[논문]Unity 기반 물리 실험 교육 시뮬레이터 개발

김연정; 윤세희; 신병석

문제 정의

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.
이러한 교육적 관심을 바탕으로 가상현실 학습이 물리교육에서의 학습효과를 향상시켜줄 수 있는 가능성이 있는지, 또는 가상현실의 어떤 특징적인 요인들이 물리 학습 활동과 관련되어 교육면에서 활용할 수 있는지에 대한 연구를 진행해보았다. 이와 같은 배경에서 본 연구에서는 물리의 성질 중 '마찰력'과 관련하여 가상현실 실험을 구성하여 체험해보고자 하였고 이를 발판으로 다른 물리의 성질을 이해할 수 있는 실험을 설계할 수 있는지 여부를 확인하여 물리실험 시뮬레이션 VR프로그램의 개발 가능성 및 다른 공학 매체를 이용하여 물리 및 과학 과목의 교육법의 발전 및 향상 가능성을 알아보고자 한다.
이러한 교육적 관심을 바탕으로 가상현실 학습이 물리교육에서의 학습효과를 향상시켜줄 수 있는 가능성이 있는지, 또는 가상현실의 어떤 특징적인 요인들이 물리 학습 활동과 관련되어 교육면에서 활용할 수 있는지에 대한 연구를 진행해보았다. 이와 같은 배경에서 본 연구에서는 물리의 성질 중 '마찰력'과 관련하여 가상현실 실험을 구성하여 체험해보고자 하였고 이를 발판으로 다른 물리의 성질을 이해할 수 있는 실험을 설계할 수 있는지 여부를 확인하여 물리실험 시뮬레이션 VR프로그램의 개발 가능성 및 다른 공학 매체를 이용하여 물리 및 과학 과목의 교육법의 발전 및 향상 가능성을 알아보고자 한다.

제안 방법

가상현실을 이용하여 실험 시뮬레이션 구현 및 진행을 함으로써 물리 엔진과 VR 구현 장비를 통해 물리 공식을 체험할 수 있었다. 이는 학교의 재정적인 면에서 비용 대비 가성비가 좋고 실험을 손쉽게 여러 번 반복하여 진행할 수 있으며 오차의 범위가 좁기 때문에 정확한 물리 개념을 전달할 수 있다는 장점이 있다.
Vive Controller를 이용하여 사용자 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. 이 때, 사용자가 가상현실에서 중력을 이겨낼 수 있도록 Y방향으로 10, Z방향으로 10의 힘을 추가시켜주었다.
공이 골대를 통과했을 때만 Goal을 인정하였고, 골대 아래에서 공이 통과했을 때, 골대 테두리에 공이 맞았을 때 등은 Goal을 인정하지 않도록 설계하였다. 공을 던지는 위치 및 각도는 사용자가 직접 움직이면서 조절을 할 수 있도록 하였고, 공을 던지는 세기, 속도 등은 코딩 및 Unity 엔진을 활용하여 사용자가 직접 세팅을 할 수 있도록 하였다. 해당 시뮬레이션을 직접 체험하기 위하여 VR 실현 기기인 Vive를 이용하였다.
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 Goal을 인정하였고, 골대 아래에서 공이 통과했을 때, 골대 테두리에 공이 맞았을 때 등은 Goal을 인정하지 않도록 설계하였다. 공을 던지는 위치 및 각도는 사용자가 직접 움직이면서 조절을 할 수 있도록 하였고, 공을 던지는 세기, 속도 등은 코딩 및 Unity 엔진을 활용하여 사용자가 직접 세팅을 할 수 있도록 하였다.
만약 골대 아래에서 공이 통과된 후 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.
실험에서는 실험체인 공이 포물선 운동을 할 수 있도록 코드를 만들어 설정하였고, 공이 농구 골대를 통과했을 때만 득점 인정이 되도록 하였다. 만약 골대 아래에서 공이 통과된 후 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.
실험은 포물선 운동에 관련한 포물체의 무게 및 속도에 따른 포물선 운동을 기반으로 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 Goal을 인정하였고, 골대 아래에서 공이 통과했을 때, 골대 테두리에 공이 맞았을 때 등은 Goal을 인정하지 않도록 설계하였다.
실험에서는 실험체인 공이 포물선 운동을 할 수 있도록 코드를 만들어 설정하였고, 공이 농구 골대를 통과했을 때만 득점 인정이 되도록 하였다. 만약 골대 아래에서 공이 통과된 후 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.
실험은 포물선 운동에 관련한 포물체의 무게 및 속도에 따른 포물선 운동을 기반으로 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.

이론/모형

공을 던지는 위치 및 각도는 사용자가 직접 움직이면서 조절을 할 수 있도록 하였고, 공을 던지는 세기, 속도 등은 코딩 및 Unity 엔진을 활용하여 사용자가 직접 세팅을 할 수 있도록 하였다. 해당 시뮬레이션을 직접 체험하기 위하여 VR 실현 기기인 Vive를 이용하였다.

성능/효과

아울러 본 연구에서는 포물선 운동에 대해서만 실험을 구현하였으나 학문적 범위를 확장하여 마찰력, 뉴턴의 운동 법칙, 역학적 에너지의 보존 법칙, 물체의 운동 변화 등의 일반 역학을 넘어 전반적인 물리 실험에 대해서 구현 가능성을 확인할 수 있었다. 또한 물리 분야를 넘어서 이공학 분야의 실험을 구현 및 진행할 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다.
이에 따라 학생들은 실험을 진행하면서 수업시간에 배운 이론을 직접 경험해 볼 수 있으며, 이로 인하여 학생들이 가질 수 있는 물리적 오개념을 바른 개념으로 심어줄 수 있다. 아울러 본 연구에서는 포물선 운동에 대해서만 실험을 구현하였으나 학문적 범위를 확장하여 마찰력, 뉴턴의 운동 법칙, 역학적 에너지의 보존 법칙, 물체의 운동 변화 등의 일반 역학을 넘어 전반적인 물리 실험에 대해서 구현 가능성을 확인할 수 있었다. 또한 물리 분야를 넘어서 이공학 분야의 실험을 구현 및 진행할 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다.

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