융합 사고와 화학문제풀이 과정에서의 두뇌 활성 양상과 기능적 연결성

권승혁,오재영,이영지,엄증태,권용주,Kwon, Seung-Hyuk,Oh, Jae-Young,Lee, Young-Ji,Eom, Jeung-Tae,Kwon, Yong-Ju 대한화학회 2016 대한화학회지 Vol.60 No.3

The purpose of this study was to investigate brain activation pattern and functional connectivity during convergence thinking based creative problem solving and chemistry problem solving to identify characteristic convergence thinking that is backbone of creative problem solving using functional magnetic resonance imaging(fMRI). A fMRI paradaigm inducing convergence thinking and chemistry problem solving was developed and adjusted on 17 highschool students, and brain activation image during task was analyzed. According to the results, superior frontal gyrus, middle frontal gyrus, inferior frontal gyrus, medial frontal gyrus, cingulate gyrus, precuneus and caudate nucleus body in left hemisphere and cuneus and caudate nucleus body in right hemisphere were significantly activated during convergence thinking. The other hand, middle frontal gyrus, medial frontal gyrus and caudate nucleus in left hemisphere and middle frontal gyrus, lingual gyrus, caudate nucleus, thalamus and culmen of cerebellum in right hemisphere were significantly activated during chemistry problem solving. As results of analysis functional connectivity, all of areas activated during convergence thinking were functionaly connected, whereas scanty connectivity of chemistry problem solving between right middle frontal gyrus, bilateral nucleus caudate tail and culmen. The results show that logical thinking, working memory, planning, imaging, languge based thinking and learning motivation were induced during convergence thinking and these functions and regions were synchronized intimately. Whereas, logical thinking and inducing learning motivation functioning during chemistry problem solving were not synchronized. These results provide concrete information about convergence thinking. 본 연구는 창의적 문제해결능력의 향상에 필수적인 융합 사고의 특성을 알아보기 위해 기능적 자기공명영상을 이용하여 창의적 문제해결에 기반한 융합 사고와 화학문제풀이를 하는 동안의 두뇌 활성 영역과 기능적 연결성을 알아보았다. 이를 위하여 시각 기반의 융합 사고 유발 과제와 화학문제풀이 과제를 개발하고 고등학생 17명을 대상으로 적용하여 과제 수행 동안의 두뇌활성영상을 분석하였다. 연구 결과, 융합 사고 시에는 두뇌 좌측의 상전두이랑, 중전두이랑, 하전두이랑, 내측전두이랑, 전대상이랑, 쐐기전소엽, 미상핵체에서 두뇌 우측의 쐐기소엽, 미상핵체에서 활성이 나타났다. 화학 문제풀이에서는 두뇌 좌측의 중전두이랑, 내측전두이랑, 미상핵체, 미상핵꼬리에서 두뇌 우측의 중전두이랑, 혀이랑, 미상핵체, 미상핵꼬리, 시상, 소뇌정상에서 활성이 나타났다. 기능적 연결성분석 결과 융합 사고 시에는 각 활성 영역들이 모두 기능적 연결망을 형성하고 있는 것으로 나타났으며 이와 대조적으로 화학문제풀이 시에는 우측 중전두이랑, 좌우측미상핵꼬리, 소뇌정상만이 기능적 연결망을 형성한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 고등학생들이 융합 사고 시에 논리적 사고, 작업기억활성, 계획, 상상, 언어화, 학습동기 유발이 일어나며 이러한 기능들이 과제를 수행하는 동안 서로 밀접하게 동조하고 있음을 보여준다. 반면 화학문제풀이 시에는 논리적 사고와 계획, 비교, 학습동기유발의 기능들을 수행하지만 각영역들이 동시에 활발히 작용하지 못하는 것을 보여준다. 이러한 결과는 융합 사고에 대한 구체적인 정보를 제공할 수 있을 것이다.

생명과학 VR 콘텐츠 활용에서 학습자에게 영향을 미치는 구성 요소 분석

권승혁(Kwon, Seung-Hyuk),이영지(Lee, Young-Ji),최수연(Choi, Soo-Yeoun),권용주(Kwon, Yong-Ju) 학습자중심교과교육학회 2018 학습자중심교과교육연구 Vol.18 No.6

몰입과 새로운 경험을 제공해주는 가상현실(Virtual Reality, VR) 기술은 꾸준히 교육 현장에 맞춰 개발되고 적용되어왔으나, 본격적인 적용에 대해 기대와 우려가 공존하고 있다. 이에 본 연구는 학습자에게 생명과학 VR 콘텐츠의 활용이 미치는 영향 을 조사하는 것을 목적으로 6개월에 걸쳐 진행되었다. 먼저 문헌 분석을 통해 VR 콘텐츠의 활용이 학습자에게 미칠 수 있는 가설적인 효과와 주요 요소들을 제시하였다. 현직 생물 교사를 대상으로 현재까지 개발된 생명과학 VR 콘텐츠를 2시간 동안 직접체험시킨 후, 설문을 수행하여, VR의 긍정적 · 부정적 영향 요소를 도출하였다. 연구결과, 생명과학 VR을 사용하는 학습자는 현존감의 특성에 의해 몰입 또는 멀미를 느낄 수 있다. 또한 VR이 제공해주는 즐거움의 방식에 의해 동기가 높아질 수 있지만, VR 콘텐츠에 대한 중독의 가능성 또한 제안되었다. 그리고 콘텐츠 내의 사회적 상호작용 콘텐츠에 따라 친사회적이거나 반사회적인 변화를 이끌 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이 연구 결과를 바탕으로 생명과학 VR 콘텐츠 개발 시 효과적이며 안전한 학습전략 수립이 가능할 것이다. Virtual reality(VR) technology providing immersive experience and new experience has been developed and applied to education field. Although VR contents that can be used in biology education have been developed, expectation and concern about application of VR in biology education coexist. The purpose of this study was to investigate some components affecting learners in utilization of life science VR contents. We first investigated the systematically studied literature on the effects of VR, and presented the hypothesized effects and the major factors that the use of VR contents might have on learners. In addition, the positive and negative effects of biology VR were derived by analyzing opinions of biology teachers who experienced actual biology VR contents. As a result, it is possible to feel immersion and simulation sickness due to the sense of presence experienced by learners when using biology VR contents. In addition, learners motivation may be triggered by the enjoyment they experience, or they may become addicted to the use of VR content. It can affect prosociality or antisociality by changing sociality by social interaction in contents. Based on the results of this study, it is possible to establish an effective and safe learning strategy when using biology VR contents.

생물 분류 탐구에서 과제 집착의 인지적 모형 규명

권승혁 ( Seung Hyuk Kwon ),권용주 ( Yong Ju Kwon ) 경북대학교 과학교육연구소 2013 科學敎育硏究誌 Vol.37 No.1

본 연구의 목적은 생물 분류 탐구에서 과제 집착의 인지적인 모형을 규명하는 것이다. 이를 위해 생명 과학 탐구에서 과제 집착에 대한 다양한 문헌들을 분석하여 과제 집착에 대한 가설적인 인지적 모형을 고안하였다. 이 후, 고안한 모형의 규명을 위해 과제 집착의 분석을 위한 과제를 개발하고 사고 발성법과 회상적 면접법을 이용하여 연구 참여자의 프로토콜을 수집, 분석함으로써 생물 분류 탐구에서 과제 집착의 인지적 모형을 규명하였다. 연구 결과, 문헌 기반의 모형을 고안하고 프로토콜 분석을 통하여 규명한 과제 집착의 인지적 모형을 크게 과제 집착 유발, 과제 집착 강화, 과제 집착 유지의 세 단계의 과정으로 구성하였다. 과제 집착 유발 단계에서는 과제에 대한 관찰, 과제 관련 경험 표상, 탐구 예비 수행, 목표 평가의 하위 과정으로 구성하였다. 과제 집착 강화 단계는 경험 기반 탐구 계획 설정 또는 경험 미기반 탐구 계획 설정, 적극적인 수행 및 소극적인 수행, 탐구 수행 중 자기 평가, 가설 검증까지 반복적인 수행의 하위 과정으로 구성하였다. 과제 집착 유지 단계에서는 완료 후 피드백 수행, 자발적인 후속 탐구 수행의 하위 과정으로 구성하였다. 각 단계마다 과제 집착 구성 요소인 자신감, 목표설정, 주의집중이 변화하는 것으로 구성하였다. 위 연구 결과에 의해 생물 분류 탐구에서 과제 집착의 인지적 모형을 통해 생물 분류 탐구에서 과제 집착 향상을 위한 구체적인 교수-학습 전략을 구성하기 위한 기초 정보를 제공할 수 있으며 탐구 과정에서 과제 집착의 단계적인 평가와 피드백 제시에 도움이 될 것이다. The purpose of this study is to investigate a cognitive model of task commitment on biology classification inquiry. To achieve this goal, first, this study analyzed several literatures on task commitment in biology inquiry, and invented the tentative model of the task commitment. To investigate a tentative model invented, 2 main tasks were developed. These tasks were administered to 8 high-school students, first grade. Raw protocols were collected by thinking aloud method and a retrospective interview method. Collected protocols were converted to segmented protocols and coded by analyzing frame based invented model. The codes were analyzed. As a result, some problems were discovered, tentative model were revised. New analyzing frame based on Improved model were composed, and raw protocols were re-analyzed. Finally, a cognitive model of task commitment on biology classification inquiry was investigated. The investigated cognitive model of task commitment on biology classification inquiry was constructed 3 steps, ``Task commitment Induction``, ``Task commitment Reinforcement``, ``Task commitment Maintenance``. And each steps were consisted of several sub-factor. And commitment component were changed in each steps. Through this results, base information for strategy that improvement task commitment on biology classification inquiry is provided. Furthermore, the cognitive model of task commitment on biology classification inquiry will assist on evaluation and feedback by stage on task commitment.

한전 빅데이터 활용 고객 맞춤형 EMS 플랫폼 개발에 대한 고찰

권승혁(Seung-Hyuk Kwon) 대한전기학회 2019 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2019 No.7

새의 비행에 대한 생체모방 기반 날틀 발명의 융합적 사고 과정:

권승혁(Kwon Seung Hyuk),엄증태(Eom Jeung Tae),이영지(Lee Young Ji),권용주(Kwon Yong Ju) 학습자중심교과교육학회 2015 학습자중심교과교육연구 Vol.15 No.10

융합적 사고는 생명과학교육에서 창의적 문제 해결의 가장 핵심이다. 융합적 사 고에 대한 다양한 연구에도 불구하고, 융합적 사고의 실제 과정에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 이에 본 연구에서는 새의 비행을 생체모방하여 비행기구를 발명하 는 과정을 작성한 레오나르도 다 빈치의 노트를 분석하여 융합적 사고의 과정을 제 안하였다. 이를 위해서 융합과 이와 관련된 사고에 대한 문헌 분석을 통해 분석틀을 구성하고 이를 기반으로 노트를 분석하였다. 이 후, 사고 과정을 구성하는 요소와 논리적 순서를 기반으로 융합적 사고의 과정을 구성하였다. 융합적 사고는 크게 ‘탐 색’, ‘설계’, ‘구현’의 세 단계이다. ‘탐색’단계는 문제 상황을 확인하고 목표와 관련된 지식을 조사하는 단계이다. ‘설계’단계는 목표에 도달할 수 있는 창의적인 산출물을 고안하고, 이를 대상으로 목표 달성을 평가하는 기준을 고안하는 단계이다. ‘구현’ 단계는 창의적 산출물을 직접 제작하고, 이를 활용해서 문제를 해결하면서 평가하는 단계이다. 본 연구 결과는 융합적 사고에 대한 기초적인 틀을 제공할 수 있으며 실 제 융합적 사고의 증진에 효과적인 학습 프로그램의 개발을 촉진할 수 있을 것이다. Convergence thinking is a real root of creative problem solving in science education. Despite of numerous study on convergence thinking, little is understood about actual process of convergence thinking. Therefore, in this study, we proposed process of convergence thinking, analyzing Leonardo Da Vinci Note composed with study flight machine based on bio-mimicking flight of bird. In progress, the note was analyzed by analysis framework developed via literature review on convergence and –likewise thinking. Afterwards, we composed process of convergence thinking, considering constituent and its logical sequence. The results show three stages largely. ‘Exploration’ is stage investigating problem, and related knowledge to achieve the goal. ‘Design’ is stage composing the creative work and evaluation criteria. ‘Implementation’ is stage to make creative work and evaluate adjustment result. This results can provide basic frame on convergence thinking, and promote development learning program with actual effect.

거울 과제에 대한 자기조절 과정의 fNIRS 두뇌 활성 규명과 딥러닝 기반 예측 모델 탐색

권승혁(Seung-Hyuk Kwon),박상희(Sang-Hee Park),박진선(Jin-Sun Park),황나래(Na-Rae Hwang),권용주(Yong-Ju Kwon) 한국교원대학교 뇌기반교육연구소 2020 Brain, Digital, & Learning Vol.10 No.4

Self-regulation is one of important cognitive processes in learning to change the learner s schema by itself. However, its definition and process have yet been clearly clarified and no strategies that can be systematically measured have been proposed. In this study, we tried to find out the neural characteristics of self-regulation process consisting of assimilation, conflict and accommodation by analyzing subject’s brain activity using fNIRS. In addition to the brain activity, a deep learning model was also developed for the process prediction of self-regulation. Forty-six high-school students were administered to take a mirror task inducing self-regulation, and their brain activities were measured and analyzed using fNIRS. As a result, the activities of both OFC and left DLPFC were found in the entire process of self-regulation. It can be seen that the process of self-regulation is mainly based on monitoring and evaluation of one s performance. In addition, the activities of FP and VLPFC were additionally shown in the accommodation phase. These results are presumably proposed that the goal-oriented multitasking and clarification using language might be two of major players in this process. In addition, a predictive model was developed through a deep learning process with an accuracy of 72.8% and a loss value of 0.309. These results are possibly suggested to know the characteristics of the brain level in self-regulation process and provided a basic information for the development and improvement of self-regulation. In addition, it can be used as a basis for developing a system capable of fast and accurate diagnosis and treatment for self-regulation.

ESS 안전성 확보를 위한 Safety Room 구축 및 효과에 대한 고찰

권승혁(Seung-Hyuk Kwon) 대한전기학회 2020 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2020 No.7

인기 애니메이션 캐릭터에 대한 유아들의 시각적 주의집중 분석

권승혁(Kwon, Seung-Hyuk),이영지(Lee Young-Ji),김윤영(Kim, Youn-Young),엄증태(Eom, Jeung-Tae),강민정(Kang, Min-Jung) 학습자중심교과교육학회 2016 학습자중심교과교육연구 Vol.16 No.3

유아 학습에서 캐릭터는 영상매체를 통한 학습에서 주의집중을 이끄는 가장 큰 요인이다. 하지만 유아들이 캐릭터의 어떤 부분에 주의를 기울이는지에 대한 구체적인 연구는 이루어지지 않고 있다. 이에 본 연구는 유아들의 선호도가 높은 ‘뽀로로’ 와 ‘엘사’ 캐릭터를 볼 때의 안구 운동을 분석하여 캐릭터의 선호에 따른 시각적 주의 집중의 특성을 알아보고자 하였다. 이를 위해 뽀로로 또는 엘사를 선호하는 두 집단의 유아를 대상으로 시선추적을 이용하여 캐릭터를 볼 때의 시선고정개수, 시선 고정시간, 첫 시선고정시간을 분석하였다. 그 결과, 엘사를 선호하는 유아들이 뽀로로를 선호하는 유아들에 비해 캐릭터 전체에 대한 시선고정 개수가 많았다. 그리고 두 집단 모두 엘사보다 뽀로로의 얼굴에 대한 시선고정개수가 많았으며, 신체에 대 해서는 뽀로로가 엘사보다 시선고정개수가 더 많았다. 그리고 뽀로로에서는 얼굴, 엘사에서는 신체가 높은 주의를 끈 것으로 나타났다. 이러한 결과는 캐릭터가 얼굴이 주로 부각되는지 또는 신체가 부각되는지에 따라 시각적 주의집중의 양상이 다르며, 캐릭터의 선호에 따라 각 캐릭터의 얼굴과 신체에 대한 시각적 주의집중의 양상이 다름을 보여준다. 본 연구 결과는 유아를 대상으로 하는 학습용 캐릭터의 개발과 학습 매체 선정 시, 캐릭터의 특징과 유아의 선호를 고려해야함을 시사하고 있다. Preschooler’s learning on character is an important element leading attention on learning though visual media. However, there has not been shown which parts of the character are paid attention by preschool children. So, the purpose of this study is to analyze visual attention of preschool children during watching popular character in animation using eye-tracking. For this purpose, we analyzed fixation number, fixation duration and first fixation time of eye-tracking on each area of interest(AOI) on characters, Pororo in “The Little Penguin Pororo” and Elsa in “Frozen”, by eye-tracking with two groups, Ppororo-likes(PL) and Elsa-likes(EL). The results is that there was more fixation number of EL than PL’s on each character. A fixation number on face of Pororo was more than face of Elsa. And fixation number on body of Elsa was more than Pororo’s. And first fixation time on face was the shortest among AOIs of Pororo, body was the shortest among AOIs of Elsa. The results show that a aspect of visual attention is differentiated by character and preference. Furthermore, the results suggest that a visual property of character and preference of preschool children might be considered to develop character and choosing learning media for preschooler’s learning.

Analysis of Korean Children’s Developmental Pattern on the Social Brain Related to Mentalization Ability: An fNIRS Study

권승혁(Seung-Hyuk Kwon),박진선(Jin-Sun Park),권용주(Yong-Ju Kwon) 한국교원대학교 뇌기반교육연구소 2021 Brain, Digital, & Learning Vol.11 No.4

This study investigated the Korean children’s developmental pattern of the social brain related to mentalization ability. For this study, a mentalization task and the prefrontal brain activity measurement using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) were administered to a total of 163 subjects in kindergarten, elementary school, and middle school. As the result, there was a significant difference in the mentalization ability score among preschoolers, lower elementary students, upper elementary students, and middle school students. However, there was no significant difference between the upper elementary and middle school students in the mentalization ability score. As a result of correlation analysis between the mentalization performance and brain activity, it was shown a significant correlation in the right hemisphere orbitofrontal cortex (OFC) and the left hemisphere dorsal lateral prefrontal cortex (DLPFC). Specifically, the correlation was analyzed as a positive correlation with the OFC and a negative correlation with the DLPFC. These results provide quantitative analysis information by taking a cross-sectional approach to the children’s developmental pattern on the social brain and mentalization ability in kindergarten, lower elementary, upper elementary, and middle school students. This study might be provide an alternative educational implication to children’s development on social brain and mentalization.

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.