KR102496227B1 - 인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 빅데이터기술을 통하여 수학 차례와 개념 용어와 유형별 문제, 계산력문제, 종합문제 및 수학 이론 등의 자료를 체계적 수집하고 카메라 관찰을 통하여 학습자태도와 학습행동 등의 학습자 데이터를 수집하여 분석적 활용이 가능케 하며, 학습모델링부와 취약부분강화부, 10분요약부, 학습계획부 시스템을 종합적으로 제공하여 학습자가 수학 문제 해결 능력을 최상으로 향상시킬 수 있도록 하는 인공지능과 온라인을 융합한 수학 학습 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

Description

인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템 및 그 방법{Math learning system and method through convergence of artificial intelligence and online}

본 발명은 인공지능과 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수학 과목의 특성과 학습자 고유의 데이터를 체계적 분석적으로 수집 저장하고, 이를 토대로 인공지능의 학습방식을 적용하면서 학습자의 취약부분 강화와 요약부 및 학습계획 등으로 구성된 학습모델시스템과 학습관리시스템을 복합적으로 활용하여 학습자 개인별 문제해결능력을 최상으로 향상시킬 수 있는 인공지능과 온라인 융합 수학 학습 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

수학은 논리적 사고력을 키우는 학문으로 매우 중요시 여겨져 왔지만, 한편으로는 학습의 어려움을 겪는 학습자들도 많은 학문으로 알려져 있다. 수학 학습자의 학습 편차가 고학년으로 갈 수록 커진다고 알려져 있으며, 이에 수학 학습자의 수학 문제 해결 능력을 돕는 다양한 수학 학습 방법이 논의되어 왔다.

한편, 인공지능과 온라인을 학습 도구로 활용하는 방안들에 대하여도 많은 논의가 되어 왔다.

그러나, 학습자의 학습방식에 있어서의 인공지능 방식의 고려, 학습 대상인 수학의 학문적 특성, 이를 빅데이터, 온라인, 인공지능학습 등의 기술과 접목하여 최상의 학습 결과를 도출하는 것에는 한계가 있어 왔다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0096699호는 인공지능 기반의 개인 맞춤형 STEM 학습 서비스 시스템 및 그 방법을 제안하나, 학습 과목 대상의 특징 및 인공지능의 학습 방식을 반영하지 못하였다.

대한민국 등록특허 제10-2065746호는 첨삭 지도를 통한 온라인 학습 서비스 제공 시스템 및 그 방법을 제공하나 이 역시 인공지능학습 방법 자체를 분석하여 적용하는 방식은 아니라는 점에서 한계가 있다.

이에 본 발명에서는 수학이라는 학문의 특성인 계통성과 인공지능의 학습 방식과 온라인 시스템을 융합하는 것에 착안하여 수학 학습자의 학습 결과를 최상화할 수 있는 수학 학습 시스템을 제공한다. 즉, 수학문제는 인간이 접하는 여러가지 문제 중에서도 특히나 자료 해석 능력과, 적용 및 응용능력을 개발하고 평가하기에 매우 좋은 방법이므로, 특히 인공지능이 수학을 푸는 방식을 활용하여 수학을 통한 인간의 문제 해결 능력 향상을 극대화하고 최상의 학습결과를 도출하는 것이다.

본 발명의 과제는, 1) 수학문제 등이 단순하게 데이터화 되는 것이 아니라, 수학 과목의 특성 및 문제해결능력 향상이라는 궁극적인 목적에 따라 수학의 차례, 계통성에 의한 개념 확장, 유형별 문제와 계산력, 수학이론 등이 체계적 분석적으로 수집 저장된다. 뿐만 아니라 나아가 인공지능과의 인터렉티브한 학습을 위하여 학습자의 태도와 행동 등이 카메라 관찰에 따라 데이터로 수집되는 데이터베이스를 구비하도록 한다. 또한, 2) 학습 과정이 순차적으로 단순하게 이루어지는 것이 아니라, 학습자 개인별 학습 결과 기록에 따라 파악된 취약 부분이 데이터로 생성되고 학습 과정에 피드백되어 이를 보완해 가며 학습을 완성해 갈 수 있는 학습관리시스템을 제공하도록 한다. 3) 방대학 수학 과목의 전과정 중 학습자의 학습 과정에 따라 추출되는 학습자 개인별 요약집이 활용될 수 있는 시스템을 제공하도록 하며, 4) 또한, 학습자가 학습계획을 인공지능과 함께 설정하되 위 취약 부분 보완 시스템과 요약집 시스템, 학습계획표, 밑줄로 그어 문제 해석을 하는 문제풀이시스템이 함께 연동되어, 궁극적으로 학습자가 수학 문제 해결 능력을 효율적으로 향상시켜 최상의 학습결과에 도달할 수 있도록 하는 데에 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템은 본 발명의 실행에 필요한 데이터수집부를 구비한다. 데이터수집부는 수학의 전 과정의 자료가 수집되고 획득되는데, 특히 학습자의 수학 문제 해결 능력 향상에 실질적으로 도움을 줄 수 있도록, 수학 문제만이 아닌 수학 교과서의 목차와 같은 단원의 제목과 차례, 세분화된 차례, 수학의 계통성과 관련된 개념, 수학 용어, 유형별 문제, 계산력 자료, 종합문제, 수학 이론 자료가 수집 저장되어 활용되며, 특히 카메라 관찰을 통하여 학습자가 문제를 풀 때 기재하는 메모나 태도, 행동이력, 기출 문제 등이 수집되어 추후 학습 진행 과정에 반영되고 활용된다.

또한, 본 발명의 인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템은 상기 구비된 데이터수집부의 자료가 활용되어 학습자에게 제공되는 학습모델링부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 학습모델링부는 학습자의 문제 해결 방법 취득과 향상을 고려한 커리큘럼으로 구비되어, 학습자가 수학 문제를 해결할 때 문제에 밑줄을 그으며 수학의 목차 중 어떤 부분이고, 그 목차에서 나오는 개념이 무엇이고, 어떤 유형인지를 차례차례 찾아가는 방식을 자연스럽게 획득할 수 있도록 구성되는 단원준비단계, 단원학습단계, 문제풀이단계, 단원정리단계, 종합문제단계를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 단원준비단계, 단원학습단계, 단원정리단계는 학습자가 학습내용을 체득하여 최종 암기한 후 추후 문제 풀이 과정에서 바로 현출할 수 있도록 훈련하는 방식으로 제공되며, 예를 들어 수학의 차례와 관련된 내용의 경우 수학의 차례 목록 내용이 제공된 후 수학 차례 내용에 괄호 처리를 하여 학습자가 괄호 부분을 채우도록 제공되며 최종적으로는 모든 내용을 학습자가 암기하여 입력하도록 하여 학습자가 학습 내용을 완전히 체득하도록 하는 암기강화모델링부 및 문제풀이시스템부를 구비한다.

본 발명은 인공지능 기술에 의하여 학습자와 인공지능이 인터렉티브하게 소통하면서 학습자의 문제 풀이를 돕는 문제풀이시스템부를 구비하여, 학습자가 스스로 문제를 풀 수 있도록 구성되되 학습자가 막히는 부분이나 틀리는 부분에서 포기하지 않고 궁극적으로 수학 문제를 해결할 수 있도록 지원하는 시스템을 제공한다.

한편, 본 발명은 일률적인 학습 단원별 진도가 아니라 학습자의 실력과 학습 이력에 따라 인공지능과 소통하여 학습계획을 세울 수 있는 주기적 학습 계획과 특정 시험일과 시험준비기간을 입력하여 학습량과 내용이 자동 산출되는 학습계획부를 구비한다.

또한, 본 발명은 방대한 수학 교과 내용을 효과적으로 습득하고 최상의 학습결과를 도출하기 위하여 학습자의 학습이력에 따라 산출되는 취약부분을 파악하고 보완하게 하는 취약부분강화부를 제공한다.

뿐만 아니라, 본 발명은 학습자가 학습을 진행하는 과정에서 복습을 할 수 있고 취약부분을 효율적으로 반복할 수 있도록 학습내용을 요약하여 산출되는 10분요약부가 생성되고 학습자에게 제공되는 시스템을 구비한다.

상기, 문제풀이시스템부, 학습계획부, 취약부분강화부, 10분요약부가 서로 연동되어 학습자 개인별 학습을 관리하면서 학습이 진행되어 학습자의 수학 문제 해결 능력이 매우 효율적으로 극대화될 수 있다.

본 발명에 따르면, 1) 학습자는 자신의 학습데이터에 따라 취약점을 강화하고 요약집을 통해 효율적으로 반복학습을 진행하며 개별적 학습계획에 따라 학습하게 되므로, 문제 해결 방식 습득 및 취약 부분이 효율적으로 완성되는 시스템을 통하여 목표하는 최상의 학습 결과에 도달할 수 있다. 2) 학습자의 학습 이력과 계획에 따른 개별적 학습 커리큘럼을 제공하고 각 학습자의 개별 취약점 보완 시스템을 제공을 통하여, 사교육을 받기 어려운 학습자에게도 최상의 맞춤형 학습을 제공하여 수학 교육의 상향 평등화가 이루어질 수 있다.

도1 및 도2는 본 발명의 일실시예에 의한 전체 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도3는 본 발명의 일실시예에 의한 학습모델링부(200)을 개략적으로 설명하기 위해 순서도 형태로 나타낸 것이다.
도4 및 도5는 본 발명의 일실시예에 의한 암기강화모델링부(300)을 개략적으로 설명하기 위해 순서도 형태로 나타낸 것이다.
도6 및 도7은 본 발명의 일실시예에 의한 문제풀이시스템부(400)을 개략적으로 설명하기 위해 순서도 형태로 나타낸 것이다.
도8은 n단계문제풀이법을 설명하는 설명도이다.
도9은 본 발명의 일실시예에 의하여 학습한 학습자의 문제 해결 능력 향상에 대한 이해도를 높이기 위한 참고도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

도1 및 도2는 일실시예에 따른 본 발명의 일실시예에 의한 전체 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템 및 그 방법은 본 발명의 실행에 필요한 데이터가 수집되고 저장되는 데이터수집부(100), 데이터수집부(100)에 저장된 데이터를 통하여 학습자에게 보다 효율적으로 학습이 이루어지도록 학습모델이 형성되는 학습모델링부(200), 학습자가 본 발명에 의하여 학습을 진행할 때 최상의 학습 효과와 결과를 도출할 수 있도록 학습 과정을 관리하여 주는 학습관리부(300)를 포함하여 구성된다. 본 발명은 학습모델링부(200)에 의하여 학습 내용을 단순히 제시하면서 학습자가 학습을 진행하도록 하는 것이 아니라, 인공지능이 학습관리부(300)를 통하여 학습자에 맞게 학습기간, 학습범위, 학습자가 학습했던 기록에 의한 취약점 등을 파악하고 보충하는 시스템이 함께 제공되는 것이다.

도1을 참조하면, 본 발명에 있어서의 데이터수집부(100)는 본 발명의 실행 결과로 도출되어야 하는 데이터가 엄선되어 분류되고 저장된다. 수학의 전 과정의 자료가 분류되고 수집되어 획득될 수 있으나, 특히, 수학의 차례, 세분화된 차례가 별도로 수집되고, 수학의 계통성과 관련된 개념의 확장 요소, 수학용어, 단어별 기본 개념정리 공식, 공식유도, 증명정리문제 등을 포함하며, 유형별 문제 제목(패턴, 문제 속에 주어지는 조건)과 문제해결의 핵심 방법(주어진 조건의 활용방법)이 매칭되는 방식의 유형별 문제, 계산력 문제, 종합문제가 단계별 및 수준별로 정리되어 수집되고, 해석학·기하학·대수학·수의 역사·수열과 같은 수학 이론도 정리 수집되며, 카메라 관찰 요소 역시 자료로서 수집되고 저장된다.

데이터수집부(100)에 수집되고 저장되는 자료는 실질적인 본 발명의 컨텐츠로서 이들 자료의 내용과 특징을 하나하나 살펴보면, 먼저 본 발명에서는 수학 문제나 풀이과정 만이 아닌 수학 교과서의 목차와 같은 단원의 제목과 차례(목차), 보다 구체적으로 세분화된 차례가 별도로 수집되고 저장되며 활용된다. 학습자는 수학의 차례와 세분화된 차례를 따로 학습함으로써 자신이 학습하는 단원이 어디에 속하는지 정확하게 파악하고 개념과 문제를 학습할 수 있으며, 추후 실제로 수학 문제를 풀 때에도 어떤 단원에서 출제된 문제인지 어떤 단원을 활용하여 풀어야 하는지를 파악하는데 큰 도움을 주게 된다. 수학의 계통성과 관련된 개념의 확장 요소란 학습할 내용이 연속적이고 점진적으로 이루어져 각 단계가 연결된 수학의 특성과 관련하여, 학습하고자 하는 단원의 개념이 저장될 때 해당 학습 단원이 기초가 되는 계통성 있는 단원들이 함께 연계되어 저장되어 이들이 학습자에게 추후 제공된다는 의미에서 수학의 계통성과 관련된 개념의 확장 요소라는 자료가 수집되고 저장된다. 공식유도, 암기, 증명정리문제는 초급, 중급, 고급으로 분류되어 자료가 수집되고 추후 학습자에게 제시되는데, 추후 제시될 초급의 경우에는 모든 증명 과정 등이 그대로 필기하도록 제시되고, 중급은 중요 부분이 괄호로 빈칸 처리되어 추후 학습자가 괄호 부분을 채울 수 있도록 제시되며, 고급은 전 증명 과정과 부분을 학습자가 암기하여 채울 수 있도록 제시될 수 있도록 자료가 저장된다. 또한, 유형별문제 제목(패턴, 문제 속에 주어지는 조건)과 문제 해결의 핵심 방법(주어진 조건의 활용 방법)이 매칭되는 방식의 유형별 문제라는 것은 유형별 문제와 핵심 방법을 동시에 묶어 이해하고 학습자가 이를 동시에 암기하도록 유도하는 방식으로 유형과 해결방법이 애초에 수집될 때 동시에 수집되어 본 발명이 실행될 때 학습자에게 이들이 세트로 제시된다.

예를 들어, 다음과 같이 유형과 문제를 풀 수 있는 핵심 방법이 함께 저장되고 제시되는 것이다. 이러한 문제 속에 주어진 조건과 조건의 활용이라는 측면은 추후 문제해결시스템부에서 다시 자세히 설명하도록 한다.

항등식의 조건(유형)

등식

가

에 대한 항등식일 때, 상수

에 대하여

의 값은?

① -12 ② -6 ③ -3 ④ 3 ⑤ 6

* 문제를 풀 수 있는 핵심 방법

가

에 대한 항등식을 조건

의 계수가 같고, 상수항끼리 같다.

로 해결하라.

한편, 계산력 문제는 전 학년의 계산력(연산력)을 말하고, 종합문제는 각 단원을 마무리하는 문제를 의미한다.

카메라관찰요소는 학습자에 대한 정보가 수집되는 것으로, 학습태도, 수학문제풀이시의 행동이력, 새롭게 생성되는 기출문제가 카메라를 통하여 인식되어 수집되어 데이터수집부(100)를 구성한다. 상기 카메라관찰요소는 카메라가 학습자의 얼굴표정이나 몸짓 등과 같은 학습태도를 관찰하여 학습자 개인별 자료를 축적 수집하게 되며, 학습자의 질문이나 저장할 필요가 있는 학습자료를 촬영하여 저장하는 기능을 하게 된다. 또한, 상기 카메라관찰요소는 카메라를 통하여 학습자가 연습장에 푸는 과정을 촬영하는 방식으로 생성될 수 있고, 사물 인터넷으로 연결된 테블릿 PC 나 핸드폰, 인식 펜 등이 활용되어 생성될 수도 있다.

본 발명의 학습모델링부(200)는 데이터수집부(100)의 자료들이 학습모델로 형성되어 학습자에게 제공될 수 있도록 각 자료들이 학습순서와 단계에 따라 정렬되고 학습모델로서 생성되는 곳이다. 도3는 일실시예에 따른 학습모델링부(200)에 대한 이해도를 높이기 위하여 순서도로 나타낸 것이다.

도3를 참조하면, 본 발명에 있어서의 학습모델링부(200)는 다음과 같은 과정에 의하여 실행되는데, 크게 단원준비단계, 단원학습단계를 거쳐서 이를 통과하게 되면 문제풀이단계를 통과한 후 단원정리단계를 지나 종합문제단계를 통과하면 학습이 마무리된다.

학습모델링부(200) 전 과정은 데이터수집부(100)에서 수집된 자료들이 학습 순서에 따라 제시되는데, 구체적으로 살펴보면 단원준비단계에서는 수학의 계통성에 따른 학습 준비단계로서 수학의 차례를 익히고, 다시 세분화된 차례를 익히고, 수학의 계통성과 관련된 개념을 익힌 후 해당 단원의 기본 용어와 공식들을 익히도록 구성된다. 수학 차례 익히기는 배우고자 하는 단원 전 까지의 차례들을 학습하여 최종적으로는 암기를 학습목표로 하여 구성된 부분인데, 학습자가 이전 단계의 차례까지 암기할 수 있도록 구성되며 예를 들어 고등학생인 경우에는 중학생 단계부터 차례를 암기할 수 있도록 구성된다. 세분화된 차례는 단원준비단계에서 배우고자 하는 단원과 관련된 단원들의 세분화된 차례를 암기하는 단계이며, 수학 교과서 목차보다 더 세분화된 목차로 구성된다. 수학의 계통성과 관련된 개념을 익히는 단계는 배우고자 하는 단원과 연관된 계통성이 있는 단원을 소개하고 그 개념들을 이해한 후 암기하도록 제시된다. 본 단계에서는 이전에 학습한 수학 단원의 계통도가 전통적으로 연결되는 문제도 제시되나, 개념이 확장하여 결합하는 방식으로의 문제들도 제시될 수 있다. 즉, 배우고자 하는 단원과 결합하여 나오는 문제를 접한 후에 다시 관련된 단원들을 학습하고 암기하도록 제시될 수 있다. 기본 용어와 공식들을 익히는 구성은 단원을 배우기 전에 학습했던 수학의 기본 용어나 공식들이 소개되고 학습자가 암기할 수 있도록 제시된다. 단원준비단계가 차례를 중심으로 학습내용의 위치를 파악하면서 학습 효과를 높이는 부분이라면, 단원학습단계는 단원의 개념을 정확히 익히는 단계이다.

단원학습단계에서는 공식 자체, 공식을 유도하는 방법, 증명하는 방법 이후 이를 암기하는 단계로 구성되되 각각 초급·중급·고급 과정으로 나뉘어 구성된다. 단원준비단계 및 단원학습단계의 구체적 실행은 도면4의 암기강화모델링부(210)에 따라 진행된다.

즉, 상기 단원준비단계, 단원학습단계, 단원정리단계는 구체적으로 학습자가 학습내용을 체득하여 최종 암기한 후 이를 추후 문제 풀이 과정에서 바로 현출할 수 있도록 훈련하는 방식으로 제공되며, 예를 들어 수학의 차례와 관련된 내용의 경우 수학의 차례 목록 내용이 제공된 후 수학 차례 내용에 일부 괄호 처리를 하여 학습자가 괄호 부분을 채우도록 제공되며 최종적으로는 모든 내용을 학습자가 암기하여 입력하도록 하여 학습자가 학습 내용을 완전히 체득하도록 하는 암기강화모델링부(210)의 형태로 제공된다. 이러한 내용 괄호 넣기, 내용 암기로 구성되는 구조는 문제만 보면 어느 학년의 어느 단원의 문제이고 다른 단원과 어떻게 관련이 되어 있는가를 파악할 수 있는 문제 위치 추적기와 같은 역할을 하며, 학습자가 수학 문제 해결시 해결 방안을 세울 때 도움을 주게 된다.

부연컨대, 암기강화모델링부(210)는 도면4에서 제시된 바와 같이 해당 학습 내용이 제시되고, 괄호 넣기를 통하여 학습한 내용을 확인하며, 최종적으로 암기할 수 있는 단계가 제공되는데, 이 때 최종적 암기할 수 있는 단계는 학습자가 복습할 때 사용될 수 있도록 따로 저장되어 추후 학습자에게 제공될 수 있다.

도면5는 또다른 일실시예의 암기강화모델링부(210)로서, 특히 단원학습단계에서 구체적으로 실행될 수 있는 방식인데, 특히 공식과 증명을 유도하고 암기하는 과정에 대한 것으로 상기 언급된 바와 같이 공식 자체, 공식을 유도하는 방법, 증명하는 방법이 초급·중급·고급 과정으로 나뉘어 구성되며,초급, 중급, 고급이란 공식이나 증명을 유도하며 이해하는 과정을 수준별로 나눈 것으로 초급은 이해하면서 필기하는 과정이고, 중급은 괄호를 이용하여 일정 부분을 암기하여 기록하는 과정이고, 고급은 모든 부분을 암기하여 기록하는 과정으로 구성된다.

도면6 및 도면7은 문제풀이시스템부(220)의 일실시예들을 설명하기 위하여 순서도로 표시된 설명도이다. 문제풀이시스템부(220)의 특징으로 크게 조건과 조건의 활용이 항상 세트로서 제시되도록 구성되는 것, 학습자가 스마트 팬 등을 통하여 밑줄을 그어 문제를 해석하고 방법을 찾아가는 방법으로 제시되는 것, 인공지능과 학습자가 소통하면서 문제풀이가 진행되는 것을 포함하여 구성된다.

문제풀이시스템부(220)는 본 발명의 실행에 있어 수학 문제가 제시될 때 적용되는 전 과정으로서 문제의 조건과 조건의 활용방법, 유형문제와 해결 핵심 방법이 동시에 제시되도록 하고, 카메라관찰요소에 의하여 학습자와 인공지능이 소통하면서 문제가 풀이될 수 있도록 지원되며, 문제에 밑줄을 그어가며 연습할 수 있는 시스템이 제공되는 것이다. 학습자들은 본 발명을 통하여 학습하면서 문제를 접할 때에 핵심 조건과 방법 등을 문제에 밑줄을 그어가며 지속적으로 연습하게 되는 것이다.

본 발명에 있어 학습모델링부(200)에 의하여 학습이 진행될 때 문제풀이단계로서 처음에는 개념문제가 제시되어 학습자가 개념문제를 학습· 풀이하는 과정을 거치며, 다음으로 유형별 문제와 문제해결핵심 방법이 제시되어 문제를 풀이하는 과정을 거치게 된다. 문제풀이시스템부(220)는 데이터수집부(100)의 카메라관찰요소의 지원에 의하여 학습자가 스스로 문제를 풀 수 있도록 구성되되 학습자가 막히는 부분이나 틀리는 부분에서 포기하지 않고 궁극적으로 해결할 수 있도록 지원하는 학습자 인터렉티브 시스템을 제공한다.

또한, 문제풀이시스템부(220)에서 특히 특징적인 것은 도6에서와 같이, 유형별 문제와 문제 해결의 핵심방법이 함께 제시된다는 것이다. 이러한 제시방법에 따른 학습자의 학습 훈련은 학습자가 유형과 각 유형에 따른 문제 풀이 핵심방법을 한 눈에 파악하도록 도출되어 함께 암기되도록 이루어지며, 이에 학습자들은 문제를 보면 유형과 그 유형의 문제 풀이 핵심방법이 하나의 묶음으로 생각나도록 훈련된다. 이는 유형별 뿐 아니라 일반적으로 문제의 조건과 조건의 활용이 함께 제시되도록 하는 것으로 본 발명의 제시되는 수학 문제 전부에 적용된다.

단원정리단계는 배운 단원의 수학 차례를 다시 처음처럼 익히고, 세분화된 차례(목차)를 익힌 다음 개념과 용어, 공식, 공식유도, 증명을 확인하고 유형별 문제와 문제 해결이 핵심방법을 익히도록 구성되며 이를 통과한 후에는 단계별 종합문제를 거쳐 학습단계가 마무리된다. 단원별종합문제는 n단계문제풀이법이 적용되며 n단계문제풀이법은 단계를 높일수록 융합적이며 난이도를 높여 문제를 제시하는 알고리즘이다.

상기 n단계문제풀이법은 본 발명에서 제공되는 수학 문제의 모든 경우에 적용되는 것으로, 본 발명에 있어서 문제는 총N 단계와 같은 단계별 문제 풀이가 적용되는데, 일실시예로서 n단계가 5단계로 설정되었을 경우 1단계는 개념을 이해하는 문제 및 공식, 증명 이해의 문제를 의미하고, 2단계의 경우는 문제 표현만을 바꾼 낮은 단계의 응용문제이고, 3단계는 다른 단원과 융합한 계통성이 포함된 문제이며, 4단계는 단원에서 나올 수 있는 모든 유형의 문제를 말하고, 5단계는 난이도가 높은 응용문제를 제시하게 된다. 도8은 n 단계문제풀이법을 설명하는 설명도이다.

한편, 본 발명은 학습관리부(300)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는데, 이는 본 발명의 데이터수집부(100)상의 자료들과 학습모델링부(200), 암기강화모델링부(210), 문제풀이시스템부(220)와 연동되어 더 큰 가치를 창출할 수 있도록 자료가 활용되며 학습자가 완벽히 수학학습을 완성할 수 있도록 학습을 관리하여주는 시스템이다. 도1 및 도2를 참조하여 보면, 학습관리부(300)는 카메라 관찰요소가 자료 활용의 기초 자료가 되어 학습자의 특성별로 본 수학학습 시스템이 개인별 맞춤식으로 적용되어 최상의 학습효과가 나타나도록 하며, 학습자와 인공지능간 질문과 답변이 가능하도록 하고, 학습자와 인공지능간 소통하며 문제풀이를 할 수 있으며, 학습자의 취약부분이 강화되는 학습시스템을 제공하고, 취약부분을 알려주도록 하며, 학습한 내용을 짧은 시간내 반복할 수 있는 10분요약부(310)에 의해 생성된 10분요약집을 제공하며, 학습자와 인공지능이 함께 학습계획을 세울 수 있는 시스템을 제공하고, 밑줄문제분석 및 식세우기가 강화될 수 있는 시스템을 구비하며, 학습평가 결과를 공유하고, 학습자 개별 데이터가 저장되고 시스템에 반영되는 요소가 포함되어 구비될 수 있다.

이하에서 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 학습관리부(300)의 일구성요소인 10분요약부(310)는 학습자가 짧은 시간에 암기할 사항이 저장되고 학습자에게 제공되도록 하는 것으로, 10분요약부(310)가 구성되는 것은 두 가지로 구분될 수 있는데, 첫째 수학의 차례(목차), 개념, 공식, 문제의 유형과 해결할 수 있는 핵심 방법 등의 설명이 요약집으로 편집되어 구성되는 것이고, 둘째는 학습자가 학습을 수행함에 따라 생성되어 구비되는 것으로 학습모델링부(200)와 암기강화모델링부(210), 문제풀이시스템부(220) 등으로부터 학습자가 학습한 내용과 이력에 따라 학습자에게 복습이 필요한 부분들이 자동적으로 수집되어 생성되고 구성되는 것이다. 즉, 10분요약부(310)는 학습자의 학습이 진행됨에 따라 축적되어 확산되며 집합화되는데, 이렇게 축적된 10분요약부 집합체를 통하여 학습자의 실력이 완성되는 프로그램이 제공될 수 있는 것이다. 10분요약부(310)는 학습자가 한 번 이상 학습을 하고 나면 1~2분 안에 1개의 10분요약부 학습내용을 마칠 수 있도록 구성되는데, 복습을 할 때 100개의 요약이 제공되면 10분 내외가 소요되고, 1000개의 요약은 학습하는데 100분 내외가 소요될 수 있으며, 나아가 학습자가 잘 알고 있는 것은 건너 뛰어 가며 시간을 더욱 앞당기어 전체를 빠르게 복습할 수 있도록 구성된다.

상기, 학습관리부(300)의 또다른 구성요소인 취약부분강화부(320)는 학습자가 학습하는 동안 나타나는 학습결과 평가를 통과하지 못할 경우 취약부분을 보완시키기 위한 기능으로서, 학습 진행시 반복적으로 결손 부분이 드러나는 경우 결손 부분에 해당되는 계통성 전과정을 학년을 떠나 정리할 수 있도록 하는 시스템으로 구성되며, 또한 학습을 처음 시작하는 학생에게는 테스트를 통해 기초부터 속성으로 정리하여 정상적 학습이 이루어질 수 있도록 전단계 학습이 이루어지도록 돕는 요소이다. 상기 취약부분강화부(320)는 본 발명의 실시예에 따라 제시되는 평가에서 각 학습 단계별 정해놓은 점수를 획득하지 못하면 다시 학습단계가 실행되도록 구비되며, 최종적으로 밑줄로 문제를 해석하는 방법이 습득될 수 있을 때까지 취약부분강화부(320)가 단계별로 설정 적용된다. 즉, 단계별 난이도에 따라 특정 점수가 설정되어 있어, 특정 점수에 미달이 될 경우 각 단계 과정이 반복되고, 특정 점수 이상이 되었을 경우 다음 단계 학습 과정이 실행될 수 있도록 구성되는 것이다.

또한, 단원학습을 진행하면서 문제풀이를 할 때 인공지능의 통계 분석 과정에서 학습자가 보다 집중적으로 보충할 필요성을 인지할 경우에도 취약부분강화부(320)가 실행된다. 취약부분강화부(320)는 취약 부분으로 선택된 단원 전체가 재학습되도록 구성되나, 계통성으로 연결된 부분은 중학교 과정부터 고등학교 과정까지 전체를 보여줄 수 있게 구성될 수 있다. 취약부분강화부(320)는 또한 현재 국내 수학 교육 현실에서 문제되고 있는 기초학습 부족의 학습자나 수학 과목을 포기한 학생들을 위해 준비된 프로그램이기도 하다. 기초학습 부족의 학습자는 수학을 시작하려면 수학이 가지고 있는 단계적 계통성 때문에 수학 학습을 포기하거나 수학 학습에 어려움을 많이 겪게 된다. 수학이라는 과목은 성적이 하락하면 좀처럼 성적을 다시 올리기 쉽지 않고, 다시 공부하고자 하더라도 수학의 계통적 특성 때문에 곧 포기하는 경우가 많다. 그러나 취약한 부분을 정확히 알고 이해하여 이를 보충하면 단기간에 큰 성과를 얻을 수 있으므로, 본 발명의 취약부분강화부(320)는 기초학습 부족의 학습자나 수학 과목을 포기한 학생들에게 큰 도움을 줄 수 있다. 취약부분강화학습부(320)는 10분요약부(310)과 연동되어 제시되는데, 10분요약부(310)를 통하여 개념, 공식, 용어 등을 빠르게 정리되는 시스템에 따라 학습하면, 기초가 부족한 학생도 수학 공부를 진행할 수 있는 기초가 생겨 지속적 학습이 가능하게 된다. 또한, 취약부분강화부(320)는 취약부분을 학습자에게 알리도록 하는 요소를 구비하는데, 이러한 취약부분을 알리는 요소는 입력된 학습자 정보에 따라 취약한 부분이 도출되었을 때 그 부분을 학습자가 학습하고자 하는 단원 앞에서 주의 표시하여 나타내거나 문제 앞에서 경고 표시 등으로 표시하여 학습자가 취약부분에 주의력을 집중할 수 있도록 하는 요소이다. 학습자가 단원 학습 시작 전 또는 문제풀이 시작 전에 취약부분을 알리는 요소에 의하여 부족한 학습이 반복될 수 있도록 적극적 개선 프로그램이 제공된다.

상기 학습관리부(300)의 일구성요소인 학습계획부(330)는 학습자가 입력한 데이터에 의하여 인공지능에 의하여 도출되는 계획표로, 학습 기간 등에 따라서 매일매일 꾸준하게 학습하는 주기적 학습 계획표가 생성되거나, 중간고사·기말고사·학년말 고사·모의고사·수학능력시험과 같은 시험을 앞두고 세우는 시험목적 계획표로 구별될 수 있다. 부연컨대, 학습계획부(330)는 학습 자료와 학습 평가에 대한 통계와 분석을 바탕으로 인공지능과 학습자가 서로 소통하며 계획표를 작성하도록 하는 것으로, 기간별로 1일 계획표, 10일 계획표, 한달 계획표, 100일 계획표 등으로 생성될 수 있고, 주기적 계획표를 통하여 안정적인 학습진행을 위한 계획이 세워질 수 있다. 주기적 계획표는 먼저 단원학습의 진도를 정하는 것으로 학습자의 역량을 파악한 후 인공지능과 함께 계획을 세울 수 있도록 구비된다. 또한 학습계획표는 수정될 수 있는데 매일, 10일, 한 달 단위로 진도 진행상황이 체크되고, 축적 저장된 통계 결과에 따라 인공지능과 함께 점검하여 학습계획표가 수정될 수 있도록 구비된다. 또한, 목표 달성을 위한 계획표로서 취약부분강화부(320)를 통한 취약부분 강화학습을 위한 계획표, 시험 대비 학습계획표 등이 구비된다. 한편, 상기 10분요약부(310)는 학습계획부(330)와 연동되어 실행되는데, 10분요약부(310)는 주기적 학습 계획표와 목적이 있는 학습 계획표에 모두 중요하게 사용된다. 10분요약부(310)는 학습자의 학습 진행 상황에 의하여 10분 요약집 집합체로 발전되는데 주기적 계획표와 함께 실행되어 복습시 학습시간이 단축되어 하루에 10분 요약집의 집합체 중 몇 개를 학습할 것인지의 목표가 주기적 학습 계획표를 통하여 생성된다. 하나의 단원이 끝나면 단원별 반복 학습이 제공될 수 있으며 인공지능과 학습 성취도 여부 평가에 따라 계획이 세워질 수 있도록 구성된다. 또한, 목적이 있는 학습 계획표는 특히 취약부분강화부(320)와 연동된다. 취약부분 강화학습에서 순서도의 흐름에 따라 학습하는 경우는 주기적 학습계획에 맞추어 학습을 하면 되지만, 꾸준히 학습한 학습자가 아닌 경우에는 테스트를 통해 학습자의 수준에 맞는 진도를 설정하고 학습을 시작할 때 목적이 있는 학습계획표가 사용된다. 또한 기초과정 학습을 위해 기간을 정해놓고 기간에 맞추어 학습을 진행할 수 있도록 하는 것도 목적이 있는 학습계획표에 의하여 가능하다. 중간고사 ·기말고사 ·학년말 고사 ·모의고사 ·수능 등 시험을 대비할 때 인공지능은 학습자의 성적과 학습 능력을 고려해 목적이 있는 학습게획표를 만들어 시험에서 최상의 결과를 얻을 수 있도록 시스템을 제공한다. 예를 들어, 수능 하루 전날 보아야 할 10분 요약집, 수능 전 10일 계획, 수능 전 100일 계획, 수능 전 1년 계획 등 목적을 가지고 필요한 부분을 설정하면서 계획을 수립할 수 있도록 한다.

학습계획부(330)는 본 발명의 실시에 있어서 적용되는데, 예를 들어 학습모델링부(200)는 단원별로 하나의 사이클이 형성되기도 하지만, 시험범위와 시험특성을 지정하여 입력할 경우 중간고사·기말고사·학년말고사·모의고사·수학능력시험처럼 시험범위가 하나의 사이클이 되어서 상기 단원준비단계·단원학습단계 ·소통문제풀이단계·단원정리단계, 단계별 종합문제단계가 각각 시험범위에 맞게 구성되고, 시험 범위와 종류, 기간을 설정할 경우 그에 맞추어 사이클이 새롭게 형성되어 100일, 한달, 10일, 마지막 하루 전 등의 시험 기간과 시험 범위와 종류에 따라 새롭게 학습모델링부(200)의 결과값이 도출되어 학습자가 이에 따라 매우 효과적인 학습을 진행할 수 있다. 특히, 수학능력시험과 같은 광범위하면서도 학습자들이 크게 부담을 느끼는 시험의 경우에는 이러한 학습모델링부(200)의 맞춤형 사이클 과정을 통하여 많은 과정을 효과적으로 단기간 정리 학습할 수 있어 매우 효과적인 학습이 가능하다. 이처럼, 10분요약부(310),취약부분강화부(320), 학습계획부(330)는 서로 연동하여 작동되며 이들이 함께 구비되어 시스템화됨에 따라 본 발명의 효과가 최상으로 구현된다.

한편, 전술한 문제풀이시스템부(220)는 본 발명의 문제 풀이 전 과정에서 적용되는 것으로 밑줄 그어 해석하기와 식세우기, 주어진 조건과 주어진 조건의 활용방법이 세트로 제시되는 것, 인공지능과 학습자가 소통하며 문제풀이를 진행하는 구성요소를 포함하는 것으로 특징지울 수 있는데, 특히 밑줄 그어 해석하기와 식세우기는 문제 풀이를 할 때 학습자에게 문제에 밑줄로 그어 해석하고 그것을 바탕으로 식을 세울 수 있도록 훈련하도록 하는 구성요소를 의미한다. 수학 문제를 해결하려면 식을 세워야 하고, 식을 세우려면 문제에서 주어진 조건 등을 해석해야 햐는데, 학습자인 해석자가 문제를 해석하는 방법을 체계화하여 습득하지 못하면 해결 방법을 찾지 못하거나, 찾더라도 시간이 많이 걸려 시험에서 높은 점수를 얻지 못하게 된다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 학습자에게 10분 요약부와 학습계획부 취약부분강화부를 통하여 훈련된 문제 해결 방법을 바탕으로 광범위한 수학의 범위에서 범위를 좁혀가며 자료를 활용한 후 밑줄로 문제를 해석하는 방식을 제시하고 그와 같은 방법으로 문제 해결을 할 수 있도록 구비되어 학습자에게 제공됨에 따라, 문제풀이시스템부(220)역시 학습관리부(300)의 10분요약부(310), 취약부분강화부(320), 학습계획부(330)와 함께 연동되어 제공됨에 따라 최상의 학습효과를 도출할 수 있도록 하는 것이다. 도9은 본 발명에 의하여 학습을 지속적으로 수행할 경우 학습자의 뇌에 형성된 문제해결 능력 방식의 예를 설명하는 설명도이다.

마이데이터부(400)는 학습자의 학습내용을 전체적, 부분적으로 통계처리한 사항을 저장해 놓는 것으로 이는 데이터수집부에 피드백되어 활용되어 사용되기도 하고 학습자의 현재 학습사항이 파악되도록 하며, 학습계획표, 진도, 성적상황, 취약한 부분 등과 연계되어 활용된다.

또한, 보상시스템부(500)는 학생들의 학습 동기 의욕을 높이기 위한 것으로, 예를 들어 종합 문제 풀이 단계를 통과하여 상위 카테고리로 이동할 때나 학습계획표의 목표를 달성했거나 초과했을 경우 사이버 상에서 사이버 머니에 따라 상품을 구입할 수 있도록 하는 것으로 이러한 보상시스템부(500)가 더 구비될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공지능 및 온라인 융합 수학 학습 및 관리 시스템을 통하여 수학학습이 실행되는 단계에 대하여 설명한다.

데이터수집부(100)의 자료에 의하여 기계학습되어 생성된 학습모델링부(200)에 의하여 학습자에게 학습 내용이 제공된다.

학습자는 학습모델링부(200)에 의한 학습을 진행하면서 기록되는 학습내용에 의하여 학습관리부(300)가 작동 형성되는데, 학습자가 완성한 범위 내에서 학습관리부(300)의 10분요약부(310)가 추출되어 저장된다.

또한, 학습모델링부(200)에 의한 학습을 진행하면서 기록되는 학습내용에 의하여 학습관리부(300)가 함께 작동하면서 학습자가 오답을 기재한 부분은 취약부분강화부(320)가 형성되고 학습자가 학습을 진행할 때 반복 제시됨으로써 취약부분이 해소되도록 학습관리가 이루어진다. 이때, 취약부분이 복습되는 과정은 상기 10분요약부(310)에서 생성된 요약집을 활용 암기할 수 있도록 강화학습이 이루어진다.

한편, 학습관리부(300)의 학습계획표(330)와 연계해 학습자가 시험일시와 시험범위 등을 입력하면, 설정된 시험일시까지의 기간동안 시험범위 내의 10분요약부(310)와 취약부분강화부(320)가 형성되어, 시험 범위 내의 학습내용이 반복적으로 이루어져 시험 기간 내 매우 효율적으로 자신의 취약점을 보강할 수 있게 됨에 따라 최상의 학습관리와 효과가 이루어지게 된다.

한편, 본 발명은 밑줄로 문제해석을 연습할 수 있는 문제풀이시스템부(220)가 본 발명의 실행 과정에서 문제 풀이시 지속적으로 제공되는데, 인공지능이 문제를 해석하는 방법에 대한 설명을 하고 학습자는 밑줄을 그어가며 문제해석을 하고, 학습자가 밑줄 그은 부분에 대한 평가와 지도를 다시 인공지능이 함으로써 학습자는 피드백을 받게되며 본 발명의 실행에 따라 학습자는 이러한 과정을 무수히 반복하여 문제에 밑줄을 그어가며 해석하는 방법을 체득하게 된다.

학습자의 머릿 속에 수학적 자료를 입력시키는 방법은 10분요약부(310), 취약부분강화부(320) 및 학습계획부(330)이 서로 연계되어 원할히 진행되면서 학습자의 머릿 속에 학습자료가 입력됨과 동시에 밑줄로 그어 문제해석을 하는 연습에 따라 수학 학습 효과는 더욱 극대화된다. 즉, 학습자의 머릿 속에 수학적 자료(문제를 해석하는 자료들)가 입력되는 방법은 10분요약부(310), 취약부분강화부(320), 학습계획표(330)와 함께 문제풀이시스템부(220)의 밑줄로 문재해석을 연습할 수 있도록 제공되는 방법이 서로 깊이 연계 관계를 갖게 되며 발명의 효과가 극대화되는 것이다.

100 데이터수집부
200 학습모델링부
210 암기강화모델링부
220 문제풀이시스템부
300 학습관리부
310 10분요약부
320 취약부분강화부
330 학습계획부
400 마이데이터부
500 보상시스템부

Claims (9)

1. 수학의 차례, 세분화된 차례, 수학의 계통성과 관련된 개념의 확장 요소, 수학용어, 공식, 공식유도, 증명정리문제, 유형별 제목과 문제 해결의 핵심 방법이 매칭되는 유형별 문제, 계산력 문제, 종합문제, 수학이론, 카메라 관찰 요소를 포함하는 데이터가 수집되고 저장되는 데이터수집부(100);
   상기 데이터수집부(100)에 저장된 데이터를 통하여 학습모델이 형성되되 수학의 차례를 중심으로 학습 내용의 위치를 파악하는 단원준비단계, 해당 위치 파악 후 관련된 공식 자체, 공식 유도 방법, 증명 방법을 포함한 개념 익히기의 단원학습단계, 유형별 문제와 문제 해결 방법 학습을 포함하는 문제풀이단계 및 단원별 종합문제 학습을 포함하는 단원정리단계를 포함하는 학습모델링부(200);
   상기 학습모델링부(200)를 통한 학습이 진행될 때 학습 과정을 관리하여 주는 학습관리부(300)가 형성되되 학습관리부(300)는 학습자의 학습 진행에 따라 자동 생성되는데 학습자가 학습한 내용과 이력에 따라 추출 생성되어 학습자가 짧은 시간에 암기할 사항이 저장되고 학습자의 학습이 진행됨에 따라 개인별 맞춤으로 축적 확산되어 집합화되어 학습자의 실력을 완성하도록 하는 프로그램으로 제공되는 10분요약부(310), 학습자가 학습한 내용과 이력에 따라 생성되며 학습자가 학습하는 동안 나타나는 학습결과 평가를 통과하지 못할 경우 취약부분을 보완시킬 수 있도록 설계되어, 학습자에게 취약부분을 알리고 집중할 수 있도록 하며, 학습자가 단원 학습 시작 전 또는 문제 풀이 시작 전에 취약부분이 반복 학습될 수 있도록 하는 취약부분강화부(320),
   학습자의 학습 자료와 학습 평가에 대한 통계와 분석을 바탕으로 인공지능과 학습자가 서로 소통하며 계획표를 작성하도록 하는 학습계획부(330)를 포함하되,
   상기 10분요약부(310), 취약부분강화부(320), 학습계획부(330)가 연동되고 함께 시스템화되어 학습자와 인공지능이 학습한 내용과 이력을 바탕으로 소통하여 작성한 학습계획부(330)에 따라 10분요약부(310)와 취약부분강화부(320)가 학습자에게 반복될 수 있도록 적극적 개선 프로그램이 제공되어 수학의 많은 과정을 효과적으로 단기간 정리 학습할 수 있어 수학 전 과정을 매우 효과적이고 완벽하게 학습 구현되는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 학습모델링부(200)는 내용이 제공된 후 학습자가 암기하여 입력하도록 하여 학습자가 학습 내용을 완전히 체득하도록 하되 구체적으로는 해당 학습 내용이 제시되고 괄호 넣기를 통하여 학습한 내용을 확인하며, 최종적으로 암기할 수 있는 단계로 제공되고, 이 때 최종적 암기할 수 있는 단계는 학습자가 복습할 때 사용될 수 있도록 따로 저장되어 추후 학습자에게 제공되는 것을 특징으로 하는 암기강화모델링부(210)를 포함하고, 수학 문제가 제시될 때 유형문제와 해결 핵심 방법이 동시에 제공되고, 카메라관찰에 따라 수집된 데이터수집부(100)의 자료에 의하여 학습자와 인공지능이 소통하면서 문제가 풀이될 수 있도록 지원되며 문제에 밑줄을 그어가며 연습할 수 있는 시스템을 제공하며 보다 상세하게는 학습자가 스마트 팬 등을 통하여 밑줄을 그어 문제를 해석하고 방법을 찾아가는 방법으로 제시되고, 이러한 밑줄을 바탕으로 인공지능과 학습자가 소통하면서 문제풀이가 진행되는 것을 특징으로 하는 문제풀이시스템부(220)를 더욱 포함하는 인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템
   
3. 제1항에 있어서,
   학습자의 학습내용을 전체적, 부분적으로 통계처리한 사항을 저장해 놓은 마이데이터부(400) 및 학생들의 학습 동기 의욕을 높이기 위해 구비되는 보상시스템(500)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 온라인 융합을 통한 수학 학습 시스템
   
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