학습에 관계되는 뇌의 기능 중에서 가장 핵심적인 것이 작업기억(working memory)이다. 이번 칼럼에서는 작업기억의 중요성과 주요 특징 그리고 시사점에 대해 좀 더 자세히 살펴보고자 한다. 

  작업기억은 학자에 따라 단기기억(short term memory: STM)이라고도 부른다. 단기기억은 정보를 유지시킬 수 있는 시간의 관점에서, 작업기억은 수행할 과제의 목표 관점에서 사용되는 용어다. 친구의 전화번호를 단순 반복 되뇌기(rote rehearsal)를 통해 받아 적을 때 사용되는 기억은 단기기억(정보의 유지에만 초점을 둠)이고, 43×6을 암산할 때 사용되는 기억이 작업기억(정보의 처리 즉 작업에 초점을 둠)이다. 작업기억은 흔히 ‘뇌 속의 메모지’ 혹은 ‘정보처리를 위한 작업대’라고도 부른다. 작업기억은 ‘이해·학습·추론·의사결정과 같은 복잡한 과제를 수행하기 위하여 정보를 일시적으로 유지하며 조작(처리)하기 위한 인지 시스템’으로 정의된다. 

  작업기억은 크게 3가지 요소로 구성된다. 작업기억 시스템 전체를 통제하는(주의 자원을 배정하고, 계획을 세우고, 정보를 재조직하고, 인지적 유연성을 발휘하여 문제를 해결하는 등) 중앙집행기(central executive), 언어정보를 처리하는(예: 영어 문장의 해석) 언어정보작업기억인 음운고리(phonological loop)와 시각공간정보를 처리하는(예: 43×6의 암산) 시공간메모장(visuo-special sketchpad)으로 그 기능이 나누어진다. 이를 표로 나타내면 아래와 같다.

 

<표 1> 작업기억 3요소

http://www.psychteacher.co.uk/memory-AS/page95/working-memory.html

[주] 중앙집행기는 음운고리와 시공간메모장을 하수인으로 두고 이를 부리는데 사실을 매니저를 한 사람 더 두고 있다. 이를 일화완충기(episodic buffer)라 부르는데 이는 중앙집행기와 긴밀히 상호작용을 하면서 음운고리와 시공간메모장이 상호 조화롭게 기능할 수 있도록 윤활류 역할을 한다. 위 그림에서는 복잡성을 피하기 위해 이를 생략했다.

 

  작업기억 시스템의 성능(작업기억 검사 도구로 측정할 수 있음)은 배울 수 있는 잠재력(capacity)을 나타내기 때문에 학업 성취도를 예측하는 가장 뛰어난 지표이며, 이점에서 작업기억은 IQ보다 훨씬 더 중요하다. 그래서 작업기억을 ‘새로운 지능(New IQ)’이라고 부르기도 한다. 

 

“작업기억의 부족은 수업에서 정보를 완전히 흡수하지 못한다는 것을 의미한다. 이것은 마치 바람이 빠진 타이어로 자전거 경기에 나가는 것과 같다” (앨로웨이, 2015 「학습 어려움의 이해와 극복, 작업기억에 달렸다」 22쪽). 

 

  기초학력향상을 위해서는 바로 이 새로운 지능을 잘 활용해야 하며 이것에 대한 이해가 부족하면 효과적인 교수·학습이 이루어질 수 없다. 학생 10명 중 1명은 작업기억 문제를 겪고 있다. 교육부는 「기초학력 지원 내실화 방안」의 실행에 들어가기 전에 또 기초학력보장법을 발효하기 전에 학습이 어떻게 이루어지고 학습부진이 이와 어떻게 관련되는지를 전국의 교사들에게 연수하는 것이 필요하다. 작업기억에 대한 바른 이해와 바른 대응은 모든 학습자의 학습을 가장 효과적으로 향상시키기 위해 필수적이다.

 

“학생이 낮은 수행을 보이면 교사와 심리학자는 ADHD 또는 난독증 같은 특별한 문제에 대한 증거를 찾는다. 만일 증거가 발견되지 않으면 이런 학생들은 대체로 성공에 필요한 노력을 기울이려는 의지가 없고 ‘게으르다’는 오해를 받는다. 이들 중 많은 학생이 부족한 작업기억을 가지고 있고, 작업기억에 대한 지원이 없이는 어떤 노력을 해도 성적을 향상시키지 못한다는 사실을 아는 것이 중요하다.” (「학습 어려움의 이해와 극복, 작업기억에 달렸다」 25-26쪽)

 

  교사들이 주목해야 할 작업기억의 특징과 시사점 몇 가지를 소개하면 다음과 같다. 

 

  첫째, 작업기억은 다양한 곳에서 자원을 끌어와 일시적으로 유지시키며 이해, 계획 수립, 문제풀이 등의 복잡한 정보처리를 하는 작업대이다. 작업기억은 독해 및 수학에서부터 칠판에 적힌 글을 베껴 쓰고, 선생님의 지시사항을 기억해서 수행하기, 학교 주변의 길을 찾는 것에 이르기까지 다양한 역할을 한다. 이런 작업기억이 아동의 학습 잠재력을 나타낸다. 그래서 작업기억이 우수한 아동은 읽기·쓰기·수학에서 우수한 성적을 보인다.

 

  둘째, 작업기억 시스템에 유지시킬 수 있는 정보의 수에는 제한이 있다. 성인의 경우 그 용량이 평균 4-5개 정도이고(고전적 이론에 의하면 7±2개) 초등 저학년 학생과 노인의 경우는 1-3개로 이보다 용량이 작다. ADHD 등의 장애를 가진 아동은 정상적인 아동들보다 작업기억 용량이 작아 주의집중이나 학업에 어려움이 크다. 작업기억 용량이 부족한 학습자의 경우 외장 메모리(external memory)를 사용하는 등 이를 지원할 다양한 수단(supporting devices)이 필요하다. 전화번호 11자리를 3개로 묶어 정보처리 부담을 줄여주는 청킹(chunking), 과제 해결을 위한 순서를 문자로 써서 옆에 두고 활용하기, 반복 연습을 통해 익숙해지기 등의 다양한 수단이 있다. 한 개인의 작업기억 용량 즉 학습 잠재력(learning capacity)은 어떤 특성의 정보를 기억하느냐에 따라 조금씩 달라진다. 짧은 단어는 긴 단어보다, 의미를 아는 단어는 모르는 단어보다, 과거 경험해봐서 익숙한 것은 경험해보지 못한 것보다 더 많이 기억하고 이를 유지할 수 있다. 단, 장기기억에 저장된 정보를 불러와 작업기억에 유지시키는 것은 작업기억에 부담을 주지 않는다.

  참고로, 작업기억 용량을 훈련에 의해 확장할 수 있는가에 대한 주장은 아직 논쟁 중이다. 타고난 작업기억 용량은 확장되지 않는다는 연구와 확장된다는 연구가 동시에 존재한다. 신경가소성(neuroplasticity: 뇌가 새로운 경험에 의해 일생동안 지속적으로 변할 수 있는 능력) 원리를 기반으로 확장할 수 있다는 주장이 점점 더 많아지는 추세다. 이는 최근 성장관점(growth mindset)이 강조되고 있는 것과도 관련이 깊다.

 

  셋째, 작업기억의 학습 능력 즉 학습 잠재력은 부호화(encoding) 능력과 깊은 관련이 있다. 부호화란 선별되어 마음속으로 들어오는 자극(외부정보)을 개별 신경세포 혹은 신경망 차원에서 전기적 활동으로 변환하는 과정이라고 정의하기도 하고, 작업기억 상의 정보를 인지적 데이터로 전환해서 장기기억으로 옮기는(연결하는, 통합하는) 것으로 설명하기도 한다. 또 어떤 학자는 부호화는 새로운 정보에 의미와 무게(중요도)를 부여하고 이를 기존의 정보에 통합하는 과정으로 설명하기도 한다. 표현 방식만 다르지 모두 입력 정보(input of information)를 기억 시스템으로 들어오게 하는 과정을 의미한다는 점에서는 같다. 시간·공간에 관한 정보는 의식적인 노력 없이 자동적으로 기억시스템으로 들어온다. 하지만 수업 중 교사의 설명이나 책의 내용 같은 것은 의식적으로 노력을 들이지 않으면 기억시스템으로 들어오지 않는다. 학습에서 중요한 것은 후자다. 의식적인 노력을 통해 하는 부호화에는 두 가지 방법이 있다. 하나는 ‘유지 되뇌기’(maintenance rehearsal)이고 다른 하나는 ‘깊은 처리를 통한 되뇌기’(elaborate rehearsal)이다. ‘유지 되뇌기’는 단순 반복을 통해 정보를 장기기억으로 옮기는 것을 의미하고 ‘깊은 처리를 통한 되뇌기’는 정보를 재구조화하기, 기존의 알고 있는 것과 연결시기 등을 통해 장기기억으로 옮기는 것을 말한다.

  효과적인 학습을 위해서는 부호화 전략을 잘 쓸 필요가 있다. 예를 들면 이런 것이다. 가령 <소, 테이블, 사과, 소파, 체리, 사자, 말, 컴퓨터, 복숭아>라는 단어를 작업기억 용량이 작은 초등 저학년 학생이 순간적으로 바르게 기억하기는 어려울 것이다. 그러나 이들 어휘를 <동물, 물건, 과일>이란 범주로 나누어 부호화하면 쉽게 장기기억으로 옮길 수 있다. 또한 키워드에 의한 기억법도 좋은 부호화 전략이다. 예로 anniversary[애니버셔리]란 단어를 ‘아니벌써 20주년 기념일이 되었나!’처럼 기억하는 것이다. 또 태양 위성의 이름을 수·금·지·화·목·토·천·해·(명)처럼 첫 머리 글자만 모아서 암기하는(장기기억에 저장하는) 것도 모두 훌륭한 부호화 전략이다. 기초학력이 부진한 학생들일수록 효과적인 부호화 전략이 필요하다.

 

  넷째, 작업기억의 정보처리 속도는 장기기억의 사전지식의 양 및 질과 깊은 관련이 있다. 작업기억의 정보처리의 대표적인 예는 새로운 외부 정보의 패턴을 파악하는 일이다. 외부에서 들어온 신정보와 관련해서 이미 알고 있는 것이 많은 경우 이를 작업기억으로 불러와 패턴 식별을 쉽게 할 수 있다. 학습은 빈익빈, 부익부의 특성을 지닌다. 사전지식이 풍부한 아이들은 학습 속도나 효율이 매우 빠르지만 기초가 부족한 학생들은 사전지식 부족으로 인해 패턴 식별이 어려워 학습이 느리다. 따라서 이들 간의 학력 격차를 줄이기 위해서는 학습 부진학생의 경우 학습하는 과목 수를 줄이고 학습시간을 늘리며 핵심개념 중심의 집중적 학습을 시킬 필요가 있다.

 

  다섯째, 작업기억은 정보를 일시적으로만 유지할 수 있다(평균 15-20초). 작업기억 상의 정보는 주의를 받는 동안만 유지되며 잠시만 딴 생각을 해도 작업기억 상의 정보는 사라진다. 과제 수행을 위해 정보를 더 오래 유지시키려면 ‘깊은 처리를 수반하는 되뇌기’(elaborative rehearsal)를 하면 된다. 이는 신정보를 구정보와 연결시키기, 신정보를 자신의 언어로 다시 표현하기, 정보를 재구성하기 등 여러 가지 방법이 있다. 학습부진을 겪는 아동의 대표적인 문제점은 사전지식의 부족도 있지만 작업기억에 유지 중인 정보에 주의를 집중하는 능력이 부족한 것과도 관련이 깊다. 그래서 학습부진을 겪는 학생들에게는 부족한 작업기억 용량을 지원하는 일, 주의 집중력을 특정 정보에 집중시킬 수 있는 훈련이 필요하다. 

 

  여섯째, 작업기억에서 정보처리 과부하(overload)가 일어날 수 있다. 새로운 정보가 작업기억으로 유입되는 속도가 작업기억의 정보를 장기기억으로 옮기는(신정보와 구정보의 연결을 통해, 신정보를 구정보에 통합함으로써) 속도보다 빠르면 정보처리에 과부하가 일어난다. 과부하는 이를테면 단위 시간 동안 3-4개의 정보만 처리할 수 있는 작업기억에 5개가 넘는 정보가 지속적으로 쏟아져 들어오는 상황과 비슷하다. 정보 과부하가 일어나면 학습자의 뇌는 주의를 더 이상 신정보에 기울이며 패턴 식별을 할 수 없게 되고 다양한 부작용이 발생한다. 과제의 중도 포기, 주의 산만 등이 대표적인 증상이다. 관련 연구에 의하면 이런 경우 교사들은 대부분 학생의 수업태도가 불량하거나 학습 동기가 부족하다고 오해하는 것으로 알려져 있다. 한국 학교교실에서의 진도빼기식 수업, 배경지식의 활성화나 갖추기 과정이 없이 수업을 시작하는 것, 스캐폴딩이 부족한 수업, 신정보와 구정보 연결을 소홀히 하는 수업 등은 정보 과부하를 일으키는 대표적인 요인이다.

 

  일곱째, 작업기억 상의 정보는 주의를 기울이는 동안만 유지된다. 작업기억에 새로운 정보가 유입되더라도 이 정보에 지속적으로 주의를 기울이지 않으면 이는 소실된다. 따라서 학습이 이루어지기 위해서는 주의 유지 능력이 매우 중요하다. 지금의 아동·청소년들은 주의를 집중시킬 수 있는 시간(attention span)이 그 이전 아동·청소년들에 비해 더 짧아졌다. 주위의 다양한 자극에 적응하기 위한 인간 진화의 결과라 할 수 있다. 따라서 21세기 교사들에게 가장 크게 요구되는 능력은 학습자를 수업에 온전히 집중시키는 능력이다. 이를 위해서 교사는 ‘뇌의 주의는 어떻게 작동하는가?’에 대해 잘 알아야 한다. 아울러 교사는 주의력이 향상되는 활동을 자주 활용할 수 있어야 한다. 

 

  여덟째, 작업기억 상의 정보를 장기기억으로 옮기기 위해서는 조건이 있다. 학습의 핵심은 작업기억 시스템의 신정보의 패턴을 파악한 다음 이를 장기기억으로 옮기는 일인데 여기에는 두 가지 조건이 필요하다. 하나는 정보가 이해 가능해야(comprehensible) 하고, 다른 하나는 정보가 의미(meaningful) 있는 것이어야 한다. 뇌는 정보를 이해했다고 해서(패턴을 파악했다고 해서) 이를 장기기억으로 옮기지 않는다. 뇌는 정보가 자신에게 의미가 있을 때만 이를 장기기억으로 옮겨 저장한다. 즉 작업기억의 신정보를 장기기억으로 옮기기 위해서는 “나는 이 정보를 이해할 수 있는가?”, “이 정보는 쓸모(배울 가치)가 있는가?(나중에 어디에 쓰지?)”라는 두 가지 질문에 대한 답이 긍정적이어야 한다. 

  필자가 오래 전 교육뇌과학을 배우기 위해 미국의 한 연수에 참가했을 때 뇌기반교육의 세계적 대가인 에릭 젠슨은 “앞으로 수업을 준비할 때 지금까지 쉽고 재미있게 가르치기 위해 쓰던 노력의 90%는 ‘의미 있는 수업’을 위해 사용하고 나머지 10%의 시간만 ‘쉽고 재미있는 수업’을 위해 쓰세요.”라는 말을 했다. 이는 기존의 상식과 관행을 뒤엎는 내용이라 이를 듣고 잠시 충격에 빠진 적이 있다. 학습자는 정보가 쉽고 재미있다고 집중하는 것이 아니라 자신에게 쓸모가(의미가) 있다고 판단될 때만 주의를 기울인다. 이는 인간이 주의라는 자원을 아끼기 위한 노력이다. 아직 한국에서는 쉽고 재미있는 수업을 최고로 여긴다. 하지만 이런 접근을 통해서는 특히 학습에 관심이 적은 학생들을 수업에 몰입시키는 것이 불가능하다. 기초학력이 부족한 학생들을 수업에 몰입시키기 위해서는 기존의 ‘쉽고 재미있는 수업’ 패러다임을 벗어나야 한다. 세계 주요국들이 학습이 부진한 아동들일수록 의미 있고 도전적인 내용을 제공하는 데는 이유가 있다.

 이상과 같은 작업기억의 특징을 그림으로 나타내면 아래와 같다.
 

<그림 1> 작업기억의 특성

https://examinedexistence.com/what-is-working-memory-in-the-human-brain/

 

  이상의 내용을 이해하고 나면 기초학력 향상을 위한 연수는 아래와 같은 질문에 답을 제공하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.

 

① 학습이 일어나기 위해서는 사전지식을 갖추는 것이 매우 중요하다. 이런 사전지식을 어떻게 효과적으로 갖추게 해줄 수 있는가?

 

② 작업기억 시스템의 기능이 약한 경우(용량이 정상적인 경우보다 작은 경우) 어떤 활동이나 훈련을 통해 이를 확장할 수 있는가?

 

③ 작업기억 용량이 작고 정보처리 속도가 느린 학습자들이 겪을 수 있는 정보처리 과부하를 막기 위해서는 어떻게 해야 하는가? 

 

④ 정보를 유지시키는데 필요한 주의 집중력은 어떻게 강화할 수 있으며 이것이 부족한 학생들을 위해 교사는 어떻게 수업해야 하는가?

 

⑤ 중앙집행기의 기능을 어떻게 향상시키는가?

 

  이런 질문에 대한 대답을 찾고 이를 실행에 옮기는 일은 특히 기초학력이 부족한 학생들에게 매우 중요하다. 때문에 세계 주요국들(예: 핀란드, 캐나다, 미국)은 벌써 21세기 초 교육뇌과학의 연구 결과를 학교수업에 적극 활용하고 있다. 교육뇌과학에 기반한 뇌기반교수학습원리(brain-based teaching & learning: BBTL)는 아동의 차이를 존중하는 개별화수업(differentiated instruction: DI)과 보편적 학습설계(universial design for learning: UDL)의 기반이 됨에도 불구하고 아직 한국의 교사연수는 이에 대해 무관심한 편이다. 한국에 ‘학포당자(학업 포기를 당한 자)’가 급속히 늘고 있고 학교폭력이 심화되는 이유가 이와 무관하지 않다.  

 

  기초학습부진 학생들의 보정 활동이 실효성이 있으려면 뇌가 학습하는 원리(how the brain learns)를 충분히 고려하여 수업이 설계되어야 한다. 이런 뇌의 학습 원리에 기반해 정합된 개입이 이루어지지 않으면 보정 활동은 실효성이 낮고 학습자의 스트레스 수준만 높여 학습 기능을 점점 더 악화시키는 결과만 낳게 될 것이다. 기초학력보장법 역시 별다른 실효성 없이 학습자의 스트레스만 가중시키고 학습에 대한 관심을 더 낮추는 결과를 낳을 가능성이 높다. 따라서 각 교육청은 ‘뇌는 어떻게 학습하는가?’에 대한 연수를 하루 빨리 추진하고 교육부는 이를 체계적으로 지원해야 할 것이다.

 

 

1. 학습이란? - 정보의 패턴을 식별하고 의미가 있는지 판단 후 장기기억으로 옮겨 저장하고 자주 인출해 사용함으로써 자동화하는 과정.

→ 학습은 패턴 탐색의 기회를 제공해야 하나 한국은 이를 교사가 대신하는 경우가 많음. 개념이 패턴이기 때문에 개념 중심, 학습자 중심 수업을 강화할 필요 있음. 

2. 작업기억의 기능과 용량 – 작업기억은 정보를 일시적으로 유지하는 메모장이면서, 패턴을 파악하고 문제를 해결하기 위한 작업대라고 할 수 있음. 작업대는 크기가 제한되어 있어 처리할 정보를 4-5개 정도만 올릴 수 있음. 또 주의를 기울이는 잠시(10-15초) 동안만 정보를 유지할 수 있음. 

→ 한국의 수업은 학습자의 학습역량인 작업기억 용량을 고려한 수업이 드문 편임. 이것이 ‘학포당자(학업 포기를 당한 자)’를 양산함. 작업기억 용량을 고려해 정보를 묶고 쪼개는 과정인 청킹(chunking) 및 주의력 향상 활동/훈련이 필요함. 

3. 작업기억 시스템의 정보처리 – 외부 정보가 청각/시각을 통해 감각기억으로 들어오면 이 중 일부 정보에만 주의를 기울여 작업기억으로 불러들이고 주의를 기울여 이를 유지시키며 패턴의 파악, 문제해결(예: 나눗셈을 하고 영어 문장을 해석) 등의 과제를 수행함.

→ 주의력이 부족한 학생을 고려한 수업이 부족함. 불필요한 정보에는 주의를 억제하고 필요한 것에만 주의를 기울이는 선택적 주의력(selective attention) 향상 훈련이 필요함.

4. 사전지식의 중요성 – 신정보의 패턴 식별은 장기기억에 기 저장된 사전지식을 불러와 이를 참고해/비교해 이루어짐. 

→ 한국의 경우 사전지식의 유무를 고려하고 이것이 미흡할 경우 이를 고려한 수업이 드묾. 수업 시작 전 진단평가를 통해 사전지식을 진단하고 활성화하는 수업, 사전지식을 제공하는 수업이 필요함. 

5. 작업기억 부족의 증상 – 주의력과 기억력이 부족하고 과제를 수행할 때 순서를 잊거나 교사의 지시를 제대로 알아듣지 못하는 아동은 작업기억의 문제(예: 용량의 부족, 주의력 부족)일 가능성이 높음.

→ 한국의 수업에서는 작업기억 부족에 대한 정보나 배려가 드묾. 작업기억 부족을 고려한 수업 스킬(예: 작업기억 강화 훈련, 스캐폴딩, 천킹, 그래픽 오거나이져의 활용을 통한 해결)이 필요함. 

6. 정보 과부하 – 작업기억 용량이 적거나 사전지식이 부족해 정보처리 속도가 느리면 정보 과부하가 일어나 정상적인 학습의 수행이 불가능해짐. 

→ 한국의 많은 수업은 진도빼기식으로 중상위권 학생 위주로 이루어져 하위권 학생들에게는 상시적 정보과부하로 인해 학습이 일어나기 어려움. 이것이 ‘학포당자(학업 포기를 당한 자)’를 양산하는 원인이 됨. 정보 과부하를 줄이기 위한 다양한 조치(예: 개별화 수업, 자동화 및 완전학습, 스캐폴딩, 청킹, 그래픽 오거나이져의 활용 등)가 필요함. 

7. 중앙집행기능 향상 – 학습을 총체적으로 지휘하는 중앙집행기능을 향상시킬 필요 있음. 특히 미국에서는 중앙집행기능 향상을 위한 수업활동을 개발해 많이 활용하고 있음. 한국의 교육계에서도 이에 관심을 기울여야 함.

 

※ 알림: 다음 칼럼 ‘기초학력향상을 위한 연수(3) - 정보처리 과부하의 방지와 작업기억의 기능 강화’에서는 작업기억에 관한 위 질문 ①~⑤의 답에 대해서 살펴볼 예정입니다.