數位教材設計

「幻影迴旋 星際傳奇」學習活動是以 5E 探究學習環為理論架構設計的遊戲 學習活動，希望藉由模擬磁鐵磁力線、電流流動特性與載流導線在磁場中的交互 作用等情境，結合遊戲互動與動手做實驗引發學習者興趣，讓學習者在數位學習 環境下探索單極馬達物理實驗的相關概念，學習者在活動中填寫學習單，思考電 流與磁場在單極馬達實驗中的交互作用相關概念。以下就學習內容與學習目標、

遊戲設計發展工具、數位科技環境、5E 學習環活動設計與學習活動內容分別說明。

壹、學習內容與學習目標

本研究根據教育部普通高級中學必修科目「基礎物理(一)」教材綱要第五章

「電與磁的統一」單元之「電流在磁場中所受的磁力」課程概念發展之補充教材。

圖3-3 單極馬達實驗知識架構圖

本教材之學習目標是要讓學習者瞭解電流與磁場交互作用相關概念。單極馬 達實驗之知識架構如圖 3-3 所示，課程學習內容包含「柱形磁鐵特性」與「單極

單極馬達實驗

柱形磁鐵特性

柱形磁鐵的極性

磁鐵極性產生之磁力線 三維空間中柱型磁鐵之磁場

單極馬達旋轉原理

載流導線在磁場中的受力

載流導線在磁場中的旋轉方向

載流導線在磁場中的旋轉快慢 三維空間電流與磁場交互作用

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貳、遊戲設計發展工具

圖3-4 Unity3D 編輯介面

「Unity3D」遊戲引擎具備靈活且高性能的視覺化編輯介面，此平台之 Unity Asset Store 資源商店提供了豐富的支援套件，讓遊戲開發者自行規劃與設計遊戲 場景。Unity3D 支援匯入 3D 角色模型，並控制材質貼圖、物理碰撞、粒子系統、

燈光與陰影等變化，以創造出豐富的互動式模擬環境。Unity 編輯介面分為「場景 建立區」、「畫面預覽區」、「物件編輯區」、「素材內容區」及「細部功能區」，如圖 3-4 所示。設計者使用 Qualcomm 公司所建立的「Vuforia」行動視覺平台，可編製 擴增實境辨識圖像，以開發符合課程目標及遊戲趣味性的互動式數位內容。

本研究之課程內容，以 Unity3D 遊戲引擎搭配 Vuforia 軟體開發套件，建置 於Android 平台上，開發結合教育與遊戲內容的實驗-「幻影迴旋 星際傳奇」。

細部功能區 場景建立區

畫面預覽區 素材內容區

物件編輯區

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圖3-5 Microsoft Visual Studio 編輯介面

程式撰寫的編輯介面如圖3-5 所示，研究者使用 Microsoft Visual Studio 整合 式開發環境編寫C#程式語言，以控制擴增實境與數位模擬環境應用程式中，虛擬 物件與圖形化使用者介面之間的互動行為，例如辨識Marker、切換關卡等。

圖 3-6 Autodesk Maya 2014 之 3D 模型編輯介面圖

Autodesk Maya 2014 提供設計者視覺化環境建置 3D 模型，如圖 3-6 所示。

單極馬達的線圈建模

透過程式的「鏡頭自動對焦」函數 強化影像辨識穩定度

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參、數位科技環境

一、擴增實境數位學習環境與實體教具內容

本研究之單極馬達實體教具包括：1.磁鐵 3 個(柱形、馬蹄形、長條形)。2. 1 號碳鋅電池1 個。3.矩形銅線線圈 3 個(焊有不同電阻，相同燈泡)。4.擴增實境辨 識圖卡5 張。5.電池墊片 1 個。6.自製磁力線觀察盒 1 個，詳如圖 3-7 所示。

圖3-7 單極馬達實驗教具與擴增實境辨識圖卡

學習者透過學習單的引導，在平板電腦「幻影迴旋 星際傳奇」遊戲獲得與 實驗相關的虛擬資訊，動手操作電池與銅線教具進行實驗操作，操作情境如圖 3-8 所示。

圖3-8 擴增實境學習環境單極馬達實驗情境圖

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二、數位模擬數位環境與實體教具內容

圖 3-9 擴增實境組利用平板電腦調整單極馬達旋轉方向時，與實體教具同步疊合 學習的互動狀況

圖3-10 數位模擬組直接利用平板電腦調整虛擬單極馬達的旋轉方向，以了解單極 馬達的運作

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Engagement

引 起 學 習 者 的 注 意

Exploration

以任務的方式來挑戰

Explanation

引介對概念、過程或

Elaboration

挑戰及延伸學習者對

Evaluation

評估對概念的理解程 度與技能的應用能力

以單極馬達實驗情境設計遊戲進行評量

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本研究在數位學習環境中融入遊戲劇情引起學習者的好奇心，透過實驗操作 與遊戲任務，使學習者能探索實驗內容以獲得學習經驗。同時學習者將依循學習 單步驟，進行任務，透過學習單步驟的引導，一邊動手實作，一邊思考實驗意義，

並在學習單上回答電流與磁場相關問題。

本研究之遊戲任務融入單極馬達重點概念，讓學習者在遊戲與學習單的輔助 下，循序漸進的做單極馬達實驗。所有教學活動結束後進行單極馬達學習成效測 驗，學習者將能在整個實驗過程中，體驗電流與磁場交互作用的探究學習。

二、學習活動內容

本研究之「幻影迴旋，星際傳奇」遊戲學習活動目的是幫助學習者透過探究 實驗與遊戲，學習電流與磁場交互作用的概念及應用方式，進而提升學習成效與 學習動機。5E 學習環在實驗教學中扮演著建構知識的角色，對於學習者學習新知 識時，能夠與舊有的知識作整合，實驗課程中設計數位模擬情境，具體呈現抽象 的磁力與電流現象。不論是在擴增實境組或是數位模擬組，學習活動內容皆為研 發火種源中的魔幻力量、啟動隕石防護盾、變換隱形力場與即刻防禦，兩種數位 學習環境之學習任務，皆以線性的方式依序進行學習流程。

「幻影迴旋，星際傳奇」遊戲依據單極馬達實驗學習內容與目標規劃學習活動內 容，包含學習活動主題、學習目標、任務名稱及學習活動內容，如表3-4 所示。

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級風暴的襲擊。隱形力場的形成需考量火種源與魔法石兩種能源的基本特性，提 升火種源與魔法石能量。使用者在任務情境中，逐步探索火種源與魔法石的特性，

正確過關即可增加研發能量，使用者須一邊依照指示，一邊動手移動火種源與魔 法石並加以組合，研發能量隨任務進行狀況而增減，當單極馬達開始旋轉且研發 能量達到150 等級時，啟動遊戲情境中的地球防護盾，防護盾的旋轉可以產生隱 形力場，以抵禦地球免於超級風暴，完成任務目標，故事情境如圖3-11 所示。

圖3-11 遊戲選單和載入畫面，說明學習者在遊戲中的角色與任務目標 (二) 學習活動教材

本研究考量多媒體內容呈現方式之差異，建置兩種不同的數位學習環境，分 別是擴增實境遊戲與數位模擬學習遊戲，兩種學習環境之學習活動內容皆為「幻 影迴旋-星際傳奇」遊戲，以下就擴增實境遊戲與數位模擬遊戲之學習活動教材進 行說明。

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1. 擴增實境遊戲教材

圖3-12 擴增實境組 – 磁鐵磁力線畫面

圖3-13 擴增實境組 –磁鐵數目對單極馬達線圈旋轉效果之畫面

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2. 數位模擬遊戲教材

圖3-14 數位模擬組 – 磁鐵磁力線畫面

圖3-15 數位模擬組 – 磁鐵數目對單極馬達線圈旋轉效果之畫面

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(三) 「幻影迴旋-星際傳奇」學習單

本研究依據不同的數位學習環境設計學習單，分為「擴增實境組學習單」

和「數位模擬組學習單」，兩組學習者之遊戲任務順序皆為「研發火種源中的魔 幻力量」、「啟動隕石防護盾」、「變換隱形力場」及「即刻防禦」，實驗操作相關 教具內容包含1 號電池、銅線線圈、柱形磁鐵，學習者在實驗過程中依學習單 步驟，配合數位學習環境的引導，逐步動手移動電池與銅線線圈之位置，將觀 察結果紀錄於學習單 (詳細內容如附錄一)。

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