본 연구에서는 프로그래밍 학습을 위한 교육용 로봇을 설계하고 구현하였다. 제작된 로봇은 센서와 프로세서 그리고 모터 구동회로를 포함하고 있는 하드웨어와 교육용 로봇 제어 소프트웨어, 로봇 구조물 제작용 기계부품 그리고 교육내용과 제작 매뉴얼이 포함된 교재로 구성되어 있다. 제작된 로봇은 컴퓨터를 사용하지 않고 로봇에 직접 프로그래밍이 가능한 특징을 갖고 있는데 이는 로봇 교육에 있어서 장소의 제약을 받지 않고 교육이 가능함을 의미하며 학생들의 프로그래밍 결과가 로봇의 움직임으로 나타나므로 기존의 정적인 컴퓨터 프로그램 교육의 한계를 넘어 동적인 프로그램 교육이 가능하다. 그리고 간단한 하드웨어 지식과 기초 명령어만으로도 로봇을 제어할 수 있도록 사용자 중심의 함수화된 명령어를 사용하여 로봇이나 컴퓨터 프로그램을 처음 접하는 학생들도 쉽게 접근이 가능하도록 설계 하였다.
본 연구에서는 프로그래밍 학습을 위한 교육용 로봇을 설계하고 구현하였다. 제작된 로봇은 센서와 프로세서 그리고 모터 구동회로를 포함하고 있는 하드웨어와 교육용 로봇 제어 소프트웨어, 로봇 구조물 제작용 기계부품 그리고 교육내용과 제작 매뉴얼이 포함된 교재로 구성되어 있다. 제작된 로봇은 컴퓨터를 사용하지 않고 로봇에 직접 프로그래밍이 가능한 특징을 갖고 있는데 이는 로봇 교육에 있어서 장소의 제약을 받지 않고 교육이 가능함을 의미하며 학생들의 프로그래밍 결과가 로봇의 움직임으로 나타나므로 기존의 정적인 컴퓨터 프로그램 교육의 한계를 넘어 동적인 프로그램 교육이 가능하다. 그리고 간단한 하드웨어 지식과 기초 명령어만으로도 로봇을 제어할 수 있도록 사용자 중심의 함수화된 명령어를 사용하여 로봇이나 컴퓨터 프로그램을 처음 접하는 학생들도 쉽게 접근이 가능하도록 설계 하였다.
In this study an educational robot for programming education was designed and implemented. The robot in this study is composed of hardware containing a sensor, a processor, and a motor driver circuit, software to control the educational robot, machine parts to manufacture the robot structure, and a ...
In this study an educational robot for programming education was designed and implemented. The robot in this study is composed of hardware containing a sensor, a processor, and a motor driver circuit, software to control the educational robot, machine parts to manufacture the robot structure, and a teaching material containing educational contents and the manufacturing manual. This robot is characterized by direct programming without a computer, which gives no spatial restrictions on robot education and enables dynamic program education beyond limitations of the existing static computer program education since students' programming results are found in the robot's movements. User-centered functional commands, which make it possible to control the robot with simple knowledge concerning hardware and basic commands, were used to enable even students who first accessed a robot or computer program to make access with ease.
In this study an educational robot for programming education was designed and implemented. The robot in this study is composed of hardware containing a sensor, a processor, and a motor driver circuit, software to control the educational robot, machine parts to manufacture the robot structure, and a teaching material containing educational contents and the manufacturing manual. This robot is characterized by direct programming without a computer, which gives no spatial restrictions on robot education and enables dynamic program education beyond limitations of the existing static computer program education since students' programming results are found in the robot's movements. User-centered functional commands, which make it possible to control the robot with simple knowledge concerning hardware and basic commands, were used to enable even students who first accessed a robot or computer program to make access with ease.
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문제 정의
본 연구에서는 기존 컴퓨터 프로그램 학습과 블록을 이용한 교육의 한계를 극복할 수 있는 프로그램 제어 방식의 교육용 로봇을 설계 및 구현하였다. 또한 설계된 로봇이 초등학생과 공업고등학생들의 프로그래밍 학습에 대한 이해도와 완성도에 미치는 영향을 알아보았다.
로봇의 동작을 위해서는 몸체를 구성하는 부품들이 필요하며 학생들이 로봇의 몸체를 창의적으로 디자인할 수있는 조립식 부품이 필요하다. 본 논문에서는 알루미늄 합금 프레임을 사용하여 다양한 형태의 로봇을 조립할수 있도록 설계하였다. 다음으로 완성된 몸체가 움직일수 있도록 하기 위한 액추에이터로는 DC모터와 RC서보모터를 사용하였으며 외부 정보를 감지하기 위해서 적외선 센서, 소리감지 센서 그리고 터치센서 등이 사용되었다.
본 연구에서는 기존 컴퓨터 프로그램 교육과 블록을 이용한 교육의 한계를 극복할 수 있는 프로그램 제어 방식의 교육용 로봇을 설계 및 구현하고자 한다. 단순히 컴퓨터 모니터 상에서 텍스트 명령어를 입력하여 구문을 암기하는 수준이 아닌 자신이 직접 프로그래밍 한 결과가 로봇에 전송되어 원하는 방향으로 동작을 제어할 것이며, 또한 컴퓨터를 이용한 프로그램 작성방식이 아닌 로봇에 직접 제어 프로그램을 입력할 수 있도록 하드웨어를 개발하여 장소와 주변 시설을 갖추지 않고도 교육이 가능하도록 설계 및 구현하고 이를 적용하고자 한다.
본 연구에서는 기존 컴퓨터 프로그램 학습과 블록을 이용한 교육의 한계를 극복할 수 있는 프로그램 제어 방식의 교육용 로봇을 설계 및 구현하였다. 또한 설계된 로봇이 초등학생과 공업고등학생들의 프로그래밍 학습에 대한 이해도와 완성도에 미치는 영향을 알아보았다.
기존의 로봇 제어 프로그램 방식이 컴퓨터로 작성한 프로그램을 이용하여 로봇을 제어하는 반면 본 논문에서는 일반적인 키보드를 로봇에 직접 연결하여 제어 프로그램을 입력할 수 있도록 하였다. 이를 통해 로봇 교육에 있어서 장소의 제약을 받지 않을 뿐만 아니라 부대시설을 갖추지 않고도 교육이 가능하도록 하였다.
그러나 이러한 프로그램 언어들은 처음부터 상당 수준의 논리력과 하드웨어에 대한 지식을 요구하고 있어 자칫 로봇이나 프로그램을 처음 접하는 학생들의 학습 의욕을 저하 시킬 수 있는 문제점을 갖고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 로봇제어에 필요한 프로그램 명령어들을 함수화 하였으며 이 함수들을 명령어로 사용할 수 있도록 설계하였다.
가설 설정
셋째, 프로그램 교육에 새로운 패러다임을 설정할 수 있을 것이다. 로봇교육은 프로그래밍 결과가 고정된 화면과 소리에 의해 출력된 기존의 프로그램 교육의 한계를 넘어 물리적 움직임으로 나타낼 수 있다.
첫째, 프로그래밍 언어(명령어)학습. 기존 베이직 언어를 기반으로 한 로봇제어 명령어를 학습한다.
제안 방법
첫째, 프로그래밍 언어(명령어)학습. 기존 베이직 언어를 기반으로 한 로봇제어 명령어를 학습한다. 하나의 명령어를 배우면 바로 로봇에 적용하여 동작을 확인하도록 하였다.
본 연구의 결과를 토대로 다음과 같은 결론을 얻었다. 기존의 로봇 제어 프로그램 방식이 컴퓨터로 작성한 프로그램을 이용하여 로봇을 제어하는 반면 본 논문에서는 일반적인 키보드를 로봇에 직접 연결하여 제어 프로그램을 입력할 수 있도록 하였다. 이를 통해 로봇 교육에 있어서 장소의 제약을 받지 않을 뿐만 아니라 부대시설을 갖추지 않고도 교육이 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 기존 컴퓨터 프로그램 교육과 블록을 이용한 교육의 한계를 극복할 수 있는 프로그램 제어 방식의 교육용 로봇을 설계 및 구현하고자 한다. 단순히 컴퓨터 모니터 상에서 텍스트 명령어를 입력하여 구문을 암기하는 수준이 아닌 자신이 직접 프로그래밍 한 결과가 로봇에 전송되어 원하는 방향으로 동작을 제어할 것이며, 또한 컴퓨터를 이용한 프로그램 작성방식이 아닌 로봇에 직접 제어 프로그램을 입력할 수 있도록 하드웨어를 개발하여 장소와 주변 시설을 갖추지 않고도 교육이 가능하도록 설계 및 구현하고 이를 적용하고자 한다.
두 그룹의 학생들은 모두 베이직을 기반으로 하는 프로그래밍 학습을 진행하였으며 아래 표와 같이 조건문, 반복문, 입출력문, 변수사용 그리고 순서도 이해 및 작성과 같은 내용을 적용하여 평가 하였다.
하나의 명령어를 배우면 바로 로봇에 적용하여 동작을 확인하도록 하였다. 둘째, 프로그램 예제 분석. 특정 동작을 수행하는 예제 프로그램을 분석하고 프로그램에 의한 로봇의 동작을 유추한다.
로봇의 몸체를 구성하는 블록, 프레임 등은 과학상자와 부품과 호환될 수 있도록 설계하였다. 이를 통해 로봇 구조물이 보다 다양하고 창의적으로 조립될 수 있도록 하였다.
로봇제어용 프로그래밍 학습은 아래 표와 같이 12단계로 구분되어 로봇을 제작하고 제어 프로그램을 작성할수 있도록 구성되었다. 프로그램을 위한 학습 과정은 다음과 같은 3단계로 진행된다.
본 연구에서 프로그램 제어 로봇은 하드웨어, 소프트 웨어, 기계 구성부품 그리고 학습내용 등 크게 네 부분으로 나뉘어 설계되었다.
정상적으로 변환된 명령어는 EEPROM에 순차적으로 저장되어 전원이 차단된 상태에서도 명령어를 기억하게 된다. 사용자 작성용 프로그램 명령어는 LED, WAIT, SVM, RTP, IF, END 그리고 DCM 등 크게 7종류로 나누어 설계 되었다.
이러한 기계 구성품을 이용하여 로봇을 조립하기 위해서는 매뉴얼이 필요하다. 이를 위해서 솔리드웍스를 이용하여 로봇제작 과정을 3D로 디자인 하였다.
그리고 컴퓨터에서 작성된 프로그램을 로봇에 전송 하기 위한 케이블이 필요하게 되어 전송에 번거로울 뿐만 아니라 시간도 소모 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 로봇제어용 프로그램이 하드웨어에 내장된 임베 디드 보드를 제작하였다.
적용대상 학생들의 평가는 두 그룹으로 나누어 1학기 동안 진행하였다. 한 그룹은 프로그래밍 학습을 위해 로봇을 적용하지 않고 컴퓨터를 기반으로 하였고 다른 그룹은 본 연구에서 설계된 로봇을 적용하여 프로그래밍 학습을 진행하였다.
입력부의 경우, PS/2 또는 USB 키보드를 사용하여 명령어를 입력하고 각종 제어키를 입력 할 수 있도록 설계되었다. 출력부는 LCD를 이용하여 프로그램 입력 상황과 에러 메시지 출력 등의 디스플레이 동작을 수행하도록 설계 되었다. 마지막으로 프로세서부는 이 하드웨어의 핵심부분으로 교육용 로봇의 보편적인 기능인 센서입력, DC모터․서보모터 구동 그리고 LED출력 동작을 수행한다.
셋째, 로봇 제작 및 프로그래밍. 특정 동작을 수행하는 로봇을 제작하고 프로그램을 작성하여 동작을 확인한다.
둘째, 프로그램 예제 분석. 특정 동작을 수행하는 예제 프로그램을 분석하고 프로그램에 의한 로봇의 동작을 유추한다. 그런 다음 실제 로봇에 입력하여 동작을 확인한다.
기존 베이직 언어를 기반으로 한 로봇제어 명령어를 학습한다. 하나의 명령어를 배우면 바로 로봇에 적용하여 동작을 확인하도록 하였다. 둘째, 프로그램 예제 분석.
이를 통해 로봇 구조물이 보다 다양하고 창의적으로 조립될 수 있도록 하였다. 학습내용은 실제 로봇을 연구하고 제작하는 순서를 따라 가도록 설계하여 로봇을 제작하는 과정을 통해 다양한 주변 지식을 습득하면서 다음 과정으로 진행하도록 하였다.
적용대상 학생들의 평가는 두 그룹으로 나누어 1학기 동안 진행하였다. 한 그룹은 프로그래밍 학습을 위해 로봇을 적용하지 않고 컴퓨터를 기반으로 하였고 다른 그룹은 본 연구에서 설계된 로봇을 적용하여 프로그래밍 학습을 진행하였다.
대상 데이터
로봇의 마이크로프로세서로는 ATmega16 (16Kbyte Flash, 512byte EEPROM)을 사용하였고 사용자 프로그램 저장용 메모리는 내부 EEPROM을 사용하였다. DC모터를 구동하기 위한 드라이버로 LB1630을 사용했으며 그밖에 LED구동회로, 적외선 센서회로 그리고 서보모터 구동회로 등으로 구성되어 있다.
초등학생의 경우, 과학 분야에 관심을 갖고 있는 로봇 특기적성반 학생 100명을 대상을 하였다. 공업고등학생의 경우, 프로그래밍 학습경험이 없는 전자과 1학년 학생 120명을 대상으로 하였다.
본 논문에서는 알루미늄 합금 프레임을 사용하여 다양한 형태의 로봇을 조립할수 있도록 설계하였다. 다음으로 완성된 몸체가 움직일수 있도록 하기 위한 액추에이터로는 DC모터와 RC서보모터를 사용하였으며 외부 정보를 감지하기 위해서 적외선 센서, 소리감지 센서 그리고 터치센서 등이 사용되었다.
프로세서는 플래시 메모리내의 OS 프로그램을 기반으로 EEPROM에 저장된 사용자 작성 프로그램을 순차적으로 읽어 들이며 동작한다. 로봇의 마이크로프로세서로는 ATmega16 (16Kbyte Flash, 512byte EEPROM)을 사용하였고 사용자 프로그램 저장용 메모리는 내부 EEPROM을 사용하였다. DC모터를 구동하기 위한 드라이버로 LB1630을 사용했으며 그밖에 LED구동회로, 적외선 센서회로 그리고 서보모터 구동회로 등으로 구성되어 있다.
본 연구에서 설계된 로봇은 대전지역 초등학생과 공업고등학교 학생들을 적용대상으로 하였다. 초등학생의 경우, 과학 분야에 관심을 갖고 있는 로봇 특기적성반 학생 100명을 대상을 하였다.
본 연구에서 설계된 로봇은 대전지역 초등학생과 공업고등학교 학생들을 적용대상으로 하였다. 초등학생의 경우, 과학 분야에 관심을 갖고 있는 로봇 특기적성반 학생 100명을 대상을 하였다. 공업고등학생의 경우, 프로그래밍 학습경험이 없는 전자과 1학년 학생 120명을 대상으로 하였다.
성능/효과
공업고등학교 전자과 학생들의 경우, 컴퓨터를 기반으로 프로그래밍 학습을 한 그룹에서는 학습능력, 학습동기 부족 등으로 프로그래밍 학습에 어려움을 겪었으나 로봇 기반 프로그래밍 학습 그룹은 학생들이 작성한 프로그램이 실제 로봇의 움직임으로 나타나면서 프로그램에 대해보다 현실적으로 체험할 수 있어 학습동기가 유발되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 프로그램에 대한 사전 지식이 없는 학생들이었지만 교육과정 후반부에는 보다 심도 있는 프로그래밍 툴에 대한 요구가 나타나기 시작했다.
둘째, 레고나 과학상자와 같은 조립식 블록 제품들이 학생들의 창의력 향상에 영향을 미친 것처럼 로봇을 제작하는 과정을 통해 학생들의 창의력, 문제해결 능력 그리고 의사결정능력 등이 향상 될 것이다.
또한 설계된 로봇을 이용하여 프로그래밍 학습을 진행한 결과, 컴퓨터를 기반으로 프로그래밍 학습을 진행한 그룹에 비해 초등학교 고학년 이상에서 높은 학업 성취도를 얻을 수 있었다. 그리고 주어진 임무를 수행하는 동안 학습 동기 유발이 자연적으로 발생하여 적극적인 수업 참여가 이루어 졌다.
선행 연구들을 통하여 기존의 프로그래밍 학습 방법에서 어려운 점이 많았던 관계로 로봇을 활용하면 프로그래밍을 재미있고 쉽게 학습할 수 있고 논리력 향상하는데 도움이 많이 된다는 것을 알 수 있었다.
셋째, 프로그래밍 된 서술 구조에서 논리 구조를 파악하는 단계와 프로그래밍을 통한 처리 구조를 도식화하는 단계이다.
후속연구
둘째, 사실 관계를 정립하기 위하여 그림을 그려 나타내는 기호적 접근으로서 논리 구조를 파악하여 논리적 관계를 정립할 수 있을 것이다.
첫째, 로봇을 구성하고 있는 전기·전자, 기계 그리고 컴퓨터 분야들의 다양한 기본적인 교육이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프로그래밍 언어는 왜 학습자의 인지발달에 영향을 미치게 되는가?
프로그래밍 언어들은 논리의 기본적인 개념에 기초를 두고 있기 때문에 다양한 인지적 기술이 복합된 과정으로 논리적인 사고 능력과 추상적인 추론 능력이 요구되어 학습자의 인지발달에 영행을 미치게 된다. 또한 모든 프로그래밍 언어는 그 자체가 논리이므로 이러한 논리적인 요소를 내포하고 있다.
로봇을 이용한 교육이 많은 주목을 받는 이유는 어떤 문제를 해결하기 위함인가?
이에 많은 과학영재교육 프로그램들이 학생들의 논리력과 창의성 향상 등을 목표로 개발되어 활용되고 있다. 그러나 기존의 창의성 계발을 목표로 하고 있는 블록을 이용한 교육은 정적이고 단순 동작에 대한 문제점을 갖고 있다. 그리고 분석력, 논리력 그리고 창의적 문제해결 능력 향상을 목표로 하고 있는 컴퓨터 프로그램 교육은 데이터의 처리과정이 추상적이고 프로그래밍 결과가 모니터와 스피커 등의 출력장치로만 표현되어 자칫 지루함을 줄 수 있다.
로봇교육의 가장 큰 장점은 무엇인가?
로봇교육의 가장 큰 장점은 놀이를 통한 교육활동인 ‘에듀 테인먼트(edutaintment)’의 기능을 갖는다는 점이다. 학습자가 직접 로봇을 만들어 보거나 조작함으로써 놀이를 즐길 수 있고 그 과정에서 창의력, 문제해결 능력, 논리적 사고력 등을 함께 키울 수 있다[4].
참고문헌 (10)
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Yu, Ik-hwan, "An Exploration into Possibility of Robot Programming to Improve Creative Problem-Solving Skills," Education and Science Research, vol. 36, no. 2, pp.109-128, 2005.
Gwon, Ji-yeon and Ghang, Oh-han, "A Study on a Discrimination Tool for Gifted Children of Computer Science on the Basis of Logical Thinking," Collection of Dissertations for 2006 Summer Joint Academic Presentation by the Korea Association of Computer Education and the Korea Association of Information Education, vol. 10, no. 2, pp.40-43, 2006
Choe, Yu-hyeon, "A Study on the Educational Objective and Content System for Practical Arts Education (Technology & Home Economics) (1), Practical Arts Education," Research Report of the Korea Institute for Curriculum and Evaluation, RRC-2001.
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Park, Gwang-ryeol, "Development of a Curriculum Using a Robot for Pre-service Teachers in the Field of Technology for the Elementary Practical Arts Education," Korea Association of Practical Arts Education, vol. 21, no. 1, pp273-296, 2008.
Kim, Sin-yeop and Yu-In-hwan, "Development of a Curriculum for Gifted Elementary School Children of Computer Science," Summer Academic Presentation by the Korea Association of Information Education, 2007.
Hong, Gi-cheon, "A Programming Language Teaching Plan for Pre-service Teachers Using LEGO NXT," Korea Association of Information Education, vol. 13, no. 1, 2009.
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