인공지능으로 수질 위험 지역을 찾아라! 아주대학교 과학영재교육원 2024 아주대학교 과학영재교육원 프로그램 1 프로그램 개요 학교급 인공지능으로 수질 위험 지역을 찾아라! 중학교 2학년 1. 프로그램 소개 인공지능의 초기모델이라고 할 수 있는 퍼셉트론은 로젠블랫이 1957년에 개발한다. 퍼셉트 론은 분류 알고리즘으로 당시 간단한 이미지를 분류하는 결과를 얻어 인공지능 시대의 부흥을 알린다. 하지만 퍼셉트론만으로는 XOR문제를 해결할 수 없어 인공지능 개발은 침체기에 접어 들었지만 마빈 민스키가 이에 대한 대안으로 다층퍼셉트론을 만들어 XOR문제를 해결한다. 이 후 다층퍼셉트론의 발전이 인공신경망이나 딥러닝의 발전으로 이어진다. UN은 지속가능한 개발목표(SDGs) 17개를 제시하고 있으며, 그 중에서 6번째 목표는 물과 위생의 보장 및 지속가능한 관리이다. 본 프로그램에서는 깨끗한 물과 관련된 데이터를 통해 인공지능의 원리를 이해하는데 초점을 둠으로써 융합적인 수업을 할 수 있도록 구성하였다. 학생들은 이 프로그램을 통해 인공지능의 초기모델인 퍼셉트론의 원리를 이해하고 어떻게 응용할 수 있는지 학습하고, 이 과정에서 지속가능한 목표에 대해 생각해 볼 수 있는 계기를 마련한다. 또한 단순하게 인공지능을 체험하는 교육이 아닌 실생활 맥락을 통해 인공지능의 수 학적 원리를 이해함으로써 인공지능 소양을 넓히고 인공지능 활용 능력을 함양할 수 있다. 2. 프로그램 개요 구분(단계) 관련 교육과정 프로그램 목표 중등 심화(사사) 분야 중2 수학 영역 수학 개발 차시 2차시 일차함수와 그래프 퍼셉트론의 원리를 이해하고 이를 활용하여 수질 위험 지역을 진단할 수 있다. 3. 프로그램 차시별 내용 차시 1 2 주요 활동/내용 준비물 • 퍼셉트론의 원리와 분류 알고리즘을 이해한다. • 다층퍼셉트론의 원리를 이용하여 XOR문제를 해결하고, 수질 위험 지 역 진단하기 프로젝트를 해결할 수 있다. 3 2024 아주대학교 과학영재교육원 프로그램 2 관련 교과 학습 목표 핵심 역량 차시별 교수·학습 지도안 중2 수학 영역 일차함수와 그래프 수업 차시 1 / 2 (해당/전체) 퍼셉트론의 원리와 분류 알고리즘을 이해한다. ☑ 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( 주요 교수 방법 ) □ 설명식 교수 ☑ 토의·토론 학습 ☑ 협력 학습 ☑ 탐구 학습 □ 프로젝트 학습 □ 모델링 □ 놀이 및 게임 학습 □ 기타( 수업단계 교수⋅학습 활동 • 인공지능의 기본 이해: 분류 도입 (5분) • 수질 관련 중요성 인식하기 - 물 관련 데이터 검색 - 수질 관리의 필요성 인식 • 활동1: 퍼셉트론 알고리즘 이해하기 - 수질 위험 지역 및 일반 지역 구분하기 전개 (35분) - 퍼셉트론으로 XOR문제를 해결하지 못하는 이유 설명하기 • 활동2: 가장 좋은 분류 경계 직선 찾기 - 퍼셉트론으로 분류하는 가장 좋은 직선의 방정식 찾기 - 분류 직선으로 데이터 분류하기 정리 및 평가 (5분) 4 • 인공지능의 분류 알고리즘 이해하기 - 퍼셉트론의 개념 정리 ) 수업자료 및 유의점 2024 아주대학교 과학영재교육원 프로그램 3 평가 계획 및 기준안 프로그램 명 관련 교과 학습 목표 인공지능으로 수질 위험 지역을 찾아라! 중2 수학 영역 일차함수와 그래프 수업 차시 (해당/전체) 1 / 2 퍼셉트론의 원리와 분류 알고리즘을 이해한다. • 퍼셉트론 알고리즘을 이해하고, 간단한 알고리즘을 구현 평가 내용 • 직선의 방정식을 활용하여 분류 직선 찾기 • 효율적인 직선의 방정식을 찾는 과정을 설명하기 평가 방법 평가 기준표 관찰평가 관찰평가지 활용 평가 도구： 관찰평가지 역량 평가 내용 등급 우수 정보처리 보통 노력요함 우수 의사소통 보통 노력요함 특이 사항 6 관찰 학생 이름 2024 아주대학교 과학영재교육원 프로그램 4 학생 활동지 프로그램 명 : 인공지능으로 수질 위험 지역을 찾아라! 소속 학교 영역/단원 학습주제 이름 중2. 일차함수와 그래프 차시 1/2 퍼셉트론의 원리를 바탕으로 안전한 수질 지역 분류하기 1. 다음 글을 읽고 물음에 답해 보자. 아프리카 지역 저개발국가의 일부지역에서는 안전하게 관리되는 식수 서비스를 받지 못하는 경우가 많다. 그림은 안전하게 관리되는 식수 서비스를 이용하는 인구 비율을 나타낸 것이다. <출처: https://www.unwater.org/)> 민준이는 <물 관련 생태계의 감소 비율>과 <안전하게 처리된 폐수 유량 비율>과 같은 통계 자료를 바탕으로 위험 수질 지역과 일반 수질 지역을 구분하는 알고리즘을 고안하려고 한다. 어떤 지역에서 <물 관련 생태계의 감소 비율>과 <안전하게 처리된 폐수 유량 비율>의 값을 조사해서 0부터 10까지의 값으로 환산한 값을 각각    라고 하자. 이 값에       를 곱하여 더한 값을    ×     ×    라고 할 때,    이면 위험 수질 지역으로,  ≤  이면 일반 수질 지역으로 분류하려고 한다. 어떻게       의 값을 정하면 될까? 8 2024 아주대학교 과학영재교육원 프로그램 5 교수·학습 자료 프로그램 명 : 인공지능으로 수질 위험 지역을 찾아라! 영역/단원 학습주제 일차함수와 그래프 차시 1/2 퍼셉트론의 원리를 바탕으로 안전한 수질 지역 분류하기 (학생용 활동지 해설) 아프리카 지역 저개발국가의 일부지역에서는 안전하게 관리되는 식수 서비스를 받지 못하는 경우가 많다. 그림은 안전하게 관리되는 식수 서비스를 이용하는 인구 비율을 나타낸 것이다. <출처: https://www.unwater.org/)> 민준이는 <물 관련 생태계의 감소 비율>과 <안전하게 처리된 폐수 유량 비율>과 같은 통계 자료를 바탕으로 위험 수질 지역과 일반 수질 지역을 구분하는 알고리즘을 고안하려고 한다. 어떤 지역에서 <물 관련 생태계의 감소 비율>과 <안전하게 처리된 폐수 유량 비율> 의 값을 조사해서 0부터 10까지의 값으로 환산한 값을 각각    라고 하자. 이 값에       를 곱하여 더한 값을    ×     ×    라고 할 때,    이면 위험 수질 지역으로,  ≤  이면 일반 수질 지역으로 분류하려고 한다. 어떻게       의 값을 정하면 될까? 15 2024 아주대학교 과학영재교육원 프로그램 예시: 만약 위험 지역에서 <물 관련 생태계의 감소 비율>과 <안전하게 처리된 폐수 유량 비율>의 환산값    의 값이 각각       일 때,             으로 정하면,    ×    ×        이므로 올바르게   를 정한 것이다. 지도 방향 문자가 많아 주어진 식을 이해하는데 어려움을 느낄 수 있으므로 문제 상황을 충분히 이해하였는지 확인이 필요하다. 필요에 따라서 문제 상황에 대한 보충 설명을 해준다. 또한 학생들이 실제로 물관련 (https://www.unwater.org/)에 접속해서 실제로 데이터를 살펴보면서 어떤 문제점들이 있는지 확인해 본다. UN은 지속가능발전 목표(SDGs) 17개를 제시했으며, 그 중에서 SDG6은 모두를 위한 물의 이용가능성과 지속가능한 수질 관리와 관련된 내용을 담고 있습니다. 출처: https://sdg6data.org/en/indicator/6.1.1(2024. 07. 26. 인출) 문제 1. 4개의 지역에서 수치를 확인한 결과가 오른쪽 표와 위험수질지역 일반수질지역 같을 때, 이를 만족하도록 하는        값을 하나 찾         고, 친구들과 자신이 구한 값을 비교해 보시오.       [참고] 예를 들어, 왼쪽 표에서   라는 것은        라는 뜻이다. (즉,       을 의미하며, 이 지역은 위험 수질 지역이라는 것을 의미한다. ) (예시)             으로 정하면 올바르게 분류한다. 지도 방향 학습지에 질문을 제시하고 학생들이 생각하는 과정을 통해서 퍼셉트론 기본적인 상황을 익힐 수 있도 록 한다. 학생들이 답을 모두 제시하고 난 후에 학생들끼리 제시한 답안을 비교해보면서 다양한 답안이 나올 수 있음을 이해한다. 문제 2. 추가로 확보한 4개 지역을 확인한 결과가 다음과 위험수질지역 일반수질지역 같을 때, 이를 만족하도록        을 수정하고        친구들과 자신이 구한 값을 비교해보시오.        (예시)            로 하는 경우        이 되어 조건을 만족하지 않는 다. 그러므로             로 수정한다. 16