地球科學「虛擬實境」學習之初探 (I)

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中報告

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計畫類別:■個別型計畫  □整合型計畫

計畫編號:NSC 89-2520-S-003-003-

執行期間:89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

計畫主持人:張俊彥

共同主持人:

本成果報告包括以下應繳交之附件:

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位:國立臺灣師範大學地球科學系

中 華 民 國 90 年 5 月 23 日

地球科學「虛擬實境」學習之初探(1/2)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫期中報告

地地球科學「虛擬實境」學習之初探(1/2)

A Pioneer ing Study on Vir tual-Reality (VR) Lear ning in Ear th

Science (I)

計畫編號:NSC

89-2520-S-003-003-執行期限:89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

主持人:張俊彥 (changcy@cc.ntnu.edu.tw)

執行機構及單位名稱:國立臺灣師範大學地球科學系

摘要 本研究計劃的重點及主要目的為:(一) 參考目前中等學校地球科學課程大綱所建 議的授課主題(教育部,1995),研究開 發一套地球科學「虛擬野外考察的電腦輔 助 教 材 」 (Virtual Field Trips CAI, VFTCAI);(二)將上述研究發展所得的 VFTCAI 教材,在中等學校地球科學課堂上 進行實驗性教學研究(Pilot Study)來驗證其 成效。以便作為未來修正改良此教材的依 據,使其成為更適用於中等學校地球科學 課程的電腦輔助教材。實驗性教學研究將 同時採用量化與質性的研究方法:量的方 面將採用準實驗研究法中「不相等控制組」 之實驗設計,測驗工具為整理或研發出的 地球科學「學習成就」與「對虛擬實境學 習態度」之評量工具來作為成效指標。而 質的方面將採用「半結構式晤談」之研究 方法,來深究學生對此 VFTCAI 的觀感與 學習方式;(三)根據研究結果,對目前 中等學校在地球科學虛擬實境電腦輔助教 材設計、教學及未來研究上,提出建議及 改進方針。最後希望藉由此研究結果,作 為未來其他虛擬實境單元之電腦輔助教材 設計和大樣本實驗教學可行性的參考,以 及將此教材轉為網路教學方面的基礎。 關鍵詞:地球科學、虛擬實境、中等學校、 教學模式 緒論 現今電腦科技的發展一日千里,同時也 改 變 了 社 會 上 的 許 多 基 本 結 構 。 根 據 diSessa (1987),我們現在正進入電腦在教 育革命上的第三階段:把電腦當作一種了 解「學生如何學習」和「重要教學策略」 的工具。 美國國家研究委員會(National Research Council, NRC)在 1995 年十二月公佈的國 家 科 學 教 育 標 準 中 ( National Science Education Standards, NSES)即明白敘述: “ Instructional technology, which provides students and teachers with exciting tools -such as computers – to conduct inquiry and to understand science”(NRC, 1995, p. 24) 而美國科學促進協會(American Association for the Advancement of Science, [AAAS], 1993)在其 Project 2061 計劃之 Benchmarks for Science Literacy 一書中也特別強調: “ Computers have become invaluable in science because they speed up and extend people’s ability to collect, store, compile, and analyze data, prepare research reports, and share data and ideas with investigators all over the world.”(AAAS, 1993, p. 18)

個人電腦的普及使得電腦這個科技新 寵兒,成為在科學教育中的一個很重要的 設備(Zietsman & Hewson, 1986)。個人電腦 不僅可當作教學上的管理工具,如編寫教 案、儲存學生基本資料、及計算成績等功 能;更可以用來作為輔助教學的教材及教 學 本 身 。 而 電 腦 輔 助 教 學 (Computer-Assisted Instruction, CAI)的最大的好處之 一,便是學生可以依照自己的學習狀況來 調整自己的學習速度,形成個別化的學習 (individualized learning)。許多研究結果顯 示,電腦輔助教學可有效地增進學生科學

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或數學之學習成就或問題解決能力【e.g., Cavin & Lagowski, 1987 (chemistry); Ferguson & Chapman, 1993 (biology); Gardner, 1992 (weather); Geban, Asker, & Ozkan, 1992 (chemistry); Levine, 1994 (general science); McCoy, 1991 (mathematics); Renshaw, Taylor, & Reynolds, 1998 (hydrogeology); Whiting, J., 1985 (biology); Yalcinalp, Geban, & Ozkan, 1995 (chemistry)】。而一些針對 CAI 在不同年級 層 與 不 同 學 科 上 影 響 之 綜 合 分 析 研 究 (meta-analysis)也指出,CAI 可以顯著地增 進學生的學習成就並提昇他們對於新奇事 物 的 興 趣 (e.g., Bangert-Drowns, Kulik, & Kulik, 1985; Kulik, 1983; Kulik and Kulik, 1986, 1987, 1991; Kulik, Kulik, & Schwalb, 1986)。 綜觀國內外的電腦輔助教材之發展研 究,大多以數學、物理、化學等單元為設 計內容。事實上,地球科學的內容常包括 許多大尺度的自然界現象(如板塊構造、宇 宙及太陽系的生成、天氣的變化、及水圈 等),這些大規模的自然現象,很難像其他 科學領域如物理、化學、或生物科可在實 驗室內展現或實驗。例如,地球或恆星的 演化所需的時間尺度很大,但若利用電腦 輔助學習可以讓學生在短短的幾分鐘內, 了解地球或恆星幾十億年來的變化,甚至 是宇宙幾百億年來的演化。除此之外,星 星的生成至死亡,或是大氣的運動(如雲的 生成…);岩石圈的變化(如板塊運動…)等 等都可以利用電腦輔助教材來幫助學生學 習地球科學的內容。 因此本人前幾年的研究便是朝此方向 進行且研發出一套以「土石流單元」作為 主題的 CAI 來加強學生在地球科學概念上 的學習,亦獲得顯著的成效(Chang, 2001)。 此地球科學電腦輔助教材的內容為「賀伯 颱風與土石流」,其中包括賀伯颱風之衛 星雲圖的動畫模擬、相關的地質考察照片 與影片,影音多媒體的設計、及各種圖表 與書籍內容的呈現,期望藉由這些設計來 幫助學生學習這個輔助單元。本研究小組 這幾年研究也發現,大多數的學生對此「賀 伯颱風與土石流」地球科學電腦輔助教材 都持有正面的回饋,他們認為地球科學課 能在電腦教室以電腦多媒體的方式呈現, 讓他們覺得新鮮而有趣,會有主動想要去 接觸、去看看並學習其中之內容知識的慾 望。尤其是在進入「野外考察」的單元, 他們可以自由地進出各個考察地點、可看 見真實的野外情境,讓他們有著身歷其境 的感受(張俊彥和董家莒,2000)。基於 此,本研究小組認為如果能把當前日趨成 熟的虛擬實境(Virtual Reality, VR)之技 術更進一步運用在地球科學的野外考察 上,如地質考察、氣象考察、海洋考察、 或天文觀星等等;不但可以讓學生在教室 內以虛擬實境的方式進行一場「虛擬野外 考察」 (Virtual Field Trips, VFT),更可以幫 助教師們教授地球科學中一些不易接觸到 且較為抽象的事物或概念。此外,一般中 等學校地球科學教師們常因野外實地考察 時間安排的不易、學生安全性的考量、與 經費的不足等種種因素而無法真的讓學生 作實地的野外探訪,若能研發出一套地球 科學之「虛擬野外考察」,除了可幫助教 師們解決此方面的窘境外,也可使教學多 元化與生動化。鑑於此,本研究計劃期望 朝此方向前進。除了希望研發出「虛擬野 外考察的電腦輔助教材」(Virtual Field Trips CAI, VFTCAI),並希望將此 VFTCAI 教材 實地運用於中等學校地球科學的課堂上, 來探究此教材對學生「學習成就」與「對 虛擬實境學習態度」上的影響。 理論基礎 虛擬實境(Virtual Reality, VR)是一項可 創造出與使用者互動式環境來模擬真實世 界的技術,它除了利用特殊電腦週邊設備 可看到、聽到、甚至虛擬地接觸到與真實 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。虛擬實境 在許多方面的應用受到大家的重視,其主 要原因便是,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(唐文華,1996)。虛擬實境是電腦科技發 展與應用漸受重視的一個新興領域。早期

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的的發展是利用左右眼不同的顯示器,提 供了立體視覺的效果,另一方面的發展是 與國防、航太工業有關,即所謂的飛行模 擬。在 1985 年 Jaron Lanier 將虛擬實境帶 入商業市場,其中一部分的技術引進 90 年 代後的電腦遊戲界,成為常見的家庭娛 樂,如 DOOM 到現在的各式的飛行遊戲, 使大眾對此一新興科技開始注意,而 Jaron Lanier 也是此名詞的原創者。 Bricken(1990)認為,傳統的電腦輔助訓 練與虛擬實境訓練有以下的差別:電腦輔 助訓練是文字符號的整理,並以符號為主 的訓練,學習者是為「觀察者」。而虛擬 實境訓練會產生真實的情境,並注重學習 者經驗的產生,且學習者是為「參與者」。 以現今的電腦運算效率而言,虛擬實境在 畫面的品質上是不及電腦動畫,人機互動 的執行效率不及一般的多媒體光碟,所以 學者對於虛擬實境有正反面的看法。汪琪 (1997)指出虛擬實境發展的優勢在於容許 完全的沉浸及完全的互動,而較大的問題 則是價格高昂,電腦資訊處理與數量,以 及使用者電腦配備。陳瓊瑤(1996)就虛擬實 境與多媒體在教育訓練的比較,對虛擬實 境持較正面的看法,她認為虛擬實境在形 狀表現較弱,其餘視覺表現如 3D 動畫、多 重視角、真實感等皆優於多媒體,但虛擬 實境比起多媒體貴了許多,且開發難度較 高。 在 80 年代之前虛擬實境在教學上的應 用大多用於國防,而到了 80 年代後,漸漸 的應用到了醫學、工程、語文教學與科學 上,但在自然科學上大多是以物理、化學 與環境科學為主,且數量並不多。如 Taylor & Disinger (1997)便曾探究 VR 在環境教育 上的可行性與接受度,他們發現 VR 可以 幫助學生接觸在一般環境中可能無法經歷 的實際體驗,並認為 VR 有利於環境教育。 國內的虛擬實境大多仍停留在技術面的探 討,至於虛擬實境在教育方面的應用仍然 很少,尤其是在地球科學教育與野外考察 內容的著眼上更嫌不足。 目前工作進度 到目前為止,本研究採用當前最廣泛使 用之 Authoring 多媒體軟體(Authorware:主 程式教材的編寫、Adobe Photoshop:貼圖 材質、美工圖案及照片處理……),虛擬實 境 軟 體 (Virtual Environment Developer & VRML 2.0:虛擬實境主程式、3D Studio Max 3 : 虛 擬 實 境 場 景 繪 製 、 Panoramic Creator & Live Picture:360 度環場製作、 Environment Controller 、 Environment Integrator、& Light Scape:虛擬實境後製作 軟 體 ) , 並 配 合 電 腦 之 硬 體 設 備 (Digital Camera, Scanner, Video Camera 等)來編寫 設計此地球科學 VFTCAI。本 VFTCAI 的 軟體架構與流程圖參見末頁之兩個圖。預 計將於八月底完成整個軟體的製作,並將 於九月初高中開學時尋找幾個班作初步的 測試。 參考文獻 汪琪(1997):虛擬教育。教學科 技與媒體,34,47-50。 唐文華(1996):簡介虛擬實境在 科學教育上的應用,科學教育月刊,187, 43-47。 教育部(1995):高級中學基礎地 球科學課程標準。In 高級中學課程標準, pp. 213-223。台北:教育部。 陳瓊瑤(1996):虛擬實境在教育 訓練應用上之探討。國立清華大學,碩 士論文。 張俊彥和董家莒 (2000):「問題解 決」或「無問題解決」?電腦輔助教學 成效的比較研究。科學教育學刊, 8(4), 357-377.

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地球科學「虛擬實境」學習之初探 虛擬實境軟體架構

世界地震實況

921 集集大地震災情影片

台灣的造山運動

車籠埔斷層虛擬實境考察

包括 A、B、C 三個考察點

台灣的斷層

檢驗官

台灣島形成及地震的原因

全球板塊運動

主選區畫面

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地球科學「虛擬實境」學習之初探 虛擬實境軟體流程圖

軟體流程 詳細內容說明 特殊註解 1 世界地震 實況 以世界大地震(如神戶、加州、唐山)為背景, 播放災情照片 每張照片過場配合照相機聲 2 921 旁白 配合打字聲寫出台灣遭遇了一場大浩劫,列出 921 災情及傷亡的慘狀,最後旁白作結尾 黑底、鮮血、白字配合打字機 聲,哀傷的音樂 3 921 災情 影片 融入 60 張幻燈片,作為片頭或影片周圍佈景 播放 921 地震影片,來述說台灣地區各地災情 及慘狀 保留 2 的背景及標題 4 車籠埔斷 層虛擬實 境考察 旁白說明車籠埔斷層的地理位置,並配合從台 灣地圖不斷地放大拉近該區域。區域地圖上標 示有紅色車籠埔斷層、三個考察地點(誇張的 卡通圖)、右下角有地圖和航照圖的切換鈕 滑鼠滑過即可產生說明、三個考 察點可以卡通車相行駛 5 台灣的斷 層 出現台灣活動斷層地圖,問學生斷層走向有無 共同點(單選題,答對繼續),目標不斷拉近 中部三條斷層(彰化、車籠埔、雙苳),滑鼠 點選進入斷層縱剖面,三剖面點看完問學生共 同點,答對方出現離開鈕 旁白說明台灣有五十多條活斷 層,地震造就了台灣、滑鼠滑過 即可產生說明、製作名詞超連結 6 造山運動 以模型或動畫演示正斷層及逆衝斷層的成因 及外力示意圖,最後提示因外力的拉張或推擠 而產生何種地形特徵。(張裂型板塊及聚合型 板塊) 製作板塊擠壓、碰撞的動畫,若 可以 3D 動畫展現尤佳 7 檢驗官 數題問題來驗證學生是否真正學習了此學習 軟體 程式設計答對題數的處置狀況 及製作回饋 8 台灣島形 成及地震 的原因 以動畫呈現台灣島的縱剖面,用「推土機」的 方式將板塊或地殼擠壓成如今高聳的山脈,最 後將台灣島立起,鳥瞰全島。或以影片回顧台 灣附近的板塊碰撞,台灣島形成之原因,即其 與地震關係之連結,正視地震對台灣的貢獻 圖片或影片,若能以 3D 動畫呈 現尤佳 9 全球板塊 運動 從台灣看天下的板塊碰撞,造就了喜馬拉雅 山、中洋脊、海溝等地形(結合全球火山帶與 地震帶的分佈) 影片 10 組合 program 將上述的軟體架構結合成 demo 備註: 使用 800×600 解析度,且全螢幕。

數據

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參考文獻

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