Abstract
The purpose of this study was to develop and apply an artificial intelligence-based science teaching and learning program and examine its impact on the elementary school students' scientific inquiry abilities and scientific attitudes. This research aimed to derive practical insights for implementation in the field of science education. With the assistance of the peer teachers and science education experts, an AI-integrated science teaching program was designed and implemented among a group of 33 sixth grade students. Employing a single-group prepost test design, the study administered pretests and posttests on the scientific inquiry abilities and scientific attitude, followed by conducting science education class, restructured around the AI components and interviews. The results of the paired-sample t-tests revealed significant improvements in the scientific inquiry abilities after the implementation of the program. The specific areas of improvement included classification, prediction, inferring, hypotheses formulation, and generalization, while a decline was observed in the data interpretation abilities. Conversely, no significant changes were found in the scientific attitudes across all the domains. The posttest interviews indicated that the students generally found the AI-enhanced lessons engaging and developed positive perceptions of AI. The findings suggest that while the program effectively enhanced the scientific inquiry abilities and increases interests in the lessons, it fell short in altering the preexisting scientific attitudes within the scope of the short-term and partially reconstructed lessons. Continuous research is needed to improve the AI programs to address the unenhanced areas and to foster meaningful changes in the scientific attitudes.
본 연구는 인공지능을 활용한 과학 교수·학습 프로그램을 개발 및 적용하고, 초등학교 학생의 과학탐구능력과 과학적 태도에 미치는 영향을 분석하여 현장 과학교육에 적용할 수 있는 시사점을 도출하기 위해 수행되었다. 이를 위해 동료 교사와 과학교육 전문가의 자문을 통하여 인공지능을 적용한 과학 교수·학습 프로그램을 개발하였으며, 이를 초등학교 6학년 학생 33명을 대상으로 적용하였다. 과학탐구능력 및 과학적 태도를 측정하는 사전검사를 시행하고, 인공지능 요소를 바탕으로 재구성한 과학교육을 시행한 후 사후 검사 및 인터뷰를 시행하는 단일집단 사전-사후 검사 방식을 사용하였다. 사전-사후 검사 결과를 대응표본 t-검정으로 분석한 결과, 인공지능을 활용한 과학 교수·학습 프로그램을 적용한 이후 과학탐구능력이 향상되었음을 확인했다. 세부 영역 중, 분류·예상·추리·가설설정·일반화 영역에서 향상이 있었으며, 자료해석 영역에서는 하락이 있었다. 반면 과학적 태도는 전 영역에서 큰 변화를 보이지 않았다. 검사 후 진행한 학생 인터뷰에서는 인공지능을 접목한 수업 내용이 전반적으로 흥미로웠으며 인공지능을 긍정적으로 인식하게 되었다는 의견이 주를 이루었다. 인공지능을 활용한 과학 교수·학습 프로그램이 초등학생의 과학탐구능력을 향상함과 더불어 수업에 대한 흥미를 고조시키는 데에 효과적이지만, 단기적이고 부분적으로 재구성된 수업으로는 기존에 학생들이 형성했던 과학적 태도를 바꾸기에 역부족이었음을 나타낸다. 따라서 과학탐구능력에서 향상하지 않았던 영역과 과학적 태도를 향상할 수 있는 인공지능 프로그램의 개선에 관한 연구가 꾸준히 이루어져야 한다.