Ex) Article Title, Author, Keywords
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New Phys.: Sae Mulli 2025; 75: 56-64
Published online January 31, 2025 https://doi.org/10.3938/NPSM.75.56
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Jeongwoo Park*
Elementary Education Research Institute, Jeju National University, Jeju 63294, Korea
Correspondence to:*jeongwooid@jejunu.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Recent technological advancements in EdTech provide opportunities to easily create environments where various representations can be observed simultaneously in classrooms. Augmented Reality (AR), which can superimpose virtual objects onto real ones, is expected to be suitable for lessons based on multiple representations. The use of Head-Mounted Displays (HMD) is anticipated to contribute to creating more sophisticated and immersive AR environments. This study aims to develop AR-HMD content related to image formation by convex lenses. This AR-HMD content allows users to observe images formed on a screen using real convex lenses and light sources, providing macroscopic representations of real objects. The path of ray diagrams, a symbolic representation overlaid on these images, is adjusted in real-time according to user and object movements. The developed AR-HMD content will be utilized in pre-service teacher education and professional development through future applications and improvements.
Keywords: Augmented Reality, Physics Education, Image formation by convex lens, Optics, HMD
최근 기술의 발달을 통한 에듀테크의 교실 적용은 다양한 표상들을 동시에 관찰할 수 있게 하는 환경을 비교적 어렵지 않게 구성할 수 있는 기회를 제공한다. 이 중 실제 물체에 가상의 물체를 겹쳐 보여줄 수 있는 증강현실(Augmented Reality, AR)은 다중표상 기반 수업에 적합할 것으로 기대되며 머리 착용형 디스플레이(Head-Mounted Display, HMD)의 활용은 더 정교하고 실재감 있는 AR 환경 구성에 기여할 것으로 기대된다. 이 연구에서는 볼록렌즈에 의한 상과 관련된 AR-HMD 콘텐츠를 개발하고자 한다. 이 AR-HMD 콘텐츠는 실제 볼록렌즈와 광원을 사용해 스크린에 맺힌 상을 관찰할 수 있도록 실제 물체를 거시적 표상으로 제공하며 이 위에 겹쳐 나타난 상징적 표상인 광선 다이어그램의 경로는 사용자의 움직임이나 실제 물체의 움직임에 따라 실시간으로 조정된다. 개발된 AR-HMD 콘텐츠는 추후 적용 및 개선을 통해 예비교사 교육 및 교사 연수에 활용될 것이다.
Keywords: 증강현실, 물리교육, 볼록렌즈의 상, 광학, HMD
교실 현장의 요구에 의해 관련 기술이 발달하기도 하지만 기술의 발달에 따라 교실 현장이 변화하기도 한다. 최근 에듀테크의 교실 현장 적용은 학교 현장에 많은 변화를 가져올 것으로 기대하게 한다. 2016년 디지털 교과서의 보급과 함께 과학 영역에서는 다양한 실감형 콘텐츠 즉, 가상현실(Virtual Reality, 이후 VR)과 증강현실(Augmented Reality, 이후 AR) 관련 콘텐츠가 보급되었으며[1, 2], 2020년 발표된 지능형 과학실 등의 사업은 태블릿뿐만 아니라 머리 착용형 디스플레이(Head-Mounted Display, HMD)를 교실 현장에 보급하게 되면서 교실 현장의 급속한 변화를 가져오고 있다[3, 4]. 하지만 기술과 관련된 교육용 콘텐츠의 개발은 아직 기술의 발달을 따라가고 있지는 못한 것으로 보인다[5]. 여기에서는 여러 에듀테크 중 AR-HMD에 초점을 맞춰 이와 관련된 물리교육 콘텐츠에 대해 논의하고자 한다.
Milgram & Kishino의 가상성 연속체(Virtuallity Countinuum) AR을 설명할 때 많이 인용되는 연구 중의 하나이다[6]. 이 연구에 따르면 실제 물체로만 이뤄진 실제 세계의 반대편에 가상 물체로만 이루어진 VR이 존재하며, AR은 VR과 실제 환경의 연속선상에서 실제에 가까운 즉, 실제 환경에 가상물체가 조금 포함된 것을 의미한다. 최근 몇몇 연구에서는 AR과 VR의 차이를 강조하여 이 둘을 연속선상에 두기보다는 두 영역으로 구분하기를 제안하기도 한다[7]. VR이 가상 물체로만 이뤄진 것에 비해 AR이 실제 세계를 포함함으로 AR은 VR과는 구분되는 특징을 가지게 된다. VR에서 시간 간격이 조절될 수 있으며 일시적으로 작용하고 주변이 보이지 않기 때문에 안전한 곳에서 사용해아 하며 충돌에 주의하여야 하고 멀미가 심하게 느껴질 수 있는 것에 반해, AR은 시간 간격의 조정이 어려우며 지속적으로 작용하며, VR에 비해 충돌에 대한 위험과 멀미가 적다[7]. 따라서 VR이 물리적 맥락이 없거나 접근이 어려운 가상게임이나 달 같은 곳에 활용되는 것과 달리 AR은 실제와 가상 콘텐츠가 결합된 경험이 유익한 상황에 활용되는 것이 효과적이다.
선행연구에 따르면 교사들은 한글로 제작된 AR 콘텐츠를 선호하며, 디지털 교과서 시범/연구/선도 학교의 선정으로 인해 디지털 교과서 내 실감형 콘텐츠를 통해 AR을 접하는 경우가 많다[1]. 이는 최근에도 수행된 AR 관련 연구에서도 디지털 교과서 내 실감형 콘텐츠가 꾸준히 활용되고 있음 에서도 확인할 수 있다[8]. 국내의 교육현장에서 비교적 많이 사용되고 있는 디지털 교과서 내 과학교육 관련 AR 콘텐츠를 살펴보면 모든 AR 콘텐츠에서 가상 물체는 마커위에 증강되고 실제 세계는 대부분 단순히 가상현실 콘텐츠의 배경으로 사용되거나 가상 물체의 조작을 편리하게 하기 위한 수단으로 사용되는 경우가 많은 것을 알 수 있다[9]. 이러한 방식의 AR 콘텐츠는 VR에 비해 AR이 가지는 특징을 잘 반영하지 못하며 이 콘텐츠를 AR로 만들어야 하는가하는 의문을 가지게 한다. 이에 본 연구에서는 AR의 특징을 잘 드러낼 수 있는 물리교육 AR 콘텐츠의 특징을 검토하고 물리 영역의 주제와 기기를 선정하여 AR 물리교육 콘텐츠를 개발하고자 하였다.
AR의 가장 큰 특징은 실제 물체와 가상 물체를 같이 보여줄 수 있다는 것이다. 따라서 어떤 실체 물체와 어떤 가상 물체를 보여줄 것인가가 AR에서는 충분히 고민될 필요가 있다. 본 연구에서는 Table 1과 같은 표상(representation)의 관점에서 이를 논의하고자 한다. 자연 현상은 거시, 미시, 추상의 다양한 수준의 표상으로 나타낼 수 있다. 거시적 표상은 가시적인 경험적 현상을 의미하고 미시적 표상은 원자, 경험적 현상을 설명하기 위한 분자 수준의 비가시적 관계를 의미하는데, 이러한 관계는 수식이나 상징과 같은 추상적 표상을 사용해 의사소통된다[10, 11]. 가시적인 거시적 표상은 그 자체로 구체적 방식의 표상이지만 비가시적 표상인 미시적 표상은 언어나 시각적 방식으로 표상되거나 비유물을 사용해 구체적 방식으로 표상될 필요가 있으며 추상적 표상은 수식 등의 상징적 방식으로 표상될 필요가 있다[12]. 현상을 설명하기 위해서는 이러한 다양한 수준의 표상을 이용해 의사소통해야 하지만 전문가가 자유롭게 표상을 전환하며 설명하는 것에 비해 학생이나 예비교사와 같은 초심자는 표상 간의 전환에 어려움을 겪는다[11]. 이는 표상의 수준이 달라 그런 것도 있지만, 표상의 수준에 따라 서로 다른 방식의 표상이 사용되기 때문이기도 할 것이다. 다양한 표상을 동시에 보여주고 전환할 기회를 제공하여 학습자의 과학적 이해를 지원하고자 하는 다중 표상(Multiple Representation)적 관점에서 학습자는 다양한 수준과 방식의 표상을 접하고 표현할 필요가 있을 것이다[11, 13]. 실제로 다양한 AR 콘텐츠들은 가상 물체로 미시적 표상이나 상징적 표상을 사용하기도 하는데, 이를 통해 학습자들은 실제 세계에서 가상 물체를 조작하여 원소를 결합하거나 자석 주변의 자기력선을 관찰하는 등 비가시적 표상을 조작하거나 관찰할 수 있는 기회를 얻게 된다. 이러한 미시적, 추상적 표상들은 거시적 표상과 함께 나타내어지기도 한다. 최근 한 연구에서는 학습자의 입자 개념 사용을 돕기 위해 서로 다른 온도의 포도당 용액의 물 입자와 포도당 입자의 움직임을 관찰할 수 있는 AR 콘텐츠를 개발하기도 하였다[14]. 하지만 여러 현실적인 이유로 아직은 실제 실험 환경에서 실제 포도당 용액 위에 가상 물체를 겹쳐 나타내지는 않았고 실험 사진 위에 미시적 표상인 가상 물체를 겹쳐 나타내는 방법을 사용하였다.
Table 1 . Mode and level of representation.
Domain | Category | |
Mode of Representation | Concrete mode | Three-dimensional representations, material |
Verbal mode | Description, words, or writing about properties or relationships | |
Symbolic mode | Symbols, formulas | |
Visual mode | Graphs, diagrams, animations, Two-dimensional or three-dimensional representations | |
Gestural mode | Body movement | |
Level of Representation | Macroscopic level | Empirical phenomena, such as color changes, precipitates, etc. |
Sub-microscopic level | Inferred relationships at the atomic or molecular level. Mainly represented in concrete/verbal/visual ways | |
Symbolic level | Quantitative relationships, such as chemical formulas, equations, etc. Mainly represented in symbolic ways |
AR을 활용한 실험을 검토하기 위해 우선은 국내에서 많이 사용되고 있는 디지털 교과서 내 AR 콘텐츠들을 살펴보면 많은 경우 가상 조작(Virtual Manipulatives) 실험으로 구현된 것을 확인할 수 있다[9]. 가상 조작 실험은 가상 물체를 조작하면 시뮬레이션 된 결과를 보여주는 컴퓨터 기반 시뮬레이션 실험을 의미하는데, 이는 실험실에서 주로 수행되는 구체물을 조작하는 실제 조작 실험(Physical Manipulatives)과 대비된다[15, 16]. Figure 1에서 디지털 교과서 내 AR 콘텐츠의 일부를 확인할 수 있다. Figure 1(a)는 AR로 구현된 전류가 흐르는 도선 주위의 자기장 실험을 나타낸다. 앱을 실행시키고 카메라로 마커를 비추면 전기회로가 가상 물체로 증강되며 사용자는 버튼을 눌러 전류의 방향을 바꿔가면서 나침반의 방향을 관찰할 수 있다. 이때 실제 물체는 AR 콘텐츠를 실행시키기 위한 마커의 역할을 한 뒤에는 AR 콘텐츠가 실행되는 배경의 역할을 한다. Figure 1(b)는 AR로 구현된 그림자 실험으로 마커에 각자 다른 가상 물체를 증강한 뒤 마커를 이동하면 마커에 증강된 물체 사이의 상대적인 위치가 바뀌면서 다른 모양과 크기의 그림자가 가상 스크린에 나타나게 된다. 마커라는 실제 물체를 움직여 조작에 다소 편의성을 제공하기는 하지만 결과적으로 마커를 이동하는 것은 가상의 물체를 움직이기 위한 것임으로 이 역시 가상 조작 실험으로 볼 수 있을 것이다.
가상 조작 실험은 시간 척도를 변경할 수 있으며, 모델을 단순화 및 이상화할 수 있고, 목표 현상에 집중할 수 있으며, 비현실적인 변수의 조정이 가능하고 즉각적 반복을 통한 많은 예제를 경험할 수 있는 등 많은 장점을 갖고 있다[15]. 하지만 가상 조작 실험은 감각적 경험의 누락으로 인해 일부 실험에 대해서는 물리적 조작 실험에 비해 낮은 이해를 갖게 하기도 하며 가상 조작 실험의 오차 없는 이상적인 자료의 제공은 실험에 대한 제한적인 시각을 제공할 위험성을 내포하고 있기도 하다[15-17].
실제 세계를 잘 설명하는 모형을 구성하는 것이 과학자가 하는 가장 중요한 일이라고 보는 모형 구성 관점에서 가상 조작 실험 즉, 컴퓨터 기반 시뮬레이션 실험을 바라보면 Fig. 2와 같은 도식을 얻을 수 있다. 모형 구성 관점에서 과학자 역할은 실제 세계를 설명하는 모형을 구성하는 것이며, 이때 실제 세계와 모형은 직접 비교가 불가능하기 때문에 모형에 기반한 예측과 실제 세계에서 얻은 자료 간의 일치성을 통해 모형의 적절성을 판단하게 된다[18]. 가상 조작 실험에서 학습자는 가상 세계의 요소들을 조작하여 자료를 얻고 이것을 자신의 예측과 비교하여 모형의 적절성을 확보하게 된다. 이때 학습자가 만드는 모형은 가상 세계에 대한 설명이며, 이 가상 세계는 가상 조작 실험을 제작한 교사 또는 개발자가 실제 세계를 이상화한 것이다. 즉 가상 조작 실험에서 학습자는 실제 세계와 상호작용하지 않는다. 그렇다면 가상 조작 실험을 VR이 아닌 AR로 구현할 필요가 있는가에 대한 근본적인 의문이 제기된다. 안전성이나 실제감 같은 장점이 있기는 하지만 이것은 AR을 사용해야 하는 본질적인 이유는 아닌 것처럼 보이며, 이는 AR을 실제 조작 실험에 활용할 수 있는 방안에 대한 고민이 요구됨을 의미하는 것으로 보인다.
AR은 주로 PC와 웹캠, 스마트기기 그리고 머리에 착용하는 HMD를 사용해 구현되었다. 국내 실감형 콘텐츠의 구현 장치별 연구 동향을 분석한 연구에 따르면 2000년대에 주로 PC를 이용해 연구가 수행되다 2010년이 지나면서 스마트 기기를 이용한 연구이 비중이 크게 증가하였으며 2016년 이후에는 HMD가 많이 이용되고 있는 것을 확인할 수 있는데 이는 기기의 동향이 PC에서 스마트 기기를 거쳐 Fig. 3과 같은 HMD로 전환되어 가고 있는 추세임을 의미한다[19]. 이는 AR 관련 국외 물리교육 연구 동향을 조사한 연구에서도 2016년 이후 HMD를 사용한 연구가 꾸준히 증가하고 있음에서도 확인할 수 있다[20, 21]. 머리에 착용하는 HMD가 제공하는 높은 실제감과 두 손의 자유로움은 앞서 논의한 AR을 활용한 실험에서 학습자가 편하게 실험할 수 있는 환경을 제공할 수 있을 것이다.
AR-HMD로는 주로 2019년에 발표된 MS사의 홀로렌즈(Hololens) 2가 사용되고 있음을 확인할 수 있는데, 홀로렌즈 2는 투명 디스플레이를 이용해 외부와 가상 물체를 동시에 볼 수 있도록 한다[21, 22]. 최근 외부 카메라를 이용한 패스쓰루 방식을 사용해 기존에 VR-HMD로 구분되던 기기도 AR-HMD처럼 사용할 수 있는 가능성을 보여준다. 2020년 발표된 메타 퀘스트(Meta Quest) 2에서는 흑백으로, 2023년 발표된 메타 퀘스트 3에서는 컬러로 외부 화면을 볼 수 있는 패스쓰루 기능을 기원하지만 보안 등 여러 이유로 카메라 정보에 대한 접근을 제한적으로 제공하기 때문에 AR 콘텐츠의 개발도 제한적으로 이루어질 것으로 생각된다[23]. 2023년 발표된 애플사의 비전 프로(Vision Pro)도 카메라를 이용한 패스쓰루 방식을 이용하며 높은 해상도와 반응속도로 외부 화면을 볼 수 있도록 하지만 국내에 정식으로 출시되지는 않아 아직 AR-HMD로의 활용은 제한적일 수 밖에 없는 것으로 보인다[24].
앞의 선행연구 검토를 통해 AR의 특징인 실제와 가상의 결합이라는 것이 잘 드러나기 위해서는 AR로 실제 조작 실험을 수행할 필요가 있으며, 가상 물체로는 비가시적인 미시적 표상 또는 추상적 표상이 투영될 필요가 있고 기기는 HMD를 사용하는 것이 효과적일 수 있음을 논의하였다. 최근 AR-HMD 활용 물리 콘텐츠 개발 연구에서도 이러한 실제 실험과 비가시적인 표상들의 증강을 찾아볼 수 있다. 전기회로에 대한 AR 실험에서는 측정한 전류 및 전압값, 시간에 따른 전압 그래프를 전기 부품 위에 증강하거나 미시적인 전자의 움직임을 도선에 겹쳐 보여주었으며[25, 26], 전도 관련 AR 실험에서 열화상 카메라로 측정한 결과를 물체에 겹쳐 보여주고, 추상적인 위치에 따른 온도를 그래프로 물체 위에 증강한 것을 확인할 수 있다[27]. AR-HMD 관련 물리 실험 콘텐츠의 주제별 연구 동향을 분석한 선행연구에 따르면 AR-HMD관련 콘텐츠는 주로 전기회로, 자기장 등 전기회로(51.3%)와 관련된 콘텐츠가 주로 개발 및 적용되고 있으며, 광학, 열, 현대물리(각 7.7%), 음향학 (5.1%) 관련 콘텐츠들은 상대적으로 적게 연구되고 있는 것을 확인할 수 있다[21]. 몇몇 연구에서 학생들이 처음 접하는 AR 활용 과학 교육 자료를 광학 관련 내용으로 구성하기를 제안하기도 하며[28], 현상을 설명하기 위해 광선 다이어그램이라는 추상적 표상을 필히 사용해야 하는 광학 영역은 AR-HMD 활용 콘텐츠로 적합해 보이지만 아직 관련 콘텐츠의 수가 많지 않음은 이 영역의 콘텐츠 개발이 필요함을 의미한다[21]. AR-HMD 활용 물리 교육 콘텐츠에서 분석한 선행연구에서 언급된 3건의 광학 연구 중 1건은 마커를 조작해 광학 기기를 배치하여 홀로그램 간섭계를 만들며 간섭계를 구상하는 방법을 학습하는 것이었고[29], 2건은 마커를 조작해 초, 볼록렌즈, 스크린을 배치하며 상을 관찰하고 렌즈 공식을 학습하는 것에 대한 것이었다[30, 31]. 이중 후자인 볼록렌즈의 상과 관련된 논문에서는 마커 위에 거시적 표상인 초, 볼록렌즈, 스크린을 증강하였으며, 이들 간의 거리에 따라 관찰 가능한 상을 증강하여 거시작 표상 위주의 AR이 구현된 것을 확인할 수 있었다. 이는 실제 실험이 가능한 것을 단순히 AR을 활용한 가상 조작 실험으로 옮겨 놓은 것으로 보이는데, 조금 더 실제 실험 위에 추상적 표상 등이 증강되어 AR의 특징이 잘 드러날 수 있도록 개선될 필요가 있어 보이며 이는 학습자의 개념 및 이해에 대한 선행연구 검토를 통해 개선방안을 마련할 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 볼록렌즈에 의한 상을 AR-HMD의 주제로 선정하였으며 실제 실험에 광선 다이어그램을 증강하는 방식의 AR-HMD를 개발하고자 하였다.
볼록렌즈의 상은 초중등교육과정에서 중요하게 다뤄지는 광학 개념 중 하나이다. 초등과정에서는 광축에 나란한 광선이 어떻게 굴절하는지와 볼록렌즈를 통해 물체를 관찰하면 어떻게 다르게 보이는지 등을 관찰하고 중고등학교에서는 상이 왜 생기는지 상이 생기는 위치는 어디인지 등을 광선다이어그램과 수식을 통해 학습하고 설명한다[32]. 하지만 볼록렌즈의 상의 형성은 학습자들이 설명하기 어려워하는 현상 중 하나이다[33]. 학습자는 Fig. 4의 (a), (b)와 같이 물체에서 나오는 하나의 광선이 상의 형성에 기여한다고 생각하거나 Fig. 4(c)와 같이 구성 규칙(Construction Rule)을 만족하는 몇 개의 주요 광선만이 상의 형성에 기여한다고 생각하는 경우가 많다[34]. Figure 4(d)와 같은 광선 다발(Flux)을 사용한 과학적 이해를 위해 학습자는 물체의 한 점에서 나온(난반사한) 여러 개의 빛이 상의 형성에 기여함을 알아야 하며 주요 광선 이외의 임의의 광선이 렌즈를 지나 어떻게 굴절하는지를 알 필요가 있다[33, 35]. 따라서 이 연구에서는 구성 규칙을 만족하지 않는 임의의 여러 광선이 상의 형성에 기여함을 실제 실험과 연계하여 보여줄 수 있는 방법에 관심을 가지고 AR-HMD 개발을 수행하였다.
볼록렌즈의 상이 중고등학교에서 설명되는 방식은 몇 개의 유형으로 정리할 수 있다. 이중 대표적인 것은 Fig. 5(a)와 같이 두세 개의 주요 광선을 이용하여 상의 형성을 설명하고 일부 교과서에서는 물체의 여러 부분에서 나온 빛이 상의 형성에 기여한다는 것을 강조하고자 Fig. 5(b)와 같이 물체의 다른 한 점에서 나온 광선을 그려주거나 상의 형성에 많은 광선이 기여하는 것을 강조하고자 Fig. 5(c)와 같이 많은 광선을 나타낸 경우도 있었다[33]. 교과서에서는 상의 형성을 정적인 그림으로 나타낼 수밖에 없기 때문에 위치의 변화나 렌즈의 특징 변화에 따른 상의 위치나 광선 다이어그램의 변화를 직관적으로 이해하기는 쉽지 않다. 이러한 한계는 가상조작 실험을 통해 일부 보완될 수 있다. 렌즈의 상에 대한 다양한 교육용 가상 조작 실험(컴퓨터 시뮬레이션)이 개발되어 사용되고 있으며 그 중 대표적 광학 시뮬레이션인 PhET에서는 Fig. 5와 이 같이 물체의 위치나 렌즈의 특징을 조정하면서 광선 다이어그램을 관찰할 수 있도록 한다[36]. 학습자는 Fig. 5(d)와 같이 거시적 표상만 있는 것부터 Fig. 5(a), (c), (d)와 같이 상에 기여하는 주요 광선, 여러 광선, 주변 광선을 관찰할 수 있으며, Fig. 5(b)와 같이 물체에 두 번째 점을 추가하여 같은 관찰을 수행할 수도 있다. 하지만 이렇게 미리 만들어 제공되는 가상 조작 실험은 현장에서 진행하는 실제 조작 실험과 따로 분리되어 수행될 수 밖에 없으며 실험 결과를 2차원 공간에서만 표상해주기 때문에 학습자가 가상 조작 실험 결과를 실제 조작 실험 또는 실제 현상과 연계하기 위해서는 추가적인 인지 부담이 발생할 수 밖에 없다. AR 실험은 실제 물체와 추상적인 광선다이어그램 간의 물리적인 거리를 좁혀 한 화면에 볼 수 있게 함으로 학습자의 인지 부담을 줄여줄 수 있을 것으로 기대된다[26]. 따라서 이 연구에서는 볼록렌즈의 상을 관찰하는 실제 실험에 광선다이어그램을 겹쳐 나타내 줄 수 있는 AR-HMD 실험을 제안하고자 하였으며 다양한 방식의 광선다이어그램 중 목표 모형인 Fig. 4(d)와 가장 외적으로 유사한 Fig. 5(e)을 관찰할 수 있도록 주변 광선을 증강하였다.
앞에서 논의한 바와 같이 볼록렌즈의 상에 대한 AR-HMD 활용 실제 조작 실험은 다음과 같은 특징을 갖도록 제작하였다.
• 물체의 한 점에서 나온 여러 개의 주변 광선(Marginal Ray)이 볼록렌즈에서 굴절되어 상의 형성에 기여함을 보여줄 것.
• 광선의 경로는 물체와 렌즈의 위치에 따라 실시간으로 달라지며 스크린의 위치와는 무관함.
AR 콘텐츠는 유니티(Unity)를 사용해 개발하였으며 MS 공식 홈페이지의 매뉴얼을 참고해 홀로렌즈 2 기기를 사용하기 위한 기본 설정을 세팅하였다[37]. 물체와 광원의 위치 인식은 뷰포리아(Vuforia)의 이미지 타입의 타겟을 사용하였다.1 이렇게 위치 인식을 통해 얻은 물체의 한 점 위치(
주변광선의 시각화를 위해 렌즈 중심으로부터 x 방향과 y 방향으로 볼록렌즈의 반지름만큼 떨어진 점 4개(
최종적으로 개발된 AR-HMD 활용 물리교육 콘텐츠의 실험 장면과 앱 실행 화면은 Fig. 7과 같다. Figure 7(a)와 같이 사용자는 AR-HMD를 착용한 상대로 두 손을 사용해 실험 도구를 조작하며 Fig. 7(b)와 같이 물체의 위치에 따른 광선 다이어그램의 변화를 관찰할 수 있다.
본 연구에서는 AR의 특징을 잘 드러낼 수 있는 물리교육 AR 콘텐츠의 특징을 검토하고 이를 잘 드러낼 수 있는 물리교육 AR 콘텐츠를 개발하였다. 선행연구 검토를 통해 미시적, 추상적 표상의 증강과 실제 조작 실험으로서의 AR 활용, HMD 활용의 필요성을 확인하였다. 기 개발 AR 콘텐츠 검색 결과 앞의 필요성을 만족하지만 아직 개발 및 활용이 부족한 광학 영역 중 볼록렌즈의 상이 주제로 선택되였다. 학생의 선개념과 기존 교과서 및 교육용 컴퓨터 시뮬레이션을 참고하여 물체의 위치에 따라 상의 형성에 기여하는 주변광선의 경로가 실시간으로 변경되는 콘텐츠를 개발하였다. 이 논문의 의의는 다음과 같다. 첫째, 거시적 표상인 실험에 상징적 표상인 광선 다이어그램이 실시간으로 이음새 없이 연결된 AR 실험의 가능성을 보여주었다. 이러한 AR 실험은 비가시적인 표상의 실시간 가시화를 통한 다중 표상 기반 학습 자료로 활용될 수 있으며 자연스럽게 빛 다발의 개념을 학습할 수 있는 환경으로 활용될 수 있을 것이다. 특히 2차원 공간에서만 표상되던 광선 다이어그램을 3차원 공간에 표상할 수 있게되면서 기존 시뮬레이션 프로그램으로는 획득하기 어려웠던 2차원적 이해를 도울 수 있을 것으로 기대된다. 둘째, 직접적으로 모형을 표상하여 학습자의 비과학적 선개념을 개선할 수 있는 콘텐츠의 개발 방안을 제안하였다. 개인의 머리속에 있는 정신모형은 비가시적이기 때문에 다양한 비유물을 사용해 표현하기도 하는데, 많은 과학자들이 동의하는 과학적 모형을 비유물이나 시뮬레이션을 사용해 직접 보여주는 것은 모형 구성 활동 중 초기 모형 구성에 많이 사용되는 방법 중의 하나이다. 본 연구에서는 학습자가 볼록렌즈의 상의 형성에 기여하는 추상적인 광선 다이어그램의 변화를 실제 물체와 겹쳐 관찰할 수 있는데, 이것은 실제계에 모형을 겹쳐 직접 보여주는 또 하나의 모형 구성 수업을 활용될 수 있을 것이다. 이 연구는 개발 중심 연구로 콘텐츠의 개발에 초점이 맞춰져 있지만 추후 적용을 위해서는 현장의 상황을 고려하고 효율적인 교수학습 전략을 고려해 개발된 콘텐츠를 사용한 교수-학습 자료의 개발될 필요가 있을 것이다. 콘텐츠의 효과성 검토와 함께 렌즈를 반 가리면 상이 어떻게 될지를 예상 하는 등의 기 개발된 다양한 활동과 연계하여 콘텐츠를 개선할 수 있는 방안에 대한 고민이 필요하며 추후 교사 연수 등을 통한 프로그램 확대도 같이 연구될 필요가 있을 것이다.
이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. RS-2023-00210720).
1 물체를 직접 인식시키는 오브젝트 타입의 타겟도 있었지만 투명한 렌즈나 밝게 빛나는 광원의 경우 인식률이 높지 않아 이미지를 붙여 인식시키는 이미지 타입의 타겟을 사용하였다.