인공지능 리터러시 향상을 위한 공간 데이터 활용 인공지능 융합교육 프로그램 개발

Abstract

인공지능 기술의 발달로 머신러닝부터 딥러닝, 생성AI까지 다양한 범주의 인공지능 기술이 생활 속에서 자연스럽게 활용됨에 따라 인공지능 리터러시 역량을 기르는 것이 강조되고 있다. 인공지능 교육은 융합교육의 측면에서 이뤄져야 한다. 인공지능 융합교육은 학생들이 실생활에서 경험할 수 있는 문제를 인공지능과 그 원리를 이해한 것을 바탕으로 융합적 사고를 통해 해결하는 것이다. 따라서 인공지능 융합교육은 인공지능을 타 교과 학습을 위해 단순히 도구로만 활용하는 것과 차이가 있으며 기술적인 측면에만 초점을 맞추는 데이터 과학적 학습과도 차별화된다. 그러나 초등학교 중학년을 대상으로 한 연구에서는 인공지능 융합교육에 대한 연구는 활발하지 않았으며 기술 체험 위주의 연구가 주를 이뤘기에 초등학교 중학년을 대상으로 한 인공지능 융합교육 프로그램을 개발할 필요가 있다. 한편 인공지능이 데이터를 학습하는 것을 고려한다면, 학생들이 다양한 유형의 데이터를 경험해보는 것은 중요함에도 불구하고 인공지능 교육에서 활용되는 데이터는 이미지 데이터 또는 단순한 숫자 데이터에 그치고 있다. 그러나 현실에서 수집되는 데이터는 위치 정보를 포함한 경우가 많으며 사건은 장소와 복합적으로 상호작용하며 발생하기 때문에 공간 데이터를 이해하고 처리하는 경험을 하는 것이 필요하다. 공간 데이터를 인공지능 교육에 활용한다면 학생들이 인공지능을 실생활과 연결지을 수 있으며 공간 데이터라는 새로운 유형의 데이터를 경험하는 것이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 초등학생을 대상으로 인공지능 리터러시 향상을 위해 공간 데이터를 활용하는 인공지능 융합교육 프로그램을 개발하였다. 본 연구의 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 공간 데이터를 활용한 인공지능 융합교육 프로그램은 어떻게 구성되는가? 둘째, 개발된 프로그램은 인공지능 리터러시 향상에 효과적인가? 인공지능 융합교육 프로그램을 개발하기 위해 ADDIE 모형의 절차에 근거하여 연구를 진행하였다. 먼저 분석 단계에서는 본 프로그램을 적용하게 될 학습자에 대해 분석하였으며 프로그램에 포함해야 할 교육내용을 분석하고, 교육내용을 구조적으로 구성하기 위해 인공지능 교육과 관련된 교수학습 모형을 분석하였다. 이후 설계 단계에서는 프로그램의 목표를 설정하고 융합하고자 하는 주제에 해당하는 교과인 사회과의 성취기준을 확인하여 교육과정을 재구성하였으며 차시별 프로그램을 설계하였다. 개발 단계에서는 각 차시별 수업자료와 구체적인 활동을 개발하였으며 이후 개발된 교육 프로그램에 대해 전문가 6인의 검토를 통해 타당화를 실시하였다. 타당화 과정을 통해 보완 및 수정된 최종 교육 프로그램을 도출하였다. 실행 단계에서는 초등학교 4학년 22명의 학생을 대상으로 최종 개발된 교육 프로그램을 적용하였다. 적용된 최종적인 교육 프로그램은 총 8차시 분량의 사회 교과와의 융합교육 프로그램으로 초등학교 중학년 수준에서 이해할 수 있는 k-최근접 이웃 알고리즘의 원리를 알고 문제해결에 적용하는 내용으로 구성하였다. 공공데이터 중 가로수 공간 데이터를 활용하며, 학생들은 데이터를 탐색하는 과정에서 단계구분도, 점지도의 형태로 데이터를 시각화하고 해석하였다. 평가 단계에서는 단일집단 사전·사후 인공지능 리터러시 검사 결과를 대응표본 t-검정을 통해 향상도를 검증하였다. 또한 질적인 검증을 위해 교육 프로그램 실행 시 관찰한 학습자에 대한 관찰 기록지, 매 차시별 학습자 만족도 설문지, 매 차시별 학습자 성찰일지, 프로그램 종료 이후 학습자 면담 자료를 분석하였다. 그 결과 인공지능 리터러시 검사지의 인공지능 이해, 데이터 리터러시, 인공지능 문제해결, 인공지능 실행계획의 영역에서 모두 통계적으로 유의하게 향상되었음을 확인하였다. 본 연구는 초등학교 중학년 수준에서 인공지능의 원리를 익히고 이를 바탕으로 융합적으로 문제를 해결할 수 있는 교육 프로그램을 개발하였다는 점, 인공지능 교육을 위해 공간 데이터를 활용하여 실생활과 연결지었다는 점, 인공지능 리터러시를 향상할 수 있다는 점에서 의의가 있다. 본 연구를 보완한 연구가 후속되기 위한 제언은 다음과 같다. 첫째, 초등학교 중학년 수준에서 적용가능한 교육 프로그램을 개발하였으나 4학년 대상으로만 적용하였으므로 3학년을 대상으로 한 추가 연구를 통해 효과성을 검증하는 것이 필요하다. 둘째, 본 연구를 적용한 학생이 22명으로 비교적 적으며 별도의 대조군 없이 단일 집단에 적용하였기에 본 프로그램의 효과성을 보다 정교하게 검증하기 위해 그 대상을 확대할 필요가 있다. 셋째, 인공지능 리터러시의 영역 중 윤리 및 사회적 영향에 대한 교육 프로그램이 개발될 필요가 있다. 넷째, 원활한 인공지능 교육이 실시될 수 있도록 노트북 등의 물리적 환경에 대한 논의가 이뤄져야 한다.

With the development of artificial intelligence(AI) technology, various categories of artificial intelligence technologies are widely used, so the development of AI literacy is important. AI education should be conducted in views of convergence education. AI-integrated education is to solve problems that students may experience in real life through convergence thinking based on understanding AI. Thus, AI-integrated education is different from simply using AI as a tool for learning other subjects, and it is also different from data science learning that focuses only on technical aspects. However, since there are few studies on AI-integrated education targeting elementary school students, it is necessary to develop an AI-integrated education program for the elementary school students especially 3-4th graders. On the other hand, considering that AI requires data to be trained, it is important for students to experience various types of data, but the data used in AI-integrated education is limited to image data or simple numerical data. Data collected in real life often includes location information, and since events occur through complex interactions with places, it is necessary to have experience in understanding and processing spatial data. In addition, it is possible to experience a new type of data called spatial data connected with real life through AI-integrated education. Therefore, in this study, AI-integrated education program using spatial data is proposed to improve AI literacy for the elementary school students. The research problems of this study are as follows. First, how is AI-integrated education program using spatial data structured? Second, is the developed program effective in improving AI literacy? In order to develop an AI-integrated education program, research is conducted based on the procedure of the ADDIE model. First, in the analysis stage, I analyzed 3rd and 4th grade elementary school students for this program and the educational content to be included in the program. Then, the instructional model related to AI education is analyzed to structure the educational content. Afterwards, in the design stage, the goal of the program is set, and the curriculum is reconstructed by confirming the achievement standards of the Social Studies, and each class program is designed. In the development stage, class materials and specific activities for each class are developed, and then, the developed educational program is validated through a review by six experts. Through the validation process, I derive the final education program that is supplemented and modified. In the implementation stage, the final education program is applied to 22 4th grade elementary school students. The final education program is an 8-session convergence education program with Social Studies, which consists of understanding the principles of the k-nearest neighbor(kNN) algorithm and solving problems by applying it. Among the public data, street tree data is used, and the students visualized and interpreted the data in the form of a choropleth map and a dot map during exploring the data. In the evaluation stage, the degree of improvement is verified through a paired t-test on the results of the single-group pre- and post-AI literacy test. In addition, for qualitative verification, the observation notes of students observed during the education program, the students satisfaction surveys for each class, the students reflection notes for each class, and the interview data with students after the program are analyzed. As a result, it is confirmed that there is a significant improvement in all areas of of 'Understanding AI', 'Data Literacy', 'AI Problem Solving', and 'AI Implementation Plan' of the AI literacy test. This study is meaningful because the proposed AI-integrated education program can help to learn the principles of AI at the level of 3rd and 4th grade elementary school students and solve the problems convergently. Also, it is meaningful that the spatial data connected to real life is used for AI education and AI literacy of students can be improved through this program. The suggestions for further studies are as follows. First, since it was applied only to 4th graders, it is necessary to verify the effectiveness through additional research targeting 3rd graders. Second, since the number of students is relatively small at 22 and it was applied to a single group without a control group, it is necessary to expand the target students to verify the effectiveness of this program. Third, it is necessary to develop an education program on ethics and social impact among the areas of AI literacy. Fourth, support for the physical environment, such as securing enough number of laptops, should be provided so that AI education can be conducted smoothly.