초등학교 물리학 학습을 위한 가상현실 및 핸드트래킹 기반 시뮬레이터 개발
Development of a Virtual Reality and Hand-Tracking-Based Simulator for Elementary School Physics Education
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초록
이 연구는 몰입형 가상현실(VR; Virtual Reality)과 핸드트래킹(HT; Hand Tracking) 기술을 기반으로 초등 물리학실험을 위한 시뮬레이터를 개발하고 적용 가능성을 탐색하는 데 목적이 있다. 이 연구를 통해 개발된 VR-HT 시뮬레이터는 오리엔테이션 시뮬레이션과 초등학교 3~4학년군의 물체의 무게 단원의 6가지 실험 시뮬레이션으로 구성된다. 오리엔테이션 시뮬레이션은 시뮬레이션 실험을 수행하기 위한 기본 기능을 숙지하기 위한 목적이며, 6가지 실험 시뮬레이션은 물리학의 힘과 운동 영역에서의 용수철저울의 원리와 수평잡기 실험을 수행하기 위해 제작되었다. 연구 절차는 시뮬레이터 개발, 효과 검증 도구 개발, 시뮬레이터 적용, 시뮬레이터 효과 검증 단계로 진행되었으며, 특히 시뮬레이터 개발 단계에서는 분석, 설계, 개발, 적용, 평가의 세부 단계로 다시 구분되었다. 개발된VR-HT 시뮬레이터는 초등학교 5학년 학생을 대상으로 개념 이해도 조사와 사용자 평가를 통해 적용 가능성을검증하였다. 가상현실과 핸드트래킹 기술을 기반한 VR-HT 시뮬레이터는 학습자의 용수철저울의 원리와 수평 잡기에 대한 개념 이해를 높였으며, 전통적인 과학 실험과 비교한 사용자 평가에서도 다수의 긍정적인 반응이 나타났다.
Abstract
This study aims to develop a physics experiment simulator for elementary schools based on immersive virtual reality (VR) and hand-tracking (HT) technology and explore its applicability. The proposed VR–HT simulator consists of an orientation simulation and six experimental simulations for the “Weight of Objects” unit in the third and fourth grade elementary curricula. The orientation simulation is intended to familiarize oneself with basic functions in performing simulation experiments, and six experimental simulations that applied the principles of spring balance and leveling experiments in the force and motion domains of physics are created. The research proceeded through the stages of simulator development, effectiveness verification scale development, simulator application, and simulator effectiveness verification. In particular, the simulator development stage was further divided into detailed stages of analysis, design, development, application, and evaluation. The study verified the applicability of the proposed VR–HT simulator by conducting a conceptual understanding survey and user evaluation on fifth-grade elementary school students. The results demonstrated improved learners’ understanding of the principles of spring balance and concepts of leveling, and the simulator received many positive user evaluations compared with conventional scientific experiments.