게임 기반 인공지능 융합 수업 모형 개발

Abstract

The core technology of Artificial Intelligence (AI), a key element of the Fourth Industrial Revolution, is revolutionizing many problem solving approaches in society. Accordingly, the need for AI integrated education with interdisciplinary characteristics is becoming prominent in the field of education to cultivate future talents for society. The purpose of AI education is to develop the capacity to utilize AI in solving real life problems, and game based learning that provides immersive learning experiences through problem solving processes is considered effective for this purpose. From a constructivist perspective, research on game based education focuses on students' game artifacts and suggests that the process of creating games through programming activities can enhance computational thinking. Consequently, game based learning for understanding AI has also been discussed. However, research that integrates AI with various subjects in a game based context is rare, and there have been few studies that apply game development using AI tools. While many studies have focused on the psychological effects of games, such as motivation, satisfaction, and enjoyment, research on the transformation of higher order thinking skills, such as computational thinking, has been relatively limited. Additionally, studies utilizing game mechanics such as missions and leaderboards are rare, and there is a lack of systematic design principles or instructional models based on literature research in the design phase. Therefore, there is a need for systematic design reflecting the key procedures of design based research on AI integrated classes, and empirical research on gamified elements and higher order thinking skills is necessary at this point. To address these gaps, this study aims to develop practical principles and instructional model for game based AI integrated classes in an elementary school context. The research questions were as follows: First, how is the game based AI integrated instructional model structured? Second, is the game based AI integrated instructional model internally valid? Third, what are the educational effects of the game based AI integrated instructional model? This study developed an initial instructional model of game based AI integrated classes using a design and development research methodology and the 4F Process, based on the derived components and design principles of the instructional models through a review of prior literature. To validate the content validity of the developed principles and instructional model, two rounds of expert validation were conducted with three experts in educational technology, two experts in game based learning, and two elementary and middle school teachers. Subsequently, the derived instructional model was implemented in an experimental group of 48 sixth grade students from "A" Elementary School in Seoul, while a control group received an AI integrated class without the application of the instructional model. The pre and post tests of computational thinking were analyzed using independent t-tests to examine the educational effects, and the reactions and opinions of the learners were examined through learners' reflective journals, questionnaires, and individual interviews. Based on the analysis of qualitative data from 26 participants in the experimental group and interview data from 10 learners, the game based AI instructional model that comprehensively considered various instructional factors was confirmed. Ultimately, the study developed a game based AI integrated class model and seven design principles. The class model consists of three stages: pre-game, in-game, and post-game, with a total of 10 detailed steps. The steps include 1) situational analysis, 2) goal setting, 3) game mechanics design, 4) class preparation, 5) game story introduction, 6) theme based curriculum learning support, 7) experience support using AI tools, 8) game production support using AI tools, 9) sharing and reflection support, and 10) summary and evaluation. The developed model is based on ten theoretical design principles and thirty-six detailed guidelines. Regarding the examination of the learners' post test computational thinking through the application of the instructional model, independent t-test results confirmed a significant difference in computational thinking between the two groups (t=2.127, p<.05), indicating that the design principles and model developed in this study had a positive impact on improving computational thinking. The experimental group, which received the game based AI integrated instructional model, showed an increase in computational thinking from 64.04 to 73.85 out of 100, while the comparison group increased from 60.45 to 62.50. The interviews with the learners revealed their satisfaction with the instructional model, as they experienced fun, immersion, active participation, knowledge construction, achievement, enjoyment of collaboration, enhancement of integrative competencies, and changes in perception of AI. This study is significant in several aspects: it developed design principles and the instructional model for game based AI integrated education following systematic procedures, it provided opportunities for learners to understand and utilize AI tools in a real life context and construct knowledge, it conducted classes that integrated various subjects around a central theme, promoting the enhancement of learners' integrative competencies, and it served as an empirical case of design and development research applied in practical educational context to validate the improvement of learners' computational thinking.

4차 산업 혁명의 핵심 기술인 인공지능이 사회의 많은 문제 해결 방식을 혁신하고 있다. 이에 따라 교육 현장에서는 미래 사회의 인재를 기르기 위해 간학문적 특성을 갖는 인공지능 융합 교육의 필요성이 부각되고 있다. 인공지능 교육의 목적은 실생활 문제 해결 과정에서 인공지능을 활용할 수 있는 역량을 기르는 것으로 문제 해결 과정을 통해 몰입도 높은 학습 경험을 제공하는 게임 기반 학습이 이에 효과적이다. 구성주의적 관점에서의 게임 기반 교육 연구는 학생들이 만드는 게임 산출물에 초점을 두며 프로그래밍 활동을 통하여 게임을 만드는 과정에서 컴퓨팅 사고력을 신장시킬 수 있다고 여겨진다. 이에 따라 인공지능의 이해와 활용을 위한 게임 기반 학습도 논의되어 왔다. 그러나 게임 기반 맥락에서 주제를 기반으로 여러 교과와 융합하여 인공지능을 활용한 연구는 드물었으며 인공지능 도구를 활용한 게임 만들기를 적용한 연구는 거의 없었다. 게임의 교육적 효과와 관련하여 동기, 만족, 재미 등 심리적 효과를 주요 결과로 다룬 연구는 많았으나 컴퓨팅 사고력과 같은 고차적 사고 능력의 변화를 다룬 연구는 상대적으로 적었다. 또한 미션, 리더보드 등 게임 메커닉스를 활용한 연구는 드물었으며 설계 단계에서 문헌 연구를 통한 체계적인 설계원리나 모형을 활용한 연구는 부족하였다. 따라서 인공지능 융합 수업에 대한 설계기반 연구의 핵심 절차를 반영한 체계적 설계가 필요하며, 게임화 요소 및 고차원적 사고력에 대한 실증적인 연구가 필요한 시점이다. 이에 본 연구에서 초등학교 맥락에서 게임 기반 인공지능 융합 수업을 진행할 때 실제적으로 활용 가능한 수업 설계원리와 수업 모형을 개발하기 위한 목적으로 설정한 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 게임 기반 인공지능 융합 수업 모형은 어떻게 구성되는가? 둘째, 게임 기반 인공지능 융합 수업 모형이 내적으로 타당한가? 셋째, 게임 기반 인공지능 융합 수업 모형은 어떠한 교육적 효과가 있는가? 본 연구는 선행문헌의 고찰을 통해 모형의 구성 요소와 설계원리를 도출한 후 설계·개발 연구방법론과 4F Process에 따라 게임 기반 인공지능 융합 수업의 초기 모형을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 게임 기반 인공지능 융합 수업 설계원리와 모형의 내용 타당도를 검증하기 위해 교육공학 전문가 3인, 게임 기반 학습 교육 전문가 2인, 초·중등 교사 2인을 대상으로 전문가 타당화 검증을 두 차례에 걸쳐 실시하였다. 이를 통해 도출한 수업 모형을 서울 소재 A초등학교 6학년 48명을 대상으로 게임 기반 인공지능 융합 수업 모형을 적용한 실험 집단과 수업 모형이 적용되지 않은 인공지능 융합 수업을 실시한 비교 집단으로 나누어 적용하였다. 이 과정에서 학습자의 사전·사후 컴퓨팅 사고력을 분석하여 교육적 효과를 살펴보고 학습자 성찰일지, 설문지 및 개별 면담을 통해 학습자의 반응과 의견을 확인하였다. 독립표본 t검정을 활용하여 실험 집단과 비교 집단 간의 컴퓨팅 사고력 사전·사후 검사 결과를 분석하였으며 실험 집단 26인의 질적 자료 및 학습자 10인의 면담 자료를 분석하여 다양한 교수학습 요소를 종합적으로 고려한 게임 기반 인공지능 수업 모형을 확정하였다. 최종적으로 게임 기반 인공지능 융합 수업 모형 및 7개의 설계원리가 개발되었다. 수업 모형은 크게 게임 전, 게임 중, 게임 후 과정의 세 단계로 이루어져 있으며 총 10개의 세부 단계를 포함한다. 각 단계는 1) 현황 분석, 2) 목표 설정, 3) 게임 메커닉스 설계, 4) 수업 준비, 5) 게임 스토리 도입, 6) 주제 중심 교과 내용 학습 지원, 7) 인공지능 도구 활용 경험 지원, 8) 인공지능 도구 활용 게임 산출물 제작 지원, 9) 공유 및 성찰 지원, 10) 정리 및 평가의 총 10개의 단계로 구성되었다. 본 연구에서 개발한 모형의 이론적 기저에 해당하는 설계원리 10개와 상세지침 36개가 도출되었다. 본 모형을 적용한 수업을 통한 학습자의 사후 컴퓨팅 사고력에 대한 독립표본 t검정 결과 두 집단 간의 컴퓨팅 사고력에는 유의한 차이가 있음을 확인하였다(t=2.127, p<.05). 게임 기반 인공지능 융합 수업 모형을 적용한 실험 집단은 100점 만점에 64.04점에서 73.85점으로 상승한 것으로 나타났으며 비교 집단은 60.45점에서 62.50점으로 상승한 것으로 나타났다. 이를 통해 본 연구의 수업 설계원리와 모형이 컴퓨팅 사고력 향상에 긍정적인 영향을 끼친 것을 확인할 수 있었다. 학습자를 대상으로 한 면담 결과, 본 연구에서 개발한 모형을 통해 학습자들은 재미와 몰입, 능동적 참여를 통한 지식의 구성, 성취감, 협업의 즐거움, 융합 역량의 증진, 인공지능에 대한 인식의 변화를 경험했다는 점에서 만족하였음을 확인하였다. 본 연구는 체계적 절차에 따라 게임 기반 인공지능 융합 수업 설계 원리와 모형을 개발하였다는 점, 실제적 맥락에서 인공지능 도구에 대한 이해와 활용을 경험하며 지식을 구성하도록 하였다는 점, 주제를 중심으로 각 과목의 간학문적 융합이 이루어지는 수업을 진행하며 학습자의 융합 역량을 신장을 꾀하였다는 점, 실제 교육 현장에 적용하여 학생들의 컴퓨팅 사고력의 향상을 검증한 설계·개발 연구의 경험적 접근 사례라는 점에서 의의를 지닌다.