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긔순 임
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1 대한지리학회지 제48권 제6호 2013(994~1008) 박정환 김영훈? 지리 학습을 위한 증강현실 적용 방안 연구: 마커기반 방법을 중심으로 박정환* 김영훈** Exploring Augmented Reality applications for Geography Learning: Focused on Marker Based Methods Jeong-Hwan Park* Young-Hoon Kim** 요약 : 본 연구에서는 교과서 내의 시각 자료의 구체화와 학습자의 동기 유발 측면에서 최근 주목받고 있는 증 강현실 기술을 활용하여 지리 콘텐츠 개발 사례를 제시하고자 한다. 최근 들어 스마트 교육 환경에서의 교수- 학습 콘텐츠에 대한 관심과 이를 반영하려는 지리교육 연구들이 증가하고 있다. 이러한 상황에서 스마트교육 에 적합한 지리 콘텐츠의 개발과 적절한 활용 방안의 제시는 중요한 연구의 출발점이다. 본 연구에서는 실제 교과서 지면과 사례를 통해서 마커기반 증강현실의 연계 사례를 제시함으로서 앞으로의 증강현실 기술과 관련 지리 콘텐츠의 활용 방안의 실제적 측면에 기여하고자 하였다. 또한 본 논문에서는 지리수업에서 활용될 수 있 는 증강현실 콘텐츠로서 마커기반의 가상 지구의와 지형 정보 시각화 콘텐츠를 제시하였다. 이를 통해 증강현 실은 스마트교육 환경에서의 지리 콘텐츠의 개발에 직접적으로 적용될 수 있는 기술인 동시에 앞으로 디지털 환경에 기반한 공간정보 및 지리교육 연구에 기여할 것이다. 주요어 : 증강현실, 마커기반 기법, 지리 콘텐츠, 지리학습 Abstract : In this paper, we describe two exploratory examples in the use of Augmented Reality (AR) for geographical visualization regarding refinement of visual content in geography textbooks and learning motivation of geography students. Currently, teaching and learning materials with AR technology and their utilization in the geography classroom have become a new topic in geographical research themes, and this trend has increased. Adequate development and utilization of geographical materials is an important starting point for smart education research in geography. This paper describes the system and software, and the implication of marker AR applications for teaching and learning geography in the classroom. For the AR applications to be utilized in geography education, two marker based AR examples, virtual globe and visualization of topographical features, are presented and their utilization aspects are discussed. Finally, from the discussion stated in this paper, it can be inferred that AR is useful for exploring geographical materials, and marker based AR will contribute to progress in spatial science and geographical education research. Key Words : Augmented reality, Maker based method, Geographical contents, Geography learning * 한국교원대학교 지리교육과 박사과정(Ph.D. candidate, Department of Geography Education, Korea National University of Education), parkwaiting@hanmail.net ** 한국교원대학교 지리교육과 부교수(Associate Professor, Department of Geography Education, Korea National University of Education), gis@knue.ac.kr

2 지리 학습을 위한 증강현실 적용 방안 연구 1. 서론 최근 들어 디지털 환경에 익숙한 학습자의 다양한 요구와 기대에 부응하고 지속적으로 증가할 것으로 예상되는 스마트교육에 적합한 지리 콘텐츠 개발 및 활용에 대한 관심이 증가하고 있다. 지리수업에서도 다양한 정보통신 기법과 스마트 기기의 활용을 통해 서 교과서내의 시각 자료를 다양한 차원에서 전달하 려는 시도들이 지속되고 있다. 교과서의 시각 자료는 학습자들의 부족한 학습 경험을 구체화하고 동기를 유발하는 중요한 자료인 동시에 학습자들의 공간적 인 이해를 돕는데 효과적이다. 특히 3차원으로 시각 화된 지리자료의 활용은 효율적인 지리수업에 있어 그 필요성을 인정받고 있고 실제 지리수업에서의 활 용성과 효용성에 대해 많은 논의들이 진행되고 있다 (Anthamatten and Ziegler, 2006). 또한 최근의 유비쿼터스 기술과 스마트 기술의 발 전은 장소와 시간의 제약을 최소화하면서 다양한 교 육 정보 및 자료의 체험과 학습 기회를 제공하고 있 어 교수-학습에 있어 새로운 가능성을 제공하고 있 다. 따라서 무선통신기반의 유비쿼터스 기술과 스마 트 기기를 활용한 증강현실은 지리교육 뿐만 아니라 교육학 전반에서 새로운 연구 가능성을 제공할 뿐만 아니라 다양한 연구 방향과 주제들을 제공하고 있다 (Chi, et. al., 2013; Wu, et. al., 2013). 지리 교육을 비롯한 여러 교육 분야에서 증강현실 의 활용에 대한 기대가 높아지고 있음에도 불구하고 지금까지 하드웨어나 소프트웨어 등의 기본적인 환 경 구축에 소요되는 고비용으로 인해 증강현실의 기 술도입은 전문가 위주의 개발에 국한되어 왔다. 하 지만, 최근 일반 컴퓨터 환경에서 복잡한 도구 없이 간단한 마커를 통해 누구나 증강현실을 손쉽게 구현 할 수 있는 저작도구와 교육콘텐츠가 연구 개발되고 있다(고영남 김종우, 2012; Thornton et. al., 2012; Dominguez, et. al., 2012). 또한 공간정보기술의 활 용이 증가하고 있고 지리학 분야에서 증강현실에 대 한 관심과 관련 연구의 필요성도 제기되고 있다(오충 원, 2007; 박정환 김영훈, 2012; 오정준, 2012). 이러한 지리학 내의 증강현실의 연구를 촉진하고 관련 콘텐츠 개발 사례를 제시하기 위해, 본 연구는 지리교육 측면에서 수업 도구와 교과서 내 증강현실 콘텐츠 개발과 지리 수업을 위한 공간정보 콘텐츠 사 례를 제시하고자 한다. 이를 위해 본 논문에서는 증강 현실 프로그램 도구를 활용한 가상 지구본 생성과 세 계지도 주제도와의 연계를 통하여 교육콘텐츠 제작 과 중학교 1학년 지리수업에서의 적용가능성을 제시 하고자 한다. 또한 교과서 내 증강현실 콘텐츠의 활용 성을 논의하기 위해 고등학교 한국지리 교과서 지형 단원을 사례로 마커 기반의 3차원 객채 구현 방안을 통한 지리수업자료로서의 증강현실 콘텐츠 사례를 제시하고자 한다. 2. 연구 배경 및 선행 연구 증강현실(Augmented Reality)은 사용자가 보고 있 는 실제 세계 영상에 가상 세계 영상을 혼합하여 제 시하고, 사용자가 3차원의 가상 객체를 조작하면서 컴퓨터와 상호작용할 수 있도록 하는 컴퓨터 인터페 이스 기술을 말한다(Milgram, et. al., 1994; Azuma, 1997; Klopfer, 2008). Milgram(1994)은 혼합 현실 (Mixed Reality) 이라는 용어를 사용하여 가상정보와 현실정보의 혼합비율에 따라 증강현실과 가상현실 을 구분하였으며, Azuma(1997)는 증강현실 시스템 을 현실의 이미지와 가상의 이미지의 결합(Combines real and virtual), 사용자와의 실시간 상호작용(Interactive in real time), 3차원의 입체 공간(Registered in 3-D)을 통해서 구현되는 하나의 컴퓨팅 시스템으로 정의하였다. 따라서 증강현실은 실세계를 바탕으로 객체를 나타내준다는 점에서 시각화 자료로 활용되 었을 때 긍정적인 효과를 기대할 수 있다(Kaufmann, et. al., 2005; Kerawalla et. al., 2006; Arvanitis, et. al., 2007; Chen, et. al., 2011). 이러한 증강현실은 가 상정보와 현실정보를 일치시키는 기준점 역할을 하 는 마커를 사용하는 방법부터 최근 마커리스기반 및 위치기반 스마트폰 애플리케이션의 등장과 함께 지

3 박정환 김영훈 리학습 컨텐츠로써 다양하게 활용될 수 있다. 일찍이 Billinghurst(2003)는 증강현실의 교육적 활 용은 다른 컴퓨팅 기술들과 달리 교육적 측면에서 많 은 잠재력을 갖고 있으며, 교육 현장에서의 수업 자료 와 수업 활용 측면에서 가장 일반적이고 쉽게 적용할 수 있는 증강현실 콘텐츠로서 기하학적 모양의 마커 를 제시하였다. 예를 들어 사각형 모양의 기하학적 마 커 내에 관련 교육콘텐츠 정보를 삽입하여 책이나 워 크시트에 부착하여 카메라를 통해서 마커의 정보를 추출하여 실제 세계를 인식하는 방식이 가장 기본적 인 접근 방법으로 적용되고 있다. 이러한 증강현실과 관련 교육 콘텐츠 개발 및 활용 에 관한 연구는 2000년대에 들어서 본격적으로 진행 되어 오고 있다. 초기에는 이미 개발된 증강현실 시스 템이나 증강현실 소프트웨어를 교육 내용에 직접적 으로 적용하는데 초점을 두었다면 점차 학습 관점에 서의 증강현실의 해석과 학생들의 학습 촉진, 교수- 학습을 위한 콘텐츠 개발 및 활용, 수업에서의 효과 분석 등과 같은 보다 세부적이고 구체적인 분야로 다 양화, 다변화되고 있다(Wu, et. al., 2013). 또한 최근 들어 스마트기기 증가에 따라 증강현실 구현을 위한 오픈소스 라이브러리의 교육적 활용 및 효과를 분석 한 연구들도 증가하고 있다. 따라서 증강현실은 향후 5년내 교육 분야의 새로운 중요 기술 중의 하나로 전 망되고 있다(Johnston et. al., 2010). 증강현실의 교육적 효과와 학습 촉진에 기여로서, 증강현실이 학생들의 능동적 학습, 구성주의적 학습, 의도적 학습, 실재적 학습, 협동 학습을 촉진할 수 있 다는 성과를 들 수 있다(Brett and Shelton, 2003). 대 표적으로 Shelton(2002)과 Shelton and Hedley(2002) 는 증강현실 개발 소프트웨어인 ARToolkit를 대학 교 강의에 적용하여 학습 효과를 분석하여 하였다. 이들은 ARToolkit 기반의 증강현실 지리학습 콘텐 츠를 개발하여 워싱턴대학 지리전공 학부생들을 대 상으로 3가지 지리학 개념과 공간적 관련성 학습 에 적용하였다. 분석 결과 증강현실을 체험한 학생 들은 지리학의 공간적 개념과 관련성에 대해 더 잘 이해할 수 있게 되었으며, 학업성취도 또한 높아졌 음을 발견하였다. 또한 Kaufmann and Schmalstieg (2003)의 연구는 수학과 기하학 교육을 위해 개발된 Construct3D라는 교육용 증강현실 소프트웨어 프로 그램을 통해 교사와 학생간의 상호작용의 수월성과 학습 전이의 효과를 분석하고 3차원 공간 학습을 사 례로 증강현실 방식의 교수-학습 콘텐츠가 전통적 인 방법보다 효과적임을 확인하였다. 수업 활용성 및 효과 분석, 학습자의 조작성, 학습 동기 부여과 관 련하여 고영남 김종우(2012) 연구는 조합형 마커기 반의 교육콘텐츠를 통한 수업 활용성과 효과를 제시 하였고 이를 통해서 학습자의 조작성과 학습 동기 부 여 측면에서 증강현실의 실제 수업의 활용 이점을 제 시하였다. 증강현실은 3차원 기반의 학습 도구를 제공하여 다 양한 입체감도 전달할 수 있다. 예를 들면 지구과학 수업에서 지구 자전과 공전의 3차원 입체화와 지구본 의 방향과 각도를 자유자재로 조정하는 증강현실 교 육콘텐츠의 개발 사례(Kerawalla et. al., 2006)와 과 학교육에서 오개념 개선에 활용(Sotiriou and Bogner, 2008), 미술교육에서의 ARToolkit을 이용한 증강현 실 프로그램(안혜리 등, 2005) 등을 들 수 있다. 구민 재(2009)는 초등학교 사회교과 내용을 중심으로 증강 현실을 이용한 체험형 학습 콘텐츠를 개발하여 초등 학생 수준에서의 능동적 학습 가능성을 확인하였다. 증강현실 콘텐츠 기반 수업의 효과와 성취도의 경 우, 교과서 중심의 수업과 비교하여 학업 성취, 학습 흥미, 몰입에 미치는 효과 등을 중심으로 관련 연구들 이 진행되고 있다. 노경희 등(2010)에 따르면 증강현 실 수업은 학업성취 향상에 효과적이며, 수업 흥미도 와 집중도에서도 교과서 위주 수업보다 높다고 하였 다. Kerawalla et. al.(2006)은 실제 영국의 초등학교 수업을 통해서 증강현실의 교수-학습 도구로서의 효 과를 확인하였다. 고영남 김종우(2012) 연구도 조합 형 마커시스템을 제작하여 초등학교 과학교과를 대 상으로 학습자의 학습활동의 효과를 확인하였다. 따 라서 증강현실 콘텐츠는 복잡한 공간 관계와 추상적 으로 개념을 가시적으로 전달하는데 효과적으로 활 용할 수 있고 특히 3차원 표현 방식으로 학생들과 상 호작용이 가능한 점도 교수-학습적 측면에서 직접 적으로 기여할 수 있는 부분이다(Arvanities et. al.,

4 지리 학습을 위한 증강현실 적용 방안 연구 2007). 이외에도 증강현실은 다양한 입체적 객체 표 현을 통해서 이전의 학습 환경에서는 한계가 있거나 불가능한 내용에 대한 학습 기회를 제공할 수 있을 뿐 만 아니라(Kerawalla, et. al., 2006; Squire and Jan, 2008) 실제 현상과 상황을 가상적으로 경험할 수 있 는 장점도 있다(Kloper and Squire, 2008). 이와 관련 하여 장상현 계보경(2007)은 증강현실 학습 콘텐츠 유형과 학습에의 적용사례를 통하여 학생들의 만족 도와 적용 측면의 학습효과에 있어 간접효과뿐만 아 니라 직접효과를 갖는다고 하였다. 이재인 최종수 (2011)는 증강현실의 교육적 효과 증대를 위해 마커 기반의 콘텐츠와 스마트폰 애플리케이션을 개발하여 초등과학교육을 사례로 제시하였다. Dominguez, et. al.(2012)의 연구에 따르면 대학의 공학교육에서 공간 인식 능력의 중요성을 제기하면서 공간 객체의 가시 화와 공간인지 능력 향상을 위해서 증강현실의 적용 이 필요하다고 주장하였고 학생들의 설문조사를 통 해 증강현실의 교육적 효과를 확인하였다. De Lucia et. al.(2012)의 경우 위치기반 학습 콘텐츠에 있어 학 습자간의 협업과 협동을 통해서 위치인식에 대한 중 요성을 학습하는데 모바일 증강현실 기술이 유용함 을 확인하였다. 이상과 같이 많은 선행연구들이 증강현실의 콘텐 츠 활용 가능성에 대해 논의하고 있지만 대부분이 교 육공학이나 자연과학 분야의 교과목에 치중되어 있 어 지리학 혹은 지리교육과 관련된 연구는 아직 활발 하지 않은 실정이다. 그중에서 김동언(2010)은 초등 사회과 지도 학습을 사례로 한 증강현실 연구를 통해 서 학생들의 지도 학습에 대한 흥미와 자기주도적 학 습을 유도하는 측면에서 증강현실 접근이 효과적이 라고 주장하였다. 증강현실과 GIS와의 연계의 경우, 이석준 등(2011)의 연구는 증강현실 프로그램인 AR- Toolkit과 GIS와의 연계를 통한 지리학습 콘텐츠 활 용의 사례연구를 통해서 2차원 시각 교보재인 사진이 나 영상물에 비해 보다 사실적으로 지리적 특성을 파 악하는데 학습 보조 자료로서 증강현실의 가능성을 제시하였다. 지리교육과 증강현실과의 직접적인 연 구로서 오정준(2012)는 지리학습에서 증강현실 기술 의 활용 가능성에 대한 전반적인 내용과 주요 지리교 육의 주제들과의 연결 가능성에 대해 논의하였다. 박 정환 김영훈(2012)는 지형정보를 활용하여 3차원 증 강현실 콘텐츠 개발 가능성과 마커 기반의 콘텐츠를 통해서 지리수업에 증강현실이 어떻게 활용될 수 있 는 지에 대한 사례를 제시하였다. 따라서 본 논문에서 제한적으로 진행되어 오고 있 는 지리교육 분야에서의 증강현실 콘텐츠의 개발 내 용을 보다 직접적으로 제시하고 그 과정에서 수업 현 장에서 적용할 수 있는 교과서 내용을 바탕으로 마커 기반의 증강현실 콘텐츠 사례들을 제시하고자 한다. 3. 증강현실 기반의 가상 지구의 개발 및 수업단원에의 적용 이 장에서는 우리 주변에서 보다 빠르고 비교적 적 은 경비를 들여 얻을 수 있는 증강현실 라이브러리 와 웹을 이용하여 지리자료의 획득과 가공 및 활용 방 법을 제시하고자 한다. 또한 증강현실 기반의 지리 수업자료 개발을 위해서는 증강현실 기술이 사용되 기에 적합한 수업자료 콘텐츠가 필요하기 때문에 수 업자료의 객체 구현과 이를 지리 수업에 적용할 학습 콘텐츠 설계가 중요하다. 이를 위해 본 연구에서는 ArcGIS에서 제작한 주제도를 FLARToolkit과 연계 하여 관련 수업자료 객체를 구현하며 이를 지역지리 수업에 적용할 학습콘텐츠를 제시한다. 이를 위해 먼 저, 본 연구에서는 교실 수업자료에서 활용되는 지구 의를 선택하여 증강현실 기반의 가상 지구의를 구현 하여 중학교 1학년 지리수업에 적용할 수 있는 방안 과 GIS와의 연계에 대해 살펴보고자 한다. 그 다음으 로 한국지리 교과서의 지형 단원의 시각자료를 통해 서 증강현실의 콘텐츠 개발 및 적용 사례를 제시하고 자 한다. 1) FLARTookit 개발 내용 및 개발 과정 내용 설계는 가상 지구의를 통해 수업이 가능하고 교과서에서 공통으로 다루고 있는 주요 개념과 학습

5 박정환 김영훈 표 1. 증강현실 가상 지구의 개발환경 관련도구 Tool / Version 비고 증강현실 라이브러리 FLAToolkit alpha 도구 플렉스 4.0, ActionScript3.0 3D 모델링 프로그램 Papervision3D 운영체제 Window 7 32bit 카메라 장치 웹카메라 주제도 개발 ArcGIS ArcMap에서 제작 그림 1. 구현 과정 내용을 중심으로 선정하였다. 개발환경은 표 1에서 와 같이 FLATookit alpha 라이브러리와 플렉스 4.0, ActionScript3.0, Papervision3D 엔진, 그리고 웹 캠과 인식된 마커를 출력할 프린터가 사용되었다. 가 상 지구의에 사용될 주제도들은 ArcGIS에서 구축하 였다. FLARToolkit을 통한 증강현실 지구의의 생성은 그 림 1과 같은 과정으로 진행되었다. ArcGIS로 수업목 적에 맞는 주제도를 제작한 후 FLAToolkit의 가상 구 ( 球 )의 표면에 입힌 다음, 인식된 기본마커를 웹캠을 통해 나타낸다. 증강현실 시스템의 객체 출력을 위한 첫 단계는 마 커인식이다. 시스템에서 필요한 마커는 FLARToolkit에서 기본적으로 제공하고 있는 기본마커를 활용 하였으며, 기본 마커의 사이즈는 가로, 세로 8cm 검 은색 사각형으로 설정하였다. 마커에 대한 3차원 객체 디자인은 Papervision3D로 구성된 3D지구의이다. FLAToolkit에서 제공하고 있 는 기본 예제를 바탕으로 제작되었으며, 사용된 그림 은 4가지 주제도를 사용하였다. 사용된 주제도는 경 위도선과 시차를 계산할 수 있는 세계지도와 일반 대 륙을 나타내는 세계지도, 2011년 4월 26일 기점으로 지난 30일 동안 전세계에서 발생한 진도 4.0 이상의 지진분포를 나타낸 세계지도, 증강현실 검색지수 상 위 10개 도시 분포를 나타낸 세계지도 등이다(그림 2). 세계지진분포도는 실시간 세계의 지진발생분포를 알려주는 사이트 1) 에서 데이터를 추출, 이후 엑셀로 변환한 다음 ArcGIS 프로그램에서 지도화 작업을 하 였다. 그림 2의 지진분포사이트에서는 지난 30일 지 진발생분포도 이외에도 지진관련 교육자료와 신문기 사 등을 바로 연결해주는 기능을 제공하고 있다. 이

6 지리 학습을 위한 증강현실 적용 방안 연구 그림 2. 테스트 결과 사이트 자체도 세계지리 지형파트에서 지진수업에 중학교 1학년 사회교과 내용을 적용하였다. 수업내용 있어 유용한 교육 자료가 될 수 있다. 은 중학교 1학년 사회교과서(금성출판사) 1단원 내가 시스템 테스트 및 결과를 위해 마커에 할당된 객체 사는 세계 이며, 여기서 필요한 주제도와 증강현실 지 가 모두 정상적으로 출력되는지를 확인해야 한다. 마 구의를 통해 얻게 되는 지리개념들은 그림 3이며, 그 커에 대한 인식 및 객체 출력에 대한 테스트 결과는 림 4는 관련 주제도들이 구현된 가상 지구의 사례이 그림 2와 같이 4개 모두 정상 동작하였다. 각각의 그 다. 림은 왼쪽 위부터 시차를 계산할 수 있는 주제도, 경 제작된 주제도와 증강현실의 가상 지구의를 가지 위도가 삽입된 세계지도, 4월 한달 동안 전 세계에서 고 진행할 수 있는 수업내용들은 다음과 같다. 첫째, 발생한 지진지도, 증강현실 검색지수 10대도시를 나 가상 지구의에서는 위치의 중요성에 대해 수업하면 타낸 주제도들이다. 서, 절대적 위치와 상대적 위치에 대해 실제 지구의를 활용한 수업과 동일한 학습효과를 나타낼 수 있다. 또 2) 중학교 1학년 수업 단원에의 시스템 적용 한 교과서에서 위치를 한눈에 볼 수 있는 세계지도 에서 요구하는 수업내용에 대해 학습자들은 직접 가 증강현실 가상 지구의와 해당 주제도 활용을 위해 상 지구의와 평면상의 세계지도를 비교하면서 관련

7 박정환 김영훈 그림 3. 가상 지구의를 활용한 중1사회 1단원 내용설계 그림 4. 주제도가 적용된 가상 지구의 되는 지리적인 개념과 내용을 학습할 수 있다. 둘째, 가상 지구의는 지구의 자전과 시간의 변화에 따라 사 람들의 활동이 다르게 나타나는 이유나 위치에 따른 시차계산에 활용할 수 있다. 경 위도 지구의는 절대 적 위치와 상대적 위치와 관련해서도 수업이 가능한 데, 위도를 표시한 지구의, 경도를 표시한 지구의 등 을 제시하면서 관련 수업을 진행할 수 있다. 셋째 가 상 지구의는 남반구 국가와 북반구 국가의 지리적 차 이에 대한 수업에 활용될 수 있다. 또한 증강현실에서 는 가상 지구의를 통해서 정반대로 나타나는 계절, 계 절 차를 이용해 얻는 이익에 대해서도 학생들 간의 토 의를 유도할 수 있다. 4. 마커 기반의 고등학교 한국지리 교과서 지형단원 시각자료 개발 교과서에서 나타나는 수업자료들은 도표, 지도, 그 림, 사진, 그래프 등이 있다. 하지만 모두 평면상에서 정보를 나타내고 있기 때문에 학습자들은 교재에 나 와 있는 설명만으로는 부족한 학습경험을 하게 된다. 따라서 본 장에서는 학습자들의 부족한 학습경험을 보완하기 위하여 교과서 지형단원에서 제시되고 있 는 지도나 사진, 그림 등의 시각자료들을 마커로 활용 하여 지리수업의 효율성을 높이는 방안에 대해 논의 하고자 한다. 1) 교과서 단원 및 수업자료 선정 연구 당시 고등학교 교육과정에서 사용되었던 한

8 지리 학습을 위한 증강현실 적용 방안 연구 그림 5. 대상지역과 교과서의 해당 페이지 국지리 교과서1) 2단원 국토의 자연환경 중 2. 지 차원 객체(3D)파일(.wrl)을 생성하였다. 형과 생활편의-서남부에 발달한 하천과 평야 부분 (p.67)을 선정하여 그에 적합한 마커를 제작하였다. 3) 지형 데이터 정보구축과 마커제작 그림 5와 같이 수업자료로서 영산강 일대 지형과 토 지이용을 나타낸 지형도와 낙동강 삼각주 위성사진, 첫 번째 대상지역은 한국지리 교과서의 우측 하단 양구 해안분지를 나타낸 사진 등이 제시되어 있다. 이 부에 제시되어 있는 강원도 양구군 해안면일대의 해 에 본 연구에서는 해당 페이지에 제시된 시각자료들 안분지 사진자료이다. 사진자료에 나타난 지리정보 에 대한 3차원 객체구현을 통하여 수업자료로서 증강 들의 3차원 모델링은 수치지도에서 등고선과 연구지 현실의 활용가능성에 대해 고찰한다. 역 폴리곤을 형성한 후, 수치지형모델(TIN)의 형성 과 ArcScene에서 위성사진과의 맵핑을 통해 객체 모 델링하였다. ArcScene의 3차원 모델을 AR Map으로 2) 개발환경 구현하기 위해서 ARToolkit에 연결할 VRML(텍스트 증강현실 객체제작을 위한 개발환경은 표 2와 같 로 3차원 모델을 기술한 파일)모델을 제작해야 한다. 다. 증강현실 라이브러리 ARToolkit을 활용하기 위 확장자는.wrl인데, ArcScene에서 3차원 파일로 추출 하여 Microsoft Visual C++ 6.0을 사용하였으며, 시.wrl 파일과 모델에 붙여질 그림들은.jpg의 포맷 ArcGIS의 ArcMap에서 이미지파일, ArcScene에서 3 으로 나타나게 된다. 또한.wrl파일을 마커 위에 나 표 2. 개발환경 관련도구 Tool / Version 증강현실 라이브러리 ARToolkit ArcGIS / 10.0 IDE tool Microsoft Visual C 운영체제 Window 7 카메라 장치 웹카메라 지도 전국등고선, 행정구역 수치지형도 비고 VRML파일(.wrl) 추출(Arc Scene) 32bit 국토지리정보원 및 통계청 제공 수치지도

9 박정환 김영훈 그림 6. 마커제작과정 타낼.dat파일을 생성한다. ARToolkit에서는.png와 4) 마커 인식 테스트 및 구현 결과.jpg의 그림파일은 지원하지 않으므로, 이를.jif로 바 꾸어주어야 하며, 바뀐 그림파일과 생성된 두 개의 파 교과서는 페이지 내 그림, 사진 자료가 다수 포함 일을 이용하여 마커파일과 오브젝트에 연결하여 AR 되는 경우가 있다. 모든 시각자료들에 대하여 증강 Map을 구현하였다. 마커인식 및 파일생성은 그림 6 현실과의 연결을 통해 최대한의 효과를 내기 위해서 과 같다. 먼저 카메라 파라미터 파일의 위치를 지정하 는 각각의 다른 마커들에서 객체들이 중복되는 오류 고, 등록정보에서 해상도와 색공간을 조정한다. 이후 가 없어야 한다. 그림 8에서 보는 바와 같이 한 페이 영상 창에 제작된 마커를 보여주어 인식 후 마커파일 지에 3개의 자료가 제시되어 있고 3개의 자료 모두 마 명을 입력하여 마커를 저장한다. 커로 제작하여 시각화를 시도할 경우 자료 간 유사패 마커는 교과서에 직접 붙여야 하기 때문에 옆 사진 턴에 의한 객체의 중복인식의 오류가 발생할 수 있다. 과의 간격 그리고 사진해설부분의 왜곡 및 훼손을 고 즉, 삼각주 위성사진에 마커를 입혀도 해안분지의 객 려하여 7cm 6cm의 크기로 제작하였다. 또한 해당 체가 발생할 수 있는 가능성이 있기 때문에 교과서에 사진을 아이콘 패턴으로 잘 인식되게 하기 위하여 마 서의 활용을 위해서는 이러한 문제점을 확인해야 한 커 테두리와의 간격에 흰색 여백을 2mm로 남겨두었 다. 따라서 본 연구에서도 양구분지사진과 삼각주 위 다(그림 7). 성사진을 동시에 마커로 제작한 후 삼각주 위성사진 에서의 인식 여부를 테스트하였다. 삼각주 마커 역시 해안분지의 마커제작방법과 동일하게 제작하였으며,

10 지리 학습을 위한 증강현실 적용 방안 연구 그림 7. 마커 제작 및 교과서 부착 그림 8. 동일마커 제작 마커 인식 구현결과는 그림 8과 같다. 사진 이외에 지형도는 하나의 필수적인 지리 수업 먼저 해안분지 사진 자체를 하나의 마커로서 인식 자료이자 증강현실에서 실제 지형의 입체감을 나타 하는 테스트로서 해안분지 하나에 마커를 부여하였 낼 수 있는 효과적인 지리 자료이다. 이를 입체적으로 을 경우 그림 9에서처럼 주변의 패턴에도 장애를 받 시각화한다면 등고선과 지형이해에 큰 역할을 할 수 지 않고 구현되었다. 그러나 유사마커인식방지를 위 있다. 따라서 앞의 방식과 동일하게 교과서 내 지형도 한 테스트에서 삼각주의 경우 구현 오류가 발생하였 에 마커를 제작하고(그림 10), 인식오류에 대한 테스 다. 이는 사진 속의 형태들의 패턴이나 색채 등이 유 트만 진행하기 위하여 객체는 따로 만들지 않고 미리 사하면 오류가 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 이러 제작된 해안분지를 사용하여 실행하였다(그림 11). 한 마커 인식의 오류를 해결하기 위해서는 여러 패턴 지도 마커는 특히 사진자료에서보다 인식오류빈 의 사진들을 대상으로 좀 더 다양한 경우의 실험을 실 도가 높게 나타나는데 이는 지도 간의 유사한 패턴들 시하여 인식 오류를 보완해야 한다. 이는 해당 시각 (점, 선, 면)이 많아 중복 인식되는 오류가 발생하였 자료가 반영된 고유한 시각적 특징 기반의 마커제작 기 때문이다. 따라서 마커를 통한 증강현실 지도구현 이 필요하다는 의미이기도 하다. 은 지도보다는 사진자료에서 인식이 조금 더 잘된다

11 박정환 김영훈 그림 9. AR 해안분지 그림 10. 지도마커제작 그림 11. 마커패턴 중복오류가 나타난 객체구현

12 지리 학습을 위한 증강현실 적용 방안 연구 고 볼 수 있다. 이에 지형도의 마커인식률을 높이면 시 지형도에 적용하였으며, 적용결과 패턴의 추가로 서 속성정보의 왜곡을 최대한 줄인 지형도의 마커재 인하여 중복인식률이 감소하였다. 따라서 사진자료 수정을 통하여 재구현하였다. 지도 마커재수정(그림 및 지형도 등과 같은 시각자료를 쓰기 위해서는 기존 12)은 영산강 연안 지형도이며, 해당지도의 A, B 기 자료들 간의 혼선이 오지 않도록 패턴의 추가 및 수정 호에 펜으로 검은색 원 테두리를 입혀 마커 내 두 개 등의 변화를 주어야 인식률을 높일 수 있다. 마지막으 의 원모양의 패턴을 인식하게 하였다. 재수정된 마커 로 교과서에 제시되어 있는 시각자료들(광주시 영산 를 새 마커로 재생성한 후 광주시 영산강 연안 지형 강 유역, 낙동강 삼각주, 양구 해안분지)에 대한 3차 도를 3차원의 TIN으로 생성하였다. 생성된 객체는 원 객체를 모두 구현하여 나타내었다(그림 13). 20%의 투영도를 주어 지형도와 동시에 볼 수 있게 하 그러나 지형정보들이 증강현실 콘텐츠로서 보다 효과적으로 지리수업에 활용되기 위해서는 다음과 였다. 제작된 객체는 석왕사 선상지 지형도와 광주광역 같은 문제점들이 기술적으로 해결되어야 한다. 먼저 그림 12. 재구성된 지형도마커와 객체구현 그림 13. 교과서 시각자료의 증강현실 구현

13 박정환 김영훈 단순하면서도 검은색의 테두리로 인하여 여백과의 색깔의 어색함이 나타났으며, 둘째, 테두리의 두께에 따라 주변 자료들의 속성을 가리게 되는 문제점이 발 생하였다. 셋째, 마커 제작 후 지도의 테두리부분의 속성들이 보이지 않게 됨에 따라 기존 시각자료와 증 강현실에서 구현된 지형 객체와 정확하게 구별되지 않는 문제점이 발생하였다. 따라서 마커기반의 교과 서를 제작할 시에는 자료 테두리 바깥에 마커를 구성 해야 함으로 주변 여백과의 균형을 고려한 글자 및 테 두리의 공간적 배치와, 자료의 크기도 고려해야 하는 등 세심한 주의가 요구된다. 5. 결론 2000년대 이후 교육 분야에서 증강현실 관련 연구 들이 초기에는 프로그램 개발과 관련 소프트웨어를 이용한 사례 제시였다면 점차적으로 교실 수업을 위 한 증강현실 콘텐츠 개발 및 콘텐츠 활용 분야로 확대 되고 있다. 따라서 교실 수업의 적용을 위해서는 무 엇보다 활용될 수 있는 관련 콘텐츠의 개발이 중요하 다. 본 연구에서도 지리수업을 위한 증강현실 콘텐츠 에 초점을 두고 증강현실의 지리 콘텐츠로서 마커기 반의 가상 지구의와 지형정보 시각화 콘텐츠를 제시 하였다. 또한 이러한 콘텐츠들은 수업자료로서의 활 용성도 기대할 수 있다. 예를 들어 지형 단원에서 등 고선의 입체적 표현은 2차원상의 지형 변화에 대한 학습자들에게 전반적인 지형 내용에 대해 흥미를 가 져올 수 있고 직접 가보지 못한 지역의 다양한 지형 에 대한 이해도를 높일 수 있을 것이다. 그 외에도 교 과서내의 지형을 학습자가 원하는 방향과 각도에 따 라 주도적으로 관찰할 수 있는 기본적인 학습자 주도 의 지리수업을 기대할 수 있을 것이다. 또한 이를 통 해 학습자의 지역과 지형에 대한 공간적인 이해력 증 대를 기대할 수 있고 지형단원에 대한 학습자들의 흥 미와 관심을 유도하는 효과를 가져올 수 있다. 그러나 지도의 입체적 구현이 어렵고, 마커의 수정을 통한 원 시각자료의 변형이나 교과서의 여백이 어수선해지는 점은 지리자료의 증강현실 자료 활용의 효율성 저하 요인으로 작용할 수 있다. 또한 효과적인 지리학습의 시각자료를 위한 마커 인식의 오류와 객체 인식률 향 상은 시급하게 개선되어야 할 개발 과정에서의 고려 사항이다. 아울러 이러한 콘텐츠를 바탕으로 실제 수 업현장에서의 적용을 통한 교육적 효과성을 검증하 지 못한 것은 본 연구의 한계로서 앞으로 보완해 나가 야 할 부분이다. 향후 연구과제로서 이러한 기술적인 문제점의 해결 방안과 심층적이고 실제적인 지리수 업에서의 활용 기반에 관한 연구가 진행되어야 한다. 예를 들어 학습 자료 개발 측면에서 구체적인 현장 수 업 사례와 학생을 위한 학습 내용에 관한 연구가 필요 하다. 마지막으로 디지털 환경에 익숙한 학습자의 다 양한 요구와 기대에 부응하고 동시에 한정된 교과서 지면을 통한 지리 지식의 전달성의 한계를 보완할 수 있는 대안으로서 증강현실 기반의 지리 콘텐츠 개발 및 활용에 대한 지리학 및 지리교육의 관심과 연구가 필요한 시점이다. 주 1) 본 논문에서는 조화룡 외(2011) 고등학교 한국지리 교과서 를 대상으로 하였다. 참고문헌 고영남 김종우, 2012, 증강현실 조합형 마커시스템의 교육효과분석, 한국정보교육학회논문지, 16(3), 구민재, 2009, 증강현실(Augmented Reality)을 이용한 학 습 콘텐츠 개발에 관한 연구, 단국대학교 디자인 대학원 석사학위논문. 김동언, 2010, 초등사회과 증강현실 지도수업이 학업성취 도에 미치는 효과 분석: 4학년 지도학습을 중심으 로, 부산교육대학교 석사학위논문. 박정환 김영훈, 2012, 지형정보의 3차원 시각화에 기반 한 마커기반 증강현실 지도제작: 보령시 등산지

14 지리 학습을 위한 증강현실 적용 방안 연구 도를 사례로, 한국지도학회지, 12(1), 노경희 지형근 임석현, 2010, 증강현실 콘텐츠 기반 수 업이 학업성취, 학습흥미, 몰입에 미치는 효과, 한국콘텐츠학회논문지, 10(2), 안혜리 천두만 안성훈, 2005, 증강현실 기술을 활용한 미술교육: ARToolkit에 기초한 프로그램 개발을 중심으로, 미술교육논총, 19(3), 오정준, 2012, 지리 학습에서 증강현실 기술의 활용 가능 성 탐색, 지리환경교육학회지, 20(1), 오충원, 2007, 증강현실을 이용한 지리자료 시각화에 관 한 연구, 지리학연구, 41(4), 이석준 고인철 정순기, 2011, 증강현실기반의 지리학 습 콘텐츠 활용 사례연구, 한국지리정보학회지, 14(3), 이재인 최종수, 2011, 증강현실 기반의 초등과학교육 콘텐츠 제작, 한국콘텐츠학회논문지, 11(11), 장상현 계보경, 2007, 증강현실(Augmented Reality) 콘 텐츠의 교육적 적용, 한국콘텐츠학회지, 5(2), Anthamatten, P. and Ziegler, S., 2006, Teaching Geography with 3-D Visualization Technology, Journal of Geography, 105(6), Arvanitis, T. N., Petrou, A., Knight, J. F. Savas, S., Sotiriou, S., and Gargalakos, M., 2007, Human factors and qualitative pedagogical evaluation of a mobile augmented reality system for science education used by learners with physical disabilities, Personal and Ubiquitous Computing, 13(3), Azuma, R. T., 1997, A Survey of Augmented Reality, Teleoperators and Virtual Environments, 6(4), Billinghurst, M., 2002, Augmented Reality in Education, New Horizons for Learning, School of Education, University of Johns Hopkins, Chen, Y., Chi, H., Hung, W., and Kang, S., 2011, Use of Tangible and Augmented Reality Models in Engineering Graphics Courses. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice, 137(4), Chi, H-L, Kang, S-C, and Wang, X., 2013, Research trends and opportunities of augmented reality applications in architecture, engineering, and construction, Automation in Construction, 33, De Lucia, A., Francese, R., Passero, I., and Tortora, G., 2012, A collaborative augmented campus based on location-aware mobile technology, International Journal of Distance Education Technologies, 10(1), Dominguez, M. G., Martin-Gutierrez, J., Gonzalez, C. R., and Corredeaguas, C. M. M., 2012, Methodologies and tools to improve spatial ability, Procedia, Social and Behavioral Sciences, 51, Johnson, L. F., Levine, A., Smith, R. S., and Haywood, K., 2010, Key emerging technologies for elementary and secondary education, Education Digest, 76(1), Kaufmann, H., Schmalstieg, D., 2003, Mathematics and geometry education with collaborative augmented reality, Computer & Graphics, 27, Kaufmann, H., Steinbügl, K. Dünser, A., Glück, J., 2005, General Training of Spatial Abilities by Geometry Education in Augmented Reality, Annual Review of CyberTherapy and Telemedicine: A Decade of VR, 3, Kerawalla, L., Luckin, R., Seljeflot, S., and Woolard, A., 2006, Making it real: exploring the potential of augmented reality for teaching primary school science, Virtual Reality, 10(3), Kloper, E., 2008, Augmented learning: Research and design of mobile education game, MIT Press, Cambridge. Kloper, E. and Squire, K., 2008, Environmental detectives: the development of an augmented reality platform for environmental simulations. Education Technology, Research and Development, 56(2), Milgram, P., Takemura, H., Utsumi, A. and Kishino, F., 1994, Augmented Reality : A class of displays on the reality-virtuality continuum, SPIE 2351(Telemanipulator and Telepresence Technologies), Shelton, B. E., 2002, Augmented Reality and Education : Current Projects and the Potential for Classroom

15 박정환 김영훈 Learning, New Horizons for Learning, 9(1), School of Education, University of Johns Hopkins, Shelton, B. E. and Hedley, N. R. (2002, September 29), Using augmented reality for teaching earth-sun relationships to undergraduate geography students. The First IEEE International Augmented Reality Toolkit Workshop, Darmstadt, Germany. Shelton, B. E. 2003, How augmented reality helps students learn dynamic spatial relationships. Doctoral Dissertation, University of Washington, Seattle. Squire, K., and Jan, M., 2007, Mad city mystery: Developing scientific augmentation skills with a placebased augmented reality game on handheld computers, Journal of Science Education and Technology, 16(1), Sotiriou, S; Bogner, F., 2008, Visualizing the Invisible: Augmented Reality as an Innovative Science Education Scheme, Advanced Science Letters, 1(1), Thornton, T., Ernst, J. V., and Clark, A. C., 2012, Augmented Reality as a Visual and Spatial Learning Tool in Technology Education, Technology and Engineering Teacher, 5/6 2012, Wu, H-K, Lee, S W-Y, Chang, H-Y, and Liang, J-C, 2013, Current status, opportunities and challenges of augmented reality in education, Computers & Education, 62, 교신: 김영훈, , 충북 청원군 강내면 태성탑연 로 250, 한국교원대학교 지리교육과(이메일: gis@knue. ac.kr, 전화: ) Correspondence: Young-Hoon Kim, Department of Geography Education, Korea National University of Education, 250 Taesungtabyeon-ro, Gangnae-myeon, Cheongwongun, Chungbuk , Korea ( gis@knue.ac.kr, phone: ) 최초투고일 수정일 최종접수일

<353420B1C7B9CCB6F52DC1F5B0ADC7F6BDC7C0BB20C0CCBFEBC7D120BEC6B5BFB1B3C0B0C7C1B7CEB1D7B7A52E687770>

<353420B1C7B9CCB6F52DC1F5B0ADC7F6BDC7C0BB20C0CCBFEBC7D120BEC6B5BFB1B3C0B0C7C1B7CEB1D7B7A52E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 2 pp. 866-871, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.2.866 증강현실을 이용한 아동교육프로그램 모델제안 권미란 1*, 김정일 2 1 나사렛대학교 아동학과, 2 한세대학교 e-비즈니스학과