본 논문은 저학년을 위한 공학설계입문 과목에서 레고 Mindstorm NXT를 이용하여 설계 실습교육을 효과적으로 하는 방안을 제안하고 적용 사례를 분석하였다. 공학설계입문 과목의 특성상 전공 지식을 요구하지 않으면서도 설계에 대한 다양한 경험을 제공해야 하면서 동시에 저학년들의 전공에 대한 흥미를 끌어내야 한다는 어려움이 있다. 본 연구 결과에 따르면, 레고의 Mindstorm NXT가 이러한 문제의 한가지 좋은 대안이 될 수 있다. LEGO Mindstormd NXT를 입문설계 수업에 사용했을 경우, 학생들의 설계에 대한 흥미 유발과 설계의 다양한 측면에 대한 경험이 충분히 가능하다. 즉, 설계의 목적설정, 설계 제약조건 찾기, 설계물의 기능 열거, 설계 공간의 탐색, 예비설계 수행 등의 설계 각 과정에 대한 경험을 제공할 수 있다. 또한, 본고에서는 레고를 공학설계 입문 과목에서 도입할 경우 사용할 만한 무선조정 축구 로봇, 라인 트레이서, 청소기 로봇 등의 프로젝트 목록을 제시하였다.
본 논문은 저학년을 위한 공학설계입문 과목에서 레고 Mindstorm NXT를 이용하여 설계 실습교육을 효과적으로 하는 방안을 제안하고 적용 사례를 분석하였다. 공학설계입문 과목의 특성상 전공 지식을 요구하지 않으면서도 설계에 대한 다양한 경험을 제공해야 하면서 동시에 저학년들의 전공에 대한 흥미를 끌어내야 한다는 어려움이 있다. 본 연구 결과에 따르면, 레고의 Mindstorm NXT가 이러한 문제의 한가지 좋은 대안이 될 수 있다. LEGO Mindstormd NXT를 입문설계 수업에 사용했을 경우, 학생들의 설계에 대한 흥미 유발과 설계의 다양한 측면에 대한 경험이 충분히 가능하다. 즉, 설계의 목적설정, 설계 제약조건 찾기, 설계물의 기능 열거, 설계 공간의 탐색, 예비설계 수행 등의 설계 각 과정에 대한 경험을 제공할 수 있다. 또한, 본고에서는 레고를 공학설계 입문 과목에서 도입할 경우 사용할 만한 무선조정 축구 로봇, 라인 트레이서, 청소기 로봇 등의 프로젝트 목록을 제시하였다.
In this paper the author proposes a case study of a freshmen introduction to engineering design course ing LEGO Mindstorm NXT and analyzes the survey results of the course. The diffilculties are that this course should provide various aspects of design experiences to the students while not requiring...
In this paper the author proposes a case study of a freshmen introduction to engineering design course ing LEGO Mindstorm NXT and analyzes the survey results of the course. The diffilculties are that this course should provide various aspects of design experiences to the students while not requiring the major knowledge and skills and it should attract the students to the engineering major. According to our case study LEGO mindstorm can be a good solution to this problem. The design experience with LEGO Mindstorm NXT provides students with various aspects of design experiences including defining problem, finding constraints and functions, exploring design space, and performing preliminary design, as well as fun. This paper also provides a project list that can be used for freshmen design experience including soccer game robots, line tracer, and vacuum cleaner etc.
In this paper the author proposes a case study of a freshmen introduction to engineering design course ing LEGO Mindstorm NXT and analyzes the survey results of the course. The diffilculties are that this course should provide various aspects of design experiences to the students while not requiring the major knowledge and skills and it should attract the students to the engineering major. According to our case study LEGO mindstorm can be a good solution to this problem. The design experience with LEGO Mindstorm NXT provides students with various aspects of design experiences including defining problem, finding constraints and functions, exploring design space, and performing preliminary design, as well as fun. This paper also provides a project list that can be used for freshmen design experience including soccer game robots, line tracer, and vacuum cleaner etc.
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문제 정의
[그림 8]과 같이 120cm × 240cm 크기의 판위에 30cm × 60cm 크기의 장애물 3개가 임의의 위치에 놓여져 있고 센서를 이용하여 이를 피해서 판 위의 12 개의 작은 블록들을 제한된 시간 (2분) 안에 가장 많이 건드리는 것이 목적이다.
공학설계입문은 전공 지식을 사용하지 않으면서 설계의 다양한 측면을 경험하도록 설계실습이 구성되어야 하고, 공학에 관하여 처음 접하는 관문 과목이기 때문에 공학에 대한 흥미를 유발하도록 해야 한다. 레고의 Mindstorm NXT 키트를 사용하여 이러한 요구사항을 만족시키는 한 방안을 제시하였다. 기말 설문조사 결과 이러한 시도는 상당히 긍정적인 것으로 나타났다.
제약조건으로는 사용가능한 센서의 수와 시간이다. 목적은 임수완수에 사용된 시간 + 비용(센서의 수)를 최소화하는 것이다.
라인트레이싱 프로젝트에서는 개념설계를 주로 연습하였다. 특히, 설계 공간 탐색을 통하여 다양한 방식의 설계들 간의 trade-off를 확인해 보는 경험이 주요 목적이다.
제안 방법
강의에 대한 평가는 수업시간 중의 수강생 대상 심화 설문으로 수행하였다. 이 설문은 무기명으로 강의 마지막주에 수행되었다.
레고 마인드스톰 NXT를 이용하여 설계 수업을 진행한 결과에 근거하여 완성한 상세 교과 과정 내용을 소개한다. 이 과정에 따라 한동대 전산전자공학에서 2008년 가을학기에 17개팀을 대상 (2명/팀)으로 공학설계입문을 운영한 바 있다.
본 논문에서는 레고사의 프로그램가능한 로봇 키트인 마인드스톰 시리즈의 최신판인 마인드스톰 NXT 키트를 사용하여 공학설계입문 과정의 설계 실습 과제를 디자인한다. 이러한 시도의 장점은, 일반적 상식과 논리적 사고만 가능하면 누구나 창작품을 만들 수 있는 레고의 특성상 전공지식이 없어도 충분히 공학설계의 여러 요소들을 경험할 수 있으며 장난감이란 특성으로 학생들이 흥미있게 수업에 참가할 수 있도록 하는 것이다.
청소로봇 프로젝트는 예비설계 단계를 연습하는 것이 주된 목적이다. 실제 진공청소기 대신에 바닥에 고루 흩어진 블록들을 모두 건드리고 지나가는 것을 청소 행위로 간주하여 평가한다.
대상 데이터
축구장은 120cm × 240cm의 직사각형이고 양 골대를 제외한 모든 면이 벽으로 둘러싸여 있다.
이론/모형
로봇축구 프로젝트에서는 설계 문제의 정의 (제약조건, objective, function의 구분) 단계를 연습한다. 소프트 스킬 면에서 설계 팀의 운영을 위한 팀워크와 아이디어 생성을 위한 브레인스토밍 방법론을 연습한다.
성능/효과
(1)레고로 인해서 설계를 배우는데 도움이 되었는가, (2) 레고를 사용한 설계가 흥미가 있었는가, (3) 레고를 이용한 설계와 이론 강의가 잘 연결되었는가에 대한 질문의 답변 가중 평균치가 5점 만점에 각각 3.6, 3.5, 3.1 점으로 대체로 긍정적인 편이다. 긍정적으로 답한 경우(매우그렇다와 대체로 그렇다)가 문항별로 각각 64%, 68%, 45%로 조사되었고, 부정적인 답변(매우아니다와 조금아니다)은 문항별로 각각 6%, 16%, 29% 로 조사되었다.
(2)특별한 전공지식이나 특별한 분야의 과학 지식만을 요구해서는 안된다.
이질문은 복수 선택이 가능한 문항이다. 결과는, 설계에 대한 흥미를 유발할 수 있었다, 장난감이라서 친숙하다, 즉시로 아이디어를 구현해볼 수 있어서 좋았다는 항목을 각각 61%, 52%, 42%가 선택하였다. 이 문항의 결과는, 레고를 이용하여 설계에 대한 흥미 유발과 설계를 전문지식이 없이도 구현해 볼 수 있도록 해보자는 취지가 어느정도 달성이 된 것으로 파악된다.
1 점으로 대체로 긍정적인 편이다. 긍정적으로 답한 경우(매우그렇다와 대체로 그렇다)가 문항별로 각각 64%, 68%, 45%로 조사되었고, 부정적인 답변(매우아니다와 조금아니다)은 문항별로 각각 6%, 16%, 29% 로 조사되었다. 이 세가지 모든 설문 항목에서 대체로 긍정적인 답변이 우세한 편이다.
레고의 Mindstorm NXT 키트를 사용하여 이러한 요구사항을 만족시키는 한 방안을 제시하였다. 기말 설문조사 결과 이러한 시도는 상당히 긍정적인 것으로 나타났다. 다만, 설계 실습에 대한 부담을 낮추기 위해서 첫번째 설계 과제 시에 소프트웨어 부분은 예제를 제시할 필요가 있다.
다음은, 로봇축구, 라인트레이서, 청소로봇의 3가지 각각의 설계 주제가 얼마나 유익했는가에 대한 설문조사 결과이다. 답변의 가중 평균치는 5점 만점에 각각 4.0, 4.0, 3.8점으로 매우 긍정적이었다. 긍정적인 답변 (5점과 4점)이 각 주제별로 78%, 74%, 66%이며, 부정적인 답변 (1점과 2점)은 각 주제별로 3%, 0%, 3%에 불과했다.
이것도 복수 선택이 가능한 질문이다. 센서사용에 대한 팁이 더 필요하다, 설계 테스트 환경이 개선되어야 한다, 제어 알고리즘에 대한 힌트가 더 필요하다, 레고 부품이 더 구입되어야 한다가 39%, 35%, 35%로 대부분의 답변을 차지하였다.
종합하건대, 레고를 사용한 설계 경험이 유익하였으나 설계 과제의 양이 부담스럽게 느껴졌고 설계이론 수업에 대한 이해도가 높지는 않았다는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마인드스톰의 가장 중요한 특징은 무엇인가?
마인드스톰 NXT는 부품들의 기능과 종류가 매우 다양하고 고급 사양이어서 어린이들 뿐만 아니라 대학생들이 상상과 창작의 나래를 펴기에 충분한 터전을 제공할 수 있다. 마인드스톰의 가장 중요한 특징은 전통적인 레고 블록 외에 마이크로프로세서와 센서와 모터를 내장하여 자신이 만든 창작물에 지능을 부여하고 자율적으로 움직이는 작품을 만들 수 있다는 것이다. 마인드스톰 NXT의 주요 외형 구성 부품들과 그 주요 특징은 다음과 같다.
공학 설계 입문과목에서 설계 실습이 되기 위해서는 어떤 특성을 가져야 하는가?
(1)분명한 미션이 있어야 한다. (설계물이 수행하고자하는 목적이 있어야 함)
(2)제약 조건이 있어야 한다. (사용 가능한 자원, 비용, 무게, 크기, 성능 등)
(3)Open-ended 문제이어야 한다 (여러가지 가능한해가 존재해서 설계 공간을 탐색하고 해들 간에선택 문제가 존재해야 한다)
(4)팀웍을 실습할 수 있어야 한다. (단독이 아닌 팀을 이루어서 해야 한다)
(5)의사소통 능력(구두, 문서)에 대한 훈련과 실습이 되어야 한다. (프리젼테이션과 설계 결과물에대한 문서화가 수반되어야 한다.)
(6)창의성을 발휘할 수 있어야 한다 (특정 수학 공식으로 유일한 해가 발견되는 것은 공학설계 문제로 볼 수 없다.)
마인드스톰을 이용한 작품의 개발과 시험은 어떤 과정을 거치는가?
마인드스톰을 이용한 작품의 개발과 시험은, (1) 문제정의 및 아이디어 구상 (2) 로봇 외형 제작하기 (3) 로봇 제어 프로그램 작성하기 (4) 시험 및 평가의 4단계를 거친다. [그림 5]는 레고 마인드스톰NXT를 이용하여 만든 간단한 로봇의 외형이다.
참고문헌 (5)
Daniel Cliburn (2006), An Introduction to the Lego Mindstorm, Procs. of the 2006 ASCUE Conference. pp.25-32
Frank Klassner (2002). A Case study of LEGO Mindstorms Suitablility for Artificial Intelligence and Robotics Courses at Colllege Level. Proc. of the 33rd SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education, pp.8-12
Michael J Jipping (2007), Teaching Students Java Bytecode Using Lego Mindstorms Robots, Proc. of the 38th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education, pp.170-174
Ciar Mc Golddrick, Meriel Huggard (2004), Peer Learning with Lego Mindstorms, Proc of the 34th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference, S2F-24 - 29
Jonathan A. Gray (2006), Toeing the Line: Experiments with Line-following Algorithms http://www.fll-freak.com/misc/01-jgray_report.pdf
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