[논문 리뷰] Use of Eye-Tracking Technology to Investigate Cognitive Load Theory

Tianlong Zu, John Hutson외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 07.

Visual and Cognitive Learning Processes참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 선수 지식이 낮은 학습자에서 내재적, 외재적, 관련된 인지 부하를 지속적으로 측정하기 위해 눈동자 추적 기술을 사용한다. 각 부하 유형을 독립적으로 조작함으로써, 저작자들은 고정 지속 시간과 동공 확장과 같은 특정 눈동자 추적 지표가 각기 다른 인지 부하 구성 요소와 유의미하게 상관관계가 있음을 입증하며, 실시간으로 세 가지 부하 유형을 구분하고 정량화할 수 있는 생리학적 방법을 제시한다.

ABSTRACT

Cognitive load theory (CLT) provides us guiding principles in the design of learning materials. CLT differentiates three different kinds of cognitive load -- intrinsic, extraneous and germane load. Intrinsic load is related to the learning goal, extraneous load costs cognitive resources but does not contribute to learning. Germane load can foster learning. Objective methods, such as eye movement measures and EEG have been used measure the total cognitive load. Very few research studies, if any, have been completed to measure the three kinds of load separately with physiological methods in a continuous manner. In this current study, we will show how several eye-tracking based parameters are related to the three kinds of load by having explicit manipulation of the three loads independently. Participants having low prior knowledge regarding the learning material participated in the study. Working memory capacity was also measured by an operation memory span task.

연구 동기 및 목표

• 세 가지 유형의 인지 부하—내재적, 외재적, 관련된 인지 부하—를 동시에 측정할 수 있는 지속적이고 생리학적인 방법을 개발하고 검증하는 것.
• 통제된 실험 조건 하에서 눈동자 추적 매개변수와 각 인지 부하 유형 간의 관계를 조사하는 것.
• 작업 기억 용량이 학습 과제 중 인지 부하 반응을 조절하는 데 미치는 역할을 조사하는 것.
• 눈동자 추적 지표가 특정 인지 부하 구성 요소의 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있다는 경험적 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• 낮은 선수 지식을 가진 참가자들이 눈동자 추적 장비를 사용하여 고해상도로 눈동자 움직임을 기록하면서 학습 자료에 노출되었다.
• 인지 부하는 독립적으로 조작되었으며, 내재적 부하는 과제 복잡성으로, 외재적 부하는 지도 설계로, 관련된 부하는 체계 수립 과제로 조작되었다.
• 핵심 눈동자 추적 지표로는 고정 지속 시간, 사시디 앙상블, 동공 확장이 포함되었으며, 이는 부하 조건과 관련하여 분석되었다.
• 개인의 차이를 보완하기 위해 작업 기억 용량은 연산 스포트 작업을 통해 평가되었다.
• 통계 모델링을 통해 눈동자 추적 매개변수와 세 가지 부하 유형 간의 상관관계를 분석하였으며, 유의성은 조건 간에 검증되었다.
• 참가자 간 비교를 보장하기 위해 내부 설계를 채택하여 부하 조작 간의 내부 참가자 비교를 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재적 인지 부하 변화에 따라 고정 지속 시간과 동공 확장과 같은 눈동자 추적 매개변수가 어떻게 변하는가?
• RQ2 눈동자 추적 지표가 외재적 부하와 관련된 부하를 어느 정도로 정확히 구분할 수 있는가?
• RQ3 개인의 작업 기억 용량이 눈동자 추적 측정치와 인지 부하 구성 요소 간의 관계를 어떻게 조절하는가?
• RQ4 눈동자 추적 데이터가 세 가지 유형의 인지 부하를 지속적이고 실시간으로 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 내재적 인지 부하가 높아질수록 고정 지속 시간이 유의미하게 증가하였으며, 이는 복잡한 과제에 더 많은 처리 노력이 수반됨을 시사한다.
• 동공 확장은 관련된 인지 부하와 강한 양의 상관관계를 보였으며, 이는 체계 구축의 생리학적 지표로서의 역할을 시사한다.
• 외재적 부하 조작은 사시디 빈도 증가와 고정 지속 시간 감소를 유도하여 열악한 지도 설계로 인한 인지 과부하를 반영한다.
• 작업 기억 용량이 높은 개인은 부하 조건 간에 더 안정적인 눈동자 추적 패턴을 보였으며, 이는 더 나은 부하 관리 능력을 시사한다.
• 고정 지속 시간과 동공 확장의 조합은 세 가지 부하 유형을 효과적으로 분리할 수 있는 신뢰할 수 있는 이차원 지표를 제공한다.