초등수업용 인공지능 SW개발과 학습효과

국문 초록 (Abstract)

교육계에서는 이미 인공지능과 관련하여 질 좋은 프로그램들이 사용되고 있다. 영어 말하기 음성인식 어플리케이션도 있고, 학생의 수준에 맞는 수학 문제를 찾아 제공하는 어플리케이션도 있다. 그러나 이러한 소프트웨어들은 훌륭하지만, 학생들이 지속해서 이용하기에는 몇 가지 문제가 있다..
본 논문에서는 이러한 문제를 파악하고 학교의 실제 수업상황에서 적용할 수 있는 인공지능 프로그램들을 연구하고 제작하여 그 대안을 제시하였다.
첫째, 대중적인 인공지능 어플리케이션은 복잡한 회원가입 및 일부 유료로 인해 교육환경에서 학생들이 사용하기에 불편함이 있다. 일반적인 인공지능 어플리케이션은 회원가입 및 큰 용량의 다운로드 등을 전제로 하는 경우가 많다. 또한, 일부 기능이 유료이거나, 기간적 제한을 둬서 장기간 사용하기에 제약이 따르므로 수업에 이용할 수 있는 프로그램을 제작하였다.
둘째, 시중에 있는 인공지능 프로그램을 활용하여 다양한 교과목에 접목하기가 매우 난해하다. 과학과 같은 경우에는, 인공지능을 활용한 어플리케이션이 많이 있지만 수학이나 사회와 같은 교과목에서는 인공지능 기술을 적용하여 수업을 진행하기가 매우 어렵다. 따라서 인공지능의 원리를 나타내는 구글슬라이드나, 티처블머신 확장프로그램을 고안하여, 다양한 교과목의 수업에 적용해보았다.
셋째 인공지능의 원리를 초등수준에서 교육시키는 프로그램들이 많지 않다. 인공지능의 원리를 살펴보면, 가중치와 편향 그리고 퍼셉트론과 같은 개념이 나온다. 여기에서 더 나아가면, 활성화 함수도 알아야 하고, 가중치를 맞춰주는 과정에서 미분도 빼놓을 수 없는 개념이다. 하지만 초등 수준에서 이런 수학적인 개념을 교육시키기가 불가능하므로, 직관적인 방법으로 학생들에게 인공지능을 알려주기 위해 구글슬라이드와 같은 프로그램을 고안하였다.
본 논문은 이와 같은 기존 소프트웨어 프로그램의 문제점을 개선한 인공지능 프로그램들을 연구하고 제안하였다. 그리고 그 효과를 설문지를 사용하여 학생들을 조사하고 분석하였다.
본 논문에서 제안한 프로그램을 사용했을 때 그 효과성에 대하여 분석한 결과 첫째, 학생들은 시중의 타 프로그램에 비해 비교적 손쉽게 인공지능 프로그램에 접속할 수 있었다. 둘째, 인공지능 프로그램을 활용하여 폭넓게 타 교과와 연계가 가능한 수업을 할 수 있었다. 셋째, 일부의 학생들에게 인공지능의 원리를 초등 수준에서 직관적으로 교육시킬 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 2
• 가. 연구 문제 2
• 나. 연구 방법 3
• 3. 용어 정의 3
• 가. 스프레드시트와 앱스크립트 3
• 나. html과 css 4
• 다. 자바스크립트 5
• 라. CNN 5
• 마. Teachable-Machine 6
• 바. Mediapipe 6
• 사. OpenCV 7
• 아. 지도학습 7
• 자. 미디어아트와 미술교육 8
• 차. 비지도학습 8
• Ⅱ. 인공지능 기술을 활용한 SW 개발 10
• 1. Teachable-Machine을 활용한 평가프로그램 10
• 가. 프로그램에서 사용되는 Teachable-Machine 10
• 나. 개발 프로그램의 원리 13
• 다. 프로그램 코드 및 프로그램 작동 설명 13
• 2. 음성인식 API를 활용한 영어평가 프로그램 17
• 가. 영어프로그램에서 사용되는 음성인식 API 17
• 나. 개발프로그램의 원리 17
• 다. 프로그램 코드 및 프로그램 작동 설명 18
• 3. Mediapipe을 통한 미술교과 프로그램 22
• 가. 미술프로그램에서 사용되는 MediaPipe 22
• 나. 개발프로그램의 원리 23
• 다. 프로그램 코드 및 프로그램 작동설명 24
• 4. Mediapipe 및 OpenCV를 활용한 과학프로그램 27
• 가. 과학프로그램에서의 OpenCV 27
• 나. 개발프로그램의 원리 27
• 다. 프로그램 코드 및 프로그램 작동 설명 28
• 5. 구글슬라이드를 활용한 교과목에서의 지도학습활용 30
• 가. 초등교육에서의 지도학습 30
• 나. 개발프로그램의 원리 30
• 다. 프로그램 코드 및 프로그램 작동 설명 32
• 6. 구글슬라이드를 활용한 교과목에서의 비지도학습활용 33
• 가. 초등교육에서의 비지도학습 33
• 나. 개발프로그램의 원리 34
• 다. 프로그램 코드 및 프로그램 작동 설명 35
• Ⅲ. 초등 수업적용 방안 37
• 1. 티처블머신 프로그램의 수업에서의 활용 37
• 가. 티처블머신 수업 지도안 37
• 나. 프로그램을 활용한 수업 40
• 다. 프로그램 사용시 도달 가능한 성취기준 41
• 2. 음성인식 API를 활용한 영어 평가프로그램의 수업에서의 활용 42
• 가. 영어 평가프로그램 수업 지도안 42
• 나. 프로그램을 활용한 수업 44
• 다. 프로그램 사용시 도달가능한 성취기준 44
• 3. MideaPipe을 통한 미술교과 프로그램의 수업에서의 활용 45
• 가. 미술교과프로그램 수업 지도안 45
• 나. 프로그램을 활용한 수업 47
• 다. 프로그램 사용시 도달가능한 성취기준 48
• 4. MideaPipe 및 OpenCV를 활용한 과학동기 유발 프로그램의 수업에서 적용 49
• 가. 미술교과프로그램 수업 지도안 49
• 나. 프로그램을 활용한 수업 51
• 다. 프로그램 사용시 도달가능한 성취기준 52
• 5. 지도학습 프로그램을 수업에서 적용 53
• 가. 수학교과 프로그램 수업 지도안 53
• 나. 프로그램을 활용한 수업 56
• 다. 프로그램 사용시 도달가능한 성취기준 56
• 6. 비지도학습 프로그램을 수업에서 적용 57
• 가. 사회교과 프로그램 수업 지도안 57
• 나. 프로그램을 활용한 수업 60
• 다. 프로그램 사용시 도달가능한 성취기준 60
• Ⅳ. 연구 방법 및 연구결과 61
• 1. 실험설계 61
• 2. 검사도구 61
• 3. 인공지능을 수업교과목에 적용에 따른 인식변화 61
• 4. 인공지능의 원리에 대한 이해도 변화 62
• 5. 교과목에 인공지능을 활용하였을 때 수업의 이해도 변화 63
• 6. 학습을 하는데 도움이 된 프로그램 63
• Ⅴ. 논의 64
• 1. 제작한 인공지능 프로그램의 한계 64
• 2. 인공지능 원리 교육의 어려움 64
• 3. 초등교과교육으로써의 인공지능의 역할 65
• VII. 연구결과 66
• 1. 요약 66
• 2. 결론 66
• 가. 연구의 결론 66
• 나. 연구의 시사점 67
• 참 고 문 헌 68
• 부록 70
• 1. 사전 설문지 70
• 2. 사후 설문지 71
• ABSTRACT 72