Development of a prototype simulation-based AI system to support physics inquiry learning
Junbo Koh, Jungwook Park, Chanhui Kim, Yoomin Kim, Sunyoung Keum · Korean Association for Educational Information and Media · 2025
지능정보 사회의 기초 소양으로서 물리학의 중요성에도 불구하고 많은 학생들이 물리학 개념 학습 과정에서 어려움을 겪는다. 이를 해결하기 위해 다양한 디지털 학습 지원 도구들이 활용되어 왔지만, 도구 사용만으로는 학생들의 과학적 개념 변화를 기대하기 어렵다. 디지털 학습 지원 도구는 학생이 주도적으로 탐구 과정에 참여하여 과학적 개념을 구성할 수 있도록 하는 구성주의적 접근과 통합되어 제공될 때 효과를 극대화할 수 있다. 본 연구는 구성주의 과학과 교수학습 모형인 5E 순환학습모형을 바탕으로 물리학 탐구 과정을 지원하는 시뮬레이션 기반 AI 시스템 프로토타입을 개발하였다. 이를 위해 설계·개발 연구방법을 적용하여 체계적으로 시스템을 개발하고 학습자 6명을 대상으로 사용성을 평가하였다. 사용성 평가 결과 시스템의 장점으로 단계적 학습 경험과 시뮬레이션을 통한 물리 법칙의 시각화, AI 튜터의 적응적 피드백 등이 제시되었으며, 단점으로 인터페이스 직관성 부족 및 시뮬레이션 사용 안내 미비 등이 도출되었다. 최종 개발된 시스템 프로토타입은 5단계의 학습 과정으로 이루어져 있으며, 학습 단계별로 서로 다른 역할을 하는 맞춤형 AI 튜터를 개발하여 적응적으로 학생을 지원하고자 하였다. 또한, 시뮬레이션 코드 생성 AI를 활용하여 학생의 물리적 선개념을 시각화하여 보여줌으로써 개념 변화를 위한 인지 갈등을 촉진하고자 하였다. 본 연구는 과학 학습 이론을 기반으로 빠르게 발전하는 AI 기술을 활용하여 효과적인 물리학 탐구 학습 환경을 조성하고자 했다는 점에서 의의가 있다.