제 8강 반응시간 측정 탐구 활동

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제 8강 반응시간 측정 탐구 활동

1. 실험목표

1) 반응시간에 영향을 미치는 변인을 추출할 수 있다.

2) 반응시간에 관련된 탐구 문제를 설정할 수 있다.

3) 탐구문제에 대한 가설을 설정하고, 실험을 통해 가설을 검증한다.

4) 탐구문제의 해결 과정을 통해 통합 탐구 기능을 익힌다.

2. 실험 배경

생물은 주위의 자극에 적절히 반응하여야만 그 생명을 유지할 수 있다. 자극은 생물체가 반응을 일으키 게 하는 환경의 변화를 말하며, 생물체의 반응은 자극을 수용해 그에 대응한 결과로 운동(작동)기에서 나 타나는 변화를 말한다. 이러한 자극의 수용과 반응에는 신경계가 관여한다. 우리 신체의 감각 수용기는 자 극을 받아들여 전기 신호를 형성하고, 이 신호는 감각뉴런을 따라 중추신경계로 전달된다. 중추신경에서는 전달된 신호를 처리하여 반응이 필요할 경우 새로운 신호를 생성하고, 이 신호는 운동뉴런을 따라 작동기 로 전달되어 반응 행동을 유발한다. 자극 수용기로부터 자극이 받아들여진 시간과 반응 행동이 일어난 시 간 사이의 시간차를 반응시간이라고 한다.

본 차시에서는 반응시간을

1) 자극과 반응의 신경 전달 경로

자극에 대한 반응의 일반적인 경로는 자극→감각수용기(감각기관)→감각신경→연합신경→운동신경→반 응기(운동기관)→ 반응으로 이루어지며, 3가지 신경을 구성하는 뉴런은 다음과 같은 기능을 하며, <그림 1>과 같이 경로를 나타낼 수 있다.

① 감각뉴런(구심성뉴런) : 감각수용기에서 수용한 환경에서 오는 여러 가지 자극을 중추 신경계에 전달한다. 신경세포체는 축색돌기의 한쪽 옆에 위치한다.

② 연합뉴런 : 감각뉴런과 연합뉴런 사이에 흥분을 중계하는 역할을 한다. 척추동물의 척수와 뇌에 존재하고 수상돌기가 특히 많다.

③ 운동뉴런(원심성뉴런) : 중추신경계의 명령을 근육 등의 반응기로 전달한다. 축색돌기가 길고 신 경세포체가 비교적 크다.

그림 1. 자극과 반응의 신경 전달 경로

- 2 - 2) 반응시간 (RT : Reaction time)

반응시간은 자극 신호가 제시되는 순간부터 동작 반응이 일어나는 순간까지의 시간을 말한다. 이는 움 직임 자체에 소요되는 시간을 제외하고 움직이기 전까지의 시간만을 의미하기 때문에 외부 환경으로부터 들어오는 정보를 처리하는 시간으로 간주된다.

반응시간을 측정하기 위하여 제시되는 자극으로 빛, 소리, 충격 또는 시각 단서 등과 같은 다양한 형태 의 신호를 사용하게 된다. 이러한 자극 신호는 시각, 청각, 촉각 등의 여러 감각 체계를 통하여 감지되고, 반응 동작을 일으키는 데에 필요한 근육으로 전달되어 다양한 형태의 움직임으로 나타나게 된다. 반면에 제시되는 자극에 대한 반응으로는 키보드 누르기나 한 음절의 단어 말하기 등과 같은 매우 적은 수의 근 육을 동반한 단순한 움직임에서부터, 팔 들어올리기나 발판으로부터 점프하기 등과 같은 전신 움직임까지 연구목적에 따라 다양하다.

반응시간(RT: Reaction time)은 자극과 요구되는 반응의 수에 따라서 단순반응시간(Simple RT), 선택 반응시간(choice RT), 변별반응시간(discrimination RT)으로 구분된다.

단순반응시간은 A 반응시간이라고도 하며 하나의 자극 신호에 대하여 하나의 반응만을 요구할 때 측정 되는 반응시간으로 가장 기본적인 반응시간의 형태이다. 여기에는 하나의 불빛 자극이 들어왔을 때 검지로 하나의 버튼을 누르는 과제가 여기에 해당된다.

선택반응시간은 B 반응시간이라고도 하며, 두 개 이상의 자극이 제시되고 각각의 자극 신호에 대하여 다른 반응을 요구할 때 측정되는 반응시간을 말한다. 적색․청색․황색 불빛이 제시되는 경우, 각각의 자극에 대한 서로 다른 세 가지의 반응 버튼을 누르는 과제 등을 예로 들 수 있다. 선택 반응시간은 일반적으로 자극과 반응의 수(N)가 증가할수록 log에 비례하여 증가하며, 다음과 같이 표현된다(Hick`s Law).

선택 반응시간 = a + b log₂ N (a, b는 경험적인 상수, N은 자극과 반응의 대안 수)

변별반응시간은 C 반응시간이라고도 하며 두 개 이상의 자극이 제시되고 어느 특정한 자극에 대해서만 반응할 때 측정되는 반응시간을 말한다. 즉, 특정한 자극 이외의 다른 자극에 대해서는 아무런 반응을 하 지 않는 것이다. 여기에는 적색․청색․황색의 세 가지 불빛 자극 중 청색 불빛이 제시되었을 경우에만 검지 로 버튼을 누르는 과제 등을 예로 들 수 있다.

3) 반응시간 구하기

막대자의 자유낙하 거리로부터 반응시간을 구하며 이를 통하여 자극의 종류에 따라 반응의 빠르기가 다르다는 것을 확인 할 수 있다. 반응시간을 계산하는 알고리즘은 속도와 시간, 거리의 관계식 d = vt +

½at² 을 통해 구할 수 있으며, 이 식의 각 항목은 다음을 의미한다.

d = 자가 떨어진 거리 v = 처음 속도 = 0

a = 중력 가속도 = 9.81m/s² t = 반응시간

우리가 실험 할 때에는 막대 자가 자유낙하 한다는 전제를 가지기 때문에 처음 속도 v를 0으로 놓고, 시간에 대한 관계식으로 고치면,  



 이 된다. 예를 들어 자가 낙하한 거리가 9cm라 한다면, 반응시 간 t는 0.135초가 된다.

- 3 - 4) 평균 반응시간

다음은 2000년 'Physical Education and the Study of Sport'에서 Davis 등이 연구한 미국 내 16-19세 청소년의 반응시간 규준표이다.

빠름 평균 이상 평균 평균 이하 느림

<7.5cm 7.5 - 15.9cm 15.9 - 20.4cm 20.4 - 28cm >28cm

반응시간을 계산하면, 0.12초보다 빠른 경우 자극에 대한 반응이 매우 빠른 수준, 0.12초~0.18초가 평 균보다 조금 우수, 0.18~0.20초가 평균, 0.20~0.24초가 평균보다 조금 미흡, 0.24초보다 느린 경우 자극에 대한 반응이 매우 느린 편으로 나눌 수 있다. 이러한 신경 전달 속도는 개인차가 있으며 연령에 따라 달라 진다. 신경 전달 속도가 빠르다는 것은 반응이 빠르고, 위기 상황에 대처 능력이 좋다는 것이다.

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<강의용 PPT자료>

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<학생활동지>

자극에 대한 반응시간 측정 탐구 활동

년 월 일 반 이름

1. 학습목표

1) 반응시간에 영향을 미치는 변인을 추출할 수 있다.

2) 반응시간에 관련된 탐구 문제를 설정할 수 있다.

3) 탐구문제에 대한 가설을 설정하고, 실험을 통해 가설을 검증한다.

4) 탐구문제의 해결 과정을 통해 통합 탐구 기능을 익힌다.

v 준비물

Ÿ 기구: 노트북 컴퓨터, 마우스, 헤드셋(이어폰)

Ÿ 소프트웨어: 자극에 대한 반응시간 측정 프로그램(http://bioedu.snu.ac.kr/에서 다운로드), 엑셀

v 탐구 수행 방법

① 다운로드 받은 반응시간측정 프로그램 Ver.2.0을 실행한다.

② 반응시간측정 프로그램은 일련의 시각 또는 청각 자극 조건을 설정할 수 있으며, 마우스를 클릭하거 나 키보드를 눌러 주어진 자극에 대해 반응할 수 있다.

③ 프로그램은 자극을 생성하고, 그에 대해 사용자가 반응하는 데까지 걸린 시간을 ms 단위로 계산하 여 기록해준다.

④ 소프트웨어가 제공하는 다양한 조건과 추가 변인 설정 등의 기능을 통해 다양한 독립변인과 관련된 탐구를 수행할 수 있다.

2. 활동 1 - 통합 탐구 과정의 수행

과학자들은 사람의 반응시간을 측정하는 연구를 통해 운동선수의 선발이나 신경계와 관련한 질병의 진단과 치료 등에 사용하고 있다. 이번 시간에는 우리도 과학자가 되어 조건에 따라 사람의 반응시간이 어떻게 달라지는지 탐구하여보도록 하자.

1) 문제 인식

여러분 중 누구나 한번쯤은 긴급 출동 중인 소방차의 경광등이 반짝이는 것을 보거나 사이렌 소리를 들어본 적이 있을 것이다. 이처럼 우리는 흔히 긴급한 위기 상황을 사람들에게 알릴 때 빛과 소리 자 극을 이용한다. 그렇다면 빛과 소리 자극 중 어떤 자극이 먼저 우리로 하여금 위기 상황을 인식하고 반응하여 위기에 대처할 수 있도록 하는 지 궁금하지 않은가? 반응시간 측정 프로그램의 도움을 받아 궁금증을 해결해보자.

- 10 - 2) 가설의 설정

앞에서 떠올린 탐구 문제에 대해 여러분이 알고 있는 과학 지식에 근거하여 자극의 종류와 반응시간 에 대한 가설을 세우자. 가설이란 탐구의 과정에서 실험을 통해 검증하고자 하는 잠정적으로 설정하는 임시의 해답과 같은 것이다.

3) 예측

설정된 가설이 참이라면 자극의 종류에 따라 반응시간이 어떻게 달라질지 예측하여 보고, 그렇게 생 각한 이유를 여러분이 알고 있는 과학적 지식에 근거하여 적어보자.

가설의 검증을 위해 실험을 통해 확인할 사실을 예측해 보자. 우리의 연구 문제에 대해서는 아래의 세 가지 예측이 가능할 것이다. 자신이 확인하려는 예측에 V표시 하자.

① 시각 자극에 대한 반응과 청각 자극에 대한 반응은 반응시간에 차이가 없다. ( )

② 시각 자극에 대한 반응 보다 청각 자극에 대한 반응이 반응시간이 느리다. ( )

③ 시각 자극에 대한 반응 보다 청각 자극에 대한 반응이 반응시간이 빠르다. ( )

4) 변인 통제 및 실험 설계

이제 우리의 가설이 옳은지 그른지를 증명할 수 있는 실험을 설계하도록 하자. 실험 설계에 있어서 가장 중요한 것은 변인의 확인과 통제이다. 변인은 실험에서 체계적으로 변화시켜 주는 변인인 조작 변 인, 조작 변인 이외에 실험 결과에 영향을 줄 수 있는 변인으로 실험에서 제거되거나 일정하게 유지되 어야 하는 변인인 통제 변인, 그리고 다른 변인에 따라 변하는 변인인 종속 변인으로 나뉜다. 실험에서 는 조작 변인 외의 통제 변인은 일정하게 유지하여야 하며 이를 변인 통제라고 한다.

그럼 자극의 종류(시각/청각)에 따른 반응시간을 차이를 확인하는 우리의 실험과 관련된 변인들을 찾 아 적어보자.

① 조작 변인 :

② 종속 변인 :

③ 통제 변인 :

5) 실험 수행

이번 과정에서는 여러분이 찾은 변인을 조작하고 통제하여 가설을 검증할 실험 자료를 수집한다.

* 실험상의 유의점

▪ 반응시간 실험 프로그램의 사용 방법을 충분히 익힌 후 실험을 수행한다.

▪ 조작 변인 이외의 모든 실험 조건은 동일하게 설정하여 변인을 통제한다.

- 11 - 이 실험에서는 조작변인인 자극의 종류만을 달리 하여

[ 단순 반응 ⇒ 시각 자극 ]과 [ 단순 반응 ⇒ 청각 자극 ]의 반응시간을 측정하도록 한다.

v 추가 변인 설정 화면에 서 통제 변인이나 별도의 조작 변인을 입력하여 여러분만의 실험을 설계할 수 있다.

- 12 - 6) 자료 해석 및 변환

이제 여러분은 실험을 통해 여러분의 가설을 검증할 데이터를 얻었다. 얻어진 자료를 정리하고 분석 하여 규칙성을 찾아보자. 또, 결과를 해석할 수 있도록 실험을 통해 얻어진 자료를 표나 그래프로 변환 해 보고 변인과 반응시간의 관계를 해석해 보자.

자극의 종류 시각 자극 청각 자극 반응시간의

평균(ms)

반 응 시 간(ms)

시각자극 청각자극 (자극의 종류)

7) 결론 도출

실험의 결과를 근거 자료를 활용하여 과학적 진술로 표현하여 보자.

시각 자극에 대한 반응이 청각 자극에 대한 반응보다 평균적으로 ms ( 빠르 / 느리 )다.

실험 결과를 앞에서 여러분이 설정한 가설과 비교하여 해석해 보자. 실험 결과에 비추어 볼 때 여러 분의 가설은 옳았는가? 옳지 않다면 왜 그러한 결과가 나왔다고 생각되는가?

가설이 참일 경우 예측한 결과와 실험을 통해 얻어진 결과가 ( 일치하기 / 일치하지 않기) 때문에 탐구문제에 대해 설정한 가설은 (지지 / 기각 ) 되었다.

8) 발표

자신이 설정한 가설과 실험 설계에 포함된 변인, 실험 결과 등을 발표하고 친구들의 의견을 들어보 자.

자신이 설정한 변인과 실험 설계가 친구들의 것과 같은가? 다르다면 실험 설계를 어떻게 수정하는 것이 좋을지 생각해 보고 다시 수행해 보자.

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3. 활동 2 – 반응 시간에 대한 자유 탐구 수행

갑자기 위험한 물체가 접근하거나 큰 소리가 들리면 우리는 순간적으로 몸을 피한다. 이처럼 우리 몸은 위험한 상황에 처했을 때 주변 상황의 변화에 대해 빠르게 반응한다. 그러기 위해서는 자극을 받 아들이고, 전달하고, 반응하는 속도가 매우 빨라야 한다. 이번 시간에는 지난 시간에 사용하였던 반응 시간 측정 프로그램을 활용하여 반응시간과 관련하여 여러분 자신이 궁금한 문제를 찾아보고 과학적 탐구의 과정에 따라 그 문제를 해결해 보도록 하자.

1) 탐구 문제는 무엇인가?

2) 반응 시간은 다양한 조건에 따라 달라질 수 있다. 반응 시간에 영향을 미칠 수 있는 변인들을 모 두 생각해보자.

3) 탐구 문제에 대한 답(가설)을 적어보자, 그렇게 생각한 이유는 무엇인가?

* 가설 :

* 그렇게 생각한 이유 :

4) 반응 시간 측정 프로그램을 사용하면 우리는 손쉽게 어떤 실험 조건하에서 반응 시간을 측정할 수 있다. 이때 반응시간은 조작 변인, 통제 변인, 종속 변인 중 무엇인가?

5) 자신의 가설에서 조작변인은 무엇이며, 가설을 검증하기 위해 실험을 설계하여 수행할 때 통제되 어야 할 변인들을 적어보자.

* 조작 변인 :

* 통제 변인 :

6) 가설을 검증하기 위한 실험을 설계해보자.

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7) 위의 실험 설계를 바탕으로 실험을 수행할 경우, 앞에서 자신이 세운 가설을 기반으로 실험 결과 를 예측해보자.

8) 실험을 통해 얻어진 데이터를 표로 정리하고, 그래프로 변환해보자.

9) 그래프를 보고 실험 전에 했던 예측과 실험 결과를 비교해보자.

10) 실험 전 예측과 실험 결과의 비교를 바탕으로 탐구의 결론을 말해보자. 가설이 지지되는가? 아 니면 가설이 기각되는가?

11) 의견 교환을 통해 탐구 과정상의 문제점을 수정해보자.