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Journal of Digital Contents Society - Vol. 22 , No. 5

[ Article ]
Journal of Digital Contents Society - Vol. 22, No. 5, pp.791-800
Abbreviation: J. DCS
ISSN: 1598-2009 (Print) 2287-738X (Online)
Print publication date 31 May 2021
Received 12 Mar 2021 Revised 01 Apr 2021 Accepted 01 Apr 2021
DOI: https://doi.org/10.9728/dcs.2021.22.5.791

화력발전 보일러를 위한 가상 유지보수 훈련 시스템의 개발과 사용자 경험 평가
신정민1 ; 이석한2 ; 유재언3 ; 노창현4 ; 오정아3 ; 김상연5, *
1한국기술교육대학교, 인터랙션 연구실, 첨단기술연구소, 컴퓨터공학부, 교수
2한국기술교육대학교, 인터랙션 연구실, 첨단기술연구소, 컴퓨터공학부, 석박사통합과정
3가천대학교 사회복지학과 교수
4한국원자력연구원 책임연구원
5한국기술교육대학교, 인터랙션 연구실, 첨단기술연구소, 컴퓨터공학부, 교수

Development and Evaluation of a Virtual Maintenance Training System for Thermal Power Plant Boiler
Jungmin Shin1 ; Seok-Han Lee2 ; Jae-Eon Yoo3 ; Changhyun Roh4 ; Jung-A Oh3 ; Sang-Youn Kim5, *
1Professor, Interaction Laboratory of Advanced Technology Research Center, Korea University of Technology and Education, 31253, Korea
2Master’s and Doctorate Course, Interaction Laboratory of Advanced Technology Research Center, Korea University of Technology and Education, 31253, Korea
3Professor, Department of Social Welfare, Gachon University, 13120, Korea
4Senior Researcher, Korea Atomic Energy Research Institude, 34057, Korea
5Professor, Interaction Laboratory of Advanced Technology Research Center, Korea University of Technology and Education, 31253, Korea
Correspondence to : *Sang-Youn Kim Tel: +82-41-560-1484, E-mail: sykim@koreatech.ac.kr


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초록

본 연구에서는 가상환경에서 화력발전 보일러 유지보수 학습을 할 수 있는 몰입형 훈련 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 HMD(Head Mounted Display), 트래커를 포함한 가상현실컨트롤러, VR 베이스 스테이션, 그리고 학습 내용인 훈련콘텐츠, PC로 이루어져 있으며, 사용자가 안전한 가상의 학습환경에서 시각 및 촉각 피드백과 다양한 상호작용을 통해 화력발전 보일러 유지보수 실습작업에 집중할 수 있도록 해준다. 이 같은 가상현실 기반의 상호작용 시스템은 학습자의 능동적 학습 의지를 강화하고 촉감 피드백을 통해 한층 높은 몰입감을 형성함으로써 자기 주도적인 학습활동을 촉진한다. 본 연구에서 제안된 가상현실 기반의 화력발전 보일러 유지보수 훈련 시스템은 리커트 5점 척도를 이용한 사용자 학습경험 조사에서 비교적 높은 점수를 받았다(능동성 : 4.13, 몰입감 : 4.24, 실재감 : 4.04, 전반적 만족도 : 4.27, 사용성 : 4.02). 이 결과는 제안하는 시스템이 비대면 직업훈련 실습을 위한 교육훈련 미디어로서 높은 사용 가능성을 보여준다.

Abstract

This paper presents an immersive training system which helps users to learn thermal power plant boiler maintenance in virtual environment. This proposed virtual maintenance training system for the thermal power plant boiler consists of a head mounted display (HMD), a virtual reality controller including a tracker, a VR base station, a virtual training content, and a PC. This virtual training system supports users to interact with virtual objects through visual and kinesthetic feedback in a safe environment and to concentrate on thermal power boiler maintenance practice. The VR based immersive training system strengthens users' learning conation, increases users' immersion, and promotes users' self-directed study activity. Evaluation tests were conducted to investigate the degree of users’ experience of the virtual reality-based thermal power boiler maintenance training system using 5point Likert scale. As a result, the proposed system received relatively high score (activeness : 4.13, immersion : 4.24, realism : 4.04, overall satisfaction : 4.27, usability : 4.02). The result shows that the proposed system has a possibility to be used as an education and training media for non-face-to-face vocational training practice.


Keywords: Virtual reality, Education/Training, Visualization, Self-directed learning, Haptics
키워드: 가상현실, 교육/훈련, 시각화, 자기주도학습, 햅틱스

Ⅰ. 서 론

코로나 19 팬데믹으로 비대면 산업에 대한 전반적인 수요가 증가하고, 가상현실 기술에 관한 관심도 급증하고 있다. 세계적으로 가상현실 (VR; virtual reality), 증강현실 (AR; augmented reality), 자연스러운 사용자 인터랙션 기술들을 총망라한 확장현실 (XR; extended reality) 시장은 2019년 78.9억 달러(약 8.56조 원)에서 2024년 1,368억 달러(약 150.34조 원)로 5년간 연평균 76.9%의 성장이 전망되고 있으며, 이 중 교육훈련 부문 XR 연관산업 시장의 성장률은 헬스케어(24.2%), 제품·서비스 개발(23.9%)에 이어 19.8%로 높게 전망되고 있다[1]-[3]. 더불어 최근 포스트로나 시대의 교육 방안으로서 비대면 실습을 지원하는 방안으로 VR 기술을 적용한 교육훈련 매체에 대한 요구도 높아지고 있다.

가상현실은 컴퓨터가 생성하는 가상공간을 사용자가 실제환경에 있는 것과 같이 구현하는 기술로, 가상현실을 이용하면 실제 세계뿐 아니라 실제에 존재하지 않는 상황도 가상세계에서 실제와 같이 생생하게 모사된다[4]. 이러한 가상현실 기술은 실습이 용이하지 않은 분야의 교육도 현실감 있게 할 수 있으므로, 비대면 교육 이슈가 강조되지 않았던 때에도 건설이나 제조 등의 위험한 작업장이나 의료, 국방 등 다양한 교육훈련에도 이미 폭넓게 적용되어왔다. 최근 들어, 가상현실기술은 시각화, 청각화, 촉각화 기술들과 접목되어 사용자에게 가상공간 내의 물체들을 실제와 같이 만지고 조작할 수 있게 해 준다[5]-[8]. 이와 같은 특징은 교육훈련에서 학습자가 자발적이고 능동적으로 학습에 집중할 수 있게 해주며, 또한 학습자가 학습에 주체적으로 참여하는 체험 위주의 자기 주도적 학습경험을 제공한다[9].

교육심리학에서 능동성은 “인간은 ‘빈 용기’가 아니라 의미를 찾는 능동적 유기체”[10]라는 인간에 대한 근본적 관점에 기초해 있다. 같은 맥락에서 능동적 학습 (active learning)은 학습자들이 수동적으로 정보를 받아들이는 전통적 강의 형태의 교육과 대비되는 개념으로, 학습자들을 의미 있는 학습 활동에 참여하게 하고 학습자 스스로 자신들의 학습 행위와 상황에 대해 생각하게 하는 포괄적 교수전략으로 사용된다[11]- [12]. 주목할 것은 학습에서 능동성은 주위에서 강요하지 않아도 스스로 즐겨 하고 싶다는 내적 동기로 학습몰입으로 연결되는 요인이된다는 것이다[13]. 경영학이나 자기계발 영역에서는 선제적 행동이 강조되는 의미로서의 능동성 (proactivity)의 개념이 쓰이지만, 가상현실에서의 능동성은 미래에 초점을 맞추어(future-focused), 발생할 수 있는 문제를 미리 예상하고 (anticipating), 다른 사람이 지시할 때까지 기다리지 않고 스스로 개선점을 찾아 나서는 (self-initiating), 변화 지향적인(change-oriented) 조직 행동으로 정의되기도 한다[14].

이와 같이 가상현실 기술이 가진 몰입감과 능동성은 자기 주도적인 학습과 관련이 깊다. 성인학습 맥락에서 자기주도학습을 정의한 Knolwls(1975)에 따르면, 자기주도학습 (Self-directed learning)은 학습자의 자존감, 성취 및 성장 욕구, 성취에 대한 만족, 호기심과 같은 내적 동기를 가정하고 있다. 학습자는 이러한 내적 동기에 의해 타인의 도움 없이 자기 스스로가 주도권을 가지고 학습 목표를 설정하고 효율적인 학습전략을 사용하며, 학습결과를 스스로 평가함으로써 학습의 효과를 추구하는데. 이는 단순한 자율학습이나 독학의 개념을 넘어서는 것이다[15]. 능동성은 점수나 외적인 보상이 아닌 호기심과 자발적인 성취 욕구와 같이 내재적 동기 중 하나로, 학습을 수행하는 데 있어서 타인의 평가나 수행의 실패 또는 성공 여부보다는 자발적인 성취 의욕을 발판으로 학습을 시작하고 지속하게 하는 특성이 있다[13]. 이런 점에서 학습자의 의지에 따라 반복 학습이 가능한 가상현실 기반의 교육훈련 시스템은 학습자의 능동적 실행 의지를 높이며 지식과 기술을 자기 주도적으로 습득할 수 있는 직업교육훈련의 기회를 제공한다[16].

가상훈련 (Virtual reality-based training)은 몰입감을 유발하는 상호작용 기술이 가상현실 기반 교육훈련 콘텐츠에 적용되어 자기 주도적으로 학습할 수 있는 교육훈련 방법이라고 할 수 있다. 가상훈련 교육콘텐츠는 실제 교육훈련에 비교해 볼 때 비용 부담이나 위험한 환경 등 물리적인 제약에 자유로우므로 교육의 효과성과 효율성 모든 측면에서 교육적 장점이 매우 크다. 일반적으로 교육의 효과성 (effectiveness) 은 교육목표를 달성하기 위해 요구되는 교육환경의 조건이고 교육의 효율성(efficiency)은 교육목표를 달성하는데 미치는 교육환경의 경제적 영향의 정도를 의미한다[17]. 가상훈련 콘텐츠는 고위험, 고비용, 대규모 설비가 필요한 직업교육훈련 프로그램으로서 교육적 효과와 효율성을 담보한 교육훈련 방법이라고 할 수 있다.

본 연구에서는 가상훈련의 교육적 효율성과 효과성을 주목하여 실제 장비훈련이 어려운 플랜트 보일러 설비의 예방정비 및 관리 (PM; preventive maintenance)를 수행할 수 있는 가상현실 기반 화력발전 보일러 유지보수 시스템을 개발하였다. 주요 훈련 내용은 화력발전 보일러 설비의 기계적 결함 예방, 주요 장비의 분해·조립 등의 실습 훈련을 통해 실무자의 주기별 예방정비 및 유지 능력을 향상하기 위한 교육용 내용으로 구성하였다. 따라서 화력발전 보일러 관련 기계 설비 분야 산업체 종사자의 실무교육으로 활용할 수 있으며, 신규 입직자도 활용할 수 있도록 난이도를 조정하여 설계하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 가상현실 기반 직업교육훈련 콘텐츠는 학습자가 실제 설비 시설을 방문하지 않아도 능동적으로 몰입할 수 있는 실제와 같은 환경에서 작업에 대한 안전사고에 대한 걱정 없이 반복적으로 훈련할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구의 목적은 사용자 경험 평가를 통해 실제로 가상현실 기반 교육훈련 콘텐츠의 장점이 존재하는지, 그렇다면 어떤 측면에서 학습에 기여하는지, 전 교육훈련 과정에 확산하기 위하여 보완할 점은 무엇인지 밝히는 데 있다. 이를 위하여 Ⅱ장에서는 가상현실 기반의 화력발전 유지보수 시스템의 구성과 기능을 서술하고 Ⅲ장에서는 가상훈련 학습환경 구축 내용을 소개한다. 그리고 Ⅳ장에서는 구축된 가상훈련 환경에서 사용자 평가를 진행하여 분석 결과를 제시하고, Ⅴ장에서 결과분석에 대한 함의를 논의한다.


Ⅱ. 시스템 구성
2-1 전체 시스템

제안하는 가상현실기반 화력발전 보일러를 위한 유지보수 훈련 시스템은 머리착용디스플레이 (HMD; head mounted display), 트래커를 포함한 가상현실 햅틱 컨트롤러, VR 베이스 스테이션, 그리고 가상현실 콘텐츠를 생성하고 사용자에게 상호작용하는 PC로 이루어져 있다. 교육 시 사용자는 햅틱 컨트롤러를 손에 잡고 훈련한다. 컨트롤러의 움직임은 VR 베이스 스테이션을 이용하여 측정되며, 컨트롤러의 기울기는 자체에 탑재된 관성 측정유닛 (IMU; inertial measurement unit)에 의해 측정된다. 이와 같이 사용자가 잡고 있는 햅틱 컨트롤러의 위치와 기울기가 측정되어 PC로 전달되어 상호작용의 기초 정보로 활용된다. 또한 사용자가 쥐고 있는 컨트롤러가 가상의 물체와 충돌이 발생하면 컨트롤러에 있는 진동모터를 구동시켜 사용자에게 촉감을 발생시킨다. 그림 1은 전체 시스템의 신호 흐름도를 보여준다. 앞서 언급한 것과 같이, 사용자가 햅틱 컨트롤러를 잡고 움직이면 움직인 정보가 무선 통신 (블루투스)를 통하여 PC 내 모션 분석 모듈로 전달되고 모션분석 모듈은 가상의 물체와 사용자 사이의 충돌을 체크하고 대상물체의 움직임을 계산하여 렌더링 모듈에 전달한다. 렌더링 모듈에서는 물체의 위치와 회전에 따라 3차원 물체의 좌표계의 정점들을 2차원 화면 좌표계로 바꾼 후, 조명효과를 고려하여 사실감 있게 표현해 준 후 HMD를 통해 사용자에게 보여준다. 그리고 충돌 효과는 컨트롤러에 탑재된 진동의 세기를 조절하여 발생 된 충돌을 사용자가 촉각적으로 전달받을 수 있도록 한다.


Fig. 1. 
Signal flow diagram of entire system


Fig. 2. 
Developed haptic controller

2-2 온열감 햅틱 컨트롤러

햅틱 컨트롤러는 STM32F103C6T6 마이크로컨트롤러를 이용하였으며 배터리, 블루투스 모듈, 펠티어 온도소자를 하나의 컨트롤러 내부로 모두 들어가도록 구현되었다.

펠티어 온도소자는 PWM 채널 및 전류 방향 전용용 GPIO (General Purposed Input Output) 채널을 이용하였으며, 누름 스위치 및 상태 LED를 위하여도 GPIO를 이용하였다. 그리고 온도측정과 배터리 상태 측정을 위하여 아날로그디지털(A/D)변환 채널을 이용하였다. 햅틱 컨트롤러와 가상환경과의 통신은 블루투스 모듈은 Bot-CLE310 모델을 적용하였으며 가상환경과 115200 bps 의 속도로 통신하였다. 또한 PC와 햅틱 컨트롤러가 연결되면 BLE STATUS 핀을 통해 햅틱 컨트롤러에서 LED로 확인할 수 있도록 구현하였다.

온도 센서를 통해 현재의 온도를 읽어오고 이렇게 읽은 온도 데이터와 설정된 데이터를 바탕으로 PID 제어기를 통하여 원하는 온도 값에 해당하는 전류가 생성되어 펠티어와 사람의 손바닥이 닿는 부분에 따뜻함과 차가움을 느낄 수 있도록 하였다.


Ⅲ. 가상환경 구축
3-1 모델링 및 렌더링

화력발전 보일러를 위한 가상 유지보수 훈련 콘텐츠는 그림 3와 같이 압입 통풍기, 미분기, 쇼트 수트 블로워, 롱 수트 블로워를 중심으로 구현되었다. 그림 3(a) ~ 3(d)는 각 컴포넌트의 모델링 된 결과이다. 이들의 모델링을 위해 산업현장을 방문하여 실제 장비의 전반적인 외형/내형 및 아이솔레이션 밸브 등을 실제 육안으로 관찰하고 대략적인 형상과 크기 및 주변 환경 등을 확인하였다. 그리고 사진 자료와 해당 분야 내용 전문가 자문을 바탕으로 하여 정보를 수집하고 사실적인 형태와 색상, 질감 등을 확인하였다. 또한 3차원 컴퓨터 지원 설계 프로그램인 카티아(Computer Aided Three dimensional Interactive Application; CATIA)를 이용하여 CAD 모델을 변환하고 내용 전문가 자문을 바탕으로 3Ds Max를 활용하여 모델링 하였다.


Fig. 3. 
Detailed 3D models for thermal power plant boiler

CAD모델을 통하여 압입 통풍기의 컴포넌트들 (루브 오일 유닛, 보온재 케이싱, 내부 구조 등), 미분기의 컴포넌드들 (저널, 밸브, 호이스트, 내부 구조 등), 쇼트 수트 블로워의 컴포넌트들, 롱 수트 블로워의 전반적인 외형/내형 및 아이솔레이션 밸브, 그리고 공구 중에서는 스패너, 스냅링 플라이어, 에어건, 스크류 튜브 등을 모델링하였다.

이와 같은 작업은 점(vertex), 선(edge), 면(face) 단위로 세부적인 모델링 작업을 진행함으로 수행되었다.

부품의 무늬와 질감을 표현하고 전체적인 장비의 색상과 명암을 표현하기 위해 텍스처 1장씩을 기본적으로 사용하며, 장비 크기와 구성에 따라 평균 1024x1024 크기의 텍스처를 최대 5장까지 적용하였다. 타일링된 디퓨즈맵 (diffuse map) 및 노멀맵 (normal map)을 표현하기 위해 좌표 매핑을 위한 수학적 기법인 매핑 (UVW mapping)을 사용하였고, 버텍스(vertex)의 좌표 값과 텍스처 (texture)의 좌표를 설정하여 텍스처를 물체 표면으로 매핑 (mapping)하였다. 그리고 텍스처를 film box (FBX) 화일에 포함시켜 어느 경로에서도 텍스쳐가 정상적으로 출력되도록 하였다. 그림 3(e) ~ 3(h) 는 모델링된 각 컴포넌트들 위에 텍스처를 입힌 결과이고 그림 3(i) ~ 3(l)은 최종 렌더링된 결과이다.

본 연구에서는 Unity 3D Engine 내 존재하는 물리 기반의 다양한 Shader를 통해, 물체가 가진 고유한 특성에 맞는 재질을 표현하였으며 다양한 실시간 전역 조명 (global illumination rendering) 및 혼합 조명을 통해 가상환경을 실제와 같이 현실감 있도록 구현하였다.

일반적인 물체의 경우, 물리 기반 셰이딩이 적용된 표준(standard)재질을 사용하였으며 재질 투명 여부에 따라 하위옵션인 렌더링 모드에서 불투명 (opaque)과 투명(transparent)만 선택하여 사용하였다. 그리고 광택표현이 없는 무광 재질(예를 들면 종이, 천, 무광 플라스틱 등)은 레거시 쉐이더 (legacy shader)의 한 종류인 ‘diffuse detail’을 사용하였다. 다양한 광원 및 전역조명을 이용하여 가상환경을 좀 더 사실적으로 표현하였다. 실시간 전역조명의 활성화로 ‘enlighten’을 사용하여 정적 게임 오브젝트의 표면에서 표면의 광원 경로를 미리 계산하였으며 혼합광선효과 (mixed lighting)의 활성화로 정적 동적 게임 오브젝트 모두에 조명효과를 주며 선택적인 간접 조명을 제공하였다. ‘V-ray’ 광원과 재질을 사용하여 맵핑, 사진합성과 리터칭한 텍스처로 기본 모델을 제작한 후, RTT(render to texture)를 통해 고화질 텍스처를 출력하여 최종 모델에 적용하였다.

3-2 학습 인터페이스

화력발전보일러 주요설비 유지보수훈련은 그림 4와 같이 압입 통풍기, 미분기, 쇼트수트 블러워, 롱수트 블로워 등 네 가지로 구성하였으며, 각 컴포넌트마다 이론, 연습, 실습으로 나눠서 학습할 수 있도록 하였다. 그림 5와 같이 이론화면에서는 3D 모델을 통해 운전원리를 학습하고, VR 환경으로 보일러 전체에서 해당 장비의 위치를 파악할 수 있게 하였다. 연습화면과 실습화면에서는(그림 6) 하이라이트와 내레이션(자막 포함)으로 진행을 유도하였으며, 메뉴바의 시나리오 바를 통해 원하는 훈련 시나리오로 이동할 수 있도록 하였다. 또한 메뉴바를 통해 홈/튜토리얼/로드맵 이동 가능, 자막 On/Off 기능을 가능하게 하였다.


Fig. 4. 
The user interface of the developed maintenance training for a thermal power plant boiler.


Fig. 5. 
Image and virtual environment for theoretical instruction


Fig. 6. 
Image and virtual environment for practice/training

위의 그림 7과 같이 햅틱 컨트롤러의 액션 버튼들을 누르면 선택된 버튼이나 메뉴에 해당하는 장면을 판단하여 선택된 버튼이나 메뉴의 색상이 변경되고 다음 액션으로 진행되도록 하였으며 사용자가 컨트롤러 메뉴 버튼을 눌렀을 때는 현재 장면이 연습/실습 상의 장면인지 판단하고 메뉴를 선택할 수 있는 메뉴바를 호출하게 하였다. 컨트롤러의 이동 버튼을 누른 후 뗐을 때는 현재 장면 이동이 가능한지를 판단하고 이동이 가능한 구역을 판단한 후 이동할 수 있는 공간을 녹색으로 표시하고 버튼을 떼면 이동하게 하였다. 또한 그림 8과 같이 컨트롤러의 이동 버튼을 두 번 연속으로 누른 후 뗐었을 때 현재 장면이 연습/실습인지를 판단한 후 현재 스텝에서 필요한 공구를 판단하고 공구를 선택할 수 있는 공구창을 호출하였다. 그리고 점검 시 점검해야 하는 부분을 하이라이트로 선택을 유도하여 다음 시나리오로 진행할 수 있도록 하였다. 이러한 작업을 거쳐 그림 9과 같이 가상공간에서 훈련이 이루어진다.


Fig. 7. 
Popup menu in virtual environment, (a) before pressing menu button in haptic controller, (b) after pressing.


Fig. 8. 
Tool menu in virtual environment, (a) before pressing grip button in VR controller, (b) after pressing.


Fig. 9. 
Training scene in virtual environment


Ⅳ. 실험 및 결과
4-1 사용자 경험조사 참여자

본 연구에서 개발한 가상현실 기반 화력발전 보일러를 위한 유지보수 훈련 시스템의 성능 및 편의성을 점검하고, 교육훈련 매체로서의 교육적 유용성을 확인하기 위하여 화력발전 보일러 유지보수 관련 업체에서 근무하는 이들을 대상으로 사용자 경험을 측정하였다. 사용자 경험조사에 참여한 사람들은 총 30명으로, 연령분포는 20대가 2명(6.7 %), 30대가 13명(43.3%), 40대가 14명(46.7%), 50대가 1명(3.3%)으로 30·40대가 가장 많았다. 성별 분포는 여성 4명(13.3%), 남성 26명(86.7%)이었다.

4-2 측정 도구

설문 도구는 가상현실 기반교육 및 훈련 콘텐츠 사용자 경험과 교육적 성과 측정을 위해 개발된 도구를 참고하여 본 연구 주제에 맞게 재구성하였다[18]-[20]. 특히 가상현실 기술의 특성과 이러한 특성이 교육의 맥락에서 학습요소로서 작동하는 것에 주안점을 두어 주요 평가항목을 능동성, 몰입감, 실재감, 만족도, 사용성으로 구분하고, 각 항목 당 하위 문항을 구성하였다. 전문가 자문을 거쳐 총 15개의 문항으로 확정하였고 모든 문항은 1점 ‘매우 그렇지 않다’, 2점 ‘그렇지 않다’, 3점 ‘보통’, 4점 ‘그렇다’, 5점 ‘매우 그렇다’로서 리커트(likert) 5점 척도로 측정하였다.

1) 능동성(Activity )

  • ❍ 가상훈련 콘텐츠를 이용하여 훈련교사 등 타인의 도움 없이 스스로 학습을 진행할 수 있었다.
  • ❍ 가상훈련 콘텐츠 수행 중 평가나 실패에 대한 두려움에서 벗어나 자발적인 학습성취에 몰두하여 학습을 진행할 수 있었다.
  • ❍ 가상훈련 콘텐츠 수행 중 평가나 실패에 대한 두려움에서 벗어나 자발적인 학습성취에 몰두하여 학습을 진행할 수 있었다.

2) 몰입감(Immersion)

  • ❍ 본 가상훈련 콘텐츠를 이용하여 학습하는 동안 학습과 관련이 없는 불필요한 생각 및 지각이 차단되어 전적으로 가상훈련 콘텐츠에 집중할 수 있었다
  • ❍ 가상훈련 콘텐츠를 이용하는 동안 가상공간에서의 이질감이나 외부적 간섭 없이 자연스러운 상호작용을 통해 최적의 학습경험을 얻을 수 있었다
  • ❍ 가상훈련 콘텐츠 내에서 상호작용(움직임에 따른 영향을 주고받음)에 집중하였고 교육 중 재미와 흥미 등의 감정 상태가 동반되었다.

3) 실재감(Presence)

  • ❍ 가상의 캐릭터/물체가 실제로 존재한다는 생각이 들 정도로 매우 진짜 같다고 느꼈다.
  • ❍ 가상훈련 콘텐츠를 경험하는 동안 허구가 아니고 실제와 같이 느낄 수 있었다.
  • ❍ 학습활동에 열중하여 어떤 경우에는 가상의 캐릭터/객체와 직접 상호작용하고 싶다는 생각이 들었다.

4) 만족도(Satisfaction)

  • ❍ 가상훈련 콘텐츠의 학습 내용이 어렵지 않으며 필요한 지식과 기술이 적절하고 조화롭게 구성되어 있었다.
  • ❍ 가상훈련 콘텐츠로 학습하는 동안 전체 콘텐츠 구조를 파악할 수 있으며 해당 작업 시 쉽게 작동하며 학습을 진행할 수 있었다.
  • ❍ 가상훈련 콘텐츠에서 사용한 햅틱 컨트롤러는 사용하는데 문제없이 잘 작동하였다.

5) 사용성(Usability)

  • ❍ 가상훈련 콘텐츠로 학습을 하는 동안 발생하는 상황을 잘 통제할 수 있었다.
  • ❍ 학습을 진행할 때 학습 수행을 하는 나(학습자)의 행동에 가상훈련 시스템이 신속하게 반응하였다.
  • ❍ 가상의 환경 속에서 움직임이 매우 자연스러웠다.
4-3 가상훈련 콘텐츠 체험 및 결과

참여자를 대상으로 전반적인 콘텐츠 내용 및 사용성 조사 취지 등을 설명한 후, 10~15분 동안 전체 가상훈련 콘텐츠를 체험하도록 하고 아래와 같은 내용으로 사후 설문조사를 진행하였다. 가상훈련 콘텐츠 체험 및 설문조사를 마친 후에는 희망자에 한하여 체험한 교육훈련 콘텐츠에 대한 개선 사항을 중심으로 개별 인터뷰를 통해 자유롭게 의견을 제시하도록 하였다. 5개의 주요 평가항목별 만족도 결과는 <표1>과 같다. 전체 평균은 4.14로 비교적 높게 나타나 비대면 실습을 위한 교육훈련 미디어로서의 활용 가능성을 보여주고 있다. 구체적으로 능동성 4.13, 몰입감 4.24, 실재감 4.04, 인터페이스 등 전반적 만족도 4.27, 사용성 4.02로 나타나 가상현실 기술특성이 가진 몰입감에 대한 만족도 점수가 가장 높게 나타났다.

Table 1. 
Results
Factor Questionnaire M SD
Activity ① Using the virtual training contents, I was able to do my own learning without the assistance of training teachers or others. 4.20 .55
② While learning with virtual educational content, I was able to learn without fear of failing. 4.03 .49
③ It was possible to clearly understand the progression of virtual training contents and the work stage, so that the overall self-directed learning was possible. 4.17 .46
Immersion ④ While learning with virtual educational content, thoughts and perceptions that are not related to learning were blocked, so I was able to fully immerse myself in virtual training content. 4.20 .61
⑤ While learning with virtual educational content, I was able to obtain an optimal learning experience through natural interaction without sense of difference or external interference. 4.23 .61
⑥ Using the virtual training contents, I focused on interaction(exchanging influences from movement) and found fun and interest in learning. 4.30 .57
Presence ⑦ While learning with virtual educational content, I felt that the virtual characters/objects were very real as if they really existed. 4.20 .66
⑧ While learning with virtual educational content, I could feel the virtual environment like the real world rather than the fictional world. 4.17 .65
⑨ I was so engrossed in learning activities that in some cases I thought I would like to interact directly with virtual characters/objects. 3.77 .50
Satisfaction (Interface) ⑩ The learning contents of the virtual reality-based training were not difficult, and the necessary knowledge and skills were properly structured. 4.30 .53
⑪ While learning with virtual educational content, I was able to grasp the entire content structure, and when I was working on it, it worked easily and I was able to proceed with learning. 4.07 .37
⑫ The haptic controller worked fine with no problem to use. 4.43 .57
Usability ⑬ I had good control over what was happening during virtual reality-based training. 3.50 .51
⑭ While I was learning, the virtual training system responded quickly to my actions. 4.33 .66
⑮ I was able to move very naturally in a virtual environment. 4.23 .77


Fig. 10. 
Degree of user experience

우선, 능동성에 대한 하위 문항을 살펴보면, ‘가상훈련 콘텐츠를 이용하여 훈련교사 등 타인의 도움 없이 학습을 진행할 수 있음’ 점수는 4.20 점으로, ‘가상훈련 콘텐츠 수행 중 평가나 실패에 대한 두려움에서 벗어나 자발적인 학습성취에 몰두하여 학습을 진행할 수 있음’의 점수는 4.03 점으로, ‘가상훈련 콘텐츠의 진행 순서 및 작업 단계를 분명히 파악하여 학습 전반을 주도할 수 있음’ 항목의 점수는 4.17 점으로 나타났다.

몰입감에 대한 하위 문항을 살펴보면, ‘본 가상훈련 콘텐츠를 이용하여 학습하는 동안 학습과 관련이 없는 불필요한 생각 및 지각이 차단되어 전적으로 가상훈련 콘텐츠에 집중할 수 있음’ 의 점수는 4.20점, ‘가상훈련 콘텐츠를 이용하는 동안 가상공간에서의 이질감이나 외부적 간섭 없이 자연스러운 상호작용을 통해 최적의 학습경험을 얻을 수 있음’ 항목의 점수는 4.23 점, ‘가상훈련 콘텐츠 내에서 상호작용(움직임에 따른 영향을 주고받음)에 집중하였고 교육 중 재미와 흥미 등의 감정 상태가 동반됨’ 점수는 4.30 점으로 나타났다.

실재감에 대한 하위 문항을 살펴보면, ‘가상의 캐릭터/물체가 실제로 존재한다는 생각이 들 정도로 매우 진짜와 같이 느낌’, ‘가상훈련 콘텐츠를 경험하는 동안 허구가 아니고 실제와 같이 느낌’ ‘학습활동에 열중하여 어떤 경우에는 가상의 캐릭터/객체와 직접 상호작용하고 싶다는 생각이 듦’ 항목은 각각 4.20점, 4.17점, 3.77점으로 나타났다.

만족도에 대한 하위 문항은, ‘가상훈련 콘텐츠의 학습 내용이 어렵지 않으며 필요한 지식과 기술이 적절하고 조화롭게 구성되어 있음’, ‘가상훈련 콘텐츠로 학습하는 동안 전체 콘텐츠 구조에 대한 파악이 가능하며 작업 시 작동하기 쉬움’ , ‘가상훈련 콘텐츠에서 사용한 햅틱 컨트롤러는 사용하는데 문제없이 잘 작동함’으로 구성되어 있는데 각 항목의 점수는 각각 4.30점, 4.17점, 4.43점으로 나타났다.

마지막으로, 사용성에 대한 하위 문항은 ‘가상훈련 콘텐츠로 학습을 하는 동안 발생하는 상황을 잘 통제할 수 있음’ , ‘학습 수행을 하는 학습자의 행동에 가상훈련 시스템이 신속하게 반응함’ , ‘가상의 환경 속에서 움직임이 매우 자연스러움’으로 구성되어 있는데 이 항목의 점수들은 각각 3.50점, 4.33점, 4.23 점으로 나타났다.


Ⅴ. 결론 및 논의
5-1 결론

본 연구는 가상현실을 적용하여 화력발전 보일러 유지 보수를 위한 실습교육용 교육콘텐츠를 개발하고 이에 대한 사용자경험에 대한 만족도를 조사하였다. 사용자 경험(user experience)은 제품, 시스템 또는 서비스의 사용 및 향후 사용 시 예상되는 인간의 인식과 반응으로, 여러 학문 영역에서 연구목적에 따라 다양한 측정 범주와 척도로 평가된다[21]. 본 연구에서는 화력발전 보일러 관련 기계 설비 분야 산업체 종사자들 대상으로 가상현실 기반 훈련 시스템에서 학습자가 교육내용을 매개로 어떠한 상호작용이 발생하는지 예측하고 이를 측정하였다. 문헌 조사를 통해 가상현실 기반 교육훈련의 사용자 경험의 요소를 5개 영역으로 도출 후, 전문가 자문을 통해 최종 문항을 선정하였다. 사용자 경험 조사결과, 능동성 4.13, 몰입감 4.24, 실재감 4.04, 전반적 만족도 4.27, 사용성 4.02, 이에 대한 전체 평균은 4.14로 가상훈련 콘텐츠에 대한 사용자 경험 만족도가 전체적으로 높게 나타났다.

5-2 논의

본 연구의 결과를 토대로, 향후 가상훈련 콘텐츠의 확대 적용할 수 있는 방안을 모색하기 위한 연구결과 분석과 이에 기초한 본 연구의 함의는 다음과 같다.

첫째, 가상현실 기반교육환경의 특성인 능동적 요소를 세분화하고 구체적인 학습요소로 제시하여 강화할 필요가 있다. 능동성은 학습자가 가상의 교육환경에서 독립적이고 자율적으로 학습을 수행할 수 있도록 하는 요인으로 가상현실뿐만 아니라 실제 현실 교육에서도 매우 중요한 학습자의 기본 태도이다. 특히, 가상현실 속에서 주체적인 행위자로서 학습자는 자신의 선택(버튼 누르기, 컨트롤러 조정 등)에 따라 학습의 단계를 마음대로 이동할 수도 있고, 학습자의 의지에 따라 스스로 숙련이 될 때까지 무한 반복 학습을 할 수 있다. 따라서 가상현실 기반교육에서 능동성과 이에 기초한 자율적 학습 의지는 학습효과와 직결된다고 할 수 있다. 본 연구결과에서 능동성의 하위 문항인 ‘실패에 대한 두려움에서 벗어나 자발적인 학습성취에 몰두하여 학습을 진행할 수 있다’는 응답이 능동성 영역의 다른 문항에 비해 가장 낮게 나타났다. 이는 부분적으로 ‘학습에서의 성공이 곧 학습의 효과’라는 기존 전통적 교육의 고정관념에서 벗어나지 못한 영향으로 파악된다. 가상현실 속에서의 학습 및 작업의 실패는 실제 상황에서 발생 가능한 안전사고 발생이나 장비 마모 및 설비 파손과 같은 물리적인 파급력이 없으므로 실패에 대한 두려움 없이 학습할 수 있으며 오히려 실패를 통해 현재의 지식 및 기술 수준을 가늠하는 계기가 된다[22]-[23]. 또한 실패의 원인을 찾아 문제를 해결하는 과정에서 지식의 구조를 재구조화하거나 수정하기도 하는데[24]-[25], 이러한 경험은 창의적 사고를 유발하는 교육적 기제가 될 수 있다. 정리해 보면, 실패는 학습자의 적극적이고 능동적인 시도를 허용하는 ‘learning by doing’을 실현하는 유의미한 학습의 과정이다[26]. 이러한 측면에서 학습 과정에서 발생하는 실패와 시도의 교육적 특징은 반복 학습의 효과를 통해 기술 숙련을 목표로 하는 직업교육훈련과, 물리적 부담 없이 반복 학습이 가능한 가상현실 기반교육이 공통으로 갖는 학습의 특장점이다. ‘실패’를 ‘시행착오’로 재명명하여 교육과정 개발 시 학습자의 능동성과 연관된 학습설계 요소로 세분화하여 배치할 필요가 있다.

둘째, 내재적 동기 강화에 초점을 둔 학습설계 방안 모색이 필요하다. 본 연구는 가상현실 기반교육 중에서도 직업교육훈련에 초점을 맞춰 개발된 가상훈련 콘텐츠이다. 한국에서 직업교육훈련 영역은 학점, 학위와 연관된 정규교육에 비해 학습의 유인력이 크지 않다. 내재적 동기 (intrinsic motivation) 는 사람들에게 내재한 성장 지향성 또는 유능성 (competence) 이 있으며 이로 인해 스스로 동기를 부여하고 자신을 완성해 가고자 하는 심리적 욕구가 있다는 전제에 기초해 있다[27]. 즉, 인간에게 ‘잘 해내고자 하는 기본적인 욕구’가 있다고 가정이 전제되어 있다. 이러한 유능성의 욕구를 활용하거나 자극하는 방법으로 스스로 학습활동 자체에 몰입하며 즐길 수 있는 학습경험을 제공할 수 있다. 미래사회는 새로운 지식과 기술, 문명, 삶의 방식과 일상의 기준이 끊임없이 변화하기 때문에 ‘학습을 요구하는 사회’가 될 것이다. 따라서 ‘스스로 배우게 하는’ 삶의 태도는 전 생애에 걸친 평생학습이 강조되는 현시점에서 중요한 시사점을 준다. 자기만의 고유한 성취 기준을 정하고 학습을 수행하는 자기 주도적 학습설계의 하나로, 가상훈련에 참여하는 학습자에게 학습의 과정에서 이룬 작은 성취를 발견하고 자각하는 경험을 제공함으로써 학습자의 자기 효능감과 유능성을 자극하는 학습설계가 필요하다.

셋째, 가상훈련을 구성하는 시스템에 정확한 이해를 기반으로 학습을 설계하는 것이 중요하다. 사용성 항목 중 “가상환경에서 발생하는 이벤트들을 통제할 수 있었다”에 대한 응답이 3.50으로 전체 문항 중 가장 낮은 점수를 받았다. 이에 대한 이유로는 사용자 경험조사에 참여한 이들의 대다수가 가상현실을 처음으로 사용하는 사람들이 많아 가상현실 기술의 3D 이미지 스테레오 뷰 (stereo view)에 있는 물체들을 조작하는데 다소 어려움을 겪었기 때문으로 판단된다. 그러나 가상현실 기술에 대한 접촉 여부와 상관없이 학습자가 쉽게 가상현실 콘텐츠를 활용할 수 있도록 가상훈련 콘텐츠의 사용 편의성을 높이려는 노력도 매우 중요하다. 가상현실 기술의 핵심이라고 할 수 있는 상호작용 기술을 구현하는 소프트웨어와 하드웨어의 성능과 구현 기술은 콘텐츠 개발과 산출물의 질에 영향을 미치기 때문이다. 가상현실 기술을 구현하는 장치 (device)에 대한 특성을 제대로 이해할 경우 그렇지 않은 경우보다 효과적인 가상훈련 콘텐츠를 제작할 수 있다. 가상세계에서 사용자는 상호작용을 통해 학습을 진행하는데 입출력 기기의 사용 편의성에 문제가 있는 경우 원활한 상호작용이 어려워진다. 상호작용이 원활하지 않다는 것은 가상훈련 콘텐츠가 사용자의 움직임에 반응하지 않는 것이기 때문에 주의집중은 물론이고 학습자가 느끼는 실재감은 현저히 떨어질 수밖에 없다. 본 연구에서 실재감의 하위 문항 중 ‘학습활동에 열중하여 어떤 경우에는 가상의 캐릭터/객체와 직접 상호작용하고 싶다’에 대한 점수가 3.77로 전체 평균에 비해 낮게 나타났는데 추후 연구를 통해 사용 편의성과 관련성이 있는지 구체적인 분석이 요구된다.

마지막으로, 가상현실 기반 교육훈련 콘텐츠 설계에 필요한 학습요소와 평가방안 등에 대한 기초 연구가 활성화되어야 한다. COVID-19 이후 비대면·디지털로의 교육적 전환은 코로나 팬데믹 발발 초기의 ‘대안 찾기’에서 포스트 코로나 시대에서 적극적으로 실천해야 하는 ‘뉴 패러다임’으로 인식되고 있다. VR을 통해 대면 실습의 어려움을 해결하는 비대면 실습 콘텐츠를 확장하는 방안도 현실화되고 있다. 가상현실에 관한 연구는 공학 및 정보통신, 멀티미디어 분야의 실감형 미디어 연구개발, 의학 분야의 수술 및 재활 훈련, 관광 및 체육, 예술 분야의 실감형 체험을 위한 연구 등 다양한 분야에서 진행되고 있으나[28], 가상현실이 적용한 교육에 관한 연구는 상대적으로 더딘 편이다. VR이 적용된 교육훈련 콘텐츠에 대해서는 본격적인 학습설계 연구가 미진한 실정에서 가상현실 적용 분야나 교육대상, 교육목적 등과 상관없이 가상현실 기술이 가진 매력을 발산하는 데 초점을 두고 교육콘텐츠가 개발되는 제작되는 경우도 적지 않다. 비대면 교육 매체로서 가상훈련 콘텐츠가 제대로 개발되어 확산하기 위해서는, 가상현실 기술의 특성이 학습의 과정에 학습요소로 통합되어 결과적으로 학습효과로 연동되는 기본 설계 방안을 마련해야 한다. 이를 토대로 각 교육영역별 특성에 맞춰 적용되는 세부 설계지침을 변용할 수 있도록 다양한 학습요소를 탐색하고 이를 통계적으로 확인·검증하여 신뢰성과 타당성을 담보한 평가도구가 개발되어야 할 것이다.


Acknowledgments

이 논문은 2020년 대한민국 교육부와 한국연구재단의 인문사회기초연구사업 일반공동연구지원사업의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF-2020S1A5A2A03046602, 단계연차과제번호 : 2020046602). 이 논문은 2020년도 한국기술교육대학교 스타연구교수 연구비 지원에 의하여 연구되었음


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저자소개

신정민(Jungmin Shin)

2008년 : 이화여자대학교 대학원 (문학석사)

2016년 : 이화여자대학교 대학원 (Ph.D-교육철학)

2017년~2018년 : 한국기술교육대학교 온라인평생교육원 연구교수

2019년~2020년 : 한국고용정보원 부연구위원

2020년~현 재 : 한국기술교육대학교 첨단기술연구소 연구교수

※관심분야:몰입교육, 가상현실교육, 직업교육훈련, 온라인학습

이석한(Seok-Han Lee)

2019년 : 한국기술교육대학교 컴퓨터공학 학사

2019년~현 재 : 한국기술교육대학교 대학원 창의융합공학협동과정 (석박사통합과정)

※관심분야:햅틱스, HVI, 센서/액츄에이터

유재언(Jae-Eon Yoo)

2013년 : 서울대학교 대학원 (석사)

2017년 : 아이오와주립대 (철학박사)

2017년~2020년 : 한국보건사회연구원 부연구위원

2020년~현 재 : 가천대학교 사회복지학과 조교수

※관심분야:신기술 활용, 기술과 제도 연계, 교육프로그램

노창현(Changhyun Roh)

2008년 : 서울대학교 (Ph.D-화학생물공학)

2015년~현 재 : 과학기술연합대학원대학교 방사선동위원소 응용 및 생명공학/양자에너지화학공학 교수

2018년~현 재 : 충남대학교 융복합시스템공학과 겸임교수

2008년~현 재 : 한국원자력연구원 책임연구원

※관심분야:응용화학, 나노공학, 생명공학

오정아(Jung-A Oh)

2005년 : 고려대학교 사회복지석사

2015년 : 충북대학교 문학박사

2015년~2019년 : 충북대학교 외래교수

2021년~현 재 : 가천대학교 연구교수

※관심분야:아동/청소년, 청년, 가족복지

김상연(Sang-Youn Kim)

1997년 : KAIST 대학원 (공학석사)

2004년 : KAIST (Ph.D-기계공학)

2004년~2006년 : 삼성종합기술원 책임연구원

2006년~현 재 : 한국기술교육대학교 컴퓨터 공학부 교수

※관심분야:가상현실, 햅틱스, 센서/액츄에이터