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문제 정의
- 선정된 피험자들 중에는 융합 사고에 익숙하지 않으며, MRI 측정이 처음인 경우가 대부분이었다. 따라서 학생들이 MRI 내에서 충분히 활발한 사고를 할 수 있도록 예비과 제를 제작하고 사전 교육 및 훈련을 실시하였다. 앞서 선정된 본 과제 외에 사고 유발이 두번째로 수월한 '녹슨 못' 주제를 이용하여 연습 과제를 제작하였다.
- 본 연구는 창의적 문제해결능력의 핵심적인 능력인 융합 사고를 두뇌 수준에서 체계적으로 밝히고자 하였다. 이를 위해 기능적 자기공명영상을 통해 융합 사고시의 두뇌 활성을 알아보고 그 기능적 연결망을 확인하였다.
- 본 연구의 목적은 학생들이 주어진 문제 상황을 해결하기 위한 융합 사고 과정의 두뇌 활성과 화학 문제를 해결 할때의 인지적 사고를 비교하는 것이다. 이를 위해 연구 대상으로 중부권 소재의 C 고등학교 2학년 남학생 17명 (M=16.
- 융합 사고에 대한 구성 요소, 과정, 특성등에 대한 연구는 거의 찾아보기 힘들지만, 융합사고에 대한 권승혁 등의 연구14는 앞서 정리한 융합 사고 정의와 맥을 같이 하고 있다. 이 연구에서는 융합 사고의 실체를 규명하기 위해 새의 비행과 날틀의 발명을 융합한 레오나르도 다 빈치의 노트에 기반하여 융합 사고의 과정을 제안하였다. 이 연구에서는 융합 사고의 과정을 '탐색 - 설계 - 구현’으로 제시하고 융합 사고는 과학과 공학 등 다양한 정보의 탐색과 독창적인 대안의 설계와 현실화가 연속적이며 반복적으로 진행되는 과정으로 밝히고 있다.
- 이에, 본 연구에서는 fMRI를 이용하여 융합 사고와 화학 문제 풀이 사고의 두뇌 활성을 규명하고, 융합 사고와 화학 문제 풀이 사고의 두뇌 기능적 연결성 차이를 규명 하고자 한다.
제안 방법
- 두뇌의 기능적 연결은 공간적으로 떨어진 신경 생리학적 사건들 사이의 시간적 상관으로 정의된다.27 이를 위해 각사고와 관련 있는 주요 활성 영역을 확인한 후 활성 영역의 시간에 따른 변화값을 추출하였다. 그리고 각 영역의 BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) 값 사이의 상관 분석을 통해 통계적으로 유의미하게 상관관계가 나타난 영역들과그 사이의 연결을 융합 사고 그리고 화학문제풀이의 기능적 연결망으로 추출하여 각 과제에서의 지역간 연결성을 확인하였다.
- 전처리는 활성영상의 재배열(Realignment), 해부학적 영상과 활성 영상의 상관정열(Coregistration), 영상정보를 기반으로 두뇌의 각구역을 구분하는 분절화 (Segmentation), 집단 분석을 위한 동아시아인의 표준 뇌공간으로의 표준화(Normalization) 과정을 거쳐 각 피험자의 개별적 EPI영상을 표준MNI(Montreal Neurology Institue) 좌표로 변형하였다. 6 mm FWHM Gaussian kernel을 사용하여 공간적 편평화(Spatial smoothing) 를 통해 신호 대 잡음비(Signal to noise ratio) 를 높혔다.
- fMRI 패러다임에서 본과제 블록과 기저상태 블록에 해당하는 각 부피소의 활성 수치를 비교하여 일반 선형 모형 (GLM)을 구성하여 각 피험자의 두뇌 활성을 확인하였다. 이와 같은 인지적 감산26을 통해 개인별 대조 영상(Contrast image) 을 얻은 후 개인차를 무선 변수로 고려한 무선 효과 분석법을 적용한 집단 분석 (Group level analysis) 을 수행 하였다.
- 또한 본과제로 선정되지 않은 화학문제 5개 중 3개를 선정하여 앞서 선정된 융합 사고 예비과제와 함께 본 과제의 시간과 제시 방법이 동일한 형태로 변환하여 fMRI 연습용 과제를 제작하였다. 그리고 fMRI와 유사하게 제작된 연습용 장비 (Mock-up) 내에서 fMRI연습용 과제를 수행하는 방식으로 연습하여 피험자들에게 낯설 수 있는 측정 환경에 익숙하게 하고 제시되는 과제에서 유발되는 사고에 집중하도록 하였다.
- 27 이를 위해 각사고와 관련 있는 주요 활성 영역을 확인한 후 활성 영역의 시간에 따른 변화값을 추출하였다. 그리고 각 영역의 BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) 값 사이의 상관 분석을 통해 통계적으로 유의미하게 상관관계가 나타난 영역들과그 사이의 연결을 융합 사고 그리고 화학문제풀이의 기능적 연결망으로 추출하여 각 과제에서의 지역간 연결성을 확인하였다.
- 먼저 주어진 문제 상황을 예방하기 위한 탐색을 수행하고, 탐색한 결과와 일상생활 속 경험 그리고 화학교과의 지식을 활용하여 독창적인 창작물을 설계한다. 그리고 설계한 창작물을 구현하는 사고를 유발 하는 융합 과제를 개발하였다. 과제는 과학교육학 박사학위를 소지한 전문가 2인이 생물 및 공통과학 전공의 현직 교사 2인과 함께 정기적인 세미나를 통해 4개 주제의 융합 사고 예비과제를 선정하였다.
- 이를 위해 기능적 자기공명영상을 통해 융합 사고시의 두뇌 활성을 알아보고 그 기능적 연결망을 확인하였다. 그리고 우리나라의 고등학생들이 화학과목의 학습을 위해 일반적으로 수행하고 있는 화학 문제풀이 시의 두뇌 활성과 비교하였다. 본 연구 결과를 통해 내릴 수 있는 결론은 다음과 같다.
- 3). 그리고 활성 영역의 이름과 브로드만영역 번호, 좌우반구, 활성영역 좌표, Z 값을 제시하였다 (Table 2).
- 23 이에 학생 들이 실제 학습 시 접하는 화학 문제를 선정하기 위해 표집된 피험자들의 학교에서 운영되고 있는 과학교육과정을 파악해본 결과, 고등학교 1학년때 과학 교과목의 이수를 확인하였다. 따라서 1학년 과학 교과목의 전과정이 출제 범위인 고등학교 2학년 3월 전국연합학력평가의 지난 3년간의 문항 중, 개념뿐 아니라 수리계산, 비교 등의 방식 으로 개념 확인과 개념 사이의 관계파악을 모두 유발하는 8개의 화학 문제를 예비 과제로 결정하였다. 아울러 융합 사고와 문제풀이 사고의 수행이 서로 영향을 주지 않도록 서로 관련이 없는 교과내용을 선정하였다.
- fMRI 분석을 통해 1차적으로 나타나는 활성 정보는 의식적인 사고뿐 아니라 신체의 기본적인 생리적인 항상성을 조절하고 심장박동이나 호흡에 의한 혈액과 신체의 움직 임도 포함된다. 따라서 기저상태 블록을 통해 과제와 관련된 생각을 하지 않고 시선을 화면 중앙의 십자표시에 고정시키는 기저상태(Baseline) 의 활성을 측정하고 본과제 블록의 과제 수행상태에서 기저상태의 활성을 제거하는 인지적 감산방식을 적용하였다.
- 융합 사고의 과정은 학생들에게 익숙하지 않기 때문에 예비과제를 본과제 투입 시간과 마찬가지로 3회 반복 투입하여 융합 사고의 유발에 익숙할 수 있도록 훈련하였다. 또한 본과제로 선정되지 않은 화학문제 5개 중 3개를 선정하여 앞서 선정된 융합 사고 예비과제와 함께 본 과제의 시간과 제시 방법이 동일한 형태로 변환하여 fMRI 연습용 과제를 제작하였다. 그리고 fMRI와 유사하게 제작된 연습용 장비 (Mock-up) 내에서 fMRI연습용 과제를 수행하는 방식으로 연습하여 피험자들에게 낯설 수 있는 측정 환경에 익숙하게 하고 제시되는 과제에서 유발되는 사고에 집중하도록 하였다.
- 에서 제시한 융합 사고 과정 모형의 ‘탐색-설계-구현’의 세 단계를 따라 수행하도록 하였다. 먼저 주어진 문제 상황을 예방하기 위한 탐색을 수행하고, 탐색한 결과와 일상생활 속 경험 그리고 화학교과의 지식을 활용하여 독창적인 창작물을 설계한다. 그리고 설계한 창작물을 구현하는 사고를 유발 하는 융합 과제를 개발하였다.
- 특히 융합 사고 유발 과제는 제한 시간동안 각 단계를 30초동안 진행한 후 5분동안 지필 형태로 작성하게 하여 ‘탐색’, ‘설계’, ‘구현’의모든 단계에서 사고가 얼마나 유발될 수 있는지 점검하 였다. 서술된 사고를 3명의 연구자가 검토 후 사고가 유발된 정도를 4단계로 평가하였다. 그 결과, 4가지 주제 중융합 사고가 충분히 유발될 수 있는, 얼음이 녹은 물병’ 주제를 선정하였다 (Table 1).
- 시각적 정보 형태만으로 제시되는 fMRI 내에서 적절한 시간과 난이도, 활발한 사고 유발의 수월성 등을 고려하여 본과제를 선정하였다. 실제 본과제를 선정하기 위해 융합 사고 유발 과제들과 화학 문제풀이과 제는 실제 MRI내에서 경험하게 되는 상황과 유사한 과제 제시 형태로 수정, 보완하여 중부권 소재 K고등학교 2학년 남학생 26명에게 예비투입하였다.
- 이에 본과제 장면에서는 문제가 제시 되는 형식은 일반적인 문제와 똑같지만 번호를 지워 버튼을 누를 수 없게 하였고, 선택(Choice) 블록에서 번호를 제시하여 3초 이내에 답을 선택하게 하였다. 실제 학생들이 화학 문제를 푸는 과정을 최대한 그대로 구현하기 위하여 위와 같이 정답을 선택하게 하였으며 피드백 (Feedback) 블록에서 정답 여부를 확인하게 하였다. 격자의 간격이 촘촘해지면 정답으로 인식하고, 그렇지 않을 경우에는 오답으로 인식하게 사전에 안내를 하였다.
- 따라서 1학년 과학 교과목의 전과정이 출제 범위인 고등학교 2학년 3월 전국연합학력평가의 지난 3년간의 문항 중, 개념뿐 아니라 수리계산, 비교 등의 방식 으로 개념 확인과 개념 사이의 관계파악을 모두 유발하는 8개의 화학 문제를 예비 과제로 결정하였다. 아울러 융합 사고와 문제풀이 사고의 수행이 서로 영향을 주지 않도록 서로 관련이 없는 교과내용을 선정하였다.
- 따라서 학생들이 MRI 내에서 충분히 활발한 사고를 할 수 있도록 예비과 제를 제작하고 사전 교육 및 훈련을 실시하였다. 앞서 선정된 본 과제 외에 사고 유발이 두번째로 수월한 '녹슨 못' 주제를 이용하여 연습 과제를 제작하였다. 융합 사고의 과정은 학생들에게 익숙하지 않기 때문에 예비과제를 본과제 투입 시간과 마찬가지로 3회 반복 투입하여 융합 사고의 유발에 익숙할 수 있도록 훈련하였다.
- 융합 사고 시의 두뇌 활성을 확인하기 위해 융합 사고 과제 수행 시의 두뇌 활성과 휴식기의 두뇌 활성 사이에서 인지적 감산법을 수행하였다. 활성이 나타난 영역 중활성의 유의수준이 p<0.
- 융합 사고와문제풀이의 사고 시 유발되는 두뇌 활성 영역과 기능적 연결성을 분석하기 위해 과제 제시 방법으로는 블록 디자인(Blocked designs) 방법을 이용하여 fMRI 패러다임을 설계 하였다.25 먼저 융합 사고를 위한 과제는 Fig.
- 앞서 선정된 본 과제 외에 사고 유발이 두번째로 수월한 '녹슨 못' 주제를 이용하여 연습 과제를 제작하였다. 융합 사고의 과정은 학생들에게 익숙하지 않기 때문에 예비과제를 본과제 투입 시간과 마찬가지로 3회 반복 투입하여 융합 사고의 유발에 익숙할 수 있도록 훈련하였다. 또한 본과제로 선정되지 않은 화학문제 5개 중 3개를 선정하여 앞서 선정된 융합 사고 예비과제와 함께 본 과제의 시간과 제시 방법이 동일한 형태로 변환하여 fMRI 연습용 과제를 제작하였다.
- 이 연구에서는 융합 사고의 실체를 규명하기 위해 새의 비행과 날틀의 발명을 융합한 레오나르도 다 빈치의 노트에 기반하여 융합 사고의 과정을 제안하였다. 이 연구에서는 융합 사고의 과정을 '탐색 - 설계 - 구현’으로 제시하고 융합 사고는 과학과 공학 등 다양한 정보의 탐색과 독창적인 대안의 설계와 현실화가 연속적이며 반복적으로 진행되는 과정으로 밝히고 있다.
- 01 로 적용하였으며, 범위역치 (Extent threshold) 값은 5로 적용하였다. 이러한 과정으로 얻어진 두뇌 영역의 MNI 좌표를 기반으로 두뇌의 각 활성 부위를 산출하였다.
- 본 연구는 창의적 문제해결능력의 핵심적인 능력인 융합 사고를 두뇌 수준에서 체계적으로 밝히고자 하였다. 이를 위해 기능적 자기공명영상을 통해 융합 사고시의 두뇌 활성을 알아보고 그 기능적 연결망을 확인하였다. 그리고 우리나라의 고등학생들이 화학과목의 학습을 위해 일반적으로 수행하고 있는 화학 문제풀이 시의 두뇌 활성과 비교하였다.
- 가능한 온전히 문제풀이만의 두뇌활성을 알아보기 위하여 문제를 풀고 답을 정하는 두뇌 활성과 1번부터 4번사이에 정답에 해당하는 버튼을 누르는 두뇌 활성을 구분할 필요가 있다. 이에 본과제 장면에서는 문제가 제시 되는 형식은 일반적인 문제와 똑같지만 번호를 지워 버튼을 누를 수 없게 하였고, 선택(Choice) 블록에서 번호를 제시하여 3초 이내에 답을 선택하게 하였다. 실제 학생들이 화학 문제를 푸는 과정을 최대한 그대로 구현하기 위하여 위와 같이 정답을 선택하게 하였으며 피드백 (Feedback) 블록에서 정답 여부를 확인하게 하였다.
- fMRI 패러다임에서 본과제 블록과 기저상태 블록에 해당하는 각 부피소의 활성 수치를 비교하여 일반 선형 모형 (GLM)을 구성하여 각 피험자의 두뇌 활성을 확인하였다. 이와 같은 인지적 감산26을 통해 개인별 대조 영상(Contrast image) 을 얻은 후 개인차를 무선 변수로 고려한 무선 효과 분석법을 적용한 집단 분석 (Group level analysis) 을 수행 하였다. 또한 각 사고 과정의 두뇌 활성에서 나타나는 상대적 차이를 확인하기 위해 각 사고 과정의 평균 대조 영상을 이용하여 단일 표본 T 검증을 통한 상호감산을 실시 하였다.
- uk/ spm)의 분석 도구를 사용하여 전처리와 후처리를 수행하였다. 전처리는 활성영상의 재배열(Realignment), 해부학적 영상과 활성 영상의 상관정열(Coregistration), 영상정보를 기반으로 두뇌의 각구역을 구분하는 분절화 (Segmentation), 집단 분석을 위한 동아시아인의 표준 뇌공간으로의 표준화(Normalization) 과정을 거쳐 각 피험자의 개별적 EPI영상을 표준MNI(Montreal Neurology Institue) 좌표로 변형하였다. 6 mm FWHM Gaussian kernel을 사용하여 공간적 편평화(Spatial smoothing) 를 통해 신호 대 잡음비(Signal to noise ratio) 를 높혔다.
- 탐색 단계에서의 사고가 정상적으로 이루어져야 설계 단계를 진행할 수 있으며, 구현단계 또한 설계단계의 사고 결과에 기반한다. 측정 도중에 일정 수준 이상의 사고 진행 여부를 파악할 수 없는 측정 방법의 제한을 극복하기 위해 탐색과 설계 단계에서는 결과 예시 블록을 통해 예시결과를 30초간 참고하게 하여 다음 단계의 사고를 원활히 수행할 수 있도록 하였다. 그리고 이 과정에서의 두뇌 활성은 분석에서 제외하였다.
- 33-35 융합 사고 과제에서는 이 두 가지 사고가 끊임 없이 일어난다. 탐색과 설계단계에 걸쳐 주어진 정보와 경험에서 문제를 정리하고 조건을 설정하는 귀납적 사고와 알고 있는 지식과 정리된 문제에 대한 정보를 토대로 설정한 대안이 문제를 해결할 수 있는지 결과를 예상하는 연역적 사고를 수행한다. 상전두이랑과 중전두이랑에 걸친 활성은 융합 사고가 이러한 사고의 수행함을 뒷받침한다.
- 0 TX) 를 이용하여 측정하였다. 피험자가 장비 내에 위치한 후 해부학적 영상을 촬영하고, 이어서 기능적 영상을 촬영하였다. 해부학적 영상은 MPRAGE 시퀀스를 이용하여 시상면(Sagital)으로 촬영하였으며 전교련에서 후교련 (ACPC, Anterior Commissure-Posterior Commissure) 에 평행하게 절편의 위치를 정한 후 아래에서부터 여섯번째 절편에 AC-PC 평면을 통과하도록 절편의 위치를 설정하였다.
- 피험자가 장비 내에 위치한 후 해부학적 영상을 촬영하고, 이어서 기능적 영상을 촬영하였다. 해부학적 영상은 MPRAGE 시퀀스를 이용하여 시상면(Sagital)으로 촬영하였으며 전교련에서 후교련 (ACPC, Anterior Commissure-Posterior Commissure) 에 평행하게 절편의 위치를 정한 후 아래에서부터 여섯번째 절편에 AC-PC 평면을 통과하도록 절편의 위치를 설정하였다. 기능적 자기공명영상의 수집은 Gradient Echoplanar Imaging(EPI) 시퀀스를 사용하여 이루어졌다.
- 화학 문제풀이를 위한 fMRI 과제는 이일선 등19의 연구 에서 사용된 생명과학문제풀이 과제와 유사한 형식으로 수정 개발하였다 (Fig. 2). 문제를 보고 답을 정한 다음, 버튼을 이용하여 답을 입력하고, 입력한 답이 맞는지 여부를 알려주는 과정으로서 총 6가지의 블록으로 이루어져 있다.
대상 데이터
- fMRI 영상은 한국기초과학지원연구원 오창본원의 Human MRI 연구동에 설치되어 있는 3.0T MR scanner (Philips Achieva 3.0 TX) 를 이용하여 측정하였다. 피험자가 장비 내에 위치한 후 해부학적 영상을 촬영하고, 이어서 기능적 영상을 촬영하였다.
- 그리고 설계한 창작물을 구현하는 사고를 유발 하는 융합 과제를 개발하였다. 과제는 과학교육학 박사학위를 소지한 전문가 2인이 생물 및 공통과학 전공의 현직 교사 2인과 함께 정기적인 세미나를 통해 4개 주제의 융합 사고 예비과제를 선정하였다. 각 주제는 ‘녹슨 못’, ‘얼음이 녹아버린 물병’, ‘전기가 끊긴 냉장고’, ‘비린내가 심한 생선’이다.
- 서술된 사고를 3명의 연구자가 검토 후 사고가 유발된 정도를 4단계로 평가하였다. 그 결과, 4가지 주제 중융합 사고가 충분히 유발될 수 있는, 얼음이 녹은 물병’ 주제를 선정하였다 (Table 1).
- 시각적 정보 형태만으로 제시되는 fMRI 내에서 적절한 시간과 난이도, 활발한 사고 유발의 수월성 등을 고려하여 본과제를 선정하였다. 실제 본과제를 선정하기 위해 융합 사고 유발 과제들과 화학 문제풀이과 제는 실제 MRI내에서 경험하게 되는 상황과 유사한 과제 제시 형태로 수정, 보완하여 중부권 소재 K고등학교 2학년 남학생 26명에게 예비투입하였다. 그리고 그 결과를 바탕 으로 과학교육 전문가 2인과 현직교사 2인과 함께 fMRI의 최대 측정 시간인 30초보다 학생 수준에서 빠르게 해결할 수 있는 문제나 너무 어려워 접근하기 조차 힘든 문제는 제외하고 난이도가 적절한 1개 주제의 융합 사고 과제와 3개의 문제풀이과제를 선정하였다.
- 기능적 자기공명영상의 수집은 Gradient Echoplanar Imaging(EPI) 시퀀스를 사용하여 이루어졌다. 영상 범위(FOV) 는 200 mm, 반복시간(TR)은 3,000 ms, 에코 시간(TE)은 35 ms, 영상 절편수 30장, 각 영상 절편 두께는 4mm였다.
- 본 연구의 목적은 학생들이 주어진 문제 상황을 해결하기 위한 융합 사고 과정의 두뇌 활성과 화학 문제를 해결 할때의 인지적 사고를 비교하는 것이다. 이를 위해 연구 대상으로 중부권 소재의 C 고등학교 2학년 남학생 17명 (M=16.98, SD=0.33) 을 표집하였다. 한편 오른손잡이인지 왼손잡이인지 또는 양손잡이인지에 따라 인지 활동과 두뇌 영역의 관계에서 편측성 (LateraUty) 이 나타난다.
데이터처리
- 이와 같은 인지적 감산26을 통해 개인별 대조 영상(Contrast image) 을 얻은 후 개인차를 무선 변수로 고려한 무선 효과 분석법을 적용한 집단 분석 (Group level analysis) 을 수행 하였다. 또한 각 사고 과정의 두뇌 활성에서 나타나는 상대적 차이를 확인하기 위해 각 사고 과정의 평균 대조 영상을 이용하여 단일 표본 T 검증을 통한 상호감산을 실시 하였다. 유의수준 p 값은 0.
이론/모형
- 해부학적 영상은 MPRAGE 시퀀스를 이용하여 시상면(Sagital)으로 촬영하였으며 전교련에서 후교련 (ACPC, Anterior Commissure-Posterior Commissure) 에 평행하게 절편의 위치를 정한 후 아래에서부터 여섯번째 절편에 AC-PC 평면을 통과하도록 절편의 위치를 설정하였다. 기능적 자기공명영상의 수집은 Gradient Echoplanar Imaging(EPI) 시퀀스를 사용하여 이루어졌다. 영상 범위(FOV) 는 200 mm, 반복시간(TR)은 3,000 ms, 에코 시간(TE)은 35 ms, 영상 절편수 30장, 각 영상 절편 두께는 4mm였다.
- 먼저 융합 사고의 유발 과제는 선행연구14에서 제시한 융합 사고 과정 모형의 ‘탐색-설계-구현’의 세 단계를 따라 수행하도록 하였다. 먼저 주어진 문제 상황을 예방하기 위한 탐색을 수행하고, 탐색한 결과와 일상생활 속 경험 그리고 화학교과의 지식을 활용하여 독창적인 창작물을 설계한다.
- 수집된 fMRI 영상 자료는 Matlab 2015 상에서 실행된 SPM12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/ spm)의 분석 도구를 사용하여 전처리와 후처리를 수행하였다. 전처리는 활성영상의 재배열(Realignment), 해부학적 영상과 활성 영상의 상관정열(Coregistration), 영상정보를 기반으로 두뇌의 각구역을 구분하는 분절화 (Segmentation), 집단 분석을 위한 동아시아인의 표준 뇌공간으로의 표준화(Normalization) 과정을 거쳐 각 피험자의 개별적 EPI영상을 표준MNI(Montreal Neurology Institue) 좌표로 변형하였다.
성능/효과
- 실제 본과제를 선정하기 위해 융합 사고 유발 과제들과 화학 문제풀이과 제는 실제 MRI내에서 경험하게 되는 상황과 유사한 과제 제시 형태로 수정, 보완하여 중부권 소재 K고등학교 2학년 남학생 26명에게 예비투입하였다. 그리고 그 결과를 바탕 으로 과학교육 전문가 2인과 현직교사 2인과 함께 fMRI의 최대 측정 시간인 30초보다 학생 수준에서 빠르게 해결할 수 있는 문제나 너무 어려워 접근하기 조차 힘든 문제는 제외하고 난이도가 적절한 1개 주제의 융합 사고 과제와 3개의 문제풀이과제를 선정하였다. 특히 융합 사고 유발 과제는 제한 시간동안 각 단계를 30초동안 진행한 후 5분동안 지필 형태로 작성하게 하여 ‘탐색’, ‘설계’, ‘구현’의모든 단계에서 사고가 얼마나 유발될 수 있는지 점검하 였다.
- 둘째, 고등학생들이 화학 문제풀이를 수행할 때는 대뇌 좌반구의 중전두이랑과 내측전두이랑, 우반구의 중전두 이랑과 혀이랑, 좌우측의 미상핵체와 미상핵꼬리, 시상, 소뇌 우반구의 소뇌정상에서 활성이 나타났다. 그리고 우측 중전두이랑과 좌우측의 미상핵꼬리, 소뇌정상이 연결 망을 형성하여 핵심적인 역할을 수행하는 것으로 나타났다. 고등학생들은 화학문제풀이 시에 연역적 사고, 두 대상 사이에 공통점과 차이점을 파악하는 사고, 그리고 학습동기의 유발이 나타난다.
- 융합 사고에서는 좌측의 상전두이랑, 중전 두이랑, 하전두이랑, 내측전두이랑, 쐐기전소엽, 전대상 이랑, 미상핵체가 유의미한 연결성을 지닌 것으로 나타났 으며 우측에서는 쐐기소엽, 미상핵체가 유의미한 연결성을 가진 핵심영역으로 나타났다. 그리고 화학 문제풀이의 두뇌 활성영역들 중에서는 좌측의 미상핵체, 우측의 중전두 이랑, 미상핵체, 소뇌정상이 유의미한 연결성을 지닌 영역으로 나타났다.
- 둘째, 고등학생들이 화학 문제풀이를 수행할 때는 대뇌 좌반구의 중전두이랑과 내측전두이랑, 우반구의 중전두 이랑과 혀이랑, 좌우측의 미상핵체와 미상핵꼬리, 시상, 소뇌 우반구의 소뇌정상에서 활성이 나타났다. 그리고 우측 중전두이랑과 좌우측의 미상핵꼬리, 소뇌정상이 연결 망을 형성하여 핵심적인 역할을 수행하는 것으로 나타났다.
- 한편 오른손잡이인지 왼손잡이인지 또는 양손잡이인지에 따라 인지 활동과 두뇌 영역의 관계에서 편측성 (LateraUty) 이 나타난다. 따라서 표집 과정에서 오른손잡이를 표집하였으며 이들을 대상 으로 손우세성 검사 (Edinbugh test)24 를 수행한 결과 모두 오른손잡이 임을 확인하였다. 정신과 치료 병력, 폐쇄 공포증 여부, 약물 복용 여부, 체내 금속 물질의 삽입 여부 등을 조사한 결과 신경학적 이상없이 건강하였다.
- 측정후 신체 이상 여부 및 과제 진행 여부에 대한 면담을 수행 하였고 이상 없음을 확인하였다. 또한 실제로 융합 사고를 수행하였는지와 문제를 풀었는지 확인하기 위해 fMRI 측정 과제를 다시 보여주고 종이에 사고의 내용을 서술하게 함으로써 수행한 사고를 확인하고, 문제 풀이 결과 또한 다시 보고하게 하였으며 측정에 참여한 17명 모두 안내 한대로 융합 및 문제풀이 과제를 수행한 것으로 확인하 였다.
- 분석 결과, 융합 사고 시 좌측 전두엽의 상전두이랑(Superior frontal gyrus), 중전두이랑 (Middle frontal gyrus), 하전두이랑(Inferior frontal gyrus), 내측전두이랑 (Medial frontal gyrus)에서 활성이 나타났다. 또한 좌측 두정엽의 쐐기전소엽(Precuneus)과, 우측 후두엽의 쐐기소엽(Cuneus), 변연엽의 전대싱이랑(Anterior cingulate gyrus)에서 도 활성이 나타났다. 대뇌의 피질하영역에서는 좌우측의 미상핵체(Caudate nucleus body)에서 활성이 나타났다.
- 반면, 화학 문제풀이의 두뇌 활성을 대상으로 수행한 연결성 분석 결과, 융합 사고와 비슷한 범위의 활성이 나타났던 결과와 달리 화학 문제풀이의 연결성은 그 핵심 영역과 연결의 양상이 비교적 약한 것으로 나타났다. 좌우측의 미상핵꼬리와 소뇌 우반구의 소뇌정상, 그리고 우측 중전두이랑 사이의 4개영역에서 3개의 연결성만 나타 났다.
- 첫째, 학생들의 화학지식기반 융합 사고력 향상에 구체 적으로 도움을 줄 수 있는 교수-학습 프로그램의 개발이 가능할 것이다. 본 연구를 통해 학생들이 융합 사고 시 수행하는 두뇌 영역들을 알 수 있었다. 이러한 영역들의 사용을 촉진시키고 영역들 간의 연계를 강화시킬 수 있는 전략을 교수-학습 프로그램에 적용할 수 있을 것이다.
- 분석 결과, 융합 사고 시 좌측 전두엽의 상전두이랑(Superior frontal gyrus), 중전두이랑 (Middle frontal gyrus), 하전두이랑(Inferior frontal gyrus), 내측전두이랑 (Medial frontal gyrus)에서 활성이 나타났다. 또한 좌측 두정엽의 쐐기전소엽(Precuneus)과, 우측 후두엽의 쐐기소엽(Cuneus), 변연엽의 전대싱이랑(Anterior cingulate gyrus)에서 도 활성이 나타났다.
- 셋째, 화학문제풀이에 비해 융합 사고 시에 다양한 사고에 기여하는 두뇌의 영역들이 풍부한 기능적 연결성을 보인다. 융합 사고 시의 두뇌 활성 영역의 각각이 모두 기능적 연결망에 속한 반면, 화학문제풀이 시에 나타난 활성 영역 중에는 일부의 영역만이 연결망을 형성한다.
- 5와 같다. 융합 사고에서는 좌측의 상전두이랑, 중전 두이랑, 하전두이랑, 내측전두이랑, 쐐기전소엽, 전대상 이랑, 미상핵체가 유의미한 연결성을 지닌 것으로 나타났 으며 우측에서는 쐐기소엽, 미상핵체가 유의미한 연결성을 가진 핵심영역으로 나타났다. 그리고 화학 문제풀이의 두뇌 활성영역들 중에서는 좌측의 미상핵체, 우측의 중전두 이랑, 미상핵체, 소뇌정상이 유의미한 연결성을 지닌 영역으로 나타났다.
- 따라서 표집 과정에서 오른손잡이를 표집하였으며 이들을 대상 으로 손우세성 검사 (Edinbugh test)24 를 수행한 결과 모두 오른손잡이 임을 확인하였다. 정신과 치료 병력, 폐쇄 공포증 여부, 약물 복용 여부, 체내 금속 물질의 삽입 여부 등을 조사한 결과 신경학적 이상없이 건강하였다. 또한 연구 기관 내 연구생명윤리위원회의 사전 심사 및 승인 받았으며 연구 대상 및 보호자는 연구자와 한국기초과학지 원연구원 fMRI 연구팀 에서 제시한 연구참여동의서에 서명하였다.
- 첫째, 고등학생들이 융합 사고를 수행할 때는 대뇌 좌반구의 상전두이랑, 중전두이랑, 하전두이랑, 내측 전두 이랑, 전대상이랑, 쐐기전소엽, 대뇌 우반구의 쐐기소엽, 좌우측 미상핵체에서 활성이 나타났다. 그리고 각 영역들은 서로 긴밀하게 연결망을 형성하고 있다.
- 융합 사고 과제와 화학문제풀이 과제는 연속해서 진행 되었으며 총 측정 소요 시간은 387초(129 scans) 였다. 측정후 신체 이상 여부 및 과제 진행 여부에 대한 면담을 수행 하였고 이상 없음을 확인하였다. 또한 실제로 융합 사고를 수행하였는지와 문제를 풀었는지 확인하기 위해 fMRI 측정 과제를 다시 보여주고 종이에 사고의 내용을 서술하게 함으로써 수행한 사고를 확인하고, 문제 풀이 결과 또한 다시 보고하게 하였으며 측정에 참여한 17명 모두 안내 한대로 융합 및 문제풀이 과제를 수행한 것으로 확인하 였다.
- 한편, 두 번째로 많은 연결을 형성하고 있는 중전두이랑 (BA46)은 하전두이랑 외에도 우측에 위치한 쐐기소엽(BA30)과 좌측 쐐기전소엽, 우측 중전두이랑과 내측전두 이랑과 기능적 연결을 형성하는 것으로 나타났다. Volz 등51,52은 불확실한 상황에서 의사결정을 할 때, 중전두이 랑의 활성이 보고되었으며 학습의 동기보상과 연관된 도파민 회로가 동기화가 이루어 진다고 보고하고 있다.
- 화학 문제풀이 시 두뇌 활성을 분석한 결과 전두엽에서는 좌측 중전두이랑과 내측전두이랑, 우측 중전두이랑에서 활성이 나타났다. 후두엽에서는 우측 혀이랑(Lingual gyrus), 피질하 영역에서는 좌우측 미상핵체와 미상핵꼬리(Caudate tail), 우측 시상 (Thalamus) 에서 그리고 소뇌 우반구 앞쪽의 소뇌 정상(Culmen)에 서 활성 이 나타났다(Fig.
후속연구
- 하지만 과학교육분야에서 fMRI 를이용한 연구를 살펴보면 fMRI 연구 방법을 적용하여 과학 탐구 시의 두뇌 활성과 학습 전후의 변화를 두뇌 수준에서 파악할 수 있고,18 fMRI 를 이용하여 파악한 학습자의 특성을 토대로 수업 모형과 전략을 개발하고 그 효과를 확인할 수 있다.19,20 따라서 fMRI를 통한 융합 사고의 두뇌 활성 연구를 통하여 과학교육에서의 융합 사고력 증진을 위한 핵심적인 정보를 제공할 수 있을 것이다.
- 따라서, fMRI를 이용하여 융합 사고의 특징을 두뇌 수준에서 밝힌다면 학생들이 융합 관련 수업을 통해 경험 하는 융합 사고의 효과를 확인할 수 있을 것이다. 더불어 현재 학생들이 학습에서 많이 수행하고 있는 화학 문제 풀이 사고와 비교한다면 그 결과를 이용하여 문제풀이와 차이점을 명확히 하는 융합 사고 유발의 적절한 전략을 개발하여 학생들에게 올바른 교육 프로그램을 제공할 수 있을 것이다.
- 둘째, 학생들의 융합 사고 능력 또는 상태를 진단하기 위한 평가 도구의 개발이 가능할 것이다. fMRI 를 통한 두뇌 활성 분석을 통해 융합 사고의 두뇌 영역을 대상으로각 영역의 활성 정도와 네트워크를 구성하는 연결의 개수와 연결의 강도를 도출할 수 있다.
- 해당 영역은 심리화 사고, 계획 사고, 귀납적 사고, 귀추적 사고, 이미지 심상화, 목표와 관련된 학습동 기유발의 기능을 하고 이러한 사고가 언어화에 기반하여 이루진다. 따라서 문제 상황에 대한 화학적 개념과 일상 생활의 경험, 공학적 사례 등의 관련 정보를 탐색하고 동기유발을 위해 목표를 설정하는 연속된 활동을 통해 융 합 사고력 향상을 꾀할 수 있을 것이다. 특히 융합 지식의 구성 시에는 개념도 또는 마인드맵과 같이 글과 그림이 연합된 형태로 수행하게 하여 융합 사고의 두뇌 네트워 크를 자극할 수 있을 것이다.
- 따라서, fMRI를 이용하여 융합 사고의 특징을 두뇌 수준에서 밝힌다면 학생들이 융합 관련 수업을 통해 경험 하는 융합 사고의 효과를 확인할 수 있을 것이다. 더불어 현재 학생들이 학습에서 많이 수행하고 있는 화학 문제 풀이 사고와 비교한다면 그 결과를 이용하여 문제풀이와 차이점을 명확히 하는 융합 사고 유발의 적절한 전략을 개발하여 학생들에게 올바른 교육 프로그램을 제공할 수 있을 것이다.
- 이러한 정량적인 데이터를 구성 요소로 하여 융합 사고력 지수의 산출식을 구성하고 검증하여 두뇌활성기반 융합 사고력을 평가할수 있는 도구의 개발이 가능할 것이다. 아울러 두뇌 연결 네트워크를 통해 규명된 융합 문제해결 시 수행되는 인지적인 사고들을 바탕으로 행동 및 언어관찰, 지필 검사 방식의 융합 사고력 평가 도구의 개발도 가능할 것이다. 이러한 평가 도구를 통해 융합 사고를 구성하는 사고의 특성을 파악하여 학습자에 맞추어 처치할 수 있는 정보를 파악할 수 있을 것이다.
- 본 연구를 통해 학생들이 융합 사고 시 수행하는 두뇌 영역들을 알 수 있었다. 이러한 영역들의 사용을 촉진시키고 영역들 간의 연계를 강화시킬 수 있는 전략을 교수-학습 프로그램에 적용할 수 있을 것이다. 예를 들어 융합 사고의 과정 중 탐색 단계의 학습 전략을 세우는데 융합 사고 과제에서 활성이 나타난 하전두이랑과 중전두이랑, 상전두이랑, 미상핵체의 연결망 결과를 활용할 수 있다.
- fMRI 를 통한 두뇌 활성 분석을 통해 융합 사고의 두뇌 영역을 대상으로각 영역의 활성 정도와 네트워크를 구성하는 연결의 개수와 연결의 강도를 도출할 수 있다. 이러한 정량적인 데이터를 구성 요소로 하여 융합 사고력 지수의 산출식을 구성하고 검증하여 두뇌활성기반 융합 사고력을 평가할수 있는 도구의 개발이 가능할 것이다. 아울러 두뇌 연결 네트워크를 통해 규명된 융합 문제해결 시 수행되는 인지적인 사고들을 바탕으로 행동 및 언어관찰, 지필 검사 방식의 융합 사고력 평가 도구의 개발도 가능할 것이다.
- 아울러 두뇌 연결 네트워크를 통해 규명된 융합 문제해결 시 수행되는 인지적인 사고들을 바탕으로 행동 및 언어관찰, 지필 검사 방식의 융합 사고력 평가 도구의 개발도 가능할 것이다. 이러한 평가 도구를 통해 융합 사고를 구성하는 사고의 특성을 파악하여 학습자에 맞추어 처치할 수 있는 정보를 파악할 수 있을 것이다.
- 첫째, 학생들의 화학지식기반 융합 사고력 향상에 구체 적으로 도움을 줄 수 있는 교수-학습 프로그램의 개발이 가능할 것이다. 본 연구를 통해 학생들이 융합 사고 시 수행하는 두뇌 영역들을 알 수 있었다.
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