第五章 物理虛擬實驗室之試驗與討論
第三節 第二階段試驗結果與分析
初測的實驗及問卷調查結果，研究者在能克服的技術層面下修正三項虛擬實 驗後，進行的第二階段試驗及問卷調查結果與分析如下。
1、力與加速度間關係的實驗：
第二階段的虛擬實驗室測試，是針對第一階段測試結果的缺失進行修正。在 實驗一「力與加速度間關係的實驗」為了提升虛擬實驗環境的擬真性，因此虛擬 實驗室新增以下的功能：1、滑車碰觸擋板產生碰撞聲音；2、實驗室物件於地板 產生反射光影。實驗環境的擬真性雖因上述的修正而提升，卻增加了各物件執行 時的時間分配總合及電腦硬體上記憶體的支出，因此在四個不同角度的試驗，皆 針對滑車的﹝Physicalize﹞內容的Linear Speed Dampening參數進行修正，一 致由0.02修正為0.01，藉由減少線性阻尼影響，避免實驗數據與理論值誤差增 大，其餘各模組參數內容的控制變因皆未有變更。此外為了方便使用者再次實驗 的便利性，三項主題實驗皆新增「重新實驗」的按鈕功能。另外本次試驗改採全 螢幕操作以讓使用者增加如身歷其境感受，並可降低畫格因素的影響，提升實驗 結果的精確性與降低實驗結果和理論值的誤差。使用者操作本虛擬實驗時，礙於 一般電腦無法執行virtools所輸出*.vmo檔案類型，所以在實驗室介面新增軟體 virtools的官方網站連結，讓使用者能輕易下載3Dvia Player外掛程式，順利操 作本虛擬實驗室。
實驗一的四項不同斜面角度實驗，每組各試驗三次後取得加速度平均值，再 從十六組的數據值加以平均得到表5-3-1的實驗結果，另表5-3-2為各組的實驗加 速度平均值與理論值的百分誤差，並藉由十六組的實驗值和理論值的差異後予以 絕對值並加以總和後平均，換算求得實驗與理論間的加速度平均百分差(表 5-3-2)，依斜面角度5度、10度、15度、20度所測得的平均百分差分別為3.00％、
1.16％、1.78％、1.44％。本項的虛擬實驗，20度斜角的實驗數據值，十六組當
從表5-3-3初測試驗與第二階段試驗的百分差可發現，在四個不同斜坡角度 測驗中，兩階段測試後的百分差比較，皆以第二階段試驗的百分誤差較低。此實 驗結果顯示「力與加速度間關係的實驗」經由修正後，除了改善環境擬真性外，
實驗結果的精確度也更貼近於理論實驗的數據。
表5-3-3 「實驗一」初測試驗、第二階段試驗百分差比較 斜面角度 5 0 斜角 10 0 斜角 15 0 斜角 20 0 斜角 初測試驗 3.73 2.00 2.09 1.56 第二階段 3.00 1.16 1.78 1.44
單位：％
2、力、質量與加速度關係間實驗：
本「力、質量與加速度關係間實驗」於初試後進行修正，修正內容為滑車碰 撞擋板產生碰撞聲音以提升環境的真實性。另本項實驗的四種不同外力試驗，其 滑車的﹝Physicalize﹞內容中的 Linear Speed Dampening 參數皆由 0.02 修正 為 0.001，目的為降低線性阻尼的影響，以縮小滑車實驗與理論值的誤差。此外 桌上的繩索在移動時會因為滑車移動速度的改變，需要進行速度上適度的修正以 免產生滑車與繩索在移動過程中未能銜接，所以在本虛擬實驗 rope1 script 的
﹝Bezier Progression﹞模組中，針對 Progression Curve 曲線進行調整，修正 至操作者會感受到滑車與 rope1 的繩索是互相銜接而一起移動。
實驗加速度平均值的結果如表 5-3-4，由各組各項中的百分差總和的平均求 得平均百分差如表 5-2-5，依 10gw、15gw、20gw、25gw 順序可知實驗的平均加速 度和理論值的百分差為 2.61％、1.69％、1.29％、0.99％。表 5-3-6 為初次試驗 與第二階段測試後，實驗加速度平均值和理論值的百分差比較。由資料顯示，四 項不同外力的試驗，其實驗平均加速度值與理論值的百分差，在第二階段試驗皆 比初測試驗所產生的結果值還小，且所有百分差結果皆小於 3％。
表5-3-4「實驗二」實驗加速度平均值與理論值(第二階段)
3、質量與加速度關係間實驗：
﹝Physicalize﹞進行任何參數的修改。
本實驗的試驗加速度平均值如表 5-3-7。將各組的實驗加速度平均值與理論 值間的百分差總和後，加以平均獲得的平均百分差如表 5-3-8，依系統質量 235gw、285gw、335gw、385gw 所測得實驗平均加速度和理論值之間的百分差分別 為 2.09％、2.26％、2.51％、2.82％。從表 5-3-9 可知後三項質量的實驗結果比 初測試驗結果的百分值略小，但差異不大，且不管是初測試驗還是第二階段試
3 2.3 2.7 1.7 3.2
表5-3-10 第二階段試驗受測使用者「基本資料」內容
者不同意。(3).以本虛擬實驗室教材所呈現的「第二運動定律實驗」是恰當的，
者不同意。(2).覺得虛擬實驗室的實驗操作方式是恰當的，使用者認為同意與非
通物理實驗課程上的學習動機，使用者認為同意與非常同意有 75％，不同意為 6
％。(4).對於本虛擬實驗，能兼顧物理概念的完整性，使用者中有 69％同意及非 常同意，也有 28％使用者覺得普通。
三、小結
1.本虛擬實驗室建置完成後，在使用者初測試驗前，研究者先行以表 5-3-15 的 電腦硬體為標準實施預測試，以了解試驗結果狀況及對使用者施測的可行性，
其﹝Physics﹞的參數設定同表 5-3-17 的初測試驗環境條件， 虛擬實驗室的網 頁則置於使用者端的電腦磁碟機內，採本機預測試，每項實驗均進行十次測 試，後取平均值，其測試的誤差結果如表 5-3-16，預測試的各實驗平均加速 度誤差結果皆達 3％以內，合乎模組參數設定時所預估的範圍，因此初測試驗 的虛擬實驗以相同的﹝Physics﹞參數條件讓使用者進行第一階段試驗。
針對初測試驗的結果與使用者問卷回饋，研究者進行虛擬實驗的修正，在 各實驗增加環境的擬真性效果下，卻也降低實驗的科學真實性，因此為了降低 實驗加速度和理論值的誤差，實驗一與實驗二的滑車﹝Physics﹞參數內容進行 線性阻尼調整，設定內容如表 5-3-17。
表 5-3-15 虛擬實驗室預測試的硬體規格 CPU Intel Pentium(R) Dual Core T4200 2.00GHz
記憶體 3 GB RAM
硬體
規格 顯示卡 Mobile Intel(R) 4 series Express Chipset Family
表 5-3-16 虛擬實驗室預測試的結果表列 斜面角度 5 度 10 度 15 度 20 度 平均值 實驗一 誤差值 4.39 2.90 2.00 1.20 2.62
外力 10gw 15gw 20gw 25gw 平均值 實驗二 誤差值 0.91 0.11 2.00 0.69 0.93
系統質量 235gw 285gw 335gw 385gw 平均值 實驗三 誤差值 0.59 1.11 2.27 2.30 1.57
表 5-3-17 初測與第二階段試驗的滑車﹝Physics﹞參數設定對照表 而修正的虛擬實驗環境，除調降實驗一與實驗二的滑車﹝Physics﹞參數線性 阻尼外，第二階段試驗的電腦硬體設備也不同於初測試驗，但網路頻寬環境則 與初測試驗的環境相同，最後實驗的加速度結果較初測試驗更接近理論值。歸 納三次試驗的誤差來源，除軟體可控制的﹝Physics﹞參數設定及物件效果所 執行的時間總和，另兩實驗室外在原因是電腦硬體設備與頻寬環境的條件。
2. 經過初測試驗、第二階段試驗後可得知，兩次試驗的加速度百分誤差值如表 5-3-18。三個主實驗各有四項子實驗，綜合實驗結果顯示，本研究所設定的
﹝Physics﹞模組參數狀況，讓三種主實驗的平均加速度與理論值的百分誤差 均達 3％以內。
表 5-3-18 實驗加速度平均值與理論值的差異性
果，此反應使用者對於虛擬實驗的教材是否可取代傳統物理實驗室，或與傳統
第六章 結論與建議
本研究利用3D建模軟體3ds Max及3D動畫整合軟體Virtools設計「牛頓第二 運動定律」虛擬實境實驗室，過程中探究虛擬實驗的設計方法，並透過修習大學 普通物理實驗課程的理工科系學生，進行試驗及問卷調查分析，以探討虛擬實驗 之模擬結果及和理論模型間的差異性，並比較虛擬實驗及真實實驗結果的歧異。
綜合第四章物理虛擬實驗室之程式設計、第五章物理虛擬實驗室之試驗與討論，
研究者將本章分為二節，第一節歸納本研究的結果而形成結論，第二節則根據結 論，對於物理虛擬實驗室的建置提出建議供後續研究之參考。