Earticle

본 연구는 급변하는 과학 기술의 발전에 따른 교육 환경 변화를 인식하고, 과학 교육에서 인공지능 기술 활용 방안을 탐구하고자 하였다. 과학 교육에서 인공 지능 활용에 대한 특징과 한계를 분석한 결과, 과학 학 습 목표 달성을 위해 학생들이 새로운 기술을 통해 인 공지능을 직접 구현하거나 활용하는 것에 대한 연구 사례가 많았으나, 아직 인공지능의 활용이 보조적 차 원에 머물러 있고, 중등 과학 교육에서 인공지능의 활 용도가 상대적으로 낮으며, 인공지능의 결과를 과학적 개념이나 원리와 연계하기 어렵다는 점을 파악하였다. 이에 본 연구는 중등 과학 교육에서 인공지능 기술 활 용의 한계를 극복하기 위한 방안으로 설명 가능한 인 공지능(XAI)을 포함한 과학 탐구 활동을 제안하였다. 제안된 활동은 중등 과학 교실에서 학생들이 능동적으 로 인공지능을 활용하면서 과학적 문제해결력을 함양 할 수 있는 환경을 제공하고, 더불어 디지털 교육 환경 변화에 대한 적응력을 향상시킬 수 있다는 점에서 의 의가 있다. 이러한 시도가 과학 교육의 효과성을 제고 하기 위한 다양한 인공지능 기술 활용 방안이 개발되 는 계기가 될 것으로 기대한다.

This study explores the application of artificial intelligence (AI) technology in science education, recognizing the changing educational environment due to rapid technological advancement. Analysis of AI applications in science education revealed that while numerous studies focused on students directly implementing and utilizing AI technologies to achieve science learning objectives, several limitations were identified: AI usage remains largely supportive, its application in secondary science education is relatively limited, and there are difficulties in connecting AI outcomes with scientific concepts and principles. To address these limitations in secondary science education, this study proposes science inquiry activities incorporating explainable AI (XAI). The proposed activities provide an environment where secondary school students can actively utilize AI while developing scientific problem-solving skills and enhance their adaptability to digital educational environments. This research carries significance in offering a framework for active AI engagement in science classrooms. It is anticipated that this initiative will catalyze the development of diverse AI technology applications aimed at enhancing the effectiveness of science education.

2022 개정 교육과정은 깊이 있는 학습을 통해 궁극 적으로는 학생 주도성을 강화하는 것을 강조하고 있 다. 특히 깊이 있는 교수ㆍ학습을 실현하기 위해서는 성취기준에 대한 올바른 분석이 필요하다. 이에 본 연 구에서는 2015 개정 교육과정에서 주로 사용했던 2차 원적 성취기준 분석 방법을 분석해 문제점을 분석한 후, 3차원적 성취기준 분석 방법을 제안하였다. 또한, ‘기후변화와 우리 생활’이라는 초등과학과 단원을 예 로 들어 분석하는 과정을 기술하였다. 이 3차원적 성 취기준 분석 방법은 2차원적 성취기준 분석 방법에서 제시한 수행 동사로의 구체화 과정을 포함해 단원 수 준과 차시 수준의 개념 도출을 통한 일반화 문장으로 의 진술을 강조하고 있다. 3차원적 성취기준 분석 방 법을 통해 과학 교과뿐만 아니라 타 교과에서도 ‘왜 가르치는지’, ‘왜 배우는지’에 대한 답을 교사와 학생 모두가 찾아 깊이 있는 학습의 출발점이 되길 기대해 본다.

The 2022 revised curriculum emphasizes enhancing student agency through in-depth learning. To achieve profound teaching and learning, a proper analysis of achievement standards is essential. This study examines the two-dimensional achievement standards analysis method predominantly used in the 2015 revised curriculum, identifies their limitations and proposes a three-dimensional achievement standards analysis method. Furthermore, the process of applying this method is illustrated using the elementary science unit ‘Climate Change and Our Lives’ as an example. The three-dimensional achievement standards analysis method incorporates the process of concretizing performance verb presented in the two-dimensional achievement standards analysis method while emphasizing the formulation of generalized statements through concept extraction at the unit and lesson levels. By applying this three-dimensional achievement standards analysis method, not only in science but also in other subjects, both teachers and students are expected to find answers to ‘why we teach’ and ‘why we learn’, serving as a starting point for deeper learning.

연구는 환경보전을 위한 보드게임 제작 수업 프 로그램을 개발하고, 이 활동이 초등학교 학생들의 과학 학습 동기와 환경 소양에 미치는 영향을 조사한 것 이다. 본 연구는 초등학교 6학년 학생 30명을 연구 집 단으로 구성하여 환경보전을 위한 보드게임 제작 수업 을 적용하였고, 일반적인 교육과정에서 제공하는 과학 수업을 받은 비교 집단 30명과 과학 학습 동기와 환경 소양에 대한 사전, 사후 검사 결과를 분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 환경보전을 위한 보 드게임 제작 수업은 초등학생들의 과학 학습 동기 향 상에 효과가 있었으며, 과학 학습 동기의 하위 요소인 만족감, 자신감, 관련성, 주의력 모두에서 유의미한 효 과가 있었다. 둘째, 환경보전을 위한 보드게임 제작 수 업은 초등학생들의 환경 소양 향상에 효과가 있었으 며, 하위 요소인 환경 지식, 환경 정서, 환경 실천 모두 에서 유의미한 효과가 있었다. 셋째, 학생들은 환경보 전을 위한 보드게임 제작 수업에 만족하였으며 긍정적 으로 인식하였다. 따라서 환경보전을 위한 보드게임 제작 수업을 적용할 경우 초등학생들의 과학 학습 동 기는 더욱 향상될 수 있을 것이며 환경 소양도 향상될 것이라고 본다. 따라서 학교 수업에서 환경보전을 위한 보드게임 제작 수업이 필요함을 시사한다. 또한 환 경보전을 위한 보드게임 제작 수업은 다양한 영역과 분야에 적용해도 학습의 효과를 얻을 수 있을 것이다.

This study developed a class program for making board games for environmental conservation and investigated the effects of this activity on elementary school students’ science learning motivation and environmental literacy. This study applied a class for making board games for environmental conservation to 30 sixth graders in the research group, and analyzed the results of pre- and post-tests on science learning motivation and environmental literacy with 30 comparison groups who received science classes provided in the general curriculum. The results of this study are as follows. First, the class for making board games for environmental conservation was effective in improving elementary school students’ science learning motivation, and there was a significant effect on all of the sub-elements of science learning motivation: satisfaction, confidence, relevance, and attention. Second, the class for making board games for environmental conservation was effective in improving elementary school students’ environmental literacy, and there was a significant effect on all of the subelements: environmental knowledge, environmental emotion, and environmental practice. Third, the students were satisfied with the class for making board games for environmental conservation and perceived it positively. Therefore, if the class for making board games for environmental conservation is applied, elementary school students’ science learning motivation can be further improved and their environmental literacy can also be improved. Therefore, it suggests that a class on making board games for environmental conservation is necessary in school classes. In addition, a class on making board games for environmental conservation can be applied to various fields and areas to achieve learning effects.

본 연구의 목적은 초등예비교사들이 갖는 기후변화 과학의 기초개념에 대한 이해를 확인하는 것이다. 이 를 위해 초등예비교사 72명(남 28, 여 44)을 대상으로 기후변화 과학의 기초개념인 온실효과, 기후변화의 원 인, 해수면상승에 대해 글과 그림으로 설명하도록 요 구하는 검사지로 조사하여 분석하였고, 참여자들의 설 명에 대해 귀납적이고 반복적인 분석을 통해 표현 모 델을 도출하였다. 연구결과, 예비교사들이 표현 모델 은 온실효과에 대해 4가지 요소, 기후변화의 원인에 대해 2가지 요소, 해수면 상승에 대해 2가지 요소로 구 성되어 있었다. 각 요소에 대한 설명을 귀납적으로 범 주화한 결과, 온실효과 유형 4가지, 기후변화 원인 유 형 3가지, 해수면 상승 유형 3가지가 도출되었다. 또한 각 유형의 빈도를 분석하여, 예비교사들이 주로 표현 모델이 무엇인지 확인하였다. 그 결과, 초등 예비교사 들의 지식 중 온실효과는 9.72%, 기후변화 원인은 40.3%, 해수면 상승은 43.06%만이 과학 개념과 유사한 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 과학 개념 형성을 돕 기 위한 지도방안에 대해 논의하였다.

The purpose of this study was to examine the understanding of elementary school pre-service teachers of the basic concepts of climate change science. To this end, 72 elementary school pre-service teachers (28 males, 44 females) were surveyed using a questionnaire that asked them to explain the greenhouse effect, causes of climate change, and sea level rise in words and pictures. The students’ expressed models were identified through inductive and iterative analysis of the participants’ explanations. As a result of the study, the pre-service teachers’ expressed models consisted of four elements for the greenhouse effect, two elements for causes of climate change, and two elements for sea level rise. As a result of inductively categorizing the explanations for each element, four types of greenhouse effects, three types of causes of climate change, and three types of sea level rise were identified. In addition, the frequency of each type was checked to confirm the pre-service teachers’ main expressed models. Elementary school pre-service teachers showed that 9.72% of their knowledge about the greenhouse effect, 40.3% about the causes of climate change, and 43.06% about sea level rise were similar to scientific concepts, and based on this, they discussed teaching methods to help form scientific concepts.

본 연구는 국내 초등과학 검정교과서 9종을 분석하여 계절의 변화 개념이 어떻게 도입·설명·정리되는지를 조사하였다. 개념 도입 방식, 실험 및 탐구 활동 구 성, 개념 정리 방식을 중심으로 비교 분석 방법을 수행 하였다. 연구 결과, 교과서별로 개념 도입 방식에 차이 가 나타나며, 일부 교과서는 탐구 중심 접근법을, 일부 는 개념을 명확히 설명한 후 실험을 진행하는 방식을 채택하고 있다. 실험 및 탐구 활동 구성에서는 대부분 지구의 자전축 기울기와 공전 간의 관계를 탐구하는 실험을 포함하고 있으나, 실험 설계의 정교함과 변인 통제 방식에서 차이가 확인된다. 또한, 개념 정리 방식 에서도 교과서마다 태양의 남중 고도 변화와 태양 에 너지량의 관계를 설명하는 수준에 차이가 있으며, 실험 결과와 개념 정리 간의 연계성이 부족한 사례도 발 견된다. 특히, 일부 교과서는 자전축 기울기의 개념을 명확히 설명하지 않거나, 오개념을 유발할 수 있는 시각 자료를 포함하고 있어 학습자의 개념 형성에 부정 적인 영향을 미칠 가능성이 있다.

This study analyzes how the concept of seasonal change is introduced, explained, and summarized in nine authorized elementary science textbooks. A comparative analysis is conducted, focusing on conceptual introduction methods, experimental and inquiry activities, and conceptual organization strategies. The findings indicate variations in how textbooks introduce concepts. Some textbooks adopt an inquiry-based approach, while others provide clear explanations before conducting experiments. In terms of experimental and inquiry activities, most textbooks include experiments exploring the relationship between Earth's axial tilt and revolution, yet differences exist in the precision of experimental design and variable control. Additionally, the level of explanation regarding the relationship between the Sun's altitude at noon and solar energy reception varies among textbooks, with some failing to effectively connect experimental results to conceptual organization. Notably, certain textbooks do not clearly explain axial tilt or contain visual materials that may induce misconceptions, potentially hindering students' conceptual development.

이 연구는 증강현실을 활용한 융합교육 프로그램을 고등학생들에게 적용하고, 그 효과성을 분석하기 위해 STEAM 태도와 수업 만족도를 평가하였다. 연구는 충 북에 소재한 고등학교 1학년 학생 176명을 대상으로 진행하였으며, 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, STEAM 태도 검사에서 사전·사후 점수 차이를 분석한 결과, ‘흥미’, ‘배려’, ‘소통’, ‘유용성/가치 인식’, ‘자아 개념’, ‘자아 효능감’, ‘이공계 진로 선택’ 등 7개 하위 항목에 서 수업 전보다 수업 후 점수가 0.35~0.55로 상승하며 유의미한 차이를 보였다 (p<.05). 이는 빅데이터 분석과 증강현실을 활용한 실험을 통해 학생들이 과학적 원리 를 체험하고, 실생활 문제 해결에 참여하면서 흥미, 배 려, 소통 능력이 향상되었음을 시사한다. 또한, 자아 개념과 자아 효능감의 향상도 나타났으나, 프로그램 시간이 6차시로 짧아 충분한 융합적 사고와 심화 활동 에 대한 한계가 있었다. 둘째, 수업 만족도 검사에서는 ‘흥미도’, ‘난이도’, ‘지속성’ 항목에서 상대적으로 높 은 점수를 기록했다. 학생들은 다양한 과목을 융합하 여 배우는 점을 높게 평가했으나, 시간 부족이 주요 어 려움으로 지적되었으며 수업 참여도가 낮았던 주요 원 인으로 분석되었다. 이 연구 결과를 바탕으로, 향후 연 구 및 교육 프로그램 보완을 위해서는 수업 차시를 늘 리고 각 활동에 충분한 시간을 할애할 필요가 있다. 수 업 시간이 확장될 경우, 학생들이 각 단계를 더욱 심도 있게 탐구하고, 융합적 사고 및 문제 해결 능력을 효과적으로 발전시킬 수 있을 것이다. 또한 수업 내용의 심 화와 다양화가 필요하다. 증강현실과 빅데이터를 활용 한 활동을 심화하고, 프로젝트 중심의 문제 해결 과제 를 통해 학생들이 실생활 문제를 깊이 탐구할 수 있는 기회를 제공해야 한다. 이러한 개선은 학습 동기와 만 족도를 높이고, STEAM 교육의 효과성을 극대화하는 데 기여할 것이다.

This study applied a big data-based augmented reality integrated education program to high school students and evaluated its effectiveness by assessing their STEAM attitudes and class satisfaction. The study was conducted with 176 first-year high school students from both S school and C school in Chungbuk, and the results are as follows. First, the analysis of the preand post-test scores on the STEAM attitude survey showed significant differences in seven sub-categories: ‘interest,’ ‘consideration,’ ‘communication,’ ‘usefulness/value recognition,’ ‘self-concept,’ ‘self-efficacy,’ and ‘science and technology career choice,’ with scores increasing by 0.35 to 0.55 after the program (p<.05). This suggests that through experiments using big data analysis and augmented reality, students experienced scientific principles and engaged in real-life problem-solving, which improved their interest, consideration, and communication skills. Additionally, improvements in self-concept and self-efficacy were observed, but the program's short duration of 6 sessions limited the depth of integrated thinking and advanced activities. Second, the class satisfaction survey revealed relatively high scores in the areas of ‘interest,’ ‘difficulty,’ and ‘sustainability.’ Students highly rated the integration of various subjects but identified time constraints as a major difficulty, which was analyzed as the reason for low class participation. Based on these findings, future research and educational program improvements should focus on increasing the number of class sessions and allowing more time for each activity. By extending the class time, students will have more opportunities to explore each stage more deeply, effectively enhancing their integrated thinking and problem-solving skills. Additionally, the content of the lessons needs to be deepened and diversified. It is essential to further develop activities using augmented reality and big data, and include project-based problem-solving tasks that provide students with the opportunity to deeply explore real-life problems. These improvements will enhance learning motivation and satisfaction and contribute to maximizing the effectiveness of STEAM education.

이 연구는 개정된 과학 교육과정을 분석하고, 한국의 지질노두 콘텐츠와 지형 정보를 활용한 전문가 시스템을 활용하여 인공지능 기반의 지질학습 프로그램 을 개발한 후 그 효과성을 검증하는 것을 목표로 하였 다. 이를 위해 실제 야외지질학습과 비교하여 개념 이 해도 분석 및 시선추적기법을 활용한 학습 형태 분석을 수행하였다. 본 연구는 고등학교 1학년 학생 60명 을 대상으로 진행되었다. 이 연구의 방법으로는 2022 개정 교육과정에서 강조하는 디지털 소양 함양을 고려 하여 인공지능 기반의 지질학습 프로그램을 개발한 뒤, 이를 실제 야외지질학습과 비교·분석하여 수업의 효과성을 검증하였다. 프로그램 적용 후 개념 이해도 를 측정하였으며, 인지과학의 시선추적 실험을 통해 학생들의 시선 운동 데이터를 수집·분석하였다. 연구 결과, 가상 야외지질학습을 적용한 학생들은 개념 이 해도에서 통계적으로 유의미한 향상을 보였으며, 학습 에 대한 긍정적인 반응을 나타냈다. 또한, 시선추적기 법 분석을 통해 학습자의 평균 시선 응시 시간이 실제 야외지질학습보다 길었으며, 시선 분포가 균형적으로 나타나 높은 몰입도를 반영하는 것으로 확인되었다. 이는 3차원 입체 환경을 활용한 다감각적 상호작용이 학습자의 탐구 능력 향상에 기여할 수 있음을 시사한 다. 그러나 인터뷰 및 맵핑 분석 결과, 실제 야외지질 학습에서 제공되는 동기부여 요소와 체험활동의 중요 성이 확인되었다. 이에 따라 향후 연구에서는 가상 야외지질학습과 실제 야외지질학습을 병행하여 보다 균형 잡힌 학습 경험을 제공하는 방안을 과학교육을 위 해 모색할 필요성이 제기된다.

This study aimed to analyze the revised science curriculum and develop a virtual reality-based geological field trip program by artificial intelligence using an expert system of both Korea’s geologic outcrop content and topographic information, followed by an evaluation of its effectiveness. To achieve this, the study compared virtual and traditional field geology learning by analyzing conceptual understanding, problem solving inventory and examining learning patterns using eye-tracking techniques of cognitive science. The study was conducted with 60 first-grade high school students. The research methodology involved developing a digital-based virtual field geology learning program in alignment with the 2022 revised curriculum, which emphasizes digital literacy. The effectiveness of the program was verified by comparing and analyzing it with traditional field geology learning. After implementing the program, conceptual understanding was assessed, and students’ eye movement data were collected and analyzed through eye-tracking experiments. The results indicated that students who participated in the virtual field geology learning program showed a statistically significant improvement in conceptual understanding, problem solving inventory and exhibited positive learning responses. Additionally, the eye-tracking analysis revealed that students had a longer average gaze duration on learning content in the virtual environment compared to traditional field learning. The distribution of gaze was also more balanced, indicating a higher level of engagement. These findings suggest that multisensory interaction within a 3D immersive environment can contribute to the enhancement of students' inquiry skills. However, interview and mapping analysis results highlighted the importance of motivational factors and hands-on learning experiences provided by traditional field geology learning. Therefore, future research should explore ways to integrate virtual and traditional field learning to provide a more balanced and effective learning experience for science education.

본 연구는 예비 중등 지구과학 교사들의 야외 지질 답사 경험을 생소한 경험 공간의 관점에서 심층적으로 탐색하고 그 의미를 이해하는 것을 목적으로 한다. 이 를 위해 질적 사례연구를 수행하였으며, 지질 답사 전- 후 생소한 경험 공간의 변화 정도를 측정하여 변화 폭 이 큰 예비 중등 지구과학 교사 6명을 연구 참여자로 선정하였다. 자료는 설문지와 심층 인터뷰 결과를 중 심 자료로 수집하였으며, 사전 안내 자료, 필드 노트, 답사 후 발표 자료를 보조 자료로 활용하였다. 자료 분 석은 Creswell(2012)이 제안한 사례 연구 절차에 따라 사례 내 분석과 사례 간 분석을 실시하였으며, 이를 위 해 매트릭스 분석(matrix analysis) 방법을 적용하였다. 사례 내 분석 결과, 예비 중등 지구과학 교사들은 기존 개념과 실제 환경 간의 차이를 경험하며 개념을 수정· 확장하는 과정, 실제 환경에 적응하는 과정, 탐구 학습 과 협력 학습의 중요성을 인식하는 과정, 그리고 심리 적 장벽을 극복하는 과정을 거치는 것으로 나타났다. 사례 간 분석을 통해서는 ‘교실 이론 vs 현장 관찰: 개념 확장과 재구성’, ‘야외 환경에서의 학습 적응력과 공간적 사고 향상’, ‘탐구 학습 및 협력 학습의 중요성 인식’, ‘심리적 장벽 극복과 학습 태도의 변화’라는 네 가지 주제가 도출되었다. 연구 결과를 바탕으로, 답사 초기 단계에서의 정서적 안정과 관계 형성을 위한 활 동, 야외 환경에 대한 사전 이해와 실질적인 대비 활 동, 자기주도적 탐구를 촉진할 수 있도록 준비 단계-야 외답사-정리 단계로 이어지는 단계별 학습 구조가 필 요함을 제언하였다.

The purpose this study is to explore in depth the geological field trip experiences of prospective secondary earth science teachers from the perspective of the "novelty space" and to understand its significance. To achieve this, a qualitative case study was conducted, selecting six prospective secondary earth science teachers as participants based on the degree of change in their "novelty space" before and after the geological field trip. Data were primarily collected through questionnaires and in-depth interviews, with supplementary materials including pre-excursion guides, field notes, and post-excursion presentation materials. Data analysis followed the case study procedure proposed by Creswell (2012), employing both within-case and cross-case analyses through the matrix analysis method. The within-case analysis revealed that prospective secondary earth science teachers underwent several key processes: experiencing discrepancies between prior concepts and real-world environments, modifying and expanding their conceptual understanding, adapting to the field environment, recognizing the importance of inquiry-based and collaborative learning, and overcoming psychological barriers. Through cross-case analysis, four major themes emerged: ‘classroom theory vs. field observation: concept expansion and reconstruction’, ‘adaptation to outdoor learning environments and enhancement of spatial thinking’, ‘recognition of the importance of inquiry-based and collaborative learning’, and ‘overcoming psychological barriers and changes in learning attitude’. Based on the research findings, this study suggests the need for activities that promote emotional stability and relationship-building in the early stages of the field trip, practical preparatory activities to support understanding of the outdoor environment, and a structured learning sequence—comprising preparation, field trip, and post-trip reflection—that facilitates self-directed inquiry.