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컴퓨팅의 원리와 개념을 이해하고, 이를 바탕으로 문제를 효율적으로 해결하는 능력을 의미하는 컴퓨팅 사고력은 현대 사회가 과학기술의 정보화로 인하여 제기되는 문제가 융합적 지식 사고를 요구하고 탐구학습을 위한 시뮬레이션 학습 능력 함양을 위한 정보 생성과 시뮬레이션 학습 환경을 다루기 위한 컴퓨팅 능력을 키울 수 있는 핵심역량 따라 점차 강조되고 있다[7]. 컴퓨팅 사고력의 중요성이 증가에 따라 교육 시설에서 컴퓨팅 교육을 위한 기반시설을 마련하기 위한 필요비용을 낮추면서도 컴퓨팅 사고력의 향상을 위한 교육 활동을 진행할 수 있는 언플러그드 학습 활동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 언플러그드 교육은 컴퓨터를 사용하지 않고서 컴퓨팅 사고력을 발전시키기 위한 교육으로 초등 학습자를 대상으로 한 다양한 교육이 연구되고 있다.

허영(2019)은 코딩 교육이 단순한 문제 해결에 목적을 두던 과거와 달리 현재에는 문제해결 능력을 보다 중요시한다는 점을 언급하며 2018년 기준 약 85.5%의 학생이 코딩 교육을 받지 못하고 있음을 강조하였다. 교육의 어려움에는 기자재의 보급 문제가 존재하며, 이를 보완하기 위하여 기자재 없이 교육 가능한 미술활동을 접목한 언플러그드 코딩 교육 프로그램을 개발하여 효과적임을 검증하였다[8].

김진수, 박남제(2019)는 초등과정을 위한 인공지능 학습원리를 보드게임으로 교육하는 프로그램을 실증하여 IT 원리 교육에 대한 유의미한 성과를 얻었다[9]. 이명숙(2020)은 발전하는 사회상에서 컴퓨팅 사고력의 향상을 위한 언플러그드 교육의 효과성에 대한 연구를 진행하였으며, 교육모델을 설계하고 이를 비전공자를 포함하는 교수자 집단을 대상으로 교육하여 사전-사후 t-검증을 진행한 결과 4점 척도를 기준으로 교육을 받기 전에는 컴퓨팅 사고력에 대한 척도가 불과 2.67의 값을 보인반면, 교육 후 3.07로 증가하며 유의미한 결과를 보였다[10]. 이처럼 놀이를 기반으로 과학의 원리에 대한 이해를 돕기 위한 학습 활동으로 초·중등 과정의 학생뿐만 아니라 전공 과정이 아닌 일반 성인을 대상으로도 효과를 발휘할 수 있다.

정보보안 교육은 실생활과의 높은 연계성과 학습 과정에서의 고등사고력을 활용하고 있음에도 불구하고 전문분야의 높은 장벽으로 인하여 교육콘텐츠로서의 활용이 용이하지 않은 실정이다. 일부 정보보안 전문가 직업 진로교육의 취지로 개발된 보드게임 등과 접목한 학습교구의 개발 사례를 다음과 같이 살펴볼 수 있다. 우선 국내 사례에서 고영해(2014)는 육각형 셀 기반 모의해킹 활동을 통한 효과적인 정보보안 학습교구를 개발 하여 놀의 기법을 통한 해커의 기능 원리를 쉽게 학습시키며 정보보안의 중요성을 인식시킬 수 있는 효과에 대해 언급하였고[11], 이동혁, 박남제(2016)는 게이미피케이션 메커니즘을 이용한 초등 네트워크 정보보안 학습교재 및 교구를 개발하여 클라이언트와 서버 간의 메시지 흐름을 이미지화하여 셀과 방화벽 간의 이동 경로를 육안으로 파악할 수 있도록 하였다[12]. 국외의 사례로는 Mark Engelberg et el.(2018)가 개발한 사이버보안 로직 게임이 사이버 범죄자를 저지하기 위해 에이전트가 되어 각 단계별 미션을 수행하는 보드게임을 개발하여 프로그래밍을 체험할 수 있도록 하였고[13], Tiago Gasiba et el.(2020)은 보안 프로그래밍을 위한 사이버 보안 게임을 분석하여 사이버 보안 문제를 해결하기 위한 인식 구조화를 보안 코딩기술 게임으로 교육하는 것이 보안에 대한 인식향상 측면에 영향을 미치는 것으로 나타났다고 분석하였다[14].

본 논문에서는 이상의 사례들이 가지고 있는 언플러그 게임 방식의 장점을 취하고, 보다 전문 기술 분야의 다양성과 미래 고도화된 정보화 사회에 인재 양성을 위해 사이버 공격과 같이 전문적 지식을 필요로 하는 기술분야 교육을 비전문가 및 초·중등생에게 교육하는 목적으로 설계하여, 컴퓨팅 사고력 증진을 위한 언플러그드 학습 교구로 활용할 수 있도록 개발하였다. 공격자의 입장에서 목적지에 도달하는 것을 목적으로 하는 해킹을 주제로 언플러그드 교육을 설계하였다. 교육의 설계를 위해 네트워크상에서 공격자가 대상자에게 도달하는 과정은 크게 대상자의 네트워크 경로를 찾는 과정, 대상자의 보안장비를 거쳐 대상자에 도달하는 과정으로 볼 수 있다. 그림 2는 사이버 공격에 대한 과정을 간략하게 설명하는 것이다.

Fig. 2. 
Cyber ​​attack process

해킹 원리 언플러그드 학습교구의 개발 절차는 리빙스톤과 스톨(Livingston and Stoll, 1973)이 제안한 시뮬레이션 게임의 모델 제작 절차를 참고하여 표 1과 같은 단계를 설정하고 이를 본 해킹 원리 학습 교구 개발 절차에 융합하였다[15,16]. 리빙스톤과 스톨이 제안한 시뮬레이션 게임 모델 제작 절차는 시뮬레이션 게임의 개발 과정을 학습목표 설정, 소재 선정, 구조와 자료설계, 규칙작성 후 실행 및 수정으로 기술하여 보드게임 등과 같은 게임 개발과 관련된 국내 발표 논문에서 다수 인용되고 있다.

단계별 전개 내용을 살펴보면 1단계 학습 목표 결정에서는 해킹게임을 통하여 정보보안의 중요성을 알고 해킹 원리 알고리즘을 구상할 수 있다[17]-[24].

2단계 정보보안 해커 게임 소재 선정에서 해킹 원리교육 언플러그드 학습교구의 소재는 학습자가 해커가 되어 보안장치를 피해 파일을 안전하게 탈취하는 목적을 달성하는 과정을 보드게임으로 학습할 수 있도록 하였다.

게임의 구조를 설계한 3단계에서 게임 보드는 4x4의 16개 타일 그리드로 이루어져 있고 보드판에는 5개의 회전 플랫폼이 놓여있으며 2개는 시계방향으로 3개는 시계 반대 방향으로 회전한다. 학습자는 5개의 회전 플랫폼과 각각의 이동을 제어하는 ​​타일을 미션지에 따라서 보드판에 스테이지 별 초기 설정으로 놓는다. 게임 보드판에는 한 명의 해커와 3개의 방향키, 한 개의 회전 패널, 해커의 목표인 파일 패널과 해커를 끌어들여 해킹을 실패 하도록 유인하는 허니팟 및 해커가 터치하면 프로그램이 안전하게 종료되어 해킹시도를 저지할 수 있는 알람과 최종 미션의 성공을 나타내는 출구로 설계하였고 표 2는 게임의 구성품과 주요 역할 내용 및 본 학습교구에서 역할의 학습을 위해 대치한 시스템 명이다.

4단계의 게임 자료 설계에서 해커 게임의 진행을 위해 게임의 진행 방법을 제공하는 설명서와 각 단계별 수행 해야하는 미션지와 알고리즘 설계 할 수 있는 워크시트, 각 역할을 직접 보드에 구현할 수 있는 패널과 게임 말이 필요하다. 그림 4는 보드판에 미션지에서 요구하는 대로 패널과 게임 말을 배치한 이미지 모습이다.

Fig. 4. 
Contents of the mission paper envisioned on the board

본 그림에서 각각의 아이콘은 해커( ), 데이터 파일( ), 출구( ), 허니팟( )과 회전패널( )을 나타내며 해커가 데이터파일을 집어서 허니팟을 건드리지 않고 출구로 나가는 미션을 수행한다. 아래 그림 5는 워크시트로 해커X의 방향을 정하여 출구까지의 경로를 시뮬레이션할 수 있도록 제작한 워크시트이다.

Fig 5. 
Hacking principle worksheet

게임 규칙을 설정하는 5단계에서는 HACK, Defense, Fix의 3단계에 걸쳐 해킹의 공격자와 방어자의 시뮬레이션을 코딩한다. 먼저 특정한 포인트의 회전과 같은 조건을 사전에 설정하여 그림 6과 같이 게임의 미션지를 설계할 수 있다.

Fig. 6. 
Hacking game missions

교수자는 학습자가 정해진 횟수 이내에 목표를 달성할 수 있도록 한다. 본 연구에서는 학습자에게 3번의 이동 기회를 제공한다. 학습자는 좌, 우, 상, 하의 4방향으로 이동 방향을 설정할 수 있다. 학습자는 차례로 이동 방향을 설계하되, 교수자에 의해 해당 차례에 변수가 설정된 경우 다음 차례에 이어서 진행한다. HACK 단계에서는 공격자인 학습자가 자료를 획득하고 출구를 통하여 탈출하는 것을 목표로 하고, 정해진 횟수를 넘어서거나 목적지가 아닌 곳에 도달한 경우 실패로 간주한다. 위 그림 6과 같은 게임의 미션지를 보고 게임판위에 트래픽 아이콘을 놓는다. 해커 X가 허니팟에 빠지지 않고 출구지점에 도착하도록 알고리즘을 구상한다.

HACK에서는 화살표 3개만을 이용하여 코드를 짜야 한다. 해커 X가 데이터 파일을 집어들고 해당 종료 지점(출구)에 도달하도록 게임판을 조사하여 이동방향을 결정한다. 작성한 코드대로 테스트를 한다. 이때 트래픽의 화살표 대로 한칸 회전한다. 해커 X가 파일을 집어서 마지막 이동 지시대로 출구지점에 도착하면 이긴다. 작성한 코드는 그대로 남겨두고 DEFENCE로 넘어간다.

DEFENCE단계 에서는 HACK에서 코딩한 프로그램을 분석하여 보안 취약점을 찾는다. 해커가 프로그램을 변경하고 바이러스로 감염시킬 수 있는 방법을 알아본다. DEFENCE 단계에서는 방어자인 학습자가 공격자가 탈출할 수 없도록 허니팟으로 유도하는 것을 목적으로 한다.

학습자는 Hack 단계에서 설정한 이동 방향 3개와 교수자에 의해 설정된 변수의 순서만을 변경하여 목적지에 도달하여야 한다. 정해진 횟수를 넘어서거나 목적지가 아닌 곳에 도달한 경우 실패로 간주한다. 이때 미션지에 설명된 원래 설정에 따라 게임판을 복귀하고 워크시트 위에 방향키와 회전 패널을 좌, 우로만 움직여 해커X가 허니팟에 도착하면 이긴다. 작성한 코드는 그대로 남겨두고 FIX로 넘어간다.

FIX단계에서는 게임판의 빈공간과 허니팟의 위치, 종료 위치를 파악한 후 알람을 설치한다. 해커X가 알람과 접촉하면 경보가 트리거(Trigger)되면서 프로그램은 안전하게 종료하도록 알고리즘을 구상한다. FIX 단계에서는 공격자의 이동경로에 알람을 설치하여 공격자의 침입 시도를 파악하는 것을 목적으로 한다. 학습자는 방어자가 되어 알람 변수를 학습지 내의 비어있는 공간에 설치할 수 있다. 학습자는 공격자가 알람에 도달한 직후에 허니팟으로 이동하도록 구성하여야 한다.

공격자가 알람을 지나치지 않거나, 지나친 경우에도 허니팟에 도달하지 못하는 경우 실패로 간주한다. 단, 해킹된 프로그램을 추적할 때 해커X가 허니팟에 도달하기 전에 알람이 작동해야 한다. 게임판에서 알람을 놓고 DEFENCE에서 코딩한 프로그램과 HACK에서 코딩한 프로그램을 방해하지 않으면 학습자가 이긴다. 그림 7은 해킹 게임 미션 완료 시 학습지의 답안 예시로 학습자의 미션 성공 여부를 알 수 있다.

Fig. 7. 
Example of completing a hacking game mission

HACK, DEFENCE, FIX를 모두 수행하면 다음 스테이지로 이동한다. 마지막 6단계에서는 검사 및 수정단계로 해커 게임이 해커가 데이터 파일을 선택하여 종료지점에 도달하도록 프로그램을 구상하고, 보안 취약점을 찾아 시스템 약점을 보완하여 사이버 공격을 방어하는 설정으로 구상하였다. 실행하는 과정에서 발견되는 문제점을 보완하고 수정하여 완성도 높은 학습교구로 발전시킨다. 그림 8은 한 스테이지 당 HACK, DEFENCE, FIX의 절차별 흐름을 도식화 한 것이다.

Fig. 8. 
Hacking game flow

본 게임은 하나의 도전과제당 3단계의 미션을 수행하게 하여 도전과제의 무한한 확장성을 보장할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 초등학생이 이해할 수 있는 정도의 기초 단계만 언급하였다. 본 과제를 모두 수행한 학습자에게는 도전과제를 거듭하여 동시성을 제어하는 잠금(Lock)기능과 논리적인 작업을 모두 완벽하게 처리하거나 또는 처리하지 못할 경우에 원상태로 복구하여 작업의 일부만 적용되는 현상이 발생하지 않게 하여 작업을 완전성을 보장해주는 트랜잭션(Transaction) 기능을 학습하도록 구상해 볼 수 있다.

해커는 플레이어가 실제 프로그래머가 사용하는 것과 유사한 전략을 사용하여 잠금 기능을 통해 두 스레드(Thread)가 동시에 코드의 동일한 중요 섹션을 차지하게 하는 인터리빙(Interleaving: IP 네트워크 즉 유선 통신 네트워크 또는 무선 통신 구간을 통하여 트래픽을 전송할 때, 발생할 수 있는, 군집 에러를 랜덤 에러로 변환하여, 에러 정정을 용이하게 하기 위하여 사용되는 기법)에 대하여 추론할 수 있도록 확장하여 설계할 수 있다.