초등학생의 인공지능 교육 경험이 이공계 진로 지향도에 미치는 순차적 매개효과 분석

Abstract

세계 각국은 인공지능 시대에 따른 신산업의 주도권을 선점하기 위해 기술혁신과 핵심 인재 육성에 힘쓰고 있다. 그러나 우리나라 학생의 수학·과학 경쟁력과 흥미도 저하 및 과학 관련 진로 선택의 지속적인 감소로 인하여 이공계 분야의 인력수급 문제는 계속될 것으로 보인다. 이를 해결하기 위해 초등학교에서부터 이공계 진로에 관한 관심과 포부를 가질 수 있는 교육을 제공하는 것이 중요하다. 우리나라는 4차 산업혁명 선도 인재 집중양성 계획(관계부처 합동, 2018b), 인공지능 국가전략(관계부처 합동, 2019b), 디지털 인재 양성 종합방안(관계부처 합동, 2022) 등 여러 정책을 통해 전 주기적 이공계 인력 성장지원을 도모하고 있으며, 그 방법으로서 인공지능 교육에 주목하고 있다. 본 연구의 목적은 초등학생의 인공지능 교육 경험이 이공계 진로 지향도에 미치는 영향에서 인공지능 리터러시와 수학·과학 교과 흥미의 매개효과를 검증하는 것이다. 이를 통해 세계 각국이 핵심 인재 양성에 집중하는 대전환의 시대에 인공지능 교육의 당위성을 밝히고, 인공지능 교육이 학교 현장에 성공적으로 자리를 잡기 위한 방향성을 제시하고자 하였다. 이를 위한 구체적인 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 초등학생의 인공지능 교육 경험이 이공계 진로 지향도에 영향을 미치는가? 둘째, 초등학생의 인공지능 교육 경험이 이공계 진로 지향도에 미치는 영향에서 인공지능 리터러시가 매개하는가? 셋째, 초등학생의 인공지능 교육 경험이 이공계 진로 지향도에 미치는 영향에서 수학·과학 교과 흥미가 매개하는가? 넷째, 초등학생의 인공지능 교육 경험, 이공 계 진로 지향도의 관계에서 인공지능 리터러시와 수학·과학 교과 흥미가 순차적으로 매개하는가? 위의 연구 문제를 검증하기 위하여 본 연구에서는 서울 소재의 단일 초등학교 5, 6학년 학생 204명을 연구 대상으로 설정하였고, 인공지능 교육 경험, 인공지능 리터러시, 수학·과학 교과 흥미, 이공계 진로 지향도 척도를 사용하여 설문조사를 진행하였다. 수집된 자료는 SPSS 29.0.1, Jamovi 2.3.21, Python, Mplus 7 프로그램을 이용하여 분석하였으며, 빈도분석, 기술통계, 워드 클라우드, Pearson 적률상관분석, 확인적 요인분석, 단순회귀분석, 구조방정식 모형분석을 이용하였다. 본 연구의 주요 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 초등학생의 인공지능 교육 경험은 이공계 진로 지향도에 정적 영향을 미치는 것으로 나타났다. 단순회귀분석을 통해 인공지능 교육 경험 여부와 이공계 진로 지향도를 분석한 결과 비표준화 계수는 .530(p<.01)이며 표준화 계수는 .259(p<.001)로 통계적으로 유의하였다. 둘째, 초등학생의 인공지능 교육 경험이 이공계 진로 지향도에 미치는 영향에서 인공지능 리터러시의 매개효과는 통계적으로 유의하지 않았다. 인공지능 리터러시가 이공계 진로 지향도에 미치는 영향이 통계적으로 유의하지 않았기 때문이다. 이는 선행연구 결과와 차이가 있었는데, 본 연구의 연구 대상은 초등학생인 데 반해 선행연구는 중·고등학생을 대상으로 했기 때문으로 보인다. 셋째, 초등학생의 인공지능 교육 경험이 이공계 진로 지향도에 미치는 영향에서 수학·과학 교과 흥미의 매개효과가 통계적으로 유의하지 않는 것으로 나타났다. 인공지능 교육 경험이 수학·과학 교과 흥미에 미치는 영향이 통계적으로 유의하지 않았기 때문이다. 이는 선행연구 결과와 차이를 보이는데, 본 연구의 연구 대상이 경험한 인공지능 교육과 선행연구에서 제공한 인공지능 경험에 차이가 있기 때문이다. 선행연구는 수학·과학 교과와 인공지능을 융합한 수업 경험을 제공하였는데, 본 연구에 응답한 학생들이 경험한 인공지능 교육은 교과와 융합된 수업이 아닌 프로그래밍, 로봇에 관련한 경험이 대부분이었기 때문이다. 넷째, 초등학생의 인공지능 교육 경험, 이공계 진로 지향도의 관계에서 인공지능 리터러시와 수학·과학 교과 흥미가 순차적으로 매개하는 것으로 나타났다. 우선 인공지능 교육 경험이 인공지능 리터러시로 가는 경로(β=.274, p<.01)가 통계적으로 유의한 것으로 나타났다. 이는 인공지능 교육 경험이 있는 학습자는 그렇지 않은 학습자에 비해 인공지능 리터러시가 높다는 것을 의미한다. 또한 인공지능 리터러시와 수학·과학 교과 흥미 간의 경로(β=.464, p<.001)가 유의미한 것으로 나타났으며 이는 인공지능 리터러시가 높은 학습자일수록 수학·과학 교과 흥미가 높다는 것을 뜻한다. 마지막으로 수학·과학 교과 흥미가 이공계 진로 지향도에 미치는 영향(β=.740, p<.001)이 통계적으로 유의하여 수학·과학 교과에 대한 흥미가 높을수록 이공계 진로 지향도 역시 높아지는 것으로 나타났다. 따라서 인공지능 교육 경험이 있는 초등학생은 그렇지 않은 경우에 비해 인공지능 리터러시가 높으며, 인공지능 리터러시가 높을수록 수학·과학 교과 흥미가 높아지고 이는 이공계 진로 지향도를 높인다고 할 수 있다. 본 연구 결과를 바탕으로 도출한 시사점은 다음과 같다. 첫째, 본 연구는 초등학생의 인공지능 교육 경험과 이공계 진로 지향도의 관계에서 인공지능 리터러시와 수학·과학 교과 흥미가 가지는 매개효과를 검증하였고, 인공지능 리터러시와 수학·과학 교과 흥미가 인공지능 교육 경험과 이공계 진로 지향도를 완전매개한다는 것을 확인하였다. 이는 기존의 선행연구에서 다루어지지 않았던 것으로, 인공지능 교육 경험이 이공계 진로 지향도를 높이는 구조적 관계를 규명하였다는 점에서 의미가 있다. 둘째, 본 연구 결과는 인공지능 교육의 당위성을 제공한다. 본 연구는 인공지능 교육 경험을 통해 인공지능 리터러시를 높이고, 이는 우리나라 학생들에게 부족한 수학·과학 교과에 대한 정의적 특성을 높일 수 있다는 것을 밝혔으며, 결과적으로 이공계 진로 지향도를 향상에 영향을 미친다는 점을 통해 학교에서 인공지능 교육이 갖는 중요성을 확인하였다. 셋째, 본 연구 결과는 수학·과학 교과와 인공지능을 융합한 교육을 확대할 것을 제안한다. 본 연구가 제시한 최종모형의 표준화 경로계수에서 수학·과학 교과 흥미가 이공계 진로 지향도에 미치는 영향이 .740로 가장 높은 값을 보였다. 따라서 선행연구와 같이 수학·과학 교과와 융합한 인공지능 교육을 확대하여 실시한다면, 수학·과학 교과 흥미가 증가하여 이공계 진로에 대한 긍정적인 인식을 향상시킬 수 있을 것이다. 이를 위해 교사, 시도교육청, 교육부 등 다양한 관점에서의 노력이 요구되며, 수학·과학 교과와 융합된 인공지능 교육의 확대는 시대가 필요로 하는 과학기술인재 양성에 기여할 것으로 기대한다.;Countries around the world are striving to innovate technologies and raise core human resources to take the lead in new industries in the era of artificial intelligence. However, due to the declining competitiveness and interest in math and science among Korean students and the continuous decrease in the number of science-related career choices, the problem of labor supply in the field of science and technology is expected to continue. To solve this problem, it is important to provide education that encourages students to develop interest and aspirations for STEM careers from elementary school. South Korea is trying to support the growth of the science and technology workforce throughout the life cycle through various policies, and is focusing on AI education as a way to do so. The purpose of this study is to examine the mediating effects of artificial intelligence literacy and math and science subject interest on the effects of elementary school students' AI education experiences on their career aspirations in STEM. Through this study, I aimed to reveal the relevance of AI education in the era of great transformation, when countries around the world are focusing on fostering core human resources, and to provide directions for successfully establishing AI education in schools. The specific research questions were as follows. First, does elementary school students' AI education experience affect their STEM career aspirations? Second, does AI literacy mediate the effect of elementary school students' AI education experience on their STEM career aspirations? Third, does math and science subject interest mediate the effect of elementary school students' AI education experience on their STEM career aspirations? Fourth, does AI literacy and math and science subject interest sequentially mediate the relationship between elementary school students' AI education experience and their STEM career aspirations? In order to verify the above research questions, 204 students in the 5th and 6th grades of a single elementary school in Seoul were selected as the subjects of this study, and a survey was conducted using the AI education experience, AI literacy, math and science subject interest, and STEM career aspirations scales. The collected data were analyzed using SPSS 29.0.1, Jamovi 2.3.21, Python, and Mplus 7 programs, and frequency analysis, descriptive statistics, word cloud, Pearson correlation, confirmatory factor analysis, simple regression analysis, and structural equation modeling were used. The main findings of this study are as follows. First, elementary school students' AI education experience has a positive effect on their STEM career aspirations. Using a simple regression analysis, the unstandardized coefficient was .530 (p<.01) and the standardized coefficient was .259 (p<.001), which is statistically significant. Second, the mediating effect of AI literacy on the effect of elementary school students' AI education experience on their STEM career aspirations was not statistically significant. This is because the effect of AI literacy on STEM career aspirations was not statistically significant. This is different from the results of previous studies because the subjects of this study were elementary school students, while the previous studies were middle and high school students. Third, the mediating effect of math and science subject interest was not statistically significant in the effect of elementary school students' AI education experience on their STEM career aspirations. This is because the effect of AI education experience on math and science subject interest was not statistically significant. This is different from the results of previous studies because there is a difference between the AI education experienced by the subjects of this study and the AI experience provided by previous studies. This is because the previous studies provided experiences in classes that integrated math and science subjects with AI, while the AI education experienced by the students in this study was mostly related to programming and robotics, not integrated classes. Fourth, the relationship between elementary school students' AI education experience and their STEM career aspirations was sequentially mediated by AI literacy and interest in math and science subjects. First, the path of AI education experience to AI literacy (β=.274, p<.01) was statistically significant. This means that learners with AI education experience have higher AI literacy than those without. I also found that the path between AI literacy and math and science subject interest (β=.464, p<.001) is significant, meaning that learners with higher AI literacy are more likely to be interested in math and science subjects. Finally, the effect of interest in math and science subjects on STEM career aspirations (β=.739, p<.001) is statistically significant, indicating that higher interest in math and science subjects is associated with higher STEM career aspirations. Therefore, it can be concluded that elementary school students with AI education experience have higher AI literacy than those without, and that higher AI literacy leads to higher interest in math and science subjects, which leads to higher STEM career aspirations. The implications of this study are as follows. First, this study verified the mediating effects of AI literacy and math and science subject interest on the relationship between elementary school students' AI education experience and their STEM career aspirations. I also found that AI literacy and math and science subject interest fully mediate the relationship between AI education experience and STEM career aspirations. This is significant in that it identifies a structural relationship between AI education experience and STEM career aspirations, which has not been addressed in previous studies. Second, the results of this study provide justification for AI education. This study confirms the importance of AI education in schools by showing that AI education experiences can increase students' interest in math and science subjects, which are lacking in South Korea, and consequently affect their STEM career aspirations. Third, I suggest expanding AI convergence education with math and science courses. In the standardized path coefficient of the final model presented in this study, interest in math and science subjects has the highest effect of .740 on STEM career aspirations. Therefore, if AI education that is integrated with math and science curricula is expanded and implemented as in previous studies, it will increase interest in math and science curricula and improve positive perceptions of STEM career. This requires efforts from various perspectives such as teachers, education authorities, and the Ministry of Education, and the expansion of AI education integrated with math and science curricula will contribute to the fostering of science and technology talents.