應用增廣實境技術輔助國小戶外教學
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(2) 習的新趨勢，此學習理念也為戶外教學的實施提供了新的契機。許多研究均指出 有效利用科技輔助戶外教育可有效提高學習動機、協助學生紀錄、強化學生獨自 學習的能力（De Crom & De Jager, 2005；Rogers et al., 2005；Chen, Kao, Sheu, 2005）。國內外研究學者也開始利用行動載具輔助戶外教學，例如使用 PDA 增 廣學生戶外學習的經驗（Rogers, 2004；Squire & Jan, 2007）；發展軟體提供個別 化的學習鷹架，如戶外賞鳥系統（Chen et al., 2005）；利用無線通訊工具協助學 習者收集資料或上網搜尋資源 （Rogers, et al, 2005），都讓戶外教育的實施更為 有效率。De Crom 和 De Jager（2005）的研究也顯示利用 PDA 協助戶外教學可 增加學生的學習動機，同時 PDA 也適合用來提供成果導向的評量。因此，如何 適當使用科技協助戶外教育的實施，將是未來戶外教學發展的重點。 增廣實境（Augmented Reality）的概念是在 1990 年早期被提出來，概念上 與虛擬實境（Virtual Reality）相似，兩者的重點都是提供使用者虛擬的影像 （Höllerer, 2004）；兩者最大的不同在於：在虛擬實境的環境中，使用者僅能看 見虛擬的影像，無法感知周圍真實世界的事物；而在增廣實境的環境中，使用者 除了可看見虛擬影像之外也能看見真實世界中的事物（Azuma, 1997）。增廣實 境是指，在我們所能感知的真實世界中再加上一些虛擬的物件，而這些虛擬物件 可以是刺激視覺的影像、刺激聽覺的聲音、刺激味覺的氣味、甚至於是刺激觸覺 的震動或碰觸。增廣實境的技術目前已被運用於工作或日常生活中，如航海圖引 導、建築工地架構模擬或機械維修說明等（Azuma et al., 2001；Höllerer, 2004）。 歐洲進行的 ARCHEOGUIDE 計畫中，專家利用增廣實境技術重建文化歷史性的 景點，讓參觀者能透過虛擬影像看見古老的建築物，如希臘的古城－奧林匹亞， 以學習相關的歷史和當時的習俗與文化（Höllerer, 2004）。由此也可看出增廣實 境技術於戶外教育中運用的潛力，而國內外也有相當多的研究將增廣實境技術運 用於教學中。 雖然沒有任何科技模擬能取代戶外教學，但是利用科技卻可協助及強化戶外 教學中的學習經驗（De Crom & De Jager, 2005）。有鑑於學生在進行戶外學習活 2.
(3) 動時很容易對學習內容失去應有的注意力而導致學習成效低落，利用增廣實境技 術可將虛擬資訊整合到個人的現實環境中，讓使用者感覺這些訊息真實存在於他 們周圍，協助學生於戶外教學活動時將注意力專注於值得觀察的事件上 （Höllerer, 2004；Haim, 2007）。透過增廣實境技術可提高學生學習的主導地位， 讓學習者不再是被動吸收知識，而是主動積極地探索知識、增加學習意願，並與 環境產生良好的互動。若能讓教學者依戶外教學的實施地點和學習目標，設計出 以真實世界為主、虛擬物件為輔的戶外教學輔助教材，增廣學生於戶外活動中的 學習經驗，不但可增加學生的學習動機，亦可強化戶外教學的學習經驗與成效。 因此，本研究欲利用 PDA（Personal Digital Assistant） 做為呈現增廣實境輔助 教材的行動載具，並發展一套適合學校使用的戶外教學增廣實境學習系統。. 3.
(4) 第二節 研究目的 本研究旨在發展一套增廣實境輔助學生戶外活動的學習支援系統，以協助國 小學生實際於戶外教學活動的應用，其具體目的如下： 一、 發展一套運用 PDA 的增廣實境輔助戶外教學活動的學習系統。 二、 評估此系統實際應用於戶外教學中的使用成效。. 第三節 研究範圍 本研究的範圍如下： 一、本研究之實驗教材內容配合國小五年級上學期社會領域之「人口和聚落變遷」 單元設計戶外教學學習資源。 二、本研究採用 PDA 做為學生行動學習的設備，其他行動載具不包含在本研究 的範圍內。 三、本研究採用 GPS 做為增廣實境系統位置感知的偵測方式，其他偵測方式不 包含在本研究的範圍內。. 4.
(5) 第二章 文獻探討 本章探討內容包括戶外教學、增廣實境技術及增廣實境在學習的應用。. 第一節 戶外教學 以下介紹戶外教學的緣起與發展、相關的學習理論與戶外教學遭遇的問題， 茲分述如下。. 壹、 戶外教學的緣起與發展 戶外教學由十九世紀的美國開始萌芽，而露營教育可視為戶外教學的先驅。 在西元1940至1950年間，戶外教學的重心逐漸由休憩性的露營活動方式轉變成課 程導向的教學方式，於是「戶外教學」一詞正式出現且漸漸取代露營教育。它的 重大意義在於：戶外教育的範圍，已不再侷限於露營，而是可以促進學生學習動 機與增進學習效果的一種方法（蔡居澤，1986）。戶外教學雖然不是正規的教學 模式，卻是擴展課程學習目的至戶外的一個直接的、簡單的學習方法。它提供給 小學學生機會去學習、認識、喜愛他們的環境而不論學生能力或智能的高低（Lee, 1984）。戶外教學是基於發現學習的原則，強調直接使用感官（視、聽、嗅、觸、 味）進行觀察和知覺（Lewis, 1975），讓學生在戶外的環境中藉由實際的體驗獲 得第一手的學習經驗。美國戶外教育學者George Donaldson（1958）對戶外教育 提出一個簡單而清楚的定義：「戶外教育就是在戶外教學、有關戶外的教學以及 為戶外而教學。」；而美國國家教育協會 National Education Association（1970） 對戶外教育所下的定義是：「戶外教育不是單獨科目，而是所有學校科目、知識 與技能的結合，它也不是將學校所有科目搬到戶外，而是教師利用環境（自然或 人為、公園或都市地區、歷史地標或風景區等）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」。戶 外教育協會的創辦人夏普（L.B. Sharp）指出：那些應該且最適合在學校課堂裡 5.
(6) 教的東西，那就在學校課堂裡教；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，那就應該在學校外的天地裏教（引自周儒、黃淑芬譯， 1994）。由以上專家對戶外教學的定義發現，戶外教學雖有其優點，但仍需由教 師根據學習目標進行妥善規劃，並非適用於所有的學科內容。 戶外教學為提昇學習效率的一種方式，傳統的學習模式受限於教室的房牆之 內，且大部分的學習為高度言辭化，因此許多學生雖然可將書本裡的句子背得朗 朗上口卻不了解這些字的意思。從人類獲得經驗的方式來看，學習的方式當然是 越直接的體驗，獲得的效果越好、越持久，戶外教育的實施正是在實踐此一學習 理論（王鑫，1995）。戶外教學強調直接的體驗學習，透過親身的體驗及實地的 戶外觀察提供教師有效的教學媒介，並能賦與抽象概念以真實意義，也提供教育 者更寬廣的視野與想像的教學環境能力，讓教材超越學校室內教學的硬體設備， 除了更有意義也使得教室得以延伸（王鑫，1995；周儒、黃淑芬譯，1994） 。Lee （1984）也指出戶外教學能帶給小學生由實際參與得到辯證與解決現實生活問題 的經驗；獲得創造力、有效的、健康的終生技巧；能發自內心地欣賞人與自然資 源。由以上敘述可知，戶外教學是由露營教育延伸而來，雖然不是正規的教學模 式卻能提供不同學習程度的學生透過直接的體驗獲得第一手的學習經驗學習統 整的學習內容。. 貳、 相關的學習理論 戶外教學的學習方式存在已久，而其背後也有許多相關的教育理論，根據國 內戶外教學學者李崑山（1996）的整理，國民小學實施戶外教學與教育理論的關 係包含經驗塔學習理論、發現式學習法、認知發展理論與建構主義四種。美國視 聽教育專家戴爾（Edgar Dale）提出的的經驗塔學習理論，強調兒童的學習過程 應該透過各種不同的方式進行學習，學習經驗應由底層具體的學習經驗循序往上 至抽象的學習經驗；布魯納（Bruner）提出的發現式學習法，主張學習應該在實 際的教學情境中，由教師設計有利於學生學習之各種結構的情境並引導學生自己 6.
(7) 去發現這些有價值的結構；皮亞傑（J.Piaget）認為人的成長過程，認知發展可 分為四期，而其中第三期是具體操作期（6歲～11歲半） ，剛好在小學階段，此階 段的學生需要具體的實物來幫助思考學習；建構主義主張學生是學習的主體而老 師是協助者；知識是由具備認知能力的個體主動建構，並非被動接受。戶外教學 的學習內容具體，不使用抽象的符號而提供直接、有目的的學習經驗，讓學生主 動探索並透過體驗、觀察、發現與思考在自己的腦海裡建構知識，符合上述的四 種學習理論。 由以上教育理論與戶外教學之間的關係，可看出於小學中實施戶外教學的重 要性。戶外教學能將人類與自然環境間正快速消失的連結重新予以建立，透過戶 外活動中的直接體驗是認識或學習自然保育概念的最有效方法，而教師不應自我 設限於體驗戶外的科學經驗，應盡可能地整合各領域的課程於戶外活動中，利用 大自然的教材進行教學（Lee, 1984；王鑫，1989；周儒、黃淑芬譯，1994）。. 參、 戶外教學遭遇的問題 雖然戶外教學活動具備許多教育功能，但國內教師卻常受限於課程安排、行 政、交通等問題而無法實施；當真正實施時也常因班級人數過多、缺乏完善的整 體規劃而使戶外教學活動淪為「郊遊」、「觀光」之類的活動，缺乏實質教學效 果（藍淞地、陳哲銘，2005）。因此，戶外教學活動須經過教師細心地規劃和引 導，才能讓學習者獲得應有的學習成效。戶外教學學者王鑫（1989）對戶外教學 的方法也提出了幾點建議，其中特別強調「教師角色」和「學生親自體驗」兩者 的重要性。教師在戶外教學活動中扮演的角色絕對不僅是「旅遊引導」，因為並 不需要所謂的「標準答案」；教師是傳達教材的中介媒體，而主要的工作為「引 導學習」（王鑫，1989；周儒、黃淑芬譯，1994）。教師於教學技巧上須運用「探 勘」或「探索」的方式，利用有系統的提問引發學生能有思考性的觀察和回應。 除了必須的解說之外，應該盡可能讓學員說話、發表意見、讓學員做事、讓學員 思考、讓他們充分發揮感官的能力，蒐集、紀錄、分析、綜合野外觀察到的現象 7.
(8) （王鑫，1989；周儒、黃淑芬譯，1994）。戶外教學中要求學生做筆記也是很重 要的，讓學生記載觀察所得的細部，以及有趣的事（王鑫，1995）。但是在進行 戶外觀察學習時學生常常因外在因素而不適合做筆記、閱讀書面資料，例如在觀 察洞穴、岩岸、健行活動時，而學習者在活動後也常抱怨忘了他們曾說過的話（De Crom & De Jager, 2005）。因此許多研究者便開始嘗試使用科技來輔助戶外活動 的學習，試圖提供更有效的戶外學習模式。. 肆、科技輔助戶外教學 近年來用科技來輔助戶外教學活動的研究不勝枚舉，包括高台茜（2005）發 展於PDA上的戶外賞鳥及戶外賞蝶系統（如圖2-1）。該研究顯示利用PDA搭配 無線通訊工具可有效地做為輔助學生認知的工具，學習者利用PDA拍照並藉由行 動學習系統中的學習資料庫和環境提供學習者學習的鷹架，透過與教學者及同儕 間自然地互動來協助個人知識的建構及組織；藍淞地等人（2005）利用網路多媒 體設計「虛擬野外實察」（virtual field trip, VFT）作為地理實察活動的行前導覽 與任務解說工具，提升學生自主探究學習的能力；蕭顯勝與馮瑞婷（2006）規劃 的情境感知戶外教學系統，讓學生能在適當的時間、地點得到正確的學習教材， 達到生態環境認知程度的提升；Rogers（2004）的Ambient Wood計畫利用PDA 提供數位增廣（Digital Augmation）資訊，發現將PDA用作在恰當的時間呈現與 當時環境相關的植物或動物影像的平台，能吸引學生對於當時真實環境的注意 力，提供一個有效加強戶外學習過程的方法也強化了學生於戶外活動中探索與反 思的程度。以上研究結果均顯示，利用科技輔助戶外教育活動可以彌補教師人力 不足的情形、降低教師解說的負擔，同時也可提升學習者自我探究、自我學習的 能力（Rogers, 2004；高台茜，2005；藍淞地，2005；蕭顯勝、馮瑞婷，2006）。. 8.
(9) 圖2-1 戶外賞蝶學習系統（Chen et al., 2005, p.404）. 將行動科技運用於教學中不僅能強化學習經驗間的連接，並能協助學習者保 存與管理實際於戶外活動中發現的學習經驗（De Crom & De Jager, 2005）。行動 學習的好處包括以下幾點：(1)行動性，可將學習環境帶著走無論室內或戶外；(2) 可得性，能輕易地於任何地方連上網路；(3)延伸性，可利用其餘的工具或軟題 擴充其功能性；(4)適時性，能即時回應使用者的需求（Ohashi & Arisawa, 2006)。 高台茜（2005）也指出，應用PDA搭配無線網路的概念是一種新的認知學習工具， 讓學生能隨時隨地存取、分析、解釋並組織個人的知識。而應用PDA於教學與學 習時，對於呈現學習資料、收集資料、做筆記、和多媒體應用程式都很有幫助（De Crom & De Jager, 2005）。由於戶外活動需要高度的行動性，因此利用行動載具 來輔助戶外活動的學習已成為一種新趨勢。. 伍、小結 根據文獻歸納結果，戶外教學為一統整的學科，是讓學生透過實際體驗，了 解各學科、環境和人之間相互關係的學習方式。教師在戶外教學中，應扮演傳達 教材的中介媒體，引發學生能有思考性的觀察和回應，讓學生充分發揮感官的能 力，進行蒐集、記錄、分析、並綜合野外觀察到的現象。利用科技輔助，在恰當 的時間呈現與當時環境相關的學習資源，能吸引學生對於當時真實環境的注意 力，且能讓學習者專注於學習活動中，有助於提高戶外教學的成效。因此綜合文 獻內容，本戶外學習系統應能適時適地傳送與學習情境相關的學習資源，透過學 9.
(10) 習資源引導學生進行觀察、分析並協助記錄。. 第二節 增廣實境技術 增廣實境這個名詞是在1990年早期被提出的，最早實現這個概念的增廣實境 系統則可追朔到1960年晚期，由Ivan Sutherland和同僚建置的3D頭戴式顯示器， 藉由此設備讓穿戴者同時看見由電腦產生的資訊和真實世界的物體（Höllerer, 2004）。Caudell和Mizell 於1992年替波音（Boeing）公司的維修人員進行佈線 講課時，將電腦產生的影像覆蓋於真實環境，並將此技術稱為增廣實境（Höllerer, 2004）。Azuma則於1997年發表了一篇增廣實境調查報告，描述當時增廣實境技 術的發展狀況、應用領域、及遭遇的問題。於是在1970至1980年代，增廣實境逐 漸成為許多機構研究的主題，例如美國空軍研究室、美國太空總署、美國麻薩諸 塞州科技機構和北卡羅來納大學，增廣實境技術的應用與發展才逐漸成熟 （Höllerer, 2004）。直到2001年由Azuma等人共同發表的增廣實境調查報告中， 才給了增廣實境比較明確的定義，報告中指出，增廣實境是利用定位及影像處理 的技術，將虛擬物件呈現於真實世界中，主要包含三種特性，分別是(1) 結合真 實與虛擬物件於一真實環境中；(2)能夠即時且互動性地執行虛擬物件；(3) 能調 整真實物件與虛擬物件之間的相互關係（Azuma et al., 2001）。而增廣實境提供 的內容並不侷限於虛擬影像，即便是提供虛擬的聲音、觸覺或嗅覺亦可視為提供 增廣實境的一種（Azuma et al., 2001）。因此增廣實境系統的定義可視為：結合 真實物件與電腦產生的物件於現實的環境中，兩者並能即時地互動使得虛擬物件 與真實物件能密切配合（Höllerer, 2004）。 增廣實境技術與穿戴式電腦設備的技術都是發展快速的領域，自1990中期開 始即有許多研究報告與商業發展的應用（Höllerer, 2004）。增廣實境技術特別適 用於，需要「X光視線」能力的情境，以看穿某種固體結構物。例如在醫學領域 中，外科醫生利用增廣實境成像技術所提供的資訊提高手術的精確度，增加手術 10.
(11) 的成功率（如圖2-2）；在建築領域中，增廣實境技術除了可用於工程建設的模 擬之外，維修人員利用定位感應器與增廣實境成像技術，可協助日後維修內部管 線時能清楚了解內部管線的實際位置，減少維修成本（如圖2-3；Roberts, 2002）； 在觀光領域中，可利用增廣實境影像，提供遊客方向和景點位置的導覽協助，還 可依使用的載具種類，透過2D或3D的方式呈現景點特色與建築物歷史變遷過程 （如圖2-4；Höllerer, 2004）。而在教學方面，教師可利用增廣實境技術，呈現 與當時學習內容相關的重要資訊，增加學習的成效（Azuma, 1997）。. 圖 2-2 增廣實境協助外科手術. 圖 2-3 增廣實境協助建築維修. （Azuma, 1997, p.4）. （Roberts, 2002, p.9）. 圖 2-4 增廣實境應用於觀光導覽 （Azuma et al., 2001, p.41）. 11.
(12) 由以上的增廣實境技術應用實例，皆可看出其重要性及日後發展的潛力，以下針 對增廣實境使用的技術，探討其定位方式、虛擬影像呈現方式及與虛擬物件的互 動模式說明如下。. 壹、 定位方式 為了正確呈現虛擬物件，準確地追蹤使用者的所在位置，對增廣實境來說是 非常重要的。以下分別介紹小範圍環境使用的定位方式與大範圍環境使用的定位 方式，茲分述如下。. 一、小範圍環境的定位方式 小範圍的定位環境中，由於定位區域固定，可同時使用不同的定位技術，以 達成較佳的定位效果（Azuma et al., 2001）。例如透過無線訊號接收的強弱，配 合影像辨識技術混合而成的定位方式，比單獨使用其中一種時，更可準確地達到 定位效果。除此之外，亦可使用其他感應裝置來輔助定位的效果，如 RFID（Radio Frequency Identification）或紅外線感應裝置。此類裝置的感應範圍有限，唯有當 使用者移動到鄰近區域中才可感知使用者的位置，但是定位結果也較精確。 （Rekimoto & Ayatsuka, 2000）。. 二、大範圍環境的定位方式 大範圍的定位環境中，由於區域較大且多為戶外，定位設備架設不便，因此 使用GPS定位是一種較普遍的方式。GPS定位的概念於1973開始，只要接收4顆 以上的衛星訊號，即可進行全球性的定位，從1978年發射第一顆衛星之後，直至 1993年共有24顆定位衛星可供使用；另一種適用於大範圍的行動式定位系統，是 利用計算使用者所接收的無線訊號強弱（802.11b Wi-Fi）來判斷位置（Höllerer, 2004）。最好的定位方式是盡可能減少使用者所需攜帶的裝備，而且不需要事前 準備使用的環境，GPS正好符合這些條件（Höllerer, 2004）。 12.
(13) 行動載具可搭配GPS的定位方式，於戶外環境中進行增廣實境活動，例如 Feiner等人所研發的哥倫比亞大學導覽系統（Columbia Touring Machine, 如圖 2-5）。此導覽系統利用GPS定位，於頭戴式顯示器中呈現3D的圖像（如圖2-6）， 引導校園中的訪客辨識各建築物，並配合手持裝置進一步瀏覽校園內建築物名稱 或歷史等增廣實境資訊（如圖2-7）（Feiner et al., 1997；Höllerer, 2004）。. 圖2-5 哥倫比亞大學導覽系統. 圖2-6 頭戴式顯示器呈現的3D圖像. （Feiner et al., 1997, p.209）. （Feiner et al., 1997, p.210）. 圖 2-7 使用行動載具瀏覽相關資訊 （Feiner et al., 1997, p.211 ）. 利用GPS衛星或無線網路的定位方式，皆可動態偵測使用者目前所在位置，並根 據定位資料呈現適當的虛擬資訊於正確時空中。. 13.
(14) 貳、 虛擬影像呈現方式 增廣實境的虛擬影像根據不同顯示工具所呈現的方式大概可分為頭戴式顯 示器、手持式顯示器、與直接投影，以下針對此三種方式分述如下：. 一、頭戴式顯示器（Head-worn displays） 頭戴式顯示器是增廣實境成像技術最早使用的方式，可分為成像於LCD （liquid crystal display）但解析度較低的方式，和使用低能量雷射直接成像於視 網 膜 而 解 析 度 較 高 的 方 式 （ Höllerer, 2004 ） 。 圖 2-8 所 示 的 顯 示 器 為 Sony LDI-D100B，提供雙眼影像於LCD上；圖2-9所示為一單色、單眼，以低能量雷 射成像於視網膜上，較不受光線影響，可於戶外環境中使用的顯示器。理想中的 頭戴式顯示器，是將影像功能內嵌於一般眼鏡中，讓使用者幾乎無法察覺自己正 戴著增廣時境設備（Höllerer, 2004）。. 圖2-8 雙眼光學顯示器 （Höllerer, 2004, p.16）. 圖2-9 單眼雷射顯示器 （Höllerer, 2004, p.16）. 二、手持式顯示器 達成增廣實境的方式有許多種，包括較強制性的眼部顯示器，使用者需於活 動時穿戴特定設備，另一種較具彈性的方式則是利用手持式裝置 （Squire & Jan, 2007）。利用手持裝置將虛擬訊息顯示於裝置上（如PDA），此時手持裝置扮演 的角色就如同一片看見虛擬物件的窗戶或是放大鏡一樣，同時顯示真實與虛擬物 件（Rekimoto & Ayatsuka, 2000）。在哥倫比亞大學發展的導覽系統中，使用者 14.
(15) 除了透過頭戴式顯示器觀看虛擬影像之外，亦使用行動載具瀏覽相關的增廣時境 資源（如圖2-7）。美國海軍研究實驗室（Naval Research Lab）也將手持裝置發 展的增廣實境系統用於模擬軍隊戶外求生的訓練（Azuma et al., 2001）。. 三、直接投影 利用投影機於適當位置將虛擬影像直接投影到真實物件上，使用者不需穿戴 額外的顯示工具，此方式能讓使用者以較無負擔的情況與多人互動並同時看見虛 擬物件，提高了合作的便利性（Azuma et al., 2001; Höllerer, 2004）。下圖2-10是 利用投影機透過影像辨識技術，直接將對應的虛擬資訊投射於桌上（Rekimoto, 2000）。使用直接投影的方式，在增加虛擬資訊時較困難且對系統的負荷較大。 許多系統設計者亦建議針對每位使用者的興趣或個人特質呈現特定的虛擬物件 訊息，讓虛擬資訊更個別化及適性化（Azuma et al., 2001）。. 圖 2-10 使用直接投影的呈現方式 （Azuma et al., 2001, p.38）. 許多增廣實境的計畫是利用頭戴式顯示器將使用者位置附近的物體或空間 資料投射於使用者視線範圍中，除此之外亦可使用 PDA 或其他可攜式的載具來 提供文字、影像或聲音類型的增廣實境資料（Azuma et al., 2001; Höllerer, 2004）。. 15.
(16) 參、 與虛擬物件的互動方式 增廣實境技術能讓使用者直接與電腦產生的虛擬物件進行互動，無須受到周 圍現實世界的干擾。使用者的視覺注意力不用被現實世界與電腦螢幕之間隔離， 然而要如何無隙地讓兩者互動仍是項挑戰（Höllerer, 2004）。與增廣實境物件的 基本互動包括選擇、定位、旋轉視覺化物件、描繪路徑或軌道等等（Höllerer, 2004），而互動技術需要辨識使用者的動作，於是除了顯像的科技之外，另一項 對增廣實境系統的挑戰就是辨識與追蹤的技術。在增廣實境系統中提供的互動方 式略可分為：「運用各種不同的科技工具來操弄增廣實境影像」和「與真實世界 物體實際觸碰操弄增廣實境影像」兩種。 以下根據互動方式使用的工具說明如下：（Rekimoto & Ayatsuka, 2000; Azuma et al., 2001; Höllerer, 2004） 1. 使用語音的互動工具：利用無線耳機和麥克風，透過語音辨識或錄音方式， 提供人與人或人機間的互動，不適用於吵雜環境或不宜說話的場所。 2. 手套模式的互動工具：於特製手套中植入各種感知裝置，並計算手部動作以 進行互動。此互動裝置較為不便，穿戴時易影響日常生活中正常的活動。 3. 影像的手部姿勢辨識：於頭部或眼鏡中裝設錄影機，辨識使用者的手部動作， 並依此建立互動。 4. 凝視辨識的互動工具：由小型的攝影裝置辨識使用者瞳孔凝視的位置，並針 對所凝視的物件進行互動，可做為一種快速、立即的互動裝置。使用的缺點 是裝置間的整合不易，且設備較為脆弱。 5. 標籤辨識的互動工具：使用平面標籤，並利用影像辨識技術，透過顯示裝置 呈現虛擬物件，可用手移動或旋轉平面標籤的方式，直接與虛擬物件互動。. 互動科技應以有效但盡可能不造成使用者不便為設計原則，除了穿戴式的互 動功具之外，利用其他攜帶式設備（如筆記型電腦、掌上型電腦）也是一個很好 的選擇，不但便於瀏覽文字訊息，亦能支援書寫式輸入辨識（Höllerer, 2004）。 16.
(17) 第三節 增廣實境在學習的應用 真實學習（authentic learning）和有意義的學習（meaningful learning）皆強調 讓學生透過解決真實世界中的問題來學習知識，而提供學習者真實學習 （authentic learning）的方式可利用參與式模擬（participatory simulation）和增廣 實境式學習（augmented reality learning）（Eric, 2006）。在學術機構方面，研究 者也開始利用增廣實境技術提供學生更深入、更有意義的學習經驗，協助學生將 學習內容與特定物件或地點作有效的連結。例如在進行地理的鄉野調查活動時， 利用增廣實境技術於探勘當地環境，並立即與資料庫中資料互相驗證與比較；學 習建築學及考古學時，利用增廣實境技術顯示肉眼無法觀察的建築結構，於特定 地點呈現原有的古蹟建築；利用行動載具（PDA或手機）創造一個虛擬的情境疊 加於現實世界情境中，提供學生解決真實科學問題並以成人科學方式思考的機會 （Höllerer, 2004; Squire & Jan, 2007）。研究中也顯示，利用增廣實境方式進行學 習活動可協助學生提高學習動機、培養學生問題解決能力、增加學生合作學習的 意願與互動，討論與辨證的過程也對學生的口語表達能力很有幫助（Squire & Jan, 2007）。本節將針對使用增廣實境於學習活動的應用實例、學習理論以及應用之 問題說明如下。. 壹、 增廣實境應用實例 在學生熟悉的環境中進行學習，學生較能應用自身已有的知識來解決問題 （Squire & Jan, 2007），增廣實境技術具有將學習帶出教室並帶進真實世界的潛 力，能強化學生的學習經驗、提高學生投入學習的程度並協助學生將所學得的知 識與真實世界做有效的連結。國內外相關的增廣實境教學活動包含 Mad City, Real Tournament, Ambient Wood, 及國內成功大學的行動地誌研究等等。以下列 舉三個運用增廣實境技術的學習活動及研究成果。. 17.
(18) 一、Ambient Wood Ambient Wood（Rogers, 2004）是將增廣實境技術運用於探索戶外林區的研 究，共使用 PDA、GPS 定位裝置、溫度與濕度探測器及其他無線設備，並於選 定地點呈現課程相關資料，包括影片、訊息或搭配聲音檔案的圖片（例如季節改 變的影片）、音訊（如動物叫聲）、視覺化的圖示等等。此研究欲探討如何提供 數位的增廣訊息才能有效協助學生觀察與討論，研究設計是讓學生以兩人一組的 方式，透過學生主動探測得到的數據及教學者提供的數位資訊來引導學生反思與 討論，讓學生認識林區的動植物與增廣學習經驗，並進而學習隱藏在活動背後的 生態觀念。研究中提出了兩種接收數位資訊的模式，分別是學生起始模式 （Student-initiated）與、環境起始模式（Environment-initiated）。學生起始模式 是讓學生利用探測工具，掌控存取及與增廣實境物件互動的權力，並可自行決定 探索的路線。研究發現使用此方式時，學生讀取數位訊息的頻率提高，更能成功 地誘導學生進行更深入的探索。環境起始模式是依教師規劃，於特定環境中自動 呈現與學習情境相關的數位資訊，學生不知道何時及何地會得到什麼。此方式能 讓學生在探索時有較多驚喜的感覺，且資料也與情境更有直接相關，但當學生過 於專注在目前正探索的環境時，常會因不注意而忽略系統自動接收的數位資料， 影響學習成效。 此研究比較學生取向和環境取向資訊提供方式的差異，發現學生取向方式能 較有效地促進合作、假設及自我反思。研究中並指出，增廣實境是一個有效加強 學習過程的方法，特別是強化戶外活動中探索與反思之間的對應。至於對應的程 度則與教材內容設計、資訊傳遞方式、載具選擇等有關。教師於活動中不能提供 學生過多的數位訊息，以免造成學習時的認知負荷；提供的訊息不應該分散學生 的注意力，而要能誘發學生思考週遭環境與數位訊息間的關聯性。利用增廣實境 與環境互動也提供學生更多「做」科學性探究的機會。研究最後也指出，除了學 習生態的觀念之外，也可嘗試將增廣實境技術運用於歷史、數學及其他科學內容 的學習課程。 18.
(19) 二、Mad City Mad City（Squire & Jan, 2007）利用增廣實境技術協助學生發展調查與探究 的能力，特別是透過虛擬的調查過程培養科學討論的技巧。學習者透過角色扮演 方式調查當地鎮上離奇的死亡案件，而因角色功能的互補性也促使學習者自然而 然地形成一合作團隊，共同拜訪虛擬人物、收集量化資料、檢查官方文件。為了 要有效地解決問題，學生需要閱讀文字資料，並根據資料歸納出理論，再一起討 論這些理論，最後才提出根據他們所閱讀的資料所推導出的概念。研究中發現， 利用角色扮演的方式不但能鼓勵學生合作學習，亦可作為協助閱讀的鷹架。而此 種需要複雜思考與討論的活動並不適用於所有的學生，研究發現高中生較能投入 此類活動，相反的小學生較不適合此類高複雜度的活動。因此活動設計者應根據 學生程度不同來設計適合的活動內容，活動應盡量符合學生的先備知識並提供能 激勵學生處理及管理多重角色的協助，培養學習者以科學家的角度思考。此研究 指出利用手持式電腦（此研究利用 PDA）進行增廣實境式遊戲是一種培養學生 科學素養的新式教學方法，而在學生熟悉的地點進行遊戲更能引發學生應用一些 他們於這環境當中已知的知識或問題，也讓他們勇於挑戰去思考隱藏在此社區中 抽象的科學概念，而透過小組討論亦能增強學生互相辯論的技巧（Squire & Jan, 2007）。. 三、Outbreak @ the Institute Outbreak @ the Institute（Eric, 2006）的研究計畫是利用無線通訊技術與 PDA，設計一具有參與式實境的增廣實境遊戲。模擬一疾病在大學校園中傳染的 過程，玩家可透過角色扮演的方式與虛擬人物互動，並利用系統模擬的診斷測 驗、注射疫苗和隔離治療避免自己受到感染。經由PDA連上無線網路，除了可得 到目前位置的相關資訊之外，亦允許玩家間互相連線。而病毒可由玩家間或玩家 與虛擬人物間互相感染，一旦感染的病毒量增加，PDA中顯示的玩家健康狀態指 19.
(20) 數就會下降。實驗中利用增廣實境式的模擬，讓學生藉由實際參與而更深入體驗 真實世界中疾病傳染的變化情形和影響傳染的原因。學生也於實驗完成後表示此 遊戲具有高度真實性，就像親身經歷一樣，並對自己扮演的角色有高度的歸屬 感，而學生於遊戲中的歸屬感也是提高遊戲真實性的重要因素。. 四、小結 以上研究除了將 PDA 做為呈現增廣實境資訊的媒介之外，也使用了無線網 路及其他相關影音設備，將增廣實境應用於學習活動中。研究中並發現透過角色 扮演的方式可有效輔助學生進行合作學習，而增廣實境能讓學習的方式由學生單 純接受的傳統學習模式，轉為學生能主動參與、收集、與反思，並建構新知識的 方式。. 貳、 增廣實境學習理論 以下根據學習理論，說明增廣實境應用於合作式學習、情境學習、與遊戲式 學習的情形。. 一、合作式學習 合作學習一直是教育領域中有效的學習模式之ㄧ，透過增廣實境技術可允許 多 位 學 習 者 以 各 自 的 觀 看 角 度 討 論 同 一 件 虛 擬 物 件 或 虛 擬 資 訊 （ Höllerer, 2004），此方式也讓合作式學習更容易實施。在 Mad City 研究計畫中，教學規 劃者讓學生以角色扮演的方式搭配增廣實境系統進行學習活動，不同的角色所接 收到的虛擬資訊也不同，讓學生須透過小組討論才能得到完整的資訊，此方式能 鼓勵學生合作學習，並作為協助學習者閱讀的鷹架，也強化了小組合作的效率 （Squire & Jan, 2007）。而 Outbreak @ the Institute 研究中也指出，利用增廣實 境技術配合角色扮演的方式，有助於學習者利用拼圖式的合作學習模式進行學習 （Eric, 2006）。 20.
(21) 二、情境學習 每個物件或地點都有其歷史和情境，若能讓使用者與這些物件或地點直接進 行互動將能提供學生更豐富的學習經驗（沈楊庭，2005）。De Crom 與 De Jager （2005）指出在進行戶外活動時，讓學生用來判斷大自然特定特徵的聲音和圖片 必須即時地提供，供參考的物件亦須讓學生可隨時取得。Rogers 等人（2005）也 指出若能根據使用者所在位置於適當的時間及地點傳送與學習情境相關的數位 資訊（如聲音、影像、問題、或視覺化資訊等等）給學習者，能讓學習者專注於 特定的學習活動中。以上研究都強調了學習的情境對於學習經驗的重要性和影 響，而經由增廣實境的方式提供的活動結構與實際空間混合，組成了一個不完全 是虛構也不完全是真實的"第三空間"，能讓學生有實際進行科學調查的感受 （Squire & Jan, 2007）。因此教學者可以透過增廣實境教材的設計，提供學生更 豐富的學習情境，協助學生了解真實的世界，並利用主動參與的方式創造出新的 知識。. 三、遊戲式學習 遊戲式學習是未來學習的趨勢之ㄧ，增廣實境的技術也開始運用在實際的教 育遊戲中，例如在麻省理工學院提供的Environmental Detectives遊戲中，學生利 用搭載GPS系統的PDA在校園中尋找線索或解決謎團來學習環境科學及生態系 統的知識；在Kurt 等人（2007）的研究「Mad City」中，利用偵探探險遊戲搭 配角色扮演的方式進行學習活動，學生須透過虛擬人物提供的相關資訊與小組間 組員的互相討論對當地鎮上發生的死亡案件提出合理的解釋，以此模式進行學習 可培養學生在真實情境中的問題解決能力並提高學生的學習動機；Steve等人 （2005）的研究計畫「Savannah」則讓每位學習者以角色扮演的方式模擬非洲草 原上的獅子覓食行為，讓學習者透過實際爭奪地盤、共同掠食的方式領略大自然 實際的生態和食物鍊的關係（如圖2-11所示）；Eric（2006）的「Outbreak @ the 21.
(22) Institute」也是利用增廣實境技術搭配遊戲式學習讓學生模擬疾病於真實世界中 散播的過程。以上研究都顯示出增廣實境有結合遊戲式學習的潛力。. 圖 2-11 學生使用行動載具進行 Savannah 遊戲（Benford, 2005, p.722）. 參、 增廣實境應用之問題 運用增廣實境輔助學習的相關問題包括顯示方式的問題，藉由頭戴式顯示器 呈現虛擬影像通常不夠清晰且亮度過低，無法完整地與真實世界結合，除此之外 大小、重量、價錢也是問題。即時呈現虛擬物件也是目前增廣實境技術發展所遭 遇的問題，無法適時顯示虛擬資訊將影響學習的效果，辨識錯誤（Registration error）的問題常發生且不易避免，虛擬物件的資料密度若太高，也將無法正確顯 示，因此若能將虛擬物件透過載具顯示於螢幕中有助於解決這類問題（Azuma et al., 2001）。增廣實境的顯示技術不只是處理虛擬資料，亦要計算與真實物體間 的互動關係，如何精確地顯示適切的虛擬資訊是增廣實境技術未來需要克服的一 個重點。另一項相關問題則是生理限制的問題，長時間進行增廣實境活動容易造 成使用者視覺疲勞或影響使用者視覺健康狀況（Azuma et al., 2001） 。若使用 PDA 作為增廣實境物件的顯示平台，則常會因為電力問題、操作介面（觸控筆與一般 鍵盤的差異使得學生無法利用觸控筆的操作達到原本用鍵盤輸入的速度）、螢幕 太小、主機的記憶體有限等因素的限制（De Crom & De Jager, 2005） 。而經由 Mad City 學習活動之後也發現了該類型的學習方式常因活動進行時間、探究主題的選 22.
(23) 擇、缺乏有系統的前後測評量方式等問題，導致設計一有意義的增廣實境探究活 動於實做時的困難性（Squire & Jan, 2007）。 許多增廣實境的計畫都仰賴特殊或特製的裝置，因此除了研究花費較高之 外，設備的維護也較為困難。而且增廣實境式學習類似遊戲的性質也常常使人懷 疑其教育價值。因此教學者需謹慎規劃學習活動並確保活動的教育價值，切勿讓 學生只將注意力放在新穎科技上而忽略真正要學習的重點。. 肆、 小結 透過增廣實境的學習方式，能將抽象觀念具體化，並能營造適當的學習情境 幫助學習，它使得高等教育或較艱深的學習內容，更容易地讓一般民眾接受。目 前許多應用增廣實境技術的學習活動，傾向使用 GPS 搭配無線網路的混成定位 方式，應用行動載具做為呈現的工具，並以分組活動的設計鼓勵學生進行討論與 反思，提供學習者進行科學性探究的學習機會。專家也建議增廣實境技術除了適 用於數學、科學等學科的學習之外，也可運用於考古或歷史學科的學習，以增廣 學生在參觀歷史遺跡的學習經驗，然而如何設計適當的增廣實境學習資源輔助學 生學習歷史人文學科的相關學術研究仍較缺乏。. 23.
(24) 第三章 系統規劃與實作 本章描述研究中發展的增廣實境戶外學習系統之規劃與實作過程。系統規劃 是依據教師需求訪談分析及第二章文獻探討之歸納結果，提出系統的功能架構。 系統的實作則是依據教學單元規劃內容，並在所規劃的功能架構下，實際發展出 可供教師運用於戶外教學的學習活動單元。以下針對本研究的系統規劃、教學活 動設計與系統實作三部分的內容說明如下。. 第一節 系統規劃 本節針對教師需求分析、系統功能架構與增廣實境功能規劃，茲分述如下。. 壹、 教師需求分析 為進行系統功能之規劃，研究者針對參與本研究的兩位教師（參見下節「教 學規畫參與者」）進行訪談，希望了解教師在實施戶外教學活動時常遭遇的問題， 以作為系統規劃的參考。教師所提出的問題包括學生注意力難以集中、學生對傳 統的介紹方式較不感興趣、教師無法顧及學生的個別差異、教學活動難以由教室 內延續至戶外等。以下根據教師遭遇的問題提出解決方法說明如下。. 一、學生注意力難以集中 教師表示，學生在進行戶外教學時常無法將注意力集中在預期的學習目標 上，容易受到戶外其他事物的影響而分心，導致學習效果降低。若所規劃的系統 能夠適時提供學生與學習情境相關的資源，應可以提高學生學習的注意力。. 二、學生對傳統介紹方式較不感興趣 學生在探索戶外活動的景點時，大部分都是由教師於活動前先簡介參觀路線 及觀察的學習景點，待學生到達景點後，再由教師介紹並由學生自行觀看告示牌 或書面資料。教師指出學生在參觀景點時，對於閱讀文字敘述多缺乏耐心且興趣. 24.
(25) 不高，學生對於預知的學習活動內容亦缺乏新鮮感及探險的動機。若所規劃的系 統能讓學生自行探索學習景點，並適時地提供學習資源，此方式將能提供較多驚 喜，學生也較有學習動機進而願意主動學習。另一種戶外參觀的方式是由景點解 說人員或導覽志工介紹景點，然而他們的解說有時過於生硬，無法吸引學生注 意，而且提供導覽人員協助教學的人力資源並非每個活動地點都有。若能預錄具 教學經驗的導覽人員解說影片，讓學生可於活動中自行觀看，將可使學習活動更 豐富也更有彈性。. 三、教師無法顧及學生的個別差異 教師表示在進行戶外教學時，為了顧及學生安全，多採用團體式的參觀方 式，由教師帶領整班的學生一起參觀，因此在講解時較難顧慮學生的個別差異， 也無法讓學生對有興趣的景點多花時間進一步地探索。若所規劃的系統能讓學生 自行決定於學習景點觀察的時間，依個人需求瀏覽學習資源，並記錄學生的學習 歷程，將有助於學生的學習，且可協助教師了解學生的學習情形。. 四、教學資源無法由教室內延續至戶外 敎師表示自己曾經帶領學生到校外進行鄉土教學，讓學生能認識家鄉的歷史 與改變，並在活動前於課堂上播放家鄉的舊照片與敘述家鄉曾發生的歷史故事。 但是實際將學生帶到戶外時，發現學生對教師於課堂中提供的照片或故事內容多 已印象不深，因此學習的效果並不理想。若所規劃的系統能儲存學習資源，讓學 生到達景點後再瀏覽，將可避免學生在活動前就預知學習內容，並可加深學習的 印象。. 貳、 系統功能架構 根據教師需求訪談分析及前章的文獻歸納結果，所欲發展的系統架構依功能 需求，共分為活動導覽、學習資源、活動筆記本、學習歷程紀錄與地圖編輯五個 部分，其相關功能如圖 3-1 所示，以下根據各功能內容說明如下。. 25.
(26) 系統架構. 景 點 到 達 提 示. GPS 地 圖 定 位. 動 畫 提 示. 活動筆記本. 學習資源. 活動導覽. 靜 態 圖 片. 音 效 提 示. 文 字 介 紹. 引 導 問 題. 影片及動畫 （增廣實境）. 今 昔 變 遷 動 畫. 圖 3-1. 實 境 解 說 影 片. 系統架構圖 26. 七 個 景 點 的 筆 記. 學習歷程紀錄. 進 離 景 點 時 間. 瀏 覽 的 學 習 資 源. 地圖編輯 （教師功能）. 背 景 地 圖 編 輯. 學 習 景 點 編 輯.
(27) 一、活動導覽 活動導覽功能使用 GPS 訊號對使用者位置進行定位，學生可透過行動載具的 地圖指引到達教師規劃的景點位置，一旦學生到達景點附近，系統會主動撥放景 點提示音效與圖片告知學生已到達學習景點位置。. 二、 學習資源 規劃的學習資源中將包含與景點相關的靜態圖片、景點文字介紹、引導問題、 及影片與動畫等。增廣實境功能是藉由景點今昔變遷的動畫圖，及實境拍攝的景 點介紹影片來實踐。. 三、 活動筆記本 系統提供活動筆記本功能，讓學生能依自己的需求，隨時記錄戶外活動中發 現的有趣事物與觀察心得。. 四、 學習歷程紀錄 系統提供的學習歷程紀錄功能可自動記錄學生到達與離開學習景點的時 間，以及學生瀏覽過的學習網頁名稱。此功能將協助教師了解學生於戶外活動中 的學習情形，並依記錄內容調整與修改戶外學習活動規劃。. 五、地圖編輯 教師可根據戶外活動內容，透過系統的地圖編輯功能，更改背景地圖與學習 景點內容，讓戶外教學活動的應用更具彈性。. 參、 增廣實境功能規劃 本系統規劃的增廣實境功能是透過 PDA 內建的多媒體功能，除了增廣實境 中的音效之外，並嘗試使用影片及動畫來達到實境增廣的效果，茲分述如下。 27.
(28) 一、 增廣實境音效 本系統的增廣實境音效是透過活動導覽功能中的提示音效來實現，當學生到 達景點位置附近時，由系統自動播放與景點相關的音效來增廣學生的學習經驗。 例如該景點常出現某種野生鳥類，但是戶外活動當天學生卻不一定能親自聽到該 野生鳥類的叫聲，透過本系統自動播放鳥叫聲可讓學生於活動中有聽見此野生鳥 類叫聲的感受，增廣學生於此景點對於該野生鳥類的學習經驗。. 二、增廣實境影像 有鑑於一般增廣實境系統的顯示器過於昂貴，本系統的規劃是透過 PDA 來 顯示符合增廣實境性質的影像資訊，包括動畫與影片兩種類型。增廣實境的特性 是讓使用者能同時看見與環境相關的真實與虛擬資訊，因此增廣實境動畫與影片 都規劃在系統功能的學習資源中，讓學生在到達學習景點位置時觀看，並能更容 易地將虛擬的學習資訊疊加於真實的學習環境中，增廣戶外活動時的學習經驗。. 第二節 教學活動設計 為實作及評估本研究之戶外學習系統，本研究共設計兩個學習單元。第一個 學習單元是「認識校園」，目的是讓學生於校內的戶外活動中熟悉系統的操作， 並測試系統的功能；第二個學習單元是「金瓜石探索之旅」，目的是讓學生藉由 實地走訪金瓜石地區，觀察金瓜石聚落的特色與變遷，並透過學習資源體驗今昔 變化。因教師職務繁忙，故地圖編輯的操作，包含活動地圖的座標輸入、學習景 點的編輯均由研究者代為完成。以下根據活動設計參與者、「認識校園」學習活 動、與「金瓜石探索之旅」學習活動，三部分教學活動設計內容說明如下。. 壹、 活動設計參與者 參與教學活動設計的規劃人員除了研究者本人之外，另有兩位任教於國小五 年級的班級導師和兩位對本次戶外活動地點非常熟悉的地方耆老。兩位教師的任 28.
(29) 教資歷分別為五年和八年，畢業於花蓮師範學院及國立台北師範學院，且均有基 本的資訊能力和資訊融入教學的經驗。在進行「金瓜石探索之旅」學習活動的教 材設計時，參與教學活動設計的除了兩位合作教師之外，另有兩位金瓜石地區的 地方耆老，分別是鄭春山先生和張英傑先生。兩位耆老對於推廣當地文化皆非常 熱心，70 歲的鄭春山先生是金瓜石台金公司的退休員工，現為金瓜石地區的文 史工作者，用相機拍攝金瓜石數十載，並保存了一幅幅珍貴老照片，著有《昔日 風華展金瓜》（鄭春山，2007）。另一位耆老是張英傑先生，張先生是礦工的第 二代，現為瑞芳鎮觀光推展協進會的總幹事，也是積極推動和協助黃金博物園區 的少數當地住民。兩位耆老協助製作相關的戶外學習資源教材，並提供專業的金 瓜石歷史知識，與合作教師共同規劃學習景點與活動路線。. 貳、 「認識校園」學習活動 在合作學校的校園內有許多植物與賞蝶園區，學生可藉由平面告示牌認識園 區內的植物，但告示牌中缺乏對植物與蝴蝶類型及生長環境的介紹，本學習活動 是針對此園區的學習而設計。本活動在金瓜石探索之旅學習活動之前實施，活動 時間規劃為 40 分鐘，活動目的除了讓學生認識校園之外，亦希望讓學生熟悉系 統的操作，並測試學生能否透過系統的導覽功能，正確地到達學習目標位置，並 瀏覽對應的學習資源。活動流程如表 3-1 所示。 表 3-1 「認識校園」學習活動流程 活動步驟. 時間. 1、教師講解. 10 分. 2、學生分組探索校園. 25 分. 3、集合與討論. 5分. 一、 教師講解 教師於活動開始前，利用 10 分鐘的時間向學生說明活動的學習目標與系統 操作方式。 29.
(30) 二、 學生分組探索校園 學生分組進行活動，使用系統的活動導覽功能探索校園中教師安排的各個學 習景點，透過景點提示功能開啟學習資源，並依觀察結果使用活動筆記本記錄。. 三、 集合與討論 活動結束後教師集合全班學生，利用 5 分鐘的時間複習活動中學生觀察到的 校園植物與蝴蝶種類，並了解學生使用系統時遭遇的困難與問題。. 參、 「金瓜石探索之旅」學習活動 九年一貫社會領域的能力指標指出，須培養學生了解不同生活環境差異之 處，並能尊重及欣賞其間不同的特色；了解各地風俗民情的形成背景、傳統的節 令、禮俗的意義及其在生活中的重要性。要達到此學習目標，最直接的方式就是 透過戶外教學活動的實施，讓學生親自探索不同的生活情形與體驗環境的變遷。 金瓜石是一個因礦業而興起的特殊聚落，擁有完整的採礦遺蹟與豐富的人文歷史 故事。然而隨著礦業的興衰，金瓜石聚落由繁華到沒落的變化也可明顯地觀察到 聚落的改變，因此被視為讓學生透過戶外活動親自體驗聚落特色與變遷的絕佳學 習地點。然而戶外教學時，通常僅能窺見變遷的結果，對於變遷過程往往只能藉 由觀看文字說明等資料自行想像，降低了戶外活動中體驗的深度。因此本系統將 增強戶外活動中，對歷史變遷過程體驗的不足，以提供增廣實境學習資源的方式 來強化學生戶外活動的學習。研究者根據戶外活動的內涵與增廣實境的特色做初 步的規劃，再與合作教師共同討論，最後一致認為社會領域的「人口和聚落變遷」 單元，適合使用增廣實境的方式配合戶外活動來進行學習，並以金瓜石地區為戶 外活動的學習地點。因此本學習活動針對金瓜石聚落特色與「人口和聚落變遷」 學習單元的需求設計學習資源，以增廣學生在戶外參觀時的學習經驗。 本實驗配合國小五年級社會領域「人口和聚落變遷」單元，經研究者與教師 30.
(31) 討論過後，決定將活動目標設定為：(1)學生能知道聚落的特色、功能、生活形 式與關係；(2)學生能說出聚落改變的原因與影響，並培養對聚落改變的正確態 度。希望讓學生藉由實地走訪活動規劃的金瓜石景點，認識金瓜石聚落的特色， 並觀察各景點的變化體驗聚落的變遷，進而達成以上兩項學習目標。研究者根據 活動目標與地方耆老共同篩選合適的學習景點，在規劃學習景點時，除了考慮景 點是否能配合活動目標之外，亦須注意活動的時間與安全，以及景點間的位置與 距離是否恰當。最後共篩選出七個學習景點，分別是美麗四連棟、金銅博物園區、 金瓜石老街、戰俘營、觀屋點、勸濟堂和陰陽海，景點的介紹包括文字敘述、圖 片說明、以及說故事等方式。學習活動實施流程如圖 3-2 所示，各步驟時間規劃 如表 3-2 所示。 教師講解. 系統提示到達景點. 往下一個景點. GPS 導引. 觀察實境、瀏覽學習資源. 活動筆記. 完成所有景點. 集合討論. 圖 3-2「金瓜石探索之旅」學習活動實施流程圖 一、 教師講解 教師於活動開始前，利用 10 分鐘的時間向學生說明活動的學習目標與系統 操作方式。. 31.
(32) 二、 拜訪學習景點 學生透過分組進行活動，使用系統導覽功能依序拜訪規劃的學習景點並瀏覽 提供的學習資源，活動並規劃於金銅博物園區、金瓜石老街與陰陽海三個景點提 供增廣實境學習資源，以加深學生對景點變遷觀察的體驗。學生於活動期間可隨 時依需求自行決定是否須記錄筆記，探索景點的時間也可依各小組的需求自行調 整並無強制規定。. 三、 集合與討論 教師集合全班同學進行活動觀察的討論與心得分享，加深學生的學習印象並 確定學生人數準備搭車返校。 表 3-2 「金瓜石探索之旅」學習活動內容 活動步驟. 時間（共 3 小時）. 1、教師講解. 10 分. 2、拜訪各學習景點. 各約 20 分. 3、集合與討論. 20 分. 肆、小結 戶外活動內容包含探索、辯正、測量，教師常使用的方式是藉由活動工作單 和回答探索問題的方式來組織及引導學習。本研究不傾向提供結構化的學習內 容，而採取開放式的獨立探索學習，並提供增廣實境學習資源，以提升學生於戶 外活動中對歷史知識與經驗的獲取，讓學生能盡可能地探索，並透過反思與討論 得到更真實的學習經驗。教師在活動中皆扮演學習輔助者的角色，而學生在活動 過程中，主要依靠系統提供的導覽功能與輔助教材進行學習，並擁有高度的學習 自主性。. 32.
(33) 第三節 系統實作 本研究使用的 PDA 為 HP iPAQ 2490b 之 Pocket PC，作業系統是 Windows CE 5.0，內建 256MB 的記憶體、無線網路卡、Bluetooth。應用軟體有記事本、Pocket Word、PowerPoint Mobile、Internet Explorer、HP Image Zone、Windows Media 等。本研究的學習系統係使用 Visual Basic 為開發工具。系統提供的功能主要 包含活動導覽、學習資源、活動筆記本、學習歷程紀錄、與地圖編輯，以下針對 各功能設計與實作規劃，以金瓜石探索之旅學習活動為例說明如下。. 壹、 活動導覽 本系統利用主人翁動畫代表使用者位置，並輔以活動規劃路線的方式來導引 使用者到達正確的學習景點。使用者只要讓系統中的主人翁動畫走在地圖的紅線 上，則表示使用者走在正確的規劃路線上；若主人翁動畫偏離紅線，則代表使用 者已偏離規劃的學習路線，須盡快回到紅線上。代表使用者的主人翁動畫可依教 學規劃者的需求任意更換（本研究中的主人翁圖式以瑪莉歐為例），並可根據系 統接收的 GPS 資訊即時更新與地圖間的相對位置，例如使用者往北移動時可即 時於系統中看到代表自己的主人翁移動，實際導覽畫面如下圖 3-3。 開啟活動筆記本. 觀看 GPS 訊號. 關閉學習系統. 開啟學習活動首頁. 景點圖示. 使用者主人翁動畫 景點提示動畫. 圖 3-3 系統導覽畫面與景點提示動畫圖（以金瓜石探索之旅學習活動為例）. 33.
(34) 活動導覽功能共分為 GPS 地圖定位與景點到達提示兩部分，以下根據各功能茲分 別說明如下。. 一、GPS 地圖定位 本系統使用 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 資 料中有用的位置資訊。本次研究採用 GPS 接收的 GPRMC 資料格式，此種格式 輸出頻率預設為 1HZ 即每秒更新一次 GPS 資料，確保能即時更新學生所在位置 的資訊。以下針對 GPRMC 的資料格式詳細說明如下，下列為某一 GPRMC 資料 流的內容 $GPRMC,055148,A,2407.8945,N,12041.7648,E,000.0,000.0,061106,003.1,W*6 9，資料內容之意義說明如表 3-3。 表 3-3 GPS 訊號之 GPRMC 資料格式 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. 本系統定位方式僅擷取資料流中的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，系統會依據此資訊標示出使用 者目前的地理位置。因此學生可從系統中即時看到自身的位置，讓學生更清楚與 34.
(35) 學習景點間的方向與距離，輔助他們走向正確的學習景點。 本戶外學習系統以增廣實境的原則來設計，主要目的在於輔助學生進行戶外 教學，期望能透過本系統增廣學生在戶外活動時的學習經驗，因此適時地提供正 確的增廣實境資訊是很重要的。為了能在戶外環境中準確提供增廣實境訊息，本 系統採用 GPS 的定位方式，而 GPS 的訊號存有約 10 公尺的定位誤差，若要求 學生到達與景點經緯度完全相同的位置才呈現增廣實境資訊過於困難，且學生可 能因定位誤差而花費太多時間在找尋學習景點，導致延誤戶外學習的寶貴時間。 有鑑於此，本系統於定位設計時特別提供一可調整的參數設計，用以決定當學生 走到距離學習目標範圍幾公尺內時提供增廣實境資訊，因此學生到達學習景點附 近時即可得到增廣實境資訊與該景點的學習資源。. 二、景點到達提示 當使用者透過系統的導引沿著規劃路線到達學習景點時，系統會根據景點的 編輯資訊，播放對應的提示音效告知學生已到達景點位置，並跳出對應的景點提 示動畫（如圖 3-3）。使用者可根據提示功能確認景點位置，並藉由點擊彈出的 動畫圖來開啟對應的學習資源。彈出的提示動畫是根據使用者的位置而定，當使 用者在景點的感應範圍內動畫才會顯示，當使用者點擊圖片開啟學習資源之後動 畫即消失，若使用者離開感應的範圍動畫也會消失。 為了避免使用者來不及點擊提示動畫來開啟學習資源，系統於上方的功能列 中設計了一個學習活動首頁的圖示（如圖 3-3），點擊此圖示後則可進入學習活 動首頁（如圖 3-4）。在學習活動首頁中，使用者可透過網頁地圖的方式點擊各 景點圖示以開啟對應的學習資源，此功能除了解決使用者來不及點擊提示動畫圖 以開啟學習資源的問題之外，亦提供使用者透過此功能複習已拜訪過的景點學習 資源，或預先瀏覽未拜訪過的學習景點。. 35.
(36) 返回活動導覽畫面. 開啟活動筆記本. 開啟景點學習資源. 圖 3-4 學習活動首頁. 貳、 學習資源 學習資源的設計依戶外學習活動內容而定，為測試系統的可行性，本研究共 規劃兩個學習活動，分別是校內實施的「認識校園」學習活動與校外實施的「金 瓜石探索之旅」學習活動，以下根據兩個學習活動所設計的學習網頁資源為例分 別說明如下。. 一、「認識校園」學習資源 「認識校園」學習活動的學習目標，是讓學生使用本學習系統認識校園內的 植物與常見的蝶類。參與本研究的合作教師由於教學需要，已於活動前針對校園 內常見的植物建置一校園植物學習網頁供學生自行上網瀏覽學習，本活動的學習 資源主要來自該植物學習網頁中。除了校園植物學習資源之外，合作教師並自行 上網搜尋校園內常見的蝶類學習資源，最後交由研究者整理並製成合適的 PDA 網頁版本。本活動規劃的校園植物學習景點共分為三個區域，分別為 A 區、B 區及 C 區，學習網頁內容並依該區域中的植物種類而設計，其中 A 區因種植許 多蜜源植物而常有蝶類出現，故 A 區的學習資源除了有植物資訊之外亦包含校 園內常見蝶類的學習資源。各區域的學習網頁資源均包含景點靜態圖片、文字介 紹與引導問題，如圖 3-5 所示，而活動導覽的背景地圖是由教師利用繪圖軟體繪 36.
(37) 製而成，以簡單的幾何圖形描繪出校園的構造並標示景點區域以協助學生找尋學 習景點，如圖 3-6 所示。. 圖 3-5 「認識校園」學習網頁. 圖 3-6 教師繪製的校園地圖 二、「金瓜石探索之旅」學習資源設計與實作 以下根據活動中學習資源的資料蒐集、學習網頁內容與增廣實境學習資源三 部分說明如下。. 37.
(38) (一)資料蒐集 本學習活動的資料來源主要來自金瓜石地方耆老－鄭春山先生所饌寫的《昔 日風華展金瓜》一書與另一位耆老－陳威廉先生編著的《懷念的故鄉金瓜石》一 書。除了引用上述兩書中豐富的金瓜石歷史記載之外，本活動學習資源亦參考黃 金博物園區網站（www.gep.tpc.gov.tw）中金水九資料庫提供的文獻資料。研究 者並於活動實施之前，協同地方耆老與合作教師實地走訪教學活動時的學習路 線，共同討論每一個學習景點的特色與觀察重點，再由教師依景點學習資源的內 容與現況觀察結果，針對各個學習景點設計能引發學生觀察及反思的引導問題。 為了提供增廣實境學習資源，研究者也蒐集了其他相關資料，詳細情形敘述於下 方的增廣實境學習資源。 (二)學習網頁內容 「金瓜石探索之旅」學習活動安排的學習景點共有七個，每個學習景點均提 供對應的學習網頁資源。網頁內容包括景點的文字介紹，利用文字敘述輔以靜態 景觀圖片的方式來協助學生認識景點的歷史與特色，網頁的最後並附有問題與討 論，讓學生針對問題的內容，進行更深入的觀察和反思並與組員互相討論。學生 並可依需求，自行決定是否將討論的內容記錄於系統的活動筆記本中，網頁呈現 形式如下圖 3-7。由於每個景點的歷史照片、資料提供的程度皆不相等，學習網 頁資源僅於部份學習景點提供增廣實境學習資源（詳細內容請參考下方的增廣實 境學習資源）。部分學習網頁並根據後來之評估結果調整網頁形式（參見第四章 系統評估），除了減少網頁中的文字敘述之外，亦使用分頁方式增加學生瀏覽網 頁內容的注意力，如下圖 3-8。. 38.
(39) 景點圖片說明. 景點文字介紹. 小組討論問題 圖 3-7「金瓜石探索之旅」學習活動一的學習資源. (a) 修改前網頁. (b) 修改後分頁一. (c) 修改後分頁二. 圖 3-8 網頁呈現形式修改. (三)增廣實境學習資源 增廣實境學習資源包括增廣實境音效及符合增廣實境內涵的影像資訊。為了 配合本次活動的學習單元「人口和聚落變遷」 ，研究者與教師討論後決定利用動 39.
(40) 畫的方式，呈現學習景點中建築或地形的今昔對照，以增廣學生觀察景點時的時 空感受。增廣實境動畫的製作方式是使用金瓜石耆老－鄭春山先生所提供的景點 歷史照片與研究者於同ㄧ位置拍攝的景點現況圖，利用影像處理將今昔影像交疊 而成的 GIF 動畫圖（如下圖 3-9）。讓學生到達景點位置後除了可觀察到景點的 現況之外，亦可透過觀看歷史與現況交疊的動畫圖片更了解景點變遷的過程。. a.昔日照片. b.今昔交疊. c.今日照片. 圖 3-9 增廣實境動畫 增廣實境影片的設計構想是要能提供景點導覽人員的學習效果，希望透過觀 賞影像的方式，讓學生感受有一位虛擬人物就在眼前介紹學習景點一樣。因此影 像中的背景位置需和學生開啟影像的所在位置一致，如此學生則較能將影像內容 對應於學習活動時的現場。根據此需求，合作教師與研究者一致認為地方耆老是 最適合擔任導覽人員的角色，因此增廣實境影像的製作由兩位金瓜石耆老擔任導 覽人員，並由研究者錄製耆老於學習景點位置敘述變遷過程與景點歷史故事的導 覽過程（如圖 3-10-a），讓學生在觀看影片時能將影片內容與現實環境結合，跟 著影片中兩位耆老的解說和腳步，了解景點背後無法由肉眼觀察到的歷史意義與 內涵，以增廣學生於戶外活動中的學習經驗。學生到達景點並開啟對應的學習網 頁後，則可利用點選超連結的方式來開啟增廣實境影像（如圖 3-10-b）。. 40.
(41) (a) 增廣實境影片內容. (b) 網頁中開啟影像的超連結. 圖 3-10 增廣實境影像 本研究提供的增廣實境音效是配合增廣實境影像而設計，並利用景點提示音 效的功能來實現。活動中增廣實境音效的製作方式，是由研究者錄製一段耆老所 說的問候語，例如「各位小朋友大家好！」。一旦學生到達有提供增廣實境影片 的景點時，便會先聽見耆老問候的聲音，且能看到耆老的動畫提示圖片（如圖 3-3），讓學生知道在此景點可以遇見耆老。. 叁、活動筆記本 為了考慮讓使用者可隨時記錄的需求，筆記本的設計方式採內嵌於系統的模 式，使用者只要點擊系統畫面上方的筆記本圖示即可進入筆記功能（如圖 3-11）。本系統筆記資料依景點與主題不同分類，共分成陰陽海、祈堂廟、觀屋 頂、戰俘營、金瓜石老街、金礦博物館、美麗四連棟、動物、植物九個檔案，使 用者需先選擇所要記錄的筆記類別後才可繼續紀錄（如圖 3-12） 。分類的目的主 要是為了方便學生整理筆記內容，以便活動結束後可針對不同主題瀏覽筆記內 容。. 41.
(42) 圖 3-11 活動筆記本. 圖 3-12 選擇筆記景點. 肆、活動歷程紀錄 本系統欲提高學生於戶外活動中學習的自主性，讓學生可依個人興趣與學習 速度，自行規劃景點參觀順序與觀察時間，並降低教師於戶外活動的教學負擔。 為了協助教師了解學生於戶外活動時的學習情形，系統可自動記錄學生拜訪景點 與離開景點的時間，以及學生在景點內開啟的學習資源，並在學生離開系統時自 動產生一學習歷程記錄檔。圖 3-13 為一以金瓜石探索之旅學習活動為例的學習 歷程記錄檔片段，檔案中記錄此學生於 9 點 45 分到達金瓜石老街（圖 3-13 a）， 停留期間開啟了金瓜石老街學習資源（圖 3-13 b），並於 9 點 53 分離開（圖 3-13 c），前往戰俘營學習景點（圖 3-13 d）。教師可於活動完成後觀看歷程檔案， 了解學生拜訪景點的順序、於景點停留的時間、以及是否皆正確開啟對應的學習 資源，供教師作為學生學習情形評估與日後戶外活動規劃改進之依據。. 42.
(43) a. 進入景點時間 b. 開啟金瓜石老街學習資源. c. 離開景點時間. d. 戰俘營學習歷程. 圖 3-13 學習歷程記錄檔（以金瓜石探索之旅學習活動為例） 伍、地圖編輯 地圖編輯功能是針對教師規劃戶外活動時的教學需求所設計，目的是讓教師 能依不同的活動地點自行更改系統地圖與學習景點位置，增加本系統於戶外學習 運用的彈性。地圖編輯功能共分為兩部份，分別是活動地圖編輯與學習景點編 輯，以下利用實作的教學設計畫面為例分別介紹如下。. 一、活動地圖編輯 此編輯模組（如圖 3-14）是讓教師於戶外活動實施前，依活動範圍和活動 地點自行選擇合適的學習地圖，並於編輯畫面中輸入地圖左上角及右下角所代表 的經緯度位置。系統收到 GPS 接收器傳送的位置資訊後，即可根據教師輸入的 地圖經緯度資訊自動調整使用者與地圖座標間的相對位置，讓使用者位置能正確 地顯示於活動地圖上。. 二、學習景點編輯 此編輯模組（如圖 3-15）是讓教師於戶外活動實施前，依戶外活動的教學 內容規劃活動中的學習景點，教師可在此編輯模組新增、刪除、或修改學習景點， 並設計學生到達景點後的學習情境。本學習系統對每個景點皆提供景點名稱、景 43.
(44) 點位置、景點圖示、景點提示動畫、景點提示音效、景點學習資源超連結的編輯 功能，教師可對每個學習景點進行不同的教學設計，增加教學規劃時的彈性。完 成編輯的學習景點會依教師選擇的景點圖示及經緯度位置，將圖示顯示在活動地 圖上的相對位置。. 圖 3-14 活動地圖編輯. 圖 3-15 學習景點編輯. 陸、小結 PDA 體積較小且方便攜帶，適合作為戶外教學活動的輔助學習工具，但是 在系統實作過程中，研究者發現，使用 PDA 仍有許多限制。PDA 的處理速度較 慢，較難即時呈現影像與動畫也不易設計使用者與虛擬物件之間的互動；電池續 航力較差；支援的多媒體播放格式與程式編輯語法有限，以上限制都使得許多增 廣實境功能難以實施。在活動導覽的實作中，GPS 的定位方式適用於戶外環境， 且不需額外的定位設備，攜帶方便也容易實施，適用於無法取得無線網路的戶外 環境中。但是 GPS 的冷開機時間較久，無法隨開即用或提供較精細的定位資訊， 並存在一定範圍的誤差。在活動地圖的選擇上以衛星地圖較為真實，而精準、清 晰的衛星地圖取得不易，通常將所得的衛星地圖放大至戶外教學活動範圍的大小 時，圖片的解析度都較差。以上為系統實作時遭遇的問題，若可提供對應的解決 方法，將可望設計出更有效的戶外教學輔助學習系統。 44.
(45) 第四章 系統評估與修正 本研究實施方式是由研究者設計一運用於行動載具上的戶外教學輔助系 統，並與教學者依戶外活動學習內容共同設計合適的輔助教材。旨希望能讓學生 在參與戶外活動，實際體驗自然知識與經驗的同時，亦可透過學習輔助系統得到 額外的虛擬延伸資源來增廣學習的經驗，讓戶外學習活動得到更好的效果。以下 介紹評估方法，並描述系統於「認識校園」學習活動、「金瓜石探索之旅」學習 活動所做的評估與修改，探討本學習系統實施方式的成效與其優缺點，茲分別說 明如下。. 第一節 評估方法 本節針對評估參與者與評估的實施說明如下。. 壹、 評估參與者 系統的評估是以台北縣某國小五年級的兩班學生為對象，該校地理位置鄰近 金礦歷史非常完整的金瓜石地區，而參與實驗的學生將於戶外活動之後修習社會 領域之「人口和聚落變遷」單元，此單元的學習目標希望學生能了解聚落的類型 與生活差異。參與評估的教師為之前參與教學規劃的兩位教師。. 貳、評估實施 本活動計劃讓國小五年級的學生，在學習社會領域「人口和聚落變遷」單元 之前，透過戶外活動實際體驗金瓜石聚落的特色與變遷。研究實施步驟可分為 PDA 操作訓練、「認識校園」學習活動、「金瓜石探索之旅」學習活動、教師訪 談、學生問卷調查、焦點團體訪談與資料分析等七個步驟。為了讓研究參與者熟 悉系統的操作介面與功能，在正式戶外活動研究開始前將於校園內先實施 PDA 操作訓練與「認識校園」學習活動，隨後再進行一次共四節課的「金瓜石探索之 旅」學習活動。研究期間除研究者詳細記錄課堂觀察表之外，每次活動後亦會與 45.
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