교육을바꾸는사람들

작업기억의 용량 한계와 인지 부하 이론을 바탕으로, 교사가 학생 간 인지적 부담 차이를 인식하지 못하면 격차가 벌어질 수 있음을 지적하며, 청킹 등 작업기억을 고려한 포용적 수업 설계가 필요하다고 강조합니다.

 

 

교사가 칠판에 수학 문제 풀이를 설명하는 동안, 앞줄에 앉은 두 학생은 전혀 다른 경험을 하고 있다. 한 학생은 교사의 설명을 따라가면서 동시에 앞 단계를 기억하고, 다음 단계를 예측하며, 자신의 풀이와 비교한다. 여유가 있다. 반면 옆자리 학생은 교사가 두 번째 단계를 설명하는 순간 이미 첫 번째 단계가 머릿속에서 사라지기 시작한다. 따라가려 애쓰는 사이 세 번째 단계가 들어오고, 결국 머릿속이 하얗게 된다. 수업이 끝난 후 이 학생은 “나는 수학을 못하는 것 같다”고 생각한다.

 

교사는 이 장면을 어떻게 읽을까. 대개는 이렇게 판단한다. 잘 따라오는 학생은 머리가 좋거나 예습을 했을 것이고, 멍하니 있는 학생은 집중력이 부족하거나 의욕이 없을 것이라고. 그러나 이 판단이 틀렸다면? 두 학생의 차이가 능력이나 태도의 문제가 아니라, 작업기억의 제한과 그들이 감당하는 인지적 부담의 차이에서 비롯된 것이라면?

 

그런데 정작 더 불편한 것은 따로 있다. 그 차이를 모른 채 수업을 계속하는 교사는 의도하지 않았더라도 매일 그 격차를 조금씩 더 벌리고 있는 것은 아닐까.

 

 

작업기억이란 무엇인가

 

작업기억은 흔히 ‘뇌의 작업대’에 비유된다. 현재 주의를 기울이고 있는 정보를 잠시 유지하면서 생각하고, 판단하고, 계산하는 정신적 공간이다. 그런데 이 작업대에는 결정적인 제약이 있다. 한 번에 다룰 수 있는 정보의 양이 매우 적다는 것이다.

 

인지심리학자 조지 밀러(George Miller)는 1956년 논문에서 인간이 한 번에 기억하고 판단할 수 있는 정보의 범위를 ‘7±2’라는 수치로 설명했다. 이후 연구에서는 이 수치가 과대평가되었다는 지적이 제기되었다. 넬슨 코완(Nelson Cowan)은 반복이나 특별한 기억 전략을 사용하지 않을 경우, 한 번에 유지할 수 있는 정보가 대체로 약 네 개의 의미 단위, 즉 청크(chunk)라고 보았다. 정확한 수치는 과제와 조건에 따라 달라지지만, 분명한 사실은 작업기억의 처리 용량이 매우 제한적이라는 점이다.

 

작업기억이 가득 차면 새로운 정보를 제대로 받아들이지 못하거나, 앞서 처리하던 정보를 놓칠 수 있다. 교사의 설명을 들으며 앞 단계의 내용을 기억하고, 새로운 내용과 연결하며, 문제 해결에 적용하려면 이 좁은 작업대 위에서 여러 정보를 동시에 다루어야 한다. 따라서 작업기억의 한계는 학생이 수업을 얼마나 잘 따라갈 수 있는지를 좌우하는 중요한 조건이 된다.

 

 

같은 수업, 서로 다른 인지적 부담

 

그러나 같은 수업이 모든 학생의 작업기억에 똑같은 부담을 주는 것은 아니다. 학생이 실제로 감당하는 인지적 부담은 작업기억의 개인차뿐 아니라 관련 사전지식의 양과 조직화 정도, 기초 기능의 자동화 수준, 수업 내용의 익숙함에 따라 달라진다.

 

관련 사전지식이 충분하고 기초 기능이 자동화된 학생은 새로운 정보를 처리하면서도 앞서 들은 내용을 유지할 여유가 있다. 교사의 설명을 따라가면서 전체 맥락을 파악하고, 질문을 떠올리며, 새로운 내용을 기존 지식과 연결할 수도 있다. 따라서 수업이 다소 빠르게 진행되거나 설명에 여러 요소가 포함되어 있어도 비교적 잘 따라갈 수 있다.

 

반면 필요한 사전지식이 부족하고 기초 기능이 충분히 숙달되지 않은 학생은 같은 수업에서도 훨씬 큰 인지적 부담을 감당해야 한다. 교사가 다음 내용으로 넘어갈 때 앞서 처리하던 정보가 작업기억에서 밀려날 수 있다. 학생은 당장의 설명을 따라가는 데 인지 자원을 대부분 사용하기 때문에, 내용을 서로 연결하거나 장기기억에 안정적으로 남길 여유가 부족해진다. 그 결과 수업 중에는 설명을 이해하는 듯 보여도, 수업이 끝난 뒤에는 핵심 내용을 스스로 떠올리거나 적용하지 못할 수 있다.

 

문제는 이러한 어려움이 겉으로는 잘 드러나지 않는다는 것이다. 학생은 딴짓을 하거나 잠을 자는 것도 아니고 나름대로 집중하고 있지만, 머릿속에서는 이미 과부하가 일어나고 있을 수 있다. 교사는 이 학생을 “이해가 느리다”거나 “의욕이 없다”고 판단하기 쉽고, 학생 자신도 “나는 머리가 나쁜가 보다”라고 결론 내리기 쉽다.

 

그러나 어려움의 원인을 학생의 능력이나 의욕에서만 찾아서는 안 된다. 작업기억의 기본적인 한계와 개인차는 존재하지만, 학생이 실제로 경험하는 인지적 부담은 사전지식과 자동화 수준, 수업의 정보량과 속도, 설명 방식에 따라 크게 달라진다. 따라서 교사는 학생의 현재 준비도와 처리 여력을 살피고, 내용을 감당할 수 있는 단계로 나누며, 필요한 사전지식을 보충하는 방식으로 수업을 설계해야 한다.

 

 

학습을 좌우하는 인지 부하

 

학습 과정에서 작업기억에 가해지는 부담을 ‘인지 부하(cognitive load)’라고 한다. 이 부담이 작업기억의 처리 한계를 넘으면 학생은 설명을 따라가거나 새로운 내용을 기존 지식과 연결하기 어려워진다. 호주의 교육심리학자 존 스웰러(John Sweller)가 발전시킨 인지 부하 이론은 이후 교육학에서 가장 영향력 있는 이론 중 하나가 되었다.

 

인지 부하 이론의 고전적 설명에서는 인지 부하를 세 가지로 구분한다. 첫째, 내재적 부하(intrinsic load)는 학습자가 동시에 처리해야 할 요소들의 수와 상호작용에서 오는 부담이다. 따라서 같은 미적분 내용도 사전지식이 부족한 학생에게는 더 높은 내재적 부하를 일으킬 수 있다. 둘째, 외재적 부하(extraneous load)는 학습에 도움이 되지 않으면서 불필요하게 추가되는 부담이다. 복잡한 발표 자료, 뒤죽박죽인 설명 순서, 학습과 무관한 화려한 시각 자료 등이 여기에 해당한다. 셋째, 본질적 부하(germane load)는 지식을 스키마로 조직하고 장기기억에 구축하는 데 투입되는 학습에 유익한 정신적 노력을 가리킨다. 다만 최근 이론에서는 이를 독립된 부하라기보다 내재적 부하를 처리하는 데 사용되는 인지 자원의 일부로 보기도 한다.

 

작업기억의 용량은 한정되어 있다. 학습 과제가 요구하는 전체 인지적 부담이 학생이 사용할 수 있는 작업기억의 범위를 넘어서면, 새로운 내용을 이해하고 장기기억에 조직하기 어려워진다. 따라서 교사는 학습과 무관한 외재적 부하를 줄이고, 학생이 핵심 내용을 이해하고 지식을 구조화하는 데 인지 자원을 사용할 수 있도록 해야 한다. 그런데 많은 수업이 반대로 작동한다. 한 번에 너무 많은 정보를, 너무 빠른 속도로, 복잡한 방식으로 전달한다. 사전지식이 충분하고 기초 기능이 자동화된 학생은 이를 비교적 잘 감당하지만, 그렇지 않은 학생은 수업 초반부터 과부하에 빠질 수 있다.

 

한 고등학교 국어 수업을 예로 들어보자. 교사가 소설 수업에서 인물, 사건, 배경, 주제, 서술 방식을 한 시간 안에 모두 다루려 한다. 잘 따라오는 학생이 있는가 하면, 중간부터 설명을 놓치고 멍하니 앉아 있는 학생도 있다. 이때 한 차시에 다루는 요소를 줄이고, 인물과 사건 구조 등 핵심 개념을 의미 있는 단계로 나누어 다룬다면 어떻게 될까. 한 번에 작업대에 올려놓아야 하는 정보의 양이 줄어들면서, 그동안 설명을 따라가지 못했던 학생들도 수업에 참여할 여지가 커질 것이다.

 

 

청킹, 제한된 작업대를 효율적으로 사용하는 기술

 

그렇다면 훈련을 통해 작업기억의 기본 용량을 크게 늘릴 수 있을까? 일반적인 작업기억 훈련만으로 그 용량을 광범위하고 지속적으로 향상하는 데는 한계가 있다. 그러나 제한된 작업기억을 더 효율적으로 사용하는 방법은 있다. 바로 여러 정보를 하나의 의미 있는 단위로 묶어 처리하는 ‘청킹(chunking)’이다. 청킹을 하면 작업기억이 한 번에 다루어야 하는 정보 단위의 수가 줄어든다. 작업대 자체가 넓어지는 것은 아니지만, 같은 작업대에서 더 많은 정보를 효율적으로 처리할 수 있게 되는 것이다.

 

그러나 정보를 단순히 몇 덩어리로 나눈다고 해서 모두 의미 있는 청킹이 되는 것은 아니다. 청킹이 가능하려면 개별 정보를 서로 연결하여 하나의 의미 있는 단위로 조직할 수 있는 사전지식이나 스키마(schema)가 장기기억에 형성되어 있어야 한다. 전화번호를 몇 덩어리로 묶어 기억할 수 있는 것은 우리가 전화번호의 형식에 익숙하기 때문이다. 체스 전문가가 여러 말의 배치를 하나의 의미 있는 패턴으로 인식할 수 있는 것도 수많은 대국 경험을 통해 익힌 전형적인 배치와 전략이 장기기억에 체계적으로 조직되어 있기 때문이다.

 

 

작업기억과 불평등

 

여기서 이야기는 더 복잡한 층위로 들어간다. 작업기억의 기본적인 처리 능력에는 개인차가 있지만, 학생이 특정한 순간에 실제로 사용할 수 있는 인지 자원은 환경과 심리 상태의 영향도 받는다. 만성적인 스트레스와 불안, 수면 부족, 영양 결핍 등은 학습에 사용할 수 있는 작업기억의 여유를 줄일 수 있다.

 

심리학자 센딜 물라이나탄(Sendhil Mullainathan)과 엘다 샤퍼(Eldar Shafir)는 『결핍의 경제학』(Scarcity: Why Having Too Little Means So Much, 2013)에서 빈곤이 인지 능력에 미치는 영향을 연구했다. 경제적 결핍 상태에 있는 사람들은 돈 걱정으로 인지 자원의 상당 부분을 소진한 채 살아간다. 이것을 그들은 “터널링(tunneling)”이라고 불렀다. 결핍이 만드는 터널 안에서는 눈앞의 문제 외에 다른 것을 볼 여유가 없다. 이 상태는 학습과 판단에 사용할 수 있는 가용 인지 자원을 줄인다.

 

교실에 이것을 대입하면 불편한 진실이 드러난다. 전날 밤 부모의 다툼 소리를 들으며 잠든 학생, 아침을 굶고 온 학생, 학교 폭력의 불안을 안고 앉아 있는 학생—이 학생들의 작업기억은 이미 등교 전부터 상당 부분 점유되어 있다. 교사의 설명이 들어갈 자리가 처음부터 좁다. 이것은 학습 의욕의 문제가 아니다. 인지 자원의 문제다.

 

포용적 수업(inclusive teaching)이 단순히 “모든 학생에게 친절하게 대하자”는 이야기가 아닌 이유가 여기 있다. 작업기억 용량의 차이, 그리고 그것에 영향을 미치는 삶의 조건들을 이해하는 것이 출발점이다.

 

 

전문가의 맹점, 교사가 빠지기 쉬운 함정

 

작업기억에 관한 이야기에서 교사가 특히 경계해야 할 것이 있다. 자신의 머릿속에 잘 조직되고 자동화된 지식 때문에, 초보자인 학생이 어디에서 어려움을 겪는지 알아차리지 못하는 ‘전문가의 맹점’이다.

 

어떤 분야에서 전문성이 쌓이면, 그 지식은 장기기억 속에 촘촘히 구조화된다. 전문가는 관련 개념들을 자동적으로 불러오고 연결한다. 이것은 훌륭한 일이다. 그런데 바로 이 때문에 전문가는 초보자의 경험을 이해하기 어렵게 된다. 자신에게 자명한 것이 상대에게는 전혀 자명하지 않다는 것을 감지하지 못한다.

 

교사는 가르치는 내용의 전문가다. 10년, 20년 동안 같은 내용을 가르친 교사에게 그 지식은 이미 자동화되어 있다. 작업기억을 거의 쓰지 않아도 술술 나온다. 그래서 교사는 무의식중에 학생도 자신과 비슷한 수준으로 처리할 수 있을 것이라고 가정한다. 설명이 빠르고, 단계를 건너뛰고, “이 정도는 알겠지”라는 전제를 깔고 이야기한다.

 

학생의 작업기억은 그것을 처리하지 못한다. 교사에게는 당연한 연결이 학생에게는 아직 연결되지 않은 두 개의 분리된 정보다. 그것을 동시에 작업대 위에 올려놓고 관계를 파악하는 데 엄청난 인지 자원이 든다. 교사의 유창함이 학생의 과부하를 만드는 것이다.

 

 

포용적 수업의 실제

 

그렇다면 작업기억의 한계를 이해한 교사는 수업을 어떻게 바꿀 수 있을까.

 

첫째, 한 번에 감당할 수 있을 만큼 제시한다. 새로운 개념을 도입할 때 학생이 동시에 처리해야 할 요소의 수를 조절한다. 복잡한 내용은 의미 있는 작은 단계로 나누어 설명하고, 앞 단계가 충분히 이해되었는지 확인한 뒤 다음 단계로 넘어간다.

 

둘째, 외재적 부하를 걷어낸다. 학습에 불필요한 시각적 장식, 복잡한 슬라이드 구성, 뒤섞인 설명 순서를 제거한다. 학생의 인지 자원이 내용 자체에 집중될 수 있도록 수업의 형식을 단순하게 만든다.

 

셋째, 정보를 머릿속에만 두지 않는다. 학생이 필요한 정보를 모두 머릿속에 붙들고 있게 하지 않는다. 핵심 내용과 중간 결과를 노트에 적거나 도식으로 나타내고, 풀이 과정을 단계별로 볼 수 있게 한다. 이렇게 정보를 글이나 그림의 형태로 외부에 남겨두면, 학생이 그것을 계속 작업기억에 유지해야 하는 부담이 줄어든다.

 

넷째, 기초 기능을 충분히 숙달시킨다. 연산이 충분히 숙달되지 않은 학생이 복잡한 응용 문제를 풀면, 연산 자체에 작업기억을 많이 사용하여 문제의 구조를 파악하고 해결 방법을 찾는 데 쓸 인지 자원이 부족해진다. 따라서 기초 기능을 충분히 연습하게 하면서, 학생의 수준에 맞는 적용 과제를 단계적으로 연결해야 한다.

 

다섯째, 심리적 안전감을 만든다. 불안과 긴장은 작업기억의 가용 용량을 줄인다. “틀려도 괜찮다”는 분위기, 시도 자체를 인정받는 경험이 학생들의 인지 자원을 학습에 쓸 수 있게 해준다. 심리적 안전감은 정서적 배려가 아니라 인지적 조건이다.

 

여섯째, 배경지식을 의도적으로 구축한다. 작업기억의 부담을 줄이는 가장 근본적인 방법 중 하나는 새로운 학습에 필요한 지식을 미리 갖추게 하는 것이다. 새로운 단원을 시작하기 전에 필요한 선행 개념을 확인하고, 부족한 개념을 보충하며, 기초 기능은 충분한 연습을 통해 숙달하게 한다. 특히 관련 사전지식이 부족하거나 작업기억의 처리 여력이 작은 학생에게 이 기초 단계는 결정적으로 중요하다. 이 과정을 ‘시간 낭비’로 볼 것이 아니라, 이후의 고차원적 학습을 가능하게 하는 필수 투자로 보아야 한다. 단단하게 조직된 사전지식은 작업기억의 부담을 줄이고, 학생이 더 복잡한 개념을 이해하고 적용할 수 있게 한다.

 

 

보이지 않는 것을 보는 교사

 

수업을 잘한다는 것은 무엇인가. 내용을 유창하게 전달하는 것인가, 아니면 학생의 작업기억 안에서 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지를 읽어내는 것인가.

 

교실 안에는 매일 보이지 않는 차이가 작동한다. 같은 자리에 앉아 같은 설명을 듣고 있지만, 어떤 학생의 작업대는 여유 있고 어떤 학생의 작업대는 이미 넘쳐흐르고 있다. 그 차이를 만드는 것은 능력이나 의욕의 차이가 아닐 수 있다. 태어날 때부터 주어진 용량의 차이이거나, 오늘 아침 등교 전에 어떤 일이 있었는지의 차이이거나, 교사의 설명이 얼마나 많은 것을 한꺼번에 올려놓으라고 요구하는가의 차이다.

 

포용적 수업은 모든 학생을 똑같이 대하는 것이 아니다. 보이지 않는 차이를 인식하고, 그 차이를 수업의 설계 안에서 고려하는 것이다. 작업기억이라는 렌즈는 그 보이지 않는 것을 보게 해준다. 그리고 보이기 시작하면, 가르치는 방식이 달라지지 않을 수 없다.

 

참고 문헌

 

• Adriaan de Groot (1965). 『Thought and Choice in Chess』.
• Barbara Oakley, Beth Rogowsky, Terrence Sejnowski (2021). 『Uncommon Sense Teaching: Practical insights in brain science to help students learn』, 2부 “Teaching Inclusively: The Importance of Working Memory Capacity.”
• John Sweller (1988). “Cognitive Load During Problem Solving: Effects on Learning.” Cognitive Science, 12(2), 257–285.
• Nelson Cowan (2001). “The Magical Number 4 in Short-Term Memory: A Reconsideration of Mental Storage Capacity.” Behavioral and Brain Sciences, 24(1), 87–114.
• Sendhil Mullainathan & Eldar Shafir (2013). 『Scarcity: Why Having Too Little Means So Much』

 

 

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