초등학생 인공지능 역량 함양을 위한 STEAM 기반 AI융합프로그램 개발 = Development of AI convergence program based on STEAM for elementary students’ AI competency

국문 초록 (Abstract)

제 4차 산업혁명으로 촉발된 디지털 대전환(digital transformation) 과정에서 코로나 팬데믹의 영향으로 디지털 대전환 시대가 심화되며 디지털 역량의 중요성이 더욱 강조되고 있는 상황이다. 2020년 8월에 정부는 전 국민이 AI가 가져오게 될 ‘인류 역사상의 최대 수준의 대변화’에 대비하고, AI에 따른 사회의 혜택에서 배제되거나 불이익을 받게 되는 국민이 없도록 세대‧직군 등을 망라하는 범국가적인 AI교육 전략 마련이 필요하다고 발표하고 AI인재 핵심역량을 제시하였다. 그 일환으로 어릴때부터 쉽고 재미있게 소프트웨어(SW)와 인공지능(AI)를 배우고 전 국민이 기초 역량을 습득할 수 있도록 교육체계 구축을 위하여 현재 2022 개정 교육과정 논의에 기존 소프트웨어 교육의 컴퓨팅 사고력에 인공지능 교육을 덧붙이는 방식을 논의중이다.
하지만 교육과정에 AI교육을 하기 위해서 가장 문제되는 부분은 AI에 아직 특정 교과목이 없다는 것이다. 따라서 실제 교육현장에서 AI교육을 따로 교육시킬 시수 및 방법이 부족하기에 STEAM과 융합이 필요하다. 디지털 대전환과 인공지능 사회를 미래 사회의 핵심으로 보고 그런 시대를 살아갈 현재의 학생이 갖추어야 할 가장 중요한 역량 중 하나가 AI와 관련된 역량이다.
이에 본 논문은 초등학교 2015 개정 교육과정에서 제시되고 있는 SW교육과 실과 교과와 관련된 역량을 분석하여 새로운 인공지능 역량을 정의한 뒤, AI의 작동 원리나 AI에 대한 교육내용이나 학습경험이 STEAM과 융합되는 내용을 찾아 교육과정을 재구성하고자 한다. 이를 통해 AI와 STEAM을 결합한 뒤, STEAM 학습 준거의 틀에 인공지능 역량을 추가하여 초등학생 인공지능 역량 함양을 위한 STEAM 기반 AI융합프로그램을 개발하고 그 내용을 초등학생에게 적용해 그 효과를 알아보고자 한다.
이러한 연구 목적을 달성하기 위해서 설정한 연구 문제는 다음과 같다.
첫째, 초등학생의 인공지능 역량 함양을 위한 STEAM 기반 인공지능 융합 프로그램의 목표 및 교수·학습 내용은 무엇인가?
둘째, 개발된 STEAM 기반 인공지능 융합 프로그램이 초등학생의 인공지능 역량 함양에 미치는 영향은 어떠한가?
본 논문에서는 초등학생 인공지능 역량 함양을 위한 STEAM 기반 AI융합프로그램 개발을 ADDIE 모형 기반으로 분석(Analysis), 설계(Design), 개발(Development), 실행(Implementation), 평가(Evaluation)의 순서로 개발하였다.
분석 단계에서는 학습자 분석 및 요구 분석, 교수‧학습 환경 분석, 교수‧학습 내용 분석 결과를 토대로 2015 개정 교육과정과 핵심역량을 분석하고, AI인재 핵심역량 5가지 중 초등학생 수준에 맞는 ‘컴퓨팅 사고력, 문제해결력, AI윤리’의 3가지를 인공지능 역량으로 선정하였다.
설계 단계에서는 분석한 교육과정 내용과 선정한 인공지능 역량을 토대로 초등학생 인공지능 역량 함양을 위한 AI융합프로그램의 총괄목표와 세부목표를 진술하였다. 나아가 초등학생에게 적합한 차시별 프로그램 목표를 명세화하고 교수 내용을 선정하였다. 교수‧학습 방법은 STEAM 교육의 학습준거인 ‘상황제시 - 창의적 설계 - 감성적 체험’의 3가지 요소에 인공지능 역량의 ‘컴퓨팅 사고력, 문제해결력, AI윤리’를 융합하여 교과별 융합 STEAM 프로그램 중 다학문(연계형) 통합으로 융합의 중심이 되는 교과의 유형에 따라 구성하였다.
개발 단계에서는 프로그램 개발을 위한 STEAM 개발 기준을 제시하고, 교육현장에서 사용할 수 있는 교수‧학습 과정안과 교사와 학생을 위한 교수‧학습 자료를 실제로 개발하고 제작하였다.
실행 단계에서는 개발된 프로그램을 실제 현장에서 사용하기 전 전문가 타당도검사를 시행하여 프로그램을 수정하고 피드백을 반영하여 개선된 프로그램을 광주광역시 B초등학교 6학년 학생들에게 적용하였다.
평가단계에서는 프로그램을 적용하여 수업한 학생들을 대상으로 인공지능 역량 사후 평가 및 수업 만족도 조사와 비구조화된 면담을 하였다. 이후 결과를 반영하여 개발한 AI융합프로그램을 수정, 보완한 뒤 최종 프로그램을 개발하였다.
검사 도구로는 인공지능 역량 측정을 위해 Long(2020), Element of AI(2019), CS2013, 박주연(2013), AI4K12의 역량들을 추출하여 지식표현과 추론, 데이터 이해와 학습, 기계학습, 딥러닝, AI윤리의 5가지 핵심요소를 인공지능 역량으로 정의한 유수진, 백재순, 장윤재(2022)이 제안한 설문 문항과 제시한 인공지능 역량의 5가지 핵심요소 측정 17문항 중 AI인재 핵심역량(2020)과 관련되며 초등학교급에 적용 가능한 지식표현과 추론, 데이터이해와 학습, AI윤리의 3가지 요소만 추출한 뒤, 초등학생이 이해할 수 있는 수준인 컴퓨팅 사고력, 문제해결력, AI윤리의 3가지 요소로 수정하여 사용하였다. 위의 설문지를 사전, 사후에 사용하여 검사하고 자료의 처리는 Excel의 데이터분석 도구를 사용하여 대응표본 t-test를 실시했다.
본 개발 프로그램을 적용한 뒤 얻은 연구 결과는 다음과 같다.
첫째, 학생들에게 사전-사후 검사를 실행한 결과 STEAM 기반 AI융합프로그램은 학생들의 인공지능 역량에 유의미한 향상을 보였다.
둘째, STEAM 기반 AI융합프로그램은 초등학생 인공지능 교육에 대한 긍정적 인식 향상을 보였다.
셋째, ‘STEAM 기반 AI융합프로그램’의 초등학생 인공지능 역량 함양을 위해 ‘컴퓨팅 사고력, 문제해결력, AI윤리’의 3가지를 인공지능 역량으로 선정하였고 ‘STEAM기반 AI융합프로그램’을 ADDIE 모형 절차에 따라 프로그램을 구안하였고 학습도구로 단계별 교수학습지도안, 학습자료를 개발하였다.
이러한 결과는 본 연구에서 개발한 STEAM 기반 AI융합프로그램이 ‘컴퓨팅 사고력, 문제해결력, AI윤리’의 초등학생 인공지능 역량을 향상시킬 수 있다는 사실을 입증해 준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the process of digital transformation triggered by the 4th Industrial Revolution, the era of digital transformation is deepening due to the influence of the COVID-19 pandemic, and the importance of digital capabilities is being emphasized. In August 2020, the government announced that it is necessary to prepare a nationwide AI education strategy that covers generations and occupations so that all citizens are not excluded or disadvantaged from social benefits under AI, and presented key capabilities for AI talent. As part of this, we are discussing how to add artificial intelligence education to the computing thinking skills of existing software education to the 2022 revised curriculum to establish an education system that can easily and fun learn software (SW) and artificial intelligence (AI) from an early age.
However, the most problematic part of the curriculum for AI education is that AI does not have a specific subject yet. Therefore, convergence with STEAM is necessary because there is a lack of time and method to educate AI education separately in the actual education field. One of the most important competencies that current students who will live in such an era by viewing digital transformation and artificial intelligence society as the core of future society is AI-related competencies.
Therefore, this researcher aims to analyze the competencies related to SW curriculum presented in the 2015 revised curriculum to define new artificial intelligence capabilities, and then reorganize the curriculum by finding AI's operating principles, AI's educational contents, or learning experiences fused with STEAM. Through this, after combining AI and STEAM, we will add artificial intelligence capabilities to the framework of STEAM learning criteria to develop an AI convergence program based on STEAM for elementary school students and apply the contents to elementary school students to find out the effect.
The research problems set up to achieve this research purpose are as follows.
First, what are the goals and teaching and learning contents of the STEAM-based artificial intelligence convergence program to improve the artificial intelligence capabilities of elementary school students?
Second, what is the effect of the developed STEAM-based artificial intelligence convergence program on the artificial intelligence capabilities of elementary school students?
In this paper, STEAM-based AI convergence program development for AI competencies of elementary school students was developed in the order of analysis, design, development, implementation, and evaluation based on the ADDIE model.
In the analysis stage, the 2015 revised curriculum and core competencies were analyzed based on learner analysis, demand analysis, teaching and learning environment analysis, and three of the five AI talent core competencies were selected as artificial intelligence competencies.
In the design stage, based on the analyzed curriculum content and selected artificial intelligence capabilities, the overall goals and detailed goals of the AI convergence program for elementary school students' artificial intelligence capabilities were stated. Furthermore, the goal of each program suitable for elementary school students was specified and the teaching contents were selected. Teaching and learning methods were organized according to the type of subject that is the center of convergence among the convergence STEAM programs by converging "computing thinking ability, problem-solving ability, and AI ethics" of artificial intelligence capabilities into three elements of "Context Presentation - Creative Design - Emotional Touch.“
In the development stage, STEAM development standards for program development were presented, and teaching and learning materials for teachers and students were actually developed and produced.
In the implementation stage, an expert validity test was conducted before the developed program was actually used in the field to modify the program and apply the improved program to 6th graders of B Elementary School in Gwangju Metropolitan City by reflecting feedback.
In the evaluation stage, artificial intelligence competency post-evaluation, class satisfaction survey, and unstructured interviews were conducted for students who taught by applying the program. Afterwards, the AI convergence program developed by reflecting the results was modified and supplemented, and the final program was developed.
To measure AI capabilities, long (2020), element of AI (2019), CS2013, Park Joo-yeon (2013), and AI4K12 are extracted to determine the five core elements of knowledge expression, reasoning, data understanding, machine learning, deep learning, and AI ethicsused by The above questionnaire was used before and after the test, and the corresponding sample t-test was conducted using Excel's data analysis tool for data processing.
The research results obtained after applying this development program are as follows.
First, as a result of performing pre-post tests on students, the STEAM-based AI convergence program showed a significant improvement in students' artificial intelligence capabilities.
Second, the STEAM-based AI convergence program showed an improvement in positive perception of artificial intelligence education for elementary school students. Third, in order to develop AI competencies for elementary school students in 'STEAM-based AI convergence program', three AI competencies were selected as AI competencies, and 'STEAM-based AI convergence program' was developed according to ADDIE model procedure.
These results prove that the STEAM-based AI convergence program developed in this study can improve the artificial intelligence capabilities of elementary school students of "computing thinking ability, problem-solving ability, and AI ethics."

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 3
• 3. 용어의 정의 4
• 가. 인공지능 역량 4
• 나. STEAM 기반 AI융합프로그램 4
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 인공지능 교육 6
• 가. AI(인공지능)교육의 정의 6
• 나. 머신러닝 7
• 다. 빅데이터 8
• 라. 인공지능 역량 관련 국내외 연구 동향 8
• 2. 융합 교육 10
• 가. 융합(STEAM) 10
• 나. 융합(STEAM)교육 10
• 다. AI융합교육 11
• 라. STEAM 관련 선행 연구 동향 11
• Ⅲ. 연구 방법 13
• 1. 연구 대상 13
• 2. 검사 도구 13
• 3. 자료 처리 및 분석 16
• 4. 연구 절차 17
• 가. 분석 단계 19
• 나. 설계 단계 41
• 다. 개발 단계 47
• 라. 실행 단계 51
• 마. 평가 단계 53
• Ⅳ. 연구 결과 54
• 1. 교수학습 지도안 개발 54
• 2. 교수학습 자료 개발 55
• 3. 프로그램 수업 적용 사례 57
• 가. 컴퓨팅 사고력 57
• 나. 문제해결력 58
• 다. AI 윤리 59
• 4. 인공지능 역량 차이 검증 61
• 5. 학생 만족도 조사 결과 63
• 가. 프로그램이 도움이 된 정도 63
• 나. 프로그램이 실생활에 미치는 효과 65
• 다. 프로그램과 운영자에 대한 만족도 66
• 라, 프로그램에 대한 참여자의 비구조화된 면담 67
• 6. 연구 결과 분석 70
• 가. 개선 사항 및 분석 결과 70
• 나. 최종 프로그램 개발 71
• Ⅴ. 결론 73
• 1. 결론 73
• 2. 제언 75
• 참고 문헌 77
• ABSTRACT 80