AI 도구 활용 생명기술 교육 프로그램 개발 및 효과 분석 : 중학교 기술교과를 중심으로

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to develop an AI tool–integrated educational program for the biotechnology unit in middle school and to analyze its educational effects through classroom implementation. The biotechnology unit in technology education involves both abstract concepts and ethical issues, requiring learners’ deep conceptual understanding and critical thinking. For example, gene-editing technologies require an understanding of biological phenomena at a micro-level centered on genes and DNA, while simultaneously demanding ethical judgment regarding human life and values. However, recent needs analysis studies on technology teacher professionals indicate that, despite the high curricular importance of the biotechnology unit, existing educational programs remain relatively insufficient, highlighting the need for instructional support in school settings. Accordingly, this study aimed to develop a biotechnology education program utilizing AI tools in alignment with the growing emphasis on digital and AI literacy.
In this study, AI tools were conceptualized not as naive answer finder but as “learning partners” that support inquiry and reflection. Based on this perspective, I developed a biotechnology education program with a staged instructional flow consisting of introduction, inquiry, sharing, and reflection. During the inquiry stage, NotebookLM was used to facilitate concept exploration and structuring based on verified sources. In the sharing stage, Napkin AI was employed to visualize complex biotechnology principles and reorganize them into infographic formats. In the reflection stage, students revised and refined their ethical essays on biotechnology by referencing AI-generated feedback provided through the platform Jajakjajak, thereby deepening their thinking.
The developed program was implemented over eight class sessions with 75 ninth-grade students at a middle school in Seoul. A mixed-methods research design was adopted, incorporating pre- and post-surveys, open-ended questionnaire responses, and individual interviews to analyze the program’s effects.
The results indicated changes in students’ competencies across five domains measured by 20 items on a five-point Likert scale. Statistically significant improvements were observed in AI and digital literacy, biotechnology learning, AI feedback utilization, and ethical reflection competencies (p < .01). Although no statistically significant change was found in inquiry learning competency metric in the quantitative analysis, qualitative findings revealed improvements in the refinement of thinking, the specificity of question generation, and increased learning engagement. Interviews further indicated that students perceived AI tools as learning partners and reported receiving substantial support in understanding complex biotechnology concepts and organizing their perspectives logically.
Meanwhile, despite these positive educational outcomes, there remains a fundamental concern that excessive dependence on AI tools may hinder the long-term development of cognitive abilities and independent learning competencies. Therefore, teachers and educational program designers should carefully consider the dual nature of AI tool use and continuously seek pedagogical approaches that balance support and learner agency. This study is significant as an exploratory attempt to propose a systematically integrated AI-based instructional model for the biotechnology unit in middle school technology education and provides foundational data for future expansion into diverse educational domains.

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 중학교 기술교과 생명기술 단원을 중심으로 AI 도구를 활용한 교육 프로그램을 개발하고, 이를 실제 수업에 적용하여 그 교육적 효과를 분석하는 데 있다. 기술교과의 생명기술 단원은 개념의 추상성과 윤리적 쟁점을 동시에 포함하고 있어, 학습자의 심층적인 이해와 비판적 사고를 요구하는 영역이다. 예를 들어 유전자 편집 기술은 유전자와 DNA를 중심으로 한 미시적 수준의 생명 현상에 대한 이해와 더불어, 인간의 생명과 가치에 대한 윤리적 판단을 함께 요구하는 내용을 포함한다. 그러나 최근 기술교사 연수 요구분석 연구에 따르면, 생명기술 단원은 교육과정상 중요도가 높음에도 불구하고 교육 프로그램의 수준은 상대적으로 미흡해 현장의 교수·학습 지원이 필요한 실정이다. 이에 본 연구는 최근 강조되고 있는 디지털·인공지능 활용 역량 함양과 연계하여, AI 도구를 활용한 생명기술 교육 프로그램을 개발하고자 하였다.
본 연구에서는 AI 도구를 단순한 정답 제공 수단이 아닌 탐구와 성찰을 지원하는 '학습 파트너'로 정의하고, '도입–탐구–공유–성찰'의 단계적 흐름을 갖는 생명기술 교육 프로그램을 설계하고자 하였다. 탐구 단계에서는 NotebookLM을 활용하여 검증된 자료를 기반으로 개념을 탐색하고 구조화하도록 유도하였으며, 공유 단계에서는 Napkin AI를 통해 복잡한 생명기술 원리를 시각화하여 인포그래픽으로 재구성할 수 있도록 하였다. 성찰 단계에서는 자작자작의 AI 피드백을 참고하여 생명기술 윤리 논술문을 퇴고하고 자신의 사고를 정교화하도록 설계하였다.
개발된 프로그램은 서울 소재 중학교 3학년 학생 75명을 대상으로 총 8차시에 걸쳐 적용되었다. 연구 방법으로는 혼합 연구 방법을 적용하여 사전·사후 설문, 개방형 문항, 개별 인터뷰 자료를 수집하여 그 효과를 분석하였다.
연구 결과, Likert 5점 척도의 20개 문항으로 측정한 5개 영역에서 교육 프로그램 적용 전후 학생들의 역량 변화를 확인할 수 있었다. AI·디지털 활용 역량, 생명기술 학습, AI 피드백 활용, 윤리적 성찰 역량 평가 영역에서 통계적으로 유의미한 향상이 나타났다(p < .01). 탐구 학습 역량은 양적 분석에서 유의미한 변화가 나타나지 않았으나, 질적 분석에서 사고의 정교화, 질문 생성의 구체화, 학습 몰입도 증가 등의 효과를 확인할 수 있었다. 개별 인터뷰를 통해 학생들은 AI 도구를 학습 파트너로 인식하며 생명기술의 복잡한 개념을 이해하고 자신의 관점을 논리적으로 정리하는 데 실질적인 도움을 받았다고 응답하였다.
한편으로 이와 같은 긍정적인 교육 효과가 기대되는 반면, 학습자의 무분별한 AI 도구 의존은 장기적인 인지 능력 발달과 자기주도적 학습 역량 형성을 저해할 수 있다는 본질적인 우려도 존재한다. 이에 현장의 교사와 교육 프로그램 설계자는 AI 도구 활용의 양면성을 신중히 고려하여 교육적 접근을 지속적으로 모색할 필요가 있다.
본 연구는 중학교 기술교과 생명기술 단원에 AI 도구를 체계적으로 통합한 수업 모델을 제시한 초기 연구였다는 점에서 의의가 있으며, 향후 다양한 교육 분야로의 확장을 위한 기초 자료를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구의 필요성 1
• 1.2. 연구의 목적 3
• 2. 이론적 배경 5
• 2.1. 생명기술 5
• 2.1.1. 생명기술의 정의 5
• 2.1.2. 생명기술 단원 관련 2015 개정 교육과정 분석 7
• 2.1.3. 생명기술 단원 관련 2022 개정 교육과정 분석 8
• 2.2. 교육 프로그램을 위한 AI 도구 10
• 2.2.1. 국외 연구 동향 10
• 2.2.2. 국내 연구 동향 12
• 2.3. AI를 활용한 생명기술 교육 프로그램 14
• 2.3.1. 국외 연구 동향 15
• 2.3.2. 국내 연구 동향 17
• 2.4. 본 연구 수업 설계의 이론적 위치와 특징 19
• 3. 연구 방법 21
• 3.1. 연구의 대상 21
• 3.2. 연구의 방법 및 절차 22
• 3.3. AI 도구 선정 및 특성 24
• 3.3.1. 도구 선정 기준 24
• 3.3.2. NotebookLM 25
• 3.3.3. Napkin AI 26
• 3.3.4. 자작자작 27
• 3.4. AI 도구 활용 생명기술 교육 프로그램 개발 29
• 3.4.1. 프로그램 개발의 기본 방향 29
• 3.4.2. 프로그램 구성 및 차시별 내용 30
• 3.4.3. 프로그램 적용 절차 36
• 3.5. 검사 도구 38
• 3.5.1. 사전-사후 설문 도구 38
• 3.5.2. 사후 개방형 설문 문항 40
• 3.5.3. 개별 인터뷰 면담 도구 41
• 3.6. 자료 수집 및 분석 방법 43
• 3.6.1. 자료 수집 방법 43
• 3.6.2. 자료 분석 방법 43
• 4. 연구 결과 45
• 4.1. 사전-사후 검사 결과 45
• 4.2. 사후 개방형 문항 분석 결과 48
• 4.3. 개별 인터뷰 분석 결과 51
• 4.3.1. A그룹: 사전-사후 점수 향상이 뚜렷한 학생들 51
• 4.3.2. B그룹: 사전-사후 점수 향상이 중간 정도인 학생들 52
• 4.3.3. C그룹: 사전-사후 점수 변화가 미미하거나 감소한 학생들 53
• 4.4. 종합 해석 55
• 5. 결론 및 제언 58
• 5.1. 결론 58
• 5.2. 연구의 한계 59
• 5.3. 제언 61
• 참고문헌 63
• 부록 68
• ABSTRACT 72