로봇활용 중등과학 AI융합 교육프로그램 개발 및 적용 : 로봇활용 중등과학 AI융합 교육프로그램 개발 및 적용 = Development and Implementation of an AI Convergence Education Program using Robots for Middle School Science

국문 초록 (Abstract)

국문 초록 및 주제어 현대 사회는 복잡하고 다양한 문제들로 가득 차 있으며, 학생들이 이러한 문제를 창의적이고 효율적으로 해결할 수 있는 능력을 배양할 수 있는 융합 교육이 지속적으로 이루어질 필요가 있다. 정보가 넘쳐나는 현대 사회에서 데이터의 중요성은 날로 증가하고 있으며, 데이터를 제대로 이해하고 분석하여 현대 사회의 복잡한 문제를 해결할 수 있는 교육이 필수적이다. 이러한 교육의 방향은 과학 교육과 인공지능 교육에서 매우 유사하게 나타난다.
로봇을 활용한 교육은 실세계의 복잡한 문제를 물리적으로 모델링하여 시연할 수 있는 학습 환경을 제공함으로써, 문제 해결력, 컴퓨팅 사고력 등 인지 영역뿐만 아니라 몰입, 흥미 등 정의적 영역에서도 효과적임을 보여주지만, 현재 중등 과학 교육에서는 제대로 활용되고 있지 않다.
앞으로 과학 교육은 지능형 과학실을 통해 다양한 데이터의 수집, 분석, 시각화 탐구 활동을 실천해야 하며, 이러한 과정에서 직접 필요한 센서를 연결할 수 있는 모듈형 로봇을 활용하여 상호작용하고 몰입할 수 있는 수업 환경을 제공한다면, 2022 개정 교육과정에서 강조하는 디지털 소양뿐만 아니라 과학 교과에서 함양해야 하는 핵심역량, 동기와 만족도 등 정의적 영역에도 긍정적인 영향을 줄 것으로 예상된다. 따라서 중등 대상의 로봇 활용 AI융합 과학 교육 프로그램 개발이 필요한 상황이다.
이에 본 논문에서는 2022 개정된 교육과정에서 제시된 기후변화와 관련된 과학 및 정보 과목의 성취기준을 재구성하여, 기후위기를 해결하기 위한 로봇 활용 중등 과학 AI융합 교육 프로그램을 16차시로 개발하였다. 이 프로그램을 중학생을 대상으로 적용하여 데이터 리터러시와 인공지능 리터러시뿐만 아니라 과학 교과의 핵심역량 및 과학적 태도에 대한 교육적 효과와 융합 프로그램의 핵심역량 분석을 통해 그 효과성을 살펴보았다.
이 논문의 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 중등 교육에서 적용할 수 있는 상호작용적 학습환경을 제공하는 로봇을 활용한 과학 AI융합 교육프로그램을 개발하였다.
둘째, 개발된 교육프로그램이 중학생들에게 데이터 리터러시, AI 리터러시, 과학과 핵심역량, 과학적 태도에 긍정적인 영향을 주었고, 개발된 교육프로그램은 과학적 핵심역량 함양을 위해 데이터 및 AI 리터러시 융합 교육이 매우 효과적이면서 과학적 태도 함양을 위해 과학적 핵심역량 함양 교육이 효과적임을 알 수 있다.
이를 통해 교구용 로봇을 활용한 과학 AI융합 교육이 중학생들에게도 효과적인 교수·학습 방법임을 보였다.
본 논문에서 개발된 교육프로그램은 과학, 정보 교과 시간뿐 아니라 2022 개정 교육과정에서 신설되어 운영되는 학교 자율 교육과정과 연계하여 교육프로그램으로 활용되거나 동아리 지도, 디지털 새싹 캠프 등 다양하게 운영될 수 있다. 또, 교사 교육과정으로 깊이 있는 학습이 이루어질 수 있는 교육과정 개발의 활성화에 긍정적인 영향을 미치길 기대해본다.
키워드: 인공지능융합교육, 로봇활용교육, AI융합과학교육, 2022 개정 교육과정, 학교 자율 교육과정
Keyword: Artificial Intelligence Convergence Education, AIRobot Education, AI Convergence Science Education, National 2022 Revised Curriculum, School Autonomous Curriculum
※ 본 논문의 교육프로그램은 청주교육대학교 디지털 새싹 사업의 “인공지능 로봇 활용을 위한 데이터 리터러시 여행” 프로그램에 기반하여 중등 특화과정으로 개발되었으며, 집합형 수업(2024년 06월)으로 운영하였음.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적1
• 2. 연구 문제3
• II. 이론적 배경 4
• 1. AI융합 과학교육4
• 2. 로봇활용 AI융합교육 8
• 3. 기후 관련 과학교육 10
• III. 연구 방법 12
• 1. 연구 절차 12
• 2. 연구 대상 16
• IV. 프로그램 개발 17
• 1. 준비 17
• 1.1. 2022 개정 교육과정 분석 17
• 1.2. 검사도구 선정 23
• 2. 개발 27
• 2.1. 성취기준 및 내용 선정27
• 2.2. 차시별 교수학습 자료 개발30
• 2.3. 전문가 검토 33
• V. 프로그램 적용36
• 1. 기후와 빅데이터 36
• 2. 기후위기 해결 AI로봇 제작39
• 3. 데이터 윤리 포스터 제작43
• 4. 사후 검사 및 자기 평가 45
• VI. 프로그램 평가 47
• 1. 프로그램의 효과성47
• 1.1. 데이터 리터러시47
• 1.2. AI 리터러시 48
• 1.3. 과학과 핵심역량49
• 1.4. 과학적 태도 50
• 2. 융합 교육프로그램의 핵심역량 분석 51
• 2.1. 과학과 핵심역량의 상관 및 회귀 분석51
• 2.2. 과학적 태도의 회귀 분석 52
• 3. 프로그램 보완 53
• Ⅶ. 결론54
• 참고문헌 56
• 부록 59
• 로봇 활용 중등 과학 AI융합 프로그램의 교수학습 자료 59
• ABSTRACT80