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문제 정의
- 이 연구는 안구운동 추적기(Eye-tracker)를 이용해 관찰 상황에서 과학학업 성취도에 따른 초등학생의 안구운동을 분석하였다. 분석 결과에 따른 연구 결론은 다음과 같다.
- 이 연구에서는 관찰 상황에서 초등학생의 안구운동을 기록해 과학학업 성취도에 따른 관찰 특성을 분석하고자 한다. 이를 통해 학력 부진 학생들의 안구운동의 특징을 발견하고 이의 교육적 활용방안에 대해 논의하고자 한다.
- 이 연구에서는 관찰 상황에서 초등학생의 안구운동을 기록해 과학학업 성취도에 따른 관찰 특성을 분석하고자 한다. 이를 통해 학력 부진 학생들의 안구운동의 특징을 발견하고 이의 교육적 활용방안에 대해 논의하고자 한다.
제안 방법
- 세 번째, 사전 자료를 60초간 제시하여 참여자가 실험하는 방법을 익히고, 적응할 수 있도록 하였다. 그 이후, 관찰 과제는 예비 검사 결과 최대 2분의 시간이 필요했기 때문에 120,000 ms의 시간을 부여하였고, 곤란도가 낮은 1번을 먼저 제시 한 후에 4번을 제시하였다. 문제 풀이가 끝나면 답을 말하는 동시에 스페이스바를 눌러 다음 과제로 넘어가도록 하였다.
- 두 번째, 보정타당도(validation)단계에서 참여자 동공의 최대 편차(deviation)는 X, Y축 모두 0.5° 이하일 때에만 계속 실험을 진행하였다.
- 예비 연구 결과를 분석하여 실험 자료의 제시 방법과 시간을 재설계하였다. 본 실험은 SMI사의 iView X TM RED 장비를 사용해 실시하였고, 실험 결과 분석 단계를 거쳐 연구의 시사점과 결론을 도출하였다.
- 5° 이하가 나올 때까지 보정과 보정타당도 단계를 반복하여 실시하였다. 세 번째, 사전 자료를 60초간 제시하여 참여자가 실험하는 방법을 익히고, 적응할 수 있도록 하였다. 그 이후, 관찰 과제는 예비 검사 결과 최대 2분의 시간이 필요했기 때문에 120,000 ms의 시간을 부여하였고, 곤란도가 낮은 1번을 먼저 제시 한 후에 4번을 제시하였다.
- 2011). 예비 연구 결과를 분석하여 실험 자료의 제시 방법과 시간을 재설계하였다. 본 실험은 SMI사의 iView X TM RED 장비를 사용해 실시하였고, 실험 결과 분석 단계를 거쳐 연구의 시사점과 결론을 도출하였다.
- 실험 설계는 그림 3과 같고, 실험 순서는 안구운동 보정(calibration)과 검증(validation) 단계 → 사전 자료단계 → 관찰 1번 → 관찰 4번의 단계이다. 첫 번째, 보정(calibration) 단계에서 화면의 목표 점(target)을 다섯 곳으로 지정해 학생들의 시선을 보정하였다. 안구 반경 모양이 개인별로 다르기 때문에 이 단계는 안구 운동 추적 실험에서 반드시 필요하다(Holmqvist et al.
- 최근의 안구 운동 추적 연구의 응시 시간(fixation duration)은 200 ms로 설정한 경우가 대부분이지만(최현동 등, 2012; Tsai et al., 2012; Liu & Shen, 2011; Cook et al., 2011), 이 연구에서는 관찰 최초 10초 동안의 효과적인 안구운동(effective eye movement)에 대한 분석을 목적으로 하고 있고, 도약운동은 빠른 시간에 큰 각도로 움직이기 때문에(Robert et al., 2011) 응시 최저 시간(fixation minimum duration)을 80 ms(SMI사의 기본 설정)으로 설정하여 분석하였다.
대상 데이터
- S시 ○○초등학교 6학년 학급 중 2012 국가수준 학업성취도 평가의 표집학급을 대상으로 하였고, 성취도 결과는 우수 5명, 보통 5명, 기초 5명, 부진 5명으로 총 20명이 연구에 자발적으로 참여하였다.
- 관찰 상황을 알아보기 위해 사용한 실험 자료는 권재술과 김범기(1994)가 개발한 TSPS(Test of Science Process Skill)검사지의 예비검사를 통해 안구 추적 시스템에 적합한 관찰 측정 2문제를 선정하였다(그림 2).
- 전문가 집단은 과학교육 전문가 2명, 초등 과학 교육전공 석사 학위자 3명으로 총 5명이었고, 과제 선정과 실험 설계, 결과 분석을 위한 4차례의 협의 과정 등에 참여하였다. 독일 SMI(SensoMotoric Instruments)사의 Experiment 3.1프로그램을 이용해 1차 실험을 설계하였고, 본 실험의 적합성과 타당성을 높이기 위해 초등학생 일반학급 10명을 대상으로 예비 연구를 실시하였다(Holmqvist, et al. 2011). 예비 연구 결과를 분석하여 실험 자료의 제시 방법과 시간을 재설계하였다.
- 본 연구에 사용한 안구 운동 추적기는 동공의 크기와 위치를 측정할 수 있는 SMI사의 iView XTM RED 120 Hz 장비로, 적외선 조명과 컴퓨터 기반의 이미지 프로세싱을 사용해 동공의 움직임과 동공의 상대적인 크기까지 측정 가능하다. 또한 비침습적인 특징이 있어 참여자의 어떠한 신체적 접촉 없이도 사용할 수 있기 때문에 초등학생들에게 사용하기 적합하다(신원섭과 신동훈 2012; SMI, 2011a).
- 또한 비침습적인 특징이 있어 참여자의 어떠한 신체적 접촉 없이도 사용할 수 있기 때문에 초등학생들에게 사용하기 적합하다(신원섭과 신동훈 2012; SMI, 2011a). 안구 추적 모드는 양안이고, 본 연구에 사용한 샘플링 속도는 120 Hz이다(SMI, 2011a).
- 전문가 집단은 과학교육 전문가 2명, 초등 과학 교육전공 석사 학위자 3명으로 총 5명이었고, 과제 선정과 실험 설계, 결과 분석을 위한 4차례의 협의 과정 등에 참여하였다. 독일 SMI(SensoMotoric Instruments)사의 Experiment 3.
데이터처리
- , 2011). 안구운동에 관한 많은 데이터 중 연구의 목적에 맞는 응시시간, 응시횟수, 단위시간당 응시율, 동공의 크기, 도약시간, 도약횟수, 도약속도, 도약최고속도, 눈 깜빡임 수에 대해 과제 제시 10초 동안의 데이터를 BeGaze 3.1로 분석하였고, SPSS 10.0 통계프로그램을 통해 유의확률을 분석하였다.
성능/효과
- 먼저, 눈 깜빡임 수를 분석한 결과, 우수와 보통학력의 학생들은 문제의 곤란도가 높아질수록 AOBC (Average of Blink Count; 평균 눈 깜빡임 수)의 수가 증가하는 것으로 나타났으나, 기초와 부진학력의 학생들은 곤란도에 따른 눈 깜빡임의 수는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. AOBD(Average of Blink Duration; 평균 눈 깜빡임 시간)은 과학학업 성취도에 따라 큰 차이 없이, 100～140 ms 정도의 시간을 갖는 것으로 나타났다(그림 7). 후속 연구가 더 필요하겠지만, 과제를 해결하는 동안 눈 깜빡임 수를 분석한다면 과제에 대한 곤란도나 학생들의 학업 성취 정도를 나타내는 지표로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림 4에서 보면 관찰 과제의 곤란 도에 따라 우수, 보통, 기초학력 학생들은 AOFD (Average of Fixation Duration; 평균 응시 시간)이 증가한 것으로 나타났다. 과학학업 성취도가 낮을수록 평균 응시시간이 증가한 것으로 보아 과학학업성취가 낮은 학생이 곤란도가 높은 문제에서 더 많은 어려움을 겪고 있는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 부진아의 경우 관찰문제의 곤란도에 따른 AOFD 의 변화가 매우 적다.
- 그러므로 동공의 변화율은 작업의 곤란도와 관련 있다(Daniel & Jackson, 1966). 과학학업 성취도에 따른 AOPS (Average of Pupil Size; 평균 동공 크기)를 보면 과제의 곤란도가 증가하면 동공의 크기가 확장한다는 선행 연구들의 결과를 확인할 수 있었다. 과학학업 성취도에 따라 AOPS가 통계적으로 유의미한 차이를 보인 것에 대해서는 개인의 신체적 차이에 의해 동공의 크기가 차이가 나는지, 아니면 학업성취 수준에 따라 동공의 크기가 차이가 나는 지에 대한 추가적인 연구를 통해 밝혀야 한다.
- 관찰 상황에서 과학학업 성취도와 관찰 문제에 따른 학생들의 전체 응시시간(fixation duration)과 동공 크기(pupil size) 변화, 도약 운동(saccade duration)과 도약 속도(saccade velocity), 도약 최대 속도 (velocity peak)는 개체 간 효과 검정에서 통계적으로 유의미한 차이를 보였다. 사후검증 결과 응시시간과 동공의 크기 변화는 과학학업 성취도에 따른 차이가 유의 수준 .
- 넷째, 부진학력 학생들의 경우 곤란도가 높은 관찰 과제에서 AOSD(평균 도약 시간)가 최대치로 높아졌고, AOVA(평균 도약 속도)와 AOVP(평균 도약 최고 속도)는 다른 세 집단보다 월등히 높았다. 이는 응시의 규칙(유사성과 근접성)을 기준으로 볼 때 부진학생들의 도약 중에는 정상적인 범위에서 벗어난 도약이 많다는 것을 알 수 있다.
- 다섯째, 과학학업 성취도 우수와 보통 학력의 학생들은 문제의 곤란도가 높아질수록 AOBC(평균눈 깜빡임 수)가 증가하였고, 기초와 부진학력의 학생들의 경우에는 큰 차이가 없었다. 앞으로 과제를 해결하는 전체 시간동안 눈 깜빡임 수를 분석하는 후속 연구를 통해 눈 깜빡임 운동에 대한 명확한 해석이 필요하다.
- 도약 시간은 우수학력과 부진학력, 기초학력과 부진학력, 도약속도와 도약최대속도는 보통 학력과 기초학력, 기초학력과 부진학력 집단별 유의수준 0.5에서 통계적으로 유의미한 차이가 있었다. 통계적으로 유의미한 차이가 있는 안구운동에 대한 구체적인 분석 결과는 다음 결과에서 자세히 제시하였다.
- 하지만, 부진학력 학생들은 문제의 곤란도와 무관한 안구운동을 보였고, 복잡한 인지 사고를 하지 않았다. 동공의 크기 분석을 통해 문제의 곤란도에 따라 동공의 크기가 변한다는 선행 연구의 결과를 확인하였으며, 과학학업 성취 수준에 따라 차이가 있음을 알 수 있었다. 하지만 이러한 결과의 원인을 명확히 규명하기 위해서는 안구운동 추적 시스템에 적합한 검사 도구를 개발하여 객관적이고 정량적인 양적 연구과 정성적인 질적 연구가 병행되어야할 것으로 판단된다.
- 둘째, 관찰 과제의 곤란도에 따라 우수, 보통, 기초학력 학생들은 AOFD(평균 응시시간)이 증가한 것으로 나타났고, 과학학업 성취도가 낮을수록 평균 응시시간이 증가한 것으로 보아 과학학업성취가 낮은 학생은 곤란도가 높은 문제에서 어려움을더 크게 겪고 있는 것을 알 수 있다. 하지만, 부진학력 학생들은 문제의 곤란도와 무관한 안구운동을 보였고, 복잡한 인지 사고를 하지 않았다.
- 먼저, 눈 깜빡임 수를 분석한 결과, 우수와 보통학력의 학생들은 문제의 곤란도가 높아질수록 AOBC (Average of Blink Count; 평균 눈 깜빡임 수)의 수가 증가하는 것으로 나타났으나, 기초와 부진학력의 학생들은 곤란도에 따른 눈 깜빡임의 수는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. AOBD(Average of Blink Duration; 평균 눈 깜빡임 시간)은 과학학업 성취도에 따라 큰 차이 없이, 100～140 ms 정도의 시간을 갖는 것으로 나타났다(그림 7).
- 셋째, 곤란도가 높은 관찰문제에서 부진 학력 학생들의 AOFR(평균응시비율)이 다른 세 집단보다 현저히 낮았고, 그만큼 낮은 인지 사고과정을 하고 있다는 것을 알 수 있었다. 부진학력 학생들에게는 외생적 주의보다는 내생적 주의를 경험할 수 있는 교육적인 기회가 실재 교육현장에서 많이 적용되어야 한다.
- 첫째, 관찰 상황에서 과학학업 성취도와 관찰 문제에 따른 학생들의 안구운동(전체 응시시간과 동공의 크기 변화, 도약 운동과 도약 속도, 도약 최대 속도 등)은 통계적으로 유의미한 차이를 보였다. 이는 관찰 상황에서 안구운동을 통해 과학학업 성취도를 구별할 수 있는 가능성을 제안할 수 있고, 또한 효과적인 안구운동의 패턴(effective eye movement pattern)이 있음을 반증한다.
- 그림 5의 AOFR(Average of Fixation Rate; 평균 응시율)을 보면 과제를 제시한 후, 1초 이내의 응시의 발화가 일어나는 것을 확인할 수 있고, 1번 과제에서는 과학학업 성취도에 따라 단위시간당 평균 응시율이 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 하지만 4번 과제에서 부진학생들의 응시율이 세 집단에 비해 현저하게 떨어지는 것으로 나타났다. 응시는 인지 사고과정을 나타내는 지표라 할 수 있는데, AOFR이 낮다는 것은 인지 사고를 하는 시간이 그만큼 적다는 것을 의미하고, 이는 부진학생이 어려운 과제를 해결할 복잡한 인지 사고과정을 겪지 않는다는 안구운동의 한 패턴으로 판단할 수 있다.
후속연구
- 하지만 도약이 응시를 위한 전단계의 운동이라면 응시의 유사성과 근접성의 원리를 기준으로 볼 때 부진학생들의 도약 중에는 정상적인 범위에서 벗어난 도약이 많은 것으로 판단된다. AOVP는 부진학생들의 안구운동을 특징짓는 한 분류기준이 될 수 있고, 앞으로 이를 입증하기 위한도약속도에 대한 후속 연구가 필요하다.
- 이는 응시의 규칙(유사성과 근접성)을 기준으로 볼 때 부진학생들의 도약 중에는 정상적인 범위에서 벗어난 도약이 많다는 것을 알 수 있다. AOVP는 부진학생들의 안구운동을 특징짓는 한 분류기준이될 수 있으며, 앞으로 여기에 대한 추가 연구가 필요하다. 결국 부진학력 학생들에게 내생적 주의 (endogenous attention)와 관련된 효과적인 도약운동 (effective saccade)을 할 수 있도록 도와주는 교육 프로그램이 개발되어야 한다.
- 과학학업 성취도에 따른 AOPS (Average of Pupil Size; 평균 동공 크기)를 보면 과제의 곤란도가 증가하면 동공의 크기가 확장한다는 선행 연구들의 결과를 확인할 수 있었다. 과학학업 성취도에 따라 AOPS가 통계적으로 유의미한 차이를 보인 것에 대해서는 개인의 신체적 차이에 의해 동공의 크기가 차이가 나는지, 아니면 학업성취 수준에 따라 동공의 크기가 차이가 나는 지에 대한 추가적인 연구를 통해 밝혀야 한다. 또한 AOFD와 TOFD, AOPS 등의 안구운동의 결과로 과학학업 성취도에 따른 차이는 밝힐 수 있었지만, 앞으로 안구운동 추적 시스템에 적합한 검사 도구를 개발하여 학습 부진 학생들이 어떤 어려움을 겪는지에 대한 추가적인 후속 연구도 필요하다.
- 앞으로 과학학업 성취도 부진학생에 대한 안구운동 분석을 통해 부진학생들이 교육적 상황이나 문제 해결 상황에서 그들의 잘못된 전략과 태도와 관련된 계속적인 연구가 이루어져야 한다. 더불어 발견적 탐색 안구운동(heuristic search eye movement)을 규명해 교육적으로 활용할 것을 제안한다.
- Robert 등(2011)은 시각을 방해하는 예 중 하나가 도약운동이라고 했다. 도약운동 후에 도약이나 응시가 일어나지만, 선행 연구들에서 밝혀진 응시의 근접성(proximity) 규칙을 따른다면 효과적인 도약운동(effective saccade)이 무엇인지 제안할 수 있을 것이다. 응시의 유사성의 규칙은 목표물과 비슷해 보이는 것에 응시하려는 경향을 말하고, 근접성은 응시했던 지점에 아주 가까운 곳을 응시하려는 경향을 말한다(Robert et al.
- 과학학업 성취도에 따라 AOPS가 통계적으로 유의미한 차이를 보인 것에 대해서는 개인의 신체적 차이에 의해 동공의 크기가 차이가 나는지, 아니면 학업성취 수준에 따라 동공의 크기가 차이가 나는 지에 대한 추가적인 연구를 통해 밝혀야 한다. 또한 AOFD와 TOFD, AOPS 등의 안구운동의 결과로 과학학업 성취도에 따른 차이는 밝힐 수 있었지만, 앞으로 안구운동 추적 시스템에 적합한 검사 도구를 개발하여 학습 부진 학생들이 어떤 어려움을 겪는지에 대한 추가적인 후속 연구도 필요하다.
- 다섯째, 과학학업 성취도 우수와 보통 학력의 학생들은 문제의 곤란도가 높아질수록 AOBC(평균눈 깜빡임 수)가 증가하였고, 기초와 부진학력의 학생들의 경우에는 큰 차이가 없었다. 앞으로 과제를 해결하는 전체 시간동안 눈 깜빡임 수를 분석하는 후속 연구를 통해 눈 깜빡임 운동에 대한 명확한 해석이 필요하다.
- , 2011). 앞으로 과학학업 성취도 부진학생에 대한 안구운동 분석을 통해 부진학생들이 교육적 상황이나 문제 해결 상황에서 그들의 잘못된 전략과 태도와 관련된 계속적인 연구가 이루어져야 한다. 더불어 발견적 탐색 안구운동(heuristic search eye movement)을 규명해 교육적으로 활용할 것을 제안한다.
- 동공의 크기 분석을 통해 문제의 곤란도에 따라 동공의 크기가 변한다는 선행 연구의 결과를 확인하였으며, 과학학업 성취 수준에 따라 차이가 있음을 알 수 있었다. 하지만 이러한 결과의 원인을 명확히 규명하기 위해서는 안구운동 추적 시스템에 적합한 검사 도구를 개발하여 객관적이고 정량적인 양적 연구과 정성적인 질적 연구가 병행되어야할 것으로 판단된다.
- AOBD(Average of Blink Duration; 평균 눈 깜빡임 시간)은 과학학업 성취도에 따라 큰 차이 없이, 100～140 ms 정도의 시간을 갖는 것으로 나타났다(그림 7). 후속 연구가 더 필요하겠지만, 과제를 해결하는 동안 눈 깜빡임 수를 분석한다면 과제에 대한 곤란도나 학생들의 학업 성취 정도를 나타내는 지표로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
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