數位學習環境

數位科技發展不僅造成人類生活的轉變，更將知識的傳遞提升到新的境界，

因此，學習者在數位學習環境中進行教學活動已成為最新的教育趨勢。透過數位 科技融入課程，學習者可以在教學環境中觀察、思考與探索，並建立互動學習模 式以提升學習者主動學習的意願與學習成效(潘淑琦，2011)。因此，本節就以數 位學習環境類型、數位學習在教育上之應用，以及數位學習環境策略分別進行文 獻探討。

壹、數位學習環境類型

目前數位學習環境共分為同步數位學習(Synchronous Digital Learning)與非同 步數位學習(Non Synchronous Digital Learning)兩種類型。同步數位學習透過網際 網路技術傳送即時資訊，所有的參與者包含教師與學習者都必須在同一時間透過 網際網路來傳送課程內容。例如：遠距教學，無須限制參與者在同一場地進行教 學。而非同步數位學習是指教師將多媒體教材放置在行動載具或電腦上，讓學習 者可以依照自己的能力或學習進度進行學習，這也是目前最常用的數位學習方式 (林岑，2003)。本研究針對國小六年級學習者於晝夜與四季單元設計兩種非同步 數位學習環境，一為虛擬實境，另一為擴增實境，以下分別就「虛擬實境」、「擴 增實境」兩種不同的數位學習環境類型進行探討：

一、虛擬實境

虛擬實境(Virtual Reality, VR)是用電腦建構出來的虛擬世界，藉由設計好的使 用者介面讓人類進入模擬的情境中(王聖閔，2007)。Latta 及 Oberg (1994)對虛擬 實境提出了三階段定義，其依序為「何謂虛擬實境(What Virtual Reality is)」、「如 何展現(How it is accomplished)」、以及它的「效果(effect)」，說明虛擬實境與人之 間的關聯，其說明圖如 2-2：

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圖 2-2 虛擬實境之三階段定義(引自林秀美，1996)

虛擬實境提供使用者如同真實世界中的視覺、聽覺、觸覺之模擬感受，當使 用者在真實世界中改變某些動作與狀態時，系統會運輸改變的資訊到虛擬世界，

並以不同的方式與使用者作互動，就像存在於真實世界中(周宣光，2000)。虛擬 實境的原理在於利用電腦建模軟體建立一個與真實世界相同的三度立體空間，透 過程式語言的撰寫來控制 3D 物件功能，使使用者能與系統裝置中的物件產生互 動，並沉浸於虛擬實境中(蕭承鈞，2001)。Burdea 與 Coiffet (2003)認為虛擬實境 要有三個基本要素，分別是沉浸性 (immersion)、互動性(interaction)與想像力 (imagination)，並將此三要素列為三 I，成為一個金三角，如圖 2-3。

圖 2-3 虛擬實境之三大特性(引自 Burdea & Coiffet, 2003)

1.沉浸性(immersion)：虛擬實境能讓人感受到身歷其境的感覺，且融入於虛擬世 界中，不受外界的干擾。

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2.互動性(interaction)：使用者能與虛擬實境中的物件作互動。例如：點擊地球後，

地球會逆時鐘旋轉。

3.想像力(imagination)：使用者感受到虛擬場景中的聲光與影像效果後，運用個人 的想像力營造出另一種想像的空間。

二、擴增實境

擴增實境(Augmented Reality, AR)為虛擬實境技術之延伸。不同於虛擬實境可 以讓使用者沉浸於虛擬空間中，擴增實境能讓使用者看見真實的環境以及重疊在 真實環境上的虛擬資訊，換句話說，擴增實境是擴充了現實，而不是取代現實(郭 桐霖，2009)。在 Azuma (1997)的研究中，提出擴增實境必須要有的三大屬性：一 為結合真實與虛擬、二為即時性的互動、三為必須在三度空間內，所以擴增實境 技術具有虛擬世界與真實世界的特性，且具互動及三度空間場景之性質(蘇俊欽，

2004)。擴增實境技術最早可溯源 1960 年後期，由 Ivan Sutherland 設計了一個具 機械式追蹤的 3D 頭戴顯示器，使用者藉由穿戴此設備將電腦所產生的虛擬資訊 與真實物件一起結合並投影到實驗室的牆壁上(Sutherland, 1968)。而後數十年來 許多人致力於發展電腦繪圖與模擬的技術，才讓擴增實境獲得真正發展的契機(李 孟軒，2007)。擴增實境以影像辨識技術來取得使用者的行為舉動，之後透過聲音、

物件以及動畫等操作進行互動。影像辨識技術又分兩大類：辨識圖卡(Marker)與 圖像(Markerless)。辨識圖卡式的擴增實境必須透過外框的標記圖示才能進行辨識。

其原理為用攝影鏡頭擷取外框的標記圖示之影像，經過電腦或載具的程式轉換後 將虛擬物件疊加在辨識圖卡上。然而，圖像式擴增實境採自然特徵的辨識技術，

在製作過程中程式記錄了辨識圖像的相關條件，例如：圖像的顏色分布、紋路、

輪廓等。因此，圖像式擴增實境無須照射黑白的外框即可對環境進行辨識(呂晨嫚，

2012)。由上述可知，透過擴增實境之虛擬整合特性讓學習者與環境之互動性達到 最佳化。另外，Gravey (1977)認為互動與遊戲結合最能刺激學習者學習的動力，

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因此，若能將遊戲元素融入到探索式擴增實境中，讓學習者在虛實整合情境中進 行學習，或許能有效地提升學習者的學習成效與學習態度。

貳、數位學習環境在教育上之應用

以下就兩種數位學習環境「虛擬實境」與「擴增實境」於教育上的應用進行 探討。

一、虛擬實境在教育上之應用

虛擬實境技術的發展已經相當成熟，而應用於教育領域中的研究也不少，其 相關研究包括醫學、地理、英語、化學、航空工程等範疇(Arora et al, 2014 ; Hwang

& Hu, 2013 ; Merchant et al, 2012 ; Okutsu et al, 2013 ; Yang et al, 2010)。

Winn 與 Bricken (1992)提出虛擬實境應用於教育上的優點包括以下六點：

1.以具體的方式操作虛擬物件

2.虛擬實境可以讓學習者專注於學習，且完全沉浸於學習環境中 3.以直覺且自然的方式進行互動

4.虛擬實境可以設定給學習者不同類型的學習指引 5.系統能將某些程序自動化，讓學習者專心於學習上 6.學習者可以重複的探索同一教學單元

國內的研究也指出虛擬實境軟體教學能增進學習者角柱與角椎單元的學習 成效(洪郁婷，2004)。且讓學習者較能建立更完整且長久體積相關概念(林為光，

2010)。蘇詠梅、鄺潤歡(2003)以日蝕課程為主題進行教學研究，在教學活動中安 排線上學習、同儕討論、模擬實驗、實物教具、卡通漫畫、動畫等不同方式進行 教學，研究顯示學習者對於模擬實驗學習方式最感興趣，其次是實物教具。吳沂 木(2008)以虛擬實境系統進行電與磁單元教學，結果顯示學習者使用虛擬實境系 統進行操作時，能增加學習者對於教材的印象與學習意願(如圖 2-4)。沈潔華(2005)

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認為虛擬實境教材能提供給學習者一個主動探索的環境，所以在環境設計方面應 盡量提供充足的資訊以及操控方便的控制鍵，讓學習者在探索時能較方便地觀察 到所要瞭解的現象，並能從中做判斷與推理，降低迷思概念之形成。

圖 2-4 虛擬實境應用於電動機之組成 二、擴增實境在教育上之應用

擴增實境技術在醫藥、機械、娛樂、藝術、教育、廣告上已有許多的應用與 實作。隨著資訊科技的發達，擴增實境的應用逐漸貼近日常生活中。在教育領域 中，Telmo、Ignacio、Paloma 與 Alvaro (2013) 為了改善學習者與教師的互動，

將擴增實境技術融入於課堂中，每位學習者配置一台電腦進行資訊科技課程學習，

每台電腦前都貼有辨識圖卡，當教師講解完教學內容後，學習者可以透過手機上 的應用程式進行按圈或叉來回答教師是否瞭解此概念，教師也依據頭戴式配備中 呈現的虛擬的圈或叉立即掌握學習者的學習狀況。學習者也對於此種上課方式給 予正面回應，擴增實境系統同時也保障了各學習者回答的隱私與改善了學習者與 教師之間的互動關係(如圖 2-5)。

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圖 2-5 擴增實境即時回饋系統

Wang 與 Chi (2012)將擴增實境導入晝夜與四季課程學習，每組學習者藉由 轉動地球來觀察相關螢幕中其他場景的變化。對於學習者來說，擴增實境的操作 方式並不會過於複雜而影響學習，且學習者不受時間及空間的限制，且能在自己 熟悉的環境中學習，讓情境認知更加具體化。研究結果顯示擴增實境確實改善 了學習者在地球科學領域上的學習成效以及學習意願(如圖 2-6)。

圖 2-6 擴增實境應用於晝夜與四季課程

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在倉儲管理及商品運輸課程中，教師並沒有提供那麼多的機會讓學習者進行 實務練習，所以 Jermann、Zufferey 與 Dillenbourg (2008)利用 TinkerLamp 軟體建 置了一個訓練學習者職場工作的環境。TinkerLamp 系統在實務與理論方面做了一 個很好的結合。此學習環境中之模型均貼有辨識圖卡，並利用攝影機將虛擬回饋 擴增至模型上，學習者透過貨架、手套、碼頭、與辦公室等擬真縮小模型進行互 動教學以瞭解課程的理論基礎。3D 的呈現方式對於學習者的空間概念上有很大 的助益，也能增強學習者由擴增實境系統到平面設計圖的學習遷移能力(如圖 2-7)。

圖 2-7 擴增實境系統與倉儲平面設計圖

擴增實境系統在教育領域上已有越來越多的應用，但是仍尚未普及與推廣至 學校課程中，因此，Lee (2012)認為擴增實境在教育上之應用應朝以下方面進行發 展：互動(Interactive)、簡單(Simplicity)、情境資訊(Contextual information)。

參、數位學習環境策略

在數位學習環境下進行學習，學習者在知識建構方面更具主動性，且更能引 發學習者的學習動機及學習態度。數位學習環境中的虛擬實境及擴增實境技術具 備良好的學習遷移能力，它能使學習者已習得的知識轉移到實際的情境中，讓學 習更具效率(Alessi & Trollips, 1985)。施吉安(2002)研究發現將數位學習環境融入

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自然與生活科技課程學習者的接受度高達 77.2%，可見學習者對於虛擬實境及擴 增實境的教學方式皆頗感興趣，且具高度的參與意願。但是哪一種數位學習環境 較能提高學習者的學習成效與學習態度，卻鮮少有研究針對此部分進行探討，因 此，本研究欲探討在不同數位學習環境中對於國小六年級學習者學習晝夜與四季

自然與生活科技課程學習者的接受度高達 77.2%，可見學習者對於虛擬實境及擴 增實境的教學方式皆頗感興趣，且具高度的參與意願。但是哪一種數位學習環境 較能提高學習者的學習成效與學習態度，卻鮮少有研究針對此部分進行探討，因 此，本研究欲探討在不同數位學習環境中對於國小六年級學習者學習晝夜與四季