2.3 電腦輔助感知學習（tangible learning）
TUI（Tangible User Interface）的觀點最早是在 1997 年由 Ishii 提出的，
Ishii 表示，使用者透過實體物件當作電腦輸入裝置，並藉由人類的操作行為
（操作物件），將實體世界的東西與鑲嵌著數位資訊的感知物件（Tangible object）連結，強化合作與學習。這種互動方式可延伸把感知物件當成教學的輔 具，並透過感知學習（Tangible Learning）讓兒童獲得新的學習體驗。
Piaget 說過電腦、滑鼠、鍵盤並不能給與孩子們類似於團體活動、運動...
等的基本訓練，因為對於 3~6 歲的孩子們來說，團體活動與手部操作是非常重 要的(Piaget, 1963)。在 Carolyn Olivier 的 Learning to learn 一書提到，藉由多感官 學習可以讓學習者快速瞭解並記住學習內容。多感官教學包括了視覺、聽覺與 觸覺學習，由於感官與感官之間會互相傳遞與接收，同時不同感官之間又會彼 此互相加強，當不同感官都用到了，學習者更能了解並記住學習內容(Bowler, 1996)。三種感官相輔相成，耳朵接收聽訊並傳到大腦，並將聽到的聲音與看到 的影像連結起來，並且區辨它們，最後眼、耳、手合作，兒童一面看、一面學，
讓學習經由感官與肌肉的操作過程中達到動作記憶（motor memory）的目的。
過去十幾年，針對小朋友發展的學習工具越來越多，可觸式介面（TUI）
帶給小朋友的是更自然更直覺的互動，且可觸式介面可作為支援電腦與學習的 工具之一，讓學習者透過與可觸式介面的互動，達到多感官學習的效果(Ishii &
Ullmer, 1997)。像 Resnick 於 1998 年介紹到數位教具（Digital Manipulatives），主 張數位教具是一個新的教育工具(Mitchel Resnick et al., 1998)。數位教具在讓兒童 在學習的過程中觀察教具的變化、在兒童腦中產生視覺連結與聽覺辨識（例如：
物件發出的聲音與物件本身的影像連結）、並且組織物件與物件的關係，最重 要的是，數位教具在操作探索過程中與感官教育中的觸覺學習相似，讓小朋友 在直覺性的觸覺操作中學習，形成新的學習模式。而研究感知學習的專家們在 設計數位教具時，會依循許多教育學家的傳統教具設計原則。例如：Resnick 提 出許多與數位教具相關的研究都來自於福祿貝爾的教育理念。後面我們將介紹 到數位教具的相關案例，可以發現，越來越多與數位教具有關的研究開始依循 教育界的理念，把科技與教育理念結合並形成現代的新科技產物。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
以下再延伸介紹幾個數位教具的相關案例：
Crickets 讓孩子使用視覺化程式語言控制自己組合的樂高機器人。而 Programmable Bricks 是一個樂高磚塊拼成的機械小生物，這製作出來的機械小 生物可以彼此溝通與互動，溝通的原因來自於感測器（馬達、光、聲音），感 測器接收資訊讓兩個機械生物彼此傳遞消息。Crickets 與 Programmable Bricks 讓小朋友在建構玩玩具的過程中學習(M. Resnick, Martin, Sargent, & Silverman, 1996)。
圖 11 Programmable Bricks 的感測溝通
Beads 概念來自於小孩喜歡把許多顏色的珠子串在一起變成七彩繽紛的 項鏈與手鐲。每個串珠裡面有 LED 與微處理器，串珠與串珠間在相鄰時會有簡 單的連結回饋。藉由不同的串聯方式，會有不同的 LED 反應。Beads 讓孩子在 分散的元件與臨時反應的拼湊中激發小孩的思考與創意(M. Resnick, Martin, Sargent, & Silverman, 1996)。
圖 12 串珠的連結形式
Resnick 提到，操作物件的概念最早追溯回 Pestalozzi，Pestalozzi 提倡孩 童在自然的狀況下經由感覺與實體物件的接觸中學習，而福祿貝爾與蒙特梭利 皆繼承了 Pestalozzi 的觀念發展出各自的教具，Resnick 依循著以上幾位教育學
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
家的理念，期望發展出一系列的產品，且產品與產品間還可互動，而兒童就可 使用身邊的事物探索與活動。
圖 13 使用者組合可觸式三角形元件，元件連結啓動網頁說故事
Triangles 是一系列可以組合成 2D 或 3D 的三角版說故事元件。每個三角 板會做連結，並且對應到螢幕中的畫面。當與網頁連結時，三角板與三角板上 的圖片組合起來的圖片會在網頁上出現角色說故事的畫面，例如：三角板 a 與 三角板b 組合起來是完整的烏龜(Gorbet & Orth, 1998)。
圖 14 StoryMat 兒童可在上面玩耍兼說故事
Ryokai and Cassell 開發了一個合作說故事的玩具地毯 。StoryMat 讓小孩 可以在地毯上的任何一個地點說故事並提供小孩一個可以紀錄以及播放他們自 己對於角色敘述聲音的巨大繡花玩具地毯。StoryMat 藉由合作說故事的方式，
給予小朋友創造力的發想，像是一個房子根據他們每個兒童不同的生活經驗，
有 人 覺 得 是 糖 果 屋 ， 有 人 覺 得 是 自 己 溫 暖 的 家(Ryokai & Cassell, 1999)。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
圖 15 Zowie Smart Toys 電腦介面與角色之互動方式
Zowie Smart Toys 是一款結合 CD-ROM 與電腦連線的玩具遊戲。當小朋 友在玩的時候，操作的不是滑鼠與鍵盤，而是附在光碟旁邊的玩具島嶼與角色，
小朋友看到螢幕的探險指令與變化然後用玩具操作玩具島嶼的小人並且完成電 腦軟體給與的探險指令(Shwe, 1999)。
圖 16 組合的立體模型與對應的電腦螢幕呈現
Active Cube 是一個以立體四方型為基底，讓使用者在真實世界中組合 3D 造型，而在電腦螢幕呈現的 3D 虛擬模型對應的是手中組合好的模型。此外，
軟體會捕捉使用者建立的3D 模型並對應呈現與電腦資料庫相似的 3D 模型，像 是使用者在現實世界建立類似於飛機的造型，那電腦螢幕呈現的即是對應的 3D 飛機模型，而使用者也可以跟畫面中的 3D 立體飛機互動(Watanabe, Itoh, Kitamura, Kishino, & Kikuchi, 2005)。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
圖 17 在 Jabberstamp 鑲嵌聲音紀錄器，讓兒童邊說故事邊畫畫
Jabberstamp 是一個利用兩個可互相搭配的小工具，讓 4~8 歲的兒童藉由 這兩個工具畫圖與說故事 。小朋友可以在畫面中畫一個圖案，然後使用工具在 圖上做記號並紀錄聲音。當小朋友用另一項工具「小號」時，可以播放剛剛紀 錄的聲音且再說一次剛剛紀錄的故事。經由兒童自己習慣的工具，讓兒童多元 複雜且難以表達的思考模式呈現在圖畫與聲音紀錄中(Raffle, Vaucelle, & Wang, 2007)。
圖 18 smart blocks 的立方體以及問題卡
Smart Blocks 是 一 個 帶 有 蒙 特 梭 利 概 念 的 教 具 ， 分 成 「 探 索 模 式
（exploration mode）」與「問題模式（question mode）」，提供的是利用「實 體」物件操作來學習關於數字的「抽象」概念。Smart Blocks 會給兒童一個關 於體積與面積的數學問題卡片，然後在立體四方形持續建構的過程中給予兒童 立即性的回饋，也就是說，讓兒童在建構 3D 實體物件的過程中學習數學。例
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
如， 當兒童用他們設計的圓柱型釘子連結兩個立方體時，他會立即更新其面積 與表面積的塊數（如下圖）(Girouard et al., 2007)。
圖 19 更新表面積數值
圖 20 NIKVision 桌面互動示意圖
NIKVision 是一個互動觸控桌搭配一系列適合 3~6 歲小朋友的玩具遊戲。
NIKVision 根據 Ishii 提出的「Token」、「Fiducial」與「Token+Constraint」等 概念，將 NIKVision 的遊戲分為三類，且依據類型的不同，設計出符合各類型 的玩具遊戲(Marco, Cerezo, & Baldassarri, 2010)：
a. Token toys：將 NIKVision 桌面用於算術，根據畫面呈現的簡單加減法問 題，將正確的token 數量放置於畫面中回答問題。
圖 21 算術遊戲
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
b. Fiducial toys ： 兒 童 根 據 情 境 的 展 現 ， 將 內 心 的 想 像 畫 於 紙 上 ， NIKVision 將紙上的圖案截取下來讓兒童可以用手與畫面中的視覺呈現 圖互動（拖拉、點擊...）。
圖 22 兒童根據畫面的情境畫出被截取圖案，並與畫面中的圖案互動
c. Token constrained toys：將 token 限制在某區塊操作，並將其分為組合 (associative)與操作(manipulative)，組合的遊戲代表是調整各種節奏變化 的token，而操作的遊戲代表是藉由操作 token 的滑桿調整聲音大小。
圖 23 上方：組合;下方：調整
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
圖 24 觸控桌 NetLogo 介面與兒童們操作工具行為
「It’s just a toolbar 」是一個以微軟多點觸控桌當作平台，讓 4 個小學生 藉由此平台操作科學模型程式遊戲「NetLogo」，「It’s just a toolbar 」將不同 功能的工具鑲嵌在感知方塊內部形成放在觸控桌上給兒童抓取的控制物件，讓 圍繞在觸控桌四周的兒童藉由此感知工具解決其衝突行為，並達到訓練兒童
「合作」行為的目的(Olson, Wilensky, & Horn, 2011)。
圖 25 Portico tabletgotchi app
Portico 是一個平板與感知物件互動的系統，使用了兩個攝影機偵測物件 形狀的方式讓感知物件可以放置在螢幕上，或是讓感知物件在平板四周移動而 即時影響平板螢幕上的變化。上圖就是其中一種應用程式叫做「tabletgotchi」，
是一個斑馬外型的感知物件在螢幕附近以及上方互動的形式，例如，它可以將
‧
的對畫框就會出現斑馬的夢境(Avrahami & Wobbrock, 2011)。從傳統的教學工具紙、筆、黑板到與電腦相關的學習載具（滑鼠、鍵盤、
螢幕），研究人員探討到數位化工具對於兒童的學習效果似乎還缺少了許多學 習上的必要元素。 尤其是「抽象概念」的學習，許多研究提倡以「實體物件操 作」的概念做為「抽象概念」的學習方法之一，且發現若是在操作的過程中加 入「立即反饋」的元素給學習者，會給予學習者較高的學習效果，所以 Resnick 的Beads 等作品、smart blocks、Portical 皆參考到教育學家的理念，讓操作物件 與科技結合，使用到科技直覺的操作回饋，學習到各種抽象的概念，像是數學、 Programmable Bricks，讓我們知道數位教具內涵著不同於傳統教具的學習效果，
在 Beads 在操作的過程中，經過眼與手來觀察串珠光的流動情況，學習者可以 學習觀察關於「逐步情境（emergent phenomena）」變化的部份，讓學習者搭配
「眼」的觀察與「手」的操作達到實體物件的操作學習。
科技的進步，數位教具也有進一步的發展，研究者將數位教具加入各種 設備的應用，像是將感知物件（tangible object）與電腦結合的 Active Cube，讓 學習者可以透過螢幕達到立即的視覺反饋（visual feedback），並將抽象的物體 藉由影像來呈現虛擬世界的表徵物，進而快速的連結抽象的概念與學習者手中
科技的進步，數位教具也有進一步的發展，研究者將數位教具加入各種 設備的應用，像是將感知物件（tangible object）與電腦結合的 Active Cube，讓 學習者可以透過螢幕達到立即的視覺反饋（visual feedback），並將抽象的物體 藉由影像來呈現虛擬世界的表徵物，進而快速的連結抽象的概念與學習者手中