장상현, 계보경 ( 한국교육학술정보원 ) 차례 1. 서론 2. 증강현실학습콘텐츠의유형 3. 증강현실콘텐츠의학습에적용사례 4. 결론 1. 서론 새로운디지털콘텐츠에대한관심은정보통신기술이발전함에따라서항상존재하였고, 특히, 이를교육 (education) 혹은학습 (learning) 과연결시키려는노력이끊임없이지속되어왔다. 디지털콘텐츠를활용하면교육력을향상시켜줄것인가? 라는근원적인질문이최근에들어와서컴퓨터공학이발달하면서 공학이교육의모습을어떻게바꾸어놓을것인가? 하는것으로보다확장되게되었다 [1][2]. 그러나아직도교육용디지털콘텐츠연구자들의주요관심은디지털콘텐츠의효과성측면에있다할수있다. 이러한관심에도불구하고디지털콘텐츠가단순히다양한정보양식의제공을통해흥미나관심을높여줄것이라는기대외에어떤이유에서구체적으로학습효과를향상시켜주는지, 또는이디지털콘텐츠의어떤특성이학습활동과어떻게관련되어있는지에대한연구를찾기또한쉽지않다 [3]. 학생들은새로운정보통신기술이적용된교육용콘텐츠에몰입 (follow) 정도가높은신기효과 (novelty effect) 를가지고있다. 유비쿼터스학습환경에서적용될모바일러닝 (m-learning), 가상현실러닝 (vlearning), 로봇러닝 (r-learning) 등신기술에대한기대가크다 [4]. 그중에최근많은연구자들이주목하고있는미래기술의집약체라볼수있는증강현실 (Augmented Reality: AR) 콘텐츠가어떠한특성요인으로인해교육과학습효과를갖을수있는지사례를기반으로소개하고자한다. 증강현실은실제현실세계에서의맥락성을유지하며 3차원의가상객체를통한증강된정보를학습자에게제공한다. 또한, 기존데스크탑 PC를통해지배적으로활용되어오던그래픽인터페이스 (Graphic User Interface: GUI) 방식이아닌, 구체적인실제세계의사물을가지고가상객체를조작하는실물형인터페이스 (Tangible User Interface: TUI) 를제공한다. 이러한매체적특성으로말미암아증강현실은체험에의한학습 (learning by doing) 과실제적인학습 (authentic learning) 을가능하게함으로써, 학습에서의현존감 (presence) 과몰입 (flow) 을높여학습효과를극대화하는결과를얻을수있다 [5]. 1.1 증강현실의이론적배경증강현실이란실세계와가상세계를이음새없이 (seamless) 실시간으로혼합하여사용자에게제공함으로써, 사용자에게보다향상된몰입감과현실감을제공하는기술이다 [6]. 가상현실과증강현실은모두가상성에바탕을두고있으나, 증강현실기술은컴퓨터가구축한가상공간속에사용자를몰입하게하는기술인가상현실 (Virtual Reality: VR) 과 TV 영상과같은현실의중간에위치하는기술로사용자의실제환경에가상의정보를더해줌으로써실제감을향상시키는기술이다. 사용자가가지고있는기존의실제환경정보를유지한다점에서증강현실기술은실제환경을컴퓨터가생성한환경과완전히대체하는가상현실기술과차이점을지닌다. [ 그림 1] 은실세계환경과가상세계의연속성상에서의증강현실의위치를보여준다 [7]. 그림 1. 실세계환경과가상세계환경의연속성
80 한국콘텐츠학회지제 5 권제 2 호 1991년 Mark Weiser가 Ubiquitous Computing 에대한비전을담은논문을발표하면서세계는컴퓨팅기능을감춰보이지않게만드는새로운패러다임으로급격히방향을전환하고있다. 컴퓨터가유비쿼터스화되고보이지않게되기위해서는물리적환경과디지털정보간의결합이필수적이며인터페이스방식에있어서도기존의그래픽인터페이스 (graphic user interface: GUI) 모델을넘어선손에잡히는 (grasp) 구체적인조작방식의지원이필수적이다 [8]. 증강현실은이러한실물형인터페이스 (tangible interface) 를지원하는 3차원매체로사람과정보간의이음새없는상호작용을가능하게한다. 1.2 증강현실의매체적특성 가. 3 차원방식의다감각적 (multi sensory) 정보제공 증강현실은가상현실과같이다양한감각을지원하는 3차원의입체적객체를통해현실감있는정보를제공한다. 이렇게현실감있는경험은시각, 청각, 촉각, 후각등을통해이루어진지각화 (perceptualizion) 의결과이다. Gibson은인간의능동적탐구를통해보고, 듣고, 느끼는다양한감각이서로보완적으로상호작용함으로써인지활동이가능해진다고설명하였는데, 증강현실은바로이러한다감각에의존한표현방식을통해인간의지각력을높임으로써정보에대한몰두 (immersion) 를가져온다 [9]. 아울러증강현실의 3차원표현방식은물리적공간에서발생하는현상들에대한이해를높여준다. 특히직접적인체험을강화해주는 1인칭관점과, 전지적시점에서현상을이해하도록돕는 3인칭관점등다양한관점의제공은현상에대한이해의폭과깊이를넓혀준다. 또한증강현실은가상적객체를활용하는특성으로인해, 현실세계에대한시뮬레이션뿐만아니라현실세계에서불가능한체험을가능하게해주는장점을지니고있다. 나. 이음새없는 (seamless) 인터페이스를통해연결된현실세계와가상세계의자유로운탐색 그림 2. 가상성의정도에따른구분 증강현실기술은현실과가상세계간의자연스러운전환을가져올수있다. 일반적으로인터페이스는사용자가어느정도로컴퓨터로세계를조절할수있는가에따라분절된포인트로구성되어있다. [ 그림 2] 의왼쪽에서오른쪽으로가상이미지의양은증가하고현실세계와의연계성은약화된다.[10] 전통적인터페이스환경에서는사용자가실제세계와가상세계의연속선상을마음대로쉽게이동할수없다. 그러나인간의행동은분절된요소로나뉘어질수없는경우가더많으며, 사용자들은특정과제를수행하는데있어실세계와가상세계가이음새없이 (seamless) 자연스럽게전환될수있기를기대한다. 이러한기대는가상의모형을새롭게만들거나보려고할때, 3차원의그래픽콘텐츠와상호작용하고자할때더더욱그러한데, 예를들어 3차원모델링을통해빌딩을설계하는소프트웨어를활용할때사람들은종종작업을멈추고컴퓨터스크린으로부터벗어나실제종이에아이디어를스케치하려고한다. 이때발생하게되는가상환경과실제환경과의의도하지않은분절은작업의흐름을방해한다. 그러나증강현실인터페이스는설계자의의도에따라순수한현실세계에서순수한가상세계로사용자가자연스럽게이동할수있도록하는전환적인터페이스 (transitional interface) 를제공할수있다 [11]. 이러한실세계와가상세계를이음새없이연계해주는증강현실의매체특성은실제현실과가상의학습정보를자연스럽게결합해준다는점에서보다자연스러운행위유발성 (affordance) 의장점과학습효과를증진시키는데기여할것으로기대된다. 특히, 실세계의환경을유지해학습에대한맥락성을강화함으로써단순한개념의습득이나이해차원을넘어서적용부분에있어효과를가질것으로예측된다. 다. 실물형 (tangible) 인터페이스를통한조작성의강화실물형인터페이스 (Tangible User Interface: TUI) 란실세계의물체, 도구, 2차원적인표면, 3차원공간등실세계의것, 예를들어, 책이나연필, 미니자동차등을이용하여컴퓨터의입력장치, 즉디지털정보를다루기위한인터페이스로사용하는것을말한다 [8]. 실물형인터페이스는기존의어떤인터페이스와도상당히차별화된특성을지니고있다. 예를들어, 레고는여러단위의블록들을쌓아 3차원모델을만드는장난감으로, 레고로
81 3차원모델을만드는것은생각에따라바로할수있는단순한작업이다. 그러나이러한레고를컴퓨터작업환경으로옮겨컴퓨터의 3차원모델링도구를이용해가상모델을만드는것은결코쉬운작업이아니며사용법에대한습득과훈련을받아야만한다. 그러나이런컴퓨터작업에마우스나키보드가아닌레고블록을인터페이스로활용하면누구나쉽게가상모델을만들수있다 [12]. 이와같이실제세계의물체를가지고컴퓨터의가상모델을컨트롤하는인터페이스방식이바로실물형인터페이스이다. 이때실세계의물체는하나의입력장치가되며, 가상세계에있는모델과직결된관계를갖게된다 [8]. 이와같이실물형인터페이스는이제까지사람의손으로만지지못했던디지털객체를손쉽게사람이만지고선택하고이동할수있게해줌으로써인터페이스자체를더욱직관적이고쉽게조작할수있도록해준다. 1.3 증강현실의교육적장점과학습촉진요소증강현실은앞서논의한실물을조작하며상호작용할수있는실물형인터페이스와현실과가상공간을넘나드는자연스러운인터페이스제공을통해맥락성있는실제적인환경에서체험에의한학습즉, learning by doing 을지원한다. 공유공간에서의협력적증강현실의탐색에대한연구를통해증강현실의기술적장점을다음과같이지적하였다. 증강현실은첫째, 실세계와가상세계를연결한순조롭고매끄러운상호작용을제공하고, 둘째, 현존감을향상시키며, 셋째, 협업에서참여자에게공간적인정보를제공하고, 넷째, 메타포를활용한실물형인터페이스를지원하며, 마지막으로가상세계와현실세계의부드러운전환을가능하게해준다는것이다 [12]. Shelton은이러한증강현실의기술적장점을바탕으로증강현실의교육적활용이, 능동적학습 (active learning), 구성주의적학습, 의도적학습 (intentional learning), 실제적학습 (authentic learning) 및협동학습 (cooperative learning) 을촉진할수있음을주장하기도하였다 [13]. 증강현실이학습과정을촉진시킬수있는이유는주로맥락화된환경에서학습객체에대한실제적인조작활동이수반되기때문이다. 조작활동은학습자의학습경험을증진시키며학습장면에몰입을유발하게된다. 또한, 학습장면을그대로활용하여그위에학습객체를부가적으로보여주는증강현실의기술적특성은학습 맥락에대한이해를촉진시킬수있다는장점을갖고있다. 증강현실매체가갖는감각적몰입의유발, 직접조작에의한경험중심학습, 맥락인식에의한학습현존감발생, 협력학습환경의강화를학습촉진요인으로제안한바있다114]. 2. 증강현실학습콘텐츠의유형 2.1 관찰조작형 관찰조작형은실감형증강현실에서가장폭넓게적용할수있는학습유형이다. 증강현실기법을활용하여구체적인물체나물리적대상을화면에제공하여각부분의명칭이나기능이나작동법등을제시하는형태이다. 예를들어서교재에나오는내용을증강현실로구현하여학습자에게생생한학습내용을전달하고자할때적용해볼수있다. [ 그림 3] 은증강현실기법을활용하여실내공간의건축구조가어떠한방식으로이루어졌는가를보여주기위한적용사례이다. 그림 3. 건축구조물의내부모습을제공하는사례관찰조작형은책형태로제작되어학습자에게이야기를들려주는스토리텔링을포함하고있는학습콘텐츠이다. 학습자는학습에이전트가안내하는내용을통하여이야기를이해하거나이야기속의장면이증강현실로구현된장면등을관찰함으로써학습활동을수행할수있다. 또한관찰조작형에서는학습자의간단한조작활동이포함되기때문에절차적인학습에도적합한유형이라고할수있다. 즉, 특정한과제를수행하기위한절차등을쉽게이해할수있도록증강현실을적용한것이다. 과업수행상황을제시하고학습자의다양한반응과그에의한피드백을구현하는것이다. 이과정에서학습자는문
82 한국콘텐츠학회지제 5 권제 2 호 제해결을위한다양한접근방식을탐구해볼기회를갖게된다. 예를들어서, 정밀시술이필요한수술상황에서의사의수술과정을증강현실을적용하여시각적으로표현하고적절한수술절차를연습할수있도록만들어주는시스템을생각해볼수있다. [ 그림 4] 는수술과정을연습해볼수있도록구현해놓은시스템이다. 그림 4. 정밀시술을위한증강현실의구현사례 2.2 실험활동형실험활동형의학습콘텐츠유형은일반적인시뮬레이션형구현방식과거의같다. 즉, 증강현실기법을활용하여가상의공간을생성한이후에학습자가다양한조작활동을해볼수있도록만들어놓은것이다. 관찰조작형에비하여실험활동형은학습자의복잡한조작활동이가능해야한다. 이런유형의학습콘텐츠는증강현실에서제공된학습객체에대한다양한조작경험을통하여원리및규칙을학습하도록만들기위한것이다. 한조작활동이가능한이와같은학습환경에서학습자는객체의조작을통하여학습객체간의인과성을발견할수있게된다. [ 그림 5] 는가상공간을구현한다음에학습자가객체에대한조작활동을수행할수있는사례이다. 2.3 학습안내형학습안내형은학습자가학습공간을이동하는과정에서학습내용을제공하는방식이다. 관찰조작형과마찬가지로증강현실기법을활용하여학습내용을관찰할수있는환경을제공하는특징을갖고있다. 그러나관찰조작형은고정된학습공간을가정하고있기때문에학습자의이동이나동선을고려할필요가없다. 반면에현장학습안내형은학습자의위치를인식하기위한기법이사용되어야하며, 증강현실을구현할수있는매체를학습자가휴대해야한다는특징을갖고있다. 따라서현장학습안내형은학습자의학습공간이동이나동선등을고려하여학습내용을제시할때적합한방법이라고할수있다. 그림 6. 학습용에이전트구현사례 그림 5. 시뮬레이션구현사례 따라서학습자의조작활동은복잡해질수있으며, 조작도구의종류가훨씬다양해질수있다. 다양하고복잡 이유형에서는학습내용을제공해주기위한에이전트를활용할수있으므로학습용에이전트가학습자의이동이나위치에따라서적절한학습내용을제시해준다면, 학습자의학습활동을안내하는역할을수행할수있을것이다. [ 그림 6] 은에이전트가등장하고있는증강현실구현사례이다. 2.4 현장문제해결형 (Field Problem Solving) 현장문제해결형은맥락인식을강조하여실제과제를수행하는과정에필요한정보를제공할수있도록구현
83 된증강현실을의미한다. 학습자에게어떤상황을제시하고학습자는다양한의사결정을내리기위하여부가적인정보를제공받는상황을의미한다. 특히, 현장문제해결형에서는위치기반정보를바탕으로학습자가직면하고있는실제상황에대한부가적인정보를제공할수있어야한다. 이런시스템은실제상황과의상호작용능력을기르게하여궁극적으로학습의전이를증진시킬목적이있다. 현장문제해결형은학습자의동선과복잡한조작활동등을모두고려할수있기때문에복잡한학습시스템이라고할수있다. 게다가이동성을확보해야하기때문에현장학습안내형과마찬가지로증강현실시스템을구현하는장치를휴대해야한다. 이러한기술적인어려움때문에당장학교학습장면에서적용되기는쉽지않을것으로판단된다. 특히, 자연패턴인식과같이기술적으로도한계를갖고있다고할수있다. [ 그림 7] 은학습자가관찰하고있는실제사물에대한부가적인정보를제공해주기위한증강현실의사례이다. 직접관찰하고실험할수있도록구성되어있다. 콘텐츠의구성은크게, 물의순환원리에대한기본설명에이어, 구름의생성원리에대한실험, 응결핵을통한비의생성원리실험, 온도와습도조절에따른증발과응결 ( 눈과비의생성 ) 실험의세가지상호작용적학습활동으로이루어져있으며, 학습자가직접마커 (marker) 와조작도구를활용해물의순환과정을직접체험해볼수있도록설계되어있다. 그림 8. 초등학교과학증강현실콘텐츠사례학교현장및가정에서의활용이용이하도록기존 HMD(Head Mounted Display) 장비나소프트웨어구입등기본적인체험형학습콘텐츠활용환경구축에소요되는비용을최소화하여일반컴퓨터환경에서웹카메라를사용하여복잡한과학기구없이간단한인쇄물형태의도구를활용, 가상으로체험학습을행할수있는방식을채택하였다. 그림 7. 실제사물에대한부가적인정보제공 3. 증강현실콘텐츠의학습에적용사례 2005년도한국교육학술정보원 (KERIS) 과포항공대디지털체험센터에서공동개발한체험형학습콘텐츠, 물의여행 (Journey of Water) 을활용하였다. [ 그림 8] 의 물의여행 콘텐츠는초등학교 5학년과학과의학습내용을바탕으로실제에서는경험해보기힘든자연세계에대한경험적직관을형성하는데유용한증강현실기술의특성을살려개발되었다. 프로그램활용대상은초등학교 5학년학생으로, 학습내용은빗방울과함께여행을떠나증발, 강수, 유수로이루어지는물의순환과정을 그림 9. 증강현실기반학습활용환경시스템구현에있어증강현실프로그램은오픈소스로공개되어있는 2가지프로그래밍라이브러리를사용하여개발되었다. 활용라이브러리중첫번째는 ARToolKit 으로화상카메라로부터들어오는영상에서미리정의되어있는여러마커를찾아내어 3차원공
84 한국콘텐츠학회지제 5 권제 2 호 간상의위치와방향을계산해내도록하는기능을담당한다. 두번째는 3차원렌더링라이브러리인 Open Scene Graph 로인식된표식위에 3차원그래픽객체들을실시간에그려주는기능을담당한다. 이두라이브러리의연결에대한핵심기능은 ARToolKit에서출력되는실사영상을 Open Scene Graph의뒷배경에그려주고, 마커와 3차원그래픽객체의위치와방향을정확하게일치시켜주는배열에있다 [15]. 을보고한연구결과및증강현실이상황인식 (situational awareness) 을높여단순한개념의습득이나이해차원을넘어서적용부분에효과를나타내는결론을얻었다 [6][16]. 이상과같이교육과접목되는신기술의디지털콘텐츠는향후그활용이교육분야에서지속적으로증대될것으로예측된다. 따라서, 보다다양한대상과교과, 학습상황에서의새로운교수학습매체로서의증강현실의콘텐츠가개발되어야하며교육적가치를검증할수있는연구가필요하다. 또한구체적인실제세계의사물을가지고가상객체를조작하는실물형인터페이스 (Tangible User Interface: TUI) 를다양화하기위한기술을통하여행위유발성 (affordance) 의문제를보다개선하여실물조작을통한교육의핵심요소인상호작용적특성을극대화할수있는보다진전된기술개발이필요하다. 그림 10. 증강현실기반체험형학습시스템구성 참고문헌 4. 결론 어떤새로운디지털콘텐츠가교육에도입되었을때, 우선적으로그콘텐츠가그전까지있어온전통적교수학습방식보다더효과가있을것인가하는호기심은교육학자들사이에항상존재해왔고, 또한그러한연구들이새로운기술이출현함과더불어이루어져왔기때문에연구자들의관심을끌게마련이다. 증강현실콘텐츠의교육적적용은학생들의만족도와적용측면의학습효과에있어간접효과뿐만아니라직접효과를갖는것으로나타났다 [5]. 첫째, 감각적몰두는현존감과학습몰입을매개로지식 이해, 적용의인지적학습효과에유의한영향을미치는것으로나타났다. 이는증강현실기술의활용이단순한감각적호기심제공을뛰어넘어학습자체에대한몰입과효과에도의미있게작용함을보여주는결과이다. 둘째, 학습효과측면에있어서는지식 이해요인보다적용요인에증강현실콘텐츠의활용이더큰설명력을갖는것으로나타났다. 이는증강현실의활용이기존개념이해중심의비맥락화된지식의습득을넘어서실제적맥락속에서적용에의미있는효과를가짐을보여주는결과로, 가상현실기법의활용이과학적분석및종합능력의향상에기여했음 [1] Banathy, B. H. Systems design of education. NJ: Educational Technology Publications, 1991년 [2] Reigeluth, C. M. A third-wave educational system. In Banathy B. H. Systems design of education. New Jersey: Educational Technology Publications, 1991년 [3] Crook, C. Computers and the collaborative experience of learning. NY: Routledge, 1994년 [4] 장상현, 계보경, u-러닝환경에서의에듀테인먼트개발및적용, 정보과학회지제24권제2호, 2006년 [5] 계보경, 증강현실기반학습에서매체특성 현존감 학습몰입 학습효과의관계규명, 이화여자대학교박사학위청구논문, 2007년 [6] Azuma, R. T. A Survey of Augmented Reality. In Presence: Teleoperators and Virtual Environment, 1997년 [7] Milgram, P., & Keshino, F. A taxonomy of mixed reality visual display. IEICE Transactions on Information and Systems, 1994년 [8] shii, H. and Ullmer, B. (1997), Tangible Bits: Towards Seamless Interfaces between People, Bits and Atoms, Conference on Human Factors in Computing Systems CHI, ACM Press, 1997년 [9] Gibson, J. J. (1986). The Ecological Approach to Visual Perception, Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1986년 [10] Billinghurst, M.. Augmented reality in education. New Horizons for Learning Online Journal., 2003년
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