A Study on Metaverse Framework Design for Education and Training of Hydrogen Fuel Cell Engineers

수소 연료전지 엔지니어 양성을 위한 메타버스 교육훈련 플랫폼에 관한 연구

Abstract

The importance of hydrogen fuel cells continues to be emphasized, and there is a growing demand for education and training in this field. Among various educational environments, metaverse education is opening a new era of change in the global education industry, especially to adapt to remote learning. The most significant change that the metaverse has brought to education is the shift from one-way, instructor-centered, and static teaching approaches to multi-directional and dynamic ones. It is expected that the metaverse can be effectively utilized in hydrogen fuel cell engineer education, not only enhancing the effectiveness of education by enabling learning and training anytime, anywhere but also reducing costs associated with engineering education.In this research, inspired by these ideas, we are designing a fuel cell education platform. We have created a platform that combines theoretical and practical training using the metaverse. Key aspects of this research include the development of educational training content to increase learner engagement, the configuration of user interfaces for improved usability, the creation of environments for interacting with objects in the virtual world, and support for convergence services in the form of digital twins.

수소연료전지의 중요성은 계속 강조되며, 이 분야에서의 교육 및 훈련 수요가 증가하고 있다. 다양한 교육 환경 중에서 메타버스 교육은 특히 원격 학습에 대응하기 위해 글로벌 교육산업에서 새로운 변화의 시대를 열고 있다. 메타버스가 교육에 가져온 가장 중요한 변화는 단방향, 강사 중심 및 정적인 가르침 접근에서 다방향 및 동적인 접근으로의 전환이다. 메타버스는 수소 연료전지 엔지니어 교육에서도 효과적으로 활용될 것으로 예상되며, 교육과 훈련이 언제 어디서나 가능하게 함으로써 교육의 효과를 향상시킬 뿐만 아니라 엔지니어링 교육에 관련된 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 이러한 아이디어에 영감을 받아 연료 전지 교육 플랫폼을 설계하고 있다. 메타버스를 활용하여 이론 학습 및 훈련을 결합한 플랫폼을 만들었다. 본 연구에서는 학습 참여자의 참여도를 높이기 위한 교육 훈련 콘텐츠 개발, 사용성 향상을 위한 사용자 인터페이스 구성, 가상 세계에서 물체와 상호 작용하는 환경 생성, 디지털 트윈 형태의 수렴 서비스 지원 등의 주요 요소를 개발했다.

Ⅰ. 서론

최근 몇 년 동안 메타버스는 디지털 기술과 가상 현실의 궁극적인 융합을 대표하는 개념으로 극찬을 받고 있으며, 사람들에게 전례 없는 디지털 경험과 상호 작용을 제공한다[1]. 이 새로운 도메인은 오락, 사회적 상호 작용, 교육일 뿐만 아니라 디지털 세계에 대한 사람들의 인식을 깊이 바꾼다. 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR)과 같은 기술을 융합하여 실제 세계와 병렬로 존재하는 것처럼 보이는 디지털 세계를 만들어내는 디지털 가상 영역이다[2] [3].

사용자는 가상 캐릭터, 화면 및 물체를 만들고 이 가상 세계 내에서 상호 작용할 수 있으며 사용자 상호 작용과 참여를 강조한다[4]. 메타버스는 시각, 청각, 촉각까지 포함한 다양한 감각 경험을 제공한다. 이러한 경험은 현실 세계를 포괄적으로 시뮬레이션을 하여 사용자가 가상 환경에 깊이 몰입할 수 있게 한다[5].

한국에너지기술평가기획원(KETEP)을 중심으로 수소 연료전지를 포함한 다양한 에너지 인력 개발 프로젝트가 진행되었다. 이러한 노력은 에너지 분야의 전문가 교육 프레임워크를 형성하는 데 중요한 역할을 해왔다. 그러나 전통적인 공학 교육 방법은 특별한 장비와 설비가 필요한 실험 및 실습 교육으로 인한 고비용 구조라는 본질적인 한계를 갖는다.

이러한 실질적인 어려움을 완화하거나 해결하기 위한 방법으로 메타버스 기반 교육 및 훈련이 하나의 해결책이 될 수 있다. 본 연구에서 제안한 학습 전략은 한국 산업통상자원부 주도의 수소 에너지 산업 고급 인력 양성 사업의 교차 교육훈련에 관한 노력의 일부이다.

그림 1에서 이론 교육(theoretical education)은 수소 연료전지 엔지니어 교육의 초기 부분으로, 학생들은 수소 연료전지의 기본 원리, 작동 메커니즘, 및 관련 기술에 대한 심층 교육을 받게 된다.

그림 1. 교육 과정

Fig. 1. Education Process

이론 교육 이후, 학생들은 두 번의 현장 인턴십을 통해 실제 응용 경험을 쌓을 수 있다. 이러한 인턴십은 공학 실무에서 직접 참여하고 프로젝트 개발과 시험을 시행하며 최신 동향 및 수요 정보를 파악하는 기회를 제공한다. 고급 실무 경험은 수소 연료전지 엔지니어 교육의 중요한 부분으로, 학생들은 실무 경험을 통해 문제 해결 및 팀워크 능력을 향상할 수 있을 것으로 기대한다.

Ⅱ. 이론적 배경

1. 교육 프레임워크

본 연구의 메타버스 프레임워크는 Unity 3D 기술을 활용한다. 교육의 기본적인 프레임워크는 그림 2에 나타난 대로 이론 교육과 실무교육 등의 두 가지 구성 요소로 이루어져 있다.

그림 2. 교육 과정

Fig. 2. Training Framework Summary

본 연구는 수소 연료전지 분야를 공부 중인 대학원생들이 사용자로 참여하고 있다. 참가 학생들은 가상현실 교육 플랫폼을 활용하여 공학 인재의 교육 훈련에 필요한 고비용의 교육경비를 줄이고 있으며, 실습실에서의 대면 교육으로만 가능했던 교육이 한계를 벗어나서 비대면으로도 가능하다는 것을 경험하고 있다. 현실 세계와 가상 세계가 얽힌 환경에서 가상 콘텐츠를 몰입형 기술과 통합하는 목표로 연구개발 노력이 기울여지고 있다.

2. 시스템 설계 흐름도

연구에서 연료전지 교육은 다양한 학습 기회와 광범위한 교육 참여를 제공하기 위해 대면 및 원격교육 방식을 결합하는 혼합 접근법을 활용한다[6]. 이 혼합 교육 모델의 설계는 IT 기술과 교수법을 융합하여 학습자들이 다양한 환경에서 지식과 기술을 습득할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. 그림 3은 이러한 프로세스를 제어하는 교육 시스템 사용 시나리오를 설명한다.

그림 3. 시스템 설계 흐름도

Fig. 3. System Design Flowchart

본 교육 프레임워크는 원격교육의 중요성을 강조한다. 특히 팬데믹과 같은 특별한 상황이거나, 지리적으로 먼곳에 있는 학습자들에게도 학습 기회를 제공할 수 있는 장점이 있다. 그러므로, 원격교육을 교육 모델에 통합하여 최대한 많은 학생이 고품질의 교육에 접근할 수 있도록 하였다.

학습자는 플랫폼에 로그인하여 모든 교육 콘텐츠에 쉽게 접근할 수 있다. 로그인하면 학습자는 교육 소개 인터페이스로 이동하여 학습 과정을 시작하게 된다. 제공되는 교육 콘텐츠는 텍스트, 그래픽, 영상 등을 포함할 뿐만 아니라 반응형으로 제공된다. 이는 3차원 가상 기술로서 학습자를 대화식 학습 환경에 몰입할 수 있도록 유도한다.

학습자들은 3D 화면에서 이론 학습을 진행하며 연료 전지 기술의 다양한 측면에 대한 심층적인 통찰력을 얻을 수 있다. 또한, 가상 모델을 통해 실제 시나리오를 시뮬레이션하며 실용적인 기술로의 지식 전환을 용이하게 할 수 있다[7].

Ⅲ. 교육 매뉴얼

1. 스택 모듈 매뉴얼

메타버스 교육 플랫폼 개발 과정에서 스택과 수소 연료 처리 장치에 대한 학습 매뉴얼을 작성하는 것으로 시작했다. 이러한 학습 매뉴얼의 주요 목적은 학생들에게 더 자세한 학습자료를 제공하여 이론적 기반을 다질 수 있게 한다. 이와 함께 다음 단계로 이루어질 실습에 앞서 메타버스 교육 플랫폼에 익숙해질 수 있도록 도움을 주고자 하는 목적이 있다.

매뉴얼의 작성은 메타버스 교육 플랫폼에 매우 중요하다. 왜냐하면 이들은 학습자료의 주요 요점을 종합적으로 설명하여 학생들이 지식을 이해하고 흡수하기 쉽게 만들기 때문이다. 이러한 매뉴얼은 텍스트와 그래픽 소개뿐만 아니라 복잡한 개념과 프로세스를 보다 깊이 이해할 수 있도록 하는 대화식 요소도 포함하고 있다.

그림 4는 스택 모듈 매뉴얼을 보여주며, 스택에 대한 포괄적인 소개를 제공한다. 또한, 제조 과정 중의 다양한 구성 요소의 기능과 준비 과정을 자세히 설명한다. 이것은 학생들에게 스택 기술에 대한 심층적인 지식을 얻을 기회를 제공한다. 스택 기술은 특히 에너지 및 전력 산업을 포함한 다양한 분야에서 널리 적용되는 중요한 산업 제조 과정이다. 이 매뉴얼 목적은 학습자들에게 스택 기술에 대한 포괄적인 이해를 제공하여 스택 구성 요소를 이해하고 운용하며 유지 관리할 수 있도록 하는 것이다.

그림 4. 저온 스택 제작 교육 매뉴얼

Fig. 4. Low-temperature STACK Production Training

그림 5는 연료 처리 장치 매뉴얼로서 연료 처리 시스템의 다양한 측면에 대한 상세한 설명을 제공하는 중요한 문서이다. 이 문서는 운영자 및 유지보수 직원을 위한 필수 정보와 지침을 제공한다. 매뉴얼에는 연료 처리 시스템 개요, 연료 처리 시스템 구성 요소 및 공장 통합 이해, 1킬로와트 연료 처리 시스템의 장비 소개 및 연료 처리 시스템 교육 등의 섹션이 포함되어 있다.

그림 5. 연료처리장치 교육 매뉴얼

Fig. 5. Fuel Processing Unit Training

연료 처리 시스템 개요 섹션은 체계적인 시각을 제공하여 연료 처리 시스템의 전반적인 기능과 목표를 소개한다. 이 부분에서 연료 처리 시스템이 산업 생산 및 에너지 부문에서의 중요성과 다른 시스템과의 상호 작용 방법, 효율적인 에너지 변환 및 생산 과정을 달성하는 방법 등에 대해 자세히 다룬다.

스택 모듈 매뉴얼과 연료 처리 장치 매뉴얼은 엔지니어들의 학습 목적을 위한 포괄적인 정보를 제공하는 중요한 문서이다. 이 문서들은 실무담당자들이 이러한 시스템을 더 잘 이해하고 운영하며 유지보수하는 데 도움을 주고 있다. 또한, 이들은 메타 유니버스 교육 플랫폼의 수소 연료전지 엔지니어를 위한 3D 교육 모델 자원으로 활용된다. 이러한 매뉴얼의 내용을 학습해서 학습자들은 시스템을 깊이 이해할 수 있을 뿐만 아니라, 제공된 지식을 학습하여 이해의 깊이를 더할 수 있다.

Ⅳ. 개발 내용 및 결과

1. 이론 교육 부분

그림 6의 이론 교육 세그먼트는 메타버스 교육 플랫폼에서의 수소 연료 전지 엔지니어 교육의 기초 역할을 한다. 교과서와 강사의 도움하에 지식 자원을 플랫폼 상의 학습자들에게 접근이 용이한 콘텐츠로 변환하여 제공하는 것이 목적이다. 이론 교육은 수소 연료전지 엔지니어링의 핵심 개념, 기술 원리, 설계 및 운용 원리등등을 포괄적으로 제공하고, 건물용 연료전지에 대해서는 심층적인 이해를 제공하는 것을 목표로 한다.

그림 6. 이론 교육 입장 화면

Fig. 6. Theory Education Entrance Screen

학습자가 교육 진행 화면을 접속하면 이론학습을 시작할 수 있다. 그림 6은 교육 진행 화면이다. 들어가면 순서대로 이론을 학습할 수 있다. 물론 주어진 순서와 무관하게 진행할 수도 있게 하여 반복 학습을 자유롭게 진행할 수 있다. 학습 진행 정도는 백분율로 표시되어 그림 6의 오른쪽 화면은 학습의 대시보드 역할을 한다.

그림 7은 첫 번째 교육 콘텐츠(왼쪽) 화면과 그 당시의 대시보드 화면(오른쪽)이다. 학습자들이 첫 번째 모듈의 학습을 시작하여 학습을 완료하면 학습 진행률은 10%이고 대시보드에서도 10%로 변경된다. 이처럼 전체 10개의 교육 콘텐츠에 대한 학습을 완료하면 교육 진행률은 100%로 변경된다.

그림 7. 교육 내용 화면

Fig. 7. Training Content Screen

2. 가상 실습 교육: 연료 처리 장치

가상 실습의 주요 장점 중 하나는 안전성과 통제 가능성이다. 전통적인 현장 실습과는 달리 가상 실습은 시간, 장소 및 안전의 제약을 최소화한다. 실습자들은 위험이나 비용을 걱정하지 않고 언제 어디서든 가상 실습에 참여할 수 있다. 이러한 접근성은 학생들이 물리적 위치와 비용에 관계없이 실무 경험을 가상으로 얻을 수 있도록 하여 더 많은 학생에게 기회를 제공한다.

연료 처리 장치에 대한 가상 실무 교육(그림 8)은 학생과 실무 담당자에게 연료처리 장치와 관련 시스템에 대한 깊은 이해를 제공하기 위해 설계된 대화형 실습 중심 교육 소프트웨어이다. 연료처리장치의 전체 구성과 각 부품에 대한 설명을 읽을 수 있고, 들을 수도 있게 하여 학습 편의성을 높이려고 노력했다.

그림 8. 연료 처리 장치 이해 화면

Fig. 8. Fuel Treatment Unit Comprehension Screen

3. 연료 처리 장치 가동 및 종료 프로세스

그림 9는 연료 처리 장치 가동 및 종료 프로세스 화면이다. 연료 처리 장치 BOP 구성 섹션은 연료 처리 장치의 보조 장비 구성에 중점을 둔다. 학습자들은 가상 시나리오를 통해 연료 처리 장치의 보조 장비를 올바르게 구성하는 방법을 배우며, 정확하고 효율적인 운영 방법에 대하여 학습할 수 있다.

그림 9. 연료 처리 장치 이해 화면

Fig. 9. Fuel Treatment Unit Comprehension Screen

유체 시스템 이해 모듈은 학습자들이 액체 및 가스 흐름, 운반 및 제어의 원리를 포함한 연료 처리 장치의 유체 시스템을 깊이 이해하는 데 도움을 주는 것을 목표로 한다. 이는 학습자들에게 현실 세계의 문제를 해결하기 위해 필요한 필수 지식을 제공한다.

장치 제어 조립 모듈에서 학습자들은 리포머 및 PrOx를 제어하기 위한 보조 장치 조립 방법을 배울 수 있다. 학습자들은 향후에 업무 현장에서 접하게 될 조립 기술과 이를 활용하는 실무에 대한 숙련도를 높일 수 있다.

이 논문은 연료전지 기술 교육을 위한 혁신적인 온라인 플랫폼을 설명하고 있으며, 내용상으로는 연료전지 스택 및 연료 처리 시스템과 관련된 이론과 실습을 전달하고 있다. 가상 시뮬레이션과 몰입형 가상 현실 환경을 제공하는 이 플랫폼은 연료전지 기술 분야에서 대화식 학습의 독특한 기회를 제공한다. 본 논문은 이 플랫폼의 설계, 주요 기능 및 사용 평가에 대해 다루며, 연료전지 기술 분야에서의 전문 지식을 키우는 데 있어서 폭넓게 상이할 수 있는 가능성을 보여주고 있다[8].

Ⅴ. 결론

COVID-19 위기 상황 이후로 온라인 교육에 대한 이례적인 변화가 발생하여, 온라인 교육은 중요한 도전 과제가 되고 있다[21]. 본 논문에서 소개된 플랫폼은 이러한 도전 과제에 대응하도록 설계되었다. 이 플랫폼은 연료전지 기술 분야의 특화된 지식에 대한 수요 증가를 충족시키고 이 분야의 미래 전문가를 교육하는 것을 목표로 하고 있다.

플랫폼은 지식과 기술을 습득한 학습자들이 필요한 지식과 기술을 습득했는지 확인하기 위한 평가와 테스트의 기회를 제공한다. 연구에 따르면 이 플랫폼을 사용한 학습자들은 연료전지 기술 분야에서 지식수준과 실용적 기술이 향상되었다고 한다.

관찰된 플랫폼의 효과성과 사용 가능성을 더 향상하기 위해 향후 연구에서는 기존 모듈을 더 통합된 시스템으로 통합하는 것을 고려함으로써 교육 과정을 강화할 수 있다. 또한, 이 플랫폼의 범위를 확대하여 수소 생산, 저장 및 분배와 같은 연료전지 기술의 다른 측면을 다루는 것도 고려할 수 있다. 더 나아가 이 플랫폼에 사용한 기술을 다른 공학 분야의 교육 솔루션에 적용하는 것도 고려해 볼 수 있을 것으로 기대한다.