DrawSim-PD: 학생 과학 그림 시뮬레이션을 통한 NGSS 연계 교사 진단 능력 향상 지원

DrawSim-PD: Simulating Student Science Drawings to Support NGSS-Aligned Teacher Diagnostic Reasoning

진단적 사고 능력 개발에는 다양한 학생 결과물에 대한 실습이 필요하지만, 개인 정보 보호 규정으로 인해 교사 연수(PD)를 위해 실제 학생 과제를 대규모로 공유하는 것은 어렵습니다. 본 연구에서는 NGSS와 연계된 학생과 유사한 과학 그림을 생성하고, 교육적 측면에서 통제 가능한 오류를 포함하여 교사 훈련을 지원하는 최초의 생성 프레임워크인 DrawSim-PD를 제시합니다. 본 연구의 핵심은 '능력 프로파일'로, 각 수행 수준의 학생이 무엇을 할 수 있고 무엇을 아직 할 수 없는지를 나타내는 구조화된 인지 상태를 의미합니다. 이러한 프로파일은 생성된 결과물 전반의 일관성을 보장하며, (i) 학생과 유사한 그림, (ii) 1인칭 관점의 사고 과정 설명, (iii) 교사 대상 진단 개념 지도를 포함합니다. 본 연구에서는 K-12 수준의 100가지 선별된 NGSS 주제를 기반으로 1만 개의 체계적으로 구성된 결과물을 구축했습니다. 전문가 기반의 실현 가능성 평가를 통해 K-12 과학 교육자들이 결과물이 NGSS의 기대 사항과 일치하는지(핵심 항목에 대해 84% 이상의 긍정적 평가) 확인하고, 학생의 사고 과정을 이해하는 데 유용하며, 학년별 극단적인 수준에 대한 개선 기회를 파악했습니다. 본 연구에서는 이러한 인프라를 공개하여 시각적 평가 연구에서 데이터 부족 문제를 해결하고자 합니다.

Developing expertise in diagnostic reasoning requires practice with diverse student artifacts, yet privacy regulations prohibit sharing authentic student work for teacher professional development (PD) at scale. We present DrawSim-PD, the first generative framework that simulates NGSS-aligned, student-like science drawings exhibiting controllable pedagogical imperfections to support teacher training. Central to our approach are apability profiles--structured cognitive states encoding what students at each performance level can and cannot yet demonstrate. These profiles ensure cross-modal coherence across generated outputs: (i) a student-like drawing, (ii) a first-person reasoning narrative, and (iii) a teacher-facing diagnostic concept map. Using 100 curated NGSS topics spanning K-12, we construct a corpus of 10,000 systematically structured artifacts. Through an expert-based feasibility evaluation, K--12 science educators verified the artifacts' alignment with NGSS expectations (>84% positive on core items) and utility for interpreting student thinking, while identifying refinement opportunities for grade-band extremes. We release this open infrastructure to overcome data scarcity barriers in visual assessment research.