두뇌 동기보상 시스템 기반 생명과학 학습동기 증진 학습모형 개발 = Development of A Learning Model for Improvement of Biology Learning Motivation Based on Brain Motivation and Reward System

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 두뇌 동기보상 시스템에 기반 하여 생명과학 학습동기를 증진시키기 위한 학습모형을 개발하는 것이다. 이러한 연구목적을 위해 우선, 생명과학 학습동기 관련 두뇌 동기보상 시스템을 규명하였다. 규명된 두뇌 동기보상 시스템에 대한 신경학적 분석 결과를 바탕으로 학습동기 증진을 위한 학습모형을 가설적으로 구성하였다. 구성된 학습모형에 대한 신경학적 검증을 통해 최종적으로 생명과학 학습동기 증진을 위한 두뇌 동기보상 시스템 기반 학습모형을 개발하였다. 생명과학 학습동기 관련 두뇌 동기보상 시스템 규명 연구를 위하여 12명의 생물전공 대학생들을 대상으로 예비 연구를 수행하여 학습동기 fMRI 측정 과제의 타당성을 확보하였다. 이후 중학교 3학년 학생 28명을 상대로 fMRI를 측정하였으며, 측정 결과를 바탕으로 생명과학 학습동기와 관련된 두뇌 동기보상 영역을 확인하였다. 이후 영역들 간의 상관관계 분석을 통해 학습동기 관련 네트워크를 밝혀내어 생명과학 학습동기 관련 두뇌 동기보상 시스템을 규명하였다. 규명된 두뇌 동기보상 시스템의 신경학적 기제를 분석하여 학습동기를 증진 시킬 수 있는 학습모형을 구성하였다. 구성된 학습모형의 검증 연구를 위하여, 27명의 중학교 3학년 학생들을 상대로 학습모형을 검증하였다. 실험집단에는 두뇌 동기보상 시스템 기반 학습 모형을 처치하였고, 대조집단에는 5E 순환학습 모형을 처치하였다. 학습모형 처치 전과 후에 학생들의 두뇌 동기보상 시스템 네트워크 연결 정도, 피질 두께, 학습동기, 학업성취도를 측정하여 두뇌 동기보상 시스템 기반 학습모형의 효과를 검증하였다.
연구 결과, 생명과학 학습동기 관련 두뇌 동기보상 시스템은 안와전두피질, 선조체, 중뇌 영역들이 서로 네트워크를 이루며 시스템을 구성하는 것을 규명하였다. 학습모형을 구성하기 위하여 두뇌 동기보상 시스템 영역들의 신경학적인 기제를 분석한 결과, 학습 단계, 학습동기전략, 학습동기 목표 측면에서 구성 요소를 추출하였다. 이를 바탕으로 구성된 학습모형의 단계는 중뇌 중심 동기보상 학습 단계를 시작으로 안와전두피질 중심 동기보상 학습 단계를 거쳐 선조체 중심 동기보상 학습 단계로 이어지는 흐름을 갖는다. 이러한 학습 단계는 두뇌의 신경학적 기제를 바탕으로 구성하였다. 각 단계별 학습목표는 중뇌 단계에서 학습동기 유발, 안와전두피질 단계에서 학습동기 강화, 선조체 단계에서 학습동기 유지로 구성하였다. 각 단계별 학습 전략 역시 동기보상 시스템의 신경학적 기제에 바탕을 두어 제시하였다. 가설적으로 구성된 학습모형의 검증 결과, 학습동기, 학업성취 점수가 증가하는 것을 확인하였으며, 신경학적 검증에서 두뇌 동기보상 시스템 네트워크의 연결이 보다 강화되고, 관련 피질영역의 두께가 증가하는 것을 확인하였다.
본 연구에서 규명한 생명과학 학습동기 관련 두뇌 동기보상 시스템은 생명과학 학습에서 학습동기와 관련하여 실제 동기보상과정이 일어나는 두뇌 수준의 정보를 제공해줄 수 있다. 또한 개발된 학습모형은 생명과학 교육현장에서 학생들의 학습동기를 증진시킬 수 있는 두뇌기반 학습 프로그램 개발의 초석이 될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구 목적 및 내용 6
• 3. 용어 정의 8
• 4. 연구의 제한점 10
• II. 이론적 배경 11
• 1. 학습동기 11
• 2. 두뇌 동기보상 신경 회로 13
• 3. 두뇌 가소성 16
• III. 연구 방법 22
• 1. 연구의 개관 22
• 2. 생명과학 학습동기 관련 두뇌 동기보상 시스템 확인 과정 25
• 3. 두뇌 동기보상 시스템 기반 학습모형 개발 과정 39
• 4. 두뇌 동기보상 시스템 기반 학습모형 검증 과정 46
• IV. 연구 결과 및 논의 56
• 1. 생명과학 학습동기 관련 두뇌 동기보상 시스템 확인 결과 56
• 2. 두뇌 동기보상 시스템 기반 학습모형 구성 결과 65
• 3. 두뇌 동기보상 시스템 기반 학습모형 검증 결과 79
• V. 결론 및 교육적 함의 118
• 1. 결론 118
• 2. 교육적 함의 120

참고문헌 (Reference)

1. 학습동기, 전성연, , 1999

2. 과학과 교육과정, 교육부, , 1997

3. Emotion cognition, and behavior, Schwartz, Trabasso, "Emotion, , 1984

4. Rote Versus Meaningful Learning, Mayer, , 2002

5. Multiple reward signals in the brain, Schultz, , 2000

6. Functional magnetic resonance imaging, Huettel, Scott A., Sinauer Associates, Functional magnetic resonance imaging, , 2004

7. Self-efficacy Mechaism in Human Agency, ura, , 1982

8. Study design in fMRI: Basic principles, Amaro, Barker, , 2006

9. Brain plasticity and recovery from stroke, Seitz, Azari, , 2000

10. Cortical rewiring and information storage, Mel, Chklovskii, Svoboda, , 2004

11. Neuroscience exploring the brain (2nd Ed), Connors, Paradiso, Bear, , 2001

12. New directions in learning and motivation, Svinicki, , 1999

13. 이공계 대학 진학제도 개선 방안, 박도순, , 2002

14. The reward signal of midbrain dopamine neurons, Schultz, , 1999

15. 동기 유발에 관한 다양한 전략 효과, 김청자(Chung Ja Kim), 상명대학교 교육문제연구소, "교육연구지, , 1995

16. Making connections : teaching and the human brain, Caine, Renate Nummela, Association for Supervision and Curriculum Development, Making connections: Teaching and the human brain, , 1991

17. Neural systems for behavioral activation and reward, Nakamura, Kalivas, , 1999

18. Emotions: From neuropsychology to functional imaging, Berthoz, Blair, , 2002

19. Measuring the thickness of the human cerebral cortex, Fischl, Dale, , 2000

20. The cognitive psychology of school learning (2nd Ed), Ykovich, Gagne, Yekovich, , 1997

21. The mesolimbic dopamine reward circuit in depression, Nestler, Carlezon, , 2005

22. Descartes' error : emotion, reason and the human brain, Damasio, Antonio R, Avon books, "Descartes' error: emotion, , 1994

23. Dopamine and the regulation of cognition and attention, Nieoullon, , 2002

24. Cognitiveneuroscience: The biology of the mind (2nd ed.), Gazzaniga, Mangun, Ivry, , 2002

25. Neural modeling, functional brain imaging, and cognition, Tagamets, Horwitz, McIntosh, "Neural modeling, , 1999

26. Using the 5E learning cycle sequence with carbon dioxide, Blanke, Mecca, Schlenker, , 2007

27. Functional magnetic resonance imaging of reward prediction, Cooper, Knutson, , 2005

28. Relative reward preference in primate orbitofrontal cortex, Schultz, Tremblay, , 1999

29. Orbitofrontal cortex and its contribution to decision-making, Wallis, , 2007

30. Brain fucntional modeling, what do we measure with fMRI data?, Devauchelle, Berquin, Marco, "Brain fucntional modeling, , 2009

31. Intrinsic motivation and self-determination in human behavior, Deci, Edward L, Plenum, Intrinsic motivation and self-determination in human behavior, , 1985

32. The anatomical basis of functional localization in the cortex, Passingham, Stephan, K?tter, , 2002

33. The reward circuit: linking primate anatomy and human imaging, Knutson, Haber, , 2010

34. Do na?ve theories ever go away? In M. Lovett, & P. Shah (Eds.), Dunbar, Fugelsang, Stein, "Do na?ve theories ever go away? In M. Lovett, , 2007

35. The orbitofrontal cortex: linking reward to hedonic experience, Kringelbach, , 2005

36. Processing of social and monetary rewards in the human striatum, Saito, Sadato, Izuma, , 2008

37. Reinforcement, Reward and Intrinsic Motivation: A Meta-analysis, Cameron, Pierce, "Reinforcement, , 1994

38. 중학교 학생들의 멘델 유전에 관한 오개념 연구, 정완호, 이경숙, 이길재, 한국교원대학교 과학교육연구소, , 1994

39. Applications of ERP and fMRI techniques to developmental science, Thomas, de Haan, , 2002

40. Avoiding asymmetry-induced bias in longitudinal image processing, Fischl, Reuter, , 2011

41. Structural plasticity: cause, result, or correlate of depression, Gage, "Structural plasticity: cause, , 2000

42. Bridges over troubled waters: education and cognitive neuroscience, Coch, Ansari, , 2006

43. The assessment and analysis of handedness: The ddinburgh inventory, Oldfield, , 1971

44. Time-dependent changes in effective connectivity measured with PET, Frackowiak, Frith, Friston, , 1993

45. Children's emotion and models: Developmental theory and measurement, Michalson, Lewis, , 1983

46. OECD 학업성취도 국제비교 연구(PISA 2009) 결과보고서, 한국교육과정평가원, , 2010

47. Reward processing in primate orbitofrontal cortex and basal ganglia, Tremblay, Hollernam, Schultz, , 2000

48. Cognitive conjunction: A newapproach to brain activation experiments, Price, Friston, Cognitive conjunction: A new approach to brain activation experiments, , 1997

49. The interaction between mood and cognitive function studied with PET, Dolan, Frith, Baker, , 1997

50. A framework for studying the neurobiology of value-based decision making, Rangel, Montague, Camerer, , 2008

51. Emotions and life : perspectives from psychology, biology, and evolution, Plutchik, Robert, American Psychological Association, "Emotions and life: Perspectives from psychology, , 2003

52. Temporal difference models and reward-related learning in the human brain, O'Doherty, Critchley, Dolan, Dayan, Friston, , 2003

53. Motivational design for learning and performance : the ARCS model approach, Keller, John M, Springer, , 2009

54. Encoding predictive reward value in human amygdala and orbitofrontal cotrex, Dolan, O'Doherty, Gottfried, , 2003

55. Research Method of cognition and emotion. In T. Dalgleish & M. J. Power (Ed.), Hertel, Parrot, , 1999

56. Motivating the academically unmotivated: A critical issue for the 21st century, Hidi, Harackiewicz, , 2000

57. Relation of reward contingency and interpersonal context to intrinsic motivation, Mins, Koestner, Ryan, , 1983

58. PISA 2009 Results: What students know and can do ? student performance in reading, OECD, , 2010

59. Rote learning, creativity and 'understanding' in classroom foreign language teaching, Mitchell, "Rote learning, , 1997

60. 수학?과학 성취도 추이변화 국제비교 연구-TIMSS 2007 결과 보고서, 한국교육과정평가원, , 2008

61. Biological psychology: an introduction to behavioral and cognitive neuroscience (4th ed), Watson, Breedlove, Rosenzweig, , 2005

62. Multiple Bases of HumanIntelligence Revealed by Cortical Thickness and Neural Activation, Choi, Multiple bases of human intelligence revealed by cortical thickness and neural activation, , 2008

63. Gender differ ences in motivation andstr ategy use in science: Ar e girls rote learner s?, Meece, Urdan, Gender differences in motivation and strategy use in science: Are girls rote learners?, , 1993

64. The passionate scientist: emotion in scientific cognition - The cognitive basis of science, Thagard, , 2002

65. Functional connectivity: the principal component analysis of large (PET) data sets. J. Cereb, Frackowiak, Frith, Friston, , 1993

66. Students' perceptions about science: The impact of transition from primary to secondary school, Rennie, Speering, , 1996

67. Effects of expectations for different reward magnitudes on neuronal activity in primate striatum, Cromwell H.C, Schultz, , 2003

68. Functional MRI evidence for disparatedevelopmental processes underlying intelligence in boys and girls, Holland, Schmithorst, , 2006

69. What role do the emotions play in cognition? Towards a new alternative to cognitive theories of emotion, Megill, , 2003

70. Addiction: Making the connection between behavioral changes and neuronal plasticity in specific pathways, Wolf, , 2002

71. Intergrating orbitofrontal cortex into prefrontal theory: common processing themes across species and subdivisions, Setlow, Schoenbaum, , 2001

72. Neural coding of basic reward terms of animal learning theory, game theory, microeconomics and behavioural ecology, Schultz, "Neural coding of basic reward terms of animal learning theory, , 2004

73. 5E 순환학습이 초등학생의 과학 학업 성취도와 탐구 능력 및 과학적 태도에 미치는 효과, 송미영, 신영준, 동효관, , 2010

74. Dissociable functions in the medial and lateral orbitofrontal cortex: evidence from human neuroimaging studies. Cereb, Frith, Dolan, Elliott, , 2000

75. 5E 순환 학습 모형을 적용한 생물 수업이 고등학생들의 학업 성취도와 태도에 미치는 효과, 김동렬, 韓國生物敎育學會, , 2009

76. Student learning motivation and psychological hardiness: Interactive effects on students' reactions to a management class, Harris, Cole, Feild, , 2004

77. Predictive neural coding of reward preference involves dissociable responses in human ventral midbrain and ventral striatum, Dolan, Seymour, O'Doherty, Buchanan, , 2006

78. 중?고생의 학업성취 결정요인으로써 사고양식, 학습동기, 교과흥미, 학습 전략간의 관계모형, 윤미선, 김성일, "중?고생의 학업성취 결정요인으로써 사고양식, , 2004

79. Developing motivation to teach elementary science: Effect of collaborative and authentic learning practices in preservice education, Ginns, Watters, , 2000

80. TIMSS 2007 iInternational science report: findings from IEA’s trends in international mathematics and science study at the fourth and eighth grades, Mullis, Martin, Foy, , 2008

81. Reciprocal suppression of regional cerebral blood flow during emotional versus higher cognitive process: Implication for interactions between emotion and cognition, Raichle, Drevets, , 1998