AI · 디지털 교육자료를 활용한 초등학교 수학 수업 다중 사례분석 : - = A Multiple Case Study of Elementary Mathematics Classes Utilizing AI · Digital Educational Resources

국문 초록 (Abstract)

AI ·디지털 교육자료를 활용한 초등학교 수학 수업 다중 사례분석 백 은 영 한국교원대학교 대학원 초등수학교육전공 (지도교수 이 광 호) 정보통신기술의 융합적 발전이 가속화되는 4차 산업혁명 환경에서 학교 수학 수업은 인공지능(AI)과 디지털 자원을 수업의 설계와 실행에 통합하 는 방향으로 변화하고 있다. 그러나 관련 논의가 주로 기술 구현이나 학 습자 데이터 분석에 초점을 두어 온 것에 비하여, 디지털 기술이 교육 현 장에 적용된 사례를 실증적으로 분석한 연구는 여전히 부족한 실정이다. 교육부는 이러한 흐름 속에서 지능형 튜터링 시스템과 학습분석 기술을 접목한 ‘AI 디지털 교과서’의 개발 및 도입을 추진함으로써 학습 진단과 맞춤형 학습지원을 강화하고자 하였다. 2025학년도에는 초등학교 3 - 4학 년을 대상으로 일부 현장에 적용되었으나 해당 자료가 ‘교과서’에서 ‘교육 자료’로 전환됨에 따라 교실 수업에서 AI를 비롯한 디지털 자원의 효과적인 안착과 활용에 대한 실천적 논의가 더욱 요구된다. 이에 본 연구는 ‘AI · 디지털 교육자료’를 적용한 초등학교 3학년 수학 수 업의 설계, 실행, 재설계 측면에서의 구현 양상과 각 단계에서 교사의 경 험을 탐색함으로써 디지털 자원을 활용하는 수업에 대한 실천적 함의를 제공하고자 한다. 이를 위하여 설정한 연구 문제는 다음과 같다. 가. AI · 디지털 교육자료를 활용한 수학 수업의 구현 양상은 어떠한가? 1) 수업의 설계 측면에서 구현되는 양상은 어떠한가? 2) 수업의 실행 측면에서 구현되는 양상은 어떠한가? 3) 수업의 재설계 측면에서 구현되는 양상은 어떠한가? 나. AI · 디지털 교육자료를 활용한 수학 수업에서 교사가 경험하는 어려움은 무엇이고 어떻게 대처하는가? 1) 교사가 수업 설계 단계에서 예상한 어려움은 무엇인가? 2) 교사가 수업 실행 단계에서 인지한 어려움은 무엇인가? 3) 교사는 수업에서 인지한 어려움을 어떻게 해석하고 대처하는가? 위 연구 문제를 해결하기 위해 D광역시에 소재한 초등학교(D, J)에서 3 학년 담임 교사 2인을 연구 참여자로 선정하고 AI · 디지털 교육자료를 활 용한 수학 수업 맥락에서 생성된 데이터를 수집하였다. 수집된 데이터는 수업 지도안, 수업 및 AI · 디지털 교육자료 녹화 영상, 면담 녹취 및 전사 자료, 현장 메모, 수업 산출물이다. 해당 자료들을 DRDC 기반 분석틀과 도구적 오케스트레이션의 관점을 적용하여, D교사의 3학년 ‘나눗셈’ 수업 과 J교사의 3학년 ‘분수와 소수’ 수업의 사례를 설계, 실행, 재설계의 순환 과정에서 질적으로 분석하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 다음과 같다. 첫째, 수업 설계 측면에서 교사들은 AI · 디지털 교육자료의 표준화된 경 로를 그대로 수용하기보다는 수업 목표와 플랫폼이 제공하는 디지털 자원 의 어포던스를 함께 고려하여 상호보완적 자원 체계를 구축하였다. D교사 는 나눗셈의 조작적 경험을 제공하기 위해서 AI · 디지털 교육자료의 ‘교 과서 PDF’와 ‘디지털 필기’를 핵심 자원으로 선정하고 학습창을 보조자원 으로 배치하였다. J교사는 시각적 모델 조작의 자유도를 확보하기 위해서 외부 ‘가상 조작교구’를 AI · 디지털 교육자료의 플랫폼에 연동하였다. 그 리고 ‘공유 게시판’과 조합하여 개념 탐구 중심의 학습환경을 설계하였다. 이러한 사례는 교사가 디지털 자원의 가능성과 제약을 해석하고 수업 목 표에 따라 자원의 위계를 재구조화하는 능동적인 설계자임을 보여준다. 둘째, 수업 실행 측면에서 교사들은 사전에 구상된 수업 설계를 기반으 로 실시간 수집되는 학습데이터 등과 학생 반응에 따라서 유연하게 대응 하여 수업을 운영하는 ‘실행 중 조정’과 ‘도구적 오케스트레이션’을 수행하 였다. D교사는 대시보드 데이터의 모니터링과 화면 제어 기능을 조합하여 개별 학생의 오개념을 즉시 교정하고 학습 경로를 표준화하였다. J교사는 공유 게시판에 학생들의 산출물을 병치하고 비교하게 함으로써 개별 조작 활동을 학급 단위의 수학적 담화와 지식 구성 과정으로 확장시켰다. 셋째, 수업 재설계 측면에서 교사들은 학습데이터와 실제 이해의 차이를 확인하고 수업 성찰을 통해 사전 설계를 재구성하였다. D교사는 학생들의 기계적 연산 경향을 파악하여 비교와 정당화 중심의 과제를 설계하였다. J교사는 선수학습 결손과 물리적 시간 부족의 문제를 해결하기 위해 분절 된 차시를 연속 차시로 통합하여 활동의 순환 절차에 따른 표상과 정당화 과정을 충분히 확보하였다. 넷째, 어려움과 대처 측면에서 교사들은 ‘나눗셈’과 ‘분수와 소수’의 수업 이 가지는 내용적 어려움과 도입된 디지털 자원이 유발하는 어려움이 혼 재된 상황을 교수학적 조정을 통해 완화하였다. 설계 단계에서는 예방적 대처로서 키보드 입력의 불편함을 예상하여 스마트 펜을 도입하거나 디지 털 자원의 조작적 어려움을 대비하여 실물 자원을 혼합하였다. 실행 단계 에서는 기술적 오용 행동이나 자원의 조작 실패 등 돌발 상황에 대해 기 능 사용을 제한하거나 매체를 전환하는 등 즉각적인 처방을 내렸다. 재설 계 단계에서는 데이터 지표와 해석을 학생의 발화와 산출물과 교차 검증 하여 수업의 구조를 재구성하였다. 결론적으로 AI · 디지털 교육자료를 활용한 수학 수업은 교사가 데이터와 디지털 자원의 특성을 해석하고 교실 맥락에 따라 자원을 조율하며 지속 적으로 수업을 재구성하고 개선해 가는 전문적 실천 과정임을 확인하였 다. 이와 같은 결과를 바탕으로 도출한 결론은 다음과 같다. 첫째, AI · 디지털 교육자료를 활용하는 환경에서 교사는 교육과정 설계 자로서 수업 목표와 맥락에 따라 자원의 위계를 조정할 필요가 있다. 플 랫폼 내부의 자원과 외부의 디지털 및 아날로그 자원을 전략적으로 조합 하여 상호보완적 자원 체계를 구축함으로써 AI · 디지털 교육자료가 교사 의 교육과정 자원 설계와 조정을 위한 자원 체계로 기능함을 시사한다. 둘째, AI · 디지털 교육자료의 ‘교육적 활용 가능성’은 플랫폼의 기능을 해석하고 구성하는 교사의 ‘디지털 자원 설계 역량’과 ‘데이터 리터러시’를 통해 구체화 된다. 교사가 디지털 자원의 구조와 기능을 이해하여 수업을 설계하고 학습데이터를 비판적으로 해석하는 데이터 리터러시를 갖출 때, AI · 디지털 교육자료는 교사의 수업을 지원하고 개선하는 교육과정 자원 으로 기능할 수 있음을 시사한다. 셋째, AI · 디지털 교육자료의 ‘기능적 제약’은 서책형 교과서 활용 수업 과 비교하여 교사에게 추가적인 설계 부담으로 드러났다. AI · 디지털 교 육자료의 시스템 구조와 기능은 수업 목표와 교실 맥락에 따라 교사가 디 지털 자원을 추가, 편집, 조합하며 교육과정 설계의 유연성을 확보할 수 있도록 개선될 필요가 있음을 시사한다. 이러한 연구 결과를 토대로 미래 디지털 교육 환경에서 지능형 디지털 자원의 교육적 가치 구현을 위한 실천적 제언을 다음과 같이 제시한다. AI · 디지털 교육자료의 도입과 확산을 위한 정책은 교사 전문성 개발을 체계적으로 지원하는 방향에서 디지털 자원 설계 역량과 데이터 리터러시 를 포함하여 설계되어야 한다. AI · 디지털 교육자료가 교사의 수업 설계 와 실행을 지원하기 위해서는 플랫폼 설계 차원에서 유연성과 편의성이 강화될 필요가 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제6
• 3. 용어의 정의 7
• 4. 연구의 제한점8
• Ⅱ. 이론적 배경 10
• 1. AI 디지털 교육자료 10
• 2. 어포던스와 도구적 오케스트레이션 14
• 3. 교사와 자원의 상호작용과 디지털 자원 설계 역량20
• Ⅲ. 연구 방법 및 절차 27
• 1. 연구 절차의 개요 28
• 2. 연구 방법 30
• 3. 연구 대상 32
• 4. 자료 수집 37
• 5. 자료 분석 42
• Ⅳ. 결과 및 논의 47
• 1. AI 디지털 교육자료를 활용한 수학 수업의 구현 양상 47
• 2. 교사가 경험한 어려움과 대처 105
• 3. 연구 결과에 대한 논의 120
• Ⅴ. 결론 및 제언128
• 1. 요약128
• 2. 결론130
• 3. 제언133
• 참 고 문 헌135
• ABSTRACT 145
• 부록
• <부록 1> 수업 지도안 150
• <부록 2> 학습지186