資訊科技融入天文概念教學之相關研究

一、資訊融入教學相關研究

目前國內外有不少針對天文相關概念進行的資訊融入教學研究或是相關媒體，這些數位 媒體大多以網頁動畫的方式呈現，也有學者自行設計天文模擬程式讓學童與老師進行操作或 教學，另外更有使用虛擬實境的技術完成數位天體模型，讓使用者能自行探究。學者（王學 武、石明儒、王秀雯，2010）認為依照媒體的互動性高低與教學方式大概可以區分為以下四 個種類：

（一）動畫播放型：媒體內容呈現型態以文字解說、動畫、影片、配樂等等為主體，使 用者以點選觀看為主，使用者與電腦間的互動性比較低。

（二）直接猜測答題型：讓使用者以答題的方式進行學習，有一些媒體會給使用者學習 的情境，另一些則是直接進行問答。

（三）問題引導型：使用引導式的發現式學習法，讓學生在課程設計者精心的安排下進 行學習，一步一步由淺入深的進行探索，由學習者自行建構所要學習的知識。

（四）自由探索型：大多採用3D 即時描繪技術來設計教材，提供一個模擬天體系統的 虛擬環境讓學習者去探索，而這一類教材常常因為沒有任務或學習目標，初學者無法掌握到 學習要領，並容易迷失在虛擬環境中。

因此將國內資訊科技融入天文教學的媒體與研究分類如表2-1：

5. Sunkids 教學網站（王學武、石明儒、王秀雯，2010）。

4. 自由探索型 大多採用3D 即時描繪技術來設計教材，提供一個模擬 天體系統的虛擬環境讓學習者去探索，而這一類教材常 常因為沒有任務或學習目標，初學者無法掌握到學習要 領，並容易迷失在虛擬環境中。本類媒體的特性多為有 很高的互動性，而且都以虛擬實境的設計為主。例如：

1. Stellarium （ Chéreau、Spearman、Meuris、Gates , &

Gajdosik，n.d.）。

2. Celestia 1.3.1 （Laurel, et al. , n.d.）。

虛擬實境（Vurtual Reality）的基本原理為利用電腦產生並控制一個虛擬世界，當使用者 能與虛擬的世界互動，就如同身處在真實的環境中，無論是視、聽、觸覺上都如同真實一般

（歐陽明，1996）。換言之，虛擬實境乃是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提 供使用者如同真實世界中關於視覺、聽覺、觸覺的模擬，而虛擬實境是介於虛擬世界

（cyberspace）、真實世界與使用者三者之間的媒體。當使用者在真實世界改變某些狀態，透 過虛擬實境系統，傳送到虛擬世界中，虛擬世界就會與使用者做互動，如同在真實世界一般

（周宣光，2000）。Hennessy et al.（1995）認為在以電腦為基礎的學習活動中，互動式的模 擬方式特別有用。因為這樣的活動讓學習者能探索並將所推理的接果進行視覺化。這種模擬 方式能更簡易的建立，而且比較不會危險，並能從動態的圖形或者是數量化表示的變量給予 立即的回饋。許多教育性遊戲的開發者認為現今的學生已經習慣不同類型的互動（Sandi &

Robinson, 2009）。學者也認為學生將因更多的互動與接觸更多學習素材而受益，這也是他們 獲得大量文化知識的方法（Haieny, Connollya, Stansfielda, & Boylea, 2011）。Mikropoulos &

Natsis（ 2011 ）指出用於教育的虛擬實境根據特定的教學模式將虛擬實境包含或合併於教學 目標中，為虛擬實境的使用者提供在真實世界無法體驗的經驗以及具體的學習成果。虛擬環 境讓使用者能夠“改變”他們的身體尺寸，使他們可以對互宏觀、微觀世界進行瀏覽並之交流，

例如內部的原子（ Kontogeorgiou, Bellou, & Mikropoulos, 2008）或是太陽系（Bakas &

Mikropoulos, 2003）。周文忠（2005）指出虛擬實境是一項有潛力的現代電腦科技技術，其 適用的範圍也相當的廣泛，目前世界先進國家對於虛擬實境的發展與應用已經相當的普遍，

而虛擬實境許多優良的特性非常適合應用於教育上。

虛擬實境有很多種不同的分類，但大部份的分類都會包含浸入式虛擬實境（Immersion VR）以及桌上型虛擬實境（Desktop VR）這 2 種（梁朝雲、李恩東，1998）。浸入式虛擬實 境是藉由感官互動式硬體設備進行與使用者間的互動，這些硬體設備諸如：頭戴式顯示器

（Head Mounted Display）、耳機（Headphone）等等，讓使用者經驗有如身歷其境的真實感。

而桌上型虛擬實境（Desktop VR）只需要具備多媒體功能的電腦以及虛擬實境的軟體即可，

這也是最常被使用的開發環境。桌面虛擬實境是一種沉進度較低虛擬實境，可以輕易地使用 許多不需要任何特殊設備的應用程式進行模擬，並普遍的被認為是成本最低的虛擬實境方 案，因此也被廣泛地採用在教育環境中（Chen, Yang, Shen, & Jeng, 2007）。由於虛擬實境所 具有的沈浸性、互動性及想像力的三大特性，與近年來學者所主張之建構學習理論有著高度

的相關性，軟體的特性與學習理論之相對照下，可看出其異曲同工之處。而學者（Lee, Wong,

& Fung, 2010）則認為在桌面虛擬實境中，虛擬實境利用其仿真能力與直接控制的特性，間接 影響了學習成果，主要是透過可調整的使用性以及心理因素，像是存在感，動機，認知優勢，

控制和主動學習等等。另外我們從建構主義之觀點來看，建構主義強調個體的主動參與，換 言之，知識不是被動的接受，學習是一種自發性的探索歷程，當探索的結果和原有的觀念相 衝突時，學生經由不斷的同化和調適而獲得知識。在Byrne（1996）的研究中認為，虛擬實 境在教育中最大的效果在於互動而非沉浸。也就是說學習者不一定要有沉浸式的學習環境，

學習者只要能與物件互動就可能帶來好的學習效果；而若學習者擁有沉浸式的環境，但是只 在旁觀看物件自行移動，如此並不能帶來較好的學習效果。由上述可以推測，互動性可能是 虛擬實境中最應該被重視的一部份，所以教育工作者在設計虛擬實境教材的時候應該要特別 重視虛擬實境的互動性，這樣才能讓虛擬實境教材更能發揮教育的功能。而虛擬實境因為具 備了模擬教材的特性，所以可以建置一個在真實世界不容易接觸到的學習環境，其優點如下

（John，1996）：

（一）以比較低的成本提供實驗或實作的環境，如模擬昂貴的設備讓學生練習操作。

（二）解決無法帶學生到實地勘查進行校外觀察活動的問題。

（三）提供一不具危險性的環境讓學生可以從嚐試錯誤中學習。

（四）具備學習者可以隨時學習、反覆學習的優點等。

由上述可以知道虛擬實境在許多方面的應用受到大家的重視的主要原因就是，當學生處 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（唐文華，1996）。而在 Ferringtonm 與 Loge（1992）的研究中也表明，比 起傳統教室中被動接受知識的學生來說，當學生在使用虛擬實境的學習環境時，會以比較積 極的方式進行學習，充分展現自我的能力，能達到更顯著的學習效果。而歐陽明、吳健榕與 陳敬謙（1995）將虛擬實境應用於教育上之優勢說明如以下四點：

（一）提供直接的體驗，提高學生的學習興趣。

（二）逼近真實的學習，身歷其境的融入感。

（三）不同的觀察角度，提供新的觀點與想法。

（四）提供學習的自然介面。

Yang & Wu（2010）的研究也說明用來教育的虛擬實境能促進學習者的學習動機，增強 學生之間的合作，並且能節省許多改善教師教學方法與教學品質的時間。

雖然虛擬實境的優點眾多，但是在教學上仍有其所不及之處， John（1996）也在其研究 中提及，於針對化學反應工程的教學模組研究中，以沉浸式的虛擬實境對大學生進行教學，

發現虛擬實境的執行速度比畫面的精細程度更為重要，必要時應以系統執行速度為主。另外，

虛擬實境呈現文字訊息的能力並不好，因此若要進行互動問答或是測驗的話並不容易做到。

根據上述，虛擬實境在系統的執行速度以及畫面的精細度若是不能兩全其美，必要時要以執 行速度為主，也就是要提供學習者即時的互動反應為優先；另外，虛擬實境在呈現文字以及 說明呈現方面並不擅長，所以某一些需要文字敘述與呈現為主的教學活動並不能在虛擬實境 媒體中進行。這兩項都是虛擬實境在教育學習應用的領域上必須解決的難題，而以下將就利 用虛擬實境於天文教學的相關研究進行探討。

Bakas 與 Mikropoulos（2003）以中學生為研究對象，利用虛擬實境的技術發展一套地球 運動的星體模型，主要的目的是用來釐清地球日夜變化、四季變化等天文現象。而在使用虛 擬實境進行實驗之後發現，大多數的學生熱中於和虛擬實境進行互動，並且也能在使用虛擬 實境後修改自身的對於日夜循環與季節變化的迷思概念。由此研究中有兩個重要的結論：

（一）學習者並不一定需要浸入式的虛擬實境才能學的更好，桌上型的虛擬實境亦能有 相當好的教學成效。

（二）比起只在虛擬實境中進行自由探索而言，使用具有教學架構或是明確教學目標的 引導式探究會更適合。

而在林月芳（2004）的研究中，以國小四年級學生為對象利用虛擬實境軟體「天體在天 球上之電腦模擬」進行教學實驗，認為學生學習天文概念的困難主要有二，空間能力不足與

無法做長時間的觀察。並在其研究成果指出利用電腦模擬天體實境，可以呈現不同時間的月 相與位置的動態改變情形，學生能依此與理論相對照，並進行知識的思考與內化，促使概念

無法做長時間的觀察。並在其研究成果指出利用電腦模擬天體實境，可以呈現不同時間的月 相與位置的動態改變情形，學生能依此與理論相對照，並進行知識的思考與內化，促使概念