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[이찬승] 뇌는 어떻게 학습하는가?(1) - "정보처리 모델"

이찬승 | 2019.09.10 13:29 | 조회 208 | 공감 0 | 비공감 0

안녕하세요~^^ 교육을바꾸는사람들 대표 이찬승입니다. 

제가 신규회원으로 가입했습니다. 

저는 10여년째 뇌기반교수학습원리를 연구·연수하면서 주요 내용을 학교현장에 칼럼 형식으로 소개드리고자 합니다. 부족한 것이 많지만 도움이 될 수 있었으면 합니다.

저의 첫 번째 칼럼은 뇌는 어떻게 학습하는가?(1) - 정보처리 모델에 관한 것입니다. 교사의 수업 내용이 학습자의 뇌 속에서 어떻게 처리되는지 궁금하시죠. 인지과학 여행에 함께 해주시면 제가 잘 안내해 드리겠습니다.



교사전문성 연수(1): 뇌는 어떻게 학습하는가?(1) - "정보처리 모델"
 
 
이찬승 (교육을바꾸는사람들 대표)
 
 
  초중고생들의 기초학력 저하에 대한 우려가 높다. 지난 3월 28일 교육부가 「기초학력 지원 내실화 방안」을 발표한 것을 계기로 각 교육청과 학교에서는 기초학력 향상에 대한 관심이 높아지고 있다. 교육부의 「기초학력 지원 내실화 방안」의 핵심 내용 중 하나는 ‘기초학력 진단-보정 시스템’의 도입이며 이는 초등학교 1학년~고등학교 1학년을 대상으로 주요 과목의 학력을 진단하여 기초학력 수준 및 학습부진 가능성 등을 파악하고 보정하겠다는 것이다. 이 방안은 아래와 같은 기초학력 진단-보정 시스템 시행 흐름도 및 단계별 내용을 예시하고 있다.
 
<표 1> 기초학력 진단-보정 시스템 시행 흐름도 및 단계별 내용(예시)
 
  이상과 같이 교육부가 기초학력 향상을 위해 강한 의지를 가지고 보정 정책을 도입하려고 하지만 필자는 솔직히 우려가 앞선다. 한국의 학교교실 수업이 “가르치면 배울 것이다”라는 입력(input) 중심의 가설에 기초하고 있기 때문이다. 가르치는 것과 학습이 실제 일어나는 것과는 별개의 문제다. 가르치는 것이 실제 학습으로 연결되기 위해서는 필요한 조건들(예: 배경지식, 주의 집중력, 동기, 감정상태, 작업기억 용량, 중앙집행기능, 교사-학생 간 관계 등)이 많다. 기초학력의 실질적 향상이 있기 위해서는 이런 조건들을 동시에 고려한 정책의 수립과 집행이 이루어져야 한다.
  기초학력 부진을 예방하고 해결하려는 노력이 실효성이 있기 위해서는 정책결정자, 연구자, 교사, 교과서 집필자 모두가 “뇌가 어떻게 학습하는가?”에 대해 잘 이해하고 뇌친화적인 교수·학습 원리를 교사 양성과 연수, 교육과정, 교육정책, 교과서 집필에 체계적으로 반영할 필요가 있다. 특히 교사 연수의 변화가 필요하다. 지금까지의 교사 연수는 주로 ‘어떻게 가르칠 것인가’(how to teach)에 초점을 맞추어 왔다. 그런데 교사들에게 정작 부족한 것은 수업지도를 어떻게 해야 ‘학습자의 학습으로 이어질 수 있는지에 대한 지식(how students learn)’과 ‘수업지도가 학습으로 이어지는지에 대한 상시적 성찰과 평가(how to know the impact of teaching)’이다. 앞으로는 교사 연수에서는 ‘학습자의 뇌는 어떻게 학습하는가?’와 ‘수업이 실제 얼마나 학습으로 이어지는가?’에도 많은 관심을 기울여야 할 것이다.
  이번 칼럼에서는 ‘뇌가 어떻게 학습하는가?’에 대한 이해와 이것이 교수·학습에 주는 함의에 대해 살펴보고자 한다. 
 
 
교육 뇌과학에서 ‘학습’의 정의와 함의
 
  교육 뇌과학(educational neuroscience)에서는 ‘학습’을 아래와 같이 정의한다.
 
학습은 정보의 패턴을 확인하고(pattern-seeking) 잦은 활용을 통한 자동화(program-developing)의 과정이다.” 
 
  이를 좀 더 자세하게 표로 정리하면 아래와 같다.
 
<표 2> ‘학습’의 교육 뇌과학적 정의(Leslie A. Hart)

[주] 패턴 – 사물이나 현상이 의미 있게 범주화된 것을 말하며 사물(수저, 칫솔), 행동(걷기, 달리기), 절차(옷 입기, 자동차 운전), 시스템(교통, 정부), 관계(가족, 원인과 결과), 상황(개학하는 날, 파티에서 낯선 사람과의 만남) 등을 말한다.
[주] 프로그램 – 어떤 과제 수행에 필요한 일련의 정해진 진행순서이며 프로그램화는 이를 능숙하게 사용하는 능력이다(예: 사칙연산, 에세이 쓰기). 
 
  패턴 찾기의 실제 과정을 좀 더 자세히 살펴보면 이렇다: 뇌는 패턴을 찾는 능력을 선천적으로 타고난다. 생존을 위해서다. 외부의 새로운 정보나 자극이 학습자의 뇌(정확히는 감각기억을 거처 작업기억) 안으로 들어오면 뇌는 이에 주의를 기울여 작업기억(working memory: WM)에 잠시(10-15초) 유지시킨다. 작업기억은 ‘이해·학습·추론·의사결정과 같은 복잡한 과제를 수행하기 위하여 정보를 일시적으로 유지하며 조작(처리)하기 위한 인지 시스템’이다. 뇌는 정보를 작업기억에 유지시키면서 동시에 학습자의 장기기억을 뒤져 신정보의 패턴 식별에 필요한 이미 알고 있는 지식(사전지식)이나 과거의 경험(배경지식)을 찾는다. 찾으면 뇌는 이를 작업기억으로 불러와 상호 참조하며 신정보의 패턴을 식별하고 이해한다. 패턴의 ‘탐색-식별-이해’는 학습의 과정이기도 하지만 한 개인의 패턴 인식 능력은 통찰력과 창의력의 원천이 된다.
  학습을 위해서는 새로운 정보의 패턴을 파악하는 것(즉 새로운 정보를 이해하는 것)도 중요하지만 이해한 정보를 프로그램화(program-building) 하는 과정 역시 매우 중요하다. 프로그램화란 낱개의 패턴을 하나로 통합하고 이를 실생활 속에서 타인의 도움을 받지 않고도 자동적으로 활용할 수 있는 상태에 이르게 하는 것을 의미한다. 정보의 패턴을 식별하고 이해하는 것이 인풋(input)의 핵심 과정이라면 프로그램화는 아웃풋(output)을 위한 핵심 과정이다. 프로그램화는 운전에 비유하면 낱개의 여러 동작(시동 걸기, 기어 바꾸기, 핸들 조작, 브레이크 페달 밟기 등)이 하나의 프로그램(mental program)처럼 정해진 순서에 따라 실행될 수 있는 것을 의미한다. 지식의 프로그램화는 크게 두 가지 과정에 의해 달성된다. 하나는 새로운 정보의 되뇌기(rehearsal)와 반복 연습(repeat)을 통해 장기기억에 내재화시키는 일이고 다른 하나는 장기기억에 저장된 지식을 자주 인출해 활용하는 일이다. 
  인간은 수많은 프로그램을 수행하면 살아간다. 식사를 하는 것, 세수를 하는 것, 생일 파티를 여는 것, 선물을 사는 것, 일차 방정식을 푸는 것 등이 다 정해진 순서가 있는 익숙한 프로그램들이다. 인간은 태어나서부터 다양한 경험과 학습을 통해 수많은 프로그램을 저장하고 있고 이를 통해 사물과 현상을 분석하며 세상을 이해한다. 인간의 삶은 매순간 마주하는 상황을 평가하고 이에 대처하기 위해 가장 적합한 프로그램은 선택하고 이를 실행하는 것으로 구성된다고 말할 수 있다. 이때 타인이 가진 프로그램을 빌려서 실행하는 삶을 살기보다는 나만의 독특한 프로그램을 많이 구축하고 이를 통해 사물과 세상을 나만의 고유한 눈으로 바라보고 해석할 수 있을 때 나 다운 삶이 될 수 있다. 이를 학습의 상황에 적용하면 창의적인 문제풀이나 비판적 추론 능력이 될 것이다.
 
  뇌의 학습은 패턴 찾기와 프로그래밍화로 설명할 수 있지만 이는 또한 뇌의 물리적 변화로 나타난다. 학습이 일어난다는 것은 신경세포(neuron)가 새롭게 자라고 세포 간의 연결이 무성해 진다는 것을 의미한다. 반복적 학습에 의해 세포 간의 연결은 더욱 강화되고 학습을 할수록 이 연결 통로를 통해 정보는 더 빠르게 전달된다. 이렇게 학습이란 뇌 속에 지식의 연결을 더 풍성하게 만들고 이를 통해 지식의 구조를 재구조화하는 일이다. 
  이상과 같이 뇌의 신경세포는 새로운 학습이나 경험을 통해 변한다(자라고 연결이 풍성해진다). 물론 사용하지 않으면 세포 간의 연결이 끊어지기도 한다. 이를 신경가소성(neuroplasticity)이라 부른다. 이는 뇌의 지속적인 변화 능력이다. 뇌는 새로운 자극과 활동이 주어지면 반복적 운동을 통해 근육이 강화되듯이 뇌의 신경회로망도 강화된다. 신경가소성을 밝혀낸 것은 뇌과학의 가장 큰 업적의 하나다. 이로부터 ‘누구나 성공적으로 배울 수 있다’란 과학적 주장이 나온다. 고정관점(fixed mindset)에서 벗어나 성장관점(growth mindset)이 강조되는 것도 여기에 근거를 두고 있다. 신경가소성을 표로 나타내면 아래와 같다.
 
<표 3> 뇌의 신경가소성

[주] 시냅스(synaps) – 신경세포 사이의 접합부위로서 이를 통해 세포 간 신호가 전달된다.
 
 
뇌가 학습하는 원리(정보처리 모델)
 
  기초학력이 부족한 학생들의 학습을 돕기 위해서는 뇌가 학습하는 원리에 충실한 실효성 있는 접근이 필요하다. 뇌가 학습하는 원리에 대한 지금까지의 연구 중 가장 많이 공감을 얻고 있는 이론이 정보처리모델(information processing model)(→<표 4> 참조)이다. 이는 기억의 다중저장고모델(multi-store model of memory)이라고 불리기도 한다. 이 모델에서 기억은 하나의 장소가 아니라 여러 저장고가 협업하여 저장하는 프로세스로 본다. 기억에 관계하는 기억 저장고에는 감각기억, 단기기억(작업기억), 장기기억이 있다. 일련의 기억 과정을 표로 나타내면 아래와 같다.
 
<표 4> 정보처리모델(Atkinson and Shiffrin, 1968)
  
  이상의 정보처리 과정을 교실 수업의 상황을 예로 들어 설명해보자. 교사의 수업 내용을 구성하는 말과 시각자료는 학습자의 청각과 시각을 통해 가장 먼저 감각기억(sensory memory) 속으로 들어오게 된다. 감각기억은 정보 지각의 첫 단계로서 번개가 친 후 순간적으로 그 잔상이 뇌에 남듯이 그런 순간적인(0.5초미만) 기억이다. 그래서 이를 순간기억이라고도 부른다. 뇌는 감각기억 상의 정보 중 의미 있는 것에만 주의를 기울여 작업기억 시스템으로 들어오게 한다. 주의를 받지 못한 감각기억 상의 정보는 모두 소실된다. 이때 작업기억은 들어온 새로운 정보(교사의 수업 내용)를 잠시(10-15초) 유지시키며 이 정보와 관련해 이미 알고 있는 내용(사전지식 혹은 배경지식)을 장기기억에서 찾아 불러온 다음 이를 상호 참조하며 패턴을 식별한다. 이어서 패턴의 이해와 정보에 대한 평가가 이루어지고 나면 쓸모 있다고 판단되는 정보만 장기기억에 저장했다가 필요할 때 불러와 사용한다. 
  정보의 이해는 작업기억 시스템 위에서 신정보와 구정보의 비교를 통해 이루어지며 이 과정을 신정보와 구정보의 ‘연결’이라고 부른다. 신정보는 구정보와의 ‘연결’을 통해 장기기억 속의 구정보에 ‘통합’ 된다. 이렇게 작업기억 위의 신정보가 장기기억으로 옮겨지고 나면(연결이 되고 나면) 그 빈자리에는 다시 새로운 정보(교사의 수업 내용)가 들어와 작업 즉 정보처리를 기다리게 된다. 작업기억의 용량이 한계가 있어서 교사가 너무 빨리 설명하거나 긴 문장으로 말하면 학습자는 이를 작업기억에 다 담지 못한다. 용량을 초과하는 정보는 소실된다.
  이상의 다양한 인지적 활동을 종합적으로 통제하는 기능을(일종의 상위인지기능) 중앙집행기(central executive)라 하고, 전전두피질(prefrontal cortex: PFC)이 이를 담당한다. 이는 오케스트라 지휘자와 같은 기능이며 정부로 말하면 내각과 같은 것으로, 즉 계획의 수립, 정보의 조직, 주의의 기울임과 억제, 의사결정, 인지적 유연성을 발휘하여 문제 해결 등을 담당한다. 이것이 사람의 기억 및 학습의 과정이다.
 
  이상의 ‘학습에 대한 정의’와 ‘뇌가 학습하는 원리’는 기초학력을 향상시키는데 중요한 시사점을 준다. 우선 학습자가 새로운 정보(교사의 설명이나 교과서의 지식)를 이해하기 위해서는 관련된 사전지식(prior knowledge)을 갖추고 있어야 한다. 그런데 학습부진을 겪는 학생들은 대부분 배우는 내용과 관련된 사전지식을 거의 갖추고 있지 못하거나 갖추고 있다 하더라도 그 양과 질이 매우 미흡하다. 이런 학생들에게 학습은 밑 빠진 독에 물붓기와 같다. 그래서 기초적인 지식이 부족한 학생들은 기초를 먼저 탄탄히 갖추고(즉 사전지식을 마련한 다음) 다음 단계로 나아가게 하는 접근이 필요하다. 학습에 어려움을 느끼는 학생은 대부분 사전지식이 부족하여 정보의 패턴 식별이 어렵고 이해한다 해도 그 속도가 느리다. 학습의 기초가 없는 학생들에게 사전지식을 어떻게 갖추어 줄 수 있는지에 대해서는 추후 자세히 다루기로 한다.
  또 하나 주목할 점은 작업기억 시스템 전체의 사령탑인 중앙집행기의 기능이 학습에 결정적 역할을 한다는 점이다. 주의를 어디에 기울일지를 결정하고, 계획을 세우며, 문제가 풀리지 않을 때는 잠시 멈추고 기존의 방식과 관점을 바꾸는 유연성의 발휘도 중앙집행기의 역할이다. 학습에 어려움을 겪는 학습자들은 중앙집행기의 주요 기능이 약한 경우가 많다. 뇌의 기능에 대해 점점 더 많이 알게 되면서 세계의 주요국에서는 중앙집행기능의 향상을 위한 수업활동을 강화하고 있다. 이는 사전지식과 함께 학습할 수 있는 잠재능력을 결정하는 핵심 요소다.
 
  학습이 이루어지는 이상의 과정을 생각하면, 기초학력이 부족한 학습자들에게 대한 대응에 성찰할 점이 많다. 그동안 기초학력 미달을 해결하는 방법으로 학교는 반복해서 문제를 풀도록 하는 데 초점을 맞추었다. 사전지식 마련 없이 객관식 학업성취도평가 문제나 진단평가 문제를 반복해서 풀게 하는 것은 뇌의 변화 원리를 무시하는 접근이며 이를 통해서는 진정한 학습이 일어날 수 없다. 문제풀이 연습을 시키면 학습자는 문제의 패턴을 파악하는 데만 익숙해질 뿐이지 내용(content) 자체가 체계적으로 학습되는 것은 아니다. 다시 말해 문제풀이를 통해서 뇌에 새로운 지식망의 구축은 불가능하다. 이는 학습 즉 정보의 패턴을 파악하고 프로그램화하는 것과는 너무나 거리가 멀다. 그래서 교육부가 계획하고 있는 「기초학력 진단-보정 시스템」의 시행이 학교 현장에서 반복적 문제 풀이로 전락하지 말아야 하는 이유다. 반복적 문제풀이는 학습자들로 하여금 학습을 점점 더 싫어하게 만들 뿐이다. 만약 문제풀이 중심으로 기초학력 향상에 임한다면 이는 당초 의도와 달리 학생을 위한 것이기보다는 교육부와 학교의 책무성 이행을 위한 수단이 되고 말 것이다. 기초학력 향상을 위해 내실 있는 과학적 접근이 절실히 요구되는 시점이다.

 


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