Ex) Article Title, Author, Keywords
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New Phys.: Sae Mulli 2023; 73: 494-504
Published online June 30, 2023 https://doi.org/10.3938/NPSM.73.494
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
So-Yoon Bang1, Nan-Joo Kwon2, Gyeong-Pil Kwon2*
1Yumchang Middle School, Seoul 07536, Korea
2Department of Science Education, Gyeongin National University of Education, Incheon 21044, Korea
Correspondence to:*E-mail: gpkwon@ginue.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
This study aimed to investigate the effects of the use of augmented reality (AR) in science classes for conceptual changes in magnetic fields due to currents on middle school students. For this purpose, concept tests and individual interviews were conducted with 46 second-year middle school students before and after classes using AR. The analysis results were as follows. First, after classes using AR, the students' conceptions were changed in terms of the direction of magnetic fields, the shape of the magnetic field lines, and the increase in the number of magnetic field lines in all magnetic field situations around a straight electric wire, a circular electric wire and solenoid. Second, science classes that used AR enabled the conduct of repetitive, individual experiments and provided abundant resources for visualizing invisible magnetic fields caused by currents, helping students change their conceptions on the subject.
Keywords: Augmented reality, Science class, Magnetic fields, Conceptual change, Current, Middle school student
본 연구에서는 증강 현실(AR)을 활용한 과학 수업이 중학생의 전류에 의한 자기장의 개념 변화에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 이를 위하여 AR을 활용한 수업 전과 후에 중학교 2학년 46명을 대상으로 전류에 의한 자기장 개념 검사와 개별 인터뷰를 실시하였다. 연구 결과 첫째, AR을 활용한 과학 수업 후 직선 도선, 원형 도선, 코일 주위의 자기장 상황에서 ‘자기장의 방향’, ‘자기력선의 모양’, ‘자기력선의 수’ 측면에서 학생들의 개념이 과학적으로 변화되었다. 둘째, AR을 활용한 과학 수업이 반복적인 개별 실험 활동을 가능하게 하고, 눈에 보이지 않는 전류에 의한 자기장을 시각화, 입체화하는 풍부한 자원을 제공하여 학생들의 개념 변화에 도움을 주었다.
Keywords: 증강현실, 과학 수업, 자기장, 개념 변화, 전류, 중학생
4차 산업혁명은 디지털 혁명을 기반으로 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 빅데이터 등의 최첨단 기술과 다양한 산업, 학문 분야와의 융합 및 상호교류를 통해 개인, 사회, 경제 및 산업 차원에서 나타나는 혁명적 변화를 의미한다[1]. 제4차 산업혁명이 시작됨에 따라 새로운 테크놀로지들이 다양한 방식으로 교육에 접목되면서 교수·학습 과정에 많은 변화가 나타나고 있다[2]. 이에 따라 한국과학창의재단에서 가상현실(Virtual Reality)과 증강현실(Augmented Reality)을 활용한 과학 실험 콘텐츠를 제공하고[3], 교육부에서 VR과 AR이 접목된 디지털 교과서[4]를 도입하는 노력이 집중적으로 이루어지고 있어 과학교육 현장에서 매우 활발하게 활용되고 있다[5]. 최근 연구[6, 7]에 따르면 VR을 활용한 과학 수업은 학생들의 과학적 태도 및 공간 감각뿐만 아니라 인지적, 정의적 측면의 학습에 긍정적 효과를 보인다.
AR은 실세계와 가상 세계를 이음새 없이(seamless) 실시간으로 혼합하여 사용자에게 제공하여[8], 학습자들에게 추상적인 상징이 아닌 3차원 자료들에 대한 직접적인 탐색과 조작을 통해 생생한 학습 경험을 제공함으로써 학습에 대한 현존감 및 몰입을 높일 수 있다. 또한, 학습자들에게 맥락성 있는 학습을 제공하고, 이를 통해 학습 과제에 대한 흥미를 느끼고 스스로 탐색하도록 해 줌으로써 학습에 대한 만족도와 이해, 적용 능력을 높일 것으로 기대된다[9].
특히 과학교육 분야의 경우, AR은 직접 관찰하거나 실험을 하기 어려운 추상적인 주제를 가르치는데 혁신적인 기술로 사용될 수 있고[10], 공간 감각을 익히는데 효과적이며, 실제 세계와 가상 요소를 사용자가 동시에 경험하게 할 수 있다는 강점이 보고되었다[11]. 즉, 자기장[12], 사람의 몸속 장기의 모습[13], 공기의 흐름[14] 등 주로 눈에 보이지 않는 대상을 시각화하는 도구로 유용하게 활용[15]되고 있다.
최근 AR을 활용한 국내·외 과학교육 연구 동향 분석한 연구[16]에 따르면 국내·외 연구 모두 양적 연구 방법을 가장 많이 사용하였으며, 문헌 연구와 질적 연구 방법은 상대적으로 적게 사용하였다. 양적·질적 방법을 함께 사용할 경우, 한 가지 방법으로 얻지 못하는 다양한 자료를 수집하여 연구 결과를 깊고 풍부하게 해석할 수 있다[16]. 교육 현장에서 AR과 같은 첨단 기술을 활용한 수업을 하기 위해 많은 시간과 비용을 투자하고 있는 만큼 교육적 효과에 대한 질적·양적 연구를 바탕으로 수업에 효과적으로 활용할 필요가 있다.
‘전기와 자기’ 영역은 눈에 보이지 않는 현상을 다루고 있어서 고등학생들도 가장 어려워하고 기피하는 내용이고, 초중등학교 교사는 물론 대학교에서도 전자기학 지도에의 어려움을 나타내었다[17]. 이에 따라 2015 개정 교육과정 중학교 2학년의 ‘전류에 의한 자기장’ 영역은 AR을 활용한 수업의 효과를 분석하는데 비교적 적절한 단원이라 판단된다. 따라서 본 연구에서는 AR을 활용한 과학 수업이 직선 도선, 원형 도선, 코일 주위의 상황에서 학생들의 개념 변화에 어떤 영향을 주었는지 분석하여 ‘전류에 의한 자기장’ 영역의 교수·학습 방법에 주는 시사점을 얻고자 한다.
서울 소재의 한 중학교 2학년 학생 46명을 대상으로 연구를 진행하였다. 사전 설문 결과 46명의 학생 모두 과학 수업 및 타 교과 수업에서 AR을 활용한 수업을 경험하지 못했다고 응답하였다. 또한, 사후 설문 결과 AR 수업이 진행되는 동안 전류에 의한 자기장에 대한 사교육을 받지 않았다고 응답하였다. 학생들에게 AR의 의미와 AR 활용 시 주의 사항, 연구의 취지 및 필요성을 설명하고 수업을 진행하였고, 사전, 사후 검사지 투입과 개별 인터뷰 전에 학생의 동의를 구하고 진행하였다.
AR을 활용한 과학 수업이 중학생의 전류에 의한 자기장의 개념 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 Table 1과 같이 연구 절차를 설계하였다. 먼저 자기장에 대한 전통적인 수업을 실시하고 사전 검사를 실시한 뒤 AR을 활용한 수업을 실시하였다. AR을 활용한 수업이 끝난 직후 사후 검사와 개별 인터뷰를 실시하였다. 실험반(AR 활용 수업), 대조반(전통적 수업)을 설정하고 연구하는 것이 더 바람직하지만 ‘전기와 자기’ 단원이 정기고사와 범위에 해당하기 때문에 현실적으로 실험반, 대조반을 설정하지 못하였다. 따라서 사전, 사후 비교를 통해 전통적인 수업 후에도 학생들이 매우 어려워하던 전류에 의한 자기장의 개념이 AR을 활용한 수업 후 분석 기준에 따라 어떻게 변화하는지를 조사하여 AR을 활용한 수업의 효과를 분석하는 것에 연구의 주안점을 두었다.
Table 1 Research process.
AR을 활용한 수업에서는 실감형 콘텐츠 앱[4]이 미리 설치된 같은 기종의 1인 1 스마트 기기를 제공하여 스마트 기기의 종류 및 앱 설치 여부 등 다른 변인을 통제하고 세 가지 상황의 수업을 Table 2와 같이 진행하였으며 학생 주도의 개별 활동 및 모둠 활동(4인 1 모둠)이 이루어지도록 하였다. AR을 활용한 자기장 관찰 및 실험활동을 하면서 개별 활동지를 완성하도록 하고 모르는 부분은 모둠원과 토의하여 제한 시간 내에 활동지를 완성하도록 하였다. 발표를 통해 활동지 내용을 공유하고 교사가 전체 학생을 대상으로 피드백을 주도록 하였다.
Table 2 Topics and contents using AR.
Unit | Topic | Contents | |
---|---|---|---|
Electricity and Magnetism | 1 | Magnetic field around a straight wire | -Observe the direction of the compass needle around a straight wire and express it in a picture |
-Observe the magnetic field by a straight wire and express it in a picture | |||
-Reverse the direction of the current to observe | |||
-Observe while changing the intensity of the current | |||
2 | Magnetic field around a circular wire | -Observe the direction of the compass needle around the circular wire and express in pictures | |
-Observe the magnetic field by the circular wire and express it in a picture | |||
-Reverse the direction of the current to observe | |||
-Observe while changing the intensity of the current | |||
3 | Magnetic field around the solenoid | -Observe the direction of the compass needle around the solenoid and represent it with a picture | |
-Observe the magnetic field around the solenoid and represent it in a picture | |||
-Reverse the direction of the current to observe | |||
-Observe while changing the intensity of the current |
수업에 사용한 AR은 디지털 교과서의 실감형 콘텐츠 앱 중 중학교 2학년 전기와 자기 콘텐츠이다. 콘텐츠를 실행하고 미리 출력해 놓은 AR 마커를 갖다 대면 Fig. 1과 같이 입체적인 화면이 뜨면서 학생들이 직접 조작하면서 전류의 방향과 전류의 세기를 변화시키거나 자기장의 모습을 관찰할 수 있다. 특히 자기장의 모습을 360°로 회전하면서 관찰할 수 있어서 여러 방향에서 자기장을 관찰할 수 있다.
직선 도선, 원형 도선, 코일 주위의 전류에 의한 자기장의 개념 변화를 알아보기 위해 Jo
본 연구에 사용된 검사지의 문항은 다음과 같다.
직선 도선 주위의 자기장의 모습을 자기력선을 사용하여 그려보시오.
원형 도선 주위의 자기장의 모습을 자기력선을 사용하여 그려보시오.
코일 주위의 자기장의 모습을 자기력선을 사용하여 그려보시오.
사전, 사후 검사지가 동일한 경우 학습효과가 있을 수 있지만 검사지의 유형이 단편적인 지식을 묻는 문항이 아니라 개념을 그림으로 나타내는 문항이고 AR 수업 후 같은 상황에서 어떤 개념 변화가 나타나는지 정확하게 비교하기 위해 동일한 문항을 사용하였다. 자기장의 방향은 그에 따른 힘(Lorentz)의 방향과 다르므로, ‘자기력선’이라는 표현은 논란의 여지가 있으나[18], 연구 대상이 중학생이므로 교과서 표현을 고려하여 자기력선이라는 용어를 사용하였다.
검사지의 분석은 응답자의 그림을 보고 Table 3과 같이 자기장의 방향이 옳은지, 자기력선의 모양이 원형 폐곡선인지, 자기력선 수를 2개 이상 표현했는지를 기준으로 분석하였다. 과학교육 전문가 2인과 독립적으로 분석한 후 이견이 있는 부분에 대해서는 협의를 통해 결정하였다. 자기력선의 분포가 도선에 가까울수록 조밀한 동심원 형태로 그려야 과학적 표현이지만 중학교 과정에서 이 부분을 다루지 않기 때문에 자기력선을 균일한 간격으로 표현한 것도 과학적 개념으로 간주하였다.
Table 3 Analysis criteria for magnetic field due to a current.
Analysis criteria | Details analysis criteria | |
---|---|---|
Direction(N→S) | Scientific | Direction (N→S) |
Non-scientific | No arrow | |
Opposite direction | ||
No answer | ||
Shape (Independent closed curve) | Scientific | Circular closed curve |
Non-scientific | Opened curve or spiral | |
No answer | ||
Number of magnetic field lines | Scientific | Two or more circles |
Non-scientific | Single circle | |
No answer |
전류에 의한 자기장의 개념 변화 분석은 Jo
전류에 의한 자기장에 대한 학생들의 사전, 사후 개념 검사지를 분석한 결과는 Table 4와 같다.
Table 4 Changing the conception of students before and after using AR class.
Analysis Criteria | Direction (N→S) | Shape (Independent closed curve) | Number of magnetic field lines | ||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Topic | No answer | Non - scientific | Scientific | No answer | Non - scientific | Scientific | No answer | Non - scientific | Scientific | ||||||||||
Pre | Post | Pre | Post | Pre | Post | Pre | Post | Pre | Post | Pre | Post | Pre | Post | Pre | Post | Pre | Post | ||
Straight wire | 20 | 11 | 14 | 12 | 12 | 23 | 20 | 11 | 5 | 7 | 21 | 28 | 20 | 11 | 12 | 16 | 14 | 19 | |
Circular wire | 16 | 14 | 16 | 13 | 14 | 19 | 16 | 14 | 9 | 4 | 21 | 28 | 16 | 14 | 12 | 6 | 18 | 26 | |
Solenoid | 24 | 18 | 14 | 11 | 8 | 17 | 24 | 18 | 6 | 7 | 16 | 21 | 24 | 18 | 9 | 6 | 13 | 22 |
AR을 활용한 수업 후 직선 도선, 원형 도선, 코일 주위의 세 가지 상황에서 모두 무응답 학생 수가 감소하고 과학적 개념을 가진 학생이 증가하였다.
첫째, AR을 활용한 수업 후 무응답 학생 수가 세 가지 상황에서 Fig. 2와 같이 모두 감소하였다. 특히, 직선 도선에서 9명(20명→11명)(19.6%)으로 가장 크게 감소하였다. 즉, AR 수업 전에는 자기장을 전혀 표현하지 못하던 학생 중 일부는 AR 수업 후에는 자기장을 그림으로 표현하였다.
둘째, 자기장의 방향 기준에서 AR을 활용한 수업 후 과학적 개념을 가진 학생 수의 변화는 Fig. 3과 같다. 과학적 개념을 가진 학생 수는 직선 도선에서 11명(12명→23명)(23.9%), 원형 도선에서 5명(14명→19명)(10.9%), 코일에서 9명(8명→17명)(19.6%) 증가하였다. 즉, AR 수업 후에 자기장의 방향을 과학적으로 표현한 학생이 직선 도선 상황에서 가장 많이 증가하였다.
셋째, 자기장의 모양 기준에서 AR을 활용한 수업 후 과학적 개념을 가진 학생 수의 변화는 Fig. 4와 같다. 과학적 개념을 가진 학생 수는 직선 도선에서 7명(21명→28명)(15.2%), 원형 도선에서 7명(21명→28명)(15.2%), 코일에서 5명(16명→21명)(10.9%) 증가하였다. 즉, AR 수업 후에 독립된 폐곡선으로 과학적으로 표현한 학생이 직선 도선과 원형 도선 상황에서 가장 많이 증가하였다.
넷째, 자기력선의 수 기준에서 AR을 활용한 수업 후 과학적 개념을 가진 학생 수의 변화는 Fig. 5와 같다. 과학적 개념을 가진 학생 수는 직선 도선에서 5명(14명→19명)(10.9%), 원형 도선에서 8명(18명→26명)(17.4%), 코일에서 9명(13명→22명)(19.6%) 증가하였다. 즉, AR 수업 후에 코일의 경우 자기력선의 수를 1개가 아닌 2개 이상으로 나타내는 학생들이 가장 많은 비율로 증가하였다. 또한, 일부 학생의 경우 AR 수업 후 자기력선을 입체적으로 표현하게 되는 긍정적인 변화를 볼 수 있었다.
전류에 의한 자기장에 대한 개념 변화의 좀 더 심층적인 분석을 위해 총 3가지 상황 (직선 도선, 원형 도선, 코일 주위) 에 따른 자기장에 대한 사전, 사후 검사를 비교하고, 개별 인터뷰를 분석한 결과는 다음과 같다.
직선 도선 주위의 자기장에 대한 개념의 변화는 Table 5와 같다. 분석 기준은 Jo
Table 5 Changing the conception of magnetic fields around straight electric wire. (N=46)
Analysis criteria | Details analysis criteria | Number of students (%) | Increase/Decrease(%p) | ||
---|---|---|---|---|---|
Pre | Post | ||||
Direction(N→S) | Scientific | Direction (N→S) | 12(26.1) | 23(50.0) | +11(+23.9) |
Non-scientific | No arrow | 11(23.9) | 10(21.7) | -1(-2.1) | |
Opposite direction | 3(6.5) | 2(4.3) | -1(-2.1) | ||
No answer | 20(43.5) | 11(23.9) | -9(-19. 6) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) | |||
Shape (Independent closed curve) | Scientific | Circular closed curve | 21(45.6) | 28(60.9) | +7(15.2) |
Non-scientific | Opened curve or spiral | 5(10.9) | 7(15.2) | +2(+4.3) | |
No answer | 20(43.5) | 11(23.9) | -9(-19.6) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) | |||
Number of magnetic field lines | Scientific | Two or more circles | 14(30.4) | 19(41.3) | +5(+10.9) |
Non-scientific | Single circle | 12(26.1) | 16(34.8) | +4(+66.7) | |
No answer | 20(43.5) | 11(23.9) | -9(-19.6) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) |
사전 검사에서는 철가루를 뿌렸을 때의 모습, 여러 방향으로 발산되는 모습, 중간에 끊어지는 모습 등 비과학적으로 자기력선을 표현한 학생들이 AR 수업 후에는 자기장의 방향을 바르게 표현하고 원형 폐곡선으로 표현하게 되었다. 또한, AR 화면에서 본 것과 같이 직선 도선을 따라 형성된 자기장을 3차원의 입체적인 모습으로 표현한 학생도 있었다(Figure 6).
연구자: 그림이 어떻게 이렇게 달라졌을까요?
학생 A: 원래 자기력선이 뭔지 잘 몰랐는데 ... AR 화면을 여러 번 보니까 자기력선을 잘 그릴 수 있게 되었어요.
이를 통해 학생들이 반복적으로 조작해 볼 수 있는 AR을 활용한 과학 수업이 직선 도선 주위 자기장의 방향 및 원형 폐곡선 모양에 대한 이해에 도움이 되었다고 볼 수 있다.
원형 도선 주위의 자기장에 대한 개념의 변화는 Table 6과 같다. 분석 기준은 직선 도선 주위의 자기장과 마찬가지로 총 3개의 기준(자기장의 방향, 자기장의 모양, 자기력선의 수)으로 분류하였다. 원형 도선 주위의 자기장의 경우에도 AR 수업 전에는 16명(34.8%)의 학생들이 자기장을 자기력선으로 전혀 나타내지 못하였다. AR 수업 후 자기력선의 수가 증가한 학생이 8명(18명→26명)(17.4%)로 가장 많았다. 또한, AR 수업 전에는 자기력선을 원형 폐곡선으로 바르게 표현하지 못했는데 AR 수업 후 원형 폐곡선으로 바르게 표현한 학생이 7명(21명→28명)(15.2%) 증가하였고, 자기장의 방향을 올바르게 표현하게 된 학생도 5명(14명→19명)(10.9%) 증가하였다.
Table 6 Changing the conception of magnetic fields around circular electric wire. (N=46)
Analysis criteria | Details analysis criteria | Number of students (%) | Increase/Decrease(%p) | ||
---|---|---|---|---|---|
Pre | Post | ||||
Direction(N→S) | Scientific | Direction (N→S) | 14(30.4) | 19(41.3) | +5(+10.9) |
Non-scientific | No arrow | 10(21.7) | 8(37.8) | -2(-4.3) | |
Opposite direction | 6(13.0) | 5(10.9) | -1(-2.1) | ||
No answer | 16(34.8) | 14(30.4) | -2(-4.3) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) | |||
Shape (Independent closed curve) | Scientific | Circular closed curve | 21(45.7) | 28(60.9) | +7(15.2) |
Non-scientific | Opened curve or spiral | 9(19.6) | 4(8.7) | -5(10.9) | |
No answer | 16(34.8) | 14(30.4) | -2(-4.3) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) | |||
Number of magnetic field lines | Scientific | Two or more circles | 18(39.1) | 26(56.5) | +8(+17.4) |
Non-scientific | Single circle | 12(26.1) | 6(13.0) | -6(-13.1) | |
No answer | 16(34.8) | 14(30.4) | -2(-4.3) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) |
즉, 전통적인 수업 후에는 자기력선을 전혀 그리지 못하거나 끊어지게, 원형 도선의 일부에만 자기력선을 그리던 학생들이 AR 수업 후에 자기력선을 끊어지지 않는 원형 폐곡선으로 표현하고 원형 도선의 여러 위치에 자기력선을 표현하게 되었다. Figure 7은 자기력선을 끊어지게 그리다가 수업 후에 끊어지지 않는 원형 폐곡선으로 표현한 학생 B의 예이다. 다음은 학생 B와의 인터뷰 내용이다. 특히, 학생 B의 경우 직선 도선과 원형 도선에서 모두 자기력선을 끊어지게 그리다가 AR 수업 후 일관성 있게 자기력선을 원형 폐곡선으로 표현하였다.
연구자: 그림이 어떻게 이렇게 달라졌을까요?
학생 B: AR을 보고 자기장이 끊어지지 않고 이어지는 걸 알게 되었어요. 저 진짜 AR보고 도움이 많이 되었어요. 원형 도선이 가장 어려웠는데 AR 보면서 직접 조작해 봐서 이해가 잘 되었어요.
Figure 8는 직선 도선 주위와 원형 도선 주위의 자기장에서 자기력선의 수가 일관성 있게 증가한 학생 C의 예이다. 학생 C는 AR 수업 전에는 직선 도선이나 원형 도선 주위의 자기장을 하나의 원형 폐곡선으로만 표현하였으나 AR 수업 후에는 여러 개의 원형 폐곡선으로 표현하였다.
다음은 학생 C와의 인터뷰 내용이다.
연구자: 그림이 어떻게 이렇게 달라졌어요?
학생 C: AR 화면을 보고 평소에 완벽하게 이해하지 못했던 부분들을 이해하게 되었어요.
연구자: 잘 이해하지 못했던 부분은 어떤 부분이었어요?
학생 C: 직선 도선과 원형 도선 주위의 자기장이 생기는 원리가 같다는 걸 잘 몰랐어요.
특히, 학생 C의 경우 AR 수업 후 직선 도선에 전류의 방향을 정확히 표현하게 되었고, 직선 도선 주위와 원형 도선 주위의 자기장이 생기는 원리가 같다는 것을 표현한 점에서 AR을 활용한 수업의 긍정적인 효과를 볼 수 있었다.
코일 주위의 자기장에 대한 개념의 변화는 Table 7과 같다. 분석 기준은 직선 도선, 원형 도선 주위의 자기장과 마찬가지로 총 3개의 기준(자기장의 방향, 자기장의 모양, 자기력선의 수)으로 분류하였다. 코일 주위의 자기장의 경우에도 AR 수업 전에는 24명(52.2%)의 학생들이 자기장을 자기력선으로 전혀 나타내지 못하였다. AR 수업 후 자기장의 방향을 바르게 표현하게 된 학생이 9명(8명→17명)(19.6%), 자기력선의 수가 증가한 학생이 9명(13명→22명)(19.6%) 증가하였다. 또한, AR 수업 전에는 자기력선을 원형 폐곡선으로 바르게 표현하지 못했는데 AR 수업 후 원형 폐곡선으로 바르게 표현한 학생이 5명(16명→21명)(11.0%) 증가하였다.
Table 7 Changing the conception of a magnetic field around the solenoid. (N=46)
Analysis criteria | Details analysis criteria | Number of students (%) | Increase/Decrease(%p) | ||
---|---|---|---|---|---|
Pre | Post | ||||
Direction(N→S) | Scientific | Direction (N→S) | 8(17.4) | 17(37.0) | +9(+19.6) |
Non-scientific | No arrow | 6(13.0) | 5(10.9) | -1(-2.1) | |
Opposite direction | 8(17.4) | 6(13.0) | -2(-4.4) | ||
No answer | 24(52.2) | 18(39.1) | -6(-13.1) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) | |||
Shape (Independent closed curve) | Scientific | Circular closed curve | 16(34.7) | 21(45.7) | +5(+11.0) |
Non-scientific | Opened curve or spiral | 6(13.0) | 7(15.2) | +1(+2.2) | |
No answer | 24(52.2) | 18(39.1) | -6(-13.1) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) | |||
Number of magnetic field lines | Scientific | Two or more circles | 13(28.2) | 22(47.8) | +9(+19.6) |
Non-scientific | Single circle | 9(19.6) | 6(13.0) | -3(-6.6) | |
No answer | 24(52.2) | 18(39.1) | -6(-13.1) | ||
Subtotal | 46(100.0) | 46(100.0) |
Figure 9는 자기력선을 3개로 표현하다가 AR 수업 후에는 자기력선을 7개로 입체적으로 표현하게 된 학생 D의 예이다. 다음은 사후 검사가 끝난 후 학생 B와의 인터뷰 내용이다.
연구자: 두 그림의 차이를 설명해줄 수 있어요?
학생 D: 나중에 그린 그림은 자기력선을 3D로 표현한 거예요.
연구자: 그림이 이렇게 바뀌게 된 이유가 있어요?
학생 D: 그 전에 교과서 그림에는 평면으로 그려 있어서 몰랐는데 AR에서 나침반의 모양과 입체적인 모양의 자기력선을 보고 자기력선이 입체적이라는 것을 알게 되었어요.
연구자: AR 수업이 어떤 부분에서 가장 도움이 되었나요?
학생 D: AR은 360도 회전이 되니까 직접 조작하면서 볼 수 있어서 도움이 많이 되었어요. 그리고 AR 화면을 반복해서 여러 번 볼 수 있어서 도움이 되었어요.
이를 통해 AR을 활용한 과학 수업이 코일 주위의 자기력선에 대한 이해에 반복적 조작 및 입체적인 자원의 제공 측면에서 도움이 되었다고 볼 수 있다.
위 세 가지 상황에서의 학생들의 개념 변화를 종합해볼 때, AR을 활용한 과학 수업은 반복적, 조작적인 탐구 활동이 가능하여 학생들이 눈으로 직접 관찰할 수 없는 자기장의 방향, 모양, 자기력선의 수를 표현하는 데 도움이 되었다는 것을 알 수 있다. 특히, 교과서와는 달리 자기장의 모습이 입체적이라는 것을 알게 되었다는 학생들과의 인터뷰에서 AR을 활용한 과학 수업이 자원 기반의 관점에서 다양한 자원을 제공하는 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 AR을 활용한 과학 수업이 중학생의 자기장에 대한 개념 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 세 가지 상황(직선 도선 주위, 원형 도선 주위, 코일 주위)에서 학생의 자기장에 대한 개념 검사지와 개별 인터뷰를 분석하였다. 전류에 의한 자기장에 대한 개념 변화를 세 가지 상황에서 분석한 결과는 다음과 같다.
첫째, AR을 활용한 과학 수업 후 직선 도선, 원형 도선, 코일 주위의 자기장 상황에서 학생들의 개념이 좀 더 과학적 개념에 가까워지는 것을 볼 수 있었다. AR 수업 후 무응답 학생 수가 세 가지 상황에서 모두 감소하고, AR 수업 전에는 자기력선을 전혀 표현하지 못하다가 AR 수업 후 자기력선의 의미를 알게 되어 폐곡선으로 자기력선을 표현하거나 화살표의 방향을 표현하는 학생이 세 가지 상황에서 모두 증가하였다. 또한, 자기장의 방향, 자기장의 모양, 자기력선의 수 각각의 기준에서 비과학적 개념을 가진 학생 수가 감소하고 과학적 개념을 가진 학생 수가 증가하였다. 자기장의 방향 기준에서는 직선 도선, 자기장의 모양 기준에서는 직선 도선과 원형 도선, 자기력선의 수 기준에서는 코일 상황에서 과학적으로 개념이 변화한 학생 수가 다른 상황에 비해 가장 많았다.
둘째, AR을 활용한 과학 수업은 반복적, 조작적인 탐구 활동이 가능하여 학생들이 눈으로 직접 관찰할 수 없는 자기장의 방향, 모양, 자기력선의 수를 표현하는 데 도움이 되었다. 즉, 개별 학생의 학습 속도와 수준에 맞게 맞춤형 실험 활동을 가능하게 하고, 눈에 보이지 않는 전류에 의한 자기장을 시각화, 입체화하여 풍부한 자원을 제공함으로써 학생의 개념 변화에 도움을 주었다. 반면 AR을 활용한 수업 후에도 일부 학생들이 여전히 자기력선을 전혀 그리지 못하였고, 나침반의 N극이 가리키는 방향을 따라서 자기력선을 그린다는 것을 인지하지 못하고 있었다.
이상의 연구 결과를 바탕으로 자기장에 대한 교수·학습에 주는 시사점은 다음과 같다.
첫째, 자기력선을 전혀 그리지 못하는 학생들에게 전류에 의한 자기장을 관찰할 때 나침반을 움직이면서 N극이 가리키는 방향을 화살표로 표현한 뒤 선으로 연결하여 자기장을 선으로 그려보는 활동[19]과 같은 자기장에 대한 탐구 활동을 제시하여 나침반의 방향과 자기장의 방향의 연계성을 강조할 필요가 있다.
둘째, 자기력선을 그리기는 하지만 입체적으로 표현하지 못하는 학생들에게는 교과서 탐구 활동에서 직선 도선 주위, 원형 도선 주위, 코일 주위의 상황에서 자기력선을 여러 방향에서 입체적으로 그려볼 수 있는 활동을 제시할 필요가 있다. 이와 함께 자기장과 같은 추상적인 개념을 도입할 때는 2차원의 교과서 그림을 제시함과 동시에 AR과 같은 실감형 콘텐츠를 활용하여 3차원으로 관찰하고 입체적인 그림으로 표현해보는 학생 중심의 탐구 활동을 적극적으로 제시할 필요가 있다. 왜냐하면 자원 기반의 관점에서 학생들에게 과학적인 풍부한 자원을 제공하고 이를 활용하여 탐구를 효과적으로 수행하게 하는 교수·학습 활동이 중요하기 때문이다[20].
따라서 향후의 연구에서 AR을 활용한 개별 맞춤형 과학 수업을 다양한 단원에 적용한 후 수업의 효과를 분석한다면 AR을 활용한 수업이 학생의 과학적 개념에 미치는 영향과 효과적인 교수·학습 전략을 구체적으로 파악할 수 있을 것으로 기대된다.