디지털 교과서와 서책형 교과서 사용시 두뇌 활성 차이-EEG 연구

권석원(Kwon, Suk-Won),권용주(Kwon, Yong-Ju),양일호(Yang, Il-Ho),변정호(Byun, Jung-Ho),이일선(Lee, Il-Sun),권승혁(Kwon, Seung-Hyuk),김순미(Kim, Soon-Mi),박상희(Park, Sang-Hee),김윤영(Kim, Yoon-Young),계보경(Kye, Bo-Kyung),정광훈(Jung, 학습자중심교과교육학회 2014 학습자중심교과교육연구 Vol.14 No.5

정보통신 전자기술이 발달하고 확산됨에 이를 이용한 스마트 교육이 점점 확산되고 있다. 이에 스마트 기기를 이용한 디지털 교과서의 사용에 대한 우려가 증가하고 있다. 이 스마트 교육의 보급을 위해서 디지털 교과서 사용에 따른 역기능에 대한 체 계적인 진단 및 분석에 대한 요구의 목소리가 높아지고 있다. 이에 본 연구의 목적은 디지털 교과서 사용의 뇌기능에 대한 영향을 규명하고 안전하고 올바른 활용 방안을 제시하는 것이다. 이를 위해 먼저 디지털 교과서 활용 시 학습자의 두뇌 활성 영향분석을 위해 실험 연구를 진행하였다. 연구 결과, 디지털 교과서 사용시 서책형 사용에 비해 델타와 감마대역에서 우측 전두엽, 두정엽, 피질하 일부 영역과 변연계 중뇌섬엽에서 유의하게 두뇌 활성 및 강도가 높게 나타났다. 본 연구를 바탕으로 디지털 교과서의 안전하고 올바른 사용을 위해 관련 뇌과학연구의 확대와 가이드라인의 제작 및 제시, 교사와 함께하는 스마트 교육의 발전을 위한 추가 연구의 필요성을 제시하였다. The smart education is spreading to more and more according to development of information and communication technologies and the proliferation of electronic communication. It is increasing concerns about using digital device based on digital textbooks. The growing calls for systematic diagnosis and analysis about dysfunction of using digital textbooks for the proper prevalence of smart education. Therefore, the purpose of this research is to investigate the effect on brain function using digital textbooks and to propose ways to ensure safe and proper utilization. To reach the purpose, experimental research was conducted for analysis effect on brain activation of learner using digital textbooks. A comparative study of active region of the brain when students use digital textbook or paper textbook, this results of this study, we observed a significant delta and gamma power increase in right frontal, parietal and insula(Sub-lobar) in using the digital textbook. Though this research, It is revealed that using digital textbook effect especially on brain function. And we propose a enlargement of smart education related brian science research, manufacture and present guide-line and necessity of additional research for development smart education with teachers.

가상현실(VR) 기반 생명과학 콘텐츠의 뇌전도(EEG) 특성

권석원(Kwon, Suk-Won),권승혁(Kwon, Seung-Hyuk),권용주(Kwon, Yong-Ju) 학습자중심교과교육학회 2018 학습자중심교과교육연구 Vol.18 No.9

본 연구의 목적은 가상현실 기반 체험형 생명과학 콘텐츠 자료와 기존 교육현장에서 사용되던 동영상이나 사진 자료와 같은 교수학습매체가 학습자의 두뇌에서 어떤 차이를 보이는지 확인하고, 이를 통해 다양한 연구 가능성을 제안하는 것이다. 이 를 위해 가상현실, 동영상, 사진 과제를 각 3종씩 9종을 개발하여 과학교육 전공 여성 대상자 5명에게 투입하며 19채널 뇌전도 측정을 실시하였다. 연구 결과 동영상이나 사진 과제에 비해 가상현실 기반 생명과학 콘텐츠 과제를 수행할 때 델타 및 감 마 대역에서 유의하게 높은 두뇌 활성 차이가 확인되었고, 이러한 활성은 주로 하이감마대역으로 갈수록 우측 후두엽을 중심으로 편측되어 나타나는 경향이 주로 관찰되었다. 이는 가상현실기반 과제가 기존 교수학습방법보다 선택적 주의집중과 가치 연합 처리에 있어 상호보완적 역할을 수행하고 있음을 나타내는 것이라 볼 수 있다. 감마 대역 활성은 후두엽과 변연계 사이에서 발생되어 지며, 이로 미루어보아 가상현실 기반 생명과학 콘텐츠는 주로 기억 부호화 및 재인과 연관되어 있음을 확인할수 있었다. 본 연구는 가상현실기반 콘텐츠가 학습자에게 미칠 수 있는 다양한 영향 에 대한 뇌과학적 근거를 제시하였다는데 의의가 있다. The purpose of this study is to identify differences in the effects on learner’s brain between virtual reality-based biology contents and teaching-learning media such as video and picture materials used in the existing educational field, and to propose various research possibilities. For this purpose, we developed three kinds of 9 tasks of virtual reality, video, and picture type and applied them to 5 female participants in science education major with nineteen-channel EEG. Results showed that brain activity difference was significantly higher in delta and gamma band when during virtual reality-based biology contents tasks then video and photo tasks. These activities were observed mainly in the left side of the right occipital lobe. This suggests that the virtual reality-based tasks play a complementary role between selective attention process and value association processing compared to the existing teaching-learning tasks. In addition, gamma band activity occurs between the occipital lobe and the limbic system, suggesting that virtual reality contents are mainly related to memory coding and memory recognition. It is significant that this study presented the neuroscientific basis of various effects on learners using virtual reality-based contents.

디지털 교과서 활용이 학습자의 인지 기능에 미치는 영향-EEG 연구

권석원(Kwon Suk Won),권용주(Kwon Yong Ju),양일호(Yang Il Ho),변정호(Byun Jung Ho),이일선(Lee Il Sun),권승혁(Kwon Seung Hyuk),김순미(Kim Soon Mi),박상희(Park Sang Hee),김윤영(Kim Yoon Young),계보경(Kye Bo Kyung),정광훈(Jung Kwang Hun) 학습자중심교과교육학회 2015 학습자중심교과교육연구 Vol.15 No.2

본 연구의 목적은 디지털교과서 및 서책형교과서 활용이 인지 기능에 미치는 영 향을 알아보기 위한 것이다. 연구대상자는 모두 5학년으로 디지털교과서 활용반 20 명, 서책형 교과서 활용반 21명이었다. 뇌파 측정은 안정상태, 단기기억, 작업기억, 공간인지 과제 수행간 이루어졌다. 행동과제 분석 결과, 단기기억과 공간인지 과제 수행시 디지털교과서 활용 그룹과 서책형교과서 활용 그룹간 통계적 차이는 발견되 지 않았다. 뇌파분석 결과, 디지털교과서 활용그룹이 서책형교과서 활용그룹에 비해 우측 전두엽 인근 델타대역에서의 부적 두뇌 활성이 관찰되었다. 또한, 디지털교과 서 활용 그룹에 비해 서책형교과서 활용 그룹이 공간인지 과제 수행시 전두엽을 중 심으로 민감도가 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 통해 디지털교과 서 활용이 인지기능에 미치는 영향을 확인하였고, 이를 바탕으로 디지털 교재 개발 의 나아갈 방향과 후속 연구를 제안하였다. The purpose of the this study was to investigate effects of using a digital textbook on cognitive function. We recorded EEG(resting state, short term memory task, working memory task, spatial cognition task) from 20(digital textbook group) and 21(paper textbook group), 5th elementary school volunteers. The results of behavioral tasks(short term memory and spatial cognition task), revealed no significant differences between digital textbook and paper textbook group. The results of an EEG, the digital textbook group that negative oscillate more than the paper textbook group around the right frontal(delta range) and paper textbook group that higher sensitivity more than the digital textbook group appears around the frontal area performing the tasks in spatial cognition. The results of this study provide effects of using a digital textbook on cognitive function and suggest that the directions for development of digital textbook and further research based on analysis results.

과학 영재와 일반아의 창의적 추리과정 시 나타나는 신경 전류원의 차이

권석원 ( Suk Won Kwon ) 한국초등과학교육학회 2015 초등과학교육 Vol.34 No.1

본 연구에서는 과학 영재와 일반아의 창의적 추리과정시 나타나는 두뇌사고 패턴을 sLORETA 분석기법을 통해 분석하고, 신경생리적 특성을 파악하여 과학 영재아 판별의 기초와 활용 가능성을 알아보는 것이다. 본 연구를 위한 대상자는 과학영재아 6명과 동일 학군 및 학년에 속한 일반아 6명으로 총12명의 오른손잡이로 하였다. 창의적 추리과정을 위해 사용된 과제는 레이븐 도형점진행렬검사를 사용하였고, 안정상태와 과제 수행간 뇌파를 측정하였다. 뇌파는 19개의 전극을 통해 수집된 16초간의 데이터를 통해 분석하였으며, sLORETA 분석 기법을 통해 8개의 주파수 대역(Delta, Theta, Alpha-1/2, Beta-1/2, Gamma, Omega)에 대한 평균 전류밀도값을 그룹별로 비교하였다. 그룹간 두뇌 활성 주파수 대역을 비교한 결과 눈감고 안정 상태에서 과학영재아가 일반아에 비해 알파-2 대역에서, 레이븐 과제 수행시 과학영재아가 일반아에 비해 알파-1과 감마 대역에서 강한 활성이 관찰되었다. 연구 결과 나타난 알파 및 감마 대역 활성과 우반구로의 기능적 편측화(Lateralization)는 창의적 문제 해결시 영재아에게 나타나는 대표적 특성 중 하나이며, 배외측전전두피질(DLPFC)의 활성은 과학영재아의 높은 유동지능을 반영하는 결과라 볼 수 있다.

초등학교 과학 영재아의 뇌파 기반 변별 척도 개발

권석원 ( Suk Won Kwon ),강민정 ( Min Jung Kang ),신동훈 ( Dong Hoon Shin ),권용주 ( Yong Ju Kwon ) 한국초등과학교육학회 2007 초등과학교육 Vol.25 No.5

C-Segment 전기자동차 시스템 분석 및 설계

권석원(Seok-Won Kwon),박민규(Min-Kyu Park),손주형(Ju-Hyung Son),최길수(Gilsu Choi) 대한전기학회 2022 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.7

온라인 비대면 생명과학 원격수업이 학습자의 디폴트모드네트워크(DMN)와 과학태도에 미치는 영향

권석원(suk won Kwon) 학습자중심교과교육학회 2024 학습자중심교과교육연구 Vol.24 No.2

목적 본 연구는 목적은 온라인 비대면 생명과학 원격수업이 학습자의 디폴트모드네트워크(DMN)와 과학태도에 미치는 영향을 신경생리적 연구 기법인 뇌전도 분석을 통해 확인하는 데 있다. 방법 서울 소재 A초등학생 5학년 36명(남 19명, 여 17명)의 눈뜨고 안정시 뇌전도 검사를 실시하였다. 온라인 비대면 생명과학 원격수업 시행 전후 눈뜨고 안정시 뇌전도 데이터를 수집하여 디폴트모드네트워크와 과학태도에의 양상을 두뇌 전류밀도와 연결성 분석을 통해 확인하였다. 결과 뇌전도 분석 결과, 비대면 생명과학 원격수업 시행 이후 알파-2 대역과 베타-2 대역에서 통계적으로 유의미한 두뇌 전류밀도 차이가 확인되었다. 알파-2 대역의 경우 우측 전두엽(Frontal Lobe) 중 상전두이랑(Superior Frontal Gyrus)과 중전두이랑(Middle Frontal Gyrus)을 중심으로, 베타-2 대역의 경우 상측두이랑(Superior Temporal Gyrus)과 중심후이랑(Postcentral Gyrus), 뇌섬엽(Insula) 등에서 낮은 전류밀도가 우반구를 중심으로 나타났다. 또한, 중전두이랑(Medial Frontal Gyrus)과 우측 하두정엽(Right Inferior Parietal Lobe) 경로(MFG - RPL) 사이 낮은 두뇌 연결성이 확인되었다. 결론 온라인 비대면 형태의 생명과학 수업 방식은 학습자의 수동적 참여와 불안정한 심적 상태를 반영하는 것으로 나타났다. 상호 작용이 부족한 온라인 비대면 수업은 학습자의 학습에 대한 집중도와 관심 수준을 낮추며, 학습에 대한 준비도를 떨어뜨릴 수 있음을 보여준다. 이러한 연구 결과는 온라인 비대면 원격수업과 같은 단기의 상황도 학습자의 디폴트모드네트워크에 영향을 미칠 수 있음을 제시한다. Objectives The purpose of this study were to confirm the impact of online non-face-to-face life science distance learning on learners' Default Mode Network (DMN) and science attitude through EEG analysis. Methods EEG tests were conducted on 36 fifth grade elementary school students (19 males, 17 females). Before and after implementing online non-face-to-face life science classes, EEG data were collected at rest with eyes open, and aspects of DMN and scientific attitude were confirmed through brain current density and connectivity analysis. Results As a result of the study, a statistically significant difference in brain current density was confirmed in the alpha-2 and beta-2 bands. In the case of the alpha-2 band, low current density was observed in the superior fron-tal gyrus and middle frontal gyrus of the right frontal lobe. In the case of the beta-2 band, low current density ap-peared in the superior temporal gyrus, postcentral gyrus, and insula, centered on the right hemisphere. Additionally, low brain connectivity was confirmed between the Medial Frontal Gyrus and the Right Inferior Parietal Lobe pathway(MFG - RPL). Conclusions Online, non-face-to-face teaching methods tend to reflect the learner's passive participation and unstable mental state. It shows that online non-face-to-face classes that lack interaction can reduce learners' level of concentration and interest in learning and reduce their readiness for learning. The results of this study sug-gest that interaction is an essential element of education and that online non-face-to-face distance learning can affect learners' DMN.

창의적 사고 과정에서 나타나는 영재아의 두뇌 편측화

권석원(Kwon, Suk-Won) 학습자중심교과교육학회 2016 학습자중심교과교육연구 Vol.16 No.3

본 연구의 목적은 창의적 사고 과정시 나타나는 영재아의 두뇌 편측화 경향성을 파악하는 것이었다. 이를 위해 사용된 과제는 인지심리검사 중 문제해결과제로 잘 알려진 하노이탑 과제와 레이븐도형점진행렬검사를 사용하였다. 영재아 12명, 일반 아 12명을 선발하였으며, 과제 수행 간 측정된 뇌파를 통해 sLORETA 분석을 실시하였다. 연구 결과, 영재아 그룹에서 알파 1, 베타 1 대역과 감마 대역 활성이 주로 우반구의 기능적 편측화(Lateralization)로 나타나는 경향성이 관찰되었고, 이는 창의적 사고 과정에서 나타나는 영재아의 대표적 특성 중 하나라 할 수 있다. 또한, 이러한 특성은 일반아와 유동지능에서의 차이를 나타내며, 창의적 과제 수행 시 우측 전두-측두-두정 경로의 사용은 일반아와는 다른 영재아 만의 독특한 특성을 반영한 것으로 보인다. 이러한 결과는 영재 판별 및 일반아를 위한 교수전략 마련의 신경생리적 근거를 제시하였다는데 의의가 있다. The purpose of this study is to identify brain lateralization of Gifted Children in Creative Thinking Process. We recorded EEG(tower of Hanoi, Raven s Progressive Matrices test) from 12(gifted group) and 12(normal group), 6th elementary school volunteers and analyzed by the sLORETA software. As a result of research, we observed a functional lateralization at right hemisphere and using the right fronto-temporo-parietal pathway of gifted group in creative thinking process(alpha 1, beta 1, and gamma range). This result is one of the typical characteristics of gifted children appear in the creative thinking process. It is considered to be a result of reflecting the high fluid intelligence of gifted children during creative problem solving. The results of this study provide a neurophysiological base of discrimination for gifted and teaching strategies for normal children.

생명현상 관찰에서 나타나는 인과적 의문 생성의 ERF 특성: MEG 연구

권석원 ( Suk Won Kwon ),권용주 ( Yong Ju Kwon ) 경북대학교 과학교육연구소 2009 科學敎育硏究誌 Vol.33 No.2

이 연구의 목적은 생명현상 관찰에서 나타나는 인과적 의문 생성 ERF components를 개발하는 것이다. 이를 위해 우선 인지심리적 방법으로 생명현상 기반의 인과적 의문생성 유발 사진 과제를 개발하였다. 이를 활용해 전기생리적 방법인 MEG(Magnetoencephalography) 두뇌 영상 기기를 이용하여 시계열적 두뇌 처리과정에 기초한 인과적 의문의 ERF(Event Related Fields) 패턴을 확인할 수 있었다. 생명현상 기반의 인과적 의문생성 유발 사진은 과학교육 전문가와 과학교육연구진으로 구성된 인원의 R&D 방식으로 개발되었다. 과제는 생물군 유형에 따라 동물(A, animal), 미생물(M, microbe), 식물(P,plant)과제로 분류 형태를 나누고, 생물 개체 수준의 유형에 따라 개체간 상호작용(i, interaction), 단일개체(a, all), 개체 일부(p, part)로 구분하여 총 100장에 대한 인과적 의문 유발 사진을 완성하였다. 이후 서울대학병원 MEG 센터팀과의 세미나 과정을 통해MEG 과제용 패러다임을 개발하고, 과학교육 전공 여자 대학원생 5명(M=26.4, SD=2.30)을 대상으로 인과적 의문생성간 MEG data를 수집하였다. 이를 통해 인과적 의문 유형별 고유 특성을 확인하기 위해MEG ERF components 분석을 실시하였다. 인과적 의문 생성시 나타나는 ERF components분석 결과 M1(100~130ms), M2(220~280ms), M3(320~390ms), M4(460~520ms) 총 4개 components 패턴이 발견되었다. M1과 M2의 경우인과적 의문 사진 과제 제시에 따라 피험자가 관찰하는 동안 보고 되는 것으로 dipole fitting 과정을 통해 두뇌 활성 영역을 확인해 본 것처럼 시각령이 위치하는 후두엽에 걸쳐 확인되었다. M3 components의 경우 인과적 의문에 대한 불확실감을 해소하기 위해 장기기억 저장소로부터 경험 상황을 가지고 오는 귀추의 과정을 반영한다고 볼 수 있다. 이는 이전 경험상황을 분석하는 단계에 해당하며 학생들이 가설을 생성할 때 가장 큰 어려움을 경험하여 교사의 적절한 도움이 요구되는 부분이다. M4 components는 장기 기억 속의 경험 상황에서 인과적 의문에 대한 설명자를 표상하는 단계에 해당하는 것으로 인과적 의문 생성 후 가설을 만드는 전 단계에 해당 한다고 할 수 있다. 본 연구는 확인된 인과적 의문 생성시 나타나는 MEG ERF components와 latency 시간을 통해 인과적 의문 생성에 어려움을 호소하는 학생들에 대한 개별적 교수 처치와 더불어 고등인지 영역의 ERF 연구의 기초를 마련하였다는데 의의가 있다고 하겠다. The purpose of this study is to analysis ERF components patterns of causal questions generated during the observation of biological phenomenon. First, the system that shows pictures causing causal questions based on biological phenomenon (evoked picture system) was developed in a way of cognitive psychology. The ERF patterns of causal questions based on time-series brain processing was observed using MEG. The evoked picture system was developed by R&D method consisting of scientific education experts and researchers. Tasks were classified into animal (A), microbe (M), and plant (P) tasks according to biological species and into interaction (I), all (A), and part (P) based on the interaction between different species. According to the collaboration with MEG team in the hospital of Seoul National University, the paradigm of MEG task was developed. MEG data about the generation of scientific questions in 5 female graduate student were collected. For examining the unique characteristic of causal question, MEG ERF components were analyzed. As a result, total 100 pictures were produced by evoked picture and 4 ERF components, M1(100~130ms), M2(220~280ms), M3(320~390ms), M4(460~520ms). The present study could guide personalized teaching-learning method through the application and development of scientific question learning program.

생명현상에 대한 과학적 의문 생성시 자발의문과 유발의문에 따른 두뇌 활성 특성: 뇌자도(MEG)와 뇌전도(EEG) 연구

권석원(Kwon Suk Won) 학습자중심교과교육학회 2019 학습자중심교과교육연구 Vol.19 No.12

본 연구의 목적은 생명현상에 대한 과학적 의문 생성시 자발의문과 유발의문이라는 두 가지 의문 유도 방식에 따라 두뇌에서의 정보처리 과정이 어떠한 양상을 보이 는지 확인하는 것이다. 이를 위해 과학적 의문 생성 도구를 개발하고, 초등학교 5학년 20명을 대상으로 뇌자도와 뇌전도를 측정 및 분석하였다. 연구 결과, 의문생성 방식에 따라 과제 제시 후 222.6∼226.5ms, 474.6∼484.3ms, 724.6∼742.1ms와 861.3∼ 869.1ms의 총 4개 구간에서 유의한 차이를 확인할 수 있었다. 두 가지 의문 유형에 따라 차이가 나타난 구간은 모두 과제 제시 후 200ms가 지난 시점으로 의미점화에 관여되는 구간이다. 이는 두뇌에서의 의문 생성과정이 자극에 대한 단순한 수용과 지각의 과정만을 반영하는 것이 아니라, 새로운 자극과 기존 지식 체계와의 비교 과정을 통해 발생하는 매우 복잡한 인지적 과정임을 보여준다. 또한, 두뇌에서 나타나는 시계열적 정보 처리 과정의 차이를 비교한 결과, 두 가지 의문 발생 유형에 따라 서로 다른 방식으로 두뇌를 사용하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 의문 발생의 유형에 있어, 보다 효율적이거나 효과적인 방식이 따로 존재하는 것이 아니라, 두가지 서로 다른 형태의 의문 유형이 과학과 교수학습 상황에서 복합적으로 제시되 고, 적용되어야 함을 보여준다. The purpose of this study is to find out what kind of information processing process in the brain according to two question induction methods, spontaneous question and evoked question, when generating scientific questions about biological phenomena. For this purpose, we developed a scientific query generation tool and analyzed the MEG and EEG signals of 20 elementary school students. As a result of the research, it was found that there were significant differences in the total of 4 sections(222.6∼226.5ms, 474.6∼ 484.3ms, 724.6∼742.1ms and 861.3∼869.1ms) after presenting the task according to the question generation method. The difference between the two types of question generation is the interval after 200ms, which is involved in semantic priming. This shows that the process of question generation in the brain does not only reflect the simple acceptance and perception of stimuli but is a very complex cognitive process that occurs through the comparison of new stimuli and existing knowledge structures. In addition, we could confirm the difference in the time series information processing process that the brain is used in different ways depending on the question type. In other words, there is no more efficient or effective way to exist independently depending on the type of question generation. It is shown that two different types of questioning patterns should be appropriately presented and applied in science teaching and learning.