더티칭랩 최종 결과보고서

■ 개요

주제	테크놀로지 활용 수업(인공지능 AI 활용)
참여자 성명(소속)	김종희(지구과학교육과), 정은영(생물교육과), 오지향(음악교육과), 최재혁(물리교육과), 황정운(물리교육과)
정산금액	일금 사십만원 원정 (\400,000)
연구기간	2023년 5월 26일 ~ 2023년 8월 25일

2023년 8월 25일

작성자 : 김종희      (인)

전남대학교 교육혁신본부장 귀하

Ⅰ. 서론

[연구의 필요성]

•인공지능(AI, artificial intelligence)의 발전은 사회 전반에 영향을 주고 있고 교육에도 영향을 미치고 있음

•제4차 산업혁명 대응 방안으로 창의적, 융합적 인재의 양성을 담당할 교육제도의 개편을 핵심과제로 제시(서정화, 2016. ; 제4차 산업혁명과 총체적 대응 방안, 서울대총동창신문, 2016년 12월 15일.)

•미국과 영국은 STEM 교육을 표방하며 미래사회를 선도할 산업 및 과학 인재 양성을 위한 교육 시행하고 있음

•인공지능 시대가 요구하는 대표적 역량은 창의성: 데이터로부터 무엇을 볼 것인가에 따라 결과가 달라질 수 있으며, 무엇을 볼 것인가 하는 문제는 결국 새로운 문제를 발견하는 창의성에 기인(이상욱과 고영미, 2017. ; 21세기 인공지능시대에서의 교육의 목적)

•인공지능 활용 교육현장( https://if-blog.tistory.com/14078 )

•사범대학의 AI 교육 강화 사업

1) 전남대학교 사범대학: 아이에답 사업

2) 서울대학교 사범대학: AI 교육 강화 사업

(https://www.snu.ac.kr/snunow/snu_story?md=v&bbsidx=137505)

3) 성균관대학교 사범대학

(https://www.software.kr/home/kor/board.do?menuPos=12&act=detail&idx=144769&searchValue1=0&searchKeyword=&pageIndex=1 )

•예비교사를 양성하는 사범대학의 교수자로서 인공지능에 대한 인식 제고와 함께 강의에 인공지능을 도입할 필요성 공감

따라서 강의에 인공지능을 도입하는 것에 대해 논의하고 인공지능 교육 방안에 대해 살펴보고자 함

[연구 주제]

사범대학 강의에 인공지능(AI)을 도입하는 것에 대한 의견

2. 인공지능 교육 방안에 대한 탐색

Ⅱ. 연구 방법

•5명의 연구자가 자신의 강의에 인공지능(AI)을 도입하는 것에 대해 의견 교환하고,

인공지능 교육 방안을 문헌 연구 등을 이용하여 탐색함.

•2023년 5월부터 8월까지 개별 연구 후 총 3회의 논의를 거쳐 연구 내용을 정리함.

•연구자 중 2명은 사범대학의 아이에답 사업(인공지능 활용 수업 모형 개발)에 참여함.

Ⅲ. 연구 결과

1. 사범대학 강의에 인공지능(AI)을 도입하는 것에 대한 의견

가. 교수자의 역할

•보편적인 지식 전달자 역할 불필요

→ 수업 디자인

→ 학습자 격려, 동기 유발 등 학습자의 감정에 관련된 부분 관여

→ 문제해결형 수업 진행

→ 토의, 토론 진행

나. 교육 목표 및 교육방법

•21세기의 교육은 학생의 개성을 존중하고 창의성을 개발할 수 있는 교육방법으로의 전환을 요구

•지식 이해에서 역량 함양으로

•교수학습 방법의 변화 – 일제식, 설명형에서 개별 맞춤형으로

학생, 학부모의 인식과 교육 환경의 변화 필요

다. 과제 제시 방법

•생성형 인공지능 기반 Chat GPT, Bard는 과제 수행을 대신함

(AI 기술의 사용에 대한 윤리 측면의 문제)

→ Chat GPT, Bard 등을 활용할 수 있는 과제 제시 필요

라. 평가 내용 및 방법

•객관식 평가를 벗어나는 일은 교육 혁신의 첫 걸음(김도연 전 교육과학기술부 장관)

•학습과정으로서의 평가 역할 강조

•빅데이터를 이용한 학습자의 역량 관리 필요

마. 교수자에게 필요한 인공지능 관련 역량

•AI 활용 교육에 대한 이해와 기술적인 역량

•교수학습에 활용할 AI 기반 교육 콘텐츠 선택

•학습자의 학습 특성 이해

바. 교사 양성 교육과정에 필요한 인공지능 관련 내용

•AI에 대한 교육

•AI 활용 방법 교육

•학과 및 사범대학 차원의 교육과정 개편 필요

•AI를 활용하는 수업 모델 제시

인공지능(AI)에 대한 교육

•AI·디지털 기기, SW 프로그래밍에 대한 교육 : 정보(컴퓨터) & 기술, 수학 등

•컴퓨팅 사고력 혹은 소프트웨어 교육

관련 역량: 컴퓨팅 사고, 데이터 리터러시, 인공지능 리터러시, 지식정보처리 역량, 문제해결 역량, 창의성, 정보 윤리 등

•데이터 과학자가 갖추어야 할 3개의 기본 역량(Conway, 2011):

특정 분야에 대한 지식

수학 및 통계적 지식

프로그래밍 기술

→ 3개의 역량의 공통적인 교집합을 ‘데이터 과학’으로 정의

○ 수업 운영 사례

지구과학교육과 사례: SW 교과목 개발/운영 – 자연과학을 위한 컴퓨터 과학적 사고

[수업 목표]

1) 지구과학 분야의 문제 해결하는 과정에서 소프트웨어를 창의적으로 활용할 수 있다.

2) 지구과학 탐구활동을 위한 학습 프로그램 개발 과정에 오픈소스로 제작된 소프트웨어 프로그램을 사용할 수 있다.

[설정 역량]

컴퓨터 기본 활용 능력을 통한 인공지능(AI) 시대를 대비하는 스마트 교육 역량

[수업 방식(오픈소스 SW 활용 방안)]

오픈소스 프로그램(Fortran/Python/R/GrADS/NCL, QGIS/Arduino 등), 자체 제작 교재 및 워크북 활용

○ 선행연구 사례

1) 인공지능을 주제로 고등학교 과학탐구실험 교과용 수업 프로그램 개발

허희정 (2022). 인공지능을 주제로 한 과학탐구실험 교과 내 ‘첨단과학탐구’ 단원 수업 프로그램의 개발 및 적용. 한국교원대학교 대학원 석사학위 논문.

<표 1> 개발한 프로그램의 수업 주제와 내용

차시	수업 내용
1	생활 속 AI가 적용된 사례 살펴보고 인공지능에 대해 정의해 보기
2	Autodraw(오토드로우), Quickdraw(퀵드로우), Teachable machine(티처블머신) 등 인공지능 체험 및 코딩프로그램 소개하기, 인공지능 윤리 교육
3	인공지능 개념, 인공지능 윤리, 인공지능 활용 중 주제를 선택하여 카드뉴스 만 들기, 엔트리 플립러닝 제공
4	엔트리(https://playentry.org/)를 활용한 코딩 프로그램 활동
5	인공지능을 활용한 문제해결 아이디어 – Zoom 소그룹 토론 후 전체 줌에서 발표하기

연구 결과: 과학과의 핵심역량(과학적 의사소통 능력, 과학적 문제해결력)이 유의미하게 향상. 실생활에서 문제 상황을 찾고 인공지능을 활용하여 해결 방안을 모색하는 활동은 학생들의 과학적 문제해결력과 과학적 의사소통 능력을 향상

인공지능(AI) 활용 교육

가. AI 활용 교육 정의

•인공지능 사용자로서 인공지능 리터러시 교육, 인공지능 활용자로서 현재의 컴퓨팅 사고력과 코딩 교육 역량을 기반으로 인공지능 기술을 적용한 문제해결력과 창의적인 산출물을 만들어 낼 수 있는 역량을 목표(김수환, 김성훈, 이민정, 김현철, 2020. K-12 학생 및 교사를 위한 인공지능 교육에 대한 고찰. 컴퓨터교육학회논문지, 23(4) )

•효과적이고 효율적인 교육을 위해 인공지능을 활용하는 교육(한국교육과정평가원, 2020)

인공지능을 문제해결의 도구로 활용

인공지능 기반 교육은 인공지능 기술을 활용하여 학습자 분석, 학습 내용 분석 등을 지원하는 도구로서의 인공지능의 역할에서 인공지능 활용 교육과 같이 교육의 방법적 측면에서의 교육까지 포함

나. AI 활용 교육 방안

•탐구활동에 생성형 AI를 이용: Chat gpt, Bard 활용

(예시)

활동: 지구 평균기온 상승과 관계있을 것으로 생각되는 현상에 논의 및 자료 조사

제공하는 변인: 지구 평균기온 변화, 대기 중 이산화탄소 농도 변화, 해수면 높이 변화, 극지방 빙하 면적 변화, 강수량 변화

안내: 제시된 변인 외 지구 평균기온 상승과 관계있을 것으로 생각되는 요인을 생성형 AI의 도움을 받아 찾으시오. 단, 개별로 찾은 후 모둠원과의 논의를 통해 적절성을 검토하시오.

•글쓰기 교육에 활용 : 점검, 피드백

[탐구활동의 글쓰기에서 점검 목적으로 생성형 AI 이용하기]

(예시)

활동: 기후변화 칼럼 작성하기

안내: 위에서 제시한 기후변화 현상 6가지 중에서 1가지 주제를 선정하여, 칼럼리스트가 되어 기후변화 칼럼을 제작하여 봅시다(300자 내외).

작성한 칼럼을 생성형 AI를 이용하여 점검받은 후 수정하시오. (점검 사항: 포함할 내용-기후변화의 현상, 기후변화의 영향, 이산화탄소의 지구온난화와의 관련성, 인간활동이 기후변화에 미치는 영향, 글의 논리성)

학생이 작성한 글

인간 활동은 기후변화에 큰 영향을 미칩니다. 화석 연료 소비로 인한 이산화탄소 배출은 온실 효과를 촉진해 지구온난화를 가속화 하며, 산림벌채와 대규모 산업화로 생태계 파괴가 심각해지고 생물 다양성이 감소합니다. 지속 가능한 에너지와 소비 습관의 필요성이 대두되었으며, 국제적 협력으로 온실가스 감축 노력이 필수적입니다. 개인과 정부의 노력으로 산업 구조와 생활 방식을 변화시켜 기후 위기에 대응할 수 있습니다.

생성형 AI를 이용한 점검

(질문) 작성한 칼럼이 기후변화의 현상, 기후변화의 영향, 이산화탄소의 지구온난화와의 관련성, 인간 활동이 기후변화에 미치는 영향에 대한 내용을 포함하고 있는지 점검해 주세요. 그리고 글의 논리성도 적절한지 알려주세요.

•데이터 분석과 시각화에 분석형 AI 활용

(예시)

지구 평균기온 상승과 관련있는 요인에 대해 데이터 분석(자료 간의 상관관계 분석)

Orange3를 이용하기  Orange Data Mining - Download

•텍스트를 영상 또는 그림으로 만들 때 생성형 AI 활용

1) Pictory

https://pictory.ai/

2) Playground

https://playgroundai.com/create?

3) 텍스트를 이미지로 바꾸는 AI

https://discord.com/invite/midjourney

다양한 인공지능 활용 방안

•온라인 플랫폼이나 협업 도구를 통해 팀 프로젝트를 수행하고 문제해결 및 창의적인 과학적 사고력을 발휘

•인터랙티브 시뮬레이션: 과학적인 현상을 시각적으로 탐구하고 상호작용, 실제 실험 조건을 조작하거나 과학적인 원리를 이해하며 학습

•가상 혹은 시뮬레이션 기반의 실험 환경을 구축

•가상 현장 탐구 경험 제공

•학습자 개별 맞춤형 학습

○ 수업 운영 사례

1) 지구과학교육과 사례:

1. 지구과학 탐구실험 주제와 방법을 빅데이터, 디지털 센서를 이용한 데이터 수집, 데이터 시각화를 위한 프로그래밍을 도입하여 재구성

2. 지구과학 교재연구 및 지도법, 지구과학 탐구지도 및 실습 교과목에서

- 디지털 기기 및 앱 활용 능력

- 역량(과학적 문제해결, 과학적 사고력, 과학적 의사소통 능력 등) 함양을 위한 수업/평가 전략 적용 강조

2) 아두이노를 이용한 실험에서 생성형 AI를 이용하여 코딩하기

(예시)

실험 과정

ⓑ 아두이노 IDE를 열고 온도 센서 라이브러리를 설치합니다. (DHT 라이브러리를 검색하여 설치)

ⓒ다음과 같이 코드를 작성하거나, Open AI 프로그램을 이용하여 코드를 얻는다. 온도와 습도 값을 읽고 시리얼 모니터에 출력한다.

ⓓ 코드를 업로드 한 후 뚜껑을 열고 적외선등을 켰을 때의 온도와 습도 값을 확인한다.

-이하 생략-

○ 선행연구 사례

1) 텍스트 기반 생성형 인공지능의 이해와 과학교육에서의 활용에 대한 논의

조헌국 (2023). 텍스트 기반 생성형 인공지능의 이해와 과학교육에서의 활용에 대한 논의. 한국과학교육학회지, 43(3), pp. 307-319.

활용 방법: 다양한 사용자의 질문이나 의도를 이해하는 능력과 이를 바탕으로 한 글쓰기, 요약, 제시어 추출, 평가와 피드백 등 다양한 기능 수행. 교수자가 제시하는 예를 토대로 주어진 응답을 평가하거나 질문과 적절한 답변을 생성하는 등 학습자에 대한 진단과 실질적 교육내용의 구성 등.

과학 교수학습을 위해 인공지능의 긍정적 활용을 위한 여러 실천적 제언을 제시

2) 인공지능 챗봇 관련 국내 연구 동향 및 챗봇 활용 현황 분석

장진아, 박준형, 박지선 (2021). 인공지능 챗봇 관련 국내 연구 동향 및 챗봇 활용 현황 분석: 과학교육에서의 활용을 위한 시사점을 중심으로. 학습자중심교과교육연구, pp. 729 - 743

2016년부터 2021년까지 챗봇의 교육적 활용에 대해 연구한 53편의 논문들의 연구 분야, 연구 주제 및 방법, 그리고 챗봇의 활용 대상, 활용 언어, 활용 플랫폼 현황을 조사하고, 챗봇의 교육적 활용을 위한 주요 쟁점들을 귀납적으로 범주화하여 분석

과학 탐구 활동과 개념 학습에서 챗봇을 활용하기 위한 실천 방안 및 발전 방향 제안

3) 고등학생의 인공지능 활용 기후변화 프로젝트 수업에 대한 교육적 효과

이지혜 (2023). 고등학생의 인공지능 활용 기후변화 프로젝트 수업에 대한 교육적 효과. 이화여자대학교 교육대학원 석사학위논문, 77 p.

과학교과에서 인공지능 기술을 활용한 기후변화 프로젝트 수업 설계

기후변화 인식과 대응 행동 실천 의지가 유의미한 차이로 증가, AI에 대한 효능감과 데이터 리터러시도 유의미한 향상, 과학과 핵심역량(과학적 사고력, 과학적 탐구 능력, 과학적 의사소통 능력) 함양에도 역시 통계적으로 유의미한 효과

4) 인공지능 스피커의 교육적 활용

한정혜, 김종욱 (2021). 인공지능 스피커의 교육적 활용에서의 윤리적 딜레마. 창의정보문화연구, .7 (1 ), pp.11 - 19

가정이나 학교에서 인공지능 스피커가 활용될 때 발생할 수 있는 윤리적 딜레마를 도출

인공지능(AI) 활용 교육 관련 연구 주제

•인공지능 디지털 활용 교육방법과 도구 개발

•인공지능 기반 LMS(학습관리시스템) 개발

•인공지능 기반 학습자 역량 평가 및 관리 시스템 개발

Ⅳ. 결론 및 제언

•예비교사를 양성하는 사범대학의 교수자로서 생성형 또는 분석형 인공지능을 강의에 도입할 필요성을 인식함

•강의에 인공지능을 활용하는 다양한 방법에 대해 살펴봄

•학생이 생성형 인공지능을 과제 수행에 사용할 경우 학생의 관련 역량 향상을 저해할 수 있음

•학습효과를 높이는 AI 활용 방법에 대한 연구가 필요함

•2학기 강의에 인공지능 활용 방법을 적용하고 그 효과를 검토해 볼 필요가 있음

◆ 참여 소감

번호	이름 (소속)	참여 소감 내용
1	김종희 (사범대학 지구과학교육과)	최근 교육 현장에 도입된 인공지능에 대해 탐색해 볼 수 있는 좋은 기회였다. 인공지능을 강의에 활용할 수 있는 다양한 방법들을 적용하여 2학기 수업을 준비해야겠다. 특히 예비 과학 교사에게 AI 활용 수업의 모델이 될 수 있도록 수업 설계를 하여 강의를 진행해야겠다. 또한 인공지능 활용 수업의 효과에 대한 연구도 필요하다.
2	정은영 (사범대학 생물교육과)	2022 개정 교육과정에서는 ‘디지털 소양’의 함양을 강조하고 있다. 학생의 디지털 소양을 함양하기 위해서는 현직 교사와 예비 교사가 디지털 소양을 갖출 뿐만 아니라 디지털 소양의 함양을 지도할 수 있는 역량을 갖추어야 할 것이다. 이번 더티칭랩 모임을 통해 대학 수업에서 예비 교사들이 디지털 교수학습 도구를 다루는 방안에 대해서 함께 고민하게 되어 뜻깊었다.
3	오지향 (사범대학 음악교육과)	음악교육 분야에서도 AI 기술은 놀랍도록 빠른 속도로 성장하고 있으며, 특히 대중음악 제작 분야에서는 이를 적극 활용하고 있다. 미래의 학생들이 자라는 세상에서 많은 부분을 차지할 AI 기술을 교실에서도 적극 활용하기 위해 예비 음악 교육과정에서도 교과목에 대한 재고가 필요하다. 학생들의 흥미를 자극하며 손쉽게 음악을 연주하고 창작할 수 있는 다양한 음악 소프트웨어를 익히고 활용할 수 있는 교육과정이 필요함을 느꼈다. 그러나 음악교육 현장에서 기술이 대체할 수 없는 음악의 맥락, 뉘앙스, 감정에 대한 이해가 배제되어서는 안될 것이다. 따라서 음악 수업에 AI를 책임감 있게 통합하기 위한 진지한 논의가 필요한 시점이라 생각된다.
4	최재혁 (사범대학 물리교육과)	과학의 연구 방법에 있어서도 AI는 새로운 가능성을 제시해주고 있으며, 이와 같은 과학 연구 방법의 변화에 대응하여 학교 과학교육이 어떻게 대응해야 할지에 대한 고민이 구체적으로 필요한 시점이라고 생각한다. 이는 학교 교육에 있어 지식의 습득보다는 지식의 활용과 새로운 지식의 창출이라는 측면이 강조되는 사회의 변화를 어떻게 수용해야 할지를 고민하게 한다. 이에 사범대학 교육과정에 있어서도 다양한 변화에 대한 대응 역량을 갖추도록 하는 것이 필요하며, 사범대 예비교사 스스로 미래 사회의 변화에 적극적으로 대응할 수 있는 역량을 갖추도록 하는 것이 필요해 보인다. AI 역량을 갖추는 것을 포함하여, 미래 사회의 다양한 변화에 대한 교사교육과정의 논의가 필요하다고 생각한다.
5	황정운 (사범대학 물리교육과)	Chat gpt-4의 등장으로 내가 공부하는 방식도 상당 부분 바뀌었다. 예를 들어, 서로 다른 개념들을 비교하고자 할 때 기존의 방식(각각을 검색하여 내용을 파악하고 스스로 비교)에 비해 인공지능이 훨씬 빠르고 간편하게, 심지어 일목요연하게 정리해주는 것을 이용하면 학습 속도가 높아져서 집중력을 잃기 전에 더 많은 것을 공부할 수 있게 되었다. 보충 설명이 필요할 때 추가적인 질문을 통해 답을 얻을 수 있다는 것, 그리고 적절한 참고문헌들을 추천받을 수 있는 것도 큰 장점이다. 이러한 개인적 경험을 바탕으로, 학생들이 학습에 인공지능을 잘 활용하여 정보를 지식으로 바꾸는 과정을 즐길 수 있도록 안내하고, 이를 수업시간에 경험해 볼 수 있도록 수업 설계를 해 봐야겠다.