증강현실(Augmented reality, 이후 AR)은 실제 물체에 가상 물체가 겹쳐 나타나는 것을 의미한다[1]. 몇몇 연구는 교육 환경에서 AR의 적용이 학습 경험을 풍부하게 하고, 학습자의 동기 부여를 증진할 뿐만 아니라, 이론적 개념과 실제 상황 간의 간극을 줄이는 데 기여할 수 있다고 주장하고 있다[2, 3]. 물리 실험과 같은 과학 실험 교육의 복잡한 개념과 과정을 학생들에게 이해시키기 위한 시각화 도구로서 AR의 효과가 크게 기대되고 있다[4]. 특히 초등 교육 단계에서는 기초 과학 개념의 토대가 형성되기 때문에, 이 시기에 효과적인 실험 교육이 이루어진다면 학생들의 과학에 대한 흥미와 이해도를 높일 수 있을 것이다[5, 6].

하지만 AR을 교육 현장에 적용하는 과정에서 교사들은 여러 가지 현실적인 어려움을 겪고 있다[7]. 교육의 방식을 바꾸는 것과 새로운 기술에 대한 적응은 쉽지 않기 때문에, AR 및 에듀테크 등이 효율적 적용을 위해서는 현장에서 활발히 활동 중인 교사를 대상으로 한 교육도 중요하지만 잠재적 사용자인 예비교사들을 사전에 교육하는 것은 중요하며 효과적일 수 있다. 즉, 예비교사들이 물리 실험 교육에 AR을 통합하는 데 필요한 지식을 제대로 습득하지 못한다면, 기술의 교육적 가치는 충분히 발휘되기 어려울 것이며, 예비교사들이 이러한 기술을 효과적으로 활용하기 위해서는 적절한 교육과 지원이 필요하다[8].

AR이 실제 물체에 가상 물체가 결합 되었기 때문에 VR과 분명히 구분된 특징이 있지만, 많은 AR 실험은 VR에서 구현한 가상 실험을 마커 위에 단순히 증강하는 형태이다[9]. 이러한 가상 실험은 반복 실험, 변화 불가능한 변인의 변경 가능, 위험한 실험의 수행 등 다양한 장점을 가지지만, 이상적인 상황만을 제공하기에 실제 실험에 비해 제한적인 현상에 대한 이해만을 제공할 수 있다는 단점을 갖고 있기도 하다[10]. AR을 이용해 가상 실험을 수행하는 것은 실제 세계와 가상 물체를 같이 보여줄 수 있다는 AR의 장점을 충분히 이용하지 못하는 것으로 보인다. 즉, AR 실험은 VR 실험 즉 가상 실험과 달리 단순히 실제 물체가 배경이 되는 것 이외에 다른 특징을 가질 필요가 있다.

본 연구는 초등 예비교사를 대상으로한 물리 실험 교육에서 AR 응용 방법의 개선을 목표로 하고 있다. 본 연구에서는 이러한 AR 실험의 개선 방안을 연구자 중심의 하향식 방법이 아니라 현장 또는 예비 사용자의 요구를 중심으로 한 상향식 방법에서 도출하고자 한다. 예비교사는 이미 초등 과학교육 실험에 너무 익숙해진 현장 교사와는 달리 더 참신한 요구를 제안할 것으로 기대하였다. 본 연구의 목적은 초등 예비교사들이 제안한 AR 물리 실험의 특징을 알아보는 것이며 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

1. 초등 예비교사들이 AR로 보완을 제안한 초등 물리 실험의 단원 및 주제는 어떠한가?

2. 초등 예비교사들이 제안한 AR 물리 실험에서 실제-가상 물체의 역할은 어떠한가?

3. 초등 예비교사들이 제안한 AR 물리 실험의 실험 유형은 어떠한가?

1. 연구 참여자

본 연구에는 초등 예비교사 3학년 103명이 참여하였다. 과학교육, 국어교육, 미술교육 등 교육 대학의 12개 전공의 학생이 이 연구에 참여하였으며, 이 학생들은 2015 개정 교육과정에 기반한 3학년에서 6학년까지의 초등 과학 교과서에 실린 물리 실험을 모두 수행해 보았다. 초등 예비교사들이 제안한 AR 물리 실험의 특징을 탐색하고자 예비교사들에게 요청한 내용은 다음과 같다.

103명의 연구 참여자에게서 무응답 1명을 제외하고 총 102명의 응답이 수집되었다. 이 중, 물리 영역이 아닌 화학 관련된 주제(발화점)에 대한 AR 실험을 제안한 예비교사 1명의 응답과, 초등 교육 과정을 벗어나는 주제(자유낙하)에 대한 AR 실험을 제안한 예비교사 1명의 응답을 제외하였다. AR 물리 실험을 2개 제안한 예비교사 1명의 응답(대류와 분산)은 중복응답으로 고려하여 총 101개의 사례가 수집되었고 이를 분석하였다.

2. 분석 영역 및 범주

초등 예비교사들이 제안한 AR 물리 실험의 특징은 단원 및 주제, 실제-가상의 역할, 실험 유형의 세 영역에서 분석하였다. 분석의 영역과 유형은 Table 1에서 확인할 수 있다. 단원 및 주제는 2015 개정 교육과정 문서를 기준으로 자석의 이용, 소리의 성질, 물체의 무게, 그림자와 거울, 온도와 열, 물체의 운동, 빛과 렌즈, 전기의 이용으로 구분하여 분석하였다[11]. 이미 2022 개정 교육과정이 발표되었지만, 2022 개정 교육과정 문서를 기준으로 분석하지 않고, 2015 교육과정 문서를 대상으로 분석을 수행한 것은, 아직 2022 개정 교육과정에 기반한 교과서가 나오지 않았기 때문이며, 본 연구에 참여한 예비교사들이 2015 교육과정에 기반한 교과서의 실험을 경험하였기 때문이다[12]. 실제-가상 물체의 역할은 무엇이 어디에 표상되었는가를 중심으로 분석하였다. 여기에서 실제는 가상의 물체가 투영되는 곳으로 선행연구에서는 마커, 마커 리스 등으로 구분하였는데, 여기에서는 단순 배경, 실제 물체 등으로 그 역할을 조금 더 자세히 설명하고자 하였다[6]. 가상 물체는 표상의 수준을 미시, 거시, 상징적 수준으로 분석한 선행연구를 기반으로 추가 분석하였으며, 이때 거시적 수준은 관찰 가능한 것, 미시적 수준은 비가시적인 작은 것, 상징적 수준은 그래프나 수식 등의 표상을 의미한다[13, 14]. 실험의 유형은 실제 물체를 조작하여 실험 결과를 확인하는 물리적 조작 실험(Physical Manipulative Experiment)과 가상 물체를 조작하여 실험 결과를 확인하는 가상 조작 실험(Virtual Manipulative Experiment)으로 실험을 구분한 선행연구의 구분을 참고하여 구분하였다[10]. 물리적 조작 실험에서는 실제 물체의 조작 결과 실세계가 변화하며 이에 따라 나타난 실세계의 변화를 측정하여 실험 결과를 도출하지만, 가상 조작 실험에서는 가상 물체의 조작에 따라 계산된 결과에 따라 실험 결과를 보여주게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 실제 세계의 측정 자료가 포함되었는지에 따라 실험의 유형을 구분하였으며 유형의 특징을 잘 드러낼 수 있도록 각각 실제 실험과 가상 실험으로 명명하였다. 30개의 사례에 대해 먼저 분석기준에 근거해 연구자 1인이 분석을 수행하였으며 분석결과를 과학교육 전문가 2인과 공유하고 결과가 일치할 때까지 논의를 진행해 분석 기준에 대한 합의를 이루었으며 이후, 나머지 결과를 연구자 1인이 분석하고 결과를 도출하였다.

Table 1 . Analysis Framework.

Area	Category	Explanation	Ref.
Unit	Utilization of Magnets	3rd-4th grade group (elementary school)	[11]
	Properties of Sound
	Weight of Objects
	Shadows and Mirrors
	Temperature and heat	5th-6th grade group (elementary school)
	Movement of an object
	Light and lens
	Use of electricity
Real – Virtual	Real Object	Where was it represented?	[13, 14]
	Virtual Object (Sub-microscopic level /Macroscopic/ Symbolic)	What was represented? (What is the level of representation?)
Type of Experiment	Virtual Experiment	Does it only yield calculated results?	[10]
	Real Experiment	Was measurement included?

1. 초등 예비교사들이 AR로 보완을 제안한 초등 물리 실험의 단원 및 주제

초등 예비교사들이 AR로 보완을 제안한 초등 물리 실험의 영역과 주제를 정리한 것은 Table 2와 같다. 가장 많이 언급된 단원은 6학년 1학기 빛과 렌즈 단원이며 45명(44.6%)이 이 단원의 개선을 제안하였다. 구체적으로는 분산(17명, 16.8%), 렌즈에서의 굴절(17명, 16.8%), 수면에서의 굴절(11명, 10.9%)의 주제에 대한 개선을 제안하였다. 그다음으로 많이 언급된 것은 6학년 2학기의 전기의 이용 단원(16명, 15.8%) 이었으며, 주제 측면에서는 전기회로(14명, 13.9%), 도선에서 전자의 이동(1명, 9.9%), 전기회로 비유 모형(1명, 9.9%)이 언급되었다. 5학년 2학기의 온도와 열, 4학년 1학기의 물체의 무게가 각각 11명(10.9%)에게서 언급되었으며, 3학년 1학기 자석의 이용(6명, 5.9%), 4학년 2학기 그림자와 거울(5명, 4.6%), 물체의 운동(4명, 4.0%), 소리의 성질(3명, 3.0%)이 그다음 순서로 언급되었다. 많이 언급된 실험 주제로는 빛의 분산(17명, 16.8%), 렌즈에서의 굴절(1명, 16.8%), 전기회로(14명, 13.9%), 물에서의 굴절(11명, 10.9%)을 꼽을 수 있었다(Fig. 1).

Figure 1. (Color online) Four frequently mentioned topics in elementary physics experiments that pre-service elementary teachers suggested supplementing with AR; (a) represents dispersion of light, (b) represents refraction through the lens, (c) represents refraction on the water, (d) represents electric circuit.

Table 2 . Units and subjects of elementary physics experiments suggested by pre-service elementary teachers to be supplemented with AR.

Unit	No. of students	Topics of Content (No. of student)
Utilization of magnets	6	Magnetism (4), Compass (2)
Properties of sound	3	Generation of sound (2), Propagation of sound (1)
Weight of objects	11	Balance (7), Spring scale (3), Pan balance (1)
Shadows and mirrors	5	Mirror (4), Shadow (1)
Temperature and heat	11	Conduction (8), Convection (2), Thermal balance (1)
Movement of an object	4	Calculation of speed (3), The speed of an object moving the same distance (1)
Light and lens	45	Dispersion (17), Refraction in the lens(17), Refraction on the water (11)
Use of electricity	16	Electric circuit (14), Movement of electrons in a wire (1), Circuit analogy model (1)

2. 초등 예비교사들이 제안한 AR 물리 실험에서 실제-가상 물체의 역할은 어떠한가?

초등 예비교사들이 제안한 AR 물리 실험에서 실제 및 가상 물체의 역할은 Fig. 1에서 언급된 대표 사례인 분산, 수면에서의 굴절, 전기회로를 중심으로 분석 및 기술하였다. 예비교사들이 제안한 수면에서의 굴절과 관련된 AR 실험에서 나타난 실제 물체와 가상 물체의 역할은 Table 3에서 확인할 수 있다. Table 3의 Diagram 1에서는 레이저가 그려진 마커를 사용해 마커 위에 레이저를 증강하며 마커를 움직이며 레이저의 입사각을 조정한다. 이때, 가상 물체는 수조, 광 경로, 입사각의 진행경로를 나타내는 점선이다. 이 실험에서의 실제 물체의 역할은 조작의 편의성 정도로 이해할 수 있는 것으로 보인다. Table 3의 Diagram 2에서는 수조와 물이 실제 물체이며, 화면에 증강된 레이저를 터치로 조작하면서 빛의 진행경로를 관찰하게 된다.

Table 3 . The role of real and virtual objects in the refraction AR experiment on the water proposed by a pre-service teacher.

Diagram of AR experiment	Role of real object	Role of virtual object
Diagram 1	Laser drawn marker (marker manipulation)	Water tank and light path, dotted lines parallel to angle of incidence
Diagram 2	Water tank and water	Laser (screen touch manipulation) and light path

예비교사들이 제안한 전기회로와 관련된 AR 실험에서 나타난 실제 물체와 가상 물체의 역할은 Table 4에서 확인할 수 있다. Table 4의 Diagram 1에서 실제 물체는 책상이며 마커리스 방식으로 책상에 가상 물체를 증강한다. 이때 실제 물체의 역할은 배경으로 해석할 수 있다. 증강된 물체는 다양한 전기회로 요소이며 따라서 실험의 유형은 가상실험을 수행하는 것으로 해석할 수 있다. Table 4의 Diagram 2에서도 역시 책상 위에서 가상실험을 수행하지만 학생의 목표 모형에 해당하는 전기회로의 모형을 카드로 제시하기 때문에, 학습자는 가상 물체는 실제 물체인 카드의 그림과 비교해가며 실험을 수행할 수 있게 된다. Table 4의 Diagram 3은 실제 실험을 보조하는 수단으로서의 AR 실험을 제안한다. 이 실험에서의 실제 물체는 전기회로 요소이며 따라서 실험 자체는 일반적인 실제 실험과 구분되지 않는다. 하지만 이 실험에서는 학습자가 학습하고자 하는 개념인 전류(추상적 표상)와 전자(미시적 표상)의 이동을 나타내는 가상 물체를 겹쳐 보임으로 학습을 보조하고자 한다. 마지막으로 Table 4의 Diagram 4에서 실제 물체는 특별히 언급되지 않았는데, 이는 마커리스 기반의 증강을 의미하는 것으로 보인다. 여기에서 특징적인 것은 전기회로와 그 비유 모형인 물 회로 비유 묘형을 같이 보여주는 것이다. 여기에서는 전기회로와 물 회로 비유 모형 모두 가상 물체로 증강하는 것으로 나타내었는데, 실제 전기회로에 학습자의 이해를 돕기 위해 물회로 비유 모형을 함께 나타내는 것으로 개선하여 AR 실험을 개발할 수도 있을 것이다.

Table 4 . The role of real and virtual objects in the electric circuit AR experiment proposed by a pre-service teacher.

Diagram of AR experiment	Role of real object	Role of virtual object
Diagram 1	Table (background)	Elements of electric circuit
Diagram 2	Card (goal of activity)	Elements of electric circuit
Diagram 3	Elements of electric circuit	Electric current (symbolic level representation) and electron movement (sub-microscopic level representation)
Diagram 4	None (background, marker-less)	Elements of electric circuit and elements of water circuit (analogy model)

예비교사들이 제안한 분산에서의 굴절과 관련된 AR 실험에서 나타난 실제 물체와 가상 물체의 역할은 Table 5에서 확인할 수 있다. Table 5의 Diagram 1에서 실제 물체는 바닥이며 바닥은 스크린의 역할을 하게 되는데, 사실상 실험의 배경 역할을 하게 된다. 여기에서 광원, 프리즘, 광 경로, 분산된 빛은 모두 가상의 물체로 제공된다. Table 5의 Diagram 2에서는 마커 기반으로 AR이 구현되는데, 여기에서 태양과 프리즘은 마커 위에 증강되며, 학습자는 마커의 위치를 조정하며 광원의 위치와 프리즘의 각도를 조정하고, 그 결과 나타나는 분산된 빛은 가상 실험의 결과로 도출된다. Table 5의 Diagram 3은 마커 대신 실제 물체를 이용하는데, 결과는 가상 실험의 결과로 도출되는 특징을 가진다. 이 실험에서 광원과 프리즘은 실제 물체인데, 분산된 빛은 가상의 물체로 AR 기기를 통해서만 확인할 수 있다고 가정하고 있다.

Table 5 . The role of real and virtual objects in the dispersion AR experiment proposed by a pre-service teacher.

Diagram of AR experiment	Role of real object	Role of virtual object
Diagram 1	Floor (background)	Light source, prism, light path and diffuse color
Diagram 2	Sun and prism drawn marker (marker manipulation)	Light, prism, light path and diffuse color
Diagram 3	Light source, prism and screen	Light path and diffuse color

3. 초등 예비교사들이 제안한 AR 물리 실험의 실험 유형은 어떠한가?

초등 예비교사들이 제안한 실험은 가상 실험과 실제 실험으로 분류해 분석한 결과는 Table 6과 같다. 대부분의 학생(100명, 99.0%) AR 실험을 가상 실험으로 활용하였으며, 실제 측정 및 실험에 사용한 경우는 1명(1.0%) 이었다. 가상 실험의 예는 Table 6의 Diagram 1에서 확인할 수 있는데, 이 예시에서 예비교사는 용수철저울을 이용한 무게 측정 실험을 제안하고 있다. 여기에서 실제 용수철저울이 실험에 사용되며 학습자는 실제 용수철을 촬영하는 이미지에 지우개, 자와 같은 가상 물체를 걸고 무게를 측정한다. 여기에서 실제 용수철의 길이는 늘어나지 않지만, 화면 안에서 가상 물체를 건 용수철은 늘어나며 측정 결과를 보여주므로 이 실험은 미리 입력된 패턴에 따라 출력값을 토해내는 가상 실험으로 볼 수 있을 것이다. AR을 사용한 실제 실험을 제안한 학생은 Table 6의 Diagram 2와 같이 1명이었으며, 이 학생은 AR 거리 측정 앱을 이용해, 특정 시간 동안 이동한 물체의 거리를 측정하고 속력을 계산하는 실험을 제안하였다.

Table 6 . The role of real and virtual objects in the dispersion AR experiment proposed by a pre-service teacher.

Type of experiment	No. of students	Example of AR experiment
Virtual experiment	100 (99.0%)	Diagram 1
Real experiment	1 (1.0%)	Diagram 2

본 연구에서는 물리 실험 교육에서의 AR 적용 콘텐츠 개선 방안을 도출하기 위해 초등 물리 실험을 모두 수행해 본 초등 예비교사에게 AR을 사용해 기존의 물리 실험을 개선할 것을 요청하였으며, 그 결과 제안된 101 사례의 AR 물리 실험의 특징을 분석하였다. 특징은 단원 및 주제, 실제 및 가상 물체의 역할, 실험의 유형의 3개 차원으로 분석하였다. 분석 결과 초등 예비교사의 거의 절반 정도가 빛과 렌즈 단원의 보완을 제안하였다. 주제로 보면 빛의 분산, 렌즈에서의 굴절, 수면에서의 굴절 및 전기회로가 주로 언급되었다. 실제 및 가상 물체의 역할은 주로 언급된 빛의 분산과 수면에서의 굴절, 전기회로를 중심으로 분석하였다. 예비교사는 각 실험에서 대부분이 가상인 것에서부터 실제의 비중이 상대적으로 큰 것까지 다양한 수준의 실험을 제안하였다. 이때, 실제 물체의 역할은 배경과 조작을 위한 마커였으며 일부 실험에서는 목표 상황과의 비교를 위한 과제 카드의 역할을 수행하기도 하였다. 가상 물체의 역할은 거시적 표상인 실험 기기에서 추상적 표상인 빛의 경로 그리고 미시적 표상인 전류 등 다양한 수준의 표상이 고려되었다. 이 중 특징적인 것은 전기회로에서 등장한 비유 모형인데, 학습을 돕고자 실제 실험과 비유 모형을 동시에 가시화하는 방식으로 학습을 보조하는 방안이 고려되기도 하였다. 마지막으로 실험 유형은 거의 대부분의 학생(99.0%)이 가상 실험을 제안하였다는 것이 특징적이었다고 볼 수 있었다. 실제 측정을 사용한 실험은 속력과 관련된 실험에서 길이 측정에 AR을 활용하는 것으로 단지 한 학생만이 제안하였다.

이상의 결과로 도출된 시사점은 다음과 같다. 첫째, 가상 실험에서 실제 물체의 역할에 대한 고민과 검토가 필요하다. 예비교사는 AR 실험에서 실제 물체의 역할을 대부분 증강을 위한 배경 또는 조작을 위한 마커로 활용하였다. 일부 학생의 경우 목표 상황을 제시하는 방향으로 사용하기도 하였지만, 그 활용방안이 극단적으로 제한적이었다는 점은 실제 물체의 활용방안에 대한 추가적인 고민이 필요함을 의미하는 것으로 보인다. 둘째, AR 실험에서 어떠한 가상 물체가 증강되어야 하는지에 대한 추가 연구가 필요하다. 본 연구에서 예비교사들은 가상 물체로 실제 물체(거시적 표상)만을 사용하는 경우가 많이 나타났으며, 추상적, 미시적 표상을 증강하는 경우도 일부 나타나기는 하였다. 거시적 표상을 증강하는 경우 대부분은 가상 실험을 목적으로 하는 것이었으며, 실제 실험이 가능한 것은 가상 물체로 보여주는 것이었다. 이 상황에서 대부분의 실험은 실제 실험의 대체였으며, 추가적으로 미시적이거나 상징적인 표상을 제공하지는 않았다. 이와같이 예비교사들이 제안한 AR 활용 실험은 단지 거시적으로 수행될 수 있는 실험을 가상 공간으로 옮겨놓은 것에 불과했다. 일부 실험에서는 실제 실험에서 관찰할 수 없는 미시적이거나 추상적인 표상을 함께 증강하는 것을 제안하였는데, 이는 다중표상적 관점에서 학습에 의의가 있을 것으로 기대할 수 있다. 덧붙여 비유 모형을 실제 실험에 덧붙여 보여줄 수 있다는 아이디어는 추후 AR 콘텐츠 개발에서 충분히 고려해볼 만한 다양한 요소를 포함하고 있는 제안으로 보인다. 마지막으로 AR 실험의 실제 실험으로의 확장에 대한 고민이 필요하다. 대부분의 초등예비교사들은 AR 실험을 가상 실험으로 바라보고 제한적으로 해석하고 있다. 하지만 최근 해외의 연구사례를 살펴보면 다양한 측정 위주의 실제 실험이 AR을 통해 수행되고 있음을 확인할 수 있다[15]. 이에 다양한 실제 측정을 활용한 AR 실험 개발의 필요성이 함께 논의될 필요가 있다.

이 논문은 2024년도 제주대학교 교원성과지원사업에 의하여 연구되었습니다.