교육용 인공지능 챗봇 의인화 설계원리 개발연구

Abstract

The educational role of artificial intelligence-based chatbots is expanding. While AI has been used as a tool for teaching and learning, recently it has had an agency like a teacher to support teaching and learning. As AI has educational agency, the possibility of social and emotional interaction between learners and AI is increasing. Learners are required to have the ability to communicate and collaborate with AI. From the perspective of AI, technology that can provide social and emotional responses to learners is required. However, the AI-based chatbots developed to date have not been able to provide learners with human-like social and emotional responses due to the technological limitations of computer vision and natural language processing, which are factors that hinder interaction and continuous learning with AI. Applying anthropomorphic cues to educational AI-based chatbots can elicit social and emotional responses from learners and facilitate their learning. Anthropomorphism is giving human-like characteristics to non-human objects. When anthropomorphism cues such as identity, appearance, and conversation are applied to AI, learners subconsciously perceive AI as a human. Learners perceive AI as a social actor and want to react socially and emotionally to AI. In this process, learners participate more cognitively and emotionally in learning with educational AI chatbots. However, in order for anthropomorphic cues to facilitate meaningful learning without increasing the extrinsic cognitive load of learners, the type and level of anthropomorphism must be carefully considered and designed. This study developed and validated design principles for anthropomorphizing educational AI chatbots. The design and development research methodology was applied, and the specific research questions were 1) What are the design principles of anthropomorphizing of educational AI chatbots, 2) Are the design principles for anthropomorphizing of educational AI chatbots internally valid, and 3) What are the effects of the design principles for anthropomorphizing of educational AI chatbots. The effect of the design principles was verified in terms of perceived anthropomorphism, social and emotional responses, learning engagement, learning outcomes, and usability of chatbots. To develop the design principles for anthropomorphizing educational AI chatbots, literature review and case analysis were conducted. Components, design principles, and detailed guidelines for anthropomorphizing educational AI chatbots were developed. Expert reviews were conducted for internal validation of the design principles, and the design principles were revised based on expert opinions. Finally, five components, eleven design principles, and twenty-six detailed guidelines were developed for anthropomorphizing educational AI chatbots. The components are Identity design, Appearance design, Conversation content design, Conversation expression design, and Conversation flow design. The design principles are 1) Principle of educational role assignment, 2) Principle of detailed identity design, 3) Principle of face and body design, 4) Principle of preventing user discomfort, 5) Principle of self-expression, 6) Principle of social expression, 7) Principle of recognition and memory expression, 8) Principle of verbal expression, 9) Principle of non-verbal expression, 10) Principle of early conversation flow design, and 11) Principle of mid-to-late conversation flow design, and detailed guidelines were developed for each principle. To verify the effects of the design principles for anthropomorphizing of educational AI chatbots, an AI chatbot that applied the design principles was developed, and expert reviews were conducted to modify the AI chatbot. A preliminary experiment was conducted with 10 learners to supplement the experimental procedures and tools, and a main experiment (pretest-posttest control group design) was conducted with 70 learners. In the experiment, multimodal data (facial expression, psychophysiological responses, chat log, screen recording, survey, interview data) were collected and analyzed to verify the impact of the anthropomorphic design principles on perceived anthropomorphism, social and emotional responses, learning engagement, learning outcomes, and usability of chatbots. The study found that the anthropomorphic design principles were effective in making learner perceive educational AI chatbots like humans, and they were also effective in inducing social presence and positive or negative emotions, which are social and emotional responses. In addition, the anthropomorphic design principles were found to enhance cognitive and emotional engagement in learning, but did not affect learning outcomes. Learners positively perceived learning with an anthropomorphic AI chatbot and perceived it as useful for learning. Based on these research findings, the effects of the anthropomorphic design principles on perceived anthropomorphism, social and emotional responses, learning engagement, learning outcomes, and usability of chatbots were discussed. As implications for the design and development of anthropomorphizing educational AI chatbots, 1) In order to increase the perceived anthropomorphism of educational AI chatbots, it is necessary to imitate the imperfect appearance of humans, 2) The goal of anthropomorphizing educational AI chatbots is to promote meaningful learning through social and emotional interaction between learner and AI, 3) It is important to adjust the level of anthropomorphizing educational AI chatbots according to learner characteristics, 4) Ethical considerations for the design and development of anthropomorphizing educational AI chatbots and proactive learner education are needed, 5) The design principles for anthropomorphizing educational AI chatbots have the value of cost-effectiveness. This study has theoretical significance in that it developes the design principles for anthropomorphizing AI chatbots for social and emotional interaction between learners and educational AI chatbots. And it scientifically verifies the educational effects of anthropomorphism in terms of learning process and outcomes based on multimodal data. This study has practical significance in that it provides specific prescriptions for designing AI whit an agency that interacts socially and emotionally with learners, breaking away from the conventional perspective that treats AI as a tool for teaching and learning. This study is expected to provide a cornerstone for the development of AI for collaboration and coexistence with learners.

최근 인공지능 챗봇(artificial intelligence-based chatbot)의 교육적 역할이 확대되고 있다. 그간 인공지능이 교수·학습을 위한 도구(tool)로 활용되어왔다면, 최근에는 교수·학습을 지원하는 교수자와 같은 행위자(actor)의 역할을 하고 있다. 인공지능이 교육적 행위자로 역할을 하면서 학습자와 인공지능의 사회정서적인 상호작용에 대한 가능성이 대두되고 있다. 학습자에게는 인공지능과 소통하고 협력할 수 있는 역량이 요구되고 있으며, 인공지능 차원에서는 학습자에게 사회정서적인 반응을 제공할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 하지만 현재까지 개발된 인공지능 챗봇은 컴퓨터 비전 및 자연어처리 기술의 한계로 학습자에게 인간과 같은 사회정서적인 반응을 제공하지 못하고 있으며, 이는 인공지능과의 상호작용이나 학습의 지속을 방해하는 요인으로 작용하고 있다. 교육용 인공지능 챗봇에 의인화(anthropomorphism) 단서를 적용하면 사용자의 사회정서적 반응을 유발하여 학습을 촉진할 수 있다. 의인화란 인간이 아닌 대상에 인간과 같은 특성을 부여하는 것이다. 인공지능에 정체성(identity), 외양(appearance), 대화(conversation)와 같은 의인화 단서를 복합적으로 적용하게 되면 학습자는 인공지능을 무의식적으로 인간처럼 지각하게 된다. 학습자는 인공지능을 사회적 행위자로 인식하고, 인공지능에게 사회정서적으로 반응하고자 한다. 이 과정에서 학습자는 교육용 인공지능 챗봇과의 학습에 인지 및 정서적으로 더 참여하게 된다. 하지만 의인화 단서가 학습자의 외재적 인지부하를 높이지 않고 유의미한 학습을 촉진하게 하기 위해서는 의인화의 방식과 수준을 세심하게 고려하여 설계하는 것이 필요하다. 본 연구는 이러한 점에 주목하여 교육용 인공지능 챗봇을 의인화하는 설계원리를 개발하고 교육적 효과를 검증하였다. 이를 위해 설계·개발 연구 방법론을 적용하였으며, 구체적인 연구 문제는 1) 교육용 인공지능 챗봇 의인화 설계원리는 무엇인가, 2) 교육용 인공지능 챗봇 의인화 설계원리는 내적으로 타당한가, 3) 교육용 인공지능 챗봇 의인화 설계원리의 효과는 어떠한가이다. 의인화 설계원리의 효과는 의인화 지각, 사회정서적 반응, 학습 참여, 학습 결과, 챗봇의 사용성에 미치는 영향을 중심으로 살펴보았다. 교육용 인공지능 챗봇 의인화 설계원리를 개발하기 위해 문헌 고찰과 사례 분석을 실시하였으며, 교육용 인공지능 챗봇 의인화를 위한 구성요소, 설계원리, 상세지침을 개발하였다. 설계원리에 대한 내적 타당화를 위해 전문가 검토를 실시하였으며, 전문가의 의견을 바탕으로 설계원리를 수정하고 보완하였다. 최종적으로 교육용 인공지능 챗봇 의인화를 위한 5개의 구성요소, 11개의 설계원리, 26개의 상세지침이 도출되었다. 구성요소는 정체성 설계, 외양 설계, 대화 내용 설계, 대화 표현 설계, 대화 흐름 설계가 도출되었으며, 설계원리는 1) 교육적 역할 부여의 원리, 2) 세부 정체성 설계의 원리, 3) 얼굴과 몸 디자인의 원리, 4) 사용자의 불편함 유발 방지의 원리, 5) 자기 표현의 원리, 6) 사회적 표현의 원리, 7) 인지 및 기억 표현의 원리, 8) 언어적 표현의 원리, 9) 비언어적 표현의 원리, 10) 대화 초반 흐름 설계의 원리, 11) 대화 중·후반 흐름 설계의 원리가 도출되었으며, 각 원리에 따른 상세지침이 도출되었다. 교육용 인공지능 챗봇 의인화 설계원리의 효과를 검증하기 위해 설계원리를 적용한 인공지능 챗봇을 개발하고, 전문가 검토를 실시하여 인공지능 챗봇을 수정하고 보완하였다. 학습자 10명을 대상으로 예비 실험을 실시하여 실험 절차와 도구를 보완한 뒤, 학습자 70명을 대상으로 본 실험(통제집단 사전-사후검사 설계)을 실시하였다. 실험에서 다중양식 데이터(표정, 생리심리, 로그, 스크린 녹화, 설문, 면담 데이터)를 수집하고 분석하여, 의인화 설계원리가 의인화 지각, 사회정서적 반응, 학습 참여, 학습 결과, 챗봇의 사용성에 미치는 영향을 검증하였다. 연구 결과, 의인화 설계원리가 교육용 인공지능 챗봇을 인간처럼 느끼게 하는 데 효과가 있었으며, 사회정서적인 반응인 사회적 실재감과 긍·부정 감정을 유발하는데도 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 의인화 설계원리가 학습에 대한 인지적 참여와 정서적 참여를 향상시키는 것으로 나타났으며, 학습 결과에는 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다. 학습자는 의인화 설계원리를 적용한 인공지능 챗봇과 학습하는 것에 대해 긍정적으로 인식했으며, 설계원리를 적용한 인공지능 챗봇이 학습에 유용하다고 인식했다. 이상의 연구 결과를 바탕으로 의인화 설계원리가 의인화 지각, 사회정서적 반응, 학습 참여, 학습 결과, 챗봇의 사용성에 미치는 영향에 대하여 논의하였다. 교육용 인공지능 챗봇 의인화 설계와 개발에 대한 시사점으로 1) 교육용 인공지능 챗봇에 대한 의인화 지각을 높이기 위해서는 인간의 불완전한 모습을 모방하는 것이 필요하다, 2) 교육용 인공지능 챗봇 의인화의 목표는 사회정서적 상호작용을 통해 유의미한 학습을 촉진하는 것이다, 3) 교육용 인공지능 챗봇 의인화의 수준을 학습자 특성에 따라 조절하는 것이 중요하다, 4) 윤리적인 측면에서 교육용 인공지능 챗봇 의인화의 설계·개발에 대한 고려와 선제적인 학습자 교육이 필요하다, 5) 교육용 인공지능 챗봇 의인화 설계원리는 비용효율성의 가치를 가진다는 것을 제시하였다. 본 연구는 학습자와 교육용 인공지능 챗봇의 사회정서적인 상호작용을 위해 인공지능 챗봇을 의인화할 수 있는 설계원리를 개발하였다. 그리고 다중양식 데이터를 바탕으로 의인화의 교육적 효과를 학습 과정과 결과의 측면에서 총체적이고 과학적으로 검증하였다는 점에서 의의가 있다. 본 연구는 인공지능을 교수·학습을 위한 도구로 여기던 기존의 관점에서 벗어나, 학습자와 사회정서적으로 상호작용하는 행위자로서의 인공지능을 설계하기 위한 구체적인 처방을 제공하였다는 점에서 실천적 의의가 있으며, 학습자와 인공지능의 협력(collaboration)과 공존(coexistence)을 위한 인공지능 개발에 초석을 제공할 것으로 기대된다.