互動教學

為讓學生能有親身操作感覺，網頁中另設有互動式教學，簡單案 例是由 Flash 做，例如點選渦流實驗後，會有如圖 4.22 之虛擬實驗 出來，右測有放大之控制鈕，學生可以利用滑鼠來控制水流流量，流 量改變後，水面線會依理論改變，到達穩態後，學生可以用量尺測量 水面線，就像真正做實驗一樣。經過此步驟，學生可以將測量數據填 到上一節中敘述之表格中，經程式驗證後，算是完成一次虛擬實驗。

如此可以讓學生對實驗有所了解，以便真正做實驗之前，先熟悉程 序。達到預習之目的。

圖4.22 虛擬實驗數據操作畫面

圖4.23 虛擬實驗數據操作畫面 4.1.5 教學效果

為了測試網頁教學的效果，我們找了十位台大土木系大學部同 學來試用網頁，因為需要已經做過實驗的樣本，因此我們找了一個今 年為大四的土木系學生，其餘 9 人是剛畢業的同學，3 個女生 7 個男 生，平均分部於土木系營管組、交通組與大地組，和環工所與應力所，

我們沒找要唸水利組的同學，目的是要測試非專業的意見。問卷回收

第三題：本網站的所給的資訊是否讓你了解如何做實驗？

第五題：在瀏覽過本網站，是否有達到預習的效果？

第五章 互動性教學元件設計與評估

在工程力學或工程數學的學習中，如何適時地運用數位媒介，提 供教與學所需的軟體工具，為本計畫之研究重點。工程力學和工程數 學所需的軟體工具主要在提供適當的輔助教材，使學習者能反覆練 習。另外在面對繁複運算時，這些軟體工具或可適時地輔助，讓學習 者更能進一步掌握問題的大方向。

目前在網路上雖然已經有與工程力學相關的教學網站，但在教學 內容的呈現上往往是靜態的、平面的。由於工程力學裡常有許多分析 與邏輯推理的計算，是需要高互動性的實驗操作與動態解析才能滿足 學生學習的需求，而靜態與平面的教學內容亦無法完全發揮網路學習 的優點。

本計畫針對工程力學的部分單元所需之互動性教學元件進行設 計與實作，並將學習者使用部分元件的狀況進行評估。附錄一以目錄 的方式將目前已發展的教學元件表列，本章則針對部分較有特色的元 件作進一步的說明。這些包括：虛擬材料力學實驗室所需之部分互動 元件、動力學線上影音教材元件、流體力學學習輔助元件、引導式例 題元件、互動式動畫範例元件、概念地圖學習元件、線上筆記元件、

互動式例題元件等。另外如對此元件有進行評估，亦在下文一併說明 與分析。

5.1 虛擬材料力學實驗室之互動元件

本元件之教學內容主要參考台灣大學土木系之”材料力學實驗 手冊”(台灣大學土木工程學系，1999)與 Gere and Timoshenko (1997)

之”Mechanics of Materials”教科書編寫而成。在這個雛形實作 中，我們製作了 5 組輔助瞭解實驗儀器操作與實驗過程的互動式虛擬 實驗儀器，現分述如下：

1.測微計（如圖 5-1 所示）：測微計是用來測量微小長度變化的儀器。

常讓同學們困擾的是測微計刻度盤上一刻度代表多長？以及指針 所指的數據為何？此虛擬測微計可讓同學們以滑鼠調整刻度盤及 測針，儀器的大小指針會隨著學生的操作而反應，同學們可以學 習正確地讀取測微計之方法。

2.試桿組裝（如圖 5-2 所示）：實驗中，試桿需和試桿夾具及兩個測 微計組裝起來，零件眾多，組裝過程難以用文字表達清楚。在虛 擬實驗室中，同學們可以滑鼠點選並移動虛擬元件練習組裝，體 驗正確的組裝方式及過程。組裝好的試桿組如圖 5-2(d)所示。

3.試桿組上架（如圖 5-3 所示）：在試桿組裝完成後須上架，這組虛 擬實驗儀器元件可幫助同學們瞭解上架的操作與流程。

4.荷重計（如圖 5-4 所示）：荷重計在材料拉伸試驗中，主要被用以 測量作用於試桿兩端的拉力。透過虛擬荷重計，同學們可以習得 相關按鈕的功能及歸零操作方法。

6. 荷重控制器（如圖 5-5 所示）：荷重控制器主要被用以控制試桿拉

(a) 活動測針

(b) 可移動之測物 (c) 轉盤 圖 5.1 活動式虛擬儀器製作 – 測微計

(a) 以滑鼠拖曳試桿 (b) 拖至感應區

(c) 自動展示較細微之組裝 (d) 最後組裝完成的結果 圖5.2 組合型虛擬儀器製作 – 試桿組裝

圖5.3 教學影片與互動式虛擬實驗儀器搭配教學 – 試桿組上架

圖5.4 面版式虛擬儀器製作 – 荷重計。 a.按鈕 b.旋鈕 c.數據顯示區

圖5.5 教學影片與互動式虛擬實驗儀器搭配教學 – 荷重控制器

5.2 動力學線上影音教材

數位影音教材因具有記錄完整教學資訊的特性而成為重要的多 媒體教材，並隨著網路頻寬的增加與資訊技術的成熟使數位影音教材 可以容易的整合其他類型的教材以增加教學成效。

整合式影音教材乃是指整合線上影音串流、簡報文字與超連結文 件的教材，可以突顯以上三類教學媒體的優點並完整整合文字與影音 提供更為豐富的教學內容。線上影音與教材的整合技術已經非常成 熟，本元件以工程動力學的相對速度單元課程做為教材內容，結合業 界上市之產品來實際發展整合式影音教材。

此元件利用訊連科技所生產的串流大師產品來編輯整合工程力 學的簡報文件檔案與授課教師上課的實際錄影，製作出可以於網路上 閱覽的整合式影音教材，如圖 5.6 所示。學習者於畫面左上方的撥放

並可隨著動畫影片的撥映而自動更替，可供學習者專注於教學影片及 內容。

元件特色

本元件以上客教材及教師授課的影片所組成，學生可以挑選自己 需要加強或是特別艱澀的部分使用，在使用上擁有良好的便利性。但 是此類型教學元件所包含的資訊量很大，學生在使用上必須考量到頻 寬問題：頻寬太窄會使下載時間變長，降低整體的流暢性。

在內容方面，本元件的內容包含了土木工程學系大學一年級動力 學的大部分章節，包含：(1)質點及剛體之運動學，(2)質點及剛體之 動力學，和(3)質點及剛體之功與能量法。分 17 個小節，總長度約為 24.5 小時。

圖 5.6整合式影音教材之部分畫面

5.3 流體力學學習輔助元件

學生對於在學習複雜的方程式的時候，常常無法輕易的了解該方 程式所表達的物理現象，因此造成學習上的困難。在流體力學的學習 上，學生常常會遭遇此類型的問題，為解決此一問題，我們設計了參 數化的互動學習元件，將複雜的方程式圖形化，並且讓學生藉由調整 參數與觀察現象的改變，解決原有的學習障礙。

各元件由可以調整參數的動畫所構成，並且有調節參數的按鈕或 是輸入欄位，學生再學習理論或是解決問題的時候，除了將問題推導 出答案之外，亦可以利用做中學的方式，從錯誤的參數設定中學習，

並且可以由圖像的方式瞭解各種參數對於物理現象的實際影響。

元件特色

此元件主要由參數化的圖像所構成，因此對於學習複雜公式的推 導有學習障礙的同學來說，此一方式較為容易了解，如表 5.1 所示。

學生藉由調整各種參數，能夠對元件所述現象產生更為深入的了解，

提高學習的興趣與成效。

表 5.1 各個流體力學學習輔助元件的簡略說明與圖例

Couette flow

一種黏性流體在兩平板間成穩 定之片流，其中一平板對另一 平板作均勻運動，放在此流體 中之 Shearing stress 保持常 數

Couette Flow demo

以不同流體介質展示 Couette Flow 中流體之狀態，其中板速 及板距皆可調整以做動畫模擬

Differential equations

以表格及動畫展示應用

differential equations 分析 不同流體介質的狀態

表 5.2 各個流體力學學習輔助元件的簡略說明與圖例(續)

Fluid Above an Oscillating Plate-1

可調整振盪頻率及振幅，以動 畫表現不同介質中流體的振盪 狀態

Fluid Above an Oscillating Plate-2

除可調整振盪頻率及振幅，亦 可選擇讓平板振盪或者流體振 盪，以動畫表現不同介質中流 體的振盪狀態

Laminar Boundary Layer Flow

以表格及動畫展示 Laminar Flow 中流體之狀態

Laplace Demo

可指定迭代的次數，以表格的 方式展示 Laplace Equation 的 運算結果

表 5.3 各個流體力學學習輔助元件的簡略說明與圖例(續)

Lawn Sprinkler

灑水器之原理，利用流體噴射 之反作用力，讓灑水器旋轉。

本元件展示不同轉速的灑水器 動畫

Mist Generator 本元件以動畫展示噴霧器之原 理

Stagnation Flow

本元件展示 stagnation flow，當流體將碰撞到固體時 會產生停滯點而使流線彎曲，

並對該固體面產生壓力。元件 中可觀察到不同流速下的流線 以及產生的壓力

Stagnation Flow 2 以動畫及表格展示 stagnation flow 中流體的狀態

表 5.4 各個流體力學學習輔助元件的簡略說明與圖例(續)

Stagnation flow in viscid

與 stagnation flow 相同，不 同的是這次是在半流體中

Wedge flow 以動畫及表格展示 wedge flow 中流體之狀態

5.4 引導式例題元件

工程力學課程的單元與單元之間具有高度連貫性與相依性，學習 者在學習過程中如果有產生疑惑並無法立即解決，則必然會影響後續 單元的學習，因而降低學習效果，無法達到預期的教學目標。

進行學後練習解題是用來評估學習者學習效果的方法之一。進行 學後練習解題時，如果學習者在學習的過程中已建構起解題流程與觀 念，對於工程力學問題便能迎刃而解，達到教學目標，反之亦然。為

產生的學習困惑是一個可行的構想。尤其在工程力學的題目裡，學習 者往往只是一個觀念或是思考產生瓶頸而造成解題障礙。在學習者求 解工程力學相關例題的過程中，若能適時提供協助了解題目某個環節 的觀念以建構解題邏輯與流程，對於學習成效應該是相當有幫助。

引導式例題元件之目的在於以預先設計過的例題供學習者練

引導式例題元件之目的在於以預先設計過的例題供學習者練