인공지능 원리를 융합한 수학교육 프로그램 개발 및 적용 = Development and Application of Mathematical Education Program Converging Artificial Intelligence Principles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Based on the growth of big data, the artificial intelligence field is emerging and is recognized as the basis for leading the upcoming era. The Ministry of Education is proposing to strengthen software education in the 2015 revised curriculum, and in 2020, AI curriculum was developed, and artificial intelligence textbooks were produced for first to fourth and fifth graders. In the 2022 revised curriculum, educational policies were established to strengthen information education in elementary schools, and research on artificial intelligence education such as research on the availability of artificial intelligence and development of artificial intelligence education programs is also being actively conducted. Although efforts are being made to realize artificial intelligence education by securing the number of hours through various policies, the reality is that it is still too much for artificial intelligence education to actually in the classroom. The purpose of this study is to develop and apply a mathematics education program that combines the principles of artificial intelligence to find out the changes in cognitive and affective characteristics that appear in students.
For this study, a mathematics education program was developed that combines five themes and 12 artificial intelligence principles. Topic 1 compares the size of the fractions using sorting algorithms, topic 2 classifying shapes using decision trees, topic 3 visualizing data and drawing graphs, topic 4 finding rules to learn in truth, and topic 5 is the meaning and name of map learning and polygons. After applying the developed program to students in one class of 6th grade, changes in students' cognitive and affective characteristics were confirmed based on the collected data by collecting recorded data, student observation checklist, observation diary, student activity results, student questionnaire, artificial intelligence principle, and student interview data.
The mathematics education program, which combines the developed AI principles, establishes the stated learning goals (how to do) using (artificial intelligence principles), and students learn the mathematical concepts using artificial intelligence principles first. Each program included unplugged play activities or group-specific cooperative activities for the interest of students.
In terms of the cognitive characteristics of students revealed when applying the mathematical education program that combines the principles of artificial intelligence, students well understood the principles of artificial intelligence as a result of qualitative research. However, it was observed that students' understanding of the subject of progress and regularity was insufficient compared to other subjects. In terms of affective characteristics, students showed higher interest in the class after applying this program compared to existing math classes. Students' interest improved by appropriately converging unplugged play activities, mathematical concepts, and artificial intelligence principles, and accordingly, participation in classes increased significantly.
Based on the research results, I would like to make the following suggestions for future research. First, when applying this program to students, it is recommended to apply it to the class at that time so that students can learn the concepts of mathematics and also learn the principles of artificial intelligence. Second, in the study, the program was applied to research participants in the 6th grade of elementary school, but the mathematical concept used was already learned with the contents of the 4th and 6th grades. Therefore, it was difficult to study what mathematically changed among students' cognitive characteristics, so various studies need to be conducted in the future to analyze the changes in mathematical characteristics among students' cognitive characteristics. Third, while conducting this study, it was possible to see that students' interest in classes increased through various unplugged activities. Research is also needed on whether students' interest in the class was fused with the artificial intelligence principle or because it was a class incorporated with play.

국문 초록 (Abstract)

빅 데이터의 성장을 바탕으로 인공지능 분야가 새롭게 떠오르고 있으며 다가올 시대를 이끌어갈 기반으로 인정받고 있다. 교육부는 2015 개정교육과정에서 소프트웨어 교육 강화를 제시하고 있으며 2020년에는 AI 교육과정이 개발되었고 초등1~4, 5~6학년을 대상으로 한 인공지능 교과서의 제작이 이루어졌다. 2022 개정 교육과정에서는 초등학교의 정보교육 강화를 위한 교육 정책을 수립하였으며, 인공지능의 활용가능성에 대한 연구와 인공지능 교육 프로그램 개발 연구 등 인공지능 교육 관련 연구도 활발히 이루어지고 있다. 다양한 정책으로 시수를 확보하여 인공지능교육을 실현하기 위해 노력하고 있지만 교실에서 실제로 인공지능교육이 이루어지기에는 아직 무리가 있는 것이 현실이다. 이 연구의 목적인 인공지능 원리를 융합한 수학교육 프로그램을 개발하고 적용하여 학생들에게 나타나는 인지적 특성과 정의적 특성의 변화를 알아보는 것이다.
이 연구를 위해 5개 주제, 12차시의 인공지능 원리를 융합한 수학교육 프로그램을 개발하였다. 1주제는 정렬 알고리즘을 활용한 분수의 크기 비교, 2주제는 의사결정나무를 활용한 도형 분류, 3주제는 데이터 시각화와 그래프 그리기, 4주제는 진법으로 배우는 규칙 찾기, 5주제는 지도학습과 다각형의 뜻과 이름이다. 개발된 프로그램을 6학년 1개 학급 학생들을 대상으로 적용한 후 적용 과정에서 녹음 자료, 학생 관찰 체크리스트, 관찰 일지, 학생 활동 결과물, 학생 설문지, 인공지능 원리 확인 학생 평가지, 학생 면담 자료를 수집하여 수집된 자료를 바탕으로 학생들의 인지적 특성과 정의적 특성의 변화를 확인하였다.
개발된 인공지능 원리를 융합한 수학교육 프로그램은 “(인공지능 원리)를 알고, 이를 활용하여 (수학 개념)을 (어떻게) 한다.”와 같은 형태로 진술된 학습 목표를 설정하여 인공지능 원리와 수학교육을 대등하게 융합하였고, 학생들이 인공지능 개념을 먼저 학습한 후 인공지능 원리를 활용하여 수학 개념을 학습하게 된다. 각 프로그램에는 학생들의 흥미를 위해 언플러그드 놀이 활동이나 모둠별 협동 활동을 포함하였다.
인공지능 원리를 융합한 수학교육 프로그램 적용 시 드러나는 학생의 인지적 특성을 분석한 결과에 따르면 인공지능 원리를 잘 이해하였지만, 수학 주제와 관련하여 진법과 규칙성 주제에 대한 학생들의 이해는 다른 주제에 비해 부족한 것으로 확인되었다. 정의적 특성 측면에서는 기존 수학 수업에 비해 학생들은 본 프로그램을 적용하고 난 후 수업에 더 높은 흥미를 보였다. 언플러그드 놀이 활동과 수학 개념, 인공지능 원리를 적절히 융합하여 학생들의 흥미가 향상되었고, 이에 따라 수업에 대한 참여도가 크게 증가하였다.
연구 결과를 바탕으로 향후 연구를 위해 다음과 같은 제언을 하고자 한다. 첫째, 본 프로그램을 학생들에게 적용할 때에는 해당 차시의 수업시간에 적용하여 학생들이 수학 개념을 익히는 동시에 인공지능 원리도 학습할 수 있도록 하는 것이 좋다. 둘째, 연구에서는 초등학교 6학년인 연구 참여자들을 대상으로 프로그램을 적용하였으나 활용한 수학 개념은 4-6학년의 내용으로 이미 학습한 상태였다. 따라서 학생들의 인지적 특성 중 수학적으로 어떠한 변화가 있었는가에 대해 연구하기 어려웠으므로 향후 다양한 연구가 진행되어 학생들의 인지적 특성 중 수학적 특성 변화에 대한 분석이 이루어질 필요가 있다. 셋째, 본 연구를 진행하면서 다양한 언플러그드 활동을 통해 학생들의 수업에 대한 흥미도가 높아지는 모습을 볼 수 있었다. 학생들의 수업에 대한 흥미가 인공지능 원리와 융합되었기 때문인지 놀이가 접목된 수업이었기 때문인지에 대해서도 연구가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 3
• 3. 용어의 정의 3
• 4. 연구의 제한점 3
• Ⅱ. 이론적 배경 5
• 1. 인공지능 원리 5
• 2. 인공지능 교육 동향 11
• Ⅲ. 연구 방법 19
• 1. 연구 참여자 19
• 2. 연구 절차 21
• 3. 자료 수집 26
• 4. 자료 분석 30
• Ⅳ. 연구 결과 34
• 1. 인공지능 원리를 융합한 수학교육 프로그램의 특징 34
• 2. 인공지능 원리를 융합한 수학교육 프로그램 적용 시 드러나는 학생의 인지적/정의적 특성 46
• Ⅳ. 결론 및 제언 69
• 1. 결론 69
• 2. 제언 71
• 참고문헌 72
• ABSTRACT 76
• 부록 80
• 1. 교수·학습과정안 80
• 2. 학생 활동지 93