< 연구 결과요약서 >
소속학교 세마고등학교 책임 지도교사 정O진
참여학생 김O하, 이O원, 권O아, 이O서
과 제 명 학습 상황에서 피젯팅으로 인한 스트레스 감소가 주의집중력에 미치는 영향 –아이트래킹을 활용하여
연구목표
피젯 큐브의 학업스트레스 및 스트레스 완화 효과를 지난해 선행 연구의 결론을 바탕으로, 시선추적(eye tracking) 방법을 통해 실제 학습 상황에서 피젯팅으로 인한 학업 스트레스의 감소가 학생들의 주의집중력에 미치는 영향을 확인하는 것이 목적 이다.
연구내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 선행연구
뇌파 검사, 코티솔 호르몬 검사, 상태불안 척도검사 3가지 도구를 이용하여 연구를 진행하였다. 3가지 검사 결과를 종합하여 피젯큐브의 사용이 학생들의 학업스트레스 감소에 효과적임을 밝혀내었다.
○ 손의 움직임과 스트레스 및 집중력의 관계
피젯큐브와 같은 ‘fidgeting’과 관련한 장난감인 피젯스피너는 본래 주의력결핍 과잉 행동장애 (이하 ADHD)나 주의력 결핍을 치료하기 위해 개발된 도구이며, 캐나다 심리학자 사라 디메르만은 “심리 상담 사무실에 피젯 스피너를 배치했는데 자폐, ADHD 환자뿐만 아니라 일반 아이들과 어른들도 피젯스피너를 하는 동안 차분해지는 효과가 있다”고 했다(한겨레 2017.05.24.).
○ 주의집중력과 스트레스의 관계
영재집단과 일반집단의 학습습관 및 시험불안에서의 차이를 알아본 연구에서 영재 학생과 일반학생 전체집단에서 주의집중행동과 관련하여 시험불안의 정서요인, 인지 요인, 일반요인 모두 부적상관을 보여 주의 집중 행동이 높을수록 시험불안이 낮은 것으로 나타났다(문정화, 김선희, 2010).
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 선행연구 결과를 바탕으로 피젯큐브의 사용이 학생들의 집중력에 어떤 영향을 미칠지 시선추적장치(Eye Tracker)를 사용하여 스트레스 수준 변화와 주의집중력 차이를 통해 피젯팅이 집중력에 미치는 영향을 밝혀 학생들에게 실용적인 정보를 제공하고자 한다.
□ 연구 방법 1. 과제설계
대학수학능력평가의 연계교재인 ‘수능특강’과 ‘수능완성’의 ‘흐름의 무관한 문장 찾기’유형의 문제의 지문을 이용하여, 지문 수준을 렉사일 지수 1000L – 1100L로 맞추고 3지선다형의 주제찾기 문제로 만들었다.
무관한 문장이 있다는 걸 모르는 상태에서 지문을 읽다가 한 문장에서 다음 문장으로
넘어가는 흐름이 어색함을 느낀 피험자들의 시선 이동 패턴과 문장별 응시 시간을 보고자 했다.
2. 연구대상
세마고등학교 1학년 학생 중 설문조사에서 실험 참가 의향을 밝힌 25명에 피 험자의 학업 수준의 동질성을 보장하기 위한 사전 시험을 실시하였고, 그 중 상위 17명을 선별하여 무작위로 실험집단 9명 통제집단 8명으로 나누었다.
3. 측정도구
1) 시선추적기(Eye Tracker)
눈동자의 움직임을 추적하여 피험자의 응시 지점과 그 일련의 순서, 특정 부분에 대한 고정 시간 등의 정보를 얻을 수 있다.
2) 코티솔 검사
타액 채취를 통해 급성 스트레스에 반응해 분비되는 호르몬인 코티솔을 측정한다.
3) 상태불안척도
자신이 처한 상황 속에서 순간적으로 경험하는 불안인 상태불안 수준의 변화 를 20문항으로 구성된 검사지(STAI-X-1)를 통해 확인한다.
□ 연구 활동 및 과정 1. 가설 설정
과제 수행 중에 피젯큐브를 사용한 실험집단은 스트레스가 감소함에 따라 주 의집중력이 높게 나타날 것이다.
2. 실험 설계
1) 모든 피험자들은 각각 학업 상황에서 피젯큐브를 사용하는 실험 집단과 피 젯큐브를 사용하지 않는 통제집단으로 구분한다.
2) 실험 전과 후 모든 피험자들의 스트레스의 정도를 파악하기 위해 코티솔 농도를 측정하고 상태불안 척도 검사도 함께 진행한다.
3) 피험자들은 본 시행 동안 영어 지문 총 4개를 풀게 되며 의도적으로 어색 한 문장을 추가하여 문장 간 시선 이동을 확인한다.
3. 실험 과정
실험집단 O1 X1 O2
대조집단 O1 X2 O2
<표 2> 실험 설계
O1 :사전검사(상태불안척도, 코티솔 검사) X1 :피젯팅 O 과제 수행(시선 추적 검사) X2 :피젯팅 X 과제 수행(시선 추적 검사) O2 :사후검사(상태불안척도, 코티솔 검사)
과제1 문제 fix 과제2 문제 fix 과제3 문제 fix 과제4 문제
무관한 문장
①
②
③
+ 무관한
문장
①
②
③
+ 무관한
문장
①
②
③
+ 무관한
문장
①
②
③
1분 10초 3초 1분 10초 3초 1분 30초 3초 1분 30초
<그림8> 과제 제시 패러다임
① 상태불안척도 검사지를 작성하도록 하고 타액을 채취한다.
② 시선추적 검사가 안전하다는 사실을 설명하고, 과제 수행 절차를 안내한다.
③ 피험자 시선의 초점을 맞추기 위해 시점 조정(calibration) 과정을 거친다.
④ 4개의 영어 문제(과제)가 각각 지문만 있는 화면은 1분간, 이후 지문의 주 제를 찾는 문제와 선지가 있는 화면은 3초간 보여 진다. 과제의 처음과 각 지 문 사이에 십자가 (+)를 3초간 배치하여 최초응시점을 동일하게 한다. 이때, 실험집단은 피젯큐브의 한 면만 사용하고 통제집단은 피젯큐브를 사용하지 않 되 손에 쥔 채로 과제를 수행한다.
④ 측정 종료 후 상태불안척도 검사와 타액 채취를 실시하고 집중력 평가를 위 한 웩슬러 지능검사의 동형찾기 검사 후 사후면담을 진행한다.
연구성과
□ 연구 결과
1. 코티솔 검사 결과, 두 집단 모두 실험 전과 실험 후의 차이가 유의미하지 않았으나 실험집단의 스트레스 증가 정도가 컸다.
2. 상태불안 측정 결과, 실험 전과 실험 후의 점수 차이가 실험집단이 컸다.
3. 동형찾기 검사 결과, 두 집단 간 결과값에 유의한 차이는 나타나지 않았으나 실험집단의 평균이 높았다.
4. 시선 추적 결과, 과제2와 과제4에서 실험집단이 무관한 문장을 오래 응시하였고, I에의 시선 고정 시간이 긴 것으로 보아 실험집단의 선택적 주의집중력이 높았고, AOI별 평균 시선 고정 지속 시간이 집단 간 차이가 통계적으로 유의하지는 않았으나 과제1을 제외한 3개의 과제에서 실험집단의 평균 시선 고정 지속 시간이 통제집단의 것보다 길게 나타나 실험집단의 지속적 주의집중력이 높았다. 또한 통계적으로 유의 하지 않으나 실험집단의 시선 전환 횟수가 통제집단보다 많은 것으로 미루어, 실험집 단이 전환적 주의집중력이 높았다.
5. 상관분석 결과, 과제 수행 중 피젯큐브를 사용한 실험집단은 받은 스트레스가 많을수록 3가지 주의집중력이 모두 증가한 것으로 나타났다. 피젯팅을 제한한 통제집 단은 스트레스가 적을수록 선택적, 지속적 주의집중력이 증가한 것으로 나타났다.
□ 결론 및 제언
피젯큐브의 사용은 스트레스를 증가시키며, 스트레스를 많이 받을수록 주의집중력 이 향상된 결과를 볼 수 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나 상관분석 결과에서 피젯큐브를 사용하지 않은 통제집단과 피젯큐브를 사용한 실험집단의 경향성이 완전히 반대로 나타나, 피젯큐브와 스트레스, 집중력을 볼 수 있는 정교한 설계로 이루어진 연구가 앞으로 더욱 필요해 보인다.
○ 시사점
현재는 시선추적과 코티솔 분석 결과를 알 수 없는 상태이지만, 이 연구는 학생들이 받는 스트레스를 해소할 수 있는 방법을 밝혀 학생들의 학습에 도움을 주겠다는 동기에서 시작하여 실제 학습 상황을 가정해 피젯팅과 스트레스, 주의집중력의 관계 를 시선추적기를 이용해 밝혀내고자한 연구임에 의의를 갖는다.
주요어 (Key words)
피젯팅, 피젯큐브, 시선 추적, Eye Tracker, 주의집중력, 스트레스
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 연구 동기
우리 팀은 작년 ‘피젯큐브가 학업스트레스 및 시험불안 완화에 미치는 영향 탐구’라는 주제로 연구를 진행했었다. 당시 키덜트 장난감으로서 스트레스 해소에 효과가 있다 알려지기 시작한 피젯큐브를 테마로 선정하여 학생들의 학업스트레스와 시험 불안 완화에 어떠한 효과가 있는지 알아보고자 하였다.
세마고등학교 학생 30명을 선정하여 코티솔 검사와 상태불안 척도, 뇌파검사 세 가지 도구로 측정했다.
뇌파 분석 결과 피젯큐브를 사용한 실험 집단의 알파파가 사용하지 않은 통제 집단보다 활성화 되었고, 피젯큐브의 사용이 학업 스트레스 및 시험 불안 완화에 효과가 있음을 알 수 있었다.
사전연구를 진행하게 된 계기와 마찬가지로 학생들의 시험과 학업에 대한 스트레스는 고려하지 않을 수 없는 문제이다. 최근 여자고등학생을 대상으로 학업스트레스, 불안, 대인의존행동특성 및 절망감이 우울에 미치는 영향을 분석한 결과에 따르면 우울수준은 학업스트레스, 불안, 대인의존행동특성 및 절망감과 유의한 양의 상관관계를 보였으며, 우울수준에 가장 큰 영향을 미친 요인은 불안이었고, 그 다음으로 학업스트레스, 대인의존행동특성의 순이었다(이후연, 조영채, 2018). 무엇보다 평소 학교 생활을 하며 친구들이 힘들어 하는 모습을 옆에서 지켜봐 왔다. 학생들을 대상으로 학생들에게 유용한 정보를 제공할 수 있는 연구를 진행하여 고등학생의 스트레스와 학업성취에 도움이 되고 싶다는 생각을 가지고 있었다.
사전연구를 진행하면서 우리는 스트레스와 관련해 많은 정보들을 새롭게 알게 되었다. 또한 그 과정에 서 새로운 의문을 가지게 되었다. 우리가 가진 의문의 배경이 된 사실들은 다음과 같다.
스트레스를 받으면 인체는 생존하기 위해 그 위험에 대항할 것인지 혹은 도망갈 것인지 반응(투쟁-도 피 반응)하게 되는데 이때 교감신경은 체내 각 조직에 저장된 에너지원을 분해해 인체 곳곳으로 보내 신체가 빠르게 대처할 수 있게 만든다. 이 과정에서 홍채의 동공확대근이 움츠러들어 동공이 커지는 반응이 나타난다(헬스조선, 2015). 또한 스트레스에 대한 반응으로 편도체는 뇌하수체를 자극하여 부신피질자극호르몬(corticotrophin-releasing hormone; CRH) 분비를 촉진하고 이 호르몬은 혈액을 타고 부신피질로 이동하여 스트레스 호르몬인 코티솔을 분비시키는 역할을 한다. 편도체가 활발하다는 것은 공포와 불안을 느끼고 위험에 방어하는 긴장 상태에 있으며 이 때문에 다른 정보를 입수하는 능력은 저하된다는 것을 의미한다. 실제로 불안이 높으면 이로 인해 과제 수행에 필요한 작업기억을 사용할 수 없으며 인지적 과제 수행이 저하된다(Baddeley, 1986; Eysenck & Calvo, 1992;Eysenck
& Eysenck, 1985). 또한 쥐를 대상으로 한 연구 결과에 따르면 단기적 스트레스는 학습능력과 기억력을 조절하는 세포에 문제를 일으켰다(University of California – Irvine. 2003). 스트레스를 받으면 생기는 한 요소가 뇌 신경 접합부의 조절하는 분자를 공격하며 신경 접합부에 변화가 생기면 신경계 연결이 감소한다는 연구가 있으며(Michael A. van der Kooij, 2014) 이 때문에 스트레스를 받으면 기억력과 이해력이 저하되고, 사회성을 잃고 다른 사람들을 회피하기도 한다고 한다.
그런데 소뇌는 운동근육의 조정과 제어에서 중요한 역할을 담당하는 기관으로 알려져 있다. 눈 운동을 조절하는 신경회로망이 뇌의 고급 인지 기능을 담당하는 신경회로망과 서로 겹쳐져 있어 두 기능을 동시에 수행할 때 서로 영향을 미치기 때문에 눈 운동을 하면 눈의 시신경이 전두엽을 활성화해 소뇌를 자극한다. 이 때문에 눈 운동이 창의력과 집중력을 향상시킨다는 연구가 있다(JTBC 뉴스, 2013).
사전연구에서 각각 생리학적, 심리학적, 신경생리학적 검사에 속하는 코티솔 검사, 상태불안척도검사, 뇌파 측정 및 분석의 총 세 가지 도구를 이용해 피젯큐브와 스트레스의 관련성을 밝혀냈었다. 사전연구 의 계획 단계에서 이러한 측정 도구들을 탐색하면서 연구에 사용하지는 못했지만 흥미롭게 여겼던 기술이 있다. 바로 아이트래킹이다.
아이트래킹은 안구움직임을 추적하여 비침습적인 방법으로 즉각적인 생리적 반응을 포착해 시각적 주의와 관련된 데이터를 얻을 수 있는 기술이다. 아이트래커를 사용해 초등과학 영재학생과 일반학생이 시각 탐색 과제를 수행하는 동안 나타나는 안구 운동 데이터를 바탕으로 과제를 수행하는 동안 시선의
고정과 시선의 이동 특성을 비교 분석한 연구 결과, 초등과학 영재학생들이 과제 수행 시간은 일반학생 들에 비해 짧았지만 짧은 시간 동안 목표물에 대한 집중도가 높았으며, 안구 운동을 보다 효과적으로 수행한다는 것을 확인했다고 한다(한미향, 2014). 또한 뉴로리서치 전문기관인 브레인앤리서치 (Brain
&Research)의 설명에 의하면 아이트래킹 정보로부터 눈 깜박임의 빈도를 측정할 수 있으며, 눈 깜박임 은 장기간에 걸친 점진적인 흥미 및 주의집중의 감쇄/증가를 보여준다고 한다. 긴장하거나 불안한 상황이 되면, 눈 깜박임의 빈도가 증가하곤 해서 특히 카지노에서 많은 도박사들이 상대의 눈 깜박임의 빈도를 관찰하여 상대의 패를 짐작하거나 동일한 원리로, 형사들이 범죄 수사를 할 때 눈 깜박임을 관찰하기도 한다고 한다.
사전연구 이후에는 스트레스와 주의력에 관해 앞서 언급한 연구들과 상반된 흐름의 한 기사를 읽게 되었다. 미국 심리과학협회(APS)가 발행하는 ‘심리과학학술지’(Psychological Science) 9월호 에 “서 있으면 생각에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다”는 주장을 과학적으로 뒷받침하는 새로운 연구 결과가 발표됐다는 것이었다. 참가자들을 두 그룹으로 나눠 한쪽은 앉은 채로, 다른 한쪽은 서 있는 채로 선택적 주의력 검사인 ‘스트룹 검사’를 받게 한 결과, 앉아 있던 그룹은 잉크색을 답하는데 120밀리초(m s) 정도가 걸렸지만 서 있던 그룹은 100밀리초(ms)가 걸렸다. 서 있을 때, 뇌는 근육의 수축을 미세하게 조절해 신체 균형을 적절하게 유지하는 등의 다양한 부담을 받아 뇌의 인지 기능에 스트레스를 키울 수 있다. 서 있던 그룹과 앉아 있던 그룹의 검사 시간 차이는 스트레스가 학습에 중요한 요소인 주의력 및 집중력에 긍정적인 영향을 미친다는 결론으로 이어진다. 이는 스트레스가 학습을 방해한다는 통념에 새로운 관점을 제시했다.
위의 정보들을 조합해본 우리는 다음과 같은 생각을 통해 이번 연구의 시발점이 된 의문을 떠올리게 되었다. ‘스트레스를 받을 때 불안을 느낀 편도체가 활발해져 인간은 긴장 상태가 되며 학습능력과 기억력, 이해력이 저하된다. 코티솔이 분비되고 동공이 확장하는 반응이 일어난다. 눈 운동, 소뇌와 관련성이 있는 능력-기억력, 이해력, 집중력, 창의력은 모두 학습에 필요한 능력이다. 우리는 사전연구 에서 피젯큐브가 스트레스를 감소하는 데 효과가 있다는 결론을 얻었다. 고등학생들이 학습하는 중 받는 스트레스가 학습에 영향을 미친다면 피젯토이를 사용했을 때 스트레스가 감소되고 학생들의 집중력이 향상되는 결과가 나타나지 않을까? 그리고 이러한 스트레스와 집중력의 관계성을 아이트래킹 을 사용한다면 밝혀낼 수 있지 않을까?’
○ 연구의 필요성
본 연구는 다음과 같은 의의를 갖는다.
첫째, 스트레스와 집중력, 아이트래킹의 세 가지 요소의 관계성을 한꺼번에 이용하거나 밝혀낸 연구는 없었다. 위 제재들과 관련하여 선행된 연구라 함은 우울 장애 등 병적인 스트레스, 불안 수준을 보이는 피험자를 대상으로 아이트래킹을 활용한 연구 혹은 피험자의 주의집중력 차이에 따라 집단을 나눈 후 과제 수행 능력의 차이를 분석한 연구뿐이다. 본 연구는 학업능력의 큰 차이가 없는 집단을 피젯토이 의 사용 유무를 기준으로 실험집단과 대조집단으로 구분하고, 시선의 움직임을 실시간으로 측정할 수 있는 시선 추적기(Eye Tracker)를 사용하여 스트레스 변화 수준 차이에 따른 집단 간 주의집중력 차이를 밝혀내고자 한다.
둘째, 본 연구에서는 학생들이 집중력을 발휘해야만 하는 상황을 설정하기 위해 전국연합 학력평가와 대학수학능력평가에 출제되는 국어영역 비문학 지문을 과제로 선정하고자 한다. 본 연구에서는 피젯팅 행위를 모아 만든 피젯토이의 사용 유무에 따른 고등학생들의 학습 시 스트레스와 집중력 변화 차이를 비교한다. 이를 통해 실제 학습과 시험 상황에서의 피젯팅의 효과를 밝혀내어 학생들에게 실용적인 정보를 제공할 수 있다.
○ 연구 목적
- 피젯 큐브의 학업스트레스 및 스트레스 완화 효과를 시선 추적기(EyeTraker)를 이용해 실제 학습 상황에서 피젯팅으로 인한 학업 스트레스의 감소가 학생들의 주의집중력과 학업 수행에 미치는 영향을 확인하는 것이 목적이다.
- 학업스트레스와 주의집중력간의 상관관계를 밝힘으로써 실제 학습 또는 시험의 상황에서 피젯팅의 효과를 밝혀내 학습자(학생)에게 있어 학업스트레스의 감소와 학업 수행 능력 향상을 위한 실질적인
정보를 제공하고자 한다.
□ 연구범위
○ 피젯큐브 사용 유무에 따라 실험집단과 통제집단을 나누고 무관한 문장 찾기 문제를 무관한 문장이 있다는 사실을 알리지 않고 주제찾기 문제로 변환한 과제를 수행하도록 한다. 이때 실험집단은 피젯큐브 의 한 면만 사용하도록 하고 통제집단은 피젯큐브를 쥐고 있되 손을 움직이지 않도록 하였다. 이때 시선추적기를 이용하여 실험집단과 통제집단의 시선 이동 패턴과 각 문장별 응시시간을 비교하여 지속적 주의집중력 및 전환적 주의집중력을 비교한다. 실험 종료 후 피젯큐브의 사용이 집중력에 어떤 영향을 미치는지 살펴보기 위해 동형찾기 검사와 사후면담을 진행한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 선행연구 1) 개요 및 과정
2017년 “피젯큐브가 학업스트레스 및 시험불안 완화에 미치는 영향 탐구” 라는 주제로 연구를 진행했 다. 실제 연구를 시작하기에 앞서 자율형 공립고인 세마고등학교 내에서 1,2학년(2017년 기준) 학생들 을 대상으로 설문조사를 실시하였고, 학생들이 느끼는 학업스트레스의 심각성을 알게 되었다. 이후 선행 연구를 바탕으로 손의 움직임과 집중력 및 학습 능력의 관계를 확인한 우리는 손의 움직임과 관련하여 무의식 중 나타나는 행동을 하나의 큐브에 모아 둔 피젯큐브가 스트레스 완화에 긍정적인 영향을 미치지 않을까라는 의문을 갖게 되었다. 이를 과학적으로 증명하기 위하여 연구를 진행하였다.
세마고등학교 1, 2학년 학생들 중 본인의 의지로 신청한 지원자를 모집하였고, 피젯큐브를 사용하지 않는 통제집단 15명, 피젯큐브를 사용하는 실험집단 15명으로 총 30명의 학생을 선정하였다. 피험자들 에게 이 실험은 학생의 집중력 및 암기력을 측정하기 위해 진행되며, 실험 종료 후 집중도가 높은 상위 10퍼센트의 집단을 분류할 계획임을 알려 과제 수행에 동기부여를 하고 시험에 대한 부담을 느끼도록 했다. 우리는 피험자의 스트레스르 평가하기 위해 신경학적 측면의 뇌파 검사, 생리학적 측면의 코티솔 호르몬(스트레스 상황에서 배출되는 호르몬) 측정, 심리학적 측면의 상태불안 척도 검사와 같이 총 3가지 검사를 진행하였다, 먼저 코티솔의 경우 각 집단에서 임의로 3명씩 선정하였고, 코티솔을 측정하기 위해 피험자의 타액을 실험 전과 실험 후 채취하였다. 상태불안 척도는 실험 전과 긴장상태의 시험 직전, 과제 수행 후에 검사하였다. Spielberger(1970)가 정신장애가 없는 정상 성인의 불안 상태를 측정하는 도구로 제작하였으며 김정택(1978)이 번안한 STAI(State-Trait Anxiety Inve ntory; 상태-특성 불안 척도) 중 상태불안을 측정하는 STAI-X-1형을 상태 불안을 측정하기 위한 도구로 사용하였다. 뇌파 측정 장비는 (주) 뉴로메디에서 대여한 Geodesic EEG System이며 분석도구 로 뉴로가이드(neuro guide)를 이용하였다. 본 시행의 과제는 학생들에게 생소한 의학 영단어 7개와 16세부터 69세 대상의 성인의 종합적인 지능을 측정할 때 사용되는 성인용 웩슬러 지능검사(Wechsler Adult Intelligence Scale)K-WAIS-IV의 주의와 단기기억을 검사하며 상태불안이 외우기를 방해하는 작업 기억 항목의 주요 소검사인 숫자(digit span)를 활용하여 구성되었다. 그리고 피험자가 본 시행에서 암기한 내용을 백지에 작성하는 시험을 3분간 진행했다. 이때, 실험집단은 피젯큐브를 만지는 것 이외의 몸의 움직임을 최소화한 상태로 피젯큐브를 사용했으며, 통제집단은 피젯큐브를 사용하지 않도록 했다.
시험 종료 후 피험자의 뇌파를 측정하였다.
2) 연구 결과 분석 및 결론
먼저 코티솔의 경우 본 실험에서는 실험 전과 실험 후 두 집단의 코티솔 농도 변화에서 유의미한
차이를 찾을 수 없었다. 그러나 후에 상태불안척도 검사와 뇌파 측정에서는 유의미한 차이가 나타난 것을 통해 피젯큐브는 오래 지속되지 못하며 순간의 스트레스 감소 효과를 냄을 유추할 수 있었다.
두 번째로 상태 불안 지수에 대한 통제집단(피젯큐브를 사용한 집단)과 실험집단(피젯큐브를 사용하지 않은 집단) 간의 차이를 확인하기 위해 ‘IBM SPSS Statistics 2.0’ 프로그램으로 두 독립표본 t-검정을 실시하였다. 상태불안 척도 검사 20문항과 각 피험자들의 평균을 변수로 두었다. 과제수행 전과 과제수 행 후로 나누어 문항별 통제집단과 실험집단의 유의확률을 비교한 결과, 과제수행 후 4개 문항에서 집단 간 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다. 과제수행 전 집단 간 유의미한 차이를 보이지 않던 문항들이 과제 수행 후 유의미한 결과를 보인 것을 통해 피젯큐브의 사용 유무가 상태불안 수준의 변화 정도에 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 전체 피험자 대상으로 뇌파 측정 결과의 유의성을 검증하였다 두 집단 간 뇌파 활성차이를 보기 위해 독립 표본 t 검정을 실시해 4개의 전극(Fp1, Fp2, F3, F4)과 각 단계에서의 알파파와 베타파의 활성도를 비교하였다. 이 결과를 통해 과제 수행 전인 eo(eye opened/이하 1단계)와 과제 수행 중인 rp(real process/이하 2단계)에 두 집단 간 뇌파 활성의 차이가 나타나지 않았으므로 두 집단은 동질성을 가지고 있다고 할 수 있었다.
그러나 과제 수행 후 후 백지시험 전 bt(before test/이하 3단계)에도 차이가 나타나지 않아 각 집단 내에서 실험 단계에 따른 뇌파 활성 변화의 차이를 확인하기 위해 두 종속 표본 t 검정을 실시하였다.
1단계와 2단계, 3단계를 대응 변수로 둔 후, 두 대응 변수 끼리 짝 지어 비교를 진행했다. 종속 표본 t 검정 실시 결과, 안정상태를 반영하는 알파파는 통제집단에서 유의미한 차이가 나타나지 않았으나 실험집단(표2)에서는 2개 전극에서 3단계에 유의한 증가가 나타났다. 스트레스와 불안 상태를 반영하 는 베타파의 경우 통제집단(표1)에서 4개 전극 모두 2단계와 3단계에서 증가하였고 실험집단(표3)은 2개 전극에서 시험 전에 유의하게 증가하였다. 실험 집단에서 3단계에서 베타파의 증가가 2개 전극에서 나타난 것을 보아 피젯큐브가 시험 불안을 완전히 해소하지는 못하지만 통제집단 베타파 증가가 나타난 전극 개수(4개)와 비교했을 때 활성 전극의 개수가 더 적다는 것(2개)과, 3단계에서 알파파의 증가가 나타났다는 것을 통해, 피젯큐브가 안정 및 시험 불안 완화에 효과가 있다는 결론을 도출하였다.
전극위치 대응변수 평균 표준편차 T 값 유의도
Fp1 1 12.23 8.16
-2.228 .042
2 13.94 7.54
1 12.23 8.16
Fp1 -2.922 .011
3 16.16 10.32 1 14.40 11.87
Fp2 -2.142 .049
2 16.45 13.91 1 14.40 11.87
Fp2 -2.441 .028
3 23.17 24.96 1 6.087 3.60
F3 -2.592 .020
2 6.927 3.42
1 6.087 3.60
F3 -2.251 .040
3 9.38 6.46
1 6.608 2.92
F4 -3.067 .008
2 7.61 3.06
1 6.60 2.92
F4 -2.860 .012
3 9.89 5.99
<표 1> 통제집단 베타파 두 종속 표본 t 검정 결과
○ 이론적 배경
1) 손의 움직임이 스트레스 및 집중력에 미치는 영향
가. 서울시 도봉구의 한신초등학교는 학업성취도 평가에서 3위권에 드는 등 우수한 성적을 보이고 있는 학교인 서울시의 한 초등학교는 개교 이래 40여 년째 글씨 쓰기 교육을 이어오고 있다고 한다.
몸에 밴 글씨 쓰기 습관은 집중력으로 이어지면서 학습에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있었다고 말한다.
실제로 손을 움직이면 뇌에서는 상황판단, 감정조절에 관여하는 전전두엽 구조물이 활성화 되면서 스트레스에 반응하는 물질인 Corticotropin-Releasing Hormone의 분비가 감소해 기분이 안정된다고 한다(중앙일보 2014.09.22.).
나. 펜을 돌리거나 반지를 뺐다 꼈다 하는 등 학습 또는 사고의 과정에서 하는 무의식적인 행동을
“Fidgeting” 이라고 한다. 누군가에게는 초조한 상황에서 불안을 줄여주는 행동일지 모르지만 주위 사람들을 괴롭히는 행동일 수도 있다. 하지만 놀랍게도 연구원들은 고정된 자세로 8시간을 앉아 있는 것 보다 자신만의 ‘Fidgeting’행동을 하는 것이 집중력을 높일 수 있는 방법임을 발견하였다. 또한 컴퓨터 타이핑을 통해 공부한 학생보다 직접 글을 쓴 학생이 정보를 더욱 잘 기억한 것으로 보고되었다.
이런 결과는 ‘Stress Toy’에서도 비슷하게 적용된다. Polytechnic Institute of New York University의 선행연구에서는 약간의 주의 분산이 마음에 휴식을 주거나 주어진 일에 대해 집중하게 하여 오히려 생산성을 높일 수 있다는 결과를 보았다. (Stress Toys: Mindlessness With a Purpose? 2015.07.15.) 다. ‘Fiddgeting’하면 가장 먼저 떠오르는 것이 피젯 스피너 일 것이다. 실제로 피젯 스피너는 1990년대 주의력결핍 과잉행동장애 (이하 ADHD)나 주의력 결핍을 치료하기 위해 개발된 도구이다. 외신또한 긍정적인 반응을 보인다. 미국 경제지 <포보스>는 긴장을 완화시켜주고 지루함에서 벗어나게 해준다
전극위치 대응변수 평균 표준편차 T 값 유의도
Fp1 1 6.5876 3.01817
-2.300 .039 3 8.7090 4.41721
Fp2 1 6.5192 2.69750
-2.172 .049 3 8.2844 4.18681
F4 2 4.5100 2.01760
-2.14 .052 3 5.3358 2.55662
<표 2> 실험 집단 알파파 두 종속 표본 t 검정 결과
전극위치 대응변수 평균 표준편차 T 값 유의도
Fp1 2 13.5816 7.78907
-3.005 .010 3 17.5583 10.28527
Fp1 1 12.7237 7.05239
-2.285 .040 3 17.5583 10.28527
Fp2 2 12.9837 6.82893
-2.324 .037 3 15.9887 9.99411
<표 3> 실험 집단 베타파 두 종속 표본 t 검정 결과
는 이유로 피젯스피너를 “2017년 꼭 가져야 할 사무실 장난감”으로 뽑았다. 또한 캐나다 심리학자 사라 디메르만은 <메트로 모닝>과의 인터뷰에서 “심리 상담 사무실에 피젯 스피너를 배치했는데 일부 방문환자들에게 도움이 되었다. 자폐, ADHD 환자뿐만 아니라 일반 아이들과 어른들도 피젯스피 너를 하는 동안 차분해지는 효과가 있다”고 했다. (한겨레 2017.05.24.)
2) Fidget Cube 가. 피젯큐브란?
일할 때, 생각할 때, 고민할 때 무의식적으로 반복하는 다리를 흔들거나 볼펜을 돌리거나 똑딱거리는 등의 행동(Fidget)을 체계적으로 모아 하나의 큐브로 제작한 것으로, 키덜트 장난감으로 떠오르는 추세이다.
나. 피젯큐브 면의 명칭 및 특징
3) 주의 집중력
항상 열려있는 감각기관으로 인해 우리의 몸은 일상생활에서 수많은 자극과 정보를 받아들인다. 따라 서 인간은 일상생활에서 실제로 필요로 하는 정보를 선택적으로 받아들일 수 있는 능력을 갖추어야하는
명칭 특징 사진
플립 스위치 버튼의 모양으로 껐다 켰다의 반복적인 행동을 할 수 있는 기능을 한다.
클릭 딸깍 소리가 나는 3개의 버튼과 무음의 2개의 버튼 총 5개로 이루어져 있는 기능
핸들
조이스틱의 축소판으로 보통 엄지를 이용하여 원판을 돌리며 반복적인 행동을
하는 기능을 한다.
브리드 엄지손가락 모양으로 움푹 파여있는 홈을 계속해서 만질 수 있는 기능을 한다.
롤
1개의 쇠구슬과 3개의 자물쇠 버튼 모양의 기어가 있어 구슬등을 돌리는
버릇을 위한 기능을 한다.
스핀
원판을 계속해서 회전시킬 수 있으며 대체적으로 공부할 때나 생각할 때
사용하는 기능을 한다.
<표 4> 피젯큐브의 구성과 특징
데 이것이 주의 집중력이다(서백환, 1993). 심리학 용어로서의 집중은 특정한 과제 혹은 일정 시간 동안 연속적으로 주의를 주는 것이라고 정의한다(실험심리학용어사전, 2008, 곽호완 저). 또한 학습과 관련해서는 주의집중은 인지 과정과 학습 과정에 영향을 미치는 중요한 요인으로 주어진 과제를 해결하 기 위해 필요한 자극에 초점을 맞추고 과제 수행 도중 지루함을 느끼더라도 이를 관리하며 몰두할 수 있는 능력이라 정의한다. 이처럼 주의 집중에 대해서는 학자들 마다 정의하는 바가 다르지만 모두 정보에 대한 인지과정과 관련이 있다. 주어진 과제에 대한 집중을 잘 하는 사람이 있는 반면에 주의 집중에 문제가 있는 사람들은 문제의 세부적 사항에 주의를 기울이지 못하고 부주의로 인해 실수를 하며 이로 인해 끝까지 완료하지 못하는 경우가 많다(김정민, 송수지, 2014). 특히 주의집중력결핍과 같이 심한 경우에는 청소년 시기에 부정적 영향을 주기 쉬울 뿐만 아니라 학습부진이라는 큰 영향을 받으며 만성적인 학업 실패로 이어질 수 있다는 결과가 있다(이진숙, 이희원, 김한나, 류지선, 2014) 4) 주의 집중력과 스트레스의 관계
가. 집중력이 감소하면 불안이 증가한다?
(1) 임종은 최준재 (2008) 소프트볼 선수들의 주의집중력이 경쟁불안에 미치는 영향, 한국사회체육 학회지
- 운동선수들에게는 주의집중력이 경기 및 경쟁 불안에 큰 영향을 미친다. 여자 소프트볼 선수들의 주의집중력이 경쟁불안이 미치는 영향을 탐구한 연구에서 부정적인 주의집중력을 의미하는 주의집중검 사지의 요인인 외적과부화 주의력(OET) 내적과부화 주의력(OIT)에서 높은 점수를 얻어 유의미한 변인이 나타났다.
(2) 문정화 김선희 (2010) 중학교 영재학생과 일반 학생의 학습습관 및 시험불안 비교, 영재교육연구 - 운동선수뿐만 아니라 중학교 영재학생과 일반학생의 학습습관과 시험불안의 관계에 대해 조사한 연구도 있다. KAIST 사이버 과학영재 교육센터에 선발되어 사이버 교육을 받는 중학교 1~3학년 학생과 경기도 및 서울 소재 일반 중학교 학생들이 참여한 연구에서 영재집단과 일반집단의 학습습관 및 시험불안에서의 차이를 알아보기 위하여 한국 교육개발원에서 개발한 학습 습관 검사지와 TAI(Test Anxiety Inventory) 척도를 번안한 TAI-K 중, 고생용을 사용하였다. (재인용 김문주, 1991). 그 결과를 SPSS 12.0을 사용하여 통계처리 한 결과 영재학생과 일반학생 전체집단에서 학습습관의 하위변 인 중 하나인 학습과정에서 주의 집중 유무를 나타내는 주의집중행동과 관련하여 시험불안의 정서요인 (r=-.278), 인지요인(r=-.286), 일반요인(r=-.260) 모두 부적상관을 보여 주의 집중 행동이 높을수 록 시험불안이 낮은 것으로 나타났다.
나. 불안이 증가하면 스트레스가 증가한다?
- 우리는 불안과 스트레스가 긴밀히 연결되어 있다는 것을 직관적으로 알고 있다. 실제로 불안은 스트레스에 의해서 발생되기 쉬운 특성이 있다고 보고되었다. (재인용 McLean.S & Crowe.S.F 2002) (1) 소영호, 하상원, 노세진 (2013) 운동선수의 운동스트레스와 분노 불안 및 우울의 구조적 관계, 한국체육교육학회지
-서울 경기 대전 충남 충북 지역에 소재한 고등학교에 재학 중인 운동선수를 대상으로 운동스트레스 척도를 알아보기 위해 오윤경과 이강헌이(2005) 고등학교 탁구선수들을 대상으로 개발한 운동스트레 스 척도에 기초하여 보완된 설문지를 이용하였다. 불안척도는 Spielbenger(1988)이 개발한 STAI-X-I에 기초한 상태분노와 특성분노를 측정하기 위해 사용한 척도를 이용하였다.(고영인 1994) 설문조사로 낸 결과를 SPSS 15.0과 AMOS 6.0 프로그램을 활용하여 통계처리한 결과 고등학교 운동선 수들의 스트레스는 불안 및 우울에 영향을 미친다는 사실을 알 수 있었다. 따라서 운동스트레스가 높으면 분노와 불안이 높아질 수 있다는 것이다.
(2) 노치경 황성훈 (2013) 고교생의 생활 스트레스와 시험불안의 관계, 청소년학연구
서울 소재 고등학교 2,3 학년 남녀 학생을 대상으로 김문주(1991)가 우리나라 학생들을 개인별로
면담하여 얻어진 자료를 추가하여 완성한 TAI-K를 사용하여 시험불안 척도를 검사하고 Holmes와 Rahe (1967)의 생활사건척도를 기초하여 박순영 (1988)이 재구성하여 마는 생활스트레스 척도를 이용하고 SPSS 18.0을 통해 회귀 분석을 실시한 결과 고등학생들의 생활스트레스(학업스트레스)와 시험불안은 정적 상관을 보인다는 것을 알 수 있다. 시험에 대한 두려움이나 부정적 평가에 대한 두려움 뿐만 아니라 환경적으로 높은 스트레스는 시험불안이 고조될 수 있다. 이런 선행연구를 통해 스트레스 그중에서도 학업스트레스는 불안을 발생시키는 주요한 원인이 될 수 있다는 것을 알 수 있다.
5) 코티솔 호르몬을 이용한 스트레스의 정도 측정
우리 몸은 스트레스와 같은 감정 상황을 직면하면 시상하부에서는 CRF (Corticotropin Releasing Factor)를 분비하고 이는 뇌하수체 전엽을 자극하여 부신피질 자극 호르몬 ACTH를 분비한다(Hellham mer et al., 2009). 분비된 ACTH가 부신 피질을 자극하면 이는 혈액으로 코티솔을 분비하게 된다.
이처럼 감정상황에서 반응하는 최종 산물이 바로 코티솔이다. 코티솔의 분비량을 측정하면 스트레스 상황에 대한 반응의 활성화 정도를 알 수 있게 된다. 여러 가지의 코티솔 채취방법 중 타액 코티솔은 채취가 용이할 뿐 아니라 짧은 상황의 즉각적인 반응에 대한 시료를 얻을 수 있다(Bigert et al., 2005).
그래서 우리는 이번 연구에서 순간적인 스트레스의 변화량과 실험자의 채취 전문성과 피험자의 부담이 덜한 타액 코티솔을 이용할 것이다.
6) 상태불안 척도
상태불안이란 특수한 상황에서 자율신경계의 각성으로 인해 야기된 일시적인 불안 상태를 의미한다.
상태-특성 불안 척도(STAI, State-Trait Anxiety Inventory)는 Spielberger(1970)가 정신장애가 없는 정상 성인의 불안 상태를 측정하는 도구로 제작하였으며 김정택(1978)이 번안한 것을 사용하였다.
'상태불안척도'는 특수한 상황을 바로 그 순간에 어떻게 느끼는가를 묻는 20개 문항으로 구성되어 있으며, '특성불안척도'는 개인이 선천적으로 타고난 정서적 불안 특성을 묻는 20개 문항으로 구성되어 있다. 원래 정상인의 불안 증상을 측정하는 도구로 개발되었으나, 임상집단의 불안 측정에도 유용한 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서는 STAI(State-Trait Anxiety Inventory; 상태-특성 불안 척도) 중 상태불안을 측정하는 STAI-X-1형을 사용하였다. 자기보고식으로 각 문항을 경험하는 정도를 4점 척도로 평가한다. 각 문항의 점수를 합산하여 총점을 구하며, 정도에 따른 점수는 다음과 같다 : 전혀 그렇지 않다 = 1점, 조금 그렇다 = 2점, 보통으로 그렇다 = 3점, 대단히 그렇다 = 4점 (역방향 채점 문항 : 1, 2, 5, 8, 10, 11, 15, 16, 19, 20). 채점결과는 최하 20점에서 최고 80점까지 얻을 수 있도록 구성되어 있다.
7) 시선추적기(Eye Tracker)
시선추적기(Eye Tracker)는 안구움직임을 비교적 간단하게 측정할 수 있는 비침습적인 방법으로 다른 심리생리 검사와 달리 피험자의 움직임에 큰 제약을 받지 않으며 기계 및 도구의 영향을 줄일 수 있다(In-Albon, Kossowsky, & Schneider, 2010). 또한 Eye Tracker는 동공의 위치와 크기를 측정하기 때문에 안구 고정운동 (fixation) 과 도약(saccade) 같은 즉각적인 생리 반응을 추적함으로써 시각적 주의와 관련된 데이터를 산출해 낼 수 있다. 또한 자동적인 주의(비의도적인 주의)뿐만 아니라 의도적인 주의까지도 객관적으로 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 시선추적기(Eye Tracker)의 방법을 활용하 여러 인터페이스 중 사용자가 관심을 가지고 본 대상의 영역을 확인할 수 있으며 결과 해석을 통해 어떤 영역 및 요소에 관심을 가지는지를 알 수 있다(변정호, 이일선, 권용주, 2011).
이 방식은 시각적 주의의 변화를 측정하는 가장 확실한 지표가 되며 특히 집중력과 관련한 실험에서의 사용은 시선 추적 기술을 통해 주어진 과제에 대해 시선 움직임의 패턴을 분석하여 과제 집착 및 집중력을 평가할 수 있게 된다. 우리가 이번 연구에 사용한 방식은 Remote Eye Tracker로 모니터에 시선추적 모듈을 장착한 형태이다. 이 방식은 연구자는 피험자가 바라보고 있는 시선을 실시간으로 모니터링할 수 있으며 즉각적인 피드백이 가능하다. 자극을 제시해 주는 디스플레이 크기에 상관없이 사용할 수 있는 것이 장점이다(Varison Co. Ltd).
본 연구에서는 특정 영역에 대한 시선의 빈도나 머무르는 시간을 정량적으로 측정하는 방법을 사용할 것이다. 시선추적기(Eye Tracker)를 활용한 분석방법에는 크게 6가지가 있다.
가. Heat Map: 이는 사용자가 어디를 가장 많이 보는지를 색의 구분으로 쉽게 확인할 수 있는 맵이다. 사용자의 시선 이동의 패턴을 가장 잘 보여주는 방법이다.
나. Focus Map: 사용자 시선의 위치와 바라본 화면의 내용이 무엇인지를 함께 확인할 수 있는 맵으로 Heat Map의 경우 화면 내에서 시선의 위치를 표시하기 위해 내용이 가려지는데 이 맵은 내용이 보여 지는 것이 장점이기 때문에 다른 방법과 함께 활용된다.
다. Bee Swarm: 인터페이스를 볼 때 사용자들이 집중해서 보는 곳을 점 형태로 모아서 보여 지는 방법으로 사용자들이 이미지를 볼 때 시선이 어디에 집중되는지를 찾아내기 위해 활용되는 방법이다.
라. AOI(Area Of Interest): 인터페이스 내에서 특정 영역을 지정해 오브젝트로 설정하고 그 오브젝트 에 대한 시선의 정보를 보여주는 방법으로 영역별로 중요도 및 우선순위 등을 구별하고자 할 때 사용하면 유용하다.
마. Scan Path (Gaze Plot): 시선의 흐름의 순서를 원과 선을 이어서 표시하고 시선이 머무는 정도를 원의 크기로 나타내주는 방법이다(pxd UX Lab, 2015).
바. AOI Sequence chart: 실험에서 설정한 AOI에 피험자의 시선이 머물렀는지에 대한 정보를 시간에 따른 정보로 제공합니다. x축은 시간을 y축은 설정된 AOI를 의미하며 어떤 AOI에 시선이 응시되어있는 지 여부는 색상으로 나타난다.
이와 같이 아이트래킹 분석 연구에 활용할 수 있는 방법은 많다. 그렇기 때문에 한 가지 방법이 아닌 다각도로 시선의 움직임에 대해 평가해 볼 필요가 있다.
□ 연구주제의 선정 ○ 연구 주제의 선정
청소년들이 시험, 성적, 입시 등을 이유로 많은 스트레스를 받고 있다는 사실은 자명하다. 높은 학업 스트레스는 심리적으로도 변화가 많은 시기를 겪는 청소년들에게 여러 가지 부적응 문제, 위험행동을 유발하고 학업 성적에도 영향을 미칠 수 있다고 한다(문경숙, 2006). 심리적 불안감은 주의 집중력을 떨어뜨리고, 이로 인한 주의 집중력 저하 문제는 학업 성취도에 직접 영향을 주게 된다(조윤희, 2009).
학업스트레스는 학업지연 및, 학업소진과 유의미한 정적상관을 나타낸다고 알려져 있다(이자영, 최혜 라, 2014). 이번 연구에서는 신경생리학적 방법으로 피젯 토이의 스트레스 감소 효과를 검증한 선행 연구의 결론을 바탕으로 Eye Tracking (시선추적) 방법, 스트레스 호르몬(코티솔) 분비량 변화를 통해 학습 상황에서 피젯팅으로 인한 학업스트레스 감소가 학생들의 주의집중력과 학업 수행에 미치는 영향을 확인하는 것이다. 생물심리학적 측정도구를 이용해 스트레스와 주의집중력의 관계를 밝힘으로 서 실제 학습 및 시험 상황에서의 피젯팅의 효과를 검증하고 학생들에게 학업 스트레스 감소와 학업 수행 향상을 위한 실질적인 정보를 제공하고자 한다.
□ 연구 방법
○ 연구 도구 및 분석 방법 1) 코티솔 검사
가. 실험 전과 과제 수행을 마치고 실험이 끝난 직후, 총 두 번 약 3ml의 타액을 채취한다.
나. 타액은 ㈜한국칼캠약품의 SHA kit를 이용하여 효소면역법으로 분석한다.
다. 실험집단에서 나타난 실험 전과 실험 후의 코티솔의 농도 차이값과 통제집단에서 나타난 실험집단 에서 나타난 실험 전과 실험 후의 코티솔의 농도 차이값을 IBM SPSS Statistics 20.0 프로그램을 사용하여 두 독립표본 t-검정을 실시한다.
라. 두 집단 간 코티솔 농도 변화 정도가 유의미한 차이를 보이고, 실험집단의 코티솔 농도 변화량이 통제집단의 코티솔 농도 변화량보다 유의미하게 작을 때 피젯큐브의 사용이 스트레스를 감소시켰다고 할 수 있다.
2) 상태불안척도검사
가. 실험집단과 통제집단 모두 과제 수행 전과 후에 상태불안척도검사를 실시한다.
나. 과제 수행 전과 후에 진행할 예정이다. 상태 불안을 측정하기 위한 도구이다.
다. 실험집단의 과제 수행 전, 후의 상태불안척도검사 점수의 차이와 통제집단의 과제 수행 전, 후의 상태불안척도검사 점수의 차이를 IBM SPSS Statistics 2.0 프로그램을 사용하여 두 독립표본 t-검정을 실시한다.
라. 두 집단 간 상태불안척도 점수 변화가 유의미한 차이를 보이고, 실험집단의 상태불안척도 점수의 변화값이 통제집단의 상태불안척도 점수의 변화값보다 유의미하게 작을 때 피젯큐브의 사용이 스트레 스를 감소시켰다고 할 수 있다.
3) 시선 추적(Eye Tracking)
가. 피젯큐브 사용 유무를 조작변인으로 하여 ‘시선 추적기(Eye Tracker)’ 를 사용해 학생들이 영어 지문을 학습하고 해결할 때의 시선의 움직임을 추적한다. 과제 수행 중에 피젯큐브를 사용한 실험집단과 피젯큐브를 쥐고만 있고 피젯팅을 최대한 자제하도록 한 통제집단의‘시선 추적(Eye Tracking)’ 결과 분석을 통해 피젯큐브의 사용, 즉 피젯팅이 일반적인 상태보다 높은 수준의 집중력을 발휘하는 데 도움이 됐는지, 학습에 방해가 되지는 않는지를 판단한다.
나. 피험자가 문제 풀이에 필요한 근거를 찾는데 얼마나 걸렸으며 어디를 많이 응시했는지 시선 고정 수와 시선 이동 빈도, 시선 이동 경로의 양적 데이터를 얻는다. 이를 집단 간(실험집단과 통제집단) 비교분석하여 피젯팅이 학생들의 주의집중력에 미치는 영향에 관한 질적 데이터를 얻는다.
다. 주의 집중과 주의 전환을 관찰하기 위해 관심 영역(이하 AOI: Area of Interests)를 각 문 장으로 설정한다(그림 3). AOI 중 무관한 문장의 영역을 이하 I(irrelevant)라 칭하고 무관한 문 장이 아닌 문장의 영역을 R(relevant)라고 칭한다.
라. 5개의 AOI 중 어떤 AOI에 많이 집중을 하였는지 각 AOI별 응시 빈도와, 각 AOI에 대한 시선 고정(fixation) 값을 산출하여 데이터를 추출하고 Heat map이라는 시각적 자료를 통해 효 과적으로 비교할 수 있다(그림 4). 또한 AOI sequence chart와 Scan Path(그림 5)를 이용하여 문장 간 시선 이동 경로를 파악한다.
마. AOI sequence chart와 Scan path를 이용하여 AOI 순서에 따라 다음 AOI로 시선이 이동하
<그림 1> 실험에서 사용한 시선추적기 <그림 2> 시선 추적 레코딩
<그림 3> 본 연구에서 사용된 과제의 AOI 설정
는 경로를 주의 집중, 시선이 I의 전후 R에서 다시 I로 이동하는 경로를 주의 전환이라고 평가한 다(김소영 2013). R에서 I로 이동하는 경우가 많거나, I에 머문 시간이 길 경우 주의 분산으로 평가한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 가설 설정
과제 수행 중에 피젯큐브를 사용한 실험집단은 스트레스가 감소함에 따라 주의집중력이 높게 나타날 것이다.
○ 월별 연구 추진 과정
○ 실험 과정
1) 연구 대상 선정
세마고등학교 1,2 학년 학생들을 대상으로 설문조사를 진행하여 시선추적기를 이용한 연구를 위해 시선추적 (eye tracking) 실험에 참여할 의사가 있는 학생들의 신청을 받았다. 지원자들에게 실험의 목적 및 진행과정, 피젯큐브 사용 유무에 따른 집단 분류 등 연구 결과에 영향을 미칠 가능성이 있는 내용들은 일체 언급하지 않았으며 피험자의 학업 수준의 동질성을 보장하기 위해 ‘수능특강’과 ‘수능완 성’의 5지선다형의 주제찾기 문제 중 렉사일 지수 1200L – 1300L에 해당하는 문제 5개를 선정해 사전 시험을 실시하여 그 중 상위 집단 17명을 최종 피험자로 결정하였다 피험자 학생들에게 동의서에 대한 본인과 부모님의 동의를 받았다. 실험 진행과정에서 피젯큐브를 사용하는 실험집단 9명 피젯큐브 를 사용하지 않는 통제집단 8명으로 분류하였으며 실험 중 피젯큐브 사용 유무를 제외한 모든 조건은 동일하도록 통제하였다. 모든 피험자들이 실제 실험 상황에서 피젯큐브 사용에 있어 당황하지 않게 하기 위해 약 2주 전부터 피젯큐브를 사용하여 익숙해지도록 하였다.
<그림 4> Heat Map <그림 5> Scan Path
주요 활동 시 기
주제탐색 및 이론적 배경 조사 2월~3월
선행연구 분석 4월
실험에 사용되는 과제 (영어과제) 선정 5월~6월
실험 설계 및 실험 과정 결정 6월~7월
설문조사를 통한 지원자 모집 7월
실험 동의서 배부 후 최종 피험자 결정 8월~9월
실험 진행 10월
<표 5> 연구 추진 과정
2) 실험 설계
가. 모든 피험자들은 각각 학업 상황에서 피젯큐브를 사용하는 실험 집단과 피젯큐브를 사용하 지 않는 통제집단으로 구분한다.
나. 실험 전과 후 모든 피험자들의 스트레스의 정도를 파악하기 위해 코티솔 농도를 측정하고 상태불안 척도 검사도 함께 진행한다.
다. 피험자들은 본 시행 동안 영어 지문 총 4개를 풀게 되며 의도적으로 어색한 문장을 추가하 여 문장 간 시선 이동을 확인한다.
라. 변인통제를 위해 피젯큐브의 6가지 면 중 ‘롤’ 한 면만 사용하도록 하며 통제집단은 피젯큐 브를 사용하지 않고 잡고만 있게 한다.
3) 실험 진행 가. 실험 진행 전
(1) 본 실험 장소로 이동하기 전, 모든 피험자가 대기실에서 상태불안척도 검사지를 진행하도록 한다. 코티솔 검사를 위해 빨대를 이용하여 타액을 채취한다.
(2) 시선추적 검사가 안전하다는 사실을 설명하고 본 실험 상황과 최대한 비슷한 상태를 유지하 며 연습시행을 실시하여 실제 상황에서 피험자가 당황하지 않도록 한다.
(3) 각 집단에 맞게 피젯큐브 사용 방법을 익히도록 하고 실험을 시작한다.
<그림 6> 코티솔 채취 과정
<그림 7> 코티솔 채취 키트
나. 실험 진행 방법
(1) 피험자들을 동기부여하기 위해 본 실험을 통해 성취도와 집중력이 높은 상위 10% 집단을 분류할 것이라 공지하고 피험자 시선의 초점을 맞추기 위한 시점 조정(calibration) 과정을 거친 다.
(2) 실험 시작과 동시에 실험집단은 피젯큐브의 한 면을 사용하고 통제집단은 피젯큐브를 사용 하지 않지만 손에 쥔 채로 과제를 수행한다.
과제 제시 패러다임은 <그림8>과 같다.
과제1 문제 fix 과제2 문제 fix 과제3 문제 fix 과제4 문제
무관한 문장
①
②
③
+ 무관한 문장
①
②
③
+ 무관한 문장
①
②
③
+ 무관한 문장
①
②
③
1분 10초 3초 1분 10초 3초 1분 30초 3초 1분 30초
<그림8> 과제 제시 패러다임
(3) 총 4개의 영어 과제가 각각 1분간 주어진다. 이때 1분 동안 피험자가 계속하여 과제를 응시 하도록 주의를 주었다.
(4) 과제가 주어진 후에는 지문의 주제를 찾는 문제와 선지가 있는 화면이 주어지고 피험자는 정답이라고 생각하는 것을 선택하도록 한다.
(5) 과제의 처음과 각 지문 사이에는 십자가(+)를 3초간 배치하여 최초 응시점을 동일하게 한 다.
다. 실험 종료 후
(1) 실험이 끝난 후 사후면담실로 이동하여 상태불안척도 검사지를 작성하고 코티솔 검사를 위 해 타액을 채취한다.
(2) 심리학적 측면에서의 집중력 평가를 위해 웩슬러 지능검사 중 집중력과 관련된 소검사인 동 형찾기를 진행한다.
(3) 모든 검사가 종료되면 사후면담을 진행한다.
<그림 8> 피험자 특이사항 기록지 <그림 9> 실험실 모습
<그림 10> 피험자 시선 추적 컴퓨터
<그림 11> 과제 수행 과정
<그림 12> 과제 제시 화면 <그림 13> 정답 제시 화면
라. 사후면담 자료
(1) 피젯 큐브 사용 안한 집단
- 실험에 참여하면서 문제를 푸는 동안 어느 정도 집중을 하였다고 생각하나요?
- 문제를 풀 때 몇 문제 정도가 풀면서 힘들거나 불안했나요? 그 중에 가장 심했던 문제는?
- 혹시 풀지 못했는데 시간이 다 돼서 혹은 다른 이유로 아무 답이나 말한 문제가 있나요?
- 혹시 실험 진행 중 지문에서 어색한 부분이 있었나요?
(2) 피젯 큐브 사용한 집단
- 실험에 참여하면서 문제를 푸는 동안 어느 정도 집중을 하였다고 생각하시나요?
- 문제를 풀 때 몇 문제 정도가 풀면서 힘들거나 불안했나요? 그 중에 가장 심했던 문제는?
- 혹시 풀지 못했는데 시간이 다 돼서 혹은 다른 이유로 아무 답이나 말한 문제가 있나요?
- 피젯큐브를 사용한 것이 문제를 푸는 데 도움이 되었다고 생각하시나요? 또 앞으로 사용하실 의향이 있나요?
- 혹시 실험 진행 중 지문에서 어색한 부분이 있었나요?
(3) 동형찾기 검사
<동형찾기>는 웩슬러 지능 검사 중 [처리속도]의 주요 소검사이다. 피검사자는 특정 제한 시 간 내에 반응부분을 살펴보고, 이 부분에 표적 모양 중 하나라도 일치하는 기호가 있는지 찾아야 한다. 이 소검사는 처리속도와 함께, 시각적 단기기억, 시간-운동 협응, 인지적 유연성, 시각적 변별, 집중력과 관련된다(Kaufman, 1994; sattler, 2001).(웩슬러 지능검사)
마. 과제 설계 과정
우리 연구에서 시선추적기(Eye Traker)를 이용해 관찰하고자 한 주의집중력의 종류는 과제와 관련 없는 정보는 무시하고 적절한 자극에만 주의를 기울이는 능력을 의미하는 선택적 주의집중력(Pearson, Yaffee, Loveland & Norton, 1995), 장시간 어떤 자극에 대해 각성상태를 유지하는 것(Prinzel Ⅲ
& Freeman, 1997) 혹은 불규칙하고 드물게 나타나는 목표자극에 대해 오랜 기간 주의를 유지하는 것으로 정의되는 지속적 주의집중력(Hooks, Milich & Lorch, 1994; Parasuraman, 1984)(재인용 이재숙, 2006)과 주의를 하나의 물체에서 다른 물체로 이동시키는 과정을 말하는 전환적 주의집중(Atte ntionswitching)(김윤영, 2015)이다. 모니터를 통해 읽는 것으로 과제를 수행할 수 있는 과제로 먼저 우리는 전국연합 학력평가와 대학수학능력시험에서 위 능력을 평가하기 위해 출제하는 국어영역의 비문학 지문을 떠올렸다.
(1) 1차 과제 개발 시도 – 국어영역 비문학 지문
먼저, 우리는 연구 계획 단계에서 국어영역의 비문학 지문을 측정 과제로 선정하고자 했다. 비문학
<그림 14> 동형찾기 검사
문제는 하나의 지문을 바탕으로 출제된 하위문제 3~6개를 말하고, 이 문제들은 위의 대표적인 주의집중 력 두 가지를 모두 필요로 한다. 주어진 시간동안 비문학 지문을 읽고 문제를 풀기 위해서는 처음 접하는 개념과 세부 내용을 완전히 이해해 유추할 수 있어야 한다. 지문의 내용을 바탕으로 한 선지의 옳고 그름을 따지는 문제와 지문에서 설명한 메커니즘을 이해해야 하며, 다음 과정 혹은 지문의 여러 요소 간의 관계를 유추해야만 하는 문제, 지문의 내용을 근거로 하여 표나 그래프를 해석해 맞거나 틀린 설명을 하고 있는 선지 하나를 찾는 문제 등으로 이루어져 있다. 이를 위해서는 지문과 문제를 번갈아 가며 보고, 지문을 여러 번 읽으며 근거를 찾는 과정이 필수적이다.
이러한 사실을 바탕으로 하여 피험자가 비문학 문제를 푸는 과정을 아이트래커로 추적한다면 문제 풀이의 근거가 되는 부분을 AOI(Area Of Interests ; 관심영역)로 두어 AOI에 대한 시선고정 수 (fixation number), 시선 고정율 (fixation rate), 시선이동빈도 (gaze movement,) 시선이동경로(gaze path)를 확인하기 매우 쉽고, 아이트래킹 결과 분석을 통해 피험자의 주의집중력 정도를 충분히 측정할 수 있을 것이라고 생각했었다. 시선추적(Eye Traking)의 특성을 백분 활용하여 결론을 도출할 수 있도록 제시된 표나 그래프, 그림 혹은 문제에 주어진 보기와 지문을 비교해야 하는 기술, 과학, 경제 분야의 비문학 지문을 과제로 선정하고자 했다.
그러나 비문학 한 지문 전체를 과제로 선정하기에는 개인마다 문제를 푸는 방법이 다양하고, 과제를 모니터를 통해 제시하고 시선을 추적하기에는 과제 풀이에 너무 많은 시간이 요구되며 AOI 선정과 데이터 분석으로부터 정확한 결론을 도출해내기 어렵다는 전문가의 의견이 있었다.
이에 우리는 고등학생의 평소 학습 과제이면서도 과제 수행 시 주의력과 작업기억력이 요구되는
‘세부 내용 파악’ 유형의 영어 문제와 과학탐구영역의 문제를 과제로 선정하고자 하였다.
(2) 2차 과제 개발 시도 – 영어 2문제, 과학 2문제+방해물
보다 다양한 학습 상황에서의 스트레스와 집중력의 상관관계를 밝혀 내고자 했고‘세부 내용 파악’
유형의 영어 문제 2개와 과학탐구영역의 문제 2개를 과제로 선정하고자 하였다.
‘세부 내용 파악’ 유형의 영어 글을 읽고 한글선지 중 물음에 따라 글의 내용과 일치하지 않는 선지 혹은 글의 내용과 일치하는 선지를 고르는 것이다. 문장 내에서, 글과 선지 내용 사이에서 일치하는 부분과 일치하지 않는 부분을 파악해야하기 때문에 많은 시선 고정과 전환이 필요하다. 오픈소스인
‘EBS 2018학년도 수능특강 영어’ 및 ‘EBS 2018학년도 수능특강 영어독해연습’의 지문 중 글의 내용과 일치하지 않는 문장을 선택하는 문제를 과제로 활용하였다. 수준을 맞추기 위해 지문은 lexile.com의 Lexile Analyzer를 활용하여 렉사일(lexile) 지수가 1000L~1100L로 측정된 지문 2개로 선정하고자 했다. 학교 영어 선생님께 타당도 검사를 거쳐 본문 속에서 문제 풀이에 필요하다고 인정되는 key words로 설정했다. 실험집단과 통제집단 간의 AOI에 대한 시선 점유율 차이와 시선이동 패턴, 시선집중 의 경향성(어떤 특정영역에 시선이 집중되었는지) 분석하고자 했다.
과학문제는 전국연합능력평가와 대학수학능력시험의 과학탐구과목 문제 중 그림에서 정보를 찾아내 어 선지를 택하도록 되어있는 문제 20개를 먼저 고르고 실험과 관계없는 1, 2학년 학생 30명을 대상으로 문제를 풀도록 하여 50% 이상의 학생이 맞춘 문제 2개를 과제로 선정하고자 했다. 또한 모니터 화면 비율을 5×5로 나누어 문제를 중앙에 3×3으로 배치하고, 그 주위에 학습에 관련되지 않으며 주의 집중을 방해하는 방해물을 배치한다. 그리고 문제를 AOI로 설정했다(김윤영, 2015).
과제를 다시 수정하게 된 계기는 다음과 같다.
이 연구는 2017년 ‘피젯큐브가 학업스트레스 및 시험불안 완화에 미치는 영향 탐구’라는 연구가 기저가 되어 시작되었다. 이 연구에서는 피험자가 스트레스를 받도록 하는 도구로써 영단어 암기와 성인용 웩슬러 지능 검사(Wechsler Adult Intelligence Scale)K-WAIS-IV의 작업 기억 항목의 주요 소검사인 숫자(digit span)를 활용하여 과제로 설정하였다. 우리는 뇌파 측정을 위해 손과 입 등 신체의 움직임을 최소화해야 했기 때문에 일련의 숫자를 듣고 반대 숫자로 숫자들을 회상해야 하는 숫자(digit span) 검사를 변형하여 슬라이드쇼로 정확하게 숫자 1개당 2초씩 3개, 5개, 7개 총 3세트를 제공하고 주어지는 일련의 숫자를 모든 과제 슬라이드가 끝난 후 영단어와 함께 백지에 작성하도록 했었다.
이렇듯 영단어 암기 과제는 피실험자의 학업적 능력, 즉 경험, 학교교육, 문화 등으로부터 축적한 지식과 기술을 의미하는 결정적 지능(Crystallized Intelligence)과 관련된 과제였으며, 숫자 거꾸로 말하기 과제는 학교에서 배우지 않는 주로 유전된 생물학적 요인의 결과인 유동적 지능(Fluid Intelligence)(위 키백과)을 평가할 수 있는 과제였다.
2차 개발 과제는 단순 영어 문제와 과학 문제로 구성하여 결정적 지능(Crystallized Intelligence)을 요구하는 과제이기에, 보다 다양한 상황을 고려한 과제 선정을 위해 이번 연구 과제에서도 유동적 지능(Fluid Intelligence)을 필요로 하는 과제를 도입하고자 웩슬러 지능 검사를 활용한 과제를 개발하고 자 하게 되었다.
(3) 3차 과제 개발 시도 - 웩슬러 지능 검사 활용
유동웩슬러 지능 검사 중 ‘빠진 곳 찾기’ 소검사가 있다. ‘빠진 곳 찾기’는 시각적 조직화 능력과 연결된 시각적 주의집중력을 필요로 하는 검사이기에 유동적 지능 (Fluid Intelligence)를 필요로 할뿐만 아니라 그에 따른 피험자의 집중력을 평가할 수 있다. 특정 부분이 생략된 카드를 제시하고 주어진 시간동안 생략된 부분을 구두로 답하며 검사는 진행된다. 이때 높은 점수를 얻을 경우 주의집중력이 높은 것으로 판단된다. 이를 이용하여 결정적 지능을 요하는 ‘세부내용파악’ 유형의 영어과제 2문제와 유동적 지능을 요하는 웩슬러 지능검사 중 ‘빠진곳 찾기’4문제를 과제로 선정하고자 하였다. 영어과제의 경우 2차 과제선정 단계에서 결정한 방법을 이용하고 빠진곳 찾기 과제의 경우 생략된 부분과 그 주변부를 AOI로 설정하여 실험집단과 통제집단 간의 생략된 부분의 AOI에 대한 시선 점유율 차이와 시선 집중의 경향성을 분석하고자 했다.
3차 개발과제에서 사용되는 유동적 지능은 선천적 생물학적으로 결정화된 정신과정을 반영한 능력으 로‘학습상황에서~’라는 우리의 연구주제에서 벗어난 과제라 생각하여 본 취지로 돌아가 학생들이 평소 에 경험하는 학습상황과 비슷한 환경을 만들기 위해 결정적 개념만을 평가하는 영어 과제를 선정하게 되었다.
(4) 4차(최종) 과제 선정 단계 – 영어 지문 4개
영어 영역의 문제 유형 중에서도 ‘무관한 문장 파악’ 유형의 문제 역시 선택적 주의 집중력과 지속적 주의집중력 두 가지를 모두 필요로 하면서, 전환적 주의집중력 또한 평가할 수 있다. 지문을 읽어 나가면서 글의 흐름, 글의 주제와 중심소재, 글쓴이의 입장 등을 파악해야 한다. 우리는 ‘무관한 문장 파악’ 유형의 문제를 ‘주제 찾기’ 유형의 문장처럼 보이도록 지문 중에 전체 흐름과 맞지 않는 문장(I)이 있다는 것을 사전에 알리지 않고, 질문과 선지의 구성을 ‘주제찾기’ 유형과 같게 구성하였다. 그렇기 때문에 피험자가 무관한 문장이 들어간 지문을 읽는 과정을 시선추적기(Eye Tracker)로 추적한다면 I와 R간의 시선 전환 횟수, 시선 전환 순서, 응시 시간 분석을 통해 피험자의 이해도와 집중력을 평가할 수 있었다.
(5) 최종 과제
① 과제와 시험상황의 연관성
학업 상황에서 피젯큐브가 미치는 영향을 알아보기 위한 연구이기 때문에 실험에 사용되는 과제 는 대부분의 학생들이 자주 겪는 시험상황을 재현해야 한다고 판단하여 대학수학능력평가의 연 계교재인 ‘수능특강’과 ‘수능완성’의 무관한 문장 찾기 유형의 문제를 사용하여 과제를 선정하였 다.
② 과제의 난이도
피험자들이 시험상황에서의 스트레스와 불안을 느끼게 하는 것이 연구의 주 목적이다. 그래서 4 가지 과제의 읽기 수준을 lexile.com의 Lexile Analyzer을 활용하여 수능 영어영역 평균 읽기 난 이도인 렉사일 지수를 1000L-1100L로 맞추었다.
③ 과제 최종 AOI 설정
바. 결과 분석 방법
선택적 주의집중력은 (k=1,2,3,4)와 I의 시선 고정 시간(fixation time) 자료를 비교하여 I를 다른 AOI에 비해 얼마나 많이 응시했는지, 일원분산분석(one-way analysis of variance;
one-way ANOVA)을 통해 분석한다. 또한, Heat map을 통해 시선고정의 전체적인 분포를 관 찰한다.
지속적 주의집중력은 시선 데이터 중 시선고정시간은 시선 고정과 다음 시선고정 사이에서 고 정된 시선을 유지하여 지속할 때의 시간이므로(김윤영, 2015) (k=1,2,3,4)와 I의 평균 시선 고정 지속 시간 자료를 통해 I에의 평균 시선 고정 지속 시간이 (k=1,2,3,4)보다 길면 지속적 주의집중력이 높다고 해석한다.
전환적 주의집중력은 한 대상에서 다른 대상으로 주의를 이동시키는 과정을 말한다. 본 연구에 서는 I와 R간의 시선 고정 전환 횟수와 I와 R의 각 (k=1,2,3,4)와 R의 시선 고정(fixation) 시간이 그래프로 표현된 AOI sequence chart에 나타난 회귀 빈도를 이용해 피험자의 전환적 주 의집중력을 평가한다.
측정 요소 시선 추적 데이터 분석 이용 자료
선택적 주의집중 Ÿ I와 R의 시선 고정 시간(fixation time) Ÿ Heat map
지속적 주의집중 Ÿ I와 R의 평균 시선고정지속 시간
전환적 주의집중 Ÿ I와 R간 시선고정전환 횟수 Ÿ I와 R의 AOI sequence chart
<표 6> 측정 요소별 분석 방법
<그림15> 과제1 <그림16> 과제2
<그림17> 과제3 <그림18> 과제4
