본 연구는 뇌파검사(EEG)를 활용하여 학습자의 학습활동 중 나타나는 인지과정의 특징을 탐색하고자 하였다. 이를 위해 학습자의 학습활동 중에 나타나는 다양한 활성뇌파와 두뇌 기능과의 관계를 밝히고, 시각 및 청각 단기기억 학습, 작업기억 학습, 암기학습과 인출학습 및 이해력, 공간지각력, 추리력 등의 고차인지학습을 통한 학습자의 인지과정 중 특정 두뇌 영역에서 발현되는 뇌파의 특성을 분석하였다.
이를 위해 정신병력이나 학습능력에 대한 이상소견이 없는 중학교 3학년 학생 중에서 연구 참여를 희망하는 오른손잡이 학생 54명을 임의표집하여 실험 검사를 실시하였다. 이 학생들은 시각 및 청각 단기기억학습, 작업기억 학습, 암기학습, 인출학습, 고차인지학습(이해력, 공간지각력, 추리력) 활동을 하는 동안 EEG 뇌파검사를 받았고, 검사결과 수집된 자료는 뇌파 분석프로그램 및 SPSS 프로그램에서 기술통계, 대응표본 t 검정을 이용하여 통계처리 하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
첫째, 시각 및 청각 단기기억 학습 중에 나타나는 활성뇌파의 특징은 전두-두정 네트워크이며, 청각 단기기억 학습 중에 나타나는 활성뇌파의 특징은 전두-두정-후두 네트워크인 것으로 나타났다. 시각 단기기억 학습 시에 후두엽의 우세파는 베타파이며, 청각 단기기억 학습 시의 후두엽의 우세파는 세타파와 베타파인 것으로 볼 때 후두엽에서 자극의 입력과 처리 시에 나타나는 활성뇌파는 베타파라고 할 수 있다. 청각 단기기억 학습 시에 전두엽 외의 위치에서 세타파가 우세파로 나타난 본 연구의 결과는 시각 단기기억 학습 때보다 청각 단기기억 학습일 때 기억을 위한 두뇌활동이 더 활발히 이루어지고 있는 것으로 해석할 수 있다. 집중력 부족이나 학습능력이 떨어지는 학생들을 위해서 청각 단기기억 학습 시 나타나는 뇌파 특성을 이용한다면, 학습자에게 보여주는 시각 과제보다는 청각 과제를 제시하는 방법을 학습활동에 적용하는 것이 더 효과적일 수 있음을 시사한다.
둘째, 작업기억 학습활동 중에는 단기기억 학습활동 때와는 달리 전두엽에서는 알파파와 함께 세타파와 L-베타파가 감소하고, 중심엽에서는 L-베타파가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 집중상태에서 세타파가 감소하고 베타파가 증가한다는 선행연구를 비추어 보았을 때, 학습자의 집중력이 향상되는 것으로 해석할 수 있다. 언어 작업기억은 좌측 전두엽과 관련이 있고 시각 작업기억은 우측 전두엽과 관련이 있을 것이라는 연구가 있지만, 작업기억 학습 중에는 좌·우뇌의 구분 없이 모든 전두엽에서 감마파와 베타파가 우세파로 나타났다. 이는 뇌기능 영상법을 통한 연구에서 밝혀진 결과와 같이 작업기억 시에는 인지과정을 통제하고 직접 기억과 학습이 이루어지는 전두엽에서의 뇌파가 활성화되었음을 확인할 수 있는 결과이다.
셋째, 암기학습 중 나타나는 뇌파 특징은 같은 기억학습인 단기기억학습 시 나타나는 활성뇌파와는 차이가 있는 것으로 나타났다. 암기학습 중에도 작업기억과 마찬가지로 전두엽에서의 감마파와 측두엽에서 베타파가 활성화되는 공통된 결과를 보여주고 있긴 하지만, 암기학습 중에 나타나는 베타파의 특징은, 단기기억 학습보다는 작업기억 학습과 더 유사한 결과를 보이는 것으로 나타났다. 암기학습 중에 전두엽에서 감마파가 유의하게 증가하는 결과는 단기기억과 작업기억에서와 같이 기억학습을 위한 인지과정 중에 나타나는 공통점으로 유추할 수 있는 결과이다.
넷째, 인출학습 중에는 전전두엽에서도 감마파가 활성화되고, 전두엽에서 H-베타파가, 우측두엽에서 M-베타가 유의하게 증가하였다. 전두엽에서의 베타파와 감마파가 함께 활성화되는 것으로 볼 때 인출학습 활동 중에는 고차적인 정보처리 학습활동이 이루어질 때와 같은 뇌파활성도를 보이고 있음을 알 수 있었다. 전전두엽은 정보를 저장하고 조작하는 중요한 역할을 하는 영역으로 인출학습 중에는 파지된 정보의 인출만 이루어지는 것이 아닌 인출과정 중에 기억을 공고히 하기 위한 활동이 함께 이루어지고 있음을 유추할 수 있다. 이러한 결과는 전두엽에서의 베타파가 집중력이 요구되는 문제해결과 연관이 있는 뇌파로 감마파와 함께 활성화되는 것으로 볼 때, 암기학습보다 인출학습이 더 집중력을 요구하는 학습이며 인출학습 활동 중에 인지정보에 대한 통합과 능동적인 인지활동을 하고 있음을 시사하고 있다.
다섯째, 고차인지학습 중에는 전두엽과 두정엽의 신경망이 네트워크로 함께 활성화되는 것으로 나타났다. 이는 전두엽이 고차원적 인지기능을 수행할 때 두정엽과의 신경망적인 정보교류가 이루어지고 있음을 시사한다. 이해력· 공간지각력· 추리력 등의 학습 시 후두엽에서 복잡한 인지과제 수행 시 나타나는 세타파가 유의하게 증가하는 것은 이해력· 공간지각력· 추리력 등의 학습을 할 때 후두엽 쪽의 소뇌가 활성화된 것으로 해석할 수 있다. 고차인지학습 중에는 후두부(occipital)와 측두부(temporal areas)에서 세타파가 출현하며, 이는 창의적인 인지활동과도 높은 관련이 있다는 연구결과로 볼 때, 고차인지학습은 단기기억학습, 작업기억학습, 암기학습 및 인출학습과는 달리 학습자가 창의적 인지활동을 하고 있음을 보여주고 있다.
이러한 본 연구의 결과들은 각각의 학습활동에 대한 뇌파 특성에 차이가 있으며 학습활동 시에 활성화되는 우세파의 특징은 뇌기능 영상법에서의 두뇌 기능에 대한 부위와 뇌파 발현위치가 많은 부분 일치한다. 본 연구에서 뇌파검사를 통한 인지적 정보처리 학습활동 중에 나타나는 학습자의 뇌파 특징을 파악하는 것은 학습자의 학습특성을 설명해 줄 수 있고, 학습자의 인지 학습활동에 대한 구체적인 해석을 통해 학습자 특성 파악을 위한 과학적이고 실증적인 방법을 제공한 점에서 의의가 있다.

This study used EEG to analyze the characteristics of brain action during the cognitive process of learning. To this end, the study revealed the relationship between the various active brain waves and brain functions identified by brain imaging techniques during the learner''s learning activities, and analyzed the characteristics of brain waves through higher-order cognitive learning such as visual and auditory short-term memory learning, memorization and retrieval learning and understanding, spatial awareness and reasoning.
Fifty-four right-handed middle school students, who had no abnormalities in mental or learning skills participated in this study. The students were brain waves were recorded using EEG during visual and auditory short-term memory learning, task memory learning, retrieval learning, and higher-order learning (understanding, spatial perception, reasoning) activities. The main results of this study are:
First, the characteristics of active brain waves during visual and auditory short-term memory learning were frontal-symbolic networks, and that of active brain waves during auditory short-term memory learning were of frontal-cranial networks. The dominant wave of the occipital lobe in visual short-term memory learning is beta wave, and the dominant wave of the occipital lobe in auditory short-term memory learning is theta wave and beta wave, thus explaining active brain wave in input and processing of stimuli in the occipital lobe is beta wave. The results of this study, in which theta wave is dominant outside the frontal lobe during short-term auditory memorization, can be interpreted that learning is more active during short-term auditory learning than during short-term visual learning. For students with poor concentration or poor learning ability, it suggests that it may be more effective presenting auditory tasks rather than presenting visual tasks to learners.
Second, unlike as in short-term memory, in working memory, the prefrontal lobe showed a decrease in theta and L-beta, along with alpha waves, and a decrease of L-beta in central region. This can be interpreted as an improvement in the concentration of learners, given the preceding study that the theta wave decreases and the beta wave increases when concentrating. While studies suggest that language working memory may be related to the left frontal lobe and visual working memory may be related to the right frontal lobe, gamma and beta waves were dominant in all frontal lobes, regardless of the left or right. This is the result of the brain wave of the frontal lobe, which controls the cognitive process and is directly remembered and learned, as shown in the study through fMRI.
Third, the brain wave characteristics that appear during memorization learning are different from brain waves that appear during short-term memory learning, which is the similar memory learning. While memorization learning shows common results of activation of gamma waves in the frontal lobe and beta waves in the temporal lobe, the characteristics of beta waves during memorization learning show more similar results to task memory learning than short-term memory learning. The significant increase in gamma waves in the frontal lobe during rote learning is a result that can be inferred as a common feature during the cognitive process for short-term memory and working memory.
Fourth, during retrieval learning, gamma waves were also activated in the prefrontal lobe, H-beta in the frontal lobe and M-beta in the right temporal lobe increased significantly. Given the combination of beta and gamma waves in the frontal lobe, it was shown that during the retrieval learning activity, the brain wave activity was the same as when higher-order information processing learning activities were performed. The forefrontal lobe is an important area for storing and manipulating information, and it can be inferred that during retrieval learning, there is not only retrieval of information, but also activity to consolidate memory during the retrieval process. These results suggest that the beta wave in the frontal lobe is activated with gamma waves, which are associated with problem solving requiring concentration, and that retrieval learning requires more concentration than memorization, and integration of cognitive information and active cognitive activities occur during retrieval learning activities.
Fifth, during higher-order cognitive learning, the neural networks of the frontal and parietal lobes were activated together by the network. This suggests that neural information exchange with parietal lobes is taking place when the frontal lobe performs high-dimensional cognitive functions. The significant increase in the number of theta wave that appear when carrying out complex cognitive tasks in the occipital lobe during learning comprehension, spatial awareness, and reasoning power can be interpreted as the activation of the cerebellum on the occipital side. During higher-order cognitive learning, theta wave appears in the occipital and temporal areas, which are also highly related to creative cognitive activities, showing that higher-order learning has cognitive activities unlike short-term memory, working memory, memorization, and retrieval learning.
The results of these studies differ in the characteristics of brain waves for each learning activity, and the dominant wave features activated during the learning activity correspond in many areas to brain functional imaging and brain wave expression locations. In this work, identifying the brain wave characteristics of learners during cognitive information processing learning activities through brain wave analysis can explain learning and provide scientific and empirical methods for understanding learners'' characteristics.