문제중심학습을 위한 가상세계형 메타버스 학습환경 설계원리 개발 연구 = A Developmental Study of Virtual World Metaverse Learning Environments Design Principles for Problem Based Learning(PBL)|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Problem based learning(PBL) is one of the representative instructional approaches grounded in constructivist teaching and learning practices. It involves learners acquiring knowledge and skills through individual and collaborative exploration and resolution of authentic, ill-structured problems. PBL has been widely adopted in educational settings due to its effectiveness in not only facilitating knowledge acquisition but also enhancing higher-order cognitive skills such as problem-solving abilities, critical thinking, and cooperative learning skills. Especially in the era of the Fourth Industrial Revolution and digital transformation, attempts have been made to integrate PBL with various technological tools.
Meanwhile, virtual world metaverses offer educational environments that overcome the physical constraints of traditional classrooms by providing immersive and realistic experiences that are difficult to implement in reality. Virtual world metaverse learning environments, utilizing objects and avatars, support diverse interactions suitable for inquiry-based learning, PBL, and cooperative learning. Previous studies reported that such environments significantly improve learner interest, motivation, interaction, immersion, and presence. Despite these educational benefits, there are challenges that the environments can trigger cognitive overload, the elements of entertainment and freedom can both facilitate and hinder learning, and the effective use of such environments requires a certain level of edtech competency from both teachers and learners.
Consequently, there is a need for systematic research into the design of metaverse based learning environments, particularly exploring design principles for virtual world metaverse supported PBL to facilitate authentic learning experiences within limited classroom contexts.
Focusing on this necessity, this study aimed to develop and validate instructional design principles for effective PBL in virtual world metaverse environments as expanded classroom spaces. Two research questions guided the study: firstly, identifying the design elements and principles for virtual world metaverse supported PBL environments; secondly, verifying the validity of these design principles based on feedback from experts, metaverse designers, teachers, and learners.
This study adopted a design and development research methodology, clearly separating the stages of developing and validating design principles. Initially, literature reviews, relevant case analyses, and needs assessments involving teachers with metaverse usage experiences were conducted to derive design elements and implications, leading to the creation of initial design principles including design elements, general principles, and detailed guidelines. Subsequently, the validation process involved expert reviews, usability evaluations by designers and teachers, and field evaluations. Six experts(educational experts, metaverse design experts, and teachers) participated in three rounds of expert validation, while four designers and teacher designers participated in usability evaluations. Field evaluation was conducted with one elementary English teacher and 15 student participants. To examine the effects of class applying the proposed design principles, pre-tests and post-tests were conducted focusing on learners’ English achievement (cognitive domain), interest in and confidence in English (affective domain), and various learning outcomes of PBL, including self-directed learning, information processing, problem-solving, critical thinking, acceptance of opinions, communication, and integrative ability. In addition, learners’ assignments were analyzed, and supplementary interviews were conducted to enhance the validity of the findings.
Based on the results of the study, the learning environment was implemented using the developed design principles and subsequently evaluated in the field. Learners who participated in PBL within the virtual world metaverse environment demonstrated statistically significant improvements in all measured areas(excluding English achievement, problem-solving, and acceptance of opinions), including interest and confidence in English, self-directed learning, information processing, critical thinking, communication, and integrative ability. Furthermore, interviews with the teacher and learners confirmed that they held positive perceptions of the metaverse based PBL experience and regarded it as a meaningful learning experience.
The final design principles consisted of 6 design elements, 15 design principles, and 42 detailed guidelines. The 6 design elements were identified as ‘Problem-solving-centered metaverse space design’, ‘Support for resource provision and exploration ’, ‘Support for self-directed and collaborative learning activities’, ‘Functional design to facilitate problem-solving’, ‘Support for improving problem-solving learning outcomes’, and ‘Design of safe and ethical environments for PBL’. Additionally, the 15 design principles included principles such as 1) Principle of authentic context reflection, 2) Principle of functional space structuring, 3) Principle of intuitive space design, 4) Principle of learner autonomy enhancement, 5) Principle of context-based resource provision, 6) Principle of resource accessibility, 7) Principle of supporting self-directed inquiry, 8) Principle of enhancing multimodal interactions, 9) Principle of immediate learning support, 10) Principle of supporting problem-solving and environmental adaptation, 11) Principle of facilitating the problem-solving process, 12) Principle of promoting problem-solving thinking, 13) Principle of facilitating solution sharing, 14) Principle of ensuring PBL safety, and 15) Principle of establishing an ethical learning environment. Detailed guidelines were provided for each principle.
Based on these findings, this study discussed the theoretical and practical implications concerning the effectiveness of the developed principles, their constituent principles, the strategies for practical implementation, and the development process. This study holds significance in that it developed a structured set of design principles for PBL within a virtual world metaverse environment and examined their validity and educational effectiveness. Through this, the study aimed to reinforce the theoretical foundation of virtual learning environments and suggest practical design guidelines that can be applied in real educational contexts.
Future research should focus on implementing more sophisticated virtual world metaverse environmentsand validating the effectiveness of the design principles across diverse learner groups through larger-scale experimental studies. This approach will help clearly identify factors affecting the learning environment. Moreover, it is essential to explore instructional models optimized for the design principles derived from this study and investigate their applicability not only in face-to-face classes but also in online learning settings.

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국문 초록 (Abstract)

문제중심학습은 구성주의 교수학습 실천의 대표적인 모형 중 하나로서, 실제 세계에 존재하는 비구조화한 문제를 기반으로 학습자의 개인학습과 협력학습을 통해 스스로 탐구하고 문제를 해결하는 과정에서 지식과 기술을 학습해 나가는 교육적 접근이다. 문제중심학습은 지식을 습득할 뿐만 아니라 문제해결력, 비판적 사고력, 협동학습능력 등 다양한 고차적 사고력을 향상시키는 것으로 확인되어 교육 현장에서 널리 활용되고 있다. 특히 4차 산업혁명과 디지털 전환 시대를 맞아 다양한 테크놀로지와 결합한 문제중심학습의 적용이 시도되고 있다.
한편, 가상세계형 메타버스는 기존 교실 환경의 물리적 한계를 극복하고 실제 경험하기 어려운 맥락을 구현함으로써 학습자에게 몰입감과 실재감 있는 학습경험을 제공할 수 있다. 가상세계형 메타버스 학습환경에서는 오브젝트 및 아바타를 활용하여 다양한 상호작용이 가능하여 탐구학습, 문제중심학습, 협력학습 등 다양한 교수학습 방식을 지원하며, 학습자의 학습흥미, 학습동기, 상호작용, 몰입도, 실재감을 증진시키는 효과가 보고되었다. 그러나 다양한 교육적 효과가 있는 반면 학습자의 인지부하를 촉발하여 학습을 방해할 수 있고, 흥미요소와 자유도는 학습을 촉진하는 동시에 저해 요인이 되기도 하며, 교사와 학습자에 대하여 일정한 에듀테크 활용 역량이 요구되는 한계점으로 인해 교육적 활용에 어려움이 있다. 이에 가상세계형 메타버스 학습환경 설계를 위한 체계적인 연구가 요구되는데 특히 제한적인 교실 환경에서 다양한 실제 맥락을 경험할 수 있도록 하는 문제중심학습을 위한 가상세계형 메타버스 학습환경 설계원리에 대한 탐색적 접근이 요구된다.
본 연구는 이러한 필요성에 주목하여 가상세계형 메타버스를 교실 학습환경 확장의 장으로 간주하고, 효과적인 문제중심학습을 진행하기 위한 학습환경 설계원리를 개발하고 설계원리의 타당성을 검증하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 설정한 연구 문제는 첫째, 문제중심학습을 위한 가상세계형 메타버스 학습환경의 설계요소와 설계원리는 어떻게 구성되었는지 고찰하는 것이고, 둘째, 개발된 설계원리에 대해 전문가, 설계자, 교사 및 학습자의 반응을 토대로 타당성을 확인하는 것이었다.
본 연구는 설계·개발 연구 방법론을 적용하였으며 설계원리의 개발과 타당화 과정을 구분하여 수행하였다. 우선 선행문헌 고찰, 메타버스 활용 경험이 있는 교사의 요구분석, 관련 사례분석을 통해 설계요소와 설계 시사점을 도출하였고, 이를 바탕으로 설계요소, 설계원리, 상세지침을 포함한 초기 설계원리를 개발하였다. 이후 전문가 타당화 검토, 설계자의 사용성 평가 및 현장 평가를 실시하여 설계원리의 타당성을 확보하였다. 전문가 타당화 검토는 교육학 전문가, 메타버스 설계 전문가, 현장 교사 총 6명이 3차례 참여하였으며, 사용성 평가는 메타버스 설계자와 교사 설계자 총 4명이 참여하였다. 또한 초등학교 영어교사 1명과 학습자 15명 대상으로 현장 평가를 실시하였다. 본 설계원리가 적용된 수업이 학습자의 영어성취도(인지적 영역), 영어흥미와 영어자신감(정의적 영역), 그리고 자기주도학습, 정보처리, 문제해결, 사고, 의견수용, 의사소통, 통합능력이 포함된 문제중심학습 학습효과에 대한 영향을 확인하기 위하여 사전과 사후 검사를 실시하였다. 또한 학습자의 과제물을 분석하고 교사와 학습자를 대상으로 추가 인터뷰를 진행하여 연구 결과의 타당성을 보완하였다. 이상 과정을 통해 최종 설계원리를 도출하였다.
연구 결과, 개발된 설계원리를 바탕으로 학습환경을 구현하고 현장 평가를 실시한 결과, 가상세계형 메타버스 학습환경에서 문제중심학습을 경험한 학습자는 영어성취도, 문제해결, 의견수용을 제외한 영어흥미, 영어자신감, 자기주도학습, 정보처리, 문제해결, 사고, 의사소통과 통합능력에서 모두 통계적으로 유의미한 향상을 확인하였다. 이외에 교사와 학습자의 면담을 통하여 그들이 문제중심학습을 위한 가상세계형 메타버스 학습환경에 대하여 긍정적인 인식을 가졌고 의미있는 학습경험이 되었음을 확인하였다.
최종 문제중심학습을 위한 가상세계형 메타버스 학습환경 설계원리에는 6개의 설계요소, 15개의 설계원리와 42개의 상세지침이 포함되었다. 설계요소는 ‘문제해결 중심 메타버스 학습공간 설계’, ‘학습자원 제공 및 탐색 지원’, ‘자기주도 및 협력적 학습활동 지원’, ‘문제해결 수행 촉진을 위한 기능 설계’, ‘문제해결 활동의 결과 개선을 위한 지원’, ‘문제중심학습 안전 및 윤리 환경 설계’로 구성되었다. 그리고 설계원리는 1) 실제 맥락 반영의 원리, 2) 기능별 공간 구조화의 원리, 3) 직관적인 공간 설계의 원리, 4) 학습자 주체성 강화의 원리, 5) 문제 맥락 기반 학습자원 제공의 원리, 6) 학습자원 접근 편의성의 원리, 7) 자기주도적 탐구 지원의 원리, 8) 다중 상호작용 경험 강화의 원리, 9) 즉각적 학습 지원의 원리, 10) 문제해결 활동 및 환경 적응 지원의 원리, 11) 문제해결 과정 지원의 원리, 12) 문제해결을 위한 사고 촉진의 원리, 13) 문제해결안 공유 지원의 원리, 14) 문제중심학습 안전 지원의 원리, 15) 문제중심학습을 위한 윤리적 학습환경 조성의 원리로 구성되었으며, 각 설계원리 하위에 상세지침이 함께 개발되었다.
이상의 연구 결과를 바탕으로 본 연구의 이론적·실천적 함의를 설계요소와 설계원리, 설계원리의 효과, 설계원리의 실천전략, 그리고 설계원리의 개발 과정 측면에서 논의하였다. 본 연구는 문제중심학습을 위한 가상세계형 메타버스 학습환경에 대한 구조화된 설계원리를 도출하고, 그 타당성과 교육적 효과성을 검증함으로써, 가상세계형 메타버스 학습환경의 이론적 기반을 강화하고 실제 교육 현장에 적용 가능한 구체적 설계 지침을 제시하였다는 점에서 의의를 지닌다.
후속 연구에서는 보다 고도화된 가상세계형 메타버스 학습환경을 구현하고 더욱 많은 실험참여자를 통해 다양한 학습 대상에게 적용하여 설계원리의 효과성을 검증할 필요가 있다. 이를 통해 학습환경에 영향을 미치는 요인을 구체적으로 도출할 수 있을 것이다. 더 나아가, 본 연구에서 도출된 설계원리에 최적화된 수업모형을 탐구하고 설계원리의 면대면 수업뿐만 아니라 온라인 수업에서의 활용 가능성도 함께 탐색할 필요성이 있다.

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문제중심학습은 구성주의 교수학습 실천의 대표적인 모형 중 하나로서, 실제 세계에 존재하는 비구조화한 문제를 기반으로 학습자의 개인학습과 협력학습을 통해 스스로 탐구하고 문제를 ...

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