AIDT 활용 영어 수업이 고등학생의 정의적 특성과 학업성취도에 미치는 효과 = Effects of AI Digital Textbook(AIDT) applied English Instruction on High School Students' Affective Characteristics and Academic Achievement

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

AI Digital Textbooks (hereinafter AIDT) are educational software characterized by AI-based learning diagnosis and analysis, personalized learning reflecting individual learning levels and pace, and learning courseware designed from the learner's perspective. AIDT was introduced into educational settings based on expectations of supporting learners' self-directed learning and enhancing class participation and satisfaction by providing various multimedia learning materials.
In particular, AIDT for English language instruction was introduced with the goal of improving learners' comprehension and supporting individualized learning through functions such as AI-recommended learning paths, vocabulary and text interpretation, explanations of grammatical concepts, native speaker voice provision, error analysis, and immediate feedback. However, empirical research on how AIDT for English language instruction actually affects learners in school educational settings remains insufficient. Accordingly, there is a need to verify the educational effectiveness of AIDT for English language instruction.
Meanwhile, high school students represent a period when motivation for English learning is relatively higher compared to other age groups, as they recognize the importance of English proficiency in the process of preparing for university admission and future careers, and they constitute a group familiar with digital environments and highly receptive to new technology-based learning tools. These characteristics suggest the necessity of verifying the educational effectiveness of AIDT for English language instruction targeting high school students.
Therefore, this study aims to empirically analyze the effects of English instruction utilizing AIDT on high school students' affective characteristics and academic achievement. To this end, a nonequivalent pretest-posttest design was applied to compare and analyze the AIDT group (English instruction utilizing AIDT) and the print textbook group (English instruction utilizing print textbooks) targeting first-year high school students. The specific research questions are as follows:

1. Are there differences in the effects on high school students' affective characteristics between the AIDT-utilizing English instruction group and the print English textbook instruction group?
1-1. Are there differences in the effects on self-directed learning ability between the two groups?
1-2. Are there differences in the effects on class participation between the two groups?
1-3. Are there differences in the effects on class satisfaction between the two groups?
1-4. Are there differences in the effects on post affective characteristics according to high, medium, and low levels of pre affective characteristics between the two groups?

2. Are there differences in the effects on high school students' academic achievement between the AIDT-utilizing English instruction group and the print English textbook instruction group?
2-1. Are there differences in the effects on academic achievement between the two groups?
2-2. Are there differences in the effects on post academic achievement according to high, medium, and low levels of pre academic achievement between the two groups?
3. How does AIDT-utilizing English instruction affect academic achievement mediated by affective characteristics?
3-1. Is there a mediating effect of self-directed learning ability?
3-2. Is there a mediating effect of class participation?
3-3. Is there a mediating effect of class satisfaction?

4. What are students' and teachers' perceptions and responses to AIDT-utilizing English instruction?

The main research methods and procedures are as follows. First, the research participants consisted of a total of 407 first-year students from general private high schools A and B, respectively constituting the AIDT group utilizing AIDT for English instruction and the print textbook group receiving print English textbook instruction. Both groups conducted English instruction based on the same curriculum and instructional content, with the AIDT group utilizing AIDT's learning support functions such as learning diagnosis, error analysis, and individualized learning path recommendations throughout instruction, while the print textbook group received English instruction utilizing print textbooks as usual during the same period. To confirm the effects of AIDT on affective characteristics, self-directed learning ability tests, class participation tests, and class satisfaction tests modified and supplemented by the researcher based on prior studies were utilized. To confirm the effects on academic achievement, scores from the March and September English mock examinations of the National Joint Academic Achievement Assessment were utilized. Private tutoring time and individual study time were used as control variables. Data analysis employed difference-in-differences, analysis of covariance, and structural equation modeling to verify mean differences between groups. The difference-in-differences analysis examined both a basic model without control variables and a controlled model with private tutoring time and individual study time as control variables to confirm the effect patterns of AIDT-utilizing English instruction considering learners' individual learning background factors. In addition to analyzing all students, to examine the possibility that the effects of AIDT-utilizing English instruction may differ according to learners' initial levels, pre affective characteristics and pre academic achievement levels were divided into high, medium, and low levels, and level-specific effects were analyzed together. Furthermore, to investigate perceptions and responses to AIDT-utilizing English instruction, focus group interviews were conducted with students and teachers in the AIDT group, as well as other first-year high school teachers with experience in AIDT-utilizing English instruction, to qualitatively analyze AIDT utilization experiences and changes in the learning process.
The main research findings are as follows.
First, the AIDT-utilizing English instruction group showed more positive effects on affective characteristics (self-directed learning ability, class participation, class satisfaction) than the print English textbook instruction group. As a result of applying difference-in-differences to all students, the changes in self-directed learning ability, class participation, and class satisfaction from pretest to posttest in the AIDT group were significantly greater than in the print textbook group. For self-directed learning ability, the difference-in-differences estimate was positively significant in both the basic model and the controlled model, and class participation and class satisfaction were also positively significant in both models. Additionally, according to the analysis by high, medium, and low levels of pre affective characteristics, self-directed learning ability was statistically significantly higher in the AIDT-utilizing English instruction group than in the print textbook instruction group only at the 'low level', while there were no significant differences between the two groups at the 'medium level' and 'high level'. In contrast, class participation and class satisfaction were statistically significantly higher in the AIDT-utilizing English instruction group at all 'high, medium, and low levels'. These results suggest that AIDT for English instruction has a positive influence on overall affective characteristics such as self-directed learning ability, class participation, and class satisfaction, and particularly that class participation and class satisfaction showed improvement effects regardless of learners' initial levels, while self-directed learning ability showed relatively prominent effects among students with low initial levels.
Second, the AIDT-utilizing English instruction group showed more positive effects on academic achievement than the print English textbook instruction group. However, the group effect on academic achievement showed differential effects that varied according to pre academic achievement levels. For example, as a result of difference-in-differences analysis of all students in both groups, the difference in average changes in post academic achievement relative to pre academic achievement between the AIDT-utilizing English instruction group and the print English textbook instruction group was not statistically significant in both the basic model without control variables and the controlled model controlling for private tutoring time and individual study time. However, as a result of conducting difference-in-differences analysis by dividing pre academic achievement into high, medium, and low levels, the effect of the AIDT-utilizing English instruction group was positively significant at the 'low level' and 'medium level', while the group effect was negatively significant at the 'high level'.
Third, as a result of analyzing the effect of pre academic achievement level on post academic achievement for each of the AIDT group and print textbook group, the difference in post academic achievement according to pre academic achievement level was not statistically significant in the AIDT-utilizing English instruction group, whereas pre academic achievement level had a significant influence on post academic achievement in the print English textbook instruction group. These results suggest that in the case of print English textbook instruction, initial achievement level functions as a major factor determining subsequent academic achievement, showing a tendency for achievement gaps to become fixed, whereas AIDT-utilizing English instruction may have functioned in the direction of mitigating achievement gaps by weakening the influence of initial achievement level.
Fourth, the mediating effects of all affective characteristics were found in the influence of AIDT-utilizing English instruction on academic achievement. As a result of utilizing the bootstrapping technique to confirm whether the mediating effects of self-directed learning ability, class participation, and class satisfaction were statistically significant, when control variables were not set, the standardized coefficients of the direct effect of AIDT-utilizing English instruction on academic achievement were 0.153∼0.201, and the indirect effects were 0.074∼0.123, all of which were statistically significant. Meanwhile, when private tutoring time, individual study time, pre affective characteristics, and pre academic achievement were set as control variables, the direct effects were not statistically significant for all three variables, but the standardized coefficients ranged from 0.041∼0.086, and the indirect effects were 0.024∼0.056, all of which were statistically significant.
Fifth, as a result of conducting focus group interviews on students' and teachers' perceptions and responses to AIDT-utilizing English instruction, AIDT-utilizing English instruction was found to be helpful in improving self-directed learning ability, class participation, and class satisfaction for 'medium and low' level students or students not receiving private education rather than 'high level' students. Additionally, English instruction utilizing AIDT was found to be helpful in developing students' basic learning abilities.
In summary, this study is significant in that it empirically verified that AIDT-utilizing English instruction has positive effects on high school students' affective characteristics and academic achievement. However, since these research findings analyzed only the effects on English instruction targeting students from two high schools, there are limitations in generalizing them. Accordingly, there is a need to research the effects of AIDT targeting more high school students, including subjects such as mathematics and informatics.

국문 초록 (Abstract)

AI 디지털교과서(이하 AIDT)는 AI에 기반한 학습 진단과 분석, 개인별 학습 수준과 속도를 반영한 맞춤형 학습, 학습자 관점에서 설계된 학습 코스웨어의 특징을 가지는 교육용 소프트웨어이다(교육부, 한국교육학술정보원, 2023). AIDT는 학습자의 자기주도 학습을 지원하고, 다양한 멀티미디어 학습 자료를 제공함으로써 수업 참여 및 만족도 향상에 대한 기대를 바탕으로 교육 현장에 도입이 추진되었다.
특히 영어 교과용 AIDT는 AI 추천 학습 경로, 어휘 및 지문 해석, 문법 개념에 대한 설명, 원어민 음성 제공, 오답 분석 및 즉각적인 피드백 등의 기능을 통해 학습자의 이해도 향상과 개별 학습 지원을 목표로 도입되었다. 그러나 실제 학교 교육 현장에서 영어 교과용 AIDT가 학습자에게 어떠한 영향을 미치는지에 대한 실증적인 연구는 미흡한 실정이다. 이에 따라 영어 교과용 AIDT의 교육적 효과를 검증할 필요가 있다.
한편, 고등학생은 대학 진학 및 미래 직업 준비 과정에서 영어 능력의 중요성을 인식하여 영어 학습에 대한 동기가 다른 학령층에 비해 상대적으로 높은 시기이며, 디지털 환경에 익숙하고 새로운 기술 기반 학습 도구에 대한 수용성이 높은 집단이다. 이러한 특성은 고등학생을 대상으로 영어 교과용 AIDT의 교육적 효과를 검증할 필요가 있음을 시사한다.
따라서 이 연구는 AIDT를 활용한 영어 수업이 고등학생의 정의적 특성과 학업성취도에 미치는 효과를 경험과학적으로 분석하고자 하는 것이다. 이를 위해 이질집단 사전·사후검사 설계를 적용하여 고등학교 1학년 학생들을 대상으로 AIDT 집단(영어 교과용 AIDT 활용 수업 집단)과 서책형 집단(영어 교과용 서책형 교과서 활용 수업 집단)을 비교·분석하였다. 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

1. AIDT 활용 영어 수업 집단과 서책형 영어 교과서 수업 집단 간 고등학생의 정의적 특성에 미치는 효과에 차이가 있는가?
1-1. 두 집단 간 자기주도 학습능력에 미치는 효과에 차이가 있는가?
1-2. 두 집단 간 수업참여도에 미치는 효과에 차이가 있는가?
1-3. 두 집단 간 수업만족도에 미치는 효과에 차이가 있는가?
1-4. 두 집단 간 사전 정의적 특성의 상·중·하 수준에 따라 사후 정의적 특성에 미치는 효과에 차이가 있는가?
2. AIDT 활용 영어 수업 집단과 서책형 영어 교과서 수업 집단 간 고등학생의 학업성취도에 미치는 효과에 차이가 있는가?
2-1. 두 집단 간 학업성취도에 미치는 효과에 차이가 있는가?
2-2. 두 집단 간 사전 학업성취도의 상·중·하 수준에 따라 사후 학업성취도에 미치는 효과에 차이가 있는가?
3. AIDT 활용 영어 수업은 정의적 특성을 매개로 학업성취도에 어떠한 영향을 미치는가?
3-1. 자기주도 학습능력의 매개효과가 있는가?
3-2. 수업참여도의 매개효과가 있는가?
3-3. 수업만족도의 매개효과가 있는가?
4. AIDT 활용 영어 수업에 대한 학생과 교사의 인식과 반응은 어떠한가?

주요 연구 방법 및 절차는 다음과 같다. 먼저, 연구 대상은 일반계 사립 A 고등학교와 B 고등학교의 1학년 학생 총 407명으로, 각각 영어 교과용 AIDT를 활용한 AIDT 집단과 서책형 영어 교과서 수업을 실시한 서책형 집단으로 구성하였다. 두 집단은 모두 동일한 교육과정과 수업 내용을 바탕으로 AIDT 집단은 AIDT의 학습 진단, 오답 분석, 개인별 학습 경로 추천 등 AIDT의 학습 지원 기능을 수업 전반에 활용하여 영어 수업을 진행하였고, 서책형 집단에는 동일한 기간 동안 기존처럼 서책형 교과서를 활용하여 영어 수업을 진행하였다. AIDT가 정의적 특성에 미치는 효과를 확인하기 위해 선행연구들을 참고하여 연구자가 수정·보완한 자기주도 학습능력 검사, 수업참여도 검사, 수업만족도 검사를 활용하였다. 학업성취도에 미치는 효과를 확인하기 위해 전국연합학력평가의 3월 및 9월 영어 모의고사 성적을 활용하였다. 그리고 사교육 시간과 개인 공부 시간을 통제변인으로 활용하였다. 자료 분석은 이중차분법과 공분산분석, 구조방정식 모형 등을 활용하여 집단 간 평균 차이 등을 검증하였다. 이때 이중차분법은 통제변인을 설정하지 않은 기본모형과 사교육 시간 및 개인 공부 시간을 통제변인으로 설정한 통제모형을 각각 분석하여 학습자 개인의 학습 배경 요인을 고려한 상태에서 AIDT 활용 영어 수업의 효과 양상을 확인하였다. 또한 전체 학생 대상 분석과 더불어 AIDT 활용 영어 수업의 효과가 학습자의 초기 수준에 따라 상이하게 나타날 가능성을 검토하기 위해 사전 정의적 특성과 사전 학업성취도 수준을 상·중·하로 구분하고 수준별 효과를 함께 분석하였다. 아울러 AIDT 활용 영어 수업의 인식과 반응을 조사하기 위해 AIDT 집단의 학생 및 교사, 그리고 AIDT 활용 영어 수업 경험이 있는 타 고등학교 1학년 교사를 대상으로 초점집단인터뷰를 실시하여 AIDT 활용 경험과 학습 과정에서의 변화 등을 질적으로 분석하였다.
주요 연구 결과는 다음과 같다.
첫째, AIDT 활용 영어 수업 집단이 서책형 영어 교과서 수업 집단보다 정의적 특성(자기주도 학습능력, 수업참여도, 수업만족도)에 긍정적인 효과가 있었다. 전체 학생을 대상으로 이중차분법을 적용한 결과, AIDT 집단의 자기주도 학습능력, 수업참여도, 수업만족도 사전-사후 변화량이 서책형 집단보다 유의하게 큰 것으로 나타났다. 자기주도 학습능력의 경우 기본모형과 통제모형 모두에서 이중차분 추정치가 정적으로 유의하게 나타났고, 수업참여도와 수업만족도 역시 두 모형 모두에서 정적으로 유의하였다. 또한 사전 정의적 특성의 상·중·하 수준별 분석 결과, 자기주도 학습능력은 ‘하 수준’에서만 AIDT 활용 영어 수업 집단이 서책형 교과서 수업 집단보다 통계적으로 유의하게 높은 것으로 나타났으며, ‘중 수준’과 ‘상 수준’에서는 두 집단 간 차이가 유의하지 않았다. 반면, 수업참여도와 수업만족도는 ‘상·중·하 수준’ 모두에서 AIDT 활용 영어 수업 집단이 통계적으로 유의하게 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 영어 교과용 AIDT가 자기주도 학습능력, 수업참여도, 수업만족도와 같은 정의적 특성 전반에 긍정적인 영향을 미치며, 특히 수업참여도와 수업만족도는 학습자의 초기 수준과 관계없이 향상 효과가 나타난 반면, 자기주도 학습능력은 초기 수준이 낮은 학생들에게서 상대적으로 두드러진 효과가 나타났음을 시사한다.
둘째, AIDT 활용 영어 수업 집단이 서책형 영어 교과서 수업 집단보다 학업성취도에 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 다만, 학업성취도에 대한 집단 효과는 사전 학업성취도 수준에 따라 달라지는 차별적인 효과가 나타났다. 예컨대 두 집단의 전체 학생 대상 이중차분법 분석 결과, 통제변인을 설정하지 않은 기본모형과 사교육 시간 및 개인 공부 시간을 통제한 통제모형 모두에서 AIDT 활용 영어 수업 집단과 서책형 영어 교과서 수업 집단 간 사전 대비 사후 학업성취도의 평균적 변화 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 그러나 사전 학업성취도를 상·중·하 수준으로 구분하여 이중차분 분석을 실시한 결과, ‘하 수준’과 ‘중 수준’에서는 AIDT 활용 영어 수업 집단의 효과가 정적으로 유의하게 나타났으며, ‘상 수준’에서는 집단의 효과가 부적으로 유의하게 나타났다.
셋째, AIDT 집단과 서책형 집단 각각에 대하여 사전 학업성취도 수준이 사후 학업성취도에 미치는 효과를 분석한 결과, AIDT 활용 영어 수업 집단에서는 사전 학업성취도 수준에 따른 사후 학업성취도의 차이가 통계적으로 유의하지 않게 나타난 반면, 서책형 영어 교과서 수업 집단에서는 사전 학업성취도 수준이 사후 학업성취도에 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 서책형 영어 교과서 수업의 경우 초기 성취 수준이 이후 학업성취도를 결정하는 주요 요인으로 작용하여 성취 격차가 고착되는 경향이 있는 반면, AIDT 활용 영어 수업은 초기 성취 수준의 영향을 약화시켜 성취 격차를 완화하는 방향으로 작용했을 가능성을 시사한다.
넷째, AIDT 활용 영어 수업이 학업성취도에 미치는 영향에서 모든 정의적 특성의 매개효과가 있는 것으로 나타났다. 자기주도 학습능력, 수업참여도, 수업만족도의 매개효과가 통계적으로 유의한지 확인하기 위해 붓스트래핑 기법을 활용한 결과, 통제변인을 설정하지 않은 경우 AIDT 활용 영어 수업이 학업성취도에 미치는 직접효과의 표준화 계수가 0.153∼0.201, 간접효과는 0.074∼0.123으로 모두 통계적으로 유의하였다. 한편, 사교육 시간과 개인 공부 시간, 사전 정의적 특성, 사전 학업성취도를 통제변인으로 설정한 경우에는 세 변인 모두 직접효과는 통계적으로 유의하지 않았으나 표준화 계수는 0.041∼0.086의 범위로, 간접효과는 0.024∼0.056으로 모두 통계적으로 유의하였다.
다섯째, AIDT 활용 영어 수업에 대한 학생과 교사의 인식과 반응에 대하여 초점집단인터뷰를 실시한 결과, AIDT 활용 영어 수업은 ‘상 수준’ 학생보다 ‘중·하’ 수준 학생들이나 사교육을 받지 않는 학생들에게 자기주도 학습능력, 수업참여도, 수업만족도를 향상시키는 데 도움이 되는 것으로 나타났다. 아울러 AIDT를 활용한 영어 수업은 학생들의 기초 학습 능력을 신장시키는 데에도 도움이 되는 것으로 나타났다.
요컨대, 이 연구는 AIDT 활용 영어 수업이 고등학생의 정의적 특성과 학업성취도에 긍정적인 효과가 있음을 실증적으로 검증하였다는 데 의의가 있다. 다만, 이러한 연구 결과는 두 개의 고등학교 학생들을 대상으로 영어 교과에 대한 효과만을 분석한 것이므로 일반화하는 데에는 제한점이 있다. 이에 따라 향후 더 많은 고등학교 학생들을 대상으로 수학이나 정보 교과 등을 포함하여 AIDT의 효과를 연구할 필요가 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 7
• Ⅱ. 이론적 배경 8
• 1. AIDT의 개념과 특징 8
• 가. AIDT의 개념 8
• 나. AIDT의 AI 기술 9
• 2. AIDT의 주요 기능과 교육적 기대 효과 13
• 가. AIDT의 주요 기능 13
• 나. AIDT의 교육적 기대 효과 18
• 3. AIDT 정책 25
• 가. AIDT 정책의 주요 내용 25
• 나. AIDT 정책의 추진 과정 27
• 4. 정의적 특성과 학업성취도 33
• 가. 정의적 특성 33
• 나. 학업성취도 44
• 다. 변인 간 관계 47
• Ⅲ. 연구 방법 54
• 1. 연구 대상 54
• 2. 연구 설계 56
• 가. 수업 설계 58
• 나. 자료 수집 65
• 3. 측정도구 69
• 가. 정의적 특성 척도 69
• 나. 학업성취도 검사 103
• 4. 분석 방법 105
• 가. 이중차분법 105
• 나. 구조방정식 모형 110
• 다. 초점집단인터뷰 111
• Ⅳ. 연구 결과 112
• 1. AIDT 활용 영어 수업이 정의적 특성에 미치는 효과 112
• 가. 기술통계 및 상관분석 112
• 나. 이중차분 분석 117
• 2. AIDT 활용 영어 수업이 학업성취도에 미치는 효과 130
• 가. 기술통계 및 상관분석 130
• 나. 이중차분 분석 134
• 3. AIDT 활용 영어 수업이 정의적 특성을 매개로
• 학업성취도에 미치는 효과 142
• 가. 기술통계 및 상관분석 144
• 나. 구조방정식 모형 분석 148
• 4. AIDT 활용 영어 수업에 대한 초점집단인터뷰 175
• 가. 학생 대상 초점집단인터뷰 내용 분석 175
• 나. 교사 대상 초점집단인터뷰 내용 분석 185
• Ⅴ. 요약 및 논의 192
• 1. 요약 192
• 2. 논의 및 제언 197
• 가. 논의 197
• 나. 연구의 의의 및 제언 204
• 참고문헌 209
• Abstract 228