電腦輔助教學與學習成效

近年來電腦輔助教學與學生學習成效之間關係的研究，可列舉如下：

一. Bangert- Drowns, Kulik & Kulik（1985）等人分析了1968-1982年間有 關電腦輔助教學成效的四十二篇文獻，發現電腦輔助教學對中學生的學 業成就有正向的影響，且影響學生對電腦及學科的態度。對小學生及低 成就學生的學習效果較佳，可縮短學習的時間且易引起學習動機。

二. Roblyer, Castine & King（1988）分析 1980 至 1987 年的文獻，發現 應用電腦輔助教學，大學生和成人的學習成效高於小學生和中學生，科 學課程的學習成效優於數學及語文課程，低成就學生學習成效提升高於 一般學生。

三.電腦輔助教學可提升學生學習成就，減少學習時間，改善學生的學習興趣 與態度（ 李吟,民80 ；Casteel,1989；Hannafin,1984）。

四.電腦輔助教學確實比傳統式教學顯著地增進學生科學學習成就（董家莒、

張俊彥，民88；Chang，2000；Hughes，1974；Cavine & Lagowski，1987；

Geban，Asker& Ozkan,1992）。

五.多媒體輔助教學可增進學生學習成效與引發學習動機（吳鐵雄，民81；董 家莒、張俊彥，民88 、Chang，2000）。

六.由教師主導電腦輔助教學軟體的學生，其學習成效優於自行操作的學生

（張俊彥，陳盈霖，民89）。

七.Cavin,Cavin & Logowski（1981）研究發現，實施電腦輔助教學的實驗組 和傳統教學方式的對照組在學習成就上無顯著差異。

八.Dillshaw & Bell（1985）以電腦設計的教學對學生邏輯思考的技能並沒 有顯著增長。

以往的電腦輔助教學，礙於電腦硬體設備計算能力及軟體支援不足，只能以 平面方式呈現，使用者需再轉換為立體的空間想像，而影響學習成效。近年來電 腦功能進展神速，又有多款軟體的充分支援，發展 3D 立體化的虛擬實境電腦輔 助教學，已非遙不可及的夢想。

第六節 虛擬實境簡介

Joe Gradeck(1995)對虛擬實境（Virtual Reality）下的定義—虛擬實境 是讓使用者從任一點或任意角度去觀察所虛擬出的世界，而這虛擬世界中的任 何物體也能與使用者產生互動。虛擬實境（Virtua Reality；VR），統稱人造 環境（Artificial Environmet）、人造世界（Artificial World）或虛擬環境

（Virtual Environmet）（石岳峻，民83）。虛擬實境（Virtual Reality）是 藉由電腦以一種「虛擬」的環境來模擬「真實」世界的技術，能讓使用者有置 身其境的感覺。虛擬實境就是一種幻覺，而這種幻覺是由電腦所模擬出來的，

經由我們的感官，產生一種令人難以分辨真假的感覺（許秀影等合著，民89）。

虛擬實境係模擬真實場景的多媒體電腦技術，以電腦模擬畫面結合互動式硬體 週邊設備(如立體眼鏡、頭戴式顯示器、感應手套等)，使參與者產生身歷其境 之感受。人們可以與三維立體空間內的事物進行互動，除了觀看之外還可以操 作其中的物件，更可以在這空間中自由的走動，讓人們成為事件的參與者，使 原本虛幻的想像空間轉變為真實的，進而可以看得到、聽得到、觸摸得到。

在二十世紀，人們將想像力與電子學結合在一起，為虛擬實境的發展建立 基礎。而今又將電腦技術實踐於虛擬實境中（JoshuaEddings 著，石祥生譯，

民84）。未來虛擬實境的技術將隨著電腦資訊的發展更加成熟，且更普及、更 為大眾所接受。以下為虛擬實境的演進（董基良等，民91）：

一. 西元1965 年，Ivan Sutherland 提出「Ultimate Display」，介紹以電 腦顯示三度空間圖像的觀念。

二. 西元1968 年，Ivan Sutherland 建立第一個頭盔顯示器。美國國防部發 展網路系統，建立了TCP/IP 標準，促成Internet蓬勃發展。

三. 西元1971 年，UNC 公司發展第一個觸覺回饋器（Tactile Feedback）的 手操縱系統。

四 . 西 元 1984 年 ， NASA Ames 建 立 第 一 個 立 體 的 頭 盔 (Head Mounted Display,HMD)。

五 . 西 元 1985 年 ， NASA Ames 建 立 電 腦 工 作 站 之 虛 擬 介 面 環 境 (VirtualInterface Environment Workstation,VlEW)。VPL 公司成立，

推出DataGlove 手套。

六. 西元1988 年，Scott Fisher 和E.Wenzel 發明了第一個具有合成四個虛 擬3D 聲源的系統。

七. 西元1989 年，Autodesk 公司首先推出PC 之虛擬實境系統。華盛頓大學 成立「Human Interface Technology Lab」，專注於虛擬實境介面及應 用技術之發展，並為波音公司開發VTOL(Vertical Take Off and Landing) 系統，做為飛行模擬之用。Fake Space Lab 成立，發展出「Boom」。Boom 為一具有多軸運動功能，機械結構類似機械臂的觀測器裝置，操作者可 移動機械臂以改變螢幕影像視角。

八. 西元1990 年，北加州大學發表了一個虛擬環境系統“GROPE＂，使用者 能操作螢幕或HMD 中的物件，並且有力回饋的感覺。

九. 西元1991 年，Sense8 World ToolKit 為個人電腦提供商用的虛擬實境 軟體。

十. 西元1992 年，芝加哥大學發展“CAVE＂。CAVE 為一具有三個投影螢幕 的三度空間影像投射系統。Division 發表多人使用(Multi-users)的虛 擬實境系統。

十一.西元1993 年，昇陽公司(Sun Microsystems)實驗室發表百萬圖元頭盔 顯示器Sparcchair 的原型。

十二.西元1994 年，虛擬實境系統(包括電腦、軟體、手套及頭盔顯示器)價 格已經可以低於5000 美元。Mark Spece 等人制定VRML 1.0 標準將虛 擬實境帶上網路。

十三.西元1995 年，芝加哥伊利諾大學開始研究將VR 技術整合高頻寬網路系 統“Tele-Immersion＂。

十四.西元1996 年，Tokyo Institute of Technology 發表CAVE 設計人機介 面裝置SPIDAR，它能空間定位並讓使用者感受到力回饋效果。

十五.西元1997 年，華盛頓大學發表光學式追蹤系統的原型。

十六.西元1998 年，芝加哥伊利諾大學發表個人化“Tele-mmersion＂系統。

十七.西元1999 年，日本東京大學發表可攜式力回饋系統“HapticGEAR＂。

十八.西元2000 年，加拿大亞伯達大學為CAVE 發表低價位的無線光學式追蹤 系統。

十九.西元2001 年，美國EON Reality 於6 月20 日發表新版本EON3.0.1。EON 與Virtools 公司同時參展SIGGRAPH2001(Los Angeles, CA, USA)。

若依其視覺產生的方式與建構的方式來區分虛擬實境系統。依據虛擬實境所 產生的視覺效果及其設備分為桌上型（Desktop VR）、模擬型(Simulator VR)、

投射型(Projection VR)、融入型(Immersion VR)四大部份，其特色比較如下（董 基良等，民92）：

一.桌上型虛擬實境(Desktop VR)使用滑鼠、軌跡球、搖桿等做為輸入設備，

三.投射型虛擬實境(Projection VR)－ 視覺的產生方式是以多個投射機架 於使用者四周，將整個虛擬場景投射在使用者的周圍，利用偏光鏡來產 生立體感。適用於大型空間、多人觀賞的情況下，多用於大型會議、展 覽、以及娛樂事業上。

四.融入型虛擬實境(Immersion VR)－為感覺最真實者。需配有特定的設備如 頭盔顯示器（Head Mounted Display，HMD）、3D 滑鼠(Fly Mouse)、追 蹤器(Tracker)或資料手套(Data Glove)、立體聲音裝置、感官輸出裝置 等，讓使用者可以有完全融入的感覺。利用融入型虛擬實境系統來引導 實際的訓練， 學習者可以體驗到栩栩如生的環境， 並能直接進行互動 操作。

若依據虛擬實境不同系統的建構方式， 可區分為物件式 （Geometry-based VR）、影像式（Image-based VR）、混合式（Hybrid VR）及擴張真實（Augmented Reality, AR）四種（董基良等，民92）：

一.物件式虛擬實境（Geometry-based VR）利用3D Model 建構軟體（如 SolidWorks、AutoCAD、3DS MAX....）建構所需的場景物件，再利用虛 擬軟體的編輯，給不同的物件不同的屬性，結合特定的裝置以達不同層 次的互動效果。其互動性佳，讓使用者如置身於三度虛擬空間中，可自

由的四處遊走，提供立體視覺效果；其製作過程難度較高，硬體配備需 求較高，此式的電腦的計算能力要求較高。

二.影像式虛擬實境（Image-based VR）－強調真實影像的呈現。它是以相機 固定在一點，每次繞固定的角度拍攝，直到拍完360˚，再將之接合得到 一個環場的影像，利用影像比對（image matching）算出兩張照片的重 覆部份，將之消去，並將影像柔化（smoothing）以消除兩張像片間的亮 度差異。這方面的產品有Apple 的QuickTime VR, RealSpace 的RealVR 及工研院電通所的PanoVR（李汪曄等合著）。影像式的虛擬實境場景是 由真實世界拍攝而得，可以大量的減少3D Graphics 繪圖運算能力，沒 有運算延遲問題等優點，但是缺乏互動且無場景之景深等缺點。

三.混合式虛擬實境（Hybrid VR）－混合式虛擬實境是利用影像式虛擬實境 的全景影像當作場景，再以物件式虛擬實境形式，加入其他不存在場景 中的物件，結合了物件式與影像式的部份優點，可以大量減低幾何圖形 計算的時間，增加處理的速度，同時也可以增進影像式虛擬實境的互動 性，配合網際網路的風行，發展潛力十足。

四.擴張真實虛擬實境（Augmented Reality,AR）-AR(Augmented Reality) 是虛擬實境的一種特殊應用，結合真實物體與虛擬影像，將虛擬影像投 射在真實影像中而產生，可以增加更高的真實性。

虛擬實境技術在現今應用的領域相當廣泛，以下為虛擬實境技術在各界的應 用狀況（蕭丞鈞，民90）：

一.應用在娛樂領域：

（一）電腦遊戲及電動玩具機：如The Vivid Groupe 公司於1994 年7 月 的Siggraph 展中，發表「Mandala」。，玩者不須佩帶任何設備，

（二）虛擬電影院：觀眾坐在特製的座椅上，可隨劇情起伏，產生轉彎、

七.應用在軍事領域：包含教育訓練及工程研究。軍事專家利用超級電腦規劃 出未來所需要的武器，並且以虛擬實境的技術模擬出武器的功能以及配 備，可以節省大量的成本，改進武器的功能。

八.應用在太空領域：太空訓練、模擬駕駛…等。如1993 年美國NASA 為訓 練哈柏太空望遠鏡維修小組所設計出來的虛擬環境。

九.應用在藝術領域：動態藝術、虛擬音樂、虛擬演員等。如1999 年由虛擬 實境研究中心為互動式戲劇所發表的以Script 為基礎的虛擬演員控制。

十.應用在監控領域：電信網路、交通監控、即時性股市行情顯示、分析等。

十一.應用在科學視覺化領域：行星表面重建、分子結構分析、虛擬風洞試 驗.等。如NASA(美國太空總署)的Ames 研究中心，就利用虛擬實境技 術讓科學家在模擬風洞中「遊走」，科學家可以從不同的角度觀察風 洞的模樣。

十二.應用在網路領域：即時性、互動式的廣告、虛擬銀行、互動式教學、

遊戲.等。

第七節 建模工具-3D Studio MAX及遊戲引擎-Virtools

由上一節的討論可知建構虛擬實境的方式狠多，建構成本相差很多，產生的 效果也各異，本研究限於成本及設備，採用成本較低的桌上型虛擬實境，應用的

由上一節的討論可知建構虛擬實境的方式狠多，建構成本相差很多，產生的 效果也各異，本研究限於成本及設備，採用成本較低的桌上型虛擬實境，應用的