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문제 정의
- 이에 따라 과학 교수ㆍ학습 모형별로 두뇌 활성 영역과 네트워크의 연결 정도를 분석하였다(그림 8). L단계에서 두뇌맞춤지수는 각 단원별로는 큰 차이를 보이지 않았지만, 교수ㆍ학습 모형별로 차이가 보이므로, 주요 과학 교수ㆍ학습 모형들이 인지, 동기, 감성적 요소 측면에서 학생들의 뇌를 체계적으로 통합하여 활성화 시키는지 알아보기 위하여 분석하였다.
- 이 연구는 최신 뇌과학 문헌들의 실측 데이터들을 메타적으로 통합한 뇌-기반 프로그램 분석틀과 두뇌맞춤지수 산출식을 통해 간접적인 방법으로 뇌활성 상태를 예상한 것이다. 따라서, 현장에서 교사들이 실제로 수업에 사용하고 있는 과학 교수ㆍ학습 프로그램에 대한 분석이 이루어진 것이 아니므로 활용 및 해석시 제한점을 지닌다.
- 이 연구에서는 이러한 산출식을 이용하여 과학 수업에 활용할 교수ㆍ학습 프로그램이 학생들의 두뇌 수준에서 어떤 영향을 주게 될지 실제 두뇌 측정 없이 예측해보고자 하였다. 이를 통해서 초등학교 현장에서 사용되는 과학 교수ㆍ학습 프로그램이 인지, 동기, 감성적 요소 측면에서 학생들의 두뇌 활성에 어떤 영향을 주도록 구성되었는지 분석하였다.
- 이 연구의 목적은 초등학교 현장에서 이루어지는 과학 교수ㆍ학습 프로그램이 두뇌의 활동에 어떤 영향을 주는지를 간접적인 방법으로 분석하는 것이다. 따라서 현재 초등학교 현장에서 사용하고 있는 2007개정 과학과 교육과정의 교수ㆍ학습 프로그램을 연구 대상으로 하였으며, 교수ㆍ학습 프로그램은 교사가 작성한 것이 아니라 초등학교 과학 교사용 지도서에 제시하고 있는 학습 모형에 근거한 교수ㆍ학습 지도안으로 하였다.
제안 방법
- 43차시의 수업 중 과학 학습 모형이 적용된 수업은 FLOW 모형 특성상 ‘L’ 단계에만 적용되었으므로 L단계에서 적용한 28차시의 학습 모형을 5개로 분류하여(표 3) 평균적인 두뇌맞춤지수와 그 기여도를 산출하였다.
- 분석 대상 학년은 과학 교육과정이 각 내용 영역별로 균등하게 구성되어 있는 5학년으로 선정하였다. 5학년 단원 중 각 영역을 가장 대표할 수 있는 단원을 선택하여 총 43차시 교수ㆍ학습 지도안을 분석하였다(표 1)
- 2007개정 5～6학년 과학 교과서는 재미있는 과학 F(Fun science), 과학실험방 L(Lab, experience), 과학 생각모음 O(Organizing knowledge), 나도 과학자 W (Willing to be a scientist), 이렇게 한 단원이 ‘FLOW’모형 한 단위로 구성되어있다(교과부, 2011). 각 단계별 특성과 실제 구성되어 있는 학습 내용과의 관계를 학습 과학적 관점으로 분석하였다.
- 셋째, 결정된 활성 영역들 간의 네트워크 구성은 CORE Brain Map(이준기 등, 2010; McIntosh & Gon- zalez-Lima, 1994)의 정성적 분석 방법을 따랐다. 교수ㆍ학습 프로그램과 관련된 두뇌 네트워크의 특성을 파악하기 위하여 CORE Brain Map에 표지된 영역들을 교수ㆍ학습 프로그램의 흐름에 맞춘 순차적인 연결(link)의 형태로 도식화하였다.
- 교수ㆍ학습 프로그램에 대한 두뇌맞춤지수 기여도 산출을 위해 두뇌맞춤지수의 계내 및 계간 각 구성요소를 보다 상세하게 분석하였다. 예를 들어 인지 영역 C1노드의 경우, 계간 링크를 이루는 동기 및 감성 영역의 노드 수는 10개, 링크 수는 10개(계간 양방향 링크 10개)로 나타났다(표 2).
- 넷째, 각 교수 학습 과정안의 두뇌 활성 네트워크 모델에 계내 및 계간에서 나타나는 노드 수와 링크 수, 그리고 이에 따른 가중치에 따라 분석하여, 두뇌맞춤지수(이일선 등, 2010a; Milo et al., 2002)를 산출하였다. 두뇌맞춤지수를 산출하기 위하여 2명의 연구자가 분석틀을 기준으로 코딩을 하였으며, 상호 교차 검토하여 틀린 부분은 협의하여 처리하였다.
- 다섯째, 각각의 인지(피질계), 동기(보상계), 감성 (변연계)적 측면과 관련된 두뇌 활성 영역과 기여도를 분석하고(이일선 등, 2010b), 각각이 인지, 동기, 감성적 측면에서 어떻게 학생들의 두뇌를 활성화시키는지 정량적인 방법으로 살펴보았다. 이와 같은 연구 과정을 도식화하면 그림 1과 같다.
- , 2002)를 산출하였다. 두뇌맞춤지수를 산출하기 위하여 2명의 연구자가 분석틀을 기준으로 코딩을 하였으며, 상호 교차 검토하여 틀린 부분은 협의하여 처리하였다. 43차시의 수업 지도안 중 8차시의 수업 지도 안을 10인의 대학원생에게 2차례 투입하여 신뢰도를 검증받았다.
- 이 연구의 목적은 초등학교 현장에서 이루어지는 과학 교수ㆍ학습 프로그램이 두뇌의 활동에 어떤 영향을 주는지를 간접적인 방법으로 분석하는 것이다. 따라서 현재 초등학교 현장에서 사용하고 있는 2007개정 과학과 교육과정의 교수ㆍ학습 프로그램을 연구 대상으로 하였으며, 교수ㆍ학습 프로그램은 교사가 작성한 것이 아니라 초등학교 과학 교사용 지도서에 제시하고 있는 학습 모형에 근거한 교수ㆍ학습 지도안으로 하였다. 분석 대상 학년은 과학 교육과정이 각 내용 영역별로 균등하게 구성되어 있는 5학년으로 선정하였다.
- 이를 통해서 초등학교 현장에서 사용되는 과학 교수ㆍ학습 프로그램이 인지, 동기, 감성적 요소 측면에서 학생들의 두뇌 활성에 어떤 영향을 주도록 구성되었는지 분석하였다. 분석 대상은 교과서 구성 체제인 FLOW 모형과 지도서에 제시된 학습 모형을 근거로 하였다. 이러한 연구 결과는 교수ㆍ학습 프로그램이 학생의 두뇌 활동에 어떤 영향을 주는지를 예측할 수 있고, 더 나아가 교사가 교재의 재구성, 발문 연구 등 학생들의 두뇌 활동을 향상시키는 뇌-기반 과학 학습이 가능하도록 하는 컨설팅 자료로 활용 가능할 것으로 기대된다.
- 연구 대상 네 단원의 차시별로 산출한 두뇌맞춤지수와 두뇌맞춤지수 기여도를 토대로, FLOW 모형과 적용된 교수ㆍ학습 모형에 따라 두뇌 활성 정도를 비교ㆍ분석하였다.
- 이러한 분석 방법을 통해 4개 과학 영역, 43차시에 대한 두뇌맞춤지수(BCI)와 두뇌맞춤지수 기여도 (BCICRE)를 모두 산출하였다.
- 이 연구에서는 이러한 산출식을 이용하여 과학 수업에 활용할 교수ㆍ학습 프로그램이 학생들의 두뇌 수준에서 어떤 영향을 주게 될지 실제 두뇌 측정 없이 예측해보고자 하였다. 이를 통해서 초등학교 현장에서 사용되는 과학 교수ㆍ학습 프로그램이 인지, 동기, 감성적 요소 측면에서 학생들의 두뇌 활성에 어떤 영향을 주도록 구성되었는지 분석하였다. 분석 대상은 교과서 구성 체제인 FLOW 모형과 지도서에 제시된 학습 모형을 근거로 하였다.
- 교수ㆍ학습 프로그램을 조직화하여 예상 두뇌 활성 영역을 코드화한 결과 학습 단계별로 활성화되는 두뇌 영역의 양상이 비슷하다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 과학 교수ㆍ학습 모형별로 두뇌 활성 영역과 네트워크의 연결 정도를 분석하였다(그림 8). L단계에서 두뇌맞춤지수는 각 단원별로는 큰 차이를 보이지 않았지만, 교수ㆍ학습 모형별로 차이가 보이므로, 주요 과학 교수ㆍ학습 모형들이 인지, 동기, 감성적 요소 측면에서 학생들의 뇌를 체계적으로 통합하여 활성화 시키는지 알아보기 위하여 분석하였다.
- 그림 2는 5학년 1학기 3단원 ‘식물의 구조와 기능’ 8차시에 대한 교수ㆍ학습 프로그램을 단계별로 분절하고, 예상 두뇌 활성 영역을 결정하여 조직화한 예시이다. 전체 43차시의 수업을 이와 같은 방법을 사용하여 조직화하였다. 학생의 뇌는 교수ㆍ학습 과정의 시간적 순서에 따라 순차적 자극을 경험하게 되며, 순차적 흐름에 따른 경로 연결망을 지니는 네트워크를 형성하게 된다.
- 첫째, 영역별로 선택한 네 단원의 각 차시별 교수ㆍ학습 프로그램을 단계별로 분절하여 조직화하였다.
대상 데이터
- 두뇌맞춤지수를 산출하기 위하여 2명의 연구자가 분석틀을 기준으로 코딩을 하였으며, 상호 교차 검토하여 틀린 부분은 협의하여 처리하였다. 43차시의 수업 지도안 중 8차시의 수업 지도 안을 10인의 대학원생에게 2차례 투입하여 신뢰도를 검증받았다.
- 따라서 현재 초등학교 현장에서 사용하고 있는 2007개정 과학과 교육과정의 교수ㆍ학습 프로그램을 연구 대상으로 하였으며, 교수ㆍ학습 프로그램은 교사가 작성한 것이 아니라 초등학교 과학 교사용 지도서에 제시하고 있는 학습 모형에 근거한 교수ㆍ학습 지도안으로 하였다. 분석 대상 학년은 과학 교육과정이 각 내용 영역별로 균등하게 구성되어 있는 5학년으로 선정하였다. 5학년 단원 중 각 영역을 가장 대표할 수 있는 단원을 선택하여 총 43차시 교수ㆍ학습 지도안을 분석하였다(표 1)
이론/모형
- 셋째, 결정된 활성 영역들 간의 네트워크 구성은 CORE Brain Map(이준기 등, 2010; McIntosh & Gon- zalez-Lima, 1994)의 정성적 분석 방법을 따랐다.
성능/효과
- 두뇌맞춤지수(BCI) 분석틀에 의하면, 전체 노드 수는 18개, 노드들 사이의 링크 수는 77개로 나타났다. 77개 링크들을 유형에 따라 나누면 시스템 내에서의 단방향 링크가 7개, 양방향 링크가 23개, 시스템 간의 단방향 링크가 19개, 양방향 링크가 28개임을 확인할 수 있다. 결국, 두뇌맞춤지수(BCI)는 노드의 수, 링크의 수, 링크의 유형별 가중치 값으로 나타난다.
- L단계는 실험을 설계하여 학생 스스로 결론을 도출하게 하여 좌측 해마뿐만 아니라 다양한 감성 영역을 자극하는 학습 과정으로 구성되어 있어 나타난 노드 수 및 각 계간을 연결하는 링크들이 많이 나타났고, 링크의 유형에 따른 가중치도 높게 나타났다. 특히, 감성 영역의 기여도가 상대적으로 높은 편인데, 다른 단원에서는 잘 활성화되지 않았던 좌측해마와 양측 편도체가 활성화되었기 때문으로 볼 수 있다.
- 뇌의 고유한 기능의 극대화를 위해서는 학습자의 흥미와 동기를 유발할 수 있는 학습 분위기를 조장해야 한다는 연구(김성일, 2006; Jensen, 2008)와 뇌 친화 학습을 적용한 결과 과학적 태도 중 호기심과 흥미를 향상시키고, 과학지식 향상에 효과가 있는 것으로 나타났다는 연구(임채성, 2009)에서 알 수 있듯이, 뇌 기반 과학 수업에서 중요하게 여기는 도입 단계의 동기 유발에 단원 학습의 성공이 달려있다고 해도 과언이 아니다. 그러나 연구 대상 단원을 두뇌맞춤 지수 기여도 측면에서 보면, 각 단원의 F단계 동기 영역의 기여도가 높지 않았으며, 본격적으로 학습을 하게 되는 L단계에서는 동기영역의 기여도는 더욱 낮게 나타났다. L단계에서 두뇌맞춤지수는 ‘용해와 용액’ 단원이 가장 높았으며, ‘물체의 속력’ 단원이 가장 낮게 나타났으나, 단원별로 큰 차이는 보이지 않았다.
- 넷째, 교사의 언어적 설명보다는 실험 활동 중심의 조작적 교수ㆍ학습 프로그램이 뇌가 학습하는 방법에 맞게 구성되어 훨씬 효과적이다. 학습자 중심 모형군으로 교수ㆍ학습 지도안을 구성할 경우, 교사의 설명에 따른 활동이 아니라 스스로 실험을 설계하고, 장단점을 평가해보고 내면화하는 등의 활동을 보다 적극적으로 도입하여 학생들의 동기와 감성을 자극시켜야 할 것이다.
- 뇌의 여러 부위가 활성화 되도록 다양한 자극을 줄 수 있는 자료를 활용하는 것이 필요하다. 두뇌맞춤지수 기여도 측면에서는 인지 영역의 두뇌맞춤지수 기여 비율이 0.23으로 낮게 나타났고, 감성 영역의 기여 비율이 0.57로 비교적 높게 나타났다. 하지만, 감성 영역 중 대상이랑과 우측해마, 두 노드로 자극이 편중되는 것으로 나타나, 학생들의 정서적ㆍ감성적 측면을 고려한 재구성이 필요하다(신동훈, 2006; Jensen, 2008).
- 셋째, 학생들이 스스로 지식을 생성하는 활동이 주요 학습활동일수록 두뇌맞춤지수가 높아짐을 알 수 있다. 학습자 지원 모형군을 선택하여 수업을 진행할 경우 교사의 직접적 개입이 증가하게 된다.
- L단계는 두뇌맞춤지수는 가장 낮으나 동기 영역의 기여도가 다른 단원에 비하여 상대적으로 높았다. 스스로 제작한 고무 동력 수레를 활용한 활동, 모둠별로 달리기 경기를 하는 활동을 통해 학생들의 뇌 보상계 부분을 자극하여 학습 과정에서 계간 양방향 교류를 유발시켰음을 확인할 수 있다. 학습자 주도의 모둠별 학습을 구성한 결과 탐구 기능 영역에 미치는 효과가 높아졌다는 뇌 기반 과학 교수 학습 모형의 적용한 수업의 효과 연구(임채성 등, 2008)에서 알 수 있듯이 모둠별 학습은 학습자들이 좀 더 직접적인 경험을 할 수 있고, 스스로 탐구하도록 하며, 다른 모둠의 결과를 보고 장단점을 평가하면서 뇌기반 학습에 긍정적인 영향을 미친다고 할 수 있다.
- 이를 통해 두뇌맞춤지수 기여도를 산출하여, 각 영역별 두뇌맞춤지수들(Co, Re, Em)의 비율을 바탕으로 두뇌맞춤지수 기여도(BCIC, BCIR, BCIE)를 나타내면, BCIC=55.35(BCI에 대한 인지 영역의 기여 비율: 0.61), BCIR=9.146(BCI에 대한 동기 영역의 기여 비율: 0.10), BCIE=26.92(BCI에 대한 감성 영역의 기여 비율: 0.29)이다. 두뇌맞춤지수 기여도 측면에서 인지 영역의 기여 비율이 0.
- 첫째, 이와 같은 교수ㆍ학습 프로그램대로 과학 수업이 이루어진다면, 학생들의 두뇌 발달은 대뇌 피질계 영역으로만 편중되게 된다. 따라서 교사의 재량에 의해 학생들의 감정이나 정서에 관련된 변연계 발달을 위한 학습 내용의 추가가 이루어져야 한다.
- F단계는 기억 놀이를 통해 식물의 구조와 기능에 흥미를 갖게 하는 것으로 ‘기억왕 되기’라는 게임적 요소를 활용하여 학생들의 호기심을 이끌어내었다. 활성화된 노드 수에 비해 링크의 수가 많았고, 시스템 계내와 계간 모두 단방향 보다 양방향 링크가 많아서 두뇌맞춤지수가 높게 나타났고 동기 영역의 기여도도 0.31로 높은 편이다. 그리고 수업의 구성이 뇌의 피질계, 보상계, 변연계 영역 모두를 자극하는 것으로 분석되지만, 상대적으로 변연계 영역에 대한 보완이 필요함을 확인할 수 있다.
후속연구
- 31로 높은 편이다. 그리고 수업의 구성이 뇌의 피질계, 보상계, 변연계 영역 모두를 자극하는 것으로 분석되지만, 상대적으로 변연계 영역에 대한 보완이 필요함을 확인할 수 있다. 학생들의 동기 유발을 위한 질문이 많았으나, 동기 유발 질문들 중 인지 갈등을 일으킬만한 질문은 없었고, 사고를 확장시키는 질문도 보이지 않았기 때문이다.
- 그리고, 창의성은 또래들과의 상호작용뿐 아니라 교사와의 상호작용을 통해 학습자들은 창의성을 발현 하는 데 도움을 준다. 따라서, 학생들의 창의적 문제해결력을 향상시키기 위해서 교사가 격려와 함께 긍정적인 피드백을 제공하며 적극적으로 상호작용하는 등의 학생들의 감정이나 정서에 관련된 다양한 변연계 단계 발달을 위한 학습 단계를 추가로 구성한다면 보다 두뇌 친화적인 수업 구성이 될 것으로 생각한다.
- 교수 활동의 도입부뿐만 아니라 교수 활동이 전개되는 도중에도 학생들의 흥미를 지속시키기 위해 흥미 있는 자료들을 적절하게 배합하여 제시하는 것이 필요하다는 점(김성일, 2006; 조주연, 1998)에서 풍부한 자극으로 뇌의 신경망을 재구조화할 수 있도록 하여 구성되어있음을 알 수 있다. 또한, 링크도 활발하게 연결되어 있어 각 영역들 간의 두뇌 수준 교류가 잘 이루어지는 경험을 할 수 있을 것이라 예측된다. 하지만, 계간 양방향보다는 단방향 링크가 상대적으로 활성화되어있으므로 인지, 동기, 감성 영역 간 학습 단계를 조절한다면, 더욱 두뇌 친화적인 교수ㆍ학습 구성이 될 것이다.
- 이는 거의 대부분 피질계를 자극하는 과정으로만 이루어져 있으며, 관련 노드들 사이의 연결이 많지 않고, 계내에서만 교류가 활발할 뿐 계간의 단방향과 양방향 모두 링크가 활발하게 이루어지지 않았기 때문이다. 보다 두뇌 최적화하기 위해서는 우선적으로 두뇌 보상계를 자극할 수 있는 학습 요소(동기 유발, 칭찬 등)가 반영되어야 할 것이고, 학습 과정에서 계간의 교류를 일으킬 수 있도록 인지, 동기와 관련된 학습 단계간 순서를 조절해야 할 것이다. 또한, 교사의 설명에 따른 활동이 아니라 스스로 장단점을 평가해보고 내면화하는 활동일수록 더 긍정적인 효과를 나타냈다는 점(임채성과 오윤화, 2004)에서 학생들이 스스로 실험을 설계할 수 있도록 도움을 주는 수업 방법을 연구해볼 필요가 있다(권용주등, 2011).
- 분석 대상은 교과서 구성 체제인 FLOW 모형과 지도서에 제시된 학습 모형을 근거로 하였다. 이러한 연구 결과는 교수ㆍ학습 프로그램이 학생의 두뇌 활동에 어떤 영향을 주는지를 예측할 수 있고, 더 나아가 교사가 교재의 재구성, 발문 연구 등 학생들의 두뇌 활동을 향상시키는 뇌-기반 과학 학습이 가능하도록 하는 컨설팅 자료로 활용 가능할 것으로 기대된다.
- 따라서, 현장에서 교사들이 실제로 수업에 사용하고 있는 과학 교수ㆍ학습 프로그램에 대한 분석이 이루어진 것이 아니므로 활용 및 해석시 제한점을 지닌다. 이러한 점은 추후 실제적인 과학 교수ㆍ학습 프로그램에 대한 적용 및 분석 연구들을 통해 보완해나가야 할 것이며, 두뇌맞춤지수를 활용한 교수ㆍ학습 프로그램이 학습자의 뇌를 얼마만큼 변화시켰는지 실측적 뇌영상 연구를 통해 보완되어야 할 필요성을 가지고 있다.
- 교사의 발문은 지식의 전달을 넘어 학생들의 능동적 활동을 불러일으키는데 중요한 만큼 교수ㆍ학습 과정에 있어서 교사는 학생의 지적호기심을 자극하는 확산적 발문을 하여 생각을 충분히 표현할 수 있도록 하고, 여러 학생들의 경험을 중요한 수업 내용과 연결하여 학습자가 의미조직망을 형성할 수 있도록 도와주는 것이 중요하다(조희형 등, 2011). 흥미와 호기심을 일으키는 확산적 발문을 통해 학습자의 확산적 사고를 유도하는 수업 환경을 조성하여 학습자가 적극적으로 수업에 참여할 수 있도록 한다면 좀 더 두뇌친화적인 수업 구성이 될 수 있을 것으로 생각한다.
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