혼합효과 랜덤 포레스트를 적용한 중학생의 학업성취도 설명 변인 탐색

Exploring Variables Explaining Middle School Students’ Academic Achievement Using Mixed-effect Random Forest: Based on NAEA Results

본 연구는 중학생의 국어, 수학, 영어 학업성취도의 주요 설명 변인을 탐색하고자 수행되었다. 이를 위해 한국교육과정평가원에서 제공하는 2020년 국가수준 학업성취도 평가의 중학생 자료를 활용하였으며, 학생이 학교에 내재된 다층 구조의 속성을 고려한 머신러닝 기법인 혼합효과 랜덤 포레스트(Mixed-effects random forest)기법을 적용하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다. 국어, 수학, 영어 공통적으로 ‘스스로 공부하는 시간’, ‘수업시간 집중도’, ‘운동 빈도’와 관련된 문항과 더불어 ‘학습 자료를 읽다가 혼돈되는 부분이 있을 때 되돌아가 이해하려고 노력한다’와 같은 학습 태도와 관련된 문항이 주요 설명 변인으로 도출되었다. 또한 교과별로 특징적으로 나타난 결과를 확인할 수 있었는데, 수학과 영어의 경우 ‘사설기관에서 제공하는 강의 참여 정도’와 관련된 문항과 각각의 교과 태도에서 교과에 대한 자신감과 끈기와 관련된 문항이 도출되었으나 국어의 경우 도출되지 않았다. 이 외에 국가수준 학업성취도 평가에서 제공하는 다양한 학생, 교사, 학교장 수준의 다양한 설문문항을 활용함으로써 도출된 분석 결과를 바탕으로 중학생의 국어, 수학, 영어 교과의 균형 있는 학업성취를 위한 시사점을 논의하였다.

This study aimed to explore the variables explaining middle school students’ academic achievement in Korean, math, English based on National Assessment of Educational Achievement(NAEA). For this purpose, the Mixed-effects random forest, a machine learning technique that considers multi-level data structure was used. The main results are as follows. First, the questions related to ‘study time on my own’, ‘concentration of class time’, ‘frequency of exercise’ and the questions related to the overall learning attitude, such as ‘I try to return and understand when there is confusion while reading learning materials’ were commonly selected as important explanatory variables in Korean, math, English. On the other hand, questions related to ‘participation in lectures provided by private institutions’, ‘confidence and persistence in subjects’ were selected as explanatory variables in math and English only, but not Korean. In addition, based on the analysis results derived by using various questions at the level of students, teachers, and principals provided in the national-level academic achievement evaluation, implications for balanced academic achievement of middle school students’ Korean, math, and English were discussed.