數位學習環境

隨著資訊科技與科技媒體的進步，數位學習的發展也日益豐富，許多創新 的教材隨著更多研究者的投入，變得更加多元化。本節針對數位學習環境的變 革，分別就「數位學習環境的類型」、「數位學習環境在教育上的應用」及「數 位模擬實驗在物理學習上的應用」等三方面進行探討：

壹、數位學習環境的類型

隨著科技的突破及創新，目前的數位學習境類型在不同領域皆有相當豐富 的應用，本研究針對目前被廣泛應用的兩種數位學習環境「擴增實境」與「數 位模擬」進行高中一年級學生之單極馬達實驗規劃。以下先分別就「擴增實 境」、「數位模擬」兩種不同之數位學習環境類型進行探討：

一、擴增實境

擴增實境(Augmented Reality)為近年來新興的技術，它透過虛擬環境與真實世 界結合的特性，被廣泛地應用於模擬練習、醫療手術、廣告媒體、遊戲互動以及 教育科技上。由於擴增實境具有整合虛擬環境及真實世界的特點(Arvanitis et al., 2009)，許多教育學者紛紛投入此新科技的研究，試圖將虛實整合的優點應用在各 類學科中(Klopfer &Squire, 2008)。擴增實境為虛擬環境(Virtual Environments)的延 伸，有別於虛擬環境將學習者完全融入在模擬世界中，無法觀看到真實環境的景 物。擴增實境可以使學習者一方面看的到真實環境中的景物，另一方面也看到將 虛擬資訊呈現在真實世界。Azuma (1997)定義擴增實境包含了三個面向：(1)虛實 整合、(2)即時互動、及(3)於三度空間中。根據 Milgram、Takemura、Utsumi 與 Kishino (1994)提出的真實-虛擬連續性(Milgram’s Reality-Virtuality Continuum)，表 達真實與虛擬之間的連續性，其連續性與真實和虛擬程度如圖 2-1 所示，真實環 境與虛擬環境混合的環境稱為混合實境(mixed reality, MR)，其中，以真實環境為

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主要情境增加虛擬資訊的環境稱為擴增實境(augmented reality, AR)，以虛擬環境 為主要情境增加真實互動感受的環境稱為擴增虛境(augmented virtuality, AV)。

圖 2-1 擴增實境與真實世界及虛擬環境關係圖(Milgram, Takemura, Utsumi, &

Kishino, 1994)

(一) 結合真實世界與虛擬環境：

過去數位學習環境中，多半是採完全虛擬化的方式呈現模擬環境，學習者 沉浸在設計者打造的虛擬環境下進行實驗活動；擴增實境則結合周遭環境，在 真實世界中擴增出其他資訊，例如：文字、圖像、影片、動畫及3D 模型等。

(二) 與實體物具有即時互動性：

有別於虛擬環境學習者只能透過鍵盤滑鼠與模擬角色互動，擴增實境除了 可以與虛擬資訊、模型即時互動外，也可以利用雙手操作實際物體。其優點是 透過更直覺的雙手觸覺體驗，學生能獲得的經驗遠比使用鍵盤或滑鼠所能得到 的感受更為具體。

(三) 3D 定位環境：

擴增實境目前的定位方式分為兩種：其一為GPS 定位(Location-based)，可 以透過行動載具所發出的訊號偵測目前所在的位置，並且讓虛擬的資訊擴增在 真實世界中對應的位置上；其二為標籤式定位(Marker-based)，為一種透過設計 的圖樣，例如風景圖、人像圖或是任何富有複雜度的圖片，達到定位的目的，

透過行動載具將鏡頭瞄準該圖樣，即會出現相對應的動畫、3D 模型等資訊。

Mixed Reality (MR)

Real Environment

Virtual Environment Augmented

Reality (AR)

Augmented Virtuality (AV)

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由上述可知，擴增實境具有結合真實世界與虛擬環境的特性，透過虛擬3D 模 型、動畫播放、圖像資訊等功能，達到與學習者即時互動的效果。一方面除了擁 有虛擬環境裡所具備的聲光效果與模擬動畫外，另一方面也具備真實世界中的實 際操作性。因此，相較於虛擬環境的學習方法，擴增實境可以提供給學習者更多 元化的操作互動及使用體驗。

二、數位模擬

數位模擬能協助學生縮短真實與抽象知識間的距離，在模擬環境中搭配適當 的引導，可提升學生學習成效(Lee, 1999)。數位模擬所提供的虛擬環境可以將不 易觀察到的現象，用模擬的方式呈現給學習者，並且提供學習者嘗試錯誤，反覆 操作的機會。有研究指出，由於虛擬實境所提供豐富的多媒體效果，使得學習者 在虛擬環境中是比較有自信、有創意、及高參與度，並且對於學習保持正向愉悅 的態度(Loureiro & Bettencourt, 2014)。許多研究發現，在科學教育上運用數位模 擬，相對於講述式教學或是實驗教學將有更好的成效，數位模擬可以在教學輔助、

整合良好的課程結構設計以及引導學生在學習內容反省思考這些面向上發揮效 益(Smetana & Bell, 2012)。

由上述可知，虛擬環境提供學習者不同於真實世界的情境，在虛擬世界中，

任何事物都可經由軟體設計出來，因此對於一些課程內容中無法用肉眼觀察的現 象，透過虛擬實境所提供的優勢可以有效達成。

貳、數位學習環境在教育上的應用

以下分別就「擴增實境」及「數位模擬」等學習情境在各學科中的教育應用 進行分析探討：

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一、擴增實境在教育領域上的應用

擴增實境在教育領域中已有廣泛地應用(Bower, Howe, McCredie, Robinson, &

Grover, 2013; Zhou, Been-Lirn Duh, & Billinghurst, 2008)，例如 Chang 與 Liu (2013) 結合擴增實境與情境學習理論應用在臺南赤崁樓歷史古蹟導覽中，透過擴增實境 技術與行動學習系統，學習者可以在無所不在學習情境中結合故事情境，了解古 蹟背後的意義並增加學習歷史古蹟的興趣。

而Chen、Teng、Lee 與 Kinshuk (2011)將擴增實境應用於輔助英語閱讀理解，

英語學習者在閱讀文本時，常因缺乏足夠的閱讀背景知識與適當的閱讀策略，而 導致閱讀上的困難，藉由擴增實境，透過手機鏡頭掃描紙本上的 QR code，提供 學習者閱讀時相關的提示問題，研究發現此閱讀過程中的鷹架支持設計，可提升 學習者對紙本文字的閱讀理解學習成效。

另外，有研究將擴增實境應用在數學學習領域，在高中空間座標系的學習上，

部份學習者無法將立體透視圖與現實中的立體圖形作相關的聯想、亦無法形成正 確的心像。透過擴增實境虛實整合的特色，將虛擬空間座標、向量、輔助線與壓 克力教具模型相結合，學習者在動手操作時，能同時與虛擬、實體物件進行互動，

比起講述式學習環境，擴增實境學習情境在空間座標系與空間向量的單元可達到 較好的學習成效(蔡承哲, 2013)。

亦有研究針對擴增實境在化學學習的應用進行探討，由於學習者在學習化學 實驗之鋅銅電池原理時，教學者若僅透過畫板書與口述的方式，難以幫助學生了 解鹽橋實驗的微觀化學反應，透過擴增實境在硫酸銅溶液燒杯上疊加解離反應，

能幫助學習者了解正負極的化學反應變化，其研究發現，擴增實境實驗遊戲融入 體驗式學習循環之教學，能提升學習者在電化學反應概念之學習成效(廖邦捷, 2014)。

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二、數位模擬在教育領域上的應用

目前已有許多研究將學習教材設計在數位環境中供學習者學習。例如黃柏雅 (2015)以 Web-based Inquiry Science Environment[WISE] (Slotta & Linn, 2009)平台 為基礎，設計結合動態模擬與動手做活動的酸鹼課程，透過影片說明、JAVA 動 畫、手繪圖與動手做實驗學習活動，幫助九年級學習者了解微觀世界的酸鹼中和 反應以及改善酸鹼迷思概念。

而吳慧葳(2015)將數位遊戲式 APP 應用於高中學習者的物理力學學習課程，

研究結果顯示，數位遊戲式 APP 對高中學習者的物理力學概念學習成效比起講述 式教學較好，也能改善學習者的物理學習動機。

在電與磁教學中，3D 數位模擬環境能提供學習者動手操作實驗及直接參與 實驗的環境，使學習者除了觀察以外，也能自由動手操作、探索、觀察、研究，

進而提升學習者在自然科學領域學習成就(吳沂木, 2004)。也有研究指出，學生使 用平板電腦學習空間能力單元，結果顯示1.學生普遍希望用平板電腦取代傳統教 學，2.學生認為使用平板電腦較易學習空間能力概念，3.對於低空間能力的學習者，

在 平 板 電 腦 給 予 協 助 後 ， 可 以 正 確 的 解 答 測 驗 問 題(Saorin, Torre, Martn, &

Carbonell, 2013)。

綜合上述「擴增實境」及「數位模擬」的研究結果，兩者皆對於教學有正面 的幫助與刺激，使用擴增實境或是數位模擬學習環境，皆能使教學上無法詳述的 科學概念予以具象化，使學習者更方便觀察學習。然而，亦有相關研究指出，使 用擴增實境學習的學生，雖然同時具備虛擬環境的資訊及真實世界的操作經驗，

但相對而言，認知負荷也會隨著給予的訊息愈多而愈來愈重。為了降低資訊太多 所帶來的認知負荷超載，若能將遊戲化的因素帶入擴增實境及虛擬環境中，應可 有效降低認知負荷，讓學習變得更輕鬆有趣。

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參、數位模擬實驗在物理學習上的應用

數位模擬是在電腦環境中，透過程式模擬出真實的事物或現象，依照學習 目標，加以簡化學習內容並在互動過程中強調學習重點。學習者為了理解科學 抽象概念，需要在內化與知識架構組織上建立心智模型。例如學習者面對電流 磁效應概念時，學習者的心智模型需要涵蓋到的抽象性與不可視概念，難以與 真實生活經驗做連結，所以產生理解電磁概念上的學習困難。已有許多研究發 現，整合不同的科技環境輔助科學實驗學習，能幫助學生理解在真實世界中難 以觀察的模型、系統以及過程，而每一種科技皆存在特色與局限性設計者需依 照學習內容謹慎的進行科技融入(Wang, C.Y. et al., 2014)。

對於物理科電磁學領域的初學者，磁場因為其複雜與不可見的特性，而有 學習困難，Matsutomo、Mitsufuji、Hiasa 與 Noguchi (2013)利用擴增實境技術，

將使用者移動磁鐵的動作與磁力線向量分布做出即時整合的效果，並在控制台 介面中，讓學習者能自由決定磁力線的顯示與否、磁鐵周圍網格顯示疏密以及

將使用者移動磁鐵的動作與磁力線向量分布做出即時整合的效果，並在控制台 介面中，讓學習者能自由決定磁力線的顯示與否、磁鐵周圍網格顯示疏密以及