KR102608724B1 - Vr 공학 실습 컨텐츠에서의 실습 제공 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 VR 공학실습 컨텐츠에서의 실습 제공 방법은 교수자가 VR 장치를 착용하고 VR 공학 실습 컨텐츠 상에서 실습 시범을 수행하고 이를 로그 정보로 저장하는 단계(S100), 학습자가 VR 장치를 착용하고 VR 실습 컨텐츠 상에서 실습을 수행하고 이를 로그 정보로 저장하는 단계(S200), 상기 단계(S100)의 교수자의 실습 시범 로그 정보와 상기 단계(S200)의 학습자의 실습의 로그 정보를 비교하여 기설정된 판정기준에 따라 성공여부를 판정하는 단계(S300), 상기 단계(S300)에서 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 교수자가 상기 학습자에게 실습 지도를 제공하는 단계(S400)를 포함한다.
상기 VR 공학실습 컨텐츠는 메타버스 상에서 제공될 수 있으며, 이를 통해 학습자에게 실제 오프라인 실습 환경에서 수행하는 실습과 유사한 경험을 제공할 수 있다.

Description

VR 공학 실습 컨텐츠에서의 실습 제공 방법 및 시스템 {Method and system for providing practice in VR engineering practice content}
본 발명은 VR 공학실습 환경에서의 실습 제공 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공학실습 학습자가 실제 실습을 수행하는 것과 같은 경험을 제공할 수 있는 실제 실습 환경과 유사한 가상현실(VR) 실습 환경을 제공하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
코로나 팬더믹 이후 각급 학교나 학원에서는 원격으로 온라인을 통한 교육이 광범위하게 이루어지고 있다.
하지만, 이론 강의와는 다르게 실제로 학습자들이 참여하여 행위를 하여야 하는 ‘실습’ 강의에 대해서는 온라인을 통한 학습의 한계가 뚜렷한 편이다.
현재까지 비대면으로 원격지의 학습자들에게 공학실습을 제공하기 위한 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 영상 컨텐츠 중심의 온라인 학습에 현실감을 보강하는 방법이고, 두 번째는 증강현실 (Augmented Reality, 이하 ‘AR’) 또는 가상현실 (Virtual Reality, 이하 ‘VR’) 기반으로 가상의 실습공간에서 마치 현장에서 실습하는 것과 유사한 체험을 하도록 하는 방법이다.
전자의 경우, 대체로 보다 실감나는 영상 컨텐츠의 제작과 전송이라는 관점에서 개발될 뿐이어서, 사실상 학습자로 하여금 ‘실습’ 과정을 직접 행위로 체험할 수 있는 환경을 제공하지 못하는 근본적인 한계가 있다.
후자의 경우, 최근에 각광을 받고 있는 AR/VR을 기반으로 헤드셋과 컨트롤러를 착용한 상태로 직접 손을 움직여서 ‘실습’에 해당하는 행위를 하도록 한다는 점에서 한층 진일보한 기술로 볼 수 있다.
다만, 학습자가 AR/VR을 착용한 상태로 충분히 실습을 한다면 필드에서 실제로 동일한 작업을 수행할 수 있는 정도로 숙련이 가능한지 여부를 판단해보면, 제작된 AR/VR 컨텐츠의 품질에 따라서 그렇지 못한 경우가 많다.
통상, AR/VR을 착용한 상태에서 손으로 물체를 잡고서 ‘실습’ 행위를 하게끔 하려면, 3D 오브젝트의 대략적인 좌표와 손(콘트롤러)의 동작, 손의 좌표를 이용하여 조건에 해당하는 루틴이 실행되도록 하는 방식으로 처리를 하는데,
실제로 실습현장에서 물체를 잡고서 행위를 하는 것과 비교할 때 정확도가 높지 않고, 물리 법칙이 충분히 구현되지 못하는 것이 가장 큰 문제점이다.
즉, 물체 근처에 손을 내민 상태에서 손가락을 오므리는 동작을 하면 물체가 손에 쥐어지고, 그 상태로 돌리거나 끼우거나 기울이는 등의 동작을 수행한다고 할 때, 상기 동작의 구현이 단순 애니메이션 처리되는 식이어서, 말그대로 학습자는 가상의 유사한 체험을 하는 것에 불과할 뿐, 충분한 숙련도를 갖출 정도의 실습을 하기에는 매우 부족한 것이 현실이다.
또한, 상기와 같은 이유로 교수자가 학습자의 실습 수행에 대해 정확하게 평가하는 것이 어렵기 때문에, 실습 과정에 대한 ‘평가’가 필요한 교육기관, 특히 대학 교육 과정에서는 사용하기에 부적합하다는 한계가 있다.
따라서, 학습자가 실제 실습 수업을 통해 얻을 수 있는 교육 효과와 유사한 효과를 얻기 위해서는 실제 실습 환경과 흡사하면서, VR 실습 환경에서 학습자의 실습 행위를 보다 정확하게 평가할 수 있는 VR 실습 수업이 필요하다.
그러나, 이를 실현하기 위해서는 현실적으로 상당 기간의 연구와 비용이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명에 의한 “VR 공학실습 환경에서의 실습 제공 방법 및 시스템”은 상기와 같은 종래의 한계점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 VR 공학 실습의 학습자가 실제 오프라인 실습 환경에서 실습을 수행하는 것과 유사한 경험을 얻을 수 있도록 하는 VR 공학 실습 컨텐츠를 제공하는데 있으며, 나아가 상기 VR 공학 실습 컨텐츠을 통해 수행된 학습자의 공합 실습 내용을 보다 정확하게 판정할 수 있도록 하는 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 VR 공학 실습 컨텐츠에서의 실습 제공 방법 및 시스템 은 교수자가 VR 장치를 착용하고 VR 실습 컨텐츠 상에서 실습 시범을 수행하고 이를 로그 정보로 저장하는 단계(S100), 학습자가 VR 장치를 착용하고 VR 실습 컨텐츠 상에서 실습을 수행하고 이를 로그 정보로 저장하는 단계(S200), 상기 단계(S100)의 교수자의 실습 시범 로그 정보와 상기 단계(S200)의 학습자의 실습의 로그 정보를 비교하여 기설정된 판정기준에 따라 성공여부를 판정하는 단계(S300), 상기 단계(S300)에서 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 교수자가 상기 학습자에게 실습 지도를 제공하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
여기서,상기 단계(S300)에서 도출된 판정 정보를 기반으로 교수자가 학습자의 실습 행위를 평가하는 단계(S500)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계(S500)에서 도출된 평가 정보가 기준값 이상인 경우, 상기 학습자의 실습에 대한 로그 정보를 이용하여 상기 단계(S300)의 기설정된 판정 기준을 보정하는 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계(S600)에서 보정된 판정 기준에 따라 상기 학습자 실습 판정 단계(S300)가 수행되고, 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 학습자에게 자동으로 실습 지도를 제공하는 단계(S700)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 “VR 공학 실습 컨텐츠에서의 실습 제공 방법 및 시스템”은 종래에 비해 보다 실제 오프라인의 실습 환경과 유사한 VR 실습 환경을 제공할 수 있으며, 나아가 메타버스를 통해 이러한 VR 공학 실습 컨텐츠를 학습자에게 제공함으로써 학습자가 실제 교수자와 함께 오프라인 실습 현장에서 실습 수업을 수행하는 것과 같은 경험을 제공하므로, 비대면 공학 실습 교육의 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 VR 공학 실습 컨텐츠는 교수자의 실습 시범과 학습자의 실습 수행에 대한 결과를 활용하여 학습자의 실습을 판정하는 판정 기준을 정교하게 보정하는 것이 가능하므로, 교수자는 메타버스 상에서 VR 공학 실습 컨텐츠을 통해 수행된 학습자의 공합 실습 내용을 보다 정확하게 평가할 수 있게 된다.
도 1은 교수자가 VR 장치(200)를 착용하고 공학실습을 수행하는 것을 도시한 도면,
도 2는 학습자가 오프라인의 실제 실습장에서 AR 장치를 착용하고 실습을 수행하는 것을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 의한 VR 공학 실습 컨텐츠에서의 실습 제공 방법의 수행 단계를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 의한 VR 공학 실습 컨텐츠에서의 실습 제공 방법의 수행 단계를 수행하는 시스템 구성도를 간략하게 도시한 도시한 도면,
도 5는 성공 판정된 실습 수행의 레코드의 3차원 좌표에서 분포를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.
발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 본 발명에 의한 VR 공학실습 환경에서의 실습 제공 방법 및 시스템이 구현된 일 예를 특정한 실시예를 통해 설명하기로 한다.
VR 공학실습 제공 방법의 첫 번째 단계는 교수자가 VR 장치를 착용하고 VR 실습 컨텐츠 상에서 실습 시범을 수행하는 단계(S100)이다.
도 1은 교수자가 VR 장치(200)를 착용하고 공학실습을 수행하는 것을 도시한 도면이다.
최초 교수자와 학습자가 각각의 VR 장치를 착용하고 VR 공학 실습 컨텐츠에 접속한다.
여기서, VR 장치는 HMD (Head Mounted Display) 및 손에 쥐는 컨트롤러 등을 모두 포함할 수 있다.
상기 VR 공학 실습 컨텐츠에는 시범모드와 실습모드가 포함될 수 있으며, 시범모드는 교수자가 학습자를 대상으로 해당 공학 실습의 시범을 보이는 모드이며, 실습모드는 학습자가 상기 시범모드에서 수행된 실습 시범을 따라 실제로 실습을 수행하는 모드이다.
교수자는 VR 공학 실습 컨텐츠 상에서 시범 모드를 선택하고 VR 장치를 통해 해당 공학 실습의 시범을 수행한다.
이 때, 상기 수행된 실습 시범은 영상으로 녹화되고, 관련 정보들은 로그(log) 기록으로 저장될 수 있다.
상기 로그에는 상기 녹화된 영상으로부터 실습 동작 트래킹 데이터, 손과 3D 오브젝트의 위치좌표, 3D 오브젝트의 상대 위치좌표, 3D 오브젝트의 속도, 3D 오브젝트와의 인터렉션 정보 등의 정보가 포함될 수 있다.
다음 단계로, 학습자가 VR 장치를 착용하고 VR 실습 컨텐츠 상에서 실습을 수행하는 단계(S200)이다.
학습자는 원격지에서 VR 공학실습 환경에 접속할 수 있으며, VR 공학 실습 컨텐츠 상에서 실습 모드를 선택하고 상기 교수자에 의해 수행된 실습 시범을 따라 VR 공학실습 환경 상에서 공학 실습을 수행한다.
이 때, 상기 수행된 실습은 영상으로 녹화되고, 관련 정보들은 로그(log) 기록으로 저장될 수 있다.
상기 로그에는 상기 녹화된 영상으로부터 실습 동작 트래킹 데이터, 손과 3D 오브젝트의 위치좌표, 3D 오브젝트의 상대 위치좌표, 3D 오브젝트의 속도, 3D 오브젝트와의 인터렉션 정보 등의 정보가 포함될 수 있다.
다음 단계로 상기 단계(S100)의 교수자의 실습 시범과 상기 단계(S200)의 학습자의 실습을 비교하여 기설정된 판정기준에 따라 차이점을 판정하는 단계(S300)이다.
상기 교수자의 실습 시범과 학습자의 실습을 비교하는 것은 상기 S100 단계와 S200 단계에서 저장된 로그 기록을 비교하는 것으로 달성될 수 있다.
상기 각 로그 기록에 포함된 실습 동작 트래킹 데이터, 손과 3D 오브젝트의 위치좌표, 3D 오브젝트의 상대 위치좌표, 3D 오브젝트의 속도, 3D 오브젝트와의 인터렉션 정보를 상호 비교하면서 상기 데이터의 차이를 도출함으로서 상기 기설정된 판정 기준에 따라 성공과 실패 판정이 가능할 수 있다.
상기 판정 기준은, 예시적으로 상기 실습 동작 전체를 비교하여 판단하는 방식으로 설정할 수도 있고, 실습의 수행 단계별로 나누어 비교하여 판단하는 방식 등 다양한 방식으로 설정이 가능하며, 교수자의 의도에 따라 교수자가 직접 설정하는 방식도 포함할 수 있다.
다음 단계로, 상기 단계(S300)에서 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 교수자가 상기 학습자에게 실습 지도를 제공하는 단계(S400)이다.
상기 S300 단계에서 도출된 판정 정보는 교수자에게 제공되어, 교수자는 학습자의 실습 행위와 교수자의 실습 시범의 차이점과 성공 또는 실패인지 알 수 있게 된다.
교수자는 이러한 판정 정보를 기반으로 학습자에게 지도가 필요한 부분을 파악할 수 있고, 상기 VR 콘텐츠 상에서 필요한 지도 내용을 학습자에게 제공할 수 있다.
학습자에게 실습 지도를 제공하는 방식은 여러가지가 가능하나, 본 실시예에서는 실시간 지도 방식과 녹화 지도 방식으로 구성될 수 있다.
실시간 지도 방식의 경우, 상기 VR 공학 실습 컨텐츠에 교수자와 학습자가 동시에 접속해 있는 경우 가능하다.
교수자는 상기 제공받은 판정 정보를 학습자에게 제시하고, 상기 시범 모드로 전환한 후, 실습 지도가 필요한 부분에 대해 VR 장치를 착용하고 직접 해당 부분에 대한 시범을 보이는 등의 방식으로 구현 될 수 있다.
녹화 지도 방식의 경우, 상기 VR 공학 실습 컨텐츠에 교수자와 학습자가 동시에 접속할 수 없는 경우에도 활용 가능하다.
상기에서 설명한 바와 같이, 학습자에 의해 수행된 실습은 영상으로 녹화되고, 상기 영상은 교수자에게 제공된다.
교수자는 상기 VR 공학실습 컨텐츠에 접속하여, 상기 컨텐츠 상에서 상기 학습자의 실습 영상을 재생하는 것이 가능하다.
상기 영상을 통해 교수자는 학습자에게 필요한 지도 내용을 파악하고, 지도가 필요한 해당 부분에 대해 VR 장치를 통해 직접 실습 동작을 수행한다.
추후 학습자가 VR 컨텐츠 상에서 자신의 실습 내용을 재생하면, 교수자의 아바타가 표시되어 상기 지도한 부분에 대해 교수자가 수행한 실습 동작을 학습자의 실습 동작 옆에 오버레이로 표시하여 학습자가 차이점을 비교하여 학습할 수 있도록 하는 방식으로 구현될 수 있다.
다음 단계로, 상기 단계(S300)에서 도출된 판정 정보를 기반으로 교수자가 학습자의 실습 행위를 평가하는 단계(S500)이다.
교수자는 도출된 판정 정보에 따라 학습자의 실습 행위를 평가할 수 있다.
상기 평가는 교수자가 상기 판정 정보를 통해 직접 수행하거나, 또는 상기 VR 공학실습 컨텐츠 상에 구현된 평가 시스템을 통해 자동으로 평가할 수도 있다.
자동 평가의 경우, 교수자는 사전에 평가 기준을 설정할 수 있게 구성되고, 상기 평가 기준에는 평가 항목, 항목별 배점 기준, 항목별 가중치 등을 포함한 다양한 평가 사항이 포함될 수 있으며, 교수자는 상기 평가 사항들을 활용하여 다양하게 평가 기준을 설정할 수 있다.
다음 단계로, 상기 단계(S500)에서 도출된 평가 정보를 기반으로 상기 단계의 (S300) 기설정된 판정 기준을 보정하는 단계(S600)이다.
최초 기설정된 판정 기준은 성공의 범위를 넓게 설정하기 때문에, 학습자의 실습 행위에 대한 성공 판정도 정확성이 떨어진다.
성공판정의 정확도를 높이기 위해, 교수자로부터 높은 평가를 학습자의 실습 수행을 활용하여 상기 판정 기준을 보다 정교하게 보정할 수 있다.
높은 평가를 받은 학습자의 실습 수행은 낮은 평가의 실습보다 정확도가 높기 때문에 판정 기준의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 학습자의 실습에 대한 상기 도출된 평가 정보의 수치가 기설정한 기준 이상인 경우에는 해당 실습에 대한 상기 S200단계에서 저장된 로그 기록을 별도로 수집한다.
상기 수집된 로그 기록을 분석하여 수집된 데이터 중 이상점 (outlier)에 해당하는 수치를 제외한 범위로 성공으로 판정되는 데이터 범위를 정한다.
상기와 같은 과정을 통해 실습 정확도가 높다고 평가된 실습 행위들 중에서도 차이가 큰 케이스들은 이상점으로 분류되어 제외되는 바, 성공 판정의 범위가 좁아지게 되고, 상기 새롭게 정해진 범위로 기설정된 판정 기준이 보정되는 것이다.
상기의 판정 기준을 보정하는 과정을 보다 자세히 설명하면,
상기 판정 기준은 상기 학습자들의 실습 수행 중에서 성공으로 판정되는 실습 수행의 로그들 가운데 3차원 공간내에서 가장 높은 빈도로 발생하는 영역으로 정의될 수 있다.
이는 일 실시예로서 도 5의에 도시된 파선으로 도시된 원형의 영역으로 이해할 수 있다.
여기서, 성공으로 판정되는 실습 수행의 로그의 레코드 수가 수십~수백개 단위 정도에 불과하다면, 이에 의해 정의된 영역은 정교하게 설정되는 것이 매우 어렵고, 대략적으로 정해질 수 밖에 없다.
하지만, 성공으로 판정되는 실습 수행의 로그의 레코드 수가 수천개 단위 이상으로 증가한다면 분산 그래프 상 이상값(outlier)에 해당하는 레코드들을 모두 제거한 나머지 레코드들로 상기 성공 판정 기준 영역을 조금 더 정확하게 보정하는 것이 가능해진다.
상기 판정 기준을 보정하기 위한 성공 판정 영역의 재설정은 다음과 같은 알고리즘으로 구현된다.
첫 번째 단계로, 성공으로 판정되는 레코드의 개수가 직전 레코드 개수 대비 제 1 임계값 이상 증가하였는지 여부를 판단한다(S10). 여기서 제 1 임계값은 레코드 개수의 구간으로 사전에 정의될 수 있다. 예컨대, 제 1 임계값이 1,000이면 성공으로 판정되는 레코드의 개수가 1,000개 미만인 구간, 10,000이면 10,000개 미만인 구간, 50,000이면 50,000개 미만인 구간 등으로 레코드의 개수의 구간으로 정의 될 수 있다.
다음 단계로, 상기 단계(S10)에서 성공으로 판정되는 레코드의 개수가 직전 레코드 개수 대비 제 1 임계값 이상 증가하였다면, 제 2 임계값은 사전에 정의된대로 변경된다.(S20).
예를 들면, 상기 제 1 임계값이 1,000개 미만인 구간일 때 상기 제 2 임계값은 90%, 상기 제 1 임계값이 10,000개 미만인 구간일 때 상기 제 2 임계값은 85% 등으로,반비례하도록 사전에 정의된다.
즉, 상기 제 1 임계값이 더 많은 개수 범위의 구간으로 변경될수록 제 2 임계값은 감소하도록 사전에 정의되는 것이다.
다만, 상기 제 2 임계값의 수치는 특정 수치에 도달하면 그 이하로는 감소되지 않고 유지된다.
예를 들면, 제 2 임계값의 최저값이 60%로 설정되었다면, 제 2 임계값은 단계적으로 감소하다가 60% 값이 이르면, 제 1 임계값이 증가하더라도 제 2 임계값은 60%로 유지되는 것이다.
다음 단계로, 성공으로 판정된 전체 레코드의 평균값을 구한다(S30).
상기 레코드는 상기 저장된 실습 수행의 로그 내에 포함되어 있는 실습 수행의 인터렉션에 관한 레코드들로서, 실습 수행 중의 인터렉션에 관한 3차원 상에서의 좌표 정보를 포함할 수 있다.
상기 전체 레코드의 각각의 x축, y축, z 축에 대해 각 축에 대한 좌표 평균값을 계산한다.
그 다음 단계로, 상기 레코드들이 x축, y축, z 축 각각에 대해 정규분포를 따른다고 가정하고, 상기 제2 임계값 이내의 범위 영역을 x축, y축, z 축 각각에 대해 구하고(S30), 상기 구해진 x축, y축, z 축 각 영역이 판정 기준이 된다.
이후, 학습자의 실습 수행 시 인터랙션이 발생하면, 상기 인터렉션의 3차원 좌표값이 상기 단계(S30)에서 구해진 x축, y축, z 축 각 영역의 범위 내에 포함되면 상기 인터랙션은 성공으로 판정된다.
한편, 상기와 같이 성공으로 판정되는 레코드들이 충분히 증가하면 순차적으로 상기 S10 단계를 통해 제 1 임계값이 다음 구간으로 넘어가게 되고, 상기 S20 단계에 따라 제 2 임계값이 더 낮은 수치로 새로 설정되므로, 이에 따라 성공으로 판정되는 3차원 상의 x축, y축, z 축 각 영역이 좀 더 좁은 범위로 새롭게 구해지며, 기존의 판정 기준에 적용됨으로써 판정 기준이 보정되는 것이다.
따라서, 상기 보정된 판정 기준에 따라 성공 판정을 받기 위해서는 종래 판정 기준에 비해서 보다 더 정확한 동작으로 실습을 수행해야 하는 것이다.
나아가, 학습자의 실습 행위가 누적되면서 상기와 같은 과정이 반복되면 판정 기준은 점점 더 정교해지게 되면서, 학습자의 실습 행위에 대해 보다 더 정확한 판정이 가능하게 된다.
이에 따라, 교수자는 보다 정교한 판정을 기반으로 학습자가 수행 실습에 대해 보다 정확하고 합리적으로 평가할 수 있게 된다.
그 다음으로, 상기 단계(S600)에서 보정된 판정 기준에 따라 상기 학습자 실습 판정 단계(S300)가 수행되고, 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 학습자에게 자동으로 실습 지도를 제공하는 단계(S700)이다.
상기 S600 단계가 반복될수록 상기 판정 기준이 세밀하고 정교해지므로, 학습자의 수행한 실습 행위에 대해 보다 정확하고 세밀하게 판정하는 것이 가능하다.
학습자의 실습이 누적될수록 S300 단계를 통해 도출되는 상기 실습에 대한 판정 정보와 S400 단계를 통해 상기 판정 정보를 기반으로 학습자에게 제공된 실습 지도가 누적되게 된다.
상기 실습에 대한 판정 정보는 누적되어 저장될 수 있고, 또한 제공된 실습 지도는 로그 데이터 및 영상으로 누적되어 저장될 수 있다.
이후에 실습을 수행한 학습자의 실습은 상기 정교하게 보정된 판정기준에 따라 성공 여부를 판정하게 되고, 상기 도출된 판정 정보를 기존에 저장된 판정 정보와 비교하여, 유사한 판정 정보가 존재하는 경우, 상기 유사한 판정 정보에 대해 제공된 실습 지도 영상를 찾아 이를 학습자에게 자동으로 추천하여 학습자의 VR 공학실습 컨텐츠 상에서 재생할 수 있다.
이런 경우, 교수자는 다수의 학습자가 수행한 실습에 대해 일일히 직접 실습 지도를 제공할 필요 없이, 유사한 실습의 경우에는 종래의 실습 지도 내용을 자동으로 제공하게 되므로, 실습 수업을 보다 효율적이면서 정확하게 관리할 수 있게 된다.
추가적으로, 상기 VR 공학실습 컨텐츠는 AR (Augmented Reality, 증강현실) 장치와 연동하여 제공될 수 있다.
경우에 따라서는 오프라인 상의 실제 학교나 실험실, 현장에 모여서 그동한 진행한 상기 VR 공학 실습 컨텐츠를 이용해 실습한 내용을 재현하고자 하는 경우가 있을 수 있다.
이러한 경우에도 마찬가지로 비대면 또는 인적 거리두기를 유지한 채 소규모로 실습을 실시해야 할 수 있으며 이 때, 상기의 AR 장치를 활용하여 VR 공학실습 컨텐츠와 직접 연동하여 오프라인 실습시의 평가나 또는 지도를 가능하게 할 수 있다.
최초 상기 VR 공학 실습 컨텐츠의 저작시 입체 인식 장치를 통해서 실험실이나 공장 기타 오프라인 공간에서 녹화를 한 다음, 실습 대상 물체의 윤곽을 인식하여 각 물체에 해당하는 3D 오브젝트를 선택하고, VR 컨텐츠의 형태로 저작한 바 있다.
즉, 상기 공학 실습 VR 컨텐츠는 실제 오프라인 현장과 동일한 환경이라 가정할 수 있다.
따라서, 저작이 완료된 상기 VR 공학실습 컨텐츠를 이용하여 실습을 충분히 수행한 학생들이 오프라인에서 실제로 해당 실험실이나 공장 등의 현장에 참석한 경우, AR 장치를 착용하면 오프라인의 실제 실습 대상 물체들에 해당하는 VR 공학실습 컨텐츠에 접근이 가능하다.
도 2는 학습자가 오프라인의 실제 실습장에서 AR 장치를 착용하고 실습을 수행하는 것을 도시한 도면이다.
학습자는 오프라인의 실제 실습장에서 AR 장치를 착용하고 실제 실습 대상 물체를 스캔하고, 이때 상기 AR 장치는 실습 대상 물체를 인식하여 이에 해당하는 VR 공학실습 컨텐츠가 제공된다.
학습자들은 AR 장치를 착용하고 오프라인에서 실제 실습을 하게 되면, 상기 AR 장치를 통해서 VR 컨텐츠 상에서 제공되었던 것과 동일하게 교수자의 지도 내용이 재생되거나, 또는 교수자의 시범이 보여지거나, 더 나아가 평가까지 가능할 수 있다.
추가적으로, 이하에서는 상기 제공되는 VR 공학 실습 컨텐츠가 최초로 저작되는 방법을 보다 자세히 설명한다.
상기 공학 실습 컨텐츠를 저작하는 방법에 대해 보다 자세히 설명하면, 첫 번째 단계는 입체 인식 장치를 통해 교수자의 실습 수행 영상을 저장하는 단계(S210)이다.
교수자는 입체 인식 장치를 착용한 상태에서 평소 실습 현장에서 수행하는 실습 시범과 같이 실습 대상 물체를 바라보면서 실습을 수행한다.
상기 수행된 실습은 상기 입체 인식 장치(100)를 통해 영상으로 녹화되어 저장된다.
상기 영상에는 실습 대상 물체 및 교수자의 실습 동작들이 교수자가 착용한 입체 인식 장치를 통해 교수자의 시점에서 바라보는 영상으로 녹화되어 저장된다.
두 번째 단계는 상기 단계(S210)에서 저정된 영상으로부터 실습 대상 물체의 체적을 인식하고, 상기 실습 대상 물체와 교수자와의 인터랙션을 인식하는 단계 (S220)이다.
입체 인식 장치를 통해 교수자의 시점에서 보여지는 영상에서 실습 대상 물체와 교수자의 인터렉션은 각각 개별적으로 인식된다.
여기서 상기 실습 대상 물체는 물체의 체적이 인식된다.
이후, 교수자는 개별적으로 인식된 실습 대상 물체를 개별 단위로 지정하게 되는데, 이는 입체 인식 장치를 통해서 저장되는 실습에 대한 영상 정보에서 실습 대상 물체가 개별 단위 별로 체적으로 인식되어 각각의 데이터가 수집될 수 있도록 한다.
교수자는 입체 인식 장치를 통해 실습 대상 물체인 자동차 바퀴를 바라보게 되고, 입체 인식 장치를 통해 수집되는 영상에서 상기 자동차 바퀴는 점선으로 표시된 바와 같이원형의 체적으로 인식된다.
여기서, 교수자가 개별적으로 인식된 타이어를 개별 단위로 지정하면, 입체 인식 장치 디스플레이에는 도시된 바와 같은 인터페이스가 교수자에게 표시되고, 교수자는 여기서 실습 대상 물체의 속성, 물체 명칭 등을 지정하거나 확인할 수 있으며, 또한 향후 실습 대상 물체에 적용되는 인터렉션을 확인할 수 있다.
상기 단계를 통해(S220) 상기 교수자가 착용한 상기 입체 인식 장치를 통해 녹화되어 저장된 영상을 분석하여 실습 대상 물체의 체적을 인식하고 상기 실습 대상 물체와 교수자의 인터렉션을 개별적으로 인식하고 이에 대한 데이터를 취득하게 된다.
상기 취득하는 데이터에는 교수자의 동작을 트래킹하여 획득하는 좌표 데이터, 실습 대상 물체의 형상 및 실습 대상 물체의 상대 위치 데이터 등이 포함될 수 있다.
본 실시예로 설명하면, 교수자는 실습 대상 물체인 자동차 바퀴를 대상으로 실습을 수행하고 있으며, 이 때 교수자가 착용한 입체 인식 장치를 통해 녹화된 영상정보에서 교수자의 실습 대상 물체에 대한 인터렉션 관련 정보, 예시적으로 교수자 손의 위치 좌표 또는 손을 쥐거나, 펴거나, 누르는 등의 손의 동작에 대한 트래킹 정보가 포함될 수 있으며, 실습 대상 물체인 타이어를 인식하고 이에 대한 데이터, 예시적으로 타이어에 교수자의 인터렉션이 취해진 경우, 타이어의 상대위치 좌표 등이 포함될 수 있다.
다음 단계로, 상기 인식된 실습 대상 물체의 체적에 대응하는 3D 오브젝트를 매핑하는 단계(S230)이다.
상기 단계(S220)를 통해 교수자의 실습에 대한 영상 분석하여 취득한 데이터를 기반으로 실습 대상 물체 및 상기 실습 대상 물체와 교수자와의 인터랙션 을 VR 환경으로 구현하기 위해 3D 오브젝트로 구현하는 것이다.
상기 단계(S220)를 통해 취득한 데이터는 상기 S210 단계에서 개별적으로 지정하여 체적으로 인식된 실습 대상 물체, 교수자의 실습 동작, 실습 대상 물체과 동작 간의 상호 작용 등 실습 대상 물체와 교수자와의 인터렉션에 대한 정보가 각각 취득된다.
서버 등에는 이미 제작된 3D 오브젝트들이 저장되어 있으며, 상기 취득한 정보를 기반으로 상기 인식된 실습 대상 물체의 체적과 기제작된 3D 오브젝트들과 각각 비교하여 이에 대응하는 가장 유사한 3D 오브젝트로 자동으로 대체해 줌으로써, 1차적인 VR 환경이 구축된다.
본 실시예로서 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이 실습 대상 물체인 타이어는 점선과 같이 원형의 체적으로 인식되며, 이에 따라 기제작된 3D 오브젝트 중 가장 유사한 원형 3D 오브젝트로 구현된다.
다음 단계로, 상기 인식된 실습 대상 물체와 교수자와의 인터랙션에 해당하는 3D 오브젝트와 VR 컨트롤러의 인터랙션을 설정하는 단계(S240)이다.
이는, 상기 S220 단계에서 인식된 실습 대상 물체에 교수자가 취한 동작, 즉 실습 대상 물체와 교수자와의 인터렉션을 상기 S230 단계에서 매핑된 3D 오브젝트와 VR 컨트롤러 간에 설정하는 것이다.
이때, 상기 단계(S230)에서 매핑된 3D 오브젝트와 상기 단계(S240)에서 설정된 인터랙션은 물리적 속성에 해당하는 기 정의된 설정값을 갖는다.
예컨대, 3D 오브젝트는 무게, 크기, 재질과 같은 속성을 가지며, 인터랙션은 충돌, 회전, 압착 등과 같은 유형마다 대응하는 설정값 ? 예컨대, 충돌시 가해지는 힘, 회전시의 토크, 압착력 등의 값을 갖는다.
이는, 상기 S230 단계에서 3D 오브젝트로 구현된 실습 대상 물체와 해당 실습 대상 물체에 취해진 교수자의 인터렉션에 작용한 물리 법칙의 속성을 부여해서 상기 VR 컨트롤러를 통해 동작을 수행하면, VR 공간 상에서도 실제 자연계의 물리 법칙에 의한 동작이 구현되도록 하는 것이다.
본 실시예로서 설명하면, 교수자가 실습 대상 물체인 자동차 바퀴의 볼트나 너트 등에 공구를 통해 힘을 가하여 돌리면, 힘이 작용한 상기 볼트나 너트는 회전 운동을 하게 되는데, 이는 자연계의 일반 물리 법칙에 따른 현상이다.
이와 같은 물리 법칙에 의한 현상을 VR 환경에서 구현하기 위해서는 상기 S230 단계를 통해 구현된 3D 오브젝트에 물리적 속성을 가진 인터렉션이 설정되어야 한다.
3D 오브젝트에 설정되는 인터렉션은 기설정되어 있으며, 상기 인식된 인터렉션 관련 정보에 기반하여 기설정된 인터렉션의 물리적 속성과 비교하여 가장 유사한 물리적 속성을 가진 인터렉션을 설정한다.
이렇게 되면, 현실세계에서 수행했던 동작 및 이에 따른 현상들이 VR 내에서 유사하게 구현될 수 있다.
상기 S240 단계까지 수행하면, 기본적인 VR 공학 실습 컨텐츠가 구현되는 것이다.
한편, 상기와 같은 VR 공학 실습 컨텐츠의 제공방법을 수행할 수 있는 VR 공학 실습 컨텐츠의 제공 시스템이 본 발명에 의해 구현될 수 있다.
본 발명에 의한 VR 공학 실습 컨텐츠의 제공 시스템은 교수자와 학습자가 착용하고 실습을 수행하는 VR 장치(100), 교수자가 VR 실습 컨텐츠 상에서 수행한 실습 시범을 로그 정보로 저장하고, 학습자가 VR 실습 컨텐츠 상에서 수행한 실습을 로그 정보로 저장하는 실습처리부(600), 상기 교수자의 실습 시범 로그 정보와 상기 학습자의 실습의 로그 정보를 비교하여 기설정된 판정기준에 따라 성공여부를 판정하는 실습 판정부(300), 상기 실습 판정부(300)에 의해 도출된 판정 정보를 기반으로 교수자가 평가한 학습자의 실습행위의 평가정보가 기준값 이상인 경우, 상기 학습자의 실습의 로그 정보를 이용하여 상기 기설정된 판정 기준을 보정하는 판정기준 보정부(400), 상기 실습 판정부(300)에 의해 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 학습자에게 실습 지도를 제공하는 실습 지도 제공부(500)를 포함하는 VR 공학 실습 컨텐츠 제공 시스템이 구현될 수 있다.
이상 몇 가지의 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 살펴보았다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 상기 살펴본 실시예를 다양하게 변형하거나 변경할 수 있음은 자명하다. 또한, 비록 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다. 첨부하는 도면을 참조하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.
20 : 실습 대상 물체 30 : 실습 대상 물체 인식 형상
100 : AR 장치 200 : VR 장치

Claims (6)

  1. 교수자가 VR 장치를 착용하고 VR 실습 컨텐츠 상에서 실습 시범을 수행하고 이를 로그 정보로 저장하는 단계(S100);
    학습자가 VR 장치를 착용하고 VR 실습 컨텐츠 상에서 실습을 수행하고 이를 로그 정보로 저장하는 단계(S200);
    상기 단계(S100)의 교수자의 실습 시범 로그 정보와 상기 단계(S200)의 학습자의 실습의 로그 정보를 비교하여 기설정된 판정기준에 따라 성공여부를 판정하는 단계(S300);
    상기 단계(S300)에서 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 교수자가 상기 학습자에게 실습 지도를 제공하는 단계(S400);
    상기 단계(S300)에서 도출된 판정 정보를 기반으로 교수자가 학습자의 실습 행위를 평가하는 단계(S500); 및
    상기 단계(S500)에서 도출된 평가 정보가 기준값 이상인 경우, 상기 학습자의 실습에 대한 로그 정보를 이용하여 상기 단계(S300)의 기설정된 판정 기준을 보정하는 단계(S600)를 포함하되,
    상기 로그 정보에는 다수개의 레코드가 포함되며, 상기 레코드는 실습 수행시의 인터랙션에 관한 것으로, 상기 인터랙션에 관한 x축, y축, z축 좌표값을 포함하며,
    상기 판정 기준을 보정하는 단계(S600)에서,
    성공으로 판정되는 레코드의 개수가 제1임계값 이상 증가함에 따라, 제2임계값을 사전에 정의된 기준에 따라 변경하되,
    상기 제2임계값은 확률값으로 사전정의되며, 제1임계값이 증가함에 따라 감소하도록 변경하며,
    성공으로 판정되는 레코드들의 x축, y축, z축 좌표값의 정규분포에서 제2임계값 이내의 범위 영역을 구하여 이를 판정기준으로 설정함으로써 상기 기 설정된 판정기준을 보정하는 것을 특징으로 하는 VR 공학실습 환경에서의 실습 제공 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계(S600)에서 보정된 판정 기준에 따라 상기 학습자 실습 판정 단계(S300)가 수행되고, 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 학습자에게 자동으로 실습 지도를 제공하는 단계(S700)를 더 포함하는 VR 공학실습 환경에서의 실습 제공 방법.
  5. 교수자와 학습자가 착용하고 실습을 수행하는 VR 장치(100);
    상기 교수자가 VR 실습 컨텐츠 상에서 수행한 실습 시범을 로그 정보로 저장하고, 상기 학습자가 VR 실습 컨텐츠 상에서 수행한 실습을 로그 정보로 저장하는 실습처리부(600);
    상기 교수자의 실습 시범 로그 정보와 상기 학습자의 실습 로그 정보를 비교하여, 기설정된 판정기준에 따라 성공여부를 판정하는 실습 판정부(300);
    상기 실습 판정부(300)에 의해 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 교수자가 평가한 상기 학습자의 실습행위의 평가정보가 기준값 이상인 경우, 상기 학습자의 실습의 로그 정보를 이용하여 상기 기설정된 판정 기준을 보정하는 판정기준 보정부(400); 및
    상기 실습 판정부(300)에 의해 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 학습자에게 실습 지도를 제공하는 실습 지도 제공부(500);를 포함하며,
    상기 로그 정보에는 다수개의 레코드가 포함되며, 상기 레코드는 실습 수행시의 인터랙션에 관한 것으로, 상기 인터랙션에 관한 x축, y축, z축 좌표값을 포함하며,
    상기 판정기준 보정부(400)에서는, 성공으로 판정되는 레코드의 개수가 제1임계값 이상 증가함에 따라, 제2임계값을 사전에 정의된 기준에 따라 변경하되,
    상기 제2임계값은 확률값으로 사전정의되며, 제1임계값이 증가함에 따라 감소하도록 변경하며,
    성공으로 판정되는 레코드들의 x축, y축, z축 좌표값의 정규분포에서 제2임계값 이내의 범위 영역을 구하여 이를 판정기준으로 설정함으로써 상기 기 설정된 판정기준을 보정하는 것을 특징으로 하는 VR 공학실습 환경에서의 실습 제공 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실습 지도 제공부(500)는 실습 판정부(300)에 의해 도출된 판정 정보를 기반으로 상기 학습자에게 실습 지도를 자동으로 추천하는 실습 지도 제공부(500)인 것을 특징으로 하는 VR 공학실습 환경에서의 실습 제공 시스템.
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