충실성(Fidelity)과 학습경험

XR과 시뮬레이션 기반 학습에서의 설계 원리

디지털 기술이 급격히 발전하면서 확장현실(Extended Reality, XR) 기술과 시뮬레이션 기반 학습(Simulation-Based Learning, SBL)이 교육 환경에서 점점 더 중요해지고 있다. 특히 의료 교육, 공학 교육, 교사 훈련과 같은 실습 중심 분야에서는 XR과 시뮬레이션이 실제 경험을 대체하거나 보완하는 방식으로 활용되고 있다 (Dede et al., 2017). 그러나 이러한 환경에서 학습 효과를 극대화하기 위해서는 단순히 현실적인 가상 환경을 제공하는 것만으로 충분하지 않다.

XR 기반 학습이 효과적으로 작동하려면 **충실성(Fidelity)과 학습자 상호작용(Interactivity)**의 조합이 중요하다. 충실성이 높다고 해서 반드시 학습 효과가 증진되는 것은 아니며, 학습자의 참여 방식(인지적, 행동적, 사회적 상호작용)에 따라 충실성이 다르게 작용할 수 있다 (Makransky et al., 2019).

본 글에서는 XR과 시뮬레이션 기반 학습 환경에서 충실성과 학습 경험이 어떤 관계를 맺고 있으며, 학습 효과를 극대화하기 위한 설계 원리를 탐구하고자 한다. 이를 위해 학습이론(경험 학습, 상황학습, 인지 부하 이론)과 기존 연구를 바탕으로 충실성과 학습자 상호작용이 학습 성과에 미치는 영향을 분석한다. 충실성(Fidelity)은 시스템이나 환경이 현실과 얼마나 유사한지를 나타내는 개념으로, 특정 상황에서의 경험을 인위적으로 재현하는 정확성을 의미한다 (Sweller, 2011). 충실성이 높을수록 실제 환경과의 차이가 줄어들며, 학습자에게 보다 현실감 있는 경험을 제공할 수 있다. 그러나 충실성이 반드시 학습 효과를 극대화하는 것은 아니며, 학습 목표와 맥락에 따라 적절한 수준으로 조정되는 것이 중요하다 (Sweller, 1988; Kirschner et al., 2006).

충실성(Fidelity)의 개념과 학습 환경에서의 역할

충실성은 학습 환경이 현실과 얼마나 유사한지를 나타내는 개념으로, XR 및 시뮬레이션 환경에서는 크게 **물리적 충실성(Physical Fidelity)**과 **과제 충실성(Task Fidelity)**으로 나눌 수 있다. 충실성은 물리적 충실성(Physical Fidelity)과 과제 충실성(Task Fidelity) 외에도 개념적 충실성(Conceptual Fidelity), 정서적 충실성(Emotional Fidelity) 같은 요소로도 구분되기도 하나, 여기서는 물리적, 과제 충실성에 국한하여 학습경험 설계에서의 충실성 적용 정도에 대한 논의를 해보고자 한다 (Fiorella & Mayer, 2015).

물리적 충실성(Physical Fidelity)

물리적 충실성은 가상 환경이 시각적, 청각적, 촉각적 요소에서 현실과 얼마나 유사한지를 의미한다. 높은 물리적 충실성을 가진 환경은 학습자가 실제 환경에 있는 것처럼 몰입감을 느낄 수 있도록 돕는다 (Bailenson, 2018). 예를 들어, **의료 교육용 시뮬레이터(SimMan, VR 기반 수술 훈련)**나 비행 시뮬레이터에서는 높은 물리적 충실성이 학습자의 실제 수행 능력을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다 (Mayer, 2020).

그러나 연구에 따르면 물리적 충실성이 지나치게 높아질 경우, **인지 부하(Cognitive Load)**를 증가시켜 학습을 방해할 수 있다 (Sweller, 1988). 즉, 현실과 동일한 수준의 시각적·청각적 요소가 존재한다고 해도, 학습자가 이를 효과적으로 처리하지 못하면 학습 효과는 오히려 감소할 수 있다. 따라서 단순히 높은 현실감을 제공하는 것이 아니라, 학습 목표에 맞는 충실성 수준을 조절하는 것이 중요하다. Sweller의 인지 부하 이론(Cognitive Load Theory, Sweller, 2011)에 따르면, 높은 물리적 충실성이 오히려 불필요한 인지적 부담을 초래할 수 있다.

과제 충실성(Task Fidelity)

과제 충실성은 학습자가 수행하는 활동이 실제 과업과 얼마나 유사한지를 의미한다. 이는 시뮬레이션에서 가장 중요한 요소로 작용하며, 특히 의사결정 훈련, 문제 해결 학습, 기술 습득 과정에서 핵심적인 역할을 한다 (Wieman et al., 2008). 예를 들어, 전기 회로 실험을 위한 PhET Simulation 연구에서 실제 장비를 사용하는 것보다 시뮬레이션을 활용한 그룹이 더 높은 개념적 이해도를 보였다는 연구 결과가 있다 (de Jong & van Joolingen, 1998). 이는 시뮬레이션이 핵심 개념에 집중할 수 있도록 불필요한 복잡성을 제거함으로써 학습자가 본질적인 문제 해결 과정에 집중할 수 있도록 하기 때문이다. Ericsson의 '의도적 연습(Deliberate Practice)' 이론(Ericsson et al., 1993)에 따르면, 학습자는 실제 수행 과업과 유사한 연습을 반복적으로 수행할 때 장기 기억과 숙련도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.

과제 충실성이 중요한 이유는 학습자가 실제 환경에서 경험하게 될 문제를 미리 연습할 수 있도록 하기 때문이다. 하지만 단순히 현실을 모방하는 것이 아니라, 학습 목표에 따라 불필요한 요소를 제거하고 핵심 요소만을 강조하는 방식으로 설계되어야 한다. 예를 들어, 간호 교육에서 환자의 신체적 반응을 단순화한 가상 시뮬레이션이 오히려 학습자의 임상 판단력을 향상시킬 수 있는 것처럼, 필수적인 요소만 남기고 학습을 단순화하는 것이 효과적일 수 있다.

학습자 상호작용(Interactivity)과 충실성의 조합

충실성 자체만으로 학습 효과를 보장할 수는 없다. 학습자가 시뮬레이션 환경에서 어떻게 상호작용하는지가 학습 성과를 결정하는 중요한 요인이 된다. 학습자 상호작용은 크게 **행동적 상호작용(Behavioral Interaction), 인지적 상호작용(Cognitive Interaction), 사회적 상호작용(Social Interaction)**으로 나뉜다.

행동적 상호작용(Behavioral Interaction)

행동적 상호작용은 학습자가 환경과 어떻게 물리적으로 상호작용하는지를 의미한다. 예를 들어, VR 기반 실험실에서 학습자가 직접 실험 장치를 조작하거나, Mursion과 같은 혼합현실(MR) 기반 교사 교육 시뮬레이션에서 학습자가 가상 학생들과 교실 환경에서 상호작용하는 것이 여기에 해당한다.

행동적 상호작용이 활발할수록 학습자는 보다 적극적으로 참여하게 되지만, 너무 많은 물리적 조작이 요구되면 오히려 학습 목표에 집중하지 못할 수도 있다. 따라서 행동적 상호작용은 학습 목표를 강화하는 방식으로 설계되어야 한다. Kirschner et al. (2006)의 연구에 따르면, 초보 학습자에게 행동적 상호작용이 지나치게 많으면 주의가 분산되며, 핵심 개념 습득에 오히려 방해가 될 수 있다.

인지적 상호작용(Cognitive Interaction)

인지적 상호작용은 학습자가 시뮬레이션 내에서 사고하고 문제를 해결하는 과정과 관련된다. 학습자가 단순히 시뮬레이션을 경험하는 것이 아니라, 그 안에서 의사결정을 내리고 피드백을 받으며 학습할 때 학습 효과가 증대된다. 예를 들어, VR 기반 역사 시뮬레이션에서 학습자가 단순히 가상의 역사적 공간을 탐색하는 것이 아니라, 특정 사건에 대한 결정을 내리면서 학습이 이루어질 때 더 깊이 있는 학습이 가능하다.

사회적 상호작용(Social Interaction)

사회적 상호작용은 학습자가 동료 학습자나 가상 에이전트와 협력하는 방식을 포함한다. 예를 들어, Mursion을 활용한 교사 훈련에서는 가상 학생들과의 상호작용을 통해 실제 교실 환경에서 발생할 수 있는 문제를 경험할 수 있다. 이러한 사회적 상호작용은 학습자가 비판적 사고, 협업, 감정 조절 등을 연습할 수 있는 기회를 제공한다.

정리하며

충실성과 학습자 상호작용은 XR 기반 학습 환경에서 학습 효과를 결정하는 중요한 요소이다. 물리적 충실성과 과제 충실성은 학습의 맥락을 제공하지만, 상호작용 방식이 적절히 설계되지 않으면 학습자에게 불필요한 인지 부하를 초래할 수 있다. 따라서 XR과 시뮬레이션 기반 학습 설계에서는 충실성과 상호작용이 학습 목표와 정렬되도록 설계하는 것이 핵심이다. 향후 연구에서는 충실성 수준과 상호작용 유형이 학습자의 인지적·정서적·행동적 경험에 미치는 영향을 실증적으로 분석하는 연구가 필요하다.

참고문헌

Sweller, J. (1988). Cognitive load during problem solving: Effects on learning. Cognitive Science, 12(2), 257-285. https://doi.org/10.1016/0364-0213(88)90023-7

Sweller, J. (2011). Cognitive load theory. Springer.

Kirschner, P. A., Sweller, J., & Clark, R. E. (2006). Why minimal guidance during instruction does not work: An analysis of the failure of constructivist, discovery, problem-based, experiential, and inquiry-based teaching. Educational Psychologist, 41(2), 75-86. https://doi.org/10.1207/s15326985ep4102_1

Ericsson, K. A., Krampe, R. T., & Tesch-Romer, C. (1993). The role of deliberate practice in the acquisition of expert performance. Psychological Review, 100(3), 363-406. https://psycnet.apa.org/doi/10.1037/0033-295X.100.3.363

Wieman, C. E., Adams, W. K., & Perkins, K. K. (2008). PhET: Simulations that enhance learning. Science, 322(5902), 682-683. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1161948

de Jong, T., & van Joolingen, W. R. (1998). Scientific discovery learning with computer simulations of conceptual domains. Review of Educational Research, 68(2), 179-201. https://doi.org/10.3102/00346543068002179

Makransky, G., Terkildsen, T. S., & Mayer, R. E. (2019). Adding immersive virtual reality to a science lab simulation causes more presence but less learning. Learning and Instruction, 60, 225-236. https://doi.org/10.1016/j.learninstruc.2017.12.007

Mayer, R. E. (2020). Multimedia learning (3rd ed.). Cambridge University Press.

Fiorella, L., & Mayer, R. E. (2015). Learning as a generative activity: Eight learning strategies that promote understanding. Cambridge University Press. https://books.google.com/books?id=nGa8BQAAQBAJ&dq=Fiorella,+L.,+%26+Mayer,+R.+E.+(2015).+Learning+as+a+generative+activity:+Eight+learning+strategies+that+promote+understanding.+Educational+Psychology+Review,+27(1),+71-98.&lr=&source=gbs_navlinks_s

Dede, C., Jacobson, J., & Richards, J. (2017). Introduction: Virtual, augmented, and mixed realities in education. In C. Dede, J. Jacobson, & J. Richards (Eds.), Virtual, augmented, and mixed realities in education (pp. 1-16). Springer https://www.springerprofessional.de/en/introduction-virtual-augmented-and-mixed-realities-in-education/15228362

Bailenson, J. N. (2018). Experience on demand: What virtual reality is, how it works, and what it can do. W. W. Norton & Company.