인공지능과 기계학습

BD20010003 분야 및 학교급 학문분야 주제별 융합형 - 초중

2019년 융합인재교육(STEAM) 프로그램 개발 최종보고서

과 제 명 연구책임자

인공지능과 기계학습

(Artificial Intelligence and Machine Learning) 한 선 관

2019. 12.

“이 보고서는 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

* 본 연구의 내용은 연구팀의 의견이며, 교육부와

한국과학창의재단의 공식적인 견해와는 다를 수 있습니다 .

제 출 문

한국과학창의재단 이사장 귀 하

본 보고서를 “2019년 융합인재교육(STEAM) 프로그램 개발”의 최종보고서로 제출합니다 .

2019년 12월 29일

○ 주관연구기관명 : 경인교육대학교

○ 연 구 기 간 : 2019. 5 ~ 2019. 12

○ 주관연구책임자 : 한선관

○ 참여연구원

․연 구 원 : 류미영

․연 구 원 : 김태령

․연 구 원 : 홍수빈

․연 구 원 : 서정보

․연 구 원 : 이진태

․연 구 원 : 김희원

․연 구 원 : 황미희

○ 콘텐츠 개발 및 수업 적용하신 분

․교 사 : 정유진

․교 사 : 정기민

․교 사 : 이정진

․교 사 : 고병철

․교 사 : 장명현

․교 사 : 이정원

․교 사 : 강소아

․교 사 : 송해남

․교 사 : 김병철

․교 사 : 김석전

․교 사 : 김세호

보고서 초록

과제번호 연구기간 2019.05.01.~12.31

연구사업명 2019년 융합인재교육프로그램(STEAM) 프로그램 개발 연구과제명 (한글)

^{인공지능과 기계학습}

(영문)

Artificial Intelligence and Machine Learning

연구책임자

(연구기관명)

한선관 (경인교대)

참 여

연구원수 총 7 명 연 구

용역비 50,000천원

요 약 문 보고서 면수

본 연구는 초중등 학생들이 인공지능과 기계학습에 대한 흥미와 재미를 느끼고 창의 융합적 사고와 문제 해결력을 배양할 수 있는 STEAM 프로그램을 개발하는 것을 목적으로 하였다 .

그러기 위해 선행자료와 문헌 분석을 통해 초중등 교육과정에서 수업의 소재로 활용할 수 있는 주제를 선택하고 , 이와 관련하여 전문가들의 자문을 받아 수정, 보 완 작업을 실시하였다 . 이를 바탕으로 현장 교사와 STEAM 전문가들과 함께 재구 성한 교육과정을 바탕으로 프로그램을 개발하였다 . 개발한 프로그램의 시범 적용은 1차 적용과 2차 적용으로 나누어 실시하여 1차 적용에서 나타난 문제점을 피드백 받아 수정하여 다시 2차 적용을 실시하여 프로그램의 완성도를 높였다.

최종적으로 완성된 프로그램은 모두 12권의 교재로 초등학교 교재 교사용 2종, 학 생용 2종, 중학교 교재 교사용 4종, 학생용 4종으로 구성되어 있다. 또한 교사의 현 장 수업에 도움이 되기 위한 수업용 ppt자료와 멀티미디어 자료도 각 프로그램별 로 개발하였다 .

시범 수업 적용 결과 초등학생의 만족도는 평균값이 3.85, 중학생은 4.55로 매우 높게 나타나 수업에 대한 만족하고 있음을 알 수 있었다 .

본 연구에서 개발한 교재를 통해 학교 현장에서 쉽게 인공지능 교육에 접근할 수 있는 기회를 제공할 수 있을 것이다 .

한글

^기계학습, 인공지능, 딥러닝, 머신러닝, 정보기술,

요 약 문

Ⅰ. 제 목 : 인공지능과 기계학습

Ⅱ. 연구의 목적 및 필요성

가. 연구의 목적

○ 인공지능기술 분야 사회적 이슈와 현안, 연구동향이 학생들이 배우는 교과 내용이 연계되고, 실제 세계의 기술들이 수업 내용과 연관된다는 것을 학 생들이 이해할 수 있도록 프로그램 개발

○ 인공지능의 기계학습과 딥러닝에 적용된 융합과학기술을 분석하고, 이를 현재 교육과정에서 배우는 교과들과의 접목을 통하여, 정규 교육과정에서 융합인재교육을 적용하기 위한 교육프로그램 및 교재를 개발하는 것을 목 적으로 함

○ 학생들이 인공지능의 머신러닝 기술에 대한 흥미와 재미를 느끼고 창의·융 합적 사고와 문제 해결력을 배양할 수 있는 기계학습과 딥러닝 STEAM 프로그램 개발

○ 학교 현장에서 교사들이 인공지능 관련 수업에 직접적으로 활용할 수 있 는 기계학습과 딥러닝 STEAM 교육 교재 개발

나. 연구의 필요성

○ 4차 산업혁명의 핵심 기술로 인공지능이 중심에 있으며 기계학습과 딥러 닝이 중요하게 대두됨

○ 기계학습과 딥러닝에 대해 개념과 원리를 이해하고 구체적인 사례를 통해 새로운 기술을 탐색하는 과정 필요

○ 기계학습과 딥러닝의 기술에 포함된 다양한 융합학문적 요소, 수학, 과학, 기술, 공학, 예술 등의 내용을 기존 교육과정과 연계하여 교육할 필요가 있음

Ⅲ. 연구의 내용 및 방법

가. 연구 내용

○ 초중등 교육과정에 포함되어 있는 인공지능의 원리와 개념을 발전시켜, 기 계학습과 딥러닝 기술이 응용되는 분야와 산업, 직업을 흥미롭게 연결시킨 STEAM교육 콘텐츠 개발

○ 기계학습과 딥러닝의 개념과 원리의 이해하고 개발 과정 및 그 기술의 발 달 과정에서 생긴 문제들을 해결한 방식을 학생들이 실제의 문제로 인식 하고 해결할 수 있는 콘텐츠 구성

나. 연구 방법

○ 초중등 교육과정에 포함되어 있는 인공지능의 원리와 개념을 발전시켜, 기 계학습과 딥러닝 기술이 응용되는 분야와 산업, 직업을 흥미롭게 연결시킨 STEAM교육 콘텐츠 개발

○ 기계학습과 딥러닝의 개념과 원리의 이해하고 개발 과정 및 그 기술의 발 달 과정에서 생긴 문제들을 해결한 방식을 학생들이 실제의 문제로 인식 하고 해결할 수 있는 콘텐츠 구성

○ 연구설계 및 기계학습, 딥러닝 선행 기술, 교육과정, AI교육 선행 연구 자 료 분석

○ 초중등 교육과정 분석하여 AI관련 주제 요소 추출 및 교육과정의 재구성

○ 전문가 자문을 통한 STEAM 교육 프로그램 개발

○ 개발한 STEAM 교육 프로그램으로 1차 현장 적용

○ 현장 적용 결과를 양적, 질적 분석을 통해 프로그램 수정·보완

○ STEAM 교육 프로그램 2차 현장 적용 및 피드백

○ 피드백 사항 수정·보완하여 최종 STEAM 프로그램 개발

Ⅳ. 연구 결과

○ 초등학교 5~6학년 프로그램 2종( 차시대체형 3차시 2종) 개발

○ 중학교 프로그램 4종(차시대체형 3차시 3종, 자유학기제형 9차시 1종) 개발

연번 프로그램명 유형 차시 학교급 학년

1 로봇의 눈으로 길찾기 차시대체형 3 초 5~6

2 나만의 추천 시스템 만들기 차시대체형 3 초 5~6

3 유전자로 진화하기 차시대체형 3 중 1~3

4 나만의 전문가 시스템 만들기 차시대체형 3 중 1~3

5 제약만족문제 차시대체형 3 중 1~3

6 학습하는 AI, 세상을 보는 AI 자유학기형 9 중 1

○ 교원 대상 만

족도 조사결과

- STEAM 교육에 대해 잘 알고 있다의 평균값이 1.75로 대체적으로 잘 알고 있는 것으로 나타남

- STEAM 교육의 목표 중 중점으로 두어야 하는 것은 가치창출(6명), 실생활 및 문제해결(4명), 긍정적 태도(1명), 인성 함양(1명) 순으로 나타남

- STEAM 수업에서 가장 중점으로 두어야 하는 것의 순위는 감성적 체험(6 명), 내용 융·통합(4명), 상황 제시(1명), 창의적 설계(1명)으로 나타남

- STEAM 교육의 적극적 도입에 대한 의견은 평균값이 1.42로 매우 긍정적임 - STEAM 교육의 지속적 의향에 대한 의견은 평균값이 1.67로 매우 긍정적임

○ 학생 대상 만족도 조사결과

- 초등 설문 결과 만족도가 3.85로 높은 편으로 나타났으며, 나머지 항목도 대체적으로 평균값이 3점을 넘어 만족하는 것으로 나타남

- 초등 설문에서 가장 높은 점수는 4.02로 ‘친구들과의 협력의 중요성을 알게 되었다’는 항목이었으며, 가장 낮은 점수는 3.15로 과학과 관련된 책이나 글 을 읽는 것이 좋아졌다‘라는 항목으로 단기간에 학생들의 책 읽기와 글에 대한 습관을 고치는 것에는 무리가 있는 것으로 나타남

- 중등 설문 결과 만족도가 4.55로 매우 높았으며, 나머지 항목도 대체적으로 평균값이 4점을 넘어 초등보다 만족도가 더 높은 것으로 나타남

- 중등 설문에서 가장 높은 점수는 4.39로 수업에 대한 흥미가 매우 높았음을 알 수 있으며, 가장 낮은 점수는 3.76으로 내용 수준에 대해서는 보통으로 생각하는 것으로 나타남

○ 학생 태도 검사 결과

- 초등 태도 설문 결과 수학, 과학에 대한 흥미, 자아개념, 자아효능감, 이공 계 진로선택은 평균값이 2점대로 대체적으로 인식이 낮게 나타남

- 수학, 과학에 대한 배려, 소통, 유용성과 가치인식은 평균값이 3점대로 대 체적으로 보통으로 생각하고 있는 것으로 나타남

- 수학, 과학의 소통과 유용함, 가치에 대해서는 어느 정도 긍정적으로 인식 하고는 있으나 실제적인 자신의 입장에서 보았을 때는 자신감이나 흥미가 떨어져 있으며 이로 인해 이공계 진로선택에 대해서도 긍정적으로 생각하 고 있지 않음을 알 수 있었음

- 중학 태도 설문 결과 7개 항목 모두 평균값이 3점대로 각 항목에 대해 보 통으로 생각하고 있는 것으로 나타남

- 가장 높은 항목은 수학, 과학의 유용성과 가치 인식으로 초등학생들처럼 과목의 중요성에 대해서는 높게 인식하고 있음

- 가장 낮은 항목은 이공계 진로선택으로 수학, 과학에 대한 흥미가 다른 항 목에 비해 낮은 것으로 보아 이것이 진로선택에 영향을 미친 것으로 분석됨

Ⅴ. 기대효과

○ 실생활 문제와 수업을 연결, 과학기술 분야의 최신 이슈를 교실로 가져와 서 학생들이 수업시간에 바로 배울 수 있는 기회 제공

○ 학생들의 눈높이에 맞춰 기계학습과 딥러닝의 최신 연구 동향, 주요 이슈, 현안을 쉽게 알 수 있도록 구성하여 적시교육 제공

○ 첨단 인공지능 기술과 기계학습을 초중등 교육과정과 연계하여 제공함으 로서 교사들의 융합인재교육 부담 해소

○ 기계학습과 딥러닝 기술을 활용한 융합 교육의 현장 적용을 통한 효과적인 수 업 모델의 제시와 함께 창의적이고 융합적인 러터러시를 지닌 미래인재양성

○ 첨단기술에 적용된 융합기술의 이해와 수학적-과학적 원리의 발견을 통하 여 융합교육의 전반에 효과적인 변화를 기대

○ 실생활의 인공지능기술에서 발견하는 STEAM 융합교육을 통하여 미래 교 육 발전의 새로운 계기 마련

○ 기계학습과 딥러닝 기술의 과학적 원리와 기술적 구현의 개념을 이해함으 로서 미래 직업의식을 함양하고 차세대 신산업 창출 등으로 미래 사회 문 제의 해결에 기여

○ 기계학습과 딥러닝 기술을 활용한 STEAM 교육의 연구방법과 학문적인 토

목 차

제 1 장. 연구 개요

··· 10

제 2 장 연구 필요성

가. 연구의 중요성 및 필요성 ··· 10

나. 국내외 연구현황 ···11

제 3장 연구의 목표

가. 정성적 목표 ···12

나. 정량적 목표 ···13

제 4 장 연구 내용 및 방법

가. 연구내용 ···13

나. 연구방법 ··· 13

다. 연구 추진일정 ··· 15

제 5 장 STEAM 프로그램 개발 결과

가. 프로그램 개발 방향 ··· 16

나. 프로그램 구성 틀 ··· 17

다. 프로그램 총괄표 ··· 19

라. 프로그램 개요 ··· 19

제 6 장 시범 적용 학교 운영 결과

가. 시범 적용 학교 운영 총괄표 ··· 37

나. 시범 적용 만족도 조사 결과 ··· 37

다. 시범 적용 태도 검사 결과 ··· 41

라. STEAM 프로그램 운영이 학교 현장에 미친 영향 ··· 42

제 7 장 연구의 의의 및 기대성과

가. 연구의 의의 ··· 43

나. 기대성과 ··· 43

제 8 장 참고문헌

··· 45 [붙임] 최종 결과물 시범학교 운영 결과

* 시범적용 학교 운영 결과는 간지로 구분하여 최종보고서에 첨부하여 제출 [별첨] 최종 결과물 (프로그램별 교사용 지도서, 학생용 활동지 등)

* 최종 결과물은 별도 제출

1. 연구 개요

본 연구는 인공지능의 기계학습과 딥러닝에 적용된 융합과학기술을 분석하고, 이를 현재 교 육과정에서 배우는 교과들과의 접목을 통하여, 정규 교육과정에서 융합인재교육을 적용하기 위한 교육프로그램 및 교재를 개발하는 것을 목적으로 함

2. 연구 필요성

가 . 연구의 중요성 및 필요성

4차 산업혁명의 핵심 기술로서 인공지능이 대두되고 있으며 전 세계의 산업이 인공지능 기술 중 기계학습, 특히 딥러닝을 이용하여 다양한 융합기술을 선보이며 미래를 변화시키고 있음.

하지만 중요성에도 불구하고 기계학습과 딥러닝의 이해 부족으로 교육현장에서는 기계학습 기술에 적용된 융합기술에 대한 교육 내용과 교수학습 전략이 부족함. 실생활에 밀접하게 적 용된 기계학습과 딥러닝의 기술을 쉽게 이해하고 융합적 요소를 기존의 교육과정의 내용과 연계하여 가르침으로써 융합적 사고력과 창의적 문제해결력을 신장시켜 주는 교육프로그램이 필요함

○ 4차 산업혁명의 핵심 기술로 인공지능이 중심에 있으며 기계학습과 딥러닝이 중 요하게 대두됨

- 4차 산업혁명의 핵심 키워드로서 초데이터, 초연결, 초지능을 제시

- 초지능은 인공지능을 의미하며 초데이터를 사용하여 기계가 인간의 지능을 구 현하는 기계학습과 딥러닝이 핵심 기술로 등장

○ 기계학습과 딥러닝에 대해 개념과 원리를 이해하고 구체적인 사례를 통해 새로 운 기술을 탐색하는 과정 필요

- 기계학습과 딥러닝의 용어에 대한 막연한 어려움을 갖는 편견 제거

- 기계학습의 개념을 컴퓨팅 사고의 과정과 모델링을 통해 이해하는 과정 제시

○ 기계학습과 딥러닝의 기술에 포함된 다양한 융합학문적 요소, 수학, 과학, 기술, 공학, 예술 등의 내용을 기존 교육과정과 연계하여 교육할 필요가 있음

- 기계학습과 딥러닝 기술을 이해하는 과정에서 융합적 사고력과 컴퓨팅 사고력을

나 . 국내·외 연구동향

(1) 국내

○ 인공지능은 4차 산업혁명의 핵심기술로서 국가, 사회, 인류의 미래를 결정하는 핵심 요소가 되어 산업구조만이 아니라 우리 삶의 방식까지도 근본적으로 바 꿀 것이라 예상됨(과학기술정보통신부, 2019)

○ 정부는 2019년에 3개의 인공지능 전문대학원을 출범하며 미래 산업과 기술의 리더로서 인공지능 전문가를 양성하는 교육정책을 추진함(정보통신기획원, 2019)

○ 빅데이터, 인공지능(AI), 자율주행 등 4차 산업혁명 핵심 기술자가 2만명 필요 할 것으로 예측됨 서울대는 이러한 문제를 해결하기 위해 인공지능을 전문적 으로 교육하는 `데이터사이언스 전문대학원`을 2020년 개원예정(서울대, 2019)

○ 인공지능은 휴리스틱 탐색, 지식표현, 논리와 추론, 플래닝, 기계학습의 다양한 연구 분야로 나뉘며 최근 이슈로 기계학습이 그 중심에 있음

○ 기계학습은 지도학습과 비지도학습 그리고 강화학습으로 구분되며 이를 구현하 는 방식으로 기호주의, 확률주의, 유추주의, 연결주의, 진화주의적 접근이 있음

○ 국가 사업의 핵심 기술로서 기계학습 중 딥러닝을 선정하고 빅데이터, IoT, 클 라우드 등 지능정보기술의 능력을 급격히 발전시키며 자연어 처리, 음성인식, 시각처리, 이미지 인식 등의 다양한 연구를 요구함(과학기술정보통신부, 2019)

(2) 국외

○ 딥러닝으로 인한 인공지능의 발전은 인지, 학습, 추론, 행동과 같은 인간 지능 영역의 전 과정에 걸쳐 혁신적인 진화를 만들어 내고 있음

○ 2012년 구글에서 발표된 고양인 인식 프로그램(A. Krizhevsky, 2012)을 통해 매우 빠른 기계학습 알고리즘으로서 제프리 힌튼에 의해서 개발된 딥러닝이 부각됨(G. Hinton, 2006)

○ 2017년 이미지 인식 대회(이미지넷)에서 획기적인 이미지 인식률(97.85%)을 보 이며 인간의 인식률(94.90%)를 추월함(http://image-net.org)

○ UC버클리대 연구팀은 딥러닝을 활용해 이미지를 다양하게 변형하는 기술을 발표함(J. Zhu, 2017)

○ 스탠포드대의 연구팀은 유명인의 영상에 전혀 다른 사람의 표정을 합성하여 실시간으로 바뀌는 표정을 그대로 유명인의 얼굴 표정에 반영하는 기술을 발

표하고 가짜 인물을 생성하여 진위 여부를 판별하기 어려운 영상 편집 프로그 램을 제안함(J. Thies 2017, S. Suwajanakorn 2017)

○ 구글은 웹 서비스 과정에서 축적한 데이터를 기반으로 ‘word2vec’20이라는 언 어 모델을 구현하고 뉴스 서비스를 통해 확보한 텍스트 정보에서 약 1000 억 개에 이르는 단어21를 기계학습에 활용함(Y. Glodberg 2014)

○ 딥마인드는 기존 최고 수준이었던 구글의 음성 생성(TTS: Text-to-Speech) 기 술을 획기적으로 발전시킨 WaveNet 연구를 발표(A. Oord, 2016)

○ 딥마인드는 강화학습에 딥러닝을 접목한 ‘Deep Reinforcement Learning’을 통 해 게임의 성능을 인간 수준 혹은 그 이상의 성능으로 인공지능을 구현(V.

Mini, 2015)

○ 캐나다 UBC 연구팀은 가상의 캐릭터를 실제 물리환경을 최대한 반영하여 모 델링 후 강화학습을 적용함(X. Peng, 2016)

3. 연구의 목표

가 . 정성적 목표

○ 인공지능기술 분야 사회적 이슈와 현안, 연구동향이 학생들이 배우는 교과 내용 이 연계되고, 실제 세계의 기술들이 수업 내용과 연관된다는 것을 학생들이 이 해할 수 있도록 프로그램 개발

○ 인공지능의 기계학습과 딥러닝에 적용된 융합과학기술을 분석하고, 이를 현재 교육과정에서 배우는 교과들과의 접목을 통하여, 정규 교육과정에서 융합인재교 육을 적용하기 위한 교육프로그램 및 교재를 개발하는 것을 목적으로 함

○ 학생들이 인공지능의 머신러닝 기술에 대한 흥미와 재미를 느끼고 창의·융합적 사고와 문제 해결력을 배양할 수 있는 기계학습과 딥러닝 STEAM 프로그램 개발

○ 학교 현장에서 교사들이 인공지능 관련 수업에 직접적으로 활용할 수 있는 기 계학습과 딥러닝 STEAM 교육 교재 개발

나 . 정량적 목표

○ 초중등학생용 프로그램 6종(총 22차시 개발) - 초등 5~6학년 3차시 프로그램 2종

- 중학교 3차시 프로그램 3종, 자유학기제 10차시 프로그램 1종

○ 교사용 지도서 5종

- 초등학교 교사용 지도서 2종 - 중학교 교사용 지도서 4종

○ 적용 대상 및 수혜학생 - 초등학생 200명 이상 - 중학생 300명 이상

○ 프로그램 개발 효과성 분석

- 적용 대상 교사와 학생의 만족도 조사와 태도 검사

○ 최종보고서 1종 및 보고서 전자 파일 USB 1종

4. 연구 내용 및 방법

가 . 연구 내용

○ 초중등 교육과정에 포함되어 있는 인공지능의 원리와 개념을 발전시켜, 기계학습 과 딥러닝 기술이 응용되는 분야와 산업, 직업을 흥미롭게 연결시킨 STEAM교육 콘텐츠 개발

○ 기계학습과 딥러닝의 개념과 원리의 이해하고 개발 과정 및 그 기술의 발달 과정 에서 생긴 문제들을 해결한 방식을 학생들이 실제의 문제로 인식하고 해결할 수 있는 콘텐츠 구성

나 . 연구 방법

○ 연구설계 및 기계학습, 딥러닝 선행 기술, 교육과정, AI교육 선행 연구 자료 분석

○ 초중등 교육과정 분석하여 AI관련 주제 요소 추출 및 교육과정의 재구성

○ 전문가 자문을 통한 STEAM 교육 프로그램 개발

○ 개발한 STEAM 교육 프로그램으로 1차 현장 적용

○ 현장 적용 결과를 양적, 질적 분석을 통해 프로그램 수정·보완

○ STEAM 교육 프로그램 2차 현장 적용 및 피드백

○ 피드백 사항 수정·보완하여 최종 STEAM 프로그램 개발

[그림 1] 연구 추진 방법

다 . 연구 추진일정

순번 연구개발 내용 추진일정

4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

1 § 연구설계, 기계학습과 딥러닝

선행 기술 분석 ↔

2 § 기초자료 조사, 관련 STEAM교

육과정 분석 ↔

3 § 학문분야 주제별 STEAM교육과

정의 설계, 개발 ↔

4 § 1차 전문가 자문 ↔

5 § STEAM교육 프로그램 및 수업

자료 개발 ↔ ↔ ↔

6 § STEAM 융합인재교육 수업 전

략의 개발 ↔ ↔

7 § 2차 전문가 자문 ↔

8 § STEAM교육 프로그램 1차 적용

및 피드백 ↔

9 § STEAM교육 프로그램 및 수업

전략 수정 보완 ↔

10 § 3차 전문가 자문 ↔

11 § STEAM교육 프로그램 2차 적용

및 피드백 ↔

12 § STEAM교육 프로그램 및 수업

전략 수정 보완 ↔

13 § STEAM 교육 교사용 지도서 개

발 ↔

14 § 최종 결과 보고서 작성 및 보고

회 ↔

사업진도 (%) ^{10 20 30 40 60 70 80 90 100}

5. STEAM 프로그램 개발 결과

가 . 프로그램 개발 방향

○ (기계 학습) 인공지능 학습 중 기계학습의 3가지 유형인 지도학습, 비지도학습, 강화학습의 개념과 원리를 활동과 체험을 통해 이해한다.

○ (AI 5가지 접근) 기계학습의 5가지 접근 방법 중 확률주의를 제외한 기호주의, 유추주의, 진화주의, 연결주의를 구별하고 그에 따른 기계학습과 인간 지능의 차 이점과 그 특징을 이해한다.

○ (컴퓨팅 사고) 인공지능과 기계학습의 이해와 개발 그리고 적용을 위해 컴퓨터 적인 관점에서 또는 인공지능적인 관점에서, 컴퓨터과학자의 관점에서 생각해 보는 컴퓨팅 사고의 경험을 한다.

나 . 프로그램 구성 틀

○ 교사용 지도서

□ 프로그램명

□ 프로그램 안내 - 프로그램 안내 - 프로그램 사용 방법 - 교육과정 연계표

□ 주제개요

□ STEAM 단계요소 - 상황제시 - 창의적 설계 - 감성적 체험

□ 평가계획

- 수행, 관찰 평가 기준표 - 수행, 관찰 평가 기록지 - 면접 기록지

- 구술 평가에 대한 평가 요소 체크리스트 - 구술 평가 기준표

- 학생 자기/동료 평가 계획 - 학교생활기록부 기재 예시

□ 차시별 교수학습과정안

□ 학생용 활동지 및 참고자료(차시별 제시)

□ 교사용 수업 자료

□ 부록

○ 교사용 PPT

□ 프로그램명

□ 상황제시

- 이야기글 또는 동영상 자료

□ 학습 목표

□ 생각열기

□ 개념 이해하기

□ 수업 단계별 활동 안내

□ 다양한 사례 제시

□ 생각 나누기

○ 학생용 교재

□ 학습 프로그램명

□ 프롤로그

□ 시작하며

□ 학생 활동지(차시별 제시) - 활동 목표

- 활동 자료 - 활동 방법

□ 학생 참고 자료

□ 부록

다 . 프로그램 총괄표

연번 프로그램명 유형 차시 학교급 학년

1 로봇의 눈으로 길찾기 차시대체형 3 초 5~6

2 나만의 추천 시스템 만들기 차시대체형 3 초 5~6

3 유전자로 진화하기 차시대체형 3 중 1~3

4 나만의 전문가 시스템 만들기 차시대체형 3 중 1~3

5 제약만족문제 차시대체형 3 중 1~3

6 학습하는 AI, 세상을 보는 AI 자유학기형 9 중 1

라 . 프로그램 개요

1) 로봇의 눈으로 길찾기

○ 주제 개요

- 인공지능은 최적의 경로를 찾기 위해서 주어진 출발점으로부터 목표 지점까지의 최단 경로 를 찾아낸다. 본 수업에서는 간단한 놀이 활동을 통해 인간과 컴퓨터의 차이점을 이해하고, 이를 활용하여 최적의 경로를 탐색하는 방법에 대해 학습하게 된다. 인간처럼 한눈에 길 전체와 장애물을 파악하여 결론을 내리지 못하는 인공지능이 어떤 방식으로 최적의 경로 를 찾아가는지를 ‘로봇의 눈’이라는 놀이를 통해 경험해볼 것이다. 또한 최단 거리를 구하 는 알고리즘을 적용하여 직접 코딩으로 구현하기에는 무리가 따르므로 시뮬레이션을 통해 그 과정을 경험해볼 수 있을 것이다.

○ STEAM 준거틀 계획

구분 주요 내용

상황제시 영상 속 물체는 복잡한 미로의 출구를 어떻게 찾는 것일까? 창의적 설계 로봇의 눈으로 미로 설계하고 탐색하기

감성적 체험 실생활의 다양한 적용 사례와 응용 분야를 살펴보기.

인간과 로봇의 공존 방법 살펴보고 이야기 나누기

○ 차시 구성(초등학교)

프로그램명 로봇의 눈으로 길찾기 학교급 초등 5~6 차시 총 3차시 교육목표 인간의 탐색방법을 익히고 이를 인공지능의 방법으로 추상화하여 문제를 해결하고

창의성을 이해할 수 있다.

관련교과 실과, 수학

○ 미디어 콘텐츠

- A⁺ 알고리즘 스크래치 프로그램 2015 개정

교육과정 연계

실과

(내용요소) 로봇의 기능적 구조

[6실05-06] 생활 속에서 로봇 활용 사례를 통해 작동 원리와 활용 분야를 이해한다.

수학

(내용요소) 규칙과 대응

[6수04-01] 한 양이 변할 때 다른 양이 그에 종속하여 변하는 대응 관계를 나타낸 표에서 규칙을 찾아 설명하고, □, △ 등을 사용하는 식 으로 나타낼 수 있다.

차시별 교수·학습 내용 중심교과 STEAM

요소

1차시

[상황제시]

∘영상 속 물체의 길찾기 영상 살펴보기

- 영상 속 물체는 장애물이 있을 때 어떻게 움직이나요?

- 사람들은 어떻게 장애물이 있는 것을 알고 피해가나요?

∘영상 보며 궁금한 점 이야기 나누기

∘눈 감고 책상 미로 통과하기 놀이하기

실과 T, E

2차시

[창의적 설계]

[활동1] 로봇의 눈이 되어 길 찾기 - 로봇의 눈으로 미로 통과하기

- 로봇의 눈으로 미로를 통과하면서 다시 왔던 길로 돌아 온 횟수 (시행착오 횟수) 비교하기

[활동2] 짝꿍과 함께 로봇의 눈으로 길 찾기 - 최적의 길 탐색하기

- 최적의 길 결정하기 [활동3] 새로운 경로 탐색하기

- 팀별 미로 구성하기

- 다른 팀 미로의 최적의 길 탐색하기

수학 T, E, M

3차시

[감성적 체험]

∘내비게이션 비교 영상 시청하기

∘스크래치 A* 알고리즘 시뮬레이션 활용하여 길찾기

∘다양한 활용방안 생각해보기

- 자료검색 로봇, 탐사로봇 및 인명구조 로봇, 간병인 로 봇 등

∘로봇과 인간의 공존 방법에 대해 이야기 나누기

실과 T, E, A

평가영역 평가 기준 평가방법 평가

상 중 하

상황제시 주어진 과제에 대해 흥미를 가지고 새로운 가능성을

탐구하고자 노력하는가? 관찰평가

창의적 설계

로봇의 눈으로 길을 찾는 단계와 규칙을 창의적으로 설계하였는가?

수행평가 관찰평가 인공지능 기술이 사람의 문제를 해결하는 데 도움

을 주는 것으로 이해하고 있는가?

길 찾기 알고리즘을 다른 문제 해결에 적용할 수 있는 방안을 생각해내는가?

감성적 체험 모둠별로 역할 분담이 잘 되었으며 협동하고 배려 하며 활동이 이루어졌는가?

자기평가 동료평가

2) 나만의 추천시스템 만들기

○ 주제 개요

- 인터넷을 사용해본 사람은 대부분 한번쯤 추천시스템(Recommendation System)을 경험해 보았을 것이다. 좀 더 쉬운 예를 들자면, 쇼핑을 하기 위해 웹 사이트에 방문했을 때 ‘당신 이 좋아할 만한 아이템’으로 추천받거나, SNS에서 친구 추천, 음악 어플에서 좋아할 만한 노래나 가수를 추천받은 경험 등을 말한다. 이런 추천시스템에서 주로 활용하는 기술이 협 력 필터링(Collaborative filtering)이다. 협력 필터링이란 대규모의 사용자 정보를 수집하여 해당 사용자와 비슷한 성향의 사용자들에게 좋아할만한 항목을 추천하는 기술이다. 본 프 로그램에서는 이러한 협력 필터링과 추천 시스템의 원리와 개념을 간단하게 이해하고 활 용함으로써, 기술이 실생활에 미치는 영향을 몸소 체험하고 그 결과를 탐색할 수 있는 기 회를 제공하고자 한다.

○ STEAM 준거틀 계획

구분 주요 내용

상황제시

추천시스템이 적용된 영상을 보며 인터넷에서 추천을 받아본 경험 이야기 나누기

새롭게 좋아할 수 있는 가수를 추천해주기

창의적 설계 다양한 아이템을 구성하여 그에 맞는 추천 방법을 설계하기 친구들에게 새로운 아이템을 추천하기 위한 시스템 만들기 감성적 체험 자신이 추천시스템이 되어 친구들에게 적합한 아이템을 추천하기

○ 차시 구성 계획

프로그램명 나만의 추천 시스템 만들기 학교급 초등학교 5-6 차시 총 3차시 교육목표 협력 필터링을 활용하여 나만의 추천시스템을 만들 수 있다.

관련교과 수학, 실과

2015 개정 교육과정

연계

수학

(내용요소) 도형, 자료와 가능성

[6수03-03] 평면도형의 둘레를 재어보는 활동을 통하여 둘레를 이해하고, 기 본적인 평면도형의 둘레의 길이를 구할 수 있다.

[6수05-04] 자료를 수집, 분류, 정리하여 목적에 맞는 그래프로 나타내고, 그 래프를 해석할 수 있다.

실과

(내용요소) 기술시스템

[6실04-07] 소프트웨어가 적용된 사례를 찾아보고 우리 생활에 미치는 영향 을 이해한다.

[6실04-08] 절차적 사고에 의한 문제 해결의 순서를 생각하고 적용한다.

차시별 교수·학습 내용 중심교과 STEAM 요소

1차시

[상황제시]

∘기존의 추천 시스템이 활용되는 모습 살펴보기

- 이렇게 인터넷을 하거나 어플을 활용할 때, 나의 취향 에 맞는 물건을 추천받은 경험이 있나요?

- 어떻게 컴퓨터는 내 취향을 알고 있는 걸까요?

∘추천 시스템 알아보기

∘협력 필터링 알아보기

실과 T, M

○ 미디어 콘텐츠 개발

- 학생용 산출물 6종 (스크래치 프로젝트)

○ 평가 계획

평가영역 평가 기준 평가방법 평가

상 중 하

상황제시 상황을 자신의 문제로 몰입하여 공감을 하고자 노력

하는가? 관찰평가

창의적 설계

추천시스템을 구축하기 위하여 창의적인 설계과정에 참여하며 단계적으로 접근하였는가?

포트폴리오 자신이 수집한 정보를 바탕으로 추천시스템을 설계

할 수 있는가?

추천시스템을 적용하여 해결하고자 하는 문제를 창의 적으로 제시하는가?

감성적 체험 느낀 점 발표 시 타인의 의견을 경청하고 비판적으 로 수용하는 태도를 지니고 있는가?

자기평가 동료평가 [활동1] 자료 분석하기

- 수집한 자료를 모으고 패턴 찾아보기 [활동2] 자료 군집화하기

- 추가로 조사한 새로운 데이터를 그래프에 나타내어 시 각화하기

[활동3] 자료 정리하기

- 컴퓨터가 사용자의 정보를 분석하여 새로운 물건을 추 천하듯이, 우리 반 친구들의 정보를 분석하기

3차시

[감성적 체험]

∘추천카드 제작하기

∘분석한 정보와 선호도를 바탕으로 친구들에게 새로운 물 건이나 취향을 추천하기

∘추천 카드에 새로운 아이템을 추천하는 글을 써서 선물 하기

∘여러 상황에 추천시스템을 활용할 수 있는 방안, 활용 분야 생각해보기

∘추천시스템과 같은 기술이 사회에 미치는 영향, 미래에 는 어떤 변화가 생길 것인지 생각해보기

- 인공지능을 기반으로 한 기술을 대하는 우리의 자세에 대해 생각하기

실과 T, A

3) 유전자로 진화하기

○ 주제 개요

- 유전 알고리즘은 자연계의 생물 유전학에 기본 이론을 두며, 병렬적이고 전역적인 탐색 알 고리즘으로서, 다윈의 적자생존 이론을 기본 개념으로 한다. 유전 알고리즘은 풀고자 하는 문제에 대한 가능한 풀이들을 정해진 형태의 자료구조로 표현한 다음, 이들을 점차적으로 변형함으로써 점점 더 좋은 답들을 만들어낸다. 여기에서 답을 나타내는 자료구조는 유전 자, 이들을 변형함으로써 점점 더 좋은 답을 만들어내는 과정은 진화로 표현할 수 있다.

본 수업에서는 이러한 유전 알고리즘의 원리와 개념을 간단한 놀이 활동을 통해 이해하고 자 하며 이를 통해 실제 생활 문제의 적용 사례와 해결할 수 있는 방법을 탐색할 수 있는 기회를 제공하고자 한다.

○ STEAM 준거틀 계획

구분 주요 내용

상황제시 유전 알고리즘을 적용한 이족보행 시뮬레이션을 보며 나무 인형의 걷는 과 정 살펴보기

창의적 설계 유전 알고리즘을 적용하여 사람의 모습을 구현하기

감성적 체험 유전 알고리즘을 적용한 최적화 응용 프로그램을 체험해보기

○ 차시 구성 계획

프로그램명 유전자로 진화하기 학교급 초등 5~6 차시 총 3차시

교육목표 유전자 알고리즘을 적용하여 사람의 모습을 구현해보고, 이러한 기술로 해결할 수 있는 문제를 창의적으로 생각할 수 있다.

관련교과 과학, 실과

2015 개정 교육과정

연계

과학

(내용요소) 첨단 생명과학과 우리 생활

[6과04-03] 우리 생활에 첨단 생명과학이 이용된 사례를 조사하여 발표할 수 있다.

실과

(내용요소) 절차적 문제해결, 프로그래밍 요소와 구조

[6실04-08] 절차적 사고에 의한 문제 해결의 순서를 생각하고 적용한다.

[6실04-11] 문제를 해결하는 프로그램을 만드는 과정에서 순차, 선택, 반복

○ 미디어 콘텐츠

1차시

[상황제시]

∘영상보며 궁금한 점 이야기 나누기

- 동영상 속의 나무 인형은 처음에는 어떻게 걸었나 요?

- 화면 속에서 나무 인형은 마지막에는 어떻게 걸었나요?

- 이러한 것을 하는 이유는 무엇일까요?

(영상자료 : 유전자 알고리즘의 이족보행 학습

https://www.youtube.com/watch?v=c-qePE1GCQY)

실과 T, E

2차시

[창의적 설계] 사람의 모습 구현하기

∘1단계 : 무작위 생성하기

- 5명이 한 팀이 되어 인간의 신체 부위를 개체로 하여 무작위로 생성하기

- 각각 상자 속에서 동그라미 모양, 네모 모양의 색종이 조각 12개 뽑기

- 뽑은 순서대로 왼쪽 표에 해당하는 위치에 모양을 놓기

∘ 2단계 : 선택하기(적자생존)

- 5명 중 사람의 모습과 가장 유사한 개체 3개만 남기기

∘3단계 : 교배하기

- 선택한 3개의 개체를 위, 아래 반씩 나누어 서로의 유 전자를 교배하여 5개의 개체 만들기 (같은 위치에 해 당하는 유전자끼리 교배하기)

∘4단계 : 돌연변이 만들기

- 5개의 개체 중 무작위(주사위 사용)로 한 신체부위의 모양(원-사각 형)을 바꾸기

- 사람의 모습이 될 때까지 2-4단계를 반복하기

∘컴퓨팅 사고로 유전자 알고리즘 이해하기

- 동그라미 모양과 네모 모양을 0과 1로 나타내어 1~4단계의 과정을 반복해보기

머리 팔 몸통 팔 손 손 허벅지 허벅지 종아리 종아리 발 발

과학 S, E, M

3차시

[감성적 체험]

∘유전자 알고리즘의 실제 적용 사례 찾 아보기(영상 자료 또는 시뮬레이션) - Travelling Salesman Problem(TSP,

순회외판원문제)

- 로봇의 주행성능 향상시키기 - 모나리자 그리기

- 게임의 최적화 방법 찾기

실과 T, E, A

- 자동 숫자 뽑기 프로그램 1종

- 신체 모형 섞기 프로그램 1종

○ 평가 계획

평가영역 평가 기준 평가방법 평가

상 중 하

창의적 설계

유전 알고리즘의 기술을 이해하고 있는가?

면접 구술평가 유전 알고리즘을 적용하기 위한 단계와 규칙을 창

의적으로 설계하였는가?

유전 알고리즘을 다른 문제 해결에 적용할 수 있는 방안을 생각해내는가?

감성적 체험 자신이 설계한 활동에 대해 자긍심을 갖고 있는가? 자기평가

4) 나만의 전문가 시스템 만들기

○ 주제 개요

- 전문가 시스템은 사실과 규칙으로 지식을 표현하는 시스템의 하나로써, 인공지능 기술의 응용 분야에서 활발하게 응용되고 있는 분야이다. 인간이 특정 분야에 대하여 가지고 있는 전문적인 지식을 정리하고 표현하여 컴퓨터에 기억시킴으로써 일반인도 이 전문지식을 이 용할 수 있도록 하는 시스템이다. 전문가 시스템이란 전문가가 지닌 전문지식과 경험, 노 하우 등을 컴퓨터에 축적하여 전문가와 동일한 또는 그 이상의 문제 해결 능력을 가질 수 있도록 만들어진 시스템이라고 정의할 수 있다. 주로 의료진단, 설비의 고장 진단, 주식 투 자 판단, 생산 일정계획 수립, 자동차 고장 진단, 효과적 직무 배치, 자재 구매 일정, 경영 계획 분야 등을 비롯한 인간의 지적 능력을 필요로 하는 분야에 적용되고 있다. 본 수업에 서는 이러한 전문가 시스템의 원리와 개념을 간단한 놀이 활동을 통해 이해하고자 하며 이를 통해 실제 생활 문제의 적용 사례와 해결할 수 있는 방법을 탐색하는 기회를 제공하 고자 한다.

○ STEAM 준거틀 계획

구분 주요 내용

상황제시 의사보다 더 정확한 진단을 내리는 전문가 시스템은 어떻게 만들 수 있을까? 창의적 설계 나만의 전문가 시스템 만들기

감성적 체험 새로운 전문가 시스템 분야를 찾아보고 적용 가능성 탐구하기

○ 차시 구성 계획

프로그램명 나만의 전문가 시스템 만들기 학교급 중학 차시 총 3차시 교육목표 나만의 새로운 종류의 전문가 시스템을 설계할 수 있다.

관련교과 정보, 수학

2015 개정 교육과정

연계

정보

(내용요소) 자료의 유형과 디지털 표현

[9정02-01] 디지털 정보의 속성과 특징을 이해하고 현실 세계에서 여러 가 지 다른 형태로 표현되고 있는 자료와 정보를 디지털 형태로 표현한다.

수학

(내용요소) 자료의 정리와 해석

[9수05-01] 자료를 줄기와 잎 그림, 도수분포표, 히스토그램, 도수분포다각형 으로 나타내고 해석할 수 있다.

[9수05-03] 공학적 도구를 이용하여 실생활과 관련된 자료를 수집하고 표나 그래프로 정리하고 해석할 수 있다.

차시별 교수·학습 내용 중심

교과

STEAM 요소

1차시

[상황제시] 의료계 알파고 인공지능 왓슨 뉴스 영상 보며 이야기 나누기 - 왓슨은 무엇을 하는 인공지능인가요?

- 의사들이 진단을 할 때 왓슨이 필요한 이유는 무엇일까요?

- 왓슨은 인간의 질병을 어떻게 학습하나요?

∘전문가 시스템 이해하기(예: 무인자동차 전문가시스템)

- 규칙 만들기(AI에서 지식 표현하기: 조건과 행동 ◯^예초록 신호등이면 차가 출발한다)

- 사실 확인하기(◯^예신호등의 색깔이 초록이다)

- 규칙 적용하여 추론하기(◯^예신호등의 색깔이 초록이니 차가 출발한다) - 새로운 규칙 학습하기(◯^예도로 위에 맨홀 뚜껑이 열려 있으면 멈춘다)

수학 M, T, E

○ 미디어 콘텐츠

- 전문가 시스템 스크래치 프로그램 1종

○ 평가 계획

평가영역 평가 기준 평가방법 평가

상 중 하

창의적 설계

전문가 시스템을 적용하여 무인자동차 시스템을 설 명할 수 있는가?

면접 구술평가 전문가 시스템을 개발하기 위한 규칙을 설계하고

지식을 구조화하는가?

전문가 시스템을 다른 문제 해결에 적용할 수 있는 방안을 생각해내는가?

2차시

[창의적 설계] 나만의 전문가시스템 만들기

∘전문가 모둠 만들기 : 규칙카드와 사실 카드 만들기

∘사실 확인하기 : 전문가 카드 놀이하기

∘규칙 적용하여 추론하기 : 사실을 하나씩 규칙에 적용하여 추론하기

∘새로운 규칙 학습하기 : 오개념을 삭제하거나 새로운 규칙을 추가하기

정보 T, M

3차시

[감성적 체험]

∘친구들이 만든 전문가 시스템 공유하기

∘인간을 돕는 전문가 시스템의 다양한 사례 살펴보기

- 지질학에서의 전문가 시스템(광석 매장지 찾기), 대기오염 측정, 기 후 변화 및 기상 상태 예측, 자동 완성형 웹 서비스

- 대화형 전문가 시스템: 챗봇

∘이를 이용하여 해결하고 싶은 문제나 적용할 수 있는 아이디어 공유 하기

정보 T, E, A

5) 제약 조건, 그것이 문제로다

○ 주제 개요

- 제약 만족 문제란, 복수의 제약 조건을 충족하는 상태를 찾아내는 수학 문제를 가리킨다.

일상생활에서도 제약 만족 문제를 흔히 찾아볼 수 있는데, 엘리베이터의 설계, 지하철 노 선도별 시간표, 여행 계획 세우기도 제약 만족 문제가 될 수 있다. 제약 조건이 많아지고 복잡도가 증가하면서 컴퓨터 시스템을 활용하여 문제를 해결할 수 있다. 이를 인공지능이 나 과학 분야에서 깊게 연구하고 활용하고 있으며, 가장 일반적으로 사람들이 알고 있는 문제에는 스도쿠가 있다. 학생들은 이 수업을 통해, 제약 만족 문제를 해결하는 과정에서 제약조건이 많아지고 문제의 복잡성이 늘어남에 따라 컴퓨터와 인공지능의 필요성을 깨닫 게 될 것이다. 또한 컴퓨터의 자료 처리 방식과 휴리스틱을 비교해 보면서 각 방법의 장단 점과 적절한 것이 무엇인지를 고민해보는 경험할 수 있으리라 기대한다.

○ STEAM 준거틀 계획

구분 주요 내용

상황제시 컴퓨터는 어떻게 최적의 길을 찾는가? 제약이 있는 문제 체험하기

창의적 설계 제약만족 문제 풀어보기

기준을 정해 문제 해결해나가기

감성적 체험 다양한 문제를 해결하는 시스템 살펴보기

○ 차시 구성 계획

프로그램명 제약 조건, 그것이 문제로다 학교급 중등 차시 총 3차시 교육목표 제약만족 문제를 이용하여 제한된 조건을 가진 문제를 해결할 수 있다.

관련교과 정보, 수학

2015 개정 교육과정

연계

수학

(내용요소) 자료의 정리와 해석

[9수05-03] 공학적 도구를 이용하여 실생활과 관련된 자료를 수집하고 표나 그래프로 정리하고 해석할 수 있다.

정보

(내용요소) 문제 이해, 핵심요소 추출

[9정03-01] 실생활 문제 상황에서 문제의 현재 상태, 목표 상태를 이해하고 목표 상태에 도달하기 위해 수행해야 할 작업을 분석한다.

[9정03-02] 문제 해결에 필요한 요소와 불필요한 요소를 분류한다.

○ 미디어 콘텐츠

- N-Queens 스크래치 프로그램 1종

차시별 교수·학습 내용 중심교과 STEAM 요소

1차시

[상황 제시]

∘ 사례를 읽고 제약 만족 문제에 대해 생각해보기 - 비행기 지연과 관련된 이야기 읽어보기

∘ 3색 땅따먹기 게임하기

∘ 3색 땅따먹기 게임 후 생각 나누기

수학 T, M

2차시

[창의적 설계]

∘ 제약만족문제 알아보기

∘ 3색문제 지도 분해하기

∘ 3색문제 해결하기 [활동1] 최솟값이 있을까?

- 다음 모양에 색을 모두 채워 넣어야 할 때, 몇 가지 색 으로 구분하여 색칠할 수 있나요?

[활동2] 모양을 바꿀 수 있을까?

- 점과 선을 이용하여 활동해 본 것들을 단순화하기 [활동3] 여러 가지 방법으로 해결해보기

- 트리 구조 (Back tracking)로 보기 - 그래프로 해결해보기

수학 T, M, A

3차시

[감성 체험]

∘ 여러 상황에서 휴리스틱 적용하기 - 여행 스케쥴 짜기(다양한 기준 정하기)

∘ 상황과 제약된 조건을 가진 문제 사례 보기 - 문제를 해결할 수 있는 상황을 만들어 적용하기

제약만족 문제 사례 탐색 : 게임, 철도 배치, 주차 문제, 자원 할당 등

정보 E, A, M

평가영역 평가 기준 평가방법 평가

상 중 하

창의적 설계

제약 만족 문제를 해결하기 위한 추상화 과정을 설 명할 수 있는가?

면접 구술평가 문제를 수행할 때 창의적인 방법으로 설계하며 문제

를 단순화하여 패턴을 정확하게 찾아내는가?

제약 만족 문제를 적용하여 해결할 수 있는 문제의 예를 제시할 수 있는가?

감성적 체험 과제를 해결할 때 의사소통을 통해 협력적인 방법으

로 문제를 해결하고자 노력하는가? 동료평가

6) 학습하는 AI, 세상을 보는 AI – 중학교 자유학기

○ ‘학습하는 AI’ 주제 개요

- 학습이란 무엇일까, 인간은 도대체 어떻게 학습하는 것일까. 이 해묵은 주제는 인공지능의 발전과 함께 다시금 의문으로 떠올랐다. 인간이 지식을 제공하던 과거의 인공지능에서는 학습한 결과를 컴퓨터에게 입력했던 것에 비해 최근의 딥러닝은 스스로 학습하도록 설계 되었다. 이 과정에서 인공지능 학자들은 학습이란 무엇인가에 대해 깊이 고민하기 시작하 였다. 일찍이 교육학자 데이빗 콜브(David Kolb)는 ‘학습이란 인간이 연속된 경험을 통해 배워가는 일련의 과정’이라고 정의했다. 그리고 학습에 중요한 요소로 정보를 받아들이는 것(perceiving)과 정보를 처리하는 것(transforming)을 가리켰다. 바로 이러한 정보의 입력 과 처리 과정을 학습으로 본 것이다. 최근의 인공지능 역시 이와 다르지 않다. 여러 양의 데이터를 보고 인공지능은 이를 데이터로써 받아들이고, 이를 처리하는 과정에서 학습하게 되는 것이다. 여기서 받아들이는 것은 단지 존재를 안다는 의미가 아니다. 사물을 지각하 는 것이다. 그러기 위해서는 받아들이는 과정에서 다른 사물을 다르게 인식할 수 있어야 한다. 이번 과정에서는 인공지능이 수많은 데이터를 통해 어떻게 다른 사물을 다르게 인식 하는지 그 과정을 지도학습과 비지도학습으로 나누어 천천히 추적해보고자 한다.

○ ‘세상을 보는 AI’ 주제 개요

- 자율주행자동차가 도로 위에서 스스로 운전하고 다니려면 제일 먼저 무엇을 할 수 있어야 할까? 이 질문에 많은 사람들이 주변을 볼 수 있는 ‘눈’이라고 말할 것이다.

볼 수가 없다면 다른 차와 충돌하거나 사람을 치어 생명을 위협할 수 있는 매우 위험한 행동이 되기 때문이다. 자율주행에는 다양한 인공지능 기술이 적용되어 있다. 이 중 물체 와 주변 환경을 살펴보는 것을 인공지능에서는 ‘인식(Perception)’이라고 하며, 이미지를 아 주 정확하게 인식할 수 있는 알고리즘이 바로 CNN이다. CNN(합성곱 신경망, Convolution Neural Network)은 컴퓨터가 이미지, 비디오, 텍스트를 분류하는 머신 러닝의

한 유형인 딥러닝에 가장 많이 사용되는 알고리즘으로 이미지에서 객체, 얼굴, 장면을 인 식하는데 특히 유용하다. 본 프로그램에서는 CNN의 개념과 원리를 놀이활동을 통해 발견 할 수 있도록 구성하였다. 이미지를 인식하는 알고리즘을 이해함으로서 이것을 다른 문제 해결에 적용해 볼 수 있는 창의적 설계과정을 통해 인공지능 기술의 필요성과 긍정적인 방향에 대해 좀 더 이해를 할 수 있게 될 것이다.

○ STEAM 준거틀 계획

구분 ‘학습하는 AI’ 주요 내용(1-5차시)

상황제시 과일과 채소를 분류해보기

인간과 컴퓨터는 어떻게 학습하는 것일까

창의적 설계

다양한 자료를 인간의 관점에서 분류해보기

다양한 자료를 컴퓨터의 관점에서 분류해보기(패턴화) K-평균값 알고리즘 서비스 만들기

감성적 체험 분류하여 기준에 따라 나눠보기 K-평균값 서비스 발표하기

구분 ‘세상을 보는 AI’ 주요 내용(6-9차시)

상황제시

인공지능을 활용하여 얼굴을 인식하는 생활 사례 살펴보기

자율주행 자동차의 운행 영상을 보고 가장 필요한 것이 무엇인지 이야기 나누며 호기심 갖기

창의적 설계 숫자 인식 언플러그드 놀이활동 하기

이미지 인식 기술을 실생활에 적용할 수 있는 아이디어 설계하기

감성적 체험 모둠별로 설계한 아이디어 발표 및 공유하기

이미지 인식 기술의 실제 적용 사례 및 인간의 삶에 미치는 영향 살펴보기

○ 차시 구성 계획

프로그램명 학습하는 AI, 세상을 보는 AI 학교급 중등 차시 총 9차시 교육목표 인간과 기계의 학습 방법을 알아보고 비교하여 학습을 개념화하고 기계에서의 지도

학습과 비지도학습을 사례를 통해 알아본다.

관련교과 정보, 수학, 과학

2015 개정

(내용요소) 좌표평면과 그래프, 자료의 정리와 해석

그래프로 정리하고 해석할 수 있다.

정보

(내용요소) 자료와 정보의 표현, 문제 해결과 프로그래밍

[9정02-01] 디지털 정보의 속성과 특징을 이해하고 현실 세계에서 여러 가 지 다른 형태로 표현되고 있는 자료와 정보를 디지털 형태로 표현한다.

[9정02-02] 인터넷, 응용 소프트웨어 등을 활용하여 문제 해결을 위한 자료 를 수집하고 관리한다.

[9정03-01] 실생활 문제 상황에서 문제의 현재 상태, 목표 상태를 이해하고 목표 상태에 도달하기 위해 수행해야 할 작업을 분석한다.

[9정03-04] 문제 해결을 위한 다양한 방법과 절차를 탐색하고 명확하게 표 현한다.

과학

(내용요소) 정보사회의 특성과 진로, 자료의 유형과 디지털 표현, 알고리즘 표현

[9과02-01] 디지털 정보의 속성과 특징을 이해하고 현실 세계에서 여러 가 지 다른 형태로 표현되고 있는 자료와 정보를 디지털 형태로 표현한다. [9과02-01] 현대 사회의 다양한 직업이 과학과 어떤 관련성이 있는지 예를 들어 설명하고, 미래 사회에서의 직업의 변화를 토의할 수 있다.

차시별 교수·학습 내용 중심교과 STEAM 요소

1차시

[상황제시]

∘ 딸기와 수박의 과일채소 분류 알아보기 - 과일 채소 분류기준 알아보기

- 새로 만든 분류기준으로 분류

∘ 분류 기준으로 학습하기

- 치타와 표범을 특징에 따라 분류하기

∘ 컴퓨터에게 학습이 어려운 이유 알아보기 - 인공지능에게 학습이란 무엇인지 알아보기

과학 S, T

2차시

∘ 촉각으로 물체 구분하기 - 촉각에 따라 물체 분류해보기

∘ 컴퓨터의 방법으로 학습하기 - 사과와 자두 구분해보기 - 데이터화하여 값으로 나타내기 [창의적 설계]

∘ 새로운 자료 분류해보기 - 특징을 찾아 분류 기준 세우기

- 분류 기준에 따라 분류하고 범주화하기

정보 T, M

3차시

∘ 색 이름 맞춰보기 - 학습 후 분류해보기

∘ 지도학습과 비지도학습 알아보기

정보 T, E, M

- 지도학습과 비지도학습에 대해 학습하기

∘ 지도학습 예시 만들어보기 - 컴퓨터가 받아들일 자료 만들기

∘ 비지도 학습 예시 만들어보기

- 비지도 학습의 원리를 배우며 자료 만들기

4차시

∘ K-평균값 자료 살펴보기

- SNS 사용시간대와 직업 추측하기 - 데이터 분류해보기

∘ 사용자 군 분류하기

- 분류 기준을 어떻게 나누면 좋을지 생각해보기

∘ K-평균값 시뮬레이션 결과 체험하기 - 방법을 추측해보고 발표하기

∘ K-평균값 알고리즘 실행해보기 - 주어진 자료를 그래프에 나타내기 - 알고리즘에 따라 겹쳐 그리기

정보 T, E, M

5차시

[감성적 체험]

∘ 어느 분야에 알고리즘을 사용할 수 있을지 생각해보기 - 다양한 분야에 알고리즘 사용의 장점 생각해보기

∘ K-평균값을 활용한 사업 분야 발표하기 - 알고리즘의 효율성과 장점 설명하기

정보 T, A, M

6차시

[상황제시]

∘ 인공지능을 활용하여 얼굴을 인식하는 생활 사례 살펴 보기

- 학생들의 경험을 떠올려 이야기 나누기

∘ 자율주행 자동차 운행 영상을 보며 특징 찾아보기

- 자율주행 자동차가 사고 없이 안전하게 운전하기 위해 필요 한 것 생각해보기

정보 T, E

7차시

[AI 탐색하기]

∘딥러닝 기술 중 하나인 CNN 알아보기 - 인간의 신경망 살펴보기

과학 S, T, M

○ 미디어 콘텐츠

- K-means 스크래치 프로젝트 2종

○ 평가 계획(1-5차시)

평가영역 평가 기준 평가방법 평가

상 중 하

상황제시

학습이 분류임을 알고 이를 주변 사물에서 인공지능 으로 확인 가능한 기준을 세워 특징을 찾아 분류할 수 있는가?

포트폴리오

창의적 설계

인공지능의 학습을 위한 사례를 알맞게 만들 수 있 는가?

프로젝트 인공지능 알고리즘을 적용한 새로운 서비스를 생각

할 수 있는가?

감성적 체험 문제를 해결하는 과정에서 정교성, 융통성을 가지고 끈기 있게 참여하는가?

자기/

동료평가

○ 평가 계획(6-9차시)

∘CNN 기술을 실생활에 적용할 수 있는 아이디어 설계하기 - 이미지 인식, 동영상 속 이미지 인식 가능, 사람뿐만이

아니라 사물, 주변 환경을 인식을 잘 한다는 장점 활용 하기

- 사람들의 생활을 유익하고 편리하게 도울 수 있는 아이 디어를 모둠원과 함께 생각해보기

9차시

[감성적 체험]

∘ 모둠별로 설계한 아이디어 발표하기

∘ CNN 기술의 실제 적용 사례 살펴보기

∘ CNN 기술이 인간의 삶에 미치는 영향 생각해보기

∘ 활동 소감 이야기 나누기

∘ 진로 탐색하기

사회 T, E, A

평가영역 평가 기준 평가방법 평가

상 중 하

창의적 설계

이미지 인식 알고리즘 기술의 원리와 가치를 이해하 는가?

관찰평가 이미지 인식 알고리즘을 실생활 문제 해결에 적용할

수 있는 아이디어를 창의적으로 생각해내는가?

감성적 체험 인공지능의 기술에 대한 가치를 비판적으로 바라볼

수 있는 안목을 지니고 있는가? 관찰평가

6. 시범 적용 학교 운영 결과

가 . 시범 적용 학교 운영 총괄표

구분 프로그램 명 학교 학년 수혜 학생 수 적용기간

1 로봇의 눈

경기 문발초 인천 청람초 인천 완정초 인천 송명초

5학년 6학년 5학년 6학년

179 2019.8.22.~9.6

2 쇼핑몰 아이템 추천하기

서울 세검정초 경기 까치울초 인천 운서초

6학년 6학년 6학년

150 2019.8.22.~9.6

3 유전 알고리즘 인천 석남중

북인천중 2,3학년 45 2019.9.23.~9.27 4 나만의 전문가 시스템 만들기 인천 마전중 1,2,3학년 61 2019.10.21.~11.1 5 제약 조건으로 문제 해결하기 인천 검암중 2,3학년 60 2019.10.21.~11.1

6 기계학습과 딥러닝 인천 석남중 1학년 36 2019.9.2. ~9.6 2019.10.14.~10.25

총 수혜 학생 수 531

나 . 시범 적용 만족도 조사 결과

○ 만족도 조사 대상

- 프로그램을 적용한 초등학교 7개, 중학교 5개 학생과 교사

○ 만족도 조사 방법

- 온라인 설문지와 오프라인 설문지 - 시범 수업 종료 후 설문 실시

○

교원 대상 조사결과

- STEAM 교육에 대해 잘 알고 있다의 평균값이 1.75로 대체적으로 잘 알고 있 는 것으로 나타남

- STEAM 교육의 목표 중 중점으로 두어야 하는 것은 가치창출(6명), 실생활 및 문제해결(4명), 긍정적 태도(1명), 인성 함양(1명) 순으로 나타남

- STEAM 수업에서 가장 중점으로 두어야 하는 것의 순위는 감성적 체험(6명), 내용 융·통합(4명), 상황 제시(1명), 창의적 설계(1명)으로 나타남

- STEAM 교육의 적극적 도입에 대한 의견은 평균값이 1.42로 매우 긍정적임 - STEAM 교육의 지속적 의향에 대한 의견은 평균값이 1.67로 매우 긍정적임

<

^표1> STEAM 교원 설문 결과

항목 평균 표준편차 분산

STEAM교육 필요성/효용성

융합적 사고 4.58 .514 .265

창의성 4.58 .514 .265

인성 4.08 .792 .629

즐거움 4.50 .674 .455

자기발전 4.66 .492 .242

STEAM 프로그램(수업)

만족도

교육과정과의 연계성 4.08 .668 .447

주제 참신성 4.83 .389 .152

첨단 과학과의 연계성 4.83 .389 .152

사례 중심의 실생활 활용 4.58 .668 .447

교재 구성 내용 4.58 .668 .447

학생흥미유발 4.58 .514 .265

관련 과학기술 학생흥미유발 4.83 .389 .152 관련과학기술 직업 학생흥미 유발 4.75 .621 .386

STEAM 수업의 어려움

이해부족 2.75 .754 .568

시간확보의 어려움 3.92 .669 .447

수업효과미비로 인한 사기저하 2.50 1.087 1.182

수업진도 달성 어려움 3.42 1.240 1.538

업무 부담의 가중 3.75 1.603 2.568

STEAM 교육의 효과

흥미도 증가 4.58 .514 .265

이해도 증가 4.58 .514 .265

창의적 사고력 및 설계 능력 증진 4.50 .522 .273

융합적 문제해결력 향상 4.50 .522 .273

실생활에 활용 능력 향상 4.25 .753 .568

- STEAM 교육의 필요성은 표<STEAM 교원 설문 결과>와 같이 STEAM 교육의 필요성, STEAM 프로그램 만족도, STEAM 교육의 효과 항목에 있어 대부분 4 점을 넘어 필요성에 대해 매우 긍정적임

- STEAM 수업의 어려움은 시간 확보의 어려움이 가장 높았으며 다음으로 업무 부담의 가중, 수업 진도 달성의 어려움 등으로 나타남

- 프로그램의 난이도에 대해서는 평균값이 4.75로 대체적으로 쉽게 생각함. 어려 운 것에 대한 사항은 과목간 연계의 어려움(6명), 학생 활동 구성(3명), 시간 부 족(2명)으로 응답함

- ‘STEAM 수업’ 준비과정에서 어려웠던 사항은 창의적 설계과정(4명), 상황제시 (3명), 융합 및 통합, 감성적 체험활동(각 2명), 수업 주제 선정(1명)으로 응답함 - ‘STEAM 수업’ 성공 요건으로는 교사의 의지(6명), 교사 전문성(3명), 지원체계(2

명), 교육풍토 조성(1명)으로 응답함

○ 학생 대상 조사결과

- 초등 설문 결과 만족도가 3.85로 높은 편으로 나타났으며, 나머지 항목도 대체 적으로 평균값이 3점을 넘어 만족하는 것으로 나타남

- 초등 설문에서 가장 높은 점수는 4.02로 ‘친구들과의 협력의 중요성을 알게 되 었다’는 항목이었으며, 가장 낮은 점수는 3.15로 과학과 관련된 책이나 글을 읽 는 것이 좋아졌다‘라는 항목으로 단기간에 학생들의 책 읽기와 글에 대한 습관 을 고치는 것에는 무리가 있는 것으로 나타남

- 중등 설문 결과 만족도가 4.55로 매우 높았으며, 나머지 항목도 대체적으로 평 균값이 4점을 넘어 초등보다 만족도가 더 높은 것으로 나타남

- 중등 설문에서 가장 높은 점수는 4.39로 수업에 대한 흥미가 매우 높았음을 알 수 있으며, 가장 낮은 점수는 3.76으로 내용 수준에 대해서는 보통으로 생각하 는 것으로 나타남