[논문]스마트폰을 활용한 어휘 학습효과의 뇌파기반 분석

조재춘; 이새벽; 임희석

스마트폰을 활용한 어휘 학습효과의 뇌파기반 분석
Analysis based on Brain Wave of Learning Effect on Vocabulary Using Smartphone 원문보기

조재춘 (고려대학교) , 이새벽 (고려대학교) , 임희석 (고려대학교)

오늘날 정보통신기술의 발달로 스마트폰을 활용한 스마트러닝의 관심이 높아지고 있다. 하지만 부정적인 시각도 높아 긍정적인 학습효과를 제시하기 위해 많은 연구가 시도되고 있지만 대부분의 기존 연구에서는 이론적인 학습효과만을 제시하고 있어 긍정적인 학습효과를 증명하기에는 많은 부족함이 있다. 따라서 본 연구에서는 뇌파를 이용한 과학적인 근거를 제시하기 위하여 Mindset 장비를 이용하여 학습자의 Attention과 Meditation에 관한 뇌파를 분석하였다. 실험은 스마트폰을 활용한 학습과 기존의 종이를 활용한 학습으로 두 집단 간의 뇌파를 비교 분석 하였다. 실험 결과 스마트폰을 활용한 집단이 기존의 종이를 활용한 집단 보다 Meditation 뇌파가 지속적으로 높게 나타났으며 학습 시간이 지남에 따라 스마트폰을 활용한 집단의 Attention 뇌파가 높게 나타나 스마트폰을 활용한 학습이 학습자를 더욱 집중하게 만든다고 볼 수 있었다.

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문제 정의

김준(2009)은 이러닝 적용을 위한 뇌파기반 인지부하 측정 연구를 하였다. e-러닝 학습에서 뇌파를 통해 학습자의 인지부하를 인지하고 이에 따른 피드백을 주고자 하였다. 대학교 1학년을 대상으로 반복적으로 듣기 회상과제를 제시하였고 인지부하 평가 지표로 SEF-95% 지표를 사용하였다.
뇌파는 특정 주파수 대역을 분류할 수 있으며 각 주파수 별로 뇌 상태를 볼 수 있다. 본 본문에서는 학습자의 집중 상태와 안정 상태 뇌파를 분석하여 학습의 효과를 비교 분석하고자 한다.
이에 본 연구에서는 스마트러닝의 긍정적인 학습효과를 뇌파 기반으로 과학적인 접근을 통해서 검증하고자 한다.

제안 방법

나눠진 각각의 18개 트랙에서 Attention미터와 Meditation미터의 값은 반올림하여 10단위로 측정하였다.
뇌파 데이터는 학습이 시작된 시점에서 1분이 지난 후부터 학습이 끝나기 1분전인 4분까지 총 3분간의 Attention과 Meditation 뇌파를 분석하였으며 뇌파는 10초 단위로 총 18개의 트랙으로 나누어 분석하였다.
종이를 활용한 집단은 영어단어 20개가 프린트된 종이를 이용하여 학습하였고, 스마트폰을 활용한 집단은 스마트폰의 영어 단어 어플리케이션을 활용하여 동일한 단어를 학습하였다. 두 집단 모두 학습이 끝난 후에는 5분간 동영상을 시청 후, 단어 평가를 보았다. 이는 순간 기억력을 배제시키기 위함이다.
따라서 본 연구에서는 건식 센서의 EEG장비를 사용하였다. 하지만 뇌파의 정확한 측정을 위해서는 많은 제약들을 해결해 나아가 추후 습식센서의 EEG장비로 스마트러닝의 학습효과에 대한 정확한 비교분석 연구가 필요하다.
실험을 위해 국내 k대학교 대학생 6명을 대상을 스마트폰을 활용한 영어단어 학습 집단(3명)과 종이를 활용한 영어단어 학습 집단(3명)으로 분류하였다.
실험이 진행되기 전에 각 학습자들은 영어단어에 대한 사전 평가가 이루어 졌고 이에 비슷한 영어단어 실력의 집단이 각각 동일한 단어 20개를 5분 동안 학습하도록 하였다. 종이를 활용한 집단은 영어단어 20개가 프린트된 종이를 이용하여 학습하였고, 스마트폰을 활용한 집단은 스마트폰의 영어 단어 어플리케이션을 활용하여 동일한 단어를 학습하였다.
이충헌(2009)은 뇌파기반 집중도 전송 및 BCI 적용에 관현 연구를 통해서 두피에서 발생하는 EEG신호를 측정한 후 집중도를 추출하여 집중도 크기에 따른 하드웨어를 제어하는 시스템을 구현하였다. 이를 통해 SMR파, Mid-Beta파, Theta파 주파수 영역으로 분류한 후 집중도 지표를 추출하였다[2].
학습자가 움직임에 많은 제약이 따르는 습식의 EEG장비 실험은 스마트러닝 환경에서의 학습효과를 실험하기 에는 많은 제약점들이 따른다. 이에 본 논문에서는 습식 센서보다 신호의 정확성이 떨어지지만 실험의 제약이 적은 건식 센서로 실험을 실시하였다.
실험이 진행되기 전에 각 학습자들은 영어단어에 대한 사전 평가가 이루어 졌고 이에 비슷한 영어단어 실력의 집단이 각각 동일한 단어 20개를 5분 동안 학습하도록 하였다. 종이를 활용한 집단은 영어단어 20개가 프린트된 종이를 이용하여 학습하였고, 스마트폰을 활용한 집단은 스마트폰의 영어 단어 어플리케이션을 활용하여 동일한 단어를 학습하였다. 두 집단 모두 학습이 끝난 후에는 5분간 동영상을 시청 후, 단어 평가를 보았다.
학습자들은 학습이 일어나는 동안에는 MindSet 장비를 착용하여 지속적으로 학습자의 뇌파를 측정하였고 학습이 이루어지는 5분 동안 동영상으로 Brainwave Visualizer 화면을 녹화하여 기록하였다.

이론/모형

e-러닝 학습에서 뇌파를 통해 학습자의 인지부하를 인지하고 이에 따른 피드백을 주고자 하였다. 대학교 1학년을 대상으로 반복적으로 듣기 회상과제를 제시하였고 인지부하 평가 지표로 SEF-95% 지표를 사용하였다. 실험결과 학습 레벨이 높아질 수록 SEF-95%지표가 증가한 결과를 볼 수 있었다.

성능/효과

결론적으로, 본 연구에 따르면 스마트러닝의 학습 효과가 종이를 활용한 학습보다 과학적으로 긍정적인 결과를 제시할 수 있었다.
뇌파를 비교 분석한 결과 그림 4와 같이 Attention 뇌파의 초기 2분 20초(8번 트랙) 까지는 종이를 활용한 집단이 다소 높게 나타났으나 2분 20초(8번 트랙)가 지나기 시작하면서 부터는 스마트폰을 활용한 집단이 전체적으로 종이를 활용한 집단보다 높은 집중력을 보이고 있다.
두 집단 간의 영어단어 평가에서는 스마트폰을 활용한 집단과 종이를 활용한 집단 모두 평균 78.4점으로 동일한 평가 점수를 얻었다.
본 연구에서는 뇌파 분석을 위해 Neuro Sky사의 MindSet 장비를 이용하였고, 이는 건식 센서로서 기존의 습식 센서의 EEG장비보다 신호측정의 신뢰도는 다소 떨어지지만 실험 참가자가 쉽게 사용이 가능하며 뇌파 데이터 분석이 용이하다는 장점이 있다.
김희필(2010)은 기술적 문제해결의 사고과정에서 나타나는 초등학생의 뇌파 활성도를 성별, 우뇌/좌뇌, 학력, 창의성에 따른 학생 집단 간의 뇌파 활성도 차이를 통계적으로 검증하였다. 분석 결과 Beta Low파와 Beta High파의 활성도를 확인할 수 있었고 각 집단별로 다른 뇌파 활성도를 보였다[1].
대학교 1학년을 대상으로 반복적으로 듣기 회상과제를 제시하였고 인지부하 평가 지표로 SEF-95% 지표를 사용하였다. 실험결과 학습 레벨이 높아질 수록 SEF-95%지표가 증가한 결과를 볼 수 있었다. 이는 레벨이 높아 질 수록 학습자가 인지적 부하를 느끼고 있다고 볼 수 있다[4].
이에 본 논문에서는 스마트러닝의 학습효과를 과학적으로 검증하기 위해서 뇌파를 이용하여 학습자의 Attention과 Meditation의 뇌파를 각각 비교 분석하였으며 실험결과 스마트러닝을 활용한 학습이 시간이 지남에 따라 Attention 뇌파가 종이를 활용한 학습보다 높게 나타남을 볼 수 있었고 Meditation 뇌파는 종이를 활용한 학습보다 지속적으로 높게 나타남에 따라 스마트폰을 활용한 학습이 학습자의 집중력과 낮은 인지부담으로 스마트러닝에 있어서 충분히 긍정적인 학습효과를 가져올 수 있다고 볼 수 있었다. 또한 두 집단 간의 영어 단어 평가에서 동일한 평가점수를 얻어 두 집단 간의 학업 성취도를 비교할 수는 없었다.

후속연구

따라서 본 연구에서는 건식 센서의 EEG장비를 사용하였다. 하지만 뇌파의 정확한 측정을 위해서는 많은 제약들을 해결해 나아가 추후 습식센서의 EEG장비로 스마트러닝의 학습효과에 대한 정확한 비교분석 연구가 필요하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

뇌파 분석을 위한 MindSet 장비는 어떤 장단점을 지니고 있는가?

본 연구에서는 뇌파 분석을 위해 Neuro Sky사의 MindSet 장비를 이용하였고, 이는 건식 센서로서 기존의 습식 센서의 EEG장비보다 신호측정의 신뢰도는 다소 떨어지지만 실험 참가자가 쉽게 사용이 가능하며 뇌파 데이터 분석이 용이하다는 장점이 있다.

측정된 EEG를 진동 빈도에 따라 주파수 별로 나눈 뇌파에는 어떤 주파스 대역이 있으며, 해당 대역의 특징은 무엇인가?

알파리듬(8~12Hz)는 휴식과 안정 상태와 관련이 있으며 베타리듬(13~30Hz)는 정신집중과 관련이 있고, 세타리듬(4~7Hz)는 수면, 졸림과 관련이 있다[9].

EEG는 무엇인가?

EEG는 신경계에서 뇌신경 사이에 신호가 전달될 때 생기는 시간에 따른 전위차를 기록한 것을 말한다. EEG를 측정하게 되면 그림 1과 같이 매우 복잡한 형태의 신호로 나타난다.

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