본 논문에서는 실제 학교현장에서 로봇교육을 수행하고 고민하는 수요자 요구의 기능을 갖춘 스크래치 활용교육이 가능한 교육용 로봇 시스템을 임베디드 환경에서 설계 및 구현하였다. 로봇 시스템의 기반이 되는 센싱 정보처리와 소프트웨어 설계 및 프로그래밍 실습 교육을 위한 피지컬 교육이 가능하도록 개발하였다. 시스템의 개발 환경으로는 CPU는 Atmega 328코어를 사용한 Arduino Uno기반 제품으로, 디버깅 환경은 Arduino Sketch 기반, 펌웨어 개발 언어는 C언어를, OS는 윈도우, Linux, Mac OS X를 사용하였다. 시스템 동작과정은 블루투스 통신을 이용하여 서버의 제어명령을 수신하여, 교육용 로봇의 다양한 센서를 구동시킨다. 교육과정으로는 스크래치 프로그램과 블루투스 통신으로 실시간 연동하여 스크래치 교육을 수행할 수 있도록 하였고, 스마트폰용 앱을 제공하여 환경에 구애받지 않으며, 확장을 통하여 C, 파이썬과 같은 교육이 가능하도록 설계하였다. 학교현장의 교사들이 개발된 제품을 사용해보고 일선교사의 요구에 만족할 만한 성능 처리 결과를 제시하였다.
본 논문에서는 실제 학교현장에서 로봇교육을 수행하고 고민하는 수요자 요구의 기능을 갖춘 스크래치 활용교육이 가능한 교육용 로봇 시스템을 임베디드 환경에서 설계 및 구현하였다. 로봇 시스템의 기반이 되는 센싱 정보처리와 소프트웨어 설계 및 프로그래밍 실습 교육을 위한 피지컬 교육이 가능하도록 개발하였다. 시스템의 개발 환경으로는 CPU는 Atmega 328코어를 사용한 Arduino Uno기반 제품으로, 디버깅 환경은 Arduino Sketch 기반, 펌웨어 개발 언어는 C언어를, OS는 윈도우, Linux, Mac OS X를 사용하였다. 시스템 동작과정은 블루투스 통신을 이용하여 서버의 제어명령을 수신하여, 교육용 로봇의 다양한 센서를 구동시킨다. 교육과정으로는 스크래치 프로그램과 블루투스 통신으로 실시간 연동하여 스크래치 교육을 수행할 수 있도록 하였고, 스마트폰용 앱을 제공하여 환경에 구애받지 않으며, 확장을 통하여 C, 파이썬과 같은 교육이 가능하도록 설계하였다. 학교현장의 교사들이 개발된 제품을 사용해보고 일선교사의 요구에 만족할 만한 성능 처리 결과를 제시하였다.
In this paper, we design and implement an educational robot system that can use scratch education with the function of user demanding to perform robot education in actual school site in an embedded environment. It is developed to enable physical education for sensing information processing, software...
In this paper, we design and implement an educational robot system that can use scratch education with the function of user demanding to perform robot education in actual school site in an embedded environment. It is developed to enable physical education for sensing information processing, software design and programming practice training that is the basis of robotic system. The development environment of the system is Arduino Uno based product using Atmega 328 core, debugging environment based on Arduino Sketch, firmware development language using C language, OS using Windows, Linux, Mac OS X. The system operation process receives the control command of the server using the Bluetooth communication, and drives various sensors of the educational robot. The curriculum includes Scratch program and Bluetooth communication, which enables real-time scratch training. It also provides smartphone apps and is designed to enable education like C and Python through expansion. Teachers at the school site used the developed products and presented performance processing results satisfying the missionary needs of the missionaries.
In this paper, we design and implement an educational robot system that can use scratch education with the function of user demanding to perform robot education in actual school site in an embedded environment. It is developed to enable physical education for sensing information processing, software design and programming practice training that is the basis of robotic system. The development environment of the system is Arduino Uno based product using Atmega 328 core, debugging environment based on Arduino Sketch, firmware development language using C language, OS using Windows, Linux, Mac OS X. The system operation process receives the control command of the server using the Bluetooth communication, and drives various sensors of the educational robot. The curriculum includes Scratch program and Bluetooth communication, which enables real-time scratch training. It also provides smartphone apps and is designed to enable education like C and Python through expansion. Teachers at the school site used the developed products and presented performance processing results satisfying the missionary needs of the missionaries.
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문제 정의
본 연구는 기존 로봇교육 제품들의 문제점을 실제 사용자이면서 교육을 주도하는 현장교사들의 수요를 조사하고 이에 적합한 로봇을 구현하였다. 기존 로봇의 단점인 완구형태나 단순 조립식 교구용 제품이 아닌 완제품의 형태이면서 전기적 확장성과 기계적 확장성을 제공하여 다양한 S/W교육이 가능하도록 설계하였다.
제안 방법
면담 결과 효율성, 접근성, 편의성, 확장성, 호환성, 창의성, 안전성의 7가지 요소를 추출하였으며 이를 토대로 새로운 S/W 교육용 로봇인 코코넛을 개발하였다. 개발된 코코넛 로봇은 초등학교 현장교사들의 요구에 맞추면서 동시에 중등 및 대학교에서도 활용이 가능하도록 범용적인 확장성을 지원하도록 설계되었다.
또한 교육공간의 제약을 해결하기 위하여 블루투스 통신을 활용한 다이렉트 코딩기술을 적용하고, 스마트폰에서 교육이 가능한 모바일 버전을 제공하였다. 그리고 비용손실 문제가 발생하는 기존의 교구들과 호환성을 제공하기 위하여 요철 블록방식으로 체결되는 구조로 개발되었다.
본 연구는 기존 로봇교육 제품들의 문제점을 실제 사용자이면서 교육을 주도하는 현장교사들의 수요를 조사하고 이에 적합한 로봇을 구현하였다. 기존 로봇의 단점인 완구형태나 단순 조립식 교구용 제품이 아닌 완제품의 형태이면서 전기적 확장성과 기계적 확장성을 제공하여 다양한 S/W교육이 가능하도록 설계하였다. 또한 교육공간의 제약을 해결하기 위하여 블루투스 통신을 활용한 다이렉트 코딩기술을 적용하고, 스마트폰에서 교육이 가능한 모바일 버전을 제공하였다.
기존에 개발된 제품들은 기본적인 센서만 부착된 경우가 많은데, 실제 교육현장에서는 다양한 학습이 필요하기 때문에 코코넛에서는 8×8 Dot Matrix를 장착하여 다양한 교육에 활용이 가능하도록 창의성을 제공하였다. 또한 MRT블록, MRT센서와 연결이 가능한 방식으로 구성하여 추가 확장이 가능한 모듈화 방식을 선택하여 호환성을 제공하였다[11]. 고학년에서 로봇교육은 과학 패키지로 활용하기 때문에 이를 위한 다양한 기능의 PCB 및 아두이노 보드를 부착하여 확장성을 제공한다.
기존 로봇의 단점인 완구형태나 단순 조립식 교구용 제품이 아닌 완제품의 형태이면서 전기적 확장성과 기계적 확장성을 제공하여 다양한 S/W교육이 가능하도록 설계하였다. 또한 교육공간의 제약을 해결하기 위하여 블루투스 통신을 활용한 다이렉트 코딩기술을 적용하고, 스마트폰에서 교육이 가능한 모바일 버전을 제공하였다. 그리고 비용손실 문제가 발생하는 기존의 교구들과 호환성을 제공하기 위하여 요철 블록방식으로 체결되는 구조로 개발되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 우선적으로 학교현장에서 아이들에게 로봇교육을 실시하고 있는 일선 교사, 한국교육학술정보원 (KERIS)의 연구원 및 현장 유치원 교사들에게 로봇의 개선점과 수요조사를 실시하였다. 면담 결과 효율성, 접근성, 편의성, 확장성, 호환성, 창의성, 안전성의 7가지 요소를 추출하였으며 이를 토대로 새로운 S/W 교육용 로봇인 코코넛을 개발하였다. 개발된 코코넛 로봇은 초등학교 현장교사들의 요구에 맞추면서 동시에 중등 및 대학교에서도 활용이 가능하도록 범용적인 확장성을 지원하도록 설계되었다.
본 연구는 기존의 다양한 로봇교구들이 활용되고 다양한 교육프로그램이 개발되었음에도 불구하고 학교현장에서는 여전히 로봇교육과 소프트웨어 교육을 어려워하고 이로 인하여 외면하고 있는 현실을 해결하려는 고민에서 시작되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 우선적으로 학교현장에서 아이들에게 로봇교육을 실시하고 있는 일선 교사, 한국교육학술정보원 (KERIS)의 연구원 및 현장 유치원 교사들에게 로봇의 개선점과 수요조사를 실시하였다. 면담 결과 효율성, 접근성, 편의성, 확장성, 호환성, 창의성, 안전성의 7가지 요소를 추출하였으며 이를 토대로 새로운 S/W 교육용 로봇인 코코넛을 개발하였다.
코코넛은 완성형 제품이면서 확장성을 고려하여 그림 5와 같이 기본 센서 이외에 추가 센서 장착이 가능하도록 하였다. 이를 위해 포트를 디지털 IN/OUT Port 4EA, 아날로그 IN/디지털 OUT Port 2EA, DC 모터 OUT Port 2EA로 구성하였다. 자체 로봇시스템에 연결하거나 그림 6과 같이 브래드보드와 연동하여 센서를 확장하는 방식으로 기존 Arduino 기반의 스크래치 교육뿐만 아니라 C, 파이썬(Python) 등 추가 소프트웨어 교육이 가능하도록 하였다[2].
이를 위해 포트를 디지털 IN/OUT Port 4EA, 아날로그 IN/디지털 OUT Port 2EA, DC 모터 OUT Port 2EA로 구성하였다. 자체 로봇시스템에 연결하거나 그림 6과 같이 브래드보드와 연동하여 센서를 확장하는 방식으로 기존 Arduino 기반의 스크래치 교육뿐만 아니라 C, 파이썬(Python) 등 추가 소프트웨어 교육이 가능하도록 하였다[2]. 또한 다양한 센서 블록 개발을 통한 손쉬운 확장성을 제공한다.
본 연구를 통해 개발된 블록 체결형 센서확장 로봇은 그림 8과 같다. 조립식이 아닌 완성형 제품으로 교육에 쉽게 활용이 가능하도록 효율성과 안전성을 제공하며, 완성형 제품의 단점인 확장성을 고려하여 요철 블록방식의 결합체를 가지고 확장이 쉽도록 하였다. 또한 프로그램의 업로드로 인한 불편함과 교육공간의 제약을 해결하기 위하여 블루투스 통신을 활용하여 다이렉트 코딩 기술로 스크래치 프로그램을 활용하여 접근성과 편의성을 제공한다[10].
코코넛은 완성형 제품이면서 확장성을 고려하여 그림 5와 같이 기본 센서 이외에 추가 센서 장착이 가능하도록 하였다. 이를 위해 포트를 디지털 IN/OUT Port 4EA, 아날로그 IN/디지털 OUT Port 2EA, DC 모터 OUT Port 2EA로 구성하였다.
고학년에서 로봇교육은 과학 패키지로 활용하기 때문에 이를 위한 다양한 기능의 PCB 및 아두이노 보드를 부착하여 확장성을 제공한다. 프로그램은 기본 모듈을 사용하는 경우에는 스크래치 프로그램과 연동하여 교육을 수행하고, 고학년인 경우 모듈을 교체함으로써 C, 파이썬 등의 언어를 교육할 수 있도록 개발하였다.
대상 데이터
교육용 로봇인 코코넛의 내부 시스템 구조는 그림 2와 같이 시스템 블록 다이어그램으로 나타낼 수 있다. 9개의 IR송수신부와 3개의 센서 그리고 블루투스 모듈로 구성되어 있다.
성능/효과
첫째, 조립식 교구는 실제 교육보다는 조립에 시간을 빼앗기게 되어 교육효과가 감소하게 된다. 둘째, 기존 교구로봇은 활용성이 제한되고 창의성이 감소된다[7]. 셋째, 하나의 S/W 교육이 끝나면 다른 교육에 활용이 어려워서 다양한 코딩교육 지원이 어렵다[2].
기존 제품의 문제로 지적된 사항은 다음과 같다. 첫째, 조립식 교구는 실제 교육보다는 조립에 시간을 빼앗기게 되어 교육효과가 감소하게 된다. 둘째, 기존 교구로봇은 활용성이 제한되고 창의성이 감소된다[7].
최종적으로 수요조사 대상자인 일선학교 교사들의 코코넛 테스트에서는 기존에 제기된 문제점을 해결한 부분에서 만족도가 매우 높았다. 그러나 초기 제품이고 실제 정기적인 교육에 투입이 되지 않았기 때문에 실제 사용자인 학생들을 대상으로 만족도와 코딩 교육의 효과성 및 교재연구개발에 대해서 앞으로 연구되어야 할 것이다.
후속연구
최종적으로 수요조사 대상자인 일선학교 교사들의 코코넛 테스트에서는 기존에 제기된 문제점을 해결한 부분에서 만족도가 매우 높았다. 그러나 초기 제품이고 실제 정기적인 교육에 투입이 되지 않았기 때문에 실제 사용자인 학생들을 대상으로 만족도와 코딩 교육의 효과성 및 교재연구개발에 대해서 앞으로 연구되어야 할 것이다.
또한 PC가 없거나 공간이 협소한 경우, 특정장소에 이동하여 수업해야하는 경우와 같이 다양한 환경에서 교육이 가능하도록 스마트폰 활용이 가능한 안드로이드 버전의 스크래치 프로그램을 제공한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 4차 산업혁명의 이슈로 화두가 되고 있는 것은 무엇들인가?
국가 산업 발전을 위한 로드맵을 구상하고 필요한 인재를 양성하는 것이 미래 경제 키워드로서 매우 중요하다. 최근 4차 산업혁명의 이슈로 소프트웨어 산업, 문화컨텐츠 산업, 융복합 산업, 지식재산 산업 등이 화두가 되고 있다. 특히 최근에 소프트웨어 분야에서의 창의적인 인재 육성에 대한 관심이 뜨겁다.
코코넛은 무엇을 수렴하여 기존제품의 문제점으로 지적된 단점을 개선하였는가?
코코넛(COCONUT)은 로봇교육을 전담하는 교사들의 의견을 수렴하여 기존제품의 문제점으로 지적된 단점을 개선하였다. 기존 제품의 문제로 지적된 사항은 다음과 같다.
소프트웨어 코딩교육에서 로봇교육이 정착되지 못하는 이유는 어떤 학습이기 때문인가?
로봇 교육은 학생들의 창의성, 문제해결력 등 21세기 학습자들의 핵심적인 역량 개발에 효과적이라는 연구가 보고되고 있다[3],[5],[9]. 이러한 효과가 있음에도 학교 현장에서 로봇교육이 정착되지 못하는 이유는 로봇교육을 독립교과로 담기 어려운 현행 학교 교육과 정의 편제, 로봇교육을 위한 컴퓨터 등의 제반 환경 인프라 지원의 어려움, 이해하기 어려운 기계어의 학습이다. 최근 어려운 프로그래밍 언어사용의 문제점을 해결하기 위해서 교구용 로봇을 제어하기 위한 소프트웨어를 비주얼방식의 드래그앤드롭 방식으로 프로그래밍을 할 수 있도록 구성되어 비교적 손쉽게 학습자가 원하는 프로그램을 작성할 수 있게 되었다.
참고문헌 (11)
B. Fagin and L. Merkle, "Measuring the effectiveness of robots in teaching computer science ACMSIGCSE Bulletin," Proc. of the 34th, Special Interest Group on Computer Science Education Technical Symp, Reno, Navada, USA, vol. 35, no. 1, February 19-23, 2003, pp. 307-311.
W. Gurstelle, Building Bot Design and Building Warrior Robots. Chicago: Chicago Review Press. December, 1, 2002.
I. Yoo and T. Kim, "The Effects of MINDSTORMS Programming Instruction on the Creativity," The J. of Korean Association of Computer Education, vol. 9, no. 1, 2006, pp. 1-11.
J. Moon, Y. Ryuh, and J. An, "A Study on Designing Key Fastening Parts for Compatibility of Teaching-Aids-Robots," The J. of Korea Robotics Society, vol. 6, no. 1, 2011. pp. 10-17.
J. Park and C. Kim, "The Effects of the Robot Based Art Instruction on the Creativity in Elementary School," J. of the Korean Association of Information Education, vol. 15, no. 2, 2011, pp. 277-285.
J. Song, "Designing of Block-Type Puzzle Assembly Robot Education System without Computer," J. of the Korea Society of Computer and Information, vol. 18, no. 4, 2013. 4, pp. 183-190.
S. Papert, Mindstorms: Children Computers, and Powerful Ideas. New York: Basic Books, August, 3, 1993.
A. Sipitakiat, P. Blikstein, and D. Cavallo, "GoGo Board: Augmenting Programmable Bricks for Economically Challenged Audiences," In Proc. from Int. Conf. of the Learning Sciences, Los Angeles, USA, June 22-26, 2004, pp. 481-488.
Y. Jeon, J. Song, and T. Lee, "The Impact of Robot Use in Practical Arts Education on the Learner's Problem-Solving Ability," J. of Korean Practical Arts Education, vol. 14, no. 4, 2008, pp. 209-224.
N. Kim, J. Ha, "Performing Missions of a Small Biped Walking Robot using Image Processing", J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 12, 2016, pp. 1225-1230.
J. Byun and Y. Choi, "An Efficient Stair Locomotion Method of Quadruped Robot with Mechanism of Insectile Leg," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 3, 2015, pp. 395-402.
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