본 연구에서는 새로운 교사도우미 로봇에 초점을 맞추어 클라우드 기반의 교육서비스 모델을 연구하여 서버영역에 적용하고, 클라이언트 영역에서는 교사도우미 로봇을 초등학교 교실환경에 적용하여 어학교육 서비스 플랫폼으로 활용하고자 한다. 새로운 사물인터넷(IoT)기술 접목을 통해 쾌적한 스마트 교실환경을 만들고 다양한 미디어에 대한 인터페이스를 지원하도록 한다. 이러한 목적의 달성을 위해 광범위한 선행연구와 사례분석을 통해서 서비스 모델구축에 필요한 기본적인 요구조건을 정리하였다. 임베디드 기반의 영상인식, 음성인식, 자율주행은 물론 디스플레이, 터치스크린, IR센서, GPS, 온습도 센서에 대한 기술을 광범위하게 적용하여 서비스를 완성하도록 한다. 본 연구결과의 가장 핵심적인 시사점은 클라우드 기술을 활용한 최적화된 플랫폼에 로봇러닝 및 IoT, BIM기술 융합을 통한 지능형로봇기반의 스마트 교실구축 가능성 제시에 있다고 본다.
본 연구에서는 새로운 교사도우미 로봇에 초점을 맞추어 클라우드 기반의 교육서비스 모델을 연구하여 서버영역에 적용하고, 클라이언트 영역에서는 교사도우미 로봇을 초등학교 교실환경에 적용하여 어학교육 서비스 플랫폼으로 활용하고자 한다. 새로운 사물인터넷(IoT)기술 접목을 통해 쾌적한 스마트 교실환경을 만들고 다양한 미디어에 대한 인터페이스를 지원하도록 한다. 이러한 목적의 달성을 위해 광범위한 선행연구와 사례분석을 통해서 서비스 모델구축에 필요한 기본적인 요구조건을 정리하였다. 임베디드 기반의 영상인식, 음성인식, 자율주행은 물론 디스플레이, 터치스크린, IR센서, GPS, 온습도 센서에 대한 기술을 광범위하게 적용하여 서비스를 완성하도록 한다. 본 연구결과의 가장 핵심적인 시사점은 클라우드 기술을 활용한 최적화된 플랫폼에 로봇러닝 및 IoT, BIM기술 융합을 통한 지능형로봇기반의 스마트 교실구축 가능성 제시에 있다고 본다.
This study focuses on the new teaching assistance robot platform and the cloud-based education service model to support the server. In the client area we would like to use the teacher assistant robot in elementary school classrooms to utilize the language education service platform. Emerging IoT tec...
This study focuses on the new teaching assistance robot platform and the cloud-based education service model to support the server. In the client area we would like to use the teacher assistant robot in elementary school classrooms to utilize the language education service platform. Emerging IoT technology will be adopted to provide a comfortable classroom environment and various media interfaces. Extensive precedent review and case study have been conducted to identify basic requirements of proposed service platform. Embedded system and technology for image recognition, speech recognition, autonomous movement, display, touch screen, IR sensor, GPS, and temperature-humidity sensor were extensively investigated to complete the service. Key findings of this paper are optimized service platform with cloud server system and possibilities of potential smart classroom with intelligent robot by adopting IoT and BIM technology.
This study focuses on the new teaching assistance robot platform and the cloud-based education service model to support the server. In the client area we would like to use the teacher assistant robot in elementary school classrooms to utilize the language education service platform. Emerging IoT technology will be adopted to provide a comfortable classroom environment and various media interfaces. Extensive precedent review and case study have been conducted to identify basic requirements of proposed service platform. Embedded system and technology for image recognition, speech recognition, autonomous movement, display, touch screen, IR sensor, GPS, and temperature-humidity sensor were extensively investigated to complete the service. Key findings of this paper are optimized service platform with cloud server system and possibilities of potential smart classroom with intelligent robot by adopting IoT and BIM technology.
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문제 정의
이렇듯 하루의 절대시간을 보내는 밀폐된 실내 환경은 학생들과 교사들의 건강에 직접적인 영향은 물론 학습능률면에서도 심대한 영향을 미치게 된다. 따라서 쾌적한 교실환경 조성과 학생들의 학습능률 향상을 위해 실시간으로 교육장의 온습도와 실내 공기의 질을 모니터링 하는 기능을 개발 적용하여, 교사도우미 로봇을 통해 실내의 온습도 등 실내 환경에 관련되는 데이터수집과 실시간 연결, 그리고 모니터링이 가능하도록 한다.
따라서 학습의 효율성과 능률성 저하를 극복하기 위한 모두의 노력과 학생 스스로 창의적인 사고능력을 키워줄 자율학습 지원모델이 준비되어야 실효성 있는 교육이 가능해질 것이다. 본 연구에서는 앞서 제시된 영어교사 보조로봇 시범사업의 결과에서 나타난 문제점과 기 개발된 교육용 로봇의 단점을 보완하여 우리나라 교육현실에 부합하는 실질적인 어학교육지원 서비스플랫폼 구축을 목표로 하였다. 자율적이고 창의적인 학습 및 교육서비스를 제공할 수 있도록 임베디드 기반의 STB에 카메라를 통한 영상인식, 마이크를 통한 음성인식, 스피커를 통한 소리재생, 디스플레이, 터치스크린, IR센서, GPS, 온습도 센서 기능을 부가하여 초등학교 교실환경에서의 각종 미디어와 연계를 통한 서비스를 고려하였다.
넷째, 무선인터넷, 클라우딩 컴퓨팅 등 학교 인프라 구축이 매우 중요한 조건이 된다[5]. 본 연구에서는 이들 조건 중 클라우드 기반의 교육서비스 모델을 통한 서버영역 지원과 클라이언트 영역에서의 초등학교 교실환경에 최적화된 자율학습 서비스 플랫폼 제시를 통해 듣기부분의 몰입도 향상 등 실질적인 교육 효과를 극대화하기 위한 솔루션을 제시하고자 한다. 아울러 사물인터넷(IoT)기술 등의 접목을 통한 다양한 인터페이스가 지원되는 실질적인 기능을 추가한다면 교육로봇의 기능과 역할이 더욱 확장되고 실질적인 교사 아바타로의 기능을 수행하게 될 것이다.
교사도우미 로봇은 통신환경을 기반으로 하는 지능형 서비스 로봇으로 인터넷의 무한한 정보와 학습에 필요한 수많은 교육 자료에 접근하여 학생들에게 지식을 전달할 수 있는 매개체로서 역할이 가능하고, 학교 내에서의 로봇 관제센터 및 상담센터를 구성하여 학생들의 의사전달 수단으로써의 역할이 가능하다. 본 연구에서는 학습 콘텐츠관리와 어학교육 콘텐츠를 로봇에 내장하여 학습내용과 로봇의 움직임이 동기화 되도록 콘텐츠 제어 기능을 개발 적용하며, 교실환경의 각종 미디어와 인터페이스가 가능하도록 솔루션을 구현한다.
교사도우미 로봇을 통한 화면공유를 통해 시범용 어학 콘텐츠를 적용하며 동영상 강좌의 제어와 워크북의 판서가 가능하도록 교육서비스 솔루션을 적용할 필요가 있다. 서버영역에서는 LMS/LCMS 기능을 탑재하여 학습관리 및 콘텐츠의 관리가 가능하도록 기능을 지원하며, 영어교육 콘텐츠를 교사도우미 로봇을 통하여 방과 후 자율학습이 가능하도록 솔루션을 개발하여 적용하고자 한다.
제안 방법
LMS/LCMS의 비즈니스 로직이 명확하면 손쉽게 개발이 가능하도록 모듈화 기능을 제공하여, 교육 서비스 등 비즈니스 로직의 설계 및 적용이 가능하도록 한다. J2EE (Java™ Platform, Enterprise Edition) 플랫폼은 다계층 분산 어플리케이션을 개발, 배포, 관리할 수 있는 플랫폼으로, 자바 플랫폼 상에서 분산 컴포넌트 기반의 컴퓨팅 솔루션을 제공하도록 구현한다.
교실환경에서의 스마트 기기와 디스플레이(전자칠판/프로젝터/IPTV 등) 장치와의 무선 통신을 통한 동기화를 위하여 교실내 사설망 구축(2.4Ghz~5Ghz), LAN, WAN, 포트지원, 대역폭의 안정화를 위하여 사설IP체계 구축, 스마트패드 연결 및 기기접속, 앱보호, 외부인터넷 접속을 위한 무선 AP(Access Point)를 제작하여 교사보조로봇에 적용한다. 스마트기기의 영상 및 음성을 대형 디스플레이 장치에 전달하도록 기능을 구현하도록 무선 AP 처리용 기기를 통해 교실 환경에서 기기간의 무선통신이 가능하도록 한다.
먼저 로봇 전문 업체에서 개발된 로봇을 활용하여, 학습보조 기능을 수행하도록 학생과 교사도우미 로봇간의 유기적인 교감을 통해 학습효과를 기대하는 넓은 의미의 교육 서비스가 가능하도록 단계적으로 연구개발을 추진한다. 교사도우미 로봇은 통신환경을 기반으로 하는 지능형 서비스 로봇으로 인터넷의 무한한 정보와 학습에 필요한 수많은 교육 자료에 접근하여 학생들에게 지식을 전달할 수 있는 매개체로서 역할이 가능하고, 학교 내에서의 로봇 관제센터 및 상담센터를 구성하여 학생들의 의사전달 수단으로써의 역할이 가능하다.
따라서 산재해 있는 다양한 정보를 해결해 줄 수 있는, 그리고 원칙적으로 학습 주도권을 학습자에게 돌려주고 학습활동을 촉진할 수 있는 솔루션이 필요한 까닭이다. 본 연구에서는 이러한 학습자의 특성을 고려해서 에듀테인먼트의 직접성, 인지적 참여, 상호작용, 활동의 재미를 두루 갖춘 플랫폼을 지향한다. 아울러 교육과 관리 기능의 복합화를 통한 교사의 로봇 활용도 증진을 위해 사물인터넷 기반의 센서와 결합하여 쾌적한 교실환경의 구현을 통한 교육용 로봇의 기능 확장에도 초점을 맞추었다.
본 연구의 교사도우미 로봇을 활용한 어학교육 서비스 플랫폼에는 초등학교 교실환경에 적용 가능한 교사도 우미 로봇이 이러닝 시스템과 연동하여 서비스가 가능하도록 하드웨어 플랫폼을 구성하고, 방과 후 자율학습 지원이 가능하도록 영어교육 콘텐츠를 탑재하여 정해진 시간에 학생들과 상호작용을 통한 학습이 가능하도록 스마트 기기 원격제어용 미러형 스마트 리모콘 기술을 n스크린 서비스 관점에서 적용한다. 교사도우미 로봇을 통한 화면공유를 통해 시범용 어학 콘텐츠를 적용하며 동영상 강좌의 제어와 워크북의 판서가 가능하도록 교육서비스 솔루션을 적용할 필요가 있다.
4Ghz~5Ghz), LAN, WAN, 포트지원, 대역폭의 안정화를 위하여 사설IP체계 구축, 스마트패드 연결 및 기기접속, 앱보호, 외부인터넷 접속을 위한 무선 AP(Access Point)를 제작하여 교사보조로봇에 적용한다. 스마트기기의 영상 및 음성을 대형 디스플레이 장치에 전달하도록 기능을 구현하도록 무선 AP 처리용 기기를 통해 교실 환경에서 기기간의 무선통신이 가능하도록 한다. 스마트기기에서 음성 및 영상을 포함하는 정보는 스마트기기에서 캡처하여 전자칠판으로 WIDI (WIFI Display) 무선 통신으로 전달하도록 화면캡처기능을 지원하며, 비디오프레임 역시 초당 25 프래임 이상 캡처하도록 지원하며, 전자칠판에 맞도록 해상도 조절 후 표시하도록 랜더링을 지원한다.
본 연구에서는 앞서 제시된 영어교사 보조로봇 시범사업의 결과에서 나타난 문제점과 기 개발된 교육용 로봇의 단점을 보완하여 우리나라 교육현실에 부합하는 실질적인 어학교육지원 서비스플랫폼 구축을 목표로 하였다. 자율적이고 창의적인 학습 및 교육서비스를 제공할 수 있도록 임베디드 기반의 STB에 카메라를 통한 영상인식, 마이크를 통한 음성인식, 스피커를 통한 소리재생, 디스플레이, 터치스크린, IR센서, GPS, 온습도 센서 기능을 부가하여 초등학교 교실환경에서의 각종 미디어와 연계를 통한 서비스를 고려하였다. 현 단계에서는 초보적인 교사도우미 로봇으로 기능이 구현되어 서비스 되지만 향후 지능형 로봇 기능을 가미하여 초중등학교 어학교육에 적합한 모델을 완성하도록 한다.
자율적이고 창의적인 학습 및 상호작용이 가능한 교육서비스를 제공할 수 있도록 임베디드 기반의 보드에 영상인식, 음성인식, 자율주행 기능을 제공하고, 디스플레이, 터치스크린, IR센서, GPS, 온습도 센서 기능을 부가하여 초등학교에서 활용이 가능한 서비스 모델을 제시하고, 어학교육에 적합한 서비스를 구현하여 상호작용에 의한 자율학습 지원이 가능하도록 구성한다.
J2EE의 핵심 컴포넌트인 EJB는 개발자가 비즈니스 로직 구현에만 집중하여 생산성을 향상시킬 수 있도록 하기 위해 사용하여 교육서비스 관리 지원을 위한 LMS(Learning Management System)과 LCMS(Learning Contents Management System)를 구현하여 개인화 클라우드 기반의 교육서비스 모델을 완성 하고자 한다. 클라우드 기본 구조에 SaaS 기반의 서비스 모델로 MJF/DDX 프레임워크를 기반으로 로봇러닝 서비스 모델을 구축한다[15].
클라우드상의 LMS/LCMS와 로봇 기반 학습은 표현과 행동이 감정적인 상호 작용을 필요로 하기 때문에 로봇 기반의 멀티 모달 내용을 전송하기 위해서는 MMI (멀티 모달 인터페이스)가 필요하다. 학습관리의 주요기능은 로그인을 통해 가상학습공간에 접근 했을 시, 학년, 과정 분류를 통한 강좌 학습관리 시험평가, 부가학습, 과제 등의 기능을 제공하고 실시간 데이터 전송을 통해 학습 진행내역과 시험내역, 학습현황 및 결과 등을 자동 관리하며, LCMS는 학습 콘텐츠의 생산, 관리, 유지 전달, 추적에 관점을 두고 학습 콘텐트를 효율적으로 관리하며, 학습자의 요구에 맞는 콘텐트를 제공하도록 한다. SCORM 표준 지원 콘텐트 또는 비표준 콘텐트가 SCORM Import 에 탑재 되면 SCORM으로 서비스를 하기 위한 API adaptor를 제공하여 SCORM 형태로 서비스를 지원하며 SCORM 변환 콘텐트를 로봇러닝을 통하여 학습할 수 있는 형태로 변환한다.
성능/효과
정부지원으로 이루어진 당시 시범사업은 영어교사 보조로봇에 대상인식, 이동, 감성전달, 상호대화 등의 기술을 적용한다고 해서 상당한 주목과 기대를 받았었다. 시범서비스에 대한 분석결과를 보면 대상 초등학생들의 학습태도개선과 몰입도 향상과 함께 영어 읽기와 말하기 분야에서 상당히 긍정적인 지표로 분석되었다. 그러나 기기작동과 운영관리상의 문제와 함께 영어듣기 분야에 대해서는 상대적으로 미흡하다는 분석결과가 나타나 있다[3].
후속연구
최근 인공지능 로봇에 대한 관심과 미세먼지 문제 등 환경에 대한 관심 등을 교육 분야로 좁혀서 본다면, 교육용 로봇플랫폼과 관련 콘텐츠, 그리고 안전하고 위생적인 스마트 교실환경 등에 대한 연구결과는 매우 미흡한 상황이다. 본 연구는 향후 딥러닝 기술을 적용하고 서버 모듈 보완을 통한 인지기능이 가미된 교사도우미 로봇으로의 진화[17]와 스마트 교실을 융합하는 연구로 발전되어야 할 것이다.
본 연구에서는 이들 조건 중 클라우드 기반의 교육서비스 모델을 통한 서버영역 지원과 클라이언트 영역에서의 초등학교 교실환경에 최적화된 자율학습 서비스 플랫폼 제시를 통해 듣기부분의 몰입도 향상 등 실질적인 교육 효과를 극대화하기 위한 솔루션을 제시하고자 한다. 아울러 사물인터넷(IoT)기술 등의 접목을 통한 다양한 인터페이스가 지원되는 실질적인 기능을 추가한다면 교육로봇의 기능과 역할이 더욱 확장되고 실질적인 교사 아바타로의 기능을 수행하게 될 것이다.
이렇듯 자율학습 지원을 위한 인간 지향적인 기능을 로봇에 부가해서 교육현장에 적용하고자하는 많은 노력이 다양한 방법을 통해 진행되어 왔다. 앞으로도 혼합형 하이브리드를 기반으로 인공지능 및 사물인터넷 기술이 본격적으로 융합하는 교육용 로봇의 새로운 발전과 진화의 가능성을 생각할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 그 출발점으로 2장에서는 선행연구와 개발결과물에 대한 분석을 바탕으로 교사도우미 로봇의 플랫폼에 탑재할 내용 및 범위를 기술하고, 3장에서는 교사도우미로봇의 교육관리 시스템측면에서 기능을 정의하고, 4장에서는 실질적인 교육효과 극대화를 위한 교육관리 시스템에 대해 정의하고, 클라우드 기반의 교육관리 체계와 사물인터넷 융합을 통한 교실환경 제어 시스템을 기술한다.
이는 로봇의 기본기능으로 제시된다. 전자칠판 및 스마트 기기와 같은 미디어의 우선통신 지원을 위한 AP(Access Point)를 개발하여 지원하고, 다자간 학습 지원이 가능한 판서기능을 추가하여 학습지원기능을 초등학교 교실환경에 맞춤형 지원이 가능하도록 추가 모듈을 개발하여 적용한다. 로봇의 자동제어 기능은 다음과 같다[13].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교육용 로봇은 지능의 위치에 따라 어떻게 구분될 수 있는가?
교육용 로봇은 원천적인 로봇기술과 시장수요를 갖춘 한국과 미국, 일본, 타이완, 캐나다 등을 중심으로 개발되어왔으며, 지능의 위치에 따라 Tele-Presence(원격 제어), Autonomous(인공지능 제어), Transformed(혼합형)으로 구분될 수 있다[6].
정보화 시대의 교육은 과거의 공간적 제약을 극복하고 학습자 스스로 주도하는 이른바 자기 주도적 학습과 평생학습 체계로 변모하고 있는데 이는 무엇을 의미하는가?
특히 영어와 같은 어학 교육에서 이러한 성격은 잘 나타난다. 이는 교육의 중심이 기존의 교수(instruction)중심에서 학습(learning)중심으로의 전환을 의미하며, 학습자 중심의 학습 환경 조성이 매우 중요한 전제 조건이 된다[1].
교육용 로봇은 어떤 도구가 될 수 있는가?
교육용 로봇은 기존의 교수중심 패러다임에서 벗어나 새로운 학습 중심의 환경 조성에 상당히 유용한 도구가 될 수 있다. 특히 감성과 상상력이 풍부한 아동대상 교육에서는 더욱 그러하다.
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