4학년 지층과 화석 단원 가상현실(VR) 자료 개발 및 적용

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

전남 현경초 한도윤

Ⅰ. 자료 개발의 시작

1. 연구의 필요성

2015 개정 교육과정 4학년 1학기 2단원 지층과 화석 단원을 살펴보면 여러 지층을 관찰하고 비교하도록 되어있다. 하지만, 지층 구조 및 모양 등을 안내하고 설명하기 위해 사용되는 교과서의 사진 및 동영상 수준으로는 지질학적 상황을 정확히 전달하고 학습자들이 흥미롭게 학습에 참여하기 어려운 실정이다. 이런 문제점을 극복하기 위해서는 학생들은 가능하다면 야외로 직접 나가 지층을 관찰하며, 자연현상을 있는 그대로 체험 및 학습할 수 있어야 한다. 하지만 야외 지질 학습에서 오는 비용, 거리, 시간, 안전 문제, 답사 관련 지식 부재로 인해 학생들은 지층관련 학습에 어려움을 겪고 있다.

이에 대한 대안으로 HMD(Head Mounted Display)를 활용, 가상현실 기술을 이용해 지층과 화석 단원을 위한 자료 개발을 하고자 하였다.

개발과정을 살펴보면 자료 개발을 위해, 먼저 ‘가상현실을 활용한 학습사례’와 관련하여 선행연구를 하였다. 그런 다음, 가상현실 자료의 추세 및 개발 방향을 확인하였고, 교육과정 분석을 통해 적용 단원 및 차시를 추출했다. 가상현실 자료 제작은 카메라, 삼각대, 어안렌즈, 로테이터를 준비하고, 촬영을 위한 기본 세팅 후 진행되었다. 촬영은 교과서에 수록된 장소와 기존에 개발된 지질 학습장을 중심으로 선정하고 촬영했다. 촬영 후 PTgui 프로그램을 활용해 촬영한 사진을 3D 파노라마 사진으로 스티칭했다. 스티칭한 3D 파노라마 사진은 HMD를 활용하여 가상현실 학습자료로 활용할 수 있도록 Pano2vr, KrPano 프로그램을 이용해 프로그래밍 하였다. 개발한 가상현실 자료는 언제, 어디서나 학습 자료에 접근 및 활용 가능하도록 웹 호스팅 후 전용 홈페이지(www.생생과학.com)에 탑재하였다.

정리하면 본 발표자는 초등학교 지층과 화석 단원과 관련하여 웹기반 가상현실(VR) 교수·학습 자료를 개발하고 활용법을 인터넷을 통해 공유함으로써 물리적, 거리적 한계를 넘어서는 교수학습법과 자료를 개발 보급하고자 했다. 나아가 과학과 수업 개선에 목표를 두고 본 연구를 진행했다.

 

Ⅱ. 자료 개발의 시작

1. 과학과 가상현실 학습자료 개발

가. 교육과정 분석 및 적용

1) 적용 대상 : 초등학교 3, 4학년

2) 적용 교과 : 초등학교 과학과

3) 교육과정 분석을 통한 가상현실 반영 내용 요소 추출

분야 \ 학년군 34학년 군 학습 내용 성취기준 VR 적용가능
생명과 지구 · 지표의 변화
  • 유수에 의하여 지표면이 깎이거나 쌓이면서 변화될 수 있다.
  • 강 주변 지형의 특징을 유수의 작용과 관련지어 설명한다
  • 바닷가 주변 지형의 특징을 바닷물의 작용과 관련지어 설명한다.
VR 자료,

파노라마 VR자료

· 화산과 지진
  • 화산 활동으로 여러 가지 물질이 나온다는 것을 안다.
  • 화성암의 생성 과정을 알고, 화강암과 현무암의 특징을 이해한다.
  • 화산 활동이 우리 생활에 미치는 영향을 이해한다.
VR 자료,

파노라마 VR

홀로그램

· 지층과 화석
  • 지층의 형성 과정을 알고 지층이 쌓인 순서를 이해한다.
  • 지층을 관찰하고 여러 지층의 같은점과 다른 점을 이해한다.
  • 퇴적암이 만들어지는 과정을 이해하고, 그 특징에 따라 퇴적암을 구분한다.
VR 자료,

파노라마 VR

홀로그램

 

4) 교육과정 적용 단원 및 차시

학년 및 단원 학습 내용(차시) 수업 단계 가상현실 적용 가능 부분
카드보드 VR 파노라마 VR
4학년 1학기

2단원

지층과 화석

· 지층과 화석 단원에서 배울내용 알아보기(1/11) 도입

전개

단층지역(VR)

층리 관찰지역(VR)

채석강 지역(VR)

제주도 용머리 해안 파노라마
· 여러가지 지층모양 관찰하기(2/11) 도입

전개

수평인 지층(VR)

기울어져 쌓인 지층(VR)

단층(VR)

지층 관찰지역 파노라마
· 지층은 어떻게 만들어지는지 알아보기(3/11) 도입

전개

화순 층리(VR)

역암층(VR),사암층(VR)

이암층(VR)

석회암 발달한 곳 파노라마
· 퇴적암이 어떻게 만들어지는지 알아보기(5/11) 도입 부안 채석강 역암,
사암, 이암 퇴적암(VR)
고흥 수문동 나루터 퇴적암 파노라마
· 여러 가지 화석을 관찰하고 분류해 볼까요?(6/11) 전개 단양 고수동굴(VR) 석회암지역 파노라마
· 화석은 어떻게 만들어질까요?(7/11) 도입 보성 공룡알 화석지(VR) 화순 서유리 공룡알 화석지

 

나. 가상현실 자료 제작

1) 가상현실(VR)자료 제작과정(모바일, PC, HMD 활용자료)

구 분 사 진 내 용 설 명
① 가상현실 구현 준비물 구비 ◈ 촬영 준비물은 미러리스 또는 dslr 카메라, 어안렌즈, 삼각대, 로테이터가 필요하다.

◈ 생동감있는 자연현상을 전달하기 위해 스마트폰보다 DSLR 촬영을 권한다.

② 노달 포인트 설정 ◈ 다양한 각도로 촬영을 한 영상을 한 장의 파노라마 사진으로 합성하기 위해 카메라 촬영상 시차를 줄이기 위한 준비작업이다.

◈ 임의의 가상선을 세워 상하좌우 중심점을 맞춘다.

③ 과학교육과정 분석 및 답사 장소 선정 ◈ 가상현실(VR) 콘텐츠가 학습자의 학습에 도움이 될 수 있도록 교육과정 분석을 통해 필요 목록을 만든다.

◈ 기존 개발된 자연학습장 및 교육과정에 제시된 사진을 중심으로 답사장소를 고른다.

④ 촬영 ◈ 촬영은 바닥사진, 60도씩 수평 6장, 하늘 사진 1장 총 8장을 촬영한다.

◈ 촬영 모드는 수동으로 세팅하고, 야외 촬영인 것을 감안 ISO는 100~200정도로 세팅한다. 파일은 RAW파일로 저장한다.

⑤ 촬영 영상 스티칭 작업 ◈ 촬영된 영상은 스티칭 작업으로 가장 널리 쓰이는 PTGUI 프로그램을 활용한다.

◈ 촬영한 여덟장의 사진이 왜곡없이 잘 스티칭 될 수 있도록 확인하며 프로그램을 작업한다.

⑥ 파노라마 사진 가상현실 자료 변환 ◈ 완성된 파노라마 사진을 카드보드와 모바일, PC에서 360도로 확인하며 입체감있게 학습할 수 있도록 플래쉬 파일로 변환한다.

◈ 프로그램은 krpano와 pano2vr이라는 프로그램을 사용해 플래쉬 파일로 변환한다.

⑦ 홈페이지 게시 ◈ html파일과 플래쉬 파일로 변환된 가상현실 콘텐츠는 개설한 홈페이지 가상현실 자료에 게시한다.

◈ 차시에 맞게 게시판을 나눠 생성했기 때문에 수업하는 학년에 맞춰 자료를 다운받아 활용할 수 있다.

 

다. 가상현실 자료 제작 결과

과학과 가상현실 학습 자료는 전라남도 화순, 보성, 고흥, 경상남도 고성, 제주도 내 다양한 지층 및 퇴적암, 화석 등 지질관련 자료 총 90점을 개발하였다. 개발한 결과는 다음 <표 1>과 같다.

구 분 촬 영 장 소 개발 자료 내용 가상현실 자료

실행모습

관련 차시
전남 화순 서유리 공룡 화석지 및 주변 일대 · 기울어진 지층 · 1차시 : 지층과 화석 단원에서 배울 내용 알아보기

 

· 2차시 : 여러 가지 지층모양 관찰하기

 

· 7차시 : 여러 가지 화석 관찰하여 보기

· 도로 주변에서 만날 수 있는 기울어진 지층
· 셰일 활용 사례
·공룡발자국 화석
전남

보성

득량면 비봉리 공룡알 화석지 주변 · 사암층 및 풍화에 의한 해식동굴 · 1차시 : 지층과 화석 단원에서 배울내용 알아보기

 

· 6차시 : 퇴적암이 어떻게 만들어지는지 알아보기

· 사암층
· 사암층 및 이암층
· 공룡알 화석지
· 역암, 사암, 이암층

 

라. 개발한 가상현실 자료 사용 방법

1) 카드보드를 활용한 가상현실 자료 활용 방법

구 성 내 용
준비물 ① 구글 카드보드

② 기어 VR, 오큘러스 리프트, 폭풍마경 등

자료 활용

방법

① 인터넷 주소창에 생생과학.com 또는 www.realvr.dothome.co.kr을 입력한다.

② 스마트 폰 주소창에 생생과학.com을 입력한다.

③ 학습할 차시 및 심화 학습할 자료들을 찾아 클릭한다.

④ 가상현실(VR) 자료가 나타나면 화면 아래 카드보드 이미지 아이콘을 클릭한다.

⑤ 스마트폰을 구글 카드보드에 넣고, 360도 돌려가며 자신이 원하는 학습자료를 생생하게 체험한다.

⑥ 야외 지질 학습 관련 직접 가보지 못했던 곳을 찾아 자연현상에 지층과 화석이 어떻게 생성되었는지 확인한다.

교육적

기대효과

① 암석 표본 및 사진 자료들로 지층과 화산지형 등 3차원의 자연 현상을 단편적인 2차원의 자료로 변환하여 학생들에게 제시했던 것을 가상현실(VR) 자료로 제공함으로써 학생들에 생동감 있는 학습과 체험을 제공할 수 있다.

② 동기유발에 활용하면 학생들의 학습 몰입감을 높일 수 있고, 그동안 학생들의 관심도가 낮았던 지구과학 분야 학습들의 흥미도와 관심도를 높일 수 있다.

③ 가보기 힘들었던 장소를 가상현실(VR) 콘텐츠를 활용해 간접 체험함으로써 시간, 비용을 절약할 수 있다.

 

자료 활용 실제 예

2) 크로마키 기법을 활용한 가상현실 자료 활용 방법

구 성 내 용
자료 구성 ① 크로마키 구현을 위한 Green screen 배경 막

② 크로마키 어플(Green Screen)

사용 대상 학생 및 교사
자료 목적 시간, 비용, 안전 문제로 직접 가볼 수 없는 장소를 크로마키 어플을 통해 간접 체험하고 설명할 수 있도록 돕는다.
기구 활용 방법 ① 스마트 폰 주소창에 생생과학.com을 입력한다.

② 학습에 필요한 학습자료 파노라마 사진을 다운받는다.

③ 그린 스크린 배경막을 교실 벽면에 설치한다.

④ 아이폰 또는 아이패드에서 green screen by do ink 어플을 다운받아 실행하고 그린 스크린 배경막을 중심으로 다운받은 파노라마 사진을 실행한다.

⑤ 어플을 실행시킨 뒤 동영상 촬영 또는 사진촬영을 하고 저장한다. 그리고 학습자들에게 발표하고 의견을 나눈다.

교육적 기대효과 ① 학습 정리단계에서 배운 내용을 크로마키 가상현실 기법을 통해 재설명할 수 있는 기회를 줌으로써 학생들의 과학적 사고력 및 과학적 의사소통능력 향상을 기대할 수 있다.

② 기상캐스터처럼 가상현실 크로마키 기법을 통해 실제 자신이 그 야외 지질답사 현장에 있는 듯 표현이 된다. 그리고 친구들에게 학습한 지식을 설명함으로써 배움의 깊이를 더할 수 있다.

③ 동영상 촬영 파일은 저장하여 밴드나 카톡에 올리고 친구들끼리 서로 공유할 수 있어 학습자 상호 간 학습능력 향상에 도움을 줄 수 있다.

 

자료 활용 실제 예

2. 개발한 가상현실 자료 수업 적용

가. 가상현실 자료 활용 주제중심 융합교육과정 운영

개발한 가상현실 자료를 수업에 유의미하게 적용할 수 있도록 학생들과 가상현실 자료를 투입하여 학습할 수 있는 하나의 주제를 선정하고 자신이 배울 내용을 스스로 정하도록 했다. 학생들의 요구를 반영한 호기심을 자극하는 주제가 선정되면 교과 간, 교과 내에서 문제를 해결할 수 있는 내용들을 엮어 융합단원을 설정한다.

< 주제중심 융합교육과정 진행 모습 >

나. 가상현실 자료 활용 주제중심 융합교육과정 운영 사례

1) 4학년 1학기 2단원 : 지층과 화석

가) 주제명 : ‘알고보면 쓸데있는 신기한 지층여행 ’

나) 주제 중심 수업 흐름도 구성하기

학생들과 직접 주제 중심 수업 흐름도를 그려보고, 공부할 내용을 선정한 다음 교육과정을 분석해 가상현실 자료 활용 주제중심 융합교육과정으로 재구성하였다.

 

다. 가상현실 학습자료 및 크로마키 활용 수업 적용 모습

단 계 활 동 사 진
<활동 2>

가상현실

체험하기

모바일로 가상현실 실행

카드보드로 가상현실 체험하기

<활동 3>

크로마키로 설명하기

크로마키 배경막 설치하기

크로마키 촬영하기

크로마키로 발표하기

크로마키 결과물 공유

개선할 점 이야기 나누기

크로마키로 지질 전문가가 되어 발표하기

 

Ⅲ. 결론 및 일반화

1. 개발 자료 적용 결과

가. 개발한 가상현실 자료는 모바일, PC 환경을 기반으로 제작되었기 때문에 언제, 어디서나 시공간의 제약에 구애받지 않고 자신이 학습하고 싶은 내용을 자기주도적으로 학습해 나갈 수 있다. 그리고 다양한 지층의 구조와 모습 등을 콘텐츠로 제작했기 때문에 동아리 활동, 영재학급, 부진아 지도, 과학과 교육과정 운영 등 다양한 교육 분야에 활용 가능하다.

나. 시간, 비용, 안전문제, 거리문제 등 지질답사를 가지 못 하는 학습환경의 학습자들에게 도움이 될 수 있다.

다. 개발한 가상현실 콘텐츠는 과학과 교육과정 분석을 통해 초등학생을 대상으로 제작되었다. 하지만, 중·고등학교 학생 및 지층 및 화석, 퇴적암에 관심이 많은 일반인도 직접 활용이 가능한 점에서 활용 가능성이 무궁무진하다.

2. 결론

가. 학생이 기다리고, 수업을 즐거워하는 학생참여형 수업 가능

교과서 위주의 사진과 동영상으로 이루어지는 과학 수업에서 벗어나 학생들이 흥미와 관심이 많은 가상현실과 스마트 기기를 결합함으로써 학생들의 과학 학습에 대한 내재적 동기를 유발하고 학생이 적극적으로 수업에 참여하는 학생 참여형 수업이 가능하다.

나. 언제, 어디서나 과학과 수업을 생생하게!!!

인터넷과 모바일이 있는 곳이면 언제, 어디서나 가상현실 콘텐츠에 접근 가능하도록 모바일 홈페이지와 인터넷 홈페이지를 개설하여 장소와 시간에 구애받지 않고 학생들이 과학 학습을 할 수 있도록 환경을 구축했다. 학생들은 학교 밖 가정에서도 자유롭게 콘텐츠에 접근 가능하고 활용할 수 있으므로 과학적 탐구능력 향상에도 도움이 될 수 있다.

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