중학생의 AI융합교육 기반 과학 동아리 활동 경험에 대한 현상학적 연구 = A Phenomenological Study on Middle School Students' Experience in Science Clubs Based on AI Convergence Education

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

According to the 2022 revised curriculum, it is necessary to establish future educational visions and change the curriculum system, including improving instruction and evaluation, to foster the competencies necessary for future society in response to digital transformation, climate ecological environment changes, and demographic structural changes caused by the development of artificial intelligence technology. It emphasizes strengthening basic digital literacy, including AI software education, as a curriculum that can cultivate the competencies required by future society. Teacher research, learner research, AI convergence education programs, and effectiveness analysis related to AI convergence education are being actively conducted as interest in convergence education using AI has recently increased. However, it is difficult to find in-depth phenomenological research on the experiences of students who are the subjects of AI convergence education.
This study introduced the research process and results of science club activities related to AI convergence education, further understood the experiences of students participating in AI convergence education-based science club activities under the theme of phenomenological research on AI convergence education-based science club activities, and analyzed the implications of AI convergence education science club activities for students to find the significance of AI convergence education in the educational field and explore the direction of progress.
Based on the research subject C Middle School science club activity result report, related data, and the researcher's teaching experience, the inquiry process and results were analyzed, and the three-stage interview method suggested by Seidman (1998) and Schuman (1982) was reconstructed to fit the research topic as a phenomenological research method, and Giorgi (1985)'s phenomenological experiential research method was applied in five stages.
The results of this study are summarized as follows.
First, students created AI-based student activity results by adding the function of AI to the consumer-centered convergence education activity process.
Second, students who participated in science club activities based on AI convergence education were interested in science, but they thought that artificial intelligence should be used carefully because it could threaten humans. Based on the experience of STEAM education, they recognized problems and considered the experience of converging content from various subjects and fields rather than general knowledge transfer classes, but they did not know clearly about AI convergence education.
Third, students selected topics as subjects in science club activities based on AI convergence education, but they suffered from lack of knowledge or competence in using various AI-related SW necessary for solving them. In particular, they complained of difficulties in learning voice data compared to learning artificial intelligence image data, and cited the limitation of being difficult to access at the middle school level, although they are interested in big data or how to use artificial intelligence with good performance.
Fourth, AI convergence education-based science club activities created a sense of accomplishment and confidence, and through the process of solving problems in harmony with friends, scientific attitudes such as interest, interest, and curiosity in artificial intelligence-related high-tech science were developed, and it was an opportunity to think positively about the career path of artificial intelligence.
In order to provide effective AI convergence education, related SW education and education using big data must be preceded, and this is expected to be realized by strengthening digital basic literacy education, including AI software education, and making AI and big data-based education essential in the 2022 revised curriculum. The results of this study also show that the advancement of digital basic literacy education for AI-using education is expected to occupy an important position in the future education field in various aspects, and the expansion of the area of convergence education is expected to be essential for nurturing human resources necessary for the future society.

Keywords: AI convergence education, AI utilization education, science club activities, phenomenological research, experience, growth

국문 초록 (Abstract)

2022 개정 교육과정에 따르면 인공지능 기술 발전에 따른 디지털 전환․기후 생태환경 변화 및 인구 구조 변화 등에 대응하여 미래 사회에 필요한 역량을 함양하고, 학습자 맞춤형 교육을 강화할 수 있도록 미래 교육 비전의 정립과 수업 및 평가 개선을 포함한 교육과정 체제 전환이 필요하며, 미래 사회가 요구하는 역량 함양이 가능한 교육과정으로 AI 소프트웨어 교육을 비롯한 디지털 기초소양 강화를 강조하고 있다. 더불어 최근 AI를 활용한 융합교육에 대한 관심이 높아지면서 AI융합교육과 관련된 교사 연구, 학습자 연구, AI융합교육 프로그램 개발과 효과성 분석 등이 활발하게 진행되고 있다. 그러나 AI융합교육의 주체가 되는 학생들의 경험에 대한 심층적인 현상학적 연구는 찾아보기 어려운 실정이다.
이 연구에서는 AI융합교육 관련 과학 동아리 활동의 탐구 과정 및 결과물을 소개하고, AI융합교육 기반 과학 동아리 활동 경험의 현상학적 연구를 주제로 AI융합교육 기반 과학 동아리 활동에 참여하는 학생들의 경험을 보다 심층적으로 이해하고, AI융합교육 과학 동아리 활동이 학생들에게 주는 의미를 분석하여 실제적으로 교육 현장에서 이루어지는 AI융합교육의 의의를 찾고, 나아갈 방향을 탐색하고자 하였다.
연구 주체인 C중학교 과학 동아리 활동 결과보고서 및 관련 자료와 연구자의 지도 경험을 토대로 탐구 과정과 결과물을 분석하고, 참여 학생들의 경험에 대한 현상학적 연구방법으로는 Seidman(1998)과 Schuman(1982)이 제시한 3단계 면담법을 연구 주제에 맞게 재구성하였으며, Giorgi(1985)의 현상학적 체험 연구 방법 5단계를 적용하였다.
이 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
첫째, 학생들은 수요자 중심의 융합교육 활동 과정에 AI라는 기능을 추가하여, AI 기반의 학생 활동 결과물을 스스로 창출하였다.
둘째, AI융합교육 기반 과학 동아리 활동에 참여하는 학생들은 과학에는 흥미가 있었지만, 인공지능은 인간을 위협할 수 있기 때문에 사용에 신중해야 한다고 생각하였다. STEAM 교육을 받은 경험을 토대로 일반적인 지식 전달의 수업보다는 문제를 인식하고 여러 교과와 분야의 내용을 융합하여 수업한 경험을 긍정적으로 생각하고 있었지만, AI융합교육에 대해서는 명확히 알지 못했다.
셋째, AI융합교육 기반 과학 동아리 활동에서 학생들이 주체가 되어 주제를 선정하였지만, 해결에 필요한 다양한 AI관련 SW 사용에 대한 지식이나 역량 부족으로 어려움을 겪었다. 특히, 인공지능 이미지 데이터 학습에 비해 음성 데이터 학습의 어려움을 호소하였고, 빅데이터나 성능이 좋은 인공지능 사용 방법에 대하여 관심은 많지만, 중학생 수준에서 접근하기 어렵다는 점을 한계로 꼽았다.
넷째 AI융합교육 기반 과학 동아리 활동을 통해 성취감과 자신감이 생겼고, 친구들과 어울려 문제를 해결하는 과정을 통해 인공지능 관련 첨단과학에 대한 흥미와 관심, 호기심 같은 과학적 태도를 키울 수 있었으며, 인공지능 분야의 진로에 대하여도 긍정적으로 생각하는 계기가 되었다.
효과적인 AI융합교육을 실행하기 위해서는 관련 SW 교육과 빅데이터 활용 교육이 필수적으로 선행되어야 한다. 2022 개정 교육과정에서는 AI 소프트웨어 교육을 비롯한 디지털 기초소양 교육을 강화하고 AI와 빅데이터 기반의 학교 현장 교육에 초점을 두고 있다. 이 연구 결과 역시 다양한 측면에서 AI활용 교육을 위한 디지털 기초소양 교육은 앞으로의 교육 현장에서 중요하게 다루어져야 하며, 융합교육의 영역 확대가 미래 사회에 필요한 인재 양성에 기여할 수 있다는 대표적인 사례를 제시하고 있다.

주제어: AI융합교육, 인공지능 활용 교육, 과학 동아리 활동, 현상학적 연구, 경험, 성장

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 2. 연구 목적 4
• 3. 연구의 제한점 5
• 4. 용어의 정의 6
• 가. 현상학적 연구 방법 6
• 나. STEM 교육 6
• 다. STEAM 교육 6
• 라. AI교육 7
• 마. AI융합교육 7
• 바. 기계학습 8
• 사. 딥러닝 8
• Ⅱ. 이론적 배경 10
• 1. 현상학 연구 10
• 가. 현상학의 의미 10
• 나. 현상학의 방법론적 고찰 10
• 1) 에포케와 환원 10
• 2) 지오르지의 현상학적 체험 연구 방법 11
• 가) 자료 수집 절차 12
• 나) 자료 분석 절차 12
• 3) 질적 연구로서 현상학적 체험 연구의 필요성 13
• 4) 3가지 유형의 면담 14
• 2. STEAM 교육 16
• 가. STEAM 교육 정의에 대한 논의 16
• 나. STEAM 교육의 교수학습 준거 17
• 1) 상황제시 18
• 2) 창의적 설계 18
• 3) 감성적 체험 18
• 다. STEAM 교육의 교수학습 준거에 대한 논의 19
• 라. 미래형 융합교육 20
• 3. AI융합교육 21
• 가. AI역량 21
• 나. AI융합교육의 대두 21
• 다. AI융합교육 선행연구 22
• Ⅲ. 연구 방법 24
• 1. 과학 동아리 활동 주제 선정 및 탐구 과정 24
• 가. 선행 활동 및 자료 조사 25
• 나. AI융합교육 기반 주제 선정 26
• 다. 활동 계획 및 내용 선정 27
• 라. 팀별 역할 분담 및 과제 수행 28
• 2. 현상학적 연구 방법 29
• 가. 연구 대상자 29
• 나. 자료 수집 30
• 다. 자료 분석 32
• Ⅳ. 연구 결과 34
• 1. 과학 동아리 활동 34
• 가. 활동 내용 선정 결과 34
• 나. 주제에 따른 결과물 35
• 1) 디오라마 35
• 2) 학생 개발 AI 모델 결과물 37
• 가) 초기 버전 AI 모델 37
• 나) 개선 버전 AI 모델 38
• 다) 활용 버전 AI 모델 40
• 다. 성과 발표 및 공유 42
• 2. 과학 동아리활동 경험의 현상학적 연구 43
• 가. 참여 학생들의 이해 44
• 1) 참여계기 44
• 2) 과학 교과와 인공지능에 대한 흥미 46
• 3) STEAM 교육과 AI융합교육에 대한 인식 49
• 나. 참여 학생들의 경험 52
• 1) 주제 선정과 자기주도적 문제 해결 52
• 2) 수업 환경, 데이터 수집 56
• 3) 교사의 도움 61
• 다. 학생들에게 주는 의미 63
• 1) 자신감, 성취감 및 아쉬움 63
• 2) 어울림과 감성적 체험 67
• 3) 과학교과에 대한 흥미 변화와 장래희망 70
• 4) 참여와 주도성 및 AI 활용의 중요성 74
• Ⅴ. 결론 및 제언 77
• 1. 결론 77
• 2. 제언 80
• 참고 문헌 82
• 영문 초록 90
• 부 록 92
• 1. 2022년 관송과학탐구반 과학 동아리활동 결과보고서 93
• 2. 2022년 관송과학탐구반 전국 과학 동아리활동발표대회 차트 108
• 3. 연구 대상자용 설명문 및 동의서 112
• 4. 연구자와 연구 대상자 간의 면담록 116
• 5. 아두이노 수업 활동지(미세먼지 측정기 만들기) 163
• 6. 구역별 식물 분류 지도 181
• 7. 식물 잎 이미지 학습 데이터 182
• 8. 음성 인식 학습 자료(포항시 자생 식물 구역 정리) 187
• 9. 종이로 전하는 메시지 토퍼 만들기 부스 활동지 190
• 10. 슛 골인 AI 로봇 축구 부스 활동지 191