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第四章虛擬流體力學實驗室之建立

4.1 虛擬流體力學實驗室之建立方法

4.1.2 瀏覽教材

假如學生要做試驗，可點選圖 4.3 左側選單內各項試驗，例如選

「壓力中心實驗」後，則點選該項儀器後會進入圖 4.6，儀器環場即為三維之虛擬立體圖，學生可利用滑鼠將圖做任意方向之旋轉來仔細觀察儀器之每一細節(如圖 4.7)，同時教材之各個單元均顯示在左側，學生可自視窗上方的「下載教材」選項中將所有教材資料下載。

圖4.6 實驗儀器之虛擬立體圖

圖4.7 操作實驗儀器虛擬立體圖部分畫面

同時每一項儀器均有助教實際操作的錄影帶，學生可以點選「示範影片」後反覆觀看(如圖 4.8)。

圖4.8 操作「示範影片」之畫面

學生進入各實驗的主畫面後，為了確保學生能夠將所有實驗內容先行預習過，因此從實驗目的開始，我們讓實驗的教材分成各個步驟，讓學生循序漸進的將教材讀完並了解後才能開始做實驗，因此學生必需點選下一步，才能進入儀器與步驟，詳讀完後再點選下一步，

才能進入理論與討論的部份，直到這些教材觀看完後才可以開始做數據的輸入檢驗與互動式的教學，如圖 4.9 至 4.12 所示。未來還規劃在各個步驟中加入一些問題，以檢測學生是否有真的了解實驗的意義，如果學生未能順利解答即不能進入下一個步驟。

學生在真的做實驗時，可以點選「開始實驗」，並自預先設計好的表格中輸入其實驗值，軟體會自動檢查學生實驗之好壞，若實驗誤差太大（目前設定可以過關誤差為 10%到 15%，視不同試驗難度而定）

或根本數據錯誤，電腦會自動告訴學生(如圖 4.13)，以確保學生之

實驗品質，此功能與 Excel 相連，提供學生實驗與分析同時進行之功能，達到實驗互動之目的。

圖 4.9 實驗的教材內容(1)

圖 4.11 實驗的教材內容(3)

圖 4.12 實驗的教材內容(4)，結束後才開始做線上虛擬實驗。

圖4.13 虛擬實驗數據操作畫面 4.1.3 教材內容

為了能夠支援台大土木系大學部必修流體力學試驗課，因此本網頁總共完成了九項試驗，詳細內容請見網頁，此處僅以圖列出完成的試驗。

圖4.15 射流試驗開頭的教材

圖4.16 邊界層試驗開頭的教材

圖4.17 管系損失試驗開頭的教材

圖4.18 文德利管試驗開頭的教材

圖4.19 閘門試驗開頭的教材

圖4.20 堰流試驗開頭的教材

圖 4.21各試驗環場圖展示，在網頁上需要以滑鼠操作才看的到全場每一項試驗都包含4.1.2節中所敘述的每一部分。

4.1.4 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

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

在文檔中 ─整合性工程力學與數學教學課程之規劃、設計與發展(3/3) (頁 83-0)

第四章 虛擬流體力學實驗室之建立