21세기 들어 영상기술의 발달로 인해 ‘뇌는 어떻게 학습하는가?’에 대해 이전보다 훨씬 더 많이 알게 되었고, 이를 교실 수업에 적용하려는 노력도 날로 늘고 있다. 학습이 뇌에서 어떻게 일어나는지 모르고 학생을 가르치는 것을 흔히 자동차 엔진을 모른 채 자동차를 디자인하는 것에 비유한다. 이제 모든 교사들은 뇌의 작동 원리를 이해하고 이에 맞게 학생지도를 해야 하며, 뇌가 학습하는 원리에 따라 수업을 해야 한다. 교사들이 뇌의 작동 원리와 학습 원리를 알면 다음과 같은 장점이 있다. 

 

• 신경과학(neuroscience), 심리학(psychology), 교육학(pedagogy)의 융합적 연구에서 나온 뇌의 학습 원리를 적용함으로써 더 효과적인 수업을 할 수 있음

• 감정·주의·동기 시스템의 이해를 통해 학습자를 수업에 집중시킬 수 있음

• 학습자의 사고·행동 원리의 이해를 통해 학생과의 관계가 향상되고 문제행동을 줄일 수 있음

• 효과적인 수업에 대한 판단·성찰의 기준을 제공함

 

  지난 칼럼 ‘기초학력향상을 위한 연수(1)에서는 ‘정보처리 모델’에 대해, ‘기초학력향상을 위한 연수(2)에서는 ‘작업기억(New IQ)의 중요성과 주요 특징’에 대해 살펴보았다. 이번 ‘기초학력향상을 위한 연수(3): 뇌는 어떻게 학습하는가?’에서는 ‘인지 과부하를 고려한 효과적인 수업’에 대해 살펴보기로 한다.

 

 

 

  인지부하(cognitive load)란 작업기억에 정보를 저장하거나 처리할 때 요구되는 정신적 노력의 총량을 말한다. 수업 상황에서 인지 과부하(cognitive overload)는 작업기억이 수용할 수 있는 용량에 비해 더 많은 수의 정보를 저장하려고 하든가(용량의 문제), 학습자의 이해 속도보다 교사의 설명이 더 빠른 경우 일어난다(정보처리 속도의 문제). 

  인지부하에는 3가지가 있다. 하나는 학습 자료나 과제 자체가 가지고 있는 난이도와 복잡성을 말하는 내재적 인지부하(intrinsic cognitive load), 다른 하나는 학습 과제 자체의 난이도가 아닌 수업의 잘못된 설계나 자료의 제시 방법 등이 야기하는 외재적 인지부하(extraneous cognitive load), 잘 설계된 수업과 학습 자료를 통해 스키마를 형성할 때 학습자가 쏟는 바람직한 정신적 노력인 본유적 인지부하(germane cognitive load) 3가지가 있다. 내재적 인지부하는 학습자의 수준을 고려해 적절히 관리하고, 외재적 인지부하는 최대한 줄이며, 본유적 인지부하는 최대한 높이는 것이 바람직하다.

 

<표 1> 인지 부하 3가지

 

  작업기억에 과부하가 일어나면 어떤 일이 벌어지는가? 가령 영어 글감을 읽을 때 모르는 단어가 많은 경우, 또는 영어 듣기 평가를 할 때 들려주는 속도가 너무 빨라 흘러들어오는 정보를 미처 처리하지 못할 때 어떠했는가를 생각해보면 알 수 있다. 읽기 중 과부하기 일어나면 읽기 속도가 느려지고 읽고도 내용이 기억되지 않는다. 즉, 단어와 구문 그리고 맥락을 종합해야 문장의 해석이 되는데 주의의 대부분을 어휘나 구문 이해에 사용하게 되면 정작 중요한 메시지의 이해는 제대로 할 수 없게 된다. 수업 중 인지과부하를 겪게 되면 많은 학습자들은 아래 <표 2>와 같은 반응을 보인다.

 

<표 2> 인지 과부하가 학습자에 미치는 영향

 

  학습자가 이상과 같은 반응을 보일 때 대부분의 교사들은 학습태도의 문제로 본다. 하지만 이는 작업기억의 용량 제한으로 인한 과부하 때문일 가능성이 높다. 학습자들의 이런 현상에 대해 바른 이해와 바른 대응이 필요하다.

 

“학생이 학업을 잘 따라가지 못하면 교사와 심리학자는 주의력결핍 과잉행동장애(Attention Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD) 또는 난독증(Dyslexia) 같은 특별한 문제에 대한 증거를 찾곤 한다. 만일 증거가 발견되지 않으면 이런 학생들은 대개 성공에 필요한 노력을 기울이려는 의지가 없다거나 ‘게으르다’는 오해를 받는다. 그러나 이들의 문제점은 작업기억이 부족하다는 것이며, 우리는 이점을 알아야 한다. 작업기억에 대한 지원이 없다면 아무리 많은 노력을 기울여도 이 아이들은 성적을 향상시키지 못할 것이다.”(「작업기억에 달렸다」, 한국뇌기반교육연구소 25쪽)

 

 

 

  “그 아이들을 방과 후까지 학교에 남으라는 것은 너무 가혹해요. 알아듣지도 못하는 수업을 매일 7시간을 참아온 아이들이잖아요.” 이는 기초학력향상 토론회 때 나온 얘기다. 이때의 ‘알아듣지도 못하는 수업’은 인지 과부하와 밀접한 관련이 있다. 수업내용에 대한 기초적 사전지식(배경지식)이 없거나 부족한 이 아이들은 수업의 매 순간이 괴롭다. 수업에 주목하려 해도 사전지식 부족과 인지 과부하로 인해 수업 듣기를 포기하고 딴 짓을 할 수밖에 없기 때문이다. 게다가 “억울하게도(내 탓이 아닌데!)” 수업 태도가 나쁘다는 교사의 미움까지 받아야 한다.

  인지 과부하의 원인은 수업 자료의 복잡성 때문인 면도 있지만 원천적으로 수업 내용을 파악하기 위한 작업대(작업기억)가 너무 좁은 데 기인한다. 어떤 과제를 수행할 때 인간의 학습과 행동을 좌우하는 작업기억(단기기억)에 동시에 유지시킬 수 있는 정보의 수는 어른의 경우도 4-5개(5세 이하 유아나 노인은 이보다 더 작은 1-2개)에 불과하다는 점이다. 이는 심한 제약이 아닐 수 없다. 그래서 딜런 윌리엄(Dylan Wiliam, 2017)은 이런 제약을 바탕으로 한 ‘인지부하이론(Cognitive Load Theory)’¹⁾은 '교사가 알아야 할 가장 중요한 것 한 가지'(the single most important thing for teachers to know)이며, 최근 교수·학습에서 가장 중요한 관심사(The Next Big Thing in teaching)로 떠올랐다고 말한다. 

  수업을 설계하고 실천하는 교사들은 학습과정에 나타나는 인지부하에 대해 자세히 알고 잘 다룰 필요가 있다. 인지부하 중 ‘본유적 인지부하’는 바람직한 것이어서 줄일 필요가 없지만 ‘내재적 인지부하’는 적정 수준으로 관리해야 하며, ‘외재적 부하’는 최대한 줄일 필요가 있다.

 

  내재적 인지부하(intrinsic cognitive load)는 학습 자료에 내재된 복잡성(complexity)으로 인한 부하이며 이는 사전지식과 관련이 깊다. 복잡한 수학문제를 풀 때 일어나는 부하가 대표적인 예다. 추상적인 긴 글의 내용을 파악하고 요약하는 과제를 수행할 때도 내재적 부하는 매우 크다. 이런 내재적 부하를 줄이거나 적절히 조절하는 방법으로는 아래와 같은 방법이 있다.

 

- 과제를 감당할 수 있는 수준으로 작게 나누기(chunking)

- 문제를 간단한 내용에서 복잡한 내용으로 단계적으로 제시하기

- 과제를 단계별로 해결하기/순차적으로 다루기

- 문제해결 과정을 사전에 자세히 보여주기, 이어서 부분적으로 답을 제시한 과제를 주고 완성하게 하기, 끝으로 문제만 제시하고 독자적으로 풀게 하기

- 학습 진도를 천천히 나가기

- 학습량 줄이기

- 구조화된 수업지도

- 배운 내용을 완전히 익힌 다음(연습, 연습, 연습), 다음 단계로 나아가기

- 새로운 정보를 사전지식에 연결시키기

- 읽기 자료에 나오는 어려운 어휘를 사전에 학습하기

- 그래픽 오거나이저 형식으로 학습할 내용의 핵심 개념을 사전에 제시하기(advance organizer)

- 여러 내용을 소수의 상위 범주로 묶기

- 정보를 이미지와 말·글 2가지로 제시하기

- 주요 학습 내용을 이야기로 구성하기

- 핵심적인 내용에 초점 두기(주변적 내용 길게 다루지 않기)

- 하나의 슬라이드에는 한 가지 메시지만 담기

- 요약에 가까운 제목 사용하기

- 잠시 멈추고 짧은 휴지/휴식 갖기

- 스트레스 줄이기

- 과제 부여나 응답을 요구하기 전에 필요한 정보를 충분히 숙지시키기

- 도중에 잠시 멈추고 이해 여부 확인하기

- 협동학습을 위한 기회 갖기

  외재적 인지부하(extraneous cognitive load)는 교사의 효과적이지 못한 수업 방법이나 교사의 지시나 과제 설명이 필요 이상으로 복잡할 때 발생한다. 외재적 인지부하를 줄이는 방법으로는 다음과 같은 교사의 행동들이 있다. 

 

- 학습 목표·진도표 명확히 제시하기(교사 명확성)  

- 명확한 내용 설명 

- 어려운 용어 사용 최소화하기

- 이해하기 어려운 내용은 도표와 비유를 추가적으로 사용하기

- 개념의 시각적 표현 병행(예: 달의 공전을 설명할 때)

- 긴밀히 관련된 내용은 같은 페이지에 가까이 배치하기

- 시각 자료와 관련 설명 간의 거리를 최대한 좁히기

- 주의를 산만하게 하는 물건 치우기

- 텍스트의 제시와 구두 설명 동시에 않기

- 슬라이드에 완전한 문장 대신 짧은 구를 사용하고 앞에 글머리 기호 사용하기

- 중요한 내용을 볼드체로 표시하거나 색상을 달리하기

- 일상적으로 반복되는 활동(routines)을 정착시켜 일과를 예측 가능하게 하기

- 멀티테스킹(multi-tasking) 지양하기

 

  본유적 인지부하(germane cognitive load)는 학습자가 새로운 지식을 습득함으로써 지식 스키마를 형성할 때 일어나는 바람직한 부하를 말한다. 학습 효율을 높이기 위해 추가적으로 자료를 제공할 수 있는데 이런 자료에 의한 부하가 본유적 인지부하이며 바람직한 부하다. 태양의 위성을 설명할 때 이들에 대한 다이어그램을 제공하고, ‘수·금·지·화·목·토·천·해·(명)’이라는 식의 기억법을 제공하는 것 등은 인지부하를 높이지만 매우 바람직한 학습 활동이다. 새로운 학습경험은 처음에는 이의 패턴을 파악하느라 힘들 수 있지만 이런 본유적 인지부담은 미래에 관련 패턴을 예상하고 이해하는데 도움을 주는 좋은 부하다. 본유적 인지부하는 학습자에게 지나치게 낮은 수준의 학습 자료를 제공하거나 높은 수준의 자료를 제시하게 되면 일어나지 않는다. 하지만 학습자에게 적절한 수준의 학습 자료를 제공하면 학습자는 문제를 해결하기 위해 정신적인 노력을 기울이게 된다.

 

 

 

  앞에서 작업기억 시스템에서 일어나는 인지과부하를 막기 위한 활동들을 살펴보았다. 그런데 학습을 위한 작업(정보처리)이 작업기억에서 효과적으로 일어나기 위해서는 인지부하를 낮추기 위한 노력 외에 작업기억 시스템 자체의 성능을 강화할 필요가 있다. 작업기억 시스템의 성능 강화란 정보를 일시적으로 유지시킬 수 있는 ‘공간(space, capacity)을 확장’하는 일과 작업기억 시스템 위에 정보를 유지시키기 위해 필요한 ‘주의력의 강화’를 의미한다. 아울러 작업기억에서 정보처리(패턴 인식과 되뇌기 등)가 원활할 수 있기 위해서는 사전지식(prior/background knowledge)의 구축도 필수적이다. 새로운 정보를 이해하기 위해서는 새로운 정보 패턴을 식별해야 하고 이를 위해서는 이와 관련된 사전지식이 필요하기 때문이다. 뇌는 이미 알고 있는 것을 바탕으로 새로운 것을 이해하고 배운다.

 

  최근 들어 작업기억 시스템의 용량 자체를 확장할 수 있다는 연구도 있지만 용량 자체는 늘릴 수 없다는 연구 역시 공존한다. 전자는 작업기억 훈련을 통해 지능을 향상시키고 그 결과 읽기, 수학 등에서 학업성취도가 향상된 결과를 가져왔다는 것을 증거로 제시한다. 훈련에 의해 일시적으로 작업기억의 ‘기능이 향상될 것’이란 점은 작업기억 훈련을 위한 과제 내용을 살펴보면 수긍이 가기도 한다. 이런 연구를 바탕으로 작업기억 훈련이 하나의 영리 사업으로 국내외에서 빠르게 확산되고 있다. 새로운 경험과 학습에 의해 뇌는 일생 동안 변할 수 있다는 신경가소성(새로운 경험과 학습에 의해 뇌 세포가 자랄 수 있는 능력)을 고려하면 전자와 같은 연구 결과도 설득력을 가질 수 있다. 하지만 훈련을 중단한 이후에 지속성이 낮다는 연구가 많고, 지속된다는 연구는 비교적 소수에 불과하다(Brain-Friendly Teaching Tools, Tips, & Structures, 2014 p.5.70)는 점에도 유념할 필요가 있다. 

  ‘작업기억의 용량 확장’을 위한 훈련은 인내가 필요한 비교적 지루한 과정이다. 그리고 이런 훈련에 의해 작업기억 성능이 향상된다 하더라도 지속 가능성에 대해서 확신이 어렵다면 교실 수업활동을 통해 ‘작업기억의 녹슨 잠재력을 깨우는’ 방향의 훈련이 바람직하다고 할 수 있다. 아래와 같은 수업활동을 통해 작업기억의 잠재적 역량을 최대치로 작동하게 할 수 있다.

 

<표 3> 언어작업기억 활성화를 위한 교실활동

  아울러 신정보를 다양한 방식으로 구정보와 연결짓는(정보의 재조직 과정 포함) 속도를 증가시키는 것, 또 반복적 대뇌기(rehearsal)를 통해 신정보에 익숙해지는 것도 인지 과부하를 줄이고 작업기억의 용량을 늘리는 효과를 가져 온다.
 

  학습이 일어나려면 작업기억 시스템에 올라 온 정보의 패턴을 확인하고 과제를 해결할 때까지 유지시키는 일이 매우 중요하다. 작업기억 상의 정보는 주의를 기울이는 동안만 유지되고 주의를 다른 곳으로 돌리면 순간 작업기억 상의 정보는 소실된다. 따라서 작업기억에서 과제를 해결하기 위해서는 과제를 끝낼 때까지 주의력의 지속이 결정적으로 중요하다. 그러나 일상생활 속에서 새로운 자극들(예: 멀티미디어 콘텐츠)이 늘어나면서 인간의 뇌는 주의를 지속할 수 있는 시간이 점점 더 짧아지고 있다. 어른의 경우 연속적으로 주의를 기울일 수 있는 시간이 1998년 12분에서, 2008년에는 5분으로, 2015년에는 8초로 줄어들었다는 언론보도도 있었다(AP). 이는 생존을 위해 뇌가 환경에 적응한 결과라 할 수 있다. 하지만 청소년의 경우 평균적으로 어떤 한 가지 일에 주의를 지속할 수 있는 시간이 ‘자신의 나이×1분’이라는 연구도 있다. 예를 들어 8세는 대략 8분 동안, 12세는 12분 동안 주의를 지속시킬 수 있다는 의미이다. 

  학교 교실 상황에서 주의 집중력을 높이는 활동에는 아래와 같은 것들이 있다.

 

  작업기억에서 정보처리가 원활히 이루어지기 위해서는 ‘정보 입력 속도·수량 ≤ 정보 처리 속도·수량’이라는 조건을 충족시킬 필요가 있다. 입력 속도·수량이 처리 속도·수량을 능가하면 정보 과부하가 일어나 패턴의 인식에도 실패하고 만다. 특히 내재적 인지부하를 줄이기 위해서는 입력될 정보(예: 교과서 내용이나 교사의 설명)의 입력 속도나 정보량을 조절하는 것도 필요하지만 한편으로는 학습자가 관련 정보의 사전지식(배경지식)을 갖추고 있어야 한다. 따라서 이 사전지식을 어느 정도 갖추고 있는지 진단평가를 통해 확인한 후 사전지식을 구축하는 과정이 필요하다. 

  사전지식의 구축은 왜 중요한가? 사전지식은 새로운 정보의 의미를 파악하는 열쇠이기 때문이다. 사전지식의 중요성에 대한 재미있는 비유가 있다. “(본 수업에 들어가기 전) 시간을 내어 사전지식을 평가하고, 활성화하고, 구축하지 않는 것은 마치 경험이 없는 야구 선수에게 볼을 던진 후 프로 선수처럼 경기를 해줄 것을 기대하는 것과 같다.” 실제 글을 읽을 때 학습자는 사전지식을 근거로 내용을 이해하고 앞으로 나올 내용을 예측한다. 작업기억에 신정보가 들어오면 가장 먼저 패턴을 식별하는 것이 필요한데 패턴의 식별은 신정보(교사의 수업 내용)와 사전지식의 비교·참조를 통해 이루어진다. 다시 말해 사전지식이 없으면 신정보를 예측할 수도 이해할 수도 없다. 사전지식은 또한 로드맵(road map)과 같은 것으로서 이를 통해 목표를 잃지 않고(학습할 내용을 제대로 이해하면서) 끊임없이 예측하면서 앞으로 나아갈 수 있게 해준다. 그래서 학습이 부진한 학생의 기초학력 향상을 위해서는 사전지식의 구축이 핵심이 된다. 일본도 지금 추진 중인 교육대개혁에서 학력의 정의를 3가지 요소(기초학력, 역량, 인성)로 나누고 있는데 그 중 첫 번째 것이 ‘기초적인 지식과 기능의 확실한 습득’이다. 기초적인 지식이 차기 학습이나 고등사고력의 기반이 되기 때문이다. 

 

<그림 1> 신정보와 구정보의 연결 – 인코딩(encoding)

http://www.senseandsensation.com/2013/03/encoding-how-to-make-memories-stick.html

 

  사전지식(배경지식)의 진단은 왜, 어떻게 하는가? 어떤 단원의 학습을 시작하기 전 그 주제에 대해 학습자들이 어느 정도의 사전지식을 가지고 있는지 준비 정도를 알아야 적정 수준의 목표를 설정하고 ‘이해 가능한’ 수업을 진행할 수 있다. 사전지식의 진단은 공정한 수업을 위해서도 필요하다. 학습자들의 사전지식의 차이를 파악하고 이를 고려한 수업을 할 경우 이는 격차를 줄이는 데도 큰 기여를 할 수 있다. 이는 수업 전에 기울어진 운동장을 평평하게 고르는 작업의 의미를 갖기 때문이다. 사전지식을 평가하는 대표적인 수단으로는 아래와 같은 예측평가(prediction guides)가 있다. ‘확률(probability)’에 관한 수업 전 배경지식의 진단이다.

 

※ 다음 서술을 읽고 동의하면 A, 동의하지 않으면 D를 쓰시오.

(출처: Overcoming Textbook Fatigue, ReLeah Cossett Lent, Chapter2)

 

  만약 날씨에 관한 단원이라면 수업을 시작하기 전에 “안개는 구름이 하늘에서 낮게 내려온 것이다”라는 명제가 사실인지 아닌지 물어볼 수 있을 것이다. 이러한 사전지식의 평가지는 수업이 끝난 후 답을 수정하게 함으로써 학습에도 도움이 된다. 그리고 학습자들은 자신의 예측(A 혹은 D)이 맞는지 틀리는지에 대해 알고 싶어 하므로 이러한 사전 진단은 학습자의 집중력을 높이고 학습 효율을 향상시킨다.

 

  하지만 학습 목표를 성적 달성에 두는 한국의 교실 상황이라면 사전지식의 구축은 역순설계 방식의 핵심질문(essential question: EQ)과 높은 수준의 이해 목표(Enduring Understandings: EU) 중심으로 하는 것도 시도해볼 만하다. 앞으로 배울 내용과 연결을 위한 사전지식은 ‘숲(big idea)’에 해당되는 개괄적 지식이 좋은데 이는 이어지는 ‘나무(details)’에 해당되는 내용을 연결시킬 옷걸이로서 매우 적합하기 때문이다. 예를 들면 아래와 같은 것이다. 2015개정 교육과정의 용어를 빌면 ‘일반화된 지식’에 해당된다.

 

 

  이런 내용을 사전지식으로 구축하기 위해서는 이를 학습자가 이해하고 장기기억에 저장할 수 있어야 한다. 이를 장기기억에 저장하는 방법에는 두 가지가 있다. 하나는 구구단 암기처럼 기계적으로 내용을 단순 반복하여 기억하는 방법(rote memory)이고, 다른 하나는 정교화 되뇌기(elaborate rehearsal)를 통해서 장기기억으로 옮기는 방식이다. 후자는 의미를 결부시켜 ‘자신의 언어로 다시 표현해보고, 적용하고, 분석하고, 평가하고, 창의적으로 문제를 해결하는 활동’ 등을 통해 기억하는 것을 말한다. 

 

 

 

  한국의 교육계는 ‘뇌는 어떻게 학습하는가?’ 및 ‘인지 과부하, 사전지식의 중요성’ 등에 대해 더 많은 관심을 갖고 더 깊은 이해를 할 수 있어야 한다. 이를 위해 해당 내용을 교사 양성 프로그램은 물론 현장 교사들의 연수 프로그램에도 포함시킬 필요가 있다. 이런 지식에 대한 이해와 활용이 낮으면 수업이 학습으로 연결되기가 어렵다. 그리고 인지과부하를 고려하지 않는 수업은 매우 불공정하고 폭력적이기까지 하다. 이는 작업기억 용량이 작은 학습자, 학습 속도가 느린 학생, 학습의 기초를 놓쳐 사전지식이 부족한 학생들에게 학습의 기회를 박탈하는 수업이 되기 때문이다. 

  한국에서는 학습자의 인지부하와 사전지식을 고려한 수업과 정 반대 입장에 있는 진도빼기 수업이 일반적이다. 앞으로 학교는 모든 교사들이 인지부하이론을 잘 이해하고 이를 고려한 수업설계를 하도록 해야 한다. 또한 모든 교사들은 그날 수업 내용과 관련된 간단한 사전지식 진단평가를 통해 ‘격차를 줄이는 공정한 수업’이 되도록 노력해야 할 것이다. 그렇지 않고는 ‘기초학력 향상’은 위선적 구호에 그치고 학교는 격차를 늘리는 곳이 되고 말 것이다. 모든 학교에서 뇌의 학습 원리에 충실한 수업과 학생지도가 이루어질 수 있기를 기대해본다.   

¹⁾ 인지부하이론(Cognitive Load Theory: CLT) - Sweller에 따르면, 일반적으로 과제 해결에 요구되는 인지자원의 양이 인지구조가 보유하고 있는 자원의 용량을 초과할 때 인지과부하(cognitive overload)가 발생한다고 한다. 인지부하이론에서는 이때 발생한 인지과부하를 학습 부진의 주요 원인으로 보고 불필요한 인지부하를 초래하는 변인을 밝혀 효과적인 학습을 할 수 있도록 유도하고, 학습 전략 개발에 그 목적을 둔다. 이러한 맥락에서 수많은 실증적 자료를 통해 도출된 것이 인지부하이론이다.(출처: 위키 백과)