세상을 이롭게 하는 물리_인공지능 가천대학교 과학영재교육원 2024 가천대학교 과학영재교육원 프로그램 2. 프로그램 개요 구분(단계) 관련 교육과정 중등 심화(사사) 2022 개정 교육과정에 맞추어 중1 과학, 중1 정보 분야 영역 물리, 정보 개발 차시 8차시 - 힘의 작용(과학) - 인공지능(정보) 컴퓨팅을 활용한 문제 해결을 전제로 물리학 지식을 활용해 문제를 발견, 분석, 해결하고 실생활에 이롭게 쓰일 새로운 방안을 제시할 수 있다. 자신의 신체활동의 특징을 탐색해보 고 특징의 원인을 살펴본다. 이 과정에서 지레 실험 장치로 힘과 일, 돌림힘 등 물리지식을 프로그램 목표 이해하고 적용하여 일상의 움직임에 숨은 지레 원리와 종류를 구분하고 적용할 수 있다. 인체 동역학에 대한 이해로부터 정형외과 질환의 원인을 파악할 수 있다. 현실 속 문제인 의료대란의 해결책을 제안하고자 인공지능 기술을 이해하고 설계하여 인 공지능 보조의사를 직접 제작해본다. 특히 인공지능 윤리의식과 데이터에 대한 이해를 기반 으로 인공지능을 통해 문제를 해결할 수 있다. ○ 중등 교육과정과의 연계와 중점 사항 - 과학 • 중학교의 과학 과목의「힘의 작용」단원은 초등학교 3∼4학년군 ‘힘과 우리 생활’, 고등학교 <통합과학1>의 시스템과 상호작용, ‘물리학’의 힘과 에너지와 연계된다. • 학생들이 일상적으로 경험하는 힘의 개념 특히 지례와 관련된 것을 글, 그림 등 다양한 형태 로 표현하도록 하여 과학적인 힘의 개념이 형성되는 데 주안점을 두었다. • 인체의 움직임과 지레의 요소와 원리를 적용하여 지레의 종류를 판별하는 과정에서 힘과 일, 에너지의 관계를 폭넓게 이해할 수 있다. - 정보 • 중학교 정보 과목의「인공지능」단원은 인공지능 시스템으로 해결 가능한 문제를 발견하고, 인공지능 학습에 필요한 데이터의 수집과 활용에서 발생하는 윤리적인 문제의 해결 방안을 구상 하여 문제 해결에 적합한 인공지능 시스템을 적용하도록 한다. • 데이터의 중요성을 이해하고, 학습에 필요한 데이터를 수집 분류한다. 학생이 익숙하게 활용 할 수 있는 프로그래밍 언어를 사용하여 학습에 인지적 부하가 적은 형태로 교수⋅학습 활동을 구성하였다. • 인공지능 윤리는 개인의 성향이나 문제에 대한 관점에 따라 서로 다른 주장을 펼칠 수 있으므 로, 학생의 의견을 최대한 존중하고 근거를 가지고 논리적으로 자신의 의견을 주장할 수 있도록 활동을 구성하였다. 4 2024 가천대학교 과학영재교육원 프로그램 3. 프로그램 차시별 내용 차시 주요 활동/내용 • 내 몸의 관찰 1 - 눈을 감고 복도를 걷는 나의 영상을 촬영하고 나의 걸음을 분석하기 - 등을 구부리고 그 위에 자를 올려놓고 자의 평형을 살펴보기 준비물 자, 핸드폰 • 의료용 인공지능의 가능성 탐색 2 - 병원 방문 시의 진료순서와 인공지능 보조의사가 대체할 수 있는 영역 에 대해 알아보기 컴퓨터 - 진료과에 따라 진료 순서와 인공지능 의사의 참여시 특징을 파악하기 • 인체의 동역학(지레에 작용하는 힘) Ⅰ 3 지레실험 - 지레의 종류와 지레에 작용하는 힘의 요소 구분하고 이해하기 장치, 추, - 지레 실험을 통해 힘의 균형을 이루기 위한 방안을 파악하기 용수철저 - 지레 실험결과는 표와 그래프로 작성하고 그 의미를 해석하기 울 등 • 우리 몸 속의 과학 - 사람이 한 일과 지레가 한 일을 구하기 위해 변수간의 관계를 식으로 완 4 성하기 - 지렛대 원리가 적용된 인체의 움직임에는 무엇이 있는 지와 그 속의 동 컴퓨터, SW 엑셀 역학을 살펴보고 이해하기 • 질병을 진단하는 인공지능 - 정형외과에 도입할 인공지능 의사를 설계한다면 인공지능 보조의사의 5 역할은 어느 시기에 도입하는 것이 좋은 지 논의하기 동영상 - 청소년기 학생의 정형외과 방문은 척추 질환에 있음을 알고 척추와 척추 의 움직임을 살펴보고 설명하기 • 척추 측만과 척추 정상 6 - 척추 질환을 구분하기 위한 방안과 인공지능으로 구현하고자 설계하기 - 윤리적 문제를 고려하여 의료 데이터의 수집은 어디서, 어떻게 할 것인 컴퓨터 가를 결정하고 필요한 작업의 순서를 정하기 • 인공지능 보조의사를 제작 Ⅱ - 데이터의 종류와 클래스 개수 등을 설계하고 그 이유를 밝히기 7 - 척추 측만과 척추 정상의 이미지 데이터를 각각 20개 이상 수집해보고 데이터의 적절성을 평가해보기 - 데이터를 머신러닝 학습용과 테스트용으로 나누는 기준을 수립하고 이 컴퓨터, I BM 왓슨(머신 러닝) 유를 발표하기 • 인공지능 보조의사의 활용 - I BM 왓슨을 활용하여 머신러닝 모델을 생성하고 테스트 해보기 8 - 테스트 결과가 부족하다면 데이터를 더 수집하거나, 부적절한 데이터를 삭제하는 등 적절한 진단이 나오도록 여러 방안을 시도해보기 - 제작된 인공지능 보조의사의 가능성을 최종 판단하고 개선점을 논의하 컴퓨터 I BM 왓슨(머신 러닝) 기 5 2024 가천대학교 과학영재교육원 프로그램 2 차시별 교수· 학습 지도안 Ⅰ. 세상을 이롭게 하는 물리_인공지능Ⅰ 관련 교과 중1 과학 중1 정보 영역 힘의 작용 수업 차시 인공지능 (해당/전체) 1~4/8 나와 친구의 걷기를 관찰하여 특징을 알고, 지레를 활용한 과학 실험과 탐구를 통해 우리 학습 목표 몸의 움직임과 과학 원리를 적용하여 이해할 수 있다. 청소년기에 자주 방문하는 병원의 진 료과정을 살펴본 후 인공지능 의사를 도입한다면 어느 과정에 어떤 방식으로 도움을 받을 수 있을 지를 논의하고 제작 과정을 구상해본다. 핵심 역량 □ 창의적 문제해결 능력 ■ 자연현상의 기술공학적 적용 □ 고등 수학적 추론 능력 □ 학문적 개념의 통합적 활용 ■ 융합 및 응용 능력 ■ 과학적 개념의 실생활 응용 □ 수학적 의사소통 및 협업 능력 ■ 학습활동을 통한 첨단과학기술의 이해 ■ 정보처리 및 도구 활용 능력 □ 기타( ) □ 수학적 태도와 실천 의지력 ■ 기타( 컴퓨팅 사고력 ) 주요 교수 방법 □ 설명식 교수 □ 토의·토론 학습 ■ 협력 학습 ■ 탐구 학습 ■ 프로젝트 학습 □ 모델링 □ 놀이 및 게임 학습 □ 기타( 수업단계 ) 교수⋅학습 활동 수업자료 및 유의점 ○ 의료 대란_현실의 문제 도입 (15분) - 동영상 시청(5분) 현실 문제로 대두되고 있는 의료대란과 관련된 영상을 시청한다. 정책입 학생활동지, 안자의 생각, 이용자로서의 국민들의 생각, 의료업 종사자의 의견등 다양한 교사용 ppt 의견을 청취하였는 지 질의하여 여러 의견을 알도록 한다. 6 동영상자료, 2024 가천대학교 과학영재교육원 프로그램 - 평소 스마트폰을 사용할 때의 자세 등의 일상의 자신의 자세를 점검하고 올바른 자세를 유지하는 것의 중요성을 생각해보게 한다. ○ 다음 수업을 위한 준비(5분) - 의료대란의 대안으로 인공지능 기술을 활용 가능성을 미리 생각해 볼 것을 제안한다. 또한 주변인 또는 가족과의 대화를 통해 의료대안에 대해 또는 그 해결 방안에 관한 많은 이들의 의견을 경청해 오라고 안내한다. Ⅱ. 세상을 이롭게 하는 물리_인공지능Ⅱ 관련 교과 중1 정보 중1 과학 -인공지능 영역 -힘의 작용/과학과 인 류의 지속가능한 삶 수업 차시 5~8/8 (해당/전체) 정형외과에 도입할 인공지능 의사를 설계할 때, 척추 구조의 이해를 기반으로 질환 판별에 필요한 이미지 데이터를 선정하여 인공지능을 학습시켜 문제 해결 방안을 마련한다. 데이 학습 목표 터 수집시 윤리적 문제를 고려하여 머신러닝 학습모델을 설계하고 완성후, 수정 보완한 다. 인공지능 보조의사의 가능성을 다양하게 테스트하여 의료대란의 적절한 대안으로 최종 제안한다. 핵심 역량 ■ 창의적 문제해결 능력 ■ 자연현상의 기술공학적 적용 □ 고등 수학적 추론 능력 □ 학문적 개념의 통합적 활용 ■ 융합 및 응용 능력 ■ 과학적 개념의 실생활 응용 □ 수학적 의사소통 및 협업 능력 ■ 학습활동을 통한 첨단과학기술의 이해 ■ 정보처리 및 도구 활용 능력 □ 기타( ) □ 수학적 태도와 실천 의지력 ■ 기타( 컴퓨팅 사고력 ) 주요 교수 방법 □ 설명식 교수 □ 토의·토론 학습 ■ 협력 학습 ■ 탐구 학습 ■ 프로젝트 학습 ■ 모델링 □ 놀이 및 게임 학습 □ 기타( 수업단계 도입 (20분) 교수⋅학습 활동 ○ 지난 시간의 리뷰(10분) 수업자료 및 유의점 동영상자료, - 지난 수업에는 의료대란이라는 일상의 문제를 발견하고 이를 해결할 방 학생활동지, 안을 알아보고자 지레의 원리와 인체의 움직임을 연결하여 생각해본 것을 교사용 ppt 상기시킨다. 12 ) 2024 가천대학교 과학영재교육원 프로그램 3 평가 계획 및 기준안 세상을 이롭게 하는 물리_인공지능Ⅰ 프로그램 명 중1 과학 영역 힘의 작용 수업 차시 관련 교과 1~4 / 8 (해당/전체) 중1 정보 인공 지능 지레 실험을 통해 지레의 원리와 종류를 구별하고 인체의 움직임에서 지레의 원리가 적용 학습 목표 된 것을 연결 짓어 설명할 수 있다. 자신의 걷기 등을 관찰하여 특징을 알고 청소년기의 방문하는 진료과에서 인공지능 의사의 가능성을 탐색해본다. - 안전한 지레 실험을 수행하고 표의 내용을 완성하였는가 - 지레 원리를 적용한 식을 세우고 계산을 올바르게 수행하였는가 평가 내용 - 인체 움직임에서 지레의 원리와 종류를 적절해 연결지을 수 있는가 - 동료들과 협업하여 여러 탐구에 적극적으로 참여하였는가 - 진료과에서의 진료순서/인공지능 기술의 의료 현장 도입에 적극적으로 의견을 내었는가 평가 방법 자기 평가, 관찰 평가 ○ 자기 평가 자기 평가 문항 안전한 지레 실험을 수행하고 표의 내용을 완성하였는가 지레 원리를 적용한 식을 세우고 계산을 올바르게 수행하였는가 인체 움직임에서 지레의 원리와 종류를 적절해 연결지을 수 있는가 동료들과 협업하여 여러 탐구에 적극적으로 참여하였는가 진료과별 진료순서와 인공지능 기술의 의료 현장 도입에 적극적으로 의견을 내었는가 잘함~노력필요 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 ○ 관찰 평가 영역 평가 기준표 문제해 결 능력 융합 및 응용 능 력 실생활 응용 첨단 과 학 기술 의 이해 협업 능 력 22 잘함 지레 원리를 적용한 식을 세우고 실험값을 적용하여 표를 완성하 였다. 인체 움직임에서 지레 의 원리와 지레의 종 류를 적절해 연결지을 수 있다. 실험실 안전지침에 따 라 지레 실험을 수행 하고 측정값을 정확하 게 기록하였다. 진료과에서의 진료순 서/인공지능 기술의 의료 현장 도입에 적 극적으로 의견을 내었 다. 자기 역할에 충실하고 팀원 간의 협업에 주 도적으로 참여하였다. 평가 기준표(루브릭) 보통 지레 원리를 적용한 식은 세웠으나, 실험 값을 적용한 최종 계 산은 하지 못하였다. 인체 움직임과 지레의 원리는 이해하나 지레 의 종류와 연결하지 못하였다. 지레 실험을 수행하였 으나 측정값의 기록과 데이터 표현에서 단위 의 오류가 일부 있다. 진료과에서의 진료순 서에는 참여하였으나. 인공지능 기술의 의료 현장 도입에 의견을 제시하지 못하였다. 맡은 역할과 팀원 간 의 협업에 참여하였다. 노력 요함 측정값을 표에 적기는 했으나, 관련 수식을 세우지 못하였다. 지레의 원리는 이해하 나 인체 움직임과 지 레의 종류를 구별지을 수 없다. 지레 실험을 수행하지 못하여, 친구의 실험 결과를 활용하였다. 진료과에서의 진료순 서와 인공지능 기술의 현장 도입에 의견을 제시하지 못했다. 맡은 역할을 이해하지 못하고 참여에 수동 적이다. 2024 가천대학교 과학영재교육원 프로그램 세상을 이롭게 하는 물리_인공지능Ⅱ 프로그램 명 관련 교과 중1 정보 영역 인공 지능 수업 차시 5~6 / 8 중1 과학 힘의 작용 (해당/전체) 정형외과에 도입할 인공지능 의사를 설계할 때, 척추 구조의 이해를 바탕으로 질환 판별에 필요한 이미지 데이터를 선정하고 인공지능을 학습시켜 문제를 해결할 수 있다. 데이터 수 학습 목표 집시 윤리적 문제를 충분히 고려하여 머신러닝 학습모델을 설계할 수 있으며, 머신러닝 학습 모델을 완성하고 수정 보완하여 인공지능 보조의사의 가능성을 테스트하고 의료대란 의 대안으로 최종 제안한다. - 척추구조를 이해하고 척추 뼈, 관절, 디스크의 각 역할을 설명할 수 있는가 - 정상 척추와 척추 측만의 차이와 원인을 설명할 수 있는가 - 머신러닝 모델에 필요한 데이터의 종류와 클래스의 개수를 설정할 수 있는가 평가 내용 - 질환 판별에 필요한 데이터의 수집과 처리를 윤리적으로 올바르게 수행할 수 있는가 - 머신러닝 모델을 완성하여 AI 보조의사로 활용가능토록 제작하였는가 - 코딩과 인공지능 확장 기능(TTS)으로 인공지능 보조의사를 최종 완성하였는가 - 의료진단의 오류가 주는 위험성을 충분히 인지하고 신뢰도 기준을 설정하였는가 평가 방법 자기 평가, 관찰 평가 ○ 자기 평가 자기 평가 문항 척추구조를 이해하고 뼈, 관절, 디스크의 역할을 설명할 수 있는가 정상 척추와 척추 측만의 차이와 원인을 설명할 수 있는가 M L모델을 위한 데이터의 종류와 클래스의 개수를 설정할 수 있는가 판별에 필요한 데이터의 수집과 처리를 윤리적으로 수행할 수 있는가 머신러닝 모델을 완성하여 AI 보조의사를 제작하였는가 코딩과 확장블럭(TTS)로 인공지능 보조의사를 최종 완성하였는가 의료진단의 오류가 주는 위험성을 알고 신뢰도 기준을 설정하였는가 잘함~노력필요 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 ○ 관찰 평가 영역 평가 기준표 문제해 결 능력 융합 및 응용 능 력 정보처 리및도 구활용 능력 첨단 과 학 기술 의 이해 기술공 학적 적 용 잘함 의료진단 오류의 위험 성을 인지하고 진단의 정확성을 기하고 신뢰 도 기준을 설정하였다. 여러 진료과 별로 인 공지능 보조의사로 대 체가능한 영역을 제시 할 수 있다. M L모델의 데이터 종 류와 클래스의 개수를 설정하고, 윤리적 방 법으로 데이터를 수집 하였다. 머신러닝 모델과 코딩 및 확장 블럭으로 인 공지능 보조의사를 최 종 제작하였다. 척추구조를 이해하고 정상 척추와 척추 측 만의 차이와 원인을 설명할 수 있다 평가 기준표(루브릭) 보통 오류의 위험을 줄이기 위해 노력했으나 신뢰 도 기준을 설정하지 못하였다. 인공지능 보조의사로 대체 가능한 진료과를 한 두개만 제안할 수 있다. 노력 요함 의료진단 오류의 위험 성을 이해하나, 정확 성과 신뢰도를 높이지 는 못하였다 인공지능 보조의사가 정형외과에서만 대체 가능하다고 생각한다. 데이터 종류와 클래스 의 개수를 정할 수 있 으나, 데이터 수집에 어려워 한다. M L모델에 대해 이해 하지 못하여 데이터 종류와 클래스의 개수 를 정하지 못한다. . 머신러닝 모델과 코딩 및 확장 블록을 사용 하기에 익숙하지 않으 나, 완성하였다. 척추구조를 알고, 정 상 척추와 척추 측만 의 차이만 설명할 수 있다. 머신러닝 모델과 코딩 및 확장 블록을 사용 하기에 익숙하지 않아 완성을 못하였다. 정상 척추와 척추 측 만을 구분할 수만 있 다. 23