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동영상 학습 구간별 회상된 인지부하와 학습자 생리심리반응의 관계 분석

Title
동영상 학습 구간별 회상된 인지부하와 학습자 생리심리반응의 관계 분석
Other Titles
Relationship Analysis of Learner Physiological Response and Recalled Cognitive Load in Video-Based Learning
Authors
김연주
Issue Date
2017
Department/Major
대학원 교육공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
조일현
Abstract
정보통신기술의 발달과 함께 스마트 디바이스를 통한 동영상 학습이 전세계적으로 활성화되는 추세이다. 이러한 학습은 주로 짧은 동영상을 중심으로 하는 마이크로 러닝의 형태를 띄며, 기존의 면대면 학습과는 다르게 학습자가 더 이상 학습을 위해 별도의 시간을 낼 필요가 없는 것이 장점으로 대두된다. 이와 더불어 학습 컨텐츠의 접근성과 간편성에 대한 요구 또한 증대되고 있다. 그러나 동영상 컨텐츠를 활용한 학습이 활성화되고 있음에도 불구하고, 대부분의 동영상 학습은 기존의 교실에서 이루어졌던 전통적인 방식의 수업에 비해 컨텐츠의 절차적 구성 및 학습내용 전달 방식 등에서 교수설계적 행위가 비교적 미비하게 이루어지고 있다. 학습 장소 및 학습자 중심 학습으로의 변화로 인해 기존의 교수설계를 동영상 학습에 적용하기에는 한계가 있으므로 동영상 학습에 적합한 새로운 교수설계가 필요하다. 효과적인 교수설계를 위해서는 학습자의 인지부하가 주요하게 고려되어야 한다. 학습자의 인지부하가 중요한 이유는 학습과정에서 발생하는 개별 학습자의 인지 부하를 감소시켜야 효과적인 학습이 이루어질 수 있기 때문이다. 학습상황에서 발생한 학습자의 인지과정을 관찰할 수 있는 효과적 방법으로 회상자극 기법이 주목받고 있는데, 이는 회상자극자로 불리는 특정 단서를 활용하여 대상자의 생각이나 전략 등을 회상시키는 사후적 내성 관찰 방법이다. 회상자극 기법은 학습과정에서 발생하는 학습자의 인지부하를 면밀히 관찰할 수 있으며, 학습의 어느 부분에서 학습자 인지부하가 발생했는지 알 수 있기 때문에 기존의 교수설계 접근에서의 관찰법과 차별화될 수 있다. 그러나 이러한 회상자극기법은 회상자극자를 선별하는 과정에서 연구자의 직관에 의존하므로 분석 결과의 신뢰도와 타당도가 보장되지 않고, 연구자가 대상자의 반응을 일일이 분석해야 하는 노동집약적인 연구방법이라는 한계를 보인다. 회상자극기법의 한계를 극복하기 위해서는 학습자의 생리심리 반응을 활용할 수 있다. 생리심리 반응을 활용한 인지부하 측정은 정보의 실시간 수집이 가능하며, 비간섭적인 측정방법이기 때문에 자연스러운 학습상황에서 인지부하 측정이 가능하다는 장점을 지닌다. 학습자 인지부하 발생 시 객관적으로 관찰되는 학습자의 생리심리 반응을 활용하여 회상자극자를 찾게 되면 연구자의 주관성이 희석되며, 수집된 데이터 기반으로 식별 시스템을 구축할 수 있어 회상자극자를 찾는데 걸리는 시간이 현저하게 줄어들어 기법의 적용효율성이 개선되기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 대상의 인지부하를 측정할 수 있는 도구로 알려진 생리심리반응 중 어떤 것이 동영상 학습상황에서 학습자의 인지부하를 잘 나타내는 지 알아보려 한다. 이에 따른 본 연구의 연구문제는 다음과 같다. 연구문제 1. 동영상 학습에서 학습자의 생리심리반응(뇌파, 동공크기, 심박변이도)은 구간별로 어떻게 나타나는가? 연구문제 2. 동영상 학습에서 학습자의 회상된 인지부하는 구간별로 어떻게 나타나는가? 연구문제 3. 1과 2의 결과를 비교했을 때, 학습자의 회상된 인지부하를 설명할 수 있는 생리심리반응은 무엇인가? 본 연구는 수도권 소재 대학교에 재학중인 대학교 2학년 학생 73명을 대상으로 진행되었으며, 실험을 통해 대상자의 생리심리반응인 뇌파, 동공크기, 심박데이터와 회상된 인지부하반응을 수집하였다. 모집된 대상의 성별과 전공계열은 균일하게 분포하였다. 실험에서 대상자는 각 10분 내외로 구성된 두 개의 학습 영상을 통해 학습을 진행하게 되며, 이 과정에서 대상의 생리심리반응 및 기저반응 측정이 이루어진다. 학습 종료 직후 3분 이내의 휴식시간을 가진 후 대상자는 앞서 학습한 영상을 보며 인지부하가 발생한 지점을 회상하여 기록한다. 자료수집이 완료된 후 각 데이터의 특성을 확인하기 위해 기술통계와 상관분석을 시행하였고, 각 데이터의 학습 구간별 변화 추이를 살펴보았다. 본 연구의 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 동영상 학습에서 발생한 학습자 생리심리 반응 중 뇌파반응의 경우, 학습 목표 및 개념에 대한 예시가 제시될 때 활발하게 발생하였다. 동공크기 변화의 경우 학습 시작 시 최고점을 기록한 이후 학습 도중에 변곡 없이 점차 하락하는 추이를 나타내었다. 마지막으로 심박의 경우, 학습 시작 시 최저점을 기록하며 이후 점차 상승하는 양상을 나타내었다. 둘째, 동영상 학습에서 학습자의 회상된 인지부하는 새로운 개념 또는 개념의 심화를 제시하는 부분과 학습한 개념을 실제 사례에 적용하는 예시가 제시되는 구간에서 높게 나타났다. 셋째, 구간별 학습자 생리심리반응과 회상된 인지부하를 비교했을 때 학습자의 동공크기 변화가 회상된 인지부하와 부적으로 유의한 상관관계를 나타냈다. 또한 학습자 생리심리반응 중 뇌파와 심박변이도는 비록 회상된 인지부하와 통계적으로 유의한 상관을 보이지 않았으나, 추이 비교 시 심화된 개념을 제시 및 학습한 개념을 실제 사례에 적용하는 일부 구간에서 유사하게 변화하였다. 본 연구의 시사점은 다음과 같다. 동영상 학습과정에서 학습자의 회상된 인지부하와 통계적으로 유의한 상관을 보이는 학습자 생리심리반응은 학습자의 동공크기 변화이다. 이는 동공크기 변화와 인지부하가 정적 상관을 보인다는 기존 선행연구와 상반되는 결과이나, 이러한 선행연구는 일반적으로 대상에게 덧셈과 곱셈과 같은 간단한 수학연산 문제를 풀게하였으며 각 문제에 따른 답을 즉시 제시하도록 하였다. 이와 달리 본 연구에서는 대상에게 간단한 수학연산 문제가 아닌, 영상을 통해 전칭명제와 양항명제와 같은 명제 개념 학습을 유도하였다. 따라서 선행연구와 배치되는 본 연구의 결과는 명제의 개념에 대한 정보가 일방향으로 단순 전달되며 내용 전달 이외의 학습활동이 없는 실험 영상의 특성을 반영하여 해석해야 한다. 연구자는 동영상 학습진행 중 동공크기의 변곡점에서 학습자의 인지과정에 변화가 생겼음을 추측하고 이를 회상자극기법에 활용할 수 있다. 학습자 생리심리반응 중 뇌파와 심박변이도는 회상된 인지부하와 통계적으로 유의한 상관을 보이지는 않았으나, 일부 변곡점 및 변화패턴이 회상된 인지부하의 변화양상과 유사하게 나타났다. 생리심리반응과 회상된 인지부하가 보인 이러한 변곡점은 학습 내용과 밀접하게 연관이 되어 있었는데, 심화된 개념을 제시하거나 예시를 통해 학습한 내용을 실제 사례에 적용할 때 발생하였다. 따라서 연구자는 해당 생리심리반응의 변곡점과 해당 시점의 학습내용을 고려하여 회상자극기법을 실시할 수 있다. 또한, 학습자의 회상된 인지부하와 생리심리반응을 통해 추정한 인지부하 완벽히 부합하지 않는다는 본 연구의 결과는 학습자의 실제 경험과 인지에 차이가 있음으로 시사한다. 따라서 생리심리반응을 적용한 회상자극기법은 회상자극기법의 적용효율성 개선 뿐 아니라 회상자극기법을 통해 측정할 수 있는 인지부하의 범위를 넓힐 수 있는 측정기법으로서의 확장 가능성을 제시한다. 본 연구의 제한점 및 제언은 다음과 같다. 첫째, 본 연구는 실험실 환경에서 진행되었기 때문에 대상자의 자연스러운 반응을 유도 또는 측정하기 어려웠다. 학습자에게 부착하는 장비가 학습 경험을 방해할 수 있기 때문에 연구 결과가 일반 학습상황을 완벽하게 대변하지 못할 수 있다. 따라서 후속 연구에서는 학습자의 반응에 미치는 영향을 최소화한 비간섭적 측정도구의 개발 및 적용이 고려되어야 한다. 둘째, 본 연구에서는 대상자의 사전지식 또는 성취수준을 반영하여 분석이 이루어지지 않았다는 제한점이 있다. 대상자의 사전지식 및 성취수준은 본 연구에서 측정하고자 한 인지부하와 연관된 변인으로 알려져 있기 때문에 추후 후속 연구 진행 시 해당 변인에 따라 대상 집단을 나누어 추가 분석을 실시할 필요가 있다. 마지막으로, 회상자극기법 활용 시 인지부하 발생시점과 기록시점 간의 미세한 시간 격차가 발생하기 때문에 이러한 오류가 결과에 미치는 영향을 줄이기 위해 연구자의 개입이 필요하다. 즉, 구간의 경계에 회상이 기록된 경우 연구자가 실험 종료 후 회상의 발생시점이 속한 구간을 명확히 확인하는 절차를 추가하면 보다 정확한 분석 결과를 얻을 수 있을 것이다.;With the development of information and communication technology, video learning through smart devices is becoming active worldwide. Such learning is mainly in the form of micro-learning centered on short videos, and unlike existing face-to-face learning, it is advantageous that the learner does not have to spend extra time for learning anymore. In addition, the demand for accessibility and simplicity of learning contents is also increasing. However, in spite of the fact that the learning using video contents is activated, most of the video learning is less in the instructional design activities than the traditional classroom teaching in the classroom .Because of the limitations in applying existing instructional design to video learning due to changes in learning location and learner - centered learning, new teaching design suitable for video learning is needed. For effective instructional design, learners' cognitive load should be considered. The reason why the learner's cognitive load is important is to reduce the cognitive load of the individual learner in the learning process so that effective learning can be achieved. Stimulated recall is attracting attention as an effective way to observe learner's cognitive process in learning situation. This is an observation method which recalls a subject's thoughts or strategies using specific clues called recall stimulants. Stimulated recall can be distinguished from observation method in existing instructional design approach because it can closely observe learner's cognitive load that occurs in learning process and know where learner' s cognitive load occurred in part of learning. However, this method of recalling stimuli relies on the intuition of the researcher in the process of selecting the recall stimuli. Therefore, the reliability and validity of the analysis result are not guaranteed and the researcher has to analyze the reaction of the subject. In order to overcome the limitation of the stimulated recall, the learner's physiological psychological reaction can be utilized. The cognitive load measurement using the physiological psychological reaction is capable of real-time collection of information and it is a non-intrusive measurement method, so it has the advantage that the cognitive load measurement is possible in a natural learning situation. When the recall stimulus is selected through the physiological psychological response that appears in the learner cognitive load, the subjectivity of the researcher is lowered. Also, since the time required to search for recall stimuli is significantly reduced through the identification system based on physiological psychological data, the application efficiency of the technique improves. Therefore, in this study, we try to find out which of the physiological psychological responses, which are known as tools for measuring the cognitive load of the subject, represents the cognitive load of the learner in the video learning situation. The research problems of this study are as follows. 1. How does the learner's physiological psychological response (EEG, Pupil size, HRV) appear in each section of video learning? 2. How does the recalled cognitive load of the learner in the video learning appear in each section? 3. When comparing the results of 1 and 2, what is the physiological response that can explain the learner's recalled cognitive load? This study was conducted on 73 students who were in the second year of college at the university in the capital area. The subjects' physiological responses such as EEG, pupil size, HRV data and recalled cognitive load responses were collected through experiments. Gender and major series of the subjects were uniformly distributed. In the experiment, the subject is trained through two video lectures composed of about 10 minutes each. In this process, physiological psychological reaction and baseline response of the subject are measured. After having a break within 3 minutes immediately after the end of the study, the subject recalls the previously video lecture and recalls the point where the cognitive load occurred. After collecting data, descriptive statistics and correlation analysis were performed to check the characteristics of each data. The results of this study are as follows. First, in the learner's physiological psychological reaction that occurred in video lecture, the case of EEG occurred actively when an example of learning goal and concept was presented. In the case of pupil size change, the highest peak was recorded at the start of learning, and then gradually decreased without any distortion during learning. Finally, in the case of HRV, the lowest point was recorded at the start of learning and then gradually increased. Second, in the video learning, the recalled cognitive load of the learner was high in the section showing the deepening of a new concept and the section in which the learned concept was applied to the actual case. Third, when the learner 's physiological response by interval was compared with the recalled cognitive load, the pupil size change of learners showed a significant negative correlation with recalled cognitive load. In addition, EEG and HRV changes during learner physiological responses did not show statistically significant correlation with recalled cognitive load, but similar changes were made in some sections that applied deepened concepts or applied learned concepts to actual cases. The implications of this study are as follows. The learner physiological response, which shows a statistically significant negative correlation with the learner's recalled cognitive load during the video learning process, is the pupil size change of the learner. This result is in contradiction with the previous study showing that pupil size change and cognitive load show statistically significant positive correlation. These prior studies generally solved simple mathematical computations such as addition and multiplication, and gave an immediate answer to each question. In contrast, in this study, conceptual learning of propositions was induced through video. Therefore, the results of this study, which is placed in the previous study, should be interpreted in accordance with the characteristics of the experiment video without the learning activities other than the content delivery. The researcher can guess the change of learner's cognitive process at the inflection point of the pupil size during the video learning process and apply it to the stimulated recall. In the learner physiological response, EEG and HRV did not show statistically significant correlation with the recalled cognitive load, but some inflection points and change patterns were similar to those of recalled cognitive load. These inflection points, which showed the physiological psychological reaction and the recalled cognitive load, were closely related to the content of the learning, which occurred when applying the learned contents to the actual case by presenting the deepened concept or illustrative example. Therefore, the researcher can perform the stimulated recall considering the inflection point of the physiological psychological reaction and the learning contents at the time point. Also, the results of this study suggest that the cognitive load of the learner and the cognitive load estimated through the physiological response do not match perfectly, suggesting that there is a difference between the learner 's actual experience and cognition. Thus, the stimulated recall using the physiological psychological response not only improves the application efficiency of the stimulated recall but also expands the possibility of expanding the range of the cognitive load that can be measured through the stimulated recall. The limitations and suggestions of this study are as follows. First, this study was conducted in a laboratory environment, so it was difficult to induce or measure the natural reaction of the subject. Because the equipment attached to the learner may interfere with the learning experience, the results of the study may not be representative of the general learning situation. Therefore, in future research, the development and application of Non-interference measurement tools that minimize the influence of learner's responses should be considered. Second, in this study, there is a limitation that the analysis is not performed reflecting the prior knowledge or achievement level of the subject. It is necessary to carry out additional analysis by dividing the target group according to the relevant variables in the follow-up study, since the prior knowledge and achievement level of the subject are known to be associated with the cognitive load to be measured in this study. Finally, because of the small time gap between the time of cognitive load and the time of recording, the intervention of the researcher is needed to reduce the effect of this error on the results. In other words, if the recall thought is recorded at the boundary of the interval, the more accurate analysis result can be obtained by adding the procedure that the researcher clearly confirms the interval at which the recall thought occurs.
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