AI-VR 기술을 활용한 가상지질답사 프로그램 개발 및 자기주도학습 효과 분석|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid influx of various edutechs due to the recent acceleration of digital transformation in the educational field, the central axis of instruction is moving to the digital basis. In line with these changes, the introduction of the high school credit system requires fundamental innovation in teaching and learning strategies. This means that it requires a fundamental reflection on how to design and evaluate classes, beyond simply changing the range of achievement standards and content elements to be learned.
In science subjects, the need for change is particularly prominent, and data analysis and inquiry-oriented classes based on real phenomena are required. Consequently, the potential of advanced technologies such as virtual reality (VR) and generative artificial intelligence (AI) is receiving considerable interest.
On the other hand, in the case of geoscience subjects, one of the high school elective subjects, instructional programs incorporating VR technology are constantly being researched and developed due to the nature of subjects dealing with natural phenomena. However, in the case of previously developed programs, most studies mainly focus on changes in learners' affective characteristics, and studies on the effect on changes in conceptual understanding or self-directed learning capabilities are relatively insufficient. To overcome these limitations, this study attempted to develop a program that combines VR-based virtual geology exploration and generative artificial intelligence technology and apply it to high school students to verify its effectiveness. In particular, the focus was on overcoming the existing static environment of instructional environment and analyzing learners' conceptual understanding, self-directed learning attitude, and impact on affective response.
The study was conducted with a total of 56 students who voluntarily participated in a general boys' high school A located in Seoul. A pre- and post-question survey was conducted on the study participants, and the objective learning effect was measured and various factors such as program satisfaction and need improvement were analyzed through open-ended questions.
As a result of the study, the program was found to exert positive influence on learners' conceptual understanding and self-directed learning competencies.
In the case of conceptual understanding, it played a role in helping to internalize the learning content more deeply by actively reconstructing the concept acquired based on the explanation of the textbook or the static image through virtual survey activities. Although there was no statistically significant change in self-directed learning competency, a slight improvement was confirmed, and learners voluntarily created questions and showed an attitude to expand knowledge. In addition, overall positive responses are generally seen in affective areas such as interest and satisfaction, showing that this program is effective in inducing learning motivation and enhancing immersion in learning.
However, since this study is limited to general male high school students, supplementary and follow-up studies are needed to apply it to various regions and school levels. In addition, it is difficult to verify the long-term sustainability effect of learners' conceptual understanding or self-directed learning competency with a short-term program. The educational effect of the program leads to changes in learners' behavior, and further research is needed to confirm whether the effect is maintained over time, and additional program composition is required. Nevertheless, this study shows that classes that combine Generative AI technology and VR-based virtual geological surveys can have a positive effect on improving high school students' understanding of concepts and learning motivation, and it can be used as basic data for the development and field application of a convergence class model that combines AI and VR in the future.

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국문 초록 (Abstract)

가상현실(VR), 증강현실(AR), 생성형 인공지능(Generative AI)과 같은 첨단 기술이 교육 현장에 도입되고 있다. 과학 수업에서도 전통적인 방식에서 벗어나 디지털 기술을 접목한 사례가 확산하는 중이다. 그중에서도 가상현실과 생성형 인공지능을 활용한 수업 방식이 새로운 교수학습 전략으로 주목받고 있다.
한편, 고등학교 선택 교과 중 하나인 지구과학 과목의 경우 자연현상을 다루는 과목의 특성상 VR 기술을 접목한 수업 프로그램이 꾸준하게 연구·개발 되고 있다. 그러나 기존에 개발된 프로그램의 경우 주로 학습자의 정의적 특성 변화에 초점을 맞춘 연구가 대부분이며, 개념 이해도나 자기주도학습 역량 변화에 미치는 영향에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구는 VR 기반 가상지질답사와 생성형 인공지능 기술을 융합한 프로그램을 개발하고 이를 고등학생들에게 적용하여 효과를 검증하고자 하였다. 특히 기존의 정적인 환경에서의 수업 환경을 극복하고, 학습자의 개념 이해도와 자기주도학습 태도 그리고 정의적 반응에 미치는 영향을 분석하는 데 중점을 두었다.
연구는 서울특별시에 있는 일반계 남자 고등학교 A의 자발적으로 참여한 학생 총 56명을 대상으로 진행되었다. 연구 참여자를 대상으로 사전·사후 설문을 실시했으며, 객관식 문항으로 학습 효과를 측정하고, 개방형 질문을 통해 프로그램에 대한 만족도와 개선점을 파악했다.
분석 결과, 모든 영역에서 사전 대비 사후 점수가 향상되었다. 먼저, 가상공간에서 지질구조를 관찰하는 경험은 학습자의 개념 이해도를 높이는 데 이바지한 것으로 나타났다. 교과서의 단순 설명이나 정적인 그림에 의존한 수동적인 방식이 아니라 가상현실 속에서 입체적인 조작을 통해 능동적으로 지식을 습득하는 과정이 있었기에 가능한 결과로 분석된다.
한편, 자기주도학습 능력은 사전에 진행한 설문에서 상당히 높은 수치를 보여 점수 변화가 통계적으로 유의미하지 않았다. 하지만, 수업 과정에서 학생들이 자발적으로 탐구 질문을 만들어보고 챗봇과 대화하며 답을 찾으려는 모습이 관찰되었다. 이는 프로그램이 학습자의 자기주도학습 태도가 높은 수준으로 유지하는 데 기여했음을 보여준다. 흥미와 만족도 측면에서도 많은 학생들이 수업에 긍정적인 반응을 보였으며, 프로그램의 활동 구성은 학습 의욕을 자연스럽게 끌어내고 집중을 유지하는 데 일정한 역할을 한 것으로 판단된다.
다만 본 연구는 연구 대상이 일반계 고등학교 남자 학생으로 제한되어 있어, 다양한 지역과 학교급에 적용하기 위한 보완과 후속 연구가 필요하다. 또한 단기적인 프로그램으로 학습자의 개념 이해도나 자기주도학습 역량의 장기적 지속 효과를 검증하기 어렵다. 프로그램의 교육적 효과가 학습자의 행동 변화로 이어지고, 시간이 지난 후에도 효과가 유지되는지 확인하기 위해서는 후속 연구가 필요하며, 이를 위한 추가적인 프로그램 구성이 요구된다.
그럼에도 불구하고 본 연구는 생성형 인공지능 기술과 VR 기반 가상지질답사를 융합한 수업이 고등학생의 지질학 개념 이해 및 학습 동기 향상에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 보여주며, 향후 AI와 VR을 결합한 융합 수업 모델의 개발 및 학교 현장의 실질적 도입을 위한 토대를 제공할 수 있을 것이다.

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가상현실(VR), 증강현실(AR), 생성형 인공지능(Generative AI)과 같은 첨단 기술이 교육 현장에 도입되고 있다. 과학 수업에서도 전통적인 방식에서 벗어나 디지털 기술을 접목한 사례가 확산하는 ...

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