[논문 리뷰] Struct-MRT: Immersive Learning and Teaching of Design and Verification in Structural Civil Engineering using Mixed Reality

Michael Kraus, Irfan Čustović외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

BIM and Construction Integration인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 iOS 기기의 ARKit를 사용하여 구조공학에서 철근 콘크리트 복슬과 강성 프레임의 구조적 설계 및 검증을 몰입형으로 교육하기 위한 혼합현실(MR) 애플리케이션인 Struct-MRT를 제시한다. 이는 학생들이 단계별 검증 공식과 함께 축척된 3D 모델을 상호작용적으로 탐색할 수 있게 하여, 특히 초보자들이 높은 몰입도를 경험한 바, 사용성, 즐거움, 교육적 의지 측면에서 유의미하게 긍정적인 사용자 인식을 이끌어냈다.

ABSTRACT

Our goal is to transform traditional paper-based instruction into an immersive lesson. This paper presents the conception, workflow and deployment of two MR applications for verification of typical yet geometrically complex structural members: a reinforced concrete corbel and a steel frame. The aim of this research is threefold: (i) to develop and implement the technological feasibility of such applications, (ii) to demonstrate possible use cases in the context of structural engineering lectures and (iii) to evaluate the presented MR examples and the future potential of such MR applications in structural engineering lectures through a survey. The workflow and MR teaching applications were developed with Apple's ARKit. The verification process was reproduced in the MR applications based on conventional exercises taught on paper. Users can navigate independently through the applications and review every single step, including a true-to-scale, spatial representation of the specific component as well as associated verification formulas in the respective step. The applications were used to assess the demand and expectations for immersive teaching techniques among students and instructors through a survey. The participants were asked to test the MR applications on their devices or watch pre-recorded video demonstrations, afterwards perception was elicited through a questionnaire. The results of subsequent data analysis show generally positive judgement of the MR application over the six questioned categories (style, usefulness, ease of use, enjoyment, attitude as well as intention towards using). The statistical analysis revealed (positivity) biases for users with prior XR experience w.r.t. to usage and navigation, while inexperienced users underlined increased enjoyment or excitement with this learning format. The outlook covers identified shortcomings and future developments in this field.

연구 동기 및 목표

• 구조공학 교육을 위한 기술적으로 실현 가능한 혼합현실 교육 도구를 개발하고 검증하는 것.
• 복잡한 구조적 검증 작업을 교육에 적용한 MR의 실용적 사례를 제시하는 것.
• 89명의 참가자 대상 설문 조사로 MR 기반 학습이 구조공학 교육에서 학생과 교사의 인식에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• MR 애플리케이션은 아이패드 및 아이폰에 네이티브 배포를 위해 애플의 ARKit를 사용하여 개발되었다.
• 실제 크기 그대로의 현실적인 3D 모델로 철근 콘크리트 복슬과 강성 프레임을 제작하여 상호작용 가능한 탐색을 가능하게 하였다.
• 구조적 검증 과정의 각 단계가 상호작용 가능한 디지털 레이어로 인코딩되어, 공식과 물리적 거동이 맥락 속에서 표시되었다.
• 89명의 구조공학 전공 학부생 및 교수가 참여한 실습 또는 영상 시연을 통해 애플리케이션을 테스트하였다.
• 설문 조사로 스타일, 유용성, 사용 용이성, 즐거움, 태도, 사용 의지의 여섯 가지 범주에서 사용자 인식을 평가하였다.
• 기존 XR 경험 여부에 따른 인식 차이를 파악하기 위해 통계 분석을 시행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합현실은 어떻게 기술적으로 실현되어 구조공학 교육에서 몰입형 학습을 지원할 수 있는가?
• RQ2 MR 애플리케이션을 활용해 구조 설계 및 검증을 교육할 때의 인식된 이점과 과제는 무엇인가?
• RQ3 다양한 수준의 기존 XR 경험을 가진 학생들은 MR 기반 학습 도구의 사용성, 즐거움, 교육적 가치에 대해 어떻게 다른 인식을 갖는가?

주요 결과

• 참가자 다수는 스타일, 유용성, 사용 용이성, 즐거움, 태도, 사용 의지의 여섯 평가 범주에서 MR 애플리케이션에 대해 긍정적인 인식을 보였다.
• 기존 XR 경험을 가진 학생들은 탐색 및 사용에 더 큰 자신감을 보였으며, 이는 초보자에게는 학습 곡선이 존재할 수 있음을 시사한다.
• 초보자 사용자들은 경험자보다 유의미하게 더 높은 수준의 즐거움과 흥미를 보고하여, MR가 내재적 동기를 향상시킬 수 있음을 시사한다.
• 설문 결과에 따르면, 추상적인 공식을 공간적이고 실체적인 표현과 연결함으로써 MR가 개념적 이해 향상에 강력한 잠재력을 지닌 것으로 나타났다.
• 이 연구는 MR 애플리케이션이 구조공학 교육에서 개인학습과 협동학습 모두에 효과적으로 기여할 수 있음을 확인하였다.
• 저자들은 향후 교수법 통합, 미디어 역량, XR 기반 교육에서의 윤리적 고려 사항에 대한 연구가 필요하다고 지적하였다.