[논문]커팅 효과가 포함된 디지털 과학 교과서의 설계 및 구현

양현록; 강경규; 한광파; 김동호

doi:10.5392/jkca.2009.9.1.465

커팅 효과가 포함된 디지털 과학 교과서의 설계 및 구현
Design and Implementation of Digital Science Textbook with Cutting Effects 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.9 no.1, 2009년, pp.465 - 474

양현록 (숭실대학교 미디어학과 MAGIC 연구실) , 강경규 (숭실대학교 미디어학과 MAGIC 연구실) , 한광파 (숭실대학교 미디어학과 MAGIC 연구실) , 김동호 (숭실대학교 미디어학과 MAGIC 연구실)

초록
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디지털 시대의 개막과 함께 교육의 패러다임은 변화하고 있다. 이렇게 변화해 가는 패러다임은 더 많은 상호 작용이 존재하는 디지털 교과서 콘텐츠를 필요로 한다. 우리의 목표는 편리한 인터페이스를 갖추고, 커팅효과가 추가되어 기존에 비해 상호작용성이 높은 타블렛 PC 기반의 디지털 교과서를 제작하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해서 여러 차례 디지털 교과서를 개발해 온 전문가들과의 회의를 토대로 설계한 인터페이스 및 학습내용에 대해서 설명한다. 그리고 사용자가 임의로 입력한 스트로크에 기반하여 다층 구조의 3D 객체의 단면을 생성하기 위해서 구현된 커팅 알고리즘에 대해서 설명한다. 마지막으로 우리가 개발한 콘텐츠를 시범서비스 했을 때의 결과를 설문 조사 내용을 토대로 하여 상호작용성이 높은 디지털 교과서의 교육적 효과에 대해서 토론할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The emergence of the digital age has changed the paradigm of education. Recently, the new paradigm needs new digital books that contain more interactive contents. Our goal is to design the digital textbook with convenient interfaces and cutting effects for interactive and effective education. To achieve these goals, we propose interfaces and contents which are designed after a lot of discussion with educational experts. In the implementation step, cutting algorithm is proposed to generate the cut planes of the 3D objects, based on the free strokes specified by the users. In order to test the performance of the contents, the testbed was implemented so that students try our digital book and present their evaluation results on the convenience and the effectiveness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

우리는 이 콘텐츠를 ETRI와 동아사이언스(주)의 협력 하에 개발하였으며, ETRI에서 자체 개발한 디지털 교과서용 3D 렌더링 엔진을 이용하여 제작했다. 본 논문에서는 우리가 조작하는데 있어서 효과적인 인터페이스를 디지털 교과서를 개발하면서 어떻게 구현했는지 설명할 것이다. 그리고 우리가 개발한 커팅 알고리즘이 어떻게 설계되었는지 설명한 뒤 이것을 이용하여 직선이나 자유 곡선을 이용하여 내부가 다층 구조인 3D 객체를 잘랐을 때 생겨나는 결과물들을 설명한다.
이러한 경험을 통하여 교육의 효과를 극대화 시키는 것이 가능하게 된다. 본 논문에서는 이러한 디지털 교과서의 변화에 맞추어 3D 콘텐츠 제작 기술을 이용하여 개발한 디지털 교과서에 대해서 설명한다.
본 논문에서는 타블렛 PC 기반의 커팅 효과가 포함된 3D 디지털 교과서용 콘텐츠를 개발하였고, 이 디지털 교과서는 초등학교 5학년 과학의 ‘화산과 암석‘ 내용을 포함하고 있다.
본 알고리즘에서 객체를 구성하는 삼각형과 커팅 스트로크가 2개 혹은 0개의 교차점을 만들고, 하나의 에지에는 1개 혹은 0개의 교차점이 존재한다고 가정하고 있다. 이러한 가정은 빠른 계산 속도와 예상하지 못한 오류가 발생할 가능성을 줄이기 위한 것이다. 그러나 커팅 스트로크가 날카롭게 만들어지면 이러한 가정이 깨지기 쉽다.

가설 설정

본 알고리즘에서 객체를 구성하는 삼각형과 커팅 스트로크가 2개 혹은 0개의 교차점을 만들고, 하나의 에지에는 1개 혹은 0개의 교차점이 존재한다고 가정하고 있다. 이러한 가정은 빠른 계산 속도와 예상하지 못한 오류가 발생할 가능성을 줄이기 위한 것이다.

제안 방법

하지만 3D 공간의 객체를 2D 공간으로 투영(projection)하여 교차검사를 계산하게 되면 수행 시간이 줄어든다. 그래서 우리는 3D 공간에 있는 모델의 에지들을 커팅 스트로크가 그려진 스크린 좌표계(2D)로 투영하여 교차 검사를 진행한다. 이 투영은 에지의 양 끝점에 객체의 월드(world) 변환행렬, 뷰(view) 변환행렬과 투영변환행렬을 차례로 곱해서 계산된다.
본 논문에서는 우리가 조작하는데 있어서 효과적인 인터페이스를 디지털 교과서를 개발하면서 어떻게 구현했는지 설명할 것이다. 그리고 우리가 개발한 커팅 알고리즘이 어떻게 설계되었는지 설명한 뒤 이것을 이용하여 직선이나 자유 곡선을 이용하여 내부가 다층 구조인 3D 객체를 잘랐을 때 생겨나는 결과물들을 설명한다. 그리고 우리가 개발한 콘텐츠가 실제로 수업에 사용되었을 때 학습자 및 교수자의 의견에 대해서 시범서비스의 결과를 토대로 설명한다.
엔진이 스크립트 언어 중 하나인 Lua를 지원하기 때문에 콘텐츠의 기본적인 요소들은 Lua를 이용하여 개발하였다. 그리고 콘텐츠의 핵심적인 내용인 3D 객체를 자른 뒤 실시간으로 단면을 생성하여 보여주기 위한 알고리즘을 개발하였다. 우리가 설계한 알고리즘에 대한 설명은 Ⅳ.
우리가 사용한 커팅 알고리즘은 Shigeru가 제안한 방법과 비슷하다. 본 논문에서 개발한 알고리즘도 내부가 비어 있는 모델을 사용하지만 내부 단면을 표현하기 위해서 각각의 층마다 별도의 모델을 두어서 단면을 만들 때 이용한다.
본 논문에서 구현된 커팅 알고리즘에서는 커팅 스트로크의 진행 방향에서 오른쪽에 있는 객체의 부분을 남기고, 반대쪽 부분은 제거한다. 만약에 커팅 스트로크에서 자체적으로 교차하는 부분이 존재한다면 객체에서 커팅 후에 남기는 부분과 지워야 할 부분을 구분해 내기가 어려워진다.
우리는 ‘화산과 암석’을 3D 디지털 교과서용 콘텐츠로 개발하기 위해서 우선적으로 컴퓨터 그래픽스 전문가와 교육 전문가가 함께 수 차례의 회의를 통해서 효과적인 교육효과를 볼 수 있는 시나리오를 구성하였다.
우리의 콘텐츠는 초등학교 5학년 학생을 대상으로 개발되었으며 콘텐츠의 내용은 5학년의 과학 교과 과정에 있는 ’화산과 암석’이다. 우리는 이 콘텐츠를 ETRI와 동아사이언스(주)의 협력 하에 개발하였으며, ETRI에서 자체 개발한 디지털 교과서용 3D 렌더링 엔진을 이용하여 제작했다. 본 논문에서는 우리가 조작하는데 있어서 효과적인 인터페이스를 디지털 교과서를 개발하면서 어떻게 구현했는지 설명할 것이다.
그리고 화산모델은 7개의 층으로 구성되어 있다. 우리의 알고리즘은 모델이 많은 다각형을 사용하여 정밀도가 높아질수록 단면 생성의 정확도가 높아지기 때문에 모델을 만들 때 이런 점들을 고려하여 제작하였다.
이 콘텐츠의 내용을 구현하기 위해서 디지털 교과서용으로 ETRI에서 개발한 엔진과 콘텐츠를 만들 수 있도록 지원해주는 저작도구를 사용하였다. 엔진이 스크립트 언어 중 하나인 Lua를 지원하기 때문에 콘텐츠의 기본적인 요소들은 Lua를 이용하여 개발하였다.
우리는 작성한 시나리오를 토대로 컨텐츠의 개발에 앞서서 [그림 1]과 같이 컨텐츠의 시나리오 흐름도를 작성하였다. 이렇게 작성된 시나리오에 기반하여 우리는 ETRI에서 개발한 디지털 교과서를 위한 3D 엔진을 이용하여 콘텐츠를 개발하였다. 콘텐츠는 타블렛 PC에 맞춰서 개발되었는데, 왜냐하면 타블렛 PC는 학습자들이 손쉽게 활용할 수 있다는 장점이 있고 이미 디지털 교과서를 구현하는데 필요한 도구적 중재 효과를 갖고 있다고 평가되었기 때문이다.
본 논문에서는 타블렛 PC 기반의 커팅 효과가 포함된 3D 디지털 교과서용 콘텐츠를 개발하였고, 이 디지털 교과서는 초등학교 5학년 과학의 ‘화산과 암석‘ 내용을 포함하고 있다. 콘텐츠의 인터페이스는 타블렛 PC를 이용함으로써 직관적인 인터페이스를 설계할 수 있었고, 지구와 화산을 자르는데 있어서 사용자의 흥미를 끌 수 있도록 구성하였다. 본 연구에서 개발한 콘텐츠는 실제로 향후 전국의 초등학생들을 대상으로 서비스할 예정이며, 이번에 시범서비스를 통하여 그 타당성과 활용 가능성을 확인할 수 있었다.
투영된 에지와 커팅 스트로크의 교차 검사을 진행하기 전에 스트로크와 교차될 가능성이 없는 에지를 제거하는 전처리를 진행한다. 이 전처리는 우선 에지가 이루고 있는 삼각형의 외심원을 계산하고, 외심원의 중심과 가장 가까운 스트로크 선분을 찾는다.

대상 데이터

본 논문에서 구현된 화산과 암석 콘텐츠에 기반하여 대전에 위치한 초등학교를 대상으로 26명의 학생과 3명의 교사가 참여하는 시범 서비스를 진행하였다. [그림 13]은 시범서비스를 마치고 교사와 학생을 대상으로한 설문을 정리한 내용이다.
우리는 ‘화산과 암석’을 3D 디지털 교과서용 콘텐츠로 개발하기 위해서 우선적으로 컴퓨터 그래픽스 전문가와 교육 전문가가 함께 수 차례의 회의를 통해서 효과적인 교육효과를 볼 수 있는 시나리오를 구성하였다. 시나리오는 학습 대상자로 삼은 초등학교 5학년이 우리의 콘텐츠를 조작하고, 콘텐츠의 흐름을 따라가면서 화산과 암석에 대해서 학습할 수 있게 하는 쪽에 초점을 맞추도록 구성되었다.

성능/효과

차트는 문항의 내용에 매우 만족하면 5점을 부여하고 매우 만족하지 않으면 1점을 부여해서 1에서 5점 사이의 점수를 기록하도록 했다. 차트를 보면 이번 시범 서비스 결과는 교사와 학생 모두 화산과 암석 콘텐츠가 교육적 측면에서는 도움이 되고 있다고 느꼈다는 사실을 알 수 있다. 다만 기존 교과서 대비 만족도 부분의 평균 점수가 다른 항목보다 다소 낮게 나왔기 때문에 이 부분을 보완하기 위해서 앞으로 콘텐츠에 흥미롭고 재미있는 부분을 추가해야할 것이라고 생각한다.

후속연구

차트를 보면 이번 시범 서비스 결과는 교사와 학생 모두 화산과 암석 콘텐츠가 교육적 측면에서는 도움이 되고 있다고 느꼈다는 사실을 알 수 있다. 다만 기존 교과서 대비 만족도 부분의 평균 점수가 다른 항목보다 다소 낮게 나왔기 때문에 이 부분을 보완하기 위해서 앞으로 콘텐츠에 흥미롭고 재미있는 부분을 추가해야할 것이라고 생각한다. 마지막으로 디지털 교과서에서만 구현가능한 부분을 더욱 강화하여 학생들이 디지털 교과서 기반 학습에 충분한 만족감을 가질 수 있도록 개선할 필요가 있다.
앞으로 증강현실과 같이 사용자의 인터렉션을 보다 활성화 시킬 수 있는 기술 요소가 추가된다면, 더욱 효과적인 교육용 콘텐츠를 개발할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 본 논문의 연구결과를 디지털 교과서를 구성하는 다른 교육 콘텐츠에도 활용하여 성공적으로 서비스될 수 있는 디지털 교과서 콘텐츠들을 제작하는데 도움이 될 것으로 전망된다.
다만 기존 교과서 대비 만족도 부분의 평균 점수가 다른 항목보다 다소 낮게 나왔기 때문에 이 부분을 보완하기 위해서 앞으로 콘텐츠에 흥미롭고 재미있는 부분을 추가해야할 것이라고 생각한다. 마지막으로 디지털 교과서에서만 구현가능한 부분을 더욱 강화하여 학생들이 디지털 교과서 기반 학습에 충분한 만족감을 가질 수 있도록 개선할 필요가 있다.
콘텐츠의 인터페이스는 타블렛 PC를 이용함으로써 직관적인 인터페이스를 설계할 수 있었고, 지구와 화산을 자르는데 있어서 사용자의 흥미를 끌 수 있도록 구성하였다. 본 연구에서 개발한 콘텐츠는 실제로 향후 전국의 초등학생들을 대상으로 서비스할 예정이며, 이번에 시범서비스를 통하여 그 타당성과 활용 가능성을 확인할 수 있었다.
앞으로 증강현실과 같이 사용자의 인터렉션을 보다 활성화 시킬 수 있는 기술 요소가 추가된다면, 더욱 효과적인 교육용 콘텐츠를 개발할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 본 논문의 연구결과를 디지털 교과서를 구성하는 다른 교육 콘텐츠에도 활용하여 성공적으로 서비스될 수 있는 디지털 교과서 콘텐츠들을 제작하는데 도움이 될 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교육과학기술부에서 디지털 교과서 개발 사업을 추진을 시작한 년도는?	이를 증명하듯이 많은 콘텐츠 개발 회사에서 이러닝(e-Learning) 콘텐츠를 개발하고 있고 실제로 교육에 사용하고 있다. 또한 국가 기관인 교육과학기술부에서도 2007년부터 디지털 교과서 개발 사업을 추진하고 있다. 중학교 과학 ‘지질’ 영역에서 이러닝을 활용하여 수업을 했을때 생기는 효과에 대해서 조사한 논문[1] 이나 이러닝을 이용한 일본어 악센트 듣기 연습에 대하여 연구한 논문[2]을 보았을 때, 현재 개발되고 있는 디지털 교과서들은 다양한 과목과 학년을 대상으로 하고 있다는 사실을 알 수 있다.
	콘텐츠는 타블렛 PC에 맞춰서 개발되는 이유는?	이렇게 작성된 시나리오에 기반하여 우리는 ETRI에서 개발한 디지털 교과서를 위한 3D 엔진을 이용하여 콘텐츠를 개발하였다. 콘텐츠는 타블렛 PC에 맞춰서 개발되었는데, 왜냐하면 타블렛 PC는 학습자들이 손쉽게 활용할 수 있다는 장점이 있고 이미 디지털 교과서를 구현하는데 필요한 도구적 중재 효과를 갖고 있다고 평가되었기 때문이다.[8]
	타블렛 PC 기반의 커팅 효과가 포함된 3D 디지털 교과서용 콘텐츠를 대전에 있는 초등학교를 대상으로 시범서비스한 결과는?	차트는 문항의 내용에 매우 만족하면 5점을 부여하고 매우 만족하지 않으면 1점을 부여해서 1에서 5점 사이의 점수를 기록하도록 했다. 차트를 보면 이번 시범 서비스 결과는 교사와 학생 모두 화산과 암석 콘텐츠가 교육적 측면에서는 도움이 되고 있다고 느꼈다는 사실을 알 수 있다. 다만 기존 교과서 대비 만족도 부분의 평균 점수가 다른 항목보다 다소 낮게 나왔기 때문에 이 부분을 보완하기 위해서 앞으로 콘텐츠에 흥미롭고 재미있는 부분을 추가해야할 것이라고 생각한다. 마지막으로 디지털 교과서에서만 구현가능한 부분을 더욱 강화하여 학생들이 디지털 교과서 기반 학습에 충분한 만족감을 가질 수 있도록 개선할 필요가 있다.

참고문헌 (10)

이재응, 이용섭, 김상달, "중학교 과학 '지질' 영역에서 e-Learning활용 수업이 장？단기 파지에 미치는효과", 한국지구과학회지, 제26권, 제6호, pp.469-476, 2008.
최장원, 김유영, "e-Learning을 이용한 일본어 악센트 듣기 연습", 日語日文學硏究, 제64권, 제1호, pp.263-280, 2008.
정영식, "디지털 교과서 평가 준거 개발", 컴퓨터교육학회 논문지, 제11권, 제3호, pp.13-20, 2008.
이혜경, 김향숙, "KERIS의 사이버 가정학습 시스템에 적합한 SCORM기반 수학과 e-Learning 콘텐츠 설계 및 개발", 수학교육 논문집, 제20권, 제3호, pp.425-441, 2006.
S. Owada, F. Nielsen, M. Okabe, and T. Igarashi, "Volumetric illustration: designing 3d models with internal textures," ACM Transactions on Graphics, Vol.23, No.3, pp.322-328, 2004.

상세보기
E. Sifakis, K. G. Der, and R. Fedkiw, "Arbitrary Cutting of Deformable Tetrahedralized Objects," ACM Transactions on Graphics. Vol.26, No.3, pp.73-80, 2007.

상세보기
K. Takayama, M. Okabe, T. Ijiri, and T. Igarashi, "Lapped Solid Textures : Filling a Model with Anisotropic Textures," ACM Transactions on Graphics, Vol.27, No.3, Article No.53, 2008.

상세보기
류지헌, "태블릿 PC 기반의 디지털교과서 수업에 대한 교실 생태학적 분석", 교육공학연구 논문지, 제24권, 제2호, pp.271-297, 2008.
http://ozviz.wasp.uwa.edu.au/-pbourke/geometry/lineline2d/
D. Eberly, Triangulation by ear clipping. http://www.geometrictools.com/Documentation,2008.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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