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Game-Based vs. Simulation-Based Instruction: exploring the sequencing effect on elementary pre-service teachers' understanding of the photoelectric effect

83명의 초등 예비 교사를 대상으로 한 이 연구는 시뮬레이션 우선 교수 학습 순서가 게임 우선 방식에 비해 광전 효과에 대한 이해를 유의미하게 향상시킨다는 것을 보여주는 동시에, 교육 도구에 대한 참가자들의 선호도가 노출 순서에 의해 영향을 받는다는 점을 밝혀냈다.

원저자: Razan Hamed, N. Sanjay Rebello

게시일 2026-06-03

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원저자: Razan Hamed, N. Sanjay Rebello

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당신이 예비 초등 교사들에게 매우 까다로운 개념, 즉 빛이 어떻게 금속 표면에서 전자를 튕겨내는지(광전 효과)를 가르치려 한다고 상상해 보세요. 이것은 마치 특정한 열쇠가 특정한 자물쇠를 여는 법을 설명하는 것과 비슷하지만, 그 열쇠는 보이지 않고 자물쇠는 아주 작습니다.

두 명의 연구자, 라잔(Razan)과 산제이(Sanjay)는 이 개념을 가르치기 위해 두 가지 서로 다른 디지털 "도구"를 사용하는 가장 좋은 방법을 알아내고자 했습니다:

비디오 게임 ("포톤 점프"): 이것은 일종의 재미있는 은유적 이야기라고 생각하세요. 게임에서 당신은 방 안에 갇힌 전자가 되어 플레이합니다. 당신은 벽을 뛰어넘어 탈출해야 합니다. 점프하기 위해서는 "광자"(빛 입자)로부터 에너지를 흡수해야 합니다. 당신은 적절한 에너지를 얻기 위해 올바른 색깔의 버튼을 찾아야 합니다. 이것은 시행착오를 통해 배우는 퍼즐과 같습니다.
시뮬레이션 ("PhET"): 이것은 가상의 과학 실험실이라고 생각하세요. 이것은 빛의 색깔과 밝기를 조절하여 금속판 위의 전자들에게 정확히 어떤 일이 일어나는지 관찰할 수 있는 직설적이고 군더더기 없는 모델입니다. 이것은 현상의 청사진을 들여다보는 것과 같습니다.

핵심 질문:
어떤 도구를 먼저 사용하는지가 중요할까요? 흥미를 유발하기 위해 재미있는 게임으로 시작해야 할까요, 아니면 진지한 실험실로 시작하여 사실 관계를 바로잡아야 할까요?

실험:
연구진은 83명의 예비 교사를 모집하여 두 그룹으로 나누었습니다:

그룹 A: 게임을 먼저 하고, 그 다음에 시뮬레이션을 했습니다.
그룹 B: 시뮬레이션을 먼저 하고, 그 다음에 게임을 했습니다.

그들은 학습 시작 전, 중간, 그리고 마지막에 지식을 테스트했습니다.

연구 결과:
순서가 매우 중요했습니다!

"시뮬레이션 우선" 그룹 (그룹 B): 이 학생들은 이해도가 엄청나게 상승했습니다. 그들은 조금 아는 상태에서서 아주 많이 아는 상태로 나아갔습니다. 연구진은 이 향상도가 통계적으로 매우 강력하다는 것을 발견했습니다.
"게임 우선" 그룹 (그룹 A): 이 학생들도 학습을 했지만, 그 향상 폭은 훨씬 작았으며 통계적으로 유의미하지 않았습니다.

왜 이런 결과가 나왔을까요?
연구진은 시뮬레이션으로 시작하는 것이 학생들에게 탄탄하고 정확한 기초(우주의 "실제" 법칙)를 제공했다고 제안합니다. 일단 실제 메커니즘을 이해하고 나면, 게임은 그 규칙들을 연습하고 적용하는 즐거운 방법이 됩니다.

만약 게임으로 먼저 시작한다면, 학생들은 게임의 규칙이나 은유에 몰입하게 될 수 있으며, 나중에 정밀한 과학적 규칙으로 뇌를 전환하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 이것은 레이싱 비디오 게임만 하다가 실제 자동차 운전을 배우려는 것과 같습니다. 게임은 재미있지만, 실제 자동차는 규칙이 다르기 때문에 이를 다시 배우거나 조정해야 합니다.

학생들의 생각:

선호도: 흥미롭게도, 학생들이 무엇을 선호하는지는 그들이 무엇을 먼저 했느냐에 따라 달랐습니다. 게임을 먼저 했던 학생들은 게임을 더 좋아하는 경향이 있었습니다. 시뮬레이션을 먼저 했던 학생들은 어느 한 쪽을 특별히 선호하지 않았습니다.
향후 활용: 거의 모든 학생이 비디오 게임을 해본 적이 없더라도, 미래의 자신의 교실에서 아이들을 가르치기 위해 게임을 사용할 의향이 있다고 답했습니다.

결론:
두 도구 모두 훌륭하지만, 특정 순서로 함께 사용할 때 가장 효과적입니다. 예비 교사들에게 복잡한 물리학을 가르치려면, 진지한 시뮬레이션으로 기초를 쌓은 다음, 게임을 통해 그것을 확실히 각인시키는 것이 더 좋습니다. 그것은 집을 짓기 전에 기초를 다지는 것과 같습니다.

기술 요약: 광전 효과 학습에 있어서의 게임 기반 vs. 시뮬레이션 기반 교수법

문제 제기
광전 효과는 양자 물리학의 기초적이면서도 개념적으로 까다로운 주제이다. 특히 물리 배경지식이 제한적이고 자기 효능감이 낮으며 물리 불안(physics anxiety) 수준이 높은 초등 예비 교사들에게 더욱 그러하다. 교육 연구는 개념적 이해를 높이기 위해 다양한 표현 방식, 즉 교육용 비디오 게임(유추적 표현)과 상호작용형 시뮬레이션(직접적 표현)을 사용하는 것을 지지하고 있으나, 이러한 도구들의 최적의 순서에 대해서는 아직 탐구가 이루어지지 않았다. 본 연구는 교육적 개입의 순서(시뮬레이션 우선 vs. 게임 우선)가 예비 교사들의 광전 효과에 대한 개념적 숙달도와 이후의 도구 선호도에 어떠한 영향을 미치는지에 관한 문헌상의 공백을 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 미 중서부의 한 대규모 대학교에 재학 중인 83명의 예비 교사(여성 93%)를 대상으로 계수된 교차 설계(counterbalanced quasi-experimental crossover design)를 채택하였다. 참가자들은 유사한 규모와 물리 역량을 가진 두 그룹으로 나뉘었다:

그룹 1 (시뮬레이션-게임): PhET 광전 효과 시뮬레이션을 완료한 후, "Photon Jump" 교육용 비디오 게임을 수행함.
그룹 2 (게임-시뮬레이션): "Photon Jump"를 수행한 후, PhET 시뮬레이션을 완료함.

개입 도구:

PhET 시뮬레이션 (직접적 표현): 참가자들이 변수(파장, 세기)를 조작하고 전자 방출에 미치는 실시간 효과를 관찰할 수 있도록 하며, 여기에는 분석적 계산과 주파수-에너지 그래프가 포함된다.
"Photon Jump" 게임 (유추적 표현): 플레이어가 전자가 되어 특정 광자 에너지(색상 선택을 통해)를 흡수하여 방을 탈출해야 하는 3D 게임으로, 일함수(work function)와 전자 방출을 은유적으로 표현한다.

평가 및 분석:
학습 결과는 세 가지 표준화된 평가를 통해 측정되었다: 사전 테스트(기초선), 중간 테스트(첫 번째 개입 후), 사후 테스트(두 번째 개입 후). 성과는 단일 요인 분산 분석(single-factor ANOVA)과 기저 차이를 통제하기 위한 조절 회귀 분석(moderation regression analyses)을 사용하여 분석되었다. 질적 데이터는 도구 선호도 및 향후 교수 현장에서의 사용 의지에 관한 개방형 성찰 질문을 통해 수집되었다.

주요 결과

순서 효과에 따른 성과: 시뮬레이션-게임 순서는 사전 테스트에서 사후 테스트로 갈 때 통계적으로 유의미한 성과 향상( $p = 0.001$ )을 보였다. 반면, 게임-시뮬레이션 순서는 유의미한 향상을 보이지 않았다 ( $p = 0.06$ ).
기초선 통제: 그룹 1의 사전 테스트 평균(62.7%)이 그룹 2(74.8%)보다 낮았음에도 불구하고, 조절 회귀 분석 결과 사전 테스트 점수가 최종 성과 차이의 결정적 요인은 아닌 것으로 확인되었다. 중간 테스트 점수와 조건 간의 상호작용은 통계적으로 유의미했으며 ( $p = 0.039$ ), 이는 개입 순서가 중간 테스트에서 사후 테스트로 이어지는 학습률에 구체적으로 영향을 미쳤음을 나타낸다.
사용자 선호도: 선호도는 순서에 따라 달랐다. 게임-시뮬레이션 그룹(그룹 , Group 2)은 게임을 선호하는 경향이 있었다. 반대로, 그룹 1(Simulation-Game)은 뚜렷한 선호 없이 의견이 갈렸다. 그러나 두 그룹 모두의 대다수는 향후 자신의 초등 교실에서 게임을 사용할 의사가 있다고 밝혔다.
참여도: 참가자들은 게임이 게임 경험이 없는 이들에게도 접근 가능하다고 보고했으며, 시뮬레이션은 특정 물리적 매개변수를 조작할 수 있는 능력 측면에서 가치가 있다고 평가했다.

주요 기여
본 연구는 다음과 같은 점에서 물리학 교육 연구에 기여한다:

직접적 표현(시뮬레이션)을 유추적 표현(게임)보다 먼저 도입하는 것이 그 반대의 경우보다 우수한 개념적 이득을 가져온다는 특정 **순서 효과(sequencing effect)**를 식별하였다.
두 양식 모두 효과적이지만, 물리 불안을 특징으로 하는 인구 집단인 예비 교사들에게는 그 통합 순서가 중요하다는 것을 입증하였다.
"직접적" 표현과 "유추적" 표현의 결합이 상호 보완적이지만, 교육적 순서가 학습의 크기를 결정한다는 경험적 근을 제공하였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구의 결과가 추상적인 물리 현상을 가르칠 때 다양한 표현 방식을 사려 깊게 통합하는 것의 중요성을 강조한다고 주장한다. 본 연구는 교육자들이 호기심을 자극하기 위해 게임의 동기 부여 및 몰입적 특성을 활용하되, 개념적 이해를 극대화하기 위해서는 시뮬레이션이 제공하는 정밀하고 매개변수가 통제된 관찰을 먼저 배치하는 순서를 권고한다. 논문은 개입 순서가 예비 교사를 위한 교수 설계의 핵심 변수임을 결론지으며, 이 맥락에서는 시뮬레이션 우선 접근 방식이 게임 기반 학습에 필요한 은유적 추론으로의 전이를 더 잘 스캐폴딩(scaffolding)할 수 있음을 시사한다. 저자들이 제안하는 향-후 과제에는 이러한 도구들의 탐색을 지원하기 위한 AI 챗봇 튜터의 통합이 포함된다.

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