안세준 학생 서울대현초등학교 6학년
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온라인 수업의 단점을 보완할 프로그램
2020년 2월부터 시작된 코로나19의 영향으로 시작된 온라인 수업은 아직도 현재 진행형이다. 온라인과 오프라인을 병행하는 블렌디드 러닝(blended learning)이 당연해지면서 수업의 형태도 다양해졌다. 줌, 마이크로소프트 팀즈, 스카이프 등의 실시간 온라인 형태와 EBS 온라인 클래스, e-학스터 등의 플랫폼을 활용한 콘텐츠 수업 등 두 가지 수업 방식이 일반적이다.
“아무래도 온라인으로 수업을 듣다보면 실시간 수업 중은 물론이고 동영상 시청 수업 중에는 집중력이 떨어지게 되요. 흐트러지는 집중도를 분석하고 개선할 수 있는 방법을 찾아보고 싶다는 호기심에서 탐구를 시작하게 되었어요.” 차분하고 수줍던 초등학생의 첫 인상이 탐구과제에 대한 설명이 시작되는 순간 열정적인 연구자의 모습으로 바뀌었다.
제67회 전국과학전람회 산업 및 에너지
분야에서 장려상을 수상한 ‘머신러닝을 활용한 온라인 수업 집중도 판정 알고리즘의 설계에 관한 연구’는 온라인 수업의 단점을 보완해 줄 프로그램으로 극찬을 받았다.
집중력 체크 판정 알고리즘의 설계
“디지털 이미지에서 정보를 자동으로 추출하는 컴퓨터 비전 머신러닝 기반 소프트웨어를 통해 시각 정보를 인공지능적으로 처리하는 기법을 활용해 온라인 수업 집중도 분석의 가능성을 찾아보았어요. 4가지 프로그램을 연구했는데 그 중 Yolo와 PoseNet으로 판정 알고리즘을 설계하고, 정확성을 검증해 사용가능성을 제시하려고 했어요.”
온라인 수업에서 가장 흔하게 활용되고 있는 콘텐츠형 수업은 학생들이 시간적 제약 없이 언제라도 학습할 수 있다는 장점이 있지만 실시간 수업 관리가 되지 않아 집중력이 떨어지기 쉽다. 쌍방향 수업 역시 마찬가지이다. 실제로 일부 학생들이 모니터에 수업물을 띄워놓고 게임을 하고나 다른 활동을 하는 경우가 많았고 온라인 학습의 학습감독권의 기능을 부여하기 위해 얼굴 영상을 이용한 학습자 집중도 분석 시스템을 구현하고자 하는 등의 노력이 계속되고 있다.
안세준 학생은 python과 Dlib 등을 이용해 표정의 변화와 눈동자의 변화를 인식하여 집중력을 체크하고 Yolo(You Only Look Once) 기반 객체 인식을 통해 핸드폰 사용의 감지를 측정했으며 마지막으로 Posenet을 활용하여 자세 변화를 인식함으로써 집중력을 체크했다.
“친한 친구들은 물론 수업시간에 다른 행동들을 하는 친구들에게도 참여해달라고 부탁을 했어요. 그런 걸 왜 하냐고 하면서도 기꺼이 참여해준 친구들 덕택에 탐구 결과를 얻을 수 있었어요.”
목표를 향한 자기주도적 학습
표정 변화의 분석, 눈동자 인식, 핸드폰 물체 인식을 통해서 수업의 집중도를 파악하고자 사람이 등장하지 않는 사진 100장, 사람만 등장하는 사진 100장, 핸드폰을 들고 있는 사람이 등장하는 사진 100장의 총 300장의 이미지에 대한 실험 결과 90% 이상의 높은 판정 정확도를 보였다. 다만 기존 PoseNet 모델과 neural network를 결합시켜 자세 변화 분석을 통해 수업의 집중도를 파악하는 실험은 80% 정도의 판단 정확도를 보여 아쉬움을 남겼다.
“연구에 활용한 기존 플랫폼 기반 머신 러닝 프로그램들은 모두 집중력 분석에 도움을 줄 수 있어요. 학습 현장에서 사용한다면 비대면 수업에서도 학생들이 집중을 하고 있는지 모니터할 수 있어서 화면으로 만나는 학생들의 상황을 판단하는데 도움이 되겠지요? 학생들에게도 자신도 모르게 집중력이 흐트러지는 순간을 알려주는 알람의 역할도 해줄 테고요.”
유치원을 다니던 때 배우던 생활 속 과학이야기에서부터 출발한 과학에 대한 관심과 열정은 꾸준하게 성장하고 있다. 특히 화학·생물 전문가라는 뚜렷한 목표를 가진 이후로는 과학영재교욱원 초등과학 심화과정 이수, 국제바이오의과학경연대회 참가 등 끊임없는 노력과 열정으로 도전에 박차를 가하고 있다.
“과학에 대한 이해도가 높은 것은 물론이고 관심과 애정도 상당합니다. 짧지 않은 연구 기간 동안 지치지 않고 문제를 해결해나가는 모습은 교사인 제가 봐도 멋진 친구에요. 잘 짜인 스케줄에 따라 수동적으로 움직이기보다는 자기 주도 학습을 할 줄 아는 능동적인 학생이고요. 올해에는 ‘미생물 연료 전지 효율을 높이기 위한 방법’을 주제로 과학전람회에 다시 한 번 참가 중이기도 합니다.”
조수연 지도교사의 말처럼 문제 해결을 위해 필요한 정보 역시 스스로 터득하는 편이다. 연구 도중 난관을 만났을 때는 “며칠 쉬고 나면 다시 새로운 아이디어가 떠오른다”고 말하는 안세준 학생의 눈빛에서 지치지 않는 열정이 반짝인다.