• 과학교육연구지
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• 제33권2호
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• pp.173-183
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• 2009

우리는 기능성자기공명영상을 이용하여 생물전공 및 비전공 예비교사들과 생물학자들의 가설 생성 및 이해에서 나타나는 두뇌 활성 차이를 검증하고자 하였다. 이를 위해 우리는 생명현상에 관한 두 세트의 과제 패러다임(가설생성 및 가설이해)을 설계한 뒤, 36명의 건강한 연구 참여자들(각 집단별 12명)과 함께 이 연구를 수행하였다. 이 연구의 결과는 첫째, 생명현상에 대한 가설생성에서 나타나는 두뇌활성 패턴에 있어 세 집단 간의 유의미한 차이가 발견되었다. 둘째, 배외측전전두피질부의 한 부분인 좌측 중전두이랑이 세 집단 모두에서 가설생성에 있어 중요한 역할을 하고 있다는 것이다. 또한 생물학자들에게서 나타나는 우수한 가설 생성능력은 2차적인 추상정보의 통합 기능을 하는 좌측 중전두이랑의 활성에의한 것으로 판단된다. 셋째, 생명현상에 대한 가설이해 과정에서는 세집단 간의 유의미한 두뇌활성 패턴차이가 발견되지 않았다. 이러한 결과들은 과학자들이 새로운 과학적 지식의 생성에 있어 숙련되어있다는 것을 보여주고 있다.

• 한국초등과학교육학회지:초등과학교육
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• 제34권1호
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• pp.131-141
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• 2015

본 연구에서는 과학 영재와 일반아의 창의적 추리과정시 나타나는 두뇌사고 패턴을 sLORETA 분석 기법을 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 총 12명의 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 과학 영재아가 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.

• 대한화학회지
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• 제60권3호
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• pp.203-214
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• 2016

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.

• 한국과학교육학회지
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• 제41권5호
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• pp.371-390
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• 2021

이 연구의 목적은 공간능력 구성요소에 대한 신경과학적 모델을 개발하고, 빛과 그림자 관련 과학 과제를 해결하는 과정에서의 두뇌 활성 영역을 신경과학적 모델에 기반하여 영역 일반적 능력과 영역특수적 능력으로 구분하여 설명하는 것이다. 이를 위해 남자 대학생 24명이 공간능력 검사지 문항과 빛과 그림자 과제를 해결하는 동안의 시선이동과 EEG를 동기화하여 측정하였으며, 과제 해결 전략에 대한 사후면담과 RVP를 실시하였다. 시선 이동, 두뇌 활성 영역, 참여자의 사고 과정과 전략을 통합하여 공간능력 구성요소에 대한 신경과학적 모델을 개발하고, 빛과 그림자 관련 과제 해결 과정을 분석하였다. 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 공간 시각화와 심적 회전 요소는 주로 두정엽의 활성을 필요로 했으며, 공간 방향화 요소는 전두엽의 활성을 필요로 했다. 구체적으로, 공간 시각화 요소는 문제를 탐색하는 과정에서 전두엽이 활성화되었고, 문제와 답지를 비교하는 과정에서 측두엽과 두정엽이 활성화되었다. 심적 회전 요소는 회전된 정보를 탐색하는 구간에서는 전두엽이, 심적 회전을 할 때에는 두정엽이, 문제와 답지를 비교하는 구간에서는 측두엽이 활성화되었다. 공간 방향화 요소는 문제를 탐색하는 과정과 문제와 답지를 비교하는 과정 모두 전두엽이 활성화되었다. 둘째, 빛과 그림자 과제를 해결 할 때에는 영역 일반적 기능인 공간 능력과 과학적 원리를 적용하는 영역 특수적 사고가 함께 필요하였다. 평행광의 그림자 모양 추론과 빛의 방향이 바뀔 때의 그림자 모양을 추론에서의 두뇌 활성 패턴은 공간 시각화 요소에 대한 신경과학적 모델과 유사하였다. 여러 방향에서의 그림자를 통해 원래 물체를 추론할 때에는 공간 방향화 요소, 점광원의 그림자 모양을 추론할 때에는 공간 시각화 요소에 대한 신경과학적 모델과 두뇌 활성 패턴이 유사하였다. 빛과 그림자 과제를 해결할 때 추가적으로 활성화 된 부위는 주로 연역적 추론, 작업 기억, 행동에 대한 계획 기능을 담당하는 중측두이랑, 중심앞이랑, 하전두이랑, 중전두이랑이었다. 따라서 빛과 그림자 과제를 해결하는 과정에서는 공간능력 외에도 그림자 생성 원리를 기반으로 한 연역적 추론, 빛의 진행 방향을 작업 기억에 유지시키는 것, 광원의 특징에 따른 과제 해결 과정 계획, 빛-물체-스크린의 공간적 관계 인지 등이 추가적으로 필요하다.

• 과학교육연구지
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• 제46권3호
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• pp.255-265
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• 2022

본 연구의 목적은 생명과학 학습에서 생물학 전공자와 비전공 대학생의 자기조절 과정에서 나타나는 뇌 활성을 분석하고 비교하는 것이다. 자기조절과제는 생물분류 개념으로 생명과학 학습상황을 구현하였다. 대학생들의 뇌 활성은 fNIRS에 의해 측정되고 분석되었다. 동화 과정에서 양측 FP와 좌 DLPFC는 유의미한 활성이 나타났으며, 두 그룹은 동기부여 및 보상과 관련된 좌측 OFC 활성에서 차이를 보였다. 갈등 과정에서 왼쪽 DLPFC는 공통적으로 활성이 현저히 낮았으며, 두 그룹은 최근 메모리와 관련된 BA46과 장기 메모리와 관련된 BA47의 활성에서 차이를 보였다. 동화 과정에서 우측 DLPFC에서 유의하게 높은 활성이 공통적으로 발견되었으며, 두 그룹은 우측 DLPFC와 우측 FP의 활성의 차이를 보였다. 이 영역들은 오른쪽 전두엽 영역에 있으며 생명과학 지식의 이해와 관련이 있다. 본 연구 결과 생물학 전공 대학생과 비전공 대학생의 뇌 활성 패턴은 자기조절 과정에서 차이가 있음을 알 수 있었다. 또한 자기조절에 대한 신경학적 연구를 추가로 제안하고 학교 환경에서 구성할 수 있는 시스템과 학습전략을 제시할 수 있을 것이다.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 2006년도 제37회 하계학술대회 논문집 D
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• pp.2177-2178
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• 2006

학습 행동에서의 뇌파 측정은 실시간으로 두뇌 기능 상태를 연구하는데 유용한 연구 방법이며 대뇌의 부위 중 전두엽은 새로움에 대한 지향 반응과 사고 활동에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 중학교 2학년 학생에게 새로운 시청각 학습 자료를 제시하고 5회의 반복학습이 이루어지는 과정에서의 전두부($Fp_2,Fp_2$)의 뇌파를 측정하고 Fourier, Wavelet 변환을 하여 정량적으로 분석하였다. 주의 집중, 정서 등 인지와 관련지어 특정파의 조절 능력 및 파의 특성을 이용한 여러 연구들을 종합해보면, 기억력, 주의지속과 연관되어 알파파, 베타파와 세타파가 발생되는 것을 볼 수 있다. 이 중 알파파는 기존의 뇌 상태를 동기화시키고 주의나 기억의 과정에 영향을 미칠 수 있는 것으로 증명되었다. 본 논문에서는 신호 처리에 높은 효율을 보이는 Wavelet 변환을 이용하여, 학습이 됨에 따라 변화하는 EEG 신호 가운데 알파파의 패턴과 활성도를 분석하고자 한다.

• 과학교육연구지
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• 제33권2호
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• pp.336-345
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• 2009

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), 단일 개체(a, all), 개체 일부(p, part)로 구분하여 총 100장에 대한 인과적 의문 유발 사진을 완성하였다. 이후 서울대학병원 MEG 센터팀과의 세미나 과정을 통해 MEG 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 위해 MEG ERF components 분석을 실시하였다. 인과적 의문 생성시 나타나는 ERF components 분석 결과 M1(100~130ms), M2(220~280ms), M3(320~390ms), M4(460~520ms) 총 4개 components 패턴이 발견되었다. M1과 M2의 경우 인과적 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.