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Journal of Digital Contents Society - Vol. 22, No. 1, pp.41-49

ISSN: 1598-2009 (Print) 2287-738X (Online)

Print publication date 31 Jan 2021

Received 27 Nov 2020 Revised 05 Jan 2021 Accepted 05 Jan 2021

DOI: https://doi.org/10.9728/dcs.2021.22.1.41

비상상황 안전 교육훈련을 위한 가상현실(VR)콘텐츠 모델 설계

이재학¹^{, *} ; 장선희²

1상명대학교 계당교양교육원 부교수
2상명대학교 감성공학과 부교수

Emergency Situation Safety Education Training VR Content Model Design

Jaehak Lee¹^{, *} ; Sun-Hee Chang²

1Associate Professor, College of Kyedang General Education, Sangmyung University, Seoul 03016, Korea
2Associate Professor, Department of Sensibility Engineering, Sangmyung University, Seoul 03016, Korea

Correspondence to: ^*Jaehak Lee Tel: +82-2-2287-6119 E-mail: ivdear@smu.ac.kr

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초록

본 논문에서는 비상상황에 대한 안전교육 훈련 콘텐츠 개발에 가상현실(VR) 기술을 활용하기 위하여 관련된 문헌연구를 살펴보았다. 이를 통해 가상현실(VR) 교육콘텐츠의 기본 개념을 도출하였고, 구체적인 콘텐츠 개발 로드맵과 설계과정에서 고려해야 할 부분을 분석하였다. 연구결과, 가상현실 콘텐츠 설계는 최소 다음의 4가지 핵심 요소를 포함하여 개발되어야 한다. 첫째, 가상현실(VR) 공간에서 구현될 사고 상황에 대한 맥락정보를 포함한 정확한 관련 정보 구축, 둘째, 구체적인 교육과정과 단계에 따른 각각의 범위 설정과 교육 목표에 대한 명시적인 정의, 셋째, 피교육자가 실제처럼 자연스럽게 몰입할 수 있는 교육 시나리오 제시, 넷째, 교육결과에 따른 유효성 평가이다. 본 연구결과는 향후, 가상현실(VR) 교육 콘텐츠를 개발하는 과정에서 구체적인 기준을 세우는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.

Abstract

In this paper, the basic concept of virtual reality (VR) educational content was derived through literature research, and the specific content development roadmap and parts to be considered in the design process were analyzed. As a result of the research, the design of virtual reality content should be developed including at least the following four key elements. First, it is necessary to establish accurate relevant information including context information on the accident situation to be implemented in a virtual reality (VR) space. Second, it is necessary to provide an explicit definition of each scope setting and educational goals according to specific curriculum and stages. Third, an educational scenario in which the trainee can immerse naturally as in reality should be presented. Fourth, it is the evaluation of effectiveness according to the educational results. The results of this study may help to establish specific standards in the process of developing virtual reality (VR) educational contents in the future.

Keywords:

virtual reality, emergency situation, safety education, content model, educational model design

키워드:

가상현실, 비상상황, 안전교육, 콘텐츠 모델, 교육모델 설계

Ⅰ. 서 론

재해, 재난 등 비상상황에서 작업자가 효과적으로 대응하고, 나아가 사고 자체를 예방할 수 있는 안전교육 분야에 가상현실(VR)기술을 접목한 훈련 콘텐츠들이 주목받고 있다. 작업자가 일상적으로 체험할 수 없는 사고 상황과 관련 사례를 가상현실(VR)을 통해 선제적으로 이해하고, 대응할 수 있다는 점에서 향후 이러한 추세는 확장될 것으로 보인다. 또한, 가상현실(VR)기술을 활용한 훈련 콘텐츠는 가상훈련을 통해 실제와 같은 가상현실 속 공간에서 효율적으로 훈련을 수행할 수 있으며, 교육자들의 안전과 비용 관점에서 높은 평가를 받고 있다[1-5].

가상현실(VR) 훈련 콘텐츠는 시공간적인 한계를 넘어 교육을 받은 작업자가 비상상황에서 발생하는 다양한 유형의 사고형태를 자유롭게 반복해 학습할 수 있어, 기존의 강의와 동영상 중심인 일방향 훈련보다 교육 효과 또한 높다. 또한 가상현실(VR)을 통한 교육은 해당 상황에 대한 경험 및 체험학습이 가능해 피교육자들이 자율적으로 문제해결 중심의 학습이 가능하며 실제 현장에서 활용할 수 있는 지식이나 기능을 습득하는데 쉬우며 학습의 효과도 높다[6, 7].

특히, 플랜트 건설 및 운영 단계에서 현장 작업자들에 대한 장비 및 사고대처 훈련 등 부족을 해소하는 유일한 대안으로 가상현실(VR) 기술 응용이 주목받고 있다[8]. 다양한 이유로 가상현실을 활용한 훈련 콘텐츠들이 개발되고 있지만, 가상현실(VR)을 통한 안전교육의 목적은 사고 자체가 발생하지 않도록 사전에 방지하는 것이 중요한 안전교육 훈련의 목표가 된다. 곧, 사고 상황을 방지하고, 비상상황에서 효과적으로 대응할 수 있는 가상현실(VR) 교육 콘텐츠는 전체적인 가상현실 교육 프로그램을 개발하는 데 핵심이다. 그런데도 실제 가상현실을 활용한 교육 콘텐츠 설계에 있어, 구체적인 기준과 구성요소들에 대한 논의들은 명확하게 제시되지 못하고 있다. 또한, 주제에 따라 개별적인 기준과 요소들이 다양하고 광범위하게 소개되어 있고, 비상상황이라는 특수한 조건을 중심으로 진행된 논의들이 많지 않은 가운데 관련 가상현실(VR) 콘텐츠를 설계하는 것이 쉽지 않은 상황이다. 따라서 본 논문에서는 기존 가상현실(VR) 관련 연구들을 주제와 연대기별로 살펴 정리하고, 관련된 논의를 진행하고자 한다. 이를 통해 최종적으로는 가상현실(VR) 콘텐츠 설계와 개발을 위한 핵심 요소와 기준을 도출하고, 향후 비상상황 안전 교육 관련 프로그램 개발에 적용하려 한다.

Ⅱ. 본 론

2-1 가상현실(VR) 교육모델 및 교육시스템

최병일 외는 소방대상물의 가상현실 교육모델 개발을 위해 세부적인 구현방법을 설명하였다[9]. 가상현실모델의 구성은 사고 시나리오, 교육훈련 시나리오, 사고해석을 위한 컴퓨터해석, 훈련 시뮬레이터 등으로 이루어진다. 훈련 시뮬레이터는 운용통제기(시나리오 생성모듈, 시뮬레이터 제어모듈, 훈련 관리모듈), 메인서버, 실감영상 생성시스템, 오퍼레이터 콘솔, 대형화면 디스플레이로 설계되어 있다. 가상현실교육 모델 구성과 작동을 위한 시뮬레이터를 개발하기 위해서는 기본적으로 가상현실 작동 하드웨어, 가상현실 구현을 위한 소프트웨어, 이용자가 상호작용하는 정보를 제어하고 관리하며, 교육 상황에 따라 적절한 시나리오를 제시해주는 소프트웨어, 가상현실 관련 정보를 입출력하는 장치들의 필요성에 대해 파악해야 한다.

가상현실 기반의 안전대응 훈련 시뮬레이터를 구축하기 위해서는 사고 대응 전략과 관련된 훈련 제어 로직의 구체적인 설계, 훈련 목적 달성을 지원하기 위한 사용자 인터페이스(Human Interface)의 기능별 분류와 정의, 그리고 이들을 통합하는 실시간 가상현실 엔진 등에 관한 더욱 정교한 논의가 진행되어야 한다[10]. 훈련용 시뮬레이터에 활용되는 사용자 인터페이스의 종류는 몰입을 위한 디스플레이, 가상기계 장비를 조작할 수 있는 햅틱, 의사소통을 위한 청각, 대상 시설물의 공간탐색과 관련한 보행 등 인터페이스로 등이다. 사용자 인터페이스 입력과정에서는 피교육자들의 공간탐색과 내비게이션에 대한 정보를 수집하게 되고, 해당 정보는 정보처리 모듈을 통해 시뮬레이션 콘텐츠를 갱신하는 데 사용된다. 갱신된 콘텐츠는 사용자 인터페이스 출력 모듈을 통해 시각, 청각, 촉각 등 감각정보를 생성해 사용자에게 높은 현실감과 몰입감을 제공한다. 가상현실(VR)훈련용 시뮬레이터에서 피교육자는 비상상황 등 사고와 관련된 안전대응 활동을 하는 특정한 임무를 부여받게 되는데, 임무의 범위에는 공간이동, 주변 탐색, 사고대처 등이 포함될 수 있으며, 이 과정에서 가상 또는 실제와 유사한 형태의 기기의 조작하는 경험을 통해 사용자의 몰입감과 현실감을 증대시킬 수 있다. 해당 연구에서는 가상현실(VR) 안전대응훈련에서 필수적인 임무로 내비게이션 임무, 기계장치 조작 임무, 의사소통 임무 등 3가지 제시하였다.

사용자들이 실감할 수 있는 가상현실 환경 구성과 개발을 위해 다음과 같은 방법론을 고려할 수 있다[11]. 공간구조에 적합한 사진측량 방법(지상사진, 항공사진 등 촬영)을 통해 근거리 영상 등 이미지 데이터를 획득하고, 이를 기반으로 구체적인 3D모델을 생성하는 것이다.

가상현실(VR) 교육모델과 교육시스템은 교육목적에 따른 특정한 시뮬레이터를 구성하여 설계하는 것이 중요하다. 해당 시뮬레이터는 하드웨어와 소프트웨어, 시나리오 및 관련 정보와 콘텐츠 등이 유기적으로 결합된 핵심 요소로 제시된다. 또한, 시뮬레이터는 구현되는 가상현실(VR) 콘텐츠가 실제 환경과 요소를 반영한 적합한 정보를 어떻게 원활하게 처리하고, 상호작용할 수 있는지가 중요하다.

2-2 가상현실(VR)교육 평가

안전교육을 위한 가상훈련 구현에 관한 초기 연구를 살펴보면 HW 플랫폼, 입력장치, 출력장치, SW 개발 도구, 교육 콘텐츠 등이 포함된 가상현실 시스템이 기본 형태로 구성된다[12]. 해당 연구에서는 교육 콘텐츠를 작업과 사고 시나리오로 구분해 설명하였고, 가상현실 훈련시스템에 대한 평가는 해당 훈련 콘텐츠를 사용한 그룹과 미사용 그룹 간 비교, 교육 전과 교육 후 관련 지식에 대한 비교, 현실감, 사용자 만족도 등으로 진행하였다.

도시철도 사고 시뮬레이션에 관한 연구를 통해 사고 시뮬레이션 개념도와 시나리오 레벨, 에이전트 기반 시뮬레이션 등의 개념이 제시되기도 하였다[13]. 사고에 관한 위험도는 초기 사고 대응자의 위험해석과 해석결과에 따른 행동, 그리고 이를 통해 발생할 수 있는 사고 진행 시나리오를 통해 종합적인 위험도를 예측할 수 있다 주장한다. 따라서 사고 상황의 변화에 따라 가상 시뮬레이션 상황에서 어떠한 결과가 발생할 수 있는지 확인 및 분석하는 것이 중요하다. 사고 대응자의 선택과 결정에 따라 시나리오 레벨은 다르게 제시될 수 있고, 이러한 결과를 통해 실제 사고대응력을 평가할 수 있다.

안전대응 훈련 플랫폼 설계를 진행하면서 가상현실(VR) 환경과 자원, 훈련과 평가 논리, 사용자 인터페이스, 가상현실(VR) 훈련 시뮬레이터로 구성된 시스템을 고려할 수 있다[14]. 해당 시스템에서 가상현실(VR) 환경과 자원은 대상물의 CAD 및 현장 스캔을 통한 3차원 공간정보를 통해 가상환경 모델을 구성한다. 훈련과 평가 논리 부분은 사고유형과 시나리오에 따라 훈련과 평가를 위한 기초데이터와 훈련 시나리오를 제공한다. 사용자 인터페이스에서는 피교육자의 교육행동을 시스템에 전달하고 시스템 운영결과를 통한 변화를 다시 피교육자에게 전하는 상호작용 역할을 진행한다. 이 과정은 각종 입력장치와 출력장치가 연계되어 작동한다. 가상현실(VR) 훈련 시뮬레이터는 가상환경 생성과 운영, 피교육자의 상호작용, 교육 시나리오 제어, 피교육자의 행동에 따른 가상환경 피드백, 훈련 및 평가를 통한 교육 효과 측정과 기록기능을 수행한다. 특히, 가상현실(VR) 훈련과정에서 평가 부분이 시뮬레이터와 전체 시스템에 탑재되면서 기록을 중심으로 피훈련생들의 객관적인 평가를 진행할 수 있다.

가상훈련 시뮬레이터에 탑재된 훈련평가시스템의 구체적 과정에 대해 다음과 같다[15]. 가상훈련 시뮬레이터를 통해 수행한 데이터는 훈련평가시스템으로 전달되는데, 시나리오별 임무 수행 여부, 훈련 소요시간 등 정량적 평가가 중심이 된다. 기준에 따른 데이터와 비교하면서 표준작업에 얼마나 근접하게 수행하였는지가 평가의 대상이 된다. 훈련평가시스템은 훈련 시나리오 관리, 훈련 데이터 인터페이스, 훈련 동작 추출기능, 훈련 동작 프로그램 연동, 훈련평가, 훈련평가 시각화 기능으로 구성되었다.

플랜트와 같은 대형 기계설비의 운영에는 다양한 위험요소가 존재하기 때문에 화학 공정 플랜트와 같이 작은 실수에도 큰 피해손실을 가져올 수 있는 산업의 경우, 사고피해를 최소화하고 조속한 정상화를 위해 초기 대응자의 사고 대처능력을 높이는 것이 중요하며, 가상현실 교육훈련이 효과적인 대안이 될 수 있다[16]. 또한, 가상 훈련과정을 정확하게 평가할 수 있는 평가기술의 필요성을 강조하였다.

가상현실 교육 콘텐츠 개발을 위한 초기 단계부터 소프트웨어 또는 콘텐츠 요구 명세서를 구체적으로 기술하고, 이를 시험평가를 위한 지표로 활용할 것은 중요하다[17]. 이를 위해 콘텐츠 설계문서(Contents Design Document)를 제안하였다. 콘텐츠 설계문서에는 해당 콘텐츠를 가상공간에서 구현하기 위한 자료와 각종 요구분석 사항 등을 기술된다. 또한, 콘텐츠 설계문서의 세부 항목과 척도를 교육 관리자와 협의해 규정하고, 개발단계부터 가시적 예시를 통해 제시해야 함을 설명하였다. 구체적으로는 콘텐츠 모델링의 각 단계를 구분하고, 관련 내용 및 예시를 통해 훈련 지형 모델링의 구현범위를 특정 장소와 위치에 대한 기준 반경으로 표현하는 형태다. 또한, 단계별 콘텐츠 모델링 형상과 각 콘텐츠의 속성 정의서, 속성 참조표 제시를 통해 요구되는 시각적 모델링에 대한 영상과 이미지를 구체화하고, 확인하였다. 콘텐츠 개발단계부터 하드웨어, 소프트웨어뿐만 아니라 교육 프로그램, 교육 시나리오 부분 등 정량화하기 어려운 요구사항을 척도로 수치화하고 평가에 활용하는 방법은 가상현실 교육 프로그램의 평가 유효성과 해당 프로그램의 운용인증 과정에서도 적절하게 사용될 수 있다.

유효성 평가의 중심요소로 Hoareau et al.은 가상 교육과정에 대한 수행 시간 측정과 기록정보가 피교육자들의 기술 보유도(Degree of skill decay)와 학습 커브(Learning curve)로 표현될 수 있고, 훈련방식에 대한 학습 커브 그래프는 시간의 추이에 따라 훈련내용에 대한 기억 유지도 평가에도 활용될 수 있다[8]. 또한, 피교육자의 대응조치에 따라 계량화한 사고유발지수를 제시하는 것도 교육결과를 평가하는 기준으로 활용될 수 있다. 일반적으로 이처럼 가상현실(VR) 교육 콘텐츠 설계에서 유의미한 평가지표와 기준에 대한 정의는 반드시 요구된다.

새로운 상황과 절차를 학습하고 실제 사고 유발상황에서 습득한 지식과 기술을 재현할 수 있는 능력이 곧, 가상교육 콘텐츠와 프로그램의 적절성과 유효성을 평가하는 것은 중요한 기준이다[3]. 해당 연구에서는 피교육생들이 각 교육 단계의 성공이행여부를 문자열 단위로 매핑(Mapping)하고 성공절차 모델과 문자열 거리 간 비교평가를 통해 피교육생들의 행동 수정 숫자를 도출해 정량적 평가를 진행하였다. 편집거리 알고리즘(Levenshtein Distance, Edit Distance Algorithm)으로 불리는 해당 지표는 학습 절차와 평가방법에 대한 척도를 제시하는 데 도움을 줄 수 있는 유용한 방법으로 여러 분야에서 많이 활용되고 있다. 순서와 절차, 지침의 표준행동만을 비교해 평가하는 일방적인 평가방법에서 편집거리 알고리즘 평가는 피교육생들의 현재 위치와 최적 행동의 변화 범위까지 제공해주기 때문에 유효한 평가법으로 활용할 수 있다.

가상현실(VR) 기반 교육, 훈련시스템 개발개념을 다음과 같이 구체화하여 설명할 수 있다[5]. 대상 오브젝트(Object)에 대한 훈련과정을 구조적, 기능적으로 분석하고, 분석결과를 가상현실(VR) 프로그래밍, 사용자 인터페이스, 위치기반 다중 접속, 교육훈련평가 모듈로 연결하였다. 오브젝트 단위로 체계적으로 분석된 정보들은 훈련과정과 밀접하게 연계되어 피교육생들의 실제적인 기술과 사고대응력을 향상을 도모할 수 있다. 피교육생들의 훈련평가 과정에서 대상 구조물의 구조적, 기능적 지식과 연계한 사고대응 행동은 더욱 정교한 평가를 가능케 하고, 몰입도, 현실감을 포함한 학습 효과를 견인할 수 있다.

가상현실(VR) 기술을 활용한 교육은 학습자와 피훈련자들에게 실제와 같은 유사한 환경과 상황을 제공하여 의미 있는 결과를 가져올 수 있다는 점에서 기존 교육법과는 차별적이다. 하지만 단순하게 교육상황과 내용을 가상현실(VR)로 구현했다는 점만 강조된다면 지속적인 교육 효과를 기대하기 쉽지 않다. 따라서 단계, 수준, 상황 등 각 교육 목적에 따른 평가 방법이 상세하게 정의되고 제시되어야 한다. 각 교육 목적과 효과는 교육 콘텐츠와 연계성을 갖고 구성되어야 하며, 이는 가상현실(VR) 교육 시나리오 적합하게 반영되어 설계되고 구성되어야 한다.

2-3 가상현실(VR)교육 시나리오

가상현실 교육 시나리오 연구와 관련해 수소충전소의 안전성 향상을 위한 가상현실(VR) 프로그램 개발 연구에서는 웹을 통해 가상현실 안전교육 프로그램을 진행하기 위해 개발한 4가지 주요 모듈을 통해 구체적으로 설명하고 있다[19]. 수소와 안전, 수소충전소, 가상현실 체험공간 및 가상사고 시나리오 등 4가지로 구성된 해당 프로그램은 가상현실을 통해 관련 종사자는 사고 관련 지식과 함께 실질적인 사고대응 과정을 체계적으로 학습할 수 있게 구성되어 있다. 사고 시나리오 모듈에서는 시나리오 결과를 세 가지 방법을 통해 확인할 수 있는데, 각 시나리오에 따라 동적인 시뮬레이션 결과를 보여준다. 접근성이 높은 웹이라는 매체를 선택하고, 모니터를 통해 가상으로 이용자의 선택에 따라 시나리오가 동적으로 반응할 수 있는 형태는 헤드업 디스플레이 등 복잡한 도구를 사용하지 않고 단순한 접근법을 통해서도 안전교육의 효과가 있을 수 있다는 점에서 시사점이 있다.

가상현실을 기반으로 하는 사고 상황에 따른 사고 시나리오와 대응절차에 관해 차무현 외는 각 대응과정을 실제 플랜트 운영 시나리오를 중심으로 이벤트를 분기해 설명하였다[16]. 그리고 시나리오 진행을 시뮬레이션 하는 시나리오 기반 훈련 통제 모니터링 모듈 개발을 통해 효과적인 안전훈련 시스템을 구축할 수 있음을 주장하였다. 진행되는 시나리오에 따라 훈련 상황이 동기화되고, 각 단계와 이벤트에 따라 분절하는 것은 피교육자에게 교육 목표와 훈련기술을 보다 세분화해 제공할 수 이점이 있다. 또한, 평가과정에서 더욱 정교하게 학습요소를 살필 수도 있다.

산업 안전교육에서 가상현실 기술을 효과적으로 사용하기 위해 재해 상황에서 발생하는 사고는 다양한 변수가 복합적으로 작용한 결과이므로 단순히 시각적인 요인뿐만 아니라 재해에 영향을 줄 수 있는 모든 요인을 고려할 필요가 있다[20]. 그리고 현재 가상현실(VR)기술을 적용할 때, 효과가 높을 것으로 예상하는 가상 시나리오를 우선으로 선별하여 활용하는 것이 필요함을 주장하였다. 효과성이 높은 시나리오의 선택은 현장 전문가와 기술자들의 다양한 의견을 수집하고, 실제 현장과 사고 상황에 관한 세부적인 자료를 체계적인 구조화하면서 진행될 수 있다. 또한, 가상 시나리오를 구성하는 과정에서 인간-컴퓨터 간의 상호작용이나 신뢰도 분석 등에서 활용하는 시나리오 구성기법을 활용이 도움을 줄 수 있음을 제안하는데, 사고 상황에 대한 맥락적인 구성이 사용자의 인지와 몰입도에 긍정적인 영향을 줄 수 있을 것으로 판단할 수 있다.

가상공간에서 사용자경험(UX: User experience)이란 어떤 특정한 가공의 환경과 상황을 컴퓨터로 만들어 그것을 사용하는 사람이 실제 상황과 환경인 것처럼 상호작용하는 것을 만들어주는 인간과 컴퓨터 사이의 인터페이스로 정의한다[21]. 가상공간에서 사용자 경험은 사람들이 일상에서 경험하기 어려운 환경을 직접 체험하지 않고 그 환경에 들어와 있는 것처럼 보여주고 조작할 수 있게 해주는 것이 목적이다. 사용자 경험을 활용한 디자인은 사용자의 행동 패턴을 이해하고 이러한 행동에 대한 동기를 파악하는 것이 중요하다. 해당 연구에서는 UX 모델링을 설계하기 위해 학습자의 행동패턴을 도출하기 위한 페르소나(Persona) 방법과 페르소나 방법을 통해 도출된 내용을 바탕으로 시나리오 중심의 가상현실 소방체험 교육콘텐츠를 개발하였다. 여기서 페르소나는 UX 디자인 과정에서 실제 사용자들의 행동을 예측하게 하는 도구이며 특정한 사용자에 대한 가상 버전으로 설명된다. 페르소나를 통해 사용자의 실제 행동을 예측할 수 있고, UX 디자인 개발과정에서 일어날 수 있는 문제를 보완해 가상현실 프로젝트의 방향성을 설정할 수 있다. 이 과정에서 시나리오는 사용자에게 일어날 수 있는 상황과 중요한 행동 패턴을 중심으로 서술된다. 또한, 시나리오를 통해 서술된 내용은 시각적 표현을 구체화하고 디자인 개념을 도출하는 데 유용하다.

가상현실기술의 효과를 살펴보기 위해 요구되는 학습요소를 도출하고, 관련 비디오 자료를 통해 가상현실(VR) 시나리오를 구성하였다. 해당 시나리오는 사고사례를 중심으로 설계되었으며, 필요한 교육요소를 포함한 인지 정보를 시나리오 반영하고 세부적인 시각화 정보를 구체화할 수 있다[22]. 또한, 단계별 종료요건을 설정해 훈련 참여자가 단계별 학습을 할 수 있도록 구성하였다. 차무현 외에서도 논의한 바와 같이 가상현실을 활용한 교육 콘텐츠에서 단계별 학습 구성은 학습자들의 활동 및 평가, 몰입 등의 감정에 긍정적으로 이바지하는 효과적인 도구이다[16].

가상현실(VR) 교육 시나리오는 상황에 대한 단편적인 소개와 연결, 설명뿐만 아니라 교육을 받는 사람들이 가상현실(VR)로 제시되는 정보에 몰입할 수 있고, 학습효과를 향상시킬 수 있도록 개발되어야 한다. 이를 위해 전체 교육 프로그램과 개별적인 세부 프로그램 간의 연결성과 함께 각 프로그램의 구체적인 내용들이 맥락을 가지고 구성되어야 한다.

2-4 가상현실(VR)교육 훈련 프로그램

가상현실(VR)교육 훈련 프로그램 구성과 관련해 Analytic Hierarchy Process(AHP, 계층적 의사결정 기법) 분석을 통해 가상현실(VR) 소방교육훈련 프로그램 중 우선순위를 설정할 수 있다[23]. 여기서 AHP 분석기법은 의사결정의 계층구조를 구성하고 있는 요소 간의 이원비교에 따른 판단을 통해 평가 기준이 여럿일 때에 여러 대안 중 하나를 고르거나 대안들의 우선순위를 결정하는 것을 말한다. 앞서 가상현실(VR) 관련 연구에서도 언급된 바처럼 효과성 높은 교육 프로그램 구성과 선택 역시 무작위로 제시하는 것이 아니라 AHP 분석, 편집거리 알고리즘 등과 같은 정량적 데이터를 통해 결정하는 것이 효과성이 높을 수 있다. 이처럼 계측 가능한 정량데이터들은 전체 시스템과 연계해 평가 지표과 기준으로도 활용될 수 있다.

기존 교육 분야에서 많이 활용되고 있는 행동능력 훈련(BST)을 가상현실에 적용한 연구도 있다. 가상현실 행동능력 훈련(Virtual Reality Behavioral Skills Training)은 가상 교육훈련 프로그램에 행동능력 훈련을 적용하는 것이 피교육자들에게 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다[24]. 행동능력 훈련은 지도(Instruction)―시연(Modeling)―연습(Rehearsal)―피드백(Feedback) 등 일련의 과정으로 구성되어 있으며, 가상현실을 통해 해당 과정을 학습한 피교육자들은 가상현실을 통해 학습한 지식과 기술은 현실에서도 그대로 이전되어 행동하는 것을 관찰할 수 있었다. 가상현실 기반 행동능력 훈련이 실제 현장 훈련과 연계해 진행되면 더욱 높은 효과를 기대할 수 있다. 가상현실 프로그램 구성에 있어 행동능력 훈련처럼 기존의 교수법을 적용하는 것은 효과적일 수 있지만, 가상현실이라는 특성과 환경을 고려할 때, 최소한 적용과정에서 최적화하고 보완할 수 있는 여러 가능성을 확인하는 것이 중요할 것이다.

가상현실(VR) 기술을 통해 구현된 교육 프로그램은 상황과 시간, 환경 등에 따른 단순 나열식이 아닌 교육 목적, 교육 효과, 교육 평가, 사용자 경험들을 전략적으로 고려해 제안되어야 한다. 이는 학습자들의 몰입과 학습효과를 증진시키고, 해당 훈련 프로그램의 신뢰성을 획득하는 과정에서 중요한 역할을 한다.

2-5 가상현실(VR) 교육 콘텐츠 설계 구성요소

가상현실(VR) 체험형 교육 콘텐츠의 구성요소를 다음 5가지로 구분해 설명하면[21] 다음과 같다. 첫째, 학습자와 학습콘텐츠 간의 상호작용을 지원하는 학습 인터랙션 지원기술, 둘째, 학습자와 학습콘텐츠를 합성하고 동기화하는 학습자 콘텐츠 참여 지원기술, 셋째, 학습자들의 수준을 진단하고 적합한 학습콘텐츠를 추천하는 개인화 학습 지원기술, 넷째, 다양한 매체를 통해 활용할 수 있는 학습콘텐츠의 저작을 지원하는 참여형 학습콘텐츠 제작기술, 다섯째, 실시간 참여, 몰입형 교육서비스 등을 위한 플랫폼 기술이다. 가상현실 교육 콘텐츠 설계에서 강조되는 상호작용, 참여 지원, 개인화, 다매체, 플랫폼과 모듈 형태의 구성은 현재 하드웨어와 소프트웨어, 통합 에뮬레이터, 기능별 모듈 등 세부 영역을 중심으로 전문화되면서 한편으로 통합적으로 운영되고 있다. 따라서 교육 콘텐츠의 분야와 교육 방향에 따라 각 구성요소를 최적화해 선택하고, 운용할 수 있는 개발 능력이 요구된다.

가상현실기술은 학습자가 스스로 학습에 대해 주도적인 역할을 할 수 있고, 능동적으로 학습할 수 있는 학습자 중심의 교육환경구성을 구성할 수 있는 제공함으로써 효과적인 학습이 가능하다[25]. 특히, 건설안전 교육방법을 가상현실을 통해 제공하면서 다음과 같은 요구사항을 분석해 설명하였다. 분석한 요구사항은 현실감, 능동적 학습, 상호작용, 다양한 학습 매체 제공, 예측 불가능성, 학습자 성과평가, 즐거움이다. 이를 통해 가상현실 교육 콘텐츠를 설계하기 위해 시나리오, 안전규정, 실행순서, 구현(공간 모델링, 3D형상제작, 구성요소변환, 구성요소 배치), 엔진코드 최적화, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 구현하였다. 실제 개발과정에서는 세부적인 요구분석이 더욱 자세하게 제시되어야 한다. 동시에 해당 연구에서 논의한 것과 같이 각 사항은 이용자 관점에서 인지적, 학습적, 감정적, 기능적으로 연결성을 갖고 진행되어야 한다.

가상현실(VR) 교육 콘텐츠를 설계하는 과정에서 기존 논의들은 주로 교육 콘텐츠에 가상현실(VR) 기술을 어떻게 원활하게 적용할 수 있을 것인지와 관련 정보를 어떻게 학습자들에게 제시할 것인지 등을 설명하고 있다. 그러나 각 요소들에 대한 제시뿐만 아니라 요소들에 어떻게 연결되고, 설계와 개발 과정에 반영되어야 하는지는 한계를 갖는다.

2-6 가상현실(VR) 교육 효과

가상현실(VR)이 다양한 분야에 활용되면서 오늘날과 같이 확산하기 이전 Zeltzer는 가상현실(VR)의 특징을 AIP Cube를 통해 자율성(Autonomy), 상호작용성(Interaction), 현존감(Presence)으로 설명하였다[26]. 여기서 자율성은 이용자가 이벤트와 자극에 실제 물리적 공간처럼 반응할 수 있는 것을, 상호작용성은 이용자가 대상과 환경에 상호작용할 수 있는 것을, 현존감은 이용자가 감각을 통해 마치 그곳에 있는 것과 같은 몰입감을 느끼는 것을 말한다. 이후 3가지 요소들은 가상현실에서 이용자들의 참여와 교육적 효과를 검증할 수 있는 유효한 기준으로 사용되고 있다. 사용자인지 관점에서 가상현실 환경과 상황 구성에 해당 요소들을 적절하게 반영해 활용하는 것이 필요하다.

가상현실을 기반을 둔 수업이 학습자들의 공간적 사고 등의 인지적 측면에 효과가 있으며, 행위 유발성, 현존감, 몰입감을 높이는 데 영향을 미치고 있음을 검증한 연구도 있다[27]. Zeltzer의 연구 이후, 수많은 연구에서 검증된 바와 같이 가상현실의 장점과 가능성은 무궁무진하다. 특히, 현실과 연결되는 과정에서 가상현실 공간에서 경험한 다양한 지식과 기술들은 실제 현실 속 상황과 대응에 그대로 전이되면서 확장되고 있다.

기술의 발전에 따라 가상현실(VR)을 통해 개발될 수 있는 다양한 교육효과의 범위와 수준도 높아지고 있다. 따라서 기존 연구를 중심으로 교육 효과성을 검증하는 것뿐만 아니라 특정한 교육 상황에서 의미 있게 활용될 수 있는 교육 효과를 새롭게 개발하고 제시하는 것도 필요하다.

2-7 가상현실(VR) 장치

가상현실(VR) 기술을 사용하는 과정에서 조작 컨트롤러의 중요하며, 일정한 역할을 수행한다[28]. 곧, 가상현실 기반의 훈련시스템 구성과 개발은 해당 프로그램에서 사용자들의 상호작용과 몰입도에 이바지할 수 있는 적절한 조작 컨트롤러가 요구되며, 이는 사용자의 동적 활동에 자극을 줄 뿐만 아니라 흥미를 높이는 유인으로 작용한다. 가상현실(VR)에서 활용되는 사용자 인터페이스에 대한 분석을 통해서도 제시된 것처럼 실제가 아닌 가상에서 사용자들의 자율성을 높이고, 몰입도와 현존감에 영향을 끼지는 다양한 기기들을 접목하는 것은 교육의 효과성을 높이는 데 일정한 역할을 한다. 하지만 활용 분야와 범위, 교육 목적에 따라 차이가 있을 수 있으므로 유의해야 한다.

Fabio & Luca의 연구는 이런 점에서 시사점을 갖는다. 해당 연구에서는 가상현실 안전교육 훈련에서 디스플레이 유형과 형태가 이용자들의 몰입도와 현존감에 의미 있는 역할을 하고 있음을 주장하였는데, 연구는 모니터, 좁은 가시거리를 볼 수 있는 헤드업 디스플레이, 넓은 가시거리를 볼 수 있는 헤드업 디스플레이를 대상으로 진행되었다. 연구결과에 따르면 디스플레이 유형은 사용자의 참여와 존재의식(몰입감과 현존감)에는 영향을 주고 있지만, 지식의 증가와 자기 정의(지식과 자기효능감)에는 큰 영향을 미치지 않는다는 점을 확인하였다. 곧, 가상현실(VR) 교육 콘텐츠 설계와 개발과정에서 교육과정의 목표와 범위를 어디에 둘 것인지에 따라 컨트롤러, 디스플레이 형태 등 가상현실과 관련한 주변 기기들을 구체적으로 선택할 수 있다[29]. 따라서 설계 초기, 교육 목표와 교육과정을 정교하게 제시하면서 연동할 수 있는 효과적인 가상현실 장치(Device)를 확정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

현재 가상현실(VR) 장치는 예를 들어 모션 인식, 아이 트래킹 등과 같은 다양한 하드웨어 장치를 활용해 보다 정교하게 학습자들의 움직임과 반응을 이해할 수 있도록 발전하고 있다. 그럼에도 비상상황과 같은 특수한 상황에서 효과적인 장치를 구성하는 것은 쉽지 않다. 현실적으로 운용할 수 있는 장치가 제한되어 있고, 새롭게 관련 장치를 개발해야할 상황도 발생하기 때문이다. 따라서 가상현실(VR) 교육 콘텐츠를 개발하기 위해서는 최초 설계단계부터 활용할 장치를 전제하고 진행하는 것이 효과적이다.

Ⅲ. 가상현실(VR) 교육 콘텐츠 설계

가상현실(VR)과 관련된 논의들을 주제와 내용에 따라 교육모델과 교육시스템, 교육 평가, 교육 시나리오, 훈련 프로그램, 설계 구성 요소, 교육 효과, 장치 등 여섯 가지로 구분하고 정리하였다. 각 주제들은 개별적으로 제시되어 있지만 실제 가상현실(VR) 교육 콘텐츠를 설계하는 과정에서 모두 유기적으로 연결되어 진행되어야 할 사항들이다. 따라서 해당 요소들을 종합적으로 분석해 가상현실(VR) 교육 훈련을 위한 개념모델과 요소들을 다음과 같이 제시하였다.

가상현실(VR) 교육 콘텐츠와 프로그램 설계과정에 관한 기존 연구들을 통해 도출한 가상현실(VR) 교육 콘텐츠 설계에 관한 핵심 요소를 다음 4가지로 설명할 수 있다. 가상현실(VR) 교육 콘텐츠와 프로그램 설계에서 고려해야 할 핵심 요소는 가상현실(VR) 공간에서 구현될 사고 상황에 대한 맥락정보를 포함한 정확한 관련 정보 구축, 구체적인 교육과정과 단계에 따른 각각의 범위 설정과 교육 목표에 대한 명시적인 정의, 피교육자가 실제처럼 자연스럽게 몰입할 수 있는 교육 시나리오 제시, 교육결과에 따른 유효성 평가이다.

해당 설계과정에서 고려할 핵심 요소를 구체적으로 설명하면 첫째, 사고 상황에 대한 정보는 단순한 시청각 정보만이 아닌 사고 상황을 인지하고 대처할 수 있는 일련의 과정이 맥락적으로 제시되어야 한다. 이는 피교육자가 실제처럼 가상현실(VR)에 몰입하는 것이 중요하기 때문이다. 가상현실(VR) 속에서 재현되는 오브젝트(Object)들은 피교육자의 움직임과 시선, 방향, 위치 등에 따라 맥락을 통해 제시되어야 하며, 이를 위한 관련 정보들은 정확하게 수집되고 체계적으로 구축되어야 한다[30, 31]. 또한, 해당 정보들을 입출력하고 통합 관리할 수 있는 시뮬레이터, 플랫폼, 모델 등의 구체적인 설계와 구성, 기능제시가 요구된다. 이 과정에서 적합한 하드웨어, 소프트웨어 자원의 범위와 내용을 확정할 수 있다.

둘째, 각 교육과정과 단계는 구체적으로 피교육자들에게 제시되어야 하며, 가상현실(VR)을 통해 재현될 수 있는 범위가 구체적으로 설정되어야 한다. 이 과정에서 각각의 교육과정과 단계는 설정된 범위에 따라 레벨(Level) 등 위험도, 난이도, 피교육자들의 훈련 숙련도에 따라 차별적으로 제시되어야 한다[2, 13, 31-34]. 일반적으로 가상교육프로그램을 체험한 것만으로 교육 효과가 발생하지는 않는다. 따라서 해당 프로그램을 통해 정교하게 설계된 교육 목표가 정의되고, 규정되어야 하며, 이를 통해 구체적인 교육 콘텐츠를 설계할 수 있다. 명시적인 교육 목표의 제시는 가상현실(VR) 훈련 콘텐츠의 효과성과 훈련결과 평가에 정확도를 높일 수 있다.

셋째, 일방향 미디어와는 다르게 쌍방향으로 의사소통할 수 있는 가상현실(VR) 교육콘텐츠는 피교육자가 실제와 같은 몰입감을 느끼게 만드는 것이 중요하다. 이용자의 몰입에 기여하는 요소 중 상호작용성은 현존감(Presence), 사실감을 증대시켜 몰입감을 극대화한다[1, 17, 30, 35]. 시나리오설계에서 이와 같은 가상현실(VR)의 특징을 구체적으로 반영하기 위한 실감형 요소를 포함해 진행되어야 한다. 실제 사고사례에 기반을 둔 교육 시나리오 설계와 개발은 세부 행동절차를 포함한 대응시나리오를 포함해 특히, 가상현실(VR) 교육 콘텐츠에서 이용자의 몰입감에 중심을 두고 진행되어야 한다[22. 34].

넷째, 교육결과에 대한 유효성 평가는 피교육자가 실제 사고 상황에서 효과적으로 대응할 수 있는가를 객관적으로 평가할 수 있는 중요사항이다. 그럼에도 불구하고 필요기능에 대한 요구충족 여부는 검증이 용이하지만, 평가지표에 대한 정량화가 쉽지 않은 어려움이 있다. 가상현실 콘텐츠 소프트웨어 평가는 ISO/IEC 9126 품질모델(범용소프트웨어 품질모델) 등 검증할 수 있는 도구들이 존재하지만, 가상현실 훈련용 콘텐츠는 3D 모델링과 콘텐츠 저작도구의 스크립트로 구현되기 때문에 평가를 위한 자동화 도구들이 별도로 존재하지 않는다[17]. 기존 연구에서 가상현실 속 교육 콘텐츠에 대한 경험적 평가(Heuristic Evaluation), 관찰법(Observation), 포커스 그룹(Focus Group Research) 등을 통한 정성적 평가방법을 통해 척도를 제시하고 평가에 활용한 바 있다. 하지만 가상현실 교육용 콘텐츠는 실제와 유사한 시청각적 체험이 요구되는 등 사실감에 대한 요구가 충족되어야 하며 교육 프로그램을 운용하는 대상으로부터 객관적 검증을 획득할 수 있는 정량적 평가방법이 제시되어야 한다.

그림 1은 연구결과를 중심으로 개발한 가상현실(VR) 교육훈련 콘텐츠의 개념 모형을 도형화하여 제시한 것이다.

Fig. 1.

Virtual Reality Education and Training Content Concept Model Design

Ⅳ. 결 론

일반적으로 사고는 예측할 수 있는 상황이 아닌 불확실성이 높고, 예측이 어려운 상황에서 비상상황 등과 같은 위험성 높은 사고들이 발생한다. 특히, 가스시설 등 대규모 플랜트(Plant)산업에서 안전사고는 치명적이다. 따라서 안전교육 훈련콘텐츠는 실제 사고 상황을 대비해 정교하게 설계되어야 한다. 교육대상자들에게 안전교육 훈련은 사고를 방지하고, 나아가 사고 자체를 봉쇄할 수 있도록 몰입도가 높은 체감형 콘텐츠가 유효하다. 과거 메뉴얼이나 단방향 시청각 교육의 형태가 아니라 최근에는 디지털 기술을 활용한 가상현실(VR) 교육 콘텐츠가 주목받고 있다. 가상현실(VR)을 활용한 교육은 사고 상황을 실제처럼 가공한 사고 상황을 통해 교육대상자들의 몰입을 증대시킬 뿐만 아니라 사고 대응 능력을 체계적으로 교육 및 평가할 수 있어 효과적이다.

본 논문에서는 가상현실(VR) 교육콘텐츠 모델설계를 위해 가상현실(VR) 교육과 관련된 선행연구를 구체적으로 고찰하였다. 선행연구 분석은 가상현실(VR) 교육모델과 교육시스템의 개념과 구성, 가상현실(VR) 교육 평가, 가상현실(VR) 교육 시나리오, 가상현실(VR) 교육훈련 프로그램, 가상현실(VR) 교육 콘텐츠 구성요소, 가상현실(VR) 교육의 특징, 가상현실(VR) 장치 등으로 구분하여 진행하였다.

연구결과는 다음과 같다. 가상현실 콘텐츠 설계에는 4가지 핵심 요소를 반드시 포함하여 개발되어야 한다는 것이다. 첫째, 가상현실(VR) 공간에서 구현될 사고 상황에 대해 보다 구체적인 정보가 체계적으로 구축되어야 한다. 구축된 정보는 가상공간과 가상 사고에 대한 설계과정에서 중요하게 사용될 수 있는 모든 정보를 포괄한다. 또한, 교육 대상자가 사고 상황을 인지하고 파악할 수 있는 맥락정보와 행동정보가 포함되어 관련 정보는 구축되어야 한다. 둘째, 피교육생들에게 구체적인 교육과정과 단계에 따른 각각의 범위 설정이 제시되어야 한다. 예를 들어 교육대상자들은 훈련수준, 단계별, 난이도 등에 따라 자신에게 최적화된 교육을 받을 수 있어야 한다. 그리고 교육 목표에 대한 명확한 정의를 통해 교육대상자들의 교육 동기를 높일 수 있어야 한다. 셋째, 피교육자가 가상의 사고 상황을 실제처럼 자연스럽게 몰입할 수 있는 교육 시나리오 제시되어야 한다. 가상현실(VR) 콘텐츠를 통해 교육훈련 프로그램이 제시되고 있음에도 적합한 가상현실(VR) 교육 시나리오의 부재로 인해 교육의 효과를 반감시킬 수도 있기 때문이다. 가상현실(VR) 콘텐츠의 장점을 높여 교육역량과 사고대응능력을 제고할 수 있도록 VR기반의 실감형 콘텐츠로 개발되어야 한다. 그리고 해당 콘텐츠는 가상현실(VR)의 특성을 잘 반영할 수 있도록 특화된 시나리오로 구성되어야 한다. 넷째, 교육결과에 따른 해당 교육과 훈련의 유효성 평가이다. 교육 및 훈련의 성과는 평가를 통해 구체적으로 살펴볼 수 있다. 그럼에도 대부분의 교육 프로그램은 여전히 휘발성으로 소비되는 경우가 많다. 가상현실(VR)을 활용한 교육의 경우에는 이벤트성으로 소비될 가능성이 높다. 따라서 교육과 훈련 전 과정의 관련 정보와 데이터들이 유기적으로 연동되어 평가시스템을 작동시킬 때, 보다 정확한 평가가 가능하다. 본 연구에서 논의된 내용들은 향후, 가상현실(VR) 교육 콘텐츠를 실제로 개발하고, 활용하는 과정을 통해 도움이 될 수 있을 것이다.

Acknowledgments

본 연구는 2020년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구(2001-0423)입니다.

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저자소개

이재학(Jaehak Lee)

2006년 : 서강대학교 대학원 (문학석사)

2012년 : 고려대학교 대학원 (경영학박사-ebiz)

2014년～현 재: 상명대학교 계당교양교육원 부교수

※관심분야： 온라인(모바일)게임/소비자, 소비자 행동, 디지털콘텐츠, e-비즈니스

장선희(Sun-Hee Chang)

2002년 : Imaging Arts & Science MFA, RIT (NY, USA)

2019년 : 한양대학교 대학원 (문화콘텐츠학 박사)

2014년～현 재: 상명대학교 감성공학과 부교수

※관심분야： 영상콘텐츠, 뉴미디어