시선추적을 통해 학문 기반 교육 연구에 정보를 제공하는 방법

제시카 반덴플라스 박사가 시선추적 연구가 어떻게 학생들이 화학 개념을 학습하는 방식을 더 잘 이해하고 교육 방법을 개선하는 데 도움이 되는지 살펴봅니다.

학문 기반 교육 연구는 심리학의 원리를 특정 분야에 적용하여 개인이 특정 학문의 개념과 기술을 어떻게 학습하는지 조사하는 것입니다. 여기에는 화학, 물리학, 수학과 같은 STEM 분야뿐만 아니라 역사와 같은 예술 및 인문학 분야도 포함됩니다. 화학 교육 연구(CER) 분야는 학생들이 화학을 어떻게 이해하고, 화학을 배울 때 직면하는 어려움을 파악하고, 화학에 더 쉽게 접근할 수 있도록 교육을 개선하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

학생들이 직면한 어려움

화학 학습자들이 직면하는 가장 큰 문제는 화학이라는 학문의 무형적인 특성입니다. 화학은 육안으로 보기에는 너무 작은 원자와 분자의 상호 작용에 초점을 맞추기 때문에 학생들은 이러한 현상에 대한 실제 경험이 없습니다. 알렉스 존스톤 은 화학은 원자와 분자의 미시적(또는 입자) 수준, 실제로 관찰할 수 있는 일상적인 현상의 거시적 수준, 이러한 아이디어를 서로에게 전달하기 위해 사용하는 방정식과 표현의 상징적 수준이라는 세 가지 수준에서 이해해야 하기 때문에 배우기 어렵다고 말합니다. 전문 화학자들은 이 세 가지 수준을 매끄럽게 통합할 수 있지만, 초보 학생들은 이러한 연결 고리를 만드는 데 어려움을 겪습니다. 특히, 수학적 능력이 뛰어난 학생은 수학적 이해를 미시적 수준의 원인이나 실제 거시적 효과에 연결하지 않고 알고리즘과 휴리스틱을 사용하여 문제를 해결할 수 있기 때문에 개념을 이해하지 않고도 화학에서 성공을 거둘 수 있는 경우가 종종 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 학생들이 미시적 수준을 보다 구체적으로 시각화할 수 있도록 미립자 수준 다이어그램을 교육에 통합할 것을 제안했습니다. 이로 인해 정적 이미지뿐만 아니라 애니메이션과 시뮬레이션을 포함한 화학 분야의 시각화 활용이 붐을 이루며 교육과 학생들의 개념 이해를 향상시키는 데 도움이 되었습니다.

화학에서는 상징적 수준이 매우 널리 퍼져 있기 때문에 이 분야에서는 오랫동안 교과서, 온라인 숙제 시스템, 애니메이션 및 시뮬레이션과 같은 전자 자료를 포함한 교육 자료에서 시각화와 학생의 상호작용을 조사하는 데 주력해 왔습니다. 화학 교육 연구자들은 또한 학생의 문제 해결 전략, 개념 이해, 자기 효능감 및 동기 부여와 같은 정서적 영역이 학생의 성공에 미치는 영향 등 시각적으로 덜 집중된 영역도 조사합니다.

화학 교육 연구에서 시선추적의 사용

이러한 질문을 연구하기 위해 CER은 심리학 및 기타 사회과학의 연구 기법을 자주 차용합니다. 과거에는 인터뷰, 설문조사, 관찰 프로토콜 또는 성취도 테스트와 같은 덜 직접적인 방법을 통해 이러한 연구 질문에 답했습니다. 시선추적의 도입으로 학생 행동을 보다 직접적이고 정량적으로 측정할 수 있게 되었으며, 지난 10년 동안 CER에서 널리 채택되었습니다. 시선추적은 특히 학생들의 시각화 및 교육 자료 사용을 조사하는 데 적합하지만 문제 해결 연습과 같은 주제를 연구하는 데에도 적용되었습니다.

CER 분야에서 시선추적을 가장 먼저 사용한 것 중 하나는 학생들이 애니메이션을 시청하는 방식에 대한 학생들이 애니메이션을 보는 방식 을 전문가들이 보는 방식과 비교한 것입니다. 학생 성취도 테스트와 인터뷰 프로토콜을 사용한 이전 문헌에서는 전문가(교실 교사)가 학생들이 입자 움직임과 상호작용을 이해하도록 돕기 위해 이러한 애니메이션을 사용하도록 권장했음에도 불구하고 이러한 애니메이션이 교실에서 학생들의 성취도를 향상시키지 못하는 것으로 나타났습니다. 시선추적을 통해 우리는 이러한 단절의 원인을 조사하고 교실 강사들에게 학생들이 말 그대로 전문가가 보고 있는 것을 보지 못하고—애니메이션의 완전히 잘못된 영역에 집중하고 있다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 시선추적 기술을 통해 관심 있는 입자를 강조 표시하여 시각적 주의를 유도하고 학생들의 성취도와 개념 이해를 높이는 등 애니메이션의 작은 변화를 테스트하여 이 문제를 해결할 수 있었습니다.

그 이후로 시선추적은 화학 교실에서 다른 여러 시각화를 조사하는 데 사용되었습니다. 최근 프로젝트 Herrington 외 은 학생들이 변수를 조작하고 이러한 변화의 미시적 수준과 거시적 결과를 관찰할 수 있는 시뮬레이션과 상호작용하는 방식을 조사했습니다. 이 연구에서는 비계와 지도가 없는 학생들은 제공된 미립자 수준의 자료를 사용하지 않고 사전 지식과 알고리즘적 사고를 사용하여 질문에 답하는 데 집중한다는 것을 보여주었습니다.

Stieff 등 은 학생들의 다중 표현 디스플레이 사용을 조사하여 다양한 시각화 사이에 주의가 분산되어 있으며, 학생들이 수학적 표현보다 시각적 공간 표현을 더 선호한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 다음과 같은 연구로 보완됩니다. 윌리엄슨 외의 연구에 따르면 문제를 풀기 위해 여러 가지 표현을 제시받은 학생들은 더 단순한 표현을 선호하여 더 유용한 표현을 무시하고 가장 익숙한 표현만 사용한다는 사실이 밝혀졌습니다.

학생 문제 풀이 시험에서의 시선추적

많은 연구자들은 학생들의 문제 해결 능력을 조사하기 위해 시선추적을 사용하여 학생들이 화학 스펙트럼과 같은 시각적 데이터와 어떻게 상호작용하는지 살펴봤습니다. 컬리퍼 등 은 초보자와 전문가가 이러한 스펙트럼을 다르게 읽는다는 것을 보여 주었으며, 이를 통해 교실 강사가 신진 화학자에게 이 중요한 기술을 가장 잘 가르칠 수 있는 방법을 제안할 수 있었습니다. 코르테스 등 은 학생들이 복잡한 생화학 경로가 포함된 이미지를 읽는 방법과 이러한 경로에서 질문에 답하기 위해 정보를 찾는 방법을 유사하게 조사했습니다. 이를 통해 인터뷰와는 다른 방식으로 문제 해결 행동을 이해하고 사용자가 무엇을 하고 있는지 실시간으로 확인할 수 있습니다.

보다 일반적으로 시선추적은 학생들이 단어 문제를 어떻게 읽는지 조사하는 데 사용되었습니다. 단어 문제를 읽고 반응하는 방식 및 객관식 문제를 어떻게 읽고 반응하는지 조사하는 데 사용됩니다. 시선추적은 다른 분야에서도 읽기 행동을 조사하는 데 널리 적용되어 왔지만, 이 연구는 교실 강사와 평가 설계자에게 학생들의 인지 자료에 과부하를 주지 않고 화학 지식을 테스트하기 위한 평가 항목을 가장 잘 구성하는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다.

전반적으로 시선추적은 이전 방법으로는 불가능했던 방식으로 학생의 행동을 정량화함으로써 화학 교육 연구 분야에 큰 도움이 되는 것으로 입증되었습니다. 이를 통해 애니메이션과 시뮬레이션과 같은 교육 자료를 디자인하는 방법과 스펙트럼 및 생화학 경로와 같은 시각화를 사용하여 학생들에게 문제를 해결하는 방법을 개선하는 데 도움이 되었습니다. DBER 연구는 광범위하게 응용될 수 있지만, 이러한 연구 결과는 연구 대상 분야에 고유하며 해당 분야의 실무자에게 더 명확하게 전달됩니다. 시선추적은 정성적 분석이 아닌 정량적 데이터를 생성하고, STEM 분야 종사자들의 언어로 말할 수 있다는 장점이 있습니다. 이러한 정량적 결과는 STEM 교수진에게 더 친숙하기 때문에 연구 결과를 받아들이는 데 있어 장벽을 낮출 수 있습니다. 학생들의 교육 자료 사용에 관심이 있는 DBER 연구자, 특히 화학과 같이 시각적으로 까다로운 분야의 연구자에게 시선추적은 수업 개선에 도움이 되는 데이터를 제공하는 데 매우 적합합니다. 이 유용한 도구를 사용하는 방법에 대해 자세히 알고 싶은 DBER 연구자는 다음을 참조하세요. 최근 개요를 참조하세요.