As industrial plants and factories age, their maintenance requirements increase. Because maintenance mistakes directly increase the operating costs of a power plant, maintenance quality is of significant concern to plant management. By law, all personnel working with nuclear technology must be re-trained every three years; however, as the statistical data show, the number of shutdown accidents at nuclear power plants (NPPs) due to maintenance failure is still high and needs to be reduced.
Industries have started to adopt various technologies to increase the speed and accuracy of maintenance. Among those technologies, augmented reality (AR) is the latest multimedia presentation technology to be applied to plant maintenance, and it offers superior intuitiveness and user interactivity over other conventional multimedia.
The objectives of this empirical study are to measure the optimum amounts of information to be delivered at a time and to identify what types of information enhance the learning ability of novices and to suggest heuristic guidelines by which to make effective AR training instructions. In addition, AR training instructions will be composed based on the suggested heuristic guidelines and on the Cognitive Theory of Multimedia Learning, which provides guidelines for multimedia instructions, and the efficiency of those guidelines will be compared with that of other AR instructions.
Cognitive Load Theory addresses how working memory is structured. Intrinsic cognitive load refers to the cognitive load that is inherent in information to be learned. It depends on the basic amount of processing required for understanding a presentation. Intrinsic cognitive load is determined by the complexity of the learning material. Extraneous cognitive load refers to the cognitive load created through the presentation, format and delivery of the instruction. Germane cognitive load is the remaining part of the cognitive load, and it helps the learner transfer information from working memory to long term memory, which implies that reduction in cognitive load, either intrinsic or extraneous, can result in more learning. In this study, heuristic guidelines for AR training instruction are suggested based on this theory, and the Cognitive theory of multimedia learning, which is also based on Cognitive Load Theory, is used to prove the effectiveness of the suggested guidelines.
In the first experiment, the optimum amount of information in an AR learning environment for novices was found to be 4~5 pieces of information in a chunk by comparing results between a pre-test and an after-test. This result implies that intentionally-made chunks help novices learn more effectively. In the second experiment, the AR training instruction based on the suggested heuristic guidelines was slightly more effective than other AR training instructions. Maintenance in nuclear power plants can be more reliable and accurate by training through AR training instruction based on the suggested heuristic guidelines.
원자력 발전소 가동 연수가 증가함에 따라 정비의 횟수가 늘어나고 정비 자체의 필요성도 점점 증가하고 있다. 어떠한 정비상의 실수라고 직접적으로 발전소를 운용하는데 드는 비용을 증가 시키기 때문에 최근 들어서는 정비의 신뢰성이 발전소 경영자들의 관심사가 되고 있다. 보통은 이러한 정비의 신뢰성을 높이는 한 방법으로 교육훈련을 통해 정비자의 실력을 향상시키는 방법이 사용되고 있으며, 이에 따라 원자력 관련 산업 종사자들은 3년마다 한 번씩 관련 분야의 재교육을 의무적으로 받고 있지만 통계적으로 보면 정비 등의 인적 오류에 의한 발전소 정지 건수는 아직 무시하지 못 할 수치이다.
여러 산업계에서는 정비의 정확성과 신속성을 높이기 위해 여러 가지 새로운 기술들을 도입하고 있다. 이러한 기술 중 최신 멀티미디어 디스플레이 기술 중 하나인 증강현실은 (Augmented Reality; AR) 다른 기술에 비해 교육에 적합한 직관성과 사용자와의 상호작용이 뛰어난 특성을 가지고 있다.
이 실험의 목적은 이렇게 여러 가지 장점을 가지고 있는 증강현실을 이용하여 교육 훈련 자료를 만들 때 따라야 하는 학습적인 가이드라인을 제시하고, 이 가이드라인을 따라 제작된 교육자료가 다른 방법을 따라 제작된 교육자료보다 보다 나은 효과가 있음을 실험을 통하여 보이는 것이다.
교육의 효율은 정보를 단기 기억에서 체계화 시켜 장기 기억에 효과적으로 저장시킴으로써 높일 수 있다. 여러 가지 기억의 구조 중 가장 널리 알려져 있는 것으로 기억은 감각 기억, 단기기억, 그리고 장기기억으로 구성되어 있다는 것이다. Cognitive Load Theory는 이러한 기억 장소 중 단기 기억의 구조를 설명하는 하나의 이론이다. 이 이론에 따르면 단기 기억은 내부 인지부하, 외부 인지부하, 그리고 관계 인지부하라는 세가지 부하에 의하여 그 능력이 좌우된다. 첫 째, 내부 인지부하는 배우고자 하는 내용에 따라 느끼는 인지부하로 내용 고유의 특성 이므로 조절이 거의 불가능 하다. 둘째로 외부 인지부하는 가르쳐 주고자 하는 내용을 어떻게 가르치느냐 하는 방법에 따라 변할 수 있는 부하로 쉬운 방법 직관적인 표현 등으로 그 정도를 줄일 수 있다. 마지막으로 관계 인지부하는 단기 기억에 저장하고 있는 내용을 하나의 의미 있는 정보의 단위로 구성 할 때 생기는 부하로 장기 기억으로 정보를 저장하는데 사용하는 긍정적인 인지부하이다. 이러한 관계 인지부하는 교육 훈련자료를 이해하기 쉽고 인지하기 쉽게 제작하여 얼마나 외부 인지부하를 줄여 주는가에 전적으로 달려있다.
첫째로, 이 실험에서는 증강현실 훈련 환경에서 정보를 구성하는 최소단위인 한 개의 청크가 얼마만큼의 세부정보로 이루어져 있을 때, 그리고 어떤 종류의 정보로 이루어져 있을 때 초보자에게서 배움의 효과가 가장 크게 일어나는가를 알아보았다. 그 결과, 증강현실 교육환경에서 초보자에게는 4~5개의 세부 정보를 하나의 정보로 묶었을 때 가장 좋은 효과를 발휘하는 것으로 나타났다. 둘째, 이 결과를 바탕으로 증강현실 교육 훈련 자료를 효과적으로 만들기 위한 학습적인 가이드라인을 제시하고, 제시된 가이드라인에 의한 증강현실 교육훈련 자료를 만든 후, 그 효과를 증명하기 위해 기존의 일반적인 AR방식과 멀티미디어 교육훈련 자료 제작 시 하나의 기준을 제시해 온 Cognitive Theory of Multimedia Learning을 따라 각각 교육 훈련 자료를 제작하여 각각의 효과를 비교하였다. 결과적으로 이 실험에서 제시한 가이드라인을 따라 제작한 AR 교육훈련 자료가 다른 가이드라인을 따른 교육훈련 자료보다 초보자에게는 조금 더 효과적이라는 것을 실험을 통해 알 수 있었다.
이 실험적인 결과를 통하여 현재 제시되어 있는 Cognitive Theory of Multimedia Learning의 가이드라인을 증강현실에 맞게 수정하고, 제시한 가이드 라인이 초보자를 위한 증강현실 교육훈련 자료를 효과적으로 제작할 수 있음을 증명하였다. 발전소 정비 등의 교육을 이와 같은 방법에 의해 효과적으로 실시 할 수 있다면 정해진 기간에 효율적으로 교육 목표를 달성하고, 그로 인한 정비상황에서의 작업자 인간오류를 예방함으로써 경제적인 발전소 운영에 도움을 줄 수 있을 것이다.