Eye Tracking과 Object Detection을 활용한 과학 수업 중 초등학생의 Attention 양상 분석 = Analyzing Elementary Students’ Visual Attention Patterns During Science Instruction Using Eye-Tracking and Object Detection

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 Eye Tracking과 Object Detection을 활용하여 초등학교 과학 수업 중 학습자의 Attention(주의집중) 양상과 교사 발문 직후의 Attention 양상을 분석하여 교육적 시사점을 도출하는 것이다. 연구 대상은 중부지방 소재 3개 초등학교 6학년 학생 72명이었으며, 시선 추적률 80% 이상인 47명의 데이터를 최종 분석하였다. 선행 연구에서 제안한 Eye Tracking과 Object Detection 분석을 활용하였으며, Attention과 Mind Wandering을 판별하여 과학 수업 중 Attention 양상과 발문 직후 Attention 반응 양상을 확인하였다. 본 연구는 Mobile Eye Tracker를 사용하여 과학 수업에 참여한 학생들의 시선 데이터를 수집하였다. Eye Tracker로 촬영된 학생 시선 Video Stream을 이용해 YOLO 기반 Object Detection Model을 학습시킨 후, 시선 데이터와 학습 객체 위치 정보를 통합해 Attention과 Mind Wandering을 판별하였다. 교사의 발문은 녹음 자료와 수업 동영상을 바탕으로 전사하고 유형별로 분류하였으며, 발문 종료 직후 1초 동안의 Attention 반응을 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 수업 시간 흐름에 따른 평균 Attention 비율은 20~40% 범위에 분포하였으며, 수업 초반에 비교적 높은 수준을 유지하다가 중반에 소폭 감소한 후 다시 회복되는 양상을 보였다. 수업 전체 Attention 비율을 기준으로 상위 5명과 하위 5명을 선정하여 비교하였을 때, 상위 5명은 30~55%, 하위 5명은 10~25%를 유지하여 학생 간 개인차가 뚜렷하게 나타났다. 둘째, 수업 전체 Attention 비율 평균(31.40%)과 발문 직후 Attention 비율 평균(31.88%)은 통계적으로 유의한 차이가 없었으나(p=.694), Attention 하위 집단에서는 발문 직후 Attention이 유의하게 높았다(Z=-3.124, p=.002). 수업 전체 Attention 비율 평균과 발문 직후 Attention 비율 평균 간에는 정적 상관관계가 나타났다(r=.462, p<.01). 학급 관리 발문(23.80%)은 탐구 활동 관련 발문(31.79%)보다 발문 직후 Attention이 유의하게 낮았으며(p=.005), 수업 단계별로는 탐구활동 단계(19.47%)에서 발문 직후 Attention이 가장 낮았다(p<.001). 본 연구는 Eye Tracking과 Object Detection을 결합하여 47명의 시선 데이터를 효율적으로 처리하였으며, Attention이 학습 활동과 맥락에 따라 동적으로 변화하는 특성을 실증적으로 확인하였다. 또한, 교사의 발문이 즉각적인 Attention 향상을 보장하기보다는 학생의 기본 Attention 수준, 발문 유형, 수업 단계 등 맥락적 요인에 따라 달라지는 조건적 전략임을 밝혔다. 본 연구는 발문 효과를 Attention 관점에서 정량적으로 분석하는 새로운 방법을 제시하며, 학습자의 Attention 특성과 수업 맥락을 고려한 교수 설계에 실천적 시사점을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 5
• 3. 용어의 정의 6
• Ⅱ. 이론적 배경 8
• 1. 교사 발문 8
• 2. Attention 14
• 3. Mind Wandering 20
• 4. Eye Tracking과 Object Detection 27
• 5. 선행 연구 고찰 34
• Ⅲ. 연구 절차 및 방법 37
• 1. 연구 절차 37
• 2. 연구 대상 39
• 3. 수업 내용 40
• 4. 자료 수집 42
• 5. 자료 분석 45
• 6. 연구의 타당도와 신뢰도 68
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 69
• 1. 수업 시간 흐름에 따른 학생 Attention 양상 69
• 2. 발문 종료 직후 1초 동안의 Attention 양상 74
• Ⅴ. 종합 논의 86
• 1. 수업 중 Attention 양상에 대한 논의 86
• 2. 발문 직후 Attention 양상에 대한 논의 87
• 3. Attention 양상 분석을 위한 새로운 연구 방법 88
• 4. Attention 양상 분석을 통한 맞춤형 교수학습 설계 제안 89
• Ⅵ. 결론 및 제언 90
• 1. 결론 90
• 2. 제언 91
• 참 고 문 헌 94
• ABSTRACT 110
• 부 록 113