擴增實境體現認知設計

一、擴增實境數位遊戲

擴增實境(Augnented Reality, AR)是將 AR 擴增物件以各式行動載具呈現於現 實世界的新興技術，簡而言之就是於現實世界中加入虛擬資訊，常見於娛樂、軍 事、導航領域，最為人所知的應用為Pokemon GO、Google Map AR 實景導航等。

AR 著重虛擬世界與真實世界的結合，增強真實世界顯示的資訊與互動經驗，模 擬出可能或不可能的生物、現象…等。AR 嚴謹的定義要追溯回 Milgram 及 Kishino (1994) 提 出 包 括 擴 增 實 境 ， 擴 增 虛 境 (Augmented Virtuality, AV) 和 混 合 現 實 (Mixed Reality, MR)的現實-虛擬連續系統，如圖 2-2 所示。

圖 2-2 現實-虛擬連續系統(Milgram & Kishino, 1994)

現實-虛擬連續系統範圍從完全真實環境到完全虛擬環境，AR 在圖中接近於 真實環境的位子，學習者透過AR 附加的虛擬物件知覺真實的對象或現象。另一 個泛用定義為Azuma (1997)說明 AR 這種延伸到現實，增強現實感科技有三種特 性：(1)虛實整合(相同性)、(2)即時互動(即時性)、(3)存在三維(3-Dimension, 3-D) 空間(空間性)。AR 特徵在於將 3D 空間中的真實世界與虛擬世界結合起來的視覺 表現力(Azuma, 1997; Milgram & Kishino, 1994; Oh, So, & Gaydos, 2017)，此特性 將帶給教育現場創新學習的方式。以往具體實物和虛擬訊息通常作為分離的兩種 教具應用於教育現場，直到AR 讓具體和虛擬得以結合，充分利用虛實兩方的優 勢(Bujak et al., 2013)，提供學習者有視覺、聽覺、觸覺多模態刺激促進學習。

需過度仰賴教學者講解、(2)學習者透過數位遊戲增加學習動機與滿足感、(3)滿足 不同學習風格學習者、(4)學習者透過遊戲精熟技巧、(5)提供給學習者與他人互動 和下決策的情境。目前擴增實境教育應用多以教育遊戲(Serious Game)的方式進行。

遊戲好處很多，如果與AR 科技搭配合宜，讓學習者在科技與學習環境之中進行 高質量互動，其中產生的情緒有助於提高學習效果(Billinghurst, 2002; Dalgarno &

Lee, 2010; Ibáñez, Di Serio, Villarán, & Kloos, 2014; Kye & Kim, 2008; Lee, Wong, &

Fung, 2010)，提高學習態度可以幫助學習者改進認知和學習表現(Cheng & Tsai, 2013; Dalgarno & Lee, 2010; Ibáñez et al., 2014; Kye & Kim, 2008)，換句話說，精 心設計的遊戲有著解決問題、適應性挑戰與持續回饋等特徵可以產生動機，反過 來又能夠支持投入和學習(Shute, Rieber, & Van Eck, 2011)。只是數位遊戲中特別是 教育遊戲對學習有效性還需要持續驗證(Law & Chen, 2016)，Young 等人(2012) 在 科學教育背景下發現遊戲式學習研究的結果不一致──遊戲對科學學習有重大影 響或遊戲與科學學習之間的關係微不足道的矛盾關係，他們提出的解釋在於遊戲 與實際科學之間的脫節導致了沒有學習成效的結果。因此，最重要的是教育遊戲 中設計包括鷹架、提示、引導等各種學習支持策略來鼓勵學習者反思學習內容，

並連結遊戲和日常生活之間的知識。

二、體現認知(Embodied cognition)設計

認知心理學的體現認知透過強調身體，即肢體動作(Human Movement)和現實 世界之間互動產生思想和知識，顯示知覺(perception)對於概念學習的重要性 (Barsalou, 2008; Barsalou, Niedenthal, Barbey, & Ruppert, 2003; Gibbs, 2005; Glenberg, 1997; Huang, Vea, & Black, 2011; Lakoff & Johnson, 1999; Smith & Gasser, 2005;

Wilson, 2002)。Paas 及 Sweller (2012)以認知負荷理論(cognitive load theory, CLT)的 觀點說明肢體動作是生物基礎知識(biologically primary knowledge)。生物基礎知 識是演化的模組式技能，此類知識學習特徵為不需要他人激勵，以自我激勵為主、

無意識且自然習得(learnable but not teachable) (Geary, 2007; 2008)，例如：說話，

兒童不需要指示就可以在環境與人的互動中逐漸學會說話(莊濬豪, 2019)。肢體動 作作為符號學工具不會帶來過多工作記憶負荷，且有助於加深對抽象概念的理解 (Arzarello & Edwards, 2005)，也就是說處理抽象概念時使用雙手操作是增強學習 者理解力概念的一種方式。人類需要長時間刻意學習才能熟悉符號與公式推導，

此為生物次級知識(biologically secondary knowledge)，生物次級知識有學會的能力 但沒有演化出像對應的模組，需要透過教育有效習得相關知識(learnable and teachable) (Geary, 2007; 2008)，例如：物理(莊濬豪, 2019)。認知負荷理論說明在學 習複雜的認知任務，涉及身體運動(即生物基礎知識)可能會減輕學習者的工作記 憶負荷並正向影響學習成績(Bokosmaty, Mavilidi, & Paas, 2017)，促進主動學習。

體現認知架構下資訊可以轉化為動作形式，學習者能將操作具體化表現 (Vitale, Swart, & Black, 2014)。Bokosmaty 等人(2017)在數學幾何單元，使用 Dynamic Geometry software (DGS)與紙本學習單，將學習者分為親自操作軟體學 習的「操作」組、學習者觀察教師操作軟體學習的「觀察操作」組，以及學習者 純粹以靜態圖片學習的對照組。研究結果表明學習成效「操作」組最佳，「觀察操 作」組次之，最後是對照組，學習遷移則是「操作」組與「觀察操作」組一樣好，

並優於對照組，認知負荷為「操作」組最低，其他兩組一樣高。這表示進行操作 或觀察操作是重要的技能，可以在低工作記憶負荷下進行處理，並且在容量有限 的工作記憶中處理更多新訊息(Paas & Sweller, 2012, Ayres, Marcus, Chan, & Qian, 2009, Wong et al., 2009)。涉及多模態學習(視覺、聽覺、觸覺)可以擴大學習困難任 務的工作記憶。涉及學習者手部的學習活動可激發觸覺，擴大工作記憶能力獲得 更好的學習效果。

三、擴增實境體現認知設計之數位遊戲教育應用

如今將體現認知理論應用於教育背景，怎麼改善物理領域的抽象概念學習？

更具體的說法是以視覺、聽覺和觸覺等科技作為與教育模擬的認知基礎變得越發 重要(Han & Black, 2011)。過去研究的擴增實境體現認知設計經常是電腦軟體或平 板(行動載具)數位學習(林思汝, 2014; Bokosmaty et al., 2017; Han & Black, 2011;

Wiebe et al., 2009; Williams, Chen, & Seaton, 2003)學習，通常實際操作皆有不錯的 成果。之前林思汝(2014)學習槓桿單元的研究中，將學習者分為使用「平板電腦的 擴增實境遊戲教材」與「電腦模擬的虛擬環境遊戲教材」，研究發現學習動機皆可

佔用雙手空間、桌面顯得混亂而狹窄、手忙腳亂等缺點。為了解決問題，近年穿 戴式視覺顯示技術(例如：Google Glass、Epson BT-200 等)已應用於教育領域(Oh et al., 2017)，且穿戴式裝置有三個優點(Bower & Sturman, 2015)：(1)教學用途 (pedagogical uses)包括臨場上下文訊息、記錄、模擬、交流、第一人稱視角、臨場 指導、回饋，分發和遊戲化、(2)教育品質(educational quality)包括投入、效率和存 在感、(3)推理及其他影響(logistical and other implications)包括釋放空間和空出雙 手。根據以上優點，除了可以讓學習者投入數位學習環境，還可以解決現場學習 者操作平板電腦手忙腳亂及佔用空間的缺點，穿戴式裝置解放雙手讓學習者更能 將心力投注於學習內容。本研究使用穿戴式裝置設計的擴增實境數位遊戲操作實 體教具(翹翹板)，將 AR 物件設計在翹翹板上使數位遊戲在進行時提供各式提示、

回饋資訊。Paas 與 Sweller (2012)認為相較靜態圖片，使用動態表示法時變化的資 訊會給工作記憶帶來負擔，但如果涉及與生物基礎知識有關的人類運動(例如：肢 體動作)，則可以減輕負擔。擴增實境體現認知設計之數位遊戲對於學習成效的提 升有其可行性，因此將於本研究進行驗證。與擴增實境與體現認知最相關的觸覺 回饋文獻，接下來將進一步說明。