스마트팜 발명교육의 적용 예시를 알아보자: 인공지능과 스마트팜의 공통점 연구

최근 쓰인 인공지능과 스마트팜을 이용한 초등 발명교육 프로그램 개발한 논문이 있습니다.

서울교육대학교의 김정훈 선생님이 작성한 논문인데요. 저도 관심이 있는 발명교육과 인공지능에 관한 논문이라 인상 깊게 읽었습니다. 혹시 유용하게 사용하실 분이 있을까 하여 정리해 봅니다. 

 

1. 스마트팜이란?

스마트팜이란 IoT, 빅데이터, AI, 자동화 시스템, 로봇 기술을 활용하여 농작물과 가축의 가축의 생육 정보, 환경 정보와 같은 데이터를 기반으로 시간과 장소에 상관없이 농작물과 가축의 생육 환경을 점검하고 원격으로 혹은 자동으로 농작물과 가축의 성장에 필요한 작업을 실행할 수 있는 농업 기술입니다.

이는 데이터를 기반으로 하기 때문에 입력 값에 따라 출력 값이 결정되는 인공지능의 동작과 흡사합니다.

 

노동력을 종전보다 덜 투입하고도 농산물의 품질이 좋아질 수 있는 지능화된 농업이죠.

 

 

농업은 디지털 과학화 지능 정보화가 동시에 진행되고 있습니다.

농부들은 휴대폰과 같은 디지털 장비로 시간과 장소의 제약 없이도, 어디서든 가축과 작물의 상태를 확인할 수 있는 시대가 되었습니다.

더 높은 생산성을 기대할 수 있는 것은 최적화된 환경 보호와 예상 가능한 농업 환경을 구축할 수 있기 때문입니다.

이를 통해 농가의 수익은 극대화되고 있고 여기에 인공지능과 결합된 스마트폰의 기능이 더욱 대두되게 되었습니다.

 

농업은 초등학생에게도 비교적 친숙한 소재입니다.

논문의 저자는 언플러그드 환경에서도 이렇게 스마트팜을 이용해서 인공지능 발명 프로그램을 개발하게 되니, 피지컬 환경뿐 아니라 언플러그드 환경에서도 모두 수업이 가능한 장점이 있었다고 합니다.

그리고 초등학생에게 어려울 수 있는 인공지능의 원리를 온도, 습도, 과일 같은 친숙한 형태의 데이터를 사용하여 초등학생 대상의 교수학습 자료로 활용할 수 있었다고 해요.

 

 

2. 발명교육이 필요한 이유

코로나 19로 대변되는 전염병의 급습으로 우리는 이제 새로운 사회, 문화, 경제, 정치, 산업의 변화를 경험하고 있지요.

우리 학생들이 마주할 불확실한 시대에서는 창의력과 문제해결력을 통한 빠른 의사결정이 요구됩니다.

이때 아주 유용할 수 있는 방법이 발명 교육이라고 생각합니다.

아이들이 가진 자유로운 생각의 발상이 가능하고, 아직은 선진국들에게 많이 뒤지고 있는 첨단 기술의 발전 속도를 따라잡을 수 있을 것이라고 생각합니다. 

인공지능의 발전 속도는 급격히 가속화될 전망으로 보이고, 앞으로의 10년간의 변화는 지난 60년간의 변화를 압도할 것으로 예상된다고 합니다.

 

초등학생을 대상으로 친환경 농업과 지속 가능한 농업 교육을 연구한 사례는 굉장히 많은데요.

이 논문은 여기에 발명 교육의 중요성도 강조하고 있습니다.

발명 교육은 어려운 것이라고 생각할 수 있지만, 우리 주변에는 사실 발명을 통해 이루어지는 것이 거의 없을 정도로 수많은 발명품으로 둘러싸여 있습니다.

발명 교육을 통해 학생들은 창의력 문제해결력 의사결정력을 증진시킬 수 있고, 다양한 방법의 발명 교육도 개발되고 있습니다.

 

논문의 저자는 인공지능에서 사용하는 학습 방식 알고리즘 학습 결과들을 스마트팜의 동작으로 대신하여 설명하였습니다.

문제와 정답을 알려주는 인공지능의 지도 학습에 대해 스마트팜에서는 특정 제어 장치를 동작하는 경우 발생하는 결과를 알려주는 방식으로 대신한 것입니다.

또 정답에 가까울수록 보상을 주는 강화 학습에 대해서는 비닐하우스의 내부 환경이 최적화에 가까울수록 스마일 아이콘을 보상해 주는 방식으로 대신하였습니다.

 

논문의 저자는 프로그램에 참여한 학생들이 직접 스마트폰 기능을 가진 비닐하우스를 운영하여 작물을 재배한다는 설정에서 시작함으로써 환경이 작물에 미치는 영향을 학생들에게 알도록 하였습니다.

비닐하우스에 설치된 전동 장치의 제어를 통해 외부 환경의 변화가 비닐하우스 내부에 영향을 미치지 않도록 설정하는 과정에서 지도 학습과 강화 학습, 그리고 인공신경망의 개념을 이해할 수 있도록 구성하고자 하였습니다.

 

 

3. 연구의 결과

연구 결과 스마트폰과 발명 교육, 그리고 인공지능을 연결한 이 발명 프로그램은 학습자들에게 농업 환경을 체험하는 과정에서 인공지능의 지도 학습 강화 학습 그리고 인공신경망을 이해하고 그 과정에서 농업에 관심도 갖게 하였습니다.

학생들은 변화하는 기후와 환경에 창의적인 대응 방법을 찾아 스마트팜에 내장된 인공지능을 훈련시켰습니다. 

당연히 인공지능의 원리를 이해하고 인공지능의 활용 방안을 찾을 수 있었던 것으로 기대됩니다. 

 

이 논문을 읽으면서 좋았던 점은 학습자들의 이해를 돕기 위해 미니 비닐하우스 모형 교구도 개발하였다는 점입니다.

학생들은 생소함 없이 농업, 온도, 습도와 같은 일상적인 데이터를 소재로 별도의 준비 교육 없이도 쉽게 프로그램을 시작할 수 있었을 것으로 보입니다.

그래서 영재 학생이 아닌 일반 학생들도 수월하게 프로그램을 통해 인공지능을 이해하고 발명 교육의 효과를 볼 수 있었다고 합니다.

 

저는 영재교육에도 관심이 많지만, 최종적으로는 영재가 아니더라도 과학에 친숙함을 느끼고 접근할 수 있는 교실을 만들고 싶습니다. 수월성 교육에만 치중할 것이 아니라, 모두를 위한 과학 교실이 되어야 하지 않을까 하는 생각이 듭니다. 누군가는 농부가 되고, 각자의 삶을 살아가지 않을까요. 수업 준비와 발명교육의 과정에서 많은 생각을 하게 한 논문이었던 것 같습니다. 😁

 

 

참고문헌: 김정훈(2021). 인공지능과 스마트팜을 이용한 초등 발명교육 프로그램 개발.