* 본고는 필자의 박사학위논문“The Development of the Blended Laboratory and E-learning Instructional Design (BLEND) Model”및 그 일부분으로서 학술지에 게재된 논문들의 내용을 요약·정리한 것임을 밝힌다.
이경건 | 서울대학교 교육종합연구원 객원연구원, cusaderlee@snu.ac.kr
서 론
2023년 5월 11일, 우리나라 정부는 COVID-19 팬데믹 (pandemic) 상황이 종료되었다는 의미에서 엔데믹(endemic)을 선언하였다. 이는 2020년 1월 20일 국내에서 첫 확진자가 발생한지 3년 4개월 만이었다.[참고문헌 1] 2020년 초 중국 우한에서 처음 보고되었던 COVID-19이 그동안 우리에게 미친 영향이 얼마나 폭넓고 심각했는지는 굳이 말하지 않아도 모두가 경험한 바이다. 특히 COVID-19 팬데믹은 전 지구적으로 교육 실천의 모습을 바꾸었다. UNESCO에 따르면 세계적으로 110개국 이상에서 1억 5천만 명 이상의 학생들이 학교 폐쇄로 인한 영향을 받았다.[참고문헌 2] 2020년 이후 대부분의 교수학습이 관습적인 대면(face-to-face) 형식 에서 온라인 플랫폼 기반의 비대면(non-face-to-face) 형식으로 전환되었다. 우리나라의 경우 2020년 1월 20일에 첫 확진자가 발생한 후, 2월에는 교육부가 대학의 1학기 개강을 최대 4주까지 미룰 것을 권고하였다. 또한 교육부는 모든 대학 수업이 비대면 형식으로 이루어져야 함을 명시하였다. 결과적으로 우리나라의 모든 대학들은 대체로 3월 셋째 주에 비대면 수업으로 학기를 시작하게 되었다. 비록 교육부가 2020년 5월에는 실험 실습 등의 수업에 대하여 대면 수업을 허용하였으나, 이와 함께 교육부는 각 대학이 방역 수칙을 준수하였는지를 감독하였으며 대다수의 대학은 여전히 비대면 수업을 유지하였다.
이러한 상황에서 무엇보다도 과학교육자들에게 많은 관심과 염려를 불러일으킨 것은 원격 실험 수업(remote lab- oratory session)일 것이다. COVID-19 직전까지 대학 수준에서 대다수의 실험 수업들이 핸즈온(hands-on) 경험을 위주로 설계되고 실행되었던 관습에 비추어 볼때, 사회적 거리두기가 초래한 원격 실험 수업은 적지않은 학습 결손을 가져올 것으로 예상되었다. 예컨대, 미국화학회 (American Chemical Society)에서 발간하는『Journal of Chemical Education』은 이미 2020년에‘Insights Gained While Teaching Chemistry in the Time of COVID-19’라는 특별호를 통해 원격 실험 수업을 집중적으로 다루었으며, 여기서 그 학습 경험이 대다수 학생들에게 부정적으로 받아들여졌다는 점이 보고되었다.[참고문헌 3] 곧, 대학 수준에서의 과학교육, 특히 화학교육에 있어 실험 수업을 비대면으로 진행한다는 것은 상상하기 어려운 일이 었으며, 테크놀로지 기반 교수학습으로의 준비되지 않은 전환은 지구상의 많은 교수자 및 학생 들이 바람직하지 않은 실험 수업을 경험하도록 만들었다.
그러나 COVID-19 이전부터 일부 연구자들은 테크놀로지에 기반한 비전통적 실험 수업(non-traditional laboratory, NTL)의 가능성을 제안해온 바 있었다.[참고문헌 4] 여기서, 과학교육에서 학생들이 직접 손을 사용하는 핸즈온 실험수업뿐만 아니라 어떠한 자연 현상을 접하고 이를 자신이 알고 있는 과학 이론에 비추어 깊이 생각해보는 마인즈온 (minds-on) 탐구 역시 중시해 왔으므로, COVID-19으로 인해 촉발된 비대면 실험 수업 역시 일종의 마인즈온 수업으로서 긍정적으로 해석할 수 있는 단서를 얻게 된다.[참고문헌 5] 예컨대, 일부 연구자들은 증강현실(Augmented Reality, AR)이나 가상현실(Virtual Reality, VR) 등의 새로운 테크놀로지를 화학 실험 수업에서 활용할 가능성을 발견하거나,[참고문헌 6] 대학교 분석화학실험 맥락에서 최대한 효과적인 수업을 진행하고자 하는 노력을 사례 연구로서 보고하기도 하였다.[참고문헌 7] 이러한 선행 연구들은 COVID-19의 발발에 즉각적으로 대응하며 당시의 과학교육자들을 지원한 면이 있다. 하지만 COVID-19이 당시의 대학 실험 교육에 어떠한 영향을 미쳤는지를 교수자 및 학생의 측면에서 다각도로 살펴보고, 이를 기반으로 post-COVID-19 실험 수업에 적용할 수 있는 구체적인 함의를 도출한 연구는 드문 편이었다.
필자는 2020-2021년에 걸쳐 COVID-19이 대학 실험교육에 미친 영향을 조사하고, 이를 기반으로 post-COVID- 19 시대의 실험 교육이 나아가야 할 방향을 탐색하는 연구를 수행하는 경험을 하였다. 연구 현장인 한국대학교(가칭)에서 2020년 일반 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학 및 여타 전공 실험 과목을 설계하고 진행한 교수자 10명과 실제로 그 수업들을 수강한 학생 338명을 설문조사하거나 인터뷰하였다. 그리고 이들의 목소리로부터 얻은 교훈을 바탕으로 온오프라인 수업 환경을 하나의 실험 수업으로 통합할 수 있도록 돕는 교수 설계 모형(instructional design model)을 개발하고 분석화학실험 수업에 적용하여 그 결과를 보고하였다. 이때,‘원격 실험 수업’을‘이러닝(E-learning) 으로 구현한 실험 교수학습’으로 정의함으로써, 과학교육 에서 논의되어 온 실험 수업의 이론적 배경과 교육공학에서 논의되어 온 이러닝의 이론적 배경의 두 측면 모두에 기대어 효율적이고 효과적인 수업을 구성하는 방안을 도출하고자 하였다. 본론에서는 이러한 연구들을 순서대로 간략히 소개하고자 한다.
그림 1. 2020학년도 한국대학교 원격 실험 수업을 모양지운 구조적 요소들
그림 2. 미시 층위의 구조적 요소들과 그 교차에서 발생한 이슈들
본 론
1. COVID-19 시기 대학 교수자들은 어떻게 실험 수업을 설계 하고 진행했는가?[참고문헌 8]
일반 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학 및 여타 전공 실험 과목을 설계하고 진행한 교수자 10명을 인터뷰하였다. 연구 참여자들은 교수, 조교 대표, 조교 등이었다. 인터뷰 질문은 연구 참여자들이 생각하는 각 과목의 특징, COVID- 19 상황에서 비대면 수업의 설계 및 진행 과정, 원격 실험 수업의 결과에 대한 인식과 제안 등이었다. 연구자들은 대학 교수자들이 COVID-19 팬데믹 당시에 놓여 있었던 구조(structure)와 그 위에서도 교수자들이 발휘한 행위주체성(agency) 에 주목하여 인터뷰 데이터를 해석하였다.
연구 결과는 다음과 같다. 먼저는 원격 실험 수업의 설계에 작용한 구조들이다[그림 1]. 거시적(macro-) 층위에서는 교육부의 강력한 비대면 수업 권고와 ICT 기반이 원격 실험 수업으로의 전환을 촉구한 계기가 되었다. 중시적 (meso-) 층위에서는 한국대학교의 국립대학으로서의 특성 및 대규모 교양 실험 수업의 관습이 실험 수업 설계를 지원하거나 저해하는 구조로서 작용하였다. 미시적 (micro-) 층위에서는 교수자들이 믿는 바람직한 과학 탐구의 방법, 각 과목의 특성, 그리고 온라인 교육 플랫폼의 어포던스(affordance)가 그러한 구조로서 작용하였다.
다음으로는 보다 구체적으로 원격 실험 수업의 진행 과정에서 발생한 문제점들이다[그림 2]. 위에서 언급한 미시적 특성들이 상호작용한 결과, 실험 동영상이 핸즈온 경험을 완전히 대체할 수는 없으며 교수자와 학생 간 상호작용이 크게 감소하였다는 점이 교수자들 사이에서 공통적으로 지적되었다. 그런가 하면 조교가 실험을 수행하고 그 데이터를 학생들에게 제공하는 경우에는 데이터가 이론과 너무 잘 부합하여 실험 보고서 작성 과정에서 학생들의 탐구가 잘 발생하지 않고, 결과적으로 평가에도 어려움이 있었다는 점이 지적되었다.
교수자들은 이러한 상황 속에서 2020년 1학기에 매우 다양한 방식으로 실험 수업을 구현한 것으로 드러났다. 그 중 에서 조교가 실험을 수행하면서 이를 촬영 및 편집하여 학생들에게 제공하고, Zoom을 통해 교수자와 학생이 함께 영상을 시청하고 실시간 질의응답을 가지며, 실험 보고서 작성에 대해 보다 직접적인 지도를 하는 방식이 긍정적인 학습 효과를 가져다 줄 수 있다고 여겨졌다. 결과적으로, 원격 실험 수업은 핸즈온 기능(skill)을 증진시키는 데는 어려움이 있으나, 과학적 지식(knowledge) 및 이론(theory), 실험 데이터 처리 기능, 보고서 작성 기능을 학습하는 데는 어느 정도 효과가 있다고 받아들여졌다.
표1. 대학생들의 원격 실험 수업 경험 인식 점수의 과목별 비교 (mean [SD]) (1-4 Likert scale)
2. COVID-19 시기 대학생들은 실험 수업 경험을 어떻게 받아 들였는가?[참고문헌 9]
위의 교수자들이 설계 및 진행한 수업을 수강한 338명의 대학생들을 온라인으로 설문 조사하였다. 설문은 연구 참여자가 수강한 원격 실험 수업에서 실험 동영상 만족도, 학습 결과 기대, 학습 결과 만족, 수업 참여, 수업 준비, 수업 경험, 온라인 플랫폼 사용, 교수자 및 동료와의 상호작용, 실험 보고서 작성, 평가 등 10개 요인에 관하여 총 30문항으로 구성하였다. 설문 조사에 응답한 학생들 중 18명이 후속 인터뷰에 참여하였다. 후속 인터뷰에서는 학생들의 원격 실험 수업 수강 경험을 보다 상세히 들을 수 있었다.
설문 데이터를 추리 통계로 살펴본 결과, 학생들은 일반 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학 및 여타 전공 실험 과목의 원격 실험 수업 경험에 대해 과목별로 다른 인식을 지니고 있었다. 예컨대, 실험 동영상에 대한 만족도, 교수자 및 동료와의 상호작용 정도, 학습 결과 만족도 등이 과목별로 다르게 나타났으며 설문 총점 역시 유의미한 차이를 보였다[표 1]. 이러한 차이의 원인은 후술할 학생 인터뷰에서 확인되듯 각 과목에서 사용하였던 수업 전략의 차이에 있는 것으로 해석되었다.
인터뷰 결과 학생들은 고등학교 때 실험 수업을 많이 경험하지 못했으므로 대학에서의 핸즈온 실험 수업에 큰 기대를 가지고 있었던 것으로 드러났다. 그러나 COVID-19 로 인하여 실험 수업이 원격으로 진행되어 기대가 컸던 만큼 만족도가 낮아지게 되었다. 학생들은 실험 동영상이 학습 경험의 질에 영향을 주었으며, 실시간 수업이 교수자-학생 상호작용을 증진시켰고, 실험 보고서에 대한 피드백 제공과 보충적 평가가 학습을 도왔다고 응답하였다. 그런가 하면 학생들은 COVID-19 시기에 원격 실험 수업을 이수하는 것이 실제 손으로 실험을 수행하는 힘든 과정을 거치지 않고도 필수 과목을 이수할 수 있는 방법이라고 여겨 이를 끝까지 수강하는 모습을 보이기도 하였다. 또한 COVID-19로 인해 실험 교수학습을 지원하는 여러 테크놀로지의 가능성을 확인할 수 있었다고 응답하였다.
3. Post-COVID-19 실험 교육을 위한 교수 설계 모형은 무엇 인가?[참고문헌 10]
마지막으로, 앞으로 더 나은 실험 수업을 설계할 수 있도록 돕는 일종의 가이드라인으로서의 교수 설계 모형을 개발하였다. 이를 위하여 설계 및 개발 연구(design and development research) 방법을 사용하였다. 먼저 문헌 리뷰 결과 및 상기한 두 연구에서 도출한 교훈들을 바탕으로 초기 교수 설계 모형을 개발하였다. 이후 물리교육, 화학교육, 생물교육, 지구과학교육 전문가 총 10인과 교육공학 전문가 3인으로 이루어진 전문가 패널, 분석화학 담당 교수 및 조교, 그리고 직전 및 해당 학기 수강생 20여 명의 의견을 반영하여 모형을 총 2회 수정하였다. 이 과정에서 한국 대학교 분석화학실험 수업을 설계 및 진행하면서 5주간 2 회의 적용 기간 역시 거쳤다.
최종 산출물은 Blended Laboratory and E-learning iNstructional Design (BLEND) 모형으로 명명하였다 [그림 3]. BLEND 모형의 특징은 다음과 같다. (1) Post- COVID-19 실험 교육은 온오프라인 교수학습 환경을 모두 고려하는 블렌디드(blended) 방식으로 이루어져야 함을 전제한다.
그림 3. 원격 실험 수업을 위한 BLEND 교수 설계 모형 (일부)
(2) ADDIE(Analysis, Design, Development, Implementation, Evaluation)의 체계적 절차를 거친다. (3) 교수 설계의 일반 요소, 과학 탐구 촉진 요소, 이러닝 요소를 두루 고려한다. (4) 주 단위 수업에서 교수자와 학습자의 역할을 지정한다. (5) 수업을 지속적으로 평가하며 개선한다.
BLEND 모형을 통해 도출된 분석화학실험 수업의 예시는 다음과 같다. 학생들은 조를 나누어 각 주마다 한 조가 예비 실험을 담당한다. 해당 조는 실시간 수업 전에 예비 실험을 수행하고, 실험 동영상을 촬영 및 편집한다. 또한 자신들이 핸즈온 경험을 통해 직접 느낀 것이 무엇인지를 동료들에게 설명하는 성찰 일지를 작성한다. 실시간 수업 시간에는 교수자와 예비 실험 담당조, 그리고 다른 학생들이 모두 Zoom 등의 수업 환경에 접속한다. 예비 실험 담당 조는 실험의 이론, 기기 및 장비, 과정, 성찰 일지 등을 발표하고 실험 동영상을 재생한다[그림 4-5]. 실험 동영상을 시청한 후 학생들은 조별로 동시적 온라인 마인드맵 활동을 하며 실험 수업에서 배운 것을 정리한다[그림 6]. 예비 실험 담당 조는 다른 학생들의 마인드맵 활동을 돕는다. 마지막으로 모든 학생들이 각자의 조에서 구성한 마인드맵을 발표한다. 이러한 과정을 매주 반복한다.
그림 4. 예비 실험 담당 조의 실험 이론 발표
그림 5. 예비 실험 담당 조의 실험 동영상 발표
그림 6. 온라인 동시적 마인드맵 활동
그림 7. 원격 실험 수업 경험에 대한 인식 점수 비교 - 2020년의 비-교수 설계 집단 (초록색), 2021년의 BLEND 교수 설계 집단 1차(파란색), 2021년의 BLEND 교수 설계 집단 2차(노란색)
BLEND 모형을 기반으로 도출한 분석화학실험 수강생 7인을 설문조사 및 인터뷰함으로써 교수 설계 모형을 타당 화하였다. 설문조사 결과[그림 7], 2020년에 교수 설계 모형을 거치지 않고 갑작스럽게 진행된 원격 실험 경험에 대한 점수(초록색, 2번 연구 데이터와 동일)보다 BLEND 모형을 기반으로 설계한 5주 수업의 인식 점수가 더 높았으며(파란색), BLEND 모형을 기반으로 다시 한 번 개선한 5주 수업의 인식 점수는 더욱 높아졌음을(노란색) 알 수 있 었다. 또한 인터뷰 결과 대다수의 학생들은 BLEND 모형 기반의 수업이 COVID-19 이전의 화학 실험 수업에 비해 현상에 대한 고찰 및 동료간 상호작용이 증진되는 장점을 지닌다고 응답하였다.
결 론
COVID-19 팬데믹을 묘사하는 데 종종 사용되어 왔던 단어‘crisis’는 그리스어 κρίσις(krisis)를 어원으로 지니며, 이는 마치 어떤 것의 생명이 걸려 있을 정도로 중요하고도 결정적인 순간을 의미한다. 곧, crisis의 때를 지날 때 좋은 쪽으로든 나쁜 쪽으로든 반드시 변화가 찾아오게 되며, 이는 마치 우리말에서 위기(危機)가 위험(危險)과 기회(機會)의 공존이라고 말하는 것과도 유사하다. 곧, COVID-19로 인해 찾아왔던 원격 실험 수업이라는 이공계 교육의 crisis 또는 위기는, 역설적으로 지금까지 대학에서 이루어져 왔던 실험 수업의 본질을 다시 고찰하게 하고 그것이 앞으로 더 나은 방향으로 발전할 수 있기를 촉구하는 질문을 우리에게 던졌다고 하겠다.
COVID-19이 교육에 가져다 준 변화는 결코 작지 않았으며, 그 영향력은 엔데믹을 넘어 post-COVID-19 시대를 살아가는 우리에게도 여전히 남아 있다. 예컨대, 대다수의 학생들은 스마트패드 등의 다양한 테크놀로지를 적극적으로 활용하는 학습 습관을 지니게 되었다. 적지 않은 대학들 역시 정규 수업 시간의 20%까지를 온라인 비대면 형식으로 진행할 수 있도록 유연성을 발휘하고 있다. 또한 위에서 소개한 연구들에서는 자세히 다루지 않았지만, 인공지능을 비롯한 여러 기술들이 온라인 교육 환경을 극적으로 변화시키고 있는 형국이다.
이처럼 교수학습이 기존에는 상상하기 어려웠던 방향으로 변혁되어가는 오늘의 상황에서 대학 화학 실험 교육의 모습 역시 끊임없이 재형성(reform)되고 있는가를 돌아보는 일이 필요하다. 예컨대, 핸즈온 실험 수업은 화학교육에서 필수적인 것임이 분명하나, post-COVID-19 시대의 화학 실험 교육이 pre-COVID-19 시대의 그것으로 단순히 회귀하기만 한다면 이는 바람직하지 않을 것이다. COVID-19 이후 다양하게 시도되었던 테크놀로지들이 앞으로도 화학 실험에서 활용될 수 있는 방안을 모색할 필요가 있으며, 이 때 교육공학 분야의 방법론 및 관점을 참조함으로써 화학 교육을 위해 테크놀로지를 보다 체계적으로 도입할 방법을 모색할 필요가 있다. 하지만 무엇보다도, 어려운 상황 속에 서도 어떻게든 실험 수업을 설계 및 진행하였던 교수자들과 역시 수업을 끝까지 수강하였던 학생들이 남긴 목소리를 기억하는 일이 가장 중요할 것이다.
참고문헌
1. BBC NEWS 코리아. “한국, 코로나19‘엔데믹’선언... 무엇이 달라지나?”2023년 5월 11일 온라인판 기사.(URL: https://www.bbc.com/korean/articles/c2q1gpelyz3o; 2023년 5월 24일 접속)
2. UNESCO. “Education: From disruption to recovery.” Retrieved on June 23rd, 2021 from https://en.unesco.org/covid19/educationresponse
3. Riley J. Petillion and W. Stephen McNeil. “Student Experience of Emergency Remote Teaching: Impacts of Instructor Practice on Student Learning, Engagement, and Well-Being.” Journal of Chemical Education 2020, 97, 2486-2493.
4. James R. Brinson. “Learning Outcome Achievement in Non-traditional (Virtual and Remote) Versus Traditional (Hands-on) Laboratories: A Review of the Empirical Research.” Computers & Education 2015, 87, 218-237.
5. 이경건, 홍훈기. “COVID-19으로 인해 촉발된 원격 실험 수업에 대한 과학교육 전문가들의 인식.” 한국과학교육학회지 2021, 41, 391-400.
6. Elliot Hu-Au and Sandra Okita. “Exploring Differences in Student Learning and Behavior Between Real-life and Virtual Reality Chemistry Laboratories.” Journal of Science Education and Technology 2021, 30, 862-876
7. 장원형, 최민지, 홍훈기. “코로나바이러스감염증-19 대유행에 따른 대학교 비대면 실험수업 운영에 관한 사례연구.” 2020, 20, 937-966.
8. Gyeong-Geon Lee, Da Yeon Kang, Myeong Ji Kim, Hun-Gi Hong, and Sonya N, Martin. “The Emergence of Remote Laboratory Courses in an Emergency Situation: University Instructors’ Agency During the COVID-19 Pandemic.” Cultural Studies of Science Education, 2023. https://doi.org/10.1007/s11422-023- 10169-0
9. Gyeong-Geon Lee, Da Yeon Kang, Myeong Ji Kim, Hun-Gi Hong, and Sonya N, Martin. “University Students’ Perception of Remote Laboratory Courses Necessitated by COVID-19: Differences in Emergent Teaching Strategies at a Korean University.” Asia Pacific Education Review 2023. https://doi.org/10.1007/ s12564-023-09837-1
10. Gyeong-Geon Lee, “The Development of the Blended Laboratory and E-learning Instructional Design (BLEND) Model: Lessons from University Instructors and Students Toward the Post-COVID-19 Laboratory Education.” [Unpublished doctoral dissertation]. Seoul National University, Seoul, Republic of Korea. 2023.
이경건 Lee Gyeong-Geon
• 서울대학교 화학교육과, 학사(2011.3-2016.8)
• 서울대학교 컴퓨터공학부, 학사(2012.9-2016.8.)
• 서울대학교 과학교육과(화학전공) 박사(2016.9-2023.2. 지도교수 : 홍훈기)
• 현재 서울대학교 교육종합연구원 객원연구원, 강원대학교 강사, 경인교육대학교 강사
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