스마트패드를 활용한 학습에서 인접성 원리가 학업성취와 인지부하에 미치는 영향

Abstract

멀티미디어 학습에 대한 연구는 인지부하이론에 근거를 두고 있다(Paas, Renkl, & Sweller, 2003; Sweller, 1999). 인지부하(cognitive load)는 특정 과제의 정보처리를 위해 필요한 지적노력의 총량을 말한다(Sweller, 1998). 이러한 인지부하를 학습부진의 주요원인으로 보고 불필요한 인지부하를 초래하는 변인을 밝혀 효과적인 학습을 할 수 있도록 유도하고, 인간 인지 구조의 역량과 한계를 고려하여 학습결과를 예측하는데 그 목적을 둔 이론이 인지부하이론이다. 이 이론은 학습 자료의 설계 요소와 인간의 정보처리를 연결하고 있기 때문에 학습 환경에 폭넓게 응용될 수 있다. 멀티미디어 학습을 위해 효과적인 설계원리를 적용한 연구가 다양하게 제공되고 있는데 Mayer(2001)는 제한된 인지 공간 내에서 학습자에게 보다 효과적으로 정보를 제공할 수 있는 설계원리로 멀티미디어 원리, 인접성 원리, 응집성 원리, 양식 원리, 중복 원리 등을 제시하였다. 이와 같은 원리들 중 본 연구에서는 멀티미디어 설계원리로 인접성 원리(contiguity principle)를 사용하였다. 인접성 원리는 텍스트 정보와 이미지 정보를 최대한 공간적으로 인접하게 배치함으로써 화면 구성 레이아웃으로 인해 발생하는 인지부하를 줄이기 위한 원리(Mayer, 2005b)로 화면상의 자료 설계를 기반으로 하는 원리이며 멀티미디어를 위한 학습매체들(PC, 스마트기기 등)을 이용할 때 고려하여야 할 요소 중 하나이다. Mayer (2009)에 의하면 이 원리는 페이지나 학습매체의 화면상에서 같은 내용의 그림과 글자를 서로 가까이에 제시하면, 학습자는 글자와 그림을 시각적으로 찾는 데에 인지적 자원을 소모하지 않게 되어 작동기억에서 글자와 그림을 동시에 처리할 가능성이 높아지게 된다. 특히 여러 글자와 그림으로 멀티미디어 내용을 한 화면이나 한 페이지에 담아내기에는 가용공간이 제한되어 있기 때문에 화면 크기가 작은 매체, 특히 스마트패드 상에서 인접성 원리의 적용여부가 인지적 자원 소모와 관계가 깊다. 본 연구에서는 스마트패드 상에서 한 페이지나 화면의 공간을 어떻게 배분할 것인가에 대한 효율적인 멀티미디어 설계를 위해 인접성 원리를 적용하고자 하였다. 또한 본 연구에서는 이와 같은 인지부하이론 기반의 멀티미디어 학습과 관련된 기존의 연구들을 토대로 멀티미디어 설계 원리들 중 인접성 원리가 일반 PC상에서가 아닌 스마트패드를 활용한 학습에 반영되었을 경우 학업성취와 인지부하의 결과가 어떻게 다른지에 대한 연구의 필요성을 인식하게 되었다. 이 때 인접성 원리가 학업성취와 인지부하의 결과에 영향을 미치는 부분에 있어서 사전지식의 수준이 각각에 영향을 준다는 결과를 이미 기존연구들에서 제시하고 있기 때문에, 스마트패드 기반 학습에서 인접성 원리가 학업성취와 인지부하에 미치는 영향을 알아보는데 있어서 사전지식 수준을 통제할 필요가 있었다. 본 연구에서 제시하는 스마트패드 기반 학습 자료에 적용하고자 하는 멀티미디어 설계원리는 인접성 원리로서 자료의 제시 및 화면설계방법을 통해 외재적 인지부하를 줄이기 위한 원리이다. 화면 크기가 중요한 요소로 작용할 수도 있는 스마트패드의 기기적 특성을 고려하였을 때 어떠한 방식으로 정보가 시각적으로 제시되는지가 중요한 설계요소 중 하나가 될 것이다. 이와 같은 연구목적을 반영하여 본 연구에서 규명하고자 하는 세부적인 연구문제는 다음과 같다. 1. 스마트패드를 활용한 학습에서 사전지식을 통제할 경우, 인접성 원리의 적용여부(인접성원리 적용, 원리 미적용)에 따라 학업성취 결과에 유의미한 차이가 있는가? 2. 스마트패드를 활용한 학습에서 사전지식을 통제할 경우, 인접성 원리의 적용여부(인접성원리 적용, 원리 미적용)에 따라 인지부하의 수준(정신적노력, 신체적노력, 과제난이도, 자기평가, 자료설계)에 유의미한 차이가 있는가? 본 연구는 2013년 4월 1일에서 4월 8일에 걸쳐 충남 아산에 소재한 S대학교에 재학 중인 전공, 학년 불문의 대학생 총 120명을 대상으로 임의로 모집하여 실시하였고 그 중 117명의 유효한 연구결과 자료를 얻을 수 있었다. 처치를 위한 멀티미디어 학습자료는 화면설계 및 구성방식에 중점을 두어 설계하였다. 적용한 설계원리는 인접성 원리이며 이러한 설계원리에 따라 인지부하를 효과적으로 관리했는지 확인하는 간결한 방법은 그 효과성을 알아보는 것이다. 즉 학업성취가 올라갔거나 불필요한 인지부하가 줄었거나 하는 요소를 확인하는 것이라 할 수 있다(류지헌, 2012a). 본 연구에서는 학업성취에 미치는 영향을 알아보기 위해 사후검사지를 개발하여 이에 대한 측정을 실시하였으며, 류지헌, 임지현 (2009)의 연구에서 제시한 인지부하 측정도구를 활용하여 정신적 노력, 신체적 노력, 과제난이도, 자기평가, 자료설계를 인지부하의 수준으로 사용하여 측정하였다. 본 연구의 결론을 정리하면 다음과 같다. 사전지식을 통제하였을 때 인접성 원리의 적용 여부에 따라 종속변인인 학업성취에 대해 분석한 결과, 모형의 F 통계값은 34.300, 유의확률은 .000으로 유의수준 .05 수준에서 통계적으로 유의하다는 결과가 나타났다. 인접성 원리가 적용된 처치를 사용한 집단이 인접성 원리가 적용되지 않은 처치를 사용한 집단보다 학업성취 점수가 더 높게 나왔다. 이는 인접성 원리의 적용이 학업성취에 유의미한 영향을 미친다는 기존의 연구결과(류지헌, 2009a; Moreno & Mayer, 1999 등)를 지지하는 것이다. 또한 인지부하의 하위요인들(정신적 노력, 신체적 노력, 과제난이도, 자기평가, 자료설계)이 사전지식과 학업성취도와의 높은 상관을 가지고 있다는 연구결과를 제시한 류지헌 (2010b, 2011a)의 연구를 뒷받침한다. 대부분의 선행연구들이 멀티미디어 설계원리가 적용된 학습자료가 학업성취에 긍정적인 영향을 미친다고 보고하였는데, 스마트패드를 학습매체로 사용한 본 연구에서도 설계원리가 적용된 학습자료가 학습자의 학업성취에 유의한 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있었다. 사전지식을 통제하였을 때 스마트패드 상에서의 학습자료 구성에 있어 인접성 원리의 적용 여부에 따라 종속변인인 인지부하의 5가지 수준에 대해 분석한 결과, 신체적 노력에 대한 모형의 F 통계값은 13.899, 유의확률은 .000으로 유의수준 .05 수준에서 통계적으로 유의하다는 결과가 나타났다. 또한, 자료설계에 대한 모형의 F 통계값은 27.854, 유의확률은 .000으로 마찬가지로 유의수준 .05 수준에서 통계적으로 유의하다는 결과가 나왔다. 그러나 정신적 노력에 대한 모형의 F 통계값은 .034, 유의확률은 .854로 유의수준 .05 수준에서 통계적으로 유의하지 않다는 결과가 나타났다. 또한 과제난이도에 대한 모형의 F 통계값은 .210, 유의확률은 .648이며 자기평가에 대한 모형의 F 통계값은 .303, 유의확률은 .583으로 과제난이도와 자기평가에 있어서도 유의수준 .05 수준에서 통계적으로 유의하지 않은 결과를 나타내었다. 신체적 노력과 자료설계의 용이성에 대한 검사 점수가 인접성 원리를 적용한 처치 집단에서 훨씬 더 높았으며, 이는 자료설계에 설계원리가 반영됨에 따라 학습자료 화면구성에 따른 인지적 부하가 줄어들었고 그에 따라 학습하는 데 있어 신체적 피로가 줄어든다는 것으로 해석될 수 있다. 또한, 정신적 노력, 과제난이도, 자기평가에 대한 인지부하 결과가 연구 가설과 다른 결과가 나타난 것은 화면설계 및 자료제시에 중점을 둔 멀티미디어 설계원리(인접성 원리)를 적용한 학습과 그렇지 않은 학습 간에는 이 요인들과 연관성이 없다는 점으로 볼 수 있다. 이는 류지헌 (2009a)의 연구에서 제시했던 과제난이도에 따라서는 인지부하에 유의미한 차이를 보이지는 않았다는 결과를 뒷받침하고 있다. 텍스트 중심의 자료에서 화면배치유형과 동기 메시지가 인지부하에 미치는 영향에 대한 류지헌과 임태형 (2010)의 연구에서는 화면배치 방식이나 동기전략을 위한 메시지에 의해서 인지부하의 요인에 긍정적인 영향을 미친다는 결과를 제공하고 있는데 특히 정신적 노력의 정도가 달라진다는 점을 결과로 제시하고 있다. 이 연구의 결과에 따라 본 연구에서도 동기전략에 대한 메시지를 추가적으로 변인으로 사용하면 정신적 노력에 대해 미치는 영향 정도를 얻을 수 있을 것이다. 또한 류지헌 (2011b)의 연구에서는 일반 PC상에서 텍스트의 줄 길이와 근접성 원리가 과제유형에 따라 인지부하에 미치는 영향에 대한 결과를 제시하였는데 과제난이도 지각, 자기평가, 자료의 사용성에 있어서 유의미한 결과를 제공하였다. 이는 텍스트의 줄 길이가 근접성 원리의 적용보다 더 우선할 수 있다는 가능성을 확인해주고 있다. 결국 본 연구와 같은 스마트 패드 상에서의 화면 설계에 있어서는 텍스트 설계에 보다 신중한 접근이 필요하다는 점을 말해주고 있으며 인접성 원리를 적용할 때 텍스트 설계를 어떻게 하느냐에 따라 본 연구결과에서 기각된 과제난이도, 자기평가에 대한 영향이 달라질 수 있음을 예상할 수 있다. 본 연구를 통해 스마트패드를 기반으로 학습을 수행하는 학습자에게 적합한 화면설계 방안을 도출한다는 측면에서 다음과 같은 제언이 가능할 것이다. 첫째, 스마트패드의 특징을 고려하여 좀 더 기기적 특성에 초점이 맞춰진 멀티미디어 자료설계에 대한 연구가 수행될 필요가 있다. 스마트패드는 장비 제스쳐, 화면제시효과의 다양성 등 일반적인 PC상에서의 학습매체와 차별화된 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 기존의 선행 연구들에서 제시하였던 것과 유사한 일반적인 멀티미디어 설계원리가 적용된 학습자료를 단순히 스마트패드에 그대로 적용한 것에 대한 검증에 국한되었다. 멀티미디어 콘텐츠가 포함되는 학습 상황에서는 그렇지 않은 경우보다 더욱 복잡한 인지과정이 필요하고 또한 스마트패드 기반 학습에 영향을 주는 요인들이 부가적으로 발생하기 때문에 다양한 설계요인을 고려하여야 할 것이다. 둘째, 연구대상자의 인지부하를 측정하는데 있어 실제 관찰 결과를 포함하여 측정 방법의 객관성을 높일 수 있어야 한다. 특히 스마트패드 상에서의 학습을 진행할 때 학습 투입 시간, 신체적 자료(심장 박동수, 동공 확대 등)와 같은 객관적 측정을 위한 인지부하 측정 문항이 개발되어야 할 것이다. 셋째, 다양한 멀티미디어 설계원리를 적용해보는 것이다. 예를 들어, Sweller (1999)에 의하면 학습 정보가 단순히 시각자료만 제시하였을 때보다 시각과 청각의 두 감각 유형으로 제시될 때, 전체 작동기억의 능력은 더 효율적으로 사용될 수 있다고 한다. 이를 기반으로 웹 기반이 아닌 스마트패드 기반 학습에서의 청각자료 제시에 따른 설계원리를 적용해봄으로써 인지부하를 측정함에 있어 어떠한 결과를 가져오는지 연구해볼 필요가 있다. 넷째, 스마트 패드를 활용한 학습에서 멀티미디어 학습 자료를 설계함에 있어 학습자의 작동기억 인지부하를 고려하여 다양한 정보를 쉽게 통합할 수 있는 학습전략이 필요함을 시사한다. 본 연구에서의 인접성 원리에 국한된 자료제시가 아닌 스마트패드 상에서의 최적화된 학습자료 설계에 대한 전략이 연구가 되어야 할 것이다.;Research on multimedia learning is based on cognitive load theory (Sweller, 1999; Paas, Renkl, & Sweller, 2003). Cognitive load means the total amount of intellectual effort required to go through information processing of specific task (Sweller, 1998). Cognitive load theory, taking cognitive load as the main cause of underachievement, is a theory that aims at leading effective learning by means of identifying variable causing unnecessary cognitive load, and predicting results of learning given capacity and limitation of human cognitive structure. This theory could be applied to a wide range of learning environment since it links design factors of leaning materials to information processing of human. There are various studies that effective design principle is applied for multimedia learning. Mayer (2001) suggested the design principles that could offer information to learner within limited cognitive space in more effective way, including multimedia principle, contiguity principle, coherence principle, signaling principle and redundancy principle. When it comes to design theories for multimedia learning based on these cognitive load theories, there is growing need to conduct more studies with the aim of verifying their effectiveness from a practical point due to a variety of learning media. Based on the existing studies which are related to multimedia learning based on cognitive load theory, this study has been conducted to reveal how different the result of learning achievement and cognitive load are when multimedia design principle is applied to smartpad-based learning, not to PC-based one. While doing so, it is required to control the level of prior knowledge in understanding multimedia design principle's influences on learning achievement and cognitive load since the existing studies found that the level of prior knowledge affects to results of learning achievement and cognitive load respectively in smartpad-based learning. Multimedia design principle that is applied to smartpad-based learning materials in this study aims at reducing extraneous cognitive load by means of data presentation and screen design method as contiguity principle. Given smartpad's characteristic that its screen size might be a significant factor, one of the most critical design factors is the way that visual information is displayed. To meet this goal, this study seeks to unveil specific tasks like the followings. 1. When controlling prior knowledge in learning using a smartpad, is there significant difference in learning achievement according to whether multimedia design principle (contiguity principle) is applied to or not ? 2. When controlling prior knowledge in learning using a smartpad, is there meaningful difference in the level of cognitive load (mental effort, physical effort, task difficulty, self evaluation and material design) according to whether multimedia design principle (contiguity principle) is applied to or not ? This study is conducted by randomly selecting a total of 120 students, regardless of their majority and school year, in ‘S’ University located in Asan, Chungnam, from April 1 to April 8 in 2013. The effective research data from the students are things of 117 students. Multimedia learning materials for treatment is designed focusing on screen design and format, based on contiguity principle of design principle. According to this design principle, the concise way to confirm whether cognitive load is managed effectively or not is to identify its effectiveness. In other words, the way is to confirm that learning achievement is improved or unnecessary cognitive load is reduced (Ryu, 2012a). Therefore, with post-questionnaire that was developed in order to measure its influence on learning achievement, this study measured learning achievement by taking mental effort, physical effort, task difficulty, self evaluation and data design as the level of cognitive load and by utilizing measurement tools for cognitive load in the study of Rye & Lim (2009). The conclusion of this study is like the followings. As the result of analyzing learning achievement, dependent variable, according to whether multimedia design principle is applied when controlling prior knowledge, F statistical value of model recorded 34.300 and its p-value stood at .000, showing that it is statistical significance at .05 of significance level. Group that uses treatment with contiguity principle showed higher scores than a group that uses treatment without contiguity principle. This supports the results of the previous studies (Ryu, 2009a; Moreno & Mayer, 1999, etc.) that application of multimedia design principle has a meaningful effect on learning achievement. Most of advanced studies reported that learning material with multimedia design principle has positive influence on learning achievement. In this study taking smartpad as learning media, it is also confirmed that learning material with design principle could have meaningful influence on learning achievement of learner. In addition, this study analyzed five levels of cognitive load, dependent variable, according to whether multimedia design principle is applied or nor when controlling prior knowledge. As the result of it, model's F statistical value related to physical condition recorded 13.899 and its p-value stood at .000, showing that it is statistical significance at .05 of significance level. Furthermore, model's F statistical value related to data design recorded 27.854 and its p-value stood at .000, showing that it is statistical significance at .05 of significance level. However, it also shows that there is no meaningful difference in mental effort(F statistical value = .034, p-value = .854), task difficulty(F statistical value = .210, p-value = .648) and self evaluation(F statistical value = .303, p-value = .583). When it comes to physical condition and easiness of data design, a treatment group that multimedia design principle is applied shows higher scores than the other group. This could be interpreted that, as design principle is applied to data design, cognitive load according to screen format is lightened, resulting in reduced physical fatigue as well. Through this study, the following suggestions could be made in terms of establishing the way of screen design appropriate to smartpad-based learner. First, it is required to conduct a study on multimedia data design by focusing on more effective use of device, given smartpad's characteristics. This study is restricted only to the verification of learning materials that are applied to smartpad. At this time, general multimedia design principles similar to those of existing studies are applied to the learning materials. In learning situation with multimedia data, it needs more sophisticated cognitive process than otherwise and must consider various design factors since it is inevitable to have additional factors that affect on smartpad-based learning. Second, it must be able to be more objective in measuring cognitive load of subjects, including result of observation. In addition, it also is required to conduct further study on more appropriate measurement tool for cognitive load, given smartpad-based learning. Third, it is required to apply various multimedia design principles. According to the Sweller (1999), learning materials are submitted to the types of sight and auditory not just the type of sight, the capacity of whole working memory is more vitalized.