소집단 논변 속 인식적 행위주체성 분석을 위한 프레임워크 및 AI 기반 도구 제안 = A Framework and AI-based Tool for Analyzing Epistemic Agency in Small-group Scientific Argumentation

국문 초록 (Abstract)

과학교육에서 학생들의 인식적 주체성은 추론, 협력, 성찰, 참여가 담화 속에서 상호작용하며 변화하는 역동적 특성을 지닌다. 그러나 이러한 과정을 시간 흐름에 따라 포착하고 시각화한 분석은 아직 충분히 이루어지지 않았다. 본 연구는 이러한 공백을 해결하기 위해 (a) 인식적 주체성의 차원을 조직한 이론적 틀, (b) 소집단 담화에서 인식적 주체성이 시간에 따라 어떻게 변하는지 보여주는 다이어그램과 그 어포던스, (c) 담화 분석의 일관성과 접근성을 높이는 AI 기반 도구의 세 가지 분석 접근을 제안한다. 우선, 인식적 주체성을 분석하기 위한 이론적 틀을 개발하기 위해 인식적 주체성 및 그 관련 주제(논변, 모델링, 형평성 등)에 관한 선행연구 40편을 검토하고, 실제 교실 자료에 반복적으로 적용하며 틀을 정교화하였다. 자료는 서울의 두 중학교 학급(46명, 12모둠)에서 14주 동안 진행된 ‘동물과 에너지’ 재구성 단원 수업에서 수집되었으며, 실험, 모델링, 논변 활동을 포함한다. 모든 소집단 논의는 영상으로 촬영하고 전사하였다. 이 중 10차시(호흡)와 12차시(배설)를 분석 대상으로 선정하여 총 23개의 담화 자료를 확보하였다. 이를 바탕으로 교실 상호작용 속에서 인식적 주체성이 어떻게 작동하고 변화하는지 설명하는 틀을 구축하였다. 다음으로, 인식적 주체성이 시간에 따라 어떻게 전개되는지, 그리고 상호작용 패턴과 교사 개입이 어떤 방식으로 드러나는지를 파악하기 위해 담화를 의미 단위로 분절하였다. 각 구간을 개발한 이론적 틀의 차원에 따라 코딩해 시각화한 뒤, 그 다이어그램이 제공하는 해석적 어포던스를 분석하였다. 마지막으로 Google Sheets와 OpenAI API를 연동한 AI 기반 분석 도구를 개발하여 담화의 의미 단위 구분, 차원별 코딩, 다이어그램 시각화를 자동화하였다. 이 도구는 교실 담화 분석의 일관성과 접근성을 높여, 학생들의 인식적 주체성이 어떻게 전개되는지를 교사와 연구자가 보다 쉽게 파악할 수 있도록 하는 데 목적이 있다. 본 연구의 세 가지 산출물인 분석 틀, 다이어그램과 그 어포던스, AI 기반 도구는 교실 담화에서 학생들의 인식적 주체성을 살펴보는 데 서로를 보완한다. 분석 틀은 지식 구성, 협력, 메타인지, 참여 구조의 네 가지 차원을 통합하여, 소집단 논변에서 학생들이 의미를 구성하고 서로 협력하며, 논의 방향과 설명을 점검하고, 균형 있게 참여하는 과정을 설명한다. 다이어그램은 색상과 교사 개입 표시를 활용하여 소집단 논변에서 드러나는 인식적 주체성의 양상과 탐구 흐름이 시간에 따라 어떻게 변하는지 보여준다. AI 도구는 인식적 주체성 분석과 다이어그램 생성을 자동화하여 대규모 자료를 안정적으로 다룰 수 있게 하고, 교사와 연구자가 수업 상황을 쉽게 해석하도록 돕는다. 이러한 이론적 틀·다이어그램과 어포던스·AI 도구는 연구와 교실 현장 모두에 활용 가치가 있다. 연구자에게는 시각화된 다이어그램을 통해 원본 전사 자료와 연결하여 중요한 담화 구간을 빠르게 찾고 집중 분석할 수 있는 기반을 제공한다. 교사에게는 네 가지 차원의 상호작용을 시각적으로 요약한 정보를 제공하여 수업 성찰, 지원이 필요한 지점 파악, 후속 수업 방향 설계에 도움을 줄 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In science education, students are regarded not as passive learners but as epistemic agents who actively construct and justify meaning through inquiry. Although prior research has examined students’ epistemic agency through aspects such as reasoning, collaboration, reflection, and participation, epistemic agency in classrooms is not fixed; it changes as these aspects interact and shape one another during discourse. However, few analytical approaches capture and visualize how students’ epistemic agency shifts over time through classroom interaction. This study addresses this gap by proposing an approach that combines (a) a theoretical framework organizing the dimensions of epistemic agency, (b) a diagram that visualizes how epistemic agency changes over time in small-group discourse, and (c) an AI-assisted tool supporting the consistency and accessibility of discourse analysis. First, to develop a preliminary framework for analyzing epistemic agency, we reviewed 38 studies and refined the framework through iterative application to classroom data. The data were collected from science lessons conducted over 14 weeks in two middle school classes in Seoul (46 students, 12 groups) using a redesigned unit, Animals and Energy, emphasizing experimentation, modeling, and argumentation. All small-group discussions were video-recorded and transcribed. Two lessons—Lesson 10 (respiration) and Lesson 12 (excretion and filtration)—were selected for detailed analysis, yielding 23 discourse datasets. Through this process, we constructed a framework that explains how epistemic agency functions and shifts during classroom interaction. Next, to create a diagram that represents how epistemic agency evolves over time—along with interaction patterns and teacher involvement—we coded discourse segments by meaning and dimension based on the framework. Finally, we developed an AI-assisted tool integrating Google Sheets with the OpenAI API to automate segmentation, coding, and visualization. This tool improves the consistency and accessibility of classroom discourse analysis, helping teachers and researchers identify how students’ epistemic agency unfolds during classroom interaction. The study’s three outcomes—the framework, diagram, and AI-assisted tool—offer complementary ways to examine how students’ epistemic agency develops in classroom discourse. The framework integrates four dimensions: knowledge construction, collaboration, metacognition, and participating agents. Together, these explain how students build knowledge, negotiate meaning, reflect on reasoning, and contribute to shared inquiry. The diagram visualizes these processes over time, using color-coded dimensions and markers for teacher intervention to show how participation and inquiry structures shift during small-group argumentation. The AI-assisted tool automates analysis and reporting, helping researchers handle large datasets consistently and enabling teachers to interpret class dynamics in real time. The proposed framework, diagram, and tool offer both research and practical value. For researchers, the diagram enables efficient, focused analysis by linking visual patterns with transcripts, allowing quick identification of key segments. For teachers, the AI-assisted tool provides visual summaries showing how the four dimensions interact. These insights help teachers monitor participation, identify opportunities for support, and plan follow-up lessons. Shared visualizations also bridge research and practice, supporting collaborative reflection and evidence-based PLCs.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 2.1 소집단 논변에서의 인식적 행위주체성 5
• 2.2 인식적 행위주체성의 다차원성 7
• 2.3 인식적 행위주체성의 역동성 10
• 2.4 인식적 행위주체성의 다차원성과 역동성에 대한 통합적 접근 12
• 2.5 시각화 기반 접근의 전개와 AI 자동화로의 확장 14
• 제 3 장 Part I 인식적 행위주체성의 다차원 프레임워크 18
• 3.1 프레임워크 개발 절차 19
• 3.2 인식적 행위주체성의 다차원 프레임워크 31
• 3.2.1 인식적 행위주체성 다차원 프레임워크 소개 31
• 3.2.2 과학교육의 담론과 인식적 행위주체성의 네 차원: 왜 이 네 차원인가 33
• 3.3 프레임워크의 적용 예시: 교실 담화 속 인식적 행위주체성의 발현 51
• 3.3.1 에피소드 1: 모형을 활용해 호흡의 원리를 설명하기 51
• 3.3.2 에피소드 2 몸의 움직임을 함께 관찰하며 의미를 찾아가기 55
• 3.3.3 에피소드 3 아미노산이 여과되는가를 두고 서로 반박하기 59
• 3.3.4 인식적 행위주체성의 다양한 발현과 KCMP 프레임워크 62
• 제 4 장 Part II 인식적 행위주체성 다이어그램과 해석적 어포던스 64
• 4.1 수기 다이어그램 제작 및 어포던스 분석 과정 64
• 4.2 다이어그램의 어포던스 71
• 4.2.1 어포던스 1: 차원의 분포와 조합은 인식적 행위주체성이 맥락에 따라 여러 방식으로 발현됨을 보여준다 71
• 4.2.2 어포던스 2: 패턴 전환은 탐구의 성격이 달라지는 순간을 보여준다 85
• 4.2.3 어포던스 3: 패턴 반복 구간에서 드러나는 의미 구성의 심화·정체와 이를 파악하는 단서를 보여준다 98
• 4.2.4 어포던스 4: 과제·집단·차시별 우세한 양상을 비교·파악할 수 있다. 106
• 제 5 장 Part III AI 기반 분석·시각화 도구 제안 114
• 5.1 AI 기반 분석·시각화 도구 개요 및 파이프라인 114
• 5.2 AI 기반 분석·시각화 도구의 구성과 사용 절차 116
• 5.2.1 AI 기반 분석·시각화 도구의 구성 116
• 5.2.2 AI 기반 분석·시각화 도구의 사용 절차 121
• 5.3 AI 기반 분석·시각화 도구의 설계 원칙 128
• 5.3.1 설계 원칙 1: ‘완전 자동화’가 아니라 ‘검증 가능한 단계적 자동화’ 128
• 5.3.2 설계 원칙 2: 분석의 정확성과 일관성 확보 129
• 5.3.3 설계 원칙 3: 분석 시간과 비용의 경제성 확보 131
• 5.3.4 설계 원칙 4: AI의 구조적 한계를 대응하는 설계 133
• 5.3.5 설계 원칙 5: 사용자의 해석의 주도권 유지 136
• 5.4 연구자와 AI 도구 결과 비교를 통한 AI 기반 분석·시각화 도구의 타당도 및 신뢰도 검증 138
• 5.4.1 AI 기반 담화 분석·시각화 도구의 타당도 및 신뢰도 검증 틀 138
• 5.4.2 AI 기반 담화 분석·시각화 도구의 타당도 및 신뢰도 검증 결과 144
• 제 6 장 논의 및 결론 162
• 6.1 논의 162
• 6.1.1 KCMP 프레임워크를 통한 인식적 행위주체성의 재구성 162
• 6.1.2 다이어그램을 활용한 인식적 행위주체성의 역동성 시각화 165
• 6.1.3 AI 기반 분석·시각화 도구를 통한 인식적 행위주체성 분석 167
• 6.2 결론 168
• 참 고 문 헌 172
• Abstract 185
• 부록 1. AI 기반 분석·시각화 도구 프로그램 저작권 등록증 188