고등학생 대상 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 소리 효과와 아바타 유무가 학습자의 인지부하, 자기효능감, 학습 만족도에 미치는 효과 = Influence of Sound Effects and Avatar Presence on Learners’ Cognitive Load, Self-Efficacy, and Learning Satisfaction in an Extended Reality?Based CPR Simulation for High School Students

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 고등학생 대상 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 소리 효과와 아바타 유무가 학습자의 인지부하, 자기효능감, 학습 만족도에 미치는 영향을 실증적으로 분석하는 것이다. 이를 위해 아래와 같은 연구문제를 설정하였다.
첫째, 고등학생 대상 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 소리 효과의 유무가 학습자의 인지부하, 자기효능감, 학습 만족도에 미치는 영향은 무엇인가?
둘째, 고등학생 대상 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 아바타의 유무가 학습자의 인지부하, 자기효능감, 학습 만족도에 미치는 영향은 무엇인가?
셋째, 고등학생 대상 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 소리 효과와 아바타 유무에 따라 학습자의 인지부하, 자기효능감, 학습 만족도에 상호작용 효과가 있는가?
이 연구에는 15~18세의 남자 고등학생 총 100명이 참여하였다. 이들은 소리 효과의 유무와 아바타 유무에 따라 네 개의 집단으로 나뉘어 각각 25명씩 무선배정되었다. 연구도구로는 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션을 실험 집단별로 설계 및 개발하여 사용하였다. 연구 참여자들은 집단에 따라 구분된 확장현실 환경에서 시뮬레이션을 통해 학습하였으며, 각 집단에 제공되는 시뮬레이션은 독립변수를 제외한 모든 요소가 동일하였다. 시뮬레이션 학습은 약 15분간 진행되었으며, 1회의 실험에 약 35분의 시간이 소요되었다.
이 실험은 2x2 요인설계를 적용하여, 독립변수로 소리 효과의 유무(있음, 없음)와 아바타의 유무(있음, 없음)를 설정하였다. 종속변수로는 인지부하, 자기효능감, 학습 만족도를 측정하였다. 공변량으로는 사전 자기효능감을 통제하여 이원 공분산분석을 실시하였다.
연구 결과, 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 소리 효과와 아바타의 유무가 학습자의 인지부하, 자기효능감, 학습 만족도에 미치는 영향을 다음과 같이 정리할 수 있다. 첫째, 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 소리 효과와 아바타는 인지부하에 유의미한 상호작용 효과를 나타낸다. 단순주효과분석에 따르면, 소리 효과가 없을 때 아바타의 유무가 유의미한 영향을 주고, 아바타가 없을 때 소리 효과의 유무가 유의미한 영향을 주는 것으로 나타났다. 둘째, 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 아바타는 자기효능감에 유의미한 영향을 미쳤다. 셋째, 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 소리 효과는 학습 만족도에 유의미한 영향을 미쳤다.
이 연구를 통해 확장현실 학습 환경에서 개별 설계 요소의 독립적 효과보다 설계 요소 간 상호작용이 학습자의 인지 처리 과정에 더 유의미한 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 또한 절차적 기술 학습을 위한 확장현실 기반 시뮬레이션에서 학습자의 자기효능감 향상을 위하여 아바타를 사용하는 것이 효과적인 설계 전략임을 밝혔다. 마지막으로 소리 효과는 확장현실 학습 환경의 품질과 완성도를 높일 수 있으나, 학습자의 만족도를 저해할 수 있으므로 신중하게 사용되어야 한다.
이 연구는 고등학생 대상 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션에서 소리 효과와 아바타라는 설계 요인이 학습자의 인지부하, 자기효능감, 학습 만족도에 미치는 영향을 실증적으로 분석함으로써 확장현실 기술을 활용한 시뮬레이션 학습의 설계 원리에 대한 구체적인 지침을 제공한다는 점에서 의의가 있다. 또한 실천적 측면에서 이 연구는 심폐소생술과 같이 절차적 기술과 의사결정이 중요하게 여겨지는 학습 영역에서 확장현실 기반 시뮬레이션의 교육적 활용 가능성을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study was to empirically examine how sound effects and the presence of an avatar in extended reality–based simulation learning influence learners’ cognitive load, self-efficacy, and learning satisfaction. To achieve this purpose, the following research questions were formulated. First, what effects does the presence or absence of sound effects have on learners’ cognitive load, self-efficacy, and learning satisfaction in an extended reality–based cardiopulmonary resuscitation simulation for high school students? Second, what effects does the presence or absence of an avatar have on learners’ cognitive load, self-efficacy, and learning satisfaction in the same context? Third, is there a significant interaction effect between sound effects and avatar presence on learners’ cognitive load, self-efficacy, and learning satisfaction?
A total of 100 male high school students, aged 15 to 18, participated in this study. The participants were randomly assigned to one of four groups, with 25 students in each group, based on the presence or absence of sound effects and the presence or absence of an avatar. An extended reality–based cardiopulmonary resuscitation simulation was designed and developed for each experimental condition and used as the instructional tool. Participants engaged in simulation activities within extended reality environments that varied according to their assigned group. All simulation components were identical across groups except for the independent variables. The simulation-based learning activity lasted approximately 15 minutes, and each experimental session took about 35 minutes in total.
A 2 × 2 factorial design was employed in this experiment, with the presence or absence of sound effects and the presence or absence of an avatar as the independent variables. Learners’ cognitive load, self-efficacy, and learning satisfaction were measured as dependent variables representing the learning experience. A two-way analysis of covariance (ANCOVA) was conducted, with pre-test self-efficacy included as a covariate.
The results can be summarized as follows. First, sound effects and avatar presence demonstrated a significant interaction effect on cognitive load in extended reality–based simulation learning. A simple main effects analysis indicated that avatar presence had a significant effect when sound effects were absent, and sound effects had a significant effect when an avatar was absent. Second, avatar presence significantly influenced learners’ self-efficacy in extended reality–based simulation learning. Third, sound effects significantly affected learners’ learning satisfaction.
These findings confirm that interactions among design elements may have a more substantial impact on learners’ cognitive processing than the independent effects of individual design elements in extended reality learning environments. Additionally, the use of avatars was identified as an effective design strategy for enhancing learners’ self-efficacy in simulations for extended reality–based procedural skills training. Although sound effects can improve the quality and completeness of extended reality learning environments, they should be applied cautiously, as they may negatively affect learners’ satisfaction. This study is significant because it empirically analyzes how design elements such as sound effects and avatars influence learners’ cognitive load, self-efficacy, and learning satisfaction in extended reality–based simulations for high school students, thereby providing concrete guidelines for the design principles of simulation learning utilizing extended reality technology. Furthermore, from a practical perspective, this study highlights the educational potential of extended reality–based simulations in learning domains where procedural skills and decision-making—such as cardiopulmonary resuscitation—are critically important.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 ⅴ
• 그림 목차 ⅵ
• 국문 초록 ⅶ
• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구문제 5
• 3. 용어의 정의 5
• 가. 확장현실 5
• 나. 시뮬레이션 학습 6
• 다. 소리 효과 6
• 라. 아바타 7
• 마. 인지부하 7
• 바. 자기효능감 8
• 사. 학습 만족도 8
• Ⅱ. 이론적 배경 9
• 1. 확장현실과 시뮬레이션 학습 9
• 가. 확장현실의 개념과 정의 9
• 나. 교육 분야에서의 확장현실 10
• 다. 시뮬레이션 학습 12
• 2. 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션 13
• 가. 심폐소생술 교육의 필요성과 한계 13
• 나. 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션의 효과 14
• 다. 고등학생 대상 확장현실 기반 심폐소생술 교육 16
• 3. 실감미디어의 소리 효과 17
• 가. 실감미디어 학습 원리 17
• 나. 청각 정보 처리와 학습 19
• 다. 확장현실 환경에서 소리 효과의 설계 20
• 4. 시뮬레이션 학습에서 아바타의 사회적 기능 22
• 가. 아바타의 사회적 상호작용 기능 22
• 나. 확장현실 환경에서 아바타의 설계 원리 23
• 5. 인지부하와 확장현실 시뮬레이션 25
• 가. 인지부하의 개념 25
• 나. 확장현실 학습 환경에서의 인지부하 26
• 다. 확장현실 시뮬레이션 설계 요소와 인지부하의 관계 28
• 6. 자기효능감과 시뮬레이션 학습 29
• 가. 자기효능감의 개념 29
• 나. 시뮬레이션 학습에서 자기효능감의 역할 30
• 다. 자기효능감의 측정: 사전 통제와 사후 효과 32
• 7. 학습 만족도와 확장현실 학습 환경 33
• 가. 학습 만족도의 개념 33
• 나. 확장현실 학습 환경에서의 학습 만족도 34
• 다. 확장현실 시뮬레이션 설계 요소와 학습 만족도의 관계 36
• 8. 연구가설 37
• Ⅲ. 연구방법 39
• 1. 연구대상 39
• 2. 실험설계 41
• 3. 연구 도구 42
• 가. 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션 설계 42
• 나. 확장현실 기반 심폐소생술 시뮬레이션 개발 55
• 4. 실험절차 및 실험 환경 62
• 가. 실험절차 62
• 나. 실험 환경 63
• 5. 측정도구 65
• 가. 인지부하 65
• 나. 자기효능감 65
• 다. 학습 만족도 66
• 6. 자료 분석 67
• Ⅳ. 연구결과 68
• 1. 소리 효과 및 아바타의 유무에 따른 인지부하 차이 68
• 가. 기술통계 68
• 나. 공변량 회귀선 기울기 동질성 및 등분산성 검정 68
• 다. 소리 효과 유무에 따른 인지부하 차이 69
• 라. 아바타 유무에 따른 인지부하 차이 69
• 마. 소리 효과 및 아바타 상호작용 효과에 따른 인지부하 차이 70
• 2. 소리 효과 및 아바타의 유무에 따른 자기효능감 차이 74
• 가. 기술통계 74
• 나. 공변량 회귀선 기울기 동질성 및 등분산성 검정 75
• 다. 소리 효과 유무에 따른 자기효능감 차이 75
• 라. 아바타 유무에 따른 자기효능감 차이 76
• 마. 소리 효과 및 아바타 상호작용 효과에 따른 자기효능감 차이 77
• 3. 소리 효과 및 아바타의 유무에 따른 학습 만족도 차이 78
• 가. 기술통계 78
• 나. 공변량 회귀선 기울기 동질성 및 등분산성 검정 79
• 다. 소리 효과 유무에 따른 학습 만족도 차이 79
• 라. 아바타 유무에 따른 학습 만족도 차이 80
• 마. 소리 효과 및 아바타 상호작용 효과에 따른 학습 만족도 차이 80
• 4. 연구결과 요약 82
• Ⅴ. 논의 및 결론 86
• 1. 논의 86
• 가. 소리 효과 및 아바타에 따른 인지부하의 차이 86
• 나. 소리 효과 및 아바타에 따른 자기효능감의 차이 87
• 다. 소리 효과 및 아바타에 따른 학습 만족도의 차이 89
• 2. 결론 90
• 3. 연구의 제한점 93
• 참고문헌 95
• Abstract(영문초록) 112
• 부록 115
• [부록 1] 스토리보드 115
• [부록 2] 인지부하 설문 문항 구성 132
• [부록 3] 자기효능감 설문 문항 구성 133
• [부록 4] 학습 만족도 설문 문항 구성 134