AI 기반 ITS를 활용한 초등학교 수학 수업의 효과 분석

Abstract

디지털 전환 시대의 도래로 교육 분야에 많은 변화가 생기고 있다. 특히 AI 기술의 발전으로 개별화된 맞춤형 수업에 대한 요구가 실현될 가능성이 커졌다. AI 활용 교육에 대한 기대는 주로 개별화된 맞춤형 수업에 대한 요구에서 기인한다. 특히 비교적 위계적이고 답이 명확한 수학 교과에서 AI 활용 교육에 대한 기대가 큰 편이다. 실제로 AI 활용 수학교육을 위한 ITS 플랫폼이 다수 구축되어 교육 현장에서 사용되고 있다. AI 활용 교육에 대한 요구가 커지고 있는 만큼, AI 기반 ITS를 활용한 수학 수업의 효과를 검증할 필요가 있다. 수학적 태도와 수업만족도는 학업성취도에 영향을 미치는 핵심 요인이다. 미래 핵심역량으로 강조되고 있는 디지털 리터러시 또한 학업성취도의 영향 요인이 될 수 있다고 보고되었다. 과거에는 디지털 리터러시 관련 연구에서 ICT 활용능력이 중심이었으나, 최근에는 디지털 리터러시의 정의적 영역에 대한 교육을 구체화해야 한다는 논의가 계속되고 있다. 수학적 태도와 더불어 디지털 리터러시의 어떤 요인이 학생의 학업성취도에 영향을 미치는지 탐색해볼 필요성이 있다. 본 연구에서 설정한 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 초등학생의 디지털 리터러시, 수학적 태도는 수학 학업성취도에 어떤 영향을 주는가? 둘째, 초등학교 수학 수업에서의 ITS 활용이 수학적 태도, 수업만족도 및 학업성취도에 영향을 미치는가? 연구 문제의 검증을 위하여 본 연구는 인천 G초등학교의 6학년 3개 학급의 학생 63명에게 동일한 수업 프로그램을 실행하고 사전․사후 검사를 실행하였다. 다른 교수자로 인한 차이를 방지하기 위하여 연구자가 3개 학급 모두를 대상으로 직접 교수하였다. 수업 프로그램은 2015 개정 교육과정의 수학 6학년 1학기 3단원 ‘소수의 나눗셈’을 학습 내용으로 하고, ASSURE 모형을 바탕으로 한 단원 설계 후 10차시의 수업으로 구성하여 실행하였다. AI 기반 ITS로는 CL을 사용하고, 각 차시는 강의식 수업과 ITS 활용 맞춤형 학습을 혼합 구성하였다. 초등학생의 수학 학업성취도 영향 요인을 분석하기 위해 먼저 기술통계와 상관분석을 토대로 다중공선성 문제 발생 가능성을 확인한 후, 수업만족도를 독립변인에서 제외하였다. 디지털 리터러시와 수학적 태도의 수학 학업성취도에의 영향을 검증하기 위해 중다회귀분석을 실시하였다. AI 기반 ITS를 활용한 초등학교 수학 수업의 효과 분석 방법으로는 대응 표본 t-검정을 통해 수학적 태도와 수업만족도에 유의한 차이가 있는지 확인하고, 이를 바탕으로 수학 학업성취도에의 영향을 예측하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다. 첫째, 디지털 리터러시와 수학적 태도가 수학 학업성취도에 미치는 영향을 분석한 결과, 디지털 리터러시 중 ‘정서’ 요인이 높을수록, 수학적 태도 중 ‘자신감’ 요인이 높을수록 수학 학업성취도가 높았다. 요인의 영향력은 수학적 태도의 ‘자신감’이 디지털 리터러시의 ‘정서’보다 높았다. 둘째, 디지털 리터러시와 수학적 태도가 수학 학업성취도에 미치는 영향을 분석한 결과, 다른 요인들은 통계적으로 유의한 변화를 보이지 못하였다. 디지털 리터러시의 다른 요인인 ‘자기효능감’, ‘가치’ 및 수학적 태도의 다른 요인인 ‘흥미’, ‘가치’, ‘학습의욕’은 통계적으로 유의한 변화를 보이지 않았다. 셋째, 초등학교 수학 수업에서의 ITS 활용의 효과를 대응 표본 t-검정으로 분석한 결과 수학적 태도의 ‘자신감’과 ‘흥미’ 요인과 수업만족도가 통계적으로 유의한 향상을 보였다. 이외에 수학적 태도의 ‘가치’, ‘학습의욕’ 요인은 통계적으로 유의한 변화를 보이지 않았다. 넷째, 초등학교 수학 수업에서 AI 기반 ITS를 활용하였을 때, 수학적 태도와 수업만족도의 유의한 향상을 토대로 수학 학업성취도에도 긍정적인 영향을 예측해볼 수 있다. 수학적 태도 중 ‘흥미’와 ‘자신감’ 요인은 수학 학업성취도의 주요한 영향 요인으로 보고된다. 수업만족도 또한 수학 학업성취도와 정(+)의 상관이다. 그러므로 AI 기반 ITS를 활용한 수학 수업의 인지적 영역에서의 효과도 예측할 수 있다. 본 연구의 시사점과 제언은 다음과 같다. 첫째, 수학적 태도가 수학 학업성취도에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타나, 수학 학업성취의 향상을 위해서는 수학적 태도를 중점적으로 길러야 함을 확인하였다. 다만 수업만족도가 학업성취도에 간접적인 영향을 미친다고 볼 수도 있으므로, 다른 정의적 영역도 고려해야 하겠다. 둘째, 디지털 리터러시 또한 수학 학업성취도에 긍정적인 영향을 주는 요인이 될 수 있음을 확인하였으므로, 디지털 리터러시를 향상하는 방안을 탐색할 필요성이 있다. 특히 디지털 리터러시의 ‘정서’ 요인이 수학 학업성취도에 정(+)의 영향을 주는 것으로 드러나, 디지털 리터러시 중에서도 특히 정의적 측면의 향상 방안에 대해 논할 필요가 있다. 마지막으로, 초등학교 수학 수업에서 ITS의 활용이 유의한 효과가 있음을 확인하였으므로 AI 활용 수학교육 방법을 다양화하고 플랫폼에 대한 접근성을 높여야 한다. AI 활용 교육이 계속 확대되는 만큼, 일부 초등교사들이 AI 활용에 대해 느끼는 새롭고 불안하다는 인식의 해소를 위한 교육계의 노력이 필요하다.;The advent of the digital transformation era has brought many changes to the education sector. In particular, advances in AI technology have increased the likelihood that the demand for individualized and customized learning will be realized. The expectations for learning with AI are largely driven by the need for individualized and personalized learning. Especially in math, which is a relatively hierarchical subject with clear answers, there are high expectations for learning with AI. In actuality, many ITS platforms for AI-enabled math education have been built and used in the field. As the demand for learning with AI is growing, it is necessary to verify the effectiveness of math classes using AI-based ITS. Mathematical attitudes and class satisfaction are key factors that affect academic achievement. Digital literacy, which has been emphasized as a core competency for the future, has also been reported to be an influential factor in academic achievement. While ICT literacy has been the focus of digital literacy research in the past, there is an ongoing debate about the need to refine instruction in the affective domains of digital literacy. There is a need to explore which factors of digital literacy, along with mathematical attitudes and classroom satisfaction, influence students' academic performance. The research questions of this study are as follows. First, does mathematical academic achievement differ according to digital literacy and mathematical attitudes of elementary school students? Second, does the use of ITS in elementary school math classes affect mathematical attitudes, classroom satisfaction, and academic achievement? To verify the research questions, this study implemented the same instructional program and administered pre- and post-tests to 63 students in three classes of 6th grade at G Elementary School in Incheon. The researcher taught all three classes to prevent differences due to different instructors. The lesson program was based on the 2015 revised curriculum's 6th grade, 1st semester, 3rd unit, “Division of decimals”, and was implemented in 10 lessons after the unit design based on the ASSURE model. CL was used as the AI-based ITS, and each lesson consisted of a mix of lectures and customized learning using ITS. To analyze the factors affecting elementary school students' academic achievement in mathematics, descriptive statistics and correlation analysis are used to check the possibility of multicollinearity. Then, class satisfaction was excluded from the independent variables. To verify the effects of digital literacy and mathematical attitudes on mathematical academic achievement, a multiple regression analysis was conducted. To analyze the effectiveness of elementary school math classes using AI-based ITS, a paired sample t-test was used to determine whether there were significant differences in mathematical attitudes and class satisfaction, and to predict the effect on mathematical academic achievement. The main results of this study are as follows. First, by analyzing the effects of digital literacy and mathematical attitudes on mathematical academic achievement, the higher the “emotion” factor of digital literacy and the higher the “confidence” factor of mathematical attitudes, the higher the mathematical academic achievement. The influence of the factors was higher for “confidence” in mathematical attitudes than for “emotion” in digital literacy. Second, as an result of the analysis of the effects of digital literacy and mathematical attitudes on math achievement, the other factors did not show statistically significant changes. The other factors of digital literacy – self-efficacy, values -, and mathematical attitudes - interest, values, and motivation to learn - did not show statistically significant changes. Third, the effect of using ITS in elementary school mathematics classes was analyzed using a paired sample t-test. The factors of “confidence” and “interest” in mathematical attitudes, and class satisfaction showed statistically significant improvements. In addition, there were no statistically significant changes in the “value” and “motivation” factors of mathematical attitudes. Fourth, based on the significant improvement in mathematical attitudes and class satisfaction, a positive impact on mathematical academic achievement when using AI-based ITS in elementary school math classes was predicted. Among mathematical attitudes, “interest” and “confidence” are reported to be the main influencing factors of mathematical academic achievement. Class satisfaction is also positively related to mathematical academic achievement. Therefore, it is possible to predict positive effects of AI-based ITS in math classes on cognitive domains. The implications and recommendations of this study are as follows. First, mathematical attitudes were found to have a direct effect on mathematical academic achievement, suggesting that mathematical attitudes should be emphasized to improve mathematical academic achievement. However, since class satisfaction has an indirect effect on academic achievement as well, so other affective aspects such as class satisfaction should be considered. Second, since digital literacy turned out to be a factor that positively affects mathematical academic achievement, it is necessary to explore ways to improve digital literacy. In particular, the “emotion” factor in the affective domain was found to have a positive effect on mathematical academic achievement. So it is necessary to discuss ways to improve the affective aspects of digital literacy. Lastly, since a significant effect of using ITS in elementary school math classes has been confirmed, diversifying AI-enabled math education methods and increasing access to the platform are required. As AI-enabled education continues to expand, efforts by the education community are needed to address the new and uneasy perception that some elementary school teachers have about using AI.