[논문]초등 프로그래밍 교육에서 로봇 시뮬레이션 도구의 활용

심재권; 이원규; 김자미

doi:10.14400/jdc.2014.12.5.425

초등 프로그래밍 교육에서 로봇 시뮬레이션 도구의 활용
A Study on the Analysis and Application of Educational Robot Simulation tool in Robot Programming Education 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.12 no.5, 2014년, pp.425 - 433

심재권 (고려대학교 컴퓨터교육학과) , 이원규 (고려대학교 컴퓨터학과) , 김자미 (고려대학교 컴퓨터학과)

초록
AI-Helper

프로그래밍 교육에서 로봇의 활용은 학생의 흥미와 학습의 동기를 유발시키지만, 로봇에 대한 구조적인 이해와 함께 로봇 프로그램의 내부적인 이해를 동시 요구한다. 따라서 문제가 발생하면 학생이 무엇에 의한 오류인지 파악하는데 어려움이 있다. 본 연구의 목적은 로봇 프로그래밍 교육에서 시뮬레이션 도구의 활용 가능성을 확인하는 것이다. 교육 가능성을 분석하기 위해 초등학생을 대상으로 하는 로봇 프로그래밍 교육에 시뮬레이션 도구와 비 시뮬레이션 도구를 적용하고, 사용성 평가와 인식 설문을 통해 시뮬레이션 도구의 교육가능성을 분석하였다. 적용 결과, 시뮬레이션 도구의 사용성은 기존의 비 시뮬레이션 도구와 차이가 없었다. 시뮬레이션 도구는 프로그래밍의 결과를 미리 확인할 수 있고 오류를 쉽게 파악하는데 도움을 줄 수 있다는 긍정적인 측면이 있었다. 본 연구는 초등 로봇 프로그래밍 교육에서 시뮬레이션 도구의 활용 가능성을 확인했다는데 의의를 찾을 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The utilization of robots in programming education students the interest and motivation of learning. But at the same time the robot is required that understanding of the structure and understand the internal program(programming). So what problems are caused by error or if the student has difficulty identifying. The purpose of this study is the use of simulation tool in robot programming education possibilities will want to see. Elementary school students to analyze the possibility of non-simulation tool and simulation tool was applied. And usability evaluation and simulation tool, the survey recognized the potential of the education were analyzed. As a result, the usability of between simulation tool and non-simulation tool and there was no difference. And student can preview the results of programming and simulation tool can easily identify errors for recognizing the positive respectively. Based on this results, simulation tool can be utilized in robot education.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존에 개발된 로봇 시뮬레이션 도구들은 대부분 JAVA, C++, C#과 같은 고급언어로 프로그래밍 하는 환경으로 초등학생을 대상으로 하는 로봇 프로그래밍 교육에 적용하기에는 어려운 점이 많다. 따라서 본 연구에서는 초등학생의 수준을 고려하여 GUI방식의 쉬운 사용을 제공하고, 로봇 시뮬레이션과 실제 로봇제어가 가능한 Rtoys를 사용하고자 한다.
그럼에도 불구하고, 아직까지는 비 시뮬레이션 형태의 도구들이 프로그래밍 교육에서 많이 사용되고 있다. 본 연구는 초등학생을 대상으로 하는 로봇 프로그래밍 교육에 시뮬레이션 도구를 적용가능성을 확인하기 위한 목적으로 시행되었다. 연구의 목적을 달성하기 위해 28명의 초등학교 5, 6학년을 대상으로 시뮬레이션 도구를 활용한 로봇 프로그래밍 수업과 비 시뮬레이션 도구를 활용한 로봇 프로그래밍 수업을 제공하였고, 도구의 사용성(fun, easy, attactive, useful)과 도구의 인식에 대해서 설문하였다.
본 연구의 목적은 초등학생을 대상으로 로봇 프로그래밍 교육에 시뮬레이션 도구를 활용 가능성을 확인하는데 있다. 즉, 시뮬레이션 도구의 부족한 점이 무엇인지에 대해서는 비 시뮬레이션 도구와의 사용성 평가를 통해 확인한다.
즉, 시뮬레이션 도구의 부족한 점이 무엇인지에 대해서는 비 시뮬레이션 도구와의 사용성 평가를 통해 확인한다. 시뮬레이션 도구의 현장 사용 가능성을 확인하기 위해서, 시뮬레이션 도구를 사용했을 때, 학생들이 구조적인 문제와 내부적인 문제를 구분하는데 어느 정도 도움을 받을 수 있는지에 대해 분석하고자 한다.

제안 방법

28명의 학생을 남녀의 비율과 학년의 비율을 동일하게 고려하여 14명씩 A반과 B반 2개로 구성하고, 동일한 로봇 문제를 해결하는 활동을 시뮬레이션 도구가 있는 경우와 시뮬레이션 도구가 없는 경우로 구분하여 2회 수업하였다.
동일한 로봇 문제를 해결하는 수업을 시뮬레이션 도구를 사용한 경우와 시뮬레이션 도구를 사용하지 않은 경우로 구분하여 진행한 이후, 프로그래밍 도구에 대한 사용성을 분석하였다. 분석결과, 비 시뮬레이션 도구의 경우 모든 변인에서 4점 이상으로 나타났고, fun(4.
두 도구(시뮬레이션 도구와 비 시뮬레이션 도구)를 모두 사용한 이후에 둘 중 하나의 도구를 선택하는 설문을 진행하였고, 시뮬레이션 도구의 장점에 대한 학생의 인식을 조사하였다.
본 연구에 참여한 학생들은 70% 이상이 비 시뮬레이션 프로그래밍 학습 경험이 있었다. 따라서 학생들의 프로그래밍 경험을 6개월 미만과 이상으로 구분하여 비 시뮬레이션과 시뮬레이션 도구에 대한 사용성을 분석하였다. 6개월 미만인 학생과 6개월 이상의 경험을 가진 학생은 각각 14명이었다.
사용성 설문도구는‘fun’, ‘easy’, ‘attractive’, ‘useful’을 변인으로 Likert 5점 척도로 측정하였다[19][20].
설문은 수업 전에 학생의 로봇교육에 대한 경험을 설문하고, 수업 중간에는 시뮬레이션 도구와 비 시뮬레이션 도구의 사용성을 설문하였다. 사용성 설문도구는‘fun’, ‘easy’, ‘attractive’, ‘useful’을 변인으로 Likert 5점 척도로 측정하였다[19][20].
본 연구는 초등학생을 대상으로 하는 로봇 프로그래밍 교육에 시뮬레이션 도구를 적용가능성을 확인하기 위한 목적으로 시행되었다. 연구의 목적을 달성하기 위해 28명의 초등학교 5, 6학년을 대상으로 시뮬레이션 도구를 활용한 로봇 프로그래밍 수업과 비 시뮬레이션 도구를 활용한 로봇 프로그래밍 수업을 제공하였고, 도구의 사용성(fun, easy, attactive, useful)과 도구의 인식에 대해서 설문하였다. 연구를 진행한 결과, 교육 경험에 따라 비 시뮬레이션 도구에 대한 사용성은 차이를 나타내기도 하였다.
본 연구의 목적은 초등학생을 대상으로 로봇 프로그래밍 교육에 시뮬레이션 도구를 활용 가능성을 확인하는데 있다. 즉, 시뮬레이션 도구의 부족한 점이 무엇인지에 대해서는 비 시뮬레이션 도구와의 사용성 평가를 통해 확인한다. 시뮬레이션 도구의 현장 사용 가능성을 확인하기 위해서, 시뮬레이션 도구를 사용했을 때, 학생들이 구조적인 문제와 내부적인 문제를 구분하는데 어느 정도 도움을 받을 수 있는지에 대해 분석하고자 한다.

대상 데이터

따라서 학생들의 프로그래밍 경험을 6개월 미만과 이상으로 구분하여 비 시뮬레이션과 시뮬레이션 도구에 대한 사용성을 분석하였다. 6개월 미만인 학생과 6개월 이상의 경험을 가진 학생은 각각 14명이었다. 먼저 비 시뮬레이션 도구에 대한 사용성 평가 결과는 다음과 같다.
시뮬레이션 도구의 프로그래밍 교육에서 사용 가능성을 확인하기 위한 본 연구의 목적 달성을 위해 연구 대상은 초등학생으로 한정하였다. 즉, 경기도 소재 S초등학교 5～6학년 총 28명을 대상으로 로봇을 활용한 프로그래밍 교육 프로그램을 실시하였다.
시뮬레이션 도구의 프로그래밍 교육에서 사용 가능성을 확인하기 위한 본 연구의 목적 달성을 위해 연구 대상은 초등학생으로 한정하였다. 즉, 경기도 소재 S초등학교 5～6학년 총 28명을 대상으로 로봇을 활용한 프로그래밍 교육 프로그램을 실시하였다. 학생들의 배경변인은 5학년 12명, 6학년 16명이다.
프로그래밍 경험이 있는 학생들 모두 로봇을 제어하는 텍스트방식의 프로그래밍 교육을 받은 것으로 조사되었다. 즉, 비 시뮬레이션 도구에 익숙한 학생들로 구성되었다.
즉, 경기도 소재 S초등학교 5～6학년 총 28명을 대상으로 로봇을 활용한 프로그래밍 교육 프로그램을 실시하였다. 학생들의 배경변인은 5학년 12명, 6학년 16명이다. 사전에 프로그래밍 교육에 대한 경험이 있는 학생은 20명(71.

이론/모형

비 시뮬레이션 도구는 실험에 사용한 로봇키트를 제작하는 회사가 개발한 프로그래밍 도구를 사용하였다. 줄 단위로 프로그램을 작성하여 로봇에 다운로드 후 결과를 로봇의 움직임으로 확인 할 수 있는 프로그래밍 도구이다.
시뮬레이션 도구는 Etoys를 기반하여 개발된 Rtoys를 사용하였다. Rtoys는 프로그래밍 결과를 로봇에 다운로드 하지 않고 화면에서 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.

성능/효과

학습의 어려움을 해결하기 위해 추상적인 프로그래밍의 개념들을 시각화하여 구체화된 형태로 직접 조작할 수 있는 교육용 프로그래밍 도구가 개발되었다[4]. 개발된 도구는 GUI(Graphic User Interface)에 기반하여 블록이나 타일 모양으로 시각화된 명령어를 조작하면서 프로그래밍 할 수 있다. 최근에는 GUI기반의 도구 보다 더 낮은 인지 수준으로, 구체적인 사물을 손으로 조작할 수 있는 환경인 TUI(Tangible User Interface)에 기반한 교육용 프로그래밍 도구들이 개발되었다[5].
즉, 교육 경험이 오래인 집단이 도구에 대해 쉽게 인지하고 있다고 결론 내린다. 도구의 매력성이나 사용의 용이성에 대해서도 통계적 차이는 없지만, 6개월 이상의 교육경험을 가진 집단의 만족도가 높았다. 특징적인 것은 6개월 미만인 집단의 경우, 모든 변인에서 편차가 1점 이상이다.
두 도구를 모두 사용한 이후, 둘 중의 하나의 도구만을 선택하는 선호도에서는 비 시뮬레이션 도구(64.3%)를 시뮬레이션 도구(35.7%) 보다 더 선호하는 것으로 나타났다. 본 연구에 참가한 학생들 중 프로그래밍 교육의 경험이 있는 학생의 절반 정도가 R사의 로봇을 제어하는 비 시뮬레이션 도구로 이미 교육을 받은 적이 있어, 시뮬레이션 도구보다 더 친숙하게 받아들려 결과가 나타난 것으로 해석할 수 있다.
예를 들면, 로봇의 동작에 문제가 발생하면 프로그램의 문제와 로봇의 구조적인 문제를 구분하기 어려웠던 점은 시뮬레이션을 통해 해결할 수 있었다. 로봇 프로그래밍 활동에서 프로그래밍 결과를 로봇에 다운로드하여 확인하고 수정하는 디버깅 시간이 감소하여 프로그래밍 활동에 도움을 주었다. 시뮬레이션 도구의 활용이 프로그래밍 한 내용과 결과를 즉시적으로 동기화 할 수 있어 교육 경험이 많지 않아도 쉽게 접할 수 있음을 알 수 있다.
동일한 로봇 문제를 해결하는 수업을 시뮬레이션 도구를 사용한 경우와 시뮬레이션 도구를 사용하지 않은 경우로 구분하여 진행한 이후, 프로그래밍 도구에 대한 사용성을 분석하였다. 분석결과, 비 시뮬레이션 도구의 경우 모든 변인에서 4점 이상으로 나타났고, fun(4.64점), useful(4.48점), easy(4.25점), attractive(4.36점) 순이었다. 시뮬레이션 도구의 경우, fun(4.
분석결과, 시뮬레이션 도구는 사전에 프로그래밍 결과를 미리 확인할 수 있어 오류를 줄일 수 있고, 시간을 절약할 수 있다고 응답하는 등 긍정적으로 인식한다고 해석할 수 있다. 이는 프로그래밍 활동에서 발생하는 오류를 수정하는 디버깅을 쉽게 할 수 있어 알고리즘을 수정하고, 프로그래밍 활동에 집중하여 프로그램을 구현하는데 도움을 줄 수 있음을 시사한다.
본 연구 결과는 비 시뮬레이션 도구를 사용한 경험이 있는 학생들이 전체의 70%이상으로 시뮬레이션 도구는 처음 접하는 학생들이었다. 사용성에 대한 결과만을 토대로 하면, 비 시뮬레이션 도구의 사용성이 더 높은 것으로 나타났다. 또한 교육 경험이 적은 학생들은 사용성에 대한 편차가 교육 경험이 많은 학생들에 비해 큰 편차를 나타내었다.
‘fun’의 경우, 두 집단 간 평균이 동일하였다. 전반적으로 6개월 이상인 집단의 사용성 평가가 긍정적이었고, 6개월 미만인 집단의 평가 점수는 낮게 나타났다. 그러나 두 집단 간 통계적인 차이는 없었다.
60 미만의 편차를 보여서, 학생들 간 도구에 대한 편차가 적었다. 즉, 6개월 미만인 학생들은 fun, easy, attractive, useful 모두 긍정적인 인식과 부정적인 인식의 간극이 크게 나타났다고 해석할 수 있다.

후속연구

따라서 향후에는 프로그래밍 활동에서 시뮬레이션 도구의 사용 경험에 따른 프로그래밍 시간, 문제해결의 유무 등의 구체적인 교육효과를 알아보는 연구들이 지속되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프로그래밍 활동이 초중등 학생에게 어려운 이유는 무엇입니까?	프로그래밍 활동은 높은 수준의 논리적 사고와 인지적인 능력을 요구할 뿐 아니라 프로그래밍 도구를 사용하는 능력까지 포함하고 있어 초중등학생이 학습하기에는 어려운 점이 많이 있다[3]. 학습의 어려움을 해결하기 위해 추상적인 프로그래밍의 개념들을 시각화하여 구체화된 형태로 직접 조작할 수 있는 교육용 프로그래밍 도구가 개발되었다[4].
	프로그래밍 교육에서 로봇의 활용이 지니는 장점 및 단점은 무엇입니까?	즉, 로봇 프로그래밍 활동은 오류 발생 시 로봇 조립 과정의 문제인지, 로봇 동작 제어 프로그램의 오류인지 구분하기 어렵다는 문제점이 있다. 초중등학생 대상의 로봇 활용 교육은 흥미와 동기를 유발할 수 있다는 장점과 동시에, 로봇 동작의 오류 발생시, 구조적인 문제인지 내부적인 프로그램의 문제인지 구분하는 것이 학습자 인지 수준에 비해 어렵다는 단점이 있다[11].
	개발된 교육용 프로그래밍 도구의 종류로는 무엇이 있습니까?	학습의 어려움을 해결하기 위해 추상적인 프로그래밍의 개념들을 시각화하여 구체화된 형태로 직접 조작할 수 있는 교육용 프로그래밍 도구가 개발되었다[4]. 개발된 도구는 GUI(Graphic User Interface)에 기반하여 블록이나 타일 모양으로 시각화된 명령어를 조작하면서 프로그래밍 할 수 있다. 최근에는 GUI기반의 도구 보다 더 낮은 인지 수준으로, 구체적인 사물을 손으로 조작할 수 있는 환경인 TUI(Tangible User Interface)에 기반한 교육용 프로그래밍 도구들이 개발되었다[5].

참고문헌 (20)

M. Resnick etc, Scratch: programming for all, Communications of the ACM, vol. 52, no. 11, 2009.
youtube, President obama asks America to learn computer science, http://www.youtube.com/watch?v6XvmhE1J9PY
Computer Science Teacher Association, CSTA K-12 Computer Science Standards Revised 2011.
Mitchel R. Growing Up Programming : Democratizing the Creation of Dynamic, Interactive Media. ACM CHI 2009 April 2-9, 3293-3296, 2009.
Dai-Young Kwon, Han-Sung Kim, Jae-Kwoun Shim, Won-Gyu Lee, Algorithmic Bricks: A Tangible Robot Programming Tool for Elementary School Students, IEEE Transaction on Education, vol.55, no.4, pp.474-479, 2012.

상세보기
Wae-Shik Moon, A Programming Language Learning Model Using Educational Robot, Journal of the korean association of information education, vol.11, no.2, pp.231-241, 2007.
Dai Young Kwon, Kyeong Hur, Won Gyu Lee, A Development of PBL based Linetracer Robot Programming Instrctional Method at Elementary school, The Journal of Korean association of computer education, vol.13, no.3, pp.13-23, 2010.
So-Yeon Kim, Moon-Gyu Seol, A Study on Changes in Logical Thinking Ability of Elementary Students Through Game-Based Robot Education, Journal of the korean association of information education, vol.14, no.1, pp.111-121, 2010.
Yoo, In-hwan, The possibility of Robot Programming to Enhance Creative Problem-Solving Ability, Ewha Journal of Educational Research, vol.36, no.2, pp.109-128, 2005.
M. Friedmann, K. Petersen, O. Stryk, Adequate motion simulation and collision detection for soccer playing humanoid robots, Robotics and Autonomous System, vol. 57, no. 8, pp.785-895, 2009.
J.K. Shim, J.M. Kim, X. Zhang, W.G. Lee, The Effect of educational robor simulation tool in robot Programming education, ICCT2013, pp.1112-1113, 2013.
Michel, O. Cyberbotics Ltd. WebotsTM: Professional Mobile Robot Simulation, International Journal of Advanced Robotic Systems, vol.1, no.1, pp. 40-43, 2004.
Ishimura, T., Kato, T., Oda, K., & Ohashi, T. An open robot simulator environment, Lecture Notes in Computer Science, 3020/2004, 621-627, 2004.
K. Cagin, K. Mary, B. Liz and M. Lachlan, Learning Programming at the Computational Thinking Level via Digital Game-Play, Procedia Computer Science, vol.9, pp.522-531, 2012.

상세보기
T. Recchia, J. Chung, K. Pochiraju, Performance of heterogeneous robot teams with personality adjusted learning, Biologically Inspired Cognitive Architectures, vol. 7, pp. 87-97, 2014.

상세보기
S. Carpin, M Lewis, J. Wang S. Balakirsky, USARSim: a robot simulator for research and education, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.1400-1405, 2007.
Hiroyuki Aoki, Jae Kwoun Shim, Ja Mee Kim, Won Gyu Lee, Development of A Sketch-Based Robot Simulation Tool, The Journal of Korean association of computer education, vol.15, no.2, pp.57-66. 2012.
Young-Jin Lee, Empowering teachers create educational software: A constructgivist apprach utilizing Etoys, pair programming and cognitive apprenticeship, Computer & Education, vol. 56, Issue 2, 2011.
Nigel Bevan, International Standards for HCI and Usability, International Journal of Human Computer Studies, vol. 55, no.4, pp.533-552, 2001.

상세보기
Cortney v. Martin, Usability of Pictorial Toy Assembly Instruction for Young Children, PhD in Industrial and Systems Engineering Blacksburg Virginia, 2007.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증