LabsLand를 통해 공학 실험실 환경 혁신

소개: 현대 공학 교육의 실험실 딜레마

학생들에게 실습 경험이 필요하다는 점에는 모든 강사가 동의합니다. 하지만 실제로 이를 현대 공학 교육 과정에 적용하는 일은 생각보다 복잡합니다.

실습 세션을 구성하는 일은 대체로 쉽지 않고 많은 노력이 필요합니다. 모든 학생이 실제 실험실을 이용해야 하는데, 여기서 사용되는 하드웨어는 대부분 고가이며 장비 유지 관리가 복잡하여 항상 완벽한 작동 상태를 유지하기가 어렵습니다. 고장으로 인해 활동이 중단되는 경우가 많고, 학생들이 원하는 시간에 실험실을 개방하고 감독할 수 없으며, 기타 여러 가지 문제로 인해 강사가 효과적으로 수행할 수 있는 실습의 수가 제한되거나 이론과 실습을 밀접하게 연계하기 어렵습니다.

그 결과 모두가 실습의 중요성을 알고 있지만 실제로 실행하기 어렵고 제대로 활용되지 못하는 것이 현실입니다.

오늘날에는 기술 발전에 힘입어, 학생들이 인터넷을 통해 실제 실험실 장비를 이용할 수 있게 해주는 시스템인 원격 실험실이라는 새로운 도구를 통해 이 문제를 해결할 수 있게 되었습니다. 이름만 들으면 오해할 수 있지만, 원격 실험실은 기존 실험실을 대체하려는 목적이 아니며 원격 교육만을 위한 것도 아닙니다. 원격 실험실은 실습 중심의 공학 교육을 더욱 유연하고 효과적으로 진행할 수 있는 강력한 도구로 고안되었습니다.

LabsLand란?

LabsLand는 인터넷을 통해 실제 교육용 공학 장비를 사용할 수 있게 해주는 플랫폼입니다. 이 장비들은 단순한 시뮬레이션이 아니라 실제 하드웨어로, 강사는 기존의 물리적 실험실 운영에서 발생하는 여러 제약 없이 편리하고 효과적으로 실습 경험을 제공할 수 있습니다.

이 플랫폼은 단순히 원격 학습만을 위한 수단이 아닙니다. 모든 공학 교육에서 실습 경험을 확장하는 데 활용할 수 있는 도구입니다. 강사는 더 많은 실습 기회를 제공하고 이론 수업과 실습을 손쉽게 연계할 수 있습니다. 학생들은 더 이상 장소의 제약이나 물리적 실험실의 제한된 일정에 얽매이지 않고 언제 어디서나 몇 초 만에 수많은 실제 장치에 액세스할 수 있습니다.

LabsLand의 핵심은 모든 것이 소프트웨어 에뮬레이션이나 시뮬레이션이 아닌, 실제 장치를 기반으로 한다는 점입니다. 학생들은 전 세계에서 실제로 호스팅되는 장비 및 장치에 코드를 실행하고 액세스할 수 있습니다.

LabsLand는 공학 교육을 위해 개발되었으며, 보안 계층을 통합하여 학생들이 장비를 망가뜨리지 않고 안전하게 실험할 수 있도록 보장하고, 학습 분석 및 액세스 제어 기능을 제공하며, 모든 주요 LMS 플랫폼과 통합됩니다.

DigiKey는 전략적 파트너로서 대규모 공학 교육을 위한 효과적인 솔루션을 만들고 제공하는 데 도움을 주고 있습니다.

원격 학습을 위한 수단, 그 이상의 도구

언뜻 보면 원격 실험실이 원격 교육을 위한 수단이라고 생각할 수 있지만, 사실은 그렇지 않습니다. 원격 실험실은 모든 종류의 공학 수업과 교육을 위해 설계된 도구이며, 실제로 대면 수업을 제공하는 대학에서도 자주 활용되고 있습니다.

기존의 물리적 실험실이 있더라도, 강사는 도구 세트에 원격 실험실을 추가함으로써 학생들에게 더 다양한 장비를 제공하고, 이론 수업과 실험실 활용을 자연스럽게 연계하며, 학생들이 언제든지 실험실을 이용하도록 지원할 수 있습니다.

원격 실험실은 기존 실험실을 대체하는 것이 아니라 보완하는 역할을 합니다. 이를 통해 강사들은 편의성을 높이고 병목 현상을 줄이며, 오버헤드를 줄이면서 실습 시간을 더욱 일관성 있게 안정적으로 제공할 수 있습니다.

그림 1. 교실에서 LabsLand의 원격 실험실을 사용하여 실제 FPGA에 실시간으로 액세스하고 프로그래밍하는 UPNA 학생들(이미지 출처: LabsLand)

시뮬레이션이 아닌 실제 장치 기반 원격 실험실

원격 실험실은 시뮬레이션이 아닙니다. 학생들은 물리적 장치의 동작이나 현실을 모방하는 소프트웨어를 사용하는 것이 아니라 100% 실제 하드웨어와 상호 작용합니다.

시뮬레이션 또는 에뮬레이션된 장치를 제공하는 도구는 많습니다. 이러한 도구는 매우 유용할 수 있으며 LabsLand는 이들을 대체하려는 것이 아닙니다. 하지만 어느 시점에는 학생들이 실제 신호와 부품으로 작업해야 하는데, 이것이 바로 LabsLand가 제공하는 기능입니다.

시뮬레이션은 항상 프로그래머의 가정에 의해 제한됩니다. 즉, 시뮬레이션은 누군가가 설계한 대로 동작합니다. 그로 인해 학생들은 실제 상황에서 발생하는 예상치 못한 결과, 경계 사례 또는 하드웨어 특유의 문제를 경험하지 못할 수 있습니다. 그러나 바로 이러한 경험이 가장 값진 학습의 기회가 됩니다. 특히, 엔지니어의 솔루션은 실제 현실 환경에서 검증받아야 하기 때문에 이 경험이 매우 중요합니다.

LabsLand는 브라우저에서 액세스할 수 있는 깔끔한 인터페이스를 제공합니다. 학생은 단 몇 초 만에 사이트를 열고 완전히 구성된 장비를 바로 사용할 수 있습니다. 하지만 그 모든 과정의 이면에서 학생들은 실제 하드웨어와 상호 작용하며 자신의 학습 경험이 실제 현실에 기반하고 있음을 느끼게 됩니다.

그림 2. 원격 실험실 장비를 직접 방문한 학생들(이미지 출처: LabsLand)

기존 실험실과 견줄 만한 교육 효과

다양한 실증 연구를 통해 LabsLand가 제공하는 원격 실험실이 기존 실습 실험실과 비교해도 동등하거나 심지어 더 뛰어난 교육적 효과를 낼 수 있음이 입증되었습니다. 워싱턴 대학교에서 실시한 한 연구에서는 FPGA 하드웨어를 활용한 디지털 회로 설계 학습을 원격과 대면 방식으로 진행한 결과, Bloom의 분류 체계에 따라 원격 실험실 학생들이 분석이 필요한 과제에서 훨씬 더 높은 성과를 나타냈으며, 개념 이해나 적용과 같은 다른 수준에서도 학습 저하가 전혀 관찰되지 않았습니다. 이와 유사하게 데우스토 대학교에서 VISIR 원격 실험실(현재는 아래에 설명된 LabsLand Hive로 대체됨)을 활용한 연구에서는 여러 기관과 학생 수준에서 사전 테스트 점수와 사후 테스트 점수 간에 통계적으로 유의미한 개선이 있었으며, Cohen의 효과 크기가 1.0으로 강력한 학습 효과를 나타냈습니다.

또한 모나시 대학교 말레이시아에서 진행한 연구에 따르면 LabsLand의 원격 FPGA 실험실을 사용한 학생들이 한 학기에 20,000회 이상 장비에 액세스했을 뿐만 아니라 이전의 대면 수업 시기보다 더 높은 참여도와 만족도를 나타냈습니다. 이러한 피드백 데이터는 원격 실험실이 교과 목표 달성에 더욱 부합하며, 원격 실험실을 이용한 학생들이 그렇지 못한 집단보다 전반적인 학습 경험이 더 우수함을 보여줍니다. 이와 같은 결과는 원격 실험실이 단순한 대체 수단이 아니라 공학 교육을 교육학적으로 강력하고 확장 가능하게 개선할 수 있는 수단이라는 것을 강조합니다.

FPGA 실험실: 어디서나 디지털 설계 가능

LabsLand FPGA 실험실(LCAL0001, LCAL9001 및 LCAL9002 라이선스에 포함)은 학생들이 전 세계의 대학 및 기업에 위치한 Terasic DE1-SoC, DE2-115 등 실제 FPGA 기판에 액세스할 수 있도록 지원합니다. 이러한 기판은 LED, 스위치, 7 세그먼트 디스플레이, 내부 클록과 같은 실제 주변 장치와 연결되어 있으며 VHDL, Verilog 또는 SystemVerilog를 사용하여 프로그래밍할 수 있습니다.

이 실험실은 기본적인 기능 이외에도 고급 주변 장치를 지원합니다. 일부 기판은 VGA 디스플레이, 오디오 출력, 심지어 스마트 주차 시스템이나 닌텐도 컨트롤러와 같은 실제 환경과 연결되어 있습니다. FPGA에서 학생의 논리 회로가 실행되면서 이러한 장치들을 원격으로 제어할 수 있습니다. 학생은 자신이 작성한 HDL 코드를 업로드하고 실제 기판 및 주변 장치에 액세스할 수 있으며, 모든 상호 작용은 실시간으로 이루어집니다.

동영상 1: Altera Terasic DE1-SoC를 원격으로 이용하는 학생: 왼쪽에는 실시간 카메라 피드가 있고, 오른쪽에는 스위치 10개, 버튼 4개, 가상 NES 컨트롤러를 포함한 컨트롤이 있습니다(동영상 출처: LabsLand).

입문자를 위해 이 실험실에는 논리 게이트, 조합 시스템, 부울 대수 등의 핵심 개념을 실제 하드웨어를 사용하여 소개하도록 설계된 Digital Trainer, Boole Designer와 같은 도구가 포함되어 있습니다.

그림 3. 가시성을 위해 반투명 덮개를 제거한 상태에서 4개의 Altera DE1-SoC FPGA에 원격 액세스를 제공하는 LabsLand Prism4. 동영상 및 오디오 처리뿐만 아니라 추가 주변 장치를 사용할 수 있도록 여러 케이블이 연결되어 있습니다(이미지 출처: LabsLand).

STM32 실험실: 임베디드 시스템

LabsLand STM32 실험실(LCAL0004, LCAL9001 및 LCAL9002 라이선스에 포함)은 실제 STMicroelectronics Nucleo WB55RG 기판에 원격으로 액세스하여 하드웨어를 설정하지 않고도 임베디드 시스템, IoT 또는 마이크로 컨트롤러 프로그래밍을 교육하고 실습할 수 있습니다.

이 실험실은 웹 기반 LabsLand IDE, Keil Studio Cloud, ARM의 온라인 Mbed 컴파일러, 오프라인 도구 체인(예: STM32CubeIDE 또는 GCC 기반 환경) 등 다양한 개발 환경을 지원합니다. 이러한 유연성 덕분에 강사는 입문 과정부터 고급 과정까지 동일한 실험실을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 이 원격 실험실을 사용하는 이 Udemy 과정을 확인해 보세요.

기판은 LED, RGB LED, 서보 모터, LCD 스크린, 스위치, 버튼, 전위차계 등 다양한 실제 및 에뮬레이션된 주변 장치와 연결되어 있습니다. 또한 전류 모니터링을 지원하므로 학생들은 다양한 조건에서 전력 소비를 분석할 수 있어 에너지 효율적인 컴퓨팅이나 저전력 IoT 시스템을 다루는 과정에 유용합니다.

동영상 2: STM32 Nucleo 원격 실험실에서 스위치와 버튼을 사용하고 SPI 제어 디스플레이, LED, 서보 모터, UART를 실습하며, 학생들이 실제 기판을 이용해 GPIO로 시뮬레이션된 주차장을 제어하는 현실적인 응용 사례를 경험할 수 있습니다(동영상 출처: LabsLand).

기판을 주차 자동화 시스템과 같이 대화형 가상 환경에 연결하는 고급 시나리오도 지원합니다. 이러한 시나리오는 임베디드 시스템과 시스템 수준 논리 또는 시뮬레이션을 결합할 때 특히 유용합니다.

그림 4. Prism4 장치에 통합할 준비가 된 4개의 STM32 Nucleo WB55RG 개발 기판을 원격화하는 플레이트. 각 설정에는 화면, 서보 모터, LED 및 추가 주변 장치에 대한 액세스가 포함됩니다(이미지 출처: LabsLand).

아날로그 전자 공학 실험실: 실제 회로 구축 및 측정

LabsLand 아날로그 전자 공학 실험실(Hive라고도 함)(LPEQ0001 장비 구매 시 또는 LCAL0003, LCAL9001 및 LCAL9002 라이선스에 포함되어 제공)은 학생들이 실제 아날로그 회로를 원격으로 직접 구축하고 측정할 수 있는 환경을 지원합니다. 전자 공학 입문 및 아날로그 중심 수업을 위해 설계되었으며 저항기, 커패시터, 다이오드 등의 주요 부품이 제공됩니다.

동영상 3: Hive의 실사용: 이 경우 독일 도르트문트 대학교에서 실제 장비에서 수집한 오실로스코프 데이터를 이용하여 어떤 부품이 사용되었는지 확인할 수 있습니다(동영상 출처: LabsLand).

학생들은 비주얼 인터페이스를 사용하여 회로를 구축하지만, 실제 회로 연결은 계전기 기반 스위칭 매트릭스를 사용하여 물리적으로 이루어집니다. 모든 측정은 오실로스코프, 함수 생성기, 다중 계측기, 전원 공급 장치 등 실제 실험실 계측기를 사용하여 수행됩니다.

이 실험실에서는 저항기 네트워크, RLC 필터, 다이오드, 기타 표준 설정 등 사전 정의된 회로의 대규모 카탈로그를 지원합니다. 회로는 카탈로그에서 선택하거나 지원되는 부품을 사용하여 수동으로 만들 수도 있습니다. 안전성과 실용성을 위해 물리적으로 구축 가능한 회로에는 제한이 있으나 전자 공학 교육의 일반적인 사용 사례를 광범위하게 지원합니다.

원활한 대기열 시스템과 신속한 측정 시간 덕분에 수십에서 수백 명의 학생이 동시에 이 실험실을 이용해도 지연이 거의 없습니다.

그림 5: 아날로그 전자 회로를 구성하는 계전기 기반 기판을 쌓고 연결하면 3색 상태 LED가 켜집니다(이미지 출처: LabsLand).

그림 6. 여러 국가의 LabsLand HIVE 장치. 두 대의 소형 실시간 카메라가 상단에 배치되어 있습니다(이미지 출처: LabsLand).

언제 어디서나 사용 가능

LabsLand 원격 실험실의 주요 이점은 언제 어디서나 이용할 수 있다는 점입니다. 특정 시간대를 예약하거나, 사전에 신청하거나, 특정 실험실로 이동하거나, 대학 일정에 얽매일 필요가 없습니다.

학생들은 집이나 교실에서 바로 연결할 수 있습니다. 많은 강사가 이론 수업 중에 실험실 이용을 도입하여 실제 장치를 활용하고 실습과 이론을 긴밀하게 연계합니다.

학생들은 자신에게 가장 적합한 시간과 속도로 편리하게 실습 경험을 쌓을 수 있어 더 많은 실험실 이용을 장려하고 결과를 개선할 수 있습니다.

하드웨어 설정 및 유지보수가 필요하지 않음

LabsLand와 파트너가 인프라를 관리합니다. 따라서 교육 기관은 하드웨어를 설정하거나 구성할 필요가 없으며 유지 관리, 보정 및 감독에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 전 세계 여러 위치에 실험실이 분산되어 있습니다.

이로써 강사들은 물류, 장비 오작동으로 인한 중단 또는 기술적 문제를 처리할 필요 없이 강의에만 집중할 수 있습니다. 학생들은 엄격한 시간 또는 지리적 제한에 얽매이지 않고 언제 어디서나 몇 초 만에 편리하게 실험실에 연결할 수 있습니다.

그리고 대학에서는 실험실 장비의 사용률 저하와 장비 구매, 유지 보수 및 감독으로 인한 오버헤드를 줄여, 더 효과적이고 편리하면서 몇 배 더 저렴한 서비스를 제공할 수 있습니다.

유연한 모델: 구독 또는 호스트

LabsLand 실험실을 시작하는 방법은 간단합니다. 기관에서는 네트워크에 가입하기만 하면 됩니다. 라이선스는 보통 학생 및 학기 단위로 매우 합리적인 가격에 제공됩니다. 하드웨어를 구매할 필요가 없으며, 강사가 실험실을 수업에 빠르게 통합할 수 있도록 즉시 사용 가능한 교육 콘텐츠와 전문가 안내가 제공됩니다.

자체 구축, 맞춤화, 자체 장비에 대한 우선 액세스가 필요한 대학을 위해, LabsLand는 각 기관에 쉽게 배포할 수 있고 기관이 공급자로서 네트워크에 참여할 수 있는 사전 제작된 최첨단 원격 실험실(대부분 DigiKey와 협력하여 제작)을 판매합니다.

자체 장비를 보유한 기관은 더 많은 제어 권한, 시스템에 대한 우선 액세스 권한, 사용료 절감, 글로벌 브랜드 인지도 등의 이점을 누릴 수 있습니다.

원활한 LMS 통합

실험실 액세스는 통합 플랫폼을 통해 관리 및 제공됩니다. 또한 Moodle, Blackboard, Canvas, Sakai 등 대부분의 학습 관리 시스템과 통합됩니다. 이러한 방식으로 학생들이 실험실과 실습 활동에 원활하게 액세스할 수 있고, 모든 것을 한곳에서 관리할 수 있으며, 심지어 자동 평가 및 기타 LMS 기능도 활용할 수 있습니다.

LabsLand 플랫폼에는 학습 분석 액세스, 사용량 모니터링 등을 위한 도구도 포함되어 있습니다.

최고의 기관들이 신뢰하는 플랫폼

LabsLand는 전 세계의 대학에서 이미 사용되고 있습니다. 그중에는 워싱턴 대학교와 미시간 대학교와 같이 잘 알려진 기관도 있으며, 두 대학 모두 캠퍼스에서 LabsLand 장비를 호스팅하고 있습니다.

이 플랫폼은 독일, 스페인, 코스타리카, 남아프리카의 대학을 비롯한 다양한 교육 환경에서도 사용되고 있습니다. 예를 들어, 포트 헤어 대학교에서는 공학 교육에 대한 접근성을 확대하기 위한 노력의 일환으로 LabsLand를 사용하고 있습니다. 유럽에서 가장 규모 있는 대학 중 하나인 UNED에서도 여러 프로그램에서 LabsLand를 사용하고 있습니다.

이러한 대학 중 상당수는 실험실을 이용하는 데 그치지 않고 실험실에 기여하고 있습니다. 일부 대학에서는 자체 장비를 호스팅하고 네트워크를 통해 공유하여 교실에서 사용하는 것과 동일한 실험실을 전 세계 학생들이 사용할 수 있도록 합니다.

미주 지역, 유럽, 아프리카, 아시아 전역의 수십 개의 다른 대학이 LabsLand 네트워크에 참여하고 있습니다. 이 모델은 이미 다양한 언어, 교육 스타일 및 강의 구조에 걸쳐 대규모로 작동하고 있으며, 원격 실험실이 이론적인 아이디어에 그치지 않고 실제 강의실에서 이미 사용되고 있는 실용적이고 신뢰할 수 있는 도구라는 것을 보여줍니다.

시작 방법

LabsLand를 시작하는 방법은 간단합니다. 실험실을 살펴보고, 실제 수업에 어떻게 적용할 수 있는지 알아보거나 옵션에 관한 자세한 내용이 궁금하다면 언제든지 문의해 주세요.

상담을 위해 별도의 설치나 구매가 필요하지 않습니다. 앞으로 구독이나 호스팅을 염두에 두고 계신 경우에도, 상황에 맞는 활용 방안을 이해하실 수 있도록 기꺼이 도와드리겠습니다.

문의 사항이나 궁금한 점이 있다면 https://labsland.com/en/contact를 방문해 주시기 바랍니다.

DigiKey는 또한 LabsLand 공동 창립자들이 원격 학습을 위한 원격 실험실에 대해 자세히 논의하는 웨비나를 제공합니다. 웨비나에 참여하려면, 웨비나 블로그 하단에 있는 등록 링크를 클릭하고 요청된 정보를 입력하면 됩니다.