가상 현실 기반의 러더퍼드 산란 실험 교육 시뮬레이션 플랫폼의 설계와 평가

Ⅰ. 서 론

컴퓨터 분야의 많은 기술 분야 중에서 가상현실(Virtual reality, VR) 기술은 미래 유망 기술로서 현실 환경을 사실적으로 시뮬레이션할 수 있고 사용자는 이 환경에서 마치 그 상황에 직면한 듯한 경험을 가질 수 있다[1]. 가상현실 기술과 관련된 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어가 끊임없이 발전함에 따라 가상 시뮬레이션 기술은 다양한 산업뿐만 아니라 교육분야까지 확산되고 있다. 특히 대학 실험실 활동은 학부생들이 과학과 공학을 배우는 핵심활동이며, 많은 대학실험 활동이 현실 모드에서 가상 모드를 도입하고 있다[2].

대학실험에서 가상 시뮬레이션은 미래 교육에 깊은 영향을 미칠 것이며, 관련 연구는 국내외 주요 대학 및 연구 기관에서 활발히 진행되고 있다. MIT는 컴퓨터 그래픽스 연구 분야에서 줄곧 업계 선두를 달리고 있으며 그래픽스를 기반으로 한 가상 시뮬레이션 기술 연구도 가장 앞서 있다. 1998에는 WebLaB 기술을 기반으로 마이크로 전자 원격 실험 시스템을 개발했으며 관련 과정의 실험 수업에 실제로 시스템을 배치하였다. 이 시스템을 통해 학생들은 브라우저에 직접 로그인한 후 실험의 시뮬레이션을 진행할 수 있으며, 이것은 모든 방면의 기능이 완비된 최초의 가상 실험실이다[3]. 2003년 스웨덴 룬드 대학교는 Flash 기술을 사용하여 사용자가 가상 환경에서 실험 과정을 완료할 수 있는 가상 생화학 실험실을 개발하였다[4]. Ouyang과 그 팀은 Unity3D를 이용하여 화학공학을 전공하는 학생들에게 생산적 실험에 도움을 주기 위한 대화형 화학공학 3차원 가상 시뮬레이션 플랫폼을 개발하였다[5]. 일본 국립 핵융합과학 연구소는 각종 핵융합 연구 활동에서 뛰어난 성과를 보인 핵융합 가상 실험실 시스템인 SNET를 개발하였다[6]. Stephen은 실제 시공 환경과 유사한 가상 환경을 만들 수 있는 통합 가상 실험 시스템을 제안하였다[7]. 기획자는 3D 시뮬레이션된 가상 환경에서 프로젝트를 기획할 수 있고 시공 기획자는 실제 세계의 방식으로 시공 활동을 할 수 있다. Mohapatra 등은 Arduino Tinkercad 소프트웨어를 사용하여 회로 실험의 가상 시뮬레이션을 구현하고 교육 활동에 적용하였다[8].

Khaleel Al-Said의 연구에 따르면, 가상현실 기술의 활용은 물리학 전공 학생들의 지식 학습 효과에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다 [9]. 이 연구는 17~19세 학생 116명을 대상으로 한다. 주요 목적은 VR 기술이 학생들의 지식과 동기에 미치는 영향을 탐색하는 것이다. 실험팀의 물리학생들은 가상현실을 사용하여 학습하고 대조팀의 물리학생들은 표준교육계획을 따른다. 교육이 완료된 후 얻은 결과는 VR이 학습의 질을 효과적으로 향상시키고 학생들의 적극성을 증가시킬 수 있다는 것을 증명하였다. Kim은 가상현실을 물리 교육 분야에서의 응용에 초점을 맞추고 과학 실험이 공간과 상황의 제한을 받는 문제에 대해 물체 던지기 운동을 핵심으로 하는 가상현실 물리 실험 교육 시뮬레이터 개발 연구를 실시하여 가상현실 공간을 이용하여 구체적인 교육 모델을 설계하는 타당성을 확인했고, 전통 교육 모델과 현대 기술이 결합되어 여러 학과에서 더욱 효과적인 교육 방법을 제공할 수 있음을 확인하였다[10]. 이는 미래 관련 연구 및 가상현실 기술이 교육 분야에서 실제 응용될 수 있도록 방향과 참고를 제공하였다. Riku Koyama는 VR이 교육 분야에서 널리 응용되지 못한 원인 중 하나는 운영 요구의 전문성과 VR 기기 설치의 번거로움임을 확인하였다 [11]. 이를 위해 그들은 교사가 VR 학습 내용을 쉽게 만들 수 있도록 시스템을 설계하고 개발했으며 사용자 응용 피드백과 인터뷰를 결합하여 시스템의 진일보한 개선에 대한 구상을 제시하였다. Jhasmani Tito Cruzs는 몰입형 VR Serious 게임인 ORUN-VR을 연구하였다[12]. 게임에 참여한 고등학생 130여 명으로부터 데이터를 수집해 분석하였는데, 그 결과 게임에 참여한 학생들의 전체 학습 성과는 미참여자보다 52% 향상됐고 성별 차이도 있었다. 또한 게임 참여도와 가상현실 현존감 모두 긍정적인 평가를 받았다.

많은 연구자들은 VR 실험의 교수법 효과를 향상시키는 데 노력해왔다. 실험설계 단계에서는 부정적 반응을 줄이는 한편 인공 지능(Artificial intelligence, AI)와의 융합에 관심을 갖을 필요가 있다. 예를 들어, Steele P는 설계자가 VR/AR 제품을 개발할 때 물리적, 심리적, 도덕적, 사회 등 방면의 윤리적 문제, 어지럼증, 넘어짐 방지 등 건강 안전 문제, 외상 후 스트레스 장애 등 심리적 문제, 개인 정보가 해커에게 이용되는 프라이버시 문제 및 실시간으로 타인과 상호작용이 부족함 등 사회 문제의 중요성을 파악하였다[13]. Lampropoulos는 생성형 AI에 관한 최신 연구에 따라 미래의 연구는 AI와 결합하여 가상 시뮬레이션 VR 플랫폼을 구동해야 한다고 제시하였다[14]. Kaplan-Rakowski는 AI를 활용해 VR 가상 시뮬레이션이 즉각적이고 개성화된 피드백과 더욱 진실한 응답을 제공할 수 있다고 강조하였다[15]. Pitura, J.는 AI 기반 인터렉션 융합이 VR 교육 경험을 풍부하게 할 것으로 방향을 제시하였다[16]. Chance E.A.는 AI와 VR이 의료교육에서 학제 간 학습과 환자 안전에 미치는 영향을 연구하였다[17]. 그 결과 AI가 VR과 협동하여 응용될 때 학생들의 기술력을 증강시킬뿐만 아니라 그 소통 스킬, 윤리적 판단력, 결정 수준도 정진할 수 있다는 것을 보여주었다. 이는 VR기술을 이용하여 학습자들이 통제할 수 있는 진실한 환경에서 전방위적인 훈련을 진행함으로써 미래의 의료종사자들이 현실 임상도전에 효과적으로 대응할 수 있도록 함으로써 환자의 안전성과 간호의 질을 제고할 수 있음을 제시하였다.

이상의 다양한 문헌들 가운데 대학 물리학 가상 실험에 해당하는 연구가 일정 부분을 차지하고 있으나, 러더퍼드 산란 가상 실험에 대한 공개된 보고는 아직 발견되지 않았다. 본 연구는 러더퍼드 산란을 주제로 한 가상 실험을 개발하고, 실험 효과를 가능한 한 극대화하는 것을 목표로 한다.

러더퍼드 산란（Rutherford scattering) 실험은 근대 물리 과학 발전사에서 가장 중요한 실험 중의 하나이다. 게이거(Geiger)와 마스든(Marsden)[18]은 1909년 실험을 통해 다수의 α 입자가 금박을 거의 방해 없이 통과하지만, 극히 일부는 큰 각도로 산란되는 현상을 관찰하였다. 이러한 결과를 바탕으로 러더퍼드(Rutherford)[19]는 1911년에 원자핵이 중심에 존재한다는 원자 모형을 제안하고, 산란 각 분포를 설명하는 이론적 공식을 정립하였다. 이 두 연구는 기존의 톰슨(Thomson) 원자 모형을 뒤집고 현대 원자물리학의 출발점을 마련한 대표적 실험 및 이론으로 평가된다. 이후 Eisberg[20]는 α 입자 산란 실험을 체계적으로 종합하여 이 연구의 물리적 의미를 강조하였으며, Webber와 Davis[21]는 Rutherford의 논문을 교육적 관점에서 재조명하면서 고전 실험이 과학 교육에서 지니는 핵심적 가치와 학문사적 중요성을 분석하였다.

그러나 러더퍼드 산란 실험을 위한 설비에 필요한 설비가 비교적 비싸서 모든 학교에서 제공할 수 있는 것은 아니다. 이 실험에 사용되는 기구는 러더퍼드 산란 실험 컨트롤러(Rutherford Scattering Experiment Controller), 진공 챔버(Vacuum chamber), 기계 펌프(Mechanical pump), 직류 전원(DC power supply), 과녁 상자(Target box), 다중 분석기(Multi-channel analyzer) 등을 포함한다. 설비에 필요한 설비가 비교적 비싸서 모든 학교에서 제공할 수 있는 것은 아니다.

이에 따라 고전적인 산란 실험을 실제 장비 없이 학습자에게 제공하려는 시도가 이루어져 왔다. Groeber는 “Experimenting from a distance in the case of Rutherford scattering” 연구에서 원격 제어 방식으로 러더퍼드 산란 실험을 구현하여 학생들이 인터넷을 통해 직접 장치를 조작하고 데이터를 수집할 수 있도록 하였다[22]. 이 연구는 원격 실험 교육의 가능성과 장점을 입증하였으며, 전통적 실험의 제약을 극복하는 교육적 사례로 평가된다.

그러나 기존의 원격 실험이나 일부 가상 실험 연구에도 불구하고, 러더퍼드 산란 실험을 완전한 VR 기반 시뮬레이션 플랫폼으로 구축하여 학습자의 몰입 경험과 조작성을 동시에 제공하려는 시도는 여전히 부족하다. 이에 본 연구는 가상현실 기술을 활용하여 러더퍼드 산란 실험 교육 시뮬레이션 플랫폼을 설계하고, 학습 효과와 상호작용성을 평가함으로써 과학 교육의 새로운 방향을 제시하고자 한다.

본 연구는 VR 시뮬레이션 기술을 이용하여 실제 모델 데이터를 바탕으로 현실적인 러더퍼드 산란 실험 가상 시뮬레이션 플랫폼을 제안한다. 이를 위해 본 연구는 Blender 소프트웨어를 사용하여 가상 실험 플랫폼의 요소를 3D로 모델링하고 러더퍼드 산란 실험의 각 측면을 분석하며 장면을 정의하였다. 또한 제안한 VR 시뮬레이션 실험 플랫폼은 사용자가 실험실의 각 측면을 더욱 직관적으로 이해할 수 있도록 3차원 가상 환경에서 물리 실험실의 기본 구조, 기기 설비, 실험 수요와 조작 방법을 보여줄 수 있도록 실험공간을 구성하였다. 이와 동시에 VR 실험 플랫폼은 실험에 참여하는 사용자의 자유도를 높일 수 있도록 사용자의 자유시각 이동기능, 사용자와 가상실험실 계기설비의 상호작용기능과 실시간 데이터 조회기능을 지원하였다. 더 나아가 이러한 기능의 실현을 보장하기 위하여 시뮬레이션 실험 플랫폼은 실제 물리 실험 기기 설비 측정 데이터를 원시 설계 데이터로 사용하고 실제 실험 기자재의 사진, 재질과 기계 구조를 참조하여 모델에 렌더링 맵을 진행하여 최종적으로 얻은 가상 시뮬레이션 실제 실험 플랫폼은 고도의 사실적인 시각 효과를 가지고 있다.

본 연구는 가상 시뮬레이션 기술을 이용하여 실제 모델 데이터를 바탕으로 보다 사실적인 러더퍼드 산란 실험 가상 시뮬레이션 플랫폼을 개발하였다. 이를 통해 제안한 가상 플랫폼에서 러더퍼드 산란 실험의 기본 원리를 형상화하고 실험자의 조작 체험감과 편리성을 향상시킬 수 있다. 학생들은 수업에 대한 수용도와 이해도가 전통적인 실험 교수에 비해 뚜렷하게 향상되어 실험 교수 경비를 절약하고 이해의 깊이를 강화하며 학습 흥미를 높이고 학습 효과를 높이는 역할을 한다.

Ⅱ. 이론적 개념

러더퍼드 산란 실험은 근대 물리 과학 발전사에서 가장 중요한 실험 중의 하나이다. 이 실험에 사용되는 기기는 러더퍼드 산란 실험 제어기, 진공실, 기계 펌프, 직류 전원, 표적 카트리지, 다중 채널 분석기 등을 포함하며, 단일 설비의 가치는 약 8천만 위안이며, 대응하는 VR 가상 시뮬레이션 실험을 개발하면 교육 기기의 원가를 효과적으로 절약할 수 있다. 그러나 러더퍼드 산란 실험 시스템을 시뮬레이션하여 가상화하고 이를 하나의 개발 프로세스로 규범화하는 데 대한 연구는 아직 적다.

2-1 러더퍼드 산란 실험

1911년에 러더퍼드 등은 원자의 핵형 모델을 제안하였다. 원자의 양전하가 원자 중심의 매우 작은 지역에 집중되어 있으며, 원자의 모든 질량도 이 지역에 집중되어 있다. 원자핵의 반지름은 대략 10^-15m로, 원자 반지름의 약 천만분의 1이다.

본 실험은 러더퍼드 코어 모델을 사용하여 α 입자 산란 실험을 설명하고 러더퍼드 산란 이론을 검증하며 산란 실험의 적용 방법을 배우는 것을 목적으로 한다.

1) 산란각 θ와 조준 거리 b의 관계

원자핵이 양전하 +Ze를 가지고 있고 α입자의 전하가 2e, 질량이 m, 에너지가 E, 속도 v로 입사한다고 가정하면, 원자핵(표적핵)의 질량이 α입자의 질량보다 훨씬 클 경우 전자는 추진되지 않는다고 볼 수 있다. 그림 1(a)와 같이 α입자는 쿨롱 힘의 작용에 의해 운동 방향을 변경하고 θ 각도로 편향된다. 그림 1(b)는 α 입자의 산란각과 임팩트 파라미터(조준 거리)와의 관계를 나타낸 것이다. 여기서 b는 원자핵과 α 입자의 원래 운동 궤적 연장선 사이의 수직 거리를 의미하며, 이는 α 입자가 원자핵과 상호작용하지 않을 때의 최소 직선 거리이다. 이 거리는 ‘임팩트 파라미터(조준 거리)’라고 불린다.

Fig. 1.

Rutherford scattering

사실, 특정 α 입자와 표적 핵 산란 사이의 조준 거리는 크거나 작을 수 있지만 많은 수의 α 입자 산란에는 특정 통계 규칙이 있다. 에너지 및 운동량 보존 법칙에 따라 쿨롱 산란 편향각 수식 (1)을 얻을 수 있으며, 여기서 θ는 b와 대응 관계가 있으며 b가 크면 θ가 작음을 알 수 있다.

$\[ ctg\frac{\theta }{2}=\frac{2b}{a} \]$

(1)

2) 러더퍼드 산란 공식

그림 1에서 볼 수 있듯이 b에서 b+db 사이의 조준 거리를 갖는 α 입자는 산란 후 반드시 θ에서 θ-dθ 사이의 각도로 분산된다. 따라서 그림에 표시된 b를 내반경으로 하고 b+db를 외반경으로 하는 모든 고리형 dS의 α 입자는 반드시 각도 θ에서 θ-dθ 사이의 원추형 최적 요소로 산란된다. 이것이 바로 유명한 러더퍼드 산란 공식이다.

$\[ \frac{d\sigma \left(\theta \right)}{d\mathrm{\Omega }}=\frac{dn}{n{N}_{0}td\mathrm{\Omega }}={\left(\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\right)}^2{\left(\frac{2Z{e}^2}{4E}\right)}^2\frac{1}{{\sin }^4\frac{\theta }{2}} \]$

(2)

물리적 의미는 단위 면적당 하나의 입자(n=1)를 수직으로 입사시켰을 때, 그 면적 내 하나의 표적 원자(N0=1)에 의해 θ각 부근의 단위 입체각으로 산란될 확률이다.

Ⅲ. 러더퍼드 교육을 위한 가상실험 환경

본 연구는 가상현실을 기반으로 한 러더퍼드 산란 실험 환경을 제안하고 평가하기 위한 것을 목표로 한다. 이를 통해 원자물리의 핵심 원리에 대한 학생들의 이해 깊이를 높이고 실험 조작 기술을 향상시키며 몰입형 학습을 체험함으로써 학생들의 학습 흥미를 줄 것으로 예상된다. 이를 위해 선행 연구를 기반으로 다음과 같이 가상현실 시뮬레이션 기반의 실험환경을 설계 및 구축하였다.

3-1 가상실험 환경 구축

본 연구는 Blender 소프트웨어를 사용하여 가상 실험 플랫폼의 모델링을 하고 장면 모델링의 측면에서 러더퍼드 산란 실험의 각 측면을 분석하고 구체적인 모델링 목표와 모델링 절차를 명확히 한 다음에 구체적인 실험 기자재의 3차원 모델링과 최적화를 하고 모델을 Blender 소프트웨어에서 Unity 엔진으로 가져온다.

Blender 소프트웨어에 기본 탑재된 내보내기 플러그인은 내보내기 과정에서 소프트웨어 결함으로 인해, 생성된 FBX 파일을 일부 엔진에 임포트할 때 법선 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제는 Unity 엔진에서도 나타난다. 본 연구에서는 Better FBX Importer and Exporter 플러그인을 활용하였으며, 해당 플러그인을 그림 2와 같이 설정함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 마지막으로 Texture Options에서 Embed Media를 체크하고 매터리얼 경로를 정확히 설정함으로써 텍스처 누락 모델의 발생을 방지하였다.

Fig. 2.

Better FBX Importer and Exporter plugin settings

실제 물리 실험을 참고하는 토대에서 가상 시뮬레이션 실험 플랫폼은 3차원 가상 환경에서 물리 실험실의 기본 배치, 기기 설비, 실험 수요와 조작 방법을 보여줌으로써 사용자가 실험실의 각 방면을 더욱 직관적으로 이해할 수 있도록 한다. 이와 동시에 실험 플랫폼은 사용자의 자유시각 이동기능, 사용자와 가상실험실 계기설비의 상호작용기능과 실시간 데이터 조회기능을 지원하여 사용자의 조작자유도를 최대한 높여야 한다.

1) 주요 모델링 요소

본 연구는 실제 요구에 따라 필요한 모델링 내용을 주요 기기 및 장비(러더퍼드 산란 실험 컨트롤러, 제어 가능한 디지털 디스플레이 전원, 과녁 상자, 진공 챔버 및 부속 기계 펌프 및 솔레노이드 밸브 스위치), 다중 채널 분석 소프트웨어, 주변 환경 장비(실험대, 칠판 등)의 세 가지 범주로 나눈다. 실험에 구축된 가상 주 장면은 그림 3과 같다.

Fig. 3.

Main window for the experimental setting*Chinese text is used in the figure to reflect the actual user interface for Chinese participants in the VR environment

2) 다중 채널 분석 소프트웨어

운영자가 실험 결과를 실시간으로 확인하고 실험 규칙을 보다 직관적으로 관찰할 수 있도록, 본 프로젝트에는 실험 결과를 자동으로 표시하고 실시간으로 차트를 생성하는 기능이 추가되었다. 실험에서 사용된 다중채널 분석 소프트웨어는 주로 타사 플러그인인 XChart를 활용하였으며, 이 플러그인은 Window Package Manager에서 직접 다운로드하여 가져올 수 있다. 해당 플러그인은 편리한 인터페이스와 차트 속성을 제공하여, 데이터를 쉽게 가져와 차트를 생성할 수 있도록 지원한다. 본 프로젝트에서는 Result Chart 클래스를 생성하여 실시간 데이터 테이블의 생성 및 속성 설정을 제어하였다.

3) 주변 환경 장비

주변 환경 장비 모델 구축은 주로 전체 가상 물리 실험실의 환경 모델 구축이다. 실외 스카이박스(Skybox) 디자인, 실험실 주변 보관 선반, 벽의 규칙 및 규정, 주의 사항 등을 포함한다. 스카이박스 관련 내용은 Unity에서 완성되었다. 실험실 기본 모델링은 Blender 플러그인을 사용하여 수행되었으며, 실제 실험실 데이터를 기반으로 구축되었다. 텍스처 손실을 방지하기 위해 실험실의 구축 세부 사항은 Unity로 가져온 후 조정되었다. 실험실 내의 기타 장비는 주로 BlenderKit을 통해 가져왔다. 이 부분의 모델은 실험실에서 자주 사용하는 모델이며 Blender 공식 재료 라이브러리 플러그인 BlenderKit을 설치할 수 있다. 이 플러그인을 통해 적합한 모델을 찾아 다운로드한 후 모델을 조정하고 수정하면 중복 모델링 작업을 크게 줄이고 작업 효율을 높일 수 있다.

3-2 실험을 위한 상호작용

실험 과정에서 사용자는 컨트롤러를 통해 다양한 상호작용을 수행할 수 있다. 실험 항목의 구체적 요구에 따라 기본적인 실험 조작과 상호작용 설계 내용은 다음과 같다.

실험과정에서 상호작용을 위해 레이캐스트(Raycast)를 활용한다. 레이캐스트는 렌더링되는 가상의 상호작용 도구로서, 사용자가 컨트롤러를 활용해 실험 객체를 지시하면 선택, 클릭, 트리거 등의 동작을 수행할 수 있다. 이를 통해 객체 잡기, 배치, 발사와 같은 실험 과제를 완수할 수 있다.

Fig. 4.

Experimental scenario of handle-based interaction in a VR environment*Chinese text is used in the figure to reflect the actual user interface for Chinese participants in the VR environment

실험 과제와의 대응 관계 측면에서 본 연구의 상호작용 설계는 사용자가 논리적 순서에 따라 절차를 순차적으로 수행할 수 있도록 한다.

1. α입자원을 선택하여 실험 장치에 배치한다.

2. 다양한 재질 또는 두께의 표적을 교체한다.

3.α입자를 발사하여 산란 결과를 관찰한다.

4.산란각 분포를 기록하고 이론 곡선과 비교·분석한다.

교육적 기능 측면에서 이러한 상호작용은 학습자의 몰입감과 참여감을 강화하며, 능동적 조작을 통해 α입자와 원자핵 간 상호작용의 규칙을 직관적으로 이해하도록 돕는다. 이는 단순한 수동적 관찰에 비해 학습 효과를 크게 향상시킨다.

사용자 경험 측면에서 상호작용 설계는 조작의 직관성과 낮은 학습 비용에 중점을 두었다. 합리적인 버튼 매핑과 상호작용 논리를 통해 학습자는 신속하게 조작 방식을 습득하고 실험 내용에 집중할 수 있다.

마지막으로, 피드백 메커니즘은 실험 결과의 이해와 검증 가능성을 보장한다. 시스템은 조작 이후 즉각적인 다층적 피드백을 제공하며, 산란 궤적의 시각화, 산란각 데이터의 수치화, 실험 결과의 그래프화 등을 포함한다. 이는 학습자의 이해를 심화시키고, 실험 데이터와 이론 분석간의 대조를 가능하게 한다.

3-3 러더퍼드 실험 준비 및 수행 과정

본 연구에서 구현한 가상 러더퍼드 산란 실험은 실제 실험 절차와 동일한 흐름으로 준비 단계와 실행 단계로 구분된다. 특히 빈 과녁 실험(Empty Target Experiment)과 금 과녁 실험 (Gold Target Experiment)을 구분하여 설계하였다.

빈 과녁 실험은 α 입자가 공기 중에서 이동하는 범위(R)와 에너지(E)를 측정하는 것을 목적으로 한다. 이를 통해 시스템의 정상 동작 여부를 점검할 수 있으며, 금 과녁 실험에서 산출되는 산란 데이터와 비교할 수 있는 기초 자료를 제공한다.

이에 반해 금 과녁 실험은 α 입자가 금박을 통과하면서 발생하는 산란 현상을 관찰하고, 산란각 분포를 기록하는 것을 목적으로 한다.이를 통해 러더퍼드 산란 공식의 이론적 예측과 가상 실험 데이터를 비교·검증할 수 있다.

빈 과녁 실험과 금 과녁 실험을 명확히 구분함으로써, 학습자는 두 실험의 상호 보완적 역할을 이해할 수 있으며, 실험 과정에서 물리적 의미를 단계적으로 습득할 수 있다. 나아가 이는 단순한 실험 재현을 넘어, 학습자가 과학적 탐구 과정에 능동적으로 참여하도록 유도하는 교육적 장점을 제공한다.

전체 실험 과정의 전후는 빈 과녁과 금 과녁으로 바꾸어 실험을 진행해야 한다. 여기서 빈 과녁으로 실험하는 흐름도는 그림 5에 제시되어 있다.

Fig. 5.

Empty target experiment process (measuring the range R and energy E of alpha particles in air)

1) 빈 과녁 실험 준비 및 실행

실험 준비 단계는 4단계의 상호작용으로 구성된 실험설정이 진행된다. 가상 인터페이스 기반 상호작용이 포함된 실험과정은 그림 6과 같다.

Fig. 6.

Virtual interface during the experimental preparation phase*Chinese text is used in the figure to reflect the actual user interface for Chinese participants in the VR environment

첫째, 직류 전원 켜기: 레이캐스트를 활용해 직류 전원 POWER 선택 버튼을 클릭하고 오른쪽 손잡이 왼쪽 버튼을 당겨 제어가능한 디지털 전원 스위치를 켠다.

둘째, 과녁 상자를 열다: 레이캐스트를 이용해 클릭하여 표적 상자를 선택하고 오른쪽 손잡이의 왼쪽 버튼을 당겨 과녁 상자를 연다.

셋째, 빈 과녁을 진공실에 놓는다:레이캐스트를 이용해 진공실 뚜껑을 선택하고 오른쪽 손잡이 왼쪽 키로 그것을 선택하거나 풀 수 있다. 레이캐스트는 빈 과녁을 선택하고 오른쪽 손잡이의 왼쪽 버튼을 당겨 빈 과녁을 선택하고 진공실로 드래그한다.

넷째, 진공실을 진공 흡입: 오른쪽 손잡이 왼쪽 키로 클릭하여 선택하고 놓으면 진공실 뚜껑을 덮을 수 있다. 오른쪽 손잡이 왼쪽 키로 기계식 펌프 스위치와 솔레노이드 밸브 스위치를 켜고 진공을 뽑기 시작한다.

이상의 단계를 완료하면 실험 테스트 단계에 들어갈 수 있으며, 다음 4단계로 이루어진다.

첫째, 러더퍼드 산란 시험 제어기의 조정은 그림 7(a)와 같다. 오른쪽 손잡이 왼쪽 키로 먼저 PUSH 버튼을 누르고 START 버튼을 누르면 -5에서 +5까지 모서리 범위를 조정하고 매번 1씩 증가한다.

Fig. 7.

Interactive scenarios during experimental testing and gold target experiments*Chinese text is used in the figure to reflect the actual user interface for Chinese participants in the VR environment.

둘째, 다중 채널 분석 소프트웨어를 열고 매개 변수를 설정한다. 그림 7(c)와 같이 오른쪽 손잡이 왼쪽 키로 설정 버튼을 클릭하고 설정 창을 연다. 테스트 시간은 60s, 120s 등으로 설정할 수 있다.

셋째, 서로 다른 기압을 측정할 때의 계수를 측정한다. 그림 7(b)와 같이 시작 단추를 눌러 선택된 계수를 기록하고 데이터 표에 기입한다. 오른쪽 손잡이 왼쪽 키로 솔레노이드 밸브 스위치를 끄고 기압 밸브를 열어 6KPa-30KPa 기압 아래에서 서로 다른 기압 및 대응하는 계수율을 기록한다.

넷째, 다중 분석 소프트웨어를 통해 계수를 측정한다. 기압 크기를 변경하고 계수율을 측정한다. 이렇게 다섯 세트의 데이터를 중복하여 측정하면 진공시의 데이터와 기압 P와 계수율 N 사이의 관계를 그려 상응하는 데이터를 계산한다.

2) 금 과녁 실험

금 과녁으로 실험을 하고 3단계를 통해 러더퍼드 산란 관계식을 검증할 수 있다.

첫째, 진공실에 금 과녁을 놓다.그림 7(d)와 같이 오른쪽 손잡이 왼쪽 버튼으로 기압 밸브를 열고 공기를 넣고 진공실 뚜껑을 책상 위에 놓는다. 빈 과녁을 선택하고 오른쪽 손잡이 왼쪽 키로 과녁 상자에 넣는다. 금 과녁을 선택하고 오른쪽 손잡이 왼쪽 버튼으로 금 과녁을 진공실에 넣는다.

Fig. 8.

Flowchart of gold target experiment (verification of Rutherford scattering relationship)

둘째, 10° ~ 25° 범위의 모서리 산란 계수율 측정한다. 시간을 90s로 설정하고 10°~25 ° 범위의 모서리 산란 계수율을 측정하여 각도와 시간의 길이를 조정한다. 그림 9는 편향각이 0°이고 측정 시간이 90s일 때 다중 채널 분석기를 통해 획득된 스캔 이미지를 나타낸 것이다.

Fig. 9.

Multi channel analyzer software*Chinese text is used in the figure to reflect the actual user interface for Chinese participants in the VR environment.

셋째, N과 1/sin⁴(θ/2)의 관계도를 그린다. 위의 6개의 데이터에 근거하여 N과 사이의 관계도를 그리고 경사를 확정하며 공식을 검증한다(3).

그림 9와 같이, 다중 채널 분석 소프트웨어는 실험 데이터의 실시간 수집과 시각화를 지원한다. 이를 통해 산란각 분포와 이론 곡선의 비교가 가능하도록 결과가 그래프 형태로 직관적으로 제시된다.

Ⅳ. 가상 실험 평가

본 실험에서는 15명의 피실험자들이 제안한 VR 시뮬레이션 실험에 참여하였다. 본 연구에서는 대학 학생들 중에서 대학 수학 과목을 수강 중이거나 이미 수강을 완료한 자들을 대상으로 피실험자를 모집하였다. 피실험자들의 세부 정보는 표 1에 제시되어 있다. 실험을 시작하기 전에 모든 참가자는 사전 동의서를 읽고 서명하여 참가자가 자발적이고 사전 예방적이며 방해받지 않고 실험 경험에 참여하도록 하였다. 실험참여자 면접 시, 본 연구에서 중점적으로 고려한 사항은 이들이 러더퍼드 산란 실험의 핵심 내용 및 그 검증 방법을 이해할 수 있는지 여부였다. 조사 대상은 수학 전공 학부생 10명, 소프트웨어 공학 전공 학부생 5명이다. 이들 15명의 지원자 중 VR기기를 사용해 본 적이 없는 사람은 11명, 4명은 VR기기 사용 경험이 있다. 본 연구는 표본 수의 한계로 인해 두 집단을 분리하여 통계적으로 분석하지 않았으며, 전체 집단을 대상으로 통합 분석을 수행하였다.

Table 1.

Statistics of participants’ basic information

실험 전에 피실험자들에게 실험 강의를 미리 배포하여 실험에 관해 미리 파악하도록 예습을 진행하였다. 예습을 통해 피실험자들이 러더퍼드 산란 실험의 실험 원리, 주요 실험 내용, 데이터 처리 방법을 이해할 수 있도록 하였다. 그리고 피실험자들은 실험실에 들어가 실험실에서 META Quest3 VR 안경을 착용하고 60~90분 동안 가상 시뮬레이션 실험을 진행하여 완전한 가상 시뮬레이션 실험 조작을 완료하고 실험 데이터를 기록하고 데이터를 분석하였다. 그림 9는 피시험자가 테스트를 진행하는 실험 장면과 그들이 직접 보게 된 대응화면을 나타내고 있다. 실험이 완료된 후, 각 피실험자들에게 설문지를 작성하도록 하고 피드백을 수집하기 위해 피실험자자 인터뷰를 조직하여 해당 시뮬레이션 실험의 상호작용성, 몰입감 및 만족도를 평가하였다.

Fig. 10.

Test scenario and actual machine screen*Chinese text is used in the figure to reflect the actual user interface for Chinese participants in the VR environment

4-2 리커터 척도 결과

Table 2.

Evaluation of experimental content satisfaction

Table 3.

Interactive satisfaction evaluation

Table 4.

Learning outcomes satisfaction

사용성 평가에 관해 과학성, 상호작용성, 몰입감 등 세 가지 측면에서 총 15개 문항으로 진행된 설문지의 결과는 그림 11~13와 같다.

Fig. 11.

Scientific satisfaction results

과학적 만족도 세부 평가 결과는 그림11을 참조하며, 각 조사 항목의 점수 평균을 수직 도표 형식으로 보여준다. 설문 조사 결과를 보면 피실험자들은 가상 시뮬레이션 실험 교육 모델에 대해 매우 환영한다는 것을 알 수 있다.

과학적 만족도는 총 5문항으로 1점에서 5점으로 평균3.94점을 받았다. VR 과정은 물리학과 지식을 잘 나타내고 정보의 풍부도가 비교적 좋으며 물리 원리와 개념의 전체적인 설명과 전시에 있어 물리 실험 정보나 지식획득의 편리성 등 측면에서 전체적으로 참여자에게 높은 점수를 받았다.

상호작용 만족도 세부 평가 결과는 그림 12에 제시되어 있다. 상호작용성 만족도는 총 5문제로 점수가 1점에서 5점으로 평균 3.83점을 받았다. 결과에 따르면 피실험자들은 과정 조작 인터페이스와 상호작용 방식에 대한 직관성, 가상 실험 설비의 조작 감촉과 진실감, 그리고 VR 실험에서 입력한 정보(예를 들어 실험 데이터를 작성하고 질문에 대답하는 것)의 편리함에 대해 모두 비교적 만족하였다. 그러나 가상 객체와의 상호 작용의 안정성에서는 피실험자의 경험이 3.73점으로 낮았다.

Fig. 12.

Interactive satisfaction results

가상실험에 대한 몰입감과 교과 수업 만족도 평가 결과는 그림 13에 제시되어 있다. 몰입감과 교과 수업 만족도에서 총 5문제를 설계해 점수는 1점부터 5점까지 평균 4.08점을 받았다. VR 기술과 물리 실험 교육의 융합 효과, VR 과정의 학습 흥미 향상, 그리고 VR 과정이 학과 지식에 대한 파악과 응용 능력 향상에 있어 학생들은 만족스러운 대답을 하였다.

Fig. 13.

Immersion and course teaching satisfaction results

본 연구의 설문 조사 결과, 실험 내용 만족도(평균 3.94), 상호작용 만족도(평균 3.83), 학습 결과 만족도(평균 4.08) 모두 리커트 척도의 중위값(3점)보다 유의하게 높게 나타나(p < 0.05), 피험자들이 전반적으로 가상 실험에 대해 긍정적인 태도를 보였음을 확인하였다. 또한 Cronbach’s α 계수가 각각 0.82, 0.80, 0.85로 나타나 세 영역 모두 양호한 내적 일관성을 지녔으며, 특히 학습 성과 영역에서 가장 높은 점수를 보여 본 실험이 학습 동기와 지식 적용 능력 향상에 효과적임을 시사한다.

4-3 인터뷰 결과

설문 조사 외에 우리는 그룹 인터뷰를 통해 심층적인 특성을 파악할 수 있었다. 인터뷰를 통해 참가자들이 직면한 문제는 주로 다음 두 가지 측면에서 나타났다. 첫째는 동료 상호작용과 교사의 지도 부족이며, 둘째는 VR 기술 문제에 대한 숙련도 부족이다. 3명의 참가자는 VR 실험에서 동료 상호작용과 교사의 지도가 부족하다고 언급하였는데, 본 실험의 원리는 상대적으로 복잡하기 때문에 비록 수업 전 예습을 하였지만, 실험 중 몇 가지 어려운 문제에 직면하였고, 단순히 가상 현장의 칠판 안내만으로는 실험을 완료하기 어려웠다. 그러나 전통적인 실험에서는 교사와 동료의 도움을 쉽게 받을 수 있었으며, 이는 자신의 학습 효과에 영향을 미쳤다. 기술 문제 또한 흔히 발생하였는데, 일부 참가자는 초기에 VR 장비를 사용할 때 어려움을 겪었으며, 이는 그들의 학습에 영향을 미쳤다. 또한 참가자들은 가상 환경에서 스트레스와 불안감을 포함한 심리적 요인도 문제점으로 나타났다.

도전을 극복하기 위해 참가자들은 다양한 적응 전략을 사용하였다. 동료의 지원이 부족하기 때문에 한 참가자는 자신의 조작 방법을 조정하였다. 그녀는 "아무도 구체적인 도움을 줄 사람이 없다는 것을 깨달았을 때, 나는 불안을 버리고 다양한 해결 방법을 시도해 보았다"고 말하였다. 그러나 대부분의 참가자가 VR 환경의 도전에 적응하려고 노력했지만 한 참가자는 이러한 어려움을 극복할 수 없다고 말하였다.

인터뷰에서 우리는 80% 이상의 참가자들이 VR 실험에 대해 적극적인 태도와 높은 인정을 보인 것을 관찰하였다. 도전에도 불구하고 몇몇 참가자는 실험 시뮬레이션을 마친 후"이 과정은 나에게 있어서 신기하고 도전적이며, 나의 학습 자신감을 증강시켰다"고 말하였다.

참가자들은 가상 실험에서 배운 기술이 실제 세계로 정확하게 이전되었는지에 대해 다른 견해를 가지고 있다. 긍정적인 측면에서 많은 참가자들은 시뮬레이션에서 얻은 지식을 실제 실험에 적용할 수 있다고 생각한다. 그러나 일부 참가자는 회의적이었다.

실험자들이 가상실험에서 배운 기술을 현실에 정확하게 활용할 수 있을지도 많은 연구자들이 우려하는 부분이다. Billingsley는 테스트자가 VR 시뮬레이션에서 얻은 기술이 수업에 실제로 옮겨질 수 있을지는 아직 확실하지 않다고 하였고[24], Garland는 VR에서 습득한 실험적 경험이 장기적으로 유지될 수 있을지 확실하지 않음을 강조하였다[25]. 실제로 VR 실험이 상호작용에서의 선택은 실험의 요소적 문제일 뿐이며 실험의 모든 문제를 다루는 것이 아니므로 분명한 차이가 있다. 이러한 차이점은 실험 설계자가 설계 과정에서 VR로 다루기 위한 실험의 핵심적인 문제를 포착하고 반영을 충실히 해야 함을 알 수 있다.

Table 5.

Satisfaction Interview questions

결론적으로 인터뷰에 참가한 학생들은 러더퍼드 산란 실험에 대해 보편적으로 만족하고 있으며, 가능한 한 빨리 이런 형식의 VR 실험을 실제 수업에 도입할 수 있기를 희망하고 있음을 알 수 있다. 인터뷰를 통해 본 연구의 주요 장점은 실험 검증 방법과 상호작용 절차가 명확하다는 것다. 전체 실험 과정은 실감이 나서 학생들이 몰입식 학습에 들어갈 수 있다. 부족한 점은 상호작용 체험이 아직 그다지 이상적이지 않다는 것이다. 학생 실험 과정에서 만약에 어려움을 겪고 교사가 VR설비를 조작하는 것에 익숙하지 않으면 교사의 신속한 도움을 받을 수 없다. 가상 장면의 칠판에는 실험 조작 힌트가 있지만 일부 학생들에게는 여전히 조작하기 어렵다. 응답자들은 후속 연구에서는 실험 온라인 연결 기능을 추가할 것을 제안한다. 이를 통해 교사나 동창들이 가상 시나리오에 접속하여 실험자를 돕고 실험을 완료할 수 있도록 하기 위함이다.

사용자의 의견을 수집함으로써 본 VR 실험을 후속적으로 최적화하고 보완하며 학습효과를 향상시키는 데 실행 가능한 방향을 제공했고 본 연구의 심화를 위해 실천 기반을 마련하였다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 대학 물리 교육에서의 러더퍼드 산란 실험을 효과적으로 진행할 수 있도록 Blender 소프트웨어를 활용하여 실험요소와 환경 모델링을 하였고 Unity 3D 엔진을 기반으로 실시간 상호 작용이 가능한 러더퍼드 산란 가상 시뮬레이션 실험환경을 개발하고 평가하였다. 이 과정에서 기존의 대학 물리학 가상 실험 설계에서 거의 활용되지 않았던 Blender를 활용하여 실험요소를 모델링하였으며, 가상환경에서의 실험 워크플로우를 정의하였다. Blender 기반의 모델링은 여러 장점을 지니고 있으며, 본 연구에서는 제 3자 플러그인을 활용하여 설계 과정에서 발생한 문제들을 보완하였다. 중요한 실험을 가능한 한 사실적으로 구현하기 위해 실험에서의 UI 인터페이스 상호작용 디자인, 실험 상호작용 기능 디자인과 데이터베이스 디자인을 구성하였다. 실험 인터렉션 기능 방면에서 실험실 자유 이동, 진공실 뚜껑 열기 및 닫기, 실시간 파라미터 조정, 실시간 결과표 전시, 사용자 로그인 등록 등 일련의 기능을 구현하였다. 마지막으로 윈도우 플랫폼에서 배포 및 실행할 수 있는 가상 시뮬레이션 실험 소프트웨어를 패키지로 구축하였다. 그리고 실험 인터뷰와 설문 조사를 통해 참여자들은 가상현실 환경에서 실험의 과학성, 상호작용성과 몰입감 등 방면에 대해 모두 비교적 높은 만족도를 갖고 있음을 알 수 있었다.

제안한 가상현실 기반의 실험 플랫폼 연구는 다음과 같은 의의가 있다. 먼저 대학의 교육 비용을 절감할 수 있고, 더 많은 학생들이 러더퍼드 산란 실험을 직접 체험할 기회를 제공할 수 있다. 또한 물리학에서 원자핵 이론에 대한 이해를 강화할 수 있으며 향후 고도화된 실험 관련 교육에 참고할 수 있는 유용한 사례를 제공한다.

추후 연구로 우리는 이 가상모의실험에 참여하는 학생수를 증가하고 인터뷰에서 피드백한 문제에 대해 사용성을 개선하고 AI를 이용하여 VR실험과 분석을 보조하는데 추가적인 연구가 필요하다.

제안한 가상현실 기반 과학실험 연구 초기 연구로써 추가적인 연구가 진행되면서 실험을 보다 사실적이고 정밀하게 구성하여 실질적인 교육효과를 향상시키게 된다면 향후 과학과 공학 분야의 융합의 초석으로써 역할이 될 것으로 기대한다.

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