擴增實境的教育應用

第一節、擴增實境的教育應用

一、擴增實境之定義及應用

擴增實境（Augumented Reality, AR），又稱擴充實境或延伸實境。是一種在顯 示在螢幕上透過電腦計算機的運算把虛擬的資訊套在真實世界上的一種技術。這 種技術需必須透過虛擬實境的相關設備，需要攝影機及相關運算工具，再加上顯 示器，現在通常是智慧型手機，就能夠達到把真實以及虛擬結合再一起的效果，

使用者產生身歷其境的感覺（薛文珍，2002）。擴增實境最被廣泛使用的通用定義 有兩種。如圖 1，第一種是 1994 年保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）和岸野文 郎（Fumio Kishino）提出的現實-虛擬連續統（Milgram's reality-virtuality continuum），他們將虛擬環境（ Virtual environment）以及真實環境（Real environment）分別成為線性的兩個極端，而中間的區域稱為混成實境（Mixed Reality, MR）。

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圖 1 「真實-虛擬連續性 (Reality-Virtual Continuum)」理論

Azuma(1997)認為擴增實境是從虛擬實境變化而來的，虛擬實境指的是完全由 電腦創造出來的虛擬資訊以及虛擬視覺空間，無法在其中看到真實世界的環境，

而擴增實境則是使用者在真實的環境中，透過電腦在真實環境上加載虛擬圖像、

資訊、物體，並透過顯示器同時顯示出攝影鏡頭真實拍攝到的真實環境，以及顯 示電腦所加載的虛擬資訊。因此歸納上述對擴增實境的定義可知道，擴增實境即 是透過攝影鏡頭輸入真實環境，透過顯示器輸出真實環境影像並且加載虛擬的資 訊、圖片或是產生互動效果，表 2 列出擴增實境相關定義。

表 2

擴增實境的定義

研究者/年代 擴增實境之定義

Azuma, Baillot, Behringer, Feiner, Jukier

&Macintyre.(2001)

擴增實境是利用定位及影響處理的技術，將虛擬物件呈 現於真實世界之中。

吳鴻譯，Steven K.Feiner 著(2002)

擴增實境提供的內容不侷限於虛擬影像，提供虛擬的聲 音、觸覺或是嗅覺亦可視為提供擴增實境的一種。

科學人（2002）

擴增實境是指把圖像和文字加到使用者觀察周遭環境 所產生的畫面上，系統會追蹤使用者頭部的位置與方向

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Hollerer

&Feiner(2004)

擴增實境在概念上與虛擬世界相似，兩者都是提供使用 實」（李孟軒，2007）。Azuma(1997)曾提出擴增實境必須具備的下列三項屬性才能 稱為擴增實境：

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（１）Combines real and virtual（將虛擬物與現實結合）

（２）Interactive in real time（即時互動）

（３）Registered in 3-D（三維呈現）

如圖 2，此為 Azuma 所認為的擴增實境，有真實的桌子，再加上虛擬的資訊（檯 燈、椅子）。

圖 2 真實的桌子與虛擬的檯燈和兩張虛擬的椅子

而 Vallino 將擴增實境的顯示技術分成三類 (Vallino, 1998)：

（１）顯示器呈現：最簡單的顯示方式，透過手機或是平板電腦等的攝影鏡 頭以及顯示器，即可輕鬆的製作出擴增實境。

（２）頭戴式影視顯示型：具有外部影像的擷取功能、定位功能，能與電腦 產生的資訊以重疊的方式呈現。

（３）頭戴式光學投影顯示型：與前兩者不同的地方是不產生疊合於真實的 影像，而是直接投影在真實環境中，減少視訊的失真。

以目前的擴增實境應用現況來看，後兩者型態的擴增實境顯示方式都有過於 昂貴的問題。第一種型態，以一般手機、平板電腦作為擴增實境的顯示器的方式 較為普遍，也是目前最容易取得的擴增實境方式。普及率高之外，通常手機此類

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的行動載具具有衛星定位(Global Positioning System, GPS)、陀螺儀(Gyroscope)等 功能，可以輔助載具辨識外在環境及位置定位，並做出更精準的加載資訊與反應。

而本研究所使用的擴增實境類型，就是屬於第一種以一般顯示器顯示的類型，由 於預計用於國中教育中，若是能使用容易取得的手機成為增強學習成效的輔助工 具，確實相對另外兩類頭戴式的擴增實境更加降低成本並且普及。

擴增實境的應用領域亦隨著科技的發展越加廣泛，Vallino(1998)認為，擴增實 境可以被認為是終極的沉浸式系統，他提出了 AR 在許多領域的應用。醫療、娛樂、

軍事、工程設計、機器人和遠程機器人是擴增實境技術的一些應用領域。Vallino 還表示，增強現實並不僅僅意味著一個圖形資訊在真實世界場景上的疊加，它還 需要對現實世界中的場景透過攝影鏡頭的框框去取得詳細的周遭資訊，並且與使 用者所關看到的有所對應即產生反應，如此的細緻。擴增實境現在已經擁有多元 的應用發展，根據黃國豪（2004）的整理如下：

（１）醫療訓練輔助（Kancherla et al., 1995）。

（２）操作與修護（Feiner, 1993）。

（３）標註與視覺化（Feiner, 1993）。

（４）娛樂（Maes, 1995）。

（５）軍事與航空（Wanstall, 1989）。

（６）產品協同設計討論（Holger & Regembrecht, 2002）。

（７）教育教學展示（Bimber et al., 2003）。

（８）環境空間導覽（Rekimoto, 1997）。

（９）組裝訓練（Tang et al., 1997）。

（１０）使用性快速模型評估（Selim, 2000）。

（１１）空間配置規劃（Morten, 2000）。

本研究主要領域在擴增實境與教育展示上的結合，希望能利用擴增實境中真

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實與虛擬的狀態，將科學抽象的內容立體化，呈現給受試學生，並期能提高學生 在特定學習內容中的學習成效及能力提升。透過平板電腦或是手機此類行動載具，

即時的將輔助學習的科學內容以虛擬的資訊傳播給受試者，受試者接收到的不再 只是真實世界貧乏的平面資訊，而是能夠將教育中或測驗中主要想學習的科學概 念可視化，提供受試者更加多元的感官經驗，並且依此感官經驗去提升學生之科 學能力。

由上述整理得知，擴增實境從 1990 年被提出之後就受到全球科學家、教育家、

藝術家、醫生、工程師等所應用至各專業領域當中，擴增實境的優勢技術與不同 領域需求的部分做出廣泛結合以及應用，去解決不同領域所面臨的問題抑或是將 展示方式做出更多元的呈現效果。可以樂見的是擴增實境透過行動載具的迅速普 及，在行動載具中使用擴增實境將應用於更全面的生活中，並且滲透我們的生活。

除此之外，透過擴增實境的優勢整合於智慧手機或是平板電腦的優勢，例如：擁 有最好的移動性、即時定位、水平儀、藍芽等手機特有的功能，便能將擴增實境 的應用更加多變。

二、擴增實境於教育中的應用

隨著資訊科技的迅速發展，對教育工作者的最困難的任務之一是整合硬件和 內容資源。在教育中使用訊息通信技術（Imformation Communication and Technology, ICT）提供了許多優勢。ICT 可以讓教師來模擬吸引力的場所和交互顯示實驗的結 果，這是太昂貴或太危險在實際設置（例如核物理）(Suduc, Bîzoi, Gorghiu & Gorghiu, 2011)。然而，這些在傳統課堂中大多數的設備都是大型又笨重的設備（例如：電 視、投影機、電腦等），當一個教師的教學目的是希望引發學生獲得有意義的學習，

他們需要一個更強大的工具去引發學生們的生活經驗。而擴增實境就是是這樣的 儀器。其產生的感官知覺伴隨著移動性的優勢，能夠提供援助給教師、學生達成 使用目標。 1994 年，米爾格拉姆和岸野定義的 AR，說明了 AR 是接近真實環境

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的裝置(Milgram, Takemura, Utsumi, & Kishino, 1994)。它是將虛擬資訊，顯示在真 實場景，使額外的真實環境中的缺失訊息呈現於現實生活中的技術(Sayed, Zayed &, Sharawy, 2011)。同樣的，一個良好的 AR 具有以下性質(Kiyokawa, Billinghurst, Campbell, & Woods, 2003)：

（１）任何虛擬物件必須能夠被顯示在任何位置，例如使用者可以透過顯示 器看到的虛擬物件在另一個被拍攝者的臉上。

（２）虛擬物件必須和真實世界正確的結合。

（３）鏡頭中的現實世界應該是自然的、清晰可見的，這是面對面的談話很 重要的一件事。

現今，行動裝置和一個設計的手機應用程式(Appalications, APP)可以很容易地 滿足預定的視覺效果和教育目的，簡單的為使用者展示他們欲展示的內容作為為 學習者安排的內容。教育工作者都投入了大量的努力，創造以擴增實境為媒介的 教材，表 3 為近年各國研究者將擴增實境應用在教育中的範例。這種應用不僅幫 助教師減輕了大型設備的準備，並且使目標學生獲得直觀感知的學習。在課程設 計與擴增實境，學習者利用他/她的感官體驗學習教師欲達成的教學內容，這使得 學習過程變得有意義。重要的是要注意，真正的生活是「立體的」，幫助我們做出 與真實世界的鏈結是非常重要的。然而，傳統的教育，人們更喜歡用的是二維媒 體，如黑板，書籍，文獻(Kesim & Ozarslan, 2012)。問題是二維的方法是否能傳達 特定的學習內容並提高學習效果，這點是我們所懷疑的。

表 3

擴增實境與教育

研究者/年份 AR 在教育中的應用

Bujak Iulian Radub, Richard 如何透過擴增實境體驗的訊息成為學生學

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Catrambonea, Blair MacIntyreb, Ruby Zhengb & Gary Golubskic.

(2013)

習上的鷹架協助學生理解抽象的概念並提 高學生對符號的理解。

Sébastien Cuendet, Quentin Bonnard, Son Do-Lenh, Pierre Dillenbourg. (2013)

為教室設計擴增實境我們提出了五個原則 為：整合、提高認識、增強能力、靈活性和 簡約。這些設計原理來自三個學習系統的特 定功能。

Mehmet Kesim, Yasin Ozarslan .(2013)

AR 技術與教學內容相結合，創造了新類型

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如，天文星球的 3D 圖像和許多其他物理現象的相對位置。AR 技術可以幫助學生 更好地學習科學概念，提升科學素養（表 3）的水平。

表 4 所看到的是近幾年世界各國研究學者將擴增實境用來輔助科學學習領域 的整理表。應用領域在科學中實屬廣泛，從抽象概念的天文學、或是需要大量空 間能力的工程製圖，以及將化學反應的可視化(Visualization)。把化學反應當中本 來看不到的分子結合的過程，透過電腦動畫等來重現、可視，輔助學童在學習科 學時，不會對著看不見的東西進行知識建構。而是把這些訊息透過擴增實境的方 式動態的呈現，讓學生不是只能背誦科學當中的既有知識，而能探索科學的知識 的動態流程及數學當中的物件旋轉及展摺。就像廖永年（2011）所提出的圖 3 所

表 4 所看到的是近幾年世界各國研究學者將擴增實境用來輔助科學學習領域 的整理表。應用領域在科學中實屬廣泛，從抽象概念的天文學、或是需要大量空 間能力的工程製圖，以及將化學反應的可視化(Visualization)。把化學反應當中本 來看不到的分子結合的過程，透過電腦動畫等來重現、可視，輔助學童在學習科 學時，不會對著看不見的東西進行知識建構。而是把這些訊息透過擴增實境的方 式動態的呈現，讓學生不是只能背誦科學當中的既有知識，而能探索科學的知識 的動態流程及數學當中的物件旋轉及展摺。就像廖永年（2011）所提出的圖 3 所