[논문 리뷰] Games as a Platform for Student Participation in Authentic Scientific Research

Rikke Magnussen, Sidse Damgaard Hansen외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 05.

Educational Games and GamificationPsychology참고 문헌 13인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 고등학생들이 양자 컴퓨팅 분야의 실제 과학적 과제를 해결함으로써 진정성 있는 양자역학 연구에 참여할 수 있도록 돕는 교육용 게임인 Quantum Moves를 제시한다. 연구 결과, 학생들은 전문가 역할을 부여받을 경우 특히 더 높은 동기를 느끼며, 이는 물리 교육에서의 인식된 학습과 참여도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

This paper presents results from the design and testing of an educational version of Quantum Moves, a Scientific Discovery Game that allows players to help solve authentic scientific challenges in the effort to develop a quantum computer. The primary aim of developing a game-based platform for student-research collaboration is to investigate if and how this type of game concept can strengthen authentic experimental practice and the creation of new knowledge in science education. Researchers and game developers tested the game in three separate high school classes. The tests were documented using video observations of students playing the game, qualitative interviews, and qualitative and quantitative questionnaires. The focus of the tests has been to study players motivation and their experience of learning through participation in authentic scientific inquiry. In questionnaires conducted in the two first test classes students found that the aspects of doing real scientific research and solving physics problems were the more interesting aspects of playing the game. However, designing a game that facilitates professional research collaboration while simultaneously introducing quantum physics to high school students proved to be a challenge. A collaborative learning design was implemented in Class 3, where students were given expert roles such as experimental and theoretical physicists. This significantly improved the students feeling of learning physics compared to Class 1 and 2. Overall the results presented in this paper indicate that the possibility of participating in authentic scientific experiments, which this class of games opens, is highly motivating for students. The findings also show that the learning design in the class setting must be considered in order to improve the students' experience of learning and that various design challenges remain to be addressed further.

연구 동기 및 목표

• 게임 기반 플랫폼이 고등학교 과학 교육에서 진정성 있는 과학적 탐구를 향상시킬 수 있는지 조사하기.
• 학생들이 게임을 통해 실제 과학 연구에 참여할 경우 동기 부여와 학습 성과에 어떤 영향을 미치는지 분석하기.
• 협동 학습 설계, 특히 전문가 역할 할당이 학생의 참여도와 인식된 지식 습득에 미치는 영향 평가하기.
• 고등학생 학습자를 대상으로 전문 연구 과제를 교육용 게임에 통합할 때 발생하는 설계 과제 규명하기.

제안 방법

• 연구진은 양자 컴퓨팅 연구를 위한 원래 목적의 과학적 발견 게임인 Quantum Moves의 교육용 버전을 개발하였다.
• 세 개의 고등학교 수업이 게임 테스트에 참여하였으며, 지도 방식이 다름: 두 반은 구조화된 역할 없이 플레이하였고, 세 번째 반은 전문가 역할을 포함한 협동 학습 설계를 사용하였다.
• 영상 관찰, 질적 인터뷰, 동기 부여, 학습, 과학적 탐구 인식을 평가하는 혼합 방법 설문지를 통해 데이터를 수집하였다.
• 게임 인터페이스는 학생들이 실제 연구 데이터에 기여할 수 있도록 양자 시스템을 조작할 수 있도록 설계되어, 양자물리학의 실험 조건을 시뮬레이션하였다.
• 학생들의 반응에 대한 정량적 및 정성적 분석을 통해 세 반의 학습 경험과 동기 수준을 평가하였다.
• 다양한 학습 설계 간의 학생 인식과 경험을 비교하여, 역할 할당이 학습 성과에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게임을 통한 진정성 있는 과학적 연구 참여가 고등학생의 물리학 학습에 대한 동기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 예를 들어 실험 물리학자나 이론 물리학자 같은 전문가 역할을 부여할 경우, 게임 기반 과학 환경에서 학생들의 학습 인식은 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 전문 과학 연구 과제를 동시에 고등학교 과학 교육에 효과적으로 통합하는 데 있어 핵심 설계 과제는 무엇인가?
• RQ4 학생들은 게임 기반 학습 플랫폼 내에서 실제 연구 과제가 어떻게 통합되는지 어떻게 경험하는가?

주요 결과

• 전문가 역할을 부여받은 반의 학생들은 두 대조 반보다 물리학 학습에 대한 인식이 뚜렷하게 강화된 것으로 보고하였다.
• 게임에서 가장 동기를 유발하는 요소는 실제 과학 연구를 수행하고 진정성 있는 물리 문제를 해결할 수 있는 기회였다.
• 제3반의 협동 학습 설계는 더 높은 인식된 학습 성취도를 이끌어내었으며, 이는 역할 할당이 참여도와 지식 인식을 향상시킨다는 것을 시사한다.
• 높은 동기에도 불구하고, 전문 연구 기여와 고등학생 대상 과학 교육 간의 균형을 이루는 게임 설계는 여전히 큰 과제로 남아 있다.
• 첫 번째와 두 번째 반의 학생들은 실제 연구와 물리 문제 해결에 흥미를 느꼈지만, 제3반에서처럼 역할 기반의 체계적 참여가 부족하여 학습 향상에 한계가 있었다.
• 연구는 게임을 통한 진정성 있는 과학 참여가 매우 동기 부여적이지만, 교육적 성과를 극대화하기 위해서는 효과적인 학습 설계가 필수적이라는 점을 확인한다.