情境感知系統輔助國小自然科戶外教學

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(1)國立臺灣師範大學 資訊教育研究所碩士論文. 指導教授:吳 正 己 博士. 情境感知系統輔助國小自然科戶外教學. 研 究 生:田 書 誠. 撰. 中 華 民 國 九 十 七 年 七 月.

(2) 摘要 情境感知系統輔助國小自然科戶外教學. 田書誠. 本研究之目的在發展一情境感知系統輔助國小自然科戶外教學,並評估其使 用效益。本研究發展之情境感知系統使用PDA做為行動載具,利用GPS做為定位方 式,發展之功能包括地圖導覽、路徑記錄、地圖編輯、戶外教學學習資源及學習 單等。系統評估的參與者為台北市某國小的一位自然科教師與35位五年級學生; 教學活動係由教師帶領學生於校園及關渡兩處進行戶外教學活動,教學時間共計 10小時;評估方式則是透過問卷、課堂觀察、教學活動錄影及教師訪談等瞭解教 師及學生對系統的使用情形。研究結果發現,本研究所發展的系統有助於戶外教 學的實施,並能提升學生的學習興趣,且有助於教師設計更豐富的戶外教學學習 活動。最後,本研究建議:教師需更充分的教學準備時間,並可考慮使用其它的 定位技術,以求更精確的地圖導覽。. 關鍵詞:情境感知、戶外教學、自然科、GPS.

(3) Abstract Context-Aware System to Facilitate Outdoor Learning Activities of Elementary Science Classes By Shu-Cheng Tien The purposes of this study are to develop a context-aware system to facilitate outdoor-learning activities of elementary science classes and to evaluate the effectiveness of the system. The context-aware system was developed on a PDA-based environment which equipped with a GPS component. The system provided students with the following features: navigating on field trip locations, recording places which students visited, adding interested locations on the map, reading learning resources, and writing worksheet. We evaluated the effectiveness of the system by conducting two outdoor learning activities: one in the campus and the other in a nature park. The participants were a science teacher and a class of 35 5th grade students. The findings of this study are: Our system is helpful in facilitating outdoor learning activities, and the students showed positive attitudes towards using the system, and it can enrich the design of outdoor learning activities. Finally we offer some suggestions the teacher needs more time of preparing in teaching and might use other location techniques for better precise navigating on field trip locations.. Keyword: Context-Aware, Outdoor learning, Science, GPS.

(4) 目錄 表次…………………………………………………………………………………Ⅱ 圖次…………………………………………………………………………………Ⅲ 第一章. 緒論………………………………………………………………………1. 第一節. 研究背景與動機……………………………………………………1. 第二節. 研究目的……………………………………………………………4. 第二章. 文獻探討…………………………………………………………………5. 第一節. 資訊科技輔助戶外教學……………………………………………5. 第二節. 情境感知系統與相關定位技術……………………………………14. 第三節. 情境感知系統於教育上的應用……………………………………21. 第三章. 系統設計…………………………………………………………………23. 第一節. 系統規劃……………………………………………………………23. 第二節. 教學設計……………………………………………………………31. 第三節. 完成的情境感知系統………………………………………………39. 第四章. 系統評估…………………………………………………………………42. 第一節. 評估方法……………………………………………………………42. 第二節. 評估結果……………………………………………………………45. 第五章. 結論與建議………………………………………………………………57. 第一節. 結論…………………………………………………………………57. 第二節. 建議…………………………………………………………………59. 參考文獻……………………………………………………………………………61 附錄一. 童欣園學習單……………………………………………………………66. 附錄二. 校園植物學習單…………………………………………………………67. 附錄三. 關渡自然公園學習單……………………………………………………68. 附錄四. 學生問卷…………………………………………………………………69. 附錄五. 課堂觀察表………………………………………………………………70. I.

(5) 表次 表 3-1. GPRMC 格式………………………………………………………………24. 表 4-1. 教學內容一覽表…………………………………………………………44. 表 4-2. 學生對地圖導覽的看法…………………………………………………45. 表 4-3. 學生對於使用學習資源的看法…………………………………………47. 表 4-4. 學生對於使用學習單的看法……………………………………………50. 表 4-5. 學生對系統使用態度的看法……………………………………………51. II.

(6) 圖次 圖 3-1. 民生國小校園一景………………………………………………………26. 圖 3-2. 庭園景觀圖………………………………………………………………27. 圖 3-3. 民生國小地圖……………………………………………………………28. 圖 3-4. 狀態畫面…………………………………………………………………30. 圖 3-5. 校園地圖…………………………………………………………………32. 圖 3-6. 童欣園植物分佈介紹……………………………………………………32. 圖 3-7. 校園植物教學……………………………………………………………33. 圖 3-8. 棕櫚家族 Q&A…………………………………………………………… 33. 圖 3-9. 棕櫚家族大調查…………………………………………………………33. 圖 3-10 校園停車場學習網頁……………………………………………………36 圖 3-11 黃椰子實景照片…………………………………………………………36 圖 3-12 黃椰子詳細說明…………………………………………………………36 圖 3-13 拜訪關渡自然公園………………………………………………………37 圖 3-14 學習單……………………………………………………………………38 圖 3-15 設定區域地圖……………………………………………………………39 圖 3-16 設定教學地點……………………………………………………………39 圖 3-17 學生位置標式……………………………………………………………40 圖 3-18 小圖片提示到達教學地點………………………………………………40 圖 3-19 紅字標示去過地點………………………………………………………41 圖 3-20 路徑記錄檔………………………………………………………………41 圖 3-21 關渡自然公園網頁………………………………………………………41. III.

(7) 第一章 緒論. 第一節. 研究背景與動機. 九年一貫的生活與自然科技學習領域(http://teach.eje.edu.tw)強調學 生認識動、植物以及自然景觀生態的重要性,並指出藉由觀察自然現象使學生對 於自然科學有基本的認知,並培養學生對於自然科學的興趣及自我探索的能力, 進而養成學生終身學習的能力。戶外教學可以將學習空間由室內延伸至戶外,拓 展學生的學習視野,並提供學生實際體驗的機會。Rivkin(1997)認為當學生處 於戶外自然的環境體驗中,才能獲得直接的學習經驗,促進身體、認知和情感的 發展。使用更多感官包括眼、耳、鼻、甚至觸摸的學習經驗可以讓學生建立完整 的概念,配合適當的教學活動後將使學生在戶外教學中快樂的學習。 以往學校在實施動、植物及環境教學時,大多是在校園內的某些定點並以課 本為主的方式做為主要介紹方式,然而這種方式往往會限制學生的學習發展。是 以目前許多學校已經慢慢調整教學方式,配合戶外參觀以及安排戶外教學路線讓 學生對自然生態有更進一步的認識。而目前國內的戶外教學依舊以教師或解說員 解說為主,大多缺少合宜的教材增加學生的學習經驗,常常讓學生一味的聽講而 缺少了實際動手操作的機會,失去了戶外教學最重要的體驗機會。徐治霜(2006) 指出目前大部份的戶外教學教材還是以學習單為主,學生可以藉此複習所學並加 深印象,可是在使用時機上也應該要注意時效性,避免失去使用學習單的意義。 若能透過科技的輔助讓學生在適當的時機以及地點使用教師所設計的學習 單,則應可降低教師負擔以及增加學生學習成效。隨著科技愈趨發達和無線網路 的普及,這些新穎科技的應用研究也如火如荼的展開,其中最為人矚目的莫過於 情境感知的應用。Bill 及 Marvin(1994)最早提出情境感知這個名詞,他們認為 所謂的情境感知就是依據使用者所在的地理環境位置,透過感應器的協助給予適 1.

(8) 合於使用者所需要的資訊,也就是說當使用者走到任何地方都可以接收到當時位 置的相關訊息。CHEN & KOTZ(2000)指出若情境感知的應用可以根據使用者的位 置、時間、環境等情境的不同而給予適當訊息,可以大幅減少使用者操弄裝置的 時間和注意力,使用者將能夠更快速有效率的獲取資訊。情境感知最為廣泛的應 用便是根據使用者位置的不同而給予不同資訊的導覽系統,例如,Gregory(1997) 等人和 Keith(2000)等人便使用了全球定位系統(Global Positioning System, GPS)作為定位工具,根據遊客所在位置給予不同的指引,使其能夠獲得附近相關 資訊;Gonz(2005)等人也使用定位系統協助博物館遊客導引瀏覽路線,這些應用 的主要功能都是在對的時間地點給予使用者所需的相關資訊,而目的則是節省使 用者操做行動裝置的時間,增進使用效率。 隨著資訊科技的進步發展,許多的行動裝置也搭配了定位的功能,使得定位 成為未來行動裝置提供的重要功能之一,而定位技術的發展也強化了情境感知的 豐富性與功能性。現階段行動裝置、無線網路以及定位系統的普及發展使得情境 感知已經不是遙不可及的一件事情。例如日本於 2005 展開的東京無所不在計畫 (Tokyo Ubiquitous Technology Project in Ginza),透過鋪設二維條碼(QR Code)標籤,RFID 以及紅外線收發器,再配合無線網路以及 GPS 定位系統,讓 遊客不論在東京室內或室外皆可透過不同的技術隨時隨地獲取道路、消費、旅 遊、公共服務等相關訊息。此計畫目前已在銀座展開實體的實驗,希望能根據此 實驗結果進行改善並推廣於全日本 (http://www.tokyo-ubinavi.jp/index_chh.html)。行政院所提出的 U-Taiwan 計畫中也有提及情境感知的理念,諸如投入 22 億元建構 RFID 基礎環境使用電子 標籤標示物件,使得所有的民眾能隨時隨地運用創新的設備 (http://www.nici.nat.gov.tw)。 目前情境感知的應用大多用於城市導覽或博物館導覽中,除了可提升使用者 操作裝置時的便利性外,更可以增進使用者繼續參觀的動機。周立德等人(2003) 提出以紅外線定位使用者位置並主動於PDA上顯示展覽品資訊的博物館導覽系 2.

(9) 統,認為結合此系統以及充分的展品資訊、多媒體展現可以讓使用者獲得充分的 資訊和擁有良好的學習經驗。宋曜廷、張國恩、于文正(2006)開發出人、機、境 互動的導覽系統,認為在博物館導覽中當人與其所在位置的物品互動時,可提升 參訪者的動機和參訪時的注意力與持續力。 在這些感應地點和物品的情境感知導覽系統研究中,顯示出的優點主要為提 升使用者操作裝置的便利性、提升參觀的動機以及注意力。傳統的戶外教學中學 生對於該地動植物的了解僅止於從課本上的涉獵,且學生在觀察時不方便攜帶太 多的書本道具,有時也會因為專著的觀察而忘記填寫學習單使得教學效果大打折 扣。王書貞(2007)認為戶外教學容易遭遇四種困難,分別是課程與活動內容方 面、人員方面、一般安排方面以及設施方面。研究指出大部份的教師於戶外教學 的課程活動中,除了容易擔心對於學生知識性的教導過多,使他們缺乏第一手的 體驗與觀察之外,也容易遇到書面參考資料不足的問題。在人員方面除了親身授 課之外教師也喜歡讓當地的義工做地方特色講解,但有時義工講解方式無法吸引 學生注意,更可能與教師所進行的教學內容不符。一般安排中可能遭遇的問題則 是在戶外教學的場地中,學生不容易搜尋所需要的資料。至於設施方面則會面對 戶外解說牌設置不夠的狀況。若此時採用情境感知輔助戶外教學系統, 教師可 以事先於系統中規劃學生的學習地點,設計與課程內容相符的學習活動,再讓學 生手持系統做自主性的學習,根據系統中的學習單進行相關的戶外觀察與體驗, 則可以免除上述的四項困難點。學生所需的資料皆可由情境感知系統提供,教師 不需要再擔心資料不足或是義工講解與教學內容不符的問題,也不需要考量戶外 解說牌的不足的狀況。 本研究發展一套情境感知輔助戶外教學系統,並期望此系統可獲得教師與學 生的肯定,不僅讓學生能獲得完善的教學內容,也讓教師更易掌握學生學習狀況。. 3.

(10) 第二節. 研究目的. 本研究旨在發展一套情境感知輔助學生戶外教學的學習系統,以協助國小學 生實際於室外觀察植物,其具體目的如下: 一、 發展情境感知系統輔助戶外教學。 二、 評估此系統實際應用於教學的成效。. 4.

(11) 第二章 文獻探討 本章探討資訊科技輔助戶外教學、情境感知與相關定位技術、以及情境感知 於教育上的應用。. 第一節 資訊科技輔助戶外教學 本節探討何為戶外教學、戶外教學的優點、實施方式、障礙以及目前國內應 用資訊科技輔助戶外教學的範例。. 壹、戶外教學的意涵 自從實施九年ㄧ貫課程的教育改革政策以來,戶外教學被許多中小學教師認 為是符合教育改革的教學形式(蘇明俊、江新合,2004)。戶外教學就是在戶外 教學,當在戶外才能體驗到的學習方式及生活情境,而且在戶外的學習成效又比 室內教學好時,就應該在戶外學習(Ford, 1986)。Hammerman(1994)指出最 早的戶外教學理論是 1936 年時 William Gould Vinal 所提出:「戶外活動是生 活的實驗室,戶外活動的教材來自真實的生活。」之後,Sharp 也於 1943 年提 出「那些應該且最適合在學校課堂裡教的東西,就在學校課堂裡教;而那些最好 是透過自然實物和生活環境直接學習才能學得好的東西,就應該在學校外的天地 裡教。」亦即能在戶外教學中發揮最大效果的,便應該在戶外進行教學。美國國 家教育學會(Nation Education Association)在 1970 年對戶外教學的定義是: 「戶外教學不是單獨科目,而是所有學校科目、知識與技能的綜合。它也不是將 學校所有科目搬到戶外進行教學,而是教師運用環境資源去幫助學生了解各學 科、環境和人之間的相互關係,以協助藝術、科學、社會研究或傳播學等學科的 教學。」(Ford, 1981)。. 5.

(12) Priest(1986)認為所謂的戶外教學,是指在室外利用人造或天然資源所進 行的教學活動,不僅將環境的相關概念融入設計於活動之中,也是一種操作學習 的經驗過程,是在教室之外利用資源的一種學習方式。戶外教學就是指教室外的 活動,並且讓學生直接的、實際於生活的體驗中學習(王鑫,1995) 。徐治霜(2006) 則認為所謂的戶外教學,是透過教師有系統的設計,帶學生走出校園,作一系列 觀察、參訪、探索的經驗活動,利用校外的資源、情境,提供給學生不同的感官 刺激,藉以增加學習經驗。戶外教學可以促進學生學習人和大自然的互動關係, 學生可以利用閒暇時間學習和參與戶外活動,且任何主題都可以做為戶外教學的 主軸,土壤、水、動物、植物等都可以做為基本的學習領域,使學生得到更深刻 的學習經驗(Ibrahim & Cordes,1993)。Priest(1986)認為戶外教學有三個 主要的關鍵;一是指地方,在戶外進行教學;一是指主題內容,學習有關自然的 內容;另一是指戶外教學的目的,為了珍惜地球有限的資源。透過戶外一系列的 學習,讓學習者體悟到自己和自然環境的關係。 戶外教學即是在自然戶外環境中進行的教學,利用戶外自然或人為的資源, 教導學生環境保護、生態平衡、同儕關係以及適當資源利用等概念,提供學生生 活情境中的直接經驗。王鑫(1989)歸納戶外教學的目的時,認為戶外教學也應 建立學習者正確對待環境的態度,以及環境保育的心態。戶外教學不僅可以幫助 學生了解人和自然環境的關係,還可提升學生對環境的知覺,強化環境保護的信 念與行動,啟發學生的觀察力、獨立思考以及創作發明的能力,讓學生養成對環 境的尊重與關懷,增進基本的生態知識,愛護與認識環境生態。在戶外體驗及實 際接觸各種物品、事件和情境,培養對環境負責任的態度,讓學生透過一系列的 活動過程,答到認識環境,獲得知識、技能和情意的陶冶,進而內化成保護環境 的情操。(朱慶昇,1993;熊湘萍,2002;Bogner, 1998;Ibrahim & Cordes, 1993). 6.

(13) 貳、戶外教學的優點 J.Dewey 強調教育即生活、從做中學,這兩個觀點讓教育活化、有意義,而 戶外教學正是要讓學生藉由外界刺激,來增強對學習的興趣,並讓所學得以致用 (徐治霜,2006)。戶外教學除了可以印證平時上課學習的知識外,也能夠提高 學習者的學習效果和興趣,Dacey(1981)提出戶外教學應注重三個優點,分別 為:(1)自然知識經驗的獲取。(2)對環境、生命的感受與態度。(3)提升 教學效果。Rivkin(1997)認為當學生處於戶外自然的環境體驗中,才能獲得直接 的學習經驗,促進身體、認知和情感的發展。使用更多感官的學習經驗讓學生能 建立完整的概念,並配合適當的教學活動使學生能在戶外教學中快樂的學習。林 瑞佑(2002)表示所謂的戶外生態環境教學就是在戶外進行教學時能提供具體的 學習經驗,讓學習者熟悉對週遭環境的感知,發展學習者對於方向、地圖、空間 等概念。 傳統的戶外教學課程可以透過戶外學習加強、加深或驗證各個學科原有的知 識和概念。葉居澤(1996)指出從教育的目的來看,戶外情境的利用是必須的, 它可以彌補學習者有限的直接學習經驗的機會。黃朝恩(1991)提到戶外教學是 讓學習者直接面對真實世界,讓學習者可以走向自然、走入歷史,這些是傳統課 堂中所學習不到的。王靜如(1991)認為戶外教學是以戶外環境為導向的教學, 旨在透過與戶外環境的實際接觸,增加對環境的認識,並且體驗人與環境的關 係,學習課堂中學習不到的經驗。Cormpton 和 Seller(1981)提到,戶外教學 經驗可以讓學生的自我概念增強、同儕社會化及種族融合、促進師生關係。. 参、戶外教學的實施方式 戶外教學可以和學校課程互相結合,李崑山(2000)提到戶外教學不是教授 單獨的科目,而是所有學校科目、知識與技能的綜合。蔡居澤(1996)指出戶外 教學可以應用在各種不同的學科上,很難訂出一制性的課程,戶外教育的課程設 7.

(14) 計常常因為設計人的價值觀或是使用目的的不同,而有不同的設計。戶外教學提 供了一個學科和生活經驗之間的橋梁,因為對學生而言,一個新環境可以刺激新 反應和見識,讓學生在戶外得以運用所學,並透過直接經驗加深印象,驗證書本 上的知識。因此教師在設計戶外教學時,可以配合學科內容,並且加以統整後有 規劃的設計活動流程。Gurthrie(2003)提到戶外教學幾乎可以讓任何課程在戶 外能有效地被教導與學習,例如:數學課可以透過實際測量遊戲場的面積來發展 對土地的概念、文學藝術可以透參觀公園並繪畫進行創作、歷史課可以透過造訪 古蹟以了解當地居民的生活文化、自然課可以測試溪流的酸鹼度,這些都是戶外 教學與學校課程結合的例子。 林智慧(2001)將戶外教學的課程分類為五種模式:(1)傳統學科教材模 式:透過戶外學習的方式加強、加深或驗證各個學科原有的知識或概念。(2) 主題/概念模式:此模式的課程性質是將幾個學科的知識技能,統合運用在所選 定的某個學習主題上,使學生能在環繞某個主題的學習活動中,激起自動自發的 求知興趣,養成解決問題的能力。(3)環境/生態研習模式:強調戶外教學不只 是在大自然中做一些辨認、蒐集、測量的工作而已。強調課程重心應以提升環境 知覺、認識環境生態、理解人與環境的關係、強化環境保護的信念與行動為主。 (4)野外探險模式:此模式源自於 Kurt Kahn 的戶外學校 (Outword Bound school) 的課程。這個戶外學校表面上雖是訓練水手的航海技能,但真正的訓練目的是透 過這些海上活動來培養水手們堅忍不拔的意志。爾後有人將此類課程擴展至登 山、攀岩、泛舟等活動,以冒險性質的野外活動帶領他人進行生活體驗。(5) 學校露營模式:學校運用露營活動進行戶外教學,通常兼具有提升學習興趣、鍛 鍊健康身心、培養戶外休閒活動興趣與技能、增進師生關係等功能。 戶外教學並沒有固定統一的模式,許多的戶外教學課程包含了兩種以上的戶 外教學模式。而不同的課程也需要不同的活動方式,才能得到較佳的教學效果 (Simmons, 1998)。 8.

(15) 肆、戶外教學的問題 教師是班級課程設計和規劃的主要人物,校園內外的戶外環境教學資源是否 能與教學活動相結合,屬於教師主導的範圍。多數教師都認為戶外教學活動的成 效比室內教學好,但真正運用戶外教學的比例並不高(靳知勤,1994;謝定佑, 1992;楊志誠,1993)。戶外教學若是缺乏系統性的規劃、教學歷程不夠具體或 是缺少教學活動設計,常常會流於形式上的教學參觀或變成玩樂為主的郊遊,使 得學習上的助益不高(李崑山,1993)。是以戶外教學應設計成有意義的活動流 程,並引導學生在於樂之餘,隨時運用所學,也藉此機會學會與人相處,才不至 於只流於玩樂(徐治霜,2006)。 根據王仁榮(2003)、王靜如(1991)、余宗翰(1999)、余雅芳(2003)、 林智慧(2001)蘇明俊、江新合(2002)的研究,將戶外教學實施的困難因素依其 主要性歸類成以下所述的六方面: 一、學生安全與秩序 戶外教學需要帶領學生走出室外,學生安全問題容易讓教師感受到壓力,因 為一旦走出教室,學生人數過多難以掌控,加上其他不可預知的情況,常常導致 戶外教學實施困難。林智慧(2001)提到將學生帶到戶外,學生容易因其他事物 分心,且當班級人數太多時,教師將很難掌握所有學生的學習成效。王仁榮 (2003)、王靜如(1991)、余宗翰(1999)、余雅芳(2003)的研究都有相似 的結果,教師需要顧慮學生的秩序、交通工具安全、以及懼怕發生意外等問題, 使得教師戶外教學的意願較為低落。 蘇明俊、江新合(2004)指出學生在戶外教學時經常不知自己要做些什麼事 情,而在教學場合追逐或嬉鬧,造成教師管理秩序的不易。Haim(2007)的研究也 指出當學習者參與戶外教學時很容易對遊戲與知識學習間產生混淆,造成戶外教 學的偏差。並且認為如果缺少教師正確且適當的指引,學習者甚至可能不知道要 9.

(16) 從何學起而變成僅僅只是一次戶外參觀的課程,沒有建立應該具有的學習經驗與 概念,這對於戶外教學而言是相當可惜的。 二、師專業能力不足 教師有時對於戶外環境的認知有專業上的不足,王仁榮(2003)的研究結果 顯示,若親師能合作辦理戶外教學,有相關專業的家長能夠彌補教師對於某部分 專業不足的缺憾。林智慧(2001)指出教師不實施校園內戶外教學的原因之一, 是部分教師對校園內戶外教學資源認識有限,且教師表示工作量過大、且並非每 個教師皆對戶外教學有意願和信心,進而影響了戶外教學的實施。另外王靜如 (1991)、余宗翰(1999)的研究指出教師對教學地區資源的不了解、教師缺乏 戶外教學經驗以及缺乏戶外教學活動設計的能力,也是導致戶外教學實施困難的 原因。 三、經費問題 王仁榮(2003)指出教師辦理戶外教學的困難因素之一就是經費收支問題, 若能有家長協助則可克服此項困難。王靜如(1991)、余宗翰(1999)也提到戶 外教學需要面臨經費的問題,包括交通費用、門票或著是保險等因素,有時這些 經費對於家長是一項額外的支出,故對於有疑慮的家長而言,教師可能需要花費 更多的時間說服家長戶外教學的必要性。 四、課程進度問題 王靜如(1991)、余宗翰(1999)的研究發現戶外教學會影響課程教學進度。 他們認為戶外教學性質和校內課程缺乏連結性,當教師利用課堂時間實施戶外教 學時,容易增加教師的教學進度壓力。 五、行政問題 王靜如(1991)指出教師認為公文流程繁複是個困擾。余宗翰(1999)也指 10.

(17) 出,學校行政因為需要顧慮戶外教學的安全責任,以及避免額外的工作負擔,且 不了解戶外教學的意義與價值,因而並不支持戶外教學。吳連賞(1997)指出有 些學校行政認為戶外教學的教學意義不大,並認為玩的作用大於學習的功能,因 而並不支持戶外教學。 六、戶外環境限制 蘇明俊、江新合(2002)提出戶外教學時所處的戶外環境,為一個較不易講解 的環境,空間開放難以管理學生,沒有黑板螢幕不容易進行展示教學,所以難以 進行完全開放式的探究教學活動。. 伍、資訊科技應用於戶外教學 國內目前已經有許多戶外教學的研究,其中使用資訊科技輔助學習的例子也 不在少數,並且都能夠證實在戶外教學中導入資訊科技可以有效提升學生學習興 趣以及學習成效。 吳振謀(2005)設計以行動電話做為學習者從事合作學習溝通的平台,研究 以桃園縣某國小五年級學生為對象,進行教室內與戶外的合作式學習。學習活動 以植物的生態為主軸,在台北植物園進行實地觀察的同學利用多媒體簡訊 (Multimedia Messaging Service , MMS)與教室內同學互動、或詢問相關問題; 也能將收集到的植物拍照後傳給室內的其他同學觀看;教室內的同學則負責整合 資料,並且將得到的知識利用概念圖工具繪製出來,完成學習任務。研究結果顯 示學生對於此種上課方式感到相當有興趣,並希望以後能繼續使用這種方式上自 然課。 蘇麗華、高台茜(2002)發展戶外生態學習教室,此為ㄧ個四年的實驗計劃, 第一年為系統開發,將學習者帶到戶外的學習定點,讓學習者使用無線傳輸的設 備彼此通訊,藉此發展新的戶外學習方式和模式。第二年後戶外生態學習教室改 11.

(18) 變成為戶外賞鳥系統,第三、四年則將此系統與學習模式擴展到其他的戶外生態 學習活動。戶外賞鳥系統提供鳥類相關資料搜尋系統,讓初學者可以更快速且容 易地獲得鳥類的名稱與相關資料,希望以此提供學習者ㄧ個對於鳥類認知部分的 良好學習工具。查詢鳥類相關資訊時,除了文字的敘述之外,還有圖片甚至是動 態視訊片段,運用此種科技試圖從環境和鳥類特徵中讓學習者可以逐步學習知識 基礎。結果顯示除了實驗初期的當機狀況,使得學生學習進度緩慢並且失去耐心 外,而當學生熟悉器材的使用後,學習興趣則顯得相當高昂。 莊旭瑋(2002)利用 PDA 瀏覽校園植物網站,搜尋並了解植物特性。此計劃原 定使用戶外賞鳥系統繼續發展,但有鑒於鳥類分類太複雜,分類搜尋資料庫不易 建立,而且鳥類活動性高不易取得特徵照片進行比對,是以改成植物做為研究重 點。他們於校園內進行認識植物的課程,讓學生在這種環境下培養使用網路科技 的能力以及學習校園植物的特性和知識。研究結果顯示該系統有效的提升了學生 對於校園植物的知識及辨識能力,而因為資訊融入學科的因素,學生在上完自然 課之後,不只是學到了植物知識,更進一步的獲得了操作資訊的能力。他並認為 教師在此種教學中需要花更多的時間與精力搜尋相關的植物資料,並編排適宜的 學習單學習流程,而這些工作皆必須在教學活動前完成,才能讓整體教學活動順 暢的進行。最後並建議若植物教學圖片直接採用網路上擷取的圖片,將無法引起 學生的興趣,最好能拍攝學生所處校園中的植物圖片,學生的專心度及反應會比 較好。 蘇麗華、高台茜、陳裕賢(2003)由原先的戶外賞鳥系統另行研發出戶外賞蝶 系統,在此系統中建立了利用圖形辨識蝴蝶的功能。學習者僅需利用 PDA 拍下想 要觀察的蝴蝶照片,並且給定一些搜尋的基本條件,系統就會經由資料庫開始搜 尋可能的蝴蝶種類。系統搜尋完畢之後,會回傳使用者ㄧ些可能的蝴蝶名稱以及 該蝴蝶的圖片,讓使用者可以進一步的更改他們的搜尋條件,讓搜尋的動作更為 精準,經由這些動做讓學習者可以觀察不同蝴蝶的特徵,並且自主性的學習。 12.

(19) 陸、小結 戶外教學就是將戶外環境融入於教學之中,只要是適合於戶外進行教學的課 程,就應該於戶外讓學生接觸自然直接學習,透過觀察與接觸讓學生獲得最直接 的經驗,提升學習興趣及增加學習經驗。這些外界的刺激,能讓學生獲取自然知 識經驗、提升對環境的感受與態度以及提生學習效果。戶外教學並沒有固定的教 學模式,不同的課程也許要不同的教學活動才能發揮最大的學習效果。雖然戶外 教學的實施有許多困難,但教師若能將授課資料、戶外教學地點補充資料儲存於 行動載具中,則可克服教師對戶外環境認識有限,以及戶外不便攜帶大量紙本資 料的問題。學生也可隨時查閱教學訊息,不會因為處於戶外環境而不便進行展示 教學。情境感知系統又可更進一步的適時適地給予學生資訊,減輕教師管理上的 負擔,增進整體學習成效。. 13.

(20) 第二節 情境感知與相關定位技術 本節探討情境感知的意涵以及如何透過相關的定位技術達到情境感知的目 的。. 壹、情境感知系統 情境感知的觀念最早由Bill和Marvin(1994)所提出,他們認為情境感知就 是將使用者所需要的資訊,依照不同的地理環境位置,將資訊傳送至使用者可以 利用的裝置上。Schilit 及 Theimer(1994)進一步指出所謂的情境包含了位置資 訊、周遭的人物關係以及這些事項的改變。Brown(1997)做出了類似的定義,他 認為情境需要包含位置、人物以及目前的時間、季節、溫度等變化。Dey(1998) 認定的情境除了上述幾項之外,還包括使用者的情緒以及使用者目前關注的事物 兩個項目。除了上述的定義之外,尚有學者認為所謂的情境不需要這些額外的定 義,只要是電腦可以捕捉到有關於使用者周遭狀況的資訊都可稱之為情境 (Franklin & Flaschbart,1998; Ward, Jones, & Hopper,1997)。 Dey 及 Abowd(2000)綜合相關文獻,將情境感知中的情境分為三個主要項目: 電腦相關環境(Computing environment)包含電腦設備、使用者能使用的各項裝 置、網路頻寬、以及網路費率等;使用者相關環境(User environment)包含使用 者所在位置、周遭人物的資料等;物理相關環境(Physical environment)包含光 亮明暗、溫度濕度或是聲音等。Dey 及 Abowd更進一步的提出自己所認定的情 境,他們認為使用者周遭任何人、地點或是物品只要這些資訊可以幫助使用者完 成某項應用,那麼這些資訊都稱之為情境。Prekop & Burnett (2003)及 Gustavsen (2002)將情境區分為外在的(external)以及內在(internal)的兩個 項目,他們認為所謂外在的條件是指可以被感應器感測出的部分,包括位置、光 線、聲音、使用者的行動、溫度、以及氣壓等;內在條件則是針對使用者本身的 14.

(21) 部分,包括使用者關注的目標、任務、目的、以及使用者的情緒等。 Dey 及 Abowd(2000)認為可以提供使用者各種資訊,感測周遭環境的系統就 可以稱之為情境感知系統。而Guanling & David(2000)把情境感知系統區分為主 動式情境感知和被動式情境感知兩種。主動式情境感知意指當系統接收到了使用 者當時的情境因素後,會主動依據當時情境因素改變系統所提供的服務。被動式 情境感知表示系統會不斷更新資訊,並儲存於使用者的手持裝置中,當使用者對 其有興趣再自行點閱。其中又以主動式情境感知較符合自動化的概念並且較能吸 引使用者的注意。 Eija (2003) 指出目前情境感知已經廣泛的應用於旅遊、購物、娛樂等許多 方面,他認為經由使用者的觀點觀看使用者的需求所產生的系統,才能減少系統 負擔並且增進使用上的效益。他的研究結果顯示,使用者期待能在陌生的環境中 看見他想去的景點或是旅館;在緊急事故的情境下則希望系統能提供附近警察局 或消防局的資訊。他們的研究結果也發現,使用者對於主動式情境感知有相當正 面的回應,但若系統提供太大量的資訊,讓使用者無法判斷何者為重要的資訊, 容易讓使用者無法專注於自己所需要的東西上面,因此引起反感。最後 Eija 認 為若可以讓使用者自行輸入資訊內容,因為是以使用者本身的角度記錄該位置的 資訊,將有助於下一位使用者使用上的便利性。 陳彥明(2005)指出要將情境感知服務的功能做到完善且自動化的目標,最 主要的基礎技術就是要能獲得精確且正確判斷使用者的位置資訊。而要能夠提供 使用者的位置資訊,則需要精確的位置感知技術。Matthias、Schahram 及 Florian(2006)則認為一個好的情境感知系統並不是收集最多資訊的系統,而 是提供的資訊恰好足夠使用者使用的系統。並且進一步指出在各項情境之中,目 前最廣為被使用者,以及系統設計者青睞的是位置這項情境資訊。. 15.

(22) 貳、情境感知系統的定位技術 Hazas、Scott 和 Krumm(2004)指出目前常用的定位技術有:超音波定位 (Ultrasonic) 、射頻無線辨識系統(Radio Frequency Identification;RFID) 、 全球定位系統(Global Positioning System;GPS) 、紅外線系統(Infrared-base Active Badge system)、無線網路(WLAN)、全球行動通訊系統(Global System for mobile commucication;GSM)、藍芽(Bluetooth)等技術。下面介紹較常 使用的幾項定位技術及其應用。 ㄧ、藍芽 藍芽的訊號接收範圍大約在 10 公尺以內,當使用者手持藍芽訊號發送器進 入接收器的範圍內時,接收器需要花費 5 到 10 秒的時間才能完成鑑識不同發送器 的確認動作。一般而言在使用藍芽定位時會將接收器至於房間出入口處,使用者 在進出每個房間時皆須在出入口位置停留一段時間等待,等待連線建立完畢,系 統才能得知使用者的位置並且進一步給予使用者相關訊息(Carmine & Fabio,2004)。 Lauri 等(2004)使用 WAP(Wireless Application Protocol)結合藍芽定位系 統發展一由商店自動傳送廣告簡訊給予商家附近消費者的系統。商店所安裝的藍 芽裝置會不斷的發送訊號,當參與此項計畫的消費者走到商店附近時,手中的行 動載具會接受此藍芽訊號並且回傳訊息給予此系統的伺服器。伺服器接收訊號之 後會使用 WAP 傳送商店廣告簡訊給予該消費者的行動載具,並且會記錄該消費者 收到哪些簡訊以防重複傳送。實驗結果顯示消費者認為,透過手機廣告簡訊讓他 們能夠知道更多商店的訊息,節省許多不必要的找尋商店的時間。另一方面他們 也發現,藍芽定位的方式並不夠即時,一些消費者已經遠離該商店才接收到廣 告,而這種情況令部分消費者感到很困擾。此實驗中顯示了藍芽需要過多的時間 定位使用者位置的缺點。 16.

(23) 二、無線網路 使用WLAN做為定位方式需要在各個位置架設AP(Access Point)接收使用者 手中的網路訊號,藉由至少三個不同AP接收到的訊號強弱,判斷使用者所在的可 能位置(SMAILAGIC & KOGAN, 2002)。雖然WLAN定位精準度最高可以在2公尺左 右,但是卻需要在一個事先建置無線網路的環境中才可以使用(Kaasinen,2003)。 Munoz等(2003)在醫院使用這種WLAN定位技術,利用情境感知的技術協助醫 療人員能用最短的時間獲取正確的病人資訊。他們認為醫院中最常移動的腳色是 醫生和護士,而需要醫護人員反覆觀察治療的病人,大部分的時間都躺在病床 上,所以系統選擇定位醫生、護士、病床以及重要醫療器材位置。當醫生或護士 手持PDA到達病床前時,系統即會根據WLAN的定位,給予醫護人員該病床病人的 履歷以供參考。醫護人員也可以利用此系統查詢周圍其他的醫護人員,方便他們 討論醫療議題,並可查詢病人的病例、進入醫院的資料庫尋找治療方式。每次醫 護人員的PDA連上AP之後,就會將醫謢人員所輸入的資訊上傳更新至其他醫護人 員手中。所以當醫生走到病患的床前時,手中的PDA會顯示其他醫護人員對這名 病患醫療觀察後所作的註解。研究結果顯示大多數醫謢人員覺得定位效果十分有 效,可以幫助他們減少查詢病例的時間,增加工作效益。但周遭其他醫護人員的 定位效果則並不顯著,Munoz等人(2004)認為應該是因為醫護人員在醫院的環境 中容易因為匆忙而導致快速行進,造成WLAN定位的不準確。 三、紅外線 IR 裝置可以很容易的傳遞訊號也可以快速的鑑別不同的裝置,需要較為注 意的是發送器與接收器間存在有角度的問題,當二者角度大於 30 度時容易造成 接收上的不良(Carmine & Fabio,2004)。這類 IR 接收器大多裝設於房間的入口 處,是以當使用 IR 定位時,使用者需要隨時拿好自己的行動載具,用以確保載 具與接收器之間的角度小於 30 度角。 17.

(24) Roy 等人(1992)首次使用行動裝置偵測使用者位置資訊,這是一項將情境 感知的概念應用於日常生活中的先驅實驗。在該實驗環境中,Roy 等人在每間房 間中放置至少三個可偵測紅外線(IR)的接收器,並且讓每個使用者配備著屬於自 己的行動載具,房間內的接收器會不斷的嘗試接收載具所發出的紅外線,並依此 做演算法的判斷偵測出使用者所在的位置。他們藉此成功定位使用者的位置,並 且將適當的資訊引導給使用者,譬如有電話響起時系統便將該電話轉接至離使用 者最近的電話上。他們認為這種定位方式將可提供給辦公室相當有用並有效益的 幫助。 Carmine 及 Fabio(2004)選擇在博物館使用 IR 作為定位方式,在他們的 情境感知系統中使用者可以在 PDA 上觀看博物館地圖,以及特殊展覽品資訊。她 們認為使用者在博物館導覽時並沒有固定的路線,難以事先規劃適當的內容提供 閱讀。而聘請導覽員則對於單獨前往博物館的遊客顯的過於昂貴不切實際,是以 發展此情境感知系統協助旅客了解特殊展覽品的相關資訊。在此實驗中各個展示 間的門口天花板都安裝了一個 IR 接收器,遊客手持 PDA 經過門口時,手中的 PDA 會發送紅外線訊號給與天花板上的接收器,中央伺服器可以經由此接收器知道遊 客的位置。在一般的大廳裡使用者可以在 PDA 上看到博物館的全館地圖,當使用 者進入不同展示廳時,PDA 也會呈現該展示廳的地圖並且以小圖示標出該區域主 要展示物品,使用者點擊該圖示之後,系統會開始播放該展示物品的講解內容, 使用者可以隨時暫停、倒轉、快轉操控這個語音檔案。研究結果顯示熟悉博物館 地理位置的遊客可以很容易了解自己的位置,並且給予此系統高度的評價,而不 熟悉博物館的遊客則會有混淆看不懂地圖的情況發生,給予此系統相對低的評 價,且有遊客認為展覽品圖示標明不清楚反而造成導覽上的困擾。 四、無線射頻辨識系統 RFID大多是由感應器(Reader)和感應標籤(Tag)兩個部份所組成的感應系 統,感應器不斷的發送無線電波,當偵測到範圍內的感應標籤時,則標籤會回應 18.

(25) 該感應器,並傳遞相關資訊 (http://www.cc.ntu.edu.tw/chinese/epaper/0002/20070920_2005.htm)。在使 用RFID做為位置感應器時,通常將感應器安裝於出入口的位置,當使用者進出出 入口時則感應器可以感應到使用者位置,並推測使用者此時位於哪個房間內 (Hazas, Scott, & Krumm, 2004)。 基於RFID的體積微小、價格低廉以及耗電量低,Ferscha, Beer,& Narzt(2001) 設計一個使用WLAN並搭配RFID精確計算使用者位置的校園空間(CampusSpace)系 統。此系統需要在校園內架設大量AP,並透過WLAN計算使用者在校園內的位置。 再透過使用者手中裝備有RFID感應器的PDA,感應使用者身邊的Tag,並且根據這 些不同Tag傳給PDA的資料,再進一步計算使用者的精確位置。 Ogata 和 Yano(2004)利用RFID將日常生活中的物體與她們本身的相關資 訊做連結,讓學習者可以藉由讀取物體上的RFID Tag,瞭解物體的名稱與讀法, 並設計問答活動,要求學習者透過RFID感應找到正確的物體。研究結果顯示學習 者對於這樣的學習方式感到興趣且滿意。 五、全球定位系統 GPS原是美國空軍及海軍為了軍事上導航與定位的需要而發展出來的。1973 年開始開放予民間使用,近年來GPS被應用在相當多的不同的領域(蔡東穎、劉 說安,2002)。透過GPS不論使用者是在陸地、海面或是空中,都可以精確測量 出所在的位置(包括經、緯度與高度等資訊),結合衛星及無線技術的導航系統, 能提供給使用者精確的定位資訊(馮瑞婷、蕭顯勝,2006)。GPS的精準度可以 到達2-20公尺,但GPS無法在室內使用,而在擁擠的市區中也可能導致GPS無法正 確定位(Kaasinen ,2003)。 Burigat & Chittaro(2005)在觀光旅行的導覽上,使用行動裝置運用GPS技 術發展一個情境感知系統,此系統讓旅行者可以透過PDA看到3D的虛擬環境畫 19.

(26) 面,讓旅行者可以在看到實際建築物的同時,也能在PDA中得到相關的資訊。他 們認為雖然GPS有10公尺左右的誤差,但在這種空曠的戶外地方,可以透過技術 克服,可是實際實驗結束後,使用者依舊表示在這種市區中GPS並沒有達到預期 的準確度。雖然GPS有偵測使用目前所面對的方位的功能,但因為定位過於不準 確,所以在這個系統中並沒有使用這項功能。研究結果顯示使用者可以透過3D 虛擬畫面輕易的找到系統標示的建築物,使用者表示正確的圖片是讓他們可以容 易找到位置的關鍵。. 参、小結 綜合上述,情境感知就是依照使用者的需要,根據不同的地點不同的環境給 予使用者最適當的訊息,而在這些不同的訊息當中最廣為使用以及被接受的則是 位置資訊。為了獲得使用者的位置資訊,情境感知系統需要搭配各種定位技術, 而這些不同的定位技術適合於不同的環境,也各有優缺點。其中 GPS 為一適合於 戶外空曠場地,簡易使用且不失精準的定位方式。雖然 GPS 無法於室內使用,且 在室外有著些許誤差,但卻是最容易使用且不需要事先於環境中架設感測器的定 位方式。. 20.

(27) 第三節 情境感知系統於教育上的應用 情境感知系統目前在多個領域都有相當多的應用,在此探討情境感知系統在 教育上的應用。 Klopfer等人(2005)讓學生在校園內利用情境感知系統扮演各種虛擬腳色, 調查校園中虛擬的河流汙染狀況,學生可以在這種模擬環境下體驗不同的腳色。 學生在校園內扮演各種環境科學專家,可以遇到許多事件或是許多虛擬出的人 物,經由和這些人物的互動調查水質污染的狀況,不同的腳色擁有不同的功能, 得到不同的資訊。諸如護士可以在虛擬出的病人身上獲得更多的資訊;環境科學 家則在調查土壤狀況時,可以找到更多蛛絲馬跡。學生在校園內移動時,透過PDA 可以看到有標示自己位置的校園鳥瞰圖。他們希望學生可以藉由這些資訊,互相 討論規劃一個可能的阻止災害擴大甚至是改善環境的計畫。結果顯示學生對於此 種教學模式感到有興趣,且促進學生的合作學習。 Griswold等人(2004)發展了行動校園計劃(Active Campus Project)在校園 中架設多台802.11b網路接收器,使用無線網路偵測使用者的位置,讓學生於校 園中手持PDA,可以透過PDA看到周遭有哪些同學、教授以及建築物,並且給予學 生該位置所設定的訊息,他們認為此項計畫可以讓學生更易於參與討論以及樂於 參加討論。研究結果顯示學生對於此項計畫的反應十分正面,學生不僅樂於使用 PDA做為討論工具,討論次數也增加了不少。但缺點則是學生不知道PDA甚麼時候 會接收到訊息,以至於需要時常盯著PDA的螢幕觀看。另一缺點則是訊息跳出後 需要一段時間才能刪除,原意本是讓學生有時間可以閱讀,但卻反而造成了學生 的困擾。 Yin等人(2005)結合GPS與RFID搭配做為戶外與室內的定位裝置,發展教導 外國人學習、了解日本禮儀與人際互動關係的情境教學系統。除了定位功能之 外,使用者還可以透過紅外線交換與對方使用者之間的個人資訊,依照不同的身 21.

(28) 分地位、不同的環境場合練習自己應該使用的社交語言。結果顯示使用者在這套 系統中可以學習正確的禮貌用語,並且對此系統表示滿意。 Wallace 和 Roepcke(1999)使用了GPS接收器、繪圖軟體以及土壤分析儀 器,讓高中生使用定位系統後,實地調查並整理當地農業的相關資料與土壤性 質。他們於活動進行前,先進行一些前導的課程,包括介紹GPS的運作原理和相 關運用,並介紹當地各區域的一些土壤性質。另外也發給學生田野位置與該位置 土壤性質的相關資料,讓學生可以製作地圖並且依照各區域土壤性質的不同,而 在地圖上著不同顏色。藉此訓練學生對於地圖的概念,並讓學生更了解住家附近 的土壤環境。結果顯示學生對此有極高的評價,並讓他們更了解住家周遭的地形 地物。 馮瑞婷(2006)於關渡地區利用GPS發展情境感知系統,並利用流水學習法 規劃適合當地情境的教學內容,建置一個適合學生學習的戶外教學環境。研究結 果顯示情境感知系統可以提升學習成效、學習成就、以及學習專注力。 綜合上述,可以發現情境感知在教育上有多種運用方式,而其中最主要的感 知資訊還是以位置為主,藉此幫助學習者在任何的地點,接收到適當的學習知 識。一個設計良好的情境感知系統,不僅可以讓學習者即時的查詢相關資料,也 能增強學習的動機以及學習成效。. 22.

(29) 第三章 系統設計 本研究的系統設計分為兩個部分,以下就系統規劃以及教學設計加以說明。. 第一節 系統規劃 本研究的目的之一,是發展情境感知系統輔助戶外教學。本系統的設計是與 一位國小自然科教師合作,研究者先赴學校實際觀察教師的授課情形,並針對教 師的戶外教學進行討論;同時並提供 PDA 供教師使用,及協助其瞭解 GPS 的功能。 經過多次往返的討論後,我們規劃出本學習系統的功能應包括:地圖導覽、路徑 記錄以及地圖編輯三項主要功能。分別描述於下。. 壹、地圖導覽 戶外教學時,若學生能自行探索教學地點,自主性的安排觀察時程,不僅可 以兼顧不同程度學生的學習速度,也可以讓教學變得更有效率。教師表示傳統的 戶外教學課程,往往是學生跟隨教師的腳步進行探索觀察,常會發生全班學生聚 集在同一觀察地點,造成部分同學無法順利觀察的情況。若本系統可以克服此項 問題,讓學生自行到達各個教學地點,分散人潮使得每個學生都有確實觀察的機 會,則可增加學習效率。是以研究者與教師認為地圖導覽是系統中極為重要的功 能,讓學生可以隨時知道自己的位置,也能夠知道教學地點的位置,並自行前往。 為了達到上述功能本研究使用 GPS 進行定位,在此介紹系統所擷取的 GPS 訊號、 定位誤差考量以及採用的地圖類型,分述如下: 一、GPS 訊號考量 在此使用 Microsoft 所設計的 Visual Studio 2005 做為研發工具,使用內 建的 RS232 串列通訊協定抓取 GPS 接收器的資料,再以資料流的方式分析 GPS 23.

(30) 資料中有用的資訊。大部份的 GPS 接收器都具備美國國家海洋電子學會(The National Marine Electronics Association;NMEA)所制定的標準規格,NMEA 定義了多種 GPS 資料格式,每種格式輸出的頻率不盡相同,在本次研究中採用 GPRMC 格式,此種格式輸出頻率預設為 1HZ 也就是每秒可以輸出一次資料,以此 確保提供學生所在位置即時資訊。NMEA 格式所傳輸的資料採用美國國家標準資 訊交換碼(American Standard Code for information Interchange;ASCII) , 以句子(Sentence)為一個有效資訊分節,每個句子以$為起始位置,資料內容 包括經緯度、時間及日期等。GPRMC 的資料格式以例子方式呈現$GPRMC,055148,A, 2407.8945,N,12041.7648,E,000.0,000.0,061106,003.1,W*69 說明如表 3-1: 表 3-1 GPRMC 格式 格式. 範例. 備註. 定位資料格式. $GPRMC. 時間. 055148. 表示上午 5 點 51 分 48 秒. 定位狀態. A. A 表示資料可用,V 表示資料不可用. 緯度. 2407.8945,N. 北緯 24.078945 度. 經度. 12041.7648,E. 東經 120.417648 度. 相對航行速度. 000.0. 範圍從 0.0 至 1851.8 節. 相對航行方向. 000.0. 範圍從 0.0 至 359.9 度. 日期. 061106. 2006 年 11 月 06 日. 磁極變量. 003.1. 範圍從 0.0 至 180.0 度. 磁方位角. W. 檢查位元. *69. 在此我們僅擷取經緯度資料用以定位學生位置。PDA 透過 Com Port 接收到 GPS 資料,並擷取定位資訊後,系統將會依據此資訊標是使用者的地理位置。也 就是當學生持 GPS 向北邊移動時,可從系統中即時看到代表自己的符號移動。如 此學生可以更清楚了解自身的位置,輔助他們走向適當學習地點。 二、定位誤差考量 本系統以即時動態測量方式進行定位,讓使用者在戶外教學中透過 PDA 所外 接之 GPS 訊號接受器,取得經緯度資料進行定位。系統將不斷重複蒐集經緯度資 24.

(31) 料,並更新於畫面之中,讓使用者可以即時觀察自身移動之位置。 GPS 定位系統是戶外定位最簡便且容易的一種方式,卻有 10 公尺的誤差以 及衛星訊號易被遮擋的問題。本系統主要設計目的在於輔助學生戶外教學,期望 學生能夠在未知的區域使用本系統做為地圖導覽、指引地點以及紀錄資訊的工 具。當學生走到教師安排的教學地點時,系統將會主動彈跳出小視窗提醒學生到 達正確位置。但教學地點的位置是以經緯度作為標示,若要等學生走到完全相同 的經緯度才彈跳出資訊,這種要求將太過困難且不切實際。 考量學生很難走到與教學地點完全相同的經緯度位置,在設計系統時特別提 供一個可以調整的參數設計,用以決定當學生走入教學地點方圓幾公尺內時彈跳 提示圖片。教師可以根據不同的地點以及不同的 GPS 訊號強度調整這個參數,以 調整更適宜教學活動的系統環境。進行校園植物教學時,因民生國小處於高樓林 立的市區 GPS 定位較不精準,並考量學生對於校園環境較為熟悉,僅需走到教學 地點附近即可找到正確位置。此時的參數設定擴大為 10 公尺,系統只需要偵測 到學生與教學地點相距 10 公尺,就會彈跳出圖片提示資訊。關渡自然公園戶外 教學時,則考量當地環境較為空曠,附近沒有高樓阻礙 GPS 衛星訊號。參數設定 為 2 公尺,提升整體的定位精準度,雖然在此時理論上最大的誤差有可能是 12 公尺,但是在實際使用上因為地形空曠的因素,幾乎感受不到誤差的存在。整體 而言在定位不精準的地區,學生的經緯度位置更難與教學地點相符合,勢必需要 加大參數的設定,使得定位誤差加大。反之若在空間開闊地區,參數可以設定較 為精細,使得定位更為精準。 三、地圖類型考量 經過研究者與授課教師討論時,曾考量自行拍攝地圖或學生繪畫地圖最後則 是採用 PAPAGO 地圖。初期教師認為採用自行拍攝地圖,可以讓學生容易了解戶 外植物分佈,看著圖片就可以了解自己所在的位置。如圖 3-1 學生僅需直接點選 圖片上的植物,就可以連結出植物資訊並填寫學習單。 25.

(32) 圖 3-1 民生國小校園ㄧ景 戶外教學前研究者與教師模擬試作完畢後,發現這種地圖呈現方式有四個缺 點: (1)植物眾多,大型植物容易擋住小型植物造成觀察上的不便。教師表示有 許多值得觀察的草本植物或是小型木本植物,在這種照片中容易被大型的植物擋 住,造成學習活動規劃上的困難。 (2)合宜的照片難以取得,雖然各個區域周圍 都有學校樓房可以俯瞰而下,但是難以照出適當觀察學習的照片。若照片壟罩全 景容易造成植物畫面過小,造成觀察不便;若要讓植物較為清晰又勢必得要放大 該區域,使得其他植物無法入鏡。 (3)斜向空照圖使 GPS 難以定位,GPS 難以在 這種斜向的地圖中成功的標示出學生所在位置,學生會發現自己的位置跟地圖標 示的位置不同,定位困難會造成認知上的混淆。 (4)斜向的空照景觀只符合某方 向的特定視角,當學生從另ㄧ方向進入教學地點後,可能無法對照出自己的位 置,需要額外的時間了解地圖的方向,失去了使用地圖導引學生學習的目的。發 現上述缺點之後,研究者和教師決定採用學生繪畫之地圖。 學生繪畫地圖可以突顯教學植物,達成教學需求。教師認為相較於現實生活 的照片,學生或許會較容易接受其他學生眼中的世界,並且因為繪圖的關係,可 以不用擔心小型植物被大型植物擋住而被忽略的情況,突顯教師規劃的教學植 物。與教師規劃討論之後研究者先於網路上擷取庭園景觀設計圖,並以此和該名 教師討論此種教學方式是否可行,如圖 3-2。. 26.

(33) 圖 3-2 庭園景觀圖(http://goods.ruten.com.tw/item/show?11070625663995) 研究者與教師討論之後發現使用這種繪圖有幾個問題: (1)學生需要額外時 間繪圖,當教師詢問繪畫技巧較高的幾個同學後,發現學生的意願很高,但是卻 沒有額外的時間可供學生繪圖。學生勢必得要使用午休時間或是下課時間繪畫, 將會侵占學生的休息時間。 (2)地圖與地圖間不易連結。以該校為例,當學生位 於民生園中,PDA 將呈現民生園的繪圖,但當離開民生園接近操場時,地圖又勢 必須調整成為操場的地圖。兩種截然不同而又互相獨立的地圖,難以引導學生於 陌生環境中觀察學習完畢自主的前往另一學習地點。 (3)場景難以擴充。校園內 尚有機會請學生先行繪畫地圖,但當活動延伸至關渡自然園區等遠離校園的地 方,要請學生畫出景觀地圖就變的相當困難且不實際。 (4)植物所在位置不精準。 這種繪圖僅能請學生以他們的角度觀察,並且繪畫出教師指定的重點植物,並未 經過精準的測量。若要搭配 GPS 進行定位輔助教學,則這種繪畫上的不精準容易 造成學習觀察上的誤差。請學生繪製地圖不僅麻煩且不切實際,是以最後決定採 用 PAPAGO 的地圖搭配不同地區的教學網頁,輔助學生戶外學習。 PAPAGO 為研勤科技所研發的 GPS 導航系統,採用他們的地圖可以避免地圖 不精確的問題,並且容易取得任何地方的地圖。在此架構下學生可以直接看到校 園鳥瞰圖,教師再於地圖上標示出指定的教學地點,則學生可以清楚知道應前往 何處進行觀察,也知道共有哪些教學地點,自行安排時間。如圖 3-3 所示。. 27.

(34) 圖 3-3 民生國小地圖 此種設計中學生可以直接看到校園地圖,並且了解學習活動地點,便於讓學 生結束一處的觀察後直接前往下一地點。當學生抵達學習地點時,系統可偵測出 學生位置並彈跳出對應該位置的實景圖片,用以提示學生已經到達正確位置。學 生點選該圖片後可以進入教師所規劃的教學網頁,閱讀網頁資訊並實際觀察植物 後再填寫學習單。最後研究者與教師一致同意採用 PAPAGO 的地圖,是較為精準 且適合的地圖。. 貳、路徑記錄 路徑記錄可記錄學生到達學習地點的時間、離開的時間,讓教師能於事後觀 看學生的學習歷程,知道學生於何處花較多的時間觀察,以了解學習狀況。 系統設計開發前,教師曾提及傳統戶外教學通常是全班的學生聚集於同一地 點學習觀察,而這種模式常常造成學生互相推擠,只有少數位於前面的同學可以 真正詳細的觀看教師指定的植物。是以教師認為若系統能夠協助學生自主找到學 習地點,讓學生以分組的方式進行觀察,將可以有效的減少一群人聚集在一起的 狀況,提升戶外教學成效。教師在授課前曾考量為了讓學生確實分散,是否需要 為各小組規劃不同學習路徑。若要為每個小組規劃不同學習路徑,並且確保每個 學習地點不會有太多學生同時進行觀察,則勢必要限制每個小組在每個地點停留 的時間。但考量學生的各別學習差異後,若限制觀察時間勢必會犧牲某些速度較 28.

(35) 為緩慢的學生。在經過討論後教師同意與其限制時間讓學生無法詳細觀察,不如 完全開放各個小組的學習路徑,由各個小組自行規劃學習地點以及各個地點要觀 察的時間。教師表示若系統能夠記錄各組學生的學習路徑,將有助於教師掌握學 生的學習狀況,了解學生是否認真進行觀察活動。學生進入任何一個教師所指定 的學習地點時,就會在路徑紀錄中自動紀錄目前的時間資訊以及地點資訊,離開 該地點後,系統也會自動紀錄學生離開的時間。 教師可以依照此路徑記錄觀察學生行經各景點的順序,以及在各地方持續停 留時間。本系統採用每五分鐘自動儲存,以及當關閉程式後自動儲存路徑紀錄的 方式,用以確保完整紀錄每個學生的觀測路徑。. 参、地圖編輯 設計系統之前,研究者認為地圖編輯是不可或缺的一項功能,它可讓教師更 改設計不同教學地點。教師可以在此編輯適當的教學地點,以及該地點的相關資 訊,設計一系列與課程有關的活動,讓整個教學活動更為豐富有彈性。地圖編輯 又可以分為地點編輯以及背景地圖編輯兩部分。 一、地點編輯 教師及學生可在此處自行編輯任意地點。戶外教學實施之前,教師可以使用 此地點編輯功能,設定教學地點以及該地點的相關資訊。包括此地點的經緯度、 地點名稱、地點圖片以及點擊之後的超鏈結路徑。戶外教學進行時,學生可以依 照自己的興趣,拍攝有趣的地點並且利用此地點編輯功能,完成獨一無二的教學 地點。戶外教學完成後再利用藍芽傳輸功能,與其他同學分享自己獨特編輯的地 點,並做相關的討論工作。 二、背景地圖編輯 教師可以在課前使用此功能任意更換背景地圖。正確的背景地圖可以導引學 生走向正確的方位,並且於其上顯示出編輯好的地點。教師需要紀錄地圖的正確 29.

(36) 座標,包括左上角的經緯度以及右下角的經緯度,系統才能在接收到 GPS 資訊之 後正確的呈現出學生所在位置,以及正確的教學地點。 地圖設定前須先獲得地圖的極點座標,才能定位出其他地點的相對位置。本 系統需要事先設定背景地圖作為使用者觀察的地圖。背景地圖需依靠該地圖的左 上以及右下兩點座標,依此計算使用者以及教學地點在圖中的相對位置,並標示 於地圖上。是以在地圖設定時,研究者需事先到達該地點,並依據系統連接 GPS 後的狀態顯示經緯度,紀錄地圖的極點座標。教師或學生可以透過系統的狀態選 像隨時了解目前的經緯度位置,以編輯地點或地圖,也可以在此看到衛星連接狀 況(圖 3-4)。開啟 GPS 之後需要一段時間才能正常運作,而這段時間會依據不 同的環境而有所變化。狀態選項可以讓教師和學生了解是否已經找尋到衛星,或 著是訊號被阻擋而需要重新連接,並確認 GPS 連線狀況。當正常接收 GPS 衛星訊 號之後系統會指引出目前座標位置、抓取到的衛星數目以供教師和學生查詢或記 錄使用。. 圖 3-4 狀態畫面. 30.

(37) 第二節 教學設計 本節主要探討教學活動相關規劃,分為教學活動單元、教學地點提示、學習 資源以及學習單四部分討論。. 壹、教學活動單元 依據前述各項系統功能,我們共規劃校園教學以及關渡自然公園兩個學習單 元。 一、校園教學 校園教學主要根據自然與生活科技學習領域中「植物的構造與功能」單元設 計規劃成三個部分,包括於教室內認識植物基本知識、於室外使用 PDA 認識植 物、使用情境感知系統觀察校園植物。前兩部分做為學生熟悉 PDA 使用以及情境 感知系統介面之練習課程,最後則讓學生正式使用情境感知系統。 教室內使用 PDA 教學,主旨是讓學生練習操作 PDA 的基本技巧,包括儲存檔 案、中文輸入、PDA 編輯環境以及檔案傳輸等功能。經過一節課的訓練讓學生擁 有 PDA 的基本操作能力,才繼續進行校園內植物教學的活動。為了使學生循序漸 進熟悉情境感知系統的操作,研究者與教師討論之後決定先使用模擬畫面,讓學 生熟悉地圖以及操作方法(如圖 3-5)。當學生點擊該次的學習地點童欣園後, 可以看到如圖 3-6 的學習頁面,中間圖片為童欣園的實際照片,兩邊分佈的植物 名稱則是依照實際的分部狀況而排列,讓學生能夠快速的尋找欲觀察的植物。. 31.

(38) 圖 3-5 校園地圖. 圖 3-6 童欣園植物分佈介紹. 學生完成 PDA 操作訓練以及簡易地圖操作之後,開始正式使用情境感知系統 輔助校園植物教學。如圖 3-7 校園植物教學總共規劃四個主要學習地點,包括校 園停車場、活動中心前、教務處前以及操場四個區域。每個區域皆由教師挑選 2 至 3 個不等的植物以供學生觀察填寫學習單。學習活動以學生自行到達各景點觀 察植物且記錄學習單的方式進行。全班共分為六個小組,每組約 5 至 6 人,每人 皆手持一台 PDA 以及 GPS 接收器,並使用本情境感知系統輔助教學。若遭遇 PDA 使用上的問題或是當機等非預期狀況,則由研究者從旁即時援助並排除故障,確 保學生可以正常使用情境感知教學系統。教師於教學過程中扮演引導者以及輔助 者的角色,於課程開始前解說本次校園植物教學注意事項,並告知學生此次課程 觀察重點,當學生於觀察植物遭遇問題時,教師則從旁引導學生解決問題。. 32.

(39) 圖 3-7 校園植物教學 如圖 3-8、3-9 本次活動共使用兩張學習單,分別為棕櫚家族 Q&A 以及棕櫚 家族大調查,藉由不同的學習單提醒學生不同的學習觀察重點。. 圖 3-8 棕櫚家族 Q&A. 圖 3-9 棕櫚家族大調查. 二、關渡自然公園教學 關渡自然公園教學為一個耗時 4 節課的活動,先由校園集合搭乘遊覽車共同 出發,抵達目的地後先由教師講解注意事項,再讓學生自行觀察的活動。實施學 33.

(40) 習活動時,因為園區較為龐大且為了確保學生安全,是以共有兩名教師、四位學 生家長以及六位師大資教所學生隨行。本次戶外教學活動與校園植物教學相同, 將全班分為六個小組,每組約 5 至 6 人。 活動共規劃了三個戶外觀察區以及兩個室內觀察區。戶外觀察區包括海岸植 物、埤塘生態以及親蟹觀察三個區域;室內觀察區則集中於關渡自然公園內的教 育中心,分為消失的水田及望遠賞鳥兩部分。活動規劃時為了避免過多觀察地 點,造成學生每個地區觀察時間過短,沒有達到學習效果,是以教師規劃學生可 以自由於三個戶外觀察區域選擇兩個自行觀察,兩個室內觀察區域選擇其中之一 觀察。每個區域都有自行獨立的學習單,所以本次活動共有五張學習單,而學生 可以自由選擇觀察區域以完成其中三張學習單,減少學生負擔並增加整體活動的 流暢度。. 貳、教學地點提示 教學地點資訊設計希望可以提供足夠的植物導覽資訊,卻又不能因為過多的 資訊導致學生閱讀困難。系統設計之初曾與任課教師作多次的討論,以期設計出 完善的植物資訊,使學生可以經由網頁閱讀得到足夠的教學內容,避免過多的資 訊造成閱讀上的困難。 設計校園植物教學時,總共設計出四個教學地點,每個教學地點規劃出兩至 三個獨特且與課程相關的植物,各植物資訊皆為一個頁面的實景圖片加上一個頁 面的文字資料。避免學生花過多的時間在閱讀 PDA 上面的資訊,造成沒時間做實 景觀察的情況發生。關渡自然公園因為地楚遼闊且擁有許多校園不常見的植物, 所以此時規劃上希望學生可以用更開放的方式觀察,並未限定觀察植物種類。公 園內共規劃戶外三個地點室內兩個地點,每個地點皆以學習單的方式導引學生實 際觀察植物。學生依據學習單上的設計,可以自由觀察自己喜歡的植物,並且描 繪植物外貌以及生活型態。 34.

數據

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參考文獻

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