第二章 文獻探討
第五節 虛擬實境在天文教育上的應用
分 析 上 述 研 究 結 果 及 要 點 ， 得 知 學 校 教 師 是 學 生 學 習 上 的 關 鍵 ， 教 師 若 本 身 存 有 很 多 錯 誤 概 念(王美芬，1994；Taylor，1996)，教導學生月相概 念 時 ， 反 而 成 為 學 生 迷 思 概 念 形 成 原 因 之 一 。 而 Taylor(1996)甚至指出，
這 些 學 生 將 來 若 成 為 自 然 領 域 教 師 ， 便 會 誤 導 學 習 此 單 元 的 學 童 ， 而 造 成 一 種 惡 性 循 環 。 所 以 教 師 在 進 行 月 相 單 元 教 學 前 ， 除 了 要 建 立 正 確 的 月 相 觀 念 ， 更 應 了 解 學 生 的 起 點 行 為 與 迷 思 概 念 為 何 ， 才 能 運 用 有 效 的 教 學 方 法 使 學 生 建 立 正 確 的 科 學 概 念 ， 進 而 降 低 迷 思 概 念 對 學 習 成 效 的 影 響 。
第五節 虛擬實境在天文教育上的應用
一ゝ虛擬實境
虛 擬 實 境(Virtual Reality)可創造出與使用者互動的環境，是一種模擬 真 實 世 界 的 技 術，亦 是 近 年 相 當 熱 門 的 話 題。它 除 了 利 用 特 殊 電 腦 週 邊 設 備，讓 使 用 者 看 到、聽 到、甚 至 虛 擬 地 接 觸 到 和 真 實 世 界 裡 一 樣 的 物 體 或 事 物 ， 並 可 與 虛 擬 環 境 中 的 物 件 進 行 互 動 式 的 活 動 。 唐 文 華(1996)認 為 ， 虛 擬 實 境 在 許 多 方 面 的 應 用 受 到 大 家 的 重 視，主 要 原 因 就 是 當 處 在 一 個 虛 擬 而 逼 真 的 環 境 中，不 但 可 達 到 近 乎 真 實 的 效 果，又 可 免 除 身 處 真 實 環 境 的 危 險 性 和 成 本 上 的 消 耗 。 黃 仁 竑 、 游 寶 達(1995)則 認 為 虛 擬 實 境 是 利 用 電 腦 科 學 技 術 創 造 出 一 個 讓 使 用 者「 相 信 」的 虛 擬 世 界，它 將 是 未 來 遠 距
教 學 的 重 要 一 環 ， 因 為 它 能 提 供 一 個 如 同 在 真 實 世 界 的 三 度 空 間 的 視 覺 、 聽 覺 的 模 擬 。 因 此 ， 虛 擬 實 境 模 擬 場 景 的 特 性 ， 可 讓 人 機 做 充 分 的 互 動 ， 不 論 在 鉅 觀 或 微 觀 的 教 育 學 習 中 ， 均 有 極 大 的 優 勢(許麗玲，2000)。
虛 擬 實 境 是 透 過 電 腦 運 算 的 技 術，創 造 一 種3D的擬真空間，在經驗模 擬 之 下 ， 與 使 用 者 在 環 境 中 高 度 互 動 ， 進 而 建 構 思 想 與 產 生 認 知 遷 移 。 Burdea & Coiffet(1994)認為要創造一個虛擬實境，首重三個要素：互動、
融 入 以 及 想 像 力 ， 簡 稱 「 虛 擬 實 境 的 3I's」：
(一)互動(Interaction)
感 官 的 刺 激 與 反 應 對 虛 擬 實 境 系 統 而 言，是 非 常 重 要 的。虛 擬 實 境 強 調 人 機 互 動 介 面，使 用 者 只 要 有 任 何 反 應 與 動 作，電 腦 都 能 立 刻 做 出 反 應，讓 使 用 者 感 受 到 即 時 性；因 此 虛 擬 場 景 須 具 備 能 和 使 用 者 互 動 的 功 能 ， 如 同 手 推 門 ， 則 門 會 打 開 等 。
(二)融入(Immersion)
因 為 虛 擬 實 境 是 憑 空 捏 造 出 的 擬 真 情 境，因 此 要 讓 使 用 者 完 全 融 入 所 捏 造 環 境 下，才 算 是 成 功 的 系 統。要 如 何 達 到 這 項 境 界，除 了 有 即 時 性 的 互 動 環 境 之 外 ， 利 用 周 邊 設 備 來 達 到 擬 真 的 感 觸(如視聽嗅觸覺)也 是 讓 使 用 者 融 入 的 要 素 之 一 。
(三)想像力(Imagination)
既 然 是 憑 空 捏 造 的 融 入 環 境 ， 如 何 讓 使 用 者 充 分 享 受 其 聲 光 刺 激 ， 場 景 設 計 的 創 意 是 必 需 的，因 此 創 造 力 與 想 像 力 就 是 使 題 材 生 動 有 趣 的 強 心 劑 。
這 三 個 因 素 建 構 出 完 整 的 虛 擬 世 界，也 是 目 前 用 來 評 量 虛 擬 實 境 系 統 優 劣 的 重 要 依 據 。 而 虛 擬 實 境 系 統 種 類 十 分 龐 雜 ， 梁 朝 雲 和 李 恩 東(1998) 將 現 行 的 虛 擬 實 境 呈 現 方 式 分 為 四 大 類 ：
(一)融入式虛擬實境(Immersion VR)
對 使 用 者 感 官 刺 激 最 真 實 的 虛 擬 實 境 系 統 ， 即 為 融 入 式 虛 擬 系 統 。 透 過 頭 盔 顯 示 器、資 料 手 套 等 昂 貴 設 備，讓 使 用 者 完 全 進 入 與 現 實 世 界 區 隔 的 擬 真 環 境 ， 視 覺 、 觸 覺 、 聽 覺 此 時 完 全 融 入 系 統 之 中 。
(二)桌上型/載具型虛擬實境(Desktop / Vehicle VR)
桌 上 型 虛 擬 實 境 是 目 前 最 經 濟、最 常 使 用 的 系 統。使 用 環 境 大 多 為 一 台 桌 上 型 多 媒 體 電 腦 ， 再 加 上 虛 擬 實 境 軟 體 即 可 。 若 要 增 加 擬 真 效 果，頂 多 增 加 三 度 空 間 搖 桿 或 立 體 眼 鏡 等 配 備。而 載 具 型 虛 擬 實 境 則 需
提 供 特 定 的 界 面 供 使 用 者 操 作。如 飛 行 模 擬 時，使 用 者 操 作 擬 真 的 操 縱 桿、監 看 儀 表 板，虛 擬 自 由 的 飛 行、碰 撞 與 影 像 音 效 的 駕 駛 環 境。由 於 較 真 實 載 具 成 本 低 廉，成 為 多 國 訓 練 飛 行 員 的 工 具 之 一。而 此 二 種 虛 擬 實 境 的 相 同 之 處，即 為 皆 需 透 過 類 似「 觀 景 窗 」的 視 野 與 虛 擬 實 境 互 動。
(三)第三人稱虛擬實境(Third Person VR)
此 種 呈 現 方 式 最 常 見 於 電 腦 遊 戲 中，玩 家 以 第 三 者 的 角 度 觀 察 場 景 與 主 角 的 動 作，使 用 者 可 看 到 自 己 的 影 像，融 入3D的環境中做一些簡單 的 動 作 ， 或 直 接 以 身 體 操 作 螢 幕 上 的 影 像 與 物 體 。
(四)投影式虛擬實境(Projection VR)
投 影 式 虛 擬 實 境 是 將 影 像 投 影 至 大 型 螢 幕 或 電 視 牆 上，利 用 大 型 投 影 螢 幕 隔 離 出 一 密 閉 空 間，便 可 以 提 供 多 人 參 與 體 驗 虛 擬 情 境，如 立 體 電 影 院 的 系 統 。 成 本 較 低 廉 、 可 多 人 同 時 體 驗 為 其 特 點 。
姚 裕 勝(1996)歸納出，運用虛擬實境在教育上的優勢有下列數點：
(1)學習者在虛擬實境中，對學習活動有高度的主控權，屬於建構式的 學 習 環 境 。
(2)虛擬實境讓學習者以「第一人稱經驗」學習。此個人化的學習經驗 是 獨 一 無 二 的 。
(3)虛擬實境可提供抽象的意象、符號為主的學習環境。
(4)虛擬實境中教學內容的呈現方式十分自由，不受真實世界的物理規 則 限 制(如重力的改變)。
(5)虛擬實境可重播真實或虛擬世界的事物，也能將抽象的概念具體 化 。
(6)虛擬實境直覺而自然的互動方式，讓學習者可以很快熟悉操作方 式 ， 並 專 注 於 學 習 的 內 容 。
(7)虛擬實境可將複雜的資料轉變為容易了解的形式。
(8)網路連結的分散式虛擬實境系統，學習者可以與其他學習者以真實 或 虛 構 的 身 份 互 動 ， 共 同 進 行 學 習 活 動 。
綜 上 所 述，若 運 用3D動畫模擬虛擬實境，來進行自然領域月相概念的 教 學，可 將 難 以 實 際 觀 察 的 月、地、日 相 對 位 置 具 體 呈 現，讓 學 生 融 入 擬 真 的 環 境 中 ， 主 動 建 構 科 學 知 識 。 美 國 國 家 科 學 基 金 會(Nation Science Foundation)及美國國家航空暨太空總署(NASA)所共同推動的天文教育計 畫 研 究 ， 亦 指 出 學 習 天 文 學 的 關 鍵 有 下 列 三 項(鄭文光，2003)：
(1)教師需更有耐性教導學生，以便讓 他 們 可 以 學 習 基 本 的 天 文 概 念 ， 發 展 探 究 能 力 的 技 巧 。
(2)學生需要透過觀測、操縱模型與現有理論的衝突，來建構自己對天 文 的 認 識 。
(3)2D圖像很容易造成學生的迷思概念，應讓學生有機會操作3D立體 模 型，會 是 幫 助 學 生 建 構 天 文 概 念 有 效 方 式。因 此 教 師 的 教 學 方 式 影 響 甚 鉅 ， 而 教 學 情 境 與 兒 童 發 展 則 是 影 響 教 學 方 式 重 要 關 鍵 。 由 上 述 天 文 學 學 習 關 鍵 的 第 三 項 要 點 可 說 明，若 傳 統 教 學 只 靠 教 師 講 述，並 以 文 字 及 圖 片 呈 現 教 材，卻 無 提 供 學 童 個 別 操 作 的 機 會，或 許 是 形 成 迷 思 概 念 的 原 因 之 一。因 此，若 能 有 效 運 用 虛 擬 實 境 的 特 性，不 但 能 節 省 購 置 教 具 的 支 出，更 能 使 抽 象 難 以 觀 察 的 事 象 具 體 呈 現。由 是，學 童 便 能 在 擬 真 的 情 境 中 自 行 建 構 正 確 的 天 文 知 識 。
二ゝ教學設計的軟體選用
NASA的天文教育計劃指出，若欲建構正確的天文知識，學生能否個
別 操 作 與 觀 察 天 體 模 型 是 重 要 關 鍵。然 而 傳 統 式 教 學 運 用 天 體 模 型，教 師 礙 於 教 學 時 間 與 教 學 資 源，往 往 無 法 讓 學 生 個 別 獨 立 操 作 天 體 模 型，使 得 學 生 學 習 完 月 相 單 元 後，仍 存 有 許 多 迷 思 概 念。拜 資 訊 科 技 進 步 所 賜，透 過 工 具 軟 體 建 構 之3D天體模型，為傳統自然領域教學困境提出了一套解決 方 案 。 學 生 可 透 過 觀 看 電 腦 模 擬 之 星 體 相 對 位 置 ， 瞭 解 月 形 變 化 之 成 因 ； 而 教 學 軟 體 之 人 機 互 動 介 面，有 利 使 用 者 進 行 自 我 調 整 學 習，達 到 重 覆 練 習 與 即 時 性 回 饋 之 目 標 。
自 然 領 域 的 傳 統 教 學，常 運 用 情 境 式 影 片 與 操 作 天 體 模 型 進 行 輔 助說 明；雖 然 觀 賞 影 片 與 操 作 模 型 有 一 定 之 教 學 成 效，但 受 限 於 工 具 的 數 量 及 特 性 ， 往 往 對 學 生 個 別 操 作 與 自 我 學 習 產 生 許 多 限 制 。 因 考 量 上 述 之 目 的 ， 本 研 究 選 用Autodesk Maya這套優異的3D動畫軟體進行月相教學模型 設 計，因 其 具 有 融 合3D立體繪圖、動畫、影像、音效、程式設計等多項特 質 ， 非 常 適 合 製 作 天 文 單 元 立 體 模 型 。
雖 然 目 前3D商業設計軟體百家爭鳴，但國內外企業設計3D模型，仍
主 要 區 分 下 列 二 大 主 流 ：
(一)Autodesk Maya(江高舉，2006；鄧永堅，2006；蔡哲明，2007)
Maya在推廣之初，價格貴到令所有使用者卻步；其主要發展的平台 為 高 檔 的 工 作 站。但PC市場發展過於迅速，使得低價市場逐漸被後起的 3D軟體蠶食鯨吞：例如LightScape、TrueSpace、LightWave等等。這些 低 價 軟 體 擁 有 不 輸3DS MAX的性能表現，但價格卻十分低廉，漸漸的讓 主 打 高 價 工 作 站 的Maya感到威脅，而推出PC版本的Maya加入低價市場 競 爭 行 列，才 讓 此 優 異 的 動 畫 軟 體 漸 漸 普 及。Maya在台灣推行之初，由 於 售 價 過 高，反 而 讓 售 價 低 廉 的3DS MAX佔有較高的普及率；但隨著近 幾 年 銷 售 策 略 的 改 變，再 加 上PC硬體的效能不斷提升，國內也開始接納 這 位 在 國 外 叱 吒 風 雲 的 專 業 動 畫 軟 體。Maya最為人稱道之處，在於強大 且 完 整 的 功 能，其 細 膩 的 動 畫 呈 現 常 見 於 熱 門 電 影 之 中，例 如：蜘 蛛 人、魔 戒 三 部 曲、侏 羅 紀 公 園、駭 客 任 務、哈 利 波 特 等 膾 炙 人 口 的 作 品。Maya 在2005年被生產3DS MAX為主的Autodesk公司所併購，二大主流軟體終 於 殊 途 同 歸 。2007年Autodesk發佈Maya的最新版本為8.0版。
(二)3DS MAX(王啟榮，2006；蔡哲明，2006；呂洽毅，2007)
由 於 專 業 級 的 動 畫 製 作 ， 之 前 被 高 價 位 圖 形 工 作 站 所 壟 斷 ； 所 以 3DS MAX的低價策略搭配 Windows NT平台的出現，大幅降低了製作動 畫 的 門 檻 及 成 本 。 國 內 許 多 企 業 開 始 採 購3DS MAX作為主要3D設計軟 體，使 得3DS MAX在台灣的普及率反而與國外相反，較Maya高 出 許 多 。 3DS MAX擁有眾多的外掛套件，可以直接套用外掛彩現(render)、骨架 系 統 等，一 般 多 運 用 在 遊 戲 設 計 與 建 築 設 計 等。簡 單 的 說 明 二 種3D軟體 的 差 異 ，Maya主要運用於高級、需呈現細緻畫面的3D動畫設計，如電 影 製 作 等，其 功 能 指 令 強 大 且 複 雜，幾 乎 不 需 要 其 他 外 掛 程 式 輔 助；而 3DS MAX可套用許多現成的外掛程式，在遊戲與建築模型設計上有極佳 表 現 。本 研 究 基 於 上 述 分 析，選 用Maya做為教學軟體設計工具，其理由除了
本 研 究 基 於 上 述 分 析，選 用Maya做為教學軟體設計工具，其理由除了