초등학교에서의 게임 기반 인공지능 융합 수업 모형 개발 연구
A Development Study of an Instructional Model for Game-based Artificial Intelligence (AI) Integrated Education in Elementary School
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본 연구는 초등학교에서 게임 기반 인공지능 융합 수업을 위한 설계원리와 수업 모형을 개발하고 학습자 반응을 분석하는 데 목적이 있다. 인공지능 교육의 목적은 문제 해결 과 정에서 인공지능을 활용할 수 있는 역량을 기르는 것이며, 이에 효과적인 게임 기반 학습 을 활용한 인공지능 융합 수업에 대한 체계적 설계와 실증적인 연구가 필요하다. 본 연구 의 목적을 달성하기 위하여 설계.개발 연구방법에 따라 선행 문헌 검토를 분석하여 초기 수업 설계원리와 모형을 도출한 후, 전문가 타당화 및 사용성 평가를 통해 최종 수업 설 계원리와 모형을 도출하였다. 모형의 이론적 기저에 해당하는 설계원리는 7가지의 구성요 소를 기반으로 하며 총 10개의 설계원리와 36개의 상세지침을 개발하였다. 최종 수업모형 의 단계는 1) 현황 분석, 2) 목표 설정, 3) 게임 메커닉스 설계, 4) 수업 준비, 5) 게임 스토 리 도입, 6) 주제 중심 교과 내용 학습 지원, 7) 인공지능 도구 활용 경험 지원, 8) 인공지 능 도구 활용 게임 산출물 제작 지원, 9) 공유 및 성찰 지원, 10) 정리 및 평가의 총 10개 의 단계로 구성된다. 본 모형을 적용한 수업을 통한 학습자의 사후 컴퓨팅 사고력에 대한 검사 결과 모형을 적용한 수업이 학습자의 컴퓨팅 사고력에 유의미하게 긍정적인 영향을 끼쳤다는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구는 초등학교 맥락에서 체계적 절차에 따라 게임 기반 인공지능 융합 수업 설계 원리와 모형을 개발하였다는 점, 실제 교육 현장에 적용하 여 학생들의 컴퓨팅 사고력의 향상을 검증한 설계.개발 연구의 경험적 접근 사례라는 점 에서 의의를 지닌다.
Abstract
This study aims to develop design principles and instructional models for game-based artificial intelligence (AI) integrated classes in elementary schools and analyze learner responses. The goal of AI education is to develop the ability to use AI in problem-solving processes. To accomplish this, systematic design and empirical research on AI-integrated instruction using game-based learning strategies are essential. Employing design-development research methodology, we derived instructional design principles and models by analyzing prior literature reviews, and then finalized these principles and models through expert validation and usability evaluation. The design principles forming the theoretical basis of the model are structured around seven components, resulting in the development of 10 design principles and 36 detailed guidelines. The final instructional model comprises 10 steps: 1) Situation Analysis, 2) Goal Setting, 3) Game Mechanics Design, 4) Lesson Preparation, 5) Introduction of Game Story, 6) Support for Learning Subject-Centered Curriculum Content, 7) Experience Support for Utilizing AI Tools, 8) Support for Producing Game Outputs Using AI Tools, 9) Sharing and Reflection Support, and 10) Evaluation and Review. The assessment of learners' post-computational thinking abilities in classes using this model confirmed a significantly positive impact on their skills. This study is important for developing design principles and models for game-based, AI-integrated classes in elementary schools through systematic procedures. It also empirically validated the enhancement of students’ computational thinking by applying these models in real educational settings, serving as a case in design-development research.
참고문헌 (107)
- 인공지능 국가전략, "과학기술정보통신부", ~ (2019)
- 김갑수, "초등학생의 인공지능 교육을 위한 교수 학습 모델 개발 및 적용", 정보교육학회논문지, 21(1), pp.137~147 (2017)
- 김경규, "컴퓨팅 사고력 기반 프로그래밍 학습의 효과성 분석", 컴퓨터교육학회논문지, 19(1), pp.27~39 (2016)
- 김근재, "초등학교에서의 피지컬 컴퓨팅 도구를 활용한 메이커 교육 수업 모형 개발 연구", 교육공학연구, 35(3), pp.687~728 (2019)
- 김도헌, "국내 교육 분야의 게임화(Gamification)연구에 관한 문헌 고찰 : 동향 분석과 비판적 논의", 학습자중심교과교육연구, 20(6), pp.457~482 (2020)
- 김상균, "교육, 게임처럼 즐겨라" (2017), 홍릉과학출판사
- 김성완, "초등 수학 학습을 위한 소켓 기반 멀티플레이형 게임 서비스의 설계 및 구현", 서비스연구, 6(2), pp.175~184 (2016)
- 김세영, "게이미피케이션을 적용한 메타버스 기반 수업계획서 개발 및 학습자 경험 분석", 교육정보미디어연구, 28(3), pp.655~679 (2022)
- 김수환, "해외 인공지능 교육동향과 학습도구 분석", 한국컴퓨터교육학회 학술발표대회논문집, 23(2), pp.25~28 (2019)
- 김정아, "언플러그드 방식을 활용한 데이터 시각화 교육이 초등학교 3학년 학생의 컴퓨팅 사고력에 미치는 효과", 정보교육학회논문지, 23(4), pp.283~292 (2019)
- 김진수, "게이미피케이션을 활용한 초등학생 블록체인기술 핵심원리 교육 탐구", 정보교육학회논문지, 23(2), pp.141~148 (2019)
- 김진현, "기업경영 기능성게임 설계 및 적용에 관한 연구 : 경영컨설팅을 위한 기업시뮬레이션게임 DBS의 개발 및 적용", Entrue Journal of Information Technology, 15(1), pp.17~29 (2016)
- 민설아, "머신러닝 플랫폼을 활용한 인공지능융합교육이 융합인재소양과 학습몰입에 미치는 영향", 한국컴퓨터정보학회논문지, 26(10), pp.199~208 (2021)
- 박민규, "국내 인공지능 교육에 대한 연구 현황 분석", 정보교육학회논문지, 25(5), pp.683~690 (2021)
- 박성익, "교육공학과 수업" (2021), 교육과학사
- 백영균, "게임기반학습의 이해와 적용" (2006), 교육과학사
- 송유경, "데이터 리터러시 향상을 위한 데이터 기반 토론 수업 모형 및 교수전략 개발 연구", 교육공학연구, 37(4), pp.943~982 (2021)
- 송유경, "디자인 씽킹 기반 인공지능 서비스 기획 교육 프로그램 개발 연구", 교육정보미디어연구, 27(2), pp.619~650 (2021)
- 심은지, "고등학생의 과학의 본성 이해를 위한 과학사 롤플레잉게임(SHRPG)개발 및 적용-대륙이동설 스토리텔링을 중심으로-", 한국과학교육학회지, 39(1), pp.45~57 (2019)
- 2017년도 소프트웨어(SW)교육 효과성 측정도구 개발연구, "양재명", 한국교육학술정보원, ~ (2017)
- 염주영, "Malone의 내재적 동기이론에 근거한 교육용 게임 가치체계 분석", 교육정보미디어연구, 27(2), pp.675~698 (2021)
- 이경희, "효과적인 협동학습을 위한 모둠 구성 도구 개발", 디지털융복합연구, 16(7), pp.243~248 (2018)
- 이동은, "게임 교과목 교육을 위한 4PBL 모델 제안 연구", 한국게임학회논문지, 18(5), pp.93~101 (2018)
- 이미경, "자기 주도적 교수법을 기반으로 한 수학 학습부진아의 연산능력 향상 게임 프로그램", 한국컴퓨터게임학회논문지, 28(3), pp.125~134 (2015)
- 이삭, "게이미피케이션 기반 AI 챗봇 활용 수업이 초등학생의 영어 말하기 수행 및 정의적 영역에 미치는 영향", 초등영어교육, 25(3), pp.75~98 (2019)
- 이선영, "기능성게임을 활용한 게이미피케이션 영어 발음 학습이 초등학생의 정의적 영역에 미치는 영향", 한국게임학회논문지, 19(2), pp.111~122 (2019)
- 이여빈, "게이미피케이션 요소를 적용한 ‘사이언스 레벨 업’ 과학 수업이 과학 긍정경험에 미치는 효과", 생물교육, 47(1), pp.97~106 (2019)
- 이영호, "인공지능 융합 교육 프로그램 개발 및 효과성 분석", 정보교육학회논문지, 25(1), pp.71~79 (2021)
- 이종찬, "초등학교 인공지능 리터러시 교육을 위한 블렌디드 러닝 모형 개발", 석사, pp.2022
- 이준행, "인공지능 융합교육을 위한 데이터 기반 교육자료 개발 : 감쇠진동을 중심으로", 15(2), pp.121~136 (2021), 한국현장과학교육학회
- 이철현, "AI 요소 기술과 국내외 AI 교육과정에 기반한 AI 학습 요소 탐색", 인공지능연구논문지, 1(1), pp.21~30 (2020)
- 임철일, "미래 사회와 교육을 위한 교육공학 연구 및 실천 영역의 재조명", 교육공학연구, 35(2), pp.253~287 (2019)
- 전희연, "거꾸로 교실의 학습효과를 높이기 위한 게임화 적용 비교 연구", 한국컴퓨교육학회 동계 학술발표논문지, 22(1), pp.57~60 (2018)
- 정기민, "인공지능 리터러시 기반의 설명가능한 인공지능 교육 프로그램의 효과", 인공지능연구논문지, 3(1), pp.1~12 (2022)
- 정지용, "협력적 사고 함양을 위한 VR 게이미피케이션 콘텐츠 설계 및 검증", 디지털콘텐츠학회논문지, 19(5), pp.853~860 (2018)
- 정찬용, "딥러닝 교육을 위한 게임화", 한국컴퓨터게임학회논문지, 32(4), pp.143~150 (2019)
- 지현경, "창의적 문제해결을 위한 교과-소프트웨어융합 수업설계 원리 개발 연구", 교육공학연구, 38(2), pp.369~407 (2022)
- 진영훈, "초등학교 인공지능 교육을 위한 게이미피케이션 설계", 한국게임학회 논문지, 23(5), pp.67~76 (2023)
- 최숙영, "문제해결의 관점에서 컴퓨팅 사고력 증진을 위한 교수학습에 대한 연구", 컴퓨터교육학회논문지, 19(1), pp.53~62 (2016)
- 최숙영, "교육에서의 인공지능 : 인공지능 활용 교육에 관한 문헌 고찰", 컴퓨터교육학회논문지, 24(3), pp.11~21 (2021)
- 최정혜, "초등 학습자의 영어 말하기 능력 향상을 위한 교육 게이미피케이션 접목 스마트 러닝 설계", 한국게임학회논문지, 16(3), pp.7~16 (2016)
- 최현종, "컴퓨팅 사고력에 기반한 인공지능 사고력 교육에 관한 고찰", 컴퓨터교육학회논문지, 24(3), pp.57~65 (2021)
- 최형신, "소프트웨어 프로그래밍교육을 통한 컴퓨팅 사고력 개발에 관한 국내 연구 고찰", 교육공학연구, 34(3), pp.743~774 (2018)
- 한안나, "국내 게이미피케이션 연구동향에 관한 체계적 문헌고찰", 한국콘텐츠학회논문지, 18(5), pp.566~578 (2018)
- 홍미선, "컴퓨팅 사고력 함양을 위한 경험학습 기반 인공지능 교육의 설계 원리 및 개념모형 개발", 컴퓨터교육학회논문지, 25(3), pp.61~77 (2022)
- Alabbasi, D., "Exploring teachers’ perspectives towards using gamification techniques in online learning", Turkish Online Journal of Educational Technology-TOJET, 17(2), pp.34~45 (2018)
- Al-Azawi, R., "Educational gamification vs. game based learning: Comparative study", International Journal of Innovation, Management and Technology, 7(4), pp.132~136 (2016)
- Annetta, L. A., "The"I’s"have it : A framework for serious educational game design", Review of General Psychology, 14(2), pp.105~113 (2010)
- Barnes, J., "Exploring emerging design patterns in student-made climate change games", Proceedings of the 12th International Conference on the Foundations of Digital Games (FDG '17), pp.6~ (2017), ACM
- Bayliss, J. D., "Teaching game AI through Minecraft mods", Proceedings of the 2012 IEEE International Games Innovation Conference (IGIC), pp.1~4 (2012), IEEE
- Bebras Korea, "비버챌린지와 함께하는 컴퓨팅 사고와 정보과학 : 2021년도 기출문제집(초등학생용)" (2021), 생능출판사
- Bicen, H., "Perceptions of students for gamification approach : Kahoot as a case study", International Journal of Emerging Technologies in Learning(IJET), 13(02), pp.72~ (2018)
- Bransford, J. D., "How people learn : Brain, mind, experience, and school" (1999), National Academy Press
- "Creative computing: A design-based introduction to computational thinking" (2011)[URL]
- Bunchball, I., "Gamification 101 : An introduction to the use of game dynamics to influence behavior", White Paper, 9, pp.1~18 (2010)
- Cannon-Bowers, J. A., "Reflections on shared cognition", Journal of Organizational Behavior, 22(2), pp.195~202 (2001)
- Chen, C. C., "Gamify online courses with tools built into your learning management system(LMS)to enhance self-determined and active learning", Online Learning Journal, 22(3), pp.41~54 (2018)
- Clark, D. B., "Digital games, design, and learning : A systematic review and meta-analysis", Review of Educational Research, 86(1), pp.79~122 (2016)
- Creswell, J. W., "Research design: Qualitative, quantitative, and mixed method approaches" (2014), 시그마프레스
- Deterding, S., "From game design elements to gamefulness: Defining “gamification”", Proceedings of the 15th International Academic Mindtrek Conference: Envisioning Future Media Environments, pp.9~15 (2011), ACM
- Dicheva, D., "Gamification in education: where are we in 2015?", World Conference on E-learning(ELEARN 2015), pp.1276~1284 (2015), AACE
- Doering, A., "An investigation of the use of real-time, authentic geospatial data in the K-12 classroom", Journal of Geography, 106(6), pp.217~225 (2008)
- Dyulicheva, Y. Y., "Game based learning with artificial intelligence and immersive technologies : An overview", CEUR Workshop Proceedings, 3077, pp.146~159 (2022)
- Eck, R. V., "Digital game-based learning : It’s not just the digital natives who are restless", Educause Review, 41(2), pp.1~16 (2006)
- Fotaris, P., "Climbing up the leaderboard : An empirical study of applying gamification techniques to a computer programming class", The Electronic Journal of E-Learning, 14(2), pp.94~110 (2016)
- Gadanidis, G., "Artificial intelligence, computational thinking, and mathematics education", The International Journal of Information and Learning Technology, 34(2), pp.133~139 (2017)
- Garrison, D. R., "E-learning in the 21st century: A framework for research and practice" (2011), Routledge
- Gee, J. P., "What video games have to teach us about learning and literacy", Computers in Entertainment(CIE), 1(1), pp.20~20 (2003)
- Graesser, A. C., "Using games and simulation for teaching and assessment", pp.58~80 (2016), Routledge
- Habgood, M. P. J., "Endogenous fantasy and learning in digital games", Simulation and Gaming, 36(4), pp.483~498 (2005)
- Hanus, M. D., "Assessing the effects of gamification in the classroom : A longitudinal study on intrinsic motivation, social comparison, satisfaction, effort, and academic performance", Computers & Education, 80, pp.152~161 (2015)
- Herrington, A., "New technologies, new pedagogies: Mobile learning in higher education", pp.129~138 (2009), University of Wollongong
- Holmes, W., "Artificial intelligence in education" (2019), Center for Curriculum Redesign
- Holmes, W., "Artificial intelligence and education : A critical view through the lens of human rights, democracy and the rule of law" (2022), Council of Europe
- Huang, B., "Implementing a theory-driven gamification model in higher education flipped courses : Effects on out-of-class activity completion and quality of artifacts", Computers & Education, 125, pp.254~272 (2018)
- Hwang, G. J., "An online game approach for improving students’ learning performance in web-based problem-solving activities", Computers & Education, 59(4), pp.1246~1256 (2012)
- Kafai, Y. B., "Constructionist gaming : Understanding the benefits of making games for learning", Educational psychologist, 50(4), pp.313~334 (2015)
- Kapp, K. M., "The gamification of learning and instruction: Game-based methods and strategies for training and education" (2012), 에이콘출판(주)
- Khaldi, A., "Gamification of e-learning in higher education : a systematic literature review", Smart Learning Environments, 10(1), pp.10~ (2023)
- Lave, J., "Situated learning : Legitimate peripheral participation" (1991), Cambridge University Press
- Lee, S., "AI-infused collaborative inquiry in upper elementary school : A game-based learning approach", Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence, 17, pp.15591~15599 (2021)
- Long, D., "What is AI literacy? Competencies and design considerations", Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, pp.1~16 (2020)
- Lye, S. Y., "Review on teaching and learning of computational thinking through programming : What is next for K-12?", Computers in Human Behavior, 41, pp.51~61 (2014)
- Marti-Parreno, J., "The use of gamification in education : a bibliometric and text mining analysis", Journal of Computer Assisted Learning, 32(6), pp.663~676 (2016)
- Mathieu, J. E., "The influence of shared mental models on team process and performance", Journal Of Applied psychology, 85(2), pp.273~283 (2000)
- Merrill, M. D., "First principles of instruction", Educational Technology Research and Development, 50, pp.43~59 (2002)
- Moore, M. G., "Handbook of distance education" (2007), Lawrence Erlbaum Associates
- Nguyen, H., "Moving beyond test scores: Analyzing the effectiveness of a digital learning game through learning analytics", Proceedings of the 13th International Conference on Educational Data Mining, pp.487~495 (2020)
- Noran, O., "On gamification in action learning", Proceedings of the Australasian Computer Science Week Multiconference on - ACSW ’16, pp.1~9 (2016), ACM Press
- Oldridge, M., "Is it about coding? No. It’s about computational thinking" (2017)
- Prasetyoajt, T., "Effect of gamification on E-learning to support learning achievement learning motivation", Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 26(12), pp.2643~2653 (2018)
- Prensky, M., "Digital game-based learning" (2007), Paragon House
- Richey, R. C., "Design and development research: Methods, Strategies, and Issues" (2007), Routledge
- Rojas-Lopez, A., "Engagement in the course of programming in higher education through the use of gamification", Universal Access in the Information Society, 18(3), pp.583~597 (2019)
- Romero-Rodriguez, L. M., "Gamification in MOOCs : Engagement application test in energy sustainability courses", IEEE Access, 7, pp.32093~32101 (2019)
- Sanchez-Mena, A., "Drivers and barriers to adopting gamification : Teachers’ perspectives", The Electronic Journal of E-Learning, 15(5), pp.434~443 (2017)
- Shim, J., "The effects of a robot game environment on computer programming education for elementary school students", IEEE Transactions on Education, 60(2), pp.164~172 (2017)
- Tekinbas, K. S., "Gaming the system : Designing with gamestar mechanic" (2014), MIT Press
- Troiano, G. M., "Exploring how game genre in student-designed games influences computational thinking development", Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, pp.1~17 (2020)
- Wang, L. H., "Effects of digital game-based STEM education on students’ learning achievement : A meta-analysis", International Journal of STEM Education, 9(1), pp.1~13 (2022)
- Wing, J. M., "Computational thinking", Communications of the ACM, 49(3), pp.33~35 (2006)
- STEM pedagogical commons for contextual learning. Unpublished paper for EDCI 5574 STEM Education Pedagogy, "Yakman, G.", Virginia Tech, ~ (2006)
- Yildirim, I., "The effects of gamification-based teaching practices on student achievement and students’ attitudes toward lessons", The Internet and Higher Education, 33, pp.86~92 (2017)
- Youn, S., "Design strategies on enhancing intrinsic motivation to play educational games-Based on game design theories", Journal of Korean Society of Media & Arts, 12(4), pp.67~80 (2014)
- Zammit, M., "The road to AI literacy education: from pedagogical needs to tangible game design", Proceedings of the European Conference on Games Based Learning, pp.763~771 (2021)
- Zhan, Z., "A systematic literature review of game-based learning in artificial intelligence education", Interactive Learning Environments, pp.1~22 (2022)
- "Soapbox: Learning to play to learn - Lessons in educational game design" (2005)[URL]
