WWW을 이용한 화학공정 가상실험시스템: Framework 설계 및 구축

강태인, 이태주, 신동일*, 박상진, 이의수

동국대학교 화학공학과, 서울대학교 자동화시스템 연구소*

Virtual Laboratories for Unit Operations Using WWW:

Framework design and implementation

T. I. Kang, T. J. Lee, Dongil Shin*, Sang Jin Park and Euy Soo Lee

Dept. of Chemical Engineering, Dongguk University

Automation & Systems Research Institute, Seoul National University*

서론

Internet의 발달과 VRML이나 XML 등과 관련된 다양한 저작도구들의 출현은 이제 가상현실을 이용한 교육 및 실험시스템의 개발이 보다 용이하도록 해주고 있다. 따라서 다양한 형태의 가상대학시스템들이 소개되고 있지만 이런 도구들이 우리가 교육하고자하는 내용들까지 제공해주지는 않기에 공학의 각 분야에서 실정에 맞게 시스템과 시스템의 내용 (contents)을 설계하는 연구가 더 중요시되고 있다고 하겠다. 이런 문제점을 해결하고 공간상, 비용상의 문제로 제한되어 있는 실험실습을 위한 원격/가상실험실습실을 WWW상에서 구현하는 연구를 학과간 공동협력을 통해 수행하고 있는데 그림 1에서 보듯이 가상계측 및 실험실습 장비 개발과 simulator 구현에 관한 연구, 공학용 가상실험실습실 구축을 위한 관리 시스템 개발, 3차원 그래픽을 이용한 가상실험실 환경구축, 화학단위공정 실험시스템 개발, 가상 생산 및 가공실험실 구축 등에 대한 연구로 나누어 진행하고 있다 [1].

본 연구에서는 관련기술을 이용하여 가상실험시스템을 설계하고 증류공정을 대상으로 한 prototype 시스템을 구축하여 WWW상에서 작동하는 가상실험시스템관련 기술 습득 및 그 타당성을 검토하고자 하였는데 설계된 시스템의 구조와 구축 방법에 대해 중점적으로 설명하고자 한다. 컴퓨터를 이용한 교육시스템은 크게 Computer-Aided Instruction System, Multimedia/Virtual Laboratory [4], Distance Learning System/Instruction on Web, Intelligent Tutoring System 등으로 나눌 수 있는데 본 연구에서는 이런 교육시스템의 각 특성을 분석하고 Internet 기술의 발전 동향을 기초로 화학공학 교육의 특성에 맞는 가상실험 시스템을 설계하고자 하였다.

가상실험시스템 Framework 설계

강의노트를 Web에 올리는 경우와 같이 단순히 기존의 실험실습과정를 Web상으로 옮기는데 만족하지않고 Web의 특성에 맞는 교육방법을 찾고 최적의 실습교육시스템을 설계하는데 그 목적을 두었다. 먼저 실험을 통해 우리가 전달하고자 하거나 아니면 실습자가 습득하기를 원하는 지식을 분류하고 어떤 효과적인 전달방법이 가능한지 생각해 보았다. 실험을 통해 습득되어야 할 지식으로는 변수간의 causal relation 같은 정성적인 지식, internal/external mechanisms, 조작방법, 장치에 대한 지식이 있는데 그림 2와 같이 공정모사 모듈, User Interfaces (UI)와 입출력 시스템, 실험관리 모듈, 실험교육 모듈, 그리고 실험정보 모듈로 이루어진 시스템을 통해 이들 지식들을 효과적으로 전달함을 목적으로 한다. 다른 모듈에 관해서는 [2]에서 기술하였음으로 실험교육 모듈에 대한 내용만을 본 논문에서 주로 이야기하고자 한다.

단순히 실험을 진행시키는데 만족하지 않고 사용자의 교육적인 효과를 극대화시키 위해 사용자에 적응하는 Intelligent Tutoring Module은 student model을 이용하여 tutoring scenario를 기반으로 adaptive interactive feedback을 제공하며 실험이 끝나면 시험을 통해 지식의 습득 정도도 점검한다. 제공되는 정보의 양이 많아짐에 따라―특히 Web상에서―사용자는 어느 정보를 습득해야 하는지 선택하는데 많은 시간을 허비하게 되는데 사용자 모델을 바탕으로 이해하지 못하고 있는 부분에 대한 이론 공부 및 실습을 중점적으로 제공하게 된다.

그림  WWW을 이용한 가상실험실 선택 화면

학습능력의 평가는 실험을 비롯한 교육전반에서 중요한 부분으로 지금까지는 보고서, quiz, 필기시험의 방법이 활용되어 왔다 [3]. 실험의 실습뿐만 아니라 feedback도 실시간으로 장소와 시간에 구애됨 없이 주어지려면 help아 아울러 Web상에서의 자동문제 출제와 on-line 평가기능이 필요로 되는데 자동 문제출제 및 평가 program이 그 역할을 하게 된다. [3]과 같이 선답형의 경우는 문제 출제 및 채점의 용이성으로 인해 많은 예가 보고되어 있으나 아직 단답형이나 주관식 문제의 경우는 사람의 도움을 받아 평가가 이루어지도록 되어 있다. 실습자의 응답에 따라 난이도를 조절해가며 문제를 그때그때 적절히 선정하여 실험에 대한 이해정도를 adaptive하게 측정하는 것을 목적으로 하는데 기본적으로 출제는 미리 만들어진 문제은행형식의 database를 활용하여 만들어진다.

본 가상실험시스템을 통하여 단위공정 실험은 이해를 돕기 위한 대상단위공정에 대한 설명단계, 실험의 수행단계, 실험 오류검증단계의 3가지 형태로 실시된다. 실험 관리 server와 연계되어 Web상에서 시스템이 작동되는 순서는 그림 3과 같다.

Prototype 시스템 구축

그림  가상실험시스템 Framework

시스템은 새로이 개발되는 Internet 기술을 수용하기 위해 open architecture를 지향하며 아울러 기존에 개발된 library를 적극 활용하여 방대한 시스템의 prototype을 단기간에 구축하고자 하였다. 예를 들어 numerical methods는 Netlib와 같은 public domain library를 사용하되 commercial package의 사용은 자제하고 모든 것을 개발하는 것이 아니라 빌려올 수 있는 것은 최대한 빌리되 꼭 필요로 되는 것들만 직접 개발하고자 하였다. 시스템이 설치되는 환경의 다양성을 고려하고 호환성을 높이기 위해 한가지 형태를 정하지 않고 server와 client의 연결 방법은 다음의 3가지 방법중 적절한 한가지 방법이 선택되거나 다양하게 결합되어 작동될 수 있도록 하였다: CGI를 이용한 server/client 형태, Web browser의 helper program이나 plug-in program 형태, 또는 Java applet으로.

현재 Matlab/Simulink와 C를 기반으로 한 제어실습시스템과 C++로 구축된 증류공정 실험시스템을 helper program으로 개발하였고 on-line 실험 manual을 참고해서 Web을 통해 실험이 이루어지도록 하였다. 아울러 교육적 가치를 가지는 실험 시나리오를 중점적으로 개발하고자 multimedia를 이용하여 기존 실험 manual의 on-line 문서화와 [4] 등에서 개발된 program과의 연계를 계속해가고 있다. Student profile의 경우는 해당분야에서 개발되고 있는 표준화된 component를 이용할 계획이다.

그림  관리 Server와 연계된 Web상에서의 실험순서도

결론

본 연구에서는 [2]에 열거된 바와 같은 단위공정실험의 각종 제약조건을 극복하기 위하여 WWW상에서의 가상실험시스템을 구축함으로써 실험을 통한 단위공정의 이해, 기초원리의 교육효과 극대화 및 가상현장의 경험을 통한 산 교육의 장을 실현하고자 하였다. 이러한 가상실험실의 개발은 학생들이 졸업후 산업현장에서의 빠른 적응을 위하여도 그 중요성이 크다고 하겠다. 본 논문에서 제안된 framework의 구현 및 실습단계에서의 효율성은 학생들을 대상으로한 사례분석을 통해 정량적으로 분석되어야하나 현 단계에서는 먼저 현실적으로 실험에 어려움이 많은 부분을 Web상에서의 구현을 통해 대체할 수 있음을 보이는데 초점을 두었다. 교육적인 효과에 대한 검증은 학생들을 통한 실험조사를 통해 입증할 계획이다.

감사의 글

본 연구는 학술진흥재단의 □97 대학부설연구소지원과제의 연구비지원에 의해 이루어졌으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

[1] 곽문규 외 4인, □가상실험실습실 구현에 관한 연구□, 한국공학기술학회 공학교육학술대회 Proceedings, 경주, 109 (1998).

[2] 신동일 외 4인, □Internet상에서의 화학공정 가상실험시스템 개발□, 화학공학의 이론과 응용, 4(2), 2321 (1998).

[3] 허원, □웹기반의 자동문제 출제 및 평가시스템 개발 및 활용□, 한국공학기술학회 공학교육학술대회 Proceedings, 경주, 115 (1998).

[4] Montgomery, S. M., "Multimedia materials for chemical engineering: Module development and lessons learned", Computer Apps. in Eng. Education, 4(4), 297 (1996).