[논문]학습효과 증대를 위한 인공지능을 이용한 영유아 앱 설계

오선진

doi:10.17703/jcct.2020.6.4.733

[국내논문] 학습효과 증대를 위한 인공지능을 이용한 영유아 앱 설계
Design of an Infant's App using AI for increasing Learning Effect 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.4, 2020년, pp.733 - 738

초록
AI-Helper

요즘 수많은 앱이 개발되어 보급되고 있지만 특별히 5세 이하의 영유아들을 위한 앱은 쉽게 찾을 수 없는 상황이다. 영유아들을 위한 앱은 유익하고, 안전하며, 지능발달에 도움을 줄 수 있어야 하므로 그 선택은 더욱 까다롭다. 본 연구에서는 이러한 영유아들에 요구되는 특성을 충족할 수 있는 앱 개발을 위해 학습효과 증대를 위한 인공지능 기술을 접목하여 영유아들의 지능발달에 유익한 앱을 개발하고자 한다. 제안한 앱은 영유아들이 흥미를 갖고 집중해서 반복적으로 즐길 수 있는 놀이들 모음으로 그림 맞추기, 색칠 공부, 스티커 붙이기 등으로 구성되며, 가짜 휴대전화 기능을 두어 재미있는 전화 놀이도 할 수 있도록 설계하였다. 아울러, 학습효과 증대를 위해 아이들이 놀이하는 동안 발생하는 로그 정보를 수집 분석하고 다른 또래 아이들과의 기록 공유 등을 통해 그 아이의 성향, 이해도와 숙련도 등을 파악하여 학습하고 이를 다음 놀이에 적용하여 놀이의 흥미와 집중력을 향상할 수 있도록 설계하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is really hard to find an infant's App, especially for the age under 5, even though there are lots of Apps developed and distributed nowadays. The selection of the proper infant's App is difficult since the infants' App should be useful, safe and helpful for the development of their intelligence. In this research, we design the useful infant's App for the development of their intelligence by applying the AI technology for increasing the learning effect in order to satisfy the characteristics of the infants' needs. A proposed App is the collection of interesting games for infants such as picture puzzle game, coloring shapes game, pasting stickers game, and fake mobile phone feature enables them to play interesting phone game. Furthermore, the proposed App is also designed to collect and analyze the log information generated while they are playing games, share and compare with other infants' log information to increase the learning effect. After then, it figures out and learns their game tendency, intelligibility, workmanship, and apply them to the next game in order to increase their interests and concentration of the game.

주제어

표/그림 (9)

표 표 1. AI 웹 서버 시스템 모델 Table 1. System Model of An AI Web Server
그림 그림 1. 그림 맞추기 놀이 알고리즘 Figure 1. Algorithm of Picture Puzzle Game.
표 표 2. 로그 정보 Table 2. Log Information
그림 그림 2. 로그정보 AI 웹서버 전송 알고리즘 Figure 2. Sending Algorithm of Log Info to the AI Webserver.
그림 그림 3. AI 웹 서버 접속 알고리즘 Figure 3. Connection Algorithm to the AI Webserver.
그림 그림 4. 그림 맞추기 놀이 실행과 종료 결과화면 Figure 4. Execution Results of the Picture Puzzle Game.
그림 그림 5. 색칠 공부 놀이 실행 결과화면 Figure 5. Execution Results of the Drawing Game.
그림 그림 6. 스티커 붙이기 놀이 실행 결과화면 Figure 6. Execution Results of the Sticker Game.
그림 그림 7. 가짜 휴대전화 놀이 실행 결과화면 Figure 7. Execution Results of the Fake Phone Game.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

왜냐하면, 영유아들은 아직 분별력이 부족하고 미성숙하므로 어플의 선택이나 사용에 있어 오용이나 과용을 초래할 수 있고, 게임중독과 같은 심각한 문제를 일으킬 수도 있으며, 영유아들의 성장이나 교육 적인 면까지도 고려되어야 하므로 영유아들을 대상으로 한 어플 제작이 무척 까다롭고 신중을 기해야 할 필요가 있기 때문이다. 본 연구에서는 영유아들에게 유익하고, 안전하며, 지능발달에 도움을 줄 수 있는 학습효과를 증대시킬 수 있도록 인공지능 기술을 접목한 간단하고 단순한 게임 위주의 영유아용 어플을 설계하고 구현하였다.

제안 방법

그림 6은 스티커 붙이기 놀이를 실행한 결과화면으로 2단으로 나누어진 캐릭터 스티커 그림을 서로 연관이 있는 캐릭터에 붙여 연관 지으면 완성되는 게임이다. 난이도가 낮은 경우에는 스티커와 연관 그림의 차이가 거의 없이 색이 다르거나 모양이 조금 다른 정도로 나타나지만, 난이도가 높아질수록 스티커와 연관 그림 간의 외부 모양 유사도는 낮아지고 서로 의미와 연관성에 초점을 맞춰 연결하도록 함으로써 아이들의 사물 인지 능력과 지능발달에 도움이 되도록 구성하였다. 마지막으로 그림 7은 가짜 휴대전화 놀이를 실행한 결과화면을 보여주고 있다.
그림 1은 본 연구에서 구현한 영유아용 앱의 그림 맞추기 놀이 알고리즘의 일부를 보여준다. 두 번째 놀이는 색칠공부로 처음에는 한글 이름과 함께 밑그림이 화면에 주어지고 정해진 시간 안에 그림의 빈칸을 색으로 채우도록 하였고, 놀이의 난이도가 높아질수록 복잡한 형태의 밑그림이 보여지고 궁극적으로는 밑그림 없이 빈 도화지에 한글로 주어진 이름의 도형이나 사물, 동식물 등을 아이 나름대로 그리고 색칠을 완성하도록 하였다. 주어진 시간 안에 화면에 빈칸이 없이 모두 색으로 칠해 지면 그림의 완성도에 따라 게임을 성공한 것으로 인정한다.
본 연구에서 계획하고 설계하여 구현한 영유아용 어플은 분별력이 부족하고 성숙하지 않은 영유아들을 대상으로 하는 어플이기 때문에 영유아들에게 유익하고, 안전하며, 지능발달에 도움을 줄 수 있는 학습효과를 증대시킬 수 있도록 인공지능 기술을 접목한 간단하고 단순한 게임 위주의 영유아용 어플을 설계하고 구현하였다. 영유아의 눈높이에 맞도록 하기위해 전반적인 놀이의 복잡도와 난이도를 영유아 수준에 맞도록 게임 아이템 주제를 그림 맞추기, 색칠 공부, 스티커 붙이기 등으로 정하여 각각 게임 난이도에 따라 레벨을 두어 설계하였고, 게임에 등장하는 캐릭터들은 동화책이나 그림책에서 쉽게 접할 수 있는 것으로 하였으며, 음향효과와 게임 시간제한 및 게임 스코어 보드 등으로 게임의 흥미를 더하게 하였다.
본 연구에서 계획하고 설계하여 구현한 영유아용 어플은 분별력이 부족하고 성숙하지 않은 영유아들을 대상으로 하는 어플이기 때문에, 영유아의 눈높이에 맞도록 하기 위해 전반적인 놀이의 복잡도와 난이도를 영유아 수준에 맞도록 게임 아이템 주제를 그림 맞추기, 색칠 공부, 스티커 붙이기 등으로 정하여 각각 게임 난이도에 따라 레벨을 두어 설계하였고, 게임에 등장하는 캐릭터들은 동화책이나 그림책에서 쉽게 접할 수 있는 것으로 하였으며, 음향효과와 게임 시간제한 및 게임 스코어 보드 등으로 게임의 흥미를 더하게 하였다. 추가로 가짜 전화기 기능을 두어 실제 스마트 폰의 버튼 음과 통화 연결음 등을 사용하여 실제 전화기로 통화하는 것처럼 현실감을 주었고, 실제 통화 연결이 이루어진 경우에는 아이들에게 익숙한 동요를 스피커를 통해 재생되게 하였다.
본 연구에서 설계하고 구현한 영유아용 놀이 어플은 앱 초기 소개 화면을 포함하여 영유아들이 재미있게 놀이할 수 있는 그림 맞추기, 색칠 공부, 스티커 붙이기 그리고 가짜 휴대전화 놀이 등 4가지 유형의 게임들로 구성되어 있다. 우선 그림 맞추기 놀이는 캐릭터 형태로 된 동물, 식물, 사물 등의 형태나 그림자의 검은색 실루엣 영상을 가지고 화면에 표시되어진 한글 이름에 맞춰서 붙이는 게임으로 아이들의 상상력과 지각능력을 향상시키고 또한 한글 교육 효과도 가져올 수 있도록 하였다.
본 연구에서 설계하고 구현한 영유아용 어플의 시스템 실행 환경은 Android OS 기반 휴대용 모바일 단말기나 스마트 폰을 대상으로 하고 있으며 이 어플의 개발환경은 Java JDK와 Android Studio for windows의 Android SDK를 사용하여 개발하였고[5], 학습 효과 증대를 위해 인공지능 웹 서버를 구축하여 사용하였다[6][7]. 다음의 표 1은 인공지능 웹 서버의 시스템 환경을 보여주고 있다.
추가로 가짜 전화기 기능을 두어 실제 스마트 폰의 버튼 음과 통화 연결음 등을 사용하여 실제 전화기로 통화하는 것처럼 현실감을 주었고, 실제 통화 연결이 이루어진 경우에는 아이들에게 익숙한 동요를 스피커를 통해 재생되게 하였다. 아이들의 게임에 대한 이해도와 숙련도에 따라 집중력을 높이고 학습효과를 증대시키기 위하여 인공지능 기술을 이용하여 게임을 하는 동안 발생 하는 게임관련 로그 정보를 수집하고 분석하며, 다른 아이들의 게임관련 정보와 비교하여, 게임에 대한 습득 정도 및 발전과정을 고려한 다음 단계로의 진행 결정을 통해 학습효과를 높일 수 있도록 설계하였다. 향후 연구과제로는 영유아용 앱에서의 음성인식 기능을 적용하는 것이다.
또한, 아이들의 집중력과 정서를 고려하여 현란한 색의 화면 구성이나 빠른 화면 전환 그리고 과도한 음향효과 등은 배제하였다. 아이들의 게임에 대한 이해도와 숙련도에 따라 집중력을 높이고 학습효과를 증대시키기 위하여 인공지능 기술을 이용하여 게임을 하는 동안 발생하는 게임 관련 로그 정보를 수집하고 저장한 다음, 이전 관련 자료와 임계치를 비교 분석하며, 또래의 다른 아이들이 게임을 통해 수행한 관련 정보와 비교하여, 게임에 대한 습득 정도 및 발전과정을 고려한 다음 단계로의 진행 결정을 통해 학습효과를 높일 수 있도록 설계하였다. 이 논문의 구성은 다음과 같다.
가짜 휴대전화 놀이는 통화버튼을 눌러 실제 통화 연결음 신호가 발생하게 하였고 통화 연결 시점에는 상대방과의 음성 통화 대신 스피커를 통해 아이들한테 익숙한 동요가 흘러나오게 하여 아이들의 전화놀이에 실감과 흥미를 더하게 하였다. 아이들의 놀이가 진행되는 동안 학습효과 증대를 위해 수집하고 있는 각 게임의 로그 정보는 매 게임이 종료되는 대로 수집되어 네트워크를 통해 인공지능 웹 서버로 전송되어 저장되며 그동안 인공지능을 이용한 학습을 통해 축적된 규칙 베이스에서 이 로그 정보의 각 결정 요인들에 대한 임계값을 비교 분석하여 현재 이 게임에 대한 이해도, 숙련도, 집중도 등을 판단하여 다음 단계로의 레벨 업 수준에 와 있는 지를 판단하게 되며, 이 수준에 도달했다고 판단되면 다음 게임을 시작할 때 이를 반영하여 같은 유형의 놀이를 한 단계 높은 난이도 단계로 수행하도록 추천함으로써 아이들이 게임을 하는 동안 자신도 모르게 조금씩 성장하는 학습효과 증대가 이루어지도록 하였다. 그림 2는 놀이에서 발생한 로그 정보를 인공지능 웹 서버로 전송하는 알고리즘이다.
이 게임은 화면에 보여진 캐릭터와 맞는 아래의 한글로 표시된 단어와 매칭시키는 방식으로 진행되며 이때 화면 상단에 표시된 노란색 막대는 이 게임에 주어진 시간을 카운트하는 것으로 정해진 시간 안에 수행되도록 하였다. 여기서 화면에 표시되는 캐릭터는 게임의 난이도가 높아지면 정확한 영상 대신 그림자 영상으로 주어지며 그림도 복잡해지는데 이들 그림 자료는 웹서버의 데이터베이스에 저장되어 있고 게임 실행 시 무선망을 통해 가져오게 되며 비교적 용량이 큰 멀티미디어인 이들 데이터의 전송은 빠른 get 방식을 쓰는 대신 POST 방식으로 그림은 byte화 하여 웹서버로부터 전송하도록 하였다. 다음의 그림 5는 색칠 공부 놀이를 실행한 화면을 보여준다.
본 연구에서 계획하고 설계하여 구현한 영유아용 어플은 분별력이 부족하고 성숙하지 않은 영유아들을 대상으로 하는 어플이기 때문에 영유아들에게 유익하고, 안전하며, 지능발달에 도움을 줄 수 있는 학습효과를 증대시킬 수 있도록 인공지능 기술을 접목한 간단하고 단순한 게임 위주의 영유아용 어플을 설계하고 구현하였다. 영유아의 눈높이에 맞도록 하기위해 전반적인 놀이의 복잡도와 난이도를 영유아 수준에 맞도록 게임 아이템 주제를 그림 맞추기, 색칠 공부, 스티커 붙이기 등으로 정하여 각각 게임 난이도에 따라 레벨을 두어 설계하였고, 게임에 등장하는 캐릭터들은 동화책이나 그림책에서 쉽게 접할 수 있는 것으로 하였으며, 음향효과와 게임 시간제한 및 게임 스코어 보드 등으로 게임의 흥미를 더하게 하였다. 추가로 가짜 전화기 기능을 두어 실제 스마트 폰의 버튼음과 통화 연결음 등을 사용하여 실제 전화기로 통화하는 것처럼 현실감을 주었고, 통화 연결이 이루어지면 아이들에게 익숙한 동요가 스피커를 통해 재생되게 하였다.
본 연구에서 설계하고 구현한 영유아용 놀이 어플은 앱 초기 소개 화면을 포함하여 영유아들이 재미있게 놀이할 수 있는 그림 맞추기, 색칠 공부, 스티커 붙이기 그리고 가짜 휴대전화 놀이 등 4가지 유형의 게임들로 구성되어 있다. 우선 그림 맞추기 놀이는 캐릭터 형태로 된 동물, 식물, 사물 등의 형태나 그림자의 검은색 실루엣 영상을 가지고 화면에 표시되어진 한글 이름에 맞춰서 붙이는 게임으로 아이들의 상상력과 지각능력을 향상시키고 또한 한글 교육 효과도 가져올 수 있도록 하였다. 이어 색칠 공부 놀이는 처음에는 간단한 밑그림이 주어지고 정해진 시간 안에 아이들이 원하는 색으로 칠하여 완성하는 게임으로 그 색칠 실력이 향상될수록 조금씩 더 복잡한 밑그림이 주어지고 숙련도가 임계치 이상에 도달하면 밑그림 없이 표시된 도형이나 사물, 동식물 등을 아이 나름대로 그리고 색칠을 완성하도록 하였다.
세 번째 놀이는 스티커 붙이기 놀이로 화면에 2줄로 나열된 캐릭터 스티커를 정해진 시간 안에 서로 연관된 캐릭터 스티커와 붙여주는 게임으로 총 3회의 오답을 허용하는 선택의 기회가 부여되며 정해진 게임 시간 안에 3회 이상의 오답 없이 모든 캐릭터 스티커를 맞게 붙여주면 게임을 성공한 것으로 간주한다. 이 게임은 난이도가 높아질수록 캐릭터의 외관적 유사도를 기준으로 정답을 선택하기보다는 캐릭터가 갖는 의미나 연관성이 정답 선택의 주요 기준이 되도록 하여 아이들의 인지 능력 강화와 지능발달 및 학습효과 증대가 효과적으로 이루어지도록 하였다. 마지막으로 가짜 휴대전화 놀이는 게임의 승패와는 무관하게 단순히 아이들의 호기심과 놀이에 초점을 맞춰 구현한 게임으로, 실제 스마트 폰과 동일한 동작과 버튼음 및 효과음을 발생하도록 하여 아이들의 스마트 폰에 대한 호기심을 깨우고 실감나는 전화놀이를 할 수 있도록 구현하였다.
첫 번째 놀이는 그림 맞추기 놀이로 화면에 출제된 캐릭터의 형태로 되어 있는 동물, 식물, 사물 등 의 형태나 그림자 영상의 물체가 무엇인지를 인지하여 그림과 일치하는 화면에 한글로 표시된 이름을 맞추는 게임으로 답이 맞으면 다음 영상으로 계속 진행되며, 게임 당 총 10개의 캐릭터 영상이 출제되는데 주어진 시간 안에 모든 영상을 맞춰야 게임 승리로 인정된다. 이 게임은 난이도에 따라 여러 단계의 캐릭터 영상이 출제되도록 설계되어 아이들의 상상력과 인지 능력을 향상시키고, 한글 교육 효과도 증대시킬 수 있도록 설계되어 효과적인 학습효과도 가져오도록 하였다. 그림 1은 본 연구에서 구현한 영유아용 앱의 그림 맞추기 놀이 알고리즘의 일부를 보여준다.
그림 4는 본 논문에서 구현한 영유아용 어플의 그림 맞추기 놀이를 실행하고 종료한 결과화면을 보여주고 있다. 이 게임은 화면에 보여진 캐릭터와 맞는 아래의 한글로 표시된 단어와 매칭시키는 방식으로 진행되며 이때 화면 상단에 표시된 노란색 막대는 이 게임에 주어진 시간을 카운트하는 것으로 정해진 시간 안에 수행되도록 하였다. 여기서 화면에 표시되는 캐릭터는 게임의 난이도가 높아지면 정확한 영상 대신 그림자 영상으로 주어지며 그림도 복잡해지는데 이들 그림 자료는 웹서버의 데이터베이스에 저장되어 있고 게임 실행 시 무선망을 통해 가져오게 되며 비교적 용량이 큰 멀티미디어인 이들 데이터의 전송은 빠른 get 방식을 쓰는 대신 POST 방식으로 그림은 byte화 하여 웹서버로부터 전송하도록 하였다.
마지막으로 그림 7은 가짜 휴대전화 놀이를 실행한 결과화면을 보여주고 있다. 터치스크린을 통해 휴대전화가 갖고 있는 기능을 수행할 수 있도록 하였고 통화 연결과 동요 감상을 동반한 통화 기능을 수행하도록 하였으며 매번 버튼을 누를 때마다 버튼음과 효과음이 발생하도록 하여 실감을 더 하도록 하였다.

성능/효과

이 게임은 난이도가 높아질수록 캐릭터의 외관적 유사도를 기준으로 정답을 선택하기보다는 캐릭터가 갖는 의미나 연관성이 정답 선택의 주요 기준이 되도록 하여 아이들의 인지 능력 강화와 지능발달 및 학습효과 증대가 효과적으로 이루어지도록 하였다. 마지막으로 가짜 휴대전화 놀이는 게임의 승패와는 무관하게 단순히 아이들의 호기심과 놀이에 초점을 맞춰 구현한 게임으로, 실제 스마트 폰과 동일한 동작과 버튼음 및 효과음을 발생하도록 하여 아이들의 스마트 폰에 대한 호기심을 깨우고 실감나는 전화놀이를 할 수 있도록 구현하였다. 가짜 휴대전화 놀이는 통화버튼을 눌러 실제 통화 연결음 신호가 발생하게 하였고 통화 연결 시점에는 상대방과의 음성 통화 대신 스피커를 통해 아이들한테 익숙한 동요가 흘러나오게 하여 아이들의 전화놀이에 실감과 흥미를 더하게 하였다.
한편 스티커 붙이기 놀이는 2줄에 걸쳐 표시된 캐릭터 스티커들을 주어진 시간 안에 서로 연관된 스티커와 연결시켜 주는 게임으로 총 3번의 오답에 대한 기회가 부여된다. 마지막으로 가짜 휴대전화 놀이는 실제 스마트 폰과 유사한 동작과 버튼음 및 효과음을 내도록 하여 아이들의 스마트 폰에 대한 호기심을 깨우고 실감나는 전화 놀이를 할 수 있도록 구현하였고, 통화버튼을 누르면 실제 통화 연결음 신호가 가고 통화 연결 시점에는 스피커를 통해 아이들한테 매우 익숙한 동요가 흘러나오게 하여 흥미를 더하였다.
본 연구에서 계획하고 설계하여 구현한 영유아용 어플은 분별력이 부족하고 성숙하지 않은 영유아들을 대상으로 하는 어플이기 때문에, 영유아의 눈높이에 맞도록 하기 위해 전반적인 놀이의 복잡도와 난이도를 영유아 수준에 맞도록 게임 아이템 주제를 그림 맞추기, 색칠 공부, 스티커 붙이기 등으로 정하여 각각 게임 난이도에 따라 레벨을 두어 설계하였고, 게임에 등장하는 캐릭터들은 동화책이나 그림책에서 쉽게 접할 수 있는 것으로 하였으며, 음향효과와 게임 시간제한 및 게임 스코어 보드 등으로 게임의 흥미를 더하게 하였다. 추가로 가짜 전화기 기능을 두어 실제 스마트 폰의 버튼 음과 통화 연결음 등을 사용하여 실제 전화기로 통화하는 것처럼 현실감을 주었고, 실제 통화 연결이 이루어진 경우에는 아이들에게 익숙한 동요를 스피커를 통해 재생되게 하였다. 아이들의 게임에 대한 이해도와 숙련도에 따라 집중력을 높이고 학습효과를 증대시키기 위하여 인공지능 기술을 이용하여 게임을 하는 동안 발생 하는 게임관련 로그 정보를 수집하고 분석하며, 다른 아이들의 게임관련 정보와 비교하여, 게임에 대한 습득 정도 및 발전과정을 고려한 다음 단계로의 진행 결정을 통해 학습효과를 높일 수 있도록 설계하였다.
영유아의 눈높이에 맞도록 하기위해 전반적인 놀이의 복잡도와 난이도를 영유아 수준에 맞도록 게임 아이템 주제를 그림 맞추기, 색칠 공부, 스티커 붙이기 등으로 정하여 각각 게임 난이도에 따라 레벨을 두어 설계하였고, 게임에 등장하는 캐릭터들은 동화책이나 그림책에서 쉽게 접할 수 있는 것으로 하였으며, 음향효과와 게임 시간제한 및 게임 스코어 보드 등으로 게임의 흥미를 더하게 하였다. 추가로 가짜 전화기 기능을 두어 실제 스마트 폰의 버튼음과 통화 연결음 등을 사용하여 실제 전화기로 통화하는 것처럼 현실감을 주었고, 통화 연결이 이루어지면 아이들에게 익숙한 동요가 스피커를 통해 재생되게 하였다. 또한, 아이들의 집중력과 정서를 고려하여 현란한 색의 화면 구성이나 빠른 화면 전환 그리고 과도한 음향효과 등은 배제하였다.

후속연구

아이들의 게임에 대한 이해도와 숙련도에 따라 집중력을 높이고 학습효과를 증대시키기 위하여 인공지능 기술을 이용하여 게임을 하는 동안 발생 하는 게임관련 로그 정보를 수집하고 분석하며, 다른 아이들의 게임관련 정보와 비교하여, 게임에 대한 습득 정도 및 발전과정을 고려한 다음 단계로의 진행 결정을 통해 학습효과를 높일 수 있도록 설계하였다. 향후 연구과제로는 영유아용 앱에서의 음성인식 기능을 적용하는 것이다.

참고문헌 (7)

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J. E. Kim, "An Analysis of the effect of Artificial Intelligence on Human Society", the Journal of the Convergence on Culture Technology, Vol. 5, No. 2, pp. 177-182, 2019. DOI: http://dx.doi.org/10.17703/JCCT.2019.5.2.177

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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].

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