○ 가설 설정 : 휴식을 취하고 나서 과제를 수행한다면 휴식을 취하기

1. 개요

□ 연구목적

○ 단기간(1시간 이하)의 휴식이 과제수행능력 향상에 기여하는 정도를 밝힌다

- 1시간 이하의 휴식이 과제수행능력 향상에 기여하는 정도를 EEG 기반의 뇌활성 분석을 통해 정량적으로 밝힌다.

○수행과제의 종류에 따른 가장 효율적인 휴식활동을 밝혀낸다.

- 어떤 종류의 과제를 수행할 때 어떤 종류의 휴식활동을 취하는 것이 가장 과제수행능력을 향상시키는지 EEG 기반의 뇌 활성 분석 을 통해 정량적으로 도출한다.

○ 궁극적으로 과제수행능력을 향상시킬 수 있는 가장 적당한 휴식활동 을 선정할 수 있는 객관적이고 정량적인 지표를 개발하고자 함

- 휴식활동의 종류와 과제수행능력 사이의 상관관계를 EEG 기반 분석을 통해 정량적으로 도출하고, 이를 바탕으로 실제로 이용가 능한 과제의 종류와 휴식활동 사이의 상관관계 지표를 개발한다.

□ 연구범위

○ 현재 과학고등학교에 재학 중인 현재 17세인 청소년 과학영재학생들 을 대상으로 뇌파를 측정하였다. 휴식 활동에 따른 뇌파를 이용한 인지능력의 분석에 있어 휴식활동은 음악감상, 간식, 운동의 3개 영역 만을, 인지과제는 패턴추론, 단기기억의 2개의 영역만을 측정의 대상 으로 정했다. 처음에는 좀 더 많은 실험을 통한 다양한 결과를 얻으려 고 하였지만 활동영역을 증가시키면 실험횟수가 과다하게 증가하고, 통제할 것이 많아져서 활동영역을 증가시킬 수 없었다. 또한 3번의 장비 고장과 실험 초기에 장비 다루는 법의 미숙으로 인한 실험 지체, 전문적 장비가 없어 EEG 젤을 일반 주사기 팁을 사포로 갈아서 씀으 로써 실험이 지체되었지만 나중에 전문가의 노하우와 EEG전용 팁을

이용해 실험 시간을 단축 시킬 수 있었다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 뇌 영상화 기법을 활용한 교육적 중재 연구

저자

(연도) 대상 집단 중재 내용

뇌 영상화

기법

중재

기간 연구결과

De Smedt, Grabner, &

Studer(2009) 20명

(남자 11명, 여자 9명, 평 균 22.6세, SD=3.1)

인출 전략 및 계 산 전략을 통해 덧셈 및 뺄셈 문 제를 해결

EEG

․ 인출 전략 문제의 해결에서는 전두중심과 두정후두 영역에서 계산 전략 문제의 해결에 비해 더 강한 세 타(theta)동기화가 나타남

․ 계산 전략 문제의 해결은 모든 피질 영역에서 인출 전략 문제의 해결에 비해 더 강한 알파(alpha) 동기 화가 나타남, 특히 가장 큰 차이는 양측 두정후두 영역에서 나타남

Ischebeck et al(2009)

17명

(남자 10명, 여자 7명, 평 균 25세, SD=2.2)

스캐닝(검사) 하 루 전에 10개의 복잡한 곱셈 문제 를 72번 반복 훈 련

fMRI 1회기 (2시간)

․ 훈련되지 않은 곱셈 문제들은 훈련된 곱셈 문제들 보다 전두엽과 두정엽 몇몇 부분에서 더 강하게 활 성화됨

․ 수학적 능력 관련 차이는 훈련되지 않은 문제에 한 해 나타남(좀 더 높은 수학적 능력을 가지 사람들에 게서 더 나은 수행과 좌측 각회에서의 더 강한 활성 화가 나타남)

Grabner et al(2009)

28명

(남자 28명, 평균 26.8세, SD=3.16)

1회기 당 10개의 복잡한 곱셈 문제 와 10개의 도형 문제 학습

fMRI

1회기 (회기당

20~35 분)

․ 두 유형의 문제 모두에서 비슷한 학습 효과가 나타 남, 양측 각회에서 활성화가 증가하고, 전두엽과 두 정엽에서의 전반적인 활성화가 감소됨

․ 수학적 능력과 관련하여 각회에서의 차이는 비훈련 상황에서만 나타나고, 훈련된 곱셈 문제에 대해서는 나타나지 않음

권영식(2011)

20명

( 남 자 , 여 자 10명씩, 평균 13세)

과학의 탐구 과정 을 지속적으로 실 시

EEG

10회기 (회기당

120분)

․ 과학문제 해결력이 향상되었으며, 과학 과제를 해결 하는 과정에서 좌뇌의 측두엽(T7)에서는 베타파 (beta)파는 감소, 좌뇌의 전두엽(F3)에서 베타파는 통계적으로 유의미하게 증가함

○ 세타파 상대 파워 스펙트럼 분석

과학 과제에서 세타파 상대 파워 변화율 맵핑 결과

위 그림은 30개의 전극에서 측정한 세타파(4.0~7.9Hz) 상대 파워 가 안정 상태와 비교해서 과학 과제 수행 시 얼마나 변화가 일 어났는지를 나타내는 값인 상대 파워 변화율을 맵핑한 결과이다.

과학영재와 일반학생의 뇌 영역별 세타파의 상대 파워 변화율은 일반 학생이 과학 영재에 비하여 좌․우뇌의 후두엽(O1, O2). 좌뇌 의 두정엽(P3, CP3), 좌뇌의 측두엽(T7), 좌뇌의 전두엽(FT7, F7), 그리고 좌뇌의 전전두엽(FP1)에서 높은 변화율을 나타내고 있으 며, 우뇌의 전전두엽(FP2)에서 높은 활성을 나타내고 있다. 세타 파는 안정시보다 지능검사의 문제를 해결하거나 창의적 사고를 할 때, 그리고 과학적 사고를 할 때 증가하는 경향이 있고, 해결 해야 하는 과제의 수준이 높아질 때 증가하는 경향이 있다(권용 주 등, 2006; 김용진과 장남기, 2001; Fairclough et al., 2005; Hut chison, 1996; Klimesch, 1995)라는 선행 연구 결과를 통해 보았을 때 일반 학생들이 문제를 해결하기 위해서 더 많은 사고를 하고 있다고 할 수 있다. 즉, 문제 해결하기 위해 더 많은 어려움을 겪고 있다고 할 수 있다.

○ 알파파 상대 파워 스펙트럼 분석

과학 과제에서 알파파 상대 파워 변화율 맵핑 결과

위 그림은 30개의 전극에서 측정한 알파파(8.0~12.9Hz) 상대 파 워가 안정 상태와 비교해서 과학 과제 수행 시 얼마나 변화가 일어났는지를 나타내는 값인 상대 파워 변화율을 맵핑한 결과이 다.

과제 수행에서 일반 학생과 과학 영재 학생들의 알파파 감소 현 상은 선행 연구들과 일치하고 있다. 즉, 일반적으로 알파파의 활 성은 뇌가 이완되고 안정적일 때 높아진다(김용진 등, 2005; Ban quet, 1973; Glass, 1991; Larson

et al

., 1998). 따라서 과학 과제 를 해결하는 과정에서 알파파의 활성이 감소하고 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 알파파의 활성은 과제가 복잡하고 어려울수 록 그 감소량이 크다(Fink

et al

., 2005; Sauseng

et al

., 2005)라는 연구 결과와 비교해 볼 때 과학영재의 알파파 상대 파워 변화율 은 뇌의 전영역에서 비슷한 변화율을 나타나고 있지만 좌뇌의 두정엽(P7), 우뇌의 두정엽(P8)과 좌․우뇌의 후두엽(O1, O2)에서 더 큰 감소 현상이 나타나고 있다.

○ 베타파 상대 파워 스펙트럼 분석

과학 과제에서 베타파 상대 파워 변화율 맵핑 결과

위 그림은 30개의 전극에서 측정한 베타파(13.0~29.9Hz) 상대 파 워가 안정 상태와 비교해서 과학과제 수행 시 얼마나 변화가 일어났는지를 나타내는 값인 상대 파워 변화율을 맵핑한 결과 이다.

과학영재는 베타파의 상대 파워 변화율이 전전두엽에서 가장 낮았고, 우뇌의 두정엽(P8)과 좌․우뇌의 후두엽(O1, O2)에서는 높은 변화율이 나타나고 있다. 그러나 일반학생은 우뇌의 두정 엽(P8), 좌․우뇌의 후두엽(O1,O2), 우뇌의 전두엽(F4)에서 높은 변화율을 나타내고 있다. 이러한 결과는 안정 상태보다 과제를 수행할 때 각성 수준이 높아져서 두정엽의 베타파가 증가한다 (Fairclough et al., 2005; 권용주 등; 정진수․윤성규; 2008)라는 선행 연구와 일치한다. 따라서 과학 과제를 해결하는 과정에서 과학영재들은 상대적으로 일반 학생에 비하여 적은 각성 상태 에서 문제를 해결하고, 일반 학생은 각성 상태가 높아진다고 할 수 있다. 이것은 일반 학생이 과학 과제를 해결하는 과정에 서 더 많은 에너지를 사용하고 있다고 할 수 있다.

□ 연구주제의 선정

○ 문제의 착안점

① 휴식없는 연속적인 학습활동은 스트레스를 유발

- 학습활동을 하는데 있어서 잦은 휴식은 집중을 방해하지만, 압박감이 나 의무감에 쫒겨 휴식없이 학습을 계속할 경우 스트레스가 유발된다.

② 스트레스는 학습활동을 저해

- 스트레스는 여러 인지적, 신체적 활동에 부정적 영향을 줌.

- 독일 Trier 대학과 육군대학의 연구진들은 스트레스는 코티솔 분비의 증가와 관련되어 서술기억을 저해한다는 연구결과를 발표하였음(Lif e Science, 1996, 58: 1475-1483).

③ 적당한 휴식은 스트레스를 감소시킨다.

- 10분, 20분 정도의 짧은 휴식시간이라도 가지면 학습활동을 장시간 수행하였을 때 나타나는 긴장성 스트레스가 감소되고 학습동기가 상승하는 것을 느낄 수 있다.

④ 자율학습 쉬는 시간의 학생들의 활동 관찰

- 실제로 대부분의 학생들은 쉬는 ‘시간’ 에 대해서는 계획을 세우지 만, ‘무엇을 하면서 쉴 것인가’ 에 대해서는 별 계획이 없다.

- 심지어 어떤 학생들은 너무 격한 활동을 통해 쉰 나머지 쉬는 시간이 끝난 후에도 그 휴식의 여파에서 한동안 헤어나오지 못하는 경우를 볼 수 있다. 이 경우, ‘학업을 위한 휴식’ 이라는 점에서는 잘못된 휴식이 되며, 좀 더 단순히 표현하면 ‘그냥 논 것’ 이상이 되질 않는다.

⑤ ‘잘 쉬는 것’이 잘 공부하는 것만큼이나 학습효과에 중요하게 작용 할 것이라 착안

- 휴식 자체가 스트레스를 감소시켜 뒤에 이어지는 학습효과를 어느정 도 향상시킬 것임.

- 하지만 시간적으로 앞의 사고활동과 뒤의 사고활동이 완전히 분리될 수는 없기에, 휴식시간에 무엇을 했느냐가 차후 이어지는 학습효과에 영향을 줄 것이라 예상됨.

⑥ 휴식과 과제수행능력의 상관관계는 일차적으로 심리학, 교육학적 문제임

- ‘과제수행능력’을 정의하고 평가할 때 있어 가장 보편적인 방법이 평가 목적에 맞는 타당도, 신뢰도가 높은 평가문항을 개발하여 테스트 하는 것인데, 이의 이론적 배경이나 방법론적인 측면이 다분히 심리학 이나 교육학적인 것들이다.

⑦ 생명과학적 분석기법을 적용하면 결과의 정량화 및 데이터의 객관화 가 가능해짐

- 뇌의 부위별, 기능별 활성 정도를 측정할 수 있는 장비를 이용하면 정량적이고 객관적인 데이터를 얻을 수 있음.

- fMRI(functional magnetic resonance imaging) 영상이나 EEG(electroe ncephaogr-aphy)가 대표적인 방법이 될 수 있는데, 현실적으로 fMRI 장비를 이용하기는 어렵고, 대신 학교에 구비되어 있는 EEG 측정 장비를 이용할 수 있음.

○ 연구주제의 선정 과정

① 연구에 활용할 수 있는 기자재 및 방법 소개

- 학생들이 주도적으로 연구주제를 탐색, 선정하기에 앞서 선행지식으 로서 어떠한 기자재를 어떻게 활용하는지에 대한 안내의 필요성 제 기.

- 교내에 있는 실험기기 및 측정장비, 및 가능한 외부기관의 장비들의 기능과 이용사례 등에 대해 소개.

② 자유로운 주제탐구

- 주변에서 찾아볼 수 있는 문제상황을 탐색.

- 각 R&E 참여학생이 개별적으로 수행함.

③ 주제 선정을 위한 협의

- R&E 참여학생 및 지도교사가 함께 탐색된 주제들 중 연구주제를 선정하기 위하여 협의회를 시행함.

- 선정기준은 일차적으로 유해의 가능성이 있는 연구주제들을 배제하 였으며, 실현가능성과 실생활에의 유용성을 기준으로 선정.

④ 외부전문가의 자문 및 협의를 통한 최종 연구주제 선정

- 선정된 연구주제 및 협의내용을 외부전문가와 서면을 통해 자문을 구하고 협의.

- 최종적인 연구주제 선정

□ 연구방법 ○ 연구의 흐름

- 휴식 상황 범주화

- 인지 수행 과제 범주화

↓

- 범주에 맞는 단기 휴식 활동 개발 (ex : , , ) - 범주에 맞는 인지 수행 과제 개발 (ex : , , )

↓

개발된 휴식활동 및 수행과제의 타당성과 신뢰성에 대한 외부 전문가 자문 및 협의

↓

범주화된 각각의 휴식활동과 수행과제를 하나씩 매칭시켜 개별 실험군을 설정

( ex : -, - -, , , , , ,

 )

↓

각 실험군 별로 과제 수행 중 휴식과 과재 수행 재개 - 이 때 휴식 전후의 과제 수행 중에 EEG를 측정

↓

측정된 휴식 전후의 EEG 데이터를 각각 FFT 하여 상대 파워 스펙트럼을 비교, 분석

↓

EEG 데이터와 분석결과에 대한 외부 전문가 자문 및 협 의

↓

단기 휴식활동이 인지적 과제의 수행능력 향상에 미치는 영향에 대해 결론도출 및 일반화

○ EEG측정장비

- 32채널 EEG측정장비(Intermedi)를 이용.

○ 측정된 뇌파의 분석

- 기본적으로 뇌파측정기로부터 얻은 파형 데이터는 채널별로 구분되 어 있고, 각 채널별 데이터는 패치 위치에 대응하는 뇌 영역에서의 뇌파 정보가 된다. 이 뇌파 정보는 δ파부터 β파까지 서로 다른 주파 수 특성을 가진 뇌파들이 혼합된 형태이며, 유의미한 분석을 위해 채널별 시간 차원의 데이터를 주파수 차원으로 변환하여야 한다.

- 이를 위해 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘이 포함된 소프트웨

어(Neuronics 32)를 이용하여 FFT를 시행, 주파수별로 상대적인 파워 스펙트럼을 얻는다.

□ 세부계획

○ 휴식활동의 범주화

- 이 연구에서 조작변인은 휴식활동의 종류와 인지적 수행과제의 종류 가 된다.

- 휴식활동은 학생이나 성인이 학업 또는 업무 수행 중에 흔히 하게 되는 활동들로 선정한다. (ex : 눈을 감은 채로 휴식, 음악감상, 담소 등)

- 커피를 마시는 행위 역시 성인들의 경우에서 과제수행 중 흔히 행하는 휴식이나, 연구의 주체가 학생이고, 피험자가 학생일 가능성을 고려하 여 가능한 배제한다. 기타 변인을 설정하는 데 있어 연구주체가 성장 기인 청소년임을 감안하여 차후 유용한 데이터를 얻는데 도움이 된다 하더라도 유해의 가능성이 있으면 배제한다.

- 휴식활동의 대표성, 휴식의 시간과 시각의 설정, 범주화 등에 대해 연구 목적에 부합하는 타당도, 신뢰도를 평가할 수 있는 평가척도를 개발하고, 그 과정에서 외부전문가의 자문 및 협의를 거친다.

○ 인지적 수행과제의 범주화와 개발

- 기본적으로 연구가 학생들의 학교 학습 현장에서 일어나는 문제의 해결에 목적을 두는 관계로, 학업적 인지 수행과제를 기준으로 수행과 제를 범주화하고 개발하나, 가능한 성인의 직업적 수행과제의 특성을 포괄하도록 한다.

- 수행과제를 학습 후 평가의 형식으로 설정하면 실제 학습 상황을 보다 유사하게 반영할 수 있으나 학습에 있어서 개인별 선행지식의 차이, 학습주제의 개인적 흥미도의 차이, 휴식 전 후 학습내용의 난이 도의 차이를 엄격히 통제하기가 현실적으로 어려우므로 과제 자체를 평가 형식의 수행과제로 설정한다.

- 수행과제가 신체적 활동을 수반하게 되면 신체활동에 따른 EGG noise 가 증가하게 되어 데이터의 신뢰성이 하락하므로 가능한 신체적 활동 없이 순수한 인지적 과제 형태로 개발한다.

- 인지적 수행과제에 대해 연구 목적에 부합하는 타당도, 신뢰도를 평가할 수 있는 평가척도를 개발하고, 그 과정에서 외부전문가의 자문 및 협의를 거친다.

○ Noise 제거 및 Fast Fourie Transform(FFT)

- Brain mapping 과정에서 피험자의 심전도, 눈 깜빡임 등에 의한 noise 에서 완전히 벗어날 수는 없다. 예를 들어 근전도의 발생은 베타파를 증가시킬 것이고 심전도의 발생은 세타파 또는 델타파의 발생을 증가 시킬 것이다.

- 따라서 FFT를 수행하기 전에 noise 제거를 수행한다.

- Noise 제거 및 FFT의 수행에는 소프트웨어 지적재산권의 문제가 없는 LORETA-KEY software를 이용한다. 먼저 뇌파측정기로부터 데 이터를 텍스트 형태로 출력하고 이를 LORETA-KEY software에서 로딩하여 Noise 제거 및 FFT를 수행한다.

- 피험자마다 잡음의 정도, 두개골 및 두피의 두께, 눈 깜빡임 및 안구운 동의 정도, 전극에 도포되는 gel의 양 등에 차이가 있을 수 있고, 이와 관련된 변인을 통제하기 위하여 FFT를 이용한 상대 파워 스펙트럼을 산출하여 연구에 이용한다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 가설 설정 : 휴식을 취하고 나서 과제를 수행한다면 휴식을 취하기

전에 과제를 수행한 것에 비하여 베타파와 세타파는 증가할 것이고 알파파는 감소할 것이다.

○ 실험 설계 : 17세 청소년들이 흔히 공부 중에 할 수 있는 휴식 활동을

정하기 위해 휴식 상황을 범주화 하고 청소년들이 하는 공부의 일종인 인지 수행 과제를 결정하기 위해 인지 수행 과제를 범주화하였다.

주요 활동 시기 비고 휴식활동 및 인지적 수행과제의 범주화 5월

구체적인 단기 휴식활동 및 인지적 수행과제 개발 5월

휴식활동 및 수행과제에 대한 타당도, 신뢰도 평가를 위한 개발 및 외부전문가와의 자문, 협의 6월

그리고 나서 범주에 맞는 단기 휴식 활동 개발을 하고, (ex : , ,

) 범주에 맞는 인지 수행 과제 개발하였다. (ex : , , )) 우리가 개발한 휴식활동 및 수행과제의 타당성과 신뢰성을 입증하기 위해 외부 전문가와 협의를 하고 자문을

했다. 범주화된 각각의 휴식활동과 수행과제를 하나씩 매칭시켜 개별 실험군을 설정한다.

( ex : -, - -, ,

, , , ,  ) 각 실험군 별로 과제 수행을 하

고 실험군에 따른 휴식을 취하고 다시 과제 수행을 한다. 이 때 휴식 전후의 과제 수행 중에 EE G를 측정한다. 측정된 휴식 전후 의 EEG 데이터를 각각 FFT 하 여 상대 파워 스펙트럼을 비교, EEG 데이터 및 분석결과에 대한 외부 전문가 자문을 거친다. 최 종적으로 협의 단기 휴식활동이

인지적 과제의 수행능력 향상에 미치는 영향에 대해 결론도출 및 일반화한다.

○ 월별 연구 추진 실적

평가척도에 근거하여 자체적인 활동 프로그램 평가 및 최종적인 외부전문가와의 자문 및 협의 6월

서면 및 전화 를 이용한 외 부전문가 자 문

범주화된 각각의 휴식활동과 수행활동을 매칭시켜

실제 실험계획 수립 7월

시범 실험 시행 7월

중간 데이터 분석 및 유의미성에 대한 협의, 외부전문

가 자문 8월

서면 및 전화 를 이용한 외 부전문가 자 문

중간 점검을 바탕으로 최종적인 실험계획 수립 8월 실험 시행 및 데이터 수집 8월~10월

데이터 분석 및 최종 연구결과 정리, 보고서 작성 10월~11월

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 방법

○ 인지과제와 휴식활동 - 인지과제

인지과제는 추론과제와 단기기억과제를 설정하였다. 추론과제는 IQ테스트에서 흔히 사용되는 패턴추론 문항(http://www.iqtest.dk/

main.swf)을 이용하였으며 총 39개의 문항을 동료들이 푼 결과를

토대로 상, 중, 하 3개의 난이도로 나눈 후 한 실험군에 3개의 난이도 가 골고루 포함되도록 하였다. 한편 단기기억과제는 기존의 원 위치 를 기억하고 새로운 원 위치를 찍어나가며 점차 많은 원들이 생겨나 는 플레시 프로그램 (http://image.diskstroy.com/board/5_1_4/12018

4809263583.swf) 을 이용하였다.

- 휴식활동

휴식활동은 학생들이 가장 많이 하는 종류 3가지인 음악감상, 간식, 운동으로 설정하였다.

패턴추론 과제

단기기억 과제

○ 인지과제와 휴식활동의 짝지음

- 3개의 휴식활동과 2개의 인지과제를 짝지어 피험자 한 명 당 총 6번의 측정이 한 측정 싸이클이 되도록 한다. 실험의 결과는 휴식활 동의 종류에 따라 분류하고 같은 휴식 활동 내에서 인지과제별로 나누어 분석하였다.

○ 대뇌피질의 채널별 영역 구분

- 대뇌피질 상에 있는 32개의 패치 부착부위는 아래와 같이 각 대뇌피 질 영역에 대응한다.

- 실제 분석도 이들 채널을 평균내어 각 대뇌피질영역에 대한 값으로 수행한다.

전두엽(A) : FP1, FP2, F7, F3, FZ, F4, F8 좌측두엽(B) : FT7, T7, TP7, CP3

우측두엽(C) : FT8, T8, TP8, CP4

두정엽(D) : FC3, FCZ, FC4, C3, CZ, C4, CPZ 후두엽(E) : P7, P3, PZ, P4, P8, O1, OZ, O2

○ 데이터 측정

① 베이스라인을 3분간 측정한다.

② 유의미한 휴식활동이 되도록 하기 위해 사전에 30분간 일반 학습 을 통해 인지적 부하를 가한다.

③ 5분간 주어진 인지과제를 수행하며 EEG를 측정한다.

④ 10분간 휴식활동을 수행한다.

⑤ 5분간 다시 주어진 인지과제를 수행하며 EEG를 측정한다.

○ 데이터 분석

- 휴식활동 전 데이터(사전데이터)와 휴식활동 후 데이터(사후데이 터)는 각각 베이스라인에 대한 상대파워스펙트럼 비로 환산하여 분석에 사용한다. 즉 베이스라인 데이터를 B, 사전데이터를 P, 사 후데이터를 A라 할 때 실제 사전데이터에 대한 상대스펙트럼 비인 (P-B)/B를 구하고, 사후데이터에 대한 상대스펙터럼 비인 (A-B)/B 를 구한다. 그 후 두 상대스펙트럼 비를 빼어 사후데이터와 사전데 이터의 차이를 보았다.

- 각 대뇌피질 영역에 대응하는 채널별 데이터는 모두 평균값으로 환산하였다.

- 각 피험자들의 데이터 역시 평균내어 하나의 통합된 데이터로 만 든다.

○ 연구 결과

1) 휴식활동 (1) - 음악듣기(가사가 있는 대중가요) (가) 추론(패턴추론)

① 알파파

알파파는 전 영역에서 변화가 크지 않았다. 좌우 측두엽에서 약간의 감소를 보였다.

② 베타파

베타파는 전두엽, 측두엽, 두정엽에서 항진되는 양상을 보였으며 반대로 후두엽에서는 저하되는 모습을 보였다. 전체적으로 집중과 사고가 심화됨을 나타내고 있다.

③ 세타파

세타파는 좌측 측두엽을 제외하고는 나머지 영역에서는 미미한 변 화를 보였다. 패턴추론형의 문제는 단기기억능력을 사용하기보단 집중력과 고등정신능력을 사용하기 때문에 쎄타파 보다는 베타파의 변화가 주로 나타난 것으로 보인다. 한편 쎄타파가 단기기억 외에도 창의적 문제해결 시 증가한다는 점을 고려할 때, 전두엽에서 세타파 의 변화가 미미한 것으로 보아 음악(가사가 있는 대중가요)이 창의를 요하는 고등인지의 향상에 도움이 되지 못함을 보여준다.

④ 델타파

델타파는 뇌의 각 영역에서 일관성 없이 들쭉날쭉한 모습을 보여준 다. 전두엽과 두정엽에서는 저하됨이 보여졌다.

⑤ 추론과제 중의 음악감상을 통한 휴식의 효과

음악은 추론유형의 인지과제 수행에 있어 전반적으로 베타파의 증가를 보이고 알파파와 세타파는 큰 변화가 없었다. 이는 추론과제 중의 음악을 통한 휴식이 전반적인 각성 수준을 증가시키고 고등정 신능력을 보다 잘 발휘하는데 도움이 됨을 보여준다. 한편 쎄타파의 결과로 보아 가사가 있는 음악이 추론과제 해결 상황에서 창의적 문제해결과 관련된 사고에 도달하는 것에는 도움이 되지 못함을 보여준다. 이는 가사가 있는 노래가 인지과정이 창의적 사고에 도달 할 만큼의 집중을 방해하거나, 또는 인지과제 자체가 지나치게 어려 워서일 수 있다.

(나) 단기기억

① 알파파

알파파는 큰 변화를 나타내지 않았다.

② 베타파

전체적으로 저하되는 모습을 보였다. 즉, 집중, 각성능력이 전체적 으로 감소하는 모습을 띠었다.

③ 세타파

전체적으로 증가하는 양상을 보였다. 단기기억은 뇌의 해마(hippoc ampus)에서 일어나는데, 해마에서 신경전달이 활발할 때 나오는 파형이 세타파이다. 물론 해마는 뇌의 깊숙한 곳이고 삽입형 전극이 아닌 두피 부착형 전극을 이용할 때 이 쎄타파는 대뇌피질에서 나오는 파형과 합쳐져 순수한 해마활성을 반영하지는 못하지만 어느 정도 러프한 범위내에서 해마 활성을 볼 수 있다. 이러한 점에 서 단기기억 과제 중의 음악감상이 학습능력 향상에 도움을 준다는 사실을 알 수 있다.

④ 델타파

두정엽을 제외하고 전체적으로 증가하는 모습을 보였고 두정엽은 작은 폭으로 감소하는 모습을 볼 수 있었다.

⑤ 단기기억과제 중의 음악감상을 통한 휴식의 효과

확실히 단기기억을 담당하는 해마에서 방출되는 뇌파인 세타파가 휴식에 의해 증가함을 볼 수 있었다. 이러한 증가 효과는 대뇌피질 의 전 영역에서 골고루 나타났다.

(다) 음악을 통한 휴식이 추론 및 단기기억 과제에 미치는 영향 음악을 통한 휴식은 패턴추론에서 사용되는 집중 및 고등정신능력 에서 나타나는 베타파를 상승시켰고, 단기기억에 사용되는 해마에 서 나타나는 쎄타파를 상승시켰다. 이는 음악을 통한 휴식이 패턴추 론 및 단기기억에 긍정적인 효과를 나타낸다고 볼 수 있다. 다만 단기기억 과제 후 휴식으로 음악을 들었을 때 대뇌피질의 모든 영역에서 베타파가 감소하였는데, 이는 음악을 통한 휴식이 단기기 억 자체에는 도움을 주지만 그러한 단기기억 과제를 집중하여 지속 적으로 수행하는 데에는 방해를 준다고 해석할 수 있다.

2) 휴식활동 (2) - 간식 섭취(간식은 과자 및 음료류) (가) 추론(패턴추론)

① 알파파

뇌의 전체적 부분에서 모두 항진하는 양상을 보여줌.

② 베타파

베타파의 경우 유의미한 변화를 찾기가 힘들다. 사실 휴식과제의 종류와 무관하게 휴식 자체로써도 어느정도 집중도 증가를 반영하 는 베타파 증가를 예상했었지만, 여건 상 소수의 피험자들로부터 얻은 데이터에서 나올 수 있는 오류로 보여진다.

③ 세타파

세타파 역시 유의미한 변화를 찾기가 힘들다. 이 역시 여건 상 소수 의 피험자들로부터 얻은 데이터에서 나올 수 있는 오류로 보여진다.

④ 델타파

델타파는 전체적으로 저하되었다. 특히 전두엽과 두정엽에서 큰 저하가 있었다.

⑤ 추론과제 중의 간식을 통한 휴식의 효과

확실히 단기기억을 담당하는 해마에서 방출되는 뇌파인 세타파가 휴식에 의해 증가함을 볼 수 있었다. 이러한 증가 효과는 대뇌피질 의 전 영역에서 골고루 나타났다.

(나) 단기기억

① 알파파

알파파는 전체적으로 소폭 향상되는 양상을 보였다. 좌측두엽에서 다른 영역보다 많은 상승을 보였다.

② 베타파

베타파는 전체적으로는 감소하는 모습을 보였다. 특히 좌측 측두엽 이 크게 저하되는 양상을 보였다.

③ 세타파

세타파는 전체적으로 증가하는 양상을 보였다. 두정엽에서는 그 증가 정도가 다른 영역들보다 작았다.

④ 델타파

델타파는 뇌영역 전체적으로 간식후가 감소하는 양상을 띄였다.

⑤ 추론과제 중의 간식을 통한 휴식의 효과

확실히 단기기억을 담당하는 해마에서 방출되는 뇌파인 세타파가 휴식에 의해 증가함을 볼 수 있었다. 이러한 증가 효과는 대뇌피질 의 전 영역에서 골고루 나타났다.

(다) 간식을 통한 휴식이 추론 및 단기기억 과제에 미치는 영향

단기기억의 경우 간식이 대뇌피질의 전 영역에서 세타파의 증가를 야기하였다. 세타파는 단기기억을 담당하는 해마에서 많이 발생되 며 간식의 섭취가 이러한 해마의 작용을 항진시킨다고 볼 수 있다.

다만 간식의 섭취는 패턴추론 과제 수행 시 모든 대뇌피질 영역에서 변화없음 내지 감소를 나타내었다.

3) 휴식활동 (3) - 운동(줄넘기) (가) 추론(패턴추론)

① 알파파

알파파는 뇌의 전체적 부분에서 향진하는 양상을 보였다. 특히 후두 엽에서 상승폭이 컸다. 전체적으로 휴식파가 향진되었다.

② 베타파

베타파는 전두엽과 두정엽은 크게 향진하였고 반면에 측두엽과 후두엽은 저하되는 모습을 보였다. 즉, 운동후 집중과 관련된 대뇌 피질 활성이 추론 및 수계산과 관련된 두정엽에서 상승하였으나 측두 및 후두엽은 그러지 못하였다.

③ 세타파

세타파는 전두엽과 좌측 측두엽은 약간 향진하는 모습을 보인 반 면 그 외의 영역들은 비교적 크게 저하되는 양상을 보였다. 추론 과제에서 주로 사용되는 뇌 영역인 전두엽에서 베타파와 세타파 모두 상승하여 집중 및 창의적 문제해결능력의 향상을 볼 수 있었 다.

④ 델타파

델타파는 전두엽과 좌측 측두엽, 후두엽은 감소하는 양상을 띠었 고 우측 측두엽은 증가하는 모습을 보였으며 두정엽은 변화를 보 이지 않았다.

⑤ 추론과제 중의 운동을 통한 휴식의 효과

고등정신능력을 담당하는 두정엽에서의 베타파와 세타파의 상승 이 나타났다. 이는 두정엽 활성의 증가를 의미하며, 반면 알파파의 증가는 베타파와 세타파가 감소한 측두-후두 영역에서 크게 나타났 다. 이는 추론과제와 관련된 두정엽의 활성이 휴식을 통해 증가하였 음을 나타낸다.

(나) 단기기억

① 알파파

전체적으로 감소하는 모습을 보였는데 특히 전두엽이 그 변화 폭이 크게 나타났다.

② 베타파

측두엽은 감소하는 양상을 띤 반면에 전두엽과 두정엽은 증가하 는 모습을 보였고 후두엽은 변화가 나타나지 않았다. 즉, 집중과 각성능력이 전두엽과 두정엽은 증가하는 모습을 볼 수 있었다.

③ 세타파

전두엽과 좌측 측두엽, 후두엽은 항진되었고 두정엽은 저하되었 으며 우측 측두엽은 변화를 나타내지 않았다.

④ 델타파

전체적으로 상당히 크게 증가하는 양상을 보였는데, 이는 한 피험 자의 측정치에서 지나치게 큰 델타파 상승을 보였기 떄문이다.

아마 피험자의 피로 때문일 것으로 추측된다.

⑤ 단기기억과제 중의 운동 통한 휴식의 효과

휴식파인 알파파가 전 영역에서 감소하였다. 그러나 그것이 전 영역 에서 베타 및 세타파의 증가로 이어지진 않았다. 전두엽에서 알파파 감소와 베타 및 세타파의 증가가 모두 발견되는 것으로 보아 단기기 억 과제 중에 운동은 전두엽이 관계하는 고등정신능력을 향진시킨 다고 볼 수 있다.

(다) 운동을 통한 휴식이 추론 및 단기기억 과제에 미치는 영향 운동을 통한 휴식은 패턴추론에서나 단기기억에서나 모두 전두엽 의 베타 및 세타파 활성을 증가시켰다. 이는 적당한 운동이 고등정 신능력의 기능을 향상시킨다는 것의 근거가 될 수 있다.

□ 결론

이 연구를 통해 휴식활동이 인지과제 해결과 관련한 뇌파 양상의 유의 미한 향상을 야기한다는 것을 확인하였다. 휴식 후 알파파의 활성이

감소하며 뇌의 여러 영역에서 베타파와 세타파가 증가함이 관찰되었 다. 휴식활동의 종류에 따른 과제 특이적 향상효과로는 운동은 학습과 제의 종류와 무관하게 전두엽에서 베타파와 세타파를 향상시키는 경향 을 보였다. 이를 통해 전두엽과 관계된 인지활동인 주의집중, 학습, 고등사고를 수행 중일 때 적당한 운동을 통한 휴식이 효과적일 수 있다고 할 수 있다. 또한 간식은 단기기억의 향상에는 도움이 되지만, 추론형 과제 수행에는 크게 도움이 되지 않음을 알 수 있었다. 음악을 통한 휴식의 경우 추론형 문제 해결에서는 베타파의 증가 양상으로 보아 과제집중도 및 문제해결력에 도움을 줄 것으로 보이지만, 단기기 억에 있어서는 세타파의 증가로 인한 기억효과 증가와 반대로 베타파 의 감소로 인한 과제집중도 저하가 예상된다. 따라서 단기기억형 과제 수행 중에 음악을 통한 휴식활동은 효과적이지 못하다고 할 수 있다.

□ 시사점

○ 인지과제의 종류와 휴식활동의 종류를 짝지어 인지적 수행능력의 향상효과를 뇌파로 분석하는 이번 실험 결과를 통하여 학습과제의 종류에 따른 휴식 종류를 다르게 하여 좀 더 학습효과를 향상시키는데 참고데이터 를 얻을 수 있을 것이다. 비록 6가지로 모든 휴식활동과 학습활동을 대표할 수는 없겠지만 연구 대상이 고등학생이므로 고등학생이 휴식시 주로 하는 활동으로 휴식 활동과 인지 활동을 선별하였기에 일상 생활에서도 유용하 게 쓰일 수 있으리라 본다.

이번 연구에 있어 아쉬운 점으로는 뇌파 연구의 특성상 시간을 많이 소모 로 하는데, 직업이 연구자가 아닌 학생이 학업 스케쥴 사이에서 틈틈이 시간을 내어 진행한 연구인 관계로 데이터의 양이 부족해 일반성 측면에서 아쉬움을 보였다. 또한 초기 테크닉의 부족으로 측정한 실험에 비해서 노이즈가 너무 많이 잡혔고 잦은 기기의 고장과 대여장비 특성에 따른 수리지연으로 주어진 연구기간을 효과적으로 활용하지 못했다는 점 역시 개선사항이다. 또 한정된 시간과 인력으로 연구를 하다 보니 세세한 변인

통제를 고려하지 못하였다. 예를 들면 시간이나 계절, 개인의 컨디션에 따른 피로도등이 변인통제에 영향을 주었다. 이러한 부분을 보완하면 더욱 좋은 연구가 되었으리라 본다.

이번 R&E 활동을 하며 뇌파 측정의 기본적인 원리, 뇌파 측정기계들 도 전문가의 자문을 통해 얻을 수 있었다.

4. 홍보 및 사후 활용 □ 기대효과

○ 학생들의 연구경험 축적 및 연구역량 향상

- 학생 주도적으로 연구주제를 선정, 연구를 기획하고 시행, 결과를 분석함으로써 문제인식부터 결론도출까지의 과학의 제반 과정을 수 행하는 경험을 축적하고, 이를 통해 학생 개개인의 연구역량의 향상을 기대할 수 있다.

- 협동적으로 진행되는 연구과정에서 협동의 중요성을 보다 깊이 인식 할 수 있다.

- 향후 대부분이 과학기술계에 종사할 과학고등학교 학생들이 스스로 시행한 연구의 과정과 결과를 바탕으로 연구 활동에 대한 자신감을 가지고 진로에 대한 목표가 구체화될 수 있다.

○ 교사의 연구역량 및 연구지도 경험 향상

- 학생 주도적인 연구활동을 전반적으로 지도하고 연구분위기를 조성 하며, 인적 물적 지원을 하는 과정에서 연구지도의 경험과 역량 향상 을 기대할 수 있다.

- 학생들과 마찬가지로 교사 역시 연구 전반에 학생들과 함께 참여하여 문제인식부터 결론도출 까지의 과정을 수행함으로써 교사의 연구역 량 향상도 꾀할 수 있다. 이러한 교사의 연구역량 향상은 연구지도 경험의 축적과 더불어 시너지 효과를 낼 것으로 기대된다.

○ 학교 학생들의 학습효과 향상

- 연구결과를 바탕으로 학생들이 자신의 학습상황에 맞는 적당한 휴식 활동을 선택할 수 있는 지표가 제공됨으로써 학생들의 학습효율이 보다 향상될 것이다.

- 이는 학생들의 시간활용 개선 및 학업성취도 향상 뿐 아니라 학생들의 이해도 상승으로 인한 교실수업의 양질화를 가져올 것으로 기대되며 궁극적으로 학교교육의 내실화에 기여할 것이다.

○ 평생학습사회에 기여

- 연구결과는 비단 학생들에게만 한정시켜 적용할 필요가 없으므로 아동이나 성인들에게도 수행과제에 따른 적당한 휴식활동을 선택할 수 있는 지침을 제공할 수 있다.

- 물론 보다 일반화된 결과와 피드백, 후속연구를 필요로 하겠지만, 그 기초를 본 연구가 제공할 수 있다.

□ 사후 활용 계획

○ 연구 결과의 공유

- 접근가능한 매체(홈페이지 등)를 이용하여 연구결과를 공유함으로써 누구나 자신의 과제 수행에 있어 가장 능률적인 휴식방법을 탐색할 수 있도록 한다.

○ 일반화 데이터 수집 및 피드백

- 서면 또는 인터넷을 이용한 설문지를 개발하고, 이를 이용함으로써 연구결과에 대한 일반화 결과를 얻을 수 있다.

- 이 결과를 통제된 실험환경의 결과와 비교하여 피드백 자료를 얻을 수 있고, 후속연구의 주제나 논의점, 개선방안 등을 도출할 수 있다.

- 피드백 결과를 바탕으로 연구결과를 구체화하여 학술지 개제를 통해

학문적 차원의 연구결과 공유를 할 것이다.

○ 실험에 참가하지 않은 연령대, 또는 특정집단에 대한 후속연구의 가능성 제기

- 실험에 참가한 집단 외 다른 집단들도 그 나름의 특이성이 있을 것이 고 이에 기반을 둔 후속연구를 예상할 수 있다.

- 이러한 후속연구의 주안점으로는 특정 성별, 과학고등학교가 아닌 일반 인문계나 실업계 학교, 중고등학생들이 아닌 초등학생 또는 노인 의 단기휴식과 인지적 과제수행 능력 향상의 상관관계가 될 수 있다.

5. 참고문헌

- 과학영재의 창의적 두뇌 활성화를 위한 과학과 미술 통합 교수-학습 프로그램 개발 (교원대, 2012)

- 생리학 7/e (Stuart Ira Fox, 라이프사이언스, 2013) - 생명과학 8/e (Campbell et.al, 바이오사이언스, 2008)

- Life The Science of Biology 9/e (Sadava et.al, Freeman, 2011) - De Smedt, Grabner, & Studer(2009)

- Ischebeck et al(2009) - Grabner et al(2009)

- Life Science, 1996, 58: 1475-1483 - Wikipedia.org