생성형 AI 기반 과학 수업에서 ChatGPT의 스캐폴딩 가능성 탐색: 중학생의 문제 풀이 학습을 중심으로 = Exploring the Scaffolding Potential of ChatGPT in Generative AI–Based Science Instruction: A Focus on Middle School Students’ Problem-Solving Learning

국문 초록 (Abstract)

최근 인공지능(Artificial Intelligence, AI)의 발전은 교육 현장에 새로운 교수‧학습 가능성을 제시하고 있으며, ChatGPT와 같은 생성형 AI는 학습자와 상호작용하며 학습 과정을 단계적으로 지원하는 스캐폴딩 도구로 활용될 수 있다. 과학 수업의 문제 풀이 활동은 개념 이해와 오개념 교정에 중요하지만, 실제 교실에서는 질문에 대한 부담감이나 오류 인식의 어려움으로 인해 학습자의 참여가 제한되는 경우가 많다. 이에 본 연구는 중학교 과학 수업의 문제 풀이 학습 맥락에서 ChatGPT 기반 프롬프트 스캐폴딩이 학습자의 개념 이해와 문제 해결에 미치는 영향을 탐색하고자 하였다. 중학교 과학 ‘여러 가지 힘’ 단원을 중심으로 사람 스캐폴딩 집단과 ChatGPT 프롬프트 스캐폴딩 집단을 대상으로 형성평가 결과와 학습자 인식 조사를 분석한 결과, 두 집단 모두 사전 대비 사후 형성평가에서 정답률이 유의미하게 향상되었으며, 일부 문항에서는 집단 간 향상 정도의 차이가 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다. 이는 ChatGPT 기반 프롬프트 스캐폴딩이 중학교 과학 수업에서 인간 기반 스캐폴딩을 보완하는 학습 지원 도구로 활용될 수 있으며, 질문 중심의 대화형 상호작용을 통해 학습자의 개념 점검과 재구성을 지원하는 생성형 AI 스캐폴딩의 교육적 가능성을 실제 교실 수업 맥락에서 확인했다는 점에서 의의가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent advances in artificial intelligence (AI) have expanded new possibilities for teaching and learning in education. Generative AI tools such as ChatGPT can function as scaffolding tools by interacting with learners and providing step-by-step learning support. In science education, problem-solving activities are crucial for conceptual understanding and the correction of misconceptions; however, learners’ participation is often limited by reluctance to ask questions or difficulty in recognizing errors. Therefore, this study examined the effects of ChatGPT-based prompt scaffolding on learners’ conceptual understanding and problem-solving in middle school science classes. Focusing on the unit Forces, formative assessment results and learner perception surveys were analyzed for a human scaffolding group and a ChatGPT prompt scaffolding group. The results showed that both groups demonstrated significant improvements in correct response rates from pre- to post-assessment, and for some items, the differences in improvement between the groups were not statistically significant. These findings indicate that ChatGPT-based prompt scaffolding can complement human scaffolding in middle school science instruction and highlight the educational potential of generative AI scaffolding in supporting learners’ concept monitoring and reconstruction through question-centered dialogue in authentic classroom contexts.