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아두이노(Arduino)는 사용하기 쉬운 하드웨어와 소프트웨어를 기반으로 하는 오픈소스 플랫폼이다[9]. 아두이노는 이탈리아 북부의 이브리아(Ivrea)에 위치한 인터랙션 디자인 전문대학원(IDII, Interaction Design Institute Ivrea)의 교수였던 Massimo Banzi와 동료인 David Cuartielles가 공동으로 수행했던 프로젝트이다. 2005년에 첫 프로토타입 보드가 완성된 이후 수년에 걸쳐 아두이노는 일상적인 물건으로부터 복잡한 과학 도구에 이르기까지 수천 가지 프로젝트의 두뇌 역할을 해 왔다. 이 오픈 소스 플랫폼을 중심으로 학생, 애호가, 예술가, 프로그래머 및 전문가와 같은 세계적인 제작자 커뮤니티가 모였으며, 초보자 및 전문가 모두에게 도움이 될 수 있는 엄청난 양의 지식이 만들어졌다.

단순한 8bit 보드에서 출발한 아두이노는 최근에 IoT 애플리케이션, 웨어러블 기기, 3D 프린팅 및 임베디드 환경을 위한 제품으로 차별화하여 새로운 요구와 과제에 적응하기 위해 변화하기 시작했다. 그림 1은 아두이노 홈페이지에 공개된 현재까지 개발된 제품들의 라인업이다.

Fig. 1. 
Lineup of whole Arduino products

아두이노는 주로 Atmel사의 범용 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 마이크로컨트롤러인 AVR을 사용해 만든 싱글보드 마이크로컨트롤러이다. 콜럼비아 출신의 Hernando Barragán가 개발한 와이어링(Wiring)에 기반한 프로그래밍 언어와 MIT 미디어랩의 Casey Reas와 Benjamin Fry가 개발한 프로세싱에 기초한 소프트웨어인 통합개발환경(IDE)을 사용한다.

아두이노는 간단하고 초보자도 사용하기 쉬운 덕분에 수천 개의 서로 다른 프로젝트와 응용 프로그램에 사용되었으며 교사와 학생들은 저렴한 비용의 과학 도구를 제작하고 프로그래밍 교육 및 로봇공학, 디지털회로 설계, 메카트로닉스 실습 등에 광범위하게 이용되고 있다.

본 논문의 임베디드 시스템 수업에서는 아두이노 보드 중에서 가장 기본이 되는 아두이노 우노(UNO)를 사용한다. 그림 2는 아두이노 우노 보드의 실물이며 표 1은 하드웨어 규격을 정리한 것이다.

Fig. 2. 
Arduino UNO board

프로젝트 기반 학습은 경험주의 교육과 존 듀이(John Dewey)의 철학에 그 뿌리를 두고 있다. 프로젝트 기반 학습은 학생들이 학습의 전 과정에 걸쳐 주도적 역할을 수행하며 주어진 문제에 대한 탐구 활동을 스스로 계획하고 실행하여 그 결과를 만들어 가는 교육과정이라 할 수 있다. 프로젝트 기반 학습을 통해 학생들은 내적 동기화, 책임감, 협동정신, 문제해결력, 다양한 탐구 정신과 표현능력, 체험적 학습경험 등을 하게 된다. 즉 프로젝트 기반 학습은 학생들에게 단순한 해답을 요구하지 않고 좀 더 창의적이고 도전적인 과제를 제공하여 문제해결을 위한 고차원적 사고 능력과 지식을 배양시킨다[10].

아두이노를 활용한 프로젝트 기반의 수업은 크게 전반부와 후반부의 두 부분으로 나누어 진행된다. 전반부(1~7주차)에는 이후 프로젝트를 수행하는데 기본 기술이 될 센서, 액츄에이터, 통신 등에 집중하여 수업을 진행하였다. 구체적으로 살펴보면 아두이노를 다루는 기초가 되는 디지털 입/출력, 아날로그 입/출력에서부터 시리얼 통신, LCD, 모터(DC모터, 서보모터, 스테핑모터), 블루투스 통신, 이더넷 통신 등을 실습을 통해 익히게 하였는데, 자세한 내용은 표 2에 정리하였다.

학생들은 학기의 전반부에 아두이노와 다양한 센서, 액츄에이터를 활용하여 제어 실습을 진행하였다. 이후 3~4명씩 팀을 구성하여 실제로 결과물을 제작하기 위해 프로젝트 기반의 수업을 진행하는데 그 과정은 표 3에서 제시하고 있는 전통적인 공학설계 절차를 따른다.

맨 처음 요구분석 단계에서는 본인들에게 주어진 과제와 현재 상황의 제약조건들을 파악하고 팀별로 개발하려는 최종 목표가 무엇인지 거기에 어떤 기능들을 포함할 것인지를 정의한다. 또한 이 단계에서 개인별 역할을 분담하고 주어진 자원과 시간을 고려하여 프로젝트 계획서를 작성한다. 그 다음으로 기능분석 단계에서는 본인들이 개발하려고 목표한 시스템에 대한 자료를 수집하고 연구를 진행한다. 이 과정에서도 팀 내에서 자신이 맡은 부분의 자료를 먼저 학습하고 협업을 위해 함께 모여 토론하는 시간을 갖는 것이 좋다.

설계 종합 단계에서는 브레인스토밍을 통해 가능한 해결책을 개발하고 잠재적 솔루션을 분석하며, 유망한 솔루션을 선택하고 프로토타입(Prototype)을 제작한다. 또한 프로토타입에 대한 테스트 및 평가를 진행하고 실제로 시스템을 구현한다. 이 과정에서 팀원들의 협업을 통해서도 해결할 수 없는 문제는 교수에게 질문을 통해 해결하도록 한다. 마지막으로 시스템분석 단계에서는 최종 개발된 시스템을 동작시켜보고 개선해야 할 부분이 있는지 검토하고 필요하다면 다시 설계한다. 이후 프로젝트 과정에서 만들어진 자료들을 정리하고 각 팀은 본인들이 개발한 프로젝트 결과물에 대해 발표하고 실제로 시연하는 시간을 갖는다. 또한 이를 정리한 보고서도 제출한다. 이때 교수는 프로젝트 결과물에 대한 평가 및 각 팀의 프로젝트 과정 전반에 대한 피드백을 제공한다.

학생들은 수업의 전반부에 아두이노를 활용하여 다양한 센서들과 엑츄에이터를 학습하였다. 이후 8주에 걸쳐 팀을 이루고 본인들이 스스로 결정한 목표 결과물을 만들어내는 프로젝트를 수행하였다. 그림 3은 전반부의 아두이노를 이용한 실습 장면이고 그림 4는 이를 바탕으로 실제 프로젝트 목표를 완성해가는 과정을 보여준다.

Fig. 3. 
Practical class using Arduino

Fig. 4. 
Project execution

프로젝트 수행 후 각 팀별로 수행 과정에 대한 설명과 결과물에 대한 프리젠테이션을 진행하였고 두 팀을 우수 팀으로 선정하였다.

그림 5와 6은 우수 작품으로 선정된 IoT 공기청정기와 드론배송 무인수취함의 실물이다. IoT 공기청정기는 작품의 완성도와 팀원들 간의 역할 분담 및 협력이 우수하였고, 드론배송 무인 수취함은 도전적이고 창의적인 아이디어가 돋보였다.

Fig. 5. 
IoT air cleaner

Fig. 6. 
Unattended collecting box of drone delivery

본 연구에서는 프로젝트 기반 학습에 대한 교육적 효과를 분석하기 위하여 강의 전과 후에 수업 만족도와 학습 성과 달성에 대한 설문지를 조사하였다. 본 수업을 수강한 학생들(57명)의 설문지를 조사하여 불성실한 답변을 제외하고 총 52명의 학생을 대상으로 분석하였다.

본 논문에서 수집한 자료는 통계분석 프로그램인 IBM SPSS Statistics 24 for Windows를 이용하여 동일집단의 두 표본에서 측정된 값을 검증하는 대응 표본 T-test를 실시하였다.

프로젝트 기반 수업에 참여한 학생들의 수업 만족도와 학습 성과에 대한 설문 결과 분석은 표4와 같다. 설문지는 총 10문항으로 구성하였으며 각 문항은 5점 척도 형식으로 이루어져 있다. 설문지는 수업에 대한 흥미도, 만족도, 이해도, 수업 내용의 적정성과 속도의 적당함 등을 측정하기 위하여 문항을 구성하였으며 또한 기존의 강의중심 수업이나 개인별 수업보다 효과가 있었는지, 실무 능력을 키우고 취업을 준비하는데 도움이 되었는지 등을 조사하였다.

설문지 분석 결과 전체 항목에서 수업 전보다 후에 평균값이 높게 나타났다. 10개의 문항 중에 한 문항을 제외한 9개의 문항(P<0.001-4문항, P<0.01-4문항, P<0.05-1문항)이 통계적 유의수준에서 차이가 있는 것으로 나타났으며 이것은 프로젝트 기반의 수업이 학생들의 수업 만족도 및 학습 성과에 도움이 되었다고 해석할 수 있다.