本章共分為四節，第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的，第三 節名詞釋義，第四節說明研究範圍與限制。茲分述如下：
第一節 研究背景與動機
虛擬實境(virtual reality，簡稱VR)是在電腦上建構一個虛擬的世界，利 用電腦繪圖、電腦模擬、使用者介面及互動技術等，透過使用者介面讓人與虛擬 世界產生互動，讓使用者產生身歷其境般的感受(許美玲，1995；許美玲、施仁 忠，1997)。虛擬情境的教學模式運用VR技術在電腦上創建各種虛擬情境以融入 教學環境中，讓學生在身臨其境的環境下進行學習、研究、探索、體驗的穩定教 學結構形式，例如虛擬課堂、虛擬實驗室和虛擬社區等(王文靜，2003)。近年來 電腦硬軟體設備與功能皆不斷地提升，使得發展3D電腦圖形輔助教學系統的可行 性大為增加。網際網路的學習與多元化應用，建構網路上的虛擬實境平台，成為 另一種不受時間限制之全時段教學行為(游寶達、劉明宗，2002)。由於具備第一 人稱的學習模式，這種數位學習的理念自從推出後，隨即被廣泛的運用在各種數 位教學上。
大學普通物理學扮演著銜接高中物理與理工學院專業課程的重要橋樑，當中 的物理實驗課程尤為重要。Ausubel指出實驗教學讓學生有機會接觸科學方法與 精神，以促進其問題解決、分析及推演的能力，並提供學生了解科學本質的機會，
同時老師可藉此瞭解學生學習目標與實際成效之間的差異，引發學習科學的興趣 與協助建構知識（Hofstein & Lunetta, 1982,2004）。楊文金與許榮富(1987) 也認為在物理課程中實驗的教學方式是最適於培育學生「探究科學」的能力，實 驗活動可以讓學生體驗完整的科學探討活動。Tamir(1976,1989)則認為實驗可以
幫學生養成正確的科學態度及科學過程技能，且實驗應以科學學習的過程為核 心，而非僅是展示實驗結果而已。
傅昭銘(2006)透過問卷調查與晤談研究發現學生對普通物理實驗課的反應 如下：1、對於按表操作的實驗方式感到枯燥乏味。2、儀器簡陋易壞，實驗數據 誤差大。3、實驗所需理論的先備知識不足。4、器材套數不足無法配合普物課程 的進度進行實驗。5、疑慮實驗單元無法反應前沿科學、希望採用新進科技儀器 與電腦介面操作實驗。其中以第一項需要按表操作感到枯燥乏味的比例最高。學 生若只學會依照實驗手冊指示操作，將會逐漸失去探究性與創造性等能力，也無 法深刻體會與了解實驗中所蘊含的實際概念，或更深一層的物理意義。另外第二 與第四項顯示實驗器材的簡陋與套數不足，皆是目前物理實驗課程中所面臨到的 窘境。李崇銘(2007)指出各大學在教授「普通物理實驗」課程中最感到困擾的部 分中，以實驗器材老舊與實驗器材套數不足的比例最高，學生缺乏興趣則居次。
李洪奇(2004)認為一般傳統的普通物理實驗教學活動是先由教師介紹實驗目 的、實驗原理、使用儀器注意事項等，學生再按照教材上所陳述步驟實驗、讀取 數據、驗證定律或定理、公式等，因為實驗教學模式的固定與單一化，教學方法 的陳舊、儀器設備落後，造就學生對實驗沒興趣，甚至導致抄襲實驗報告的現象。
鄭建洲等(2004)認為若物理課程的理論教學與實驗教學相結合，將仿真的虛 擬實驗環境用於教學中，將有利於學生深化物理學的概念，對於過去傳統典型實 驗的觀念、規律和本質的解釋會有更深刻的印象，且能把理論教學與實驗教學有 效融為一體。而電腦與模擬畫面動畫皆反應在物理實驗教學應用上，且儀器仿真 可以提高對實驗方法的掌握和對測驗精熟，模擬實驗可讓學生於模擬情境動手去 觀察類真現象(傅昭銘，2006)。黃福坤(2006)則指出電腦模擬教學軟體亦可以提 供一個安全廉價的科學實驗環境，讓學習者從事科學實驗。中正大學(CCU)與麻 省理工學院(MIT)合作，引進多媒體促進互動教學─TEAL（Technology-Enabled
Active Learning）創意互動教室，充分利用多媒體輔助教材如多媒體影音實驗、
3D視覺動畫模擬等設計課程。研究發現互動式科技教室和電腦多媒體技術所發展 的課程，對物理課程的學習是有幫助的 (湯兆崙、黃鼎凱、蔡宜君，2006)。
本研究旨在建置大學普通物理虛擬實境實驗室，以牛頓力學中的第二運動定 律為例探討虛擬實驗室的可行性及設計方法，並探究所遇到的難題與其解決方 法。
第二節 研究目的
近年來，電腦運算、圖形處理速度與虛擬實境的技術皆大幅進步，並被廣泛 運用於工程、醫學、遊戲、教學等。本研究以牛頓第二運動定律為主題建立虛擬 實境實驗室，探討虛擬實境技術運用在大學普通物理實驗課程的可行性。本研究 的具體目的為：
一、以虛擬實境技術，建立驗證牛頓第二運動定律的虛擬實驗。
二、探討設計虛擬實驗過程中技術層面上所遭遇的困難與解決辦法。
三、探討使用者與虛擬實境實驗系統間的互動結果與對於此虛擬實驗系統的態度 觀感。
第三節 名詞釋義 本研究重要專業名詞描述以下：
一、電腦輔助教學(Computer Assisted Instruction)：
電腦輔助教學 (Computer Assisted Instruction，CAI)，又稱為電腦 化教學。指利用電腦系統提供能與學生互動的教學情境 (1999， Rober Heinich)。
二、數位學習(e-Learning)：
美國教育訓練發展協會指出數位學習是學習者應用數位媒介學習的過程 (2003，鄒景平)。數位媒介包括網際網路、企業網路、電腦、衛星傳播、錄音帶、
錄影帶、互動式電視及光碟等。應用的範圍包括網路化學習、電腦化學習、虛擬 教室及數位合作。
三、虛擬實境(virtual reality)
虛擬實境(2003，Jonasson等)是希望藉由電腦以營造一個具備視覺、聽覺、
觸覺、或嗅覺等多重感官知覺刺激的模擬環境。使用者於此環境中感受身歷其 境、沉浸的、非線性、多元刺激的模擬內容。依互動或沉浸程度的不同，虛擬實 境可概分為三種系統：第一類系統採浸入式虛擬實境(Immersive VR)，第二類以 桌上型電腦設計虛擬實境(Desktop VR)，第三類系統為擴增實境(Augmented reality,AR) (陳玉欣、于富雲，2007)。
本研究的虛擬實境實驗室採用第二類虛擬實境系統，未來並計畫延伸為第一 或第三類系統，系統研發工具採用Virtools 3D整合軟體及3ds Max建模軟體。
四、Virtools Physics Library
Virtools Physics Library是Virtools 3D互動設計軟體的外掛建構模組，
提供重力、彈力、摩擦力、碰撞、浮力、模擬汽駕原理等物理化程式模組，便利 多媒體設計師運用Virtools製作物理擬真情境實驗，並大幅簡化冗長的程式設計 過程。
五、普通物理實驗(General physics experiments of the universities) 普通物理實驗為理、工學院大學部一年級學生之必修課程，也是後續各學系
專業實驗課的入門課程。普通物理實驗乃透過物理實驗來進行印證普通物理學所 述的物理定律。物理學是一門實驗科學，物理學中所描述的任何事實都必須經過 實驗的檢驗(傅昭銘，2006)，顯現普通物理實驗於大學普通物理教學的重要性。
第四節 研究範圍與限制
本研究因時間限制，以普通物理中的牛頓第二運動定律實驗為教材，建立互 動式環境虛擬的實驗室。
一、研究範圍
1、探討如何依據牛頓力學實驗儀器以設計牛頓第二運動定律虛擬實驗室。
2、探討如何利用3ds Max進行虛擬實驗室的物件建模及如何利用Virtools規 劃互動式虛擬實驗教材。
3、探討所建置的牛頓第二運動定律虛擬實驗室進行教學的成效性。
二、研究限制
1、軟體的設計或使用者在操作虛擬實驗室上有其限制性，與傳統實驗室中 的真實實驗或理論實驗會產生結果上的誤差。
2、虛擬實驗室的實驗結果僅限於本研究操作者使用的電腦硬體設備。
3、測試的對象僅限於某大學修習大學普通物理實驗課程的學生，且樣本數 有限所以測試的結果不宜過度推論。
4、本虛擬實境實驗室建構的教材內容僅限於牛頓第二運動定律實驗。
5、本研究建構虛擬實驗的設計軟體版本採用Virtools4.0與Autodesk 3ds Max8。