피지컬 컴퓨팅 교육을 위한 새로운 전자보드의 개발

Ⅰ. 서 론

피지컬 컴퓨팅(Physical computing)은 컴퓨터의 사용 방식을 변화시킬 뿐만 아니라 컴퓨터의 기능을 대하는 방식, 상호작용 및 작동 방식에 대한 우리의 사고를 변화시켜 왔다[1]. 센서와 액추에이터를 통해 물리적 세계와 컴퓨팅을 완벽하게 통합하는 피지컬 컴퓨팅 시스템은 우리 사회에 개선된 생활수준, 더 높은 보안 및 편의성과 효율성을 제공하였다[2].

인간과 컴퓨터의 상호 작용은 비교적 최근의 현상이다. 컴퓨터 하드웨어가 엄청나게 비쌌던 1970년대의 프로그래밍 연구는 제한된 컴퓨팅의 사용을 최적화하는 방향으로 나아갔다. 이후 하드웨어가 더욱 강력해지고 저렴해짐에 따라 디자인은 컴퓨터의 편의성에서 인간을 위한 편의성으로 발전할 수 있었다. 이러한 변화를 설명하기 위해 “ubiquity”, “pervasive”, “tangible”, “spatial or physical computing”과 같은 다양한 용어들이 등장하였는데 그린울드(Simon greenwold)는 피지컬 컴퓨팅을 실제 객체와 공간에 대한 참조를 유지하고 조작하는 기계와 인간의 상호작용으로 정의하였다[3][4].

마이크로컨트롤러 기반의 툴 킷과 피지컬 컴퓨팅 디바이스들이 수년간 로봇교육, 환경 센싱, 과학 실험 등의 교육 분야에서 사용되어지고 있다[5]. 또한 국내에서도 피지컬 컴퓨팅과 컴퓨팅 사고력(Computational thinking)에 대한 관심이 확대되고 있는데, 이는 2015 개정 교육과정에 초·중등 정보교과 과목이 필수로 지정되었으며 중등 정보교과 단원에 피지컬 컴퓨팅의 내용이 포함되어 프로그래밍 교육에 대한 이론 및 실습을 하도록 한 것이 큰 동기가 되었다[6].

2015년 이전에는 소수의 영재반 교육이나 방과 후 수업의 로봇 교육, 프로그래밍 교육의 일환으로 피지컬 컴퓨팅 디바이스들이 도입되어 왔다. 또한 초등 실과 교과영역에서 개별적인 센서와 액추에이터 부품들을 다루는 로봇 교육이 이루어져 왔으나 코딩교육에 대한 내용은 없고 로봇에 대한 이론적인 이해와 간단한 조작을 해보는 정도의 수업이 진행되어 왔다. 하지만 2015 개정 과정의 교과서가 본격적으로 보급될 2019년부터는 다양한 전자 보드를 활용한 코딩 및 피지컬 컴퓨팅 교육이 주류를 이루게 될 전망이다[7].

현재 피지컬 컴퓨팅 교육 도구로는 오픈소스(Open-source) 하드웨어인 아두이노(Arduino)와 호환보드들을 주로 활용하고 있지만 기기의 사용법을 익히거나 전자 부품들의 지식을 바탕으로 회로를 구성하는 데에 상당한 사전 지식과 시간을 투자해야 하는 단점이 있다.

이에 본 논문에서는 하드웨어에 대한 전문 지식이 없는 초보적인 학습자들이 피지컬 컴퓨팅 과정을 아무런 부담 없이 경험하고 학습할 수 있도록 전자 부품들을 모듈형으로 설계하였고 RJ11 커넥터를 채택하여 편리성과 안전성을 확보한 새로운 전자보드를 개발하였다.

Ⅱ. 관련 연구

2.1 피지컬 컴퓨팅

피지컬 컴퓨팅의 개념은 뉴욕 대학교의 오설리번(Dan O'Sullivan)과 아이고(Tom Igoe) 교수가 인터랙티브 피지컬 시스템의 내용을 가르치기 위해서 처음으로 사용한 개념이다. 그들은 피지컬 컴퓨팅을 물리적인 실제 세계의 모습을 센서를 통해 이해하고 상호작용이 가능한 컴퓨팅의 가상 세계가 이에 대한 반응을 액추에이터를 통해 대화하는 시스템이라고 정의하였다[1]. 지금까지 인간과 컴퓨터의 인터페이스는 주로 마우스, 키보드, 모니터, 프린터 등의 전통적인 방식을 통해 이루어졌다면 피지컬 컴퓨팅은 다양하게 확장된 인터페이스를 사용하는 방식으로 진화하였다.

Fig. 1.

Conceptual diagram of physical computing (출처 : http://computing.or.kr)

피지컬 컴퓨팅 시스템은 사물인터넷, 로봇 교육, 메이커(Maker) 운동, 미디어 아트 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 소프트웨어 교육의 교구로도 활용되고 있다. 특히 프로그래밍 언어에 익숙하지 않은 학생들을 위해 친근하게 접근할 수 있도록 만든 교육용 프로그래밍 언어(EPL, Educational Programming Language) 등을 사용하여 피지컬 컴퓨팅 교구를 활용한다. 현재 수많은 EPL이 개발되어 사용되는데 블록형 프로그래밍 언어들이 주류를 이루고 있으며 스크래치(Scratch)와 엔트리(Entry)가 대표적이다.

기존의 소프트웨어 교육 방식은 학습자들의 사고를 모니터 안에 머물게 할 가능성이 많지만 피지컬 컴퓨팅 기반의 교구나 콘텐츠가 도입이 되면 학생들의 컴퓨팅 사고력을 확장시켜 창의력을 발휘하고 문제해결력을 키우며 동시에 교육적 흥미도 갖게 되는 역할을 할 수 있다[8].

2.3 피지컬 컴퓨팅 도구

피지컬 컴퓨팅의 1세대 유형으로 1980년대와 1990년대 초 LEGO/Logo 플랫폼의 개발과 MIT 미디어랩의 “programmable bricks”가 등장하였으며 2세대 디바이스들은 1990년대 후반에 개발되었고 새로운 유형의 센서, 액추에이터, 컴퓨터와 상호작용하는 방법들을 포함하여 초기 플랫폼의 기능들을 확장시켰다.

Fig. 2.

Programmable bricks (출처 : https://www.media.mit.edu)

3세대 장치들은 21세기 초에 개발되었다. 이 기간 동안에 개발된 플랫폼들은 아주 어린 아이들, 기술과 친숙하지 않은 디자이너, 개발도상국의 어린이들과 같은 새로운 사용자층을 목표로 설계되었는데 이 장치들은 컴퓨팅에 대한 참여를 넓히고 사용자들이 새로운 지식의 영역에 접근할 수 있는 장치들을 만드는데 특별히 역점을 두었다. 예를 들면 수학이나 과학의 복잡한 개념을 탐구할 수 있는 가능성을 열어주는 방법으로서 모듈식 접근 방식을 사용하였다[5].

현재 국내외에서 종류와 기능이 다양한 피지컬 컴퓨팅 도구들이 개발되어 활용되고 있는데 교육의 목적이나 소요 예산 등과 같은 각자의 필요에 따라 선택을 하면 될 것이다.

그림 3은 국내 피지컬 컴퓨팅 교육 플랫폼인 네이버 엔트리에서 지원하는 피지컬 컴퓨팅 도구 중 일부이다. 현재 엔트리에서 지원하는 하드웨어는 보드형, 모듈형, 로봇형의 3가지로 분류할 수 있다.

Fig. 3.

Physical computing tools supported by entry, (a) Byrobot petrone V2 car, (b) Byrobot petrone V2 remote controller, (c) Bitbrick, (d) Bitblock, (e) Bingle S, (f) Ardublock, (g) Arduino Nano, (h) Arduino Uno genuine board, (i) Arduino Uno compatible board, (j) Arduino Uno expansion board, (k) Armz, (l) Edumaker board, (m) X-bot(Bluetooth), (n) X-bot(one-touch dongle), (o) Orange board (출처 : https://playentry.org)

햄스터나 거북이 등의 로봇형은 장난감 같은 친근한 외형의 완제품 형태로 제공되어 어린 학생들도 쉽게 접근할 수 있으나 가격이 비교적 비싼 편이다. 리틀비츠, 비트브릭 같은 모듈형은 센서나 LED, 모터 등이 모듈로 제공되어 원하는 모듈을 선택하여 사용하면 된다. 아두이노로 대표되는 보드형은 상대적으로 가격이 저렴하지만 전자 부품과 전기 회로에 대한 지식이 필요하므로 접근이 어려운 편이다.

Ⅲ. 전자보드 설계 및 개발

현재 대부분의 피지컬 컴퓨팅 보드는 아두이노 UNO와 그 호환보드들이 주로 사용되고 있다. 따라서 본 논문에서도 아두이노 보드의 회로도와 입/출력 핀, 통신 규약 등을 기준으로 삼아 보드를 설계하였다. 아두이노는 세계적으로 많은 사용자층과 자료들이 공개되어 있으며 아두이노 프로그램 개발환경(IDE)을 그대로 사용할 수도 있고 또한 모든 소스가 공개되어 있기 때문에 코딩 도구의 개발도 용이한 편이다.

그림 4는 본 논문에서 제안하는 보드의 회로도이다. 개발된 전자보드는 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

Fig. 4.

Proposed circuit diagram

첫째, 아두이노 UNO 보드의 공개된 회로를 기반으로 보드를 설계하였다. 마이크로컨트롤러는 ATmega328P-MU를 사용하였는데 디지털 14핀(PD0~PD7, PB0~PB5)과 아날로그 8핀(ADC0~ADC7)을 조합하여 입력 4포트, 출력 4포트, RGB Led 전용 1포트, 부저 모듈 전용 1핀을 할당하였다. 그리고 리셋 핀, 전원 핀, SPI 통신용 핀 등은 아두이노의 핀 맵과 동일하게 사용하였다. USB to UART 인터페이스로 FT231X칩을 사용하였고 블루투스 모듈 HC06 칩을 회로에 추가하였다. 사용의 편의를 위해 온/오프 전원 스위치와 2가지 모드(USB 모드, 블루투스 모드) 선택을 위한 슬라이드 스위치가 달려있다. 그림 5는 개발된 전자보드의 시제품 모습이며 입출력 핀 맵을 표 1에 정리하였다.

Fig. 5.

Prototype of electronic board

Table 1.

Pin map of a proposed board

둘째, 피지컬 컴퓨팅 교육에 기초적이며 자주 사용하는 부품들을 모듈형으로 제작하였다. RGB LED와 버튼, 가변저항, 조도 센서, 적외선 센서, 사운드 센서 등을 모듈형으로 제작하였다. 전자 부품과 회로도에 대한 지식이 없는 학생들이 브레드보드에 부품을 장착하고 전자보드와 배선을 하는 작업이 쉽지 않기에 RJ11 커넥터(RJ11 6P4C)를 사용하여 모듈형 부품들을 연결할 수 있도록 설계하였다.

또한 추가적인 아두이노 3핀 센서에 대응할 수 있도록 여분의 3핀 커넥터를 제작하였다. 그림 6은 다양한 모듈형 부품들의 시제품 사진이다.

Fig. 6.

Prototype of modular parts, ① 3pin connecter, ② Light sensor, ③ Button module, ④ IR sensor ⑤ Sound sensor, ⑥ RGB LED

셋째, 교구의 안전성을 고려하였다. 아두이노 같은 보드에서는 회로의 잘못된 배선이나 부품의 극성 오류로 인해 가끔 부트로더(Bootloader)가 손상되어 보드가 망가지는 경우가 생기기도 한다. 또한 저학년 학생들의 경우에는 저항이나 트랜지스터, 핀이 노출된 센서류 등의 부품에 찔리거나 긁히는 등의 안전 상 문제가 발생할 수 있다. 본 논문에서 제안한 보드는 부품의 극성이나 배선에 대한 아무런 고민 없이 커넥터에 연결하기만 하면 되고 유사시 즉시 전원을 차단할 수 있는 전원 스위치가 별도로 마련되어 있기에 교구로서의 안정성이 탁월하다고 할 수 있다.

표 2는 아두이노 UNO 보드와 논문에서 개발된 전자보드의 사양을 비교한 것이다.

Table 2.

Spec comparison of arduino UNO and developed board

Ⅳ. 제안된 전자보드의 동작 검증

논문에서 제안한 전자보드와 모듈형 부품을 사용하여 보드가 안정적으로 동작하는지 테스트하였다. 동작 검증은 아두이노 통합개발환경(IDE)과 블록형 프로그램 방식인 엔트리 플랫폼에서 진행하였다. 엔트리 플랫폼에서는 개발된 전자보드의 하드웨어 등록이 아직 되어있지 않은 상태이기 때문에 아두이노 UNO 호환보드로 하드웨어를 설정하고 테스트를 진행하였다. 동작 검증은 크게 세 부분으로 나누어 진행하였다. 디지털 입출력(LED 온/오프 동작, 버튼모듈 작동, 부저모듈 작동), 아날로그 입력(가변저항 값, 조도센서 값, 사운드센서 값, 적외선센서 값 입력), 아날로그 출력(서보 모터) 등으로 나누어 검증을 실시하였다.

그림 7은 아두이노 IDE를 이용하여 12번핀(PB4)에 연결된 RGB 녹색 LED를 1초에 한 번씩 점멸하는 프로그램과 실제 동작하는 모습이다.

Fig. 7.

LED on/off control using arduino IDE

그림 8은 아날로그 입력을 테스트하기 위하여 4개의 센서를 입력포트에 연결한 사진이고 그림 9는 엔트리를 이용하여 4개의 입력포트에 연결된 각 센서 값을 읽어 들이는 프로그램을 작성한 것이다. 가변저항은 20KΩ 용량, 조도센서는 CDS cell (GL5516), 사운드센서는 감도 -40dB의 마이크와 두 개의 연산증폭기(LM358)를 사용하여 설계하였으며 이론적으로 0~1023의 값을 갖는다.

Fig. 8.

Operation test of analog inputs

Fig. 9.

Analog input program using entry

적외선센서는 TCRT5000을 사용하며 두 개의 LED를 이용하여 적외선을 송수신하는데 검은색은 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 주로 라인트레이서 등에 응용한다. 아날로그 핀을 이용하면 최대 8cm 거리의 장애물을 측정할 수 있는 근접 센서이다.

표 3은 디지털 입출력의 동작 결과이고 표 4는 가변저항, 조도센서, 사운드센서 값이 감지하는 범위와 적외선 근접센서가 물체를 인식할 수 있는 거리, 서보모터의 작동 범위를 나타내고 있다.

Table 3.

Results of digital I/O operation

Table 4.

Result value of analog I/O

Ⅴ. 결론 및 향후 과제

미국과 유럽을 비롯한 선진국에서는 이미 4차 산업혁명 시대의 국가 경쟁력 제고를 위해 초·중등 교육 현장에서 컴퓨팅 사고력의 향상을 위한 정보교육, 소프트웨어 교육에 대한 투자가 진행되어 왔다. 이에 국내에서도 2015 개정 교육과정을 통해 창의적 인재 양성을 위한 다양한 피지컬 컴퓨팅 교육에 관심을 두게 되었다. 이에 논문에서는 피지컬 컴퓨팅 교육을 위한 도구로서 새로운 전자보드를 개발하고 아두이노 통합개발환경과 엔트리 플랫폼에서 그 동작을 검증하였다.

기존 교육현장에서 주로 사용되는 교육용 전자보드는 하드웨어와 전자 부품 및 전기회로 배선에 대한 사전 지식이 교사와 학생 모두에게 요구되었다. 이는 컴퓨팅 사고력 향상과는 상관없는 학습 부담으로 작용하여 오히려 교육에 대한 몰입에 방해가 되었다. 새로 개발한 전자보드는 이러한 부작용을 최소화하여 전문적인 지식이 없는 초보자라도 아무런 부담 없이 쉽게 접근할 수 있도록 설계되었다.

본 논문에서 개발한 전자보드는 3핀 전자부품 및 범용적인 프로그래밍 도구와의 호환성, 회로 구성에 대한 전문 지식이 없더라도 교구를 사용하여 프로그래밍 할 수 있는 용이성, 파손이나 안전사고를 방지할 수 있는 안전성을 그 특징으로 한다.

향후 개발한 전자보드는 스크래치나 엔트리 같은 코딩 플랫폼에 적용될 수 있는 새로운 코딩 블록을 개발 중에 있다. 또한 피지컬 컴퓨팅 교구로서의 완벽한 역할을 수행하기 위해서 관련 교육 콘텐츠와 학습 프로그램도 구안되어야 할 것이다.

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