擴增實境

一、擴增實境的定義

Azuma（1997）認為擴增實境(Augmented Reality，AR)，又稱擴充實境或延 伸實境是從虛擬實境(Virtual Reality，VR)的領域中延伸出來的技術，虛擬實境是 指使用者在完全由電腦所創作出來的虛擬環境中，而無法同時看到周遭的真實環 境，而擴增實境則是使使用者在真實的環境中並和真實環境中的虛擬圖像、資訊、

物體重疊在一起。此種技術須透過虛擬實境設備，將虛擬物件與景象，同時投射 在真實世界的影像裡，製造出真實與虛幻並存的知覺，讓使用者產生身歷其境的 感覺(薛文珍，2002)。它是一種將現實的環境影像及電腦虛擬影像互相結合的技 術，進而在虛擬的媒介中創造出環境中操作虛擬 3D 物件的情形(陳坤森，2007)。

將真實環境分為背景跟主體物兩個元素來看，虛擬實境的環境是背景與主體物都 是虛擬的，擴增實境則是保留了現實世界的真實背景，加上電腦演算的虛擬主體 物或訊息等，除了虛擬與真實兼備的擬真效果，也更有真實的臨場感。使用圖式 來表達擴增實境在真實與虛擬之間的相對位置，由 Milgram al etc.(1994)的理論

「真實-虛擬連續性(Reality-Virtual Continuum)」所歸納，如圖 2-1-1 所示，圖的 左側代表單純的真實環境，右側代表單純的虛擬環境，中間為混合實境地帶；以 虛擬環境為主要背景建構真實狀態的稱為虛擬實境，反之以真實環境建構背景加 以虛擬訊息的稱為擴增實境，本研究主要範疇則為擴增實境。

圖2-1-1 「真實-虛擬連續性(Reality-Virtual Continuum)」理論 ,Julier, &

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

Hollerer &

Feiner(2004)

混合實境（Mixed Reality，MR）

擴增實境

二、擴增實境的特色

虛擬實境企圖取代真實世界，而擴增實境卻是在實境上擴增資訊。將虛 擬的訊息跟真實世界背景結合，帶來思考上的驚喜並能有效地吸引學習者的 注意力。擴增實境著重在與真實世界的結合、資訊顯示與互動經驗。在真實 的世界中，在我們每天接觸的環境裡，加上新的互動體驗。擴增實境不打算 把人的感官抽離，不切斷人與真實世界的關聯性；相反地，依附在真實世界 裡，加上資訊訊息、即時互動及感官經驗的感官體驗。

擴增實境是擴充且增進了真實環境而非取代現實，研究提出擴增實境有 三個必需的屬性，分別為(1) Combines real and virtual：擴增實境是具備真實 與虛擬的狀態，(2) Interactive in real time：延伸式擴增實境是可以達到即時 性的互動，(3) Registered in 3-D：延伸式擴增實境是在 3D 的空間裡定位。

表2-1-3 擴增實境的資訊特質

研究者/年代 擴增實境的資訊特質

Dubois & Nigay(2000)

1. 增加的本質(Nature of Augmentation):提供更多 資訊給使用者。

2. 專注的工作(Task Focus):應用虛擬的物件在真實 的物件上。

由於資訊科技的發達，不管在軟體上的資源還是硬體上的整合，現今使用擴 增實境的呈現與裝置也越來越便利化與直覺性。桌上型電腦、筆記型電腦、平板 電腦到智慧型手機，均變成擴增實境展現的裝置；也因為這樣的便利與易取得的 條件下，擴增實境運用於教育與教學不但是未來的趨勢，更是使用越來越廣泛的 媒體。也因為學習者在真實情境中學習，除了可以結合學習者的生活經驗，感官 的訊息接收也讓學習可以與更具體、更真實。

擴增實境兩大發展優勢:

(一) 使用者不需要關在特定房間裡，也不需要固定在某個位置，這可以讓互動更

加隨意自然。

(3D AR Interfaces)

利用實際操作的經驗轉 換到 3D 立體擴增實境

介面

建築物立體描繪

碰觸式介面 (Tangible Interfaces)

運用真體物體來產生互

(Tangibile AR)

應用投影式的擴增實

(一) 擴增實境的目的並非在模擬，而是在著重於學習科技的整合，擴增實境在媒

Shelton & Hedley (2002)

利用擴增實境教法讓老師有最少的教學準備練習，用 低成本的教材來進行教學。而擴增實境的知覺回饋與 互動性，讓學習者更容易了解及更容易提出問題。

Kaufmann &

Schmalstieg (2003)

擴增實境可以建立教學者與學習者合作式的教學互 動，對於複雜的空間概念可以很容易地進行學習，更 容易表達幾何形體的變化以及在空間中的關係讓學 生了解。

Asai, Kobayashi &

Kondo (2005) 擴增實境可提供學習者一種新型態的學習工具。

朱乙仲 (2010)

擴增實境在真實環境中增強感官刺激，可以讓互動經 驗更加戲劇化之外，也可以維持原有的情境脈絡與空 間感，比較容易適應跟學習。

根據以上研究整理中發現，教學媒體科技化的趨勢扮演著現今教育情境中重 要的角色，擴增實境技術應用於教學創造一個擬真情境，研究者也不斷的利用電 腦、網際網路等科技研發許多傳統教學無法達成的模擬學習。擴增實境的教學活 動可以歸納有下列不同於傳統教學的優勢，分別就擴增實境的媒體特色與教學內 容的運用、學生的學習態度及學習成效兩點作為說明。

(一) 擴增實境媒體特色與教學內容應用，說明有:

1. 是一種新型態的學習方式，不用滑鼠鍵盤，可以更直覺式的真實體驗，

2. 提供多元感官刺激，增強學習動機，

3. 虛實互動性可讓學習在情境與空間中更符合真實的學習。

(二) 學生的學習態度及學習成效，說明有：

1. 視覺、動覺等感官刺激提升學習動機，並增加持續學習的意願，

2. 學習過程中，學生具有學習的主導權，主動探索，積極討論，並與教學內容、

環境、同儕有緊密的互動，

3. 情境模擬學生的方式讓學生可以沉浸在學習的環境中，不適面對平面、沒有 變化，不會有互動的單純文字或圖片資訊，以提升學習的成效。

四、延伸式擴增實境

本研究利用擴增實境做為教學媒體，是希望能夠利用擴增實境的真實與虛擬 的狀態，將教學的內容架構在真實的現實生活環境之中，並能將富有學習意涵的 概念以虛擬的資訊、影像呈現給學習者。透過虛實的呈現，達到即時性的互動，

提升學習者的學習動機，並將擴增實境結合人類的感官經驗，了解學習者在感官 訊息的接受過程，做為教學者設計課程與教學策略時的依據及參考。

本研究主要是因為科普知識裡的地球科學，對學習者來說是充滿抽象與迷思 概念的，在傳統教學中，教師使用立體教具模擬天體的運行，或是從影片、3D 模擬動畫，都與真實的天文環境有極大的落差。為了提升學習者的認知概念，真

實的了解星體運行時的實境情景，也期望從視覺、動覺等感官輔佐學習，因此從 3D 環境中設計出地球自轉與地球公轉的課程，讓學習者藉由操作真實的太陽地 球模型，將複雜的空間概念變成很具體的實驗操作。本研究以擴增實境為基礎，

設計出讓學生藉由體驗操作了解太陽與地球的空間關係及變化情況來學習科學 知識。學生在體驗操作的過程，除了可以親身操作太陽與地球模型的地球運動方 式，螢幕上即時互動呈顯出虛擬的地球陰影變化、兩者的相對位置之外，在螢幕 中即時互動的訊息還有一年 365 天的日期、一天 24 小時的時間、台灣的晝夜變 化及竿影變化的情況；因此相較於過去的擴增實境只單純的在真實環境中提供虛 擬訊息，本研究對於教學單元的內容增加了延伸的知識及訊息，不僅可以讓使用 者重複的操作，提供學習者的各種感官通道的學習。也能克服傳統教學中受到天 氣、時間上的限制，更能將所有的學習概念從延伸式訊息介面整合在一起。因此 本研究以探究延伸式擴增實境教學的學習成效與不同學習風格學生的關聯。

本研究所設計的延伸式擴增實境的硬體設備與傳統擴增實境並無太大差異，

使用高解析度視訊鏡頭，透過電腦主機(或筆記型電腦)安裝軟體，學習者操作實 驗模型後，將實驗操作互動結果呈現於液晶顯示器，如圖 2-4-1。

圖2-4-1 延伸式擴增實境設備示意圖

虛擬互動的延伸式資訊畫面如圖 2-4-2 所示。

圖2-4-2 延伸式擴增實境的延伸訊息示意圖