고등학생에 적합한 양자 컴퓨팅 원리 이해를 위한 융합교육안 설계 = Design of an Interdisciplinary Education Plan for Understanding Quantum Computing Principles Suitable for High School Students

국문 초록 (Abstract)

고등학생에 적합한 양자 컴퓨팅 원리 이해를 위한 융합교육안 설계 한신대학교 교육대학원 AI융합교육 조한진 지도교수 : 김애영, 김동심 본 연구는 고등학생들에게 양자 컴퓨팅의 원리를 효과적으로 이해시키 기 위한 융합교육안을 설계하고 그 효과를 평가하는 것을 목적으로 한다. AI 구현을 위한 기반 기술인 딥러닝과 머신러닝의 발전과 함께, 양자 컴 퓨팅은 기존의 컴퓨팅 기술이 가진 한계를 극복할 수 있는 중요한 대안으 로 주목받고 있다. 양자 컴퓨터는 큐비트를 이용하여 0과 1이 동시에 존재 할 수 있는 특성을 가지며, 이를 통해 병렬 계산을 가능하게 하여 기존 컴 퓨팅의 계산 복잡도와 비용 문제를 해결할 수 있으며, 무엇보다도 국외에 서 수퍼컴퓨터의 성능을 능가하는 수준까지 그 기술을 발전시켜오고 있다. 이러한 기술 발전의 초석은 양질의 교육을 통한 우수한 인력양성임을 깨 달으며 국내에서도 조금씩 양자컴퓨팅 교육에 대해 움직이기 시작했다. 하 지만, 이러한 복잡한 개념을 고등학생들이 이해하기 위해서는 적절한 교육 프로그램이 필요하다. 본 연구에서는 양자 컴퓨팅의 기본 개념을 국내 고등학생들이 쉽게 이 해할 수 있도록 설계된 융합교육안을 개발하였다. 교육안은 이론 강의와 실습 활동을 포함하며, 특히 큐비트의 특성을 이해하기 위해 윷놀이와 같 은 일상적인 예시를 활용하였다. 이를 통해 학생들이 양자 중첩, 확률적 상태, 측정과 결정 등의 개념을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하였다. 교육 프로그램의 효과를 평가하기 위해, 학생들에게 일반 컴퓨터의 비 트와 양자 컴퓨터의 큐비트의 차이를 설명하는 문항과 큐비트를 윷놀이에 비유하여 설명하는 문항을 제시하였다. 학생들의 응답을 분석한 결과, 대 부분의 학생들이 큐비트의 동시 존재, 확률적 상태, 중첩 상태에 대한 개 념을 잘 이해하고 있음을 확인할 수 있었다. 주제 분석과 코딩을 통해 학 생들의 응답을 정리한 결과, "동시 존재"와 "확률적 상태"가 가장 많이 언 급되었으며, 이는 학생들이 큐비트의 기본 특성을 잘 이해하고 있음을 시 사한다. 연구 결과, 설계된 융합교육안이 고등학생들에게 양자 컴퓨팅의 복잡 한 개념을 효과적으로 전달하는 데 유용하다는 결론을 도출할 수 있었다. 특히, 윷놀이와 같은 일상적인 비유를 활용한 교육 방식이 학생들의 이해 도를 높이는 데 기여하였다. 향후 연구에서는 이러한 교육 프로그램을 더 욱 발전시켜 다양한 교육 현장에서 적용할 수 있도록 하고, 이해가 부족한 학생들을 위해 추가적인 설명과 예제를 제공하는 것이 필요하다. 본 연구는 양자 컴퓨팅 교육의 중요성을 강조하며, 고등학생들의 과학 적 사고력과 문제 해결 능력을 향상시키기 위한 기초 자료로 활용될 수 있다. 양자 컴퓨팅의 기본 개념을 쉽게 이해할 수 있도록 하는 교육 프로 그램의 개발과 적용은 미래 정보과학 분야의 발전에 기여할 것으로 기대 된다. 핵심단어: 양자 컴퓨팅(Quantum Computing), 큐비트(Qubit), 양자 중첩(Quantum Superposition), 확률적 상태(Probabilistic State), 양 자 컴퓨팅을 위한 수학, 융합교육(Integrated Education), 고등학생 교 육(High School Education)

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구문제 7
• Ⅱ이론적 배경 8
• 1. 양자컴퓨팅의 기반이론인 양자역학 기초개념 8
• 2 양자컴퓨팅을 위한 수학 기초개념 10
• 3. 양자컴퓨팅 교육 15
• 1) 국외 교육 사례 15
• 2) 국내교육사례 18
• Ⅲ. 연구 방법 21
• 1. ADDIE 모형에 따른 수업설계 21
• 1) 분석 22
• 2) 양자컴퓨터 교육 설계 32
• 3) 양자컴퓨터 교육 개발 및 실행 33
• 2. 연구도구 46
• 1) 도구 및 문항 설명 46
• 2) 구체적 문항 예시 47
• 3. 분석방법 48
• Ⅳ. 연구결과 49
• 1. 양적변화 49
• 1) 양자컴퓨터 인식 변화 49
• 2) 수업 후 양자 컴퓨터에 대한 학생들의 소감 분석 변화 55
• 3. 수업시간 활동지 내용을 통한 효과성 분석 64
• 1) 양자컴퓨터 학생 할동지(1차시) 분석 64
• 2) 양자컴퓨터 학생 활동지(2차시) 분석 70
• 3) 양자컴퓨터 학생 활동지(3차시) 분석 74
• Ⅴ. 결론 78
• 참고문헌 80
• 부록 87
• Abstract 120