생성형 AI를 활용한 과학교육 분야의 국내외 연구 동향 -수업 설계와 학습 도구로서의 활용 분석- = Trends in Domestic and International Research on the Use of Generative AI in Science Education: An Analysis of Its Application in Class Design and as a Learning Tool

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 2023년 1월부터 2024년 6월까지 발표된 국내외 과학교육 분야에서 생성형 AI를 활용한 연구를 분석하여, 과학교육에서의생성형 AI 관련 국내 및 해외 연구 동향을 파악하고자 하였다. 특히과학교육에서 생성형 AI 활용에서 수업 설계와 학습 도구로 구분하고, 학습 도구로 활용될 때 Norman L. Webb의 지식의 깊이(DOK) 수준에 따라 체계적으로 분석하였다. 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 생성형 AI를 활용한 과학교육 연구는 2023년 이후 급증하였으며, 국내에서는 주로 초등학교와 고등학교에서, 국외에서는 대학에서 활발하게 이루어졌다. 특히 ChatGPT가 가장 많이 활용되었으며, 연구 주제는 주로 효과성 검증에 집중되어 있다. 둘째, 생성형 AI는 과학수업에서 주로 수업 설계와 학습 도구의 두 가지 목적으로 활용되었다. 수업 설계에서는 학습 목표 설정, 자료 구성, 평가 계획 수립 등을지원하였고, 학습 도구로는 자료 검색, 탐구 활동 보조, 글쓰기 과정에서 아이디어 제공 등의 역할을 수행하였다. 셋째, 생성형 AI를 학습도구로 활용할 때 DOK 수준으로 보면 기본적인 정보 검색부터 복잡한 분석과 창의적 사고를 지원하지만, 항상 최상의 결과를 보장하지는 않는다. 따라서 학습자가 고차원적 사고를 효과적으로 할 수 있도록 이에 대한 교육 연구가 추가로 필요하다. 이러한 분석과 논의를통해 과학교육에서 생성형 AI가 수업 설계와 학습 도구로 어떻게활용될 수 있는지를 다루었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study analyzed research published between January 2023 and June 2024 in the field of science education that utilized generative AI, with the aim of identifying both domestic and international research trends related to generative AI in science education. Specifically, the use of generative AI in science education was categorized into class design and learning tools, and its application was systematically analyzed based on Norman L. Webb’s Depth of Knowledge (DOK) levels when used as a learning tool.
The results are as follows. First, the number of studies on the use of generative AI in science education has surged since 2023, with research in South Korea focusing primarily on elementary and high school levels, while internationally, studies have been more active at the university level. ChatGPT was the most frequently utilized tool, and the main research focus was on evaluating its effectiveness. Second, generative AI has been used primarily in science education for two main purposes: lesson planning and as a learning tool. In lesson planning, it supports tasks such as setting learning objectives, organizing materials, and designing assessment plans. As a learning tool, it plays roles such as assisting with information retrieval, supporting inquiry activities, and providing ideas during the writing process Third, when used as a learning tool, generative AI supported tasks ranging from basic information retrieval to complex analysis and creative thinking based on DOK levels, but it did not always guarantee optimal outcomes. Thus, further research is needed on how teachers can play a concrete instructional role to enable students to engage in higher-order thinking. Therefore, additional educational research is needed to enable learners to engage in higher-order thinking. Through this analysis and discussion, we explored how generative AI can be utilized in science education as both a class design and learning tool.