수학 교과의 내재적 동기 향상을 위한 게임 기반 학습에 대한 설계기반연구 = Design-Based Research on Game-Based Learning for Enhancing Intrinsic Motivation in Mathematics

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As artificial intelligence rapidly advances, the ability to think critically and solve complex problems logically is becoming increasingly important. In a society shaped by generative AI, individuals who possess critical thinking skills are less likely to be replaced by artificial intelligence. However, in South Korea, the growing percentage of students failing to meet basic proficiency in mathematics is creating a serious issue of learning gaps. Mathematics, as a subject, is highly hierarchical, meaning that gaps in foundational knowledge significantly impact subsequent learning. Game-based learning can serve as an effective solution to address this issue by fostering students’ interest in mathematics and encouraging active engagement with the subject.
Nevertheless, most existing game-based learning programs focus primarily on stimulating extrinsic motivation, which makes it challenging for learners to continue studying mathematics autonomously after discontinuing the game. This study seeks to overcome such limitations by developing a new type of game-based learning that promotes sustained and self-directed learning in mathematics. By applying the principles of Self-Determination Theory, the game-based learning program is designed to stimulate intrinsic motivation, guiding learners toward a more autonomous approach to studying mathematics. Specifically, this research aims to develop a game-based learning model that enhances intrinsic motivation for mathematics, thoroughly examine its effectiveness, and identify areas for improvement.
To achieve these goals, the study employs a design-based research (DBR) methodology. A design team consisting of a field expert, a theoretical expert, and a programming expert was formed to ensure a close connection with educational practice. Through iterative discussions and reviews, design principles grounded in Self-Determination Theory were established. These principles were then applied to develop a digital game-based learning program. The intervention was implemented with 73 middle school students, with data collected across 7 sessions. During the first session, participants completed a pre-test assessing intrinsic motivation for mathematics and a diagnostic evaluation of mathematics achievement. The second to fourth sessions involved engaging in the game-based learning activities, and in the fifth session, a post-test was administered to measure changes in intrinsic motivation. Additionally, semi-structured interviews were conducted with the top 10% and bottom 10% of participants based on their changes in motivation scores, and a delayed post-test for measuring intrinsic motivation on mathematics was conducted one month after the intervention.
The results demonstrated that game-based learning significantly enhanced intrinsic motivation for mathematics. Participants showed notable improvements in interest toward the subject, and this interest was maintained or further increased even after ceasing playing the game. Mid-level learners benefited the most from the intervention. Furthermore, the findings revealed that intrinsic motivation improved most significantly among learners who adhered to game rules and utilized game features to achieve personal goals without engaging in interactions with peers during gameplay.
This study makes both practical and academic contributions. First, it extends the application of Self-Determination Theory by demonstrating its effectiveness in the context of game-based learning. Second, it empirically confirms the efficacy of game-based learning in fostering and enhancing intrinsic motivation for mathematics. Third, it emphasizes the necessity of instructional support from teachers when implementing game-based learning in real-world educational settings. Overall, this research provides a comprehensive analysis of the impact of game-based learning on intrinsic motivation in mathematics education. It also explores the behavioral patterns of learners that influence motivational improvements, offering a theoretical foundation for the sustainable integration of game-based learning in both academic research and practical education.

국문 초록 (Abstract)

인공지능이 빠르게 발전하면서 논리적으로 사고하여 복잡한 문제를 해결할 수 있는 비판적 사고 역량을 갖추는 것이 점차 중요해지고 있다. 생성형 AI가 등장한 사회에서 비판적 사고 역량을 갖춘 인재는 인공지능에 대체되지 않을 가능성이 높기 때문이다. 이는 수학 학습으로 기를 수 있지만, 우리나라 수학 기초학력 미달 비율이 점차 높아져 수학 공백의 문제가 심각해지고 있다. 수학 교과는 위계성이 강한 교과로, 선수 학습의 공백은 후수 학습에도 영향을 미치기 때문이다. 이러한 문제는 게임 기반 학습을 도입하여 극복할 수 있다. 게임 기반 학습은 학습자가 수학에 흥미를 갖고 학습할 수 있도록 도움을 줄 수 있기 때문이다. 그러나 현재 개발된 게임 기반 학습은 주로 학습자의 외재적 동기를 자극하는데 초점이 맞추어져 있어 학습자가 게임을 중단한 이후에도 자기주도적으로 수학 학습을 이어나가는데 어려움이 있다.
따라서 본 연구는 기존 게임 기반 학습의 한계점을 극복하고, 학습자의 지속적이고 자기주도적인 수학 학습을 촉진할 수 있는 새로운 형태의 게임 기반 학습을 개발하고자 한다. 자기결정성 이론을 기반으로 게임 기반 학습을 설계함으로써 학습자의 내재적 동기를 자극하여 자기주도적인 수학 학습을 유도할 것이다. 즉 수학 교과에 대한 내재적 동기를 유발 및 향상시킬 수 있는 게임 기반 학습을 개발하고 그 효과를 면밀히 살펴보고자 한다. 이에 본 연구는 자기결정성 이론을 기반으로 게임 기반 학습의 설계원리를 도출하고, 이에 따라 개발된 디지털 형태의 게임 기반 학습을 적용하여 실행 과정을 확인한다. 또한 게임 기반 학습의 효과와 개선점을 검증하고, 동기 향상을 보인 학습자 특성을 살펴보고자 한다.
본 연구의 구체적인 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 수학 교과의 내재적 동기를 향상시키기 위한 게임 기반 학습의 설계원리는 무엇인가? 둘째, 수학 교과의 내재적 동기를 향상시키기 위한 게임 기반 학습은 어떠한 과정으로 이루어지는가? 셋째, 수학 교과의 내재적 동기를 향상시키기 위한 게임 기반 학습의 효과와 개선점은 무엇인가? 넷째, 수학 교과의 내재적 동기 향상에 영향을 미치는 학습자 특성에는 무엇이 있는가? 연구문제 2에 대한 가설은 다음과 같다. (가설 1) 게임 기반 학습은 학습자의 수학 교과의 내재적 동기를 향상시킬 것이다.
이와 같은 연구 문제를 검증하기 위해 설계기반연구를 진행하였다. 교육 현장과 밀접한 관계를 맺으며 연구를 진행하기 위해 현장 전문가, 이론 전문가, 그리고 개발 전문가가 포함된 설계팀을 구성하였다. 이후 설계팀과 반복적인 수정 및 검토를 통해 자기결정성 이론을 기반으로 한 설계원리를 도출하였다. 이후, 도출된 설계원리의 설계원리와 상세지침을 반영하여 디지털 형태의 게임 기반 학습을 개발하였다. 개발된 게임 기반 학습은 중학생 73명에 적용하여 데이터를 수집하였다. 연구 참여자들은 1차시에 수학 교과의 내재적 동기 수준에 대한 사전 검사와 수학 학업성취도 진단 평가를 실시하였고, 2-4차시에 게임 기반 학습을 플레이하였으며, 5차시에는 수학 교과의 내재적 동기에 대한 사후 검사를 실시하였다. 이후 사전 수학 교과의 내재적 동기 수준과 사후 동기 간 유의미한 변화가 있는 상위 10%와 하위 10% 학습자를 대상으로 반구조화 면담을 진행하였으며, 게임 기반 학습 종료 한 달 뒤 수학 교과의 내재적 동기에 대해 지연 사후 검사를 시행하였다.
연구 결과, 게임 기반 학습은 수학 교과의 내재적 동기를 유의미하게 향상시켜 가설 1이 채택되었다. 게임 기반 학습을 통해 학습자들은 수학에 대한 흥미가 유의미하게 향상되었고, 유발된 흥미는 게임 플레이를 중단한 이후에도 지속되거나 향상됨을 확인하였다. 특히 중위권 학습자에게 게임 기반 학습이 가장 효과적임을 확인하였다. 또한, 학습자가 게임 기반 학습을 플레이하며 다른 학습자와 상호작용하지 않고 개인적 목표를 달성하기 위해 게임 규칙과 기능 사용에 충실한 행동 패턴을 보일 때, 수학 교과의 내재적 동기가 향상함을 확인하였다.
본 연구의 실천적, 학문적 의의는 다음과 같다. 첫째, 본 연구는 자기결정성 이론이 게임 기반 학습의 맥락에서 효과적으로 적용됨을 제시함으로써 이론의 확장에 기여하였다. 둘째, 게임 기반 학습이 학습자의 수학 교과의 내재적 동기를 유발하고 향상시키는데 효과적임을 실증적으로 제시하였다. 셋째, 게임 기반 학습을 교육 현장에 적용할 때 교사의 교수적 지원이 필요함을 제안하였다. 결론적으로, 본 연구는 게임 기반 학습이 수학 교육에서 내재적 동기 유발에 미치는 영향을 실증적으로 분석하였으며, 수학 교과의 내재적 동기 향상에 영향을 미치는 학습자의 게임 과정과 행동 패턴을 탐색하였다. 이는 향후 교육 현장과 학문적 연구에 있어서 게임 기반 학습의 지속 가능한 교육 및 적용에 대한 이론적 토대를 제공한다는 점에서 의의가 있다.

목차 (Table of Contents)

• 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 6
• 3. 용어의 정리 8
• Ⅱ. 이론적 배경 10
• 1. 게임 기반 학습 10
• 가. 게임 기반 학습의 개념과 특징 10
• 나. 게임 기반 학습의 교육적 활용 13
• 다. 수학 교과에서의 게임 기반 학습 14
• 라. 게임 기반 학습과 자기결정이론 17
• 2. 내재적 동기 21
• 가. 내재적 동기의 개념과 특징 21
• 나. 수학 학습에서의 내재적 동기 22
• Ⅲ. 연구 방법 24
• 1. 연구 참여자 24
• 2. 연구 절차 25
• 가. 설계기반연구 25
• 나. 전체 연구 절차 26
• 3. 게임 기반 학습 도구 33
• 4. 자료 수집 및 분석 35
• 가. 자료 수집 방법 35
• 나. 자료 분석 방법 37
• Ⅳ. 연구 결과 40
• 1. 수학 교과의 내재적 동기 향상을 위한 게임 기반 학습 설계원리 40
• 가. 유능성 40
• 나. 자율성 42
• 다. 관계성 43
• 2. 게임 기반 학습 과정 50
• 3. 게임 기반 학습의 효과와 개선점 59
• 가. 게임 기반 학습이 수학 교과의 내재적 동기에 미치는 효과 59
• 나. 게임 기반 학습의 효과와 개선점에 대한 학습자 인식 73
• 4. 수학 교과의 내재적 동기 향상에 영향을 미치는 학습자 행동 특성 82
• 가. 문제 해결 접근 방식 84
• 나. 목표 설정 방식 86
• 다. 게임 참여도 89
• Ⅴ. 논의 및 결론 91
• 1. 논의 91
• 가. 수학 교과의 내재적 동기 향상을 위한 설계원리 91
• 나. 게임 기반 학습의 실천적 적용 93
• 다. 수학 교과의 내재적 동기 향상에 영향을 미치는 학습자 특성 95
• 라. 설계기반연구 97
• 2. 결론 및 제언 99
• 가. 결론 99
• 나. 제언 101
• 참고문헌 103
• 부록 117
• Abstract 135