An Eye-Tracking Study on Math Sentence Task Performance and Related Factors in Early Grade Children With Reading Difficulties

Abstract

연구 목적: 읽기는 의사소통에 있어서 중요한 수단이며, 특히 학습의 기반이 되는 언어 능력이 다. 문어(written language)의 비중이 높아지는 학령기에는 여러 가지 교과 지식을 문어를 통 해 습득하게 되기에, 학령기 아동에게 읽기는 더욱 중요하다고 할 수 있다. 교육 및 임상 현장 에서 난독 아동의 특성을 살피다 보면, 이들 중 대다수가 수학 학습 과정에서도 어려움을 가 지고 있다는 것을 발견할 수 있다. 이러한 현상은 다수의 선행연구에서도 다루어지고 있는데, 이에 따르면 난독증에 해당하는 아동의 30-70%가 난산증을 동반한다고 보고되고 있다. 난독 증을 동반한 아동이 수학 학습 시 어려움을 보이는 영역은 수학 문장제 문제이다(Hardy & Clemens, 2024). 읽기에 어려움이 있는 아동의 경우 문제 해결을 위한 연산 단계에 들어가 기 전에 문장에 내포된 정보의 해석에서 어려움을 보이게 되며(Jitendra & Xin, 1997), 이는 낮은 수학 학업 성취도로 이어지게 된다. 수학은 다른 과목보다 위계적 연결성이 강조되는 과 목인 만큼, 조기에 학습 부진을 발견하고 중재했을 때 선수학습 결손의 양이 줄어들며 지속적 인 학습이 가능해진다. 이처럼 읽기와 수학, 그리고 수학 문장제 문제는 밀접한 관계를 가지 지만, 국내에서는 초등 저학년 시기의 읽기부진 아동을 대상으로 수학 문장제 문제를 다룬 연 구가 매우 제한적이며, 이들이 어떤 고유한 특성 때문에 수학 문장제 문제 해결에 어려움을 보이는지에 대한 면밀한 탐구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 초등학교 저학년(1-2학년) 아동을 대상으로, 읽기부진 여부에 따 른 수학 문장 과제 수행력의 특성을 탐구하고자 한다. 또한 수학 문장 과제 수행과 관련된 인 지적 및 언어적 예측 변인을 함께 살펴봄으로써, 아동의 수학 문장 처리에 영향을 미치는 요 인을 밝혀내고자 한다. 이를 통해 추후 임상 현장에서 읽기부진 아동의 수학 및 통합적 학습 지도 시 효과적인 중재 방향성을 제시하는 데 본 연구의 학문적 및 임상적 의의가 있다. 연구 방법: 본 연구에는 초등학교 1-2학년에 재학 중인 읽기부진 아동 16명과 일반 아동 22명 이 참여하였다. 두 집단 간 연령과 지능에는 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 본 실험에서 각 아동은 Eye-tracking을 이용한 실시간 수학 문장 과제(32문항)와 수학 문장 식답쓰기 과제 (32문항)를 실시하였다. 또한 각각의 과제는 수학 문장이 음성으로 제시되는 듣기 조건과 글 xi 자로 제시되는 읽기 조건, 두 가지 조건으로 나뉘었다. 관련 요인을 알아보기 위해 수용어휘 력, 문장이해력, 수감각능력, 연산능력, 작업기억능력을 측정하는 검사도 함께 실시하였다. 연구 결과: 수학 문장 식답쓰기 과제에서 과제 제시 양식은 정확도에 유의한 영향을 미쳤으며, 듣기 조건에서 읽기 조건보다 수행 정확도가 낮았다. 읽기 조건의 식답쓰기 과제에서는 읽기 부진 집단이 일반 아동 집단과 유사한 정확도를 보였음에도 불구하고 유의하게 더 많은 시간 이 소요되었다. 과제 수행력을 예측해주는 관련 변인은 집단에 따라 다른 양상을 보였는데, 읽기부진 집단에서는 읽기 조건에서의 식답쓰기 정확도를 예측하는 데 수감각 능력이 가장 강 력한 변인으로 나타났으며, 수감각 능력, 연산 능력, 그리고 수용 어휘력은 읽기 조건에서의 과제 수행 시간과 관련되었다. 반면, 듣기 조건에서는 유의한 예측 변인이 없었다. 일반 아동 집단에서는 수감각 능력이 듣기와 읽기 조건 모두에서 과제 수행 정확도를 예측하였으며, 구 문의미이해력과 연산 능력이 읽기 조건에서의 과제 수행 시간을 유의하게 예측하였다. 시선추적기 (Eye-tracking)를 이용한 실시간 수학 문장 과제에서는 문장 제시 순서와 문장 유형에 따라 결과를 분석하였다. 집단 간 문장 제시 순서에 따른 시선 고정 횟수 (fixation count), 주시 시간(dwell time), 도약 횟수(saccade count)를 살펴보면, 모든 지표 에서 과제 제시 조건에 따른 차이가 나타났으며, 집단과 과제 유형 간 상호작용도 유의하게 나타났다. 그리고 일반 아동 집단은 과제 제시 조건과 수학 문장 유형에 따라 시선 고정 횟수, 주시 시간, 도약 횟수를 전략적으로 조절하는 반면, 읽기부진 집단은 이러한 시각 조절 능력 이 제한적이었다. 특히 읽기부진 아동은 읽기 조건에서 추론 유형의 수학 문장 과제 수행 시, 목표 지향적 시선 조절이 감소하였다. 실시간 시선 처리 과제 수행력을 예측해주는 관련 변인을 살펴본 결과, 읽기부진 아 동은 연산 능력과 작업기억능력이 읽기 및 듣기 조건에서의 시선 행동을 유의하게 예측하였 다. 반면, 일반 아동 집단에서는 대부분의 예측 모형이 유의하지 않았다. 실시간 시선 처리 지 표와 수학 문장 식답쓰기 과제 수행력 간의 추가적인 회귀 및 상관분석에서는 집단별 차이가 더욱 뚜렷하게 드러났다. 읽기부진 집단에서는 듣기 조건에서 주시 시간이 과제 수행 정확도 를 유의하게 예측하였다. 반면, 일반 아동 집단에서는 어떠한 시선 처리 지표도 수학 문장 식 답쓰기 과제 수행을 예측하지 않았다. xii 결론 및 논의: 과제 제시 양식은 아동의 시각적 주의 및 과제 수행 정확도에 유의한 영향을 미쳤다. 특히 읽기부진 아동은 듣기와 읽기 조건 및 문장 유형애 따라 시각적 주의를 유연하게 조절하 는 능력이 제한적이었으며, 비효율적이거나 단편적인 주의 전략에 의존하는 경향을 보였다. 반면 일반 아동은 특히 읽기 조건에서 보다 전략적인 시선 조절을 통해 수행력을 향상시키는 경향을 보였다. 이는 읽기부진 아동의 어려움이 단지 언어 처리에만 국한되지 않고, 언어와 수학 정보를 통합하는 능력에서도 제약이 있음을 시사한다. 해독 유창성과 음운 작업기억의 제약에도 불구하고, 읽기부진 아동은 시간 제한이 없 는 읽기 조건 식답쓰기 과제에서 만점 수준의 정확도를 보였다. 이는 충분한 시간이 주어질 경우, 이들이 복잡한 언어-수학 과제를 해결할 수 있는 능력을 지니고 있음을 시사하나, 그 과 정은 보다 많은 인지 자원을 소모하는 보상 전략에 의존한 결과일 수 있다. 시선추적 분석 결과, 집단별로 시각 정보 처리 양상이 다르게 나타났다. 읽기부진 아 동의 경우, 듣기 조건에서 지속적인 주시 시간이 정확도를 예측하였으며, 이는 청각적 부담 상황에서 시각 집중을 통해 보상적 주의 전략을 사용하는 것으로 해석된다. 그러나 읽기 조건 에서는 통합적인 시선 처리가 부족하였다. 반면 일반 아동은 두 조건 모두에서 목표 지향적이 고 상호 연관된 시선 처리를 보였다. 이러한 결과는 읽기부진 아동이 겪는 어려움이 단순히 해독이나 음운 처리와 같은 언어적 능력에서의 제한뿐만 아니라, 주의 조절 및 언어-수리 정보 통합 전반에 걸친 제약을 포함하고 있음을 시사한다. 이에 따라, 읽기부진 아동을 위한 수학 문장제 문제 중재는 단순 한 기초적인 해독 유창성 훈련을 넘어, 음운 작업기억 향상, 전략적 시각 주의력 향상에 대한 명시적 지원을 포함해야 한다. 더 나아가 언어, 수리, 주의 조절을 통합하는 다중양식적 접근 이 병행되어야 하는데, 이러한 통합적 접급은 이들의 학업 수행 향상을 위한 효과적 지원 방 법이 될 수 있다.;Research Purpose: Reading is a crucial means of communication and serves as a fundamental linguistic ability underlying learning. During the early school years, when the proportion of written language input increases, children are expected to acquire academic knowledge primarily through text-based materials. Accordingly, reading becomes an especially vital skill for school-aged children. Educational and clinical observations suggest that many children with reading difficulties also struggle with mathematics learning, particularly with mathematical word problems. This comorbidity has been well documented in previous studies, which report that approximately 30%~70% of children with dyslexia also exhibit symptoms of dyscalculia. Among the various areas of difficulty, word problems represent a unique challenge, as children with reading impairments often experience difficulty interpreting problem-relevant information even before reaching the arithmetic phase (Jitendra & Xin, 1997), which ultimately leads to poor academic performance in mathematics (Hardy & Clemens, 2024). Given the cumulative and hierarchical nature of mathematics, early identification and intervention are essential to prevent cascading deficits in learning. Despite the tight relationship between reading and mathematical word problems, research focusing on young Korean children with reading difficulties in the context of word problem solving is scarce. Moreover, there is a need for a more detailed examination of the specific linguistic and cognitive factors that hinder mathematical word problem solving in this population. This study aims to examine the performance characteristics of first- and second-grade elementary school children on math sentence tasks based on their reading ability. Furthermore, it investigates the cognitive and linguistic predictors that influence task performance, with the ultimate goal of informing evidence-based intervention strategies for supporting children with reading difficulties in both academic and clinical settings. Method: Sixteen children with reading difficulties (RD) and 22 typically developing (TD) children in first or second grade participated in the study. There were no statistically significant differences between the two groups in terms of age or nonverbal intelligence. Each participant completed two experimental tasks: a real-time math sentence task administered via eye-tracking (32 items), and a math sentence-to-equation written response task (32 items). Both tasks were presented under two modality conditions: spoken and written. Additionally, standardized assessments were conducted to measure receptive vocabulary, sentence comprehension, number sense, arithmetic skills, and working memory as potential predictors of performance. Results: Accuracy in the math sentence-to-equation task was significantly influenced by task modality, with both groups showing lower performance in the spoken condition. In the written condition, the RD group achieved accuracy comparable to the TD group but required significantly more time, suggesting reliance on compensatory processing. Predictive variables differed by group: in RD children, number sense significantly predicted written accuracy, while no significant predictor emerged for the spoken condition. For TD children, number sense predicted accuracy across both modalities, and syntactic comprehension predicted completion time. Eye-tracking analyses revealed that TD children exhibited greater gaze modulation across modalities and sentence types, with increased fixation and dwell time in the written condition. RD children showed more limited visual adaptation and less goal-directed fixation, especially for inferred quantity sentences in the written mode. Regression analyses of eye-tracking measures revealed that, in the RD group, working memory and arithmetic skills significantly predicted gaze behavior under visually demanding conditions. In contrast, predictive models were largely nonsignificant in the TD group, suggesting more automated visual strategies. Regression and correlation analyses further clarified group-specific patterns. In the RD group, dwell time significantly predicted task accuracy in the spoken condition, and was positively correlated with performance. In the written condition, no significant predictors emerged. In the TD group, no eye-tracking metric predicted task performance. Conclusion & Discussion: Input modality significantly influenced both gaze behavior and task performance in children with and without reading difficulties. Children with RD exhibited reduced flexibility in modulating their visual attention across modalities and sentence types, and relied on less efficient or fragmented attentional strategies. In contrast, TD children showed dynamic and integrated gaze patterns, especially in the written condition, where increased fixation and dwell time aligned with task structure and predicted performance. Despite limitations in decoding fluency and phonological working memory, children with RD demonstrated high accuracy in the written sentence-to-equation task when no time constraints were imposed. This suggests that, with sufficient time, these children are capable of solving complex math-language problems, though through effortful or compensatory strategies. However, the absence of reliable predictors in the spoken condition highlights their challenges in real-time auditory integration and cognitive flexibility. Eye-tracking analyses revealed group-specific coordination of visual metrics. In the RD group, sustained dwell time in the spoken condition predicted accuracy, suggesting compensatory visual engagement under auditory load. In the written condition, however, their gaze patterns lacked integration. Conversely, TD children exhibited interdependent and goal-directed gaze behavior across conditions, reflecting their ability to flexibly coordinate attention, language, and numerical reasoning. These findings underscore that the challenges experienced by children with reading difficulties extend beyond decoding and phonological skills to include broader limitations in attentional modulation and linguistic-numerical integration. Interventions should therefore go beyond fluency training to include explicit support for phonological memory and strategic visual attention. Incorporating multimodal instructional approaches that align language, numeracy, and attentional supports may be critical for fostering academic success in this population.