Claude AI 기반 시뮬레이션 제작 수업을 통한 고등학생의 화학 개념 정교화 연구 = A Study on High School Students’ Conceptual Elaboration in Chemistry through Claude AI?Based Simulation Creation Instruction

국문 초록 (Abstract)

Claude AI 기반 시뮬레이션 제작 수업을 통한 고등학생의 화학 개념 정교화 연구 김 용 조 한국교원대학교 교육대학원 화학교육전공 (지도교수 백 성 혜) 본 연구는 생성형 인공지능 Claude AI를 활용한 시뮬레이션 제작 활동 이 고등학교 화학Ⅱ ‘묽은 용액의 총괄성’ 개념 학습 이후 정교화 과정에 미치는 교육적 효과를 분석하는 데 목적이 있다. 경기도 소재 G고등학교 화학Ⅱ 선택 학생 60명을 대상으로 탐구A반(토론·토의 기반 수업, 30명) 과 탐구B반(Claude AI 기반 시뮬레이션 제작 수업, 30명)으로 구분하여 준실험설계를 실시하였으며, 이후 탐구A반에게 후속 AI 활동을 추가로 제공하여 학습 효과를 비교하였다. 사전검사와 사후검사를 실시하여 두 집단의 개념 이해도, 인과적 사고의 구조, 설명의 깊이, 문제 해결 전략, 고차원적 문제 해결 능력을 혼합 연구 방법으로 분석하였다. 탐구A반과 탐구B반의 학습 성과를 비교한 결과, 탐구A반은 공식 대입 중심의 선형 적 인과 구조와 토론·토의를 통한 언어적 설명 중심의 문제 해결에 머무 른 반면, 탐구B반은 개념을 입자 수준에서 설명하고 연쇄적이며 복합적 인 인과관계를 구현하였으며, 시뮬레이션 제작을 통해 변인 간 관계를 보다 명료하게 드러내는 특징을 보였다. 이후 탐구A반에게 후속 차시에 서 Claude AI 기반 시뮬레이션 제작 수업을 추가로 제공한 결과, 프롬프 트의 정교화, 고차원적 복합 변인 관계 설정, 오개념 검증 및 수정, 메커 니즘 중심의 현상 설명 등에서 탐구B반보다 높은 수준의 학습 효과가 도출되었다. 후속 AI 활동을 수행한 탐구A반의 변화를 통해, 본 연구는 생성형 AI 활용의 효과가 단순한 ‘AI 사용 여부’가 아니라 학습 순서와 AI 활용 시기에 의해 결정됨을 실증적으로 규명하였다. 즉, 토론·토의 활 동이 선행되고 Claude AI 기반 시뮬레이션 제작 수업이 후속으로 제공 되는 수업 모델은 학습자가 AI를 인지적 협업자로 활용하도록 하며, 인 과적 사고의 정교화, 메타인지적 성찰 강화, 고차원적 문제 해결 능력 향 상에 효과적임을 확인하였다. ※ 이 논문은 2026년 2월 한국교원대학교 대학원위원회에 제출된 교육학석사 (화학교육)학위 논문임.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 3
• 3. 연구의 제한점4
• Ⅱ. 이론적 배경5
• 1. 생성형 인공지능(AI)의 교육적 활용 5
• 2. 화학Ⅱ 개념 학습(묽은 용액의 총괄성)10
• 3. AI 기반 학습의 이론적 기반 15
• Ⅲ. 연구 방법 및 절차20
• 1. 연구 설계20
• 2. 연구 대상22
• 3. 연구 기간 및 절차 25
• 4. 평가 도구 27
• 5. 활동 내용 및 구조 31
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 48
• 1. 탐구A반과 탐구B반의 학습 성과 비교 48
• 2. 탐구A반의 후속 Claude AI 활용 학습 결과73
• Ⅴ. 결론 및 제언 86
• 참고문헌89
• Abstract 92
• 부록 95