▮ 목차 ▮

본 교재의 내용을 사용하고자 할 때는

교재 기획 및 개발팀

한혜숙 단국대학교

김태정 단국대학교

백윤수 연세대학교

박현주 조선대학교

김연귀 서울 혜원여자고등학교

박정훈 서울 혜원여자고등학교

삽화 및 편집팀

백옥주 조선대학교

이재영 단국대학교

고은별 단국대학교

시뮬레이션 개발

심명훈 연세대학교

장시영 연세대학교

적용 및 자문 협력진

이언범 혜원여자고등학교

전병구 혜원여자고등학교

구효선 천안중앙고등학교

주홍연 용동중학교

민병욱 여해학교

▮ 목차 ▮

1. 너의 목소리가 맞지? (음성인식 보안장치) ··· 2

2. 정보보안 전문가를 꿈꾸며 (스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력 시스템 만들기) ··· 38

3. 나를 지켜주는 자동차 (육상교통안전) ··· 56

4. 못하는 게 뭐니? (스마트폰과 안전한 생활) ··· 85

첨단제품 활용형 프로그램 개발

첨단·안전 보안 장치

고등학교 10차시 교사용

단국대학교 산학협력단

2014. 12. 31.

너의 목소리가 맞지?

(음성인식 보안 장치)

1~2 차시

고등학교

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[교사용]

고등학교 STEAM

너의 목소리가 맞지?

(음성인식 보안 장치)

1. 주제 개요 가. STEAM 열기

본 차시는 첨단 안전ㆍ보안장치로서 음성인식기술에 대해 컴퓨터 소프트웨어를 통해 배 울 수 있다. 먼저 생체인식 기술의 전반적인 현황에 대해 조사하며 익힌 후, 개인 간의 음 성을 시각적으로 비교해 볼 수 있는 ‘스펙트로그램’을 이용하여 자신의 목소리와 모둠원 간 의 목소리에 어떤 차이가 있는지 분석해 볼 수 있는 기회를 가진다. 실제 제품에 적용되는 음성인식은 음성신호를 연산처리 하므로, 실제 소프트웨어를 통한 자료 처리 보다 기본적 원리 습득에 중점을 두었다. 또한 음성인식 기술을 이용하여 직접 ‘목소리로 열리는 출입 문’을 설계하는 과정을 통해 공학 설계의 기본적인 절차와 발산적 사고기법, 협동심 등을 습득할 수 있다. 또한 아이디어 제안서 작성을 통해 자신의 아이디어를 실제 상황에 적용 시키기 위한 융합적인 사고력, 합리적 문제해결력, 의사소통 기법 등을 개발할 수 있을 것 이다.

나. 본시 STEAM 수업의 주요 구성 및 준비물

상황 제시 ▶ 내용 융합

▶ 평가/보상

창의적 설계 감성적 체험

n 수행평가를 하기 위 해 아침에 급하게 나 오느라 열쇠를 두고 나온 상황에서 물체 가 아닌 신체부위가 열쇠를 대신한다면 무엇이 있을까 생각 해보는 상황.

n 열쇠의 특성 분석, 열 쇠 대체 수단 탐색 n 음성과 파동의 특성

분석하기

n 스마트폰의 음성인식 원리 조사하기

n 목소리를 스펙트로그 램으로 나타내기 n 목소리로 열리는 출

입문 설계하기

n 보안 기술로 음성인 식 기술과 같은 생체 인식 기술에 대한 유 용성 인식과 흥미 향 상

n 나만의 보안장치를 설계, 제작해봄으로써 성취감 경험하기 n 미래사회에서 사용되

는 상품을 생각해보 는 과정을 통해 과학 기술의 유용성을 인 식하기

n 음성인식기술의 사용 방안을 논의하는 과 정에서 의사소통의 중요성 인식하기 n 음성인식, 지문인식,

얼굴인식 기술의 보 안성에 대한 비교를 통하여 다양한 생체 인식 기술 분야에 대 한 도전 정신 함양

n (평가) 체크리스트 평 가

n (보상) 모둠 및 개인 별 누적 보상

새로운 문제에 도전

활동순서 활동명 준비물

1 열쇠를 대체할 수단은? 컴퓨터,

마이크, 활동지,

필기구 2 스마트폰은 어떻게 내 말을 알아들을까?

3 목소리를 눈으로 듣자!

4 Open Sesame~(목소리로 열리는 출입문 설계하기)

2. 학습 목표

○ 내용 목표

- 음성 신호를 파동과 관련하여 설명할 수 있다.

- 음성인식의 원리를 설명할 수 있다.

- 음성인식 기술을 적용한 제품을 창의적으로 설계할 수 있다.

○ 과정 목표

- 음성인식 기술을 이용한 나만의 보안장치를 설계, 제작해봄으로써 성취감 경험한다.

- 미래사회에서 사용되는 상품을 생각해보는 과정을 통해 과학 기술의 유용성을 인식 한다.

- 음성인식 기술을 이용한 아이디어를 창출하는 과정에서 의사소통의 중요성 인식한 다.

3. STEAM 과목 요소

○ S(물리Ⅰ) : 소리의 파동적 특징, 음성이 디지털로 입력되는 원리를 이해하기 ○ T/E(기술·가정, 공학·기술)：실생활에서 음성인식 기술의 사례를 조사하기

음성인식 기술을 이용한 제품을 설계하기 음성인식 기술의 바람직한 사용방안 논의하기 ○ M(확률과 통계)：디지털 형태로 입력된 여러 목소리를 수학적으로 분석하기

4. STEAM 단계 요소

○ 상황 제시

본 차시에서는 학생이 어느 날 열쇠를 잃어버린 상황에서 ‘자기의 목소리만으로 문을 열 수가 있다면 좋을 텐데’ 라고 생각하는 장면을 통해 조금 더 편리한 첨단보안장치의 필요성을 인식하 시고자 한다. 학생들은 일상에서 경험했던 친숙한 상황을 통해 학습 주제에 몰입할 수 있을 것이

과목 물리Ⅰ, 기술·가정 총차시 2

단원 물리Ⅰ-(3)정보와 통신, 기술·가정-(3)기술혁신과 설계,

교육과정

<물리Ⅰ-(3)정보와 통신>

- 파동의 특성과 관련하여 소리의 굴절, 반사, 회절 등을 이해하고 소리 정보의 활 용, 초음파의 의미와 발생장치 및 실생활의 이용을 안다.

<기술·가정-(3)기술혁신과 설계>

- 기술 혁신과 발명, 기술 연구 개발 활동이 인류와 사회에 미친 영향을 이해하고, 제도와 설계의 기초적 이해를 통하여 공학적 문제를 창의적으로 해결할 수 있다.

학습목표

○ 내용목표

- 음성 신호를 파동과 관련하여 설명할 수 있다.

- 음성인식의 원리를 설명할 수 있다.

- 음성인식 기술을 적용한 제품을 창의적으로 설계할 수 있다.

○ 과정목표

○ 창의적 설계

창의적 설계

자기주도적 학습 • 자동차 안전기술의 원리를 학생 스스로 조사해 보면서 자신만의 안전한 자 동차를 개발하도록 유도함

문제발견 및 정의 • 음성인식, 스펙트로그램, 음성식별의 개념을 정의함

아이디어 발현 • 음성인식 제품 설계 과정에서 최신 관련기술을 탐구하고 이를 통해 새로운 개념의 출입문을 설계함

학습 방법 • 자료조사, 분석, 토의를 통해 나만의 출입문을 디자인해보는 기회를 제공함 과정, 활동 중심 • 스스로 음성식별의 원리를 분석하여 보안제품의 발전 방향을 모색하고, 관

련 기술 분야를 조사하여 출입문을 디자인하는 논리적 전개 과정을 거침 다양한 산출물 • 자신의 목소리 스펙트로그램을 작성하고, 목소리로 열리는 출입문 아이디어

제안서를 작성함.

협력 학습 • 역할 분담과 토의를 통한 의사소통과 협력학습 제고

○ 감성적 체험

감성적 체험

몰입 • 문제 상황에 대해서 스스로가 해결하고자 하는 동기를 부여받고, 자료조사 와 분석의 과정을 통해 해결과정을 찾아가면서 몰입하게 됨

Hands-on • 보안기술의 경향성과 보안제품의 발전 방향에 대해 자신의 의견을 형성하 고, 그에 맞는 출입문을 스스로 설계하고 디자인해 봄

성취의 경험 • 목소리로 열리는 출입문을 설계하면서 자기 평가와 동료 평가를 통해 성취 감을 느낌

배려 • 목소리로 열리는 출입문 개발을 위한 기술 분야에 대한 논의와 모둠별 설계 를 하면서 모둠원 간 서로를 배려하고 의견을 존중함

새로운 도전 • 최신 스마트폰 음성인식 기술을 살펴보고, 자신의 진로를 모색함

자기 평가 • 체크리스트를 통해 각 활동에 대한 결과와 논리성, 독창성을 평가해보는 기 회를 제공함

5. 지도안 총괄표

- 음성인식 기술을 이용한 나만의 보안장치를 설계, 제작해봄으로써 성취감 경험한다.

- 미래사회에서 사용되는 상품을 생각해보는 과정을 통해 과학 기술의 유용 성을 인식한다.

- 음성인식 기술을 이용한 아이디어를 창출하는 과정에서 의사소통의 중요 성 인식한다.

흐 름 문제제시 & 제작활동 감성적 체험 학습자료(‣) 및 유의점(※)

<상황 제시>

아침에 열쇠를 잃어버린 상황

(15분) (1/2차시)

 상황제시

아침에 급하게 나오느라 휴대 폰을 두고 나온 상황에서 현관문 을 열기 위해 신체부위가 열쇠를 대신한다면 무엇이 있을까 생각 해보도록 한다.

- 어떤 방법으로 문을 열 수 있 을까요?

- 그 방법으로 문을 열기 위해 필요한 기술이나 장치는?

이러한 불편함에 대해 공감하 고, 열쇠를 대신한 방법이 편리 할 것이라 생각할 것이다.

< 감성적체험>

- 몰입 : 동영상, 상황제 시를 통해 학생들이 주 인공의 상황을 자신의 문제로 받아들일 수 있 도록 유도한다.

‣ 아이언맨과 자비스 의 대화(동영상)

‣ 열쇠를 잃어버린 이 야기(활동지)

<창의적 설계>

스마트폰은 어떻게 내 말을

알아들을까?

(15분) (1/2차시)

 스마트폰은 어떻게 내 말을 알아들을까?

목소리로 열 수 있는 출입문을 생각하며, 음성 신호의 특징과 현재 음성인식 기술이 적용된 제 품에 대해 조사, 정리한다.

- 목소리가 발생하는 원리는?

- 파동의 형태를 가지는 음성 신호의 특징은?

- 모둠원의 목소리는 어떤 차이 를 가질까?

- 현재 음성인식 기술이 적용된 사례는?

< 감성적체험>

- 지적 호기심 : 보안 기 술로 음성인식 기술과 같은 생체인식 기술에 대한 유용성 인식과 흥 미 향상

‣ 자료조사

- 인터넷이 연결된 컴퓨터

- 조사활동지

- 관련 교과서, 추가 자료

<창의적 설계>

목소리를 눈으로

 목소리를 눈으로 듣자 – 스펙 트로그램 분석하기

< 감성적체험>

- 새로운 도전 : 최신 스

‣ 자료조사

- 인터넷이 연결된

최적의 아이디어를 선정한다.

- 아이디어를 구체화하여 설계 한다.

- 제품의 외형, 내부 구조, 작동 원리, 제작비용, 기대효과 등 을 구체적으로 작성합니다.

<창의적 설계>

목소리로 열리는 출입문 설계

(35분) (2/2차시)

 목소리로 열리는 출입문 설계

- 목소리가 발생하는 원리는?

- 파동의 형태를 가지는 음성 신호의 특징은?

- 모둠원의 목소리는 어떤 차이 를 가질까?

- 현재 음성인식 기술이 적용된 사례는?

< 감성적체험>

- Hands-on : 보안기술 의 경향성과 보안제품 의 발전 방향에 대해 자신의 의견을 형성하 고, 그에 맞는 출입문 을 스스로 설계하고 디자인해 봄

- 배려 : 목소리로 열리 는 출입문 개발을 위 한 기술 분야에 대한 논의와 모둠별 설계를 하면서 모둠원 간 서 로를 배려하고 의견을 존중함

‣ 아이디어 설계 활동 지

<평가∙보상>

평가 및 개선점 찾기 (15분) (2/2차시)

 발표 및 평가

모둠별로 아이디어를 발표하 고 서로 창의적인 생각을 나누고 평가합니다.

- 아이디어 평가표를 이용하여 평가합니다.

< 감성적체험>

- 성취의 경험 : 목소리 로 열리는 출입문을 설계하면서 자기평가 와 동료평가를 통해 성취감을 느낌

‣ 평가 활동지

6. 평가 및 보상

■ 평가

전 과정에 걸친 학생의 활동을 평가하기 위하여 다음의 체크리스트를 활용할 수 있다. 체크리스 트는 교사평가 뿐 아니라 동료평가 및 자기평가의 도구로도 활용할 수 있다.

가. 교사평가

교사는 다음의 체크리스트를 활용하여 모둠별로(또는 개별 학생의) 학습 활동 전반에 대한 평가를 실시한다.

( )교사평가, ( )동료평가, ( )자기평가 체크리스트

평가 점수 평가 항목

평가 대상 ( ) 5

(매우우 수)

(우수)

4 3

(보통)

2

(미흡)

1

(매우미 흡)

문제 상황 분석하기

열쇠의 장단점을 올바르게 파악하 여 정리하였는가?

열쇠를 대체하는 아이디어를 창의 적으로 기술하였는가?

음성의 특성과 음성인식 원리

조사하기

음성의 파동적 특성과 스마트폰의 음성인식 원리를 바르게 찾아 정리 하였는가?

목소리를 눈으로 듣자

컴퓨터 소프트웨어를 이용한 목소 리 스펙트로그램을 올바르게 추출 하였는가?

조원 간 스펙트로그램의 공통점과 차이점을 바르게 기술하였는가?

목소리로 열리는 출입문

설계하기

목소리로 열리는 출입문의 아이디 어를 개발 제한점에 적합하도록 개 발하였는가?

아이디어 제안서에 아이디어를 효 과적으로 표현하였는가?

정의적 태도

모든 활동에서 모둠원들을 배려하 며 협업을 잘 진행하는가?

모든 활동에서 다른 학생에 대한 발표를 경청하고, 질문을 하면서 적 극적으로 수업에 임하였는가?

총합

나. 동료평가

학생들은 모둠별로 다른 모둠의 활동을 평가하도록 한 후, 평가 점수를 모둠원별로 기록하도록 한다.

다. 자기평가

학생 스스로 자신의 학습 활동 전반에 대한 평가를 실시하도록 한 후, 평가 결과를 기록하도록 한다.

프롤로그

■ 생체인식기술

현재까지 일상생활에서 널리 사용하고 있는 사용자 인증 방식인 패스워드나 PIN, 열쇠 등은 망각, 분실 또는 도난 등의 이유로 높은 보안 성능을 제공하지 못하게 되었다. 반면에 생체인식은 개인별로 차이가 있는 사용자의 고유한 생체정보를 이 용하는 것으로 분실 및 도난 등의 문제가 없어 기존의 방법에 비해 높은 보안 성능 을 제공할 수 있다.

생체인식이란 개개인으로부터 평생불변과 만인부동의 특성을 갖는 특징을 찾아 이를 자동화된 수단으로 등록 시 제시한 정보와 비교/판단하는 것으로 요약할 수 있다. 현재까지 연구된 생체인식 방법으로는 얼굴모양, 홍채, 망막, 정맥, 지문, DNA 등의 신체적 특성을 이용한 방법과 서명, 음성, 걸음걸이 등의 행동학적 특성을 이 용하는 방법으로 분류할 수 있다.

생체인식 시스템은 많은 응용 분야에 다양하게 사용되고 있지만, 기본적으로는 사용자를 등록하는 과정과 사용자 자신이 자신임을 확인받는 인증(verification), 데 이터베이스에서 사용자를 찾아내는 인식(identification)으로 나누어진다. 이들은 각 기 장단점이 있으며 우리가 원하는 이용분야에 따라 적절한 것과 그렇지 못한 것 등이 있어 활용계획에 따라 면밀히 검토할 필요가 있다. 대표적인 생체인식 기술에 관하여 소개하면 다음과 같다.

가. 지문

현대 지문 비교 기술은 1684년 영국 네에미아 크류가 처음으로 사람들의 지문이 서로 다르다는 것을 알게 되면서부터 시작되었고, 또 그것들이 말발굽 모양, 소용돌 이 모양 등과 같이 몇 가지의 대표적인 범주로 분류될 수 있음을 알았다.

지문 인식 장치를 사용하기 위해서는 하나의 손가락을 영상 획득 장치에 있는 평 면 위에 놓는데, 개인용으로 사용되는 대부분의 지문 인식 장치들은 원본 데이터로 원리의 지문의 영상을 그대로 저장하지 않고 이로부터 추출된 특징 정보만을 저장 한다. 이러한 시스템들은 등록된 지문 데이터로부터 원래의 지문 영상을 재생할 수 없기 때문에, 법적인 증명 방법으로 사용될 수는 없으나 반대로 개인의 정보를 보 호하는 기능을 하게 된다. 또한, 최근 출시되는 지문 인식 장치들은 손가락을 스캔 하면서 손가락이 살아있는 사람의 것인지도 검사하는데, 이것은 불법 사용자가 위 조된 지문을 이용하여 정당한 사용자를 가장하는 것을 막기 위한 것이다.

지문인식은 범죄수사와 같은 실제 업무에서도 20여 년 전부터 활용되어 왔으며, 생체인식 분야 중 가장 오래되고 일반화된 기술이다. 대규모 금융기관에서는 현금 자동지급기(ATM)의 고객인증을 위해 지문인식 시스템을 활용하고 있으며, 뉴욕과

[참고자료]

생체인식 기술현 황 및 전망 – 한국정보통신기 술협회

[참고자료]

생체인식기술의 효과적 활용과 문제점 -정연덕 (홍익대학교)

7. 학습 내용

캘리포니아의 복지담당관청에서는 복지수당의 이중인출을 방지하기 위해 지문 인식 시스템을 사용하고 있다.

지문인식 시스템은 일반적으로 지문 융기의 분기점, 끝점 등으로 구성되는 특징 점의 위치와 속성을 추출, 저장, 비교하는 알고리즘을 채용하고 있는데, 땀이나 물 기가 스캐너에 배어있는 경우 에러 발생률이 크게 높아진다는 점, 여러 사람이 연 속적으로 접촉한 곳에 자신의 손가락을 댄다는 불쾌감, 지문이 닳아 없어진 사람도 간혹 있다는 점 등이 지문인식 시스템의 한계로 인식되고 있다.

나. 홍채

사람의 눈을 이용한 생체 인증에서 눈은 홍채와 망막의 혈관이 인증을 목적으로 사용되고 있다. 이 중 망막 인식은 사용자의 안구 뒤쪽에 위치한 모세 혈관의 구성 이 인간의 지문과 같이 종생불변의 특성을 가지고 있다는 점을 이용하는 것으로, 이러한 망막 패턴을 읽기 위해서는 미약한 강도의 연필 지름만한 적색 광선이 안구 를 투시하여 망막에 있는 모세혈관에 반사된 역광을 측정해야 한다. 따라서 성공적 인 망막 패턴 검색을 위해서는 사용자가 안경을 낀 경우 안경을 벗고 검색기에 접 안해야 하며, 접안기의 내부 원통 내 어두운 부분 중 적색광선이 반사되는 점에 눈 의 초점을 맞춰야 한다. 이러한 망막 패턴 검색 기술은 고도의 보안성을 만족시킬 수 있지만, 사용자의 불편과 레이저 빛에 대한 두려움을 유발하는 등 일반인을 대 상으로 하여 사용하기에는 비효율적인 면이 있다.

이에 반해 홍채 인식은 자연스런 상태에서 획득된 영상을 이용하므로 망막 인식 에서와 같은 단점이 없어 많은 분야로의 적용이 기대되는 분야이다. 특히 사람의 홍채는 신체적으로 상당한 특징이 있는 유기체조직으로, 쌍둥이들도 다른 홍채 패 턴들을 가지고 있고 통계학적으로도 DNA 분석보다 정확하다고 알려져 있다. 그리 고 외상 또는 아주 드문 병을 제외하고는 홍채는 사람의 일생 동안 변화되지 않으 며, 콘택트렌즈나 안경을 착용해도 인식이 가능하므로 활용 범위가 넓다. 또한 복제 가 거의 불가능한 것으로 알려져 높은 보안성을 요구하는 곳에 이용되어 왔으며, 미국, 캐나다, 영국, 네덜란드, 아이슬란드 등의 국가는 공항에서 이용하고 있다. 그 러나 높은 가격과 사용자 거부감 및 이용의 불편함 등은 해결해야 할 과제이다.

다. 얼굴

얼굴을 이용한 인식 방법은 생체인식 방법 중 가장 자연스러운 방법으로 지문과 같이 지문 입력 장치에 손가락을 접촉하지 않고 비접촉으로 자연스럽게 인식할 수 있는 장점이 있다. 그러나 조명의 변화에 민감하고 변장 및 세월이 흐르면서 생기 는 얼굴 변화 등의 약점을 가지고 있어 아직까지는 지문이나 홍채와 같은 높은 인

[참고자료]

생체인식 기술현 황과 전망 – 한 국전자통신 연구 원

다. 특히, 얼굴의 열 분포를 이용하는 방식은 얼굴 혈관에서 발생하는 열을 적외선 카메라로 촬영, 디지털 정보로 변환해 저장하는 것으로 얼굴에 외과적인 손상이 발 생하더라도 변하지 않는 장점이 있다.

얼굴인식기법은 사용자의 기분과 상황에 따라 표정이 변하게 되는 특성을 고려해 야 하며, 주위 조명에 많은 영향을 받게 되는 등의 단점이 있다. 또, 이들 얼굴 인 식 시스템들에 공통으로 존재하는 기본적인 문제점은 얼굴 인식을 위해 원본 데이 터로 저장된 인상 사전들은 자연스러운 자세가 아닌 인공적인 자세에서 찍혀진다는 것이다. 따라서 데이터베이스상의 사진과 다른 사진 영상을 비교하여 동일인인가를 판단하기는 여전히 어렵다.

라. 음성

음성을 이용한 개인인식은 화자인식이라고 하며, 다른 생체인식에 비해 에러 발 생률은 높지만 음성인식과 관련하여 활발하게 연구되고 있는 분야이다. 특히, 다른 생체 획득 장치와는 달리 음성 취득 장치인 마이크는 저가이고 일반 PC 또는 PDA, 핸드폰 등에 기본적으로 탑재되어 있으므로 다른 생체인식에 비해 취득 장치에 드 는 비용이 거의 없다는 장점이 있다. 또한, 전화나 인터넷을 이용하여 원격지에서도 사용이 가능하여 텔레뱅킹 등 다른 생체인식방법을 적용할 수 없는 응용분야에서 사용될 수도 있다.

음성에 의한 인식 기술과 관련하여 기억해야할 가장 중요한 점은 말 그 자체가 아니라 말을 할 때의 음성학적 특성들에 초점을 맞춘다는 것이다. 이러한 음성학적 특성들은 억양에 영향을 받는 것이 아니라 음성 경로, 비강과 구강의 모양 등에 의 존하므로 성대모사와 같은 방법으로 모방할 수 없다.

음성인식시스템은 크게 두 가지 형태로 나눌 수 있는데 접근 통제에 사용될 수 있는 독립적인 것과 전화망 상에서의 사람을 인증할 수 있는 시스템이 그것이다.

원격지에서 전화망과 같은 통신망을 이용할 경우, 일단 중앙 컴퓨터의 인증 시스템 에 등록되고 나면, 사용자들은 접근 권한을 얻기 위하여 일상적인 전화만 하면 된 다. 이 기술을 응용한 하나의 예는 은행 계좌와 더불어 중앙컴퓨터에 저장된 계좌 소유자의 음성이 사용되는 원격 뱅킹 시스템이다. 이러한 음성 인식 시스템은 원격 지에서도 전화를 이용하여 신분 확인을 할 수 있다는 것과 별도의 교육이 필요하지 않고 시스템 가격도 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 음성이 일반 공중 전화망을 통하여 전달되기 때문에 컴퓨터에 접수되는 샘플은 잡음에 의해 손상될 수 있으며, 등록 시 사용한 전화와 다른 전화를 사용할 경우 전송되는 음성이 변조될 수 있는 것, 또 사용자의 목이 쉬었을 경우나 녹음, 사용 환경상의 강도 높은 소음 등이 약 점이라 할 수 있겠다.

마. 손 모양

생체인식 분야에서 가장 먼저 자동화된 기법으로 스탠포드 대학의 한 연구팀이 개인마다 손가락 길이가 다르다는 점에 착안, 약 4000명의 손가락 형태를 분석하여 이를 데이터화하여 만든 시스템이다. 이처럼 손 및 손가락의 모양도 사람마다 고유 한 특징을 가지므로 손가락의 길이와 형태를 3차원으로 측정한 기하학적 정보는 수 집 및 처리가 비교적 쉽다. 그러나 상대적으로 정확도가 떨어져 보안의 중요성이 그다지 높지 않은 곳에 주로 쓰인다. 즉, 지문이나 눈을 이용하는 시스템에 비해서 는 열악한 환경에서도 안정적으로 동작하고 정보 저장량이 적기 때문에 건설현상이 나 야외에서 주로 사용된다.

바. 손 혈관

손등의 정맥 인식시스템은 손등의 피부로부터 정맥 패턴을 추출하는 방법으로 적 외선 조명과 필터를 사용해 피부에 대한 혈관의 밝기를 최대화한 다음, 입력된 디 지털 영상으로부터 정맥 분포 정보를 추출한다. 지문인식과 같이 특징점을 좌표로 인식할 뿐 아니라 전체적인 혈관 모양도 비교한다. 특히 혈관을 투시한 후 잔영을 이용해 신분을 확인하는 방법적 특성은 인식에 활용되는 정보가 외부에 노출되지 않는 피부 내 혈관이기에 복제가 거의 불가능하다는 특징이 있다. 그러나 하드웨어 구성이 복잡하고 소형화가 불가능하여 전체 시스템 비용이 매우 높은 편이다. 손등 정맥인식 시스템은 지문이나 손 모양을 이용하는 방법에 비해 사용자의 거부감을 줄일 수 있고 지문이나 손가락이 없는 사람도 이용할 수 있다는 장점이 있다.

사. 기타

유일하고도 측정 가능한 신체적 또는 행동적인 특징은 한 사람의 신원을 확인하 는 데 사용될 수 있다. 물론 이런 특징들 중 어떤 것이 사용하기 쉽고 어려운가에 는 차이가 있다. 앞서 언급한 특징 이외에 현재 개발되고 있는 시스템은 귀 인식, 근전도 신호, 걸음걸이 인식, 타이핑 리듬 인식, 입술 인식 등이 있다.

타이핑 리듬에 의한 인식은 사람이 타이핑을 함에 있어 숙련자이든 한 손가락만 을 사용하는 사람이든 그들 자신의 타이핑 리듬을 가지고 있다는 사실에 기초하고 있다. 개발의 목표는 로그온한 사용자를 대신하여 다른 누군가가 컴퓨터를 사용하 는 것을 탐지하는 시스템을 개발하는 것이다. 그러나 계속적인 모니터링은 사용자 의 신체적, 정신적 상태에 따라 타이핑 리듬이 많이 변화하기 때문에 어려움이 있 다.

귀 모양에 의해 개인을 증명하는 시스템으로는 프랑스와 네덜란드에서 개발하고 있는데, 전화 헤드셋이 귀에 닿을 때 귀의 영상을 획득할 수 있는 작은 카메라가

상황제시

영화 ‘아이언 맨’을 보았는데, 아주 독특한 컴퓨터가 나의 마음을 사로잡았습니다.

‘자비스’라는 컴퓨터는 주인공을 돕는 비서이며 집사 역할을 훌륭히 소화하며, 영화 스토리상으로도 많은 비중을 차지하는 중요한 역이었습니다. 컴퓨터 책상에 앉아 키보드와 마우스를 눌러야만 하는 지금으로서 사람과 대화할 수 있는 컴퓨터가 있 다면 첨단기기에 익숙하지 못한 부모님, 어린 동생도 컴퓨터를 사용하기에 편리할 것이라는 생각이 들었습니다.

늦잠을 자게 된 어느 날, 부랴부랴 학교 갈 준비를 하고 가방을 챙겨 집을 나 섰지만, 깜빡하고 휴대폰을 두고 온 게 생각이 났습니다. 문 앞에서 가방을 아무 리 뒤져도 열쇠가 보이지 않아 짜증이 나는 순간‥ ‘이럴 때 아이언맨의 컴퓨터 자비스처럼 내 목소리만으로 문을 열 수가 있다면 좋을 텐데…’ 라는 생각이 들었 습니다.

[참고자료]

(동영상) 아이언맨과 자비 스의 대화

목표:

특성 해결(발명)해야 할 기술

장점

❏

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❏

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❏

단점 개선책

목표:

신체 부위 장점 및 단점

지문

활동과 내용

■ (활동 1) : 열쇠를 대체할 수단은?

개선이나 발전의 첫 단계는 현재 상태를 자세히 분석하는 단계입니다. 먼저, 현재 많이 사용되고 있는 열쇠의 특성을 파악해 봅시다. 또한, 열쇠를 대신하여 신체부위 를 이용해 문을 열 수 있다면 어떤 신체부위가 적당할까요? 그 기술이 실현되기 위 해서는 어떤 기술이 발명되어야 할까 생각해 봅시다.

■ (활동 2) : 스마트폰은 어떻게 내 말을 알아들을까?

1. 사람의 목소리는 어떻게 발생하는 것일까요? 조사하여 발표해 봅시다.

2. 소리는 파동의 형태로 전달됩니다. 파동의 기본적인 특성은 무엇이고, 목소리를 파동으로 나타내면 어떤 모양일까요? 조사하여 발표해 봅시다.

3. 스마트폰은 음성신호를 어떻게 처리하여 작동할까요? 스마트폰의 음성인식 작동원리에 대해 조사하여 발표해 봅시다.

■ 목소리의 생성 원리

우리가 소리를 알아듣는 방법을 이해하기 위해서는, 우선 사람이 소리를 내는 방 법을 알아야 한다. 우리가 소리를 내면 공기를 매질로 한 파동이 만들어지고 그 파 동은 듣는 사람의 귀 고막을 두드리는 것으로서 음성정보를 전달하게 된다. 그럼 사람은 소리를 어떻게 내는 것일까? 첫 번째 단계는 횡격막이 수축하면서 허파 속 의 공기가 밖으로 나오는 단계이다.. 이때 공기는 목에 있는 성문을 지나게 되는데, 성문에는 성대라는 한 쌍의 주름이 있다.

[참고자료]

음성인식의 원리 – 네이버 원리사 전

우리가 ‘아~’라는 음을 발성하면서 손을 목에 대었을 때 진동을 느끼게 되는데 바로 그 부분이 성대가 떨리고 있는 부분이다. 그럼 왜 그곳에서는 진동이 발생하 는 것일까? 우리는 지하철 플랫폼에서 전동차가 막 지나갈 때 플랫폼 쪽에서부터 철로 방향으로의 힘을 느끼게 되는데 이것은 베르누이 정리 때문에 발생하는 일이 다. 사람의 성문에서도 그런 현상이 발생한다. 공기가 성문을 지나게 될 때 그 부분 의 압력이 낮아지고, 힘은 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 향하므로 그 결과 양옆 에 있는 성대들이 서로 부딪히게 된다. 성문에서 발생하는 이러한 사건들은 사람의 목소리에 어떤 영향을 주는 것일까? 바로 음의 높낮이를 결정하게 된다. 우리가 공 기를 빠르게 보내면 압력이 더 낮아지고, 성대들이 서로 부딪히는 속도는 빨라지며 음의 높이는 높아지게 된다.

그럼, 실제 ‘아’, ‘어’와 같은 소리의 언어적 정보는 어디에서 만들어지는가? 성대 에서 입술과 콧구멍까지의 통로를 성도라고 부르는데 바로 이 성도를 지나면서 여 러 가지 음이 만들어지게 된다. 성도의 상태, 즉 입을 크게 벌렸는지 작게 벌렸는 지, 혀끝이 윗잇몸에 붙었는지 아닌지와 같은 여러 가지 상태에 따라서 다양한 소 리가 나오게 된다.

■ 목소리와 파동의 특징

위에 보이는 그림은 ‘카’라고 발성했을 때의 음성 파형이다. 위 그림에서 0.13초까 지 ‘ㅋ’음에 해당하는 음성파형이고 그 이후부터는 ‘아’음에 해당한다. ‘ㅋ’과 ‘아’음성 파형 중 ‘아’파형을 관찰해보면 시간 축 상에서 커다랗게 나타나는 피크들이 보이는 것을 알 수 있다. 바로 이 피크들의 간격을 주기라고 말하고 이 시간 차이가 성대 가 떨리는 주기와 일치하게 된다. 한편 ‘ㅋ’파형은 그런 피크들이 보이지 않는데, 이 는 성대가 떨리지 않고 난류를 일으킨 무성음이기 때문이다.

(1) 진폭

파형에서 보듯이 진동의 세기를 진폭이라고 한다. 진폭이 클수록 소리가 크고, 진 폭이 작을수록 소리가 작아진다. 따라서 진폭은 곧 소리의 강도(intensity)를 나타낸 다.

[참고자료]

음파의 일반적 성질 - 군자출판 사

(2) 주기

주기는 공기의 진동이 이루어지는 횟수를 나타내며 공기 입자가 부딪혀 튕겨 나 갔다가 다시 제자리로 돌아오는 것을 한 주기라고 한다. 보통 소리의 특성을 이야 기할 때 ‘주파수(frequency)’라는 말을 사용하는데, 주파수는 1초 동안 진동이 몇 번 일어났는지를 나타내는 것이다. 주파수는 Hz(헤르츠)라는 단위를 써서 나타낸다. 만 약 200Hz 라면 1초 동안 200번 진동이 반복한 것이다. 주파수가 높을수록 높은 소 리가 되고, 주파수가 낮을수록 낮은 소리가 된다.

■ 음성 인식 시스템

음성인식 기술은 인식의 대상에 따라 화자독립 시스템과 화자종속 시스템, 그리 고 발음의 형태에 따라 고립어 인식 시스템과 연속어 인식 시스템으로 나뉜다. 화 자종속 음성 인식은 화자독립 음성 인식에 비해 인식률이 높아 실용화에 유리하며 대체로 화자종속 시스템의 성능이 화자독립 시스템보다 인식률이 높게 나온다. 화 자종속 시스템은 현재 휴대폰에 탑재되어 사용되는 음성 다이얼링 시스템에 이용되 고 있다.

사용자 음성을 저장, 등록하여 실제 인식을 수행할 때는 입력된 음성의 패턴과 저장된 음성의 패턴을 비교하는 기법이다. 전화를 걸 때 사람 이름만 말하면, 전화 번호를 찾아 자동으로 전화를 걸어주는데 이용되고 있다. 화자독립 시스템은 불특 정 다수 화자의 음성을 인식하기 위한 시스템으로 시스템 동작 전 음성 등록의 번 거로움이 없고 다수화자의 음성을 수집하여 통계적인 모델을 학습시키고, 학습된 모델을 이용하여 인식을 수행하여 각 화자의 특징적인 특성은 사라지고 각 화자 간 에 공통으로 나타나는 특성이 부각하는 방법이다. 고립어 인식 시스템은 짧은 음성 명령이나 간단한 음성제어 등에 주로 사용되며 숫자 음을 인식하여 음성버튼으로

다. 연속어 인식 시스템은 문장 단위로 인식을 수행하는 시스템으로 문장을 인식하 기 때문에 사용자가 단어 단위로 끊어 발음하지 않아도 된다. 문장은 평상시와 같 이 발음되며, 특별히 단어 사이의 묵음이 있을 필요는 없다.

■ 음성 추출 알고리즘

음성추출 방법으로는 LPC, MFCC, VQ, HMM 등 여러 가지 음성추출 알고리즘이 있다. LPC(Linear Predictive Coding) 추출은 과거의 일정 개수의 샘플 값들에 계수 를 각각 곱하고 이를 총합한 값으로 현재의 샘플 값을 예측하려는 시도에서 출발하 였다. 계수는 선형예측계수(LPC)라 하고 전달함수 입장에서 보았을 때 전극 (All-pole)모델을 이루며 LPC를 추출하는 과정으로는 구간 내 자기 상관계수를 구하 고 이를 재귀적인 방법을 통해서 빠르게 계산을 하여 LPC 계수를 기반으로 하여 음성인식에 효과적은 캡스트럼계수(LPCC)로 변환하여 사용한다.

HMM(Hidden Markov Model)은 통계적 패턴인식을 이용한 방법으로 통계적인 정보를 확률모델 형태로 저장하고 미지의 입력패턴이 들어오면 각각의 모델에서 이 패턴이 나올 수 있는 확률을 계산한다. 음성 신호를 상태천이 확률과 각 상태에서 의 관찰확률 이라는 두 단계에 걸친 확률 과정으로 표현한다. 현재 가장 널리 사용 되는 방법으로 음성처리 및 언어처리를 단일구조로 처리할 수 있다는 장점이 있다.

음성인식 기술은 그 기술의 난이도를 따라 ‘고립 단어 인식’과 ‘연속 음성 인식’으 로 크게 나뉜다. 예를 들어 인식 대상 어휘가 ‘서울’, ‘부산’두 개라고 가정하자. 이 때 전자는 ‘서울’과 ‘부산’, 딱 두 개 어휘만 인식하는 기술이고, 후자는 이 두 개 어 휘의 모든 조합, 즉 ‘서울 서울’, ‘서울 부산 서울’과 같이 어떠한 길이의 어휘 조합 도 모두 인식하는 기술이다. 당연히 후자가 더 어려운 기술이다. 그리고 사람과 같 은 수준의 음성 인식기를 개발하고자 한다면, 후자의 기술이 사용되어야 한다. ‘연 속 음식 인식’을 수학식으로 표현하면 아래와 같다.

위 음성 인식 수식을 보면, 모든 후보가 되는 단어 열에 대한 확률을 모두 구해 야 하고 그 중 가장 높은 확률을 낸 단어 열을 선택하게 되어 있다. 한편, 단어 열

[참고자료]

음성인식 알고리 즘 - 한국전자통 신학회

[참고자료]

음성 개인 식별

길이에 대한 제한이 없으므로, 상식적으로 생각해도 우리가 찾아야 하는 탐색 공간 은 무한대가 되어 버린다. 그러므로 어떻게 빠르게 단어 열을 찾을 것인가가 중요 한 문제가 된다. 이에 대한 해결책은 매우 단순하다.

모든 후보 단어 열에 대한 가능성을 열어두고 음성을 듣다가 정답이 아닐 것 같 은 후보들을 탈락시키는 것이다. 마치 축구에서 토너먼트 경기를 하면서 한 팀씩 탈락하는 것처럼, 음성을 들으면서 가능성이 없는 후보는 빨리 탈락시킨다. 음성 신 호가 모두 처리되었을 때는 그 험한 경쟁에서 살아남은 최종 승리자가 최종 인식 결과가 된다.

■ (활동 3) : 목소리를 눈으로 듣자!

이제 목소리를 알아듣는 문을 발명해 봅시다. 목소리를 통한 개인 식별은 스마트 폰의 음성인식 기술과는 목적이 조금 다릅니다. 스마트폰은 음성신호가 어떤 단어 인지 식별하는 능력이 중요한 반면, 목소리를 알아듣는 출입문은 내 목소리를 다른 사람의 목소리와 구분하는 것이 중요합니다.

사람의 목소리를 시각적으로 표현해주는 방법 중의 하나로 소리 스펙트로그램 (Spectrogram)이 있습니다. 스펙트로그램에서는 시간 축과 주파수 축의 변화에 따 라 진폭의 차이를 인쇄 농도 / 표시 색상의 차이로 나타내어 실제 음성 스펙트럼과 가장 근사한 형태로 분석할 수 있어 음성연구 분야에서 널리 이용되고 있습니다.

1) Cool Edit를 실행시킵니다.

(창이 Maintrack View 라면 Edit View로 바꿉니다.)

2) 녹음버튼을 눌러 녹음합니다.

(OK 버튼을 누름과 동시에 녹음이 시작됩니다.)

3) 녹음된 파일을 wav 파일로 저장합니다. (file → Save as)

나. 녹음된 파일을 음성분석 소프트웨어를 이용하여 스펙트로그램으로 변환한 후 서로의 목소리 차이점을 분석해 봅시다. (공통점은 파란색으로, 차이점은 빨간색으로 표시해봅시다.)

1) Praat를 실행시킵니다.

[참고자료]

음성분석 프로그 램‘Praat’

2) 녹음된 음성파일을 불러옵니다. (Open → Read from file...)

3) 음성파일의 스펙트로그램을 생성합니다. (Analyze Spectrum → To

Spectrogram...)

(스펙트로그램이 생성되었습니다.)

4) 스펙트로그램을 그림으로 표시합니다. (Draw → Paint)

5) 스펙트로그램을 그림으로 저장합니다. (File → Save as PNG file)

Sound Spectogram 1

Sound Spectogram 2

Sound Spectogram 3

Sound Spectogram 4

5) 저장된 그림을 인쇄하여 서로 비교합니다.

Sound Spectogram 1

Sound Spectogram 2

다. 모둠원 중 한사람이 헬륨가스를 마시고 동일한 단어를 녹음합니다.

라. 헬륨가스를 마셨을 때 목소리의 변화를 스펙트로그램을 통해 분석합니다.

(공통점은 파란색으로, 차이점은 빨간색으로 표시해봅시다.)

■ 음향학 기초

소리를 녹음하게 되면 시간 축 위의 해당 시간점에서 얼마의 진폭으로 공기가 진 동했는지를 나타낸다. 이때 1초를 몇 등분하여 해당 지점의 소리 크기(진폭)를 저장 하는가를 표본추출속도(sampling rate)라고 부른다. 보통 컴퓨터에 입력하는 소리는 11025 Hz 나 22050 Hz 의 표본속도를 시용하는데 이것은 바로 1/11025 초마다 하나의 표본을 뽑아 소리의 크기를 저장함을 뜻한다. 소리 파형을 확대해보면 같은 시간점에서의 소리의 크기로 나타나 있다. 이 때 표본속도의 반에 해당하는 주파수 를 나이퀴스트 주파수(Nyquist frequency)라고 하는데 일반적으로 표본추출방식으로 컴퓨터에 저장하는 음성정보는 표본속도의 반에 해당하는 주파수까지의 모든 정보 가 다 들어있다고 한다. 다시 말해서 CD 음질로 저장하는 44100 Hz의 표본 속도는 사람이 들을 수 있는 범위인 20 ~ 22050 Hz 의 정보를 모두 다 저장할 수 있다.

실제 음성의 중요한 정보들은 8000 Hz 범위에 모두 들어가 있기 때문에 그것의 두 배인 16000 Hz 의 표본속도나 22050 Hz 의 속도를 많이 사용한다. 표본속도 주파 수가 두 배가 되면 정보량도 두 배가 되어 하드디스크의 공간을 더 많이 차지한다.

[참고자료]

음성분석 프로그 램 활용법 – 원 광 디지털대학교

그런데 음성을 녹음할 때는 보다 좁은 범위의 주파수를 나누어 사용하기 때문에 (약 300 ~ 3400 Hz 범위) 표본속도를 8000 Hz 로 설정하여 녹음하면 필요한 정보 를 모두 포착하게 된다. 일반적으로 표본속도를 낮게 하면 고주파영역의 성분이 걸 러져 약해지기 때문에 코맹맹이 소리처럼 둔탁한 음성으로 들린다.

사람의 음성은 매우 복잡한 파형으로 나타난다. 이러한 파형을 이해하기 위해서 는 먼저 단순한 파형의 구조와 특성을 살펴보아야 한다. 단순한 진동을 나타내는 파형을 단순음이라고 하는데, 두 개 이상의 단순음이 합쳐진 음파를 복합음이라고 한다. 사람의 음성은 복합음에 해당한다. 두 개의 단순음을 합치는 것을 그림과 같 이 두 파형에서 동일한 시간점의 진폭을 더한 것이 된다. 따라서 복합음의 진폭 값 은 단순음 두 개의 파형보다 더 높게 나타난다.

두 단순음 파형을 합치면 세 번째 복합음파형이 나오는 과정과는 정반대로, 세 번째의 복합음파형에서 각각의 성분이 되는 단순음파형으로 분리하는 과정이 푸리 에 변환이다. 푸리에 변환과정은 기본적으로 음파의 값의 앞뒤 값의 곱을 통해 곱 한 값이 가장 크게 나타나는 지점들을 뽑아서 주기성을 찾아내는 과정이라고 말할 수 있다.

위 그림은 실제 음성으로 발음한 모음‘아’의 확대된 파형을 보여주고 있다. 앞의 복합음파형과 유사하나 더욱 더 복잡한 것을 알 수 있다. 실제 사람의 음성을 푸리 에 변환한 스펙트럼을 살펴보면 아래 그림과 같이 나타난다. 음성파형을 스펙트럼 분석을 한 뒤 시계 반대방향으로 90°돌려서 주파수축과 진폭축의 위치를 바꾸면 아 래 그림처럼 나타나고 스펙트럼 정보에서 진폭 값이 높은 언덕 부분은 진하게 표시 하고 낮은 골 부분은 연하게 각 시간점마다 연속하여 표시하면 두 번째 나타나 있 는 스펙트로그램이 된다.

■ 스펙트로그램을 이용한 음성분석의 실제

(출처 : 음성분석 프로그램 활용법 – 원광디지털대학교)

(1) 공명주파수(포먼트)

모음은 여러 개의 단순파들이 합쳐진 소리라고 했는데, 모음을 조음할 때는 여러 주파수대의 단순파들이 만들어진다. 그런데 이들 단순파들은 입 모양에 따라 특정 주파수대의 소리가 증폭되고 어떤 주파수대의 소리들은 상쇄되기도 한다. 이처럼 성대에서 나온 기류가 입을 통과하면서 크게 증폭되는 주파수 영역이 있는데 이것 을 ‘공명주파수(포먼트)’라고 한다. 성대의 떨림에 의해 만들어지는 소리는 같은데, 이것이 입을 통과하면서 ‘아’, ‘이’, ‘오’등과 같이 서로 다른 모음이 되는 것은 바로 입모양에 따라 공명주파수가 달라지기 때문이다. 공명주파수의 수는 이론적으로는 무한하다고는 할 수 있지만 고주파수대로 갈수록 에너지가 약해지기 때문에 음성을 분석하는 데 의미가 있는 공명 주파수로는 세 번째 공명주파수까지를 꼽는다. 이것 을 각각 F1, F2, F3라고 표현한다.

F1은 구강의 앞부분에서 협착이 일어나면 F1값이 낮아지므로 모음의 개구도와 관련이 크다. 고모음은 F1이 낮고, 저모음은 F1이 높다.

F2는 입술이나 연구개에서 협착이 일어나면 F2값이 낮아진다. 모음의 전후설과 관련이 크다. 전설모음(경구개 쪽에서 협착)은 F2가 높고 후설모음(원순모음은 입술 과 연구개에서 협착, 평순모음은 연구개에서 협착)은 F2가 낮다.

F3는 입술이나 경구개에서 협착이 일어나면 F3값이 낮아진다. 전설고모음/ㅣ/는 경구개에서 협착이 일어나므로 F3이 낮고, 원순모음/ㅗ,ㅜ/는 입술에 협착이 일어나 므로 F3이 낮다.

(2) 여러 발음의 음향적 특성

폐쇄음은 기류의 흐름이 구강 내에서 막았다가(폐쇄) 뒤따라오는 모음을 발음하 기 위해 막았던 부분을 떼는데(파열), 이 때 성대가 열리면서 바로 아래쪽의 공기가 따라 나오고(기식) 이어서 후행 모음이 발음된다.

마찰음은 구강의 어느 부분을 좁혀서 기류가 마찰을 일으키도록 하는데, 이후 뒤 따라오는 모음을 발음하기 위해 좁혔던 부분을 벌리면서 성대 아래쪽의 공기가 따 라 나오고(기식) 이어서 후행 모음이 발음된다.

파찰음은 파열음(폐쇄음)과 마찰음의 특성을 모두 가진 음으로 먼저 구강의 어느 한 부분을 막아(폐쇄) 기류가 흐르지 못하게 한다. 이후 막은 부분을 여는데(파열), 한꺼번에 입을 크게 벌리는 것이 아니라 공간을 좁혀서 공기가 마찰을 일으켜 나가 도록 한다. 이후 뒤따라오는 모음을 발음하기 위해 좁혔던 부분을 벌리면서 성대 아래쪽의 공기가 따라 나오고(기식) 이어서 후행 모음이 발음된다.

비음은 구강 내에서 막힘이 있고 구강으로 기류가 흘러나가면서 구강 내 외벽에 부딪히기 때문에 소리가 많이 약해져 비음은 전반적으로 에너지가 약한 것이 특징 이다.

탄설음은 혀끝을 튕겨서 순간적으로 잇몸에 붙었다 떨어지는 소리이다. 설측음은 혀끝을 잇몸에 붙이고 혀뿌리 쪽을 내려 혀의 양 옆으로 공기가 새어나갈 수 있도 록 해서 내는 소리이다.

목소리로 열리는 출입문 설계하기

‘알리바바와 40인의 도적’을 읽어보셨나요?

알리바바는 나무 위에서 도적들의 주문을 듣고는

‘열려라 참깨’를 외치고

동굴 안의 보물을 차지할 수 있었습니다.

우리 집 대문도 목소리로 열 수 있다면 어떨까요?

우리 가족의 목소리만 반응하여 열리는 출입문을 설계해 봅시다.

※ 목소리로 열리는 출입문이 갖추어야 할 조건!!!

1. 음성인식 기술을 이용해 열리는 출입문 제시 2. 과학적 원리가 들어간 참신한 장치

3. 원활한 작동을 위해 필요한 기능들을 나누어 구성요소로 제시 4. 보안 기능과 미적 외관을 모두 충족하는 디자인 고안

5. 현재 개발되어 적용 가능한 기술뿐만 아니라, 향후 개발되어야 할 기술을 창 의적으로 조합하여 제시

6. 최종 아이디어를 스케치하고 설명을 첨부하여 아이디어 제안서에 작성하여 제출할 것

■ (활동 4) : Open Sesame~(목소리로 열리는 출입문 설계하기)

1. Mission 설명

<프로젝트 해결>

■ 어떻게 문제를 해결할까?

문제를 해결하는 방법이 꼭 1가지만 있는 것 은 아닙니다. 따라서 상황과 조건에 맞추어 가 장 좋은 해결방법을 찾는 것이 문제를 해결하 는데 가장 좋은 방법이라 할 수 있습니다. 한 사람의 생각보다는 여러 사람의 생각을 모아 힘을 합치면 더 좋은 결과를 만들어 낼 수 있 겠죠?

그럼 여러분의 미션을 돕기 위해 제시된 미션을 해결하는 방법으로 가장 많이 쓰 이는 프로젝트법 하나를 소개하고자 합니다. 프로젝트법은 상황의 문제를 스스로 발견하고 발견한 문제를 해결하기 위해 아이디어 및 자료를 모으고, 아이디어와 수 집된 자료를 바탕으로 팀원 사이의 토의를 통하여 가장 좋은 해결방법을 제시합니 다.

1. 아이디어 산출 준비단계

아이디어 산출 준비단계에서는 아이디어 산출을 시작하기 전에 프로젝트와 관련 된 지식을 정리하고, 선행학습으로 어떤 것을 배웠는지 정리를 합니다. 그리고 프로 젝트의 수행에 필요한 상황과 제공되는 조건들을 꼼꼼히 체크해 봅니다. 체크한 상 황과 조건을 바탕으로 미션 수행을 위한 아이디어를 생각해 봅니다.

2. 아이디어 선정단계

팀원 개인적으로 생각한 아이디어를 공유하며 미션을 해결하기 위한 가장 좋은 방법을 결정하는 단계입니다. 이 단계에서는 팀의 프로젝트 주제를 정하고 구체적 인 세부 활동 계획을 정합니다. 주제를 정할 때는 팀원들의 관심과 흥미를 고려해 야 하고, 이미 활동 했던 것을 참고할 수 있습니다. 그리고 이 단계에서는 여러 가 지 현실적인 고려사항을 참조하여 아래와 같은 아이디어 선정기준을 활용하는 것이 좋습니다.

1. 해결 과제의 목표와 관련이 있는가?

2. 해보고 싶은가?

3. 주어진 시간에 해결할 수 있는가?

4. 수행 인원이 적절하게 구성되었는가?

5. 아이디어가 실현 가능성이 있는가?

6. 아이디어가 창의적인가?

[교수․학습상 의 유의점]

아이디어 산출을 시작할 때 아무 렇게나 시작하면 미션을 수행할 때 많은 어려움 을 겪게 됩니다.

꼭 필요한 일을 빼먹거나, 하지 않아도 될 일을 반복적으로 하는 일이 발생할 수 있습니다. 그러 므로 아이디어 산출 계획을 철 저하게 세워 운 영할 수 있도록 해 주세요. ‘어 떻게 문제를 해 결할까?’ 꼭지는 이러한 일련의 과정을 모두 담 고 있습니다. 제 시된 순서대로 진행하시면 큰 어려움 없이 아 이디어 산출이 진행될 것입니 다.

필요한 기능상 구성 요소

각 구성요소에 적용할 수 있는 기술

제품의 설치 위치 및 디자인

제품 적정가격 및 시장 발전가능성

예상되는 문제점과 해결방안

다른 기능의 제품과 융합가능성

■ 아이디어 정리하기

아이디어를 개략적으로 정리해 봅시다.

■ 아이디어 제안서 작성하기

토의를 통해 얻은 아이디어를 제안서로 작성해 봅시다.

아이디어 제안서(상세)

문서분류

페이지번호 / 페이지 작성자

작성일자

아이디어제안자 성

명

소 속

학 번 내 용

아이디어의 종류

제목

개요 (그림포함)

현재의 문제점

기 대 효 과

현재 문제개선효과

■ 아이디어 평가 및 피드백

아이디어가 완성되면 평가를 하고 잘된 점은 더욱 발전시키고, 잘못된 점은 개선 해야 합니다. 그러기 위해서는 자체점검을 해보아야 합니다. 만약 문제가 생겼다면 어떤 단계에서 생겼으며, 해결 방법은 무엇인지 논의를 할 수 있는 기회를 가질 수 있습니다.

아이디어 명

해결과제 수행정도

해결과제

과제 수행정도

매우

좋음 좋음 보통 나쁨 매우

나쁨

아이디어의 잘된 점

•

•

•

•

아이디어의 단점 분석

및 보완 방법 (나의 생각)

나의 생각

고쳐야 할 점 방법

시제품 단점 분석

및 보완 방법 (우리의 생각)

우리의 생각

고쳐야 할 점 방법

정보보안전문가를 꿈꾸며!

(스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템 만들기)

3~5 차시

고등학교

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[교사용]

고등학교 STEAM

정보보안전문가를 꿈꾸며!

(스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템 만들기)

1. 주제 개요

본 차시는 첨단 안전ㆍ보안장치로써 암호시스템을 학습하면서 정보보안전문가라는 직업 을 소개하고 진로탐색의 기회를 제공하고 있으며, Flipped Learning을 통해 학생들이 2차 대전 당시의 암호 전쟁에 대한 흥미로운 이야기를 접하면서 정보보안의 중요성과 암호학에 서 사용하는 기초 용어를 스스로 익힐 수 있도록 구성하였다. 또한 정보보안전문가의 첫걸 음인 암호의 원리와 알고리즘에 대해 탐구하면서 몰입과 자기주도학습이 가능하도록 구성 되어 있다. 특히, 암호의 안전성에 대해 다루면서 경우의 수와 같은 수학적 개념이 일상에 서 활용되는 예를 체험할 수 있다. 또한 모둠별 탐구활동을 통해 ‘스도쿠 게임을 활용한 비 밀번호 입력시스템’을 만들어 보고, 개인의 정보 보호를 위한 구체적인 실천방안을 논의하 면서 협동과 배려를 경험하도록 유도하였다. 본 프로그램을 통해 학생들은 기술ㆍ공학ㆍ수 학의 융합적인 사고력을 바탕으로 문제해결력과 창의성을 기를 수 있으며, 정보보안에 관 한 진로탐색을 통해 도전의식과 성취감을 경험할 것이다.

가. 본시 STEAM 수업의 주요 구성 및 준비물

상황 제시 ▶ 내용 융합

▶ 평가/보상

창의적 설계 감성적 체험

n 금융 기관의 해킹 피해 사건 발생하여 00은행에 다니시는 아버지께서 1주일째 야근 중임. 어제 밤늦게 들어오셔서 오늘 아침 일찍 출 근하시는 아버지를 보면서 세계 최고의 정 보보안 전문 가가 되겠다고 다짐함.

n 정보보안전문가가 되기 위한 나의 진로탐색활 동 계획하기

n 암호의 기본 원리와 알 고리즘 탐구하기 n 스도쿠 게임을 활용한

비밀번호 입력시스템 만들기

n 개인정보보호를 위한 실천 방안 토론하기

n 암호의 기본 원리와 알 고리즘 탐구를 통해 성 취감 경험하기

n 스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템 만들기 활동을 통해 성 취감 경험하기

n 정보 보호의 중요성을 인식하고 토론 과정에서 협동과 배려 경험하기

n (평가) 체크리스트 평 가

n (보상) 모둠 및 개인 별 누적 보상

새로운 문제에 도전

활동순서 활동명 준비물 1 정보보안전문가가 되려면?

검색용 컴퓨터, 학생 활동지,

필기구 2 정보보안전문가의 첫걸음: 암호학 이란?

3 암호학의 원리는?

4 스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템 만들기!

5 개인정보보호를 위한 실천 방안을 논의해 보자!

2. 학습 목표

○ 내용 목표

- 암호학의 기초 용어와 암호문 작성 및 해독의 기본 원리를 설명할 수 있다.

- 스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템의 원리를 설명할 수 있다.

- 정보 보안의 중요성을 이해하고, 정보 보호를 위한 실천 방안을 제시할 수 있다.

○ 과정 목표

- 스도쿠 게임을 활용한 패스워드인증 체계를 설계해 보는 활동을 통해 성취감 경험한 다.

- 첨단 정보화 사회에서 정보 보호의 중요성을 알고, 실천하려는 태도를 갖는다.

- 정보 보호를 위한 실천 방안에 대한 토론 활동을 통해 협동과 배려, 소통의 중요성을 인식한다.

3. STEAM 과목 요소

○ M(수학)：암호의 알고리즘과 경우의 수를 이용하여 암호의 안전성 이해하기

○ T/E(공학/기술)：암호 체계의 원리 이해하기, 비밀번호 입력시스템을 안전성과 편의

성을 고려하여 개선 방안 찾기, 개인정보보호를 위한 실천 방안 논

의하기

창의적 설계

자기주도적

학습 • 스스로 문제를 발견하고 문제의 해결책을 탐색 문제발견 및

정의 • 정보보안전문가가 되기 위해 ‘암호학의 기초 원리’에 대한 이해가 필요함 아이디어 발현 • 암호의 알고리즘을 탐구하고, 암호의 원리를 산출물 제작에 응용함

학습 방법 • 자료 조사, 분석, 토의를 통해 암호학의 수학적 원리에 대해 학습함 과정, 활동 중심 • 산출물 완성을 위한 모둠별 활동을 수행

다양한 산출물 • 스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템 만들기 수행

협력 학습 • 개인정보보호를 위한 실천 방안 토론하기. 토의를 통한 의사소통과 협력학 습 제고

감성 적 체험

몰입 • 자신에게 일어날 수 있는 문제로 인식하고, 문제 해결을 위한 과정에 몰입 함

Hands-on • 새로운 비밀번호 입력시스템을 설계하고 디자인해 봄

성취의 경험 • 암호의 원리를 이해, 비밀번호 입력시스템 설계 활동을 통해 성취감을 느낌 배려 • 산출물 제작 및 정보보호 실천 방안에 대한 모둠별 토론에서 배려와 소통

을 체험

새로운 도전 • 비밀번호 입력시스템의 문제점에 대한 개선 방안 모색 자기 평가 • 체크리스트를 통해 각 활동에 대해 스스로 평가해 봄

4. STEAM 단계 요소 ○ 상황 제시

본 차시에서는 해킹 사건 발생으로 은행에서 일하시는 아버지께서 밤늦게까지 계속 야 근해야 하는 상황과 힘들어도 가족을 위해 항상 웃으시는 모습을 보면서 학생이 세계 최고 의 정보보안전문가가 되고자 하는 상황을 제시한다. 학생들은 주어진 문제 상황에 공감하 고, 자신의 문제처럼 몰입할 수 있을 것으로 기대된다.

○ 창의적 설계

○ 감성적 체험

과목 정보, 기술가정 총차시 3

단원 정보 : (1) 정보과학과 정보윤리 기술가정 : (4) 미래 기술과 사회

교육과정

<정보 (1) 정보과학과 정보윤리 >

- 정보3121. 정보보안의 개념과 목표를 설명할 수 있다.

- 정보3122. 정보보안에 대한 위협에 알맞은 대응기술을 찾아내어 활용할 수 있다.

<기술가정 (4) 미래 기술과 사회>

- 기가0222 미래 기술과 우리 사회와의 관계를 이해하고, 미래 기술이 개인적, 사 회적, 환경적 측면에 미치는 영향을 평가 및 예측하며 미래 기술의 직업 세계를 탐색할 수 있다.

학습목표

○ 내용 목표

- 암호학의 기초 용어와 암호문 작성 및 해독의 기본 원리를 설명할 수 있다.

- 스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템의 원리를 설명할 수 있다.

- 정보 보안의 중요성을 이해하고, 정보 보호를 위한 실천 방안을 제시할 수 있 다.

○ 과정 목표

- 스도쿠 게임을 활용한 패스워드인증 체계를 설계해 보는 활동을 통해 성취감 경험한다.

- 첨단 정보화 사회에서 정보 보호의 중요성을 알고, 실천하려는 태도를 갖는다.

- 정보 보호를 위한 실천 방안에 대한 토론 활동을 통해 협동과 배려, 소통의 중 요성을 인식한다.

흐 름 문제제시 & 제작활동 감성적 체험 학습자료(‣) 및 유의점(※)

<상황 제시>

정보보안전문가 가 되고자 하는

학생 (10분)

 상황제시

- 금융 기관의 해킹 피해 사건 발 생함. 00은행에서 일하시는 아 버지께서 1주일째 야근 중임. 어 제 밤늦게 들어오셔서 오늘 아 침 일찍 출근하시는 아버지. 피 곤해 하시면서도 가족을 위해

< 감성적 체험>

- 몰입 : 상황제시를 통 해 학생들이 학생의 상황을 자신의 문제 로 받아들일 수 있도

※

5. 지도안 총괄표