[논문]포물선 운동을 중심으로 한 가상현실 기반 물리 실험 교육 시뮬레이터 개발

김연정; 윤세희; 신병석

doi:10.3745/ktsde.2021.10.1.19

포물선 운동을 중심으로 한 가상현실 기반 물리 실험 교육 시뮬레이터 개발
Development of a Virtual Reality-Based Physics Experiment Training Simulator Centered on Motion of Projectile 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on software and data engineering. 소프트웨어 및 데이터 공학, v.10 no.1, 2021년, pp.19 - 28

김연정 (인하대학교 전기컴퓨터공학과) , 윤세희 (인하대학교 인간중심컴퓨팅연구센터) , 신병석 (인하대학교 컴퓨터공학과)

초록
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최근 교육 분야에서는 가상현실 기술을 교육현장에 접목하여 교육 매체로 사용을 하고자 하는 시도들이 다양하게 진행되고 있다. 이에 과학교과 방면에서도 가상현실 환경 구축 기술을 이용하여 공간 및 상황 등의 여러 제한에서 벗어나 보다 다양하고 활동적인 실험을 할 수 있는 과학 실험 시뮬레이션을 필요로 하고 있다. 본 연구에서는 과학교과 중 물리 과목을 선택하여 물리 현상 중 하나인 포물선 운동 공식을 활용한 실험 시뮬레이션을 가상현실 공간에 구현한 뒤, 융합인재교육(STEAM) 이론의 학습 준거를 기준으로 실제 물리 교육에 활용이 가능함을 증명하였다. 이를 통해 가상현실 공간을 활용한 구체적인 교육 모형을 설계할 수 있음을 확인하였고, 전통적인 교육 모형과 현대적 기술의 접목으로 여러 교과에서 보다 효과적인 학습 방법으로 교육을 진행할 수 있음을 보여준다. 연구 결과와 관련하여 향후 연구 방안 및 실제 교육현장에서의 활용 가능성을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, in the field of education, various attempts have been made to apply virtual reality technology to an educational field and use it as an educational medium. Accordingly, in the science subject area, it is necessary to simulate science experiments that can make various and active experiments out of various limitations such as space and situation by using virtual reality environment construction technology. In this study, after selecting a physics course from a science subject, an experimental simulation using a parabolic motion formula, one of physical phenomena, is implemented in a virtual space, and then used in actual physics education based on the learning standards of the STEAM theory. Prove this is possible. Through this, it was confirmed that a specific educational model using virtual reality space can be designed, and it shows that education can be conducted with more effective educational methods in various subjects of education through the combination of traditional educational model and modern technology. Regarding the results of the research, it suggests the possibility of future research plans and practical use in the educational field.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. The Framework of STEAM Education Presented by Yakman[5]
그림 Fig. 2. STEAM Education Learning Standards
그림 Fig. 3. 2D Physics Experiment Simulation
그림 Fig. 4. Physical Education Simulation Design Course
그림 Fig. 5. Motion of Projectile
그림 Fig. 6. Space and VR Device Where Simulation Experiment was Conducted. The VR Test Area is 3.3㎡, and the Device is Vive
그림 Fig. 7. Initial Experiment Progress Screen
그림 Fig. 8. Elements Displayed on the Screen when Experimenting in the Unity Editor. Area ① Indicates the Score, Area ② Can Adjust the Position and Power Elements, and Area ③ Indicates the Angle
그림 Fig. 9. Experiment Progress Screen in Unity Editor
그림 Fig. 10. VR Elements Visible on the Screen During an Experiment in Space. The Difference from the Unity Editor is that there is a Velocity Element Instead of Power
그림 Fig. 11. Experiment Progress Screen in VR Space
표 Table 1. Survey on Educational Utilization of Simulation Programs

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 교육 분야의 관심을 바탕으로 가상현실을 이용한 학습이 물리교육에서의 학습효과를 향상시켜줄 수 있는 가능성이 있는지, 또는 가상현실의 어떤 특징적인 요인들이 물리 학습 활동과 관련되어 교육면에서 활용 할 수 있는지에 대한 연구를 진행했다. 여기서는 물리의 성질 중 ‘포물선 운동’과 관련한 가상현실 실험을 설계 및 구현한 뒤 융합인재 교육(STEAM) 이론의 교육 준거를 바탕으로 분석하였다.
본 연구에서 가상 세계에서 구현한 실험은 물리 현상 중 포물선 운동에 관련한 실험으로, 농구 게임을 통하여 포물체에 적용하는 힘, 각도 등의 변인에 따라 포물체의 진행 방향이 달라질 수 있다는 것을 체험할 수 있는 시뮬레이션을 만들어 실행해보는 실험이었다.
설계한 내용을 토대로 가상현실 환경에 구현하였고, 포물선 이론의 다양한 변수를 적용한 실험을 진행하였다. 시뮬레이션 실험 완료 후 연구 실험 결과에 대한 고찰, 향후 본 연구를 발판으로 물리 및 과학 교육법의 발전 가능성 고찰을 진행하였다.
이 연구는 고등학교 학생들이 배우는 물리 특성 중 하나인 포물선 운동을 기반으로 가상현실 세계에서의 실험을 설계하고, 설계한 실험을 가상현실 환경에서 구현 및 실행하는 것이다. 포물선 이론을 선택한 이유는 고등학교 물리 교과 내용 중학생들이 처음으로 학습에 어려움을 겪는 내용으로 알려져 있으며, 쉽게 물리적 오개념을 가질 수 있는 부분이기 때문이다.

가설 설정

이번 실험에서는 공기가 포물체의 운동에 영향을 주지 않 는다고 가정하고 진행하였다. 처음속_도^_^_{로 발사된 포물체} 를 생각해 보자.

제안 방법

3.4절에서 구현된 실험 시뮬레이션을 교육 현장에서 활용할 수 있는지에 대한 설문 조사를 진행하였다. 설문 대상은 컴퓨터공학과 학사 이상으로 제한했는데, 이는 물리 비전공자이면서 코딩 능력이 중급 이상이고, 시뮬레이션을 코딩 능력 초급인 자가 구현하기에 알맞은 난이도인지 평가가 가능한 집단으로 설정하였기 때문이다.
가상현실 기기를 이용하여 보완한 실험을 진행하였다. 초기 실험과 동일하게 Vive 컨트롤러를 이용하여 사용자가 스스로 공을 들고서 골대에 공을 넣을 수 있도록 하였다.
움직이며 골대에 공을 넣을 수 있도록 하였다. 게임이 시작되면 공이 사용자의 앞에 떨어지고, 그 공을 주워서 골대에 넣는 방식으로 게임을 진행할 수 있도록 하였다. 이 때, 사용자가 가상현실에서 중력을 이겨낼 수 있도록 농구 골대를 기준으로 Y방향으로 10N, Z방향으로 10N의 힘을 추가시켜주었다.
공이 골대를 통과했을 때만 점수를 인정하였고, 골대 아래에서 공이 통과했을 때, 골대 테두리에 공이 맞았을 때 등은 점수를 인정하지 않도록 설계하였다. 공을 던지는 위치 및 각도는 사용자가 직접 움직이면서 조절을 할 수 있도록 하였고, 공을 던지는 세기, 속도 등은 유니티 에디터 환경에서는 초기에 사용자가 세팅을 하고, 가상현실 공간에서는 사용자가 직접 움직이며 조절하도록 하였다. 해당 시뮬레이션을 구현하기 위하여 유니티 에디터를 이용하였으며, Fig.
실험 시뮬레이션은 농구 게임 형태로 구현이 되었으며, 공의 무게 및 속도, 각도, 골대와의 거리를 사용자가 스스로 조절하면서 공을 골대에 넣을 수 있도록 하는 내용이다. 공이 골대를 통과했을 때만 점수를 인정하였고, 골대 아래에서 공이 통과했을 때, 골대 테두리에 공이 맞았을 때 등은 점수를 인정하지 않도록 설계하였다. 공을 던지는 위치 및 각도는 사용자가 직접 움직이면서 조절을 할 수 있도록 하였고, 공을 던지는 세기, 속도 등은 유니티 에디터 환경에서는 초기에 사용자가 세팅을 하고, 가상현실 공간에서는 사용자가 직접 움직이며 조절하도록 하였다.
10과 같이 유니티 에디터 상에서는 Power 영역의 요소를 이용하여 사용자가 힘을 조절할 수 있도록 하였으나, 컨트롤러를 이용하는 가상현실 공간에서는 사용자가 직접 공을 들어서 던지기 때문에 설정 영역에서 Power 영역은 제거하였다. 대신 Velocity 영역을 추가하여 사용자가 어느 방향으로 공을 던졌는지 확인할 수 있도록 하였다. 다른 조건들은 모두 동일하게 실험을 진행하였다.
따라서 위의 네 가지 요소를 보완하여 실험 구성을 변경하였다. 먼저, 사용자와 골대간의 거리, 공을 던지는 방향을 알 수 있도록 x, y, z 방향의 위치 요소를 추가하였으며, 이 요소들을 사용자가 조절할 수 있도록 각각 스크롤바를 추가하였다.
만약 골대 아래에서 공을 던져서 수직으로 떨어지며 다시 골대를 통과할 때에는 득점 인정이 되지 않도록 하였으며, 공이 바닥에 한번 닿은 후에 정상적으로 공이 골대를 통과하였을 때 득점이 될 수 있도록 예외 처리를 하였다. 또한 공이 농구 골대의 다른 부분과 충돌했을 때는 공이 튕겨져 나오도록 충돌 처리를 하였다.
때만 득점 인정이 되도록 하였다. 만약 골대 아래에서 공을 던져서 수직으로 떨어지며 다시 골대를 통과할 때에는 득점 인정이 되지 않도록 하였으며, 공이 바닥에 한번 닿은 후에 정상적으로 공이 골대를 통과하였을 때 득점이 될 수 있도록 예외 처리를 하였다. 또한 공이 농구 골대의 다른 부분과 충돌했을 때는 공이 튕겨져 나오도록 충돌 처리를 하였다.
이후 구현된 시뮬레이션으로 실험을 진행한 뒤 결과를 분석한다. 먼저 포물선 운동을 일상생활에 적용한 예로 농구를 선정하였고, 농구 게임 프로그램을 설계하였다. 설계한 내용을 토대로 가상현실 환경에 구현하였고, 포물선 이론의 다양한 변수를 적용한 실험을 진행하였다.
먼저, 사용자와 골대간의 거리, 공을 던지는 방향을 알 수 있도록 x, y, z 방향의 위치 요소를 추가하였으며, 이 요소들을 사용자가 조절할 수 있도록 각각 스크롤바를 추가하였다. 또한 공을 던지는 각도를 알 수 있도록 값을 계산하여 화면에 표기하였다.
4와 같은 순서로 진행하였다. 물리적 특성을 확인한 뒤 실험 시뮬레이션을 설계하고, 설계한 실험을 유니티를 이용하여 구현한다. 이후 구현된 시뮬레이션으로 실험을 진행한 뒤 결과를 분석한다.
또한 학교뿐만 아니라 물리 엔진과 가상현실 구현 기기가 있는 곳에서 학습자가 원하는 대로 직접 실험을 설계하고 진행할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 가상현실을 이용하여 포물선 운동에 대한 물리 실험 시뮬레이션 구현 및 진행을 함으로써 물리 엔진과 가상현실 구현 장비를 통해 물리 공식을 직접 체험할 수 있었다.
먼저 포물선 운동을 일상생활에 적용한 예로 농구를 선정하였고, 농구 게임 프로그램을 설계하였다. 설계한 내용을 토대로 가상현실 환경에 구현하였고, 포물선 이론의 다양한 변수를 적용한 실험을 진행하였다. 시뮬레이션 실험 완료 후 연구 실험 결과에 대한 고찰, 향후 본 연구를 발판으로 물리 및 과학 교육법의 발전 가능성 고찰을 진행하였다.
설문 인원은 학사 과정 4 명, 석사 과정 2명, 박사 과정 1명, 박사 3명으로 총 10명이 설문을 진행하였으며, 응답자를 Table 1과 같이 ①에서 ⑩으로 표기하였다. 설문 문항은 융합인재교육의 교육 준거를 기준으로 하여 총 9개의 문항과 기타 의견을 작성할 수 있도록 하였으며, 그 결과는 Table 1과 같다. 문항의 점수는 1점(매우 아니다)부터 5점(매우 그렇다) 사이로 표시하였다.
포물선 운동을 기반으로 실험을 설계하였다. 실험 시뮬레이션은 농구 게임 형태로 구현이 되었으며, 공의 무게 및 속도, 각도, 골대와의 거리를 사용자가 스스로 조절하면서 공을 골대에 넣을 수 있도록 하는 내용이다. 공이 골대를 통과했을 때만 점수를 인정하였고, 골대 아래에서 공이 통과했을 때, 골대 테두리에 공이 맞았을 때 등은 점수를 인정하지 않도록 설계하였다.
실험은 Vive 컨트롤러를 이용하여 사용자가 스스로 공을 들고서 움직이며 골대에 공을 넣을 수 있도록 하였다. 게임이 시작되면 공이 사용자의 앞에 떨어지고, 그 공을 주워서 골대에 넣는 방식으로 게임을 진행할 수 있도록 하였다.
앞서 진행한 초기 실험을 바탕으로 미흡한 점을 보완하여 실험을 진행하였다. 초기 실험에서 부족했던 부분은 다음과 같다.
대한 연구를 진행했다. 여기서는 물리의 성질 중 ‘포물선 운동’과 관련한 가상현실 실험을 설계 및 구현한 뒤 융합인재 교육(STEAM) 이론의 교육 준거를 바탕으로 분석하였다. 이를 바탕으로 향후 물리실험 시뮬레이션 가상현실 프로그램의 개발 가능성과 다른 공학 매체를 이용한 물리/과학 과목의 교육법 발전 및 향상 가능성을 확인하였다.
게임이 시작되면 공이 사용자의 앞에 떨어지고, 그 공을 주워서 골대에 넣는 방식으로 게임을 진행할 수 있도록 하였다. 이 때, 사용자가 가상현실에서 중력을 이겨낼 수 있도록 농구 골대를 기준으로 Y방향으로 10N, Z방향으로 10N의 힘을 추가시켜주었다. X방향으로 힘을 설정하게 될 경우, 물체를 앞으로 던질 때 우측 방향으로 궤도가 휘어지기 때문에 힘을 설정하지 않았다.
물리적 특성을 확인한 뒤 실험 시뮬레이션을 설계하고, 설계한 실험을 유니티를 이용하여 구현한다. 이후 구현된 시뮬레이션으로 실험을 진행한 뒤 결과를 분석한다. 먼저 포물선 운동을 일상생활에 적용한 예로 농구를 선정하였고, 농구 게임 프로그램을 설계하였다.
사용자는 [Position] 영역을 통해 공이 출발하는 위치를 조절할 수 있다. 좌표는 골대를 기준으로 설정되도록 하였으며, x축은 좌우, y축은 높이, z축은 골대와의 거리를 조절할 수 있도록 하였다. [Power]영역에서는 각 방향으로 주는 힘을 조절할 수 있도록 하였으며, [Angle] 영역은 Shoot 버튼을 클릭하면 사용자가 설정한 Position과 Power의 값에 따라 계산하여 출력되도록 하였다.
초기 실험에서는 실험체인 공이 포물선 운동을 할 수 있도록 출발 좌표 및 궤도를 설정하였고, 공이 농구 골대를 통과했을 때만 득점 인정이 되도록 하였다. 만약 골대 아래에서 공을 던져서 수직으로 떨어지며 다시 골대를 통과할 때에는 득점 인정이 되지 않도록 하였으며, 공이 바닥에 한번 닿은 후에 정상적으로 공이 골대를 통과하였을 때 득점이 될 수 있도록 예외 처리를 하였다.
포물선 운동에 관련한 실험은 포물체의 무게 및 속도에 따른 포물선 운동을 기반으로 실험을 설계하였다. 실험 시뮬레이션은 농구 게임 형태로 구현이 되었으며, 공의 무게 및 속도, 각도, 골대와의 거리를 사용자가 스스로 조절하면서 공을 골대에 넣을 수 있도록 하는 내용이다.

대상 데이터

6과 같이 실험을 진행하기 위해 가상현실 실현 기기인 Vive를 이용하였다. 가상현실 실험 사용면적은 약 3.3^으로 최소한의 사용 요구 면적에서 실험을 진행하였다.
설문 대상은 컴퓨터공학과 학사 이상으로 제한했는데, 이는 물리 비전공자이면서 코딩 능력이 중급 이상이고, 시뮬레이션을 코딩 능력 초급인 자가 구현하기에 알맞은 난이도인지 평가가 가능한 집단으로 설정하였기 때문이다. 설문 인원은 학사 과정 4 명, 석사 과정 2명, 박사 과정 1명, 박사 3명으로 총 10명이 설문을 진행하였으며, 응답자를 Table 1과 같이 ①에서 ⑩으로 표기하였다. 설문 문항은 융합인재교육의 교육 준거를 기준으로 하여 총 9개의 문항과 기타 의견을 작성할 수 있도록 하였으며, 그 결과는 Table 1과 같다.

이론/모형

공을 던지는 위치 및 각도는 사용자가 직접 움직이면서 조절을 할 수 있도록 하였고, 공을 던지는 세기, 속도 등은 유니티 에디터 환경에서는 초기에 사용자가 세팅을 하고, 가상현실 공간에서는 사용자가 직접 움직이며 조절하도록 하였다. 해당 시뮬레이션을 구현하기 위하여 유니티 에디터를 이용하였으며, Fig. 6과 같이 실험을 진행하기 위해 가상현실 실현 기기인 Vive를 이용하였다. 가상현실 실험 사용면적은 약 3.

성능/효과

이를 실제 교육현장에 적용할 경우 구현 난이도를 적절하게 설정해야 한다. 본 연구에서는 설문 결과 3.8점으로 적절하다는 평가를 받았으며 물리와 컴퓨터공학 분야의 융합된 학습을 진행할 수 있으므로 융합인재교육에 적합하다고 할 수 있다.
설문 결과 모든 항목은 평균 3.5점 이상의 점수를 받아 실험이 융합인재교육의 교육 준거에 적합하게 구현되었음을 확인하였다. 또한 실제 교육 현장에 적용하였을 때 학습 효과를 증대시키기 위한 보완점과 기타 의견을 수집할 수 있었다.
아울러 본 연구에서는 포물선 운동에 대해서만 실험을 구현하였으나 학문적 범위를 확장하여 뉴턴의 운동 법칙, 역학적 에너지의 보존 법칙, 물체의 운동 변화 등의 일반 역학을 넘어 전반적인 물리 실험에 대해서 구현 가능성을 확인할 수 있었다.
여기서는 물리의 성질 중 ‘포물선 운동’과 관련한 가상현실 실험을 설계 및 구현한 뒤 융합인재 교육(STEAM) 이론의 교육 준거를 바탕으로 분석하였다. 이를 바탕으로 향후 물리실험 시뮬레이션 가상현실 프로그램의 개발 가능성과 다른 공학 매체를 이용한 물리/과학 과목의 교육법 발전 및 향상 가능성을 확인하였다.
인터넷을 이용한 E-Learning이 모바일을 이용한 M-Learning으로, 그리고 로봇을 이용한 R-Learning, VR-Learning 등의 형태로 변화 및 발전하면서 교육의 양과 질의 수준이 급격하게 증가하고 있다. 통상적으로 가상현실을 이용한 교육은 전통적인 교육에 비하여 2.7배의 효과를 보이며, 집중력이 100% 이상 향상된다는 통계가 있다. 따라서 교육에서 필요한 경험을 가상현실을 이용하여 충족할 수 있으며, 사용자를 위한 맞춤형 교육을 진행할 수 있다는 이점도 있어 각광을 받고 있다.

후속연구

해당 연구 결과의 내용을 바탕으로, 학습자 개인의 특성에 따라 컴퓨터 기반 협력 학습의 효과가 개개인 마다 달라질 수 있다고 예측할 수 있다. 따라서 스마트 교육 환경에서 이루어지는 개인 또는 소집단 학습이 성별이나 자기주도 학습능력과 같은 학생들의 다양한 특성에 따라 어떤 효과가 있는지에 대한 추가적인 연구가 제안되고 있다.
앞서 선행된 연구에서 스마트 기기를 활용한 소집단 학습이 전통적 강의식 수업에 비해 정의적, 동기적 측면에서 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 토대로 스마트 기기를 활용한 학습 전략을 수학, 과학 수업에 적용하면 학습자들이 정보를 협력하여 분석하고, 공동으로 과학지식을 구성하면서 동시에 수학, 과학 수업에 대한 즐거움과 재미도 느낄 수 있는 효과적인 수업 방법이 될 가능성을 보여준다.
향후 스마트 기기의 발전 가능성을 바탕으로 가상현실을 이용한 교육은 물리 분야를 넘어서 이공학 분야에서도 접목이 가능할 것으로 예상된다.

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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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