 빅데이터(Big Data), 가상현실(Virtual Reality; VR)과 증강현실(Augmented Reality; AR)이 교육과 융합하게 되면서 기존과 다른 학습 경험을 제공하는 에듀테크 기술이 도입되었다[3]. 국내의 경우 2020년부터 전 세계를 강타한 코로나 팬데믹으로 인해 비대면 교육이 실시되면서, 에듀테크와 연관된 수요와 기술 및 산업이 크게 성장하게 되었다. 2019년 이전에는 활용하는 사례를 찾기 힘들었던 Zoom, Padlet, Google Classroom, MS Teams, QuizN과 같은 플랫폼도 포스트코로나(Post-Corona)로 접어든 현 시점에서는 이러한 플랫폼이 교육현장에서 활용하고 있는 모습을 손쉽게 찾아볼 수 있다[4].

에듀테크 콘텐츠의 여러 영역 중 한 축을 담당하고 있는 것은 실감형 콘텐츠이다. 실감형 콘텐츠의 구현을 위해 AR과 VR 기술이 주목되고 있으며, 가상 세계 공간을 의미하는 메타버스(Metaverse) 역시 AR, VR 기술이 바탕이 된다. 메타버스는 교육계뿐만 아니라 산업계에서도 관심과 시장성이 높아, 2023년 기준으로 글로벌 메타버스 시장이 111억 달러이고, 2024년부터 2030년까지 연평균 38.2% 성장하리라 예상된다[5]. 메타버스 시장의 성장을 예상하고 세계 최대의 SNS 서비스 업체인 Facebook은 사명을 Meta로 바꾸기도 하였다. 진정한 메타버스 세계를 구축하기 위해서는 AR과 VR을 구현할 장치가 중요한데, Meta에서는 Oculus Quest 시리즈의 VR-HMD(Head Mount Display) 장치를 지속해서 출시하고 있고[6], Microsoft에서는 Hololens라는 AR-HMD 장치를 출시하였다[7]. 2024년에는 Apple에서 VR-HMD인 Vision Pro를 출시하였다. 기존의 VR-HMD 제품이 사람의 시야가 스크린에 의해 가려지는 반면, 이 제품은 여러 대의 내외부 카메라를 활용하고 고해상도 디스플레이를 활용하여 바깥을 실시간으로 볼 수 있다는 점에서 AR과 VR의 혼합형태인 MR(Mixed Reality)-HMD 장치로 불리기도 한다[8]. 새로운 HMD 장치의 지속적 출시는 초기 저품질의 HMD를 경험한 교사가 HMD의 낮은 실재감에 실망하여 사용을 꺼리는 현상을[9] 조만간 극복할 수 있으리라 생각한다. Hololens 2나 Vision Pro와 고사양의 최신 제품은 HMD를 착용한 상태에서도 외부 세상을 볼 수 있게 함으로써 눈의 피로와 사이버 멀미와 같은 기존 HMD가 가지고 있었던 단점[10, 11]을 어느 정도 극복하였다.

상술한 대로 HMD 기술은 날로 발전하고 산업계와 교육계에서의 관심 역시 높아지고 있지만, 증강현실을 교육에 접목하는 데 있어 가장 큰 장애물은 콘텐츠의 부족이다. HMD와 관련하여 국내 문헌 연구를 살펴본 연구에서도 과학교육에서 콘텐츠가 충분히 개발되지 않은 것을 확인할 수 있었다[12]. 국내에서 AR과 관련하여 수행하고 있는 과학교육 논문들은 꾸준히 증가하고 있지만[13], AR을 사용한 국내 과학교육 연구에서 물리 영역은 지구과학이나 생물 영역에 비해 상대적으로 콘텐츠가 적다고 보고하고 있다[14].

따라서 물리교육에서 AR 콘텐츠에 대한 해외 문헌을 중심으로 한 자료 조사가 필요함이 제기된다. 본 연구의 후속 연구이자 이 프로젝트의 최종 목적지는 물리교육에서의 AR 콘텐츠 개발에 있다. 직접적인 물리교육 콘텐츠 개발에 앞서 부족한 국내 콘텐츠 대신하여 본 연구에서는 해외에서 물리교육 AR 콘텐츠의 연구 동향을 살펴보고 그 특징과 효과를 분석해 보고자 한다. 연구 문제는 다음과 같다.

1. 물리교육 관련 AR 연구 동향은 어떠한가?

2. 물리교육 관련 AR 콘텐츠의 특징은 어떠한가?

3. 물리교육 관련 AR 콘텐츠의 효과는 어떠한가?

체계적 문헌 연구(systematic review)는 기존의 문헌을 철저히 검토하여 명확한 질문을 만들어 내는 것으로 시작한다. 이 연구 방법에서는 특정 연구 질문에 답하기 위해 관련된 근거를 최대한 포괄적으로 수집하고, 과학적인 방법에 따라 분석하는 데, 이 연구 방법은 의학의 진단, 치료, 예방의 효과성 검증하기 위한 연구로 시작하였다[15]. 선행연구에서는 AR과 관련하여 체계적 문헌 연구 방법을 수행한 연구를 중심으로 살펴보았다.

교육과 관련된 전반적인 AR 연구의 동향을 분석한 연구에 따르면[16], 모바일 기기가 확산된 2013년 이후 AR 관련 연구가 급격히 증가했으며, 생물학이나 공학, 의학 영역에 비해 물리교육 관련 AR 연구는 상대적으로 적게 수행되었음을 보고하고 있다. 연구 대상에서는 AR을 대학생에게 적용한 연구가 가장 많으며, 그다음으로 중학생, 초등학생, 고등학생, 특수교육 학생을 대상으로 한 연구가 뒤를 이었다. 기술적으로는 마커리스(makerless)에 비해 마커 기반 연구가 주로 수행되었으며, HMD나 PC 기반 연구보다는 모바일 기기 기반 연구가 주로 수행되었다[16]. STEM 교육 관련 AR 적용 연구에서는 마커 기반 AR 콘텐츠가 다수 나타났음을 보고하였으며, 실외에서 AR을 적용한 사례에서는 위치(GPS)기반의 AR이 적용된 경우를 볼 수 있었으며, 마커를 사용하지 않는 마커리스 방식의 AR의 적용은 기술적인 어려움으로 적게 나타남을 보고하였다[17].

물리교육 관련 AR 적용에 대한 연구는 2022년 연구된 논문 2건과 2024년 연구된 논문 1건으로 총 3건의 연구[18-20]를 찾아볼 수 있었다. 2022년 Lai and Cheong이 수행한 연구에 따르면 물리교육 관련 AR 적용 연구는 학부생을 대상으로 한 연구가 많으며, 경험 기반의 상황학습 접근 방식이 많은 반면, 고차원 탐구 기반이나 협력, 게임 기반 학습과 통합된 경우는 거의 없음을 보고하고 있다[18]. 2022년 Vidak et al.이 수행한 연구[19]에서는 관찰, 탐구, 게임의 교수 기법 중 관찰과 탐구의 기법이 주로 사용되었음과 터키, 독일, 미국의 특정 국가에서 관련 연구가 주로 수행되고 있음을 보고하였다. 대부분의 연구가 교실 환경에서 수행되었고, 개발도구로는 Unity 3D와 Vuforia를 통한 개발이 많았으며, 장치는 모바일 기기가 주로 사용된 것을 확인할 수 있었다. AR 유형으로는 마커 기반의 연구가 대부분이었으며, 전기회로와 천체, 역학 및 역학적 파동, 자기 관련 주제가 많이 다루어지고 있음을 보고하였지만, 구체적으로 어떠한 콘텐츠가 개발되었는지를 자세히 설명하고 있지는 않았다[19]. 2024년 이뤄진 Vidak et al.의 후속 연구에서는 학습 촉진을 위한 사용법과 주제에 따른 효과성을 조금 더 자세히 언급하고 있다[20], 이 연구는 연구 대상을 포함 및 배제 기준에서 언급하지 않았으며 프로젝터를 사용하여 가상 물체를 바닥 등의 2차원 평면에 투사한 연구를 AR에 포함하는 등 AR의 물리교육 전반에 대해 광범위한 체계적 문헌 연구를 수행하였으며, 물리교육 관련 AR 콘텐츠에 초점을 맞추기보다는 물리교육에서 AR 기술이 어떻게 활용되고 있는지에 더 초점 맞춰 분석을 수행하였다. 이 연구에서는 학습 촉진을 위해 AR이 실세계 배경에 추상적 표현(벡터, 장, 광선 등)을 겹쳐 나타내기, 미시적 과정(회로에서 전하의 흐름)의 시각화, 실제 배경에 관련 사실 정보(조립 방법, 사용 방법 등) 제공, 햅틱 경험(뉴턴의 중력 법칙 등)과 원인분석, 특정 센서(GPS, 온도)에서 얻은 데이터로 실세계의 배경 정보를 풍부하게 제공하는 방식으로 AR이 물리교육에서 활용되고 있다고 분석하였다. 영역별 효과에 대해서는 천문학 및 전기회로의 학습에서 정서적 학습 영향에 대한 강한 효과가 관찰되었으며, 천문학 및 전기자기, 역학과 기계적 파동과 관련된 주제에서 인지적 학습에 긍정적 효과를 줄 수 있음을 보고하고 있다[20].

1. 연구 대상 논문 선정 및 자료 수집

본 연구는 PRISMA 2020 지침을 따른 체계적 문헌 고찰 방법을 적용하였다[21]. 물리교육과 관련된 증강현실 교육 콘텐츠의 특징을 탐구하고자 하는 본 연구의 목적에 맞추어 Augmented Reality, AR, Physics, Education의 검색어와 OR, AND 등의 연산자를 조합하여 검색을 수행하였다. 최종적으로 본 연구에서는 (Augmented Reality OR AR) AND Physics AND Education의 검색어를 사용해 검색을 수행하였다. 검색을 위한 데이터베이스의 추천은 과학교육 전문가의 추천과 사서의 추천을 받아 선정되었다. Web of Science, Scopus, Education Resources Information Center(이하 Eric), ProQuest Central은 해외 문헌 연구의 검색에 주로 사용되는 데이터베이스로 과학 및 교육 분야에 특화되어 있으며 이 4가지 데이터베이스는 전문가의 추천으로 포함되었으며, American Institute of Physics Publishing(이하 AIP)은 대학도서관 사서의 추천으로 포함되었다. 결과적으로 검색은 Web of Science, Scopus, Eric, ProQuest Central, AIP의 5개 데이터베이스에서 수행되었으며, 추가로 연구자가 Google Scholar에서 수행한 수기 검색에서 검색된 논문을 검색 결과에 포함하여 초기 연구 대상 목록을 작성하였다.

체계적 문헌 고찰에서는 검색된 논문에서 필터링하는 과정에서 포함되거나 배재한 논문의 기준을 밝히는 것을 중요하게 보는 데 본 연구에서 사용한 포함 및 배재 기준은 Table 1과 같다. 본 연구에서는 연구 목적에 맞춰 물리학과 관련된 논문만을 포함하였으며, 학교급에서는 초중등 및 대학 교육과 관련된 논문을 포함하였다. 분석 과정에서 언어로 인한 오독의 문제를 해결하고자 언어는 영어로 작성된 논문만으로 한정하였으며, 신뢰성 있는 연구만을 분석하고자 동료 심사 학술지만을 대상으로 하였다. 또한 내용에서 단순히 열화상 카메라나 운동 분석을 위한 추적시스템(tracker)을 사용한 연구나 프로젝터를 사용하여 가상 물체를 바닥 등의 2차원 평면에 투사한 연구는 제외하였으며, PC나 모바일 기기, HMD를 사용하여 증강현실을 구현한 논문은 포함하였다. 연구의 목적이 물리교육 관련 증강현실 콘텐츠의 특징을 분석하는 것이기 때문에 콘텐츠에 대한 기술이 분석에 충분할 만큼 제시된 논문만을 분석에 포함하였으며, 콘텐츠에 대한 설명이 부족하여 어떤 콘텐츠를 개발 또는 적용하였는지 이해하기 힘든 논문은 분석 대상에서 제외하였다.

Table 1 . Articles included in this review.

Criterion	Inclusion	Exclusion
Discipline	Physics	Engineering, STEAM, Earth Science
Context	Elementary, Secondary, Higher Education	Kinder garden, Lifelong Education
Language	English	Non-english
Article Type	Peer reviewed journal	Non-peer reviewed journal, Conference paper
Device	Mobile, HMD, PC	Tracker, IR camera, Projector
Explanation of Contents	Well described	Lack of Explanation

Figure 1과 같이 5개의 데이터베이스를 대상으로 검색을 한 최초 검색에서는 총 259건의 논문이 검색되었다. 구체적으로 Web of Science, Scopus, Eric, ProQuest Central, AIP에서 각각 62, 69, 28, 60, 30건의 논문이 검색되었으며, 수기 검색을 통해 10건의 논문을 대상에 추가하였다. 총 259건의 문헌으로 시작하여 Endnote의 중복 검색 기능을 통해 1차적으로 51건의 중복문헌을 제거하였다. 이후 수작업으로 중복문헌을 추가적으로 22건, Table 1의 포함 및 배제 기준에 입각한 초록 검토를 통해 120건의 논문을 제외하였다. 다음으로 본문 검토와 콘텐츠 검토 단계에서 각각 20, 7편의 논문을 배제하여, 최종적으로 39편의 분석 대상 논문을 선정하였다. 선정된 논문들의 질은 Qualsystest를 사용하여 평가하였으며, 평가 결과가 0.5점이 넘는 논문만을 분석에 포함하였다[22]. 분석에 사용된 논문의 목록은 Appendix에서 확인할 수 있다.

Figure 1. Flow diagram for systematic review.

2. 분석 기준

본 연구의 구체적인 연구 문제는 물리교육 관련 AR 연구 동향, AR 콘텐츠의 특징, AR 콘텐츠의 효과를 분석하는 것이다. 연구 동향은 선행연구를 참고하여 주로 문헌 연구에서 분석되는 특징인 연도, 기기, 대상, 연구 방법을 분석하였으며[13, 18], 콘텐츠의 특징은 영역 및 주제, 실험 유형 그리고 증강 대상 – 증강된 이미지의 유형을 분석하였다. 구체적으로 영역은 물리학의 과목에 따라 역학, 전자기, 열역학, 음향학, 광학, 현대물리, 기타로 구분하였으며, 실험 유형은 단순히 3차원 가상 물체를 관찰하는 단순 관찰(simple observation)과, 가상 세계의 자료를 바탕으로 시뮬레이션 실험을 수행하는 가상 실험(virtual experiment), 실세계의 데이터를 측정하여 실세계 관련 실험을 수행하는 실제 실험(real experiment)으로 구분하였다[19, 23]. 증강 대상은 가상 물체가 증강되는 곳을 의미하며 이것은 기술에 기반하여 실제 물체, 마커, 빈 공간에의 증강(마커리스라고 부르기도 함)으로 구분하였다. 증강된 이미지는 증강 대상에 증강된 가상 물체를 의미하며, 이는 표상의 수준을 구분한 선행연구를 구분을 참고하여 미시(micro), 거시(macro), 상징적(symbolic) 표상으로 구분하였다[24, 25]. 여기에서 거시적 표상은 색의 변화, 물질 등 관찰 가능한 것, 미시적 표상은 전자나 분자와 같이 너무 작아 관찰이 불가능한 것, 추상적 표상은 그래프, 화살표 등과 같이 의사소통을 위해 과학자 집단이 만들어 낸 것을 의미한다[24, 25]. 마지막으로 AR 콘텐츠의 효과성은 문헌 연구에서 주로 활용되는 변인의 구분 기준에 따라 학업성취, 태도 및 동기로 구분하였으며[19, 21], AR 적용 연구에서 특징적으로 발견되는 AR에 대한 인식과 인지부하를 추가적으로 구분하였고[26, 27], 질적연구에서 분석한 효과성을 기술하기 위해 행동 패턴을 효과성을 기준에 포함시켰다[28]. 결과적으로 본연구에서 활용한 연구 문제별 분석 요소 및 하위요소는 Table 2와 같다.

Table 2 . Analysis element and sub element for each research question.

Research questions	Element	Sub element
1. Trend	Year	From 2008 to 2023
	Device	PC, Mobile, HMD
	Participants	Elementary school, Middle school, University, Graduated school
	Research method	Contents development, Quantitative research, Qualitative research, Mixed research
2. Characteristic of contents	Area	Mechanics, Thermodynamics, Optics Modern Physics, Acoustics, etc.
	Type of experiment	Simple observation, Virtual experiment, Real experiment,
	Augmented object	Materials, Makers, None
	Image type	Macro, Micro, Symbolic
3. Effectiveness	Independent variable	Learning performance, Attitude or motivation, Perception about AR, Cognitive load, Behavior pattern
	Effect	Positive effect, No significant effect, Negative effect

1. 물리교육 관련 AR 연구 동향

물리교육 관련 AR 연구의 연도별 동향은 Fig. 2와 같다. 2008년에 연구가 시작되었지만 그 후 2012년까지 연구가 수행되지 않다가 2013년에 연구가 다시 시작되었으며, 2019년 이후 연구가 급격히 증가한 것을 확인할 수 있다. 2022년과 2023년에는 매년 8편의 연구가 수행되는 등 최근 물리교육 관련 연구가 활발히 수행되는 것을 알 수 있다. 최근 연구의 수가 증가한 것은 코로나팩데믹 이후 에듀테크에 대한 전세계적인 관심과 Hololens 시리즈 제품의 출시와 관련이 깊다고 판단된다.

Figure 2. Number of articles by year.

구현 기기 측면에서 바라본 물리교육 관련 AR 연구 동향 분석에서는 모바일 기기를 사용한 연구가 다수임을 확인할 수 있었다(Fig. 3(a) 참조). HMD를 사용한 연구가 9편, HMD와 모바일 기기를 같이 사용한 연구가 2편으로 총 11편(28.2%)의 연구에서 HMD가 사용되었음을 확인할 수 있었다. 2022년에 수행된 이전 선행연구[19]에서는 물리교육 관련 AR 적용에 대한 문헌 연구에서 7편(60편의 11.7%)가 HMD(smart glass)를 사용한 연구였다는 것을 고려할 때, 물리교육에서 최근 HMD 활용이 증가하고 있음을 알 수 있다. 활용된 HMD의 구체적인 종류를 살펴보면, Hololens 1을 사용한 것이 8편, Hololens 2를 사용한 것이 1편으로 Microsoft사의 Hololens 시리즈가 물리교육 관련 AR 적용에 주로 활용되고 있음을 확인할 수 있었으며, 구글의 Google glass나 CONNECT를 사용한 연구도 각각 1편씩 찾을 수 있었다. 연구 대상 측면에서 분석한 결과는 대학생을 대상으로 한 연구가 14편으로 가장 많았으며, 중학생과 고등학생을 대상으로 한 연구도 각각 11편, 8편으로 뒤를 이었다(Fig. 3(b) 참조). 초등학생을 대상으로 한 연구가 2편으로 중, 고, 대학생 대상 연구에 비해 상대적으로 매우 적은 연구가 수행되었음을 확인할 수 있었다. 이는 일반 교육 영역에서 AR 적용이 대학생, 초등학생 순으로 수행되었다는 선행연구[17]와 비교해 볼 때, 물리 영역에서 초등 대상 AR 적용 연구가 상대적으로 적게 수행되고 있다는 것을 알 수 있다.

Figure 3. (Color online) Trends in AR research for physics education; (a) represents distribution by device, (b) represents distribution by participants.

2. 물리교육 관련 AR 콘텐츠의 특징

영역에 따른 분류에 대해 우선 정리하면 총 39편의 대상 논문 중 전자기학 영역이 20편(51.3%)으로 절반 이상을 차지하였고, 역학이 5편(12.8%), 열역학이 3편(7.7%), 광학이 3편(7.7%), 현대물리가 3편(7.7%), 음향학 2편(5.1%), 기타 영역이 3편(7.7%)이었다(Table 3). 전자기학 영역이 20편으로 가장 많은 데 전자기학 영역 내에서도 전기회로에 관한 것이 8편으로 가장 많고, 그다음으로 자석의 자기장에 대해 다른 것이 4편으로 많았다. 그 외에는 쿨롱 법칙을 다룬 것이 2편, 스피커, DC 모터, 전류에 의한 자기장, 자기장 측정이 각 1편씩 존재하였다. 역학 영역은 도르래, 충돌, 마찰력, 토크, 구심력을 주제로 다룬 것이 각 1편씩 있었다. 열역학 3편의 연구는 모두 열전도를 주제로 수행한 연구로서 출판된 저널은 제각각이었지만 독일의 한 연구팀에서 Hololens 1을 이용하여 2017년–2020년 기간 순차적으로 진행한 연구 결과를 담은 것이었다. 광학은 3편으로 볼록렌즈의 상을 다룬 연구가 2편, 홀로그램의 간섭계를 다룬 연구가 1편 있었다. 음향학에서는 물의 높이에 따른 진동수, 도플러 효과를 다룬 논문이 있었다. 현대물리는 총 3편의 연구가 존재했는데, 각각 원자의 구조, 광전효과, 감마선 측정이 1편씩 존재하였다. 음향학에 해당되는 것은 유리잔의 물의 높이에 따른 진동수를 측정한 것과 도플러 효과에 대한 실험이 있었다. 기타 영역으로 분류한 것은 특정 한 가지 영역에 대한 콘텐츠 개발이 아니라 복수의 실험을 다루고 있어 물리 내 여러 영역에 그 내용이 걸쳐 있는 것을 분류하였다.

Table 3 . Classification by research area.

Area	No. of Articles (%)	Contents
Electromagnetic	20 (51.3%)	electric circuit, magnetic fields of magnets, Coulomb’s law, speakers, DC motors, magnetic fields by current, magnetic filed measurement
Mechanics	5 (12.8%)	topics of pulleys, collisions, friction, torque, and centripetal force
Thermodynamics	3 (7.7%)	heat conduction
Optics	3 (7.7%)	image of convex lens, interferometer of a hologram
Modern Physics	3 (7.7%)	atomic structure, photoelectric effect, and gamma ray measurement
Acoustics	2 (5.1%)	frequency of glass with water, Doppler effect
etc.	3 (7.7%)

실험 유형에 따라 AR 콘텐츠의 특징을 구분하면 가상실험이 22편(56.4%)으로 가장 많고, 그 다음으로 실제실험이 13편(33.3%), 단순 관찰이 4편(10.3%)으로 나타났다. 가상실험은 카드 형식의 AR 마커나 실제 실험 장치 위에 가상의 이미지를 증강하고 실물 또는 증강된 이미지의 조작을 통해 데이터를 얻는 방식이다. 예를 들자면 실험기구에 AR 마커를 부착하고 스마트폰으로 증강된 화면을 보면 감마선이 조사되는데, 거리와 기울기를 변화시킬 수 있어서 감마선 스펙트럼을 측정하는 방식이다(Fig. 4(a)). 실제실험은 실제 실험장치를 활용해 조작변인의 조작이 가능하며, 실질적인 데이터를 측정하고 실험을 통해 얻는 정보 또는 데이터를 증강된 이미지로 제공하는 방식이다. 예를 들면 열전도 실험에서 가열판과 냉각기 사이의 금속 막대의 온도분포를 적외선 카메라로 측정하고 이를 Hololens 화면으로 색깔과 시각화로 이미지를 증강하는 방식이다(Fig. 4(b)). 단순 관찰은 마커 위에 학습을 위한 가상 이미지를 증강시키고 특별한 조작변인을 제공하지 않고 관찰을 통해 학습하는 콘텐츠를 의미한다. 예를 들어 가상의 원자 모형을 카드 마커 위에 증강하여 원자핵과 전자, 궤도를 볼 수 있는 콘텐츠가 해당된다(Fig. 4(c)).

Figure 4. (Color online) Type of AR contents by experiment. Images reproduced from[27, 29, 30] under Creative Commons Attribution 4.0 license; (a) represents virtual experiment case[29], (b) represents real experiment Case[27], (c) represents simple observation case[30].

AR 콘텐츠의 특징을 분석하기 위해 세 번째로 살펴본 것은 증강 대상과 증강되어 나타내어 지는 스크린 상에 나타는 이미지의 종류가 무엇인지 알아보았다. 증강 대상은 AR 이미지를 표시하기 위해 사용되는 표지물을 말한다. AR HMD를 통해 바라보는 대상이나 모바일 장치의 카메라를 비치는 대상이라고 할 수 있다. 연구 대상의 논문들을 살펴보면 실제 세계에서 증강시킨 것은 실물(실험 기자재, 실험 재료 등), 마커(카드에 QR 코드 등으로 증강시킬 이미지의 위치나 내용을 표기)가 각각 18편, 19편으로 대다수를 차지하였고, 증강 대상물이 없는 경우도 2편 존재하였다. 이미지의 종류는 증강되어 AR HMD나 모바일 스크린 상에 나타나는 이미지의 표상으로 구분하였다. 전기회로에서의 전자 등 사람의 눈으로 직접 관측이 힘들만큼 작은 것은 미시 이미지(micro image)로 구분하였고, 지구, 태양 등 마커나 실물의 크기보다 훨씬 큰 이지미는 거시 이미지(macro image)로 분류하였다. 자기력선, 힘 벡터, 전류 측정값 등은 상징적 이미지(symbolic image)로 1차 구분하고, 2가지 이상 복합적으로 증강하는 경우도 있어 이는 미시+거시 이미지 등의 형태로 나타내었다. 분류 결과 거시+상징 이미지가 16편으로 가장 많고, 상징 이미지가 13편으로 그 다음으로 많았다. 반편 거시 이미지가 4편, 미시 이미지 사례가 2편으로 적었다. 미시+거시 이미지의 조합, 상징+미시 이미지의 조합은 1편씩, 미시+거시+상징 이미지는 2편이었다. 증강 대상이 실물일 경우는 상징 이미지가 13편으로 가장 많고, 증강 대상이 마커일 때는 거시+상징 이미지가 10편으로 가장 많았다. 이를 정리하면 Table 4와 같다.

Table 4 . Augmented object by image type.

	Augmented object	Materials	Makers	None	Sum
Image type
micro image		-	2	-	2
macro image		-	4	-	4
symbolic image		13	-	-	13
micro + macro		-	1	-	1
macro + symbolic		4	10	2	16
micro + symbolic		1	-	-	1
micro + macro + symbolic		-	2	-	2
sum		18	19	2	39

증강 대상과 이미지의 종류를 영역별로 살펴본 결과는 Table 5와 같다. 가장 많은 연구가 수행된 전자기 영역을 살펴보면, 자석과 코일 등의 실물에 자기력선 등의 거시적 이미지를 증강하는 방식(8편)과 마커에 자석과 코일 등의 거시적 표상과 자기력선 등의 추상적 이미지를 함께 증강하는 방식(5편)이 주로 사용되었으며, 미시적 표상이 실물(1편) 또는 실물 및 상징적 표상과 함께 증강되는 방식(1편)도 일부 사용된 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 여러 표상을 동시에 보여주는 다중표상적 접근 방법은 전기회로의 이해를 돕기 위해 거시적 표상과 함께 미시적 표상을 연계해 설명할 필요가 있음을 제안하는 선행연구와 관련이 있으며[31, 32], 상징적 표상인 자기력선의 이해에 어려움을 겪는 학생들을 지원할 수 있는 방법으로 AR이 사용될 수 있음을 제안한다[33, 34]. Table 5에 의하면 역학, 열역학, 음향학, 현대 물리 영역에서도 영역별 연구의 총수는 많지 않지만, 전자기 영역과 유사하게 다양한 실물에 다양한 종류의 표상을 증강하는 방식의 콘텐츠가 개발되고 있음을 확인할 수 있다. 반면 본 연구에서 초점을 맞춘 AR의 물리교육 활용 관련 논문 중 광학 영역의 연구에서는 마커에 가시적인 거시적 표상만을 증강한 콘텐츠만이 연구에서 다뤄지고 있음을 확인할 수 있었다. 이 연구들에서는 마커 위에 가상의 광원, 볼록렌즈, 스크린이 증강되고 각각의 거리에 따라 적절한 크기의 상이 가상 스크린 위에 나타나는 방식의 콘텐츠(2편)와 마커를 움직여 목표하는 간섭계를 구성하는 방식의 콘텐츠¹ (1편)가 개발 및 적용되었다. 기하광학 영역에서 학습자가 광선 다이어그램을 그려 현상을 설명하는데 어려움을 겪는다는 것과[35-37], 광선 다이어그램의 3차원적 이해에 어려움을 겪는다는 것[38, 39]을 고려할 때 광학 영역에서 상징적 표상인 광선 다이어그램을 실물 실험 기기에 겹쳐 나타내는 방식의 AR 콘텐츠 개발이 요구된다.

Table 5 . Augmented object and image type by research area.

Area	Augmented object	Materials			Makers					None	Sum
	Image type*	S	M+S	m+S	m	M	m+M	M+S	m+M+S	M+S
Electromagnetic	8	3	1	1	-	-	5	-	2	20
Mechanics	2	-	-	-	1	-	2	-	-	5
Thermodynamics	2	1	-	-	-	-	-	-	-	3
Optics	-	-	-	-	3	-	-	-	-	3
Acoustics	-	-	-	1	-	1	1	-	-	3
Modern Physics	1	-	-	-	-	-	1	-	-	2
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* In image type m represents micro image, M represents macro image and S represents symbolic image.

3. 물리교육 관련 AR 콘텐츠의 효과

콘텐츠의 적용 효과에 대한 분석 결과는 Fig. 5와 같다. 물리교육 관련 AR 연구에서는 학업성취(19편)와 태도 및 동기에 대한 효과를 분석한 연구(13편)가 많았으며, AR의 특징과 관련된 요인으로는 AR에 대한 인식(6편)이나 인지부하(5편)에 대한 효과를 분석한 연구가 있었다. 일부 연구에서는 질적연구 방법을 사용하여 실험 활동이나 협력 활동 등의 행동 유형(2편)이 긍정적으로 변화했는지를 연구하기도 하였다.

Figure 5. (Color online) The Effectiveness of AR in physics education.

연구 결과 AR이 학업성취와 태도 및 동기, AR에 대한 인식, 행동 유형에 긍정적인 효과가 있음을 보고하고 있음을 확인할 수 있었다. 학업성취와 관련된 연구 19편 중 16편은 AR이 학업성취에 효과적이었음을 보고하였으며 3편은 유의미한 차이가 나타나지 않았음을 보고하였다. 태도 및 동기와 관련된 연구 13편 중 12편이 AR이 태도 및 동기에 효과적이었음을 보고하였으며, 1편은 유의미한 차이가 나타나지 않았다고 주장하였다. AR에 대한 인식과 관련된 6편의 연구와 행동 유형과 관련된 연구 2편에서는 모두 AR이 AR에 대한 인식이나 긍정적인 행동 유형의 변화에 효과적임을 보고하였다. 한편, 인지 부하에 대해서는 AR의 효과가 혼재되어 나타남을 확인할 수 있었다. 인지부하와 관련된 5편의 연구 중 2편은 AR이 인지부하를 줄이는데 효과적이었음을 주장하였으며, 2편은 유의미한 차이가 없다고 보고하였고 1편은 AR을 사용할 경우 인지부하가 높아진다고 보고하였다. AR이 태블릿을 이용한 실험에 비해 인지부하가 높게 나타난다고 보고한 연구에서는 Fig. 5(b)와 같이 저항 바로 위에 전압, 전류 값을 보여주는 것이 멀리 떨어진 태블릿에서 저항의 전류, 전압 값을 찾아 읽는 것에 비해 인지부하가 높음을 보고하였다. 이 연구에서는 인접한 정보의 인식이 인지부하를 낮추는 것과 반대되는 이 결과를 태블릿의 익숙함에 반하는 AR-HMD의 낯섦에 기인한 것일 가능성이 있음을 말하며 추후 AR-HMD에 익숙해지면 인지부하의 효과는 다르게 나타날 수 있음을 언급하였다[26].

본 연구에서는 체계적 문헌 연구 방법을 사용하여 물리교육과 관련된 AR 연구 동향, AR 콘텐츠의 특징, AR 콘텐츠의 효과를 분석하였다. 이를 통해 다음의 결론을 도출할 수 있었다.

연도별 연구 동향에서는 물리교육 관련 AR 연구는 2013년 이후 지속적으로 출간되고 있으며, 2019년부터는 연도별 논문 편수가 많이 증가하여 최근에는 연간 8편 정도의 논문이 출간되고 있었다. 연구에서 AR를 구현하는 기기는 주로 모바일 기기가 사용되었고, HMD를 사용하는 경우 Microsoft사의 Hololens를 사용하였다. 연구 대상의 학교급은 대학교가 가장 많았고, 중학교, 고등학교, 초등학교 순이었다.

물리교육 관련 AR 콘텐츠의 특징을 정리하면 전자기 영역 콘텐츠가 약 50%를 차지하였고, 전자기 영역 내에서도 전기회로 콘텐츠가 많았다. 역학 콘텐츠는 5편, 나머지 영역은 3편 이하였다. 실험 유형에서는 가상실험이 절반이 넘었고, 실제 실험은 13편, 단순 관찰은 4편으로 나타났다. 증강 대상은 실물과 마커가 대다수를 차지하였고, 스크린에 증강된 이미지는 상징 이미지나 거리와 상징이 복합된 이미지가 많았다. AR 콘텐츠의 효과에 대해서는 학업성취에 대한 효과를 검증한 연구가 가장 많았고, 동기와 태도, AR에 대한 인식, 인지 부하, 행동 패턴을 분석한 연구들이 있었는데, 인지 부하에 대해서는 상반된 결과를 보여주고 나머지 변인들은 대부분 효과가 있다고 보고하였다.

최근 2022 개정 교육과정이 발표와 함께 학교의 교과 교육과정에서 디지털 리터러시가 강조되고 있으며, 과학과 교수학습 분야에서 다양한 에듀테크의 도입이 이루어지고 있다. 이에 디지털 리터러시와 에듀테크의 교집합 영역 중 하나인 AR과 관련된 물리교육 연구는 매우 중요하며 더 이상 미룰 수 없는 과제이다. 본 연구의 후속과제이자 최종 목적지가 물리교육 AR 콘텐츠 제작임을 상기하면, 해외의 물리교육 관련 AR 콘텐츠를 조사한 본 연구에서 몇 가지 시사점을 발견할 수 있다.

첫째, 영역별 콘텐츠가 매우 편중되었다는 사실이다. 39건 중 20건이 전자기학에 관한 것이고, 전자기학 자료 중에도 8편이 전기회로와 관련된 것을 보면 AR 콘텐츠가 다양하게 개발되지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 특히, 광학 분야는 시각적으로 표현할 만한 소재가 많음에도 불구하고 연구 논문이 3편 밖에 없었으며, 열역학 분야 역시 한 연구그룹에서 열전도 실험에 대해 개발한 3편이 전부였다. 따라서 아직 많이 개발되지 않은 분야에 대한 콘텐츠 개발지원이 필요하다. 몇몇 연구에서 AR 활용 교육 자료에 광학을 적용하기를 제안하고 있으며[40], 본 연구 결과 중 하나인 추상적 표상이 주로 증강된다는 AR의 특징을 고려할 때, 광학 관련 AR 교육 자료 개발의 수가 많지 않다는 점은 광학 관련 AR 콘텐츠 개발이 필요성이 요구되는 것처럼 보인다. 또한, 증강된 표상 중 미시적 표상의 빈도가 적게 나타났으며 그마저도 전기회로의 전자나 원자 등에 국한되어 활용되고 있는 점을 고려할 때, 열역학이나 소리 등의 영역에서 미시적 표상을 활용하는 방법 등으로 다양한 물리 영역에서 AR 콘텐츠를 개발할 수 있을 것으로 보인다.

둘째, 실제 실험과 유사한 환경의 콘텐츠 개발에 더욱 노력을 기울여야 한다. 조사한 사례의 절반이 가상실험이고, 증강된 물체에 경우에서도 절반 가량이 실물이 아니라 마커를 활용한 것이었다. 이는 콘텐츠 개발의 비용과 용이성 모바일 장치를 활용할 때의 한계와도 관련성이 있다. 하지만 학생의 탐구 능력을 길러주기 위해서는 실물의 실험 장치를 활용하고, 학생들이 조작할 때 실험장치의 실제 데이터가 바뀔 수 있는 형태를 사용해야 기존의 전통적인 실험의 장점을 보존하면서도 증강된 시각적 표상의 한 학습 효과를 취할 수 있을 것이다. 실제 실험은 오차 해석 및 감각적 경험을 통한 이해 등의 장점을 가지고 있으며 가상 실험은 반복 가능, 시간척도 변화, 목표 현상 집중, 풍부한 정보 제공 등의 장점을 가지고 있다[23]. 이처럼 가상 실험과 실제 실험은 각기 다른 장점을 가지기 때문에 일부 연구에서는 가상실험과 실제 실험을 혼합하여 사용할 것을 제안하기도 한다[23, 41]. AR은 가상 물체와 실제 물체가 같이 표현될 수 있기에, 실제 실험과 가상 실험의 장점이 둘 다 잘 드러날 수 있도록 융합이 가능한 환경이다. 하지만 현재 디지털 교과서에서 제공하는 국내에서 개발된 AR 콘텐츠에서 실제 물체는 단순한 배경으로만 사용되고 있으며, 실험의 형태는 단순 가상실험인 경우가 대부분이다[42]. 이에 다양한 센서를 활용한 실제 실험과 가상 실험의 장점을 혼합한 형태의 AR 콘텐츠 개발이 필요하다.

셋째, 초등 물리 관련 AR 콘텐츠 개발 및 안내를 위한 추가 자료의 제공이 필요하다. 물리 관련 AR 적용 연구의 연구참여자 분석 결과 초등학생 대상 연구의 수가 중학생, 고등학생, 대학생을 대상으로 한 연구의 수에 비해 현저히 적게 나타났는데, 이는 전반적인 교육 관련 AR 적용 연구에서 초등학생 대상 연구의 수가 많았던 것과 대비된다[15]. 물리학의 학문적 특징을 고려하더라도 초등 관련 콘텐츠의 수가 상대적으로 적게 나타난 것은 초등 물리교육 관련 AR 콘텐츠의 개발에 대한 필요성에 대한 충분한 근거가 되는 것으로 보인다. 한편, 본 연구의 문헌 연구 결과 물리교육 관련 AR 콘텐츠가 대부분의 독립변인에 대해 효과적이지만 인지부하에 대해서는 그 효과성에 대한 일관성이 부족함을 확인할 수 있었다. 이는 단순히 근접한 위치에 실제 물체와 미시, 거시 또는 추상적인 가상 물체를 위치시키는 것 이외에 추가적인 조치, 전략, 설명 또는 활동이 필요함을 의미한다. 초등 물리 관련 AR 콘텐츠 제작 시 콘텐츠 제작 이외에도 이러한 인지부하를 줄일 수 있는 교수학습 전략 및 방안이 같이 논의되어야 할 것이다.

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. RS-2023-00210720).

이 연구에서 소개한 콘텐츠에서는 마커 위에 다양한 가상의 광학 컴포넌트들이 증강되고, 이의 배치에 따라 레이저가 분할되기도 하고 경로가 바뀌기도 한다. 초 중등 교과서에서 레이저는 빛의 직진이나 굴절을 보여주기 위해 많이 사용되며, 분무기, 향 연기 등을 사용해 가시화할 수 있기에 거시적 표상으로 분류하였다.