피지컬 컴퓨팅 기반 초등 인공지능 교육 프로그램 개발 및 적용 : PASPA 모델 활용에 따른 인공지능 리터러시 및 태도 변화를 중심으로 = Development and Application of a Physical Computing-based AI Education Program for Elementary Students: Focusing on Changes in AI Literacy and Attitude Utilizing the PASPA Model

국문 초록 (Abstract)

초등학생 대상 인공지능 교육은 학생들이 다가올 인공지능 시대를 단순히 받아들이는 것을 넘어, 인공지능을 이해하고 활용하며 주도적으로 살아갈 수 있는 기초 역량을 길러주는 교육이다. 이를 위해 본 연구는 미래사회 핵심역량인 인공지능 리터러시를 함양하기 위해 마이크로비트와 크리에이트AI를 활용한 체험 중심 피지컬 컴퓨팅 프로그램을 개발하였다. 복잡한 기술 자체보다는 인공지능의 기본 원리를 쉽고 재미있게 접하고, 인공지능이 우리 삶에 미치는 영향을 이해하며, 특히 데이터 편향성 및 윤리적 책임 주체와 같은 관련된 윤리적 문제를 비판적으로 성찰하도록 돕는데 중점을 두었다.
데이터로 이루어지는 인공지능 모델 학습의 원리를 학생들이 쉽게 이해하고 체득하여 활용할 수 있도록 마이크로비트의 가속도 센서로 자신의 신체 움직임을 데이터로 수집하고 이를 학습할 수 있는 크리에이트AI 플랫폼을 활용하였다. 이 과정을 매끄럽게 수행하기 위해 본 연구에서는 데이터 중심의 문제 해결 과정을 강조하는 PASPA 모델을 프로그램의 절차적 준거로 활용하였다. PASPA 모델은 문제 인식부터 해결방법 논의, 데이터 기준 세우기, 프로그래밍, 적용 및 평가에 이르는 과정의 5단계 과정을 거친다.
인공지능의 기본 원리부터 윤리, 피지컬 컴퓨팅을 활용한 인공지능 모델 학습까지 담은 9차시 프로그램을 개발하여 경상남도 소재 S초등학교 6학년 1개 학급 13명을 대상으로 적용하였다. 소규모 집단 대상 연구의 한계를 보완하고자 혼합 연구 방법을 적용하였다. 학생들의 인공지능 리터러시 및 태도 변화를 측정하기 위해 사전-사후 검사를 실시하였다. 기술 통계분석을 통해 변화를 측정하였으며, 장래 희망 문항에 대해서는 질적 분석을 함께 진행하였다.
연구 결과, 학생들의 인공지능 리터러시 전체 평균 점수가 상승하였고, ‘개발능력’과 ‘기초 지식’ 점수가 가장 많이 올랐다. 이는 프로그램이 학생들의 리터러시 변화에 긍정적으로 작용했고 PASPA 모델을 적용한 5~6, 7~8차시 수업이 인공지능 ‘개발 능력’과 ‘기초 지식’ 분야의 리터러시 향상에 큰 효과가 있음을 보여준다. ‘윤리·가치관’ 영역은 다른 영역만큼 뚜렷한 변화는 없었다. 하지만 사전 검사보다 사후 검사에서 성별 간 리터러시 격차가 줄어들어 본 프로그램이 성별 리터러시 격차 해소에는 효과적임을 알려준다.
학생들의 인공지능에 대한 태도 점수도 전반적으로 상승했다. 하지만 태도 영역에서 남녀 간의 격차가 더 커져서 향후 더 세심한 성 평등적 교수 전략이 필요함을 보여준다.
질적 분석을 진행한 장래 희망의 변화에서는 이공계 직업을 희망하는 학생 수는 동일했다. 하지만 세부 내용을 보면 일부 학생은 비이공계에서 이공계로 진로를 변경했고 또 다른 학생은 이공계에서 비이공계로 진로를 변경했다. 이는 프로그램이 학생들의 적성을 재탐색하는 계기가 되었음을 알 수 있었다.
본 연구에서 개발한 프로그램을 적용하여 초등학교 6학년 학생들의 인공지능 리터러시와 태도가 향상되었음을 확인하였다. 특히 인공지능 ‘개발 능력’과 ‘기초 지식’ 영역에서 눈에 띄는 향상이 이루어진 점은 PASPA 모델을 활용하여 신체의 움직임 데이터로 인공지능 모델을 학습시키고 개발과 수정을 반복하는 활동이 유효했음을 나타낸다. 다만, 짧은 차시로 인해 윤리 영역의 향상이 적은 점과 인공지능에 대한 태도 성별 격차가 커진 부분은 추후 연구를 통한 개선이 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅴ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 내용 및 방법 3
• 3. 연구의 제한점 4
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 인공지능 교육 6
• 2. 인공지능 리터러시 9
• 3. 피지컬 컴퓨팅과 인공지능 리터러시 교육 18
• Ⅲ. 연구 방법 29
• 1. 연구 대상 및 연구 설계 29
• 2. 검사 도구 30
• 3. 연구 절차 35
• Ⅳ. 교육 프로그램 개발 및 적용 39
• 1. 교육 프로그램 개발 방향 39
• 2. 피지컬 컴퓨팅 교구 및 인공지능 플랫폼 선정 41
• 3. 교육 프로그램 개발 43
• 4. 교육 프로그램 적용 49
• Ⅴ. 연구 결과 63
• 1. 프로그램이 인공지능 리터러시에 미치는 효과 63
• 2. 프로그램이 인공지능 태도에 미치는 효과 68
• 3. 프로그램에 대한 학생 만족도 73
• Ⅵ. 결론 78
• 1. 결론 78
• 2. 제한점 및 제언 80
• 참고문헌 83
• [부록] 피지컬 컴퓨팅 프로그램 교수·학습 과정안 89
• Abstract 98