Development and application of PBL-based machine learning education program to improve elementary school students' problem solving skills

목적 본 연구에서는 문제해결능력 향상을 위한 PBL 기반 초등 인공지능 교수⋅학습 모델을 설계하고, 개발한 PBL 기반 초등 인공지능 교수⋅학습 모델을 바탕으로 교육 프로그램을 개발한다. 그리고 개발된 교육 프로그램을 적용하여 인공지능 교육 프로그램이 초등학생의 문제해결능력 향상에 미치는 영향을 분석하여 타당성을 검증하는데 목적이 있다. 방법 이를 위하여 선행연구 고찰을 통한 문제중심학습(PBL) 기반 인공지능 교수⋅학습 모델을 설계하였고, 총 16차시의 문제중심학습(PBL) 기반 초등 머신러닝 교육 프로그램을 개발하였다. 개발한 프로그램에 대해 소프트웨어⋅인공지능 교육 전문가 검토를 진행하였고, 개발한 교육 프로그램을 부산시 소재의 M초등학교 5학년 1개 학급 30명에게 적용하였다. 프로그램 적용 사전⋅사후검사지를 SPSS Statistics의 대응표본 t-검정을 통한 분석으로 문제중심학습 기반 머신러닝 교육 프로그램의 문제해결능력 향상 효과성을 분석하였다. 결과 문제해결능력의 9가지 능력요소 문제인식, 정보수집, 분석, 확산적 사고, 의사결정, 기획력, 실행과 모험 감수, 평가, 피드백 전 영역에서 평균값 상승이 이루어졌으며, 유의수준 기준에서도 유의한 차이를 발견할 수 있었다. 교육 프로그램 적용 후 학생들을 대상으로 설문조사와 인터뷰를 분석한 결과, 인공지능에 대하여 필요성 및 흥미, 유용성을 느꼈으며, 인공지능 교육에 대해서도 창의력과 사고력 향상에 도움이 되며 인공지능과 관련된 진로선택에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 결론 문제중심학습(PBL) 기반 초등 머신러닝 교육 프로그램이 초등학교 5학년의 문제해결능력 향상과 인공지능과 인공지능 교육에 대한 긍정적 영향을 준다는 점을 확인할 수 있었고, 추후 다양한 학년과 학교의 형태, 교과와의 융합 등을 고려한 인공지능 교육 프로그램 후속 연구의 참고 자료로 활용될 수 있을 것이라 기대한다.Objectives In this study, a PBL-based elementary artificial intelligence teaching and learning model is designed to improve problem-solving ability, and an education program is developed based on the PBL-based elementary artificial intelligence teaching and learning model. In addition, the purpose of this study is to verify the validity by analyzing the effect of artificial intelligence education programs on improving elementary school students' problem-solving skills by applying the developed education program. Methods To this end, a problem-oriented learning (PBL)-based artificial intelligence teaching and learning model was designed through consideration of previous studies, and a total of 16 problem-oriented learning (PBL)-based elementary machine learning education programs were developed. Software and artificial intelligence education experts were reviewed for the developed program, and the developed education program was applied to 30 students in 1 class in 5th grade of M Elementary School in Busan. The effectiveness of problem-solving ability improvement of problem-based learning-based machine learning education programs was analyzed by analyzing the program-applied pre- and post-test papers through the corresponding sample t-test of SPSS Statistics. Results The average value increased in all areas of problem-solving ability recognition, information collection, analysis, diffusion thinking, decision-making, planning, execution and risk-taking, evaluation, and feedback, and significant differences were also found in the significance level standards. As a result of analyzing the survey and interviews of students after the application of the education program, it was found that AI education was necessary, interested, and useful, and helped improve creativity and thinking skills, and had a positive effect on career choices related to AI. Conclusions It was confirmed that the PBL-based elementary machine learning education program has a positive effect on problem-solving skills and artificial intelligence education for fifth graders, and it is expected to be used as a reference for follow-up studies of artificial intelligence education programs considering various grades, school forms, and convergence with subjects.