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본 연구는 파이썬을 활용하여 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 학습에 어려움을 느끼는 고등학생들의 메타인지를 향상시키기 위해 적절한 인공지능 보조 학습 도구를 개발하는 것에 목적이 있다. 또한 개발한 인공지능 보조 학습 도구가 물리 학습에 대한 효과성을 파악하기 위하여 교수·학습 자료를 적용한 물리학Ⅰ 수업에서 학생들의 학습 성취 정도와 학습 과정의 특징 및 정의적 영역에 미치는 영향을 분석함으로써 현장에 적용가능성을 파악하고자 하였다. 이러한 연구 목적을 달성하기 위하여 다음과 같이 연구문제를 설정하였다.

1. 파이썬을 활용한 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 역학과 에너지 단원 인공지능 보조 학습 도구를 어떻게 구성할 것인가?
2. 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ ‘역학과 에너지’ 단원 인공지능 보조 학습 도구의 효과성은 어떠한가?

첫 번째 연구문제를 해결하기 위해 인공지능을 활용한 보조 학습 도구의 사례와 인공지능을 통해 문장의 유사도를 판단하는 선행연구에 관한 자료를 조사하였고 2015 개정 교육과정과 대학수학능력시험 물리학Ⅰ을 분석하였다. 선행연구와 인공지능 보조 학습 도구 중 콴다(QANDA) 앱을 분석하여 S-BERT를 통한 ...

본 연구는 파이썬을 활용하여 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 학습에 어려움을 느끼는 고등학생들의 메타인지를 향상시키기 위해 적절한 인공지능 보조 학습 도구를 개발하는 것에 목적이 있다. 또한 개발한 인공지능 보조 학습 도구가 물리 학습에 대한 효과성을 파악하기 위하여 교수·학습 자료를 적용한 물리학Ⅰ 수업에서 학생들의 학습 성취 정도와 학습 과정의 특징 및 정의적 영역에 미치는 영향을 분석함으로써 현장에 적용가능성을 파악하고자 하였다. 이러한 연구 목적을 달성하기 위하여 다음과 같이 연구문제를 설정하였다.

1. 파이썬을 활용한 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ 역학과 에너지 단원 인공지능 보조 학습 도구를 어떻게 구성할 것인가?
2. 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ ‘역학과 에너지’ 단원 인공지능 보조 학습 도구의 효과성은 어떠한가?

첫 번째 연구문제를 해결하기 위해 인공지능을 활용한 보조 학습 도구의 사례와 인공지능을 통해 문장의 유사도를 판단하는 선행연구에 관한 자료를 조사하였고 2015 개정 교육과정과 대학수학능력시험 물리학Ⅰ을 분석하였다. 선행연구와 인공지능 보조 학습 도구 중 콴다(QANDA) 앱을 분석하여 S-BERT를 통한 자연어를 벡터화하는 방법을 선정하였으며, 코사인 유사도를 통해 문장 간의 유사성을 탐구하는 방법을 선정하였다. 본 연구에서 인공지능 보조 학습 도구의 데이터 선정은 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ과 2023학년도 대학수학능력시험 출제 방향을 근거로 선정하였고, 대상 데이터는 2015 개정 교육과정이 반영된 한국교육과정평가원에서 출제한 대학수학능력시험, 대학수학능력시험 모의평가, 시·도 교육청 주관 고3 전국연합학력평가, 대학수학능력시험 연계교재인 2024학년도 수능대비 수능특강 물리학Ⅰ에서 ‘역학적 에너지’단원에 해당하는 문항을 선별하여 구성하였다. 본 연구에서 인공지능 보조 학습 도구를 개발한 후 전문가에게 1차 피드백을 받아 수정하였다. 그리고 현직 고등학교 교사 3명을 대상으로 파일럿 테스트를 실행하고 인공지능 보조 학습 도구를 활용할 교수·학습 자료를 개발하였다.
이를 검증하기 위해 경상북도에 소재한 K고등학교 2학년 물리학Ⅰ 수강 학생들을 대상으로 2015 개정 교육과정 물리학Ⅰ ‘역학과 에너지’ 단원의 수강을 마친 학생들에게 인공지능 보조 학습 도구를 활용한 학습을 진행하여 성취도를 분석하는 방식으로 실시하였다. 연구는 2023년 5월 2주간 총 4차시에 걸쳐 인공지능 보조 학습 도구를 활용하는 수업을 진행하였으며, 수업의 사전과 사후에 실시한 검사도구는 Likert 5점 척도를 활용한 국제 학업 성취도 형가 협회(IEA)에서 고안한 TIMSS의 설문을 활용하였다. 또한, 연구 대상에 대한 학업성취도 검사는 중간고사 결과를 바탕으로 2023학년도 고3 3월 전국연합학력평가 중 해당 단원에 속한 문제를 사용하였다. 또한, 성취도와 함께 단원을 정확하게 파악하였는지를 확인하고자 각 문항의 보조 문항으로 단원의 종류를 선택하도록 출제하였다.
본 연구에서 2015 개정 교육과정 고등학교 물리학Ⅰ ‘역학과 에너지’ 단원 인공지능 보조 학습 도구를 활용한 수업이 학생 성취도에 미치는 영향은 다음과 같다.
첫째, 인공지능 보조 학습 도구를 통해 문항의 단원을 파악하면, 학생들이 자신이 개념을 정확하게 알고 있는지 파악하고, 학습의 방향을 설정하여 자기 주도적 학습 능력을 기를 수 있는 도구이다.
둘째, 본 연구에서 고등학생을 대상으로 개발한 인공지능 보조 학습 도구는 물리학을 학습하는 학생들에게 적절하였고, 학생들이 단원을 분석하는 능력이 향상되었다.
셋째, 본 연구에서 개발한 인공지능 보조 학습 도구를 활용한 수업은 학생들에게 흥미를 유발하고 물리학에 관한 정의적 영역을 개사ᅟᅥᆫ하는 것으로 나타났다.
연구 결과를 바탕으로 학생들이 어려워하는 물리학을 인공지능 보조 학습 도구를 활용한 수업으로 실시할 경우 학생들의 흥미도와 자기 주도적 학습능력을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 다만, 인공지능 보조 학습 도구가 수학적 계산을 향상시키는 것이 아닌 단원의 파악을 목적에 두고 있어 학업 성취도의 향상에는 부분적으로 영향을 끼칠 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구는 인공지능 융합 교육의 일환으로 고등학생을 대상으로 한 인공지능 보조 학습 도구의 부재를 보완할 수 있었으며, 수업에서 활용 방향을 제시하고 학생들의 학업 성취도와 흥미도 향상에 유의함을 검증하였다. 하지만, 지방의 고등학교로 평균적인 성취 수준인 대상으로 한 연구인 만큼 이를 일반화하기 위해서는 추가로 학업 성취 수준이 높은 학교와 평균 이하의 학교에 대한 연구를 진행하여 효과를 검증할 필요가 있다. 또한, 단원을 ‘역학적 에너지’단원으로 한정하였으며, 단원 파악을 목적으로 한 인공지능 보조 학습 도구라는 한계를 해결하기 위해 다양한 인공지능 보조 학습 도구의 개발 및 연구를 진행해 볼 것을 제언한다.

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