목 차 1. 서 론
2. EDISON 서비스 3. 교육 활용 사례 4. 결 론
1. 서 론
스마트 러닝(smart learning)은 단순히 기존 이러 닝(e-learning) 환경에서 PC가 아닌 스마트 디바이 스(smart device)를 교육에 활용하는 형태를 뜻하 는 게 아니다. 스마트 러닝은 스마트 기기, 클라우드 컴퓨팅(cloud computing) 등 전자 정보통신분야 최 신 기술을 교육에 적용함으로써, 학습자에게 다양 한 학습 환경을 제공하고, 이를 통해 학습자의 학습 능력, 사고력, 문제해결능력을 높이는 학습자 중심 의 맞춤 학습이라 할 수 있다.[1,2]
정부는 2011년 스마트교육 추진전략을 발표하면 서, SMART를 Self-directed(자기 주도적), Motivated (흥미), Adaptive(수준과 적성), Resource Free(풍 부한 자료), Technology Embedded(정보기술 활 용)를 합성하여, 21세기 학습자의 역량 강화를 위 한 지능형 맞춤 학습 체제로 교육환경, 교육내용, 교 육방법 및 평가 등 교육체제를 혁신하는 동력으로 정의하였다.[3]
대학교육은 전공별 특수성과 졸업 후 직업과 연 결되는 특성을 고려하여 이를 반영한 스마트 러닝 환경 구축이 필요하다. 이를 위해 전공 교육을 체계 적이며 효과적으로 시행하기 위한 교육 모델 구축 및 콘텐츠 개발이 필요하다.[4] 특히 이공계 분야의 경우, 기술의 수명주기가 짧아지고, 융·복합화가 가 속화되는 상황에 맞는 새로운 교육 모델 수립 및 콘 텐츠 제작이 필요하다.
본고에서는 이공계 분야에서 스마트 러닝 환경 을 제공하기 위해 슈퍼컴퓨터와 초고속 연구망이 구축된 사이버 인프라스트럭처(infrastructure)
1)
환경을 구성하고, 이공계 분야 최신 시뮬레이션 소 프트웨어(software)와 콘텐츠를 웹을 통해 학습자 에게 제공하는 첨단 사이언스 교육·허브 (EDISON;EDucation-research Integration through Simulation On the Net) 개발 사업 소개하고 이를 교육에 활용한 사례를 살펴보고자 한다.
1) 사이버 인프라스트럭처 : 슈퍼컴퓨터, 고성능 연구망, 첨단 연 구 데이터베이스 구축하여, 과학기술 및 교육 분야의 연구 및 인적자원 등에 대한 가상의 통합 기반을 의미
이·공계분야 스마트 러닝 기술 개발 및 사례
전인호 ․ 서정현 ․ 박선례 ․ 김한기 ․ 이 준 ․ 이종숙 (한국과학기술정보연구원)
분야 사이트 주소 수업활용 교과목 활용 학과 누적사용자 전산열유체 cfd.edison.re.kr 유체역학, 수치해석, 공기역학, 항공역학 등 기계, 항공, 조선, 토목 등 7,781명 나노물리 nano.edison.re.kr 일반물리실험, 양자물리, 전자회로, 반도체소자 등 전기, 전자, 재료, 물리 등 7,026명 계산화학 chem.edison.re.kr 일반화학실험, 물리화학, 양자역학 등 화학, 재료, 물리, 생명 등 12,579명 구조동역학 csd.edison.re.kr 응용재료역학, 기계설계, 유한요소법, 고체역학 등 기계, 항공, 조선, 토목 등 389명 전산설계 design.edison.re.kr 기계공학설계, 고체역학, 선형대수학 등 기계, 조선, 항공, 설계 등 277명
<표 1> EDISON 서비스 현황
(그림 1) PC와 스마트 디바이스에서의 EDISON 서비스화면
2. EDISON 서비스
2.1 EDISON 서비스 소개
EDISON 서비스는 이공계 분야의 시뮬레이션 SW와 콘텐츠를 웹 기반으로 교육·연구에 활용하는 서비스를 하고 있다. 이는 학생들이 PC나 스마트 디바이스에 소프트웨어 설치 없이 이론적으로 이 해하기 힘든 내용과 실험실에서 수행하기 어려운 실험을 시뮬레이션으로 수업에 활용할 수 있어 학 생들의 학업 성취도를 크게 향상할 수 있다.
EDISON은 현재 5개 분야(전산열유체, 나노물 리, 계산화학, 구조동역학, 전산설계)에서 서비스 되고 있다. 국내·외 사용자들을 대상으로 무료로 서 비스하고 있으며, 회원가입을 통해 등록된 있는 270여 개 시뮬레이션 SW와 400여 개의 콘텐츠를
활용할 수 있다. <표 1>은 EDISON 서비스 현황을 정리한 표이다. 전산열유체, 구조동역학, 전산설계 분야의 시뮬레이션 SW와 콘텐츠는 기계, 항공, 조 선, 토목학과 등에서 역학과 설계 관련 과목에서 활 용되고 있으며, 나노물리 시뮬레이션 SW와 콘텐츠 는 이공계 일반물리 과목, 전기, 전자, 재료, 물리학 과 등에서 물리실험, 재료공학 및 반도체 관련 과목 등에서 활용되고, 계산화학 시뮬레이션 SW와 콘텐 츠는 이공계 일반화학 과목, 화학, 화공, 재료, 생명 학과에서 활용되고 있다.
EDISON은 (그림 1)과 같이 PC와 스마트 디바 이스에서 활용이 가능하다. 웹 포털은 통합 포털과 분야별 포털로 나누어 서비스되고 있으며, 통합 포 털에서는 분야 간 융합 교육 환경을 제공하기 위해 5개 분야 시뮬레이션 SW, 콘텐츠 제공 및 사업 소 개, 포럼 등을 운영하고 있다. 또한, 개인별 맞춤형
(그림 2) Science App Store 화면
(그림 3) Science App 소개 화면 학습이 가능한 환경을 제공하기 위해 My EDISON
이라는 개인화 서비스를 구축하여, 시뮬레이션 SW 및 데이터 관리, 수강 현황 조회 등의 기능을 제공하 고 있다. 분야별 포털에서는 해당 분야 시뮬레이션 SW 및 콘텐츠 제공은 물론, 시뮬레이션 SW 개발 자들이 자신이 개발한 시뮬레이션 SW을 업로드 할 수 있는 환경 제공하며, 수업 활용을 위한 가상 클래 스를 제공하고 있다.
2.2 Science App Store
통합적 스마트 교육 서비스를 위한 전략으로는 개방적이고, 확장 가능한 유연한 구조의 지속할 수 있는 생태계 기반 마련이 필요하다. 이를 위해 콘텐 츠 뷰어, 콘텐츠 제작, 유통구조 등의 일관 서비스 체계를 구축하고, 자유롭고 안전한 콘텐츠 이용 환 경이 구축되어야 한다.[5] Science App Store는 개발 자가 자신이 개발한 시뮬레이션 SW와 콘텐츠를 등 록하고 이를 사용자가 이용할 수 있는 환경을 구축 하였다. 또한, 실제 시뮬레이션 SW의 실행은 EDISON에서 구축한 서버 환경에서 시뮬레이션을 수행하므로, 사용자는 PC에 별다른 SW 설치 없이 안전한 시뮬레이션 이용이 가능하다.
(그림 2)는 Science App Store 화면으로 사용자 는 원하는 시뮬레이션 SW를 검색하고 실행할 수 있으며, 원하는 시뮬레이션 SW 클릭 시 (그림 3)과 같이 시뮬레이션 SW에 대한 관련 정보를 확인할 수 있다. 각 시뮬레이션 SW마다 매뉴얼을 제공하 여 사용자의 접근성을 높였으며, 질의·응답 게시판 을 구성하여 사용자의 시뮬레이션 SW에 대한 이해 도를 높일 수 있도록 하였다. (그림 4)는 PC와 스마 트폰 환경에서의 시뮬레이션 수행 화면으로 파라미 터 값과 인풋 데이터를 입력을 통해 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 결과를 확인하거나 다운로드 받 을 수 있다. 모니터링 페이지를 통해 시뮬레이션 이
전의 수행한 목록 확인 및 결과 데이터를 확인할 수 있으며, 재실행, 삭제 등의 기능을 제공하고 있다.
2.3 가상 클래스
EDISON 시스템의 효과적인 수업 활용을 위해 EDISON 기반 학습관리시스템(LMS)인 가상 클래 스 기능을 제공하고 있다. 가상 클래스 생성 메뉴를 통해 간단하게 클래스를 생성할 수 있으며, 학생 아 이디 생성 및 관리, 수업 활용에 필요한 시뮬레이션 SW 등록, 공지사항 및 Q&A 게시판, 학생들의 시 뮬레이션 SW 활용 현황 및 수행 결과 조회 등의 기
(그림 4) PC와 스마트폰 환경에서의 시뮬레이션 수행 화면
능을 수업에 활용할 수 있다. 현재 대부분의 수업에 서의 EDISON 활용은 가상 클래스를 통해 이뤄지 고 있다.
2.4 EDISON 플랫폼
EDISON 서비스의 원활한 제공을 위해 EDISON 플랫폼을 구축하고 있다. EDISON 플랫 폼은 이공계 시뮬레이션 SW 및 콘텐츠를 관리, 실 행할 수 있는 사이버 인프라스트럭처를 기반의 스 마트 러닝 및 연구 융합 환경을 제공하는 것을 목적 으로 한다. 이를 위한 플랫폼 요구사항은 다음과 같 다.[6]
- 범용성 : 이공계 분야 다양한 종류의 시뮬레이션 SW와 콘텐츠를 관리 할 수 있어야 한다.
- 확장성 : 다양한 컴퓨팅자원 환경과도 연동될 수 있는 인터페이스를 제공해야 한다.
- 개방성 : 웹 표준 인터페이스를 제공 다양한 클라 이언트를 수용할 수 있어야 한다.
(그림 5)는 EDISON 플랫폼의 구조를 보여준다.
어플리케이션 프레임워크, 미들웨어, 인프라로 구 성되어 있으며, 어플리케이션 프레임워크는 플랫
폼의 개방성 확보를 위하여 사용자 인증, 시뮬레이 션 SW의 메타정보(meta information)관리, 통계, 시뮬레이션 실행 등의 서비스를 웹 표준인 RESTful 형태로 제공한다. 미들웨어는 SW 메타데 이터 관리, 시뮬레이션 수행 및 데이터 관리, 컴퓨팅 자원 관리 및 연동기능을 제공하여 플랫폼의 범용 성과 확장성 보장한다. 인프라의 경우 대규모 다중 접속자를 안정적으로 지원하기 위해 KISTI의 국가 과학기술 연구망을 활용해 고가용성(high availability)의 네트워크 인프라를 제공하고 있으 며, 자체적으로 대규모 컴퓨팅 자원 및 스토리지 (storage)를 구축하여 서비스하고 있다.[7]
(그림 5) EDISON 플랫폼 구조도
(그림 6) 대학교육에서 EDISON 활용 (부산대)
(그림 7) 영재교육에서 EDISON 활용 2.5 EDISON 커리큘럼
EDISON에서 제공하는 시뮬레이션 SW의 활용 도를 높이기 위해 EDISON 나노물리에서 시범적 으로 물리전자와 양자물리 교과목에 대한 커리큘 럼을 개발하여 제공하고 있다. 교과목에 이해를 높 일 수 있도록 챕터 별로 이론과 시뮬레이션 SW을 활용한 예제와 연습문제를 제공하고 있다.
3. 교육 활용 사례
3.1 대학교육 활용 사례
EDISON 플랫폼은 2012년 7월부터 2015년 6월 까지 5개 분야 전국 43개 대학 661개 강좌 약 2만 8 천여 명의 학생이 수업에 활용하였다. 대표적인 교 육 활용 사례로 안동대에서는 2012년부터 기존 상 용 SW을 활용하여 진행하였던 가상 풍동 실험을 EDISON 시스템으로 대체하여, 상용 SW 라이선 스 비용 없이 효율적인 수업을 진행하였다.
EDISON을 활용한 후 학생들이 흥미와 관심을 가 지고 수업에 참여하였으며, 수업 만족도가 높아 강 의평가가 좋게 나왔다.
서울대학교 재료공학부에서도 EDISON 시스템 을 수업, 연구에 활용하고 있는데, 나노물리를 공부 하는 학생이 EDISON 덕분에 어려운 복잡한 수학 공식에 얽매여 진짜 필요한 물리 현상을 파악하지 못하는 상황을 극복할 수 있었다. 언제 어디서든 인 터넷만 연결돼 있다면 접속할 수 있는 EDISON 시 스템의 특성을 이용해 수업 과제로도 적극적으로 활용하고 있다.
부산대학교에서는 교수자가 직접 개발한 시뮬레 이션 SW EDISON 계산화학에 등록하여 일반화학, 물리화학 등의 과목에서 활용하였다. 실험적으로 접근하기 어렵거나 분석이 힘든 화학 현상을 가상
SW로 연구해 학생들의 이해도를 높였다. 서울대학 교 화학부에서는 EDISON 시뮬레이션 SW을 활용 하여 대상 분자 특성 데이터를 학생이 직접 만들어 SW에 입력하고, 여러 물질의 분자를 시각화해 반 응을 직접 눈으로 볼 수 있어 학생 이해도가 높일 수 있었다.
3.2 영재교육 활용 사례
2014년 7월 2주간 EDISON 시뮬레이션 SW 활 용하여, 과학·수학 분야 영재교육 프로그램을 진행 했다. 영재 학생들은 간단한 파라미터 조작만으로 다양한 분자를 설계할 수 있었고, 직관적으로 단위
참 고 문 헌
[ 1 ] 곽덕훈, 스마트 교육의 의미와 전망, 스마트러 닝코리아 발표자료집, 2010
[ 2 ] 노규성, 주성환, 정진택, 스마트러닝의 개념 및 구현 조건에 관한 탐색적 연구, 디지털정책연 구, 9(2), 2011
[ 3 ] 국가정보화전략위원회, 교육과학기술부, 스마 트교육 추진 전략, 2011
[ 4 ] 임진형, 고선영, 대학교육의 스마트러닝에 대한 인식 및 활용 방안, 한국산학기술학회논문지 제 16권 제8호, 2015
[ 5 ] 한국교육학술정보원, 스마트러닝에서의 학습 관리시스템(LMS) 현안 분석, 2012 KERIS 이슈 리포트 연구자료 RM 2012-18, 2012 [ 6 ] 유정록, 진두석 외 4명, 다분야 계산과학 시뮬
레이션을 위한 EDISON 플랫폼 연구, 한국인터 넷정보학회지, 제13원 제3호 p23-33, 2012.9 [ 7 ] KREONET 국가과학기술연구망, http://www.k
reonet.re.kr/
체의 구조와 집합체 모양 및 기능 간의 상관관계를 확인할 수 있었다. 중고등학교 실험실 여건과 최근 과학자들은 대부분 시뮬레이션 SW 장비를 활용하 여 연구를 진행하고 있는 만큼, EDISON 등의 이공 계 스마트 러닝 시스템이 중·고등학교 수학 및 과학 교과목 교육으로 확대될 가능성을 제시하였다.
4. 결 론
본고에서는 이공계 분야 스마트 러닝 시스템 인 EDISON 시스템을 소개하고 활용사례를 알 아보았다. 사이버 인프라스트럭처를 구축하고, 다 분야의 시뮬레이션 SW와 콘텐츠를 사용자에 게 제공하는 EDISON 플랫폼을 개발하였다. 범 용성, 확장성, 개방성을 고려하여 제작되어, PC 나 스마트 디바이스에서도 활용이 가능하다.
Science App Store를 제공하여 다 분야의 시뮬 레이션 SW와 콘텐츠를 유저에게 제공할 수 있 는 환경을 마련하였다. EDISON의 수업 활용을 극대화하기 위하여 학습관리시스템인 가상 클래 스와 커리큘럼을 제공하였다.
이미 국내 많은 대학에서 이공계 교과목에 EDISON 시스템을 활용하고 있으며, 영재 교육, 방송통신대 심화학습 활용, 중소기업 등의 직업 교육 등으로 활용 영역을 넓혀가고 있다. 국내뿐 아니라 대만, 베트남에서도 EDISON 시스템 활 용에 관심이 많아 추후 한국이 아닌 해외에서도 EDISON 시스템을 활용할 것으로 보인다.
EDISON 시스템은 기존 이공계의 다양한 학습 방법 미비와 강의 방식의 획일적인 강의 방식 벗 어나 주체적인 학습 환경을 제공하였으며, 실험 장비와 상용 소프트웨어 구매 등의 추가적인 지 출 없이 교육 효과를 높일 수 있는 장점도 제공 하고 있다.
앞으로 분야 및 커뮤니티 확장을 통해 연구 개 발의 주요 흐름으로 등장한 ICT(정보통신기술) 시뮬레이션 기반 연구 활용 경험을 대학(원)생뿐 만 아니라 중고등학생, 연구소와 기업에 제공할 필요가 있다. 또한, 분야 융합 환경을 제공하여 새로운 교육 연구 환경이 창출될 수 있을 것으로 기대되며 이공계 전문 인력 양성 및 국가 연구 역량 강화에 이바지할 수 있을 것으로 예상한다.
ACKNOWLEDGMENT
이 논문은 2015년도 정부 (미래창조과학부)의 재 원으로 한국연구재단 첨단사이언스‧교육허브개 발사업의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NRF-2 011-0020576).
저 자 약 력
전 인 호
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이메일 : [email protected]
∙ 2013년 광운대학교 전자공학과 (박사수료)
∙ 2013년~현재 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터 계산과학공학연 구실 연구원
∙ 관심분야 : 스마트러닝, 실내 측위 시스템, 사이버 인프 라스트럭처
박 선 례
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이메일 : [email protected]
∙ 2014년 충남대학교 컴퓨터공학과 (박사)
∙ 2011년~현재 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터 계산과학공학연 구실 선임연구원
∙ 관심분야 : 스마트러닝, 데이터 사이언스, 딥러닝
서 정 현
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이메일 : [email protected]
∙ 2006년 연세대학교 전산학과 (박사수료)
∙ 1987년~현재 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터 계산과학공학연 구실 연구원
∙ 관심분야 : 정보검색, 스마트 러닝, 웹포털 프레임워크
김 한 기
․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․
이메일 : [email protected]
∙ 2003년 KAIST 전산학과 (석사)
∙ 2003년~2004년 LG전자 연구원
∙ 2004년~현재 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터 계산과학공학연 구실 선임연구원
∙ 관심분야 : 고성능 컴퓨팅, 미들웨어 개발, 오픈소스 소 프트웨어
이 준
․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․
이메일 : [email protected]
∙ 2002년 Univ. of Manchester 컴퓨터공학 (박사)
∙ 1994년~현재 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터 계산과학공학연 구실 책임연구원
∙ 관심분야 : 데이터 사이언스, 스마트 러닝, 웹포털 프레 임워크
이 종 숙
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