최근에 데이터, 정보 소양이 교육의 중요한 목표로 부각되면서 과학교육의 중요한 목표였던 탐구 교육에서도 큰 변화가 나타나고 있다[1-3]. 인공지능으로 대변되는 급격한 변화에 대응하기 위해 과학탐구에서 데이터를 기반으로 미래를 예측하고 현실 세계의 문제를 해결하는 역량을 다루어야 한다는 인식이 커지면서 데이터 기반의 과학탐구 역량에 대한 관심이 높아지고 있다. 전국의 학교에서 구축되고 있는 새로운 과학실험실 모델인 지능형 과학실도 데이터에 초점을 맞춘 과학탐구가 학교현장에서 이루어지도록 지원하는 것을 주요한 목표로 삼고 있다[4]. 한편 2022 개정 교육과정에서 융합과학탐구 과목이 신설되었는데, 이 과목에서도 디지털 탐구도구를 활용하는 데이터 수집 및 신뢰성 평가, 데이터의 시각화 등 데이터에 초점을 둔 여러 탐구 요소를 다수 포함하여 탐구교육의 변화를 담아내고 있다[5].

이와 같은 데이터 기반 과학탐구의 주요 도구로서 피지컬 컴퓨터가 주목받고 있다. 과학교육에서 피지컬 컴퓨터를 활용하는 것에 대한 관심이 증가하면서 그동안 가장 주목받았던 범용 피지컬 컴퓨터는 아두이노였다[6-9]. 최근에는 아두이노보다 활용하기 위한 기능을 익히는 문턱이 낮다는 점에서 마이크로비트에 대한 교육연구가 늘고 있다[10]. 이에 본 연구는 마이크로비트의 물리교육에의 활용가능성에 주목하고자 한다. 마이크로비트의 교육적 활용을 위한 콘텐츠 개발 및 교육적 효과 연구는 주로 컴퓨터 및 정보 교육 영역에 국한되어 발표되었다. 이를테면 마이크로비트에 기반을 둔 창의 컴퓨팅 교육프로그램이 개발되었고[11], 마이크로비트를 활용한 교육 프로그램이 초등학생의 컴퓨팅 사고력을 유의미하게 향상시킨다는 것이 보고되었다[12,13]. 과학교육에서 마이크로비트의 활용에 대한 연구는 매우 드문데, 정용욱은 마이크로비트를 물리교육의 잠재적 도구로 소개하면서, 아두이노와 비교하여 논의하였다[14]. 마이크로비트는 하드웨어 측면과 소프트웨어 측면에서 아두이노보다 배우기 쉬우면서 충분히 수준 높은 산출물 제작이 가능하다. 특히 마이크로비트가 갖는 라디오 기능을 이용하면 별도의 하드웨어 연결 없이 무선네트워크 시스템 구축이 가능하므로 마이크로비트를 이용하여 데이터를 수집하는 방안에 대한 교육연구가 시급하다고 논의하였다.

데이터 로깅은 마이크로컴퓨터를 사용하여 관측 대상에 필요한 데이터를 자동으로 측정하고 처리하여, 소정의 양식으로 정리해서 보고하는 것을 말하며 데이터 자동기록이라고도 부른다[15]. 본 연구에서는 센서의 데이터를 측정하여 송신하는 데이터 송신부와 데이터를 받아서 저장하는 데이터 수신부가 분리되어 있고 데이터 송신부와 데이터 수신부 사이의 통신이 무선(wireless)으로 진행되는 데이터 로깅 시스템에 주목하였다. 이렇게 송신부와 수신부가 무선으로 소통하는 데이터 수집 시스템을 본 연구에서는 무선 데이터 로깅 시스템이라 부르겠다. 무선 데이터 로깅 시스템은 원하는 위치에 센서를 부착하여 무선으로 데이터를 받아 수집하는 새로운 방식을 가능하게 하여 학교의 과학실험을 바꿀 잠재성을 갖는다[16].

마이크로비트의 라디오 통신 기능을 활용하면 한 마이크로비트를 통해 측정한 데이터를 다른 마이크로비트에 무선으로 전송하여 기록하는 무선 데이터 로깅 시스템을 별도의 하드웨어 연결 없이 구축할 수 있다. 본 연구는 이러한 장점을 활용하여 다양한 방식의 무선 데이터 자동기록시스템을 구축하여 학교 과학탐구에 활용할 가능성을 보다 깊이 있게 탐색하고자 한다. 본 연구는 단순한 일대일 무선 데이터 자동기록 시스템을 넘어서 다양한 방식의 무선 데이터 자동기록 시스템을 탐색한다는 점에서 기존의 접근과 다르다. 한편으로 마이크로비트가 버전 2(V2)로 업그레이드 되고, 코딩 편집 프로그램도 업그레이드 되면서 공식 홈페이지에서 새로운 데이터 로깅 기본 예제를 소개하고 있다. 이에 본 연구에서는 공식 홈페이지에 소개된 V2의 데이터 자동기록 표준예제를 바탕으로 하는 무선 데이터 자동기록 시스템을 새로이 개발하여 소개하는 의미도 있다.

데이터 자동기록을 통한 과학탐구와 교육적 활용과 관련하여 마이크로비트가 갖는 잠재적 장점은 다음과 같다. 첫째로 마이크로비트는 조도센서, 가속도 센서, 기울기 센서, 온도센서, 자기장 센서, 마이크, 타이머가 내장되어 있어서 관련된 물리량 측정에 활용할 수 있다[17]. 피지컬 컴퓨터를 학생들이 배우게 될 때 겪는 큰 어려움 중의 하나가 피지컬 컴퓨터 본체와 외부 센서의 연결이다[10]. 아두이노가 처음 과학교육에 소개될 때 센서, 저항, 스위치 등을 빵판에 꼽고 집게선이나 점퍼선을 통해 피지컬 컴퓨터와 연결하는 방식을 취했다. 처음 기기를 배우는 입장에서 이 과정은 생소하고, 연결과정에서 문제가 발생할 때 초보자인 학생 스스로 해결하기 어렵다는 문제가 있었다. 이러한 하드웨어 연결의 문제를 초기에 직면하지 않고 내장된 센서를 이용하여 데이터를 수집할 수 있다는 것은 초보자로서 학생이 마이크로비트를 사용하여 데이터를 수집할 때 매우 큰 교육적 장점이 될 수 있다.

둘째로 마이크로비트는 외부의 센서를 연결하여 사용하고자 할 때 확장보드를 이용하여 센서모듈을 연결하는 쉬운 방식을 제공한다[14]. Figure 1처럼 센서모듈을 점퍼선 케이블을 통해 확장보드의 GPIO(general purpose input & output)핀에 연결하고, 마이크로비트를 확장보드에 꽂는 방식으로 연결할 수 있다. 이와 같은 마이크로비트의 표준적인 연결방식은 피지컬 컴퓨터와 외부 센서의 연결을 위해 현재 활용되는 방식 중 가장 쉬운 편에 속한다. 아두이노의 경우에도 마이크로비트와 유사한 방식으로 센서를 모듈화하여 연결하는 방식이 개발되어 있다. 그런데 아두이노의 경우, 이와 같은 연결하는 방식이 표준화되어 있다고 보기는 어렵다. 그래서 다른 세팅에서 개발된 아두이노 활용 데이터 수집 방식들이 센서를 모듈화하여 연결하는 세팅에서 바로 적용되지 않을 수 있다.

Figure 1. (Color online) Hardware connection between micro:bit and external sensor.

셋째로 마이크로비트는 블록을 옮겨서 붙이는 방식의 교육용 프로그래밍 언어를 통해 다양한 데이터 자동기록 시스템 구축이 가능하다는 점에서 교육적 활용이 용이하다. 교육 현장에서 보다 자유롭게 활용되려면 학생이나 교사가 센서의 종류를 변경하거나, 데이터 수집 시간 간격을 바꾸는 등 기본예제를 실험맥락에 맞게 변형할 수 있어야 한다. 블록 기반 언어의 경우 이러한 변경이 직관적이고 쉽다. 아두이노를 활용한 데이터 수집의 경우, 텍스트 기반 언어를 활용하는 경우가 보다 일반적이지만, 최근에는 블록기반 교육용 프로그래밍 언어를 활용한 데이터 수집방식도 제안되고 있다[7]. 그런데, 아두이노의 경우 블록기반 언어를 사용하였을 때 데이터의 무선 수집, 데이터의 csv 파일 저장, 스프레트시트 프로그램을 통한 데이터 분석을 간단한 방식으로 함께 진행하기가 간단치 않다[18].

넷째 마이크로비트는 라디오 기능을 이용하여 별도의 하드웨어 연결 없이 무선으로 데이터를 수집, 기록하는 다양한 네트워크 구축이 가능하다. 마이크로비트의 경우 동일한 그룹으로 지정하는 모든 마이크로비트 사이의 원격 통신이 가능하며, 이를 이용하면 다양한 네트워크를 구축할 수 있다. 마이크로비트 사이의 라디오통신이 가능한 최대거리는 약 70 m라고 알려져 있으며, 최대 255개의 그룹(채널)을 통한 통신이 가능하다[19]. 라디오 통신을 활용하여 다양한 네트워크 구축을 통한 데이터 무선 수집이 가능하다면 학교에서 다룰 수 있는 탐구의 영역이 크게 확장될 것이다. 아두이노의 경우 원격 데이터 무선 수집이 가능하지만, 단순한 원격 데이터 무선 수집을 위해서도 아두이노에 SD카드 모듈 등을 연결하는 별도의 하드웨어 연결 과정이 필요하며, 이것은 초보자가 이행하기에는 부담되는 과정이다[10, 18].

마이크로비트 공식 홈페이지(www.microbit.org)에서는 센서의 데이터를 수집하여 자동기록하는 방법을 소개하고 있다. 마이크로비트를 통한 센서 데이터 수집 및 데이터 자동기록 방식은 데이터가 최종적으로 csv 파일로 저장되도록 설계되었다. 일단 csv 파일로 저장되면, 스프레드시트 프로그램(엑셀이나 구글 스프레드 시트)가 제공하는 데이터 분석 기능을 이용하여 그래프를 그리고 추세선을 구하는 등의 정량적 분석이 가능하다. 이는 초중등 학생 입장에서 마이크로비트를 통해 수집, 기록한 데이터를 분석하는 과정이 매우 용이하다는 것을 의미한다. 이러한 장점은 마이크로비트가 V2로 업그레이드되면서도 유지되고 있다. 다만 데이터를 컴퓨터에 저장했던 이전 버전과 달리 V2 버전에서는 데이터를 마이크로비트에 바로 저장하는 방식으로 바뀌었는데 지금부터는 이러한 변화에 대해 논의하고자 한다.

마이크로비트의 V1 버전에서 공식 홈페이지를 통해 제공되었던 데이터 자동기록 기본 예제는 Fig. 2의 형태를 갖는다. 이 예제는 한 종류의 센서를 이용하여 일정한 시간간격으로 데이터를 측정하여 기록하는 상황을 다룬다. 마이크로비트가 Fig. 2을 수행할 때 센서의 데이터가 수집되어 마이크로비트와 컴퓨터 사이의 시리얼통신 기능을 통하여 컴퓨터로 데이터가 전송되어 저장, 기록된다. 데이터 기록을 위해 컴퓨터와 마이크로비트는 반드시 유선(usb 케이블)로 연결되어 있어야 했다. 결국 마이크로비트는 센서를 통해 수집된 데이터가 지나는 중간경로 정도의 역할을 하며, 데이터가 저장, 기록되는 장소는 유선으로 연결된 컴퓨터였다. V1 버전에서는 컴퓨터에 데이터가 바로 기록되면서 데이터 기록과정과 기록된 데이터를 실시간으로 확인할 수 있었다. 즉 데이터가 잘 수집되고 있는지, 수집된 데이터의 개형은 어떠한지를 컴퓨터에 기록하면서 실시간으로 확인할 수 있었다.

Figure 2. (Color online) Coding for basic data logger in Micro:bit V1.

마이크로비트가 V2 버전으로 업그레이드되면서 마이크로비트 공식 홈페이지에서 제공하는 데이터 자동기록 기본 예제는 Fig. 3의 형식을 갖는다. 이 예제는 한 종류의 센서를 이용하여 일정한 시간간격으로 데이터를 수집, 기록하는 상황을 다룬다. 이 예제는 다음과 같은 기능을 포함한다. 마이크로비트의 A 버튼을 누르면 센서 데이터 측정 및 기록이 시작되고 프로그래밍된 시간간격(Fig. 3에서는 약 50 ms마다 한번씩)에 따라 센서 데이터를 측정하여 기록한다. 마이크로비트의 B 버튼을 누르면 데이터 수집이 중단되며, A 버튼과 B 버튼을 동시에 누르면 이전에 마이크로비트에 기록됐던 데이터가 지워지고 리셋된다. 마이크로비트에 수집되는 데이터가 꽉 차서 더 이상의 수집이 불가능해지면, 데이터 기록을 멈추고 마이크로비트의 LED로 이 상황을 알려준다.

Figure 3. (Color online) Coding for basic data logger in Micro:bit V2.

과학교육에서 활용할 때 이러한 기본예제의 코딩을 원리부터 정확하게 이해할 필요는 없으며, 코딩이 담고 있는 기능을 활용하기 위한 정도의 학습만이 요구된다. 즉 A 버튼을 눌러서 데이터 기록이 시작되고 B 버튼을 눌러서 데이터 수집이 종료된다는 정도의 지식만으로도 예제와 같은 데이터 자동기록 시스템을 활용할 수 있다. 그렇지만 학생들이 데이터 자동기록을 탐구맥락에 따라 자유롭게 활용하려면, 실험이나 탐구맥락에 따라 기본예제를 변형하여 활용할 필요가 있다. 탐구 상황에 따라 활용하는 센서의 종류도 달라지고, 데이터 측정 시간 간격도 다를 것이기 때문이다. 이러한 수정을 위해 Fig. 3에서 점선 박스로 표시된 영역만 데이터 수집 상황에 맞게 바꾸어주면 된다. 변경할 사항이 측정할 센서와 데이터 수집 간격에 맞추어 블록을 바꾸어주거나, 블록 안에 기입된 문자(변수명)와 수치를 바꾸어주는 정도이다. 블록 기반 프로그래밍 언어의 경우 직관적으로 이해하기 쉽도록 시각화되어 있어서, 텍스트 기반 언어와 비교할 때 실험 맥락에 따른 코딩 변경이 상대적으로 쉽다.

데이터가 컴퓨터에 바로 저장, 기록되었던 V1 버전과 달리, V2 버전에서는 마이크로비트로 측정하거나 수신한 데이터가 마이크로비트에 바로 저장된다. 이러한 변화는 데이터 수집 면에서 긍정적인 측면이 있다. 이를테면 마이크로비트를 역학수레에 부착하여 역학수레의 운동(이를테면 시간별 위치)에 대한 데이터를 측정, 기록하는 상황을 생각해보자. V1 버전에서는 이를 위해 한 마이크로비트(A)를 역학수레에 부착하여 시간과 위치에 대한 데이터를 측정하여 컴퓨터에 연결된 다른 마이크로비트(B)로 실시간 무선 전송해야 했다. 두 개의 마이크로비트를 이용한 데이터 무선 전송이 필요한 이유는 다음과 같다. V1 버전에서는 데이터가 컴퓨터에만 기록되기 때문에 마이크로비트 B는 반드시 컴퓨터에 usb 케이블로 연결된 체로 있어야 한다. 그런데 컴퓨터에 유선으로 연결된 마이크로비트 B를 역학수레에 부착하면 역학수레의 운동이 방해를 받게 된다. 이런 문제로 마이크로비트 A를 역학수레에 부착하여 데이터를 측정하여 마이크로비트 B로 데이터를 무선 송신해야 한다. 즉 역학수레의 운동에 대한 데이터를 얻기 위해서 V1 버전에서는 두 개의 마이크로비트를 사용하는 무선 데이터 자동기록 시스템을 구축해야 한다. 반면 V2 버전에서는 데이터가 마이크로비트에 저장, 기록될 수 있기 때문에 하나의 마이크로비트를 사용한 데이터 수집 및 기록이 가능하다. 이를 위해 먼저 Fig. 3의 기본 예제같은 프로그래밍이 저장된 마이크로비트를 역학수레에 부착하여 데이터를 수집, 기록한다. 데이터 수집이 끝나면 마이크로비트를 컴퓨터에 usb 케이블로 연결하여 기록된 데이터를 확인하고 필요한 분석을 진행한다. 이와 같이 역학수레의 운동 데이터 수집을 생각할 때 V1 버전보다 V2 버전이 단순한 방식으로 데이터를 자동 기록할 수 있다.

V2 버전에서의 변화가 V1 버전의 방식과 비교할 때 꼭 긍정적인 양상만 있는 것은 아니다. V1 버전에서는 가능했던 데이터 기록과정에서의 데이터 실시간 확인이 불가능하게 되었기 때문이다. 즉 V2 버전에는 마이크로비트의 데이터 기록이 끝난 후에 기록 결과를 컴퓨터를 통해서야 확인할 수 있다는 점에서 데이터 수집과정의 실시간 확인 및 점검이 제한된다. 따라서 실시간 데이터 확인을 원한다면 V1의 데이터 자동기록 방식을 사용해야 한다. 한편으로 V2 버전에서는 데이터 자동기록을 위해 ‘로그’ 확장 패키지를 이용하며, 그 결과 기본예제의 코딩이 V1과 비교하여 다소간 복잡해졌는데, 이것은 Fig. 2와 Fig. 3의 코딩을 비교하면 바로 확인할 수 있다.

탐구상황에 따라 한 종류가 아닌 여러 종류의 센서를 활용하여 데이터를 수집, 기록할 상황도 있다. 이와 같이 여러 종류의 센서를 사용하여 데이터를 기록하려면, 기본 예제를 변형하여 사용해야 한다. 첫째로 한 마이크로비트가 여러 종류의 센서의 데이터를 기록하도록 기본예제를 변형할 수 있다. 둘째로 측정하고자 하는 센서 종류만큼의 마이크로비트를 사용하고, 각 마이크로비트마다 다른 종류의 센서 데이터를 기록하도록 할 수도 있다. 두 가지 방식 중에 첫째 방식이 코딩 변경은 상대적으로 복잡하지만, 한 마이크로비트에 모든 데이터가 저장된다는 점에서 이후의 데이터 분석과정이 덜 번거롭다.

앞에서 역학수레 실험으로 예시하였듯이, V1 버전에서 무선 데이터 자동기록 시스템을 요구하는 상황이더라도 V2 버전에서는 데이터 자동기록 표준예제로 대신할 수 있는 경우가 있다. 이런 점에서 무선 데이터 자동기록 시스템 구축의 필요성이 V1 버전보다 V2 버전에서 더 줄어들었다 할 수 있다. 그럼에도 여전히 무선 데이터 자동기록 시스템이 필요한 탐구상황이 있다. 이를테면 마이크로비트를 진공용기 속에 넣어 온도, 압력 관련 데이터를 수집 기록하는 상황에서 Fig. 2의 표준예제를 활용하면, 마이크로비트에 기록된 데이터를 확인하려 할 때마다 진공용기 속에서 마이크로비트를 꺼내야 한다. 이후에 추가로 데이터를 모으려면 마이크로비트를 다시 용기 속에 넣고 용기를 진공상태로 만드는 번거로움이 발생한다. 이러한 상황에서 마이크로비트(A)를 용기 속에 넣고 데이터를 용기 바깥으로 무선 전송하여 바깥의 마이크로비트(B)에 데이터를 기록하는 무선 데이터 자동기록 시스템이 도움이 된다. 이 경우 기록된 데이터를 확인하기 위해 마이크로비트 B만 컴퓨터에 연결하면 되므로, 마이크로비트 A는 계속하여 용기 안에 남게 되어 처음의 실험세팅을 유지할 수 있다.

이와 같이 마이크로비트 두 대를 활용하여 한 쪽에서 다른 쪽으로 무선으로 데이터를 넘겨서 자동기록 하는 시스템을 V2 버전에서도 라디오 기능을 활용하여 구축할 수 있다. 이를 위한 별도의 하드웨어 연결 작업이 필요하지 않으며, 오직 코딩을 통해서 무선 데이터 자동기록 시스템을 구축할 수 있다. 본 연구자가 구축한 두 대의 마이크로비트를 활용하는 일 대 일 무선 데이터 자동기록 시스템은 Fig. 3의 기본예제에 라디오 기능을 이용한 무선 데이터 송수신을 추가한 것이다. 구체적인 코딩과 작동방식은 앞으로 소개할 방사형 무선 데이터 자동기록 시스템과 유사하므로 따로 설명하지는 않겠다.

탐구상황에 따라 여러 개의 센서를 이용하거나 여러 위치에서 데이터를 수집하여 분석할 필요성이 발생한다. 이를테면 냉난방기가 작동할 때 교실 안의 온도변화를 위치별로 탐구하고자 할 때 교실 안의 여러 위치에 온도센서를 설치하여 데이터를 수집할 수 있다. 이러한 탐구상황에서 본 연구에서 개발한 방사형 무선 데이터 자동기록 시스템을 활용할 수 있다. 네트워크 구조 중에 네트워크 전체를 통솔하는 중앙 시스템에 네트워크 사용자들이 접속하는 형태를 방사형 네트워크(star network)라 부른다. 본 연구에서 개발한 방사형 무선 데이터 자동기록 시스템은 Fig. 4와 같이 여러 대의 마이크로비트에서 센서 데이터를 측정하여 하나의 마이크로비트로 전송한다. 모든 데이터를 수신 받아 기록하는 하나의 마이크로비트는 일종의 중앙시스템처럼 기능한다.

Figure 4. (Color online) Star link wireless data logger based on micro:bit.

본 연구에서 개발한 방사형 무선 데이터 자동기록 시스템의 코딩은 Fig. 5와 같으며 다음과 같이 작동한다. 데이터 수신 마이크로비트(receiver part)는 데이터의 수집을 시작하거나 중지할 수 있고, 수신 받은 데이터를 저장 기록한다. 데이터 수신 마이크로비트의 버튼 A를 누르면 데이터를 수집하라는 명령이 데이터 송신부(transmission part))로 전달되고 송신부가 보내오는 데이터를 수신부가 기록한다. 데이터 송신부가 프로그래밍에 계획된 모든 데이터를 전송하거나, 데이터 수신부의 버튼 B를 누르면 데이터 수신부에서 데이터 기록이 중단된다. 데이터 수신 마이크로비트의 버튼 A와 B를 함께 누르면 기록된 데이터가 삭제되고 리셋된다. 데이터 송신부는 수신부로부터 데이터 수집 명령을 받으면 프로그래밍에 따른 시간간격과 횟수로 센서 데이터를 측정하여 수신부로 전송한다. Figure 5(a)에서는 약 1초 간격으로 10회 동안 조도센서를 이용하여 광량을 측정하여 전송한다. 이때 데이터를 전송하는 여러 송신부 마이크로비트들이 동시에 수신 마이크로비트로 데이터를 전송하면, 수신 마이크로비트 입장에서 같은 시간에 전송받은 여러 데이터 중 하나의 데이터만 수신할 수 있고, 수신 받지 못한 데이터는 기록되지 않는다. 이러한 데이터 손실 문제를 피하기 위해 데이터를 송신하는 마이크로비트마다 Fig. 5(a)의 점선 박스안의 시간지연을 다르게 하여 송신부 마이크로비트들이 약간씩의 시간차를 두고 데이터를 전송하도록 한다. 이와 같이 데이터 수집 명령은 데이터 수신부에서 필요에 의해 데이터 송신부에 전달되며, 송신부는 전달되는 명령에 따라 데이터를 전송한다.

Figure 5. (Color online) Star link wireless data logger based on micro:bit.

여러 대의 마이크로비트로부터 데이터를 측정하여 무선 전송하는 경우 일 대 일 무선 데이터 자동기록 시스템을 여러 개 구축하여 데이터를 기록하는 것보다 방사형 무선 데이터 자동기록 시스템 하나를 구축하여 데이터를 기록하는 것이 장점을 갖는다. 첫째로 여러 개의 일 대 일무선 데이터 자동기록 시스템을 구축하는 경우 기록된 데이터가 여러 개의 csv 파일로 남게되어 이를 합치는 과정이 필요하다. 또한 여러 개의 일 대 일 무선 데이터 자동기록 시스템을 운용하는 경우 데이터 수집 시작 시간을 동기화하는 과정도 번거롭다. 반면 방사형 무선 데이터 자동기록 시스템의 경우 데이터가 곧바로 하나의 csv 파일로 기록되며, 수신부 마이크로비트의 명령을 통해서 데이터 수집 시작 시간의 동기화도 간편하게 구현된다.

본 연구에서는 방사형 무선 데이터 자동기록 시스템을 활용한 탐구를 예시하기 위해 뙤약볕에 높인 컵의 색채에 따른 온도변화라는 탐구주제에 대해 데이터를 수집하여 분석하였다. 이를 위해 Fig. 6의 검정색 컵과 흰색 컵 내부에 각각 마이크로비트를 부착하여 뙤약볕에 놓고 노출시간에 따른 온도변화를 측정하였다. 온도 측정을 위해 마이크로비트에 내장된 온도센서를 활용하였는데, 이 센서는 섭씨온도 값을 1도 단위로 측정한다. 컵 인근 10 m 정도 거리의 등나무 그늘에서 수신 마이크로비트를 놓고 데이터를 수집하여 컴퓨터로 확인하였다. Figure 7는 이렇게 구한 컵의 온도변화 데이터를 스프레드시트 프로그램을 이용하여 그린 그래프이다. 검정색 컵의 온도변화가 흰색 컵보다 크다는 것을 뚜렷하게 확인할 수 있다. 이와 같이 무선 데이터 자동기록 시스템을 이용하면 이전에는 매우 번거롭거나 불가능했을 탐구를 수월하게 진행할 수 있다. 예시된 탐구는 일상적 상황에서의 과학탐구로 이어질 수 있다. 이를테면 여름에 뙤약볕 아래에 주차된 자동차의 온도가 급상승하고, 이것이 안전문제로 이어지기도 한다. 이때 자동차 안의 온도변화를 탐색하기 위해 자동차 안에 마이크로비트를 설치하여 온도데이터를 수집하여 분석할 수 있다.

Figure 6. (Color online) Inquiry concerning temperature change of two cups of different color under the sun.

Figure 7. (Color online) Graph of data obtained from star-type wireless date logging system for the temperature change due to color of cup.

본 연구는 마이크로비트에 기반을 둔 무선 데이터 자동기록 시스템을 예시하였다. 마이크로비트를 이용한 무선 데이터 자동기록 시스템은 학교에서의 탐구와 실험활동을 크게 바꿀 잠재력을 갖는다. 원거리에서 측정되는 데이터를 무선으로 수집, 기록하는 것은 학생의 탐구활동을 크게 확장시킬 수 있다. 이를테면 그네의 과학적 원리를 탐색할 때 그네와 그네를 타는 사람의 몸에 마이크로비트를 부착하여 운동에 대한 데이터를 얻는 방식의 탐구가 가능하다. 이와 같이 무선 데이터 수집을 적용하면 일상적 상황에 대한 과학적 탐구가 훨씬 용이해진다.

이러한 장점에도 불구하고 마이크로비트를 실험, 탐구 교육에 활용하고자 할 때 고려해야 할 제한점도 있다. 첫째는 내장 센서의 정확성과 신뢰성에 대한 문제이다. 이를테면 온도 센서의 경우 섭씨 1도 단위로만 측정치를 준다. 또한 가속도 센서의 경우 마이크로비트에 진동이나 충격이 가해질 때 측정 오차가 심해져서 운동에 대한 정량적인 실험 데이터를 구할 때 내장 가속도 센서를 이용하는 것이 바람직하지 않아 보인다. 반면 조도 센서나 기울기 센서를 이용한 데이터 측정은 상대적으로 신뢰성 있는 것으로 판단된다. 이런 이유로 탐구를 진행하거나 실험 활동을 개발할 때 내장 센서의 정확성 이슈를 고려한 최적화 작업이 필요하다.

둘째로 마이크로비트에 연결하여 활용할 센서모듈이 아두이노에 비해 충분하지 않다는 점이다. 마이크로비트의 경우 3.3 V의 전압으로 센서를 구동하는 반면 아두이노는 5 V의 전압으로 센서를 구동한다. 이런 이유로 아두이노와 연결할 목적으로 개발한 센서 모듈을 마이크로비트로 단순 연결할 때 제대로 작동하지 않을 수 있다. 아두이노에서 작동하는 센서 모듈을 전압분배 방식으로 마이크로비트에서 작동시키는 것이 원칙적으로는 가능하다. 이를 가능하게 하는 확장보드도 나와 있어서 5 V 기반으로 작동하는 센서를 마이크로비트에서도 활용할 수 있다. 그렇지만 아두이노에서 활용할 수 있는 모든 센서 모듈을 마이크로비트에서 활용할 수 있는 것은 아니다. 결국 마이크로비트와의 연결을 고려하여 3.3 V로 구동될 수 있는 다양한 센서 모듈이 보다 많이 개발되어 상용화될 필요가 있다.

셋째로 라디오통신을 이용하여 데이터를 주고받을 때, 중간 과정에서 신호가 전달되지 않는 손실이 발생할 수 있다. 이러한 손실을 줄이기 위해 고려해야 할 한 요인은 세 가지이다. 첫째 마이크로비트 사이의 거리가 너무 멀면 라디오 통신과정의 손실문제가 심각해진다. 마이크로비트 사이의 라디오통신이 가능한 최대거리는 약 70 m라고 알려져 있다[19]. 본 연구자는 전파를 막는 장애물이 없는 경우 20 m 정도 떨어진 마이크로비트 사이의 무선 데이터 전송도 무리없이 가능한 것을 확인하였다. 본 연구자는 중계기 마이크로비트를 두는 방식으로 더 먼 거리에서의 무선 데이터 전송도 가능함을 확인하였지만, 교육현장에서 폭넓게 활용하기에는 복잡한 기법으로 보인다. 둘째 둘 이상의 송신 마이크로비트가 한 수신 마이크로비트로 동시에 라디오 신호를 전달하는 것을 피하도록 시간차를 두어야 한다. 시간차가 없다면, 복수의 신호 중에 하나의 신호만 수신 마이크로비트가 잡아내고, 다른 신호들은 손실될 수 있다. 방사형 네트워크 같은 복잡한 무선 데이터 자동기록 시스템을 구축할 때 이에 대한 구조적 고려가 필요하다. 셋째 라디오통신을 이용하여 측정하는 센서에 대응하는 변수이름도 전송할 때 변수이름을 되도록 짧게 설정하면 데이터 손실을 줄일 수 있다. 이를테면 빛의 세기에 대한 데이터를 전송할 때 변수이름으로 ‘light intensity’ 대신에 ‘i’를 활용하는 편이 좋다. 변수이름이 길어지고 글자 수가 많아질수록 관련된 오차가 발생할 가능성이 비례하여 증가하므로, 관련된 데이터 손실이 문제가 된다면 변수이름을 짧게 수정해야 한다.

이러한 문제로 인해 마이크로비트를 활용하여 탐구를 진행하거나, 실험활동을 개발할 때 탐구나 실험 맥락에 맞는 최적화 과정이 필요하다. 이를테면 운동에 대한 탐구나 실험활동에서 신뢰성이 높지 않은 내장 가속도 센서 대신 내장 조도 센서, 내장 기울기 센서를 이용하거나 외부의 초음파센서를 연결하는 방식으로 센서 선택의 최적화가 필요하다. 또한 선택된 센서로 수집된 데이터의 질을 평가하여 원하는 수준의 신뢰성을 갖춘 탐구나 실험이 가능한 지를 검토해야 한다.

본 연구에서는 마이크로비트가 V2로 업그레이드 되면서 변화된 데이터 자동기록과정을 논하고, V2 버전에서 작동하는 방사형 네트워크 등 학교과학탐구 상황에서 활용가능성이 높은 무선 데이터 자동기록 시스템을 개발하였다. 마이크로비트는 소프트웨어 측면과 하드웨어 측면에서 도구를 익히는 데 필요한 문턱이 상대적으로 낮으므로 본 연구에서 개발된 데이터 수집 시스템은 중등학교 전반에서 무리 없이 활용될 수 있을 것이라 기대한다.

본 연구는 데이터 자동기록 시스템을 구축하고 그 가능성을 확인하는 데 초점을 맞추었다. 실제의 과학탐구나 실험활동 개발에서는 맥락에 따라 적절한 센서를 선별하고 수집한 데이터의 질을 평가하는 등의 최적화 작업이 이루어져야 한다. 이러한 과정을 통해 마이크로비트를 활용한 다양한 물리 실험활동에 대한 탐색과 개발이 앞으로 필요하다. 또한 일상생활 속의 물리적 원리를 탐색하는 학생탐구에서 마이크로비트를 이용한 무선 데이터 수집 기능이 유용할 수 있다는 점에서 이에 대한 교사 교육과 연수도 필요하다.

최근에 무선으로 데이터를 수집, 기록하는 기능을 갖는 상용 MBL 센서도 판매되고 있다. 마이크로비트의 경우 상용 MBL 센서 장비에 비해 매우 경제적이어서, 학교 현장에서 경제적 부담이 적다. 또한 상용 무선 MBL 센서에서는 기대하기 어려운 복합적인 무선 네크워크 구축이 가능하다. 마이크로비트가 갖는 이러한 유연성은 학생의 자유 탐구활동에 활용되거나 새로운 실험활동을 개발할 때 큰 장점이 될 것이다.

본 연구에서는 통상적인 물리탐구에서 가장 활용도가 높다고 생각되는 일대일 무선 데이터 수집 시스템과 방사형 무선 데이터 수집 시스템을 우선 개발하였다. 이를 활용하면 일정한 시간간격으로 데이터를 측정, 전송하여 기록하는 것과 관련된 다양한 탐구와 실험활동이 가능할 것이다. 본 연구에서 다루는 탐구 맥락을 넘어서서, 보다 다양한 탐구 맥락에서 활용할 수 있는 데이터 수집 시스템 구축에 대한 추가 탐색도 앞으로 필요하다.