Effects of AI-Powered Virtual Reality on Pre-Service Teachers' Empathy and Multicultural Attitudes = 인공지능 기반 가상현실이 예비 교사의 공감과 다문화 태도에 미치는 효과

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As culturally and linguistically diverse classrooms become more prevalent, pre-service teachers’ empathy toward multicultural students and multicultural attitudes are increasingly critical for interpreting classroom behaviors, building supportive relationships, and responding to participation barriers shaped by language demands and peer dynamics. Yet teacher education often offers limited opportunities for trainees to experience such barriers from within authentic, socially contingent interactions. While conventional instruction can foster conceptual understanding, it seldom provides opportunities for learners to inhabit students’ experiences in a socially situated way. Immersive virtual reality (VR) has been proposed as a promising alternative because it can offer embodied first-person immersion, thereby transforming abstract knowledge about students’ struggles into self-relevant and emotionally resonant learning.
However, VR in teacher education remains at an early stage, and evidence for its effectiveness is inconclusive. More importantly, much prior research has emphasized outcomes while leaving the learning process under-specified, providing limited insight into when change emerges, how it unfolds during the experience, and why some effects persist. Because empathic and attitudinal change may be expressed through in-situ process signatures that retrospective self-reports do not fully capture, multimodal process evidence is needed to open this “black box” and to identify conditions under which socio-affective change is most likely to occur and endure.
The purpose of this study was to examine the effectiveness of an AI-powered VR empathy simulation that places pre-service teachers in the first-person perspective of a multicultural student facing language-related barriers, relative to a text-based learning group using the same narrative script. The research questions included: (RQ1) compared with the text group, how does the VR simulation affect pre-service teachers’ empathy and multicultural attitudes over time (pretest, immediate posttest, delayed posttest), including (RQ1a) cognitive and emotional empathy, (RQ1b) multicultural attitudes, and (RQ1c) perceived changes; and (RQ2) within the VR group, how do engagement and embodiment influence empathy and multicultural attitudes, and what mechanisms do learners attribute to these effects.
To examine the effectiveness of the AI-based VR simulation, this study employed a repeated-measures experimental design with assessments at pretest, immediate posttest, and a two-week delayed posttest. Ninety-six pre-service teachers from South Korea participated (VR group: n = 64; text group: n = 32). Participants in the control group completed an empathy-focused activity using the developed text materials, whereas those in the experimental group completed the same activity through a Head Mounted Display-based VR simulation. Surveys measuring empathy, multicultural attitudes, and related constructs were administered at each time point. Engagement was measured in both groups, whereas embodiment and eye-tracking were collected only in the VR group; HRV was recorded in both groups to capture process-sensitive regulatory signatures. In addition, participants completed a prediction writing task prior to the intervention and a reflective writing task afterward to capture expectations and post-experience meaning-making. Finally, post-intervention interviews were conducted and analyzed using thematic analysis to elucidate perceived mechanisms underlying change and its persistence.
Results indicated significant between-group differences favoring VR for both empathy and multicultural attitudes. Both groups showed short-term increases in overall empathy, but the VR group demonstrated higher posttest levels that remained and became more pronounced at delayed posttest. When empathy was decomposed, cognitive empathy showed comparable short-term gains across groups, while a clearer advantage for VR emerged at the delayed assessment. Emotional empathy exhibited a more consistent and immediate VR advantage, with higher levels at both posttest and delayed posttest, whereas the text group tended to decline or plateau across time. Multicultural attitudes also improved more positively in the VR group at both post-intervention time points, demonstrating significant between-group differences beyond baseline levels.
Process analyses clarified how these outcomes were supported. Within the VR group, engagement robustly predicted immediate post-intervention empathy and multicultural attitudes, indicating that stronger cognitive and emotional involvement during the experience was closely associated with initiating socio-affective change. Embodiment provided additional explanatory value for empathy, consistent with the notion that feeling physically and self-relevantly “in” the situation can amplify affective resonance. Multimodal process data further complemented these findings. Physiological analyses showed higher HRV in the VR group than in the text group during learning, indicating distinct autonomic regulation. Eye-tracking did not show stable independent predictive power in the primary regression models; however, exploratory analyses suggested that higher AFD may differentiate learners who exhibited larger gains in emotional empathy, pointing to overall engagement as a potentially informative process marker. Meanwhile, delayed multicultural attitudes were not reliably explained by in-situ process indicators once immediate post-intervention levels were considered, suggesting that longer-term attitudinal maintenance may additionally involve post-experience meaning-making and reflective integration beyond experiential intensity during the simulation. Qualitative analyses converged on mechanisms including a shift from “understanding from the outside” to “experiencing from the inside,” reinterpretation of student behaviors as responses to structural constraints, and reflection-driven reappraisal linked to responsibility awareness and emerging action intentions.
In sum, this study provides time-sensitive evidence that a AI–powered VR simulation can produce stronger and more durable improvements in pre-service teachers’ empathy and multicultural attitudes than text-based learning. By integrating engagement and embodiment with HRV and eye-tracking indicators as process-sensitive evidence, alongside writing and interviews data, the study advances a process-oriented account of socio-affective change and strengthens methodological approaches for evaluating VR-based education in teacher preparation.

국문 초록 (Abstract)

문화와 언어의 다양성이 확대되는 교실 환경에서 언어 장벽에 직면한 다문화 학생을 이해하고 지원하기 위해서는 예비교사의 공감 역량과 다문화 태도를 함양시키는 것이 중요한 과제로 부각되고 있다. 그러나 현행 교사교육은 제한된 실습 여건과 이론–실천 간 괴리로 인해 예비교사가 다문화 학생의 어려움을 구체적인 상황 맥락 속에서 직접 느끼고 관점을 전환할 수 있는 학습 기회를 충분히 제공하지 못하고 있다. 기존의 교육 방식은 개념적 이해와 성찰을 촉진할 수 있으나, 맥락에 따라 달라지는 사회적 반응을 동반한 체화적 경험과 1인칭 참여 경험을 제공하는 데에는 한계가 있다. 이에 몰입형 가상현실(VR)은 1인칭 관점과 체화 경험을 제공하여 학생의 어려움에 대한 추상적 지식을 자기 관련적이고 정서적으로 생생한 학습 경험으로 전환할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.
그러나 교사교육 분야에서 VR 활용은 아직 초기 단계이며, VR의 효과성에 관한 선행연구들의 결과 또한 일관되지 않다. 특히 기존 연구는 결과 중심 평가에 치중하여 공감 및 태도 변화가 학습 과정에서 언제, 어떻게 형성되고 유지되는지 그 과정을 충분히 설명하지 못했다. 공감 경험은 회고적 자기보고로 포착되는 정서 반응뿐 아니라 경험 중 지속적인 참여도, 자율신경계 반응, 시선 기반 주의 패턴과 같은 과정 지표를 통해서도 드러날 수 있다. 따라서 결과 지표의 한계를 보완하고 학습 경험의 실시간 역동을 파악하기 위해 과정 중심의 다중 양식 접근이 필요하다,
이에 본 연구는 다문화 학생의 역할을 1인칭 시점으로 수행하도록 설계된 인공지능(AI) 기반 VR 시뮬레이션의 효과를 동일한 스크립트를 활용한 텍스트 기반 학습과 비교하여 검증하였다. 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 텍스트와 VR 시뮬레이션은 예비교사의 공감 및 다문화 태도에 어떠한 영향을 미치는가? 구체적으로 인지적·정서적 공감의 변화, 다문화 태도의 변화, 참여자가 인식하는 변화 양상을 탐색하였다. 둘째, VR 집단 내에서 참여도와 체화감은 공감 및 다문화 태도에 어떠한 영향을 미치는가, 그리고 학습자는 그 효과를 어떤 기제로 설명하는가?
AI 기반 VR 시뮬레이션의 효과를 검증하기 위해 사전, 즉시 사후, 2주 후 지연 사후 측정을 포함한 반복측정 실험설계를 적용하였다. 연구는 96명의 예비교사를 대상으로 진행되었으며(실험집단 64명, 통제집단 32명), 통제집단은 개발된 텍스트 자료를 활용해 공감 체험 활동을 수행하였고 실험집단은 VR HMD(Head Mounted Display, HMD)를 적용한 시뮬레이션을 체험하며 동일한 공감 체험 활동을 수행하였다. 각 시점에서 설문을 통해 공감, 다문화 태도 및 관련 변인을 측정하였으며, 참여도는 통제집단과 실험집단 모두에서, 체화감은 실험집단에서만 측정하였다. 학습 과정의 과정 신호를 포착하기 위해 심박변이도(HRV)는 두 집단 모두에서, 시선추적 데이터는 실험집단에서만 수집하였다. 또한 개입 전 예측 글쓰기와 개입 후 성찰 글쓰기를 실시하고, 반구조화된 사후 면담을 통해 변화의 기제와 지속 과정을 심층적으로 분석하였다.
연구 결과, 공감과 다문화 태도 모두에서 VR 시뮬레이션은 텍스트에 비해 통계적으로 유의하게 더 큰 향상을 보였으며, 이러한 변화는 지연 사후까지 보다 일관되게 유지되었다. 전체 공감은 두 집단 모두에서 사전 측정보다 즉시사후에서 증가하였는데, 이는 다문화 학생의 언어 어려움에 대한 개념적 학습 자체가 단기적 공감 향상을 이끌어 낼 수 있음을 시사한다. 그러나 실험집단은 즉시 사후 시점에서 통제집단보다 유의하게 높은 전체 공감 수준을 보였으며, 이러한 차이는 지연 사후 시점에서도 유지되거나 더욱 명확해져 보다 안정적이고 지속적인 변화 양상을 나타냈다. 공감을 차원별로 분석한 결과, 인지적 공감은 단기적으로 두 집단이 유사한 향상을 보였으나 지연 시점에서는 실험집단의 우위가 뚜렷해졌다. 정서적 공감은 즉시 사후 및 지연 사후 시점 모두에서 실험집단이 일관되게 더 높은 수준을 나타내어, 몰입형 1인칭 체험이 정서적 공감에 보다 직접적이고 지속적인 영향을 준다는 것을 보여주었다. 다문화 태도 역시 즉시 사후와 지연 사후 모두에서 실험집단이 통제집단보다 더 긍정적으로 변화하였으며, 사전 수준을 통제한 후에도 집단 간 유의한 차이가 확인되었다.
과정 분석은 이러한 결과가 어떤 방식으로 형성되었는지를 추가로 설명해주었다. 실험집단에서 참여도는 즉시 사후 공감과 다문화 태도를 강하게 예측하여 경험 중 인지적·정서적 몰입이 변화의 촉발과 밀접하게 관련됨을 보여주었다. 체화감은 사후 공감에 대해 추가적인 설명력을 제공하여, 자신이 상황 속에 ‘들어가 있다’고 느끼는 정도가 공감 변화와 연결될 가능성을 시사하였다. 멀티모달 과정 데이터 또한 이를 뒷받침하였다. HRV 분석에서는 학습 과정 중 집단 간 차이가 확인되어, VR 기반 학습이 경험 중 자율신경계 반응 양상과 연관될 수 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 사회·정서적으로 부담이 높은 장면을 경험하는 동안에도 각성과 조절의 균형을 유지하는 적응적 조절이 일어났을 가능성을 시사한다. 시선추적 지표는 주요 회귀모형에서 안정적인 독립 예측력을 보이지는 않았으나, 탐색적 분석에서 전체 평균 고정 응시 지속시간(AFD)이 높은 학습자가 정서적 공감에서 더 큰 향상을 보이는 경향이 관찰되어 시각적 관여와 정서적 공감 변화 간 연관 가능성을 제시하였다. 한편 지연 사후의 다문화 태도는 즉시 사후 수준을 고려했을 때 참여도와 체화감만으로는 안정적으로 설명되지 않았는데, 이는 장기적 태도 유지에는 경험 이후의 의미 구성과 반성적 통합이 추가로 작용할 수 있음을 시사하였다. 사전·사후 글쓰기와 면담 분석은 ‘밖에서 이해하기’에서 ‘안에서 체감하기’, 즉 ‘남의 일’에서 ‘나의 일’로 이동하는 관점 전환과, 학생 행동을 구조적 제약의 결과로 재해석하는 과정, 그리고 성찰을 통한 재평가가 책임 인식과 실천 의도 형성으로 이어지는 흐름의 변화 과정을 유사하게 경험하였음을 보여주었다.
종합하면, 본 연구는 AI 기반 VR 공감 시뮬레이션이 텍스트 기반 학습에 비해 예비교사의 공감과 다문화 태도를 더 크게 향상시킬 수 있었으며, 이러한 효과가 지연 시점까지 보다 지속적으로 유지된다는 것을 확인하였다. 또한 참여도와 체화감, HRV 및 시선추적, 글쓰기와 면담을 통합한 다중 양식 데이터를 통해 공감 변화의 형성과 지속을 과정 수준에서 설명함으로써 VR 기반 공감 교육의 설계 및 평가방법을 확장하였다. 이는 즉각적인 효과뿐 아니라 지연 효과를 함께 고려한 종단적 평가와, 경험 이후 성찰을 통해 의미 구성을 지원하는 교육 설계가 중요함을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. Statement of the Problem 1
• 2. Research Purpose and Questions 9
• 3. Research Hypotheses 10
• 4. Research Significance 11
• 4.1 Theoretical Contributions 12
• 4.2 Practical Contributions 14
• 5. Conceptual Definitions 17
• 5.1 AI-powered Virtual Reality Simulation 17
• 5.2 Teacher Empathy 18
• 5.3 Multicultural Attitudes 18
• 5.4 Engagement 19
• 5.5 Embodiment 19
• II. Literature Review 21
• 1. Empathy as a Trainable, Process-Based Construct 21
• 1.1 Core Components of Empathy for Intervention Design 21
• 1.2 Core Pathways of Empathy: Cognitive and Affective Processes 21
• 1.3 Empathy as an Integrative Process: From Experience to Action 23
• 2. Multicultural Attitudes as a Malleable Empathy-Related Orientation 28
• 2.1 Conceptualizing Multicultural Attitudes and Its Components 28
• 2.2 Mechanisms Linking Empathy to Multicultural Attitudes 29
• 3. AI-Powered VR Mechanisms for Empathy and Attitudes 32
• 3.1 Concepts and Educational Affordances of AI-Powered VR 32
• 3.2 AI-Powered VR to Cultivate Empathy and attitudes of Pre-service Teachers 36
• 3.3 Engagement in VR Learning Environment 39
• 3.4 Embodiment in VR Learning Environment 41
• III. Research Methodology 44
• 1. Mixed Methods Research 44
• 2. Participants 45
• 3. Research Procedure 48
• 3.1 Overall Research Procedure 48
• 3.2 Experimental Procedure 53
• 4. Research Instrument 57
• 5. Data Collection and Analysis 68
• 5.1 Data Collection 68
• 5.2 Data Analysis 83
• IV. Findings 94
• 1. Effects on Empathy and Multicultural Attitudes 94
• 1.1 Empathy 94
• 1.2 Multicultural Attitudes 106
• 1.3 Perceived Changes in Empathy and Multicultural Attitudes 118
• 2. Engagement and Embodiment in VR 133
• 2.1 Engagement 135
• 2.2 Embodiment 142
• 2.3 Perceived Mechanisms Underlying the Changes 144
• V. Discussion and Conclusion 153
• 1. Discussion 153
• 1.1 Effects of VR Simulation on Empathy and Multicultural Attitudes 153
• 1.2 Design for AI-powered VR Simulations in Teacher Education 160
• 1.3 Multimodal Process Evidence: Adaptive Regulation and Attentional Correlates of Empathy 164
• 2. Conclusion 167
• 2.1 Conclusion and Implications 167
• 2.2 Limitation and Future Directions 173
• Reference 175
• Appendix 201