Eye Tracking Analysis for High School Students' Learning Styles in the Process of Solving on Earth Science I

Ⅰ. 서 론

최근 증강현실(Augmented Reality)이나 가상현실 (Virtual Reality) 등 체험 기술이 교육에 활용되면서,

지식의 획득, 저장, 인출 및 활용 등 인지과학에 대 한 관심이 날로 높아지고 있다. 특히 학습상황에서 학생의 과학 지식이 어떻게 형성되고, 이것이 어떻 게 문제풀이 상황 혹은 학습 상황에 영향을 미치는

Received 23 March, 2017; Accepted 13 April, 2017

*Corresponding author : Hyoungbum Kim, Chungbuk National University, 1 Chungdae-ro, Seowon-Gu, Cheongju Chungbuk Chungcheongbuk-do, 28644, Korea Phone: +82-42-261-2737

E-mail: [email protected]

본 논문은 안영균의 2017년도 석사 학위논문의 내용을 발췌 정리하였음

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ORIGINAL ARTICLE

지구과학 I 문제 해결 과정에서 나타난 학습유형에 따른 고등학생의 시선 추적 분석

안영균·김형범^* (^*충북대학교)

Eye Tracking Analysis for High School Students’ Learning Styles in the Process of Solving on Earth Science I

Young-Kyun An · Hyoungbum Kim

ABSTRACT

The purpose of this study is to analysis eye tracking for high school students’ learning styles in the process of solving in the behavioral domains of the College Scholastic Ability Test on Earth Science I. The subjects of this study were 50 students from two classes out of 4 classes in E high school in Chungcheong province.

Among them, we conducted experiments by randomly sampling 2 students of each type of learning based on the criteria that they had not encountered the problem of Earth Science I from the past two years. The findings indicate that the item correctness rate of divergers, assimilators, convergers, and accommodators were higher in the knowledge domain, application domain, knowledge-understanding domain, and understanding domain. This confirms that there is a difference among the four learning styles in the level of achievement according to the behavioral areas of the assessment questions. The latter finding was that the high eye-share of AOI 2 appeared higher than AOI 1, 3, 4 in the course of solving the problems. This is because the four types of learners pay more careful attention to the AOI 2 area, which is the cue-or-information area of problem solving, that is, the Table, Figure, and Graph area. Therefore, in order to secure the fairness and objectivity of the selection, it is necessary that an equal number of questions of each behavioral domain be selected on the Earth Science Ⅰ Test of the College Scholastic Ability Test in general. Besides, it seems to be necessary that the knowledge, understanding, application, and the behavior area of the inquiry be highly correlated with the AOI 2 area in development of test questions.

Key words : eye tracking, earth science, learning styles, problem solving

지, 주어진 문제와 학생들의 기존 지식 혹은 믿음과 어떠한 상호작용을 하는지 등에 관한 연구가 과학 교육을 중심으로 활발하게 이루어지고 있다.

일반적으로 개인은 스스로 학습하는 동안 자신의 학습방식과 능력을 깨닫고 다양한 교수-학습활동을 통해 자신의 학습유형을 체계화하고 발달시키고 있 다(Coffield et al., 2004). 따라서 학습유형은 학습하 는 과정에서 나타나는 학습습관, 학습방법 및 학습 요령 등 학습자의 행동 특성으로 정의되며, 학습의 맥락에서 반복적․지속적으로 사용되는 일정한 학 습 선호경향성을 띠게 된다(Nulty & Barrett, 1996;

Stice, 1987). 이에 대해 Kolb(1984)는 학습유형이 학 습자가 새로운 정보를 수집한 후 처리하여 학습을 수행하도록 학습 환경을 조성하고 조절할 수 있는 기초 자료라고 하였다. 또한 Kolb(1985)는 학습유형 이론에서 학습자는 구체적 경험으로부터 인식한 정 보를 반성적 사고를 통해 관찰하며, 이러한 사고과 정에서 구체적인 경험이 추상적인 개념으로 전환된 다고 하였다. 즉 경험을 통한 인지적 성숙과 효과적 인 학습을 위해서는 정보를 인식하는 지각 과정 (perception continuum)과 인식한 정보를 개념화하여 전환하는 처리 과정(processing continuum)의 두 가지 차원을 함께 고려해야 함을 Fig. 1에 나타난 학습 사 이클(Kolb, 1985)을 통해 제안하였다.

Fig. 1. Learning cycle of Kolb

Fig. 1과 같이 Kolb(1985)의 학습 사이클은 구체적

경험(concrete experience, CE), 반성적 관찰(reflective observation, RO), 추상적 개념화(abstract conceptualization, AC), 능동적 실험(active experimentation, AE)의 4단 계로 구성된다. Kolb(1985)의 학습 사이클의 각 단계 별 특징은 다음과 같다. 첫째, 구체적 경험 단계의 학습자는 이전에 경험하지 못한 것에 대해 사고 중 심적으로 접근하기 보다는 느낌을 중요시하는 경향 이 있으며, 타인과의 관계를 중요시하므로 사회성이 뛰어난 특징을 갖는다. 이러한 특징을 보이는 학습 자는 교수-학습상황에서 실제적인 예시가 주어졌을 때 효과적인 학습이 일어난다. 둘째, 반성적 관찰 단 계의 학습자는 반성적인 관찰을 바탕으로 상황판단 에 대해 신중하게 생각하고 결정을 내린다. 그들은 인내심이 강하며, 의사를 결정함에 있어 타인보다 자신의 생각과 느낌을 중요시하므로 행동하기 보다 는 관찰을 통해 사고하는 강의식 교수-학습상황에 서 효과적인 학습이 일어난다. 셋째, 추상적 개념화 단계의 학습자는 새로운 문제 상황에 대해 논리적 인 아이디어를 통해 해결하려는 경향이 있다. 구체 적 경험을 중요시하는 학습자와는 달리 느낌보다 사고 중심적인 성향을 보이며, 체계적인 계획을 통 해 이론을 개발하고, 추상적인 생각과 개념을 중요 시하기 때문에 개인적인 환경에서의 학습을 선호하 며 사교적인 경향은 덜하다. 넷째, 능동적 실험 단계 의 학습자는 정보를 처리함에 있어 실제적이며 활 동적인 실험상황을 선호한다. 이 단계의 학습자는 반성적인 관찰보다는 직접 실천함으로써 문제를 해 결하려하며, 자신이 기여한 성과를 중요시한다. 따 라서 구체적 경험, 반성적 관찰, 추상적 개념화, 능 동적 실험의 네 가지 단계는 서로 독립된 구조가 아 닌 일련의 순환과정으로 나타나며, Table 1과 같이 학습자가 학습하는 과정에서 어느 단계를 더 선호 하는지에 따라 각각의 영역으로 구분된다(Kolb, 1999). 즉 확산적 학습자(diverger)는 구체적 경험 (CE)과 반성적 관찰(RO) 단계의 특성을, 동화적 학 습자(assimilator)는 추상적 개념화(AC)와 반성적 관 찰(RO) 단계의 특성을, 수렴적 학습자(converger)는 추상적 개념화(AC)와 능동적 실험(AE) 단계의 특성 을, 조절적 학습자 (accommodator)는 구체적 경험 (CE)과 능동적 실험(AE) 단계의 특성을 가진다.

그러므로 학습유형은 학생들의 학업성취도와 학 습결과에 충분히 영향을 미칠 수 있는 개인차와 관 련된 개념(Pask, 1976; Stice, 1987)으로 학습자가 정 보를 지각하고 처리하는데 있어 학습과정과 동반되 어 나타나는 인지적 특성(서진수 등, 2012; 채동현, 2015; Kim & Chae, 2016)과 관련이 깊고, 학습자가 학습에서 문제를 해결할 때 다양한 관점에서 사고 하는지 혹은 행동보다 사고와 이해에 초점을 맞추 는지, 논리적 추론에 의해 사고를 전개시키는지 혹 은 상상력을 통해 폭넓게 문제를 해결하는지와 같 은 인성적 특성(Kolb, 1985)을 반영한 것이라 할 수 있다.

학습자

유형 학습자 유형에 따른 특징

확산적 학습자 (diverger)

·구체적 경험과 반성적 관찰의 학습

·통합적으로 설명, 풍부한 상상력

·다른 사람의 행동을 관찰

·다양한 관점으로 사물을 관찰

동화적 학습자 (assimilator)

·논리적, 귀납적 추론이 가능

·행동보다는 사고와 이해에 초점

·체계적이고 과학적으로 접근

·추상적 개념에 관심

수렴적 학습자 (converger)

·문제해결능력과 의사결정능력

·연역적 추론이 가능

·실리적, 실험에 기초한 사고

·실제 상황에 적용하는 능력

조절적 학습자 (accommo-

dator)

·제공되는 다양한 정보에 관심

·상상력에 의한 문제 해결

·직관적, 예술적, 개방적

·문제해결 능력이 빠름

Table 1. Characteristic according to learning styles

따라서 학습유형과 관련한 선행연구들을 살펴보 면, 수업의 질을 개선하고 학습효과를 높이기 위해 서는 학습유형의 변인을 연구해야 한다는 연구 (Weinberg, 1983)와 학습유형이 학업성취도를 예언 하는 데 있어서 인성이나 인지양식보다 더 유용하 다고 한 연구들(Tallmadge & Shearer, 1969; Wheeler,

1980)이 보고되었다. 그러나 아직까지는 학습유형이 교수-학습과정에 어떠한 영향을 주는지와 학습유형 별 학생들의 인지과정과 그들의 학업성취에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

최근 시선추적기의 기술적 발전과 그로부터 얻어 진 자료의 효율적인 분석방법이 개발되면서 과학교 육 분야에서도 이에 대한 연구가 활발하게 이루어 지고 있다. 시선 추적(eye-tracking) 기법을 과학교육 에 활용한 연구들을 살펴보면, 과학 개념을 서술하 는 설명문과 이를 그림으로 표현한 삽화를 동시에 한 화면으로 구성하여 학습자의 시선운동을 분석한 연구에서 학습자들은 설명문과 삽화가 한 화면으로 구성되었을 때, 과학적 개념을 서술하는 설명문을 더 주의 깊게 응시하고, 따라서 학습자는 과학 개념 을 이해하는데 그림보다 문자를 더 선호한다는 연 구결과(Liu et al., 2011)가 보고되었다. 또한 과학수 업 중 개념을 인지하는 과정에서 학습자의 사전지 식이 학습하는 과정에서 어떤 차이를 보이는지에 대한 연구에서 해당 개념에 대한 사전지식이 많은 학생들이 과학 개념과 삽화 사이의 관련된 특징을 비교·관찰하는데 반해, 사전지식이 낮은 학생들은 삽화의 표면적인 특징을 관찰하였다는 연구결과 (Kowler, 2011)도 발표되었다. 특히 학생들이 4개의 선택지로 구성된 객관식 과학 문항을 어떻게 해결 하는지에 대한 연구(Tsai et al., 2006)에서는 정답을 선택한 학생이 오답을 선택한 학생에 비해 문제와 관련 없는 선택지를 응시하는 비율이 낮게 나타났 으며, 성공적인 문제 해결을 위해서는 상위 인지 전 략이 필요하다는 연구결과도 발표되었다.

위 연구결과들을 살펴보면, 시선추적 기법은 학 생의 시선 움직임을 통해 인지형태 및 인지과정을 추론해 볼 수 있는 기법으로 이와 같은 시선추적 기 법을 문제해결 과정에 활용하면 학생들의 인지과정 을 시선의 움직임을 통해 직접적으로 관찰· 분석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 학습유형이 서로 다 른 학생들이 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ 과목의 행동영역에 대한 문제해결과정에서 어떠한 차이를 나타내는지에 대해 시선추적 기법을 활용하여 확인 하고자 하였다.

II. 연구 방법

1. 연구절차

이 연구의 절차는 Fig. 2와 같다. 우선, 문헌연구 및 선행연구를 통해 학습유형에 따른 학습자의 전 반적인 행동양식과 특성을 살펴보았으며, 이를 통해 연구계획을 수립하였다. 둘째, 학습자의 학습유형을 분류하기 위해 Kolb의 학습유형 검사지(KLSI 3.1 Korean version Questionnaire)를 우리말로 번역한 후, 본 연구의 목적에 맞게 수정·보완하여 사용하였다.

학습유형 검사지의 총 문항 수는 12문항으로 신뢰 도 계수 Cronbach’s 는 .85로 비교적 높은 값을 나 타내었다. 셋째, 시선 추적 기법에 의한 학습자의 학 습유형별 차이점을 알아보기 위해 실험을 설계하고 자료수집 및 자료분석을 실시하였다. 본 연구에 사 용된 시선 추적기는 Gazepoint GP3 Eye-tracker이다.

Fig. 2. Research Process

2. 연구대상

이 연구의 대상자는 중부지역 소재 E 고등학교 2 학년 자연계열 4개 학급의 학생들이다. 우선 2개 학 급 50명의 학생들을 무선 표집 하였으며, 이 학생들 에게 학습유형 검사지(KLSI 3.1 Korean version questionnaire)를 실시하여 Table 2의 학습유형별 결

정 조건(Kolb, 1999)에 따라 확산적, 동화적, 수렴적, 조절적 학습자로 분류하였다.

학습유형 결정 조건

확산적 학습자 AC-CE <= 7 & AE-RO <= 6 동화적 학습자 AC-CE >= 8 & AE-RO <= 6 수렴적 학습자 AC-CE >= 8 & AE-RO >= 7 조절적 학습자 AC-CE <= 7 & AE-RO >= 7

*

AC(Abstract Conceptualization): 추상적 개념화;

CE(Concrete Experience): 구체적 경험;

AE(Active Experimentation): 능동적 실험;

RO(Reflective Observation): 반성적 성찰

다음으로 학습유형에 따른 최종 2명씩 총 8명을 추가 무선 표집 하였으며, 이 중에서 최근 2개년 동 안 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ 기출문제를 접하 지 않은 학생들을 대상으로 확산적·동화적·수렴적·

조절적 학습자의 학습유형 각각 2명씩 최종 8명의 학생들을 Table 3과 같이 선정하였다. 최종 선정된 연구 참여자들의 자발적인 참여 의사를 확인한 후, 학교장 및 학부모 동의 절차를 거쳤으며, 본 연구의 연구 참여자들 모두 안구 병력이 없었다.

학생 AC CE AE RO AC-CE AE-RO 학습 유형

P05 25 34 21 43 -9 -22 확산적

P15 23 38 23 35 -15 -12 학습자

P23 39 25 25 37 14 -12 동화적

P04 35 23 23 39 12 -16 학습자

P11 39 27 35 21 12 14 수렴적

P19 35 18 39 27 17 12 학습자

P07 19 35 37 29 -16 8 조절적

P20 21 37 35 25 -16 10 학습자

3. 검사지 개발

이 연구에서는 A 고등학교에 재학 중인 2개 학급 50명의 학생들을 대상으로 최종 개발된 학습유형

검사지의 학습유형별 내적일관성신뢰도 검사 (Internal Consistency Alpha for the Scale Scores)를 실 시하였다. SPSS 22의 통계 프로그램을 통해 실시한 결과 Cronbach





=.702, 추상적 개념화(AC)의 경우







또한 최근 2년간 기출되었던 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ의 평가영역의 문제들 중 지식․이해․

적용․탐구 등의 행동영역의 문제들로 재분류하기 위해 Table 4와 같이 한국교육과정평가원(2015)이 제시한 대학수학능력시험 탐구과목의 행동영역 별 평가목표의 기준 틀을 사용하였다.

행동

영역 평가목표

A.

지식

학습한 내용을 어떤 상황에서도 사고 과정을 통해 기억해 내는 능력을 평가 한다.

B.

이해

학습한 내용의 표현 형태가 바뀌더라 도 그 의미를 파악하고, 해석하고, 추 론하는 능력을 평가한다.

C.

적용

학습한 일반화된 개념이나 원리, 법칙 등을 새로운 또는 구체적인 상황에 응 용하는 능력을 평가한다.

D.

탐구

문제해결에 필요한 어떤 방법과 절차 에 대한 직접적인 암시가 없는 상황에 직면하였을 때, 문제를 해결해 나가는 일련의 과정을 탐구하는 능력을 평가 한다.

Table 4. The behavioral domains of the College Scholastic Ability Test

최종 분류된 지식·이해·적용·탐구 등 행동영역의 33문항은 과학교육 전문가 5인에 의한 관찰자간 신 뢰도 검사를 통해 최종 문항을 결정하였다.

4. 자료수집 및 분석

본 연구의 시선 추적 기법에 의한 실험과정은 Fig. 3과 같다. 연구 참여자는 모니터로부터 60-70 cm의 거리에 앉아 편한 자세를 취한 상태로 화면을 응시하고 화면을 응시하고 있는 참여자의 시선은

연구자의 operator PC화면에서 실시간으로 확인할 수 있다. 연구 참여자는 실험시작 전 시선 추적기와 학생의 초점을 일치시키는 조정과정(calibration)을 거치게 되며, 이 조정과정을 통해 연구 참여자의 시 선추적의 정확도를 시각적으로 확인할 수 있다. 이 조정과정을 성공적으로 마치게 되면, 연구자는 연구 참여자에게 실험의 목적과 문제 풀이 방법을 자세 하게 안내하고 실험이 시작된 후, 화면에 문항이 제 시되면 연구 참여자는 한 문제 당 90초의 제한시간 안에 문제를 풀고 정답이라 생각하는 번호를 구두 로 제시하고, 연구자는 Operator PC에 연구 참여자 의 정답을 정확히 기록하게 된다. 따라서 학습유형 별 각각 2명씩 총8명의 연구 참여자들은 총 33문항 에 대해 이와 같은 과정을 반복하게 된다.

Fig. 3. Experiment process

Fig. 3과 같이 실험 조작을 위해 연구자는 오른쪽 Operator PC에 위치하며, 학생은 왼쪽 실험자용 PC 에 앉아 모니터를 응시한다. GP3 Eye Tracker의 적 외선 조명장치로부터 참여자의 시선 운동을 측정하 게 되며, 이 결과는 실시간으로 Operator PC에 실행 된 Gazepoint Remote S/W를 통해 연구자에게 전송 된다(GAZEPOINT, 2014).

이 연구에서는 Gazepoint사의 GP3 Eye Tracker 장 비 기반의 시선 추적 기법을 적용하였는데, 이 기기 는 적외선 조명과 컴퓨터 기반의 이미지 프로세싱 (image processing)을 사용하여 시선의 움직임을 측 정하며, 인체에 무해한 비침습적인 특징을 갖고 있 어, 성인 뿐 아니라 고등학생을 대상으로 한 시선추 적 연구에 많이 사용된다(김명진, 2013). 따라서 본

연구에서는 시선 추적기를 통해 초당 60 Hz의 데이 터를 수집하였고 최적의 실험환경을 조성하기 위해 실제 실험 시 연구 참여자의 움직임을 최소화하도 록 주의를 기울였다. 연구 참여자의 문제 해결과정 에서 나타나는 시선추적 데이터는 Gazepoint사의 Gazepoint Analysis 3.4.0 프로그램에 의해 분석되었 다. 또한 선행연구의 연구방법(최현동과 신동훈, 2012; Holmqvist et. al., 2011)에 따라 응시시간 (fixation duration)을 200 ms로 설정하였고, 실험 과 제의 첫 번째 응시 값은 제외하였다. 마지막으로 학 습유형 별 연구 참여자의 문제풀이 과정을 이해하 기 위해 Fig. 4와 같이 문항검사지의 각 문항 내에 관심 영역(AOI)을 설정하여 자료를 분석하였다.

Fig. 4. Area of interesting (AOI)

Fig. 4와 같이, 한 문항내 제시문, 표, 그림, 그래 프, 보기, 선택지를 네 가지 영역의 관심 영역(AOI) 으로 설정하였다. 즉 AOI 1(영역 1)은 제시문, AOI 2(영역 2)는 표, 그림, 그래프, AOI 3(영역 3)은 보기, AOI 4(영역 4)는 선택지가 분류·설정되었다. 따라서 본 연구에서는 학습유형 별 연구 참여자의 문제풀 이 과정을 이해하기 위해 AOI에 대한 응시시간과 응시횟수가 요약된 수치자료와 시선운동 점유율을 시각적으로 나타낸 fixation map과 heat map 자료를 분석하였다. AOI 각 영역에 대한 수치자료와 fixation map, heat map 자료는 연구 참여자의 문제

풀이 과정에 따른 학습유형 별 특성을 추론할 수 있 게 하며, AOI 각 영역 중 시선운동 점유율이 높은 영역은 연구 참여자가 문항검사지의 문항을 해결하 기 위해 그 영역에 많은 주의를 기울였음을 뜻한다.

Fig. 5는 fixation map과 heat map의 예시로 fixation map은 연구 참여자가 문항검사지의 문항을 해결하 는 과정에서 시선이 이동하는 경로와 이에 따른 응 시시간을 나타낸 결과이며, 문항에 나타난 원형의 크기는 응시한 시간이 길수록 크게 나타나며, 원형 안의 숫자는 응시 순서와 응시 시간(s)을 의미한다.

또한 heat map은 연구 참여자가 시선을 고정한 횟수 를 총합하여 색으로 나타낸 시각화 자료로써 적색 은 높은 응시횟수를, 청색은 낮은 응시횟수를 의미 한다.

Fig. 5. Fixation map and heat map

Ⅲ. 연구 결과 및 논의

1. 학습유형별 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ 행동영 역 문제 해결 과정 분석

대학수학능력시험 지구과학Ⅰ 행동영역에 따른 학습유형 별 문항정답률(%)을 분석한 결과는 Fig. 6 과 같다. Fig. 6을 살펴보면, 행동영역 중 ‘지식’영역 에서 확산적 학습자의 정답률이 82.1%로 가장 높은 값을 나타내었으며, 그 다음으로 수렴적 학습자 77.9%, 동화적 학습자 61.5%, 조절적 학습자 57.9%

의 순으로 나타났다. 이는 ‘학습한 내용을 어떤 상 황에서도 사고과정을 통해 기억하는 능력’을 평가 하는 ‘지식’영역의 문항에서 확산적 학습자는 다양

한 관점에서 구체적인 경험을 통해 지각하고 반성 하는 과정(Kolb, 1999)에서 높은 정답률을 나타내었 던 것으로 판단되었다. 즉 Kolb (1985)가 말한 확산 적 학습자들은 특정 상황을 여러 관점에서 조망할 수 있고, 흥미 분야가 넓어 다양한 분야에서 정보를 수집하며, 많은 아이디어를 산출하는 확산적 학습유 형의 특성이 반영되었던 것으로 생각된다.

행동영역 중 ‘이해’영역에서는 수렴적 학습자의 정답률이 77.5%로 가장 높은 값을 나타내었으며, 그 다음으로 조절적 학습자 63.7%, 확산적 학습자 57.1%, 동화적 학습자 49.5%의 순으로 나타났다. 이 는 ‘표현이 바뀌어도 본래의 개념을 정확히 해석하 고 추론하는 능력’을 평가하는 ‘이해’영역의 문항에 서 수렴적 학습자는 개념을 올바르게 해석하는 정 보지각 방식과 의사결정력을 사용하여 문제를 해결 한 것으로 사료된다. 즉, 수렴적 학습자는 느낌보다 이성에 의존하며, 연역적으로 추론하고 주어진 과제 에 대해 과학적으로 접근하는 수렴적 학습유형의 결과(Kolb, 1999)와 맥을 같이 하고 있다.

행동영역 중 ‘적용’영역에서는 동화적 학습자의 정답률이 74.5%로 가장 높은 값을 나타내었으며, 그 다음으로 확산적 학습자 62.3%, 조절적 학습자

56.5%, 수렴적 학습자 43.9%의 순으로 나타났다. 즉,

‘개념, 원리, 법칙을 새로운 상황에 응용하는 능력’

을 평가하는 ‘적용’영역 문항에서 동화적 학습자는 넓은 범위의 아이디어를 잘 종합하고 문제 상황을 다각적으로 이해할 수 있는 분석적이고 추상적인 학습유형의 성향(Kolb, 1999)을 바탕으로 해당 문항 에서 높은 정답률을 나타내었다.

마지막으로 행동영역 중 ‘탐구’영역에서는 확산 적 학습자의 정답률이 71.9%로 가장 높은 값을 나 타내었으며, 그 다음으로 조절적 학습자 52.5%, 동 화적 학습자 52.3%, 수렴적 학습자 32.9% 순으로 나 타났다. 이는 ‘탐구’영역의 ‘일련의 문제 해결 과정 을 탐구하는 능력’을 평가하는 문항에서 확산적 학 습자가 여러 관점에서 문제의 상황을 파악하고, 구 체적 경험과 상상력을 통해 문제의 과정을 탐구하 는 탁월한 추론 능력의 결과(Kolb, 1999)로 높은 정 답률을 나타낸 것으로 해석되었다.

2. 학습유형에 따른 행동영역 별 문제해결과정에서 나타나는 시선 운동의 특징

(1) 학습유형에 따른 AOI 별 시선점유율 분석 결

Fig. 6. Percentage of correct answers according to the behavioral domains in learning styles (%)

과 확산적 학습자, 동화적 학습자, 수렴적 학습자, 조절적 학습자의 학습유형 별 AOI 영역의 시선점유 율 분석결과는 다음과 같다.

① 확산적 학습자의 AOI 별 시선점유율(%) 분석 확산적 학습자의 행동영역 별 AOI 시선점유율은 Table 5와 같으며, AOI 1-4영역의 평균응시시간(%) 을 지식, 이해, 적용, 탐구영역에 대해 분석하였다.

관심 영역

행동영역 별

평균응시시간(%) 평균(%)

지식 이해 적용 탐구

AOI 1 8.2 7.5 7.2 7.0 7.5 AOI 2 39.5 45.2 54.3 52.9 47.9 AOI 3 45.5 43.1 35.9 37.1 40.4 AOI 4 2.5 2.3 6.9 5.2 4.2

AOI(%)

Table 5와 같이, 확산적 학습자의 행동영역 별 AOI 시선점유율을 살펴보면, 지식영역을 평가하는 문항에서는 AOI 3 영역을 응시하는 비율(45.5%)이 AOI 2 영역을 응시하는 비율(39.5%)보다 높게 나타 난다. 그러나 다른 행동영역(이해・적용・탐구)을 평가하는 문항에서는 AOI 2 영역의 응시비율이 각 각 45.2%, 54.3%, 52.9%로 AOI 3 영역의 응시비율인 43.1%, 35.9%, 37.1%보다 높은 것으로 나타났는데, 이는 확산적 학습자가 지식영역의 문제를 해결하는 과정에서 AOI 3 영역인 (보기)를 AOI 2 영역인 표 와 그림, 그래프 보다 더 주의 깊게 응시하였다. 즉, 이전에 학습한 내용을 어떤 상황에서도 사고과정을 통해 기억해 내는 능력을 평가하는 ‘지식’영역(한국 교육과정평가원, 2015)의 특성상 확산적 학습자는 특정 문제 상황에서 여러 관점으로 해석하고 기존 의 정보를 기억하고 수집하는 사고과정(Kim, 2016;

Kolb, 1999)에 의해 아이디어를 산출했을 것으로 사 료된다.

② 동화적 학습자의 AOI 별 시선점유율(%) 분석 동화적 학습자에 대한 행동영역 별 AOI 시선점유

율은 Table 6과 같다.

관심 영역

행동영역 별

평균응시시간(%) 평균(%)

지식 이해 적용 탐구

AOI 1 6.3 6.5 4.5 5.9 5.8 AOI 2 52.9 57.8 59.1 60.1 57.5 AOI 3 36.1 33.5 33.9 28.5 33 AOI 4 6.1 5.3 5.1 4.9 5.3

AOI (%)

Table 6과 같이, 동화적 학습자의 시선점유율은 AOI 2 영역에서 59.3%로 높게 나타났으며, AOI 1, AOI 3, AOI 4 영역에 비해 집중적으로 응시하고 있 음을 알 수 있다. 즉, 동화적 학습자는 넓은 범위의 아이디어를 잘 종합하고 문제 상황을 다각적으로 적용 및 응용하는 분석적이고 추상적인 학습유형 (Kolb, 1999)으로 문제 해결의 단서 혹은 정보가 되 는 AOI 2 영역, 즉 (표・그림・그래프) 영역을 더 주 의 깊게 응시한 것으로 확인되었다. 대부분의 문제 해결 시간을 보냈으며, 정답을 도출하는 과정에서 다소 추상적인 정보를 포함하고 있는 표, 그림, 그래 프를 이해하고, 해석하는데 중점을 둔 것으로 해석 되었다.

③ 수렴적 학습자의 AOI 별 시선점유율(%) 분석 수렴적 학습자에 대한 행동영역 별 AOI 시선점유 율은 Table 7과 같다.

관심 영역

행동영역 별

평균응시시간(%) 평균(%)

지식 이해 적용 탐구

AOI 1 11.9 11.5 15.1 16.5 13.8 AOI 2 45.3 50.5 52.3 51.9 50 AOI 3 43.9 41.9 35.7 35.9 39.4 AOI 4 3.8 3.1 3.5 2.3 3.2

AOI(%)

Table 7과 같이, AOI 2 영역의 시선점유율의 평균 은 50%로 다른 AOI 영역, 즉 AOI 1의 13.8%, AOI 3 의 39.4%, AOI 4의 3.2% 보다 높게 나타났다. 이는 연역적 추론과정에 의해 주어진 문제 상황을 해석하 고 기존의 관련 개념을 정확히 기억해 내는 수렴적 학습유형(Kolb, 1999)의 학습자가 문제 해결의 단서 혹은 정보가 되는 AOI 2 영역, 즉 (표・그림・그래 프) 영역을 더 주의 깊게 응시한 것으로 확인되었다.

④ 조절적 학습자의 AOI 별 시선점유율(%) 분석 조절적 학습자에 대한 행동영역 별 AOI 시선점유 율과 그래프는 Table 8과 같다.

관심 영역

행동영역 별

평균응시시간(%) 평균(%)

지식 이해 적용 탐구

AOI 1 15.5 11.9 10.5 12.3 12.6 AOI 2 51.9 53.5 55.1 57.9 54.6 AOI 3 35.7 37.1 33.9 31.7 34.6 AOI 4 3.5 3.3 4.9 3.1 3.7

the AOI(%)

Table 8과 같이, AOI 2 영역의 시선점유율은 54.6%로 다른 AOI 영역, 즉 AOI 1의 12.6%, AOI 3 의 34.6%, AOI 4의 3.7% 보다 높게 나타났다. 이는 구체적인 경험과 능동적인 실험에 의해 주어진 문 제의 정보나 상황을 정확히 지각하고 처리하는 조 절적 학습유형(Kolb, 1999)의 학습자가 문제 해결의 단서 혹은 정보가 되는 AOI 2 영역, 즉 (표・그림・

그래프) 영역을 더 주의 깊게 응시한 것으로 확인되 었다.

(2) 학습유형에 따른 AOI 별 시각데이터 분석결과 본 연구에서는 Gazepoint사의 GP3 Eye Tracker 장 비를 기반으로 시선 운동을 추적하였으며, 시선 운 동 데이터는 Gazepoint사의 Gazepoint Analysis 3.4.0 프로그램을 사용하였다. 이를 통해 시선 운동을 분 석할 수 있는 시각데이터인 fixation map과 heat map

을 얻을 수 있었고, 그 결과를 확산적 학습자, 동화 적 학습자, 수렴적 학습자, 조절적 학습자에 따라 분 석하였다.

① 확산적 학습자의 AOI 별 시각데이터 분석 Fig. 7은 확산적 학습자인 P05, P15 두 학생이 2015학년도 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ과목의 지 식영역에 해당하는 문항을 해결하는 과정에서 보인 시각데이터이다. 즉 Fig. 7과 같이 확산적 학습자의 시각데이터로부터 AOI 1-4 영역에서의 응시시간과 빈도를 fixation map을 통해 살펴보면, P05, P15 두 명의 학생에게서 공통적으로 AOI 2, 3 영역에 시선 이 집중되어 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 7. Fixation map and heat map of divergers

또한, AOI 2 영역 보다는 AOI 3 영역을 응시하는 비율이 높게 나타나고 있으며, 이는 heat map에서 짙은 색으로 표현된 부분이 AOI 3 영역에 집중되어 나타나는 것과도 일치한다.

이는 확산적 학습자가 지식영역의 문제를 해결하 는 과정에서 AOI 3 영역인 (보기)를 AOI 2 영역인 (표・그림・그래프)보다 더 주의 깊게 응시하여 heat map에서 짙은 색으로 표현이 되었다. 따라서 확산적 학습자는 특정 문제 상황에서 기존의 정보를 기억하 고 수집하는 사고과정(Kim, 2016; Kolb, 1999)과 여 러 관점에 의한 문제 상황의 분석을 통해 문제 해결 방안을 위한 아이디어를 산출한 것으로 해석되었다.

② 동화적 학습자의 AOI 별 시각데이터 분석 Fig. 8은 동화적 학습자인 P23, P04 두 학생이 2016학년도 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ과목의 적

용영역에 해당하는 13번 문항을 해결하는 과정에서 보인 시각데이터이다.

Fig. 8. Fixation map and heat map of assimilators

동화적 학습자의 시각데이터인 Fig. 8의 fixation map과 heat map을 살펴보면, P23, P04 두 명의 학생 모두에게서 AOI 2 영역의 응시비율이 다른 영역에 비해 높게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 동화적 학습자가 넓은 범위의 아이디어를 잘 종합하고 문 제 상황을 다각적으로 적용 및 응용하는 분석적이 고 추상적인 학습유형(Kolb, 1999)의 특성을 가지고 있기 때문에 문제 해결의 단서 혹은 정보가 되는 AOI 2 영역인 표, 그림, 그래프의 영역을 더 주의 깊 게 응시한 것으로 확인되었다.

③ 수렴적 학습자의 AOI 별 시각데이터 분석 Fig. 9는 수렴적 학습자인 P11, P19 두 학생이 2016학년도 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ과목의 지 식영역에 해당하는 6번 문항을 해결하는 과정에서 보인 시각데이터이다. 수렴적 학습자의 시각데이터 인 Fig. 9의 fixation map과 heat map을 살펴보면, P11, P19 두 명의 학생 모두에게서 AOI 2 영역의 응시비 율이 다른 영역에 비해 높게 나타남을 확인할 수 있 다. 이는 연역적 추론과정에 의해 주어진 문제 상황 을 해석하고 기존의 관련 개념을 정확히 기억해 내 는 수렴적 학습유형(Kolb, 1999)의 특성을 가지고 있 기 때문에 문제 해결의 단서 혹은 정보가 되는 AOI 2 영역인 표, 그림, 그래프의 영역을 더 주의 깊게 응 시하여 heat map에서 짙은 색으로 표현이 되었다.

Fig. 9. Fixation map and heat map of convergers

④ 조절적 학습자의 AOI 별 시각데이터 분석 Fig. 10은 조절적 학습자인 P07, P20 두 학생이 2016학년도 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ과목의 적 용영역에 해당하는 13번 문항을 해결하는 과정에서 나타난 시각데이터이다.

Fig. 10. Fixation map and heat map of accommodators

조절적 학습자의 시각데이터인 Fig. 10의 fixation map과 heat map을 살펴보면, P07, P20 두 명의 학생 모두에게서 AOI 2 영역의 응시비율이 다른 영역에 비해 높게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 구체적인 경험과 능동적인 실험에 의해 주어진 문제의 정보 나 상황을 정확히 지각하고 처리하는 조절적 학습 유형(Kolb, 1999)의 특성을 가지고 있기 때문에 문제 해결의 단서 혹은 정보가 되는 AOI 2 영역인 표, 그 림, 그래프의 영역을 더 주의 깊게 응시하여 heat map에서 짙은 색으로 표현이 되었다.

따라서 학습유형에 따른 AOI 별 시각데이터 분석

결과에서는 확산적 학습자, 동화적 학습자, 수렴적 학습자, 조절적 학습자 모두 AOI 2 영역인 표, 그림, 그래프의 영역을 더 주의 깊게 응시하여 heat map에 서 짙은 색의 결과를 나타내었으나 학습유형별 차 이는 나타나지 않았다. 즉 문제해결과정에서 확산적 학습자, 동화적 학습자, 수렴적 학습자, 조절적 학습 자 모두 AOI 2 영역을 AOI 1, AOI 3, AOI 4 영역보 다 문제 해결의 단서 혹은 정보가 되는 중요한 영역 으로 인식하고 있는 것으로 확인되었다.

Ⅳ. 결론 및 제언

본 연구에서는 학습유형이 서로 다른 학생들이 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ 과목의 행동영역에 대한 문제해결과정에서 어떠한 차이를 나타내는지 에 대해 시선추적 기법을 활용하여 확인하고자 하 였다. 따라서 연구결과를 바탕으로 한 결론은 다음 과 같다. 첫째, 확산적 학습자, 동화적 학습자, 수렴 적 학습자, 조절적 학습자의 가장 높은 문항정답률 은 순서대로 각각 지식영역(83.3%), 적용영역 (72.2%), 지식영역(77.8%), 이해영역(65.0%)으로 나 타났다. 즉, 학습유형에 따라 서로 다른 성취수준을 나타냈으며, 이는 문제를 해석하고 해결하는 정보처 리 과정에서 학습유형 별 각기 다른 사고과정을 통 해 문제를 해결했던 것으로 확인되었다. 따라서 행 동영역 별 출제 비율이 상이한 현재의 대학수학능 력시험이 선발의 공정성과 객관성을 확보하기 위해 서는 행동영역에서 전체적으로 고른 문항 수가 출 제되어야 할 것으로 판단되었다. 둘째, 네 가지 학습 유형의 AOI 영역별 평균 시선점유율에서 AOI 2 영 역이 AOI 1, AOI 3, AOI 4 영역보다 높은 값을 나타 내었다. 이는 네 가지 유형의 학습자들이 문제 해결 의 단서 혹은 정보가 되는 AOI 2 영역, 즉 표·그림·

그래프 영역을 더 주의 깊게 응시한 것으로, 질적인 높은 수준의 문항개발을 위해 중요한 AOI 영역으로 판단되었다. 따라서 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ 문항개발 시 과학개념에 대한 지식, 이해, 적용, 탐 구의 행동영역 별 내용이 표·그림·그래프와 높은 상 관관계를 갖도록 제작해야 할 것으로 보인다. 따라 서 본 연구의 제언으로는 첫째, 대학수학능력시험

과학탐구 영역 지구과학Ⅰ의 평가 틀인 행동영역과 학습유형에 따른 적합도가 어떠한 상관관계를 갖고 있는지 정성적·정량적 연구가 지속적으로 이루어질 필요가 있으며, 둘째, 본 연구는 고등학교 2학년 학 생만을 무선 표집하여 연구 대상으로 진행하였기 때문에 연구의 일반화 측면에서 더 많은 사례 수 연 구를 통해 대학수학능력시험 과학탐구 영역 지구과 학 I의 평가 틀인 행동영역에서 학습유형에 따라 어 떠한 영향을 미치는지를 논의할 필요가 있다.

국문요약

본 연구의 목적은 고등학생의 학습유형이 대학수 학능력시험 지구과학Ⅰ 과목의 행동영역에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보고, 문제해결과정에서 나 타나는 학습유형에 따른 학습자의 문제해결 방식을 시선추적 기법을 통해 살펴보고자 하였다. 충청북도 소재 E 고등학교 2학년 4개 학급 중 2개 학급, 총 50 명의 학생들에게 학습유형검사를 실시하였으며, 이 중에서 최근 2년간 시행된 대학수학능력시험 지구 과학Ⅰ 기출문제를 접하지 않은 학생을 중심으로 학습유형 별 2명씩 무선 표집하여 최종 8명을 연구 대상으로 실험을 실시하였다. 본 연구의 결과는 다 음과 같다. 첫째, 확산적·동화적·수렴적·조절적 학습 자의 문항 정답률이 각각 지식영역, 적용영역, 지식- 이해영역, 이해영역에서 높게 나타남으로써 네 가지 학습유형이 평가문항의 행동영역에 따라 성취 수준 에 차이가 있음을 확인하였다. 둘째, 학습유형별 학 습자가 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ 과목의 문제 를 해결하는 과정에서 보인 관심영역(AOI) 별 시선 점유율은 AOI 2 영역이 AOI 1, 3, 4 영역보다 높은 시선점유율을 나타내었다. 즉 네 가지 학습유형의 학습자들이 문제 해결의 단서 혹은 정보가 되는 AOI 2 영역, 즉 표·그림·그래프 영역에 더 주의 깊게 응시한 것으로 나타났다. 이 결과로부터 질적인 면 에서 높은 수준의 문항개발을 위해서는 AOI 2 영역 을 중점적으로 고려해야할 것으로 판단되었다. 이 연구의 결과를 바탕으로 선발의 공정성과 객관성을 확보하기 위해서는 대학수학능력시험 지구과학Ⅰ 행동영역에서 전체적으로 고른 문항 수가 출제되어

야 할 것이며, 문항개발 시 과학개념에 대한 지식, 이해, 적용, 탐구의 행동영역 별 문항이 표·그림·그 래프와 높은 상관관계를 갖도록 문항을 제작해야 할 것으로 사료된다.

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