擴增實境

一、擴增實境之定義

擴增實境 (Augmented Reality)是一門近年來蓬勃發展的科技，基本概念為透 過電腦、顯示器、攝影機的結合，將虛擬的影像或是物件投射並融合到現實的環 境當中，進而達到提供更多現實中無法直接獲知的、或是難以被觀察到的資訊，

整合到現實世界的相對位置之後呈現給使用者之目的。同時，也可透過程式碼的 控制以提供多樣化的互動。擴增實境範圍的界定來自於1994 年 Paul Milgram 提 出的現實-虛擬連續統（Milgram's Reality-Virtuality Continuum，如圖 2-1）。Milgram 將真實環境和虛擬環境分別作為連續統的兩端，位於它們中間的區塊被稱為「混 合實境（Mixed Reality）」。混合實境中，又可由其中虛擬與現實所佔的比重成份，

分為靠近真實環境的擴增實境（Augmented Reality），以及靠近虛擬環境的則是 擴增虛境（Augmented Virtuality）。

圖 2-1 現實-虛擬連續統（Milgram's Reality-Virtuality Continuum）

根據 Azuma (1997)定義，擴增實境的三大特點為：

(一) 結合虛擬與現實：

相對於虛擬實境試圖建構一整個世界以取代現實世界，擴增實境是在我們所 存在的實境裡擴增更多相關的資訊，包含文字、圖片、影片、模型等等，其主要 目的在於在真實世界中提昇相關資訊的多樣性。

(二) 即時互動：

所謂虛擬與實際的互動，包含與螢幕上的互動、以及與實體模型的互動，藉

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由這樣互動的過程，使用者可以引導出更多的相關資訊，以及符合個人需求的資 訊，所以在擴增實境的領域中，我們關注的是虛擬與實體、空間與物件之間的交 互融合（王燕超，2006）。

(三)3D 定位：

擴增實境的 3D 定位系統搭配 GPS（Global Positioning System），可以偵測使 用者所在的位置並且讓虛擬的物件擴增在與現實世界正確對應的位置之上，達到 虛實合一的效用。

擴增實境依照其定位的方法，又可分為「標記式擴增實境」與「無標記式擴 增實境」，標記式擴增實境必須透過攝影鏡頭感知特定的標記、或是圖案以供系 統辨識，並且將模型定位在該標記的相對位置，此標記稱為「圖樣（pattern）」

或是「擴增實境標記（AR Marker）」。無標記式擴增實境則是不須透過特定標記 即可達到辨識的效果，使用者可以自行選定「辨識圖片 (Key Frame)」，或是以 臉孔辨識技術、GPS 等技術進行虛擬物件的相對位置計算並且進行擴增。

二、擴增實境在教育領域之結合與影響

由於其獨特的虛實合一互動性，擴增實境對數學、科學、醫學、設計等等許 多不同層次與領域的教育上有著可以發揮效用的可能性。並且，由於視覺觀察是 一個最基本的能力（Donderi，2006），故人對於視覺所獲得的影像特別敏感，所 以透過擴增實境技術直接把訊息嵌在實景上的作法，可以大大節省腦袋處理的時 間。譬如看地圖找路，人的視覺必須切換在地圖與實景兩種場景之間，還要在腦 中思考判斷虛擬地圖上的位置要對應到真實世界的哪個方向。但透過擴增實境技 術直接把對應關係連結起來，降低了思考的負擔，所以在心理上也比較容易對擴 增實境的作法產生興趣，容易進入心流的狀態。Binks (2003)認為擴增實境確實 提供了整體的教育與訓練成效，擴增實境可以有形的增進學習的效果、提供豐富 的資源且有益於學習者，故他針對「為何要將擴增實境運用於教育？」指出有空

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在教育面的應用上，Billinghurst (2002)指出，擴增實境可以提供一些其他科 技作法無法達到的獨特優勢，例如，若是使用擴增實境作為教具，可以讓學習者

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機並獲得更好的學習成效 (莊順凱，2005)。

(2) 互動模型：學生經由互動式 3D 模型的操作輔助學習，在了解空間概念 上有著潛在的助益 (Shelton & Hedley, 2002)。

(3) 3D 電腦動畫：在科學教育中，許多抽象性、實驗操作性質的概念適合利 用擴增實境的知覺回饋與高度的互動性作為教學輔助（廖詠年，2010）。

同時，Dunleavy (2009)亦提出擴增實境最重要的可用性是結合虛擬以及真實 的物件，除了能夠將題目的虛擬立體圖形具像化之外，還可以讓學習者根據自己 需求增加或減少提示，甚至可以將提示部分單獨自模型抽出以詳細觀察，並且可 以透過攝影鏡頭看見學習者本身的手與虛擬模型作互動，這樣的做法可以創造一 個身歷其境的混合實境學習環境，讓學生可以在學習的過程中將虛擬模型當作真 實存在身邊的教具，而不是虛無飄渺的電腦圖形，從而促使批判性思考、問題解 決、亦可以透過相依並存的合作活動達到溝通技巧的增進。

基於上述各點，近年來以擴增實境作為教育資訊工具的研究備受重視，如 Kaufmann (2003)建立了一組混合實境教材 Construct3D，用以進行數學與地理的 教學，並且被證明對於學生的合作、學生的實驗活動參與以及空間能力都有幫助，

並且易於使用。擴增實境輔助教學在研究中已經被證明在設計領域的理解與合作 溝通方面有著正面的影響 (Wang & Chen, 2009)、對於空間能力養成有幫助 (Martín-Gutiérrez，2010)。相關研究整理於下表。

17 表 2-3 擴增實境在科學教育領域之相關研究

研究者（年份） 教學領域 科學教育可用性

Kaufmann (2003) 數學、地理

Shelton and Stevens (2004) 地球科學（行星相關） 空間能力 Squire and Jan (2007) 環境科學 探索式學習 Dunleavy et al. (2009) 數學、語言藝術、科學文學 探索式學習 Martín-Gutiérrez (2010) 空間能力 空間能力 Andu´jar et al. (2011) 遠端實驗室 實做技巧 O’Shea et al. (2011) 數學 探索式學習

此外，以行動載具搭配擴增實境的作法具有容易使用、便於攜帶、觸碰式螢 幕能夠增進學生與學習內容的直接互動等優點，能夠增加教學的效率以及對學生 學習的吸引力，並且令學生容易專注、提昇動機。

基於上述各點，我們可以推估擴增實境對於學習的增強是值得期待的，然而，

在使用這一門新科技時也必須搭配適當的鷹架教學策略，才能夠將其特色與優點 完整的進行發揮。故本研究將探討以不同的教學策略（程序性鷹架教學策略、策 略性鷹架教學策略）應用在不同的學習環境（擴增實境學習環境、講述式學習環 境）對高中一年級學習者在空間座標系與空間向量單元的學習成效以及數學學習 動機之影響，以期望建立一個適當的、可讓後續研究參考使用的學習環境與學習 策略搭配組合。

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第三節 鷹架學習理論

鷹架學習理論的發展基礎建立於蘇俄心理學家 Vygotsky (1978)主張的認知 發展論，他認為，學習的認知發展過程是經由個體進行「內化」以及「遷移」， 將實際體驗到的經驗轉變成為個人的內在意義。他也提出，學習者在教師、或是 能力較強之同儕的幫助之下，較能夠順利的完成比目前自我能力範圍更困難的學 習工作。因此，教學活動應由教學者給予是必要的暫時性學習支持，並且盡量在 學習者的「近側發展區 (Zone of Proximal Development，簡稱 ZPD)」進行。以 下將對進側發展區的意義、鷹架的意涵、鷹架的類型，以及鷹架在課堂的運用進 行說明。

壹、近側發展區

Vygotsky (1978)提出，近側發展區間是介於「實際發展層次 (actual

development)」與「潛在發展層次 (potential development)」之間的差距（如圖 2-2），

其中實際發展層次指的是學習者能夠獨立完成、理解的層次，而潛在發展層次則 是一個可發展的區域，需要引導或教學才能夠理解。也就是說，進側發展區是在 學習者的學習能力以內，但暫時還未能理解的知識，此範圍會是最適合教師進行 教學的區域。

同時因為每個個體的實際發展層次以及潛在發展層次之範圍與大小並不會 相同，導致個體間的進側發展區也並不會是完全一樣的範圍。故學校教育應致力 於發展考慮個體差異的狀況下能夠提供最好效果的教學方法；也就是設法提供一 個最適切的學習鷹架，讓學習者能夠在學習歷程中流暢的逐漸提昇自我能力。學 習者將原本屬於潛在發展層次的知識轉變成能夠獨立完成的基礎能力之後，在面 對更新、更困難，甚至原本屬於不可能瞭解的層次知識與挑戰時，就能夠因為其 實力已經過提昇，讓原本的難題變成能夠被理解的知識。重複這樣的學習循環之 下，其近側發展區間就會向更深的層次不斷的進行拓寬。Doolittle (1988)則提出

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在近側發展區間動態發展的過程中，為了讓學習者順利且流暢的進展，教學者的 角色應該要隨時觀察、瞭解學習者的需求，找出學習問題的癥結點，給予適當的 協助。待學習者進入狀況能夠獨立學習後再慢慢將支持的協助移除，否則此時的 鷹架反而會對學習者的自由發展造成限制。

圖 2-2 近側發展區

貳、鷹架的意涵

鷹架 (scaffolding)是在學習者踏入一個新的學習領域的時候，學習者能夠以 實力達到的範圍尚未發展，故由教學者、同儕或是其他人提供大量的暫時性學習 支持，也就是透過他人的調整 (other-regulation)減輕負擔、避免立即遭遇過大的 學習困難，讓學習者能夠先拓寬其近側發展區。這個暫時的支持鷹架有可能是教 學工具、或是教學策略，Pahl (2002)認為可將鷹架的學習支持歸納為學習材料 (learning material)、系統回饋 (feedback)、評估 (assessment)、以及示範

(demonstration)四大種類。而在學習者慢慢進入狀況、慢慢熟悉學習並且內化為 自我調整 (self-regulation)的過程中，鷹架將會逐漸的被撤除 (fading)，故學習責 任將轉落在學習者的身上 (Rosenshine & Meister, 1992)，讓學生進行主導學習，

並且發展出屬於自己的、有意義的知識架構。 這樣漸進式支持直到學生能夠獨 立進行學習的鷹架，即是理想的教師所扮演的角色 (Greenfield, 1984)。

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Wood、Brunner 與 Ross (1976)亦指出，一個有效的鷹架支持應該提供以下功 能：

（一） 引發參與 (recruitment)：引起學習者的興趣與動機，並且參與活動。

（一） 引發參與 (recruitment)：引起學習者的興趣與動機，並且參與活動。