KR20200016053A - 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 소프트웨어와 융합하여 화학실험용 장치수단의 실험설계가 가능하도록 하여 적극적인 참여가 가능한 화학실험 장치와 컨텐츠를 제공할 수 있는 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템에 관한 것이다.

Description

소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템 {Software fusion experiment design-based active experiment system}

본 발명은 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 화학실험용 장치수단을 통한 교육의 한계점을 해소하기 위하여 소프트웨어와 융합하여 화학실험용 장치수단의 실험설계가 가능하도록 하여 적극적인 참여가 가능한 화학실험 장치와 컨텐츠를 제공할 수 있는 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템에 관한 것이다.

2015년 개정 교육과정에서는 제4차 산업혁명 시대에 요구되는 창의 융합형 인재 양성을 위해 SW 교육을 강조하고 있다. 이를 위해 놀이와 체험위주로 교육할 것을 권고하고, 학교에서는 실생활 문제 해결력과 논리력 향상을 위해 교육과정에 다양한 SW 교육을 적용하는 시도를 하고 있다.

그렇지만, 실제 SW 교육은 교육과정과 연계되지 않은 내용으로 구성되고 있어, SW 교육이 본래의 목적을 잃지 않고 SW 교육 활용 범위의 한계를 극복하면서도 교육과정에 적용될 수 있는 교육방법의 변화가 필요한 실정이다.

특히, 교사는 교실수업 개선을 통해 학생들이 능동적으로 수업에 참여할 수 있도록 잠재력을 이끌어내야 하며, 수업도 토론, 탐구 등 학생참여중심의 교수 방법으로의 변화가 필요하다.

하지만, 실제 수업은 학년이 올라갈수록 이론 위주의 수업으로 집행되어 학습자(학생)의 과학적 탐구력과 사고력 증진을 저해하고 있으며, 이런 문제의 근본적인 배경으로는 화학실험 시, 시약과 초자류 등의 위험성과 실험준비 및 실습시간 부족 등이 있다.

이를 위해, 실제 학교 현장에서는 다양한 방법이 적용되고 있으나 데이터 처리 중심 실험에 불과하여, 학습자의 창의적인 실험 진행에 큰 제약이 따르게 된다.

이와 관련해서, 국내 공개 특허 제10-2017-0046353호("아두이노를 이용한 과학 실험 시스템")에서는 센서의 출력 전압값을 측정하는 차동 전위 측정 회로를 포함하는 아두이노를 이용한 과학 실험 시스템을 개시하고 있다.

국내공개특허공보 제10-2017-0046353호(공개일 2017.05.02.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 소프트웨어와 융합하여 화학실험용 장치수단의 실험설계가 가능하도록 하여 적극적인 참여가 가능한 화학실험 장치와 컨텐츠를 제공할 수 있는 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템은, 화학실험용 장치수단(10), 기저장된 실험설계 소프트웨어를 이용하여 기설정된 변수들의 입력을 요청하고, 입력된 변수값을 적용하여 상기 화학실험용 장치수단(10)으로 원하는 실험설계 정보를 전달하는 중앙처리부(100), 다수의 이종 센서들을 포함하며, 상기 화학실험용 장치수단(10)에 구비되어 상기 실험설계 정보를 적용하여 진행되는 실험에 따른 측정정보를 상기 중앙처리부(100)로 전송하는 센서부(200) 및 상기 중앙처리부(100)의 제어에 따라, 실험설계를 위한 변수들을 입력하는 외부입력수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 중앙처리부(100)는 상기 측정정보를 전달받아 기설정된 실험결과 산출양식에 맞추어 상기 측정정보를 분석한 실험결과 산출정보를 상기 외부입력수단(300)으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 외부입력수단(300)은 상기 실험결과 산출정보를 이용하여 추가제어명령을 입력하며, 상기 중앙처리부(100)는 상기 추가제어명령에 따라 상기 화학실험용 장치수단(10)의 상기 실험설계 정보를 변경 제어하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 외부입력수단(300)은 상기 실험결과 산출정보를 출력하는 출력부(310)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 중앙처리부(100)는 상기 화학실험용 장치수단(10) 별로, 상기 실험설계 정보와 측정정보 및 실험결과 산출정보를 데이터베이스화하여 저장 및 관리하는 데이터베이스부(110)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템은 소프트웨어 교육(SW 교육)과 마이크로 컴퓨터의 장점을 융합하고자 교과서 속 실험 및 주제중심 프로젝트 수업에 적용 가능한 확장형 기기를 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 학습자(학생) 중신 수업 시, 추가/수정/복제가 가능한 모듀형 실험장치 구성이 가능하여 소프트웨어 기반 창의적인 융합 실험 설계를 수행할 수 있도록 제공할 수 있는 장점이 있다.

이를 위해, 화학실험환경에 적합한 SW 융합형 실험교구 및 컨텐츠를 개발하고 실험의 안정성을 확보하여 학습자(학생) 능동적 실험설계가 가능한 신개념 화학실험장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템의 외부입력수단(300)에 의해 실험설계를 위한 변수들의 입력을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템의 외부입력수단(300)에서 출력되는 실험결과 산출정보를 나타낸 예시도이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.

2015 개정 교육과정에서는 SW 교육을 필수화하였다. SW 교육이란, 자료를 수집, 분석하고 문제의 효율적 해결을 통해 지식을 창조하는 컴퓨팅 사고력 교육으로, 궁극적으로 실생활에 문제 해겨을 위한 논리적 사고력을 키우며, 문제해결 과정을 통해 스스로 창의적인 생각을 하도록 하는 것을 의미한다.

이러한 SW 교육은 컴퓨팅 사고력을 지닌 창의융합 인재를 육성하기 위해 체험중심 활동으로 구성되었고 교육목표로는 SW의 실생활 속 활용과 관련된 내용을 배우고, SW에 대한 긍정적인 태도와 의식을 갖추는 것, 그리고 기본적인 컴퓨팅 사고력 배양을 위해 기본 알고리즘 및 프로그래밍을 체험하는 것을 목표로 한다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템은 현장에서 사용되고 있는 마이크로 컴퓨터 기반 실험장치의 한계점을 분석하여 실제 화학교육과 연계한 소프트웨어 융합 장치의 적용 가능성을 확인하고, 교육과정 분석을 통해 소프트웨어와 융합하여 실험설계가 가능한 교과서 속 실험장치를 개발하여, 교과서 속 실험 및 주제중심 프로젝트 학습에 적용하고 교육적 효과를 높이고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 화학실험용 장치수단(10), 중앙처리부(100), 센서부(200) 및 외부입력수단(300)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 구성들의 일체화를 통해 소프트웨어를 활용하여 화학실험을 진행하고, 학습자(학생)에게 교과서와 연계한 학습정보 제공과 데이터 처리를 할 수 있는 능동형 실험기기(시스템)를 제공할 수 있다.

각 구성에 대해서 자세히 알아보자면,

상기 화학실험용 장치수단(10)은 소프트웨어(SW, Software) 융합 실험설계가 가능한 실험기구로서, 3D 프린터기를 활용하여 각각의 모듈을 제작한 후, 하나의 장치(화학실험용 장치수단)로 재조합하는 것이 바람직하다. 이러한 과정에서, 사용자(학습자, 학생 등)가 상기 화학실험용 장치수단(10)을 제작/변경/복제를 수행할 수 있으며, 상기 중앙처리부(100), 외부입력수단(300)에 의한 소프트웨어를 사용하여 실험제어까지 이루어질 수 있다.

상기 화학실험용 장치수단(10)으로 시약공급장치를 적용할 경우, 화학실험에 사용되는 시약의 정량을 주입하기 위하여 필요한 모듈로서, 간단한 부품 교체로 시약 및 용량 변경이 가능하도록 모델링 프로그램을 통해 설계 후, 3D 프린터기를 출력하여 제작되는 것이 바람직하다. 더불어, 사용자가 실험 목적과 특성에 맞게 구성할 수 있도록 다양한 주입기들을 추가 설계하여 제작할 수도 있다.

이러한 상기 화학실험용 장치수단(10)은 어느 하나의 화학실험용 장치로 한정하는 것이 아니라, 3D 프린터기를 통해서 제작할 수 있는 모든 종류의 화학실험용 장치를 의미하며, 상기 중앙처리부(100), 외부입력수단(300)에 의한 소프트웨어의 실험설계를 통해서 실험제어가 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 중앙처리부(100)는 마이크로컴퓨터를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 미리 저장된 실험설계 소프트웨어를 이용하여 미리 설정된 변수들의 입력을 사용자(학습자, 학생 등)에게 요청할 수 있다.

이 후, 입력된 변수값들을 적용하여 상기 화학실험용 장치수단(10)으로 원하는 실험설계 정보를 전달하여 실험제어가 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 중앙처리부(100)는 이러한 동작의 수행을 위해, 상기 화학실험용 장치수단(10)과 유선 또는 무선으로 네트워크 연결되는 것이 바람직하며, 상기 외부입력수단(300)과 역시 유선 또는 무선으로 네트워크 연결되어 상기 변수들의 입력을 요청하거나, 입력된 변수값들을 전달받을 수 있다.

이 때, 상기 외부입력수단(300)은 구성되는 형태에 따라, 상기 중앙처리부(100)에 포함된 입력수단/출력수단으로 이루어지거나, 유선 또는 무선의 네트워크로 연결되는 외부입력수단일 수 있어, 다양한 실시예에 적용될 수 있다.

이러한 상기 외부입력수단(300)은 상기 중앙처리부(100)의 제어에 따라, 실험설계를 위한 변수들을 입력할 수 있다.

상세하게는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 중앙처리부(100)로부터 미리 저장된 실험설계 소프트웨어를 이용하여 미리 설정된 변수들의 입력이 요청될 경우, 상기 외부입력수단(300)에서 이에 응답하여 미리 설정된 변수들을 입력할 수 있다.

상기 중앙처리부(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 외부입력수단(300)을 통해서 입력된 변수값들을 적용하여, 상기 화학실험용 장치수단(10)의 실험을 위한 실험설계 정보를 생성하여 상기 화학실험용 장치수단(10)으로 전달할 수 있다.

상기 센서부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 화학실험용 장치수단(10)에 구비되는 것이 바람직하며, 다수의 이종 센서들을 포함하는 것이 바람직하다.

일 예를 들자면, 온도센서, pH 측정센서, UV센서, 용량센서 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 화학실험용 장치수단(10)을 통해 진행되는 화학실험을 통해서 센싱해야 할 다양한 정보들을 모두 획득할 수 있도록 다양하게 구비하는 것이 바람직하다.

상기 센서부(200)는 상기 화학실험용 장치수단(10)에서 상기 실험설계 정보를 적용하여 진행되는 화학실험에 따른 측정정보를 상기 중앙처리부(100)로 전송하는 것이 바람직하다.

상기 중앙처리부(100)는 상기 센서부(200)로부터 상기 화학실험용 장치수단(10)에서 상기 실험설계 정보를 적용하여 진행되는 화학실험에 따른 측정정보를 전달받아, 미리 설정된 실험결과 산출양식에 맞추어 상기 측정정보를 분석하여 실험결과 산출정보를 생성하는 것이 바람직하다.

상기 중앙처리부(100)는 생성한 상기 실험결과 산출정보를 상기 외부입력수단(300)으로 전달하는 것이 바람직하며, 상기 외부입력수단(300)은 도 1에 도시된 바와 같이, 출력부(310)를 포함하여, 상기 출력부(310)를 통해서 상기 실험결과 산출정보를 출력하는 것이 바람직하다.

이 때, 도 5는 상기 외부입력수단(300)의 출력부(310)를 통해서 출력되는, 상기 실험결과 산출정보의 예시도이다.

상기 외부입력수단(300)은 전달받은 상기 실험결과 산출정보를 이용하여, 추가제어명령을 입력할 수 있다.

즉, 다시 말하자면, 상기 외부입력수단(300)을 통해서, 사용자(학습자, 학생 등)가 최초 원하는 실험목표에 맞추어 실험설계를 위한 변수들을 입력하고, 이에 따른 실험설계 정보를 적용하여 진행되는 화학실험에 따른 측정정보를 분석한 상기 실험결과 산출정보를 전달받아, 원하는 실험목표에 맞는 결과가 나왔는지 확인할 수 있다.

이 때, 다른 실험결과를 원하거나 원하는 실험목표에 맞지 않는 결과가 나올 경우, 상기 추가제어명령을 입력하여 상기 중앙처리부(100)에서 상기 추가제어명령에 따라 상기 화학실험용 장치수단(10)의 상기 실험설계 정보를 새롭게 변경 제어할 수 있다.

이를 통해서, 새롭게 변경 제어된 상기 실험설계 정보를 적용하여 진행되는 화학실험에 따른 측정정보를 분석한 상기 실험결과 산출정보를 전달받아, 원하는 실험목표에 맞는 결과가 나왔는지 확인할 수 있다.

더불어, 상기 중앙처리부(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 데이터베이스부(110)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 데이터베이스부(110)는 상기 화학실험용 장치수단(10)별로, 상기 실험설계 정보와 측정정보 및 실험결과 산출정보를 데이터베이스화하여 저장 및 관리할 수 있다.

상세하게는, 상기 중앙처리부(100)는 연결되어 있는 상기 화학실험용 장치수단(10) 별로, 상기 실험설계 정보,(상기 추가제어명령에 따라 새롭게 변경 제어된 상기 실험설계 정보 포함) 상기 실험설계 정보를 적용하여 진행되는 화학실험에 따른 상기 측정정보, 이를 분석한 상기 실험결과 산출정보를 저장 및 관리하여, 사용자(학습자, 학생 등)가 원할 경우, 언제든지 상기 외부입력수단(300)으로 전달할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템은, 상기 화학실험용 장치수단(10)으로 용액의 특성(희석, 혼합)의 이해를 돕는 화학실험 장치일 경우, 상기 중앙처리부(100)는 미리 저장된 실험설계 소프트웨어를 이용하여 미리 설정된 변수들의 입력을 요청하게 된다.

상술한 바와 같이, 용액의 특성의 이해를 돕는 화학실험 장치일 경우, 미리 저장된 실험설계 소프트웨어를 이용하여 미리 설정된 변수로는 '교반기 설치하기, 비이커 설치하기, 교반자석 넣기, pH 센서 설치하기, 주입기 설치하기, A용액 넣기, B용액 떨어뜨리기, 교반하기, pH 측정하기, 그래프 그리기, 비교하기'가 미리 설정되어 상기 외부입력수단(300)으로 전달되어 도 4에 도시된 바와 같이, 변수값을 입력받을 수 있다.

이 후, 소프트웨어를 실행시켜 입력된 변수값에 따른 실험설계 정보를 산출할 수 있으며, 이를 상기 화학실험용 장치수단(10)에 적용시켜 진행되는 화학실험에 따른 측정정보를 분석한 상기 실험결과 산출정보를 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 외부입력수단(300)에 전달받을 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템을 통해서, 교육과정 분석을 통해 소프트웨어 융합 실험설계가 가능하게 실험장치 시스템을 구성하여 기존 실험장치의 한계점을 보완할 수 있으며, 학습자의 참여를 높일 수 있는 특징이 있다.

또한, 학습자가 주어진 학습목표에 맞추어 자기 주도적 학습을 수행할 수 있으며, 수업의 흥미를 증대시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 화학실험용 장치수단
100 : 중앙처리부 110 : 데이터베이스부
200 : 센서부
300 : 외부입력수단 310 : 출력부

Claims (5)

1. 화학실험용 장치수단(10);
   기저장된 실험설계 소프트웨어를 이용하여 기설정된 변수들의 입력을 요청하고, 입력된 변수값을 적용하여 상기 화학실험용 장치수단(10)으로 원하는 실험설계 정보를 전달하는 중앙처리부(100);
   다수의 이종 센서들을 포함하며, 상기 화학실험용 장치수단(10)에 구비되어 상기 실험설계 정보를 적용하여 진행되는 실험에 따른 측정정보를 상기 중앙처리부(100)로 전송하는 센서부(200); 및
   상기 중앙처리부(100)의 제어에 따라, 실험설계를 위한 변수들을 입력하는 외부입력수단(300);
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 중앙처리부(100)는
   상기 측정정보를 전달받아 기설정된 실험결과 산출양식에 맞추어 상기 측정정보를 분석한 실험결과 산출정보를 상기 외부입력수단(300)으로 전달하는 것을 특징으로 하는 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 외부입력수단(300)은 상기 실험결과 산출정보를 이용하여 추가제어명령을 입력하며,
   상기 중앙처리부(100)는 상기 추가제어명령에 따라 상기 화학실험용 장치수단(10)의 상기 실험설계 정보를 변경 제어하는 것을 특징으로 하는 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 외부입력수단(300)은
   상기 실험결과 산출정보를 출력하는 출력부(310);
   를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 중앙처리부(100)는
   상기 화학실험용 장치수단(10) 별로, 상기 실험설계 정보와 측정정보 및 실험결과 산출정보를 데이터베이스화하여 저장 및 관리하는 데이터베이스부(110);
   를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소프트웨어 융합 실험 설계를 기반한 능동형 실험 시스템.

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