과학창의성 검사도구 개발과 과학영재아의 뇌 기능 분석 = Development of the scientific creativity test and analysis of gifted in science students' brain functions

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 영역 특수적인 관점을 가진 과학창의성 검사도구의 개발과 과학영재아의 신경심리학적 특성을 뇌 기능 분석을 통하여 알아보는 것이었다.
연구의 목적을 달성하기 위하여 과학창의성의 하위요소를 선정하였고, 과학창의성 검사도구를 개발하였으며 뇌파를 측정하여 분석하였다. 이 연구에는 중학교 1학년 147명이 참여하였다. 연구대상은 일반창의성 검사 결과와 과학창의성 검사 결과에 의해 과학영재아 집단과 일반아 집단으로 나누어 분석되었다. 이들 중에서 학부모·학생의 희망을 받아 38명의 학생에게 뇌파검사를 실시하였다.
연구의 결과를 종합해 보면 영역 일반적인 창의성 검사로는 영역 특수적인 과학창의성 검사를 모두 대변할 수 없었다. 이러한 이유로 신경심리학적 접근을 통하여 과학창의성 검사도구를 개발하였다. 과학창의성 검사의 하위요소로 유창성, 독창성, 과제집착력, 가설설정능력, 실험설계능력, 정신용량을 선정하였다. 이것은 과학창의성이란 일반창의성을 바탕으로 과학과 관련된 논리-수학적 인지요소와 정의적 요소, 과정적 요소가 복합된 것이라는 정의 아래, 선행연구와 뇌파 검사 결과를 참고하여 선정한 것이다.
과학창의성 검사도구는 2회의 예비검사를 통하여 문항을 수정·보완하였으며, 이렇게 제작된 과학창의성 검사를 투입하여 변별도(0.65), 공인타당도(0.88), 내적합치도(0.72)와 안면 타당도(0.86), 채점자간의 신뢰도(0.93) 등을 통하여 과학창의성 검사도구의 필요성 및 신뢰도와 타당도에 만족할 만한 결과를 얻었다. 과학영재아 집단은 일반아 집단에 비하여 일반창의성과 과학창의성 하위요소 모두에서 평균값이 통계적으로 유의미하게 높게 나타났다. 일반창의성과 과학창의성 전체는 0.596의 상관이 있었다. 하위요소간의 관계는 일반유창성과 과학유창성이 0.581, 일반독창성과 과학독창성이 0.239, 일반과제집착력과 과학과제집착력이 0.417의 상관을 보였다.
과학영재아의 신경심리학적 특성을 알아보기 위하여 실시한 뇌 기능 분석 결과, 과학영재아의 뇌 기능은 일반아의 그것과는 확실히 구별되는 패턴을 나타내었다. 먼저, 일반창의성 검사 결과로 분류된 과학영재아 집단과 일반아 집단의 뇌파를 기능적 묶음(functional clustering) 분석을 하여 두 집단의 뇌 기능의 차이를 알아보았다.
안정상태에서 과학영재아 집단은 좌·우 반구의 전두엽과 측두엽, 후두엽이 기능적으로 강하게 같은 작용을 하는 반면, 일반아 집단은 좌반구의 전두엽과 중앙부, 두정엽이 기능적으로 같은 작용을 하였다.
시지각 저장능력 검사인 ROCF에서는 과학영재아 집단이 우반구의 측두엽과 후두엽, 양반구의 전전두엽이 일반아보다 기능적으로 같은 작용을 하는 묶음으로 나타났다.
단어 유창성 검사인 VF에서는 과학영재아 집단이 ROCF검사에서 나타난 기능적 묶음에 우반구의 중앙부와 좌반구의 전두엽, 후두엽지역이 더 첨가되었으나 일반아 집단에서는 ROCF검사에서의 패턴과 유사했다. 이를 통하여 과학영재아는 일반아에 비해 안정상태와 인지과정 중에 두뇌를 효율적으로 사용하고 있음을 알 수 있었다.
개발된 과학창의성 검사도구를 이용하여 검사를 실시하고, 그 결과로 재분류한 과학영재아 집단과 일반아 집단을 과학창의성 하위요소별로 다시 기능적 묶음 분석을 하여 뇌 기능을 살펴보았다. 그 결과, 전반적인 뇌 지도의 패턴은 일반창의성 검사 결과와 유사하였으나 구체적인 관여도는 다름을 알 수 있었다. 이를 통하여 일반창의성 검사로는 구분할 수 없었던 영역 특수적인 부분을 과학창의성 검사로는 찾을 수 있었고, 일반창의성 검사로 구별하는 과학영재아 중에서 과학창의성을 가진 과학영재아를 찾아낼 수 있는 가능성이 있음을 알았다.
과학영재아의 신경심리학적 특성에 대해 뇌 기능 분석을 통하여 살펴본 결과는 과학영재아 판별의 가능성을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The main aims of the present study were to develop the scientific creativity test and to analyze gifted in science students' brain functions.
In the present study, differences in electroencephalogram(EEG) between the scientifically gifted and average students were investigated and the scientific creativity test were developed by being selected the sub-components. Participants of the present study consisted of 147 students in middle schools. They were divided into the scientifically gifted and average students by the results of the general and the scientific creativity test. The EEG was recorded from 16 electrodes for 38 right-handed healthy middle school volunteers.
In summary, the domain-general creativity test could not covered domain-specific scientific creativity test. Thus, the scientific creativity test have been developed by neuropsychological aspects. The sub-components of the scientific creativity test were considered as fluency, originality, task adhesion, hypothesizing, experimental designing, mental capacity by reviewing literature and recording the EEG. The scientific creativity test have got discrimination(0.65), concurrent validity(0.88), internal consistency reliablity(0.72), content validity(0.86), and inter-rater reliability(0.93).
The scientifically gifted students made a significantly high score compared with the average students during the general and the scientific creativity test.
The results of the EEG analysis, both groups showed very different functional clustering patterns. First, the general creativity test was used in order to identify the groups of scientifically gifted and average students. To investigate how brain areas are related to the visuo-spatial encoding and verbal memory retrieval processes using the functional clustering in both scientifically gifted and average students.
Before the mental task, for scientifically gifted students the left-right frontal, temporal, and occipital areas were synchronous neuronal groups, in contrast, the cluster for average students was concentrated on the left frontal, central, and parietal areas.
Visuo-spatial memory process(ROCF test) is considered as a mental imagery, thus functional interactivity appeared at the right temporal, occipital, and bilateral prefrontal regions, while during VF test the left frontal and occipital areas added functional cluster resulting from the verbal and memory retrieval relevant task. Especially, scientifically gifted students showed more definite pattern compared with the average students. Since the element of functional cluster means that they strongly interact among many brain regions during specific cognitive process, this results suggest that brain areas of scientifically gifted students be functioning more accurately and efficiently than average students.
The developed scientific creativity test was used to re-identify the groups of scientifically gifted and average students.
According to these re-identified student groups, the brain areas were analyzed again using the functional clustering in both scientifically gifted and average students. The results showed the different pattern of functional clusters depending on the modes of applied task, groups and sub-components. But, the general patterns were similar to the results of the general creativity test.
These results may be helpful in understanding the differences between scientifically gifted individuals and average ones, and measures used in the present results would be useful tool to identify them.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• 표목차 = ⅴ
• 그림목차 = ⅵ
• 논문요약 = ⅶ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 = 2
• 2. 연구의 문제 = 4
• 2.1. 과학창의성 검사도구 개발 = 5
• 2.2. 과학영재아의 신경심리학적 뇌 기능 특성 = 5
• 3. 용어의 정의 = 5
• 3.1. 과학영재아 = 5
• 3.2. 과학창의성 = 6
• 3.3. 뇌파 = 6
• 3.4. 기능적 묶음(Functional Cluster) = 6
• 4. 연구의 제한점 = 6
• 4.1. 뇌파 검사의 제한점 = 6
• 4.2. 뇌파 검사 대상의 제한점 = 7
• 4.3. 과학창의성 검사 도구의 제한점 = 7
• Ⅱ. 이론적 배경 = 8
• 1. 과학영재아 = 8
• 1.1. 영재아와 영재성에 대한 고찰 = 8
• 1.2. 과학영재아에 대한 고찰 = 10
• 2. 과학창의성 = 12
• 2.1. 일반창의성 = 12
• 2.2. 과학창의성 = 16
• 3. 뇌파 = 19
• 3.1. 뇌파 연구의 발달과정 = 20
• 3.2. 뇌파의 정의와 분류 = 21
• 3.3. 뇌파의 교육적 활용 = 23
• 3.4. 뇌파의 분석방법 = 28
• Ⅲ. 연구 방법 및 절차 = 35
• 1. 연구 절차 = 35
• 2. 연구 대상 = 36
• 2.1. 일반창의성 검사 및 과학창의성 검사 대상 = 36
• 2.2. 뇌파 검사 대상 = 37
• 3. 연구 방법 = 38
• 3.1. 문헌조사 및 선행연구 고찰 = 38
• 3.2. 일반창의성 검사와 신경심리검사 = 38
• 3.3. 과학창의성 검사 도구 제작 및 실시 = 38
• 3.4. 뇌파측정 및 분석 = 38
• 3.5. 결과 분석 = 45
• 4. 검사 도구 = 46
• 4.1. 일반창의성 검사 도구 = 46
• 4.2. 신경심리 검사 도구 = 48
• 4.3. 뇌파 검사 도구 = 49
• 4.4. 과학창의성 검사 도구 = 50
• Ⅳ. 결과 및 논의 = 59
• 1. 과학창의성 검사도구 개발 = 59
• 1.1. 과학창의성 검사도구의 신뢰도와 타당도 검증 = 59
• 1.2. 일반창의성 영역에서 과학영재아 집단의 특성 = 68
• 1.3. 과학창의성 영역에서 과학영재아 집단의 특성 = 76
• 2. 과학영재아 집단과 일반아 집단의 뇌 기능 특성 = 83
• 2.1. 일반창의성 검사 결과로 분류한 두 집단의 특성 = 84
• 2.2. 과학창의성 검사 결과로 분류한 두 집단의 특성 = 88
• 2.3. 과학창의성 검사결과 집단에 변동이 생긴 개인의 뇌 기능 = 97
• 2.4. 선형분석 = 102
• Ⅴ. 결론 및 제언 = 103
• 참고 문헌 = 106
• ABSTRACT = 117
• 부록 = 120
• 부록 1 과학창의성 검사 채점지 = 120
• 부록 2 과학창의성 검사 채점 규준 = 121
• 1. 유창성의 채점 = 121
• 2. 독창성의 채점 = 121
• 3. 과제집착력의 채점 = 124
• 4. 가설설정 능력의 채점 = 126
• 5. 실험설계 능력의 채점 = 126
• 6. 정신용량의 채점 = 127
• 부록 3 안면타당도 체크리스트 = 128
• 부록 4 선형분석 결과 = 129
• 1. 영재집단과 일반집단의 비교 = 129
• 2. 안정과 ROCF검사 시의 집단 내 상대력 비교 = 131
• 3. 안정과 VF검사 시의 집단 내 상대력 비교 = 133
• 부록 5 16채널에서의 뇌파 데이터 = 135