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설명가능한 인공지능을 활용한 수학교육 연구의 영향력 분석 (Analysis of the impact of mathematics education research using explainable AI)

  • 오세준
    • 한국수학교육학회지시리즈A:수학교육
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    • 제62권3호
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    • pp.435-455
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    • 2023
  • 본 연구는 수학 교육 분야에서 중요한 영향을 미치는 논문을 판별하고 분석하기 위한 설명가능한 인공지능(XAI) 모델을 개발하였다. 29개 국내외 수학교육 학술지의 논문 메타정보를 활용하여 수학교육 학술연구 네트워크를 구축하였다. 구축된 네트워크는 '논문과 다른 논문의 인용 네트워크', '논문과 저자 네트워크', '논문과 학술지 네트워크', '공동 저자 네트워크', '저자와 소속기관 네트워크' 등 총 5개의 세부 네트워크로 구성되었다. 랜덤포레스트 기계학습 모델을 사용하여 네트워크 내의 개별 논문의 영향력을 평가하였으며, SHAP을 이용해 영향력 있는 논문의 판별 기준을 분석하였다. '논문 네트워크 PageRank', '논문당 인용횟수의 변화량', '총 인용횟수', '저자의 h-index 변화량', '학술지의 논문당 인용횟수' 등이 중요한 판별 요인으로 나타났다. 국내와 국외 수학교육 연구의 판별 패턴을 비교 분석한 결과, 국내 연구에서는 '공동 저자 네트워크 PageRank'의 중요성이 도드라졌다. 본 연구의 XAI 모델은 논문의 영향력 판별 도구로써 연구자에게 논문 작성 시 전략적인 방향성을 제공할 수 있게 해준다. 논문 네트워크 확장, 학술대회 발표, 공동 저술 활동을 통한 저자 네트워크 활성화 등이 논문의 영향력 증진에 크게 기여한다는 결과를 얻었다. 이를 통해 연구자는 학계에서 자신의 연구가 어떠한 평가 기준에 따라 어떻게 인식되고 있는지, 그리고 그 평가에 기여하는 주요 요인이 무엇인지를 명확히 파악할 수 있을 것이다. 본 연구는 설명가능한 인공지능을 활용하여 전통적으로 많은 시간과 비용이 필요하던 수학교육 논문의 영향력 평가 방식을 혁신하였다. 이 방법은 수학교육 연구 뿐만 아니라 다른 학문 분야에서도 활용될 수 있으며, 연구활동의 효율성과 효과성을 향상시킬 것으로 기대된다.

지구과학 예비교사들의 컴퓨팅 사고에 대한 인식 탐색 (Exploring Pre-Service Earth Science Teachers' Understandings of Computational Thinking)

  • 박영신;박기락
    • 한국지구과학회지
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    • 제45권3호
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    • pp.260-276
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    • 2024
  • 이 연구의 목적은 공학기반 파력발전소 주제의 STEAM 수업을 통해서 지구과학전공 예비교사들의 컴퓨팅 사고에 대한 인식형성 및 개선이 있는지를 탐색하는 것이다. STEAM 수업은 가장 효율적인 파력발전소 모형을 제작해보는 내용으로 구성되었다. 컴퓨팅 사고 실천 인식을 알아보는 설문지는 연구자가 기존의 연구를 중심으로 설문 문항을 개발하여 15명의 예비교사들에게 투입하였다. STEAM 수업은 파도를 이용해서 터빈이 돌아가는 과학적 원리 이해를 바탕으로 모둠별로 효율적인 파력발전소 모형을 개발하도록 하였으며 수업 중에 문제를 인식하고(문제해결), 코딩작업을 해서(코딩 및 프로그래밍) 3D 프린터로 파력발전소를 제작하였으며(모델 설계 및 구축), 제작된 산출물을 평가하여 오류를 수정하는(문제 오류 수정) 동안에 '논리적 사고'를 통한 높은 수준의 컴퓨팅 사고 실천 인식이 파악되었다(14개 중에 앞의 5개 실천은 평균 5점). 하지만 용어에 대한 정확한 정의를 알지 못하고 실시한 수업에서 '추상화'. '문제분해', 및 '빅 데이터 활용'에 대한 인식은 오히려 수업 후의 인식은 더 낮아졌다(3개의 실천). STEAM 수업 후에는 컴퓨팅 사고 실천은 '온라인 게임하기'는 아니라는 것에 인식개선이 있었지만(4.06→0.86; 역문항) 아직도 컴퓨터를 이용해서 해야 하는 컴퓨팅 사고 실천으로 인식하고 있어 개선되지 않음이 확인되었다(컴퓨터처럼 생각하기, 컴퓨터를 사용하여 통계하기). 문제 인식에 해당하는 '문제해결'(3.73→4.33), '패턴 인식'(3.53→3.66), 그리고 '최상의 도구 선택'(4.26→4.66)의 3개 실천은 인식이 약하게 개선되었다. 컴퓨팅 사고 실천과 같은 역량 함양을 위해서는 실습위주의 교육양성과정이 개설되어야 하며, 특히 본 연구에서는 다른 주제의 추가적인 STEAM 수업을 했다면 개선이 일어나지 않거나 약하게 인식되었던 컴퓨팅 사고 실천에 대해서는 확실한 개선이 있을 수 있다는 결론을 내릴 수 있다. 다회적인 상황학습의 교육실습 교육과정이 개설되어야 한다.

상추잎 너비와 길이 예측을 위한 합성곱 신경망 모델 비교 (Comparison of Convolutional Neural Network (CNN) Models for Lettuce Leaf Width and Length Prediction)

  • 송지수;김동석;김효성;정은지;황현정;박재성
    • 생물환경조절학회지
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    • 제32권4호
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    • pp.434-441
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    • 2023
  • 식물의 잎의 크기나 면적을 아는 것은 생장을 예측하고 실내 농장의 생산성의 향상에 중요한 요소이다. 본 연구에서는 상추 잎 사진을 이용해 엽장과 엽폭을 예측할 수 있는 CNN기반 모델을 연구하였다. 데이터의 한계와 과적합 문제를 극복하기 위해 콜백 함수를 적용하고, 모델의 일반화 능력을 향상시키기 위해 K겹교차 검증을 사용했다. 또한 데이터 증강을 통한 학습데이터의 다양성을 높이기 위해 image generator를 사용하였다. 모델 성능을 비교하기 위해 VGG16, Resnet152, NASNetMobile 등 사전학습된 모델을 이용하였다. 그 결과 너비 예측에서 R2 값0.9436, RMSE 0.5659를 기록한 NASNetMobile이 가장 높은 성능을 보였으며 길이 예측에서는 R2 값이 0.9537, RMSE가 0.8713로 나타났다. 최종 모델에는 NASNetMobile 아키텍처, RMSprop 옵티마이저, MSE 손실 함수, ELU 활성화함수가 사용되었다. 모델의 학습 시간은 Epoch당평균73분이 소요되었으며, 상추 잎 사진 한 장을 처리하는 데 평균0.29초가 걸렸다. 본 연구는 실내 농장에서 식물의 엽장과 엽폭을 예측하는 CNN 기반 모델을 개발하였고 이를 통해 단순한 이미지 촬영만으로도 식물의 생장 상태를 신속하고 정확하게 평가할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 그 결과는 실시간 양액 조절 등의 적절한 농작업 조치를 하는데 활용됨으로써 농장의 생산성 향상과 자원 효율성을 향상시키는데 기여할 것이다.

산욕초기 초산모의 간호목표달성방번 합의가 어머니 역할수행에 대한 자신감 및 만족도에 미치는 영향에 관한 실험적 연구 (An experimental study on the impact of an agreement on the means to achieve nursing goals in the early postpartum period of primiparous mothers and enhance their self-confidence and satisfaction in maternal role performance)

  • 이영은
    • 대한간호학회지
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    • 제22권1호
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    • pp.81-115
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    • 1992
  • The problem addressed by this study was to determine the effect of nurse - patient agreement on the means to achieve nursing goals in the early postpartum period of primiparous mothers. It was hypothesized that the experimental treatment would result in hegher self-confidence and satisfaction in maternal role performance. This purpose was to contribute to the planning of nursing care to enhance self- confidence and satisfaction in maternal role performance and to the development of relevant nursing theory. Especially, the early postpartum period is crucial toward in recovery from childbirth and attainment of the maternal role. Maternal role attaintment is a complex social and cognitive process of stimulus -response accomplished by learning. Most women attain the maternal role sucessfully. But, some primiparous mothers experience difficultites in attainment of the maternal role due to lack of experience and knowledge. Self-confidence and satisfaction in maternal role performance are important factors in attainment and adjustment to the maternal role (Mercer, 1981a, 1981b ; Lederman, Weigarten, and Lederman, 1981 :Bobak and Jensen, 1985). Nursing is defined as behaviors of nurses add patients that attain nursing goals through action, reaction, interaction, and transaction. For attainment of nursing goals, active participating transactions must occur by agreement on the means to achieve those goals through nurse -patient mutual goal setting and establishment of their active relationships(King, 1981, Ha, 1977). Based on King's theory of goal attainment (1981), this stuy was planned as a non-equivalent control group, non -synchronized quasi -experimental design using agreement on the means to achieve nursing goals in early postpartum as the experimental treatment. The data were collected from July 20 to Sep. 1, 1991 by questionnaires with 60 primiparous mothers planing to breast feed after normal deliveries at W hospital in Pusan, Korea. The subjects were divided into a control group(conventional group) -those admitted from July 20 to Aug. 12, and an experimental group(agreement group) - those admitted from Aug. 13 to Sep. 1. The instument for agreement on the means to nursing goals in the early postpartum period included five steps - identification of disturbances of problems through action, reaction, and interaction with primiparous mothers : mutual early postpartal nursing goal setting : exploration of the means to achieve goals ; agreement on the means (self- care, ealry maternal -infant contact, performance of mothering behavior, and communicating about the infant's behavior and health condition) : implementation of the means. This instrument was developed on the basis of King's elements that lead to transactions in nurse-patient interactions. Lederman et al's (1981) scale for Confidence in ability to cope with tasks of motherhood and Lederman et al's(1981) scale for Mother's satisfaction with motherhood and infant care were used to measure self-confidence and satisfaction in maternal role performance ·with the subjects immediately after admission and on the day of discharge. Self-care performance in the experimental group was measured by self -evaluation tool developed by the investigator from the literature concerned. The tools to measure Pelf-confidence and satisfaction in maternal role performance, and the tool to measure self-evaluation of self-care performance were tested for internal reliability. Cronbach's Alphas were 0.94, 0.94, and 0.63. The data were analysed by using in S.P.S.S. computerized program and included percentage, x²-test, t-test, ANOVA, and Pearson Correlation Coefficient. The conclusions obtained from this study are summerized as follows : 1. The degree of self-confidence in maternal role performance of the total subjects group measured before the experimental treatment was above average with a mean score of 2.77(range 2.14-3.64). Out of 14 items, those with relatively high mean scores were ‘I would like to be a better mother than I am’(3.95), and ‘I have my doubts about whether I am a good mother’(2.87). Those with low mean scores were ‘I know that my baby wants most of the times’(2.28), ‘When the baby cries, I can tell what she /he wants’(2.37), and ‘I have confidence in my ability to care for the baby’(2;50). That is, the self - confidence of Primiparous mothers was considerably high in mothering, but rather low in activities concerning the infant care and understanding of the infant behavior. The degree of satisfaction in maternal role performance of the total subjects group measured before the experimental treatment was high with a mean score of 3.18(range 1.92-3.92). Out of 13 items, those with relatively high mean scores were ‘I am glad 1 had this baby now’(3.75), ‘I play with the baby between feedings when s/he is awake and quiet’(3.67), and ‘I enjoy being a mother’(3.27). Those with low mean scores were ‘I am upset about having too many responsibilities as a mother’(2.78), ‘It bothers me to get up for the baby at night’(2.82), and ‘I get annoyed if the baby frequently interrupts my activities’.(2.82), That is, the satisfaction of primiparous mothers was considerably high in mothering and infant care, but rather low in restraints in time or on the mother's self accomplishment and development. 2. Agreement on the means to achieve nursing goals in the early postpartum period included process of mutual goal setting, exploration of the means to achieve goals, and ahreement in concert means to achieve goals based on the mothers' condition, concerns, self-perception of the nurse - patient interactions. In the process of agreement, there was agreement that the means to achieve goals should be through trust and establishment of active relationships with the nurse through identification of problems according to planned nursing goals and active interaction, such as explanations, teaching, changing of opinions, acceptance or rejection of explanations, and proposing of questions. Therefore agreement on the means to achieve nursing goals in the early postpartum period appears to be an effective nursing intervention for primiparous mothers. 3. The degree of self- confidence in maternal role performance of the exprimental group was higher than that of the control group(t=3.95, p<0.01). Out of 14 items, those with higher score in the experimental group were ‘I would like to be a better mother than I am’(t=1.93, p<0.05), ‘I know that my baby wants most of the times’(t=2.75, p<0.01), ‘When the baby cries, 1 can tell what she/he wants’(t=2.10, p<0.05), ‘I have confidence in my ability to care for the baby’(t=3.72, p<0.01), ‘I trust my own judement in deciding how to care for the baby’(t=1.96, p<0.05), ‘I feel that I know my baby and what to do for him /her’(t=2.44, p<0.01), ‘I am concerned about being able to meet the baby's needs’(t=2.87, p<0.01), ‘I know what my baby likes and dislikes’(t=3.26, p<0.01), ‘I don't know to care for the baby as well as I should’(t=2.07, p<0.05), and ‘I am unsure about whether I give enough attention to the baby’(t=3.04, p<0.01), That is, the degree of self-confidence in mothering, activities concerning infant care, and understanding of infant behavior of the experimental group was higher than that of the control group. Therefore, the first hypothesis, that the degree of self-confidence in maternal role performance of the experimental group would be higher than that of the control group, was supported(t=3.95, p<0.01). 4. The degree of satisfaction in the maternal role performance of the exprimental group was higer than that or the control group(t=2.31, p<0.05). Out of 13 items, those with higher score in the experimental group were ‘I am glad I had this baby now’(t=2.29, p<0.05), ‘I enjoy taking care of the baby’(t=2.4g, p<0.01), ‘It is boring for me to care for the baby and do the same thing over and over’(t=2.87, P<0.01), ‘I am unhappy with the amount of time I have for activities other than childcare’(t=2.51, p<0.01), and ‘When bathing and diapering the baby, I would like to be doing something else’(t=2.43, p<0.01). That is, the degree of satisfaction in mothering, infant care, and restraints in time of on the mother's self accomplishment and development in the experimental group was higher than that of the control group. Therefore, the second hypothesis, that the degree of satisfaction in maternal role performance of the experimental group would be higher than that of the control group, was supported(t=2.31, p<0.05). 5. The third hypothesis, that the higher the degree of satisfaction in materenal role performance, the higher the degree of self-confidence in materenal role performance in the experimental group, was supported (r=0.57, p<0.01)

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