학습과학 새 연재(17) : 효과적인 수업 기술 – 이중 부호화(dual coding)와 멀티미디어 학습경험 설계 원칙의 적용
by gyobasaNPO | 2023-05-31 15:53
| “효과적인 교수·학습을 위해서는 인지부하이론(cognitive load theory)에 주목할 필요가 있다.” / “이중부호화이론은 왜 중요할까? 이중 부호화를 하면 학습이나 기억과 회상에 다음과 같은 이점이 있다. “(본문 발췌) |
목차
1. 이중부호화이론(dual coding theory)
2. 이중 부호화가 학습에 주는 이점
3. 멀티미디어 학습 경험의 설계 원칙
1) 일관성 원칙 (Coherence Principle)
2) 자료 양식의 원칙 (Modality Principle)
3) 시간 연속성 원칙(Temporal Contiguity Principle)
4) 공간 연속성 원칙 (Spatial Contiguity Principle)
5) 중복성 원칙 (Redundancy Principle)
6) 신호 제공의 원칙(Signaling Principle)
7) 목소리 원칙(Voice Principle)
♣ 수업 적용
1. 수업에서 시각적 자료를 적극 활용한다.
2. 정보 디자인 원리 ‘자르기-묶기-정렬하기-억제하기’를 적용한다.
3. 비유(metaphors)를 적극 사용한다.
4. 한 교사가 인지부하이론을 배운 후 자신의 수업지도 방법을 바꾼 이야기
| ♣ 학습 목표 • 이중부호화이론의 개념과 학습에 주는 장점을 이해한다. • 멀티미디어 학습 경험 설계 원칙 7가지를 이해한다. • 이중부호화이론과 멀티미디어 학습 경험 설계 원칙을 적용할 수 있다. |
교사가 가르칠 때 학습부진 아동의 뇌에는 어떤 일이 일어날까? 수업 중 학습이 일어나는 곳은 작업기억이다. 이 작업기억은 동시에 유지할 수 있는 정보의 수가 평균 3-5개밖에 안될 정도로 작업대가 매우 좁다. 따라서 교사가 어려운 내용을 빠르게 설명하면 학생은 교사의 설명 속도에 맞춰 수업을 따라가지 못한다. 그 결과 인지 과부하(cognitive overload)가 일어난다. 인지 부하(cognitive load)는 학습자가 특정 과제를 수행할 때 학습자의 인지 체계에 요구되는 인지적 노력의 총량(혹은 정보처리의 총량)을 말하고 (Reif, 2010), 인지 과부하는 특정 시점에서 작업기억으로 유입되는 정보의 양, 난이도, 복잡성이 정보를 저장하고 처리할 수 있는 인지 능력을 넘어설 때 일어나는 상황을 일컫는다. 인지 과부하가 일어나면 주의가 산만해지고 정보가 소실되거나 처리 속도가 느려져 학습이 지속되기 어렵다.
효과적인 교수·학습을 위해서는 인지부하이론(cognitive load theory)에 주목할 필요가 있다. 이는 스웰러(Sweller, 1998)라는 학자가 고안하고 발전시킨 이론으로, ‘학습자에게 너무 많은 정보를 한꺼번에 제공하면 인지 과부하를 일으켜 학습이 효과적으로 일어나는 것을 방해하게 된다.’라는 것이 핵심 내용이다. 이 이론은 불필요한 인지 과부하를 초래하는 변인을 밝혀 효과적인 학습을 할 수 있도록 유도하고, 학습 전략을 개발하는 것에 그 목적을 두고 있다.
인지 부하는 교사가 수업을 설계할 때 가장 신경 써야 하는 부분이다. 인지부하이론은 일종의 교수설계 이론이기 때문이다. 영국의 런던대 교육학부 교수, 딜런 윌리엄(William, D 2017)은 “교사가 알아야 할 가장 중요한 것 한 가지(the single most important thing for teachers to know)를 든다면 단연 인지부하이론이다”라고 말할 정도로 인지부하이론은 중요하다. 특히 학습부진 아동들을 위한 수업 설계에서 가장 중요한 것이 인지 과부하가 일어나지 않도록 하는 것이다.
어떻게 해야 인지 과부하를 줄이고 기억을 향상시킬 수 있을까? 이에 큰 시사점을 제시하는 것이 이중부호화이론(dual coding theory)이다.
1. 이중부호화이론(dual coding theory)
부호화(encoding)란 정보 처리 과정의 한 형태로, 청각, 시각, 촉각 등 감각을 통해 들어오는 정보를 처리하고 저장하기 위해 그 정보를 유의미하게 구성하고, 장기기억에 저장되어 있는 기존의 정보와 연결하고 결합하는 과정을 말한다. 한편 이중 부호화(dual coding)는 수업에서 학생들에게 어문적 자료(verbal materials)와 시각적 자료(visual materials)를 함께 제공하는 것을 말하고, 이중부호화이론은 정보가 어문적 부호화(verbal encoding)1와 시각적 부호화(visual encoding)2를 통해 동시에 처리되고 저장되는 것을 설명하는 이론이다. 이렇게 이중으로 부호화(encoding)된 정보는 어느 한 가지로만 부호화되는 경우에 비해 더 쉽게 기억되고 더 쉽게 인출될 수 있다. 예로 ‘개’를 부호화할 때, ‘개’라는 단어뿐만 아니라 이미지(외모, 소리, 냄새 등의 감각 정보)로 저장한 경우, 이 둘은 연결·통합되기 때문에 단어나 이미지 중 하나만 인출해도 두 가지 다를 재생할 수 있다.
<그림 1> 사람이 ‘개’라는 개념을 저장하는 방법 (이중 부호화)
이 이론에 따르면 다음 <도표 1>처럼 시각 자극(visual stimuli)과 어문 자극(verbal stimuli)이 동시에 제공되더라도 각각 시각 채널(visual channel)과 어문 채널(verbal channel)을 통해 받아들이고 처리되기 때문에 처리에 따르는 인지 부하를(인지적 부담을) 분산시킬 수 있다. 교실 상황에서는 주로 시각적 자극과 어문적 자극이 사용되는데 시각적 자극은 영상, 그림, 그래프, 차트, 그래픽 오거나이저, 인포그래픽스, 만화 영화, 비디오 등을, 어문적 자극은 텍스트, 구두 해설 등을 일컫는다.
<도표 1> 이중부호화이론 (Allan Paivio, 1971)
이 이론은 알랜 페이비오(Allan Paivio, 1971, 1986)에 의해 주창되었으며, 위 도표에서 보듯이 우리의 기억은 시각 자극과 어문 자극을 처리하는 두 가지 경로(channel)를 가지고 있고 이 두 자극은 작업기억에서 각기 분리되어 처리·저장되지만 좌뇌-우뇌의 협응(協應)에 의해 서로 연결·통합된다. 따라서 어문 정보의 회상이 시각 정보의 인출을 유발하고 시각 정보의 회상은 어문 정보의 인출을 유발한다. 이렇게 연결된 기억은 그렇지 않은 경우보다 인출이 훨씬 더 용이해진다. 그래서 ‘수업지도에서 음성 정보와 시각 정보 중 어느 한 가지만 제시하는 것보다 둘을 함께 제시하는 것이 학습에 더 효과적이다.’라는 내용이 이중부호화이론의 골자다.
다음 <그림 2>는 페이비오의 이중부호화이론을 심화 발전시킨 대표적인 연구자이자 정보 디자이너(information designer)인 올리버 커비글리올리(Oliver Caviglioli)가 뇌 속에서 시각 자극과 어문 자극이 어떻게 처리되는지를 배들리(Baddeley)의 작업기억모델(Working Memory Model)3을 적용해 그림으로 표현한 것이다.
<그림 2> 이중부호화이론의 도표화 (Oliver Caviglioli, 2019)
위 <그림 2>는 이중 부호화의 다음 3가지 특징을 잘 보여준다.
1) 두 개의 정보처리 채널
외부 정보가 작업기억으로 유입되는 데는 두 가지 채널이 있다. 하나는 시각 정보를 처리하는 채널이고 다른 하나는 음성 정보(어문 정보)를 처리하는 채널이다. 우뇌의 시공간 잡기장(visuospatial sketchpad)은 시각 정보를 주도적으로 처리하고, 좌뇌의 음운고리(phonological loop)는 음성 정보를 주도적으로 처리한다.
2) 독립적이면서 연결됨
두 채널은 분리되어 독립적으로 정보를 처리하지만 둘은 또 연결·통합된다. 이는 좌뇌와 우뇌가 어떤 정보를 처리할 때 항상 협업하고 협응(協應)하기 때문이다. 그래서 시각적 단서를 통해 어문적 정보를 회상할 수 있고 반대로 어문적 단서를 통해 시각적 정보를 회상할 수 있다.
3) 서로 다른 구조
시각 정보는 세부사항과 전체(whole picture)가 별다른 노력의 투입 없이 ‘동시에’(simultaneously) ‘총체적으로’(holistically) 지각된다. 시각 정보를 함께 제공하는 것이 부호화의 강력한 수단이 되고 정보의 기억과 회상에 크게 기여하는 것도 바로 이런 특성 때문이다. 한편 음성 정보는 앞부분을 들어야 뒷부분을 들을 수 있는 등 제약이 따르고 노력이 수반되며 ‘순차적으로’(sequentially) 처리된다. 그래서 시각 자료의 처리 속도가 언어 자료의 처리 속도보다 훨씬 더 빠르다. 그리고 시각 자료는 언어 자료와 달리 기억하면 잘 잊지도 않는다.
이중부호화이론은 왜 중요할까? 이중 부호화를 하면 학습이나 기억과 회상에 다음과 같은 이점이 있다.
1) 주의를 더 강력히 끌 수 있다.
하나의 정보를 시각적 정보와 언어적 정보 두 가지로 제시할 경우 한 가지로만 제시할 경우보다 사람의 주의를 더 강력히 끌 수 있다. 다음 타이포셔너리(typotionary)4 예처럼 단어의 일부 철자를 그 단어가 가리키는 사물의 모양으로 시각화하면 단어의 철자만 제시할 때보다 주의를 끄는 힘이 훨씬 더 커서 부호화(encoding)가 강력해진다.
출처: 선생님의 나눔터 쌤동네; Quizlet.com/kr/306825991/typotionary-퀴즈-flash-cards/
2) 인지 부하를 낮춘다.
사람의 뇌는 한꺼번에 많은 정보를 작업기억에 유지시키며 처리할 수 있도록 설계되지 않았다. 순간적으로 감당할 수 있는 인지 부하에는 한계가 있어서 언어적으로 전달되는 많은 정보는 즉시 망각된다. 이런 상황에서 도움을 주는 것이 바로 이중 부호화이다. 정보를 시각적, 어문적으로 이중으로 부호화하면 정보의 처리 부담을 시각 채널(주로 우뇌)과 어문 채널(주로 좌뇌)로 분산시키는 효과가 있어서 인지 부하를 줄일 수 있다.
<그림 3> 이미지와 목소리의 분산 정보처리 (Nick Smith, 2019)
3) 강력한 부호화 수단이 된다.
이중 부호화라는 용어의 뜻에서 드러나듯 이는 부호화를 이중으로 하는 것이기 때문에 시각적 부호화나 어문적 부호화 중 어느 한 가지 방법으로 부호화하는 것보다 강력한 부호화 수단이 된다. 즉 시각 이미지와 소리라는 두 가지 방법으로 기억하면 기억이 더 강력해진다.
4) 저장과 회상을 돕는다.
이중 부호화는 동일한 정보를 시각적, 언어적(청각적)으로 공들여 부호화하고 이 둘은 연결되고 연상 작용을 일으키기 때문에 강력한 기억의 흔적을 만든다. 한편 회상할 때는 영상과 언어라는 복수의 단서(cues)가 있기에 하나만 있을 때보다 회상하기 더 쉽고, 또 하나의 단서를 잊었을 경우 다른 단서로 회상할 수 있다.
정리하면 사람의 뇌는 정보를 처리하는 시스템이 두 가지(음운 고리, 시공간 메모장)가 있는데 많은 수업의 경우 어문 정보 처리 시스템에만 과도하게 의존하는 경향을 보인다. 따라서 시각 정보를 함께 제공하고 시각 정보처리 시스템까지 활용함으로써 인지 부하를 줄여 기억과 회상 능력을 극대화하고 복잡한 개념을 더 깊게 이해하자는 것이 이중부호화이론의 핵심이다.
이중부호화이론은 멀티미디어학습이론(Richard E. Mayer, 2005)과 밀접한 관련이 있어 함께 소개한다. 멀티미디어 학습(multimedia learning)이란 기본적으로 컴퓨터를 활용한 두 가지 이상의 자료 양식(modality), 예로 시각 자료(visuals)5와 이에 대한 구두 해설 즉 청각 자료를 동시에 활용하는 것을 말한다. 메이어(Richard E. Mayer)가 소개하는 멀티미디어 학습 원리에는 12가지가 있으나 여기에서는 중요한 것 몇 가지만 소개하겠다. 이러한 원리들은 컴퓨터를 이용하지 않는 대면 수업이나 학습 자료 준비 등에 광범위하게 응용될 수 있다.
1) 일관성 원칙 (Coherence Principle)
이는 학습 내용에 관련된 내용만으로 구성해야 하고 불요불급한 내용을 제거해야 한다는 원칙을 말한다.
<그림 4> 일관성의 원칙
멀티미디어 학습을 설계할 때는 자신에게 다음과 같은 질문을 던져야 한다.
“이 이미지는 이해를 위해 100% 필요한 것인가? 더 나은 것은 없는가? 이 메시지는 청중이 이해하기에 충분히 단순하고 간결한가? 더 줄일 것은 없는가?”
일관성 원칙은 멀티미디어 학습의 설계뿐만 아니라 교과서 집필이나 일반 수업을 설계할 때도 활용할 가치가 매우 크다.
2) 자료 양식의 원칙 (Modality Principle)
자료 양식의 원칙은 학습자는 <시각 자료 + 텍스트(문자 설명)> 조합보다 <시각 자료 + 구두 해설>을 통해 더 잘 배운다는 원칙을 말한다. 전자의 경우 시각 채널과 청각 채널 모두를 활용할 수 있기 때문에 효율적이다. 그렇다고 이 원칙이 텍스트의 사용을 금하는 것은 아니다. 텍스트가 많을 경우 인지 과부하를 일으키기 쉽기 때문에 최대한 절제해서 텍스트를 사용할 필요가 있다는 것이다.
<그림 5> 자료 양식의 원칙
정보 처리를 담당하는 작업기억은 ‘<도표 1> 이중부호화이론’에서 소개한 바와 같이 시각 정보를 처리하는 채널과 청각 정보를 처리하는 채널을 별도로 가지고 있다. 이 두 가지 채널은 작업기억의 정보 처리 용량이 크지 않다는 공통점이 있다. 그럼에도 불구하고 제한적인 작업기억의 용량을 확대할 수 있는 전략이 하나 있다. 정보를 이 두 가지 서로 다른 채널을 통해 분산 처리하는 방법이 바로 그것이다. <시각 자료 + 구두 해설>의 경우는 각 자료를 서로 다른 채널을 통해 처리하기 때문에 정보 처리에 따른 인지 부하를 최소화할 수 있다. 하지만 <시각 자료 + 문자 해설> 조합의 경우는 다르다. ‘문자 해설’도 초기에는 시각 경로(visual channel)에 의해 시각적 처리가 되기 때문에 시각 채널에 과부하가 걸릴 수 있다. 하지만 초기 이후에는 ‘문자 해설’도 언어 채널(verbal channel)을 통해 처리된다. 정리하면, 자료 양식의 원칙은 두 가지 서로 다른 시각 정보를 눈으로 번갈아 보면서 처리하는 경우보다 시각 정보와 청각 정보를 눈과 귀로 나눠서 처리하는 경우의 인지 부하가 더 작아 이것이 바람직하다는 것을 의미한다.
‘자료 양식의 원칙’의 적용 범위에도 변수(parameters)가 있다는 것이 최근 발견되었다. 미국의 미드웨스턴(Midwestern University)의 재학생 79명을 대상으로 한 연구(Oberfoell A., Correia A., 2016)에 따르면 초급학습자의 경우 ‘영상자료 + 해설(내레이션)’ 방식보다 읽기 자료만 포함된 파워포인트 자료로 학습한 경우가 기억과 전이 효과에서 앞서는 결과가 나왔기 때문이다. ‘구두 해설’의 경우는 해설자의 속도에 맞춰 들어야 하지만 ‘읽기 자료’의 경우는 자신의 페이스에 맞춰 읽을 수 있기 때문인 것으로 추정된다. 이렇게 자료 양식의 원칙도 대상, 조건, 환경 등에 따라 영향을 받는다.
3) 시간 연속성 원칙(Temporal Contiguity Principle)
시간 연속성 원칙은 시각적인 자료와 해당 자료에 대한 설명을 ‘잇따라’(successively) 제공하지 않고 ‘동시에(simultaneously)’ 제공해야 하는 원칙을 말한다. 즉, 학습자가 시각적인 자료를 보면서 해당 자료에 대한 설명을 동시에 듣는 것이 효과적이라는 것을 의미한다.
<그림 6> 시간 연속성 원칙
위 <그림 6>의 좌측 그림처럼 시각 자료에 대한 구두 해설이 동시에 제공될 때 정보 처리가 원활하다. 우측 그림처럼 먼저 시각 자료를 보고나서 조금 후에 이어서 구두 설명을 제공할 경우 이미 작업기억에는 먼저 본 시각 자료가 남아 있지 않아(새로운 정보가 제공되면 이전 정보는 작업기억에서 사라지기 때문에) 시각 자료와 이에 대한 해설이 상호작용을 일으킬 수 없는 문제가 있다. 실제 시각 자료와 구두 해설이 분리되는 경우는 흔하다. 발표자가 시각 자료의 어떤 부분을 해설하고 있는지 알려주지 않고(예: 발표할 때 포인터를 사용하지 않는 경우) 구두 해설을 하는 경우 청자는 어디의 어떤 내용을 설명하는지 몰라 혼란스러워진다. 시각 자료와 청각 자료를 동시에 보고 듣지 못하기 때문이다. 이 경우 당연히 정보처리에 어려움이 발생한다.
정리하면 시간 연속성 원칙은 시각 자료와 이에 대한 구두 해설이 동시에 제공될 때 일어날 수 있는 인지 부하를 최소화하면서 가장 효과적으로 정보를 처리할 수 있음을 의미한다. 다시 말해 시각 자료를 눈으로 보면서 이에 대한 구두 해설을 동시에 귀로 듣는 것이 효과적이다.
4) 공간 연속성 원칙 (Spatial Contiguity Principle)
공간 연속성 원칙은 그림과 글이 즉 시각 자료와 해당 자료에 대한 문자 설명이 스크린에서든 지면에서든 서로 멀리 떨어지지 않도록 인접하게 배치되어야 하는 원칙을 말한다. 시각적 자료와 이에 대한 문자 설명이 떨어져 있으면 이 두 자료를 상호작용 속에 동시에 볼 수 없기 때문에 인지 부하가 증가한다. 결과적으로 이해에 어려움이 발생한다.
<그림 7> 공간 연속성 원칙 (정보의 분리 제시와 통합 제시 비교)
위 <그림 7>의 좌측 그림이 우측 그림에 비해 작업기억의 부담이 적어 정보의 이해가 더 빠르고 효과적일 것은 자명하다.
<그림 8> 공간적 연속성 원칙 (정보의 분리 제시와 통합 제시 비교)
위 <그림 8>의 ‘분리 제시’의 경우, ‘증발, 응결, 강수’에 대한 해설이 그림과 멀리 떨어져 있다. 그러나 ‘통합 제시’의 경우는 ‘증발, 응결, 강수’에 대한 해설이 그림과 인접해 있다. 어떤 것이 더 이해하기(정보 처리하기) 쉬운가? 당연히 후자이다. 그림과 그림에 대한 설명이 가까울 때 정보 처리에 따르는 인지 부하도 적고 정보의 이해와 부호화도 더 쉽다. 교과서 집필이나 학습 자료를 만들 때 유념해야 할 사항이다.
5) 중복성 원칙 (Redundancy Principle)
동일한 내용을 담고 있는 시각 자료와 청각 자료의 중복 사용을 피하거나 최소화해야 한다는 원칙이다. 이 두 자료가 동시에 제공되면 주의 집중이 분산되어 인지부하를 효율적으로 관리하는 것이 불가능하기 때문이다. 다음 <그림 9>를 보자.
<그림 9> 중복성 원칙 (자료 제시 방식별 인지부하 비교)
위 ①, ②, ③의 각 조합에서 어떤 조합이 가장 이해하기 쉬울까? 앞에서 소개한 ‘자료 양식의 원칙’(modality principle)에 따라 ②의 조합이 ①의 조합보다 이해하기 쉽다. ③의 조합은 어떤가? 이 경우는 눈으로 시각 자료와 자막을 동시에 보면서 구두 해설을 들어야 하므로 특히 눈이 너무 바쁘다. 따라서 시각 정보를 처리하는 채널에 인지 과부하가 일어날 수 있다. 해결책으로는 <시각 자료 + 구두 해설 + 텍스트(문자 설명)>와 같은 자료가 제공될 경우 텍스트는 읽지 않고 <시각 자료 + 구두 해설>에만 주의를 집중하는 방법이 있다. 그러나 구두 해설이 외국어인 경우는 상황이 다르다. 외국어 해설의 경우 모국어만큼 자연스럽게 알아듣기 어려워서 오히려 구두 해설과 완전히 일치하는 자막이 동시에 제공되는 경우가 이해하기 더 쉽다.
6) 신호 제공의 원칙(Signaling Principle)
중요한 내용에 강조하는 표시를 할 때 더 잘 배운다는 원칙이다. 이는 발표자가 강조하고 싶은 것 즉 어디에 주의를 기울일 것을 가리키거나 표시해 주는 행위를 말한다. 다음 <그림 10>의 좌측 그림처럼 하이라이팅을 할 수도 있고 아니면 이 부분에 밑줄을 긋거나 별색으로 강조할 수도, 또 포인터로 이 부분을 가리켜 주의를 집중시킬 수도 있을 것이다.
<그림 10> 신호 제공의 원칙
7) 목소리 원칙(voice principle)
이는 사람은 기계가 내는 소리보다 사람의 다정한 목소리를 통해 더 잘 배운다는 원칙이다. 뇌는 차가운 기계음이 아닌 인간의 따뜻하고 다정한 감정이 실린 정보에 주의를 우선적으로 기울이는 특성이 있다.
<그림 11> 목소리 원칙
♣ 수업 적용
이중 부호화는 앞에서 이것이 학습에 주는 4가지 장점을 살펴보았듯이 이를 잘 활용하면 불필요한 인지 과부하를 낮추고 기억과 회상을 강화할 수 있다. 따라서 이중 부호화는 모든 학생들에게 도움이 되지만 특히 기초가 부족하고 주의 집중력이 떨어져 학습한 내용을 기억하거나 회상이 특별히 어려운 학습부진 아동들에게 적용할 경우 더 효과적이다(Mayer, 1997). 학습부진 아동들은 사전지식(배경지식)과 학습 동기가 부족해 단순히 언어적인 정보만으로 학습 내용을 기억하기 어렵다. 언어적 자극만으로는 이해하기 어려운 개념이나 정보를 시각적 자극을 동시에 제공할 때 더 쉽게 이해할 수 있게 된다. 이들은 시각적 자극을 활용하여 기억력을 강화할 필요가 일반 학생들보다 더 크다. 시각적 이미지가 기억력을 높이고 기억의 연상과 연결을 촉진하는 데 도움을 주기 때문이다.
다음은 이중 부호화를 수업에 적용하는 전략과 원리들이다.
수업에서 시각 자료를 효과적으로 활용하면 주의를 끌고 이해를 도와 기억과 인출을 도울 수 있다. 이는 이중부호화이론이나 그림 우월 효과(picture superiority effect)6가 잘 뒷받침해 준다. 그림 한 장이 백 마디의 말을 대신할 수 있듯이 이미지는 구두 언어나 문자 정보보다 지각하고 기억하기가 훨씬 더 쉽다. 셰퍼드(Shepard)는 실험을 통해 시각적 심상(心像, image)7에 대한 재인(再認, recognition)8 정확도가 단어보다 훨씬 정확하다는 것을 밝혔다. 이는 심상(心像)을 형성하면 기억이 향상될 것이라는 생각으로 발전했다(Reed, 2011).
사전지식이 부족한 초급학습자의 경우 문자 정보에 관한 시각 이미지가 없으면 문자 정보를 연결시킬 곳이 없는데(연결을 통해 이해가 일어남) 시각 이미지가 있으면 이것이 사전지식의 역할을 해줄 수 있다.
“때로는 교사가 어떤 개념을 설명할 때 잘 찾은 혹은 잘 디자인된 이미지 하나면 쉽게 이해시킬 수 있는데도 100단어를 사용하는 잘못을 범하기도 한다. 어쩌면 우리는 문자언어 사용이나 교과지식을 통해 학생들의 이해를 너무 어렵게 하는지도 모른다 (Oliver Caviglioli, 2017)”.
우리가 어떤 내용을 글의 형태로 읽거나 소리로 들었을 때는 3일 후 약 10%밖에 기억하지 못하지만, 이런 언어정보와 함께 관련 시각 이미지를 제공했을 때는 3일 후에 65%를 기억할 수 있었다(videomaker.simpleshow.com, 2017). 또한 과학자들에 의하면 시각 이미지의 처리는 비슷한 양의 문자 정보를 처리하는데 걸리는 시간보다 60,000배나 빠르다고 한다(Krista Neher). 이렇게 기억의 부호화와 인출 면에서 모두 그림이(시각 정보가) 언어정보보다 유리하다. 인간의 시각 체계는 빠르고 병렬적으로 작동하여 시각 정보를 신속히 처리할 수 있다. 이와 반대로, 문자 정보 처리는 시각적 자극을 눈에 인지한 후 뇌의 언어 관련 영역에서 순차적으로 일련의 인지적 단계를 거치게 되기 때문에 정보처리에 걸리는 시간이 상대적으로 더 길다.
시각 자료의 제시 방법은 매우 다양할 수 있다. 다음 <그림 12>와 같이 덧셈을 가르칠 때 아직 개념을 잘 이해하지 못한 초급학습자를 위해서는 시각적 요소를 제시할 경우 인지 부하를 낮추고 덧셈의 개념을 깊이 이해할 수 있다.
<그림 12> 덧셈의 이중 부호화 예 (Melissa Clark, 2021)
또 정보의 시각화 방법으로 그래픽 오거나이저(graphic organizer)나 마인드맵(mind map)이 있다. 이는 문자 정보를 시각화하는 대표적인 방법으로 학습과 기억에 매우 효과적이다.
<그림 13> 문자 정보의 시각화 – 그래픽 오거나이저와 마인드맵
출처: 아하마인드맵(https://blog.naver.com/jamjambooks/222987855297)
그래픽 오거나이저는 개념과 지식을 시각적으로 표현할 수 있을 뿐만 아니라 큰 개념을 작게 나누어 정보 과부하를 줄여주며 제시하는 정보들 간의 관계를 보여준다. 아울러 핵심 요소에 주목하게 해 이해·기억·회상을 용이하게 해준다.
실제 그래픽 오거나이저의 사용이 학습장애를 가진 학생들의 읽기 이해력에 미치는 영향에 관한 한 연구(Swanson & Trahan, 1996)가 있었다. 이 연구는 48명의 학습장애를 가진 초등학교 학생들을 대상으로 진행되었는데 실험은 그래픽 오거나이저를 사용하는 실험 그룹과 사용하지 않는 대조 그룹으로 나누어 진행되었다. 한편 그래픽 오거나이저는 텍스트 구조를 시각적으로 표현하기 위해 사용되었다. 결과적으로, 그래픽 오거나이저를 사용한 실험 그룹의 학생들은 그렇지 않은 대조 그룹에 비해 훨씬 더 높은 읽기 이해력을 보였다. 이러한 결과는 그래픽 오거나이저가 학습장애를 가진 학생들의 읽기 이해력 향상에 유용한 도구로 사용될 수 있다는 것을 시사한다.
시각적 이미지 사용에 있어서 유의할 점이 있다. 시각 정보를 강화한다고 실제 내용과 관련성이 적은 이미지를 사용하는 것은 이중 부호화가 아니다. 이중 부호화를 위한 시각적 자료는 의미가 깊고 어문 자료와 직접적으로 관련이 있는 것이어야 한다. 내용적 관련성이 적은 이미지를 장식용으로 사용한다면 이는 이해를 돕기보다는 방해를 하게 된다. 사진과 비디오의 사용도 자제해야 한다. 이들은 배경에 너무 많은 세부사항을 포함하고 있기 때문이다. 시각 자료를 남용하거나 잘못 사용하면 인지 부하를 오히려 증가시킬 수 있다. 이중 부호화를 위한 시각 이미지는 배경 정보가 적고 전하고자 하는 메시지가 명확한 것이 적합하다. 정리하면, 이중 부호화를 위한 시각 자료는 다음의 요건을 갖추는 것이 좋다.
• 이해하기 쉽다.
• 어문 자료와 직접적으로 연관된 내용이어야 한다.
• 배경이나 주변은 흰색 공간(white space)으로 남기는 것이 좋다.
• 의미가 깊은 것이어야 한다.
• 패턴과 색상이 너무 화려하지 않고 단순한 것이 좋다.
아울러 시각 자료와 어문 자료를 함께 제공할 때 어떤 것을 먼저 제공하는 것이 좋은가에 대해서도 생각해 볼 필요가 있다. 동시에 가까이에 제공하는 것이 좋지만 많은 경우 시각 자료를 먼저 제시하는 것이 효과적이다. 뇌의 시각 자료 정보 처리가 어문 정보의 정보 처리보다 속도가 훨씬 더 빠르고 반복 없이도 쉽게 기억된 후 사전지식으로 작용하기 때문이다. 예로 정사각형의 개념을 설명할 때 정사각형 도형을 먼저 보여준 후 정사각형의 특성을 구두로 설명하는 것이 좋다. 이렇게 시각자료를 먼저 제시할 때 불필요한 인지 과부하를 줄일 수 있다.
정보를 이중으로 부호화할 수 있도록 제공하는 것만으로는 부족하다. 학습자 스스로 시각 자료와 어문 자료를 비교하고 학습하고자 하는 개념을 스스로 설명하며 다시 그 개념을 시각적으로 그려보게 하는 과정도 필요하다. 아울러 발표용 소프트웨어 등을 사용하여 어문 자료와 시각 자료를 통합한 슬라이드를 생성하고 온라인 플랫폼이나 디지털 화이트보드를 통해 실시간 협업을 통해 프로젝트를 수행하는 등의 과정도 필요하다.
2. 정보 디자인 원리 ‘자르기-묶기-정렬하기-억제하기’를 적용한다.
학습 자료를 준비하고 수업을 설계할 때 인지 과부하를 줄이기 위해 ‘자르기-묶기-정렬하기-억제하기’라는 4가지 정보 디자인 원칙을 적용할 필요가 있다.
<그림 14> 정보 디자인 원리 ‘자르기-묶기-정렬하기-억제하기’ (Oliver Caviglioli, 2019)
위의 4가지 정보 디자인 원리는 수업 설계뿐만 아니라 교과서와 참고서 집필 등에도 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.
비유란 ‘어떤 현상이나 사물을 직접 설명하지 아니하고 다른 비슷한 현상이나 사물에 빗대어서 설명하는 방법’을 의미하는데 예를 들면 아래와 같은 것들이다.
“내 마음은 호수요, (그대 노 저어 오오)”,
“구름은/보랏빛 색지 위에/마구 칠한 한 다발 장미”,
“좋은 친구는 달콤한 사탕이다”,
“당신은 나의 태양”,
“삶은 한편의 연극과 같다. 세상은 무대며 모든 남녀는 연기를 하며 삶의 각 단계를 살아내는 배우다(윌리엄 섹스피어)”,
“오늘 서울의 날씨는 마치 사우나 같다.”
이상의 비유적 표현의 공통점은 비유를 통해 표현하고자 하는 주체(원관념)에 비해 빗대어 표현되는 사물(보조관념)은 호수, 장미, 달콤한 사탕, 태양, 연극, 배우, 사우나처럼 매우 구체적이다. 이런 사물이나 사람에 대한 스키마는 잘 형성되어 있는 것들이어서 원관념에 대한 사전지식이 부족하더라도 추상적인 새로운 정보를 이미 알고 있는 구체적인 정보에 연결시킴으로써 직관적으로 이해할 수 있게 해준다. 구체적인 용어는 쉽게 이미지를 떠올릴 수 있는 것들이어서 이중부호화이론에 따라 언어적·시각적으로 서로 다른 채널에서 각각 처리되고 연결·통합되기 때문에 인지 과부하를 일으키지 않고 쉽게 학습된다. 실제 수업에서는 이상의 예 외에도 인지과학의 정보처리이론(information-processing theory)을 이미 잘 알고 있는 컴퓨터의 정보처리 과정과 비교하거나, 또 블랙홀 개념을 진공청소기와 비교해서 지도하는 방식 등도 가능할 것이다.
4. 한 교사가 인지부하이론을 배운 후 자신의 수업지도 방법을 바꾼 이야기
그래그 애시먼(Greg Ashman)이라는 수학 및 과학을 담당하는 교사가 박사 과정에서 인지부하이론을 공부하고 나서 자신의 수업 방식을 바꾼 이야기로, “인지부하이론이 나의 수업지도 방식을 바꾼 4가지 방법(Four ways cognitive load theory has changed my teaching, 2017)”이라는 글인데 요지는 다음과 같다. 관련 내용은 인터넷에서 널리 공유되고 있다.
1) 슬라이드 내용을 읽지 않는다.
그는 이전에는 슬라이드에 다양한 정보를 가득 담아 이를 설명하는 방식에 의존했었다. 그러던 그가 인지부하이론을 학습하고 난 이후부터는 학생들로 하여금 문자 정보를 먼저 읽게 한 후 설명을 하는 식으로 바꾸었다. 두 가지 서로 다른 자극(문자 정보와 음성정보)을 동시에 주는 것은 인지 과부하를 일으키기 쉽기 때문이다.
2) 과제를 더 잘게 쪼개서 학습시킨다.
예전에는 몇 개의 예를 연속적으로 제시한 후 학생들로 하여금 연습문제를 풀게 했지만, 지금은 문제 유형별로 풀이 과정을 시범 보여준 후 학생이 해당 유형의 연습문제를 풀어보게 하고 다음 문제로 넘어간다. 이는 가르친 것을 학생이 이해했는지 확인하고 진도를 나가는 방식이다. 또한 새로운 학습을 한 후 이를 적용하는 기회를 즉시 갖지 않으면 새로 학습한 내용이 사라지기 때문이다.
3) 예제와 문제를 인접시킨다.
관련 연구에 따르면 예제 풀이를 관찰한 다음 직접 문제를 풀어보는 것이 학습에 효과적이다. 그래서 그는 자세한 풀이 과정을 페이지의 좌측에 두었으며 바로 우측에 동일한 유형의 문제를 제공했다. 이렇게 배움과 적용 사이의 거리가 가까우면 불필요한 외생적 인지 부하(extraneous cognitive load)9를 줄일 수 있다.
4) 문제 풀이에 5분을 투자해도 풀지 못하면 그 문제는 중단한다.
5분이란 시간은 짧은 시간이 아니다. 5분간 궁리해도 해법을 찾지 못하면 더 이상 이 문제를 붙들고 씨름하지 말고(인지 부하를 계속 일으키지 말고) 다른 문제를 다른 전략을 적용해 풀라는 것이다. 안 풀리는 문제를 계속 붙들고 있어봐야 배우는 바가 없기 때문에 다음 수업 시간에 교사에게 물어볼 것을 권장한다.
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• 학습과학 새 연재(16) : 효과적인 수업 기술 – 전체(whole)를 먼저 제시하고 부분(part)을 연결시키며 가르치기 |
[참고 문헌]
• 이찬승 (2021). 학습과학 <원리 13> 정보의 이중부호화는 인지과부하를 줄이고 기억을 향상시킨다.
http://21erick.org/column/6704/
• An introduction to Dual Coding Theory
https://www.futurelearn.com/info/courses/technology-teaching-learning/0/steps/53322
• Ashman G (2017). Four ways cognitive load theory has changed my teaching. Available at:
https://gregashman.wordpress.com/2017/05/13/four-ways-cognitive-load-theory-has-changed-my-teaching%EF%BB%BF/
• Baddeley, A. D., & Hitch, G. J. (1974). Working memory. In G. A. Bower (Ed.), Recent Advances in Learning and Motivation (Vol. 8, pp. 47–90). New York: Academic Press.
• Helly Douglas (2020). How Does Dual Coding Improve Learning?
https://prowritingaid.com/art/1097/what-is-dual-coding-in-education.aspx
• Jonathan Grainger and Johannes C. Ziegler (2011). A Dual-Route Approach to Orthographic Processing.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3110785/
• learningscientists.org (2019). Examples of Dual Coding in the classroom.
https://lovetoteach87.com/2019/05/02/examples-of-dual-coding-in-the-classroom/
• Melissa Clark (2021). What is dual coding theory and how can it help teaching?https://www.century.tech/news/what-is-dual-coding-theory-and-how-can-it-help-teaching/
• mindtools.com. Cognitive Load Theory: Helping People Learn Effectively.
https://www.mindtools.com/pages/article/cognitive-load-theory.htm
• Oberfoell A., Correia A. (2016). Understanding the role of the modality principle in multimedia learning environments. Journal of Computer Assisted Learning. Volume32, Issue6, December 2016, Pages 607-617.
• Nick Smith (2019). Educational theories you should know: Dual-Coding
https://www.stemlynsblog.org/educational-theories-you-should-know-dual-coding/
• Norwich Research School (2017). Dual Coding- what, why and how.
https://researchschool.org.uk/norwich/news/dual-coding-what-why-and-how
• Oliver Caviglioli (2019). Dual Coding With Teachers. Publisher: John Catt; Illustrated edition.
https://apageturner.home.blog/2020/02/16/dual-coding-theory/
• Penney (1989). ‘Modality effects and the structure of short-term verbal memory’, Memory and Cognition, vol.17, no.4, pp.389 – 422.
‘Dual Coding- what, why and how(Norwich Research School, 2017)’에서 재인용.
https://researchschool.org.uk/norwich/news/dual-coding-what-why-and-how
• Reif F. (2010). Applying Cognitive Science to Education. Thinking and Learning in Scientific and Other Complex Domains. Cambridge, MA: The MIT Press.
• Richard E. Mayer (2005). The Cambridge Handbook of Multimedia Learning. Cambridge Press, 2005.
• simpleshow.com (2018). Explaining the Dual Coding Theory.
https://videomaker.simpleshow.com/explain-dual-coding-theory/
• Swanson & Trahan (1996). The effects of graphic organizers on the reading comprehension of students with learning disabilities. Journal of Special Education, 30(3), 201-217.
• videomaker.simpleshow.com (2017). What is the Picture Superiority Effect?
https://videomaker.simpleshow.com/picture-superiority-effect/
• Wikipedia (2021). ‘Picture superiority effect’ 2021-7-29 검색.
“According to dual-coding theory (1971, 1986), memory exists either (or both) verbally or through imagery. Concrete concepts presented as pictures are encoded into both systems; however, abstract concepts are recorded only verbally.”
• William D. (2017). I’ve come to the conclusion Sweller’s Cognitive Load Theory is the single most important thing for teachers to know <http://bit.ly/2kouLOq>, tweet, viewed 24 March 2017, Dylan William Tweet.
각주
- 어문적 부호화(verbal encoding) – 주로 구두 언어(spoken words)나 문자 언어(written words)의 부호화를 말하는데 언어에는 단어, 문장, 설명, 강의, 토론, 텍스트 모두가 포함된다. 교실 상황이라면 언어적 부호화는 교사의 설명, 토론, 책 내용을 읽기, 노트 필기, 구두 언어로 발표하기 등의 내용을 의미 있게 조직하고 이를 사전지식과 연결하는 것을 의미한다.
- 시각적 부호화(visual encoding) – 시각적 자극이나 단서를 부호화하는 것을 말한다. 교실 상황에서 시각적 자극은 이미지, 다이어그램, 차트, 그래프, 비디오 또는 실제 물체와 같은 것을 일컫는다.
- 작업기억모델(Working Memory Model) – 베들리와 히치(Baddeley and Hitch)가 제안한 작업기억을 구성하는 요소를 설명하는 모델로서 흔히 ‘3+1’로 표현한다. 초기에는 작업기억은 작업을 지시하고 통제하는 ①중앙집행기(central executive), 어문 정보를 처리하는 ②음운고리(phonological loop), 시공간 정보를 처리하는 ③시공간 메모장(visuospatial sketch pad)으로 구성된다고 했으나 나중에 음운고리, 시공간 메모장, 장기기억으로부터 정보를 모으고 의미 있는 일화로 통합하고 임시 저장하는 역할을 하는 ④일화적 완충기(episodic buffer)라는 개념이 추가되었다.
- 타이포셔너리(typotionary) – ‘타이포그래피(typography) + 딕셔너리(dictionary)’의 합성어. ‘타이포그래피(typography)는 문자를 배치해 생각이나 의도를 표현하는 시각 디자인 기법의 하나.
- 시각 자료(visuals) – 영상(picture, image), 그림, 그래프, 차트, 그래픽 오거나이저, 인포그래픽스, 만화 영화, 비디오 등을 일컫는다.
- 그림 우월 효과(picture superiority effect) – ‘그림이나 이미지’가 ‘단어나 텍스트’에 비해 더 쉽게 기억할 수 있고 더 쉽게 회상할 수 있는 현상을 말한다. 그림 우월 효과는 우선 이중부호화이론에 의해 설명될 수 있다. 그림이나 이미지는 정보의 이중 표현(dual representation) 즉 시각적 요소(visual elements)와 어문적 요소(verbal elements)를 제공하기 때문이다. 또 그림 우월성 효과는 시각 자료가 흥미를 불러일으키고 주의를 끄는 힘이 어휘나 텍스트보다 크기 때문에 더 강력히 부호화될 수 있다는 점으로 설명할 수도 있다.
- 심상(心像, image) – 이전에 경험한 것이 마음속에서 시각적으로 나타나는 상.
- 재인(再認, recognition) – 과거에 경험한 것을 현재의 경험 속에서 다시 의식에 떠올리는 일.
- 외생적 인지 부하(extraneous cognitive load) – 수업의 잘못된 설계나 부적합한 학습 자료로 인해 발생하는 인지 부하.
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