개요
본 연구는 증강현실(AR) 기술을 활용하여 공학 전공자의 기초 회로 실습 교육 효과를 향상시키기 위한 AR 기반 회로 실습 시스템 개발에 관한 연구로,
개발된 시스템은 브레드보드 상의 전선·소자 배선 과정을 가상 가이드라인으로 증강하여 학습자의 실습 과정을 실시간으로 안내하고, 실제 배선과의 일치 여부를 판별함
본 시스템은 Unity와 OpenCV를 통해 개발하였으며, 이를 통해 가상 가이드 라인(전선, 소자)와 실제 학습자의 배선을 인식하고 이를 가상 가이드라인과 비교함
학습자는 스마트폰 카메라로 마커 인식 후 단계별 실습(전선·소자·기자재 연결)을 진행함
실험은 60명의 공학 전공 대학생(비교군 30명, 대조군 30명)을 대상으로 수행되었으며, 실습 완료 시간, 질문횟수, 실습 정확도, 사용성 평가(USE Questionnaire)를 통해 효과를 검증함
연구 목적 & 필요성
기존 공학과 학생들의 기초 회로 실습은 브레드보드 기반으로 소자 및 전선을 배치하고 기자재를 통해 측정하는 방식으로 진행됨
회로 실습을 처음 접하는 학습자들은 다양한 요인(e.g. 기자재 사용법 미숙, 회로 설계 미숙, 센서 및 소자 사용법 미숙 등)으로 정상적인 실습 진행에 어려움이 있음
전통적인 실습은 교수자 1인과 다수의 학생을 대상으로 진행되기에, 교수자가 모든 학습자의 회로를 검토 및 지도하는 것은 어려움
이에 따라, AR 기술을 접목하여 실시간 시각적 피드백과 단계별 가이드를 제공함으로써 학습자의 자율적 이해도와 몰입도 향상을 지원함
이러한 AR을 융합한 회로 실습 교육은 향후 중·고급 회로 실습 및 산업 교육(제조·정비 분야)에 활용될 수 있음
시스템 개요
본 시스템은 크게 1) Augmented Guide, 2) Wiring Decision, 3) Feedback으로 구성됨
Augmented Guide
브레드보드의 마커를 인식하여 가상 회로(3D 모델)를 증강하고, 실습 단계를 전선 → 소자 → 기자재 연결 순으로 시각적 가이드 제공함
학습자는 증강된 가이드를 따라 배선을 수행하며, 각 단계별 위치와 연결 방향을 직관적으로 확인 가능
Wiring Decision
스마트폰 카메라로 촬영된 실제 배선 이미지를 인식(OpenCV 기반 RGB 분석)하여, 증강 회로와의 일치 여부를 판단함
인식된 회로는 2D 평면으로 투영되어 증강 회로와 픽셀 단위 좌표 비교를 수행함
일치 시 다음 단계로 진행되고, 불일치 시 오류 피드백 단계로 전환
Feedback
학습자가 배선한 회로가 증강된 가이드 회로와 일치하면 청색으로 색상(적색→청색) 변화를 통해 즉각적인 피드백을 제공함
학습자는 자신의 회로와 가이드 회로를 시각적 피트백을 통해 비교하며 실시간으로 확인 및 수정 가능
Augmented Guide
브레드보드에 부착된 마커를 인식하여, 실제 공간 상에 정합된 3D 가상 회로 모델(augmented circuit)을 증강함
가상 회로는 케이블 배선, 소자 배치, 기자재 연결의 3단계로 구성되어 있으며, 각 단계별로 시각적 가이드라인을 제공함
케이블 배선 단계에서는 점퍼선 연결 위치를 3D 모델 기반의 가상 케이블로 표시하여, 학습자가 올바른 연결 지점을 쉽게 파악하도록 함
소자 배치 단계에서는 저항, 다이오드 등 주요 소자의 극성 및 핀 방향을 텍스트와 함께 증강하여 정확한 배선을 유도함
기자재 연결 단계에서는 전원공급장치(Power Supply) 및 멀티미터(Multimeter)의 연결 위치를 3D 모델로 표시하여, 실습 장비의 사용법을 직관적으로 안내함
각 단계 완료 시, 학습자는 ‘Next’ 명령을 통해 다음 단계로 이동하며, 단계별 실습 진행 상태를 실시간으로 시각화함
Wiring Decision
Wiring decision은 학습자가 구성한 실제 회로(wired circuit)가 증강된 가상 회로(augmented circuit)와 일치하는지 판단하며, 세 단계로 구성됨
배선 인식
학습자가 스마트폰 카메라로 촬영한 이미지를 기반으로 브레드보드 영역(ROI) 을 추출하고, OpenCV를 이용해 RGB 색상 정보를 분석하여 실제 배선(케이블·소자)을 인식함
전처리
학습자의 실제 배선 회로와 증강된 가상 가이드라인을 비교하기 위해, 두 회로를 모두 2차원 평면(ℝ³→ℝ²) 으로 투영함. 증강 회로는 가상 환경의 가상 카메라 관점에서 투영, 실 배선 회로는 스마트폰 카메라로 획득된 2D 이미지를 활용하며, 두 이미지는 동일한 해상도와 스케일로 정렬되어 각 픽셀의 위치 대응 관계가 유지되도록 함
좌표 비교
정렬된 두 회로(실 배선/증강 회로)를 픽셀 단위로 비교하여 좌표별 일치 여부를 판단하고, 허용 오차를 고려한 정합률(matching ratio)을 계산함. 정합률이 설정된 임계값 이상일 경우 정상 배선으로 판정, 미만일 경우 불일치 배선으로 판정함
Feedback
Feedback은 Wiring Decision 단계에서 검출된 정상 배선 영역(좌표)와 불일치 배선 영역(좌표)를 기반으로, 학습자에게 실시간 시각적 피드백을 제공함
학습자가 정상적으로 배선한 경우 증강된 가상 가이드라인은 청색으로 표시되며, 불일치 배선의 경우 적색으로 시각화됨
학습자는 해당 피드백을 통해 잘못 연결된 위치를 즉시 확인하고, 수정 후 “Check” 명령을 통해 재검증을 수행함
실험 결과
실험은 제안된 AR 기반 회로 실습 시스템의 교육 효과성을 검증하기 위해 총 60명의 대학생(비교군 30명, 대조군 30명)을 대상으로 2주간 진행됨
1주차에는 두 그룹 모두 전통적인 실습으로 수행하고, 2주차에는 비교군만 AR 실습을 적용(대조군은 전통적인 실습)하여 대조군의 학습 변화량과 AR 실습을 수행한 그룹(비교군)의 학습 변화량을 비교 분석함
평가 항목은 학생 별 실습 완료 시간, 질문 횟수, 보고서 점수, 사용성 평가(USE 설문지)으로 구성됨
정량적 평가 결과, 실습 완료 시간은 두 그룹 모두 2주차에 더 단축되었으며, 비교군이 평균 4분 더 단축되었음
질문 횟수또한 두 그룹 모두 2주차에 더 감소하였으며, 비교군이 2배 더 감소함
보고서 점수의 경우 두 그룹 모두 증가하였으며, 비교군이 2.5배 더 증가함을 확인함
통계 분석 결과, 보고서 점수의 향상은 유의한 차이를 보였으며(p<0.05), 실습 시간 단축은 통계적으로 유의하지 않았지만, 평균적으로 학습 효율 향상 경향을 확인함
정성적 평가(Usability test) 에서 USE 설문 결과, 유용성 6.1, 사용 용이성 6.0, 학습 용이성 6.3, 만족도 6.0 (리커트 7점 척도 기준)으로 평가되어, 87%의 유효성(Very Worthy)을 기록함(Arifin & Maharani, 2021; Prihantono et al., 2020; Widoyoko, 2012)
