인공지능(AI) 역량 함양을 위한 고등학교 수학 내용 구성에 관한 소고 document_id A220623170671

4차 산업혁명 시대를 대표하는 인공지능 기술은 이제 우리 삶에 깊숙이 관여되고 있고 미래 교육은 이러한 인공지능의 원리와 활용에 대한 학생들의 역량 함양을 중시하고 있다. 따라서 본 연구의 목적은 인공지능 역량과 가장 밀접한 교과인 수학에서 다루어야 하는 인공지능 관련 교육 내용을 고찰하는데 있다. 이를 위해 인공지능의 핵심 기술인 기계학습의 원리를 수학기반으로 학습할 수 있는 인공지능 교과를 수학과의 과목으로 신설할 것을 제안하는 바이며, ‘AI와 데이터 과학을 위한 수학' 교과에서 다루어야 하는 핵심 내용을 도출하였다. 인공지능은 이미 우리 생활에 깊숙이 파고들고 있는 이러한 인공지능 기술에 대한 소양 함양을 반영하고자하는 교육 분야의 논의는 시작되었다. 2030년의 미래 모습으로 변동성, 불확실성, 복잡성, 모호성으로 상정한 OECD나 UNESCO의 미래교육 전망에서 모두 사회변화의 흐름을 예측하고 학생들이 함양해야 할 역량에 정보, 미디어 및 테크놀로지 기능이 포함되었다. 특히 수학교과는 이러한 새로운 기술과 가장 가까운 교과라는 것을 감안한다면 수학교과를 통해 인공지능에 대한 이해와 소양을 키우는 것은 당면한 과제라 할 수 있다. 인공지능이 수행하는 일 중 가장 큰 두 줄기는 자연어처리와 영상분석이라 할 수 있을 것이다. 실제 대부분의 인공지능 프로그래밍은 두 분야와 관련된 내용으로 구성되어 있다. 그러나 이러한 인공지능과 관련된 수학 내용을 가르친다고 하면 현 교육과정과는 전혀 무관한 새로운 내용을 새로 도입해야 하거나 혹은 너무 난이도가 높은 내용을 도입해야 해서 학생들이 어려워할 수도 있을 것이라는 생각을 할 수도 있다. 그러나 현 중학교 교육과정내에서도 ‘빅데이터 분석'과 '데이터 마이닝', '정보 검색' 원리를 이해하고 실생활에 적용해 보는 경험을 할 수 있도록 자료를 구성할 수 있다는 선행연구와 같이 현 교육과정에서 다루고 있지 않는 새로운 내용을 거의 도입하지 않고도 인공지능 원리와 활용을 현재 수학 내용과 연계지어 도입할 수 있을 것이다. 따라서 본고에서 인공지능과 관련하여 제안하고자 하는 내용을 기술하면 다음과 같다. 첫째, 인공지능 원리와 활용을 소개할 교과목의 개발이다. 인공지능에 대한 소양 및 역량 함양이 무엇보다 중요해진 현 시점에서 우선시 되어야 하는 것은 인공지능을 이해하기 위한 내용을 다루는 교과의 필요성이다. 인공지능 전체를 이해하는데 필수 개념인 기계학습은 인공지능의 한 종류이지만, 그 특성상 수학기반으로 학습하는 것이 더 적합하다. 따라서 인공지능의 기본 원리를 다루는 가칭‘인공지능과 데이터 과학을 위한 수학’ 과목을 신설하여 수학 교육과정에서 이 과목을 다룰 수 있도록 하는 것이다. 이때에는 가급적 에서 제안한 현 교육과정의 수학 내용을 토대로 인공지능에서 다루는 ‘데이터의 이해’과 ‘데이터 분석의 원리’ 그리고 ‘실생활에서의 인공지능 활용’에 대한 내용을 주로 다루는 것이다. 두 번째, 인공지능의 원리와 개념을 이해하기 위한 수학 내용의 개발이다. 기계학습을 이해하기 위해서는 기본적인 선형대수, 미적분, 확률과 통계 내용을 알아야하기 때문에, '인공지능과 데이터 과학을 위한 수학'과 연계해서 학습할 수학 내용을 새로이 개발해야 한다. 앞에서 언급한 인공지능을 이해하기 위한 교과는 ‘선형대수', '미적분', '확률과 통계’의 필요한 내용 중 현 교육과정에 제시되어 있는 내용을 중심으로 인공지능 원리와 융합하여 수학 내용을 소개하는 것이 더 적합하다. 그러나 이를 가지고는 인공지능원리나 데이터 분석 개념을 충분히 설명하기 어려울 수 있으며 전문적인 인공지능 역량을 함양하는 데는 부족함이 있을 수 있다. 이럴 경우 진로 선택과목으로써 ‘인공지능과 데이터 과학을 위한 수학'에서 조금 더 현 교육과정에서 다루고 있지 않는 수학 내용을 추가로 다룰 수 있도록 하는 것이 필요하다. 그렇다면, 인공지능과 연결하여 학습할 수학 내용은 어느 정도 분량과 수준을 갖추어야 할까? 인공지능의 원리와 개념을 더 잘 이해하기 위한 수학교육이 목적이라면, 일단은 현 교육과정에 없는 '선형대수', '수치해석', '확률과 통계'를 새롭게 개발하는 것은 필수적이라 할 수 있을 것이다. 특히 앞의에서 제시한 행렬의 덧셈, 뺄셈, 행렬의 곱셈, 역행렬, 선형변환, 고윳값과 고유벡터, 벡터의 노름, 상관계수, 선형회귀, 공분산과 같은 내용이 다루어질 필요가 있다. 그러나 새롭게 개발하는 수학내용은 수학 내용에 대한 깊은 지식과 문제해결을 위한 교과로 개발하기보다는 인공지능라는 큰 틀 안에서 필요한 부분을 통합적으로 아는 것이 더 중요할 것이다. 만일 현 교육과정에 제시되어 있지 않은 새로운 수학 내용을 기존의 수학 교과 교육과정과 같이 다루게 된다면, 이를 이해하고 관련 기능을 익히기 위한 시간이 상당히 소요되어 오히려 인공지능 관련 내용에 초점을 맞추지 못할 우려가 있기 때문이다. 중요한 것은 ‘인공지능과 데이터 과학을 위한 수학’만 들어도 기본적인 인공지능관련 소양을 함양할 수 있도록 하는 것이다. 그리고 더 나아가 인공지능관련 진로를 택하고자 하는 학생들의 심화 과목으로 '인공지능과 데이터 과학을 위한 수학'을 들을 의 내용을 더 확장, 적용함으로써 교과목 선택의 폭을 넓혀 줄 수 있을 것이다. 그리고 이러한 인공지능 관련 수학교과가 신설될 경우 반드시 인공지능 시스템 설계 이해의 내용이 프로젝트 활동과 통합되어 '합리적 의사결정’ 단원을 추가할 것을 제안한다. 미래사회의 가장 중요한 역량 중 하나가 비판적 사고와 문제해결 등이 결합한 합리적 의사결정이라 할 수 있다. 인공지능을 학습하는 것 역시, 인간과 컴퓨터가 목적과 의도를 통해 의사소통하고 문제를 해결하기 위해 사물을 인식, 문자언어, 음성언어, 그래픽, 수학식, 프로그래밍 언어 등으로 표현하는 모델링 과정을 경험하고, 개념들 간의 관계와 원리를 표현하고 확장하는 단계에서 창의성을 발현함으로써 문제해결능력과 창의적 사고를 함양할 수 있도록 하는 것이다. 따라서 인공지능 관련 수학 교과는 수학 내용의 분량과 수준이 어떠하든지 간에 반드시 의사결정 영역을 설정하여 학생들이 이러한 활동을 경험할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 마지막으로, 인공지능 시대에는 소통하고, 협업이 그 어느 때보다 중요한 사항이라 한다. 따라서 인공지능을 가르치는 것 못지않게 인공지능 시대에 부합한 교육적 책무를 다하기 위하여 학생들은 인공지능에 관련된 수학 학습을 하면서도 서로 소통하고, 협업하며 문제를 찾고 이를 창의적으로 해결하기 위한 활동을 할 수 있는 교육 내용과 교수・학습 방법을 동시에 구안해 나가야 할 것이다.