KR102248714B1 - Method and appratus to measure cognitive load based on a time-series analysis of psychophysiological responses in video-based learning - Google Patents

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Abstract

동영상 학습 환경에서 학습자의 사전지식 및 과제복합성에 따른 인지부하 진단 장치 및 방법이 개시된다. 인지부하 진단 방법은 학습 콘텐츠에 대한 학습자의 사전 지식 수준 및 상기 학습 콘텐츠의 과제복합성을 평가하는 단계; 상기 학습 콘텐츠를 학습하기 전 발생된 상기 학습자의 생리심리반응에 대한 기저반응을 측정하는 단계; 상기 학습 콘텐츠를 학습하는 과정에서 발생된 상기 학습자의 생리심리반응을 수집하는 단계; 상기 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 상기 수집된 학습자의 생리심리반응에 대한 시계열적인 특성을 분석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.Disclosed is an apparatus and method for diagnosing cognitive load according to a learner's prior knowledge and task synthesis in a video learning environment. The cognitive load diagnosis method includes: evaluating a learner's prior knowledge level with respect to the learning content and a task complexity of the learning content; Measuring a basal response to the learner's physiological and psychological responses generated before learning the learning content; Collecting the learner's physiological and psychological responses generated in the process of learning the learning content; And diagnosing the learner's cognitive load by analyzing time-series characteristics of the collected learner's physiological and psychological responses based on the evaluated learner's prior knowledge level and task complexity of the learning content.

Description

동영상 학습 환경에서 학습자의 사전지식 및 과제복합성에 따른 인지부하 진단 장치 및 방법{METHOD AND APPRATUS TO MEASURE COGNITIVE LOAD BASED ON A TIME-SERIES ANALYSIS OF PSYCHOPHYSIOLOGICAL RESPONSES IN VIDEO-BASED LEARNING}Cognitive load diagnosis device and method according to learner's prior knowledge and task combination in video learning environment {METHOD AND APPRATUS TO MEASURE COGNITIVE LOAD BASED ON A TIME-SERIES ANALYSIS OF PSYCHOPHYSIOLOGICAL RESPONSES IN VIDEO-BASED LEARNING}

본 발명은 동영상 학습 환경에서 수집된 학습자의 생리심리반응을 시계열 분석 기법을 활용하여 분석하여 학습자의 인지부하를 진단하고, 이를 기반으로 학습자에게 적절한 처방을 제공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for diagnosing a learner's cognitive load by analyzing a learner's physiological and psychological responses collected in a video learning environment using a time series analysis technique, and providing an appropriate prescription to the learner based on this.

초기 데스크탑과 네트워크를 통해 이러닝의 형태로 확산되었던 동영상 학습은 모바일 기기의 보급과 대규모 온라인 공개강좌(Massive Open Online Courses: MOOCs), 플립 러닝(Flipped Learning) 등 새로운 학습 환경이 출현하면서 더욱 빠르게 확산되고 있다. 동영상은 시청각 자극을 활용한 멀티미디어 콘텐츠로서, 교수자와 학습자가 물리적으로 분리된 공간에서도 '언제 어디서나' 학습이 가능하다는 매체적 특성을 지닌다. 이는 동영상 학습 환경의 확산을 촉진한 주요 동인이지만, 역설적으로 전통적인 면대면 학습에 비해 학습자의 인지적ㅇ정서적 상태(state)를 파악하기 어렵다는 제한점을 가져왔다.Video learning, which was initially spread in the form of e-learning through desktops and networks, spreads more rapidly with the spread of mobile devices and the emergence of new learning environments such as Massive Open Online Courses (MOOCs) and flip learning. have. Video is a multimedia content that utilizes audio-visual stimuli, and has a media characteristic that teachers and learners can learn'anytime, anywhere' even in a physically separated space. This is a major driver that promoted the spread of the video learning environment, but paradoxically, it brought a limitation in that it was difficult to grasp the cognitive and emotional state of the learner compared to traditional face-to-face learning.

대다수의 동영상 학습 환경에서는 교수자와 학습자가 시공간적으로 분리되어 있기 때문에 개개인의 학습 과정을 즉각적으로 파악하여 콘텐츠를 설계하기 쉽지 않고, 교수자-학습자 간의 원활한 상호작용을 기대하기도 어렵다. 이로 인해 동영상 학습 환경에서는 학습자의 고유한 학습 경험을 이해하여 개별화된 지원을 제공하는 '적응적 교수설계(adaptive instructional design)'를 적용하기가 쉽지 않다. 이는 학습자 태만, 중도탈락 등의 다양한 교육적 문제 현상들로 외현화 되었으며, 결과적으로 학습자의 지식, 기술, 태도와 관련하여 학습목표 달성의 어려움을 초래하였다.In most video learning environments, since the instructor and the learner are separated spatio-temporally, it is not easy to design content by immediately grasping the learning process of each individual, and it is difficult to expect a smooth interaction between the instructor and the learner. For this reason, it is difficult to apply'adaptive instructional design', which provides individualized support by understanding the learner's unique learning experience in a video learning environment. This externalized to various educational problem phenomena such as learner's negligence and dropout, and as a result, it caused difficulties in achieving the learning goals in relation to the learner's knowledge, skills, and attitudes.

이에 따라 동영상 학습 환경에서 학습자들이 경험하는 내적 과정을 이해하기 위한 연구의 필요성이 부각되고 있다. 즉, 동영상 학습 환경을 최적화하기 위해서는, 1) 학습자의 특성(trait)과 상태(state)를 보다 세밀하게 포착하고, 이를 2) 과학적인 방법으로 분석하여, 3) 적절한 교수, 학습적 지원을 적시에(just-in-time), 적합한 방법으로 제공해야 한다.Accordingly, the need for research to understand the inner process experienced by learners in a video learning environment is emerging. In other words, in order to optimize the video learning environment, 1) capture the learner's trait and state in more detail, 2) analyze it in a scientific way, and 3) provide appropriate teaching and learning support. Just-in-time, it should be provided in a suitable way.

종래의 연구에서는 학습자의 내적 과정을 파악하기 위하여 주로 사후 설문을 활용해왔다. 이는 학습자들의 주관적 생각과 느낌을 학습이 종료된 시점에서 회고적으로 측정하는 방식으로, 학습자가 전체 학습 과정에서 경험한 바에 대한 요약적이고 주관적인 정보를 얻을 수 있다. 그러나 이와 같은 사후 설문은 구체적으로 학습자가 어느 장면에서 어떠한 경험을 하였는지에 대한 풍부하고 객관적인 피드백은 얻기 어렵다. 이에 따라 그 동안의 교수설계 또한 학습자 개개인의 특성 및 학습 과정의 차이를 반영하는 적응적 방식보다는, 평균적인 학습자들의 보편적인 학습 요구를 충족시키기 위한 방식으로 이루어져 왔다. In previous studies, post-mortem surveys have been mainly used to grasp the inner process of learners. This is a method of retrospectively measuring learners' subjective thoughts and feelings at the end of learning, and it is possible to obtain summary and subjective information about learners' experiences in the entire learning process. However, it is difficult to obtain rich and objective feedback on what kind of experience the learner has in specific scenes in such a post questionnaire. Accordingly, the teaching design in the past has also been made in a way to meet the universal learning needs of average learners, rather than an adaptive method that reflects individual learners' characteristics and differences in the learning process.

그러나 최근에는 빅데이터 수집 및 분석 기술이 발달함에 따라 학습 맥락에서 쌓인 다양한 데이터를 활용할 수 있게 되었으며, 이를 통해 교수-학습 환경을 개선하여 학습을 최적화하기 위한 학습분석학이 중추적인 분야로 자리잡고 있다.However, with the development of big data collection and analysis technology in recent years, it has become possible to utilize various data accumulated in the learning context, and through this, learning analytics to optimize learning by improving the teaching-learning environment has become a pivotal field.

학습분석학적인 접근을 시도한 연구의 상당수는 주로 클릭스트림 데이터를 활용하여 이루어져 왔다. 클릭스트림 데이터는 동영상 학습 중 발생한 재생, 일시 정지 등의 행동 데이터를 뜻한다. 이러한 행동 데이터를 분석하는 기저에는 해당 데이터가 학습 상황에서의 몰입 수준이나 어려움(confusion)을 겪는 심리적 구인의 대리변수로 활용할 수 있다는 가정이 있다. 동영상 학습 환경에 남겨진 행동 데이터를 분석하는 것은 학습의 전반적인 경향을 알려주는 단서가 될 수는 있지만, 학습자의 인지적, 정서적 경험에 대해서는 제한적인 정보만을 제공한다. Much of the research that has attempted a learning analytic approach has been mainly done using clickstream data. Clickstream data refers to behavioral data such as playback and pause during video learning. The basis for analyzing these behavioral data is the assumption that the data can be used as a surrogate variable for the level of immersion in the learning context or for psychological recruitment experiencing confusion. Analyzing the behavioral data left in the video learning environment can be a clue to the overall trend of learning, but only provides limited information on the learner's cognitive and emotional experiences.

최근 발달하고 있는 생리심리 데이터 수집 기술은 비간섭적이고, 연속적인 데이터 수집을 통해 학습 상황에서 학습자들이 경험한 내적 과정을 파악할 수 있는 가능성을 제공하고 있다.The recently developed physiological and psychological data collection technology provides the possibility to grasp the inner process experienced by learners in a learning situation through non-interference and continuous data collection.

본 발명은 동영상 학습 과정 중 학습자로부터 수집된 생리심리반응을 시계열 분석 기법을 활용하여 분석하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide an apparatus and method for analyzing physiological and psychological responses collected from learners during a video learning process using a time series analysis technique.

또한, 본 발명은 분석된 학습자의 생리심리반응을 학습자의 사전지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제복합성에 따라 해석함으로써 인지부하의 원인에 따른 적절한 처방을 제공하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide an apparatus and method for providing an appropriate prescription according to the cause of cognitive load by interpreting the analyzed learner's physiological and psychological responses according to the learner's prior knowledge level and the task complexity of the learning content.

본 발명의 일실시예에 따른 인지부하 진단 방법은 학습 콘텐츠에 대한 학습자의 사전 지식 수준 및 상기 학습 콘텐츠의 과제복합성을 평가하는 단계; 상기 학습 콘텐츠를 학습하기 전 발생된 상기 학습자의 생리심리반응에 대한 기저반응을 측정하는 단계; 상기 학습 콘텐츠를 학습하는 과정에서 발생된 상기 학습자의 생리심리반응을 수집하는 단계; 상기 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 상기 수집된 학습자의 생리심리반응에 대한 시계열적인 특성을 분석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.A method for diagnosing cognitive load according to an embodiment of the present invention includes the steps of: evaluating a learner's prior knowledge level with respect to learning content and task complexity of the learning content; Measuring a basal response to the learner's physiological and psychological responses generated before learning the learning content; Collecting the learner's physiological and psychological responses generated in the process of learning the learning content; And diagnosing the learner's cognitive load by analyzing time-series characteristics of the collected learner's physiological and psychological responses based on the evaluated learner's prior knowledge level and task complexity of the learning content.

상기 평가하는 단계는 상기 학습 콘텐츠와 관련된 사전 지식 검사 성취도 및 학습 시스템 내에 수집된 데이터 중 상기 학습 콘텐츠에 대한 상기 학습자의 이전 성취도를 이용하여 상기 학습자의 사전 지식 수준을 평가할 수 있다.In the evaluating step, the level of prior knowledge of the learner may be evaluated using the achievement level of the prior knowledge test related to the learning content and the previous achievement level of the learner with respect to the learning content among data collected in the learning system.

상기 평가하는 단계는 상기 학습 콘텐츠에 포함된 학습 과제를 구성하는 요소들의 개수를 이용하여 상기 학습 콘텐츠의 분석 단위에 따라 과제복합성을 평가할 수 있다.In the evaluating step, the task composition may be evaluated according to an analysis unit of the learning content by using the number of elements constituting the learning task included in the learning content.

상기 수집하는 단계는 상기 수집된 학습자의 생리심리반응의 정상 범위에 기초하여 이상치를 제거하는 단계; 상기 이상치를 제거함으로써 발생된 상기 학습자의 생리심리반응에 포함된 결측치를 선형 보간하는 단계; 상기 선형 보간된 학습자의 생리심리반응을 시계열 데이터로 변환하는 단계; 및 상기 시계열 데이터로 변환된 학습자의 생리심리반응에 대해 데이터 스무딩(smoothing) 기법을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.The collecting may include removing outliers based on a normal range of the collected learners' physiological and psychological responses; Linearly interpolating missing values included in the learner's physiological and psychological responses generated by removing the outliers; Converting the linear interpolated learner's physiological and psychological responses into time series data; And applying a data smoothing technique to the learner's physiological and psychological responses converted into the time series data.

상기 생리심리반응은 동공 크기, 뇌파 및 심박 변이도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The psychophysiological response may include at least one of pupil size, brain waves, and heart rate variability.

상기 진단하는 단계는 상기 학습 콘텐츠의 내용 및 시점에 대해 상기 수집된 학습자의 생리심리반응을 매칭하는 단계; 상기 매칭된 학습자의 생리심리반응을 상기 학습 콘텐츠의 학습 단위에 따라 분할하여 특정 패턴을 추출하는 단계; 및 상기 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 상기 추출된 특정 패턴을 해석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.The diagnosing may include matching the collected physiological and psychological responses of the learners with the content and time point of the learning content; Dividing the matched learner's physiological and psychological responses according to a learning unit of the learning content to extract a specific pattern; And measuring the learner's cognitive load by analyzing the extracted specific pattern based on the evaluated learner's prior knowledge level and task complexity of the learning content.

상기 진단된 학습자의 인지부하에 기초하여 상기 학습자에게 상기 학습 콘텐츠에 대한 가이드를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.It may further include providing a guide for the learning content to the learner based on the diagnosed learner's cognitive load.

본 발명의 일실시예에 따른 인지부하 진단 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 학습 콘텐츠에 대한 학습자의 사전 지식 수준 및 상기 학습 콘텐츠의 과제복합성을 평가하고, 상기 학습 콘텐츠를 학습하기 전 발생된 상기 학습자의 생리심리반응에 대한 기저반응을 측정하며, 상기 학습 콘텐츠를 학습하는 과정에서 발생된 상기 학습자의 생리심리반응을 수집하고, 상기 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 상기 수집된 학습자의 생리심리반응에 대한 시계열적인 특성을 분석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 진단할 수 있다.The cognitive load diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention includes a processor, wherein the processor evaluates a learner's prior knowledge level with respect to the learning content and a task complexity of the learning content, and is generated before learning the learning content. Measure the base response to the learner's physiological and psychological responses, collect the learner's physiological and psychological responses generated in the process of learning the learning content, and based on the evaluated learner's prior knowledge level and task complexity of the learning content Thus, it is possible to diagnose the learner's cognitive load by analyzing the time-series characteristics of the collected learner's physiological and psychological responses.

상기 프로세서는 상기 학습 콘텐츠와 관련된 사전 지식 검사 성취도 및 학습 시스템 내에 수집된 데이터 중 상기 학습 콘텐츠에 대한 상기 학습자의 이전 성취도를 이용하여 상기 학습자의 사전 지식 수준을 평가할 수 있다.The processor may evaluate the level of prior knowledge of the learner using the achievement level of the prior knowledge test related to the learning content and the previous achievement level of the learner with respect to the learning content among data collected in the learning system.

상기 프로세서는 상기 학습 콘텐츠에 포함된 학습 과제를 구성하는 요소들의 개수를 이용하여 상기 학습 콘텐츠의 분석 단위에 따라 과제복합성을 평가할 수 있다.The processor may evaluate the task complexity according to the analysis unit of the learning content by using the number of elements constituting the learning task included in the learning content.

상기 프로세서는 상기 수집된 학습자의 생리심리반응의 정상 범위에 기초하여 이상치를 제거하고, 상기 이상치를 제거함으로써 상기 학습자의 생리심리반응에 포함된 결측치를 선형 보간하며, 상기 선형 보간된 학습자의 생리심리반응을 시계열 데이터로 변환하고, 상기 시계열 데이터로 변환된 학습자의 생리심리반응에 대해 데이터 스무딩(smoothing) 기법을 적용할 수 있다.The processor removes outliers based on the collected normal range of the learner's physiological and psychological responses, and linearly interpolates the missing values included in the learner's physiological and psychological responses by removing the outliers, and the linearly interpolated physiological psychology of the learner The response may be converted into time series data, and a data smoothing technique may be applied to the learner's physiological and psychological responses converted into the time series data.

상기 생리심리반응은 동공 크기, 뇌파 및 심박 변이도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The psychophysiological response may include at least one of pupil size, brain waves, and heart rate variability.

상기 프로세서는 상기 학습 콘텐츠의 내용 및 시점에 대해 상기 수집된 학습자의 생리심리반응을 매칭하고, 상기 매칭된 학습자의 생리심리반응을 상기 학습 콘텐츠의 학습 단위에 따라 분할하여 특정 패턴을 추출하며, 상기 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 상기 추출된 특정 패턴을 해석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 측정할 수 있다.The processor matches the collected physiological and psychological responses of the learners with respect to the content and time point of the learning content, divides the matched physiological and psychological responses of the learners according to the learning unit of the learning content to extract a specific pattern, and the The cognitive load of the learner can be measured by analyzing the extracted specific pattern based on the evaluated learner's prior knowledge level and task complexity of the learning content.

상기 프로세서는 상기 진단된 학습자의 인지부하에 기초하여 상기 학습자에게 상기 학습 콘텐츠에 대한 가이드를 제공할 수 있다. The processor may provide a guide to the learning content to the learner based on the diagnosed learner's cognitive load.

본 발명은 학습 과정에서 수집한 생리심리반응에 기초하여 보다 객관적으로 인지부하를 측정할 수 있으며, 연속적으로 수집된 반응의 시계열적인 특성을 분석하여 과정 중 나타나는 인지부하의 변이를 측정할 수 있다.The present invention can more objectively measure the cognitive load based on the physiological and psychological reactions collected in the learning process, and can measure the variation of the cognitive load that appears during the process by analyzing the time-series characteristics of the continuously collected reactions.

또한, 본 발명은 인지부하의 변이를 학습자의 사전지식 수준과 과제복합성에 근거하여 해석함으로써 보다 명확하게 인지부하의 원인을 규명하고, 이에 따라 적절한 교수 설계적 지원을 하기 위한 근거로 삼을 수 있다.In addition, the present invention analyzes the variation of the cognitive load based on the learner's prior knowledge level and task composition, thereby more clearly identifying the cause of the cognitive load, and accordingly, can be used as a basis for providing appropriate instructional design support. .

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인지부하 진단 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전처리 과정을 플로우챠트로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 학습자의 생리심리반응에 대한 특정 패턴을 추출하는 방법을 도시한 예이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 학습 대구간에서의 인지부하 탐색을 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 학습 중구간에서의 인지부하 탐색을 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 학습 소구간에서의 인지부하 탐색을 도시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating an apparatus for diagnosing cognitive load according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a data preprocessing process according to an embodiment of the present invention.
3 is an example showing a method of extracting a specific pattern for a learner's physiological and psychological responses according to an embodiment of the present invention.
4 to 5 are diagrams illustrating a cognitive load search between learning units according to an embodiment of the present invention.
6 to 9 are diagrams illustrating a cognitive load search in an intermediate learning section according to an embodiment of the present invention.
10 to 16 are diagrams illustrating a cognitive load search in a learning sub-section according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It is to be understood that all changes, equivalents, or substitutes to the embodiments are included in the scope of the rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for illustrative purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. Does not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of the reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, when it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the embodiments, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인지부하 진단 장치를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an apparatus for diagnosing cognitive load according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 인지부하 진단 장치(100)는 프로세서(110)를 포함할 수 있다. 먼저, 일례로, 인지부하 진단 장치(100)는 다양한 학습 콘텐츠에 대한 학습자의 인지부하를 진단할 수 있으나 본 발명에서는 수학 과목에서의 전칭/존재 명제(영상1)와 양항명제(영상2)를 주제로 하는 두 개의 영상을 학습 콘텐츠로 활용하였다. Referring to FIG. 1, the apparatus 100 for diagnosing cognitive load of the present invention may include a processor 110. First, as an example, the cognitive load diagnosis apparatus 100 can diagnose a learner's cognitive load for various learning contents, but in the present invention, the predecessor/existence proposition (image 1) and the positive term proposition (image 2) in a mathematics subject. Two videos on the subject were used as learning contents.

프로세서(110)는 동영상 학습 환경에서 학습 콘텐츠에 대한 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제복합성을 평가(111)할 수 있다. 보다 구체적으로 프로세서(110)는 학습 콘텐츠와 관련된 사전 지식 검사 성취도 및 학습 시스템 내에 수집된 데이터 중 학습 콘텐츠에 대한 학습자의 이전 성취도를 이용하여 학습자의 사전 지식 수준을 평가할 수 있다.The processor 110 may evaluate 111 a level of prior knowledge of a learner with respect to the learning content and a task complexity of the learning content in the video learning environment. More specifically, the processor 110 may evaluate the level of prior knowledge of the learner using the achievement level of the prior knowledge test related to the learning content and the previous achievement level of the learner with respect to the learning content among data collected in the learning system.

사전 지식 수준은 학습자의 사전 지식 수준을 파악하고자 하는 전문가가 제작한 사전 시험을 통해 결정될 수 있다. 보다 구체적으로 프로세서(110)는 (1) 각 문항 별 난이도가 고려된 사전 시험에 대한 학습자의 시험 점수를 통해 학습자의 사전 지식 수준을 구분할 수 있다.The level of prior knowledge can be determined through a pre-test produced by an expert who wants to grasp the level of prior knowledge of the learner. More specifically, the processor 110 may (1) classify the level of prior knowledge of the learner through the learner's test score for the pre-test in which the difficulty level for each question is considered.

또한, 프로세서(110)는 (2) 복수의 학습자들이 수행한 사전 시험에 대한 시험 점수의 분포에 근거하여 학습자의 사전 지식 수준을 상대적으로 구분할 수 있다. In addition, the processor 110 may (2) relatively classify a learner's prior knowledge level based on a distribution of test scores for a pre-test performed by a plurality of learners.

이때, 프로세서(110)는 (1) 방식과 (2) 방식을 모두 고려하여 전문가가 부여한 난이도에 따른 사전 시험의 문항별 점수를 기준으로 각 학습자의 사전 시험 점수를 계산한 후, 이들의 분포를 기준으로 각 학습자의 사전 지식 수준을 구분할 수 있다.At this time, the processor 110 calculates each learner's pre-test score based on the score for each item of the pre-test according to the difficulty given by the expert in consideration of both methods (1) and (2), and then calculates their distribution. The level of prior knowledge of each learner can be classified as a standard.

그리고 프로세서(110)는 학습 콘텐츠에 포함된 학습 과제를 구성하는 요소들의 개수를 이용하여 학습 콘텐츠의 분석 단위에 따라 과제복합성을 평가할 수 있다. 일례로, 프로세서(110)는 학습 콘텐츠인 영상1과 영상2의 내용 분석을 통해 도출한 '명제 구조', '수학적 기호', '부정 개념' 세 가지 요소를 기준으로 학습 영상의 구간별 과제복합성을 분류할 수 있다. In addition, the processor 110 may evaluate the task combination according to the analysis unit of the learning content by using the number of elements constituting the learning task included in the learning content. As an example, the processor 110 combines tasks for each section of the learning image based on three elements of'proposition structure','mathematical sign', and'negative concept' derived through content analysis of image 1 and image 2, which are learning contents. Can be classified.

과제복합성은 과제를 구성하는 모든 요소의 총합으로 요소의 수가 많아질수록 요소 간 상호작용성이 높아져 과제복합성이 높아질 수 있다. 따라서, 프로세서(110)는 아래의 표 1과 같이 학습 콘텐츠의 요소를 1) 명제 구조, 2) 수학적 기호, 3) 부정 개념으로 분류하여 이에 따라 영상1과 영상2 각각에 대한 과제복합성 상ㅇ하 구간을 규정할 수 있다.The task composition is the sum of all the elements that compose the task. As the number of elements increases, the interaction between the elements increases, which can increase the task complexity. Therefore, the processor 110 classifies the elements of the learning content into 1) proposition structure, 2) mathematical sign, and 3) negative concept as shown in Table 1 below, and accordingly, the task combination for image 1 and image 2 Sections can be defined.

<표 1><Table 1>

Figure 112019044761208-pat00001
Figure 112019044761208-pat00001

보다 구체적으로 프로세서(110)는 학습 콘텐츠의 학습 구간 별로 과제복합성 상ㅇ하를 분류하여 해당 장면에서의 인지부하 차이를 살펴볼 수 있다. 학습 구간은 내용과 재생 시간을 고려하여 구분하였으며, 아래의 표 2와 같이 크게 세 기준(대구간, 중구간, 소구간)으로 나뉠 수 있다. More specifically, the processor 110 may classify the task combination upper and lower according to the learning section of the learning content to examine the difference in cognitive load in the corresponding scene. The learning section was divided in consideration of the content and playback time, and can be divided into three criteria (large section, medium section, and sub section) as shown in Table 2 below.

학습 대구간과 학습 중구간은 학습 콘텐츠의 내용에 따라 분류될 수 있으며, 각각 주제별 구분(영상1/영상2)과 내용별 구분(13 구간)과 일치할 수 있다. 학습 소구간은 이보다 미세한 학습 단위에 해당하는 것으로 영상1과 영상2에서 각각 재생 시간을 기준으로 30초 단위로 구분하여 생성될 수 있다.The learning section and the learning middle section may be classified according to the content of the learning content, and may correspond to the division by subject (video 1/video 2) and the division by content (section 13), respectively. The learning sub-interval corresponds to a finer learning unit and may be generated by dividing each of the images 1 and 2 into 30 second units based on the playback time.

<표 2><Table 2>

Figure 112019044761208-pat00002
Figure 112019044761208-pat00002

한편, 프로세서(110)는 학습 콘텐츠가 "시험 문항"에 해당하는 경우, 전문가가 사전에 설정한 시험 문항의 난이도 및 시험 문항에 대한 학습자들의 반응 패턴 데이터를 활용하여 해당 학습 콘텐츠에 대한 난이도를 계산하고, 계산된 난이도를 과제복합성 평가에 이용할 수 있다.On the other hand, when the learning content corresponds to the "test question", the processor 110 calculates the difficulty level for the corresponding learning content by using the difficulty level of the test question set in advance by the expert and the response pattern data of learners to the test question. And, the calculated difficulty level can be used for the task combination evaluation.

다음으로, 프로세서(110)는 학습 콘텐츠를 학습하기 전 발생된 학습자의 생리심리반응에 대한 기저반응을 측정(112)할 수 있다. 이와 같은 기저반응은 학습자들 간 개인차에 따른 생리심리반응을 최소화하기 위한 것으로 측정된 기저반응은 이후 학습 과정 중 발생한 학습자의 생리심리반응을 표준화 하는 데 활용될 수 있다.Next, the processor 110 may measure (112) a basal response to the physiological and psychological response of the learner generated before learning the learning content. Such a baseline response is intended to minimize the physiological and psychological responses due to individual differences between learners, and the measured base response can be used to standardize the learners' physiological and psychological responses that occur during the subsequent learning process.

일례로, 기저반응은 학습자가 실험 화면과 동일한 조도로 제작된 화면 중앙에 표시된 특정 표시를 보는 동안 수집된 동공 크기 데이터의 평균으로 산출될 수 있다. 이러한 방식의 기저반응 측정 방법은 명암 및 밝기 변화가 동공 크기에 미칠 수 있는 영향을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.As an example, the basal response may be calculated as an average of pupil size data collected while a learner views a specific display displayed in the center of a screen made with the same illuminance as the experiment screen. This method of measuring the basal response has the advantage of minimizing the effect that changes in contrast and brightness may have on the pupil size.

이후 프로세서(110)는 학습 콘텐츠를 학습하는 과정에서 발생된 학습자의 생리심리반응을 수집(113)할 수 있다. 이때, 수집되는 생리심리반응은 동공 크기, 뇌파 및 심박 변이도 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 본 발명에서는 이 중에서 동공 크기를 이용하여 학습자의 인지부하를 진단하는 방법을 제공한다. 그러나 학습자의 인지부하를 진단하기 위하여 사용되는 생리심리반응은 동공 크기에 한정되지 않으며 다양한 생리심리반응이 사용될 수 있다. 프로세서(110)는 수집된 학습자의 생리심리반응 데이터에 대해 전처리를 수행할 수 있는데 자세한 전처리 방법은 이후의 3을 통해 설명하도록 한다.Thereafter, the processor 110 may collect 113 the physiological and psychological reactions of the learner generated in the process of learning the learning content. At this time, the collected physiological and psychological responses may include at least one of pupil size, brain wave, and heart rate variability, and the present invention provides a method of diagnosing a learner's cognitive load using the pupil size. However, the physiological psychological response used to diagnose the learner's cognitive load is not limited to the pupil size, and various physiological psychological reactions can be used. The processor 110 may perform pre-processing on the collected learner's physiological and psychological response data, and a detailed pre-processing method will be described with reference to 3 below.

그리고, 프로세서(110)는 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 수집된 학습자의 생리심리반응에 대한 시계열적인 특성을 분석함으로써 학습자의 인지부하를 진단(114)할 수 있다. Further, the processor 110 may diagnose 114 the cognitive load of the learner by analyzing the time-series characteristics of the physiological and psychological responses of the learners collected based on the evaluated learner's prior knowledge level and the task complexity of the learning content. .

보다 구체적으로 프로세서(110)는 학습 콘텐츠의 내용 및 시점에 대해 수집된 학습자의 생리심리반응을 매칭하고, 매칭된 학습자의 생리심리반응을 학습 콘텐츠의 학습 단위에 따라 분할하여 특정 패턴을 추출할 수 있다. 그리고 프로세서(110)는 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 추출된 특정 패턴을 해석함으로써 학습자의 인지부하를 측정할 수 있다.More specifically, the processor 110 may extract a specific pattern by matching the physiological and psychological responses of the learners collected with respect to the content and time point of the learning content, and dividing the physiological and psychological responses of the matched learners according to the learning unit of the learning content. have. In addition, the processor 110 may measure the learner's cognitive load by analyzing the extracted specific pattern based on the evaluated learner's prior knowledge level and the task complexity of the learning content.

마지막으로 프로세서(110)는 진단된 학습자의 인지부하에 기초하여 학습자에게 학습 콘텐츠에 대한 가이드를 제공(115)할 수 있다. 보다 구체적으로 프로세서(110)는 진단된 학습자의 인지부하와 학습 성과가 우수한 학습자 집단의 인지부하를 비교 분석함으로써 학습자의 문제점을 식별하고, 식별된 문제점을 피드백하는 가이드를 제공할 수 있다.Finally, the processor 110 may provide 115 a guide for learning content to the learner based on the diagnosed learner's cognitive load. More specifically, the processor 110 may provide a guide for identifying problems of learners and feeding back the identified problems by comparing and analyzing the cognitive load of the diagnosed learner with the cognitive load of a group of learners having excellent learning outcomes.

구체적으로 본 발명의 프로세서(110)는 학습자의 심리생리반응에 대한 시계열 군집 분석을 통해 해당 학습자의 인지부하 유형을 진단하고, 진단된 인지부하 유형에 따라 적절한 학습 방법을 지원할 수 있다.Specifically, the processor 110 of the present invention can diagnose the type of cognitive load of the learner through a time series cluster analysis on the psychophysiological response of the learner, and support an appropriate learning method according to the diagnosed cognitive load type.

이를 위해 프로세서(110)는 사전 연구를 통해 획득된 내재적 인지 부하 및 외재적 인지 부하 상황에서의 대표 패턴을 저장할 수 있다. 그리고, 프로세서(110)는 현재 시점에서의 학습자에 대한 생리심리반응에서 추출된 특정 패턴과 사전 연구를 통해 저장된 대표 패턴을 비교함으로써 각각의 학습자가 학습 콘텐츠를 학습하는 과정에서 어떤 인지 부하를 경험하고 있는지 판단할 수 있다.To this end, the processor 110 may store an intrinsic cognitive load and a representative pattern in an extrinsic cognitive load situation acquired through a preliminary study. In addition, the processor 110 compares the specific pattern extracted from the physiological and psychological response of the learner at the current point with the representative pattern stored through the prior research, so that each learner experiences a certain cognitive load in the process of learning the learning content. You can determine if there is.

일례로, 학습 콘텐츠의 과제복합성이나 난이도 등 높아 학습자에게 내재적 인지 부하가 과도하게 발생하고 있다고 판단되면, 프로세서(110)는 해당 학습 콘텐츠와 유사한 내용이면서 과제복합성이나 난이도가 낮은 학습 콘텐츠를 제시하여 학습자가 해당 내용에 숙달될 수 있도록 함으로써 학습자가 해당 학습 콘텐츠를 해결하는데 도움을 줄 수 있다.For example, if it is determined that the intrinsic cognitive load is excessively generated on the learner due to high task complexity or difficulty of the learning content, the processor 110 presents learning content similar to the learning content and with low task complexity or difficulty. It can help learners to solve the learning content by allowing them to become proficient in the relevant content.

또는 학습 콘텐츠와 관련하여 학습자들이 공통으로 경험하는 외재적 인지 부하가 과도하게 발생하는 구간이 있다고 판단되면, 프로세서(110)는 학습자들의 생리심리반응 가운데 시선 이동 정보와 매칭하여 해당 학습 콘텐츠에 대한 교수 설계적인 요소를 수정하도록 유도할 수 있다.Alternatively, if it is determined that there is a section in which the external cognitive load commonly experienced by learners is excessively generated in relation to the learning content, the processor 110 matches the gaze movement information among the learners' physiological and psychological responses to teach the learning content. It can lead to modifications to design elements.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전처리 과정을 플로우챠트로 도시한 도면이다.2 is a flowchart illustrating a data preprocessing process according to an embodiment of the present invention.

단계(210)에서, 인지부하 진단 장치(100)는 수집된 학습자의 생리심리반응의 정상 범위에 기초하여 이상치를 제거할 수 있다. 인지부하 진단 장치(100)는 일반적인 동공 크기의 범주(2.0-7.0mm)를 벗어나거나, 각 참여자(학습자)별 데이터 내에서 2.5 SD cut-off(평균으로부터 2.5 표준편차 지점)를 벗어나는 값은 결측치로 처리할 수 있다. In step 210, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may remove the outlier based on the collected normal range of the physiological and psychological responses of the learner. The cognitive load diagnosis device 100 is a value that is outside the general pupil size category (2.0-7.0mm) or outside the 2.5 SD cut-off (2.5 standard deviation point from the average) within the data for each participant (learner) is a missing value. Can be processed with

그리고, 인지부하 진단 장치(100)는 인지적 처리 요구(cognitive processing demand)에 따른 동공반응의 정상 범위를 벗어나는 값은 이상치로 간주하여 결측치로 처리할 수 있다. 본 발명에서 동공반응은 수집된 동공 크기 그 자체가 아닌, 관측치에서 개인별 기저반응을 뺀 동공 확장 정도로 계산하였다. 이 방식을 사용하였을 때 동공반응은 1.0mm를 넘지 않는다고 알려져 있다. 따라서 인지부하 진단 장치(100)는 관측치에서 개인의 기저반응을 제하였을 때, 변화 정도가 ㅁ1.0mm를 넘는 경우, 결측치로 처리할 수 있다. In addition, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may treat a value outside the normal range of the pupil response according to the cognitive processing demand as an outlier value and treat it as a missing value. In the present invention, the pupil response was calculated by subtracting the individual baseline response from the observed value, not the collected pupil size itself, and the degree of pupil dilation. It is known that the pupil response does not exceed 1.0mm when this method is used. Accordingly, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may treat the observed value as a missing value when the degree of change exceeds 1.0mm when the individual's baseline response is subtracted from the observed value.

또한, 인지부하 진단 장치(100)는 측정 기기와 눈 간 거리를 기준으로 이상치를 분류할 수 있다. 본 발명에서와 같이 고정형 아이트래커를 활용할 경우, 측정 기기와 눈 사이 거리가 너무 가깝거나 멀면 정확한 측정이 어려운 것으로 알려져 있다. 실험에 사용한 기기는 거리로 인해 발생할 수 있는 동공 크기 왜곡 문제를 보정할 수 있는 알고리즘을 내재하고 있었다. 그러나 인지부하 진단 장치(100)는 참여자(학습자)의 자세 변화 등의 이유로 눈-기기 사이의 거리가 권장 범위(35-95cm)를 벗어나는 데이터가 일부 발생할 경우, 이를 제거할 수 있다.In addition, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may classify outliers based on the distance between the measuring device and the eyes. In the case of using a fixed eye tracker as in the present invention, it is known that accurate measurement is difficult if the distance between the measuring device and the eye is too close or far. The device used in the experiment has an algorithm that can correct the problem of pupil size distortion that may occur due to distance. However, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may remove some data in which the distance between the eyes and the device is out of the recommended range (35-95cm) due to changes in the posture of the participant (learner) or the like.

단계(220)에서, 인지부하 진단 장치(100)는 이상치를 제거함으로써 발생된 학습자의 생리심리반응에 포함된 결측치를 선형 보간할 수 있다. 인지부하 진단 장치(100)는 불필요한 노이즈를 줄이고 다른 데이터와의 원활한 통합을 위하여 영상을 학습하는 동안 1/30초 간격으로 수집된 데이터 중 결측치를 제외한 양쪽 동공 크기 관측치를 1초당 평균으로 합할 수 있다. 이후 이상치로 판단되어 제거하였던 결측치는 선형 보간법(linear interpolation)을 통해 보정될 수 있다. In step 220, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may linearly interpolate the missing values included in the learner's physiological and psychological responses generated by removing the outliers. In order to reduce unnecessary noise and integrate seamlessly with other data, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may sum the observations of both pupil sizes excluding missing values among data collected at 1/30 second intervals while learning an image as an average per second. . Subsequently, the missing value determined as an outlier and removed may be corrected through linear interpolation.

단계(230)에서, 인지부하 진단 장치(100)는 선형 보간된 학습자의 생리심리반응을 시계열 데이터로 변환할 수 있다. 보다 구체적으로 인지부하 진단 장치(100)는 시계열분석을 하여 수집된 동공반응 데이터를 시계열 데이터로 변환할 수 있다. In step 230, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may convert the linearly interpolated learner's physiological and psychological responses into time series data. More specifically, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may convert the pupil response data collected by performing time series analysis into time series data.

이는 각 시점 별 동공반응이 점(point)으로 표현되어 있던 기존 데이터를 연속적인 시계열 객체(object)로 변환해 줄 수 있다. 또한 수집 시각(예: 2017-03-07 10:58:00 AM)으로 표현되었던 시간 정보를 임스탬프(timestamp) 형식의 인덱스(예: 1, 2, 3, 4…)로 전환해주어 학습자들이 영상의 특정 부분에서 보인 동공반응 간의 비교를 용이하게 해준다.This can convert the existing data, in which the pupil response for each time point is expressed as a point, into a continuous time series object. In addition, the time information expressed in the collection time (eg, 2017-03-07 10:58:00 AM) is converted into a timestamp-type index (eg 1, 2, 3, 4…) so that the learners can video Facilitates comparison between pupil reactions seen in specific areas of.

단계(240)에서, 인지부하 진단 장치(100)는 시계열 데이터로 변환된 학습자의 생리심리반응에 대해 데이터 스무딩(smoothing) 기법을 적용할 수 있다. 보다 구체적으로 인지부하 진단 장치(100)는 불필요한 노이즈를 줄이고 중요한 경향 위주로 동공반응의 변화를 파악하기 위하여 시계열 데이터를 Lowess(Locally weighted scatterplot smoothing) 기법을 활용하여 스무딩 할 수 있다.In step 240, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may apply a data smoothing technique to the learner's physiological and psychological responses converted into time series data. More specifically, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may smooth the time series data using a Locally weighted scatterplot smoothing (Lowess) technique in order to reduce unnecessary noise and identify changes in pupil response mainly on important trends.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 학습자의 생리심리반응에 대한 특정 패턴을 추출하는 방법을 도시한 예이다.3 is an example showing a method of extracting a specific pattern for a learner's physiological and psychological responses according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 학습 콘텐츠의 세부 학습 장면에서 학습자들이 경험하는 인지부하를 이해하기 위하여 시계열적인 접근을 활용하여 동공반응을 분석하는 방법을 제공한다. 시계열 분석은 시간 흐름에 따른 데이터의 변화 양상을 파악하고, 특정한 가치를 추출하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 시각화를 통해 일차적으로 데이터의 양상을 파악하고, 보다 세밀한 단위에서 나타나는 반응을 분석하기 위하여 군집분석을 활용할 수 있다. The present invention provides a method of analyzing pupil response using a time-series approach to understand the cognitive load experienced by learners in detailed learning scenes of learning content. Time series analysis aims to identify changes in data over time and extract specific values. To this end, in the present invention, cluster analysis may be used in order to first grasp the aspect of data through visualization and to analyze a reaction occurring in a more detailed unit.

군집분석(clustering)은 관측치의 특성을 이용하여 개체 사이의 유사성(similarity) 혹은 비유사성 정도를 측정하여 개체들을 가까운 순서대로 범주화하는 통계 기법이다. 군집분석은 데이터의 분포나 양상에 대한 사전 가정 없이도 활용할 수 있는 분석 기법이다.Clustering is a statistical technique that categorizes individuals in close order by measuring the degree of similarity or dissimilarity between individuals using the characteristics of observations. Cluster analysis is an analysis technique that can be used without prior assumptions about the distribution or pattern of data.

본 발명에서는 동영상 학습 과정 중 나타나는 동공반응의 변화를 통해 학습자의 인지부하를 이해하는 것을 목적으로 한다. 시간 흐름에 따른 동공반응 변화 양상을 통해 인간의 인지과정을 이해하려는 연구는 점차 늘고 있지만, 아직까지 이와 관련하여 알려진 모형(model)이나 범주 구분 기준은 마련되어 있지 않다. 따라서 '어느 데이터와 어느 데이터가 더 유사한가'를 파악하는 군집분석은 이러한 경우에 활용될 수 있는 적절한 탐색적 기법에 해당할 수 있다. An object of the present invention is to understand a learner's cognitive load through a change in pupil response that appears during a video learning process. Research to understand human cognitive processes through changes in pupil response over time is increasing, but there are no known models or criteria for categorization in this regard. Therefore, cluster analysis to determine'which data and which data are more similar' may correspond to an appropriate exploratory technique that can be used in this case.

시계열 군집분석(time-series clustering)은 유사성을 기준으로 그룹으로 묶이는 개체가 '사람'이 아니라 '시계열 데이터'라는 면에서 일반적으로 알려진 군집분석과 다르다. 시계열 군집분석 방법은 크게 전체 데이터의 유사성을 기준으로 군집을 도출하는 전체 시계열 군집화(whole time-series clustering), 시계열 데이터에서 추출된 부분 간 유사성을 기준으로 군집을 도출하는 하위 시퀀스 군집화(subsequence clustering), 그리고 피크와 같이 특이한 지점의 유사성을 기준으로 군집을 도출하는 시점 군집화(time-point clustering)와 같이 세 가지로 구분될 수 있다. Time-series clustering differs from commonly known cluster analysis in that individuals grouped into groups based on similarity are not'people' but'time series data'. The time series clustering method is largely whole time-series clustering, which derives clusters based on the similarity of all data, and subsequence clustering, which derives clusters based on the similarity between parts extracted from time series data. , And time-point clustering in which clusters are derived based on the similarity of peculiar points such as peaks.

전체 시계열 군집화는 전체 시계열 데이터가 긴 경우, 국소적으로 나타나는 유의미한 패턴을 반영하지 못한다는 약점이 있다. 반면 시점 군집화는 특정 이상치에 민감하기 때문에 의미 있는 정보를 도출하기 어렵다는 한계를 지닌다. 이에 본 발명의 인지부하 진단 장치(100)는 의미 있는 최소 단위에서의 하위 시퀀스 데이터를 도출하여 이들 간의 유사성을 기준으로 데이터를 범주화하는 하위 시퀀스 군집화를 활용하였다. The total time series clustering has a weakness that it does not reflect a significant pattern that appears locally when the total time series data is long. On the other hand, because viewpoint clustering is sensitive to specific outliers, it has a limitation that it is difficult to derive meaningful information. Accordingly, the cognitive load diagnosis apparatus 100 of the present invention utilizes sub-sequence clustering to derive sub-sequence data in a meaningful minimum unit and categorize the data based on similarities between them.

도 3을 참고하면, 본 발명의 인지부하 진단 장치(100)가 수행하는 군집분석 과정을 보여준다. 먼저, 인지부하 진단 장치(100)는 각 영상을 학습하는 동안 수집된 전체 학습자의 동공반응 데이터를 학습 소구간 단위(30 초 간격)로 분할할 수 있다. 이는 군집의 후보가 될 대상, 즉, 하위 시퀀스 데이터를 생성하는 단계에 해당할 수 있다. Referring to FIG. 3, a cluster analysis process performed by the cognitive load diagnosis apparatus 100 of the present invention is shown. First, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may divide the pupil response data of all learners collected while learning each image into learning sub-section units (30 second intervals). This may correspond to a step of generating sub-sequence data, that is, an object to be a candidate for the cluster.

다음으로 인지부하 진단 장치(100)는 CORT 방식을 활용하여 하위 시퀀스 데이터 간의 유사성을 측정할 수 있다. 군집분석은 기본적으로 관측치의 유사성 혹은 비유사성을 기초로 개체를 그룹화한다는 측면에서 '어떠한 기준으로 관측치 간의 유사성을 판단할 것인가'가 분석에서 매우 중요한 의사결정 요소가 될 수 있다.Next, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may measure similarity between sub-sequence data using the CORT method. In terms of grouping individuals based on similarity or dissimilarity of observations, cluster analysis can be a very important decision-making factor in the analysis.

본 발명의 인지부하 진단 장치(100)는 동공반응 간의 유사성을 판단하기 위하여 동공반응의 크기와 방향성을 모두 고려할 필요가 있다. 이는 각 시점에서 동공이 확장된 정도는 곧 인지부하의 정도와 관련이 있고, 방향성은 곧 구간 내에서 일어나는 변화의 양상을 보여주기 때문이다. The cognitive load diagnosis apparatus 100 of the present invention needs to consider both the magnitude and direction of the pupil reactions in order to determine the similarity between the pupil reactions. This is because the degree of pupil dilation at each point in time is directly related to the degree of cognitive load, and the directionality shows the pattern of changes occurring within the section.

CORT 방식은 유클리디언 거리 측정법의 장점인 신호의 크기를 잘 반영한다는 점과 상관계수를 활용하는 COR 방식의 장점인 데이터의 역동성을 잘 반영한다는 점을 고루 살린 유사성 측정 방식일 수 있다. 따라서, 인지부하 진단 장치(100)는 CORT 방식을 활용하여 하위 시퀀스 데이터 간의 거리를 측정할 수 있다. The CORT method can be a similarity measurement method that takes full advantage of the fact that it reflects the signal size, which is the advantage of the Euclidean distance measurement method, and that it reflects the dynamics of the data, which is the advantage of the COR method that uses a correlation coefficient. Accordingly, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may measure a distance between sub-sequence data using the CORT method.

그리고, 인지부하 진단 장치(100)는 와드연결법을 활용하여 군집을 형성할 수 있다. 와드연결법은 집단 간 모든 변수들 간의 거리제곱합을 고려하여 집단을 결정하며 집단 내 거리제곱합은 최소로 하는 방식이다. In addition, the cognitive load diagnosis apparatus 100 may form a cluster using a ward connection method. The ward connection method determines a group by considering the sum of squared distances between all variables between groups, and minimizes the sum of squared distances within the group.

인지부하 진단 장치(100)는 이와 같이 군집화된 결과를 학습자의 사전 지식 수준과 학습 콘텐츠의 과제복합성 수준을 고려하여 분석함으로써 학습자의 인지부하를 측정할 수 있다.The cognitive load diagnosis apparatus 100 may measure a learner's cognitive load by analyzing the clustered result in consideration of the learner's prior knowledge level and the task complexity level of the learning content.

도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 학습 대구간에서의 인지부하 탐색을 도시한 도면이다.4 to 5 are diagrams illustrating a cognitive load search between learning units according to an embodiment of the present invention.

주제에 따라 영상1(전칭ㅇ존재명제)과 영상2(양항명제)로 분류한 학습 대구간에서 학습자가 경험한 전반적인 인지부하를 살펴보고자 1) 사전지식 상ㅇ하 집단 간 동공반응 차이 검증과 2) 과제복합성 상ㅇ하 구간별 동공반응 차이 검증을 시행하였다.To examine the overall cognitive load experienced by learners in the learning zones classified into image 1 (formerly existential proposition) and image 2 (both term proposition) according to the subject 1) Verifying the difference in pupil response between the upper and lower groups of prior knowledge and 2 ) The difference in pupil response was verified by the upper and lower sections of the task combination.

<1. 사전지식 상ㅇ하 집단 간 동공반응 차이><1. Differences in pupil response between groups above and below prior knowledge>

각 집단의 표본 크기가 크지 않고, 정규성을 만족하지 않아 비모수적 방법인 윌콕슨 순위합 검정을 사용하여 두 집단 간 동공반응 평균 차이를 검증하였다. 분석 결과, 상ㅇ하 집단 간 동공반응 차이는 영상1(p=.49)과 영상2(p=.44)에서 모두 통계적으로 유의하지 않았다. 그러나 영상2(양항명제)에서의 두 집단 간 동공반응 차이가 영상1(전칭ㅇ존재명제)보다 컸음을 도 4를 통해 확인할 수 있다. Since the sample size of each group was not large and the normality was not satisfied, the difference in the mean pupil response between the two groups was verified using the Wilcoxon rank sum test, a nonparametric method. As a result of the analysis, the difference in pupil response between the upper and lower groups was not statistically significant in both image 1 (p=.49) and image 2 (p=.44). However, it can be seen from FIG. 4 that the difference in pupil response between the two groups in image 2 (both anti-proposition) was greater than that in image 1 (formerly existent proposition).

<2. 과제복합성 상ㅇ하 구간별 동공반응 차이> <2. Differences in pupil response by the upper and lower sections of the task combination>

과제복합성이 낮은 영상1(전칭-존재명제)과 높은 영상2(양항명제)에서 동공반응 차이가 있는지를 비모수적 방법인 윌콕슨 부호 순위 검정을 통해 사전지식 상-하 집단별로 확인하였다. 분석 결과, 상 집단(p=.97)과 하 집단(p=.10) 모두 영상1(전칭-존재명제)에서의 동공반응과 영상2(양항명제)에서 동공반응 간 차이가 통계적으로 유의하지 않았다. 데이터의 분포를 시각적으로 나타내면 도 5와 같다. Whether there was a difference in pupil response between image 1 (pre-existing proposition) and high image 2 (both term proposition) with low task complexity was confirmed by the prior knowledge upper-lower group through the Wilcoxon code ranking test, a non-parametric method. As a result of the analysis, there was no statistically significant difference between the pupil response in image 1 (pre-existing proposition) and pupil response in image 2 (double antithesis) in both upper group (p=.97) and lower group (p=.10). Did. The distribution of data is visually shown in FIG. 5.

데이터 분포의 1분위에서 3분위수 사이를 의미하는 상자그림(boxplot) 상의 박스 크기로는 상-하 집단 모두 과제복합성 수준에 따른 큰 차이가 나타나지 않았다. 그러나 하 집단에서는 과제복합성이 높아짐에 따라 동공반응 데이터의 중앙값이 크게 높아졌음을 확인할 수 있었다. 상 집단에서는 오히려 중앙값이 다소 낮아지는 경향이 확인되었다.As for the box size on the boxplot, which means between the first and third quartiles of the data distribution, there was no significant difference according to the level of task complexity in both the upper and lower groups. However, in the lower group, it was confirmed that the median value of the pupil response data increased significantly as the task complexity increased. In the upper group, it was confirmed that the median value was rather lowered.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 학습 중구간에서의 인지부하 탐색을 도시한 도면이다.6 to 9 are diagrams illustrating a cognitive load search in an intermediate learning section according to an embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 9를 참고하면, 보다 세부적인 분석 단위를 설정하여 학습 과정 중 변화하는 학습자의 인지부하를 이해하고자 하였다. 이를 위하여 동공반응을 하나의 값 형태로 요약하지 않고 연속성을 살려 데이터를 표현하는 시각화를 수행하였다. 이는 1) 전체 참여자의 동공반응 시각화와 2) 학습 내용에 따라 구분되는 학습 중구간에서의 집단별 동공반응 변화 시각화 두 가지로 진행하였다. 6 to 9, a more detailed analysis unit was set to understand the cognitive load of the learner that changes during the learning process. To this end, the pupil response was not summarized in the form of a single value, but a visualization was performed to express the data by utilizing the continuity. This was carried out in two ways: 1) visualization of the pupil response of all participants and 2) visualization of changes in pupil response by group in the middle learning section classified according to the learning content.

<1. 전체 참여자의 동공반응 시각화> <1. Visualization of pupil response of all participants>

데이터의 전반적인 경향을 확인하고자 영상1(전칭ㅇ존재명제)과 상2(양항명제)에서 수집된 전체 참여자의 동공반응을 연속된 선의 형태로 표시하였다. 도 6은 영상1(전칭ㅇ존재명제)에서 수집된 체 학습자의 동공반응을 시각화 한 결과이다. 전체 데이터는 약 -0.27mm에서 약 0.95mm 사이에 분포하고 있다. In order to confirm the overall trend of the data, the pupil responses of all participants collected in Image 1 (formerly existent proposition) and Phase 2 (both term proposition) were displayed in the form of a continuous line. 6 is a result of visualizing the pupil response of a sieve learner collected from image 1 (formerly known as the existence proposition). The total data is distributed between about -0.27mm and about 0.95mm.

도 7은 영상2(양항명제)에서 수집된 전체 학습자의 동공반응을 시각화 한 결과이다. 전체 데이터는 약 -0.40mm에서 1.00mm 사이에 분포하고 있다. 도 6과 도 7에서 확인되는 바와 같이 기본적인 전처리를 거쳤음에도 전체 시계열 데이터를 단순히 시각화하는 것만으로는 어떠한 특징이나 경향성을 발견하기 어려웠다. 7 is a result of visualizing the pupil response of all learners collected in Image 2 (Banghang Myungje). The total data is distributed between about -0.40mm and 1.00mm. As can be seen in FIGS. 6 and 7, even though basic pre-processing was performed, it was difficult to find any features or trends simply by visualizing the entire time series data.

따라서 사전지식 상ㅇ하 집단별로 동공반응의 변화를 선으로 나타낸 후 이를 학습 구간 단위로 구분하였다.(도 8 내지 도 9 참조) 그래프의 x축에는 학습 영상의 재생 시간을 나타내는 시간 인덱스를 표시하고, y축에는 해당 시점에서의 동공반응을 표시하였다. 선의 빨간색, 초록색은 각각 상-하 집단을 뜻하며, 선을 둘러 싸고 있는 회색 음영 부분은 95% 신뢰 구간을 표현한 것이다. 구간별 과제복합성은 각 구간별 하단에 제시하였다.Therefore, the change in pupil response for each group above and below the prior knowledge was represented by a line and then divided into units of learning intervals. (See Figs. 8 to 9) A time index indicating the playback time of the learning image is displayed on the x-axis of the graph. , on the y-axis, the pupil response at the time point was indicated. The red and green colors of the line represent the upper and lower groups, respectively, and the gray shaded part surrounding the line represents the 95% confidence interval. The combination of tasks for each section is presented at the bottom of each section.

<2. 집단별 동공반응 시각화> <2. Visualization of pupil response by group>

학습 과정에서 관찰된 동공반응 변화를 신호의 크기(amplitude)와 경향성(trend)이라는 측면에서 진술하면 다음과 같다. 먼저 과제복합성이 낮은영상1(전칭ㅇ존재명제)에서의 변화를 살펴보면, 구간 1-1에서 1-4까지는 상ㅇ하 집단의 동공반응이 크기와 증감의 방향 측면에서 유사한 양상을 보였다. 구간 1-5와 구간 1-6에서는 두 집단 모두 하락, 상승 경향을 보이기 때문에 경향성 측면에서는 유사하나 크기 측면에서 차이가 두드러지기 시작하였다.The change in pupil response observed in the learning process is described in terms of signal amplitude and trend. First, looking at the change in image 1 (formerly known as the existence proposition) with low task complexity, the pupil response of the upper and lower groups from sections 1-1 to 1-4 showed similar patterns in terms of size and direction of increase and decrease. In intervals 1-5 and 1-6, both groups showed a downward and upward trend, so they were similar in terms of tendency, but the difference began to be noticeable in terms of size.

구간 1-5에서 상 집단은 가파르게 하락하는 데 이어 다시 반등하는 형태를, 하 집단은 비교적 완만한 상태를 유지하였다. 크기 차이는 0.5mm에서 1.0mm까지 어지는 것으로 관찰되었다. 구간1-6에서 상 집단의 반응은 구간 초반 증가하는 형태를 보이다가 중반에서 하락 후, 학습이 종료되는 시점에는 반등하는 양상이 나타났다. 반면 하 집단의 경우 구간 1-5에서 이어진 상승세를 보이다가 중반 이후부터 학습이 종료되는 시점까지 완만하게 감소하는 형태를 띄었다. 두 집단 간 동공반응 차이는 최대 0.7mm까지로 나타났다. In section 1-5, the upper group declined sharply and then rebounded again, while the lower group remained relatively modest. The size difference was observed to range from 0.5mm to 1.0mm. In section 1-6, the response of the upper group increased at the beginning of the section, then declined in the middle, and then rebounded at the end of learning. On the other hand, in the case of the lower group, the trend continued from 1 to 5, and then gradually decreased from the middle to the end of learning. The difference in pupil response between the two groups was up to 0.7 mm.

과제복합성이 높은 영상2(양항명제)에서의 동공반응은 영상1(전칭ㅇ존재명제) 에서보다 집단 간 변이가 크게 나타났다. 학습이 시작되는 시점에 속하는 구간 2-1에서는 구간 1-1에서 관찰된 바와 같이 두 집단 모두 감소하는 형태를 보였다. 동공반응의 크기 역시 유사한 수준으로 나타났다. 구간 2-2에서 상 집단의 반응은 하락세가 이어졌지만, 하 집단은 완만한 상승 곡선을 보였다. 동공반응의 크기 차이도 벌어지는 양상이 관찰되었다. The pupil response in image 2 (positive proposition) with high task complexity showed greater variation among groups than in image 1 (formerly existent proposition). In section 2-1, which belongs to the starting point of learning, both groups showed a decreasing pattern as observed in section 1-1. The size of the pupil response was also similar. In section 2-2, the response of the upper group continued to decline, but the lower group showed a gentle upward curve. The difference in the size of the pupil response was also observed.

한편, 구간 2-3에서는 상 집단에서는 상승 형태가, 하 집단에서는 완만하게 하락하는 형태가 나타났다. 크기 차이는 줄어들어 중반 이후로는 그 차이가 오차 범위 내에 있었다. 구간 2-4에서 상 집단의 반응은 하락하였다가 다시 가파르게 상승하며, 하 집단은 점차 상승하는 형태를 보였다. On the other hand, in section 2-3, the upper group showed a rising pattern and the lower group showed a gentle decline. The difference in size was reduced, and after the middle, the difference was within the margin of error. In section 2-4, the response of the upper group declined and then rose again steeply, and the lower group gradually increased.

반응의 크기는 중반까지 두 집단 간 차이가 유지되다가 이후로는 줄어들었다. 구간 2-5에서 상 집단이 중반 지점에서 잠시 반등하는 형태를 보이다가 전반적으로 하락하는 경향을 보이는 것과 대조적으로 하 집단은 중반 이후부터 가파른 상승세를 보였다. 중반까지는 반응의 크기 차이가 크지 않은 데 반해 이후로는 급격하게 벌어지는 양상이 관찰되었다.The magnitude of the response maintained the difference between the two groups until the middle and then decreased. In section 2-5, the upper group showed a brief rebound at the mid point and then showed a tendency to decline overall, whereas the lower group showed a steep rise from the middle. The difference in the size of the response was not significant until the middle of the day, but the pattern was observed to take place rapidly afterwards.

구간 2-6에서 상 집단은 완만한 상승세를 이어가는 데 반해, 하 집단은 초반까지 감소세를 보이다가 이후 상승하는 경향이 나타났다. 두 집단 간 동공반응 크기 차이는 크지 않았다. 마지막 구간인 2-7에서 상 집단은 급락하는 반면, 하 집단은 완만하게 유지되었다. 두 집단 간 반응 크기 차이는 시작점을 기준으로 크게 벌어졌다가 종료 지점에서는 유사하였다.In section 2-6, the upper group continued to show a modest upward trend, while the lower group showed a downward trend until the beginning and then increased. The difference in the size of the pupil response between the two groups was not significant. In the last section, 2-7, the upper group fell sharply, while the lower group remained modest. The difference in response magnitude between the two groups widened greatly from the start point and was similar at the end point.

도 10 내지 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 학습 소구간에서의 인지부하 탐색을 도시한 도면이다.10 to 16 are diagrams illustrating a cognitive load search in a learning sub-section according to an embodiment of the present invention.

도 10 내지 도 16을 참고하면, 보다 세밀한 단위에서 탐색하기 위하여 재생 시간을 기준으로 구분한 학습 소구간별로 나타난 동공반응을 살펴보았다. 분석은 1) 학습 과정 중 수집한 동공반응의 하위 시퀀스를 활용한 군집화, 2) 군집화 결과에 해당하는 패턴의 비율을 기준으로 하는 사전 지식 상ㅇ하 집단 간 동공반응 차이 검증, 3) 패턴 비율을 활용한 과제복합성 상ㅇ하 구간에서의 동공반응 차이 검증 순으로 진행하였다. Referring to FIGS. 10 to 16, the pupil reactions shown for each learning sub-section divided based on the playback time were examined in order to search in a more detailed unit. The analysis consists of 1) clustering using the sub-sequence of pupil response collected during the learning process, 2) verifying the difference in pupil response between the upper and lower groups of prior knowledge based on the ratio of the pattern corresponding to the clustering result, and 3) the pattern ratio. The difference in pupil response in the upper and lower sections of the used task combination was verified in order.

<1. 학습 과정 중 수집한 동공반응의 하위 시퀀스를 활용한 군집분석 결과><1. Cluster analysis results using sub-sequences of pupil responses collected during the learning process>

분석에 앞서 군집 수를 결정하기 위하여 Gap statistic을 확인하였다. 도 10을 참조하면, 영상1(전칭ㅇ존재명제), 영상2(양항명제)에서의 하위 시퀀스를 구분하기 위한 적정한 군집 개수는 7개로 확인되었다. Gap statistic was checked to determine the number of clusters prior to analysis. Referring to FIG. 10, it was confirmed that the appropriate number of clusters for distinguishing sub-sequences in image 1 (formerly existent proposition) and image 2 (both term proposition) is seven.

이를 바탕으로 영상1(전칭ㅇ존재명제)의 하위 시퀀스 데이터를 7개의 군집으로 분류하고 그 결과를 일곱 가지 패턴(패턴 1~패턴 7)으로 정의하였다. 같은 군집에 속하는 데이터는 도 11에서 확인되는 바와 같이 1) 반응의 크기와 2) 그래프의 기울기라는 두 가지 측면에서 유사하였다. Based on this, the sub-sequence data of image 1 (formerly known as existential proposition) was classified into 7 clusters, and the results were defined as seven patterns (pattern 1 to pattern 7). Data belonging to the same cluster were similar in two aspects: 1) the magnitude of the response and 2) the slope of the graph, as shown in FIG. 11.

각 패턴의 전반적인 경향을 이해하고자 하위 시퀀스 군집화 결과의 대표선을 도 12와 같이 시각화 하였다. 기울기에 따라 패턴을 분류하면 패턴1과 패턴 5는 단조 감소의 형태를, 패턴 2와 패턴 7은 단조 증가의 형태를 띈다. 패턴 3, 패턴 5, 패턴 6은 복합적인 형태가 나타나는 것으로 패턴 3은 상승 후 하강하며, 패턴 4와 패턴 6은 감소 후 상승하는 형태를 보였다. 동공반응의 변화 폭은 모든 패턴에서 약 0.05mm에서 0.15mm 사이로 관찰되었다. In order to understand the overall trend of each pattern, a representative line of the subsequence clustering result was visualized as shown in FIG. 12. When patterns are classified according to the slope, patterns 1 and 5 take the form of monotonic decrease, and patterns 2 and 7 take the form of monotonic increase. Pattern 3, Pattern 5, and Pattern 6 showed a complex shape, with Pattern 3 rising and falling, and Pattern 4 and Pattern 6 decreasing and then rising. The width of change in pupil response was observed between about 0.05mm and 0.15mm in all patterns.

영상2(양항명제)의 하위 시퀀스 데이터를 7개의 군집으로 분류한 결과는 도 13과 같았다. 영상1에서와 마찬가지로 같은 군집으로 분류된 데이터는 1) 반응의 크기와 2) 그래프의 기울기라는 두 가지 측면에서 유사하였다. 각 패턴의 전반적인 경향을 이해하고자 영상2(양항명제)의 하위 시퀀스 군집화 결과도 도 14와 같이 대표선을 그려 확인하였다. The result of classifying the sub-sequence data of Image 2 (Bang Hang Title) into 7 clusters is shown in FIG. 13. As in image 1, the data classified into the same cluster were similar in two aspects: 1) the magnitude of the response and 2) the slope of the graph. In order to understand the overall trend of each pattern, the result of subsequence clustering of image 2 (positive title) was also confirmed by drawing a representative line as shown in FIG. 14.

방향성으로 패턴을 분류하면 패턴1, 패턴 2, 패턴 5는 단조 감소 형태, 패턴 3, 패턴 4, 패턴 6, 패턴 7은 단조 증가 형태로 나눌 수 있다. 패턴 2, 패턴 3, 패턴 4는 변동폭이 0.1mm를 넘지 않는 데 반해 패턴 1, 패턴 5, 패턴 6, 패턴 7은 0.2mm에서 0.3mm까지 변동폭이 크게 나타났다. When the patterns are classified by direction, Pattern 1, Pattern 2, and Pattern 5 can be divided into monotonically decreasing forms, and Pattern 3, Pattern 4, Pattern 6, and Pattern 7 can be divided into monotonically increasing forms. Pattern 2, Pattern 3, and Pattern 4 had fluctuations not exceeding 0.1 mm, whereas Pattern 1, Pattern 5, Pattern 6, and Pattern 7 had a large fluctuation range from 0.2 mm to 0.3 mm.

<2. 영상1에서의 인지부하 차이> <2. Difference in cognitive load in image 1>

가. 사전지식 상ㅇ하 집단 간 동공반응 패턴 비율 차이 검증 end. Verification of differences in the ratio of pupil response patterns between groups above and below prior knowledge

학습 소구간에서 사전지식 상ㅇ하 집단 간 인지부하에 차이가 있었는지를 살펴보기에 앞서 하위 시퀀스 군집화 결과와 참여자별, 구간 정보를 매칭하여 정리하였다. 이는 군집화 결과를 사전지식 수준과 과제복합성 수준과 매칭시켜 그 결과를 해석하기 위함이다. 도 15는 그 결과를 매트릭스 형태로 정리한 것이다. Prior to examining whether there was a difference in cognitive load between groups above and below prior knowledge in the learning sub-section, the result of sub-sequence clustering was matched with the information of each participant and section. This is to interpret the results by matching the clustering results with the level of prior knowledge and task complexity. 15 is a summary of the results in a matrix form.

도 15에 제시되어 있는 정보를 자세히 설명하면 다음과 같다. 첫 번째, 두 번째 열은 참여자의 정보를 뜻하는 것으로 각각 사전지식 집단과 참여자를 구분하기 위한 식별자인 ID를 의미한다. 데이터는 사전지식 상ㅇ하 집단 순, 그리고 ID의 오름차순 순으로 정리하였다. 세 번째 열부터 표시되어 있는 문자는 학습 소구간명을 뜻한다. 학습 소구간은 30초 간격으로 생성되었기 때문에 구간 1-A는 재생 시간을 기준으로 1초에서 30초까지를, 구간 1-B는 31초부터 60초까지를 의미한다. 구간명 아래에 배치되어 있는 1부터 7까지의 숫자가 군집분석 결과, 즉, 해당 구간에서의 동공반응을 패턴으로 분류한 결과를 뜻한다. The information presented in FIG. 15 will be described in detail as follows. The first and second columns refer to the participant's information, and each refers to an ID, which is an identifier for distinguishing between the prior knowledge group and the participant. The data was organized in the order of prior knowledge upper and lower groups, and in ascending order of ID. The letters marked from the third column indicate the name of the learning subsection. Since the learning sub-sections were created at 30 second intervals, section 1-A means from 1 to 30 seconds and section 1-B means from 31 to 60 seconds based on the playback time. The numbers from 1 to 7 placed under the section name mean the result of cluster analysis, that is, the result of classifying the pupil response in the section into a pattern.

영상1(전칭ㅇ존재명제)의 학습 소구간 단위에서 사전지식 수준에 따라 학습자들이 경험한 인지부하에 차이가 있는지를 살펴보고자 카이제곱검정을 활용하여 동공반응 패턴 분포 차이를 검증하였다. 과제복합성 상ㅇ하 구간을 포괄하는 전체 구간에서의 분석 결과, 아래의 표 3과 같이 유의확률 .01로 사전지식 상ㅇ하 집단 간 동공반응 패턴 비율에 차이가 있었다.In order to examine whether there is a difference in cognitive load experienced by learners according to the level of prior knowledge in the unit of learning subsection of image 1 (formerly known as existential proposition), the difference in the distribution of pupil response patterns was verified using a chi-square test. As a result of the analysis in the entire section including the upper and lower sections of the task complex, there was a difference in the pupil response pattern ratio between the prior knowledge upper and lower groups with a significance probability of .01 as shown in Table 3 below.

<표 3><Table 3>

Figure 112019044761208-pat00003
Figure 112019044761208-pat00003

사전지식 상 집단에서는 패턴 7이 25.7%로 가장 많이 나타났으며, 패턴 5와 패턴 1이 각각 21.9%, 19.3%를 차지하고 있다. 가장 적게 나타난 패턴은 패턴 2로 11회(5.9%) 등장하였다.In the prior knowledge group, pattern 7 was the most common at 25.7%, and pattern 5 and pattern 1 accounted for 21.9% and 19.3%, respectively. The least appeared pattern was pattern 2, which appeared 11 times (5.9%).

사전지식 하 집단의 동공반응에서도 패턴 7이 21.3%로 가장 많이 나타났으며, 패턴 3과 패턴 5가 그 뒤를 이었다. 가장 적게 나타난 패턴은 사전지식 상 집단과 마찬가지로 패턴 2(6회, 4.4%)였다. In the pupil response of the group under prior knowledge, pattern 7 was the most common with 21.3%, followed by pattern 3 and pattern 5. The least appeared pattern was Pattern 2 (6 times, 4.4%), similar to the prior knowledge group.

과제복합성 수준별로 사전지식 상ㅇ하 집단 간 동공반응 패턴 차이가 있는지 확인한 결과, 상 구간에서는 유의확률은 .23로써 집단 간 차이가 유의하지 않았다. As a result of checking whether there was a difference in the pupil response pattern between the upper and lower groups of prior knowledge according to the level of task complexity, the significance probability in the upper section was .23, and the difference between the groups was not significant.

반면 과제복합성 하 구간에서는 유의확률 .02로써 집단 간 패턴 차이가 아래의 표 4와 같이 유의하게 나타났다. 결과를 살펴보면, 과제복합성 상 구간에서 사전지식 상 집단의 동공반응에서는 패턴 7을 가장 많이 나타났으며, 패턴 2가 가장 적었다.On the other hand, in the section under the task combination, the difference in the pattern between groups was significant as shown in Table 4 below with a significance probability of .02. Looking at the results, pattern 7 was the most common and pattern 2 was the least in the pupil response of the prior knowledge group in the task complex phase.

<표 4><Table 4>

Figure 112019044761208-pat00004
Figure 112019044761208-pat00004

사전지식 하 집단의 동공반응에서는 패턴 1, 패턴 3, 패턴 5, 패턴 7이 동일한 빈도로 가장 많이 나타났으며, 패턴 2가 가장 작은 비율을 차지하였다. 반면 과제복합성 하 구간에서 사전지식 상 집단의 동공반응에서는 패턴 1이 가장 빈번하게 나타났으나 하 집단에서는 패턴 7이 가장 많이 나타났다. 가장 적게 나타난 패턴은 패턴 2로 같았다. In the pupil response of the group under prior knowledge, Pattern 1, Pattern 3, Pattern 5, and Pattern 7 appeared most at the same frequency, and Pattern 2 accounted for the smallest percentage. On the other hand, pattern 1 appeared most frequently in the pupil response of the group based on prior knowledge in the lower part of the task combination, but pattern 7 appeared most frequently in the lower group. The least appeared pattern was the same as pattern 2.

나. 과제복합성 상ㅇ하 구간별 동공반응 패턴 비율 차이 검증 I. Verification of differences in the ratio of pupil response patterns for each upper and lower section of the task synthesis

과제복합성 수준에 따른 인지부하의 변화를 이해하고자 과제복합성 상ㅇ하 구간에서 나타난 동공반응 패턴의 비율 차이를 아래의 표 5와 같이 검증하였다. 먼저 사전지식 상ㅇ하 집단을 구분하지 않고 과제복합성 상ㅇ하 구간에서의 동공반응 패턴 비율 차이를 검증한 결과, 유의확률 .95로 차이가 없었다. 과제복합성 상 구간에서는 패턴 5가 21.1%로 가장 많이 나타났으며, 패턴 1과 패턴 3이 각각 16.4%, 12.9%를 차지하고 있다. In order to understand the change in cognitive load according to the level of task combination, the difference in the ratio of the pupil response pattern that appeared in the upper and lower sections of the task combination was verified as shown in Table 5 below. First, as a result of verifying the difference in the proportion of pupil response patterns in the upper and lower sections of the task combination without classifying the upper and lower groups of prior knowledge, there was no difference with a significance probability of. In the task combination phase, pattern 5 was the most common at 21.1%, and pattern 1 and pattern 3 accounted for 16.4% and 12.9%, respectively.

<표 5><Table 5>

Figure 112019044761208-pat00005
Figure 112019044761208-pat00005

반면 과제복합성 하 구간에서는 패턴 7이 22.4%로 가장 많이 나타났으며, 패턴 5와 패턴 1이 각각 21.7%, 18.4%를 차지하고 있다. On the other hand, in the section under the combination of tasks, pattern 7 was the most common at 22.4%, and pattern 5 and pattern 1 accounted for 21.7% and 18.4%, respectively.

영상1(전칭ㅇ존재명제)에서 사전지식 집단의 과제복합성 상ㅇ하 구간별 인지부하에 차이가 있는지 검증하였다. 이를 위하여 집단별로 과제복합성 상ㅇ하 구간별 동공반응 패턴의 비율에 차이가 있는지 검증한 결과, 사전지식 상 집단(p=.53)과 하 집단(p=.70) 모두 과제복합성 수준에 따른 동공반응 패턴 비율에는 차이가 유의하지 않음을 하기의 표 6을 통해 알 수 있다.In image 1 (formerly the existence proposition), it was verified whether there was a difference in the cognitive load of each task combination upper and lower section of the prior knowledge group. To this end, as a result of verifying whether there is a difference in the ratio of the pupil response pattern by the task combination upper and lower sections for each group, prior knowledge upper group (p=.53) and lower group (p=.70) both pupils according to the level of task complexity. It can be seen from Table 6 below that the difference is not significant in the response pattern ratio.

<표 6><Table 6>

Figure 112019044761208-pat00006
Figure 112019044761208-pat00006

<3. 영상2에서의 인지부하 차이> <3. Difference in cognitive load in video 2

가. 사전지식 상ㅇ하 집단 간 동공반응 패턴 비율 차이 검증 end. Verification of differences in the ratio of pupil response patterns between groups above and below prior knowledge

영상2(양항명제)의 학습 소구간 단위에서 사전지식 상ㅇ하 집단 간 인지부하에 차이가 있었는지를 살펴보고자 도 16과 같이 하위 시퀀스 군집화를 시행하였다. 도 16은 영상1(전칭ㅇ존재명제)에서와 마찬가지로 동공반응 패턴을 각 학습자의 사전지식 수준, 구간의 과제복합성 수준과 매칭하여 나타내었다. Sub-sequence clustering was performed as shown in Fig. 16 in order to examine whether there was a difference in cognitive load between the upper and lower groups of prior knowledge in the unit of the learning sub-section of Image 2 (Banghang Proposition). 16 shows the pupil response pattern matched with the prior knowledge level of each learner and the level of task complexity in the section, as in Image 1 (formerly known as the existence proposition).

과제복합성 상ㅇ하 구간을 포괄하는 전체 구간에서의 상ㅇ하 집단 간 동공반응 패턴 비율은 유의확률 .01로 차이가 있었다. 자세한 빈도표는 아래의 표 7과 같다. The proportion of pupil response patterns between the upper and lower groups in the entire interval including the upper and lower sections of the task combination was significantly different, with a significance probability of .01. The detailed frequency table is shown in Table 7 below.

<표 7><Table 7>

Figure 112019044761208-pat00007
Figure 112019044761208-pat00007

결과를 살펴보면, 사전지식 상 집단에서는 패턴 2가 35.2%로 가장 많이 나타났으며, 패턴 3과 패턴 6이 각각 24.1%, 13.0%를 차지하고 있다. 가장 적게 나타난 패턴은 패턴 7로 6회(2.4%) 등장하였다. 사전지식 하 집단에서는 패턴 3이 25.0%로 가장 많이 나타났으며, 다음으로는 패턴 2, 패턴 1 순으로 많이 나타났다. 가장 적게 나타난 패턴은 사전지식 상 집단과 마찬가지로 패턴 7(3회, 1.6%)이었다. Looking at the results, in the prior knowledge group, Pattern 2 was the most common with 35.2%, and Pattern 3 and Pattern 6 accounted for 24.1% and 13.0%, respectively. The least appeared pattern was pattern 7 and appeared 6 times (2.4%). In the group under prior knowledge, pattern 3 appeared most at 25.0%, followed by pattern 2 and pattern 1, in that order. The least appeared pattern was Pattern 7 (3 times, 1.6%) as in the prior knowledge group.

과제복합성 상ㅇ하 구간에서 사전지식 상ㅇ하 집단 간 동공반응 패턴 차이가 있는지 확인한 결과, 상 구간(p=.01)에서는 집단 간 차이가 통계적으로 유의하였다. As a result of checking whether there was a difference in the pupil response pattern between the prior knowledge upper and lower groups in the upper and lower sections of the task combination, the difference between the groups was statistically significant in the upper section (p=.01).

반면 과제복합성 하 구간에서는 유의확률 .27로써 집단 간 차이가 유의하지 않았었다. 과제복합성 구간별로 사전지식 상ㅇ하 집단의 동공반응 패턴을 나누어 살펴본 결과는 아래의 표 8과 같다.On the other hand, in the section under the task combination, the difference between groups was not significant as the significance probability was. Table 8 below shows the results of dividing the pupil response patterns of the prior knowledge upper and lower groups for each task combination section.

<표 8><Table 8>

Figure 112019044761208-pat00008
Figure 112019044761208-pat00008

결과를 살펴보면, 과제복합성 상 구간에서 사전지식 상 집단의 동공반응에서는 패턴 2가 가장 빈번하게 관찰되었으며, 패턴 7이 가장 적게 나타났다. 사전지식 하 집단에서는 패턴 2가 가장 많이 나타났으며, 패턴 7이 가장 적었다.Looking at the results, in the pupil response of the prior knowledge phase group in the task complex phase, pattern 2 was observed most frequently, and pattern 7 was the least. In the group under prior knowledge, pattern 2 was the most common and pattern 7 was the least.

한편 과제복합성 하 구간에서 사전지식 상 집단의 동공반응을 살펴보면 패턴 2가 가장 많았으나 하 집단에서는 패턴 3이 가장 많이 나타났다. 가장 적게 나타난 패턴은 상ㅇ하 집단 모두 패턴 7로 나타났다. On the other hand, when looking at the pupil response of the group based on prior knowledge in the section under task combination, pattern 2 was the most, but pattern 3 was the most in the lower group. The least appeared pattern was pattern 7 in both the upper and lower groups.

나. 과제복합성 상ㅇ하 구간별 동공반응 패턴 비율 차이 검증 I. Verification of differences in the ratio of pupil response patterns for each upper and lower section of the task synthesis

과제복합성 수준에 따른 인지부하의 변화를 이해하고자 과제복합성 상ㅇ하 구간에서의 동공반응 패턴 차이를 분석하였다. 먼저 사전지식 수준에 따른 구분 없이 전체를 대상으로 차이를 분석한 결과, 유의확률 .02로 동공반응 패턴이 나타난 비율에 통계적으로 유의한 차이가 있음을 아래의 표 9를 통해 알 수 있었다. To understand the change in cognitive load according to the level of task complexity, the difference in pupil response patterns in the upper and lower sections of the task combination was analyzed. First, as a result of analyzing the difference for all without classification according to the level of prior knowledge, it can be seen from Table 9 below that there is a statistically significant difference in the proportion of the pupil response pattern with a significance probability of .02.

<표 9><Table 9>

Figure 112019044761208-pat00009
Figure 112019044761208-pat00009

영상2(양항명제)에서 사전지식 집단의 과제복합성 상ㅇ하 구간별 인지부하에 차이가 있는지 검증하였다. 이를 위하여 집단별로 과제복합성 상ㅇ하 구간에서의 동공반응 패턴 비율에 차이가 있는지 검증한 결과, 사전지식 상 집단(p=.08)과 하 집단(p=.11) 모두에서 그 차이가 통계적으로 유의하지 않음을 아래의 표 10을 통해 알 수 있었다. In Image 2 (Banghang Proposition), it was verified whether there was a difference in cognitive load for each upper and lower section of the task combination of the prior knowledge group. To this end, as a result of verifying whether there is a difference in the proportion of pupil response patterns in the upper and lower sections of the task combination for each group, the difference was statistically statistically significant in both the upper group (p=.08) and the lower group (p=.11) of prior knowledge. It can be seen through Table 10 below that it is not significant.

<표 10> <Table 10>

Figure 112019044761208-pat00010
Figure 112019044761208-pat00010

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the embodiment, and vice versa.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, configuring the processing unit to operate as desired or processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device or, to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. , Or may be permanently or temporarily embodyed in a transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited drawings, a person of ordinary skill in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as systems, structures, devices, circuits, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the following claims.

100 : 인지부하 진단 장치
110 : 프로세서
100: cognitive load diagnosis device
110: processor

Claims (14)

프로세서가 학습 콘텐츠에 대한 학습자의 사전 지식 수준 및 상기 학습 콘텐츠의 과제복합성을 평가하는 단계;
상기 프로세서가 상기 학습 콘텐츠를 학습하기 전 발생된 상기 학습자의 생리심리반응에 대한 기저반응을 측정하는 단계;
상기 프로세서가 상기 학습 콘텐츠를 학습하는 과정에서 발생된 상기 학습자의 생리심리반응 데이터를 수집하는 단계;
상기 프로세서가 상기 수집된 학습자의 생리심리반응 데이터를 일정 구간 간격으로 구분하여 하위 시퀀스 데이터를 생성하는 단계;
상기 프로세서가 상기 생성된 하위 시퀀스 데이터를 구성하는 학습자의 생리심리반응 데이터의 크기 및 방향성을 이용하여 상기 생성된 하위 시퀀스 데이터 간의 거리를 측정하는 단계;
상기 프로세서가 상기 측정된 하위 시퀀스 데이터 간의 거리를 이용하여 상기 하위 시퀀스 데이터 간 거리제곱합을 최소로하는 군집을 형성하는 단계; 및
상기 프로세서가 상기 군집화된 결과를 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 분석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 진단하는 단계
를 포함하는 인지부하 진단 방법.
Evaluating, by a processor, a learner's prior knowledge level with respect to the learning content and a task complexity of the learning content;
Measuring, by the processor, a baseline response to the learner's physiological and psychological responses generated before learning the learning content;
Collecting, by the processor, data on physiological and psychological responses of the learner generated in the process of learning the learning content;
Generating, by the processor, sub-sequence data by dividing the collected physiological and psychological response data of the learner at predetermined intervals;
Measuring, by the processor, a distance between the generated sub-sequence data by using the size and direction of the physiological and psychological response data of the learner constituting the generated sub-sequence data;
Forming, by the processor, a cluster that minimizes a sum of squares of distances between the sub-sequence data by using the measured distances between the sub-sequence data; And
Diagnosing the learner's cognitive load by analyzing, by the processor, the clustered result based on the learner's prior knowledge level and the task complexity of the learning content.
Cognitive load diagnosis method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 평가하는 단계는,
상기 학습 콘텐츠와 관련된 사전 지식 검사 성취도 및 학습 시스템 내에 수집된 데이터 중 상기 학습 콘텐츠에 대한 상기 학습자의 이전 성취도를 이용하여 상기 학습자의 사전 지식 수준을 평가하는 인지부하 진단 방법.
The method of claim 1,
The evaluating step,
A cognitive load diagnosis method for evaluating the level of prior knowledge of the learner by using the achievement level of a prior knowledge test related to the learning content and the previous achievement level of the learner for the learning content among data collected in the learning system.
제1항에 있어서,
상기 평가하는 단계는,
상기 학습 콘텐츠에 포함된 학습 과제를 구성하는 요소들의 개수를 이용하여 상기 학습 콘텐츠의 분석 단위에 따라 과제복합성을 평가하는 인지부하 진단 방법.
The method of claim 1,
The evaluating step,
A cognitive load diagnosis method for evaluating a task complexity according to an analysis unit of the learning content by using the number of elements constituting the learning task included in the learning content.
제1항에 있어서,
상기 수집하는 단계는,
상기 수집된 학습자의 생리심리반응 데이터의 정상 범위에 기초하여 이상치를 제거하는 단계;
상기 이상치를 제거함으로써 발생된 상기 학습자의 생리심리반응 데이터에 포함된 결측치를 선형 보간하는 단계;
상기 선형 보간된 학습자의 생리심리반응 데이터를 시계열 데이터로 변환하는 단계; 및
상기 시계열 데이터로 변환된 학습자의 생리심리반응 데이터에 대해 데이터 스무딩(smoothing) 기법을 적용하는 단계
를 포함하는 인지부하 진단 방법.
The method of claim 1,
The collecting step,
Removing outliers based on the normal range of the collected learner's physiological and psychological response data;
Linearly interpolating missing values included in the learner's physiological and psychological response data generated by removing the outliers;
Converting the linearly interpolated learner's physiological and psychological response data into time series data; And
Applying a data smoothing technique to the learner's physiological and psychological response data converted into the time series data
Cognitive load diagnosis method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 생리심리반응은,
동공 크기, 뇌파 및 심박 변이도 중 적어도 하나를 포함하는 인지부하 진단 방법.
The method of claim 1,
The physiological and psychological reaction,
A method for diagnosing cognitive load comprising at least one of pupil size, brain waves, and heart rate variability.
제1항에 있어서,
상기 진단하는 단계는,
상기 학습 콘텐츠의 내용 및 시점에 대해 상기 군집화된 학습자의 생리심리반응 데이터를 매칭하는 단계;
상기 매칭된 학습자의 생리심리반응 데이터를 상기 학습 콘텐츠의 학습 단위에 따라 분할하여 특정 패턴을 추출하는 단계; 및
상기 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 상기 추출된 특정 패턴을 해석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 측정하는 단계
를 포함하는 인지부하 진단 방법.
The method of claim 1,
The step of diagnosing,
Matching the clustered learner's physiological and psychological response data with the content and time point of the learning content;
Dividing the matched learner's physiological and psychological response data according to a learning unit of the learning content to extract a specific pattern; And
Measuring the learner's cognitive load by analyzing the extracted specific pattern based on the evaluated learner's prior knowledge level and task complexity of the learning content
Cognitive load diagnosis method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 프로세서가 상기 진단된 학습자의 인지부하에 기초하여 상기 학습자에게 상기 학습 콘텐츠에 대한 가이드를 제공하는 단계
를 더 포함하는 인지부하 진단 방법.
The method of claim 1,
Providing, by the processor, a guide to the learning content to the learner based on the diagnosed learner's cognitive load
Cognitive load diagnosis method further comprising a.
인지부하 진단 장치에 있어서,
프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
학습 콘텐츠에 대한 학습자의 사전 지식 수준 및 상기 학습 콘텐츠의 과제복합성을 평가하고, 상기 학습 콘텐츠를 학습하기 전 발생된 상기 학습자의 생리심리반응에 대한 기저반응을 측정하며, 상기 학습 콘텐츠를 학습하는 과정에서 발생된 상기 학습자의 생리심리반응 데이터를 수집하고, 상기 수집된 학습자의 생리심리반응 데이터를 일정 구간 간격으로 구분하여 하위 시퀀스 데이터를 생성하며, 상기 생성된 하위 시퀀스 데이터를 구성하는 학습자의 생리심리반응 데이터의 크기 및 방향성을 이용하여 상기 생성된 하위 시퀀스 데이터 간의 거리를 측정하고, 상기 측정된 하위 시퀀스 데이터 간의 거리를 이용하여 상기 하위 시퀀스 데이터 간 거리제곱합을 최소로하는 군집을 형성하며, 상기 군집화된 결과를 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 분석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 진단하는 인지부하 진단 장치.
In the cognitive load diagnosis device,
Including a processor,
The processor,
The process of evaluating the learner's prior knowledge level with respect to the learning content and the task complexity of the learning content, measuring the base response to the learner's physiological and psychological responses that occurred before learning the learning content, and learning the learning content Collects the learner's physiological and psychological response data generated in, divides the collected learner's physiological and psychological response data at regular intervals to generate sub-sequence data, and the learner’s physiological psychology constituting the generated sub-sequence data The distance between the generated sub-sequence data is measured by using the size and direction of the response data, and a cluster is formed to minimize the sum of the distance squares between the sub-sequence data by using the measured distance between the sub-sequence data, and the clustering Cognitive load diagnosis device for diagnosing the learner's cognitive load by analyzing the result based on the learner's prior knowledge level and task complexity of the learning content.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 학습 콘텐츠와 관련된 사전 지식 검사 성취도 및 학습 시스템 내에 수집된 데이터 중 상기 학습 콘텐츠에 대한 상기 학습자의 이전 성취도를 이용하여 상기 학습자의 사전 지식 수준을 평가하는 인지부하 진단 장치.
The method of claim 8,
The processor,
A cognitive load diagnosis apparatus for evaluating the level of prior knowledge of the learner using the achievement level of a prior knowledge test related to the learning content and the previous achievement level of the learner for the learning content among data collected in the learning system.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 학습 콘텐츠에 포함된 학습 과제를 구성하는 요소들의 개수를 이용하여 상기 학습 콘텐츠의 분석 단위에 따라 과제복합성을 평가하는 인지부하 진단 장치.
The method of claim 8,
The processor,
A cognitive load diagnosis apparatus for evaluating a task complexity according to an analysis unit of the learning content by using the number of elements constituting the learning task included in the learning content.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 수집된 학습자의 생리심리반응 데이터의 정상 범위에 기초하여 이상치를 제거하고, 상기 이상치를 제거함으로써 상기 학습자의 생리심리반응 데이터에 포함된 결측치를 선형 보간하며, 상기 선형 보간된 학습자의 생리심리반응 데이터를 시계열 데이터로 변환하고, 상기 시계열 데이터로 변환된 학습자의 생리심리반응 데이터에 대해 데이터 스무딩(smoothing) 기법을 적용하는 인지부하 진단 장치.
The method of claim 8,
The processor,
Based on the normal range of the collected learner's physiological and psychological response data, outliers are removed, and the missing values included in the learner's physiological and psychological response data are linearly interpolated, and the linearly interpolated learner's physiological and psychological responses A cognitive load diagnosis apparatus for converting data into time series data and applying a data smoothing technique to the learner's physiological and psychological response data converted to the time series data.
제8항에 있어서,
상기 생리심리반응은,
동공 크기, 뇌파 및 심박 변이도 중 적어도 하나를 포함하는 인지부하 진단 장치.
The method of claim 8,
The physiological and psychological reaction,
Cognitive load diagnosis apparatus including at least one of pupil size, brain waves, and heart rate variability.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 학습 콘텐츠의 내용 및 시점에 대해 상기 군집화된 학습자의 생리심리반응 데이터를 매칭하고, 상기 매칭된 학습자의 생리심리반응 데이터를 상기 학습 콘텐츠의 학습 단위에 따라 분할하여 특정 패턴을 추출하며, 상기 평가된 학습자의 사전 지식 수준 및 학습 콘텐츠의 과제 복합성에 기초하여 상기 추출된 특정 패턴을 해석함으로써 상기 학습자의 인지부하를 측정하는 인지부하 진단 장치.
The method of claim 8,
The processor,
Matching the clustered learner's physiological and psychological response data with respect to the content and time point of the learning content, dividing the matched learner's physiological and psychological response data according to the learning unit of the learning content to extract a specific pattern, and the evaluation Cognitive load diagnosis apparatus for measuring the cognitive load of the learner by analyzing the extracted specific pattern based on the prior knowledge level of the learned learner and the task complexity of the learning content.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 진단된 학습자의 인지부하에 기초하여 상기 학습자에게 상기 학습 콘텐츠에 대한 가이드를 제공하는 인지부하 진단 장치.
The method of claim 8,
The processor,
Cognitive load diagnosis apparatus for providing a guide to the learning content to the learner based on the diagnosed cognitive load of the learner.
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