[논문]피지컬 컴퓨팅 기반 소프트웨어 교육용 제품 개발

김응곤

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.3.595

피지컬 컴퓨팅 기반 소프트웨어 교육용 제품 개발
Development of Software Education Products Based on Physical Computing 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.3, 2019년, pp.595 - 600

초록
AI-Helper

유아 및 저학년용 교육도구는 기술의 발달로 ICT기반의 디지털 기술이 융합되면서 스마트화 되고 있고 스마트 교육도구의 디지털 상호작용 기능은 학생들에게 보다 높은 몰입감과 재미를 선사해, 기존의 교육도구와는 전혀 다른 놀이형 도구로서 학습이 가능하다. 스마트 교육도구 구현에 활용되는 기술은 로봇공학, 컴퓨터공학, 프로그래밍 등 공학과 수학적 바탕으로 하는 학문에서 비롯되어, 그 자체로 교육 분야에 접목 될 수 있다. 본 논문에서는 현장교육에 활용되는 교육용 도구 로봇의 특성을 고려한 연구 개발 및 교육 현장에 최적화된 피지컬 컴퓨팅 기반의 제품을 설계 및 구현하여 로봇 시스템의 기반이 되는 센싱 정보처리와 소프트웨어 설계 및 프로그래밍 실습 교육을 위한 피지컬 교육이 가능하도록 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Educational tools for infants and younger students are becoming smarter as ICT-based digital technology convergence extends according to the development of technology. As the digital interaction function of smart education tools gives students greater immersion and fun, a learning might become a play to the students. The technologies used in the implementation of smart education tools come from the disciplines of robotics, computer engineering, programming, and engineering and mathematical foundations and these can be integrated into the field of education itself. This paper designs and implements a product based on optimized physical computing for R&D and education in consideration of the characteristics of educational tool robots used in the field education. It was developed to enable physical education for sensing information processing, software design and programming practice training that is the basis of robot system.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 명령어 코드가 입력된 카드 디자인 Fig. 1 Card design with embedded instruction code
그림 그림 2. 카테고리에 따른 명령 Fig. 2 Commands by category
그림 그림 3. 확장형 케이스 제어파트 전자회로 Fig. 3 Electronic circuit of expandable case control part
그림 그림 4. 확장형 케이스 제어파트 PCB 설계도 Fig. 4 Expandable case control part PCB design
그림 그림 5. 외부 확장형 카드식 피지컬 컴퓨팅 장치 설계도 Top View Fig. 5 Top View of external scalable carded physical computing device design
그림 그림 6. 외부 확장형 카드식 피지컬 컴퓨팅 장치 설계도 Bottom View Fig. 6 Bottom View of external scalable carded Physical Computing Device Design
그림 그림 7. 외부 확장형 카드식 피지컬 컴퓨팅 장치 제품 모델링 Fig. 7 Modeling of an external scalable carded physical computing device product
그림 그림 8. 외부 센서 확장 Fig. 8 External sensor extension
그림 그림 9. 확장 장치 및 명령코드 삽입 Fig. 9 Insert of Extension device and command code

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 실제 학교현장에서 로봇교육을 수행하고 고민하는 수요자 요구의 기능을 갖춘 스크래치 활용교육이라는 교육용 로봇 시스템을 임베디드 환경에서 설계 및 구현하였다. 확장형 케이스 제어 개발환경으로는 IR송수신이 가능한 센서 및 OP-Amp를 이용한 아날로그 값을 디지털로 변환하도록 설계하였고 IR송수신에서 수집된 데이터를 기반으로 순차적 프로그램 수행이 가능하도록 마이컴 제어용 펌웨어를 개발하였다.
본 논문은 프로그램 카드 제작을 위한 1 Line Data Code 방안을 연구하였으며 1 Line Code 배치에 따른 비트 수 설정 및 Reading 방안을 연구하였고 Signal Line과 Code Line에 대한 기획을 하였다.
현장교육에 활용되는 교육용 도구 로봇의 특성을 고려한 연구개발 및 교육 현장에 최적화된 피지컬 컴퓨팅 기반 제품의 개발이 요구되어 이 문제를 해결하기 위해 컴퓨터 없이 직접 프로그램 할 수 있는 방안의 필요성을 느끼고 본 연구는 코딩 로봇 ‘코코넛’과 탈부착이 가능한 외부 제어용 기기의 통신을 통한 피지컬 컴퓨팅 방식을 구현하였다.

제안 방법

메인 마이컴은 Atmega8A로 구현하였으며, IR송수신이 가능한 센서 및 OP-Amp를 이용한 아날로그 값을 디지털로 변환하도록 설계하였다. IR송수신에서 수집된 데이터를 기반으로 순차적 프로그램 수행이 가능하도록 마이컵 제어용 펌웨어를 개발하였다. 다음 그림 3, 4는 확장형 케이스 제어파트 전자 회로 및 PCB 설계도이다.
RGB LED, 구동 모터 IR 등 각종 센서 일체형 로봇으로 다양한 디바이스가 응용 가능하고 코딩 교육용 스크래치 프로그램과 연동하여 코딩 결과를 눈으로 직접 확인 할 수 있는 피지컬 컴퓨팅 기반 로봇을 개발하였다. 하지만 기존 ‘코코넛’은 스크래치 프로그램을 기반으로 하며, 변수에 대한 설정이 필요하여 초등학교 4, 5, 6학년 및 이후 학년이 사용 가능한 코딩 로봇으로 저학년이 사용하기 어려운 문제점을 가지고 있다.
기존 카드리더 방식의 특허에서 탈피한 새로운 1 Line 카드리딩 기능 구현 제품을 개발하였다. 이를 이용하여 단계적인 프로그램 구현이 가능하도록 순차적 명령 방식의 펌웨어와 피지컬 컴퓨팅용 프로그램 확장 장치를 개발하여 기존의 스마트 교육도구와는 달리 디지털 상호작용 기능을 통해 학생들에게 보다 높은 몰입감과 재미를 선사한다.
I/O 확장포트와 연계하여 외부에 센서 및 제어장치를 장착 가능하도록 레고식 조립 블록채결방식의 확장을 통한 다양한 모영 제작이 가능하도록 지원한다. 또한 제품 상단 8x8 Dot Matrix LED 점등을 통해 숫자, 한글, 영문 대소문자, 이모티콘 표현이 가능하도록 개발하였다. 그림 8은 코딩 로봇에 외부 센서를 확장한 사진이며 그림 9는 피지컬 컴퓨팅용 코딩로봇 ‘코코넛’의 확장 장치 및 명령코드를 삽입하는 사진이다.
또한 코딩 로봇에 피지컬 컴퓨팅용 카드 삽입을 통하여 비교적 손쉽게 학습자가 원하는 프로그램을 작성 할 수 있도록 구현하였다.
카드 Reading을 통한 피지컬 컴퓨팅 수업 구현을 위하여 내부 전자회로를 신규 개발하였다. 메인 마이컴은 Atmega8A로 구현하였으며, IR송수신이 가능한 센서 및 OP-Amp를 이용한 아날로그 값을 디지털로 변환하도록 설계하였다. IR송수신에서 수집된 데이터를 기반으로 순차적 프로그램 수행이 가능하도록 마이컵 제어용 펌웨어를 개발하였다.
본 논문에서는 학교 현장에서 로봇교육을 위한 컴퓨터 등의 제반 환경 인프라 지원의 힘들고, 이해하기 어려운 기계어의 학습을 해결하기 위하여 교구용 로봇을 제어하기 위한 소프트웨어를 비주얼 방식의 드래그 앤 드롭 방식으로 프로그래밍을 할 수 있도록 구성하였다.
사용자가 직관적으로 인지할 수 있는 프로그램 명령어 제공이 가능한 디자인을 도입하였고 사용자의 요구사항을 반영한 기획 및 카드라는 특성을 고려한 기본 디자인과 통일성을 고려한 1 Line Code부 디자인을 설계하였다. 사용 빈도 및 사용자의 연령을 고려한 카드 명령어 선정 및 가장 많이 사용하는 36개의 개별 명령어 코드가 입력된 카드를 개발하였다.
사용자가 직관적으로 인지할 수 있는 프로그램 명령어 제공이 가능한 디자인을 도입하였고 사용자의 요구사항을 반영한 기획 및 카드라는 특성을 고려한 기본 디자인과 통일성을 고려한 1 Line Code부 디자인을 설계하였다. 사용 빈도 및 사용자의 연령을 고려한 카드 명령어 선정 및 가장 많이 사용하는 36개의 개별 명령어 코드가 입력된 카드를 개발하였다.
완제품의 형태이면서 기계적 확장성을 제공하여 다양한 콘텐츠를 제공하고 S/W교육이 가능하도록 설계하였고 확장 포트용 피지컬 프로그램 모듈을 통해 활용성을 증대시켰다.
외부 센서 및 블록 확장을 통한 다양한 기능이 구현하였다. I/O 확장포트와 연계하여 외부에 센서 및 제어장치를 장착 가능하도록 레고식 조립 블록채결방식의 확장을 통한 다양한 모영 제작이 가능하도록 지원한다.
기존 카드리더 방식의 특허에서 탈피한 새로운 1 Line 카드리딩 기능 구현 제품을 개발하였다. 이를 이용하여 단계적인 프로그램 구현이 가능하도록 순차적 명령 방식의 펌웨어와 피지컬 컴퓨팅용 프로그램 확장 장치를 개발하여 기존의 스마트 교육도구와는 달리 디지털 상호작용 기능을 통해 학생들에게 보다 높은 몰입감과 재미를 선사한다. 이는 놀이형 도구로써 학습이 가능하고 보다 폭넓고 다양한 상호작용을 통해 창의력 증대에 도움이 된다.
최종적으로 본 논문은 기존에 제시한 로봇교육의 문제점을 해결하여 사용자의 니즈를 파악하여 컴퓨팅 기능에 최적화되고 현장교육에 활용되는 교육용 도구 로봇의 특성을 고려하여 연구 개발 및 교육 현장에 최적화된 피지컬 컴퓨팅용 프로그램 확장장치를 개발하였다.
피지컬 컴퓨팅을 위한 카드리딩 방식의 제품군 개발을 위한 추가 확장형 제품과 외부 확장형 피지컬 컴퓨팅 제품을 개발하였다. 측면에 카드리딩이 가능하도록 확장형 케이스를 설계 및 제작하였고 카드리딩 사용을 고려한 제품의 외형 케이스 포지션을 설정하였다. 외부 확장 포트를 이용하여 전원공급 및 데이터 송수신이 가능하도록 구성되어 있으며 사용자 측면에서 쉽게 카드를 읽힐 수 있도록 위치가 구성되어 있다.
카드 Reading을 통한 피지컬 컴퓨팅 수업 구현을 위하여 내부 전자회로를 신규 개발하였다. 메인 마이컴은 Atmega8A로 구현하였으며, IR송수신이 가능한 센서 및 OP-Amp를 이용한 아날로그 값을 디지털로 변환하도록 설계하였다.
코딩로봇 내부에 Micom으로 Atmega329P를 사용하고 있으며, 상기 Micom은 전체 구동을 위한 펌웨어가 내장되어 있다. 카드리더 컨트롤에서 확장형 포트를 통하여 전송되는 데이터를 수신하여 제품이 구동되기 위하여 관련 데이터를 수신 및 작동 알고리즘을 내장한 펌웨어를 변경이 요구되어 기존 펌웨어에 대한 업그레이드 및 수정을 통하여 피지컬 컴퓨팅이 가능하도록 개발하였다.
피지컬 컴퓨팅을 위한 카드리딩 방식의 제품군 개발을 위한 추가 확장형 제품과 외부 확장형 피지컬 컴퓨팅 제품을 개발하였다. 측면에 카드리딩이 가능하도록 확장형 케이스를 설계 및 제작하였고 카드리딩 사용을 고려한 제품의 외형 케이스 포지션을 설정하였다.
본 논문에서는 실제 학교현장에서 로봇교육을 수행하고 고민하는 수요자 요구의 기능을 갖춘 스크래치 활용교육이라는 교육용 로봇 시스템을 임베디드 환경에서 설계 및 구현하였다. 확장형 케이스 제어 개발환경으로는 IR송수신이 가능한 센서 및 OP-Amp를 이용한 아날로그 값을 디지털로 변환하도록 설계하였고 IR송수신에서 수집된 데이터를 기반으로 순차적 프로그램 수행이 가능하도록 마이컴 제어용 펌웨어를 개발하였다.

대상 데이터

총 6종(Motion, LED, Matrix, Music, Control, Pre-coded)의 범주로 이루어 져 있으며 36종의 명령으로 구성되어있다. 기본 이동 관련 명령, LED Light 조작 명령, 상단 LED Matrix 조작 명령, Beep 음 관련 명령, 반복 관련 명령, 미리 코딩된 내용 구현이 가능하다.

성능/효과

총 6종(Motion, LED, Matrix, Music, Control, Pre-coded)의 범주로 이루어 져 있으며 36종의 명령으로 구성되어있다. 기본 이동 관련 명령, LED Light 조작 명령, 상단 LED Matrix 조작 명령, Beep 음 관련 명령, 반복 관련 명령, 미리 코딩된 내용 구현이 가능하다. 다음 그림 2는 카테고리에 따른 명령이다.

후속연구

2000년 이후 동안 수학, 물리, 컴퓨터과학 및 기계 공학 분야의 학생들에게 필요한 개념과 원리 및 방법들을 가르치는 학습 모의실험 도구로 많은 로봇 키트들이 개발되었다[6]. 향후 단순 조립이 아닌 콘텐츠가 연동된 패키지 형태로 이루어 질 것이며 스마트 디바이스로 사용하는 장치의 다변화, ICT 기술을 활용한 DIY로 직접 제작 및 활용이 가능할 것이며 네트워크 연동을 통한 클라우드 서버에 접속으로 커뮤니티에 연동될 전망이다. 현재 UBTECH ROBOTICS등 외국 기업들의 비즈니스 모델은 단일 로봇제품의 판매에서 콘텐츠 개발 및 유통으로 변화하고 있으며, 국내 제품도 시장 경쟁력을 갖추기 위한 영유아 및 저학년용을 위한 코딩 교육 시스템이 필요하다[7].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 교육도구 구현에 활용되는 기술은 무엇인가?	유아 및 저학년용 교육도구는 기술의 발달로 ICT기반의 디지털 기술이 융합되면서 스마트화 되고 있고 스마트 교육도구의 디지털 상호작용 기능은 학생들에게 보다 높은 몰입감과 재미를 선사해, 기존의 교육도구와는 전혀 다른 놀이형 도구로서 학습이 가능하다. 스마트 교육도구 구현에 활용되는 기술은 로봇공학, 컴퓨터공학, 프로그래밍 등 공학과 수학적 바탕으로 하는 학문에서 비롯되어, 그 자체로 교육 분야에 접목 될 수 있다. 본 논문에서는 현장교육에 활용되는 교육용 도구 로봇의 특성을 고려한 연구 개발 및 교육 현장에 최적화된 피지컬 컴퓨팅 기반의 제품을 설계 및 구현하여 로봇 시스템의 기반이 되는 센싱 정보처리와 소프트웨어 설계 및 프로그래밍 실습 교육을 위한 피지컬 교육이 가능하도록 개발하였다.
	본 논문에서 제작한 프로그램 카드의 범주는?	총 6종(Motion, LED, Matrix, Music, Control, Pre-coded)의 범주로 이루어 져 있으며 36종의 명령으로 구성되어있다. 기본 이동 관련 명령, LED Light 조작 명령, 상단 LED Matrix 조작 명령, Beep 음 관련 명령, 반복 관련 명령, 미리 코딩된 내용 구현이 가능하다.
	스마트 교육도구가 갖는 장점은?	유아 및 저학년용 교육도구는 기술의 발달로 ICT기반의 디지털 기술이 융합되면서 스마트화 되고 있고 스마트 교육도구의 디지털 상호작용 기능은 학생들에게 보다 높은 몰입감과 재미를 선사해, 기존의 교육도구와는 전혀 다른 놀이형 도구로서 학습이 가능하다. 스마트 교육도구 구현에 활용되는 기술은 로봇공학, 컴퓨터공학, 프로그래밍 등 공학과 수학적 바탕으로 하는 학문에서 비롯되어, 그 자체로 교육 분야에 접목 될 수 있다.

저자의 다른 논문 :

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