Effectiveness of PhET Simulation-Based Chemistry Laboratories on Cognitive Load, Conceptual Understanding, and Engineering Problem-Solving Competence Among First-Year Civil Engineering Students

기술 요약: PhET 시뮬레이션 기반 화학 실험실의 효과성

문제 제기
1학년 토목공학도들은 재료 및 환경 시스템의 과학적 기초가 되는 화학의 추상적, 미시적, 그리고 매우 개념적인 특성으로 인해 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 필리핀의 맥락에서 전통적인 실험실 수업은 불충분한 장비, 자원 제약, 그리고 탐구 기반 학습 기회의 부족으로 인해 빈번히 방해를 받습니다. 이러한 제한 사항은 추상적인 화학 원리를 공학적 응용으로 변환하는 데 따르는 인지적 요구와 결합되어, 종종 인지 과부하를 유발하고 개념적 파악을 저해합니다. PhET 시뮬레이션과 같은 디지털 도구가 과정을 시각화하고 자원 장벽을 최소화할 수 있는 잠재적 해결책을 제공함에도 불구하고, 필리핀의 1학년 토목공학도들을 대상으로 인지 부하, 개념적 이해, 그리고 공학적 문제 해결 역량에 미치는 구체적인 영향에 관한 실증적 연구는 부족한 실정입니다.

연구 방법론
본 연구는 PhET 시뮬레이션 기반 실험 활동과 세 가지 핵심 학습 변수 간의 관계를 조사하기 위해 양적 기술-상관 연구 설계(quantitative descriptive-correlational research design)를 채택하였습니다.

• 참가자: 표본은 2025-2026학년도 1학기 동안 마닐라 기술대학교(Technological University of the Philippines-Manila)의 "공학을 위한 화학" 과목에 등록된 1학년 토목공학(BSCE) 전공 학생 55명으로 구성되었습니다. 참가자들은 PhET 시뮬레이션 세션을 완료했음을 보장하기 위해 유의 표집(purposive sampling)을 통해 선정되었습니다.
• 도구: 데이터는 구조화된 4부 구성의 설문지를 통해 수집되었습니다. 이 도구는 인구통계학적 데이터와 (1) 인지 부하, (2) 개념적 이해, (3) 공학적 문제 해결 역량을 측정하는 세 가지 검증된 척도를 포함합니다. 각 척도는 4점 리커트 척도로 측정되는 11개 항목으로 구성되었습니다. 본 도구는 3인의 전문가에 의해 내용 타당도 검증을 거쳤으며, 신뢰도(Cronbach's alpha ≥ 0.70)를 위해 예비 검사를 실시하였습니다.
• 절차: 설문은 중재 후 Google Forms를 통해 전자 방식으로 실시되었습니다.
• 통계 분석: 기술 통계(평균, 표준편차)를 사용하여 변수의 수준을 특징지었습니다. 독립 표본 t-검정을 통해 성별에 따른 차이를 평가하였습니다. 피어슨 상관계수 및 선형 회귀 분석을 통해 인지 부하와 개념적 이해 사이의 예측 관계를 조사하였습니다. 마지막으로, 인지 부하와 개념적 이해가 PhET 시뮬레이션이 공학적 문제 해결 역량에 미치는 영향을 조절하는지 결정하기 위해 공분산 분석(ANCOVA)을 사용하였습니다.

주요 결과

• 인지 부하: 학생들은 PhET 시뮬레이션이 외생적 인지 부하를 줄이는 데 매우 효과적이라고 인식하였습니다(가중 평균[WM] = 3.51, "매우 높은 수준"). 시뮬레이션은 추상적인 개념을 명확히 하고, 주의 분산을 최소화하며, 학생들이 압도당하지 않고 필수적인 실험 부분에 집중할 수 있도록 하는 데 기여한 것으로 평가되었습니다.
• 개념적 이해: 참가자들은 개념적 이해가 "매우 높은 수준"으로 향상되었다고 보고하였습니다(WM = 3.54). 시뮬레이션은 화학적 과정을 시각화하고, 변수 간의 관계(예: 농도, 온도)를 이해하며, 이론적 원리를 토목 공학적 맥락과 연결하는 데 크게 도움을 주었습니다.
• 공학적 문제 해결 역량: 학생들은 문제 해결 기술, 특히 데이터 분석, 비판적 사고, 오류 식별 및 그래프 출력 해석 측면에서 "매우 높은 수준"의 향상을 나타냈습니다(WM = 3.37). 그러나 실제 세계의 공학 문제에 개념을 직접 적용하거나 반응 결과를 예측하는 것과 관련된 항목들은 다소 낮은 점수를 받았으나 여전히 긍정적인 수준이었으며, 이는 시뮬레이션 지식을 실제 시나리오로 전이하는 데 있어 발달 중인 기술임을 시사합니다.
• 인구통계학적 차이: 인지 부하, 개념적 이해 또는 문제 해결 역량에 대한 경험과 관련하여 남학생과 여학생 사이에 통계적으로 유의미한 차이는 발견되지 않았습니다(p > 0.05).
• 예측 및 조절 관계:
  • 회귀 분석 결과, 인지 부하와 개념적 이해 사이에 유의미한 양방향 정적 관계가 드러났습니다. 인지 부하가 높으면 해롭다는 가정과 달리, 본 연구에서는 더 높은 수준의 인지 부하(생산적 정신적 노력으로 해석됨)가 더 높은 개념적 이해를 예측하며, 그 역도 성립함을 발견했습니다.
  • 조절 분석 결과, 인지 부하와 개념적 이해 모두가 PhET 시뮬레이션이 공학적 문제 해결 역량에 미치는 영향을 유의미하게 조절하는 것으로 나타났습니다. 구체적으로, 높은 수준의 개념적 이해와 인지 부하는 시뮬레이션이 문제 해결 기술에 미치는 긍정적인 효과를 증폭시켰습니다.

의의 및 주장
본 논문은 PhET 시뮬레이션 기반 실험실이 1학년 토목공학도들에게 가치 있는 교수 학습 도구 역할을 한다고 결론짓습니다. 본 연구는 이러한 시뮬레이션이 인지적 장벽을 줄이고 분석 및 문제 해결 능력을 강화함으로써 심화 학습을 지원한다고 주장합니다. 연구 결과는 시뮬레이션 사용 중에 투입되는 인지적 노력이 생산적이며, 개선된 개념적 파악과 직접적인 상관관계가 있음을 보여줍니다.

저자들은 상호작용형 디지털 시뮬레이션을 공학 커리큘럼에 통합하는 것이 학습 성과를 개선하고 학생들을 전문적인 맥락에 대비시키는 데 필수적이라고 단언합니다. 본 연구는 시뮬레이션이 추상적 이론과 공학적 적용 사이의 간극을 효과적으로 메워주는 한편, 학생들이 이러한 기술을 실제 공학 문제로 전이하는 것을 더욱 돕기 위해 후속 활동(예: 사례 연구)을 병행해야 함을 강조합니다. 이 연구는 자원 제한 문제를 해결하면서 기초 과학 역량을 강화할 수 있는 확장 가능하고 학생 중심적인 교육법을 채택하기 위한 커리큘럼 개발자 및 기관 지도자들에게 근거 기반의 통찰력을 제공합니다.