建置雲端擴增實境教材編輯系統之研究

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(1)國立臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系碩士論文. 建置雲端擴增實境教材編輯系統之研究. 研究生：徐韻如指導教授：蕭顯勝博士. 中華民國一 0 二年六月.

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(3) 謝誌首先誠摯的感謝指導教授蕭顯勝博士，老師悉心的教導使我得以體會數位學習領域的深奧，不時的討論並指點我正確的方向，使我在這些年中獲益匪淺。老師對研究的嚴謹更是我輩學習的典範。本論文的完成另外亦得感謝參與實驗的各個國小的教師們的大力協助。因為有你們的體諒及幫忙，使得本論文能夠更完整。感謝建佑學長在這兩年的指導，有時表現不到您要求的標準，您總是不厭其煩的指出我研究中的缺失，且總能在我迷惘時為我解惑，在學長的調教之下，讓我在實驗室的生活變得相當充實。感謝佳厚和榮龍學長在系統技術方面的協助，在完成系統的過程中，遇到許多困難和挫折，多虧有了兩位學長的大力襄助，系統才能順利完成。感謝俊臣學長在每次開會的時候，給予本論文的意見，讓論文的內容更加完善。兩年裡的日子，實驗室裡共同的生活點滴，學術上的交流、煩悶時的垃圾話、一起趕系統的革命情感。感謝實驗室的可欣、承翰、景文、羿伶，有你們的互相扶持，我才能繼續往前，這段努力做研究的時光，相信彼此都有所成長。感謝全體同學的幫忙，恭喜我們順利走過這兩年。實驗室的明城、文農學弟、鈺新學妹當然也不能忘記，你/妳們的在口試和實驗時的幫忙我銘感在心。在師大校園中認識的每一個人，讓兩年的研究生活變得絢麗多彩，感謝家人們的支持與體諒，假日總是來匆匆去匆匆，沒能好好在家裡陪伴家人，現在終於拿到學位了，也算是開始人生的另一個階段了，期待未來有美好的開始。. iii.

(4) 建置雲端擴增實境教材編輯系統之研究研究生：徐韻如指導教授：蕭顯勝博士. 中文摘要擴增實境有結合真實和虛擬世界的特性，因此透過此技術可彌補真實世界無法呈現虛擬資訊的缺點，利用擴增實境製作學習教材，可幫助傳達抽象的概念，讓學生較易理解學科內容的呈現。擴增實境教材可吸引學生注意力，提升學生對於自然與生活科技的學習動機。製作擴增實境教材需經過不同軟體的配合才可完成，對於部分資訊能力不佳的教師，自行開發擴增實境教材將成為負擔。本研究開發使教師可自行編輯擴增實境的教材編輯系統，目的在於幫助教師快速製作符合教學內容的擴增實境教材，避免教師因為技術門檻過高，就放棄使用擴增實境教學。在許多研究中曾提到探究式學習結合擴增實境的例子，都可有效吸引學生的注意力，引發好奇心，對學習主題產生探究。故教師在使用本系統也可參考探究式教材編輯模式，發展擴增實境教材。本系統以雲端運算的處理能力，突破行動設備的硬體限制，加強擴增實境使用的流暢性。此外，本研究也調查教師在使用雲端擴增實境教材編輯系統滿意度，研究結果發現，雲端擴增實境教材編輯系統修改教材之彈性度高，教師對系統給予高度評價，且使用本系統開發擴增實境教材意願高。研究所得建議包含網頁端和 APP 端介面設計需一致、網站端需新增預覽功能、未來研究可調查學生端使用擴增實境教材的想法。. 關鍵詞：擴增實境、教材編輯系統、探究式學習、雲端運算。 iv.

(5) Research of Establishing An Cloud Augmented Reality Material Authoring System. Author: Yun-Ru, Hsu Adviser: Hsien-Sheng, Hsiao. ABSTRACT Augmented Reality technology could turn the virtual exhibition materials into verisimilitude materials. Hence learners could feel immersive in the learning environment. However, teachers need high information skill to produce augmented reality materials. This study is to develop a system that teachers can edit their augmented reality contents by themselves. Also, we develop an app that students can access materials. It is useful and quickly for teachers to create the Augmented Reality material. Some teachers may think that making material with augmented reality is too difficult to do. We hope to avoid this situation. The system contains two edit modes. The first one is the general editing mode. Teachers could choose different materials such as text, picture, video, music and 3D model to achieve the teaching goal. To produce augmented reality of course. Another one is inquiry augmented reality edit mode. According to the instructions of the system, teachers complete the inquiry augmented reality course. The system will reduce the time of the production of materials, and produce high interactive augmented reality materials. To break the hardware limitations of mobile devices and enhance fluency of augmented reality are using the processing power of cloud computing. In addition, this study also investigated the satisfaction of the system from teachers. The findings are as follows: Cloud Augmented Reality v.

(6) Material Authoring System is flexible to modify material. They thought this system was great and useful Teachers are willing to use this system highly. The suggestions are as follows: The interface design of the web must be the same with APP. The web site needs to add the preview function. Future research may investigate the idea from student.. Keywords: augmented reality, authoring tool, cloud computing, inquiry-based learning.. vi.

(7) 目. 錄. 謝誌 ................................................................................................................ iii 中文摘要 ........................................................................................................ iv ABSTRACT .................................................................................................... v 目. 錄 ....................................................................................................... vii. 圖. 次 ........................................................................................................ ix. 表. 次 ...................................................................................................... xiii. 第一章緒論 ................................................................................................. 1 第一節研究背景與動機 ..................................................................... 1 第二節研究目的 ................................................................................. 6 第三節待答問題 ................................................................................. 7 第四節研究範圍與限制 ..................................................................... 8 第五節研究流程 ................................................................................. 9 第六節名詞釋義 ............................................................................... 11 第二章文獻探討 ....................................................................................... 13 第一節雲端運算 ............................................................................... 13 第二節擴增實境 ............................................................................... 16 第三節探究式學習 ........................................................................... 26 第四節文獻評析 ............................................................................... 31 第三章研究方法 ....................................................................................... 33 第一節研究架構 ............................................................................... 33 第二節研究對象與實施 ................................................................... 34 第三節系統功能需求分析 ............................................................... 36 第四節系統建置 ............................................................................... 39 第五節系統操作訓練與教材製作 ................................................... 77 vii.

(8) 第六節研究工具 ............................................................................... 80 第七節資料處理 ............................................................................... 83 第四章研究結果與討論 ........................................................................... 84 第一節系統滿意度問卷分析 ........................................................... 85 第二節訪談紀錄分析 ....................................................................... 92 第五章結論與建議 ................................................................................... 94 第一節結論 ....................................................................................... 94 第二節建議 ....................................................................................... 97 參考文獻 ..................................................................................................... 101 附錄 ............................................................................................................. 108 附錄一訪談問題 ............................................................................. 109 附錄二訪談紀錄 .............................................................................. 111. viii.

(9) 圖. 次. 圖 1-1 擴增實境應用於教育的趨勢 ........................................................... 2 圖 1-2 研究流程圖 ..................................................................................... 10 圖 2-1 擴增實境在現實與虛擬環境之關係圖 ......................................... 16 圖 2-2. AR 系統在辨識符號且疊加資訊的過程 ...................................... 17. 圖 2-3 圖標示追蹤 ..................................................................................... 17 圖 2-4 無圖標示追蹤 ................................................................................. 18 圖 2-5 顯示器型 ......................................................................................... 19 圖 2-6 頭戴光學透視型 ............................................................................. 19 圖 3-1 研究架構 ......................................................................................... 33 圖 3-2 研究流程 ......................................................................................... 35 圖 3-3 系統功能圖 ..................................................................................... 39 圖 3-4 教材編輯介面 ................................................................................. 40 圖 3-5 探究式教材使用流程圖 ................................................................. 41 圖 3-6 系統管理介面 ................................................................................. 42 圖 3-7 教材 APP 介面................................................................................ 42 圖 3-8 教師操作流程圖 ............................................................................. 44 圖 3-9 教師註冊 ......................................................................................... 45 圖 3-10 完成註冊 ....................................................................................... 45 圖 3-11 點選新增課程 ............................................................................... 46 圖 3-12 填寫課程資訊 ............................................................................... 47 圖 3-13 修改課程資訊圖示 ....................................................................... 48 圖 3-14 修改課程資訊 ............................................................................... 48 圖 3-15 編輯探究式教材 ........................................................................... 49 圖 3-16 探究式教材編輯 ........................................................................... 49 ix.

(10) 圖 3-17 提出問題....................................................................................... 50 圖 3-18 編輯頁次....................................................................................... 51 圖 3-19 模型使用流程............................................................................... 52 圖 3-20 搜尋模型....................................................................................... 53 圖 3-21 選擇下載模型格式....................................................................... 53 圖 3-22 選擇 Collada(.zip)格式 ................................................................ 54 圖 3-23 選擇.dae 格式 ............................................................................... 54 圖 3-24 模型匯入 SketchUP...................................................................... 55 圖 3-25 模型匯出轉檔............................................................................... 55 圖 3-26 模型匯出為.dae 格式 ................................................................... 56 圖 3-27 上傳 3D 模型 ................................................................................ 56 圖 3-28 設計 3D 模型組合........................................................................ 57 圖 3-29 引導分析....................................................................................... 58 圖 3-30 引導解釋結果............................................................................... 59 圖 3-31 一般編輯模式範例....................................................................... 59 圖 3-32 一般編輯模式編輯畫面 .............................................................. 59 圖 3-33 圖片編輯....................................................................................... 60 圖 3-34 音樂編輯....................................................................................... 61 圖 3-35 文字編輯....................................................................................... 62 圖 3-36 影片編輯....................................................................................... 63 圖 3-37. AR 編輯 ........................................................................................ 64. 圖 3-38 刪除課程....................................................................................... 65 圖 3-39 打包課程....................................................................................... 65 圖 3-40 學生操作流程圖........................................................................... 66 圖 3-41 主畫面........................................................................................... 66. x.

(11) 圖 3-42 探究式擴增實境教材圖標 ........................................................... 67 圖 3-43 一般擴增實境教材圖標 ............................................................... 67 圖 3-44 提出問題-1.................................................................................... 68 圖 3-45 提出問題-2.................................................................................... 69 圖 3-46 執行探究活動-1............................................................................ 70 圖 3-47 執行探究活動-2............................................................................ 71 圖 3-48 分析和整理證據 ........................................................................... 71 圖 3-49 圖片素材 ....................................................................................... 72 圖 3-50 文字素材 ....................................................................................... 73 圖 3-51 音樂素材 ....................................................................................... 73 圖 3-52 影片素材-1.................................................................................... 74 圖 3-53 影片素材-2.................................................................................... 74 圖 3-54. AR 素材-1 ..................................................................................... 75. 圖 3-55. AR 素材-2 ..................................................................................... 75. 圖 3-56. AR 素材-3 ..................................................................................... 76. 圖 3-57. AR 素材-4 ..................................................................................... 76. 圖 3-58 學習搜尋模型 ............................................................................... 77 圖 3-59 學習教學範例 ............................................................................... 78 圖 3-60 操作探究式擴增實境教材 ........................................................... 79 圖 3-61 操作一般擴增實境教材 ............................................................... 79 圖 4-1 擴增實境接觸經驗 ......................................................................... 86 圖 4-2 擴增實境教材使用經驗 ................................................................. 86 圖 4-3 學習擴增實境教材於教學之態度 ................................................. 87 圖 5-1 兩列式版面 ..................................................................................... 98 圖 5-2 兩欄式版面 ..................................................................................... 98. xi.

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(13) 表. 次. 表 2-1 擴增實境分類 ................................................................................. 20 表 2-2 行動裝置的擴增實境發展套件 ..................................................... 20 表 2-3 擴增實境運用於教育相關研究 ..................................................... 21 表 2-4 擴增實境教材編輯系統比較 ......................................................... 24 表 2-5 探究式學習與擴增實境結合相關研究 ......................................... 28 表 3-1 系統需求分析結果 ......................................................................... 37 表 3-2 系統開發工具表 ............................................................................. 43 表 3-3 伺服器系統環境表 ......................................................................... 43 表 3-4 系統滿意度問卷 ............................................................................. 80 表 3-5 系統訪談題目 ................................................................................. 82 表 4-1 滿意度分析 ..................................................................................... 88 表 4-2 訪談教師 ......................................................................................... 92 表 5-1 現有擴增實境編輯工具比較表 ..................................................... 95. xiii.

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(15) 第一章緒論本章將分成六節，分別描述本研究之研究背景動機、研究目的、待答問題、研究範圍與限制、研究流程與名詞釋義。分別說明如下：. 第一節. 研究背景與動機. 擴增實境為一項將現實環境拓展到虛擬物件和內容的技術，透過此技術可將現實環境中不易察覺的現象，運用虛擬的資訊，將現實世界與虛擬世界連結。此技術目前被廣泛應用在各領域中，不論是醫學、行銷、廣告、遊戲、導覽、建築、教育、工業發展等範圍（張昊勻、陳菁惠， 2010; 資策會，2011; Gervautz & Schmalstieg, 2012）。Johnson、Adams 與 Cummins（2012）在 NMC Horizon Report 的報告中更提到擴增實境最有潛力的特色是可被用於視覺化和高互動性的學習模式，並將虛擬的資訊附加在真實的世界中，這樣的特色是其它技術無法取代的，因此擴增實境將成為未來學習的發展趨勢。 Martin、Diaz、Sancristobal、Gil、Castro 與 Peire（2011）依據 Horizon Report 進行科技導入教育之分析，擴增實境的研究趨勢如圖 1-1，在 2008~2010 年間著重於情境感知和視覺化的研究，而在擴增實境技術與行動載具的發展配合下，行動擴增實境將成為研究重點。學生的學習範圍變得更加寬闊，學習的場域也不限定於教室內，行動載具輕薄短小的便利性，也加速了行動學習的無限可能性。. 1.

(16) 圖 1-1. 擴增實境應用於教育的趨勢. 資料來源：Martin et al.（2011）. 陳靜賢（2010）的研究中指出國小教師認為自然與生活科技教學困難在於某些自然現象在生活中較不易察覺也無法利用肉眼觀察，只能夠透過腦中想像的畫面來推測。例如磁力線的分佈或是黴菌生長的變化。對於觀察力和想像力薄弱的學生，將會造成學習自然與生活科技上的阻礙。此外，王健華與卓詠欽（2008）認為教師在進行自然與生活科技教學時，教具的使用扮演了重要的角色。不過些情境是無法用傳統教具來模擬的，例如板塊的移動。吳瀞佩（2004）提到學生在學習的過程中，過於依賴教科書，加上放學後缺乏實際觀察的動力，導致學習成效不彰，以上皆為自然與生活科技教學所遇之問題。擴增實境有結合真實和虛擬世界的特性，因此透過此技術可彌補真實世界無法呈現虛擬資訊的缺點。利用擴增實境製作學習教材，傳達抽 2.

(17) 象的概念，對於想像力較薄弱的學生而言，可在真實的環境中，利用虛擬資訊做為輔助，對於理解學科內容是有加分的作用（廖詠年，2010； Sayed, Sharawy, & Zayed, 2011）。擴增實境教材相對於傳統的 2D 書面資料，可幫助學生更有效地學習和提高知識的保留（Billinghurst & Duenser, 2012）。擴增實境教材讓學習者能利用眼睛觀看抽象的的科學概念，增加理解力與學習自信心（王健華、卓詠欽，2008）。學生在操作擴增實境教材時，可利用不同的角度和遠近觀察模型，可增加學生觀察學習物體的機會。 Billinghurst（2003）指出使用擴增實境當作教具，可以讓學習者流暢的進行互動，也解決傳統教具無法模擬的自然現象的缺點，例如使用兩個圖標代表板塊，當兩個圖標靠近時，板塊會隆起，學生可立即體會板塊運動的概念。Aziz, Aziz, Paul, Yusof, 和 Noor（2012）的研究中發現擴增實境技術將虛擬與真實環境的結合，可以加強學習者對真實世界的認知及互動，使學習更具樂趣與效果。在許多研究中指出擴增實境融入教學，可有效地引起學生的學習動機（莊順凱，2006；許曜軒，2011；廖詠年，2010; Woods, Billinghurst, Looser, Aldridge, Brown, Garrie, & Nelles , 2004; Di Serio, Ibáñezb, & Kloosb, 2012）。導入擴增實境至教學時，教師將面對製作擴增實境教材耗時，且需具備很多不同軟體的資訊技能的困難，例如製作 3D 物件，須經過建模、材質貼圖設定、燈光設定和動畫設置，若欲製作出精細模型，則組合越複雜，所需的建模軟體，功能也相對龐大，操作也須經過訓練，才能產出模型，有此可知製作模型的過程繁瑣且耗時。當模型完成之後，匯入 Unity4.0 撰寫互動腳本，而模型互動的變化，配合高通公司推出的擴增實境套件，都必須利用程式來達成。對於沒有程式基礎和缺乏製作模型經驗的教師，製作擴增實境教材是一項沉重的負擔。故 Farias、Dantas 3.

(18) 與 Burlamaqui（2011）提到擴增實境教材編輯系統應設計成簡單易用，並降低教師使用的資訊能力門檻。本研究的系統功能設計也參考了此種作法，教師只需要搜尋模型，而不需要了解如何製作模型，簡化製作擴增實境教材流程。在許多研究中曾提到探究式學習結合客製化擴增實境教材的例子（Klopfer, Perry, & Rosenbaum, 2007; Dede, Dunleavy, & Mitchell, 2009; Thayer, 2010），皆有提升學習動機之效果。而探究式學習的優點在於能培養學生高層次思考能力和問題解決能力，對於科學概念之理解均有幫助，並能提高學生的學習表現。國家研究協會 National Research Council （NRC）提到以探究式學習法進行教學，對於學生釐清的科學概念將有良好成效，所以教師在與學生互動時，應聚焦和支持探究活動（NRC, 1996）。故本研究提供探究式教材的編輯模式，讓系統引導教師製作出符合探究式學習步驟的教材。雲端運算將電腦運算能力隨著網路慢慢聚集在伺服端，伺服端也因此聚集更大量的運算能力，使用雲端運算的架構，可快速處理擴增實境的呈現（Huang, Lin, & Lee., 2012）。故雲端運算對於執行擴增實境的流暢性是相當重要的。本研究將雲端擴增實境教材編輯系統視為一種服務，而以雲端運算架構本系統的優點如下：(1)教師不需下載任何開發軟體，簡化教師製作擴增實境教材的作業流程（Arora, Kumar, Madan, & Pant, 2012）；(2)利用雲端運算的網路使用無所不在和隨需應變自助服務特性，教師透過雲端即可編輯擴增實境教材，在編輯教材的過程當中只需把擴增實境教材內容存放至網路空間上，往後只要連接上網路，就可繼續編輯教材；和(3) 利用雲端運算的高度彈性，教師使用初階的資訊設備，即可執行製作擴增實境教材的高速複雜運算。 4.

(19) 綜合以上所述，本研究欲建置一個雲端擴增實境教材編輯系統，並且提供探究式教材編輯模式，特色在於教師可自行製作符合探究式學習步驟的擴增實境教材，相對於其他客製化的擴增實境教材，有教材內容修改彈性大之優點。系統互動功能將針對國小自然與生活科技所設計，目的在於幫助自然與生活科技教師快速製作符合教學內容的擴增實境教材，避免教師因為技術門檻過高，而放棄使用擴增實境教學。將教學內容行動化已為趨勢，故教師在系統完成擴增實境教材後，系統可直接將教材打包，學生在行動裝置上安裝 APP，輸入課程編號便可開始進行學習。此外，本研究調查教師在使用雲端擴增實境教材編輯系統滿意度，做為日後系統改善的意見收集，持續優化系統。. 5.

(20) 第二節. 研究目的. 有鑒於上述之研究動機，本研究之研究目的如下：一、分析雲端擴增實境教材編輯系統功能需求。二、開發雲端擴增實境教材編輯系統。三、調查教師對於雲端擴增實境教材編輯系統的滿意度。. 6.

(21) 第三節. 待答問題. 根據研究目的，本研究待答問題如下：一、分析雲端擴增實境教材編輯系統需要哪些功能? 二、如何建置雲端擴增實境教材編輯系統? 三、調查教師對於的雲端擴增實境教材編輯系統的滿意度為何?. 7.

(22) 第四節. 研究範圍與限制. 本研究主要對於雲端擴增實境教材編輯系統做探討，並且研究對象對於資訊載具與軟體系統的操作皆有一定的瞭解範圍，本研究雖力求實驗過程完備嚴謹，仍可能受環境及時間等客觀因素影響，致使本研究所欲探討的結果有未盡周全之處，以下為本研究之限制說明：一、研究範圍 (一) 研究對象國小自然與生活科技教學者。 (二) 研究結果本研究之研究成果為雲端擴增實境教材編輯系統，研究者將運用國小自然與生活科技教學者使用此系統之滿意度為研究的成果，不做通則上的推論。二、研究限制本研究所開發的雲端擴增實境教材編輯系統，研究對象是以國小自然與生活科技教師為主，故在其它領域的教學者若想使用本系統，需先評估本系統的功能是否符合教學需求，而自然與生活科技課程或教學並無法代表其它領域之課程，亦不適合以單一領域推論其他領域。在其它領域的實際需求與功能規劃仍需依照各領域之專家提出，並進行專家會議探討後才進行各別領域之需求設計，並適度的進行使用者訪談或教學實驗以驗證系統結合其他學程領域的成效，因此不宜以單一自然與生活科技學習領域推論整體其它領域應用之需求。. 8.

(23) 第五節. 研究流程. 本研究之研究流程與步驟實施程序將以七大階段進行，將於先期擬定系統功能與目標後，申請論文計畫審查口試；待通過論文計畫審查後，開始著手進行雲端擴增實境教材系統，並進行專家會議展示系統雛形功能及了解是否符合使用者的需求，以及系統功能修正與問卷設計；發展雲端擴增實境教材系統操作介面，並於系統完成後進行課程內容與系統操作流程的滿意度問卷之評估，最後撰寫研究報告並產出分析後的結果及歸納研究結論及建議。整體的流程如下圖 1-2 所示：. 9.

(24) 蒐集相關資料. 擬訂計畫. 決定研究主題. 擬定論文研究計畫檢討修正論文計畫審查. 研究分析. 教學者分析、系統功能分析、系統內容分析、發展工具分析. 設計研究工具. 發展研究工具. 評估研究工具. 系統內容設計系統滿意度設計. 開發雲端擴增實境編輯系統. 進行系統介面、系統流程、系統滿意度問卷之評估. 實驗實施. 系統教育訓練. 撰寫. 資料分析歸納結論與建議. 研究報告撰寫研究報告圖 1-2. 研究流程圖. 10.

(25) 第六節一、. 名詞釋義. 擴增實境（Augmented Reality）. 擴增實境簡稱 AR，是將「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術，讓使用者可以在親眼所見的實際環境中操作虛擬 3D 立體物件。它將虛擬資訊加到使用者感官知覺上的電腦顯示器，製造使用者真實與虛幻並存的知覺。擴增實境至少具有三大特色（Azuma, 1997）：(1)結合虛擬與真實世界；(2)能夠做到即時性互動；和(3)在 3D 立體環境中運作。本研究欲建置擴增實境教材編輯系統，協助教師製作擴增實境教材。學生在現實的環境中，操作擴增實境教材達到即時的互動，並且將虛擬的資訊附加在真實的環境中，讓學生了解抽象概念。二、. 擴增實教材編輯系統（Augmented Reality Material Authoring. System）透過圖形化的介面，讓用戶設計簡單的 AR 效果，而無需編寫程式。用戶可以加入虛擬文字，圖像，影片，音樂，3D 內容，將它們附加到圖標或印刷圖像，快速建立的 AR 場景（Billinghurst ＆ Duenser, 2012）。本研究開發的雲端擴增實境教材編輯系統，目標在於降低製作擴增實境教材的難度，系統可分為兩個部分，教師在網站上編輯擴增實境教材，分為兩種編輯模式，一般編輯模式和探究式教材編輯模式，系統支援文字，圖像，影片，音樂，3D 內容。另一個則為 APP 端，學生使用 APP 即可看到教師編輯的內容。三、. 雲端運算（Cloud Computing）. Buyya、Pandey 及 Vecchiola（2009）指出雲端運算，是一種基於網際網路的運算方式，透過共享軟硬體，使資源達到平衡分配。本研究欲利用雲端運算的特性，讓教師透過雲端計算的海量資料存 11.

(26) 儲特性可存放製作擴增實境教材的素材；高速計算能力、高彈性和資源彙整能幫助教師縮短程式執行時間；隨需應變自助服務和網路使用無所不在特性讓教師只要擁有網路即可編輯擴增實境教材。四、. 探究式學習（Inquiry-Based Learning）. 探究式學習是一種教與學模式，它能夠使學生在學習的過程中採取主動，建構有關自然世界及人造世界的知識，並發展共通能力和培養探究精神或思考習慣，促進學生終身對知識的探求，全面認識自己在社會所擔當的角色、在自然世界中所佔的位置及人類與環境的互動關係，成為自我導向的獨立學習者，發展對社會及科學課題探索及探究的興趣，尋求解決問題的方法（洪振方，2003；黃仕棋，2003）。本研究欲開發一個探究式教材編輯模式，依據雲端擴增實境教材編輯的指示，教師可快速製作出符合探教式學習步驟的擴增實境教材。. 12.

(27) 第二章文獻探討本章將分別討論雲端運算（Cloud Computing）、擴增實境（Augmented Reality）及探究式學習策略（Inquiry-Based Learning），歸納出本研究之理論依據。. 第一節. 雲端運算. 一、雲端運算的定義根據美國國家標準與技術研究院 National Institute of Standards and Technology's（NIST）所提出的定義，雲端計算（Cloud Computing）是一種模式，能方便且隨需求應變地透過連網存取廣大的共享運算資源（如網路、伺服器、儲存、應用程式、服務等），並可透過最少的管理工作及服務供應者互動，快速提供各項服務（NIST, 2011）。雲端運算包括以下三個層次的服務： (一). 基礎設施即服務（Infrastructure as a Service, IaaS）. 虛擬化後的硬體資源和相關管理功能的集合，透過虛擬化技術將運算、儲存和網路等資源抽象化，實現內部流程自動化和資源管理優化，進而向外部提供動態、靈活的基礎架構服務，例如虛擬機器、儲存服務。 (二). 平台即服務（Platform as a Service, PaaS）. 為雲端應用提供了開發、運行、管理和監控的環境，可說是優化的「雲端中介軟體」，優良的平台層設計可滿足雲端在擴充性、可用性和安全性等方面的要求，例如 Force.com、Google App Engine、 MS Windows Azure。 (三). 軟體即服務（Software as a Service, SaaS） 13.

(28) 軟體的集合，這些應用架構於基礎架構層提供的資源以及平台層提供的環境之上，並透過網路交付給用戶，例如 GMail、Google Docs。二、雲端運算結合擴增實境 Wikitude、Layar2 和其他 AR 平台形成所謂的 AR 瀏覽器，其主要的目標是瀏覽覆蓋在現實世界中附加的訊息，預計未來有大規模的用戶數量，故使用雲端運算來處理，才可有效滿足大量用戶需求（Langlotz, Mooslechner, Zollmann, Degendorfer, Reitmayr, & Schmalstieg, 2012）。教師在編輯教材的過程中，可能是利用在學校的空堂的零碎時間，或是在家中的空閒時間編輯教材，故將尚未完成的教材，儲存至雲端，可不受轉換場域，資料須備份的限制。此外，當大量的教師製作了海量的擴增實境教材，學生使用擴增實境教材的需求也擴大，更顯得擴增實境教材需要結合雲端運算的必要性。所有教材都儲存至雲端，儲存教師編輯教材的進度才能一致，避免教材無法做立即的更新，再來教師讀取教材也只需至雲端取用，不必安裝其他的軟體。（Huang, Lin, & Lee, 2012）。 Luo（2009）的研究中指出擴增實境結合雲端運算的特色如下： (一). 場景性. 雲端上的豐富內容可增進學習者的使用經驗，集中式的虛擬模型可以動態地從雲端資料庫中檢索。結合真實環境，加強學習者的情境感知。 (二). 運算性. 雲端運算的處理能力，有助於解決行動設備的硬體限制。 (三). 互動性. 擴增實境包括視覺、語音、人機介面的互動，故需要強大的執行能力，而雲端運算可分配資源，使擴增實境互動執行更加流暢。 14.

(29) 三、小結本研究將雲端擴增實境教材編輯系統視為一種服務，而以雲端運算架構本系統的優點有： (一) 提出教師不需下載任何開發軟體，系統即可獨立完成擴增實境教材，簡化教師製作擴增實境教材的作業流程（Arora et al., 2012）。 (二) 利用雲端運算的網路使用無所不在性，教師透過雲端即可編輯擴增實境教材，在編輯教材的過程當中只需把擴增實境教材內容存放至網路空間上，下次登入系統即可繼續編輯。 (三) 利用雲端運算強大的運算能力，可縮短擴增實境教材打包的時間，避免教師等待教材打包的時間過久，提升教材打包的執行效率，以及教師對系統功能的滿意度。. 15.

(30) 第二節. 擴增實境. 一、擴增實境的定義 Billinghurst 與 Duenser（2012）將擴增實境（Augmented Reality， AR）技術定義為一利用電子載具，將虛擬物件與資訊，和實體世界的物件作連結並加值於其上的技術，除了被作為一種科技應用技術外，也被視為新興的商業領域和內容呈現方式。Yuen、Yaoyuneyong 與 Johnson （2011）認為擴增實境是將所感知的真實世界影像與虛擬物體所組合而成的技術。這種技術所產生的景象，是我們所能感知到的真實世界，再加上虛擬的事物所組合而成。 Milgram 及 Kishino（1994）將現實環境與虛擬環境展開如圖表 2-1 所示，圖的左邊代表純粹的現實環境，而圖的右邊代表純粹虛擬的環境，混合實境是將現實世界與虛擬世界合併在一起，從而建立出一個新的環境以及符合一般視覺上所認知的虛擬影像，在這之中現實世界中的物件能夠與數位世界中的物件共同存在並且即時的產生互動。擴增實境是從虛擬實境領域中延伸出來的技術。虛擬實境是一種完全融入之環境。使用者在此虛擬環境中，可產生參與的感覺，是一種浸入式、多重感官刺激的經驗（Ternier, Klemke, Kalz, Ulzen, & Specht, 2012）。. 圖 2-1. 擴增實境在現實與虛擬環境之關係圖資料來源：Milgram & Kishino（1994）. 二、擴增實境之技術典型的擴增實境運作是由電腦上所設置的攝影機與圖卡之間的互 16.

(31) 動為基礎如圖 2-2，當攝影機捕捉到圖卡的影像時，電腦螢幕中便會出現該圖卡所預設的 3D 模型影像，並且隨圖卡的左右移動或是翻轉角度變化，模型也會立即做出正確視角改變。. 圖 2-2. AR 系統在辨識符號且疊加資訊的過程資料來源：本研究自行整理. 三、擴增實境的分類（一）. 影像辨識型態 1. 圖標式追蹤（Marker-based Tracking）發展較穩定辨識技術，但圖卡本身會有黑框當作辨識基礎，中間內容可能是二維式條碼（QRcode）或是不規則的圖樣，在應用面上因為粗黑框的關係，較不美觀如圖 2-3。. 圖 2-3. 圖標示追蹤. 資料來源：Wagner 及 Schmalstieget（2007） 17.

(32) 2. 無圖標式追蹤（Markerless Tracking）此種辨識技術也稱為自然特徵辨識（ Natural-Feature Tracking）。無標記式辨識與基本圖卡辨識相較之下，跳脫了制式的圖卡辨識方式，可在指定物體或圖案上作連結設定，將虛擬物件與真實物體作融合如圖 2-4，但其缺點是辨識速度上比圖標示稍慢，而且容易受到環境光影而影響辨識效率。. 圖 2-4. 無圖標示追蹤. 資料來源：https://developer.vuforia.com/. 18.

(33) （二）. 影像顯示型態 1. 顯示器型（Monitor-based Display）利用攝影機或視訊取得實際環境，所有場景都是以顯示器來呈現如圖 2-5，這是一種最簡型式的擴增實境系統。. 圖 2-5. 顯示器型. 資料來源：https://developer.vuforia.com/. 2. 頭戴光學透視型（Optical see-through HMD）顯示器與頭戴式影視呈現型能將真實影視與虛擬影像進行畫面重疊整合於單一螢幕上。而光學透視型如圖 2-6 它是藉由投影與真實場景融合，以減少影視所造成的失真。. 圖 2-6. 頭戴光學透視型. 資料來源：http://www.google.com/glass/start/. 19.

(34) 以擴增實境的分類，整理如下表 2-1：表 2-1 擴增實境分類. 分類影像辨識型態. 類型圖標式追蹤無圖標式追蹤顯示器型. 影像顯示型態. 頭戴光學透視型. 四、行動擴增實境發展工具擴增實境隨著行動裝置的發展，許多針對行動裝置而設計的套件也逐漸推出，以下將列出幾項常見的套件進行比較如表 2-2。. 表 2-2 行動裝置的擴增實境發展套件. Platform. Windows Android. IOS. Symbian. SDK. Mobile. Unifeye. . . Junaio. . . NyARToolKit. . iPhone ARKit QCAR+Unity4.0. . .  . . 資料來源：本研究自行整理. 高通公司推出的 QCAR 套件，支援了市場主流的行動作業系統（Android 和 iOS），操作流暢性上及視覺效果的部分，均比前述所列舉 20.

(35) 的常見開發工具突出。此外，在不商業化的使用之下可以自由地開發需要的 AR 軟體，若是商業使用則需與該公司洽談授權事宜，但在學術使用上不受此限，故本研究將採用此套件。互動內容的設計上，QCAR 是利用 Unity4.0 開發，讓 AR 辨識技術的部分與 3D 互動的部分切割。Unity4.0 著重於物理特性的演算，在模擬物理特性（例如重力、碰撞、摩擦力等等）或是環境效果（例如燈光、陰影、反射等等）時都能在資源有限的行動裝置上取得較好的呈現結果，相當適合行動載具遊戲或是擴增實境的開發。故本研究在 Unity4.0 的環境下利用 QCAR 套件，開發擴增實境教材 APP。五、擴增實境應用於教育擴增實境用在教育領域的研究，本研究整理如下表 2-3：表 2-3. 擴增實境運用於教育相關研究. 研究者郭桐霖（2009）. 研究看法開發具有物理特性的擴增實境引擎，讓使用者更自然模擬真實的動作（如：按按鈕、撈物件、彈物件、滑動物件）跟虛擬的物件做互動，在互動的過程中進行遊戲式學習。. 江俊賢（2011）. 用擴增實境技術建構生動的情境與延伸字卡上的知識；設計學習任務讓學生能透過實際操作習得知識，且分組任務的方式也能促進彼此討論決策，並主動驗證所學。教學實驗顯示以擴增實境為互動基礎的教室內學習遊樂場系統具有提升學生學習成效、學習動機、沉浸感等的功能。. 21.

(36) 研究者. 研究看法. 張家豪（2011）. 探討不同的教學媒體教材，對學習成效有影響，分為對照組：單純圖卡之漢字教學；實驗組一：動畫之漢字教學；實驗組二：擴增實境之漢字教學。實驗結果顯示觀看擴增實境教學媒體的學生學習成效優異；觀看擴增實境與動畫教學媒體皆能有效提升學習滿意度。. 李鴻毅（2011）. 以科學教育館為例，並以平板電腦及外掛式攝影機進行學習體驗，將擴增實境的技術融入博物館的導覽活動之中，讓學習者透過 3D 模型的引導快速找到展物的位置。. Tarng & Ou（2012）. 本研究採用擴增實境和行動學習技術學習蝴蝶生態，且設計一個虛擬的蝴蝶生態環境。學生可以使用智慧型手機模擬繁殖虛擬毛毛蟲，並熟悉與蝴蝶的生命週期中，觀察它們的生長。學生透過虛擬育種和觀測活動，提高的學習動機和興趣。. 資料來源：本研究自行整理. 六、擴增實境教材應用於教學的困難 (一). 製作教材所需的能力教師製作擴增實境教材了解 3D 模型的流程，須要十分的熟悉，. 因為模型的逼真度，會影響學生對物體的認知，故製作時須不斷的調整。增加學生和模型互動的效果，則須利用程式語言來撰寫，故製作擴增實境教材需擁有綜合的資訊能力，包含美編或程式能力，對於一般教師而言，難度過高且開發教材時間過長（Jung, Hong, Park 22.

(37) & Yang, 2012）。 (二). 使用載具使用擴增實境教材需要行動裝置的配合，當沒有教學設備時，. 教師們開發擴增實境教材的意願便會降低，在推廣擴增實境教材時，將會形成阻力（吳榮宗，2011）。. 七、擴增實境教材編輯系統比較蔡汶珊（2009）的研究中發展了一套擴增實境教育訓練系統，課程為維修遙控車，系統操作的流程皆針對此主題而建置。但未來若是系統規模擴大，例如加入其他維修課程，系統又必須重新設計，無法將既有的模組修改，轉化成新的應用。故設計擴增實境教材編輯系統須注意教材修改的方便性，避免遇到擴增實境程式修改不易的問題，讓教師可輕鬆地隨著教學內容的更新修改教材。以下為擴增實境教材編輯系統比較，由表 2-4 可知，目前擴增實境教材編輯系統有無法彈性修改圖標、不支援行動設備、無音效功能以及互動模式貧乏的缺點。故本研究欲開發的雲端擴增實境教材編輯系統之優點有下列幾點： (一) 可自行編輯彩色圖標。 (二) 支援辨識多個圖標。 (三) 加入音效回饋。 (四) 加入探究式教材編輯模式。 (五) 支援行動裝置。 (六) 教材編輯者無須程式撰寫能力。 (七) 加強擴增實境互動功能。. 23.

(38) 表 2-4 擴增實境教材編輯系統比較. 名稱. Zooburst. Educ-AR. 開發國家. 美國. 巴西. 網址. http://www.zooburst.com/. http://www.educ.ar/. 主要功能. 3D 擴增實境立體書. 產生擴增實境 3D 物件. 支援設備. 電腦、ipad. 電腦. 開發年代. 2008. 2011. 修改圖標. 否. 互動模式. 靜態. 縮放、旋轉. 音效. 有. 無. 缺點. 無法修改圖標、. 無法修改彩色圖標、. 可(黑白圖標）. 行動裝置只支援 iOS 系統、只支援電腦設備、互動模式較靜態. 互動模式貧乏、無音效功能. 資料來源：本研究自行整理 24.

(39) 八、小結擴增實境具有真實環境結合的互動、資訊的視覺化、實體化介面、可操作性共同的合作學習空間特性。在上述文獻中也提到擴增實境應用於教育的例子，結果顯示應用擴增實境教材於教學，可提高學生對於授課內容的學習動機。本研究欲建置一個擴增實境教材編輯系統，使教師可以在沒有撰寫程式的能力之下製作出擴增實境教材。. 25.

(40) 第三節. 探究式學習. 一、探究式學習的定義「探究式學習」是一種定義及研究問題的過程，學習者使用探究方法，探索有關的訊息，包括確立問題、構思假設、尋求解決方法（Bruner, 1963）。探究是為了滿足好奇心，而主動地搜尋知識或瞭解知識的過程（Haury, 1993），也是針對某一特定問題，選擇、蒐集和處理資料的過程，並推論這些資料的意義（Ellis, 1981）。張惠博（1993）認為科學教育除了要學生學會科學知識概念、過程技能外，更應鼓勵學生勇於思考、發問、提出預測、驗證假設、尋求解釋、應用。因此，提出探究教學的內涵應包含下列六項： (一) 提供學生思考問題的情境、確認問題的性質。 (二) 教師提出問題，以問題引導學生討論、小組必頇提出解決問方法。 (三) 針對欲解決的問題，提出假設及預測可能的結果。 (四) 把驗證假設結果做為科學論證之依據。 (五) 討論後，由個人或小組對資料進行分析和綜合尋求解釋。 (六) 將獲得的知識精緻化並應用實驗所的到的結果來發展新議題。在探究式教學中，教學者主要擔任的角色工作為（詹秀玉，2004）： (一) 協助學生找尋答案，而非提供知識。 (二) 提供探究的動機與方向。 (三) 培養有效的教室氣氛。 (四) 提供表示各種不同觀點的材料。 (五) 協助學生學習接受他人的意見。 26.

(41) (六) 協助學生發展有組織的思考方法，以成為一個獨立的思考者。 (七) 成為一個有效的發問者，使得學生的思考由具體的層次發展到抽象的層次。. 二、探究式學習策略的步驟 Krajcik、Blumenfeld、Marx、Bass、Fredricks 與 Soloway（1998）將探究式學習策略歸納出主要四個階段：提出問題、設計與執行調查活動或實驗、分析和整理數據，以及形成解釋與回答問題。以下將這四個階段各自概略描述： (一) 提出問題首先建立一個問題，這個問題可能是由老師提供的，或是由學習者自行發掘的，目的是引發學生對事物的好奇心，這個步驟著重在開始定義問題，這些問題的答案在整個探索式學習循環之中，將不斷的被重新解釋或推翻。 (二) 設計與執行調查活動或實驗引發學生的好奇心去持續的尋找資訊，學生或小組可以查看資源，進行實驗、訪談調查或繪圖紀錄等等方式，而且可以持續重新定義問題，並將問題拆解分段，並在能掌握的資源中進行調查或是實驗，以嘗試找到解答。 (三) 分析和整理證據收集完資訊或累積實驗的心得之後，開始組織合併。學習者開始做資料間的連結，逐漸產生出線索或是結論。 (四) 形成解釋與回答問題 27.

(42) 這個步驟融合了反思的間，再一次的思考有關一開始的問題，並銜接先前取得的資訊或經驗，進而得到自己最終的解釋並回答問題。. 三、探究式學習策略與擴增實境結合相關研究以下為探究式學習策略之文獻，如表 2-5 所示：表 2-5 探究式學習與擴增實境結合相關研究. 研究者 Klopfer et al.（2007）. 提出看法創建一個手持式網路擴增實境，透過擴增實境的模擬體驗，讓學生在大學校園中，扮演校園醫生、醫療技術人員、公共衛生專家，遊戲任務為防止傳播一種傳染疾病，學生在真實的環境中遊戲，學生面對問題時，並對科學產生好奇，對其主題進行探究。. Dede et al.（2009）. 本研究的目的是記錄教師和學生參與以擴增實境技術模擬預防愛滋病學習的過程，學生操弄擴增實境教材，達到探究式學習的效果。擴增實境是協同學習一個良好的媒介，因為此技術可讓學生有身臨其境的感覺，因此提供了學習的創新價值。. Thayer（2010）. 探究式學習被認為是促進科學素養的教學策略，此研究藉由擴增實境技術來吸引學生，並讓學生對環境產生好奇感，進而引發科學探究。在此實驗中學生扮演的角色為科. 28.

(43) 研究者. 提出看法學家，而研究顯示擴增實境技術使學生參與度提升，讓學生更能進入科學家的角色。. 王耀宗（2012）. 此研究以國小自然與生活科技「認識天氣」為主題，以國小六年級為實驗對象，應用擴增實境虛實整合的技術，進行學校自學、學校導學及博物館導覽這三個不同場域的無縫式學習。其實驗結果為有擴增實境支援的探究式學習之成效顯著優於無擴增實境支援的探究式學習，而在滿意度方面則大多給予肯定的分數，但在未來實施上需保留更多給學習者練習操作的時間。. 由上述文獻可知，擴增實境技術常用來引發學生動機，因為此項技術有很高的互動性，學生有更高的意願和興趣去操作教材，相對來說，學生探究的學習主題的時間也會增加，可有效讓學生的注意力停留在學習的內容中，而本研究所開發的探究式教材編輯模式，以組合圖標的方式，讓學生進行探究。. 四、小結探究是為了滿足好奇心，而主動地搜尋知識或瞭解知識的過程，探究學習主要可分成主要四個步驟：(1)提出問題; (2)設計與執行調查活動或實驗; (3)分析、整理數據; (4)形成解釋、回答問題。在上述的文獻當中，也可發現許多探究式學習結合擴增實境技術的相關例子，故探究式學習相當適合運用擴增實境技術發展教材。 29.

(44) 本研究開發之系統提供探究式教材編輯模式，使用者可於網頁端進行教材的編輯，系統指示的步驟則是參考 Krajcik et al.（1998）提出的探究學習步驟，依照系統提示所完成的教材，便是符合探究式學習步驟的教材，教師在系統的引導之下，製作出來的教材，結構較為完整，且編輯的過程中，思考教學內容較有參考性，編輯的速度也會加快。而學生操作的探究式擴增實境教材，需在 APP 運作，而 APP 的運作環境則是在 Android 的系統下；APP 的開發則是使用高通公司推出的 QCAR 套件，在 Unity4.0 的環境下製作，Uinty 可支援多種平台，例如 iOS、Andriod、Winsows、Xbox、PS3 及 Wii 等…。探究式擴增實境教材主要的功能為組合圖標，並給予文字的回饋。. 30.

(45) 第四節. 文獻評析. 開發客製化擴增實境教材，日後修改教材內容的彈性小，一般教師不能再次編輯或修改，若要自行開發擴增教材，則需要應用不同軟體配合，對於資訊能力不高的教師來說，將會遭遇許多困難。藉由擴增實境可以幫助學生了解較抽象的概念，本研究欲開發使教師可自行編輯擴增實境教材的系統，目的在於幫助教師製作符合教學內容的擴增實境教材，避免教師因為技術門檻過高，就放棄使用擴增實境教學。本章也探討了探究式學習策略結合擴增實境的文獻，目的在於建議教師在使用本系統可參考探究式教材編輯模式，發展擴增實境教材。此外，本研究也將調查教師在使用雲端擴增實境教材編輯系統滿意度，做為日後系統改善的意見收集，持續優化系統。. 31.

(46) 32.

(47) 第三章研究方法本研究旨在開發雲端擴增實境教材編輯系統，透過雲端運算的應用，避免教師受到空間和時間的局限，而無法順利完成擴增實境教材。採用的研究方法共包含文獻分析法、滿意度問卷調查法、訪談法，系統開發則是採用針對軟體開發模型而設計的瀑布法（Royce, 1970），為了解系統的使用狀況，設計系統滿意度調查問卷，藉由問卷和訪談結果來討論系統的使用情形及其滿意度。. 第一節. 研究架構. 本研究旨在探討建置雲端擴增實境教材編輯系統，透過雲端運算的特性技術應用，滿足教師開發大量擴增實境教材服務需求，教師只需將搜尋課程內容所需的素材，便可製作出擴增實境教材。本研究以使用雲端擴增實境教材編輯系統為自變項，系統滿意度為依變項，去探討教師使用系統之心得，本研究之架構圖如 3-1。. 圖 3-1. 研究架構. 33.

(48) 第二節一、. 研究對象與實施. 研究對象. 本研究擬建置一套雲端擴增實境教材編輯系統，研究對象主要為臺北市某四所國小自然與生活科技教師共 15 名，教師必須實際使用此系統，根據自己的使用經驗，填寫系統滿意度調查，目的在於了解教師在使用此系統的情況。本研究也將收集教師使用的意見，根據這些建議，改善系統的功能。. 二、. 研究實施. 本研究的研究流程共分為五個階段，首先針對系統功能部分，研究者和國小教師進行需求分析調查。根據需求分析的結果，建置雲端擴增實境教材編輯系統。系統完成後，教師需受系統的教育訓練，並在完成教育訓練後，請教師填寫系統滿意度問卷，為瞭解更深入的意見，也會進行深度訪談，最後將系統滿意度問卷，進行統計分析，研究實施如圖 3-2。 (一). 系統功能需求分析為建置一套符合教師需求的擴增實境教材編輯系統，研究者拜. 訪國小自然與生活科技教師進行調查，詢問教師們對於系統功能的需求。 (二). 系統建置參考及評估教師的需求，並且針對擴增實境技術、探究式教學. 策略和雲端運算，進行文獻蒐集，經整理、分析、歸納，研究者規劃出系統的架構，詳細說明請參考第三章第五節的系統建置，依據此架構發展雲端擴增實境教材編輯系統。 34.

(49) (三). 系統操作訓練與教材製作介紹系統功能，並帶老師實際操作，製作擴增實境教材，時間. 共一小時。 (四). 填寫系統滿意度問卷與訪談教師實際操作過系統之後，需線上填寫系統滿意度問卷。針對. 4 位教師進行深度的訪談，訪談時間約 10 分鐘。 (五). 統計分析將系統滿意度問卷，使用五點量表，進行統計分析，檢測教師. 對本系統滿意度。. 圖 3-2. 研究流程. 35.

(50) 第三節. 系統功能需求分析. 為了解教師對於擴增實境教材編輯系統的需求，研究者拜訪國小自然與生活科技教師進行調查，詢問教師們對於系統功能的需求。此外，也針對調查了擴增實境基本的互動功能，教材編輯系統的編輯功能，雲端運算功能，其需求分析如下: 一、. 擴增實境功能. 擴增實境基本互動的功能包含 3D 模型的放大縮小、旋轉的控制，位置的移動(Yang, Zhu, Yuan, Zhang, & He, 2012；Rodrigues, Sato, Oliveira, & Botega, 2012)。可以從兩種方式調整模型，第一種方式為調整圖標，欲將模型放大，則把圖標靠近行動裝置的鏡頭；反之，當圖標遠離鏡頭，則螢幕上的模型則會縮小。當圖標角度改變，模型在螢幕上則會跟著圖標改變的角度旋轉。移動圖標位置，模型在螢幕上顯示的位置也隨之更動。第二種方式則是從觸控螢幕上調整，將兩指尖拉開則模型放大；反之，當兩指尖靠近，則螢幕上的模型則會縮小。當一指尖在滑動觸控螢幕，模型在螢幕上則會跟著滑動的方向旋轉。學生在觀察模型時，這些互動的功能，可幫助學生學習，將有興趣的部分放大，觀察更仔細，也可旋轉模型角度，以不同面向觀察。二、. 教材編輯系統功能. 透過圖形化的介面，讓教師設計簡單的 AR 效果，且無需編寫程式（Billinghurst ＆ Duenser, 2012）。教師對於教材編輯系統的需求，包含文字，圖像，影片，音樂，3D 模型。利用文字說明教學主題，加入圖片可更有說說服力，影片和音樂則是可從聽覺和視覺加深學習印象，操作 3D 模型創造新的學習體驗。 36.

(51) 系統可分為兩個部分，教師在網站上編輯擴增實境教材，分為兩種編輯模式，一般編輯模式和探究式教材編輯模式。另一個則為 APP 端，學生使用 APP 即可看到教師編輯的內容。三、. 雲端運算功能. 教師希望教材可不受轉換場域，而需資料備份的限制（Huang, Lin, & Lee, 2012）。故利用雲端運算，將資料都儲存至網路空間，教師只需連上網路，便可得到資料且繼續完成編輯的工作。雲端運算的運算能力，可加速處理擴增實境教材，避免教師等待教材打包的時間過久。根據教師對於擴增實境教材編輯系統的需求，以及現有文獻整理出的系統功能需求分析結果如表 3-1。在擴增實境功能的部分，系統規劃出提供模型縮放、旋轉與移動功能，滿足學習者對於模型的互動需求。在教材編輯系統功能的部分，系統規劃出圖形化的操作介面、以上傳素材方式編輯教材、提供多媒體素材上傳功能，達成簡化編輯教材困難度和融入多媒體素材的編輯需求。在雲端運算功能的部分，系統規劃將儲存教材資料至雲端資料庫、以雲端運算處理教材打包，實現無須備份教材資料和縮短教材打包時間的需求。表 3-1. 系統需求分析結果. 功能. 擴增實境功能. 教材編輯系統. 需求分析. 系統規劃. 調整模型大小. 提供模型縮放功能. 調整模型角度. 提供模型旋轉功能. 調整模型位置. 提供模型移動功能. 簡化編輯擴增實境教材難. 設計圖型化操作介面. 37.

(52) 功能. 度. 編輯教材以上傳素材的方式運作. 融入多媒體素材. 提供多媒體素材上傳功能. 無須備份教材資料. 儲存教材資料至雲端資料庫. 雲端運算功能縮短教材打包時間. 以雲端運算處理教材打包. 38.

(53) 第四節. 系統建置. 此節說明雲端擴增實境教材編輯系統的主要功能和開發工具，並介紹教師及學如何操作本系統，以範例進行教學，詳細說明如下。一、. 系統功能架構. 本研究擴增實境教材編輯系統以 Joomla 搭配各別擴充套件修改完成 SaaS 層之服務，系統分成三個主要部分，共分為教材編輯介面、系統管理介面及教材 APP，系統的功能示意如圖 3-3。. 圖 3-3. (一). 系統功能圖. 教材編輯介面主要功能為 AR 教材的編輯，新增課程點選加號的圖示，新增. 完課程後，則會出現課程資訊的表格，一個課程資訊表格裡面，所陳列的資訊有課程編號、修改課程資訊、編輯教材、刪除課程及打包課程等…如圖 3-4，使用模式共分成兩個編輯模式，分別為一般編輯模式和探究式教材編輯模式，以下為詳細功能介紹： 39.

(54) 修改課程資訊. 編輯教材. 新增課程刪除課程課程編號打包課程課程資訊表格. 圖 3-4. 教材編輯介面. 1. 一般編輯模式使用一般編輯模式製作 AR 教材，系統無的指引的步驟，故教師可自由彈性的編輯教材，系統支援上傳素材的種類，包含有文字、影片、音樂、圖片、3D 模型，而 3D 模型可由 Google SketchUp 匯入至系統，減少教師製作模型的時間，將其完成教材按下打包教材。 2. 探究式教材編輯模式根據 Krajcik（1998）提出的探究式學習步驟，設計系統的探究式教材編輯模式如圖 3-5，在系統內輸入欲探究的問題。在設計探究活動步驟，上傳模型，並輸入文字回饋。引導分析則是在經過擴增實境教材的操作之後，教師要如何引導學生去釐清問題。最後形成結論並在教材中引導學生說出自己的論點。完成設定便可按下打包教材。 40.

(55) 圖 3-5. (二). 探究式教材使用流程圖. 系統管理介面主要的功能為用戶的帳號管理如圖 3-6，教師必須在先註冊，. 教師資料呈列在介面下方，管理的工具列在介面的上方，管理者可對教師資料進行新增、刪除、修改等動作，將教師的資料達到有效率的管理。. 41.

(56) 管理工具列. 教師資料. 圖 3-6. (三). 系統管理介面. 教材 APP 教師在完成 AR 教材之後，便可利用本系統將 AR 教材自動. 打包成，讓學生們在行動裝置上安裝，完成安裝後，便可利用擴增實境教材教學，教材 APP 介面如圖 3-7，學生端詳細的操作流程，請參考後面的說明。. 文字說明. 回到輸入課程編號. 上一頁. 下一頁. 目前頁數/課程總頁數. 圖 3-7. 教材 APP 介面 42.

(57) 二、. 系統開發工具. 雲端擴增實境教材編輯系統的主要開發工具包含，系統架設平台 AppSevr2.5.10（Apache 2.2.8、PHP5.2.6、MySQL5.0.51a、 phpMyAdmin-2.10.3）、程式設計語言（PHP、JavaScript）、網站套件（Joomla1.5）、APP 開發（Unity4.0）、網頁瀏覽器（IE8、Firefox 3.6、 Chrome 5、Safari 4、Opera 10.5）、APP 使用平台（Andriod4.0）如表 3-2 所示。表 3-2. 系統開發工具表. 項目系統架設平台. 規格 Apache 2.2.8、PHP5.2.6、MySQL5.0.51a、 phpMyAdmin-2.10.. 程式設計語言. PHP、JavaScript. 網站套件. Joomla1.5. APP 開發. Unity4.0. 網站使用平台. IE8、Firefox 3.6、Chrome 5、Safari 4、Opera 10.5. APP 使用平台. Andriod4.0. 雲端擴增實境教材編輯系統運作在 Window 7 的作業系統中， Window 7 作業系統中安裝 Apache 2.2.8、PHP 5.2.4-2、MySQL 5.0.51a、 phpMyAdmin 2.10.3 等系統服務，如表 3-3 所示。表 3-3. 伺服器系統環境表. 項目. 規格. 作業系統. Window 7. 43.

(58) 項目. 規格. 網站服務. Apache 2.2.8. 網站程式模組. PHP 5.2.4-2. 資料庫. MySQL 5.0.51a. 資料庫管理. phpMyAdmin 2.10.3. 三、. 教師操作流程. 說明以教師角色使用雲端擴增實境教材編輯系統，其使用流程圖 3-8，以實例說明做為實際教師使用本系統之上傳教材、管理教材資源等標準流程參考。. 圖 3-8. 教師操作流程圖. 44.

(59) (一). 註冊帳號教師在使用本系統前必須進行註冊，點選左方導覽列中的註. 冊新帳號如圖 3-9，並填寫會員資料，將表單都完成之後，點選註冊新帳號按鈕，待註冊完成並通過驗證如圖 3-10，教師使用各別帳號登入，便可開始使用系統編輯擴增實境教材。. 註冊新帳號. 圖 3-9. 教師註冊. 圖 3-10. 完成註冊 45.

(60) (二). 新增課程. 1. 功能描述點選導覽列中的 AR 教材，在右方的內容頁則會出現課程資訊，新增課程則是點選加號的圖示如圖 3-11，新增課程時必須先填寫課程的描述性資訊，包括課程名稱、科目、教材試用年級、學期、單元、課程內容描述，並選擇 AR 教材製作的模式。 2. 範例介紹利用國小六年級自然與生活科技生物與環境單元內容，以沙漠上的生物為教材範例。課程名稱為沙漠上的生物，科目為自然與生活科技，年級為六年級，學期為下學期，使用模式為探究式教材編輯模式，課程描述為介紹沙漠環境特性和生物特徵，如圖 3-12。. 新增課程. 圖 3-11. 點選新增課程. 46.

(61) 選擇使用模式. 圖 3-12. (三). 填寫課程資訊. 修改課程資訊. 1. 功能描述點選修改課程資訊圖示如圖 3-13，則可修改課程資訊，包含修改課程名稱、日期、科目、單元、使用模式、年級、學期及課程描述。 2. 範例介紹把課程描述從介紹沙漠環境特性和生物特徵，修改成介紹沙漠環境特性和生物特徵，並利用探究式學習策略引導學生，加以補充如圖 3-14。. 47.

(62) 修改課程資訊. 圖 3-13. 圖 3-14. 修改課程資訊圖示. (四). 修改課程資訊. 選擇編輯模式. 根據新增課程時選擇的編輯模式，進入不同的編輯模式頁面，分別為探究式教材編輯模式和一般編輯模式如圖 3-15。 48.

(63) 編輯教材. 圖 3-15. 編輯探究式教材. 1. 探究式教材編輯模式教師須完成探究式教材編輯的四個階段，第一階段為提出問題，第二階段為設計探究活動，第三階段為引導分析，第四階段為引導解釋結果，如圖 3-16 所示。. 圖 3-16. 探究式教材編輯. 49.

(64) (1) 提出問題階段 a. 功能描述在此階段教師必須在系統上設計問題，提出問題讓學生們去思考問題，點選左方格式鈕，可選擇不同類型的素材，去包裝問題，可利用影片、文字、圖片等…。 b. 範例介紹點選圖片格式鈕上傳沙漠的圖片，在文字引導的部分則輸入沙漠有甚麼特色呢?如圖 3-17，點選編輯頁次則可更換頁次的順序和刪除頁次如圖 3-18。. 編輯頁次格式鈕. 圖 3-17. 提出問題. 50.

(65) 圖 3-18. 編輯頁次. (2) 設計探究活動階段 c. 功能描述在此階段，教師須先上傳 3D 模型，本系統支援的 3D 模型格式有.dae 和.obj 格式，若教師欲自行製作模型，可利用 AutoCAD、Maya、3DsMax 等…3D 建模軟體，將製作完成的模型匯出成系統可支援的.dae 或.obj 格式；若教師欲利用網路資源尋找模型，則模型使用的流程如圖 3-19，包含搜尋模型、選擇下載模型格式，選擇 Collada（COLLAborative Design Activity）檔，它是建立 3D 互動程式的一個檔案交換格式，而此格式副檔名為.dae，本系統可支援此模型格式；另一個下載格式則為 SketchUP 的.skp，若教師使用的電腦未安裝此軟體，請至搜尋引擎搜尋 SketchUP 並下載，或至此 http://www.sketchup.com/intl/zh-TW/download/gsu.html 下 51.

(66) 載，模型須經由 SketchUP 轉檔為.dae 上傳至本系統，而詳細的模型使用教學如下:. 圖 3-19. 模型使用流程. 模型來源至 Google SketchUp3D 模型庫搜尋，在模型庫裡搜尋所需模型，減少教師製作模型的時間。 d. 範例介紹在製作沙漠上的生物課程中，須利用猩猩的模型，讓學生分辨猩猩是否適合居住在沙漠，故在搜尋框內輸入 gorilla，下方將出現相關的模型如圖 3-20。. 52.

(67) 搜尋模型. 相關模型. 圖 3-20. 搜尋模型. 點選適合的模型，選擇下載模型的格式如圖 3-21，若選擇 Collada(.zip)解壓後，點選 modles 資料夾如圖 3-22，將 modles 資料夾的.dae 檔案下載如圖 3-24。. 選擇下載模型格式. 圖 3-21. 選擇下載模型格式. 53.

(68) 圖 3-22. 選擇 Collada(.zip)格式. 圖 3-23. 選擇.dae 格式. 若選擇下載模型的格式為 SketchUP 的.skp 檔，則須將.skp 匯入 SketchUP 如圖 3-24，將模型匯出並轉檔為.dae 如圖 3-25 和圖 3-26。. 54.

(69) 圖 3-24. 模型匯入 SketchUP. 圖 3-25. 模型匯出轉檔. 55.

(70) 圖 3-26. 模型匯出為.dae 格式. 將模型的格式都轉成本系統支援的.dae 或.obj 格式後，即可將模型上傳至本系統，進行擴增實教教材的製作。例如上傳五個 3D 模型至系統如圖 3-27，再點選組合按鈕，進入設計組合頁面，勾選模型以及所需的回饋文字，例如勾選駱駝和蜥蜴模型，在下方文字框輸入「可生存於沙漠」如圖 3-28，當學生同時拿到代表駱駝和蜥蜴的圖標時，分別為 3 號圖標和 4 號圖標，系統則會回饋可生存於沙漠的文字說明。. 組合. 圖標編號. 圖 3-27. 上傳 3D 模型 56.

(71) 圖 3-28. 設計 3D 模型組合. (3) 引導分析階段 e. 功能描述在此階段，教師須引導學生去分析問題，可以圖片、文字、音樂及影片，呈現引導分析問題內容。 f. 範例介紹觀察圖片內的土壤及用文字說明沙漠的氣候是少雨且乾燥如圖 3-29，以雨量或氣溫去思考影響沙漠特特徵的因素。. 57.

(72) 圖 3-29. 引導分析. (4) 引導解釋結果階段 g. 功能描述在此階段，教師須引導學生去解釋探究主題之結論。 h. 範例介紹因為沙漠的氣候是乾燥且少雨，而駱駝、蠍子和蜥蜴皆可生存於這樣的環境之下如圖 3-30，但猩猩只適合生存在熱帶雨林裡。. 58.

(73) 圖 3-30. 引導解釋結果. 2. 一般編輯模式使用一般編輯模式製作 AR 教材，可視教材內容需求而編輯，系統支援的素材類型分別有文字、圖片、影片、音樂和 3D 模型，透過點選格式鈕進行素材編輯如圖 3-31。例如文字說明可點選網頁左方的 Txt 按鈕，在文字框內編輯文字。以下以認識鯊魚為一般編輯模式範例如圖 3-32，進行說明。. 圖 3-31. 一般編輯模式範例. 編輯頁次. 格式鈕. 圖 3-32 一般編輯模式編輯畫面 59.

(74) (1) 圖片(PIC) a. 功能描述上傳圖片素材至課程內容中，點選圖片格式鈕，輸入描述文字至文字框。 b. 範例介紹在文字框輸入「鯊魚為什麼叫鯊魚，不叫石魚或泥魚呢？因為牠們的皮膚摸起來像砂紙，粗粗的還會刮手，所以叫做鯊魚囉！」，再選擇一張鯊魚圖片，系統支援的圖片格式為.jpg，按下上傳鈕即完成如圖 3-33。. 圖片鈕. 描述文字. 上傳鈕. 圖 3-33. 圖片編輯. 60.

(75) (2) 音樂(MP3) a. 功能描述上傳音樂素材至課程內容中，點選音樂格式鈕，輸入描述文字至文字框。 b. 範例介紹在文字框輸入「電影大白鯊的配樂」，再選擇一首音樂，系統支援的音樂格式為.mp3，按下上傳鈕即完成如圖 3-34。. 音樂鈕. 描述文字. 上傳鈕. 圖 3-34. 音樂編輯. (3) 文字(TXT) a. 功能描述增加文字說明至課程內容中，點選文字格式鈕，輸入描述文字至文字框。 b. 範例介紹在文字框輸入「鯊魚，其實就是一群在水中生活，有著 61.

(76) 流線型身體，用鰓呼吸而且全身的骨骼都是軟骨的生物。鯊魚有五到七對的鰓裂，還有可以不斷更新的牙齒，而體表覆蓋著各式各樣的盾鱗可以避免各種寄生蟲和物理傷害，並且還可以讓鯊魚游得更省力。」，按下送出鈕即完成如圖 3-35。. 文字鈕. 圖 3-35. 文字編輯. (4) 影片(MP4) a. 功能描述上傳影片素材至課程內容中，點選影片格式鈕，輸入描述文字至文字框。 b. 範例介紹在文字框輸入「影片資料來源：Discovery」，再選擇一段影片，系統支援的影片格式為.mp4，按下上傳鈕即完成如圖 3-36。. 62.

(77) 描述文字上傳鈕. 影片鈕. 圖 3-36. 影片編輯. (5) AR a. 功能描述上傳模型 3D 素材至課程內容中，選擇 AR 格式鈕，可利用 3D 模型製作出擴增實境教材，首先在文字框輸入描述 3D 模型的介紹，。 b. 範例介紹在文字框輸入「俗稱豹鯊的(StegostomaFasciatum)，分類在軟骨魚綱、鬚鮫目、虎鯊科以下僅此一屬一種，臺灣魚類資料庫的中文名為大尾虎鯊，中國大陸則稱為豹紋鯊。」此外，找尋模型素材請至 Google 的 sketchup 3D 模型庫，搜尋符合教學內容的模型，系統支援的模型格式為.dae 和.obj，模型搜尋和轉檔流程可參考前面的說明。點選上傳鈕，選擇模型上傳至本系統中如圖 3-37。而 AR 操作包含放 63.

(78) 大、縮小、旋轉互動功能。. 描述文字. 上傳鈕. AR 鈕. 圖 3-37. AR 編輯. (五) 刪除課程按下叉號代表刪除課程之圖示，進入刪除畫面，便完成刪除課程的動作如圖 3-38。. 64.

(79) 刪除課程. 圖 3-38. 刪除課程. (六) 打包課程當完成教材的編輯時，回到課程資訊頁面，點選打包課程圖示如圖 3-39，系統會自動將課程打包，等候系統將教材都打包後，教師編輯擴增實境教材的步驟即完成。. 打包課程. 圖 3-39. 四、. 打包課程. 學生操作流程. 此節說明以學生角色使用雲端擴增實境教材編輯系統之使用流程圖 3-40 與實例說明做為學生實際使用本系統之標準流程參考。 65.