數位學習環境

數位學習隨著資訊科技與科技媒體的發展，目前已經漸漸茁壯，許多創新的 教材也隨著愈來愈多研究者的投入變的更加多元，本節將針對數位學習環境進行 介紹，將分別就「數位學習環境類型」、「數位學習環境在教育上的應用」及「數 位學習環境結合實驗在學習上的應用」等三部分進行詳述：

壹、數位學習環境類型

隨著科技的突破及創新，目前的數位學習境類型琳瑯滿目、五花八門，本研 究將針對國中一年級學生之凸透鏡成像概念單元設計兩種數位學習環境，分別為

「擴增實境」與「虛擬實境」兩種類型。以下分別就「擴增實境」、「虛擬實境」

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，透過虛擬環境與真實世 界結合的特性廣泛應用於軍事、醫療、工業維修、遊戲及教育上(Lee, 2012)。由 於擴增實境具有整合虛擬環境及真實世界的特點(Arvanitis, Petrou, Knight, Savas, Sotiriou & Gargalakos, 2007)，許多的教育研究者紛紛投入於這種新科技裡，試圖 利用虛實整合的優點應用在各式各類的學科中(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，另一方面還可以將虛擬資訊呈現在真實世界中。Azuma (1997)指出，擴增實境須符合以下三種定義，如圖 2-1 所示：

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圖 2-1 擴增實境與真實世界及虛擬環境比較（Milgram, 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，學生沉浸 在設計者打造的虛擬環境下進行實驗活動；擴增實境則可以與我們周遭環境結合，

在真實世界中運用擴增實境技術擴增出其他資訊，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虛幻的 NPC 或是其他模擬角色 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。這樣的好處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 鍵盤滑鼠所能得到的感受更為強烈。

(三) 3D 定位環境：

擴增實境目前的定位方式分為兩種：一種為 GPS 定位，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；另一種為標籤式定位(Marker based)，為一種透過設計的圖樣，圖樣可 以是一張風景圖、人像圖或是任何富有複雜度的圖片。只要透過行動載具將鏡頭 掃到該圖樣，即會出現相對應的動畫、3D 模型等資訊。

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

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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 多樣性的操作可能及使用體驗。

二、虛擬實境

隨著科技的進步與發展，個人電腦演變先從最早期的桌上型電腦，接著由於 其不具有攜帶性，因此筆記型電腦問世了，筆記型電腦憑藉著其方便性及功能性，

不僅在業界、教育界或者其餘行業都普遍使用著。不過近年來隨著行動市場的普 及，筆記型電腦已漸漸被手機及平板電腦等行動裝置取代(柯俊宇、賴榮裕，2012)。

虛擬環境可以將學習者不易觀察到的現象，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(Huang, 2005)。也有研究指出由於虛擬實境 所提供豐富的影音效果，使得學習者在虛擬環境中是比較有自信、有創意、參與 度高並且對於學習保持正向愉悅的態度(Loureiro & Bettencourt, 2014)。

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幫助解決。

貳、數位學習環境在各領域上的應用

以下分別就「擴增實境」及「虛擬實境」兩種不同的學習情境在各領域中的 教學應用進行分析探討：

一、擴增實境各領域上的應用

擴增實境已被廣泛地應用在許多行業中，以下將指出各研究在擴增實境領域 的應用。Cuendet、Bonnard、Dokenh 與 Dillenbourg (2013)將擴增實境教材應用 在技職進修專班中倉儲管理的學習課程，由於現實環境中無法實際針對具有一定 規模的倉庫進行實際試驗學習。在人力、物力及場地成本都不足的情況下，透過

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擴增實境技術結合實際倉儲模型的擺放，幫助學習者在模擬的情況下進行倉儲系 統管理的學習。

Wabel、Bockholt、Engelke、Gavish、Olbricj 與 Presche (2013)將擴增實境應 用在學習機械組裝上，由於傳統技術傳授方式限於一對一指導及錄製影片，常會 有機械組裝技術傳承的情形發生，透過擴增實境可以達到同步組裝及步驟引導的 效果。另亦有研究指出使用擴增實境於汽車工業的維修，在對於教學成本及教學 時間的控制上相較於傳統面對面指導方式更能幫助學習(Debernardis & Monno, 2014；Fiorentino, E-Uva, Gattullo, 2014；Lee, 2012)。

Wen、Tay、Nguyen、Chng 與 Chui (2014)則針對擴增實境在醫療上的應用進 行探討，研究指出擴增實境對於外科手術的模擬輔助可以有效幫助新手醫生建立 手術的經驗、自信心及成功率。Nikou, Digioia III、Blackwell、Jaramaz 與 Kanade (2000)亦指出，使用擴增實境可以減少使用具有輻射線的 X 光，並且可以幫助醫 生進行簡單的微創手術。

二、虛擬實境各領域上的應用

虛擬實境在教育上的應用：目前已有許多研究將數位教材放在平板電腦上供 學習者學習，例如：陳宜均 (2012)指出國小學生使用 iPad 平板電腦學習以科學 實驗為主題的單元時，對於學習的滿意度皆有良好的成效。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) 學生覺得使用平板電腦學習空間能力概念會比較了解 (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, Martin & Carbonell, 2013)。

綜合上述「擴增實境」及「虛擬實境」發現，兩者皆對於教學有一定的幫助 與刺激，許多在教學上無法詳述的自然現象，使用擴增實境或是虛擬實境皆可以 使之具象化以方便學習者觀察學習。然而，Wu、Lee、Chang 與 Liang (2013)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

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驗，但相對而言認知負荷也是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。

參、數位學習環境結合實驗在學習上的應用

國中自然科學實驗的目的在於培養學生分組討論、互相合作及解決問題的能 力，在實驗過程中除了可以學到單元知識外，還可以了解分工合作的重要性及實 驗所帶給學習者的意義(教育部，2008)。其中，若能在數位模擬環境下加入遊戲 的元素，將會使實驗過程更為有趣，並且對於學生的概念理解及問題解決皆有正 面成效(Ke, 2008)。亦有研究指出，當學生沉浸於數位遊戲環境中，對於學習有 相當的幫助。透過操作遊戲中的虛擬角色，並與遊戲裡的非玩家角色對話等，相 對於傳統教科書陳述性的文字內容，更能達到學習成效(Bara, Scott, Siyahhan, Goldstone, Ingram-Goble, Zuiker & Warren, 2009)。然而擴增實境結合遊戲除了可 以達到趣味的成分，其新奇的呈現方式，對於初次接觸的學習者而言也是相當特 別的經驗(Cheok, Hwee, Wei, Teo, Lee, Farbiz & Ping, 2004)。由於擴增實境是以第 一人稱視角在真實世界中與虛擬物體互動，有別於虛擬實境第三人稱方式更具有 臨場感(Von Der PüTten, Klatt, Broeke, McCall, Krämer, Wetzel, Blum, Oppermann

& Klatt, 2012)，並且在擴增實境遊戲中所習得的知識概念也較容易遷移至真實經 驗中(Echeverría, Améstica , Nussbaum , Barrios & Leclerc, 2012)。另外擴增實境具 有結合實體環境物體的功能，可以將實際的操作經驗結合抽象概念幫助學習者建 構知識概念(Ibanez, Serio, Villaran & Kloos, 2014)。因此，由上述所示，若能適切 的應用遊戲於數位學習環境中，對於學習者不僅是學習成效表現或是動機上，皆 有明顯的幫助。

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