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문제 정의
- 따라서 이 연구의 목적은 주의력 검사와 과학수업에서 시선추적을 통해 초등학생들의 주의 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해 주의력 검사를 실시하였고, 실제 수업상황에 신경과학적 연구방법인 이동형 시선추적시스템을 적용하여 초등학생들의 시각적 주의 특성과 주의 처리과정을 밝히고자 한다.
- 이로 인해 선행 연구들은 수업을 촬영하여 관찰하거나 학생들의 행동에 대한 면담을 통한 자기보고에 의존할 수밖에 없었다(Shin, 2016). 이 연구에서는 다른 신경과학적방법에 비해 높은 안전성과 접근성을 가지고 있는 시선추적기법을 활용하고자 한다. 최근 시선추적을 활용한 국내외 선행 연구(Carmichael et al.
- 이 연구에서는 초등학생의 주의 특성을 분석하기 위해 주의력 검사와 실제 과학수업에서 연구대상자의 안구움직임을 이동형 시선추적기를 활용하여 추적하였다. 주의력 검사를 통해 초등학생의 선택적 주의, 자기통제력, 지속적주의의 관계와 주의력 수준을 밝혔고, 실제 과학수업에서 학생의 안구운동분석을 토대로 주의 특성과 주의 처리 과정을 분석하였다.
제안 방법
- 첫째, 실제 수업에서의 연구대상의 시선추적을 통해 초등학생의 시각적 주의를 분석하였다. 둘째, 시선추적 결과 영상을 연구 대상자와 함께 보면서 회고적 면담을 1회 실시하였고, 이를 토대로 연구대상자의 시각적 주의에 영향을 준 핵심 요인을 분석하였다. 셋째, 초등학생의 주의에 영향을 주는 핵심요인간의 관계를 파악하여 초등학생들의 주의를 도식하였고, 과학교육전문가 협의과정을 통해 수정⋅보완하여 완성하였다.
- 자기 통제지수는 선택적 주의지수 나누기 전체 작업한 아이템 수(T)이고, 지속성 주의지수는 선택적 주의지수와 자기 통제지수를 곱한 것이다. 마지막으로 평가대상의 각 해당지수는 분석표의 백분위(PR)와 9등급 규준점수(STN)를 토대로 해석하였다.
- 먼저, 초등학교 6학년을 대상으로 주의력 검사를 실시하여 그들의 선택적주의, 자기통제력, 지속성주의를 분석하였다. 시선추적을 위해 ETG(eye tracker glasses) 연구 장비와 프로그램을 점검하여 실험을 설계하였고, 초등학생 1명을 대상으로 사전 실험을 실시하였다.
- 시선추적시스템은 본 실험에 앞서 연구대상자가 연구 장비에 익숙해지는 시간이 필요하기 때문에 일주일 전에 연구 장비를 착용하여 적응시켰다. 본 실험에서도 연구대상자가 장비를 착용한 후 15 분간 안정화 시간을 주어 연구 장비에 적응하도록 하였다. 안구운동 보정은 3포인트로 실시하였고, 실험설계는 Figure 4와 같다.
- 먼저, 초등학교 6학년을 대상으로 주의력 검사를 실시하여 그들의 선택적주의, 자기통제력, 지속성주의를 분석하였다. 시선추적을 위해 ETG(eye tracker glasses) 연구 장비와 프로그램을 점검하여 실험을 설계하였고, 초등학생 1명을 대상으로 사전 실험을 실시하였다. 주의력 검사를 토대로 실제 초등 과학수업에서 시선추적에 참가할 연구대상을 선정하여 본 실험을 실시하였다.
- 칠판을 활용하여 실험 안내 단계에서 학생들의 시각적 주의전환을 관심영역에 따라 분석한 결과는 Figure 8과 같다. 연구대상자의 시선전환분석을 토대로 선택적 주의가 어떤 곳에 발생하였는지를 분석하였고, 회고적 인터뷰를 통해 그 원인을 분석하였다.
- 6) 분석프로그램을 이용해 분석하였다. 연구대상자의 안구운동은 대부분 관심영역(AOI; area of interest)을 설정함으로써 각 AOI 에 대한 시각적 주의 정도를 도약과 응시로 분석하였고, AOI간 응시전환을 토대로 주의 전환을 추론하였다. 이 연구에서는 초등학생의 주의 특성과 주의 처리과정을 분석하는 것으로 학생들의 시각 범위에서 관심영역을 Figure 5와 같이 AOI를 설정하여 안구운동을 정량적으로 분석하였고, 회고적 인터뷰를 통해 시선의 이동에 대한 근거를 정성적으로 분석하였다.
- 문제해결에서 외부정보에 대한 학생들의 시선이동을 토대로 학생들의 시각적 주의과정과 문제해결전략 등을 추론할 수 있다(Kim & Shin, 2014; Shin & Shin, 2013b). 이 연구에서 시선전환은 수업 도입과 실험 안내 등의 단계에서 분석하였다. 칠판을 활용하여 실험 안내 단계에서 학생들의 시각적 주의전환을 관심영역에 따라 분석한 결과는 Figure 8과 같다.
- 이 연구에서 적용한 초등과학 수업내용은 2007 개정 교육과정 6 학년 2 학기 고정도르래와 움직도르래이고, 각 내용을 1 차시와 2 차시로 구성하였다. 교육 내용이 연구에 미치는 효과를 최소화하기 위해 도르래라는 같은 수업 주제를 선정하였고, 사전 조사결과 선행 학습으로 도르래 실험을 먼저 경험한 학생은 없었다.
- 연구대상자의 안구운동은 대부분 관심영역(AOI; area of interest)을 설정함으로써 각 AOI 에 대한 시각적 주의 정도를 도약과 응시로 분석하였고, AOI간 응시전환을 토대로 주의 전환을 추론하였다. 이 연구에서는 초등학생의 주의 특성과 주의 처리과정을 분석하는 것으로 학생들의 시각 범위에서 관심영역을 Figure 5와 같이 AOI를 설정하여 안구운동을 정량적으로 분석하였고, 회고적 인터뷰를 통해 시선의 이동에 대한 근거를 정성적으로 분석하였다. 이동형 시선추적시스템의 안구운동분석이 어려운 이유는 연구대상자의 움직임에 따라 실험장면이 고정적이지 않기 때문에 AOI의 위치를 연구대상자의 시각 범위에 따라 계속해서 재조정해야 한다는 점이다.
- 이동형 시선추적시스템의 안구운동분석이 어려운 이유는 연구대상자의 움직임에 따라 실험장면이 고정적이지 않기 때문에 AOI의 위치를 연구대상자의 시각 범위에 따라 계속해서 재조정해야 한다는 점이다. 이를 개선하기 위해 SMI사에서 제공하는 ASGM(automated semantic gaze mapping) 분석프로그램을 이용해 연구대상자의 시선추적결과를 한 장면에 통합하여 분석하였다(Figure 5).
- 따라서 이 연구의 목적은 주의력 검사와 과학수업에서 시선추적을 통해 초등학생들의 주의 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해 주의력 검사를 실시하였고, 실제 수업상황에 신경과학적 연구방법인 이동형 시선추적시스템을 적용하여 초등학생들의 시각적 주의 특성과 주의 처리과정을 밝히고자 한다.
- 이 연구에서는 초등학생의 주의 특성을 분석하기 위해 주의력 검사와 실제 과학수업에서 연구대상자의 안구움직임을 이동형 시선추적기를 활용하여 추적하였다. 주의력 검사를 통해 초등학생의 선택적 주의, 자기통제력, 지속적주의의 관계와 주의력 수준을 밝혔고, 실제 과학수업에서 학생의 안구운동분석을 토대로 주의 특성과 주의 처리 과정을 분석하였다. 초등학생의 주의 특성과 주의 처리과정은 과학교육전문가 협의과정을 통해 수정⋅보안하여 완성하였다.
- 초등학생들의 주의 처리과정은 시각적 주의 분석과 연구대상자와의 회고적 인터뷰(retrospective interview)를 통해 Figure 2와 같이 도식하였다. 첫째, 실제 수업에서의 연구대상의 시선추적을 통해 초등학생의 시각적 주의를 분석하였다. 둘째, 시선추적 결과 영상을 연구 대상자와 함께 보면서 회고적 면담을 1회 실시하였고, 이를 토대로 연구대상자의 시각적 주의에 영향을 준 핵심 요인을 분석하였다.
- 이 연구에 사용할 시선추적기는 이동형인 독일 SMI사의 ETG(Eye Tracking Glasses)로 안경형태이다. 현재 유선과 무선형이 모두 개발되어 있으나, 이 연구에서는 유선형을 사용하였고, 샘플링 속도는 30Hz이다(Figure 3).
대상 데이터
- 이동형 안구추적기를 적용하기 위해서는 안구병력이 없어야 하고, 연구 장비를 착용하는데 불편함이 없어야 한다. 따라서 과거 안구병력이 없고, 안경을 쓰지 않는 초등학교 남학생 6명을 시선 추적 연구대상으로 하였다. 초등학교 남학생을 대상으로 한 이유는 본 연구의 실험장비는 이동형 시선추적기와 EEG를 통합한 시스템으로 머리가 긴 여학생들에게 적용하는데 제한적이었기 때문이다.
- 시선추적시스템은 이동형과 고정형이 있으며, 이동형은 연구대상이 직접 착용하여 실제 상황 연구에 활용할 수 있는 방법이고, 고정형은 실험실에서 자극에 대한 연구 대상자의 반응을 연구하기에 적합한 방법이다(Shin, 2016). 이 연구에 사용할 시선추적기는 이동형인 독일 SMI사의 ETG(Eye Tracking Glasses)로 안경형태이다. 현재 유선과 무선형이 모두 개발되어 있으나, 이 연구에서는 유선형을 사용하였고, 샘플링 속도는 30Hz이다(Figure 3).
- 이 연구의 주의력 검사에는 ○○초등학교 6학년 155명이 참여하였고, 실제 과학수업에서 시선추적 연구대상자는 주의력 검사를 토대로 선정하였다. 이동형 안구추적기를 적용하기 위해서는 안구병력이 없어야 하고, 연구 장비를 착용하는데 불편함이 없어야 한다.
- 주의력 검사는 연구대상자 155명 중 검사지의 이해도가 .95 미만인 11 명을 제외한 144 명을 대상으로 분석하였고, 기술 통계분석 결과는 Table 2와 같다.
- 시선추적을 위해 ETG(eye tracker glasses) 연구 장비와 프로그램을 점검하여 실험을 설계하였고, 초등학생 1명을 대상으로 사전 실험을 실시하였다. 주의력 검사를 토대로 실제 초등 과학수업에서 시선추적에 참가할 연구대상을 선정하여 본 실험을 실시하였다.
데이터처리
- 연구대상자의 안구운동은 동영상 형태의 영상물로 수집되었고, 수집된 안구데이터는 BeGaze(v.3.6) 분석프로그램을 이용해 분석하였다. 연구대상자의 안구운동은 대부분 관심영역(AOI; area of interest)을 설정함으로써 각 AOI 에 대한 시각적 주의 정도를 도약과 응시로 분석하였고, AOI간 응시전환을 토대로 주의 전환을 추론하였다.
이론/모형
- 초등학생들의 주의력을 검사하기 위해 Moosbrugger & Oehlschlägel (1996)이 개발하고, 2009년 수정⋅보완한 ‘FAIR’ 검사를 활용하였다.
성능/효과
- 결론적으로 교사가 아무리 열정적으로 수업을 준비하더라도 학습과 관련된 영역에 학생들의 선택적 주의가 발생하지 않는다면 유의미한 학습은 일어나지 않는다. 이 연구에서 밝힌 초등학생들의 주의의 특성과 주의처리 과정의 분석이 교사들의 효과적인 수업설계와 실제 수업에서 초등학생의 특성을 이해하는데 도움이 되기를 기대한다.
- 경솔형의 학생들은 학습에 적극적으로 참여하지만, 교사와 또래 집단과의 상호작용에 참여하지 못하거나 자신의 뜻대로 일을 처리하기 때문에 실수가 많은 편이었다. 결론적으로 초등학생들의 주의 수준은 미성숙 단계에 있고, 자신이 수행하고 있는 일에 대한 모니터 능력이 부족함을 알 수 있다.
- 넷째, 실제 과학수업에서 안구운동 분석을 통해 초등학생들의 주의는 상향식주의, 하향식주의, DMN 으로 구분할 수 있었고, 주의 특성을 종합하여 초등학생들의 주의처리 과정을 도식하였다. 실제 수업에서 초등학생들의 주의전환은 다양한 원인으로 인해 발생하였다.
- 둘째, 초등학생들의 주의력 검사 결과, 선택적 주의와 지속적 주의는 높은 상관관계를 보였지만 (.85), 선택적 주의와 자기통제의 상관 관계는 낮았다 (.32). 이를 통해 초등학생은 인지발달 단계 상 자기 통제력이 낮다는 것을 알 수 있고, 교사는 교수학습활동에서 학생들의 특성을 반영하여 자신의 학습행동에 대한 모니터 능력을 향상시킬 수 있는 교수전략을 사용해야 한다.
- 연구대상자의 선택적 주의 수준에 따라 핵심 관심영역에 대한 시선 점유도는 차이가 있었다. 선택적 주의력이 낮은 연구대상자(4, 5, 6번) 의 칠판 설명그림에 대한 시선점유율은 주의력이 높은 연구대상자(1, 2, 3번)의 23.19% 정도였고, 특히 연구대상자 6번은 2296ms으로 매우 짧은 시선점유율을 보였다(Table 4). 하지만 Table 4에서 알 수 있듯이 선택적 주의 수준과 관련 없이 과학 실험안내와 관련이 없는 교실 앞 태극기, 스피커, 친구 모습(머리스타일, 옷, 움직임 등), TV(정지한 화면), 관심영역으로 설정하지 않은 곳(WS; white space) 등에서도 연구대상자마다 상이한 시선점유율을 보였다.
- 셋째, 선택적 주의와 자기통제를 토대로 초등학생의 주의 유형을 주의형, 비주의형, 안이형, 경솔형의 네 가지로 분류하였다. 주의형은 선택적 주의와 자기통제가 모두 높은 학생들로 22.
- 셋째, 초등학생의 주의에 영향을 주는 핵심요인간의 관계를 파악하여 초등학생들의 주의를 도식하였고, 과학교육전문가 협의과정을 통해 수정⋅보완하여 완성하였다.
- 이러한 시각적 주의이동에 대한 원인에 이해하기 위해 학생들과 회고적 인터뷰를 실시하였고, 연구대상자 6번과 면담의 일부는 Table 3과 같다. 수업의 각 과정에서 학생들의 시각적 주의이동과 회고적 인터뷰 결과를 통해 선택적 주의에 대한 원인을 분석하였고, 주의력 검사와 시선추적결과를 종합하여 연구결과 4에서 초등학생의 주의처리 과정을 도식하였다.
- 실험 안내에 있어 프로젝션 TV를 이용하여 동영상으로 안내한 것보다 칠판을 사용하여 실험안내를 하였을 때 학생들의 실험에 대한 인지도가 통계적으로 유의미하게 높게 나타났다(t=9.2908, df=155, P=0.0000). 칠판을 사용한 실험안내에서 발생한 도약과 응시운동시간의 합으로 시선점유도(dwell time)를 분석한 결과는 Table 4와 같다.
- 1%였다. 안이형은 선택적 주의는 낮지만, 자기통제가 높은 학생들로 18.1%였고, 경솔형은 선택적 주의는 높지만, 자기통제가 낮은 학생들로 23.6%였다. 이는 교사가 학생 동료집단을 활용한 교육계획을 수립할 때, 각 학급의 학생들의 주의유형과 수준은 고려해야할 중요한 요소이고, 학생들의 주의수준에 따라 메타인지, 모니터링 등의 효과적인 교수전략이 필요하다.
- , 2012; Shin & Shin, 2013b; Snowden, Tnompson, & Troscianko, 2012)와 연구결과 2로부터 도약과 응시운동을 분석하여 연구대상의 주의 전환과 주의의 특성을 분석할 수 있음을 알 수 있다. 연구대상의 안구운동과 회고적 인터뷰 분석 결과, 초등학생은 학습 문제와 관련된 사전지식을 재인하여 지식에 의존한 하향식주의 처리과정과 학습 대상과 그 외의 다른 감각적 정보에 의존한 상향식 주의 처리과정, 과제해결이나 특정 대상과 관련이 없는 디폴트 모드 네트워크(default mode network; DMN) 등이 나타났다. 연구대상자와의 회고적 인터뷰를 통해 Figure 10과 같이 상향식주의와 하향식주의의 특징과 주의전환의 이유를 밝힐 수 있었다.
- 칠판을 활용한 실험안내에서 학습에 유의미한 곳은 교사 설명과 교사가 실험을 도식하는 칠판, 교과서 실험사진 등의 영역이다. 전체 연구 대상자의 칠판영역에서 교사로의 주의이동은 54회 있었고, 교사에서 칠판영역으로의 주의이동은 47회 발생하였다. 하지만 학습과 관련성이 낮은 형광등, 스피커, 태극기, 동료학생, 여백 등의 영역에 발생한 주의이동은 139회였다.
- 첫째, 실험실 상황이 아닌 교육현장에서 이동형 시선추적기기를 적용하여 수업에서 실시간으로 학생들의 안구운동을 분석할 수 있었다. 이는 교육현장에서의 신경과학적 연구방법의 적용 가능성을 확인한 것으로 국내외 교육연구에서 실제 교육 상황에 대한 과학적인 연구방법 적용의 필요성을 반영한다.
- 실제 수업에서 초등학생들의 주의전환은 다양한 원인으로 인해 발생하였다. 초등 학생들이 지식에 의존한 하향식주의 처리를 못하는 원인은 초점주의 실패로 인한 목표 대상 지각의 실패, 목표 대상에 대한 관련지식의 부재, 관련지식에 대한 유추의 실패, 과제의 곤란도, 자기통제의 미흡 등으로 나타났다. 만약 학생이 학습과 관련된 영역에 선택적 주의가 발생하지 않았다면 그 학생은 학생활동에 참여하지 않거나 수동적으로 참여할 가능성이 높아진다.
- 87 이었다. 통계분석 결과, 연구 대상자 전체 평균은 9등급 규준 점수에서 4등급에 속하였고, 규준집단의 중간 17 % 정도에 속하였다. 선택적 주의와 자기통제, 선택적 주의와 지속적 주의의 산포도는 Figure 6과 같다.
- 316 으로 낮은 상관관계를 나타냈다. 하지만 선택적 주의와 지속적 주의 지수 상관은 .98, 백분위 규준점수는 .85 로 모두 매우 높은 상관을 보였다.
후속연구
- 학생들의 목표 지향적이고 지식에 의존한 하향식주의 처리를 위해서는 학습과 관련된 사전 지식을 유추, 평가, 선택과 활용 등의 핵심 사고과정이 필요한데, 이런 관점에서 초등학생들의 과학적 사고과정을 어떻게 지도할 것인가에 대한 후속 연구가 필요하다. 또한 이 연구에서 시선추적은 초등학교 6학년 남학생만을 대상으로 한 것으로 여학생에 대한 후속 연구가 필요하고 도식한 주의 과정에 대한 추가 검증과정이 필요하다.
- Shin & Shin (2013b)은 문제해결과정에서의 시선추적을 통해 초등학생의 상향식 주의, 하향식 주의, 암묵적 주의(convert attention), 혼란주의(aflunter attention)의 네 가지 유형을 규명했고, 발견적 주의 모델을 제안하였다. 이 모델은 상향식 주의와 하향식 주의에 따라 다른 두 가지 수준의 현출성 지도의 생성과 기억과의 관계를 밝힌데 의의가 있지만, 주의 처리에서 기억체계의 관계와 학생들이 답을 결정하는 과정 등을 밝히는데 한계가 있었고, 실험실 상황(in vitro)에서 이루어졌다는 점에서 학생들의 실제 수업상황(in vivo)에서 주의과정을 설명하는데 제한점이 있다.
- 결론적으로 교사가 아무리 열정적으로 수업을 준비하더라도 학습과 관련된 영역에 학생들의 선택적 주의가 발생하지 않는다면 유의미한 학습은 일어나지 않는다. 이 연구에서 밝힌 초등학생들의 주의의 특성과 주의처리 과정의 분석이 교사들의 효과적인 수업설계와 실제 수업에서 초등학생의 특성을 이해하는데 도움이 되기를 기대한다.
- 학생들의 목표 지향적이고 지식에 의존한 하향식주의 처리를 위해서는 학습과 관련된 사전 지식을 유추, 평가, 선택과 활용 등의 핵심 사고과정이 필요한데, 이런 관점에서 초등학생들의 과학적 사고과정을 어떻게 지도할 것인가에 대한 후속 연구가 필요하다. 또한 이 연구에서 시선추적은 초등학교 6학년 남학생만을 대상으로 한 것으로 여학생에 대한 후속 연구가 필요하고 도식한 주의 과정에 대한 추가 검증과정이 필요하다.
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