시각적 사고에 기반한 VR 교육 콘텐츠 개발 = Development of VR education content based on visual thinking
저자
발행사항
전주 : 전북대학교 일반대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(박사)-- 전북대학교 일반대학원 : 디자인제조공학과 2023. 8
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
전북특별자치도
형태사항
xx, 107 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 조동민
UCI식별코드
I804:45011-000000056835
소장기관
This study analyzes and explores the relationship between visual thinking theory and virtual reality, and proposes and develops VR educational content design guidelines based on visual thinking theory. To verify the feasibility of the proposed VR educational content design guidelines in improving students' classroom concentration and memory, and to add real-time data collection functions to VR educational games, a VR geometry memory game was developed and experimentally evaluated. Through eye tracking and decision tree analysis, it was found that the VR educational content design guidelines can improve students' classroom concentration and memory, and make VR educational games a fundamental educational tool.
With the rapid development of artificial intelligence, virtual reality has also been widely influenced. Due to the limitations of hardware development, most applications developed are in the entertainment industry, and the development of VR educational games is relatively slow. Therefore, this study developed and designed VR educational games through theoretical examination and previous research.
First, based on the role of visual thinking theory in VR teaching in theoretical examination, a VR educational content game based on visual thinking theory was developed, and real-time data collection functions were added to the game, fully leveraging the intelligent characteristics of virtual reality to solve the problem of real-time analysis of students' classroom performance in traditional teaching. The design not only improves the user experience and convenience but also enhances the intelligence of virtual reality design, which greatly improves the design efficiency of virtual reality applications. Through the analysis of real-time data in VR teaching, it was found that there is an intrinsic relationship between students' classroom concentration and attention, and VR teaching games have a good learning induction effect, which is conducive to improving students' learning efficiency.
Second, through previous research, virtual reality educational games were sorted and analyzed. It was found that virtual reality educational games have features such as simulating real scenes, strong interactivity, personalized teaching, enhanced learning motivation, high safety, and high expandability. The problems with virtual reality educational games include four hardware issues: insufficient image refresh rate, easy to produce dizziness, large device volume, and difficult to carry; and three game design issues: high game development costs, lack of educational games, and lack of intelligent function in game design. Based on the analysis of the above content, the design and functional expansion requirements of virtual reality educational games were determined: interactive design, visualization design, personalized design, practical design, user experience, evaluation and feedback mechanism, data analysis, and optimization.
Third, through the analysis and summary of previous research, it was found that there is a correlation between visual thinking theory and virtual reality. Therefore, relevant theories were examined, and virtual reality concepts were explained in detail in the examination. The conventional virtual reality devices were compared, and the HTC VIVE Pro2 was selected as the main application tool for this study. At the same time, the key technologies of virtual reality were analyzed and selected, the interaction resources of the game were optimized, the intelligence of the interaction interface was improved, and the deep learning mechanism was added to prepare for later game development.
Fourth, to further verify the feasibility of VR teaching games in improving students' classroom concentration and memory, the VR educational game was evaluated. The experimental results showed that the VR educational game developed based on the VR educational content design guidelines and visual thinking theory can significantly improve students' classroom concentration and memory, which confirms the feasibility of the proposed design guidelines.
本研究对视觉思维理论和虚拟现实的关联进行分析与探讨,提出并制定了基于视觉思维理论的VR教育内容设计指南。为了验证提出的VR教育内容设计指南对提高学生的课堂专注力和记忆力是否具有可行性,并且增加VR教育游戏中实时数据采集的功能,进行了VR几何记忆游戏的开发。游戏开发完成后进行了实验评价,通过眼动追踪和决策树计算得出,VR教育内容设计指南能够提高学生的课堂专注力和记忆力,并且使VR教育游戏成为一项基础的教育工具。
随着人工智能的快速发展,虚拟现实领域也受到了广泛影响。由于硬件开发的限制,所发展的应用多为娱乐领域,而VR教育游戏的发展却较为缓慢。因此,本研究通过理论考察和先行研究进行了VR教育游戏的开发设计。
第一,通过理论考察中视觉思维理论对VR教学的作用,开发了一款基于视觉思维理论的VR教育内容游戏,并且在游戏中增加了实时数据采集的功能,充分发挥虚拟现实所具有的智能化特性,解决传统教学中无法对学生的课堂表现进行实时分析的问题。设计效果不仅提高了用户的体验便利性,而且增强了虚拟现实设计的智能性,充分提高了虚拟现实应用的设计效率。并且通过VR教学中实时数据的分析得出学生的课堂专注力和注意力存在内在联系,VR教学游戏具有良好的学习归纳效果,利于提高学生的学习效率。
第二,通过先行研究,对目前的虚拟现实教育游戏进行整理与分析。分析得出虚拟现实教育游戏具有模拟真实场景;互动性强;个性化教学;增强学习动力;安全性高;可扩展性高的特征。整理得出虚拟现实教育游戏目前存在的问题,硬件方面:图像刷新率不足,容易产生眩晕感;设备体积大,不易携带;游戏使用空间受到限制;设备费用高四个问题。游戏设计方面:游戏开发方面成本高;游戏种类单一,缺少教育类游戏;游戏设计中缺少智能性功能三个问题。根据以上内容的分析得出虚拟现实教育游戏的设计与功能拓展要求:交互性设计;可视化设计;个性化设计;实践性设计;用户体验;评估和反馈机制;数据分析和优化。
第三,通过先行研究的分析与总结,发现视觉思维理论和虚拟现实具有关联性。因此,对相关的理论进行考察。在考察中对虚拟现实的概念进行了详细的解释说明,对常规使用的虚拟虚拟现实设备进行了对比,由此选定HTC VIVE Pro2作为本次研究的主要应用工具。同时,对虚拟现实的关键技术进行分析与选择,优化游戏的交互资源,提高交互界面的智能功能,增加深度学习机制,并且为后面的游戏开发做好准备。
第四,为了进一步验证VR教学游戏能够提高学生的课堂专注力以及记忆力的可行性,对VR教育游戏进行了游戏实验调查。通过对游戏体验进行试验评估,分析游戏的功能性和可行性,提出VR游戏应用于教学的新概念,确立以视觉思维为理论核心的教学方案,为以后的教学研究提供了系统化和功能化的课件指南。同时,本研究对VR教育内容进行分段性开发,系统化展示教育内容。游戏设计提供更高质量的图形和动画,使VR场景的帧速率提高到每秒60帧以上,并将分辨率设定为1080p。将游戏场景设定在小型的空间内,缩小场景范围,减少用户需要移动头部的视频率,并且在VR内容中设定游戏时间,为用户提供适当的使用时间,以此来减少对VR眩晕感的感知程度。
본 연구는 시각적 사고 이론과 가상현실 간의 관계를 분석하여 논의하고 시각 사고 이론에 기반으로 한 가상현실 교육 내용 디자인 가이드를 제안하여 제정하였다. 제안된 가상현실 교육 내용 디자인 가이드가 학생들의 수업 집중력과 기억력 향상에 대하여 실현 가능한지 검증하고 가상현실 교육 게임에서 실시간 데이터 수집기능을 추가하기 위하여 Virtual Reality Geometry Memory Game을 개발하는 것으로 진행했다. 게임개발이 완료된 후 아이트래킹 및 의사결정 트리 계산을 통해 실험 평가를 실시하였고, 가상현실 교육 콘텐츠 디자인 가이드가 학생들의 수업 집중도와 기억력을 향상시키며, 가상현실 교육 게임이 교육의 기초적인 도구로 사용될 수 있음을 입증하였다.
인공지능의 급속한 발전과 함께하여 가상현실 분야도 광범위한 영향을 받고 있다. 하드웨어 개발의 한계로 인하여 개발된 응용 분야는 대부분에 엔터테인먼트 분야인데 반면에 가상현실 교육 게임의 개발은 상대적으로 느리다. 그럼으로, 본 연구는 이론적 고찰과 기존 연구를 토대로 가상현실 교육 게임의 개발 디자인을 수행하였다.
첫째, 이론을 통하여 가상현실 교육에 대한 시각적 사고 이론의 역할을 조사하고 시각적 사고 이론에 기반으로 한 가상현실 교육 내용 게임을 개발했으며, 게임에다가 실시간 데이터 수집 기능을 추가하여 가상현실의 지능적 특성을 최대한 활용하여 전통적인 교육에서 학생들의 수업 성과를 실시간으로 분석할 수 없는 문제를 해결했다. 디자인 효과는 사용자의 경험 편의성을 향상시킬 뿐만 아니라 가상현실 디자인의 지능성을 향상시키고 가상현실 응용의 디자인 효율성을 충분히 향상시켰다. 그리고 가상현실 수업의 실시간 데이터 분석을 통하여 학생들의 수업 집중력과 주의력 사이에는 내재적인 관계가 있다는 것을 알 수 있으며, 가상현실 수업 게임은 학습 요약 효과가 우수하여 학생들의 학습 효율성을 향상시키는데 도움이 된다.
둘째, 선행 연구를 통해, 현재 가상현실 교육 게임을 정리하고 분석하였다. 분석 결과, 가상현실 교육 게임은 현실적인 상황 모사, 강한 상호 작용, 맞춤형 교육, 학습 동기 부여, 높은 안전성 및 확장성의 특징을 가지고 있음을 확인하였다. 현재 가상현실 교육 게임의 문제점을 정리하면 하드웨어 측면으로는 이미지 리프레시율(Refresh rate) 이 부족하고 어지럼증이 발생하기 쉬우며, 장비의 크기가 크고 휴대가 쉽지 않으며, 게임사용 공간의 제약하며, 장비 비용이 많이 든다는 4가지 문제가 있다. 게임 디자인은 게임 개발 비용이 많이 들고 게임 유형이 단일하고 교육 게임이 부족하며, 게임 디자인에 지능 기능이 부족하다는 세 가지 문제가 있다. 이 분석 결과를 바탕으로 가상현실 교육 게임의 디자인 및 기능 확장 요구사항을 도출하였다: 상호작용 디자인, 시각화 디자인, 개인화 디자인, 실습 디자인, 사용자 경험, 평가 및 피드백 메커니즘, 데이터 분석 및 최적화이다.
셋째, 선행 연구의 분석과 요약을 통하여 시각적 사고 이론과 가상현실이 관련이 있다는 것으로 발견했다. 따라서 관련 이론에 대하여 조사를 진행했다. 조사에서는 가상현실의 개념에 대하여 자세히 설명을 하고 기존의 가상현실 장비를 비교하여 HTC VIVE Pro2를 본 연구의 주요 응용 도구로 선정하였다. 동시에 가상현실의 핵심 기술에 대하여 분석하여 선택하고 게임의 상호 작용 자원을 최적화하며, 상호 작용 인터페이스의 지능 기능을 개선하고 딥 러닝 메커니즘을 추가하며, 후속 게임 개발을 위하여 준비한다.
넷째, 가상현실 교육 게임이 학생들의 수업 집중력과 기억력을 향상시킬 수 있는지 더욱 검증하기 위해, 가상현실 교육 게임에 대한 게임 실험 조사를 실시하였다. 게임 체험을 통한 실험 평가를 통해 게임의 기능과 가능성을 분석하고, 가상현실 게임을 교육에 적용하기 위한 새로운 개념을 제시하며, 시각적 사고를 중심으로 한 교육 방안을 확립하여 체계적이고 기능적인 강의 가이드라인을 제공하였다. 동시에, 본 연구는 가상현실 교육 콘텐츠를 개발하여 교육 내용을 체계적으로 제시하였다. 게임 디자인에서는 더 높은 품질의 그래픽과 애니메이션을 제공하여 가상현실 씬(Scene)의 프레임 속도를 초당 60프레임 이상으로 높이고, 해상도를 1080p로 설정하였다. 게임 장면을 작은 공간으로 설정하여 장면 범위를 줄이고 사용자가 머리를 움직일 필요성을 줄이며, VR 콘텐츠에서 게임 시간을 설정하여 적절한 사용 시간을 제공하여 VR 멀미증 감지 정도를 줄이도록 하였다.
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