系統規劃

本研究的目的之一，是發展情境感知系統輔助戶外教學。本系統的設計是與 一位國小自然科教師合作，研究者先赴學校實際觀察教師的授課情形，並針對教 師的戶外教學進行討論；同時並提供 PDA 供教師使用，及協助其瞭解 GPS 的功能。

經過多次往返的討論後，我們規劃出本學習系統的功能應包括：地圖導覽、路徑 記錄以及地圖編輯三項主要功能。分別描述於下。

壹、地圖導覽

戶外教學時，若學生能自行探索教學地點，自主性的安排觀察時程，不僅可 以兼顧不同程度學生的學習速度，也可以讓教學變得更有效率。教師表示傳統的 戶外教學課程，往往是學生跟隨教師的腳步進行探索觀察，常會發生全班學生聚 集在同一觀察地點，造成部分同學無法順利觀察的情況。若本系統可以克服此項 問題，讓學生自行到達各個教學地點，分散人潮使得每個學生都有確實觀察的機 會，則可增加學習效率。是以研究者與教師認為地圖導覽是系統中極為重要的功 能，讓學生可以隨時知道自己的位置，也能夠知道教學地點的位置，並自行前往。

為了達到上述功能本研究使用 GPS 進行定位，在此介紹系統所擷取的 GPS 訊號、

定位誤差考量以及採用的地圖類型，分述如下：

一、GPS 訊號考量

在此使用 Microsoft 所設計的 Visual Studio 2005 做為研發工具，使用內 建的 RS232 串列通訊協定抓取 GPS 接收器的資料，再以資料流的方式分析 GPS

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資料中有用的資訊。大部份的 GPS 接收器都具備美國國家海洋電子學會（The National Marine Electronics Association；NMEA）所制定的標準規格，NMEA 定義了多種 GPS 資料格式，每種格式輸出的頻率不盡相同，在本次研究中採用 GPRMC 格式，此種格式輸出頻率預設為 1HZ 也就是每秒可以輸出一次資料，以此 確保提供學生所在位置即時資訊。NMEA 格式所傳輸的資料採用美國國家標準資 訊交換碼（American Standard Code for information Interchange；ASCII）， 以句子（Sentence）為一個有效資訊分節，每個句子以$為起始位置，資料內容 包括經緯度、時間及日期等。GPRMC 的資料格式以例子方式呈現$GPRMC,055148,A, 2407.8945,N,12041.7648,E,000.0,000.0,061106,003.1,W*69 說明如表 3-1：

表 3-1 GPRMC 格式

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料，並更新於畫面之中，讓使用者可以即時觀察自身移動之位置。

GPS 定位系統是戶外定位最簡便且容易的一種方式，卻有 10 公尺的誤差以 及衛星訊號易被遮擋的問題。本系統主要設計目的在於輔助學生戶外教學，期望 學生能夠在未知的區域使用本系統做為地圖導覽、指引地點以及紀錄資訊的工 具。當學生走到教師安排的教學地點時，系統將會主動彈跳出小視窗提醒學生到 達正確位置。但教學地點的位置是以經緯度作為標示，若要等學生走到完全相同 的經緯度才彈跳出資訊，這種要求將太過困難且不切實際。

考量學生很難走到與教學地點完全相同的經緯度位置，在設計系統時特別提 供一個可以調整的參數設計，用以決定當學生走入教學地點方圓幾公尺內時彈跳 提示圖片。教師可以根據不同的地點以及不同的 GPS 訊號強度調整這個參數，以 調整更適宜教學活動的系統環境。進行校園植物教學時，因民生國小處於高樓林 立的市區 GPS 定位較不精準，並考量學生對於校園環境較為熟悉，僅需走到教學 地點附近即可找到正確位置。此時的參數設定擴大為 10 公尺，系統只需要偵測 到學生與教學地點相距 10 公尺，就會彈跳出圖片提示資訊。關渡自然公園戶外 教學時，則考量當地環境較為空曠，附近沒有高樓阻礙 GPS 衛星訊號。參數設定 為 2 公尺，提升整體的定位精準度，雖然在此時理論上最大的誤差有可能是 12 公尺，但是在實際使用上因為地形空曠的因素，幾乎感受不到誤差的存在。整體 而言在定位不精準的地區，學生的經緯度位置更難與教學地點相符合，勢必需要 加大參數的設定，使得定位誤差加大。反之若在空間開闊地區，參數可以設定較 為精細，使得定位更為精準。

三、地圖類型考量

經過研究者與授課教師討論時，曾考量自行拍攝地圖或學生繪畫地圖最後則 是採用 PAPAGO 地圖。初期教師認為採用自行拍攝地圖，可以讓學生容易了解戶 外植物分佈，看著圖片就可以了解自己所在的位置。如圖 3-1 學生僅需直接點選 圖片上的植物，就可以連結出植物資訊並填寫學習單。

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圖 3-1 民生國小校園ㄧ景

戶外教學前研究者與教師模擬試作完畢後，發現這種地圖呈現方式有四個缺 點：（1）植物眾多，大型植物容易擋住小型植物造成觀察上的不便。教師表示有 許多值得觀察的草本植物或是小型木本植物，在這種照片中容易被大型的植物擋 住，造成學習活動規劃上的困難。（2）合宜的照片難以取得，雖然各個區域周圍 都有學校樓房可以俯瞰而下，但是難以照出適當觀察學習的照片。若照片壟罩全 景容易造成植物畫面過小，造成觀察不便；若要讓植物較為清晰又勢必得要放大 該區域，使得其他植物無法入鏡。（3）斜向空照圖使 GPS 難以定位，GPS 難以在 這種斜向的地圖中成功的標示出學生所在位置，學生會發現自己的位置跟地圖標 示的位置不同，定位困難會造成認知上的混淆。（4）斜向的空照景觀只符合某方 向的特定視角，當學生從另ㄧ方向進入教學地點後，可能無法對照出自己的位 置，需要額外的時間了解地圖的方向，失去了使用地圖導引學生學習的目的。發 現上述缺點之後，研究者和教師決定採用學生繪畫之地圖。

學生繪畫地圖可以突顯教學植物，達成教學需求。教師認為相較於現實生活 的照片，學生或許會較容易接受其他學生眼中的世界，並且因為繪圖的關係，可 以不用擔心小型植物被大型植物擋住而被忽略的情況，突顯教師規劃的教學植 物。與教師規劃討論之後研究者先於網路上擷取庭園景觀設計圖，並以此和該名 教師討論此種教學方式是否可行，如圖 3-2。

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圖 3-2 庭園景觀圖（http://goods.ruten.com.tw/item/show?11070625663995）

研究者與教師討論之後發現使用這種繪圖有幾個問題：（1）學生需要額外時 間繪圖，當教師詢問繪畫技巧較高的幾個同學後，發現學生的意願很高，但是卻 沒有額外的時間可供學生繪圖。學生勢必得要使用午休時間或是下課時間繪畫，

將會侵占學生的休息時間。（2）地圖與地圖間不易連結。以該校為例，當學生位 於民生園中，PDA 將呈現民生園的繪圖，但當離開民生園接近操場時，地圖又勢 必須調整成為操場的地圖。兩種截然不同而又互相獨立的地圖，難以引導學生於 陌生環境中觀察學習完畢自主的前往另一學習地點。（3）場景難以擴充。校園內 尚有機會請學生先行繪畫地圖，但當活動延伸至關渡自然園區等遠離校園的地 方，要請學生畫出景觀地圖就變的相當困難且不實際。（4）植物所在位置不精準。

這種繪圖僅能請學生以他們的角度觀察，並且繪畫出教師指定的重點植物，並未 經過精準的測量。若要搭配 GPS 進行定位輔助教學，則這種繪畫上的不精準容易 造成學習觀察上的誤差。請學生繪製地圖不僅麻煩且不切實際，是以最後決定採 用 PAPAGO 的地圖搭配不同地區的教學網頁，輔助學生戶外學習。

PAPAGO 為研勤科技所研發的 GPS 導航系統，採用他們的地圖可以避免地圖 不精確的問題，並且容易取得任何地方的地圖。在此架構下學生可以直接看到校 園鳥瞰圖，教師再於地圖上標示出指定的教學地點，則學生可以清楚知道應前往 何處進行觀察，也知道共有哪些教學地點，自行安排時間。如圖 3-3 所示。

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圖 3-3 民生國小地圖

此種設計中學生可以直接看到校園地圖，並且了解學習活動地點，便於讓學 生結束一處的觀察後直接前往下一地點。當學生抵達學習地點時，系統可偵測出 學生位置並彈跳出對應該位置的實景圖片，用以提示學生已經到達正確位置。學 生點選該圖片後可以進入教師所規劃的教學網頁，閱讀網頁資訊並實際觀察植物 後再填寫學習單。最後研究者與教師一致同意採用 PAPAGO 的地圖，是較為精準 且適合的地圖。

貳、路徑記錄

路徑記錄可記錄學生到達學習地點的時間、離開的時間，讓教師能於事後觀 看學生的學習歷程，知道學生於何處花較多的時間觀察，以了解學習狀況。

系統設計開發前，教師曾提及傳統戶外教學通常是全班的學生聚集於同一地 點學習觀察，而這種模式常常造成學生互相推擠，只有少數位於前面的同學可以 真正詳細的觀看教師指定的植物。是以教師認為若系統能夠協助學生自主找到學 習地點，讓學生以分組的方式進行觀察，將可以有效的減少一群人聚集在一起的 狀況，提升戶外教學成效。教師在授課前曾考量為了讓學生確實分散，是否需要 為各小組規劃不同學習路徑。若要為每個小組規劃不同學習路徑，並且確保每個 學習地點不會有太多學生同時進行觀察，則勢必要限制每個小組在每個地點停留 的時間。但考量學生的各別學習差異後，若限制觀察時間勢必會犧牲某些速度較

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為緩慢的學生。在經過討論後教師同意與其限制時間讓學生無法詳細觀察，不如

為緩慢的學生。在經過討論後教師同意與其限制時間讓學生無法詳細觀察，不如