회분식 증류공정의 웹기반 가상실험 시스템 개발

이경용, 신동일*, 이의수

동국대학교 화학공학과, 서울대학교 자동화시스템연구센터*

Development of interactive virtual laboratory system for batch distillation process in a web environment

Kyung Yong Yi, Dongil Shin*, Euy Soo Lee

Department of chemical engineering, Dongguk University

Automation & Systems Research Institute, Seoul National University*

서론

개인용 컴퓨터와 Internet기술의 발전으로 다양한 형태의 가상대학시스템들이 등장하였으나 공학의 각 분야에 적절한 시스템과 contents가 미흡하여 이의 개발이 중요시 되고 있다.[1] 공학적인 이론을 실제 산업에 응용하기위한 단위공정 실험의 제약 조건[2]들을 극복하기 위해 web상에서 가상실험시스템을 구축함으로서 단위공정의 이해, 기초원리 교육효과 극대화 및 공정에 대한 정확한 개념의 이해를 돕고, 가상현장의 경험을 통하여 실제 현장에서 공정의 정확한 조작과 개선점을 도출할 수 있는 능력을 함양시킬 수 있는 산 교육의 장을 실현하고자 하였다.

본 연구에서는 stand alone system으로 제작되어진 제어 성능시스템과 회분식 증류공정 시스템을[3] VB와 asp를 이용하여 client/server 환경에서 실시간 작동되는 회분식 증류공정의 가상실험 시스템을 개발하였으며 설문을 통하여 그 유용성을 검증하였다.

시스템의 구조 및 구성

본 교육시스템은 실험 전반을 통해 실험자 자신이 □what if"라는 질문을 스스로 던지고 가정을 세워 문제를 체계적으로 해결해나가는 과정을 통해 지식을 얻도록 구성되어 있다. 전체 시스템은 크게 다음의 3가지 module, 즉 Process simulation module, User & network interfaces module 그리고 Tutoring management module로 구성되어진다. 본 연구에서 사용되어진 회분식 증류공정 simulation 모델은 상용 모사기와 비교하여 모델의 강건성을 확인하였으며.[4] 이러한 이론에 기초를 둔 부분과 실제 실험 장치에서 모아진 측정치를 기반으로 본 시스템이 구성된다.

User interface module

VB와 ASP를 기반으로 구축되어 현재 학생들을 대상으로 그 유용성을 검증하고 있는 prototype 시스템은 Fig. 1과 같이 plugin형태로 Web상에서 browser와 보다 면밀히 결합되어 실험 manual 및 기타 module과 연계되어 작동된다. 개발되어진 class library들은 추가되는 다른 공정에도 계속적으로 사용되며 다른 모든 module과 on-line으로 결합되어 통합된 가상실험시스템을 구성하게 된다.

Fig. 1. 실험조건 선택 및 실험결과 display

Network interface module 개발

본 연구에서 구축된 시스템은 server/client networking 방법 가운데 interactive 방식을 사용했다.[1] 즉 client가 web browser를 통해 서버에 접속하게되면 ActiveX component로 구현된 plug-in의 버전을 확인하여 자동으로 설치하고 계산 및 실험결과 display는 각 client에서 수행된다. 또한 각각의 실험 과정 및 내용은 다시 server로 전송되어 실험자가 Tutoring scenario와 다르게 진행할 경우 올바른 실험 진행을 유도한다.

public domain program으로의 개발 및 배포의 용이성과 새로이 개발되는 internet 기술을 수용하기 위해 open architecture를 지향 하며 이를 가능하게하기 위해 널리 사용되는 개발도구인 Visual Basic, C++, Java를 주 개발도구로 사용하였다. 웹 서버 및 data base server는 NT4.0의 PWS와 MS-access의 ODBC(Open DataBase Connectivity)를 사용하여 구축되었다.

Tutoring management module 개발

가상실험을 통해 실제 실험과 같은 목적을 달성할 수 있도록 실험의 진행을 관리하는 모듈로서 Tutoring scenario의 관리 및 수행, 실험 기록의 관리 (tutoring record keeping), 그리고 feedback 또는 interactive tutoring이 이곳에 포함된다. 현 단계에서는 교육적 가치를 가지는 실험 시나리오, user profile의 관리, 실험 기본 정보의 on-line manual화 그리고 사용자의 computer 조작정보에 기초한 student modeling을 위한 정보 기록 부분을 중점적으로 개발하였다.

실험관리 database 및 평가 module 개발

학습능력의 평가는 실험을 비롯한 교육전반에서 중요한 부분으로 지금까지는 보고서, quiz, 필기시험의 방법이 활용되어 왔다. 실험의 실습뿐만 아니라 feedback도 실시간으로 장소와 시간에 구애됨 없이 주어지려면 help와 아울러 Web상에서의 자동문제 출제와 on-line 평가기능이 필요로 되는데 자동 문제출제 및 평가 program이 그 역할을 하게 된다. 선답형의 경우는 문제 출제 및 채점의 용이성으로 인해 많은 예가 보고되어 있으나 아직 단답형이나 주관식 문제의 경우는 사람의 도움을 받아 평가가 이루어지도록 되어 있다. 본 연구에서는 이 방법을 택하고 있으며 그림 2.에서 구축된 문제 형식과 실제 on-line상에서의 test 결과를 보여주고 있다. 실습자의 응답에 따라 난이도를 조절해가며 문제를 그때그때 적절히 선정하여 실험에 대한 이해정도를 adaptive하게 측정하는 것을 본 연구의 최종 목표로 하고 있는데[5] 기본적으로 출제는 미리 만들어진 문제은행형식의 database를 활용하여 개발하였다.

Fig. 2. 사용자 관리, 실험의 소개 그리고 다양한 방식의 test

Intelligent Tutoring Module 개발

단순히 실험을 진행시키는데 만족하지 않고 사용자의 교육적인 효과를 극대화시키 위해 사용자에 적응하는 Intelligent Tutoring Module은 student model을 이용하여 tutoring scenario를 기반으로 adaptive interactive feedback을 제공하며 실험이 끝나면 시험을 통해 지식의 습득 정도도 점검한다. 제공되는 정보의 양이 많아짐에 따라 특히 Web상에서 사용자는 어느 정보를 습득해야 하는지 선택하는데 많은 시간을 허비하게 되는데 사용자 모델을 바탕으로 이해하지 못하고 있는 부분에 대한 이론 공부 및 실습을 중점적으로 제공하게 되는 본 module의 prototype을 개발 중에있다. Intelligent Tutoring Module 개발에 사용되는 사용자 입력 형태는 다음과 같이 분류될 수 있다.

- button clicks

- the sequence of operations

- direct user inputs: 유량 등 실험 조건의 입력 등

- user response time

- information requests

실험 관리 server와 연계된 작동 순서

1. 정해진 실험 web page를 browser에서 열어 사용자 ID와 password를 server에 입력한다.

2. 선택할 수 있는 실험 menu가 나오거나 사용자의 진도에 따라 실험이 자동적으로 선택되어지며 사용자별로 다르게 실험 변수들이 설정된다.(진행중)

3. VRML로 구현된 실험장치가 보이고 사용자는 CosmoPlayer의 UI를 조정하여 장치를 둘러볼 수 있다.(진행중)

4. 실험 관련 정보가 web page로 주어지고 진도에 따른 help message가 화면에 표시된다.

5. 사용자는 실험을 계속하고―측정하거나 변수값을 바꾸어서―장치의 사진이나 동영상 등으로 내부구조에 대한 정보를 얻을 수 있다.(진행중)

7. 실험의 simulation은 animation이나 plot으로 표시된다.

8. 간단한 feedback이 정해진 실험순서를 벗어날 때 주어진다.

9. 실험을 마치면 결과를 server에 입력하고, 때에 따라서는 얻어진 학습효과에 대한 검증을 위한 test후, logout한다. 아울러 사용자는 실험자간의 on-line 토의나 제안사항을 관리자에게 보낼 수 있다.

결론

시스템의 개발단계에서부터 사용자의 feedback을 받아 보다 교육적이고 사용이 편리하며 효과적인 시스템을 구축하기 위해 단위공정실험을 택하고 있는 학생 및 일반 사용자를 대상으로 직접적인 설문조사와 아울러 Web을 통한 설문조사를 실시하였다. 그 결과를 요약하면 실험시간의 절약, 언제 어디서나 실험이 가능한 accessibility, 실제 실험을 대체할 가상실험시스템으로의 발전 가능성에서 매우긍정적인 반응을 보였으며 교육적 효과의 달성도, 실험 비용의 절약, 사용의 편리성 면에도 긍정적인 반응을 보여 가상실험시스템으로서의 활용가능성을 알 수 있다. computer 사용의 편리성을 도모하기 위하여 user model을 기반으로 한 adaptive system들이 개발되고 있는데 student model은 user model의 superset이라고 할 수 있으며 본 연구에서는 overlay model을 기초로 시스템을 개발중에 있다.

감사의 글

본 연구는 학술진흥재단의 대학부설연구소지원과제의 연구비 지원에 의해 이루어졌으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

[1] 곽문규 외 4인, □가상실헌실습실 구현에 관한 연구□, 한국 공학기술학회 공학교육학술대회 Proceedings, 경주, 109 (1998).

[2] 신동일 외 4인, □가상실험실습실 구현에 관한 연구□, 화학공학의 이론과 응용, 4(2), 2321 (1998).

[3] Shin, D., et al., "Web-based interactive virtual laboratory system for unit operations and PSE education", Computers & Chemical Engineering, 24(2-7), 1381 (2000).

[4] 이민호, □회분식 증류공정의 운용전략에 따른 최적 환류비모델 개발□, 공학석사논문, 동국대학교, 1998

[5] 강태인 외 4인, □WWW을 이용한 화학공정 가상실험시스템: Framework 설계 및 구축□, 화학공학의 이론과 응용, 5(1) 441 (1999).