A Study on Training Courses Development and Analysis for Improving the Creativity using Arduino

창의성 향상을 위한 아두이노 활용 교육과정 개발과 분석

Abstract

We have performed a short-term computer information and communication technology education using Arduino. The purpose of this education was to progress basic training interestingly and discover excellent students. Training was about practicing basic examples about H/W, S/W, communication, and solving creative tasks. We divided training participants into a team composed of each 3 members and educated them for 10 hours. Instructors were consists of 1 main teacher and 3 teacher assistants. Training was about assembling Arduino based robot, blinking LED, operating speaker, serial communication, producing software for wireless communications and autonomous of robot, and control hardware of robot. Through this study, we developed a meaningful ICT integrated curriculum which has high usefulness in a short period. Students participated in this education completed 96% out of 10 creative tasks, and this study analyzes the result of curriculum and suggests further research directions.

1. 서 론

최근 국내에서 창의적인 인재 육성을 위해 다양한 노력을 기울이는데, 2009 개정 교육과정에 따르면, ‘글로벌 창의인’을 미래형 인간으로 설정하고 고정관념을 뛰어넘는 새로운 대안을 제시할 수 있는 인재 양성을 요구한다[1]. 창의성을 신장할 수 있는 다양한 활동이 학교 안과 밖에서 이루어지며, 그 중에서 컴퓨터교육 분야가 각광을 받고 있다. 특히, 프로그래밍 교육이 창의성 신장에 효과적이며 다양한 분야에 적용되어 그 효과를 인정받고 있다[2,3].

최근 ‘스크래치, 로봇 키트’는 문제해결력과 확산적 사고 등을 신장시킨다는 연구로 창의성 신장에 효과적이지만[4], 소프트웨어 하드웨어 및 통신의‘융합’과 ‘통합’의 관점에서는 부족함이 있다. 본 연구는 정보 통신 기술(ICT: information and Communication Technology)과 관련해서 청소년 창의 교육 방안에 대해 연구하였다. 중등 교육과정에서 ITC와 관련 된 부분이 약화되어 학생들이 프로그래밍을 해보거나 회로를 작성하는 경험이 드물어 IT 전문가 양성에 적신호가 나타나고 있다. 청소년을 대상으로 단기 창의 ICT 교육프로그램을 통해 학생들의 흥미를 유발하고 창의성을 높이고자 한다. 이 기초 교육은 하드웨어 교육, 소프트웨어 교육 및 통신교육을 통합하는 교육으로 구성 하였다. 참여 학생들이 직접 실습할 수 있도록 과정을 구성을 하였다. 10시간의 단기 ICT 교육 후에 학생들의 교육성과와 이 분야에 탁월성이 있는 교육생을 선발하여 지속적인 교육을 하는 것도 연구 목적 중에 하나이다.

한명의 주강사와 3명의 보조강사가 참여하였고, 동두천의 숲속창의력 학교 학생들을 대상으로 교육을 하였다. 학생들은 3명을 1팀으로 구성하고, 각 팀별로 인터넷이 연결된 노트북과 아두이노 로봇(ABOT) 제작을 위한 구성 부품과 무선 모듈 세트를 지급하였다. 교육의 구성은 아두이노 보드 프로그래밍, LED 회로의 구성, 로봇의 조립, 로봇프로그래밍, 유 무선통신 프로그래밍 및 로봇의 자율주행으로 구성하였다. 강의 중간과 강의 후에 학생들의 학습도를 측정하기 위한 설문을 실시하였다.

설문조사는 로봇과 프로그래밍 교육을 통해 IT를 직접 경험하고 조작해 봄으로써 학습자들이 흥미를 가질 수 있도록 도와주는지 확인하기 위해 조사를 실시하였다. 또한 교육 후에도 지속적으로 관련 영역을 탐구하고자 하는 동기를 심어주는지 그 효과를 알아보기 위해, IT 전문가가 될 만한 인재를 선발하기 위해서 5영역으로 문항을 구성하여 설문조사를 진행하였다. 즉, 본 교육이 흥미 제공, 동기 유발, 창의성 향상, 인재 선발을 위한 역할을 제대로 수행하여 글로벌 인재 교육에 효과가 있는지 확인하기 위해 측정 문항을 개발하여 그 결과를 분석하였다. 그러므로 참여한 학생들이 교육 전과 교육 후에 어떻게 바뀌었는지를 살펴본다.

 

2. 교육에 필요한 하드웨어, 소프트웨어 및 통신

정보통신 기초 통합 교육은 하드웨어의 구성, 소프트웨어 프로그래밍 및 유선 통신 무선 통신으로 구성될 수 있다. 가정이나 학교에서 컴퓨터를 활용하여 문서를 작성하거나 인터넷을 이용해 본 학생들은 프로그래밍 경험이나 하드웨어에 대한 이해도가 높지 않아, 이와 같은 경우를 대상으로 교육하려면 마이크로컴퓨터를 활용한 하드웨어 교육이 필요하다. 최근 인기 있는 아두이노[5]는 공개 하드웨어로 배우기 쉽고 재미있다.

프로그래밍 학습은 스크래치, 프로세싱, 퀵베이직, C언어, 자바 언어 등을 학습할 수 있다. 학습자들이 직접 로봇을 제어하기에는 프로세싱 언어[6]가 제일 적합하다. 프로세싱 언어는 USB 케이블을 통한 시리얼 포트 통신을 쉽게 실습할 수 있는 장점이 있다. 무선 통신으로 와이파이, 블루투스 지그비[7] 등이 있으나 가장 간단하게 경험해 볼 수 있는 방법은 지그비를 활용하는 방법이다. 이번 교육에는 아두이노, 프로세싱 및 지그비를 선택하고, 아두이노 로봇을 조립하고 응용프로그램으로 실습하였다.

2.1 아두이노

아두이노(Arduino)[5]는 상상을 실현하기에 적합한 플랫폼으로 오픈소스 기반으로 AVR기반의 단일 보드 마이크로 컨트롤러이다. 소프트웨어 개발을 위한 통합 개발 환경(IDE)도 제공한다. 아두이노는 스위치나 센서에서 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 제어해서 환경과 상호작용이 가능한 제품을 만들 수 있다. 또한 프로세싱과 같은 소프트웨어와 연동할 수 있다.

아두이노의 장점은 저렴하고, 마이크로컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는 것이다. 일반적인 AVR프로그래밍은 WinAVR로 컴파일하고, ISP장치로 업로드하는 번거로운 과정을 거치는 반면, 아두이노는 컴파일 된 펌웨어를 USB를 통해 업로드를 한다. 또한 회로도가 CCL에 따라 공개되어 누구나 쉽게 보드를 만들고 수정할 수 있다. 아두이노 응용제품을 제작하는 기업이 늘고 로봇 장난감과 아두이노를 활용한 교육 로봇도 제작되고 있다. 포드는 아두이노를 이용해 차량용 하드웨어와 소프트웨어로 차량과 상호작용을 할 수 있는 오픈 XC라는 프로그램을 선보이기도 했다. 그림 1은 아두이노 보드와 각 부분의 명칭이다.

Fig. 1.The name of Arduino board and each part.

2.2 프로세싱

프로세싱[6]은 무료로 제공되며 프로그래밍 언어와 개발환경 및 온라인 커뮤니티를 의미한다. 비주얼 아트나 비주얼 기술 구현 능력을 촉진하기 위해 2001년부터 시작되었다. 처음에 소프트웨어 스케치북 역할로 시각적 콘텍스트로 프로그래밍의 기초를 가르칠 목적 이었으나 현재 전문가를 위한 개발 도구로 진화하여 널리 활용되고 있다. 전문가, 학생, 예술가, 디자이너, 연구원 등이 학습이나, 프로토타입 제작 및 생산 등의 프로그래밍에 활용할 수 있다. 특징으로는 다음과 같이 요약 할 수 있다.

2.3 XBee 무선 통신

XBee는 802.15.4와 ZigBee가 지원 되는 20핀의 크기가 작고 저렴한 무선 모뎀이다. 전송속도는 250Kbps이며 XBee는 저전력 1mW로는 100m를 XBee Pro로는 100mW로 1.6Km 통신이 가능하다. UART를 이용하여 모뎀을 설정을 하고, 슬립모드도 지원한다. I/O, A/D와 지시 LED를 제공한다. 그림 2는 XBee 모뎀이며, 이번 실습에서 2개가 필요하다. 하나는 ABOT에 끼우고, 다른 하나는 그림 3과 같은 XBee USB 덩글로 컴퓨터와 연결한다.

Fig. 2.XBee wireless modem.

Fig. 3.XBee USB dongle.

2.4 아두이노 로봇

아두이노 로봇(ABOT)은 아두이노 하드웨어 기반으로 제작되고, 무선통신 기능을 탑재한 교육용 로봇이다. 부품으로 구성되어 조립하여 로봇을 만든다. 구성품은 무선 아두이노 보드, 차체, 서보모터 2개 및 배터리 팩 그리고 전자 실습 부품세트이다. 빛 센서, IR센서, 더듬이 센서로 자율 주행을 실습할 수 있다.

Fig. 4.Arduino Robot and LED.

무선 통신 기능을 위해서는 지그비, 와이파이 및 무선 모듈을 장착할 수 있도록 모듈을 끼울 수 있도록 되어 있어 무선 실습에 적합하다[8]. 프로그래밍 개발 환경은 아두이노 IDE를 활용한다. 아두이노 로봇은 지그비 무선 모듈 세트를 포함하여 약 30만원으로 키트를 구매 할 수 있다.

 

3. 제안된 ICT 교육 내용

교육과정을 설계할 때 몇 가지 사항을 고려하였다. 다양한 수준과 다양한 연령(14세로부터 21세까지)의 학생들이 학습하므로 첫째, 실습이 쉬워야 한다. 둘째, 교육 내용이 재미있어야 한다. 셋째, 직접 제작하고 프로그래밍 하여 지적호기심을 자극할 수 있어야 한다. 넷째, 창의성을 이끌어 낼 수 있도록 답을 제공하지 않고, 응용할 수 있도록 유도해야 한다. 질문을 많이 할 수 있도록 유도하도록 하였다.

교육에서 핵심적으로 활용된 아두이노는 무료 프로그램일 뿐만 아니라, 명령이 간단하여 배우기 쉽고 하드웨어를 직접 제어할 수 있다. 아두이노와 컴퓨터 사이의 통신을 위한 서버 측 프로그램은 프로세싱을 활용하였다. 프로세싱은 대화형으로 프로그래밍이 쉽다.

지그비 모듈은 시리얼 USB 케이블을 대체할 수 있어 로봇 제어에는 안성맞춤이다. 아두이노 로봇을 기반으로 아두이노 언어와 프로세싱 및 지그비를 구성하여 ICT 기초 교육에 필요한 요소들을 모두 갖추었다.

3.1 교육에 활용된 하드웨어 및 소프트웨어

각 팀은 3명으로 구성되며, 한 팀당 지급된 하드웨어와 소프트웨어에 대해서 설명을 한다.

3.1.1 교육에 활용된 하드웨어

팀당 네트워크에 연결된 노트북 1개와 ABOT 부품, 무선키드를 지급하였다. 표 1은 지급된 제품과 웹사이트 및 가격이 나타나 있다.

Table 1.The hardware for education

3.1.2 교육에 활용된 소프트웨어

아두이노 하드웨어는 아두이노 언어로 작성을 하고 USB 케이블을 통해서 업로드를 한다. 프로세싱은 로봇 제어에서 서버 프로그램 작성할 때 활용이 된다. XBee 드라이버는 XBee USB 덩글을 설치할 때 필요하다. 표 2는 교육에 활용된 소프트웨어 목록을 나타내었다.

Table 2.The software for education

3.2 교육 내용의 구성

교육내용은 IT 기초학습과 프로그래밍, 하드웨어 및 유무선 통신으로 구성이 하였다[9]. 실습과정의 구성은 1부로 로봇을 만들고 신나게 돌아다니기. 2부로 유선 및 무선으로 로봇을 제어하기. 3부로 더듬이와 IR을 이용한 로봇의 자율 주행으로 구성하였다. 표 3은 교육계획과 실제 교육한 실행 내용을 비교하였다.

Table 3.Educational planning and practice results

교육 내용의 변경은 4시차에서 조립에 시간이 오래 걸려 로봇의 이동과 회전을 다음 차시에서 하게 되었고, 7시차의 무선 실습에 시간이 오래 걸려 빛에 반응하기를 실습을 생략하였다. 10차시의 창의 작품 만들기는 이전 2개의 보충 실습으로 인해 실행하지 못하였다.

3.3 창의성 함양을 위한 팀워크 학습 과제의 구성

창의성을 함양하기 위한 팀워크 학습 과제는 표 4와 같이 10개로 구성이 되었다. 교육내용을 따라 창의 과제를 구성하였다.

Table 4.The configuration of the team challenge

3.3.1 LED 깜박이기

LED 회로는 LED와 저항 및 2개의 점퍼선으로 구성이 된다. 회로도는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.LED circuit.

LED 회로의 기본 스케치 다음과 같다. 1초에 LED가 한 번씩 깜박인다.

3.3.2 피에조 스피커의 테스트

피에조 스피커의 +는 8번 핀에 연결을 하고, -극은 GND에 연결을 한 후 tone() 함수를 활용하여 프로그래밍을 한다.

3.3.3 로봇 왼쪽 바퀴를 2초간 회전하기

로봇의 바퀴는 서보 모터로 writeMicroseconds() 함수를 통해서 제어를 한다. 1500은 정지, 1700은 시계방향으로 최대 속도, 1300은 반 시계 방향으로 최대 속도로 회전을 한다.

Fig. 6.Piezoelectric Speaker circuit

3.3.4 시리얼 포트로 로봇 제어하기

스케치를 실행시키고 시리얼 모니터를 연 다음 ‘l’키를 누르면 로봇이 왼쪽으로 2초간 회전을 한다.

3.3.5 프로세싱 스케치 작성하기

Fig. 7.Moving ball.

3.3.6 내가 작성한 프로그램으로 로봇 제어하기

3.3.7 더듬이로 자율 주행하기

더듬이 2개를 스위치로 만들고, 더듬이가 물체나 벽에 닿게 되면 로봇의 방향을 제어하여 자율 주행을 할 수 있다. 회로는 그림과 같다.

Fig. 8.The circuit for tactile.

Fig. 9.(a) IR receiver circuit connect to pin10 and pin 3, (b) Transmission circuit connect to pin 9 and pin 2.

Fig. 10.Installing the IR transceiver circuit.

3.3.8 IR 송수신기로 자율 주행

3.4 조교의 역할

조교들의 전공은 멀티미디어 박사, 교육공학과 4학년, 소프트웨어학과 1학년으로 구성이 되고, 교육 공학 전공 조교는 학생들의 동기 유발, 교육과정 분석 및 설문 조사를 담당하였다. 멀티미디어 박사는 조립 및 회로의 오류 수정, 프로그램의 오류 수정을 지도하였다. 소프트웨어 전공은 주 강사의 강의내용 중에 학습자가 이해하지 못하는 경우 설명해 주고, 호기심을 가진 학생들의 질문에 잘 응대해 주었다.

Fig. 11.Analysis of the results of the survey response graph.

 

4. 교육의 분석 및 고찰

본 교육의 교육적 효과를 분석하기 위해 ICT 교육 프로그램에 참여한 숲속 창의력 학교 학생 30명을 대상으로 조사를 실시하였다. 이 중에서 불성실하게 답하거나 미응답이 포함된 9명을 제외하고, 최종적으로 21명을 연구대상으로 확정하였다. 연령분포는 만 13세에서 19세까지 이며, 평균 나이는 17.1세이다. 연구 대상 중 이전에 로봇이나 프로그래밍 교육을 경험한 학생은 6명, 경험이 없는 학생은 14명으로 조사되었다.

4.1 연구 방법

교육에 참여한 학습자들의 IT에 대한 흥미와 태도 변화를 알아보기 위해 표 5와 같이 11문항으로 이루어진 설문지를 제작하여 사전검사와 사후검사로 실시하여 그 결과를 분석하였다. 또한 IT에 대한 심화 학습 및 동기 수준을 알아보기 위한 설문지를 제작하여 교육이 끝난 후 추가적으로 설문을 진행하였다.

Table 5.Questionnaire items constitution

설문지 문항은 진위응답과 5점 척도의 형식으로 구성하였으며 이 평가도구는 학생들이 중 고등학생이라는 점을 고려하여 즐거움, 이해, 탐구, 심화학습, 직업적 흥미 요소를 측정하기 위해 각 요소들에 추출하여 설문문항으로 구성하였다. 설문문항은 5점 Likert 척도와 진위형 문항이며 최종 완성된 문항은 총 16문항이다.

4.2 연구 결과 및 분석

문항별 분석 결과는 표 6과 같다. 1번과 6번 문항은 이전에 로봇이나 프로그래밍 교육을 경험한 학생을 알아보기 위한 문항으로 다음에서 제외 된다.

Table 6.Results of the questionnaire responses

표 6을 분석한 결과는 표 7과 같다. IT탐구에 대한 태도 5번 문항 “로봇에 대해 더 공부하고 싶다.” 응답 결과 평균이 2.57에서 3.48로 0.91점이 올라 가장 많이 향상된 것을 확인할 수 있으며 10번 문항 “프로그래밍에 대해 더 공부하고 싶다.” 응답 결과 평균이 2.71에서 3.57로 0.86점이 올랐음을 확인할 수 있다. 본 교육과정으로 인해 학생들의 IT탐구에 대한 태도가 긍정적으로 변화했음을 알 수 있다. 또한 IT교육에 대한 흥미는 교육 전 보다 평균 0.74점이 향상된 결과를 확인할 수 있다. 이 결과는 본 교육이 재미에만 초점을 두는 것이 아니라 학생들의 학습동기를 유발시켜 더 탐구하고자 하는 욕구를 불러일으킨다는 것을 알 수 있다.

Table 7.Analysis of survey results

그러나 수업 내용의 이해정도를 측정하는 8번 문항은 0.24점 증가에 그쳤으며 3번 문항은 0.58점 밖에 증가하지 못했다. 이는 개발한 교육과정과 실행한 차시의 구성으로 보았을 때, 10시간 동안 학습해야할 분량이 이전에 유사한 교육을 받아보지 못한 학생들의 수준에서 너무 많아 충분히 숙지하지 못하고 넘어 갔다는 지적을 할 수 있다. 그리고 새로 배운 지식을 학생들이 다양하게 응용해 볼 수 있는 기회가 적었다. 경험은 많이 했지만 자신의 것이 되지 못했다는 결론을 내릴 수 있다. 이것은 교육과정의 차시를 추가하고 주어지는 창의과제를 자유롭게 수정하여 자신만의 아이디어와 개성이 담긴 로봇과 프로그램으로 만들어 발표할 수 있는 기회를 만들어 줌으로써 개선해 나갈 수 있다. IT탐구에 대한 태도와 IT에 대한 직접적 흥미의 증가는 평균 0.55와 0.62로 미약했으나 단기간에 이루어진 교육이라는 점을 감안했을 때 양호하다고 판단할 수 있다.

ICT 실습시간 중 탁월성을 보인 학생으로는 피에조 스피커로 소리 만들기에서 2명이 선정되었고, 설문조사 및 담당 지도 교사들의 의견과 강사 및 조교 회의를 통해서 4명이 선정되었다. 설문조사 결과에서 모두 높은 점수를 나타내고 있다. 이들에 대한 지속적인 교육 방안에 대한 연구가 추후 필요하다.

 

5. 결 론

본 연구에서는 청소년들 단기 ICT 교육을 위한 HW, SW, 통신 통합 교육 과정을 개발하고 교육 결과를 분석하였다. 참여한 30명은 프로그래밍이나 하드웨어 실습에 대해 경험이 많지 않았지만, 교육 참가 후 흥미가 크게 향상 되었다. 이 교과과정은 H/W, S/W 및 통신 관련 지적호기심의 자극과 창의성을 함양하기에 적합하다고 볼 수 있다. IT 관련 우수 재능을 가진 학생이 6명이 선발 되었다. 참여한 모든 학생들이 실습 과정을 이수하였고, 창의 과제 10개는 96%가 완수 되었다. 교육을 통해서 학생들이 즐거워하고, 구체적인 질문들을 던지고, ICT에 대한 호기심을 자극하는 목적을 이룬 교과 과정이 되었다. 교육 분석 결과 본 ITC 교육 과정은 일부 난이도를 제외하면 매우 적합하다고 판단이 된다. 창의과제 9 및 10에 대한 소프트웨어 적 이해가 많이 부족한 것으로 나타났다. 추후 연구로는 이 교육과정을 축소하여 4∼5시간으로 하는 것과 교육과정을 확대하여 20시간 또는 40시간용 교과과정을 개발하고 이에 대한 분석이 요구된다.