AI 도구를 얼마나 '많이' 사용하는가보다 '어떻게' 사용하는가가 학습 성과에 더 중요하다는 연구 결과가 나왔다. 특히 제한된 조건에서의 AI 활용이 물리학 문제 해결 능력을 더 효과적으로 향상시킨다는 점이 밝혀져, AI 교육 도입 방식이나 AI 활용 교육의 효과적인 설계에 도움이 될 것으로 기대된다.

12일 세종대에 따르면, 장혜원 교육혁신처 교수가 이끄는 연구팀은 최근 ChatGPT를 활용한 협력적 물리 문제 해결 과정에 대한 실험 연구를 통해, 구조화된 제한 조건하의 AI 활용이 팀 기반 학습에서 높은 성과를 낸다는 결과를 도출했다.

연구팀은 세종대 학부생 14명을 대상으로 ▲AI 미사용(통제군) ▲무제한 AI 사용 ▲공용 기기 통한 제한적 사용 ▲10분 토론 후 제한적 사용 등 네 가지 조건에서 실험을 진행했다.

그 결과, AI를 전혀 사용하지 않은 그룹은 평균 8%의 성과 향상을 보였고, 무제한으로 AI를 활용한 그룹은 17% 향상에 그쳤다. 반면, 기기를 공유하며 제한적으로 AI를 사용한 그룹은 34%, 토론 후 AI를 활용한 그룹은 31%의 향상률을 기록하며 압도적으로 높은 성과를 나타냈다.

이는 직관과는 반대되는 결과다. 단순히 AI에 자유롭게 접근하는 것이 학습 효과를 높이지 못하며, 오히려 제한된 환경이 전략적 사고와 협업을 유도해 더 나은 결과로 이어진다는 사실을 보여준다.

연구는 AI 도구가 학습자 간 상호작용 방식에도 영향을 준다는 점에 주목했다. 모든 AI 사용 그룹에서 언어적 상호작용의 빈도는 약 45% 감소했지만, 제한적 사용 그룹에서는 발화의 길이와 복잡성이 증가하며 더 깊이 있는 토론이 이뤄졌다.

특히 '10분 토론 후 AI 사용' 조건에서는 메타인지적 발화(자기 사고 성찰) 비율이 32.7%로 가장 높게 나타나, 제한된 환경이 학생들의 신중한 사고와 자기점검을 촉진하는 것으로 분석됐다.

장혜원 교수는 "이번 연구는 AI 도구를 단순히 많이 사용하는 것보다, 언제·어떻게 사용하는지가 교육 효과에 핵심적임을 보여준다"라며 "AI 도입은 기술 중심이 아니라 학습자 중심의 전략으로 설계돼야 한다"고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 세종대 기관생명윤리위원회(IRB)의 승인을 받아 윤리적 절차를 거쳐 진행됐다. 해당 연구는 한국물리학회 학술지 'New Physics: Sae Mulli' 최신호에 게재됐다.

/ 이현진 메트로신문 기자 lhj@metroseoul.co.kr