4-1 前言
依據Alessi & Trollip 發展電腦輔助教學軟體的八個步驟模式 (Eight-Step Model)，開發一個系統大致可分為下列步驟﹝2﹞：
1. 定義目標(Define Your Purpose) 2. 搜集資源(Collect Resource Materials) 3. 激發創意(Generate Ideas)
4. 組織創意(Organize Your Ideas)
5. 製作畫面(Produce Displays on Paper) 6. 繪流程圖(Flowchart)
7. 撰寫程式(Program)
8. 評鑑品質與效果(Evaluate Quality and Effectiveness)
前四個步驟，可視為「醞釀期」，包括需決定目標、蒐集與欲發 展系統之課程內容有關的資料，然後再進行構思，以創意的方式去表 現課程內容。
後四個步驟則可稱為「實作期」，也即要將組織好的創意，具體 的表現出來，並安排成合理的教學順序，同時將欲呈現之具體內容畫 在紙上。最後再根據上述之流程與畫面，以程式語言轉換為電腦可執 行的軟體。而在進行程式設計時之過程中，應隨時進行即時性評量。
軟體發展完成後，也應進行軟體評鑑。
電腦輔助教學為教育工作者提供了更有效的工具與環境。借重現 代科技之進步，現今的教學媒體更強調互動性、視覺性、情境化、遊 戲性、模擬性的設計，藉以提高學習者動機、增強理解力、激發想像
是當我們對電腦輔助教學寄予厚望的同時，卻發現許多開發出來的成 品粗製濫造、缺乏教學原則、介面設計不良、或無法達成課程目標等 諸多問題。對開發者而言，設計不良往往造成工作進度落後、與預期 不合、預算追加等問題。究其原因就是開發者對設計的不重視、缺乏 正確的發展步驟。因此，本章將會針對前一章所分析之重點來進行系 統的設計，並依設計的先後順序細分為(1)教學策略設計；(2)內容設 計；(3)流程設計與(4)介面設計等四個部份，詳述如下。
4-2 教學策略設計
在虛擬實境應用於學習上，有五個重要的議題：(1)可設計的參 與學習(Programmable Participation)；(2)自然的語意表達；(3)建構主 義(Constructivism)；(4)認知呈現以及(5)多人參與﹝19﹞。
1. 可設計的參與學習
創造環境讓學習者能夠參與，而學習者的行動直接決定他們學習 的內容。虛擬實境可提供多樣化的學習情境，既使在同一情境中，依 學習者個別的差異、興趣不同，也會產生不同的學習歷程與結果。如 果適當的設計虛擬世界中各物體的行為邏輯，也可成為智慧型的訓練 系統。
2. 自然的語意表達
大多數的科學都具有可現實化的部份，我們應先用較自然的現實 化解釋能力，而非在一開始便使用純文字符號、抽象形式來學習。
3. 建構主義
學習主要來自學習者在環境中的經驗，將課程教材隱藏起來，需 學習者自行注意、發覺並經歷而學習。
4. 認知呈現
在多人的虛擬實境中，彼此皆可看到對方的虛擬身影，但虛擬身 體的表現方式並不限定與真實世界的人類相互對應，如果由學習者扮 演物體，對於彼此認知上也會有不同的變化。
5. 多人參與
藉由多人共存於一個空間中，透過彼此協商而可達成意義建構的 目的。
以建構主義來設計虛擬實境的教學活動，藉由學習者在虛擬實境 中學習歷程的紀錄，可直接反應學習者的問題所在。而以虛擬實境作 為電腦輔助教學的工具，應有以下幾個特點﹝17﹞：
1. 虛擬實境在視覺方面可以很容易地呈現抽象問題。
2. 在虛擬實境中可以重複、自由地讓學習者嘗試錯誤，可激發學習 者以多種不同的方法來解決問題。
3. 學習者直接與虛擬物體互動，而得到第一手的假設與測試。
4. 虛擬實境中可設計紀錄學習者的錯誤並加以回饋，提醒學習者必 須注意自身的行動。
5. 虛擬實境系統可以即時蒐集並顯示複雜資訊，幫助學習者找到目 標。
6. 融入式且接近自然的環境可增強學習者的記憶，使其更容易地解 決問題。
7. 虛擬世界是一個變動的環境，可藉由反覆的練習過程讓學習者對 於所學更為熟悉。
本系統的設計原則，參照上述之看法，有以下幾個重點：
1. 從做中學
系統將引導學習者完成整個直接座標測量的過程。學生在親自操 作一遍之後，於現場使用時將會有熟悉感，且系統中被放大的細節部
份，可令使用者於現場操作時產生深刻印象。
2. 逼真環境
真實的校園場景，跟現地測量時擁有相同的環境，可以令使用者 更為融入虛擬系統當中，增加學習時的真實感。
3. 錯誤警示
當使用者做出錯誤的操作時，系統將會提供警示訊息，並限制使 用者操作下一個步驟，必定要讓使用者了解出問題的環節，與解決問 題的方式。
4. 自由探索
使用者在進行操作步驟時，可以隨時切換至自由移動模式來瀏覽 完整地形，這對於使用者在了解各器材與地形的相對位置有極大的幫 助，並且可以大幅增加虛擬實境的融入度。
5. 紀錄評估
記錄使用者操作架設步驟的完成時間與系統操作的錯誤次數，在 下次進行操作後可以知道進步的時間與成效。
4-3 內容設計
全站儀直接座標測量在傳統的教學方式上，教學者須於學生到達 現場測量前先於場地中規劃三個座標點，分別為測站點、後視點與前 視點，並需測定出三個座標點之三維座標。如此學生在現地測量時，
才可以依據測站點前視點的座標去測量前視點的座標，再將前視點的 座標數據和已知點的前視點座標數據比對，判斷是否正確。
在此系統中，為了提升變化性與互動性，應設計一些可以進行變 動的參數，如將系統內的固定式反射稜鏡與儀器架設配置多樣化，來 提供數組不同位置的座標點讓使用者點選。一來可以避免系統的枯燥
單調，二來可以讓學習者練習不同角度的照準方式。此步驟為進入系 統的第一個動作，待使用者選擇練習所需之座標點後，才可進入全站 儀架設教學系統，詳細步驟如圖4-1 所示。
進入模式
選擇未知點稜鏡
結束模式 是否滿意
否 是
選擇已知點稜鏡
切換模式 選擇測站位置
圖4-1 場地選擇
而為了增加使用者操作系統的融入度，將現地測量的實際場景製 作成立體模型，並重現於虛擬實境教學系統中，並可以設立多支固定 式反射稜鏡，讓學習者練習照準不同角度的反射稜鏡，也可避免系統 流於單調、枯燥。圖4-2 與圖 4-3 為傳統測量教學與虛擬實境測量教 學在測量場景的比較。
圖 4-2 直接座標測量(現場) 圖 4-3 直接座標測量(系統)
4-4 系統設計：全站儀架設教學
全站儀架設教學系統分為「概略定心」、「概略定平」、「精確定 心」、「精確定平」四個部份。使用者執行本系統後，待選擇完反射稜 鏡配置與測站點配置後，才可進行此模式進行架設操作。且進入本模 式後，攝影機將會採用跟隨儀器的方式，停留於全站儀後方等待使用 者進行操作。詳細流程如圖4-4。
圖4-4 全站儀架設教學系統流程圖
4-4-1 概略定心模式
在現地測量中，此步驟為學習者使用雙手抓住兩隻相鄰腳架，以 平移方式來進行概略定心。但在虛擬實境當中實難表現出相同的情 境，遂此處採用較為簡單的模式來展現此步驟，藉由滑鼠點擊上下左 右移動圖示來移動腳架。學習者最需要了解的重點，即是十字絲務必 要確實對準座現地測量中，不論使用者採用何種方法移動腳架，目的 是令定心鏡吻合於嵌入地面的鐵釘。運作流程如圖4-5 所示。
觀察定心鏡位置
移動腳架
切換模式
是 否
定心鏡照準座標點 進入模式
判斷是否概略定心
結束模式
圖4-5 概略定心流程圖
4-4-2 概略定平模式
採用滑鼠點擊的方式，點擊螺旋模型上任一點，即可控制螺旋鬆 開動作。且於鬆開動作完成後出現伸縮圖示，繼續點擊此圖示即可伸 縮腳架以概略定平儀器，使圓盒水準氣泡居中。若使用者一次開啟兩 個腳架鎖定螺旋，系統將會發生警告並禁止動作。若未正確鎖緊腳架 固定螺旋即按下切換模式圖示，也將會出現警示訊息。運作流程如圖 4-6 所示。
觀察氣泡位置
鬆開腳架固定螺旋
否
伸縮腳架居中氣泡 否
是
切換模式 鎖緊腳架固定螺旋
進入模式
判斷是否鬆開多顆
判斷是否鎖定
判斷氣泡是否居中 否
是 是
結束模式
鎖緊腳架固定螺旋
圖4-6 概略定平流程圖
4-4-3 精確定心模式
鬆開基座固定螺旋始能移動主機，因此設計在沒有鬆開基座固定 螺旋前，將不會出現主機移動圖示。主機移動範圍受限於一定範圍，
此範圍大小為儀器安定的界限，於系統中主機無法移動超過一公分 (系統中尺寸)的距離，若繼續移動將禁止操作並發出警訊。且切換模 式時，若基座螺旋未正確固定，系統將會發出警示訊息。運作流程如 圖4-7 所示。
圖4-7 精確定心流程圖
4-4-4 精確定平模式
精確定平需要轉動水平度盤。此處設計一個轉動功能鍵，當使用 者需要切換角度時即可按下圖示。踵定螺旋的控制設計取決於現實中 需一次轉動兩顆螺旋的關係，不採用滑鼠直接控制的方法，最終是採 用點擊圖示的方式。切換模式時將自動轉回精確定心模式確認定心狀 況，有需要時重複精確定心步驟後再重回精確定平模式。全站儀架設 教學系統流程結束後，進入全站儀座標測量教學系統。運作流程如圖 4-8 所示。
十字絲是否照準 進入模式
觀察氣泡位置
旋轉主機至管狀水準氣泡平 行兩相鄰踵定螺旋連線方向
判斷是否平行
旋轉相鄰踵定螺 旋至氣泡居中
旋轉主機至管狀水準氣泡垂 直兩相鄰踵定螺旋連線方向
判斷是否垂直
氣泡是否居中
結束模式 是
否 否
回到精確定心 否
否 是
是 是
旋轉第三顆踵定 螺旋至氣泡居中
旋轉主機至管狀水準氣泡平 行兩相鄰踵定螺旋連線方向
切換模式
圖4-8 精確定平流程圖
4-5 系統設計：全站儀座標測量教學
全站儀座標測量教學系統分為「照準模式」、「儀俵板操作」兩個 部份。照準模式又細分為照準後視(已知點)與前視(未知點)兩部分，
使用者需要在儀器操作步驟中進行切換。照準完後視(已知點)反射稜