擴增實境

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。概念與架 構則是利用了行動裝置、無線網路以及感應裝置等來建構環境。但擴增 實境注重虛擬資訊與環境的結合，並非讓使用者完全投入在虛擬的世界 中，而是透過影像技術，將虛擬的物體或是資訊融入真實的景物中， 因 此，擴增實境是擴廣了現實，而不是完全的沉浸在虛擬的世界中。

Milgram與Kishino（1994），對擴增實境的概念提出了定義，如圖2-1。

他們認為擴增實境是一種介於真實空間（Real Environment）與虛擬環境 的一種概念，它藉由於真實空間之中結合虛擬資訊或圖像來實現其應 用。

圖 2-1 擴增實境與現實及虛擬的關係圖

資料來源：Milgram 及 Kishino（1994）

Azuma 於 1997 年將擴增實境下了一個明確的定義，它必須同時擁 有下面三個特性：(1)結合真實與虛擬（Combines real and virtual）；(2) 是即時性的互動（Interactive in real time）；(3)資訊的呈現必需在三度空 間內（Registered in 3-D）。

擴增實境注重在將現實環境中融入虛擬的物件影像或資訊，建立出

虛擬與現實並存的構想。它是一種介於現實空間與虛擬實境的概念，利 用結合「虛」與「實」的層面將資訊呈現給使用者（Milgram & Kishino, 1994）。擴增實境的應用需要將虛擬資訊加諸於現實空間中，因此在活 動與系統設計上需要重視使用者與環境、使用者與系統，以及使用者與 使用者之間的互動與設計（Björk, Falk, Hansson, & Ljungstrand, 2001；

Dünser & Horneker, 2009；Mulloni, Wagner, & Schmalstieg, 2008）。因為 在擴增實境的活動與系統的設計上，最先面臨的就是如何讓使用者能夠

「沉浸」（immersion）於現實與虛擬結合的環境中，而不會感覺到不習 慣或是無法接受。

二、相關研究

(一) 國外相關研究

本段統整國外對於擴增實境的相關研究，以下按照年份排 序。Shelton和Hedley（2002）案例中，指出對於九大行星的實際學 校教學實驗中，跟目前的電子器材教學（包括了線上的2D圖片顯 示），擴增實境教學法更可以讓老師作最少的教學練習，用少量 的教材，來進行教學。而用擴增實境進行教學，因為它的知覺回 饋和互動性，讓學童更容易了解，更易提出問題。

Kaufmann及Schmalstieg（2003）開發出一套用擴增實境來教 導幾何學的軟體，並指出在教導幾何的空間概念時，使用擴增實 境來進行教學，會得到更好的效果。Billinghurst（2003）指出擴增 實境可以提供獨特的教育益處：第一，使用它當教具，可以讓學 習者流暢地在虛擬和真實環境下，跟虛擬物件進行互動。第二，

使用擴增實境作為教具，它將演伸出一種新的教學和學習策略，

這種學習模式，即使是學生沒有任何電腦經驗也可以進行。最後，

擴增實境可以讓學習者沈浸入學習內容中的特質，讓學習不在只

是面對著安靜、不動的文字資訊。

Woods等人（2004）在實作案例中，綜合了五個用擴增實境進 行教育的例子，加以說明用擴增實境進行教育的好處。(1)有學生 在使用時，都很興奮並且喜愛這種教材；(2)它可以發揮更好的空 間概念關系，傳統的課本不易表現；(3)對於需要時間概念的知識，

比傳統教材來地更易表現；(4)所呈現的圖片為3D模組，還能用手 與之操作互動；(5)以教育的建構主義來說，使用這種教法可以讓 學生自然而然地去改變他們的先備知識。

Asai、Kobayashi及Kondo（2005）提出擴增實境可提供學習者 一種新型態的學習工具，而在發展上，也充滿著很大的發展空間。

擴增實境運用於教育上的好處將有：

1.互動性：可以讓學童間輕易地操作，並討論。而且這種視覺 和聽覺的刺激，會讓學童感到新奇，而提升學習動機。

2.知覺的回饋：是以 3D 即時模式呈現在學童眼前，而且是讓學 童整個浸入到虛擬物件和真實環境所組成的空間中。

3.空間的關連性：每個虛擬物件、真實物件和環境的空間關系，

可以很容易的辨認。

4.學習的新奇感：由於擴增實境呈現知識的方式和簡單、直覺 的互動性，因此，多媒體所可以帶給學生的學習樂趣，並 且引發出學習動機和學習熱忱，在擴增實境中也可以達 到。已經有很多研究作過這樣的證明了。

Asai、Kobayashi 及 Kondo（2005）指出擴增實境可以提供學 習者一種新型態的互動介面，由於資訊技術的日新月異，目前仍 有相當大的發展空間。與其他的媒體相較，擴增實境最大的特色 便在於提供了一個複合式的景觀空間，使用者所見的場景，是虛

實兼具的。學習內容並不需要與現實環境有所關聯，而是可以利 用虛擬資訊，呈現出混合真實與虛擬的學習環境，讓學習者在其 中進行學習與探索。學習者還可以在學習活動中，藉由角色伴演 或資訊探索等方式，親身體驗一般生活之中較難接觸到的學習情 境。

Dünser與Horneker（2009）以寓言故事作為內容，加入3D 角 色、聲音及互動道具，來觀察5到7歲的小孩如何利用擴增實境系 統進行互動與合作學習。Irawati、Hong、Kim及Ko（2008）以擴 增實境術輔助呈現物理課程中不容易表達的反應及效果。

Furht（2011）案例中，表示具備空間感及3D遊戲般的物理特 性，不但能給學習者更好的沉浸經驗，也能對於與環境空間有關 係的任務，產生更多互動模式，對學習者是全新的體驗並且無需 建構複雜的虛擬實境，省去大量的開發時間及成本預算。

El-Sayed、Zayed及Sharawy（2011）每位學生都會配發一張圖 卡，如同學生證一般，學習內容則可透過伺服器線上更換，強調 可攜帶的學習方式及互動。

(二) 國內相關研究

本段統整國內對於擴增實境的相關研究，以下按照年份排 序。林信志、湯凱雯及彭郁雅（2010）從使用意圖探討擴增實境 數位教材之最佳設計策略利用大螢幕投影攝影機拍到的圖卡所呈 現的立體模型，並讓學生看圖說故事。研究結果顯示，以擴增實 境融入行動學習的自然與生活科技領域課程，在使用性為意向、

認知有用性、認知易用性、環境互動、系統品質及教材內容的六 個面向，參與的學生均給予正面的評價，並可進一步提升學習者

陳玥君（2010）利用照片式圖卡，顯示單子葉或是雙子葉的特徵，

應用 AR 教具於單雙子葉植物特徵學習之眼動評估。結果顯示資訊組 在觀察圖卡時，比學科組付出較多的心力。個別比較兩組的工作負荷 程度與擴增實境系統使用性，資訊組比起學科組，心智負荷、生理負 荷、時間負荷、挫折程度較少，精力負荷較多，表現績效較好。

羅之伶（2010）利用圖卡來呈現立體的模型，試圖取代傳統的實 體模型製作，並用此與老師進行討論。結果顯示，透過擴增實境更真 實感受其兩者媒材存在於同一空間，提升視覺回饋，減少一般造形設 計中，不同視窗造成媒材對照上的落差，可使設計者更專注於造形教 學中，有效率地提升造形發展的速度。

李鴻毅（2011）以科學教育館為例，並以平板電腦及外掛式攝影 機進行學習體驗，將擴增實境的技術融入博物館的導覽活動之中，讓 學習者透過 3D 模型的引導快速找到展物的位置。結果顯示，學習成 就方面，使用擴增實境導覽學習方式的學習者在自然與生活科技學習 成就明顯優於對照組傳統人員導覽學習的學習者。

鍾德煥（2011）研究結果顯示真實場景與虛擬物件的融入提昇了 感知的效果，能夠提昇與真實世界中相關任務的執行效果，並且建立 真實與虛擬的複合互動方法。

王耀宗（2012）以天文館為例，以平板電腦進行學習體驗，將擴 增實境的技術融入導覽活動之中，讓學習者透過 3D 模型能自己動手 操作，加深對天文知識的印象。實驗結果為有擴增實境支援的探究式 學習之成就顯著優於無擴增實境支援的探究式學習，而在滿意度方面 則大多給予肯定的分數，但在未來實施上需保留更多給學習者練習操 作的時間。

三、小結

由上述研究中發現，抽象概念以及空間幾何用擴增實境可以有效提 升學習效果。擴增實境也可以讓學習者與虛擬物件產生互動，提升學習 者之學習成就與學習動機，比起虛擬實境則省去大量的開發時間及成本 與算。然而，上述文獻探討學習者之學習成就以及學習動機，甚少對於 學習者之高層次能力做進一步的說明。有鑑於 P21 強調未來的學生在學 習時必須具備問題解決能力（P21, 2011）以及 2012 年舉辦的 PISA 測驗 中，將問題解決能力（problem solving）列入評量項目中（OECD, 2011）。

學者也強調學生的問題解決能力提升，有助於個體透過思考能力及既有 的認知面對生活上的挑戰 （Lesh & Zawojewski, 2007）。且上一節文獻 提出 Big 6 問題解決模式中加入圖形能有效的提升問題解決能力

（Eisenberg & Berkowitz1988, 1992, 1999, 2000, 2010），故本研究以擴增 實境能把抽象概念具體化之特點帶入 Big 6 問題解決模式當中，並提供 操作機會給學習者，再進一步找出學習者與擴增實境的互動行為可增強 學習者之學習成就與問題解決能力之行為。