유연한 로봇정보를 습득하기 위해서는 해외 첨단기술 정보에 대한 분석이 요구된다. 원로과학기술인 활용 지원사업으로 진행된 본 내용은 일본로봇학회지에 실린 내용을 분석한 자료를 발췌한 것이다.
지난달 진행된 ‘국제로봇컨테스트’를 비롯한 다양한 로봇경기대회가 성황을 이루고 있는 만큼 친숙하게 로봇을 접할 수 있는 분위기가 조성되고 있다. 이에 소형 로봇을 교육이 원활하게 이루어지는 것도 관련 산업의 성장을 위한 하나의 방안이 될 것이다. 소형 로봇 제작에 따른 교육효과에 대한 측정을 통해 그 방향을 가늠해 보자.
편집자 주
1. 서론
가. 창조성 향상에 유익한 소형 로봇 개발
최근 단순한 지식암기나 이해뿐인 수동적인 학습에서 나아가 창조성과 자주성을 기르는 교육방법이 더욱 절실해지고 있다. 이 같은 교육방법의 하나로 소형 로봇 개발이 있으며 일본의 교육기관에서는 로봇콘테스트 등의 형태로 20년 전부터 실시되어 왔다.
로봇콘테스트는 지식이나 가공기술의 단순한 습득에 그치지 않고 목표를 스스로 설정해 문제해결을 모색해 나간다.
그 과정에서 문제의 발견 및 문제해결의 방법을 선택하는 등 지식의 습득 외에 넓은 범위의 학습효과를 기대할 수 있기 때문에 지금까지 많은 공학계열의 대학이나 고등학교에서 실시되어 왔다.
최근 교육용 로봇키트가 많이 발매되어 중학교나 초등학교에서도 로봇콘테스트를 실시하기 쉬운 환경이 점차 갖춰지고 있다.
나. 소형 로봇 개발의 필요성
현재까지 로봇콘테스트 등을 통한 소형 로봇 개발의 학습효과에 대해 몇몇 조사가 이루어져 왔다. 그러나 대부분이 의욕유발이나 관심의 변화를 측정하는 수업평가에 그치고 있어 구체적인 학습효과에 대한 조사는 거의 전무한 실정이다. 소형 로봇 개발을 단순한 지식습득차원에서 파악한다면 테스트에 의한 학습효과평가는 간단하다고 할 수 있다.
소형 로봇 개발을 통한 학습효과는 지식습득에만 그치지 않고 적극적 문제해결능력의 습득까지 이루어지기 때문에 이를 수치화하여 평가하는 데는 어려움이 따른다. 학습효과에 대한 데이터가 충분히 확보되지 않았다는 것은 수업환경 개선시 지침이 될만한 데이터가 부족하다는 것이다.
데이터가 불충분하다면 수업환경 개선은 수업담당자의 직감이나 경험에 의지할 수밖에 없어 큰 부담이 되며 바람직한 개선성과도 얻기 힘들다. 이에 소형 로봇 개발을 통한 학습효과를 하나씩 규명해보고자 한다.
2. 소형 로봇 개발을 통한 학습효과
소형 로봇을 통해 지식 및 기술의 습득을 비롯하여 문제의 발견, 문제해결능력의 습득 등 다양한 학습효과가 기대되며 그 중 현재 가장 주목받고 있는 것이 모델 분석력에 대한 것이다. 로봇을 제어대상으로 보고 제어시 발생하는 기계, 전기적인 모든 물리현상을 파악하는 것을 모델분석이라 하고 이를 행하는 능력을 모델분석력이라 한다.
예를 들면 제작한 로봇이 앞으로 나가지 않는 경우 그 원인이 구동륜에 있는지, 바닥상태에 있는지, 로봇 중심의 위치에 있는지 아니면 다른 원인이 있는지 등등을 분석하고 개선방향을 결정한다.
즉 모델분석은 소형 로봇 개발을 비롯한 창작교육의 큰 특징인 시행착오를 경험하기 위한 근간이 된다. 모델분석력의 학습효과를 파악하는 일은 소형 로봇 개발의 학습효과를 높이는데 중요한 열쇠가 될 수 있다.
3. 학습효과의 평가
모델분석력을 측정하는 테스트는 아직 실행된 바 없으므로 일반적인 물리의 문장형 응용문제를 통해 파라미터를 검출하는 테스트를 실시한다.
이 경우 문장에 의해 표현된 이미지를 통해 물리계의 파라미터를 추출한다. 구체적인 파라미터를 추출해낸다는 점에서 소형 로봇의 개발과 일반적인 물리문제를 해결하는 일은 상당한 유사성을 보인다. 그러므로 고려해야 하는 파라미터의 수로 학습효과의 평가가 가능해진다.
4. 대학생 대상의 실험
대학생을 대상으로 한 소형 로봇 개발 강의에는 기존 로봇제작 킷을 사용한 라인 추적기(追跡機) 제작을 실시했다. 키트는 센서 및 모터의 설치위치가 정해져 있지 않아 학습자가 자유로이 조정하기 쉬운 로봇설계도를 사용하였으며 이를 이용해 적외선센서를 이용한 라인 추적기를 제작하기로 하였다.
모델 분석력에 관한 테스트를 강의를 시작할 때와 강의를 종료할 때 실시하고 그 변화에 대해 조사하기로 하였다. 수업횟수는 90분씩 8회이며 실제 소형 로봇을 제작하는 실험군(實驗群)인 22명의 학생과 수업 및 로봇제작 모두에 참여하지 않는 통제군(統制群) 11명을 참가시키고 첫 번째 강의 시작에서 사전 테스트를, 여덟 번째 강의를 종료한 후 사후 테스트를 실시하였다. 하나의 테스트는 4문항이며 이를 A, B 2종류로 준비하고 각 실험군과 통제군을 반으로 나누어 번갈아 적용하였다.
테스트는 일반적인 물리의 문장형 응용문제를 통해 파라미터를 추출해내는 방식으로, 문장에 파라미터를 미리 설정해 두지 않는 애매모호한 형태로 출제되었다.
예를 들어 『친구에게 물건을 던져줄 경우 정확히 던지려면 무엇을 고려해야 할까?』라는 문제는 친구와의 거리, 친구가 있는 방향, 물건의 무게, 물건의 형태, 바람상태 등 다양한 해답이 나올 수 있다.
따라서 피험자의 답변 중에 그와 같은 물리현상이 어느 정도 고려됐는지를 체크하고 점수를 합산하여 피험자의 모델분석력을 평가하는 것으로 하였다.
피험자의 답변에 나와 있는 물리현상의 수로 테스트 결과를 판정하고 정확한 물리현상을 파악하고 있는 해답 하나 당 1점으로 처리하였다.
전체 4문항의 점수를 합계하고 수강자(受講者)들의 테스트 평균의 변화를 살펴보았더니 실험군의 사전테스트 평균=7.53, 사후테스트 평균=14.88로써 실험군의 성적이 현저히 상승되었음을 알 수 있었다
이 실험결과에 따라 이번 강의가 모델분석력 상승에 영향을 미쳤음을 확인할 수 있었으며 수치화된 결과로 경기내용을 변경한 경우 강의내용의 비교검토가 쉬워졌다.
또한 피험자 개개인의 점수변화에 따른 모델분석력 상승도를 파악할 수 있어 각 학생에게 맞는 지도방침과 계획이 가능하다. 아울러 실험군의 모델분석력 상승분포를 살펴보면 상승도가 정규분포에 가까우므로 수업내용의 난이도 설정이 적절했다고 할 수 있으며 이를 통해 특정한 피험자의 이해도가 전체와 비교해 어느 정도인지가 판단되므로 교육지도가 용이해질 수 있다.
5. 초등학생 대상의 실험
최근 고등교육 기관뿐이 아니라 초등학교에서도 소형 로봇 개발에 관한 수업이 이루어지고 있는 실정이다. 초등학생을 대상으로 소형 로봇 개발수업을 실시하는 경우 대학생만큼의 학습효과를 거두기는 어려운데 이는 대학생이 모델분석력을 추상화하여 다른 분야에 응용할 수 있는데 반해 아직 지식이나 경험이 부족한 초등학생에게는 추상화가 이루어지기 힘들기 때문이다.
그러나 로봇제작에 한정된 모델분석은 가능하고 또한 모델분석의 필요성을 학습할 수 있어 충분한 학습효과가 있을 것이라 본다. 테스트 형식은 아직 물리학을 학습하지 않은 초등학생에 맞는 앙케트에 의한 조사형태를 취하기로 하였다.
초등학생용 경기 룰에 따라 로봇을 제작하는 수업을 실시하기로 하고 초등학생의 제작능력 및 제작단계, 조정단계를 감안하여 처음부터 로봇을 제작하는 것이 아니라 불도저의 리모콘 킷을 로봇의 베이스로 사용하기로 하였다. 경기는 자기 팀 경기구역의 탁구공을 상대편 팀 경기구역에 넣는 게임이며 시합종료시 상대편 팀 경기구역에 보다 많은 탁구공을 넣은 팀의 승리로 한다. 또한 로봇 및 불도저는 자유롭게 개조해도 무방하고 재료 역시 임의로 사용가능하며 로봇의 합체, 변형 모두 가능하다.
90분씩 6회의 수업을 진행하고 6번째 수업종료 후 앙케트를 실시하기로 하였다.
모델분석력이 이루어지고 있는지를 알아보는 앙케트 조사는 단순히 yes/no의 응답형태가 아니라 초등학생을 대상으로 자신이 제작한 로봇, 또는 다른 학생이 제작한 로봇에 대해 그 특징을 설명하게 하고 그 설명이 현상을 올바르게 파악하고 있는지를 판단하는 방법이다.
앙케트 조사에 의해 물리현상을 파악함과 동시에 설명까지 가능한 피험자와 물리현상을 파악하지 못하는, 또는 물리현상을 파악하고는 있으나 설명은 할 수 없는 피험자의 존재가 명확해졌다. 이에 따라 피험자를 이해도에 맞춰 구분할 수 있으므로 지도가 용이해지게 되었다.
또한 다른 피험자가 제작한 로봇에 대해서는 설명이 제대로 이뤄지지 않았다는 사실로부터 향후 새로운 지도방향의 확립이 가능하다.
6. 맺음말
지금까지 소형 로봇 개발은 문제해결능력을 기르는 효과적인 학습방법으로 평가되면서도 그 학습효과에 대한 조사는 거의 전무했던 것이 사실이다. 이번에 흥미나 관심유발 뿐만이 아니라 그 학습효과의 하나인 모델분석력 상승에 관한 조사방법을 통해 의미 있는 실험결과를 얻을 수 있었다.
금후 이번 연구에서는 명확히 밝혀내지 못했던 교재에 의한 학습효과의 컨트롤, 모델분석지원, 모델분석력의 파급효과 등에 대한 실험과 연구가 활성화되길 기대한다.
7. 전문가 제언
광의의 로봇은 거의 모든 자동기기가 포함될 수 있겠으나 일반적으로 로봇은 단순 반복작업을 하는 산업용 로봇을 비롯하여 인체와 같은 형태를 갖추고 복잡한 행동반경을 가지는 것까지도 포함될 수 있을 것이다.
로봇 경기에서는 전혀 예기치 못한 상황아래서 위기를 극복해야 하는 경우가 있는데, 다양한 변수들을 감안해서 설계하지만 제작자가 미리 예측한 상황이 아닌 경우가 발생할 때는 몹시 당황하게 된다.
이러한 여러 경우의 예를 변수로 하여 학습효과를 측정한다면 소형 로봇을 이용한 학습실험은 다이내믹한 로봇들의 동작과 수많은 제작상의 변수들로부터 피험자들의 흥미와 관심을 일으켜 교육효과를 측정하는데 기대 이상의 충분한 방법이 될 수 있을 것이다.
교육효과를 측정하는데 소형 로봇을 이용하는 것은 다양한 설계방법과 더불어 그로인해 발생하는 로봇의 여러 가지 행동양식에 따라 많은 물리적 측정변수가 있게 됨을 알 수 있다. 이와 같은 각종 물리량의 변화와 처방의 조건 등을 고려하여 피험자가 내릴 수 있는 결론을 도출하고 이를 수치로 검증할 수 있는 방안이 심층 연구되고 검토되어 교육의 질을 높이는데 기여하게 해야 할 것이다.
소형 로봇 제작은 로봇에 대한 관심을 높이는 좋은 방법이 된다.
