[논문]이동성 위치기반 증강현실(LBMS-AR)시스템 적용 현장체험 학습활동 프레임워크 개발

조재완; 김은경

doi:10.9716/kits.2019.18.5.085

이동성 위치기반 증강현실(LBMS-AR)시스템 적용 현장체험 학습활동 프레임워크 개발
Development of a Field-Experiential Learning Framework using Location Based Mobile-learning AR System 원문보기

한국IT서비스학회지 = Journal of Information Technology Services, v.18 no.5, 2019년, pp.85 - 97

조재완 (한국기술교육대학교 컴퓨터공학과) , 김은경 (한국기술교육대학교 컴퓨터공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we developed the Field-Experiential Learning Framework Using the Location Based Mobil-learning System (LBMS) and it is mobile Augmented Reality (AR) for smart learning system which is advanced e-learning. AR is technology that seamlessly overlays computer graphics on the real world. LBMS-AR has become widely available because of mobile AR. Mobile AR is possible to get information from real world anytime, anywhere. Nowadays, there are various areas using AR such as entertainment, marketing, location-based AR. We analysed the result of survey and implemented the functions. Also, for survey about application's effectiveness, we have focus group interview (FGI). Then we demonstrated and explained the application to them. The result of survey about application's effectiveness shows that application have higher utilization in education area. One of the most promising areas is education. AR in education shows lifelike images to users for realism. It's a good way for improving concentration and attention. We utilize only a beacone for image-based AR without other sensor.

주제어

표/그림 (19)

표 <표 1> 직접경험과 간접경험의 구분
표 <표 2> 위치 측위 기법 비교
그림 [그림 1] 현실과 가상현실과의 관계
표 <표 3> 비콘(Beacon)의 시스템 정보
그림 [그림 2] AR의 학습경험적 특성 및 하위요소
그림 [그림 3] LBS-AR 기반 현장체험학습 프레임 워크 구조도
표 <표 3> 스마트 디바이스 엑세스 단계별 처리내용
표 <표 4> 시스템 개발환경
그림 [그림 4] 비콘 설치 개념도
그림 [그립 5] 비콘 활용 시스템 개요도
그림 [그림 5] 체험장소를 반영한 실감형 AR콘텐츠
그림 [그림 6] 콘텐츠 유형
그림 [그림 6] 위치기반 프레임 워크 구조도
그림 [그림 7] 프레임 워크 제어 흐름도
그림 [그림 8] AR 미션구현 프레임워크
그림 [그림 9] 비콘 인식 돌발 미션과 포트폴리오
그림 [그림 10] SOAP기반 Open API
그림 [그림 11] Khronos 그룹의 OpenXR
표 <표 5> 평가대상 표집 및 응답자 수

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

’라는 질문을 통해 실감형 미디어 콘텐츠를 사용할 때 실제로 그 장소에 있는 것 같은 느낌을 받고 몰입감을 느꼈는지를 파악하고자하였다.
본 연구는 작금의 AR을 적용한 현장 체험학습이 컨텐츠 중심을 넘어 1)게임과 스토리텔링을 AR 기술에 반영한 체험 학습활동 프레임 워크이며 2) AR이 미래기술이 집약된 미디어 매체로서 기존매체와 차별화되는 매체적 특성을 반영한 경험적 학습요소의 확장성을 규명하였다. 그리고 3) ICT의 질적인 변화(진보․진화․개선)가 AR 기반 실감형 미디어 교육콘텐츠 적용 학습의 과정에의 어떠한 영향을 미치고 있는 과정에 대해 보여줄 수 있는 개선된 프레임 워크를 제시하고자 하였다.
그리고, 미래기술이 집약된 AR이 기존 매체와 차별화되는 매체적 특성을 반영한 경험적 학습요소로서의 확장성을 실증적으로 규명한다. 따라서 최근 정보기술․ICT의 질적인 변화(진보․진화․개선)가 학습흥미, 학업성취, 몰입에 미치는 효과를 사용성 평가를 통하여 검증하여 현장체험학습의 과정에 대해 보여줄 수 있는 개선된 학습활동프레임워크를 제시한다.
그리고, 미래기술이 집약된 AR이 기존 매체와 차별화되는 매체적 특성을 반영한 경험적 학습요소로서의 확장성을 실증적으로 규명한다. 따라서 최근 정보기술․ICT의 질적인 변화(진보․진화․개선)가 학습흥미, 학업성취, 몰입에 미치는 효과를 사용성 평가를 통하여 검증하여 현장체험학습의 과정에 대해 보여줄 수 있는 개선된 학습활동프레임워크를 제시한다.
따라서, 본 연구에서 제안 하는 현장 체험학습 프레임 워크는 비콘(Beacon)활용 위치기반 서비스를 이용한 시스템이다. 안내지도와 이벤트 푸쉬기능을 이용한 현장에서 개방형 클라우드 자료를 활용하여 다양한 교육 콘텐츠(해설, 사진, 퀴즈, 게임, 카툰)를 제공하고 이러한 경험을 통한 몰입과 현존감 있는 체험활동이 가능한 기능을 포함하고자 하는데 의의가 있다.
체험학습활동에서 위치기반 AR 적용은 신기술의 융합으로 컴퓨팅(Computational Thinking)개념이 새롭게 정의 되듯이 그동안 문화유산과 관광정보를 제공하는 형태의 단순 정보 제공활동 서비스를 벗어나 현장 체험학습에서 게임적 요소가 결합된 스토리텔링 방식으로 구성된 미션들을 해결하면서 학습 하도록 프레임 워크를 구조화한 것에 의의가 있다. 이는 학습자가 경험적 요소를 통하여 직접 해결하는 형태로 구현되는 새로움 플렛폼이 필요하고 이 프레임 워크에 이를 담았다. 이 때 비콘과 연계된 AR 컨텐츠가 결합하여 위치기반 게임 공간에 참여한 학습자는 캐릭터와 같은 몰입감과 흥미를 얻게 되었다.

가설 설정

둘째, 사용자 편의성(UI/UX)이 실제와 몰입감에 도움이 되도록 편하게 사용할 수 있었습니까?’라는 질문을 통해 현장체험활동 중, 학생들이 느끼는 불편함이나 어색함을 파악하고자 하였다. 이에 대해 동영상 기반 콘텐츠를 경험한 그룹의 몇몇 학생들은 약간 게임 같다는 요지의 반응을 진술했으나, 그 강도는 크지 않았던 것으로 파악되었다.

제안 방법

AR 체험형 학습 콘텐츠는 [그림 5]처럼 장소의 의미를 실감형 AR 프레임워크를 기초로하여, 인스에듀 크레크팀과 함께 데이터 사용량 등을 고려하여 혼합현실(MR) 방식의 2D형 AR 콘텐츠를 체험하는 형태로 구현하였다.
MR 학습시스템은 컬러코드나 QR코드 등에 의해 단편적인 장면과 텍스터를 제시하는 것인 반면, ‘경험 디자인(Design for Experience)이 가능하도록 시각기반 증강현실(Vision-Based AR)과 위치기반 증강현실(Location-Based AR)의 두 가지 AR 교육콘텐츠의 특징이 잘 활용 가능하도록 현장체험 학습활동 프레임워크를 제안하였다.
경우에 따라서 식 (2)나 식 (3) 같은 다항식의 계수를 결정하는 방식을 취하기도 하는데 본 논문에서는 식 (1)의 방식을 적용하여 국내 “Hana Microninc Inc”에서 제조된 비콘 프로토타입 기기를 사용하여 측정한 후 설치 위치를 [그림 4], [그림 5]와 같이 배치하였다.
기존의 NFC, RFID나 GPS의 근거리 위치인식 기술의 오차와 한계를 극복하고자 무선 센서 비콘을 활용하여 LBS-AR시스템을 구현하였다. 비콘이 송출하는 RSSI는 보통 보통 -99dBm에서 35dBm까지의 세기를 송출하며 숫자가 높을수록 신호의 강도가 강하다(김학용, 2007).
최근 IEEE에서 실감 가상현실 기술관련 Khronos 그룹의 OpenXR가 AR/VR API 표준화 기술에 선정되었다(한국교육학술정보원, 2018). 따라서 제주특별자치도의 개방형 스마트관광 플랫폼의 콘텐츠는 비콘 연동 Open API방식을 적용하고([그림 10] 참조), 실감영상 기반 AR 콘텐츠는 IEEE 표준인 OpenXR 프레임워크를 통하여 하나의 콘텐츠를 다양한 스마트 기기에서 서비스가 되도록 프레임 워크를 설계하였다([그림 11] 참조).
무엇보다 위성 신호와 단절되는 장애물이 있는 지형이나 건물 내부에서는 측위 방법으로 적절하지 않다. 따라서, 본 논문에서 사용한 위치 기반 서비스는 BLE4.0 기반 비콘을 이용한 측위를 통하여 사용자 위치를 추적한다.
따라서, 본 연구에서 제안 하는 현장 체험학습 프레임 워크는 비콘(Beacon)활용 위치기반 서비스를 이용한 시스템이다. 안내지도와 이벤트 푸쉬기능을 이용한 현장에서 개방형 클라우드 자료를 활용하여 다양한 교육 콘텐츠(해설, 사진, 퀴즈, 게임, 카툰)를 제공하고 이러한 경험을 통한 몰입과 현존감 있는 체험활동이 가능한 기능을 포함하고자 하는데 의의가 있다.
또한 [그림 6]과 같은 체험형 AR게임과 함께 선다형, 선긋기형, 단담형, O, X형, 저작형(텍스트 및 사진 등 입력)콘텐츠로 유형으로 구성하였다.
본 연구를 통하여 개발된 프레임 워크를 제주 민속촌 현장체험학습에 적용하였다. 제주도에서 제공하는 Open API와 Khronos Group의 OpenXR 프레임 워크와 상호 연계함으로서 설계된 프레임 워크를 원칙(목적)에 따라 적용 할 수 있었다.
사용성 평가 참가 대상은 제주민속촌의 전시물 및 시설과 연계한 체험교육콘텐츠 중 ① 전시물 기반 학습(Object-based Learning), ② 체험활동, ③ 스토리텔링 방식의 학습이라는 원칙에 따라 충실히 참가 한 학생과 전문가 집단을 통한 설문과 인터뷰로 사용성 평가를 측정하였다. 본 연구에서 사용성 평가를 위한 측정 도구는 Azuma(1997), Banathy(1991), Jackson(1996), Zaman(2010)의 검사지를 각각 우리말 번역 후 FGI 전문가 그룹을 통하여 프레임 워크의 내용 타당도 및 사용성 검증을 거쳤다.
본 연구에서 제안한 프레임워크에 탑재된 콘텐츠는 체험학습 기관에서 기본적으로 제공하는 ‘개방형 관광 서비스 플랫폼’을 활용할 수 있도록 Android와 iOS에서 접속 가능하도록 와 같이 개발환경을 구성하였다.
개방형 스마트 관광 플랫폼에서 제공하는 체험교육콘텐츠는 전시물과 시설을 연계한 ① 전시물 기반학습(Object-based Learning), 사용자가 직접 보고, 만지고, 체험하는 형태의 ② 체험활동, 각각의 미션과 이동 동선(관람 동선)이 하나의 이야기 흐름에 따라 구현되는 ③ 스토리텔링 방식의 학습이라는 3가지 원칙에 따라 개발되어 사용자에게 제공된다. 비콘 신호에 따라 이동 동선에 맞는 AR 체험형, 다양한 방식의 퀴즈형, 사진을 찍거나 간단히 생각을 기술하는 형태의 저작형(탐방소감) 콘텐츠로 구현되었다.
AR 체험교육은 [그림 8]과 같이 학습자가 첫 미션을 해결해야 다음 미션이 해결 가능하도록 순차적인 방식으로 구현되었으며, 미션의 상세 내용은 그림과 글 및 오디오로 구성되며 AR 체험이나 퀴즈로 연계되는 방식이다. 비콘 연계 미션은 비콘 신호를 인식하면 미션이 열리는 방식으로 팝업과 함께 지도에 버튼형 스위치로 생성되도록 구현하였다.
사용성 평가 참가 대상은 제주민속촌의 전시물 및 시설과 연계한 체험교육콘텐츠 중 ① 전시물 기반 학습(Object-based Learning), ② 체험활동, ③ 스토리텔링 방식의 학습이라는 원칙에 따라 충실히 참가 한 학생과 전문가 집단을 통한 설문과 인터뷰로 사용성 평가를 측정하였다. 본 연구에서 사용성 평가를 위한 측정 도구는 Azuma(1997), Banathy(1991), Jackson(1996), Zaman(2010)의 검사지를 각각 우리말 번역 후 FGI 전문가 그룹을 통하여 프레임 워크의 내용 타당도 및 사용성 검증을 거쳤다.
LBMS-AR시스템은 실감영상 가상기술이 갖는 교육적 효과를 잘 반영되도록 기획되었다. 시각기반 증강현실(Vision-Based AR)과 위치기반 증강현실(Location-Based AR)의 두 가지 AR교육콘텐츠가 활용 가능하도록 [그림 3]과 같이 시스템을 구성하였다. 이는 비콘 송신기가 있는 50m거리 반경 내에 블루투스를 켠 스마트 디바이스가 접근하면 인식을 하여 식별 ID를 받은 서버가 사용자에게 서비스를 제공하는 위치기반 스마트 엑세스 시스템의 구성도이다.
실감미디어 기술에 게임과 스토리텔링이 반영된 AR 콘텐츠를 적용하여 학습자가 단순히 ‘관람’의 수준을 넘어 ‘다감각(Multisensory)’으로 자기주도 학습이 가능한 프레임워크를 구축하였다.
실감미디어 기술에 게임과 스토리텔링이 반영된 AR 콘텐츠를 적용하여 학습자가 단순히 ‘관람’의 수준을 넘어 ‘다감각(Multisensory)’으로 자기주도학습이 가능한 프레임 워크를 구축하였다.
무엇보다 AA건전지 1쌍이나 수은전지 한 개로 약 8개월～1년의 수명을 유지함으로 설치 후 유지 비용이 적게 든다. 이러한 점을 이용하여 현장 체험학습용 프레임 워크에서 위치기반 시스템으로 비콘을 활용하여 시스템을 구축 하였다.
[그림 9]는 위치인식 후 전시물 상세 설명이 포함된 게임형 AR 콘텐츠를 구현한 것이다. 이를 통하여 체험형 현장학습의 흥미와 함께 학습내용을 체득할 수 있도록 구성하였다.
이에 본 논문에서 적용한 비콘(Beacon)은 근거리 위치 인식 기술을 적용시킨 무선센서로 특정위치에 설치해놓으면 블루투스 4.0 기술을 탑재한 스마트 디바이스가 접근 할 경우 비콘과 상호인식을 통하여 각종 정보와 서비스 제공이 가능하다. 따라서, LBMS-AR 시스템은 이동성 위치기반 증강현실(Location Based Mobile-learning System : LBMS-AR) 콘텐츠 활용 현장체험 학습활동에 최적화되어 있다.
현장체험학습을 예정하거나 진행 중인 학습자에게 목적지의 위치 및 설명, 학습활동의 진행정도에 대한 정보를 제공하기 위하여 프레임워크를 구조화 하였다. 즉, 비콘(Beacon) 센싱정보를 바탕으로 현재 위치를 보여주고 그 위에 Overlay를 이용하여 목적지와 지도를 동기화하고, AR 화면과 지도화면은 Intent(화면 출력 기능을 담당하는 콘텐츠와 컨포넌트 간 커뮤니케이션 기능)를 이용하여 통신한다.
첫째, 현장학습 프레임 워크의 유용성을 파악하기 위한 질문에 대한 인터뷰를 실시하였고, 이동성 위치기반 AR 콘텐츠를 사용할 때, 어떤 느낌이 들었습니까?’라는 질문을 통해 실감형 미디어 콘텐츠를 사용할 때 실제로 그 장소에 있는 것 같은 느낌을 받고 몰입감을 느꼈는지를 파악하고자하였다.
현장체험학습을 예정하거나 진행 중인 학습자에게 목적지의 위치 및 설명, 학습활동의 진행정도에 대한 정보를 제공하기 위하여 프레임워크를 구조화 하였다. 즉, 비콘(Beacon) 센싱정보를 바탕으로 현재 위치를 보여주고 그 위에 Overlay를 이용하여 목적지와 지도를 동기화하고, AR 화면과 지도화면은 Intent(화면 출력 기능을 담당하는 콘텐츠와 컨포넌트 간 커뮤니케이션 기능)를 이용하여 통신한다.

대상 데이터

본 연구의 사용성 평가를 위하여 와 같이 교사 및 관련 전문가 15명을 및 학습자 57명을 대상으로 FGI 및 설문 검증을 실시하였다.

이론/모형

이러한 특성 때문에 <표 2>처럼 삼각측량법이나 fingerprint기법 등을 사용하여 오차를 줄이는 시도를 한다. 최적의 비콘 설치 위치를 특정하기 위하여 측위 성능을 측정하기 위하여 식 (1)과 같이 Friis공식(김학용, 2007)을 이용하였다.

성능/효과

본 연구는 작금의 AR을 적용한 현장 체험학습이 컨텐츠 중심을 넘어 1)게임과 스토리텔링을 AR 기술에 반영한 체험 학습활동 프레임 워크이며 2) AR이 미래기술이 집약된 미디어 매체로서 기존매체와 차별화되는 매체적 특성을 반영한 경험적 학습요소의 확장성을 규명하였다. 그리고 3) ICT의 질적인 변화(진보․진화․개선)가 AR 기반 실감형 미디어 교육콘텐츠 적용 학습의 과정에의 어떠한 영향을 미치고 있는 과정에 대해 보여줄 수 있는 개선된 프레임 워크를 제시하고자 하였다.
이에 대해 동영상 기반 콘텐츠를 경험한 그룹의 몇몇 학생들은 약간 게임 같다는 요지의 반응을 진술했으나, 그 강도는 크지 않았던 것으로 파악되었다. 더불어 유사한 장면이 반복되거나 포켓몬 게임과 같다는 느낌이 든다는 의견도 있었으나, 전반적으로 현장 체험학습 활동이 재미있다는 긍정적 경험을 유도한 것으로 파악되어 위치기반 증강현실교육 시스템(LBMS-AR) 교육콘텐츠의 교육적 의의와 활용의 가능성을 유추할 수 있었다.
본 연구에서 개발한 LBS-AR시스템은 이동성 위치기반 증강현실(Location based mobile-learning AR System : LBMS-AR) 콘텐츠 활용 현장체험 학습활동에 최적화되어 있다. 실감미디어 기술에 게임과 스토리텔링이 반영된 AR 콘텐츠를 적용하여 학습자가 단순히 ‘관람’의 수준을 넘어 ‘다감각(Multisensory)’으로 자기주도학습이 가능한 프레임 워크를 구축하였다.
본 연구의 검증 결과, AR 기반 학습에서 실물형 인터페이스를 통한 학습의 강화가 현존감 및 만족도, 재미에 영향을 미치는 중요한 요인임이 검증되었다. 반면, 이러한 측면에서 오는 행위유발성(affordance)의 문제가 최소화될 수 있도록, 차후 연구에서는 구축된 프레임 워크가 적용된 플랫폼에 대한 실증적 검증이 다양한 구축 사례분석과 함께 기술적 개선을 제시하는 연구로 발전될 것을 기대한다.

후속연구

본 연구의 검증 결과, AR 기반 학습에서 실물형 인터페이스를 통한 학습의 강화가 현존감 및 만족도, 재미에 영향을 미치는 중요한 요인임이 검증되었다. 반면, 이러한 측면에서 오는 행위유발성(affordance)의 문제가 최소화될 수 있도록, 차후 연구에서는 구축된 프레임 워크가 적용된 플랫폼에 대한 실증적 검증이 다양한 구축 사례분석과 함께 기술적 개선을 제시하는 연구로 발전될 것을 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비콘이란?	이에 본 논문에서 적용한 비콘(Beacon)은 근거리 위치 인식 기술을 적용시킨 무선센서로 특정위치에 설치해놓으면 블루투스 4.0 기술을 탑재한 스마트 디바이스가 접근 할 경우 비콘과 상호인식을 통하여 각종 정보와 서비스 제공이 가능하다.
	디지털 혁신을 통한 학습환경의 변화는?	컴퓨터 공학의 발달과 네트워크 중심의 학습환경은 보다 참여적이고(engaging) 실제적이며(authentic), 사실적이고(realistic), 즐거운(fun) 학습 환경을 구축할 수 있을 것이라고 기대되고 있다(Kirkley and Kirkley, 2015, 교육부, 2016). ‘디지털 네이티브(digital natives)’로 불리는 오늘날 학습자들은 그들의 일상 대부분이 디지털미디어를 기반으로 하고 있다.
	LBMS-AR 시스템은 어떠한 활동에 최적화되어있는가?	0 기술을 탑재한 스마트 디바이스가 접근 할 경우 비콘과 상호인식을 통하여 각종 정보와 서비스 제공이 가능하다. 따라서, LBMS-AR 시스템은 이동성 위치기반 증강현실(Location Based Mobile-learning System : LBMS-AR) 콘텐츠 활용 현장체험 학습활동에 최적화되어 있다.

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