< 연구결과 요약 >

< 연구결과 요약 >

과 제 명 칠판의 가시성 증가에 관한 탐구

연구목표

교실에서 햇빛에 의한 칠판의 가시성 저하 문제에 관하여 해결 방법을 탐구 해보고, 이를 실제로 교실에 적용시켜 효과를 검증해본다.

연구방법

1. 칠판의 가시성 현황 파악

2. 화학적 방법 : 칠판에 특수한 약품이나 처리를 통한 반사광 최소화 방법 탐구

3. 물리적 방법: 물리적으로 개선시킬 수 있는 방법 연구

3-1. 반사광을 최소화 할 수 있는 칠판의 구조 변경 방법 탐구 3-2. 유입된 햇빛에서 반사광만을 차단할 수 있는 방법 탐구

4. 탐구한 해결방안을 모형을 통해 직접 시행, SNR기법으로 효과 검증 5. 검증된 해결방안을 실제 교실에 적용, 효과 확인

연구성과

1. 현황 파악 결과 : 조명과 커튼 모두 사용 시 가시성 증가

⇒ 매우 비효율적인 상태

2. 화학적 방법 : 고등학교 수준 이내에서 해결 불가능으로 인해 제외 3. 칠판의 구조 변경은 이미 개선이 됨. 추가 개선이 어려워 비효율적 4. 편광판을 이용한 반사광 제거 방안은 매우 효과적이었고, 이를 교실 창문에

부착하여 반사광을 실제로 차단시켜 가시성이 증가되는 것을 확인 반사광 해결방안으로 창문의 편광판 설치가 효과적인 것으로 확인했고, 이를 실제로 교실에 적용할시 가시성이 증가되는 것이 확인됨.

(Key words)주요어

칠판, 가시성, 반사광, 글자, 태양광 SNR기법, RGB, 반사편광, 편광판

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적

○ 연구 동기 및 목적

사회가 발달함에 따라 학생들의 배우고자 하는 열정은 더해지고 있고, 이에 따라 정규적인 학교 일과 뿐 아니라 방과 후에도 학교에 남아 수업을 받는 경우가 증가했다. 이런 상황에서 학생들은 하루의 절반 이상을 학교에서 보내는 경우도 있으며, 그 중 수업시간으로 7~9시간을 교실에서 보낸다. 그렇기 때문에 학생들에게 교실에서의 학습 환경은 중요한 요소 중에 하나라고 할 수 있다. 이 때, 교실에서의 시간은 대체로 정규 수업, 방과 후 수업, 또래학습 등 칠판을 사용하는 활동이 대부분이므로 수업환경 중에서도 칠판의 역할이 중요하다.

그러나 2,648명을 대상으로 표본 조사한 설문 결과에 따르면, 학생 53%, 교직원 51%, 학부모 62%가 칠판에 빛 등이 반사되어 글씨가 잘 보이지 않고, 눈이 부시며, 쉽게 피로해 진다고 응답하였다. 그 결과 법랑칠판의 눈부심 정도가 학생의 눈 건강과 학습에 부정적인 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다.¹⁾ 현재 이 문제를 해결하기 위해 커튼을 치고 형광등을 켜는 방식을 사용 중이지만, 커튼을 치게 되면 교실의 전체적인 밝기가 감소하고, 자연채광을 할 수 없다는 단점이 있다.

지금까지 여러 문헌들에서 칠판의 가시성을 하락시키는 원인과

본 연구에서는 햇빛에 의한 칠판의 반사광이 가시성저하의 원인 이라고 가정하고 커튼으로 햇빛을 차단하는 것이 아닌 다른 방법으로 햇빛에 의한 가시성 저하를 해소할 실질적 방법을 탐구하고자 한다.

○ 지역 특성 및 환경 여건

모든 교실 내 측정 및 실험은 과학중점학교인 선정고등학교에서

1) 국민 권익위원회(2010). 학교칠판[법랑칠판] 광택도 기준 개선을 위한 제도개선 방안

진행하였다. 선정고등학교는 산 중턱에 위치한 남향의 학교로 실험이 진행된 교실 또한 남향으로 창이 나 있어 오전수업과 오후수업 모두 햇빛의 영향을 크게 받는다. 그리고 특수 교실 몇 군데를 제외한 대부분의 교실에서 분필을 사용하는 법랑 칠판을 사용 중이다.

단, 측정을 실시한 5층에 위치한 2-12반은 5층과 6층 사이에 차양막이 있어 직사광선의 유입은 그리 크지 않은 편이다.

□ 연구범위

○ 칠판에 가시성을 저하시키는 요인으로는 직사광의 유입, 상대적으로 밝은 외부의 빛 반사, 기울어진 칠판면의 각도 등 여러 요인이 있는 것으로 사전조사 되었다. 이 연구에서는 오직 상대적으로 밝은 외부 의 빛 반사 즉, 창문으로 유입된 빛이 칠판에 반사되는 현상으로 제한하였다. 또한 가시성이 저하된다는 것은 칠판에 쓰인 글자가 빛의 반사로 인해 명확히 구분되지 않음을 뜻하는 것으로 정하였다.

○ 이 문제는 단순히 자연광을 차단하면 해결 될 문제일 수 있다. 그러나 자연채광은 학습효율을 높여주고²⁾ 학습자들의 신체건강 및 성장에 영향을 미친다³⁾는 연구결과가 있다. 따라서 이번 연구에서는 최대한 자연광을 살리면서 가시성을 높이는 방향으로 탐구하기로 했다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 이론적 배경 가. 칠판의 종류

일반칠판 법랑칠판

칠판페인트 외엔 다른 처리 없음.

표면에 유리질의 유약을 고온 처리 함.

기존에 사용하고 있던 칠판 스크래치나 부식이 생기지 않아 내구적인 면에서 효과적인 칠판

2) Heschong Mahone Group (1999). Daylighting in Schools An Investigation into the Relationship Between Daylighting and Human Performance (condensed report).

3) 이유정(2014). 학교교실 내 빛 환경이 학습정서와 심리적 안녕감에 미치는 영향. 고려대

나. 칠판의 가시성에 영향을 미치는 요인 1) 칠판의 광택으로 인한 빛의 반사 2) 높은 광도로 인한 과도한 빛의 반사

○ 선행 연구

가. 교실에서 칠판면의 조도와 휘도의 연관성 분석⁴⁾

칠판면에 의해 생기는 불쾌감을 조도계/휘도계를 통하여 수치화 시킬 수 있다는 것을 알았으며, 불쾌감, 고통, 눈의 피로, 시력의 일시적 감퇴를 초래하는 현상인 칠판의 글레어는 어느 자리에서 보는지 즉 어떤 각도에서 바라보는지에 따라 변화가 크다는 결과 를 알 수 있었다.

나. 학교교실 내 빛 환경이 학습정서와 심리적안녕감에 미치는영향⁵⁾ 논문을 통해 학생의 자연채광정도가 학습정서에 정적인 영향을 미친다는 것을 알았다. 그리고 학습자들이 인식하는 빛 환경에 대한 주관적 반응은 학생들의 학습정서에 영향을 미치며, 교실 내에서 받는 자연채광의 양이 학생들의 학습 환경에 중요한 요소라는 것을 알았다.

다. 칠판을 잘 보는 방법⁶⁾

논문을 통해 황토를 섞은 페인트를 합판에 바름으로써 무조 건 거친 면이 반사도를 줄여주지는 않는다는 것을 알 수 있었다. 또한 시야각 30도, 150도 부근에서 반사체 표면의 밝기를 뜻하는 휘도값이 가장 높았던 결과를 통해 그 부근 은 학생들이 칠판을 바라보기에는 적합하지 않다는 것을 알았다.

4) 이종석(2007). 교실에서 칠판면의 조도와 휘도의 연관성 분석, 인하대

5) 이유정(2014). 학교교실 내 빛 환경이 학습정서와 심리적 안녕감에 미치는 영향. 고려 6) 김유진 외 6명(2013). 칠판을 잘 보는 방법, STEAM R&E 결과보고서. 한국과학창의재단

○ 용어 설명 가. 법랑⁷⁾

철, 알루미늄 등의 금속 표면에 유리질의 유약을 고온으로 처리하여 화학적 내구성을 갖게 한 것. 금속으로는 강판·주철·철합금·구리·

알루미늄 및 귀금속 등이 사용되는데 강판 법랑이 가장 흔하게 사용되며 두꺼운 것과 얇은 것으로 구별된다. 전자는 저장통류의 화학기기 및 위생기구, 후자는 주로 가정에서의 주방용품으로 사용된다.

나. 광속⁸⁾

광원에서 나오는 빛의 양. 어떠한 공간에 비추어지는 빛의 양을 나타낸 것이다. 단위는 루멘, 기호는 [㏐]을 사용한다. 광원에서 나오는 빛은 모든 공간에 골고루 비추어지는 것이 아니라, 광원과의 거리, 장애물에 따라 일정 지역에 빛이 도달하는 양이 달라진다.

다. 광도⁹⁾

광원에서 빛이 발산될 때 어떤 방향으로의 단위 입체각(ω)당 광속 (F)을 광도라고 한다. 기호는 I 로 표시하며 단위는 칸델라 [cd]로 나타낸다. 광도는 어느 특정방향으로 비춰지는 빛의 세기, 또는 빛의 밀도라고도 말하며, 광원에서 얼마만큼 강한 빛을 내고 있는가를 나타내는 물리량이라고도 할 수 있다.

라. 조도¹⁰⁾

조도는 빛이 투사하는 피조면 A [㎡]에 입사한 광속 F [lm]를 그 피조면의 면적 A [㎡]로 나눈 것, 즉 단위면적당의 입사광속의 밀도를 말한다. 기호는 E이며, 단위는 [lx]를 사용한다. 즉, 어떤 물체에 광속이 투사되면 그 면을 밝게 비추는 정도를 표시한 것이며,

7) 화학용어사전편찬회(2011), 『화학용어사전』, 일진사

8) 기술사랑연구회(2007). 『Basic 중학생을 위한 기술·가정 용어사전』, 신원문화사 9), 10) 이종석(2007). 교실에서 칠판면의 조도와 휘도의 연관성 분석, 인하대

광원과의 거리가 멀수록 단위면적당 광속의 양이 적어지게 되므로 조도는 거리에 반비례한다.

마. 휘도¹¹⁾

휘도는 어떤 방향에의 광도(I)를 그 방향에의 투영면적(A)으로 나눈 값으로 표시하고 단위는 [cd/㎡]를 사용한다. 즉, 일정한 넓이를 가진 광원 또는 빛의 반사체 표면의 밝기를 나타내는 양을 말하며 또, 물체의 표면에서 관측자 쪽으로 어느 정도의 빛이 오고 있는지를 나타내는 심리물리량 이라고도 한다. 휘도는 물체가 밝게 보이는 정도를 나타내는데 사용되고 관찰각도에 따라서 달라지며 같은 광원이라도 촛불과 같이 부분적으로 휘도차가 있는 것도 있다.

휘도에서의 단위면적(투영면적)이라 함은 관찰자가 광원을 직접 바라보든 반사체를 통해서 바라보든 관측자의 눈으로 보는 광원의 투영 면적이며, 조도와는 반대로 휘도에서 광원까지의 거리와는 관계가 없다.

바. 가시성¹²⁾

배경으로부터 분리된 가시 대상의 존재나 색의 차이에 대하여 잘 볼 수 있는 정도 또는 상태. 빛의 감각, 식별, 깜박거림 등이 그 대상이 되며, 보는 대상의 크기, 밝기, 배경과의 대비에 따라 영향을 미친다. 가시성 중에서 특히 식별이 문제가 될 때 이것을 식별성이라고 한다.

11) 이종석(2007). 교실에서 칠판면의 조도와 휘도의 연관성 분석, 인하대 12) Daiwa Soken(2001), 『IT용어사전』, 영진닷컴 역, 영진닷컴

사. 글레어¹³⁾

시야 내에 광원이 직접 노출되거나, 정반사에 의하여 광원의 모습 이 눈에 들어오므로 인해 불쾌감, 고통, 눈의 피로, 시력의 일시적 감퇴를 초래하는 현상을 글레어라고 한다.

조명에서 가장 눈부심을 일으키기 쉬운 것은 시야 내에 있는 광원 의 빛남일 것이지만 시야 내에 광원이 있다고 해서 항상 눈부심을 일으키는 것은 아니다.

글레어의 종류에는 눈부심의 정도에 따라 불쾌글레어, 감능글레어로 분류되고 눈부심이 생기는 원인에 따라 반사글레어, 광막 글레어로 구분된다. 불쾌글레어는 대상을 보는데 장애는 없지만, 시야에 고휘도의 광원으로 인해 불쾌감을 느끼거나 눈의 피로를 일으키는 정도의 글레어를 말한다.

아. 편광¹⁴⁾

진공에서와 같이 전기장과 자기장이 진행방향에 수직인 빛에 대해서 진행방향에 수직한 임의의 평면에서 전기장의 방향이 일정한 빛을 편광이라고 한다. 이러한 빛의 경우에 전기장과 자기장도 서로 수직이므로 전기장의 방향을 알면 자기장의 방향도 알 수 있다. 따라서 편광의 방향에 따라서 편광을 구분할 때, 전기장의 방향을 기준으로 사용한다. 태양에서 오는 자연광은 모든 방향의 전기장이 거의 균일하게 포함되어 있는 편광 되어있지 않은 빛이다.

자. 편광각(부르스터 각)¹⁵⁾

굴절률 n의 물질 표면에 빛이 tanθ＝n인 입사각 θ로 입사할 때 반사광은 입사면에 수직인 직선 편광이 된다. 이 각 θ를 편광각 또는 부르스터각이라고도 한다. 또한 이 각도에서 입사할 때는 반사광과 굴절광은 서로 직각을 이룬다. 즉 θ＋φ＝90°(φ는 굴절각)이다.

13) 이종석(2007). 교실에서 칠판면의 조도와 휘도의 연관성 분석, 인하대 14) 편광(2015). [2015.08.29. 검색] http://www.doopedia.co.kr/doopedia/master/

master.do?_method=view&MAS_IDX=101013000865920 15) 김동희 외 6인(2011), 『전기용어사전』, 일진사

차. SNR기법¹⁶⁾

신호는 대개 잡음과 함께 섞여있는 형태로 존재하게 되는데, 여기서 잡음 크기 (noise) 대비 신호 크기 (signal) 의 값을 SNR이라고 칭한다. 이때 이 SNR값이 클수록 신호해석이 수월하다.

□ 연구주제의 선정

○ 새로운 측정 방법의 필요성

- 칠판면의 글레어에 관한 이전 논문들은 모두 칠판면에 글씨를 작성 하지 않은 채 단순히 칠판면에 반사된 반사광을 조도계/휘도계로 측정하여 그 수치를 낮추는 데에만 집중하였다. 그러나 실제로는 반 사광의 조도/휘도가 높다 하더라도 글씨가 잘 보일 수 있는 경우가 충분히 생길 수 있었다. 즉, 단순히 조도/휘도의 측정으로 칠판의 가시성을 판단하는 것은 그리 좋은 가시성 여부 판단 방법이 아니라 는 것이다.

- 따라서 이번 연구에서는 실제 수업처럼 칠판 위에 글씨를 작성한 뒤에 칠판 위에 쓰인 글자의 명료도(배경과의 대비) 즉, 칠판면의 색과 글씨의 색이 얼마나 구별될 수 있는지 정도를 측정하는 것을 중점으로 두었다. 그렇기에 기존 연구에서 사용하던 측정방법 대신 새로운 측정방법을 연구할 필요가 있었다.

- 그래서 이번 연구에서는 전파의 잡음 대비를 측정하는 방법인 SNR(Signal-to-Noise Ratio)기법을 가시광선 영역으로 확대시켜서 적 용하기로 하였다. 즉, Signal을 우리가 인식해야할 칠판의 글씨로 보았고, Noise를 칠판의 글씨와는 구분되어야 할 칠판 배경색으로 보았다. 단, 그 개념만 인용하였고 측정 기준과 방법은 연구 목적에 맞게 새로 정하는 것으로 결정했다.

○ 반사광만을 차단하는 방법

- 칠판의 가시성을 방해하는 큰 요인은 칠판면의 반사광이다. 탐구를

16) 한국비파괴검사학회(2004), 『비파괴검사 용어사전』, 세진사

설계하고 나서 반사광의 발생 물질을 없애자는 방안은 있었으나 반사광만을 직접 차단하는 방안은 사전에 생각해 놓지 않았었다.

반사광을 딱히 거를만한 방법을 잘 알지 못했기 때문이다.

- 그러던 중, 팀원 한명이 사진 방과후를 듣게 되었는데, 그 곳에서 CPL필터(카메라 앞에 부착하며 물 표면이나 창문 표면의 반사광을 제거, 내부를 뚜렷하게 볼 수 있게 해주는 필터)라는 것을 알게 되었다.

이 반사광을 차단하는 CPL필터가 우리 연구의 적합하다는 것을 판단한 후에, CPL필터에 대해 더 조사를 하게 되었고, 이 필터가 편광판으로 이루어져 있으며 부르스터각에 의해 생긴 반사편광을 차단시켜 준다는 것을 알게 되었다. 이를 이번 연구에 적용시켜 보면 칠판면에 생긴 반사광을 편광필름으로 차단할 수 있을 것이다.

□ 연구 방법

○ 칠판의 가시성 문제를 해결하기 위해서는 먼저 현황을 파악할 필요가 있었다. 그래서 일단 어떤 변인에 따라 가시성이 떨어지는지 계측을 통해 확인해야 했다. 주요 예상 변인으로는 ①조명 ②창문의 커튼이 있었으므로 이 변인들을 조작함으로써 현황을 파악하기로 했다.

○ 다음, 가시성 문제를 해결할 방안에 대해서 화학적 방안과 물리적 방안으로 나누어 생각해보기로 했다. 또한 그 방안들을 모형으로 직접 만들어 효과를 확인하고 실제로 교실에 적용해 보기로 했다.

이상을 정리하면 다음과 같다.

- 연구순서

1) 칠판 가시성 현황 파악

2) 화학적 해결방안 탐구 - 칠판 표면 약품 처리

3) 물리적 해결방안 탐구 - 칠판 구조 변경, 반사광 차단 방법 고려 4) 해결방안을 모형을 통해 시행, SNR기법으로 명료도 테스트 5) 해결방안을 실제 교실에 적용, 효과 확인

○ SNR기법의 측정 방법

- 이번 연구에 맞게 그 개념을 확장한 SNR기법의 측정기준과 방법은

다음과 같다.

○ 참고사항

1) 칠판에 쓸 글씨로는 국어 모든 자음이 들어있는 ‘다람쥐 헌 쳇바퀴에 타고파’ 문장을 선택하였다.

2) SNR 비교를 위한 모든 촬영은 Cannon IXUS 1000HS를 사용했다.

3) SNR 기법은 ISO 민감도에 의해 노이즈가 발생하여 같은 색을 촬영 해도 ±5정도의 오차가 생기게 되어 이를 감안하여 연구를 진행하였다.

4) 사람의 눈은 빛의 세기에 따라 자동으로 홍채와 동공의 크기를 조절하여 들어오는 빛의 세기를 조절한다. 이와 같은 환경을 최대한 재현하여 촬영하기 위해서 카메라의 자동 설정을 킨 채 연구를 진행하였다.

5) 이번 연구에서 설치할 편광판들은 모두 반사편광을 차단하는 방향 으로 회전시켜 설치하였다.

A. 측정 대상(칠판과 그 위에 쓰인 글씨)을 촬영

B. 촬영한 파일을 컴퓨터로 옮겨 대상의 RGB색상을 비교 B-1. 글씨 주변 칠판면(글씨가 쓰이지 않은)색상의 RGB값 측정 B-2. 칠판면 위에 쓰인 글씨의 색상의 RGB값 측정

B-3. 위 두 RGB값 각각의 R값, G값, B값의 차이 계산 B-4. 세 값의 평균계산, SNR값 산출

C. 결과분석

: SNR값이 클수록 ⇒ 글씨와 칠판면의 색 차이 뚜렷함.

⇒ 글씨가 명료하게 보인다는 의미.

SNR값: 0~5 SNR값: 15~20 SNR값: 35~45

□ 연구 활동 및 과정

○ 칠판 가시성 현황 파악

- 먼저 교실에서 칠판의 가시성의 영향을 줄 수 있는 4가지 요소인 조명의 유무와 커튼의 유무, 시간의 흐름, 자리의 차이를 통해 현황 파악을 진행하기로 하였다.

가. 조명과 커튼의 유무 / 시간의 흐름

1) 글씨의 명확도 측정을 위해서는 매 실험마다 글씨를 일정하게 쓸 필요가 있었으므로, 먼저 글씨 틀을 제작하였다.

2) 글씨틀을 칠판 위 일정한 높이에 부착한 후 분필로 글씨를 쓴다.

3) 촬영장비를 설치 후 조명의 유무, 커튼의 유무에 따른 사진을 찍는다. (커튼은 가시성에 가장 영향을 줄 것으로 판단되는 제일 앞부분 창문 두 개를 가리도록 친다. 조명은 교실 내 모든 조명을 킨다.)

4) 3)과정을 매 시간마다 측정하도록 한다.

(단, 학교 수업시간인 AM 8:00~PM 4:00 이내에 측정) 5) 측정 결과의 SNR값을 정리한다.

나. 자리의 차이

1) 직전 계측과 마찬가지로 칠판에 글씨를 쓴다.

2) 촬영위치를 변경해가며 촬영, 측정한다.

○ 화학적 해결방안 탐구

- 현재 연구 중인 학교 칠판의 표면은 법랑질로 이루어져 있다. 이 법랑질에 화학적으로 특수 코팅을 처리하게 되면 빛의 반사율이 줄어들게 되고 가시성이 증가할 수 있을 것이라 판단하였다.

- 따라서 화학 담당교사를 맡고 계신 지도교사 선생님과 자문 교수님을 통해서 약품처리를 통한 가시성증가 방안을 탐구하고자 하였다.

○ 물리적 해결방안 탐구

- 화학적 해결방안이 빛 반사에 큰 역할을 하는 물질을 화학적 약품을 통해 차단하는 방법이라면, 물리적 해결방안은 빛 반사 현상이 되는 원초적인 이론을 찾고, 그 요인을 찾아 사전에 봉쇄하는 방향으로 갈 예정이었다.

- 물리적 해결방안은 크게 2가지 방법으로 나뉘게 된다.

가. 칠판의 변형을 통한 반사 면적의 최소화

- 창문으로부터의 빛이 칠판면에 반사되는 범위를 줄일 수 있는 칠판의 구조를 찾는 방법으로, 모양 변형이 가능한 칠판을 이용한다.

1) 칠판스프레이와 칠판으로 만들 재료(변형이 가능한 골판지 이용) 를 준비한다.

2) 칠판스프레이를 이용하여 변형 가능한 칠판을 제작한다.

3) 반사광이 최소화 될 것으로 예상되는 안들을 적용시켜가며 최적의 칠판 변형 안을 찾는다.

나. 반사광의 직접적인 차단

- 반사편광 원리에 의하면 굳이 편광필터를 물체와 관측자 사이에 두지 않고 광원 앞에 두어도 효과가 나타날 수 있었다. 다시 말해, 편광 선글라스로 칠판의 반사광을 줄일 수 있었으나 너무 번거로우니 차라리 광원 역할을 하는 창문 면에 편광필터를 부착하자는 것이다.

- 가설 : 광원과 칠판 사이에 편광판을 두면 반사광이 제거될 것이다.

- 조작변인: 편광판의 여부/ 관측자의 각도/ 편광판 회전 정도 - 통제변인: 광원 세기, 칠판 종류 등 그 외 모든 요인

- 종속변인: 칠판의 반사광 여부, 글씨의 가시성 - 실험 과정

1) 휴대하기 간편한 편광판을 만든 뒤에, 칠판과 편광판을 설치한다.

2) 광원은 교실 내 환경을 고려, 칠판 수직면의 60도 방향에 배치한다.

3) 광원과 칠판 사이에 편광판을 설치, 조작변인들에 따라 가시성이 어떻게 변하는지 확인한다.

4) 모형에서의 결과가 좋을 경우, 이를 교실에 적용시켜 본다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 칠판 가시성 현황 파악

가. 조명과 커튼의 유무 / 시간의 흐름 1) 실험 결과는 다음과 같다.

가. 조명과 커튼에 따른 가시성 차이

조건 칠판 글씨 두 차이(절댓값)

R G B R G B R G B 평균

AM 11:00

조명X 커튼X 160 186 201 161 183 197 1 3 4 2.67 조명X 커튼O 156 187 205 170 197 208 14 10 3 9 조명O 커튼X 139 156 164 160 174 177 21 18 13 17.3 조명O 커튼O 109 143 142 146 181 183 37 38 41 38.7 PM 12:00

조명X 커튼X 174 197 215 178 199 216 4 2 1 2.33 조명X 커튼O 147 176 194 156 183 200 9 7 6 7.33 조명O 커튼X 124 143 147 135 154 160 11 11 13 11.7 조명O 커튼O 100 135 141 143 180 186 43 45 45 44.3 PM 14:00

조명X 커튼X 182 194 208 184 198 209 2 4 1 2.33 조명X 커튼O 159 178 192 174 194 203 15 16 11 14 조명O 커튼X 124 142 146 142 163 166 18 21 20 19.7 조명O 커튼O 100 135 139 148 173 177 48 38 38 41.3 PM 16:00

조명X 커튼X 179 202 216 184 203 218 5 1 2 2.67 조명X 커튼O 144 177 194 161 188 205 17 11 11 13 조명O 커튼X 128 143 148 144 153 158 16 10 10 12 조명O 커튼O 111 141 143 164 195 197 53 54 54 53.7

2) 결과분석

- 조명을 켰을 때와 커튼을 쳤을 때 SNR값은 각각 약 20가량 증가하였으며, 조명과 커튼을 함께 사용했을 때 SNR은 약 4~50 증가하였다. 즉, 조명과 커튼을 모두 사용해야만 어느 정도 가시성이 확보되는 것으로 드러났다.

- 시간의 흐름(수업시간 범위 이내에서)에 따른 SNR값은 크게 변하지 않은 것으로 나타났다.

나. 자리의 차이

- 주로 복도 쪽에 가까울수록, 칠판면에 가까울수록 반사광의 세기가 증가하여 가시성이 떨어지는 것으로 확인되었다.

여러 자리에서 관찰한 결과, 복도쪽, 칠판쪽과 가까울수록 가시성이 떨어졌다.

○ 화학적 해결방안 탐구 결과

- 화학적으로 칠판에 약품을 처리하거나 법랑질의 빛 반사를 막을만한 방법을 논문과 기사, 자문을 통해 찾아보았으나, 현재로써는 마땅한 방법이 없을뿐더러 그 약품 모색은 고교과정을 벗어나게 되므로, 현재 연구에 적합하지 않다고 판단되어 화학적 해결방안은 고려하지 않기로 결정했다.

○ 물리적 해결방안 탐구 결과

가. 칠판의 변형을 통한 반사 면적의 최소화

- 칠판의 구조를 변경하기 위한 모형을 만들기 위해 칠판스프레이와 종이판자를 구비, 종이로 되어서 굽을 수 있는 칠판을 만들 수

있었다. 그러나 아무래도 법랑칠판이 아닌 일반칠판이기 때문에 가시성이 약간 저하되긴 했어도 법랑칠판만큼의 가시성 하락 증세는 나타나지 않았다. 따라서 이번 연구목표와는 거리가 있을 것 같았다.

- 현재 칠판은 이미 최대한 많은 학생들에게 보이도록 약간의 곡률을 가진 채 설계가 되어있다. 우리가 가시성을 증가시키기 위해 고안했던 칠판모형은 이 칠판의 곡률을 더 증가시켜서 창문에서 들어오는 빛이 일정 자리로 모이는 현상을 최대한 줄여보고자 했던 것이었으나, 칠판의 곡률을 이 이상 증가시키게 되면 오히려 칠판이 너무 기울어져 보여서 글씨가 납작하게 보이는 현상이 일어날 수 있었다. 또한 칠판의 구조를 바꾼다는 것은 현재 교실에 즉각적으로 반영하기 어렵기도 했다. 따라서 칠판의 물리적 구조 변경을 통한 가시성 증가 방안은 딱히 좋은 방안이 아닌 것으로 결론이 났다.

나. 반사광의 차단(편광판 이용)

1) 먼저, 칠판을 보는 각도가 변화할 때 편광판 유무에 따라 가시성이 어떻게 변화하는지 모형을 통해 확인한 결과는 다음과 같다.

나. 편광판 유무에 따른 가시성 차이

조건 칠판 글씨 두 차이(절댓값)

R G B R G B R G B 평균

0˚ 편광판X 81 103 100 215 215 217 134 112 117 121

편광판O 42 62 61 170 173 162 128 111 101 113

20˚ 편광판X 122 126 127 191 195 196 69 69 69 69

편광판O 47 61 61 169 178 175 122 117 114 118

40˚ 편광판X 136 135 131 148 146 147 12 11 16 13

편광판O 36 48 46 151 154 147 115 106 101 107

60˚ 편광판X 156 153 148 165 164 159 9 11 11 10.3

편광판O 35 47 45 158 154 153 123 107 108 113

2) 모형실험 결과분석

- 칠판을 보는 각도가 기울어질수록 일반적으로는 SNR이 하락 하는 추세를 보였다. 하지만 편광판을 광원과 칠판 사이에 적용시켰을 때에는 각도가 커져도 SNR이 크게 줄어들지 않았다.

즉, 이 실험을 교실에 적용시켜보면 편광판 설치 시 어떤 자리에서 칠판을 보더라도 글씨의 명료도가 크게 바뀌지 않는다는 사실을 유추할 수 있다.

○ 교실에서의 적용

- 모형에서의 결과를 바탕으로, 광원과 같은 역할을 하는 창문에 편광 필름을 부착하여 반사편광이 제거되는 효과를 기대하였다.

- 암막커튼을 이용하여 실험한 결과, 칠판과 가장 가까운 창문 4개의 영향이 가장 크다는 것을 알 수 있었다. 따라서 편광판을 4개의 창문 에다가 부착하는 형태로 교실에 적용하였다.

- 그 결과 반사광의 정도는 암막커튼을 쳤을 때와 편광판을 설치했을 때와 거의 동일해 매우 적은 양이였다. 편광판을 설치한 것이 칠판의 가시성을 상당히 높여준 것이다.

○ 연구 결론

- 칠판에서의 반사광을 차단하기 위해서 현재 시행되고 있는 방법을 탐구해본 결과, 그냥 햇빛 유입 시 SNR값은 5미만, 조명이나 커튼을 사용할 시 15~20, 모두 사용할 경우 40이상이 나왔다. 즉, 조명과 커튼을 모두 사용해야만 명료도가 수업에 지장이 가지 않을 정도로 높게 나왔다. 이는 교실의 광량 하락, 형광등의 사용으로 인한 문제 등으로 굉장히 비효율적인 방안이라고 할 수 있다.

- 해결방안으로 탐구했던 방안들 가운데, 화학적 방법은 고등학교 수준 이내에서 해결 불가능으로 인해 제외, 물리적 방법 중 칠판의 구조 변경은 추가 개선이 어려워 비효율적인 것으로 드러났다. 그러나 편광판을 이용한 반사광 제거 방안은 매우 효과적이었고, 이를 교실 창문에 부착하여 반사광을 실제로 차단시켜 가시성을 높일 수 있었다.

일반적인 교실에서의 반사광 커튼을 쳤을 경우 편광판을 부착했을 경우

(2-12반 학생들 상대로 설문 결과 [29명 응답])

□ 시사점

○ 연구 활동을 통해 얻은 학습효과

- 연구 전에는 알지 못했던 반사에 의한 편광효과, 브루스터 각 등을 연구를 진행하면서 배울 수 있었으며, 이를 실생활에서 어떻게 사용 할 수 있는지에 대하여 탐구하고 이를 실제로 적용할 수 있었다.

- 자문을 통해 사전에는 몰랐던 SNR에 대하여 배울 수 있었고, 전파에 서만 적용되던 SNR의 범위를 연구에 사용할 수 있도록 확장시켜 실제로 측정에 활용할 수 있었다.

○ 이번 연구의 의의

- 현재까지 이미 반사편광된 빛을 편광판을 이용하여 차단하는 방법은 많이 쓰이고 있었다. (CPL필터, 편광선글라스 등) 그러나 수업 중에 칠판과 학생들 사이에 편광판을 놓을 수는 없었다. 그래서 이번 연구 에서는 지금까지의 반사광 차단 방법과는 달리 광원에서 나온 반사 편광될 빛을 사전에 편광판으로 차단함으로써 반사광을 줄여 가시성을 높이는 방법을 사용하였다.

- 이전까지의 칠판 관련 연구들에서는 칠판에 글씨를 작성하지 않은 채 단순히 반사광의 정도만으로 가시성을 판단하였다. 하지만 이번 연구에서는 SNR을 응용한 새로운 측정 방법을 개발하여 실제 칠판 글씨의 명료도를 수치화할 수 있었다.

- 현재 교실에서 햇빛에 의한 반사광을 차단하는 방법에는 커튼을 통해 반사광을 차단하고 그로 인해 어두워진 광량을 형광등으로 채우는 방법밖에 없었다. 하지만 형광등으로 보완함에도 불구하고 태양광 차단시 교실 내 광량이 상당히 줄어들고 형광등 이용으로 인한 전기낭비 문제도 있었다. 하지만 이번 연구에서는 태양광을 차단하지 않고 가시성을 증가시킬 수 있었으므로 이 문제들을 상당 히 보완할 수 있었다.

- 평소에 교실에서 칠판이 잘 안 보이는 문제를 많이 느꼈었는데, 이번 연구를 통해 이 문제를 과학적 탐구방법을 통하여 해결할 기회를 얻게 되었다. 효과적인 해결방안을 매일매일 구상해가며 그 방안이 진짜 효과적일지 전문자료를 찾아보고, 또 실제로 어떻게 구현할지에 대한 고민을 많이 했다. 물론 그 과정이 매우 힘들고 실제로 많은 실패와 좌절도 했지만 방과 후 수업에서 우연히 얻은 아이디어를 발전시켜 연구에 적용시킨 후에 여러 자료수집 끝에 해결 가능성을 보고, 실험설계와 결과 데이터 분석 끝에 효과적인 해결방안을 찾았 을 때에는 큰 성취감을 크게 느낄 수 있었다.

- 이번 연구는 특히 협업이 많이 필요한 연구였기에 서로 많은 소통을 해야 했고 역할분담이 필수적이었다. 또한 서로가 수집한 많은 논문 들과 자료를 찾아보아야 했다. 이 과정에서 많은 토론과 회의가 있었고, 팀원들간의 갈등이 생기기도 했다. 하지만 이 과정에서 자신의 의견을 표현하고 서로의 의견을 수렴하는 능력을 키울 수 있었고, 마침내 연구를 성공적으로 마칠 수 있었다.

○ 개선점

- 각도에 따라서 가시성이 떨어지는 칠판 내 면적이 달라질 수 있었으나 이를 고려하지 않고 가장 가시성이 떨어지는 부근을 기준으로 삼았다.

물론 가시성에 지장이 있는 정도를 측정하는 것이 목적이라 최악의 경우를 측정한 것이긴 하였으나 가시성이 떨어지는 면적 또한 중요한 영향을 미칠 수 있다는 점을 고려하면 면적에 대한 연구도 진행해야 할 것 같다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 실제 교실에 적용 가능

○ 실제로 교실 창에 편광판을 부착한 경우 반사광이 암막커튼 수준으로 차단되는 것을 확인하였다. 편광판을 창문 크기에 맞게 시트지 형태로 주문제작 하여 부착하거나 블라인드형태로 제작하여 부착 시 상당한 수업효율 증가 효과를 볼 수 있다.

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