虛擬實驗室建構之研究-以大學普物牛頓第二運動定律為例

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國立台中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位在職進修專班碩士論文

指導教授：葉聰文博士

虛擬實驗室建構之研究

-以大學普物牛頓第二運動定律為例

A Study of Construction of a Virtual Reality Laboratory: An

Example of university general physic experiments at Newton’s

second law of motion

研究生：鄭仁傑撰

日期：中華民國九十九年五月

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摘要

本研究探討如何利用虛擬實境技術，以 3ds Max 及 Virtools 建構「牛頓第二運動定律」的大學普通物理虛擬實境實驗。根據「建構虛擬實驗所需的數位技術」、「建置過程面臨的難題與解決之道」、「虛擬實驗的科學模擬能力」及「使用者對虛擬實驗的使用經驗」等，四個面向探討虛擬實驗的實用性。研究結果顯示(一)利用虛擬實境技術可以建構所規劃的虛擬實驗；(二)實驗所設置的參數狀況，讓科學模擬結果與理論計算結果的誤差達到3％以內；(三)有94％的使用者認為本虛擬實驗室的實驗操作方式是恰當的，75％的使用者認可虛擬實驗的擬真性，有87％的使用者認為虛擬實驗能促進普通物理實驗課程的學習，有75％的使用者認為虛擬實驗能提升學習動機。關鍵字：虛擬實境、牛頓第二運動定律、物理實驗

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Abstract

We investigate how to employ the virtual reality (VR) technology to construct virtual experiments (VEs) of university physics. In this study, we will build three VEs of the Newton’s second law of motion. By these three VEs, we study the VR technology, the precision of the scientific simulations, and the user experiences. Our study shows the followings. The VR technology provided by the Virtools program is fulfilled for building the VEs. The errors of the scientific simulation are within 3 percentages as compared with the theoretical predictions. The tests of users’ experiences showed the following four facts. (1) 94 percentages of testers agreed that the operation of VEs is appropriate. (2) 87 percentages of testers agreed that the VEs can enhance their studies in the university physics. (3) 75 percentages of testers agreed that they can experience the virtual reality when they performed the virtual experiments. (4) 75 percentages of testers agreed that the VEs can improve their learning motivations. Several concrete suggestions for the design of physics virtual experiments were eventually proposed in light of the conclusion for the reference of following research.

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第一章緒論 ... 1 第一節研究背景與動機 ... 1 第二節研究目的 ... 3 第三節名詞釋義 ... 3 第四節研究範圍與限制 ... 5 第二章文獻探討 ... 7 第一節牛頓三大運動定律 ... 7 第二節多媒體理論與應用 ... 9 第三節電腦輔助教學 ... 11 第四節虛擬實境應用於教學之學習理論 ... 12 第五節虛擬實境 ... 16 第三章研究方法 ... 25 第一節研究架構 ... 25 第二節研究流程 ... 28 第三節普通物理虛擬實驗室建構之設計 ... 31 第四節建置虛擬實驗室場景 ... 37 第五節虛擬實驗室模組之設計 ... 41 第六節虛擬實驗室網頁平台之建置 ... 58 第七節測驗研究工具 ... 59 第四章物理虛擬實驗室之程式設計 ... 65 第一節外力與加速度的關係 ... 65 第二節力、質量與加速度間的關係 ... 78 第三節系統質量與加速度間的關係 ... 86

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第五章物理虛擬實驗室之試驗與討論 ... 87 第一節虛擬實驗室的評估與試驗 ... 87 第二節初測試驗結果與分析 ... 89 第三節第二階段試驗結果與分析 ... 104 第六章結論與建議 ... 119 第一節結論 ... 119 第二節建議 ... 123 參考文獻 ... 125 一、中文文獻 ... 125 二、英文文獻 ... 130 三、翻譯書文獻 ... 133 四、網站文獻 ... 133 附錄 ... 134 附錄一、虛擬實驗室操作手冊─牛頓第二運動定律篇(初測試驗) ... 134 附錄二、虛擬實驗室─牛頓第二運動定律實驗紀錄表(初測試驗) ... 137 附錄三、虛擬實驗室操作手冊─牛頓第二運動定律篇(第二階段) ... 140 附錄四、虛擬實驗室─牛頓第二運動定律實驗紀錄表(第二階段) ... 143 附錄五、物理虛擬實驗室初測試驗問卷調查表 ... 146 附錄六、物理虛擬實驗室第二階段試驗問卷調查表 ... 149 附錄七、物理虛擬實驗室操作說明 ... 152

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圖次

圖 2-1-1 桌子、蘋果、地球位置圖 ... 8 圖 2-1-2 作用力、反作用力關係圖 ... 9 圖 2-5-1 虛擬實境三要素 ... 19 圖 2-5-2 虛擬實境四要素 ... 20 圖 3-1-1 物理虛擬實驗室研究架構圖 ... 27 圖 3-2-1 物理虛擬實驗室研究流程圖 ... 30 圖 3-3-1 物理實驗室驗證第二運動定律的器材裝置圖(一) ... 31 圖 3-3-2 物理實驗室驗證第二運動定律的器材裝置圖(二) ... 32 圖 3-4-1 3ds Max 操作介面圖 ... 38 圖 3-5-1 Virtools4.0 操作介面圖 ... 43 圖 3-5-2 建構模組資料庫 ... 44 圖 3-5-3 Schematic(流程圖) ... 45 圖 3-5-4 Level Manager(層級管理員) ... 45 圖 3-5-5 物件設定選項中的 Material setup(材質設定) ... 46 圖 3-5-6﹝Physicalize﹞參數設定圖 ... 51

圖 3-5-7﹝Modify Physcis Globals﹞參數設定圖 ... 51

圖 3-5-8﹝Set Physics Speed﹞參數設定圖 ... 52

圖 3-5-9﹝UnPhysicalize﹞參數設定圖 ... 52 圖 3-5-10 3ds Max、Virtools 建置虛擬實驗室的製作程序 ... 53 圖 3-6-1 普通物理虛擬實驗室─牛頓第二運動定律篇首頁 ... 59 圖 3-6-2 普通物理虛擬實驗室─實驗一 ... 59 圖 3-6-3 系統安全性的偵測產生警告動作 ... 60 圖 3-6-4 ActiveX 安全性警告圖 ... 60

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圖 4-1-1 力與加速度間關係的虛擬實驗室場景 ... 65 圖 4-1-2 力與加速度間關係的裝置物件名稱 ... 66 圖 4-1-3 攝影機與滑鼠控制程式設計圖 ... 67 圖 4-1-4 Rotate-mouse 的程式設計圖 ... 68 圖 4-1-5 Forward 程式設計圖 ... 69 圖 4-1-6 Rotate-key 程式設計圖 ... 69 圖 4-1-7﹝Look at﹞模組的參數設定 ... 70

圖 4-1-8 場景上方(Top Level Script)的攝影機程式設計圖 ... 70

圖 4-1-9 啟動滑車方式的程式設計圖 ... 72

圖 4-1-10﹝Modify Physics Globals﹞模組的參數 ... 72

圖 4-1-11﹝Physicalize﹞物理化程式設計圖 ... 73 圖 4-1-12 物理化之參數內容圖 ... 74 圖 4-1-13 Text Display 的參數設定 ... 75 圖 4-1-14 實驗一的實驗數據背景圖 ... 75 圖 4-1-15 sensor02 Script 的滑車移動偵測程式設計圖 ... 76 圖 4-1-16 Text 的參數設定內容 ... 77 圖 4-1-17 滑車加速度參數運算圖 ... 77 圖 4-2-1 力、質量與加速度間的虛擬實驗室場景 ... 78 圖 4-2-2 力、質量與加速度間關係的裝置物件名稱 ... 79 圖 4-2-3 啟動法碼與滑車的程式設計圖 ... 80 圖 4-2-4 啟動法碼與滑車的參數設定 ... 80 圖 4-2-5﹝Wait message﹞：stop3 流程輸出後所輸入的模組 ... 82 圖 4-2-6 wheel script 的程式設計 ... 82 圖 4-2-7 sensor03 Scrip 的程式設計圖 ... 83

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圖 4-2-8﹝Wait message﹞：stop5 流程輸出後所輸入的模組 ... 83

圖 4-2-9 虛擬實驗室中 sensor 的設置圖 ... 83

圖 4-2-10 rope1 Scripr 及 rope2 Scrip 的程式設計圖 ... 84

圖 4-2-11 Bezier Progression 的參數設定 ... 85 圖 5-2-1 實驗一的滑車碰撞音效之程式設計 ... 99 圖 5-2-2 實驗二、實驗三的滑車碰撞音效之程式設計 ... 99 圖 5-2-3 地板產生物件反射效果的﹝Planer Reflection﹞模組 ... 100 圖 5-2-4 物件在地板產生反射倒影的情形 ... 100 圖 5-2-5 Profiler 設定圖 ... 101 圖 5-2-6 實驗數據背景圖中新增重新實驗按鈕 ... 102 圖 5-2-7「重新實驗」按鈕及初始化之程式設計 ... 102 圖 5-2-8 法碼與繩索未銜接的情境圖... 103

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表次

表 2-1-1 淨力、加速度、物體質量關係表 ... 8

表 2-5-1 不同研究學者對虛擬實境的定義列表 ... 17

表 3-3-1 虛擬實驗與真實實驗的差異分析列表 ... 35

表 3-4-1 應用 3ds Max 建模的物件表 ... 40

表 3-5-1 Virtools Physics Library 的類別與行為建構模組(BB) ... 50

表 3-5-2 3ds Max 物件建模與物件輸出的過程 ... 53 表 3-5-3 物件匯入 Virtools 與模組編輯的過程 ... 56 表 3-5-4 Virtools 完成編輯輸出網頁格式的過程 ... 57 表 3-6-1 虛擬實驗室之網站架構 ... 58 表 4-1-1 攝影機與滑鼠控制的程式設計模組表 ... 68 表 4-1-2 場景上方攝影機的程式設計模組表 ... 71 表 4-1-3 啟動滑車的程式設計模組表 ... 73 表 4-2-1 啟動法碼與滑車的程式設計模組表 ... 81 表 4-2-2 Send Message 的參數內容設定 ... 81 表 4-2-3 rope scrip 的程式設計模組表 ... 84 表 5-1-1 虛擬實驗室開發物件及模組應用數量表 ... 87 表 5-2-1「實驗一」實驗加速度平均值與理論值(初測試驗) ... 89 表 5-2-2「實驗一」實驗加速度平均值與理論值之間的百分差(初測試驗).. 89 表 5-2-3「實驗二」實驗加速度平均值與理論值(初測試驗) ... 90 表 5-2-4「實驗二」實驗加速度平均值與理論值之間的百分差(初測試驗) .. 91 表 5-2-5「實驗三」實驗加速度平均值與理論值(初測試驗) ... 92 表 5-2-6「實驗三」實驗加速度平均值與理論值之間的百分差(初測試驗) .. 92 表 5-2-7 初測試驗受測學生「基本資料」內容 ... 93

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表 5-2-8 「實驗教材內容」的問卷結果 ... 94 表 5-2-9 使用者對於「實驗教材內容」的建議及感受 ... 95 表 5-2-10 「設計技術層面」問卷結果 ... 96 表 5-2-11 使用者對於「設計技術層面」的建議及感受 ... 97 表 5-2-12 重新實驗按鈕設置的程式設計模組表 ... 102 表 5-3-1 「實驗一」實驗加速度平均值與理論值(第二階段) ... 105 表 5-3-2 「實驗一」實驗加速度平均值與理論值之間的百分差(第二階段) 105 表 5-3-3 「實驗一」初測試驗、第二階段試驗百分差比較 ... 106 表 5-3-4 「實驗二」實驗加速度平均值與理論值(第二階段) ... 107 表 5-3-5 「實驗二」實驗加速度平均值與理論值之間的百分差(第二階段) 107 表 5-3-6 「實驗二」初測試驗、第二階段試驗百分差比較 ... 107 表 5-3-7 「實驗三」實驗加速度平均值與理論值(第二階段) ... 108 表 5-3-8 「實驗三」實驗加速度平均值與理論值之間的百分差(第二階段) 108 表 5-3-9 「實驗三」初測試驗、第二階段試驗百分差比較 ... 109 表 5-3-10 第二階段試驗受測使用者「基本資料」內容 ... 110 表 5-3-11「教材內容」的問卷結果 ... 110 表 5-3-12「操作介面」的問卷結果 ... 111 表 5-3-13「學習動機」的問卷結果 ... 112 表 5-3-14「物理概念」的問卷結果 ... 113 表 5-3-15 虛擬實驗室預測試的硬體規格 ... 114 表 5-3-16 虛擬實驗室預測試的結果表列 ... 114 表 5-3-17 初測與第二階段試驗的滑車﹝Physics﹞參數設定對照表 ... 115 表 5-3-18 實驗加速度平均值與理論值的差異性 ... 116 表 5-3-19 學習動機與興趣的問卷結果對照表 ... 117

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第一章緒論

本章共分為四節，第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的，第三節名詞釋義，第四節說明研究範圍與限制。茲分述如下：第一節研究背景與動機虛擬實境(virtual reality，簡稱VR)是在電腦上建構一個虛擬的世界，利用電腦繪圖、電腦模擬、使用者介面及互動技術等，透過使用者介面讓人與虛擬世界產生互動，讓使用者產生身歷其境般的感受(許美玲，1995；許美玲、施仁忠，1997)。虛擬情境的教學模式運用VR技術在電腦上創建各種虛擬情境以融入教學環境中，讓學生在身臨其境的環境下進行學習、研究、探索、體驗的穩定教學結構形式，例如虛擬課堂、虛擬實驗室和虛擬社區等(王文靜，2003)。近年來電腦硬軟體設備與功能皆不斷地提升，使得發展3D電腦圖形輔助教學系統的可行性大為增加。網際網路的學習與多元化應用，建構網路上的虛擬實境平台，成為另一種不受時間限制之全時段教學行為(游寶達、劉明宗，2002)。由於具備第一人稱的學習模式，這種數位學習的理念自從推出後，隨即被廣泛的運用在各種數位教學上。大學普通物理學扮演著銜接高中物理與理工學院專業課程的重要橋樑，當中的物理實驗課程尤為重要。Ausubel指出實驗教學讓學生有機會接觸科學方法與精神，以促進其問題解決、分析及推演的能力，並提供學生了解科學本質的機會，同時老師可藉此瞭解學生學習目標與實際成效之間的差異，引發學習科學的興趣與協助建構知識（Hofstein & Lunetta, 1982,2004）。楊文金與許榮富(1987) 也認為在物理課程中實驗的教學方式是最適於培育學生「探究科學」的能力，實驗活動可以讓學生體驗完整的科學探討活動。Tamir(1976,1989)則認為實驗可以

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幫學生養成正確的科學態度及科學過程技能，且實驗應以科學學習的過程為核心，而非僅是展示實驗結果而已。傅昭銘(2006)透過問卷調查與晤談研究發現學生對普通物理實驗課的反應如下：1、對於按表操作的實驗方式感到枯燥乏味。2、儀器簡陋易壞，實驗數據誤差大。3、實驗所需理論的先備知識不足。4、器材套數不足無法配合普物課程的進度進行實驗。5、疑慮實驗單元無法反應前沿科學、希望採用新進科技儀器與電腦介面操作實驗。其中以第一項需要按表操作感到枯燥乏味的比例最高。學生若只學會依照實驗手冊指示操作，將會逐漸失去探究性與創造性等能力，也無法深刻體會與了解實驗中所蘊含的實際概念，或更深一層的物理意義。另外第二與第四項顯示實驗器材的簡陋與套數不足，皆是目前物理實驗課程中所面臨到的窘境。李崇銘(2007)指出各大學在教授「普通物理實驗」課程中最感到困擾的部分中，以實驗器材老舊與實驗器材套數不足的比例最高，學生缺乏興趣則居次。李洪奇(2004)認為一般傳統的普通物理實驗教學活動是先由教師介紹實驗目的、實驗原理、使用儀器注意事項等，學生再按照教材上所陳述步驟實驗、讀取數據、驗證定律或定理、公式等，因為實驗教學模式的固定與單一化，教學方法的陳舊、儀器設備落後，造就學生對實驗沒興趣，甚至導致抄襲實驗報告的現象。鄭建洲等(2004)認為若物理課程的理論教學與實驗教學相結合，將仿真的虛擬實驗環境用於教學中，將有利於學生深化物理學的概念，對於過去傳統典型實驗的觀念、規律和本質的解釋會有更深刻的印象，且能把理論教學與實驗教學有效融為一體。而電腦與模擬畫面動畫皆反應在物理實驗教學應用上，且儀器仿真可以提高對實驗方法的掌握和對測驗精熟，模擬實驗可讓學生於模擬情境動手去觀察類真現象(傅昭銘，2006)。黃福坤(2006)則指出電腦模擬教學軟體亦可以提供一個安全廉價的科學實驗環境，讓學習者從事科學實驗。中正大學(CCU)與麻省理工學院(MIT)合作，引進多媒體促進互動教學─TEAL（Technology-Enabled

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Active Learning）創意互動教室，充分利用多媒體輔助教材如多媒體影音實驗、 3D視覺動畫模擬等設計課程。研究發現互動式科技教室和電腦多媒體技術所發展的課程，對物理課程的學習是有幫助的 (湯兆崙、黃鼎凱、蔡宜君，2006)。本研究旨在建置大學普通物理虛擬實境實驗室，以牛頓力學中的第二運動定律為例探討虛擬實驗室的可行性及設計方法，並探究所遇到的難題與其解決方法。第二節研究目的近年來，電腦運算、圖形處理速度與虛擬實境的技術皆大幅進步，並被廣泛運用於工程、醫學、遊戲、教學等。本研究以牛頓第二運動定律為主題建立虛擬實境實驗室，探討虛擬實境技術運用在大學普通物理實驗課程的可行性。本研究的具體目的為：一、以虛擬實境技術，建立驗證牛頓第二運動定律的虛擬實驗。二、探討設計虛擬實驗過程中技術層面上所遭遇的困難與解決辦法。三、探討使用者與虛擬實境實驗系統間的互動結果與對於此虛擬實驗系統的態度觀感。第三節名詞釋義本研究重要專業名詞描述以下：

一、電腦輔助教學(Computer Assisted Instruction)：

電腦輔助教學 (Computer Assisted Instruction，CAI)，又稱為電腦化教學。指利用電腦系統提供能與學生互動的教學情境 (1999， Rober Heinich)。

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二、數位學習(e-Learning)：美國教育訓練發展協會指出數位學習是學習者應用數位媒介學習的過程 (2003，鄒景平)。數位媒介包括網際網路、企業網路、電腦、衛星傳播、錄音帶、錄影帶、互動式電視及光碟等。應用的範圍包括網路化學習、電腦化學習、虛擬教室及數位合作。三、虛擬實境(virtual reality) 虛擬實境(2003，Jonasson等)是希望藉由電腦以營造一個具備視覺、聽覺、觸覺、或嗅覺等多重感官知覺刺激的模擬環境。使用者於此環境中感受身歷其境、沉浸的、非線性、多元刺激的模擬內容。依互動或沉浸程度的不同，虛擬實境可概分為三種系統：第一類系統採浸入式虛擬實境(Immersive VR)，第二類以桌上型電腦設計虛擬實境(Desktop VR)，第三類系統為擴增實境(Augmented reality,AR) (陳玉欣、于富雲，2007)。本研究的虛擬實境實驗室採用第二類虛擬實境系統，未來並計畫延伸為第一或第三類系統，系統研發工具採用Virtools 3D整合軟體及3ds Max建模軟體。

四、Virtools Physics Library

Virtools Physics Library是Virtools 3D互動設計軟體的外掛建構模組，提供重力、彈力、摩擦力、碰撞、浮力、模擬汽駕原理等物理化程式模組，便利多媒體設計師運用Virtools製作物理擬真情境實驗，並大幅簡化冗長的程式設計過程。

五、普通物理實驗(General physics experiments of the universities) 普通物理實驗為理、工學院大學部一年級學生之必修課程，也是後續各學系

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專業實驗課的入門課程。普通物理實驗乃透過物理實驗來進行印證普通物理學所述的物理定律。物理學是一門實驗科學，物理學中所描述的任何事實都必須經過實驗的檢驗(傅昭銘，2006)，顯現普通物理實驗於大學普通物理教學的重要性。第四節研究範圍與限制本研究因時間限制，以普通物理中的牛頓第二運動定律實驗為教材，建立互動式環境虛擬的實驗室。一、研究範圍 1、探討如何依據牛頓力學實驗儀器以設計牛頓第二運動定律虛擬實驗室。 2、探討如何利用3ds Max進行虛擬實驗室的物件建模及如何利用Virtools規劃互動式虛擬實驗教材。 3、探討所建置的牛頓第二運動定律虛擬實驗室進行教學的成效性。二、研究限制 1、軟體的設計或使用者在操作虛擬實驗室上有其限制性，與傳統實驗室中的真實實驗或理論實驗會產生結果上的誤差。 2、虛擬實驗室的實驗結果僅限於本研究操作者使用的電腦硬體設備。 3、測試的對象僅限於某大學修習大學普通物理實驗課程的學生，且樣本數有限所以測試的結果不宜過度推論。 4、本虛擬實境實驗室建構的教材內容僅限於牛頓第二運動定律實驗。 5、本研究建構虛擬實驗的設計軟體版本採用Virtools4.0與Autodesk 3ds Max8。

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第二章文獻探討

本章文獻探討共分為五節：第一節探討牛頓運動定律的原理，第二節探討多媒體理論與應用，第三節探討電腦輔助教學的意涵及學習成效，第四節探討虛擬實境應用於教學之學習理論基礎，第五節探討虛擬實境(virtual reality簡稱 VB)。第一節牛頓三大運動定律一、牛頓第一運動定律(Newton＇s First Law)

亞里斯多德認為在沒有外力作用下，移動的物體傾向回到其靜止的狀態。例如滾動的球最後一定會停下來，若要維持球的運動狀態，需對其持續施予外力。兩千年後伽利略推翻亞里斯多德的推論，指出在沒有摩擦的水平面上，物體會維持等速運動，為後世所知的慣性運動定律。牛頓則在西元 1687 年延續伽利略的工作，發表了第一運動定律：除非受到外力壓迫，認何物體都會維持其原來的運動狀態(靜止的狀態或以等速直線前進) 並將其命名為慣性運動定律。例如車子起步一瞬間車上的人向後仰，而煞車時人向前倒臥；拍打身上的灰塵；快速抽走桌巾時，桌上物體仍留於桌上，這些現象皆屬於第一運動定律。

二、牛頓第二運動定律(Newton＇s Second Law)

牛頓第二運動定律：「物體的加速度(a)與物體所受的凈力(F)成正比，並和物體的質量(m)成反比」。物體所受的淨力等於物體的質量與其加速度的乘積， 其中物體的加速度方向與凈力的方向相同。牛頓第二運動定律之數學表示式為

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圖 2-1-1 桌子、蘋果、地球位置圖在同一個平面上，以不同的力量推動處在靜止狀態的相同物體，以較大力量推動，在相同的時間內，物體的移動距離較長；以較小力量推動，在相同的時間內，物體的移動距離較短。假設物體於上述過程中皆進行等加速運動，可以驗證力的大小與物體的加速大小成正比。探討物體的加速度與物體質量之間的關係，可以對不同質量的物體施予相同淨力，假設不同質量的物體於一無摩擦的水平面上，於靜止狀態，被施予相同的外力後，在相同的時間內，質量較大的物體，將移動較短的距離；質量較小的物體，將移動較長的距離。表 2-1-1 是淨力、加速度、物體質量三者之間關係表。表 2-1-1 淨力、加速度、物體質量關係表相同質量 (m) 的物體相同的淨力(F) 淨力(F)較大者移動較遠的距離質量(m)較大者移動較近的距離淨力(F)較小者移動較近的距離質量(m)較小者移動較遠的距離

三、牛頓第三運動定律(Newton＇s Third Law) 牛頓第三運動定律：A 作用於 B 的力與 B 作用於 A 的力永遠大小相等且方向相反。兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，而且作用力與反作用力係分別作用於兩個不同的物體上，是成對出現的。以圖 2-1-1 中所示的例子說明此定律，蘋果靜置於桌上，桌子靜置於地球上，圖 2-1-2(a)顯示 FAT是桌子作用於蘋果的正向力，FAE是地球對蘋果所產生的重力，他們因為作用於同一物體上，所以並非是第三定律配對；圖 2-1-2(b)顯示地球以重力 FAE拉著蘋果，而蘋果以 FEA拉著地球，這是一對大小相等、方向相反的作用的力，為第三定律配對；同樣圖 2-1-2(c)中，FAT是桌子

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圖 2-1-2 作用力、反作用力關係圖作用於蘋果的力，FTA 是蘋果作用於桌子的力，此兩個相互作用於物體間的力，所受的力是由另一個物體引起，是第三定律配對。第二節多媒體理論與應用一、多媒體定義與特性多媒體（Multimedia）一詞最早出現於1950年代，從字面上來看，多媒體是多（Multi）和媒體（Media）的結合(張素卿，2005)。因藉由文字、美工圖片、聲音、動畫和視訊的組合在一起，並由數位化處理的方式將其發布，具備豐富的感官刺激，能設計成單人互動式學習工具，因而在教育、數學、藝術、娛樂、建築工程、醫藥、商業及科學研究等，多媒體的應用已非常廣泛(戴嬋玲譯(2004)、馬秀蘭、吳德邦(1999))。馬秀蘭、吳德邦(1999)指出多媒體系統應該具備下列四個條件：(1)一套功能強大的電腦硬體設備與周邊設備；(2)可以處理音訊與視訊的軟體介面；(3)可以讓使用者與多媒體之間產生互動的功能；(4)讓使用者感覺生動活潑，而產生印象深刻的效果。Kozma(1991)則將多媒體依其使用特性、符號系統、處理能力等三個角度分類。使用特性依據電子科技特性及媒體內在的機械來區分功能及外形，例如廣播、電視、電腦…等。符號系統上是指媒體顯示形式(modes of

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appearance)和元素組合(sets of elements)，包括文字、語言、和圖像三類。處理能力指媒體呈現資訊的能力與特色，例如電腦或網際網路有快速搜尋、瀏覽的功能。理想的多媒體數位內容必須透過精細的規劃與設計，契合使用者的需求以完整呈現使用者所需的訊息(陳怡凱，2007)。且透過多媒體的高度互動性，可以更充分地運用到多種感官刺激的特性，讓使用者達到輔助學習提升學習之功效(陳彙芳、范懿文，2000)。二、多媒體在教學上的應用

人對於圖像的認知與記憶較文字佳(Standing, Conezio, & Haber,1970; Rieber, 1995)，藉由圖畫學習，可以提供具體線索，引導學生專注於重要的學習訊息，並營造學習情境以幫助學生詮釋學習的內容(林菁，1996；林麗娟， 1996)。Rieber(1990b)認為教學時運用電腦動畫可以配合教材發揮無限的想像力，設計出讓學習更容易接受的知識或概念，比傳統的教學形式更加生動活潑。吳正宇(2005)認為多媒體對學生在教學輔助功能上具有便於學習、可重複練習及感官刺激下引起學習者興趣、透過網際網路傳播，可全時段學習等特點。李鴻亮、廖惠君(2009)也指出利用網際網路的教學環境，透過線上學習系統，在學習平台呈現豐富且多感官刺激的視覺、聽覺多媒體教材，可以增加學習者的學習慾望及興趣。透過多媒體綜合並連結各種不同素材的特性，讓學習者接受多重的刺激，對於建立邏輯並提昇學習效果有顯著的成效(Greenlaw & Hepp, 1999）。

本研究設計的虛擬實驗利用多媒體特性，運用圖像、動畫的符號特質營造學習環境，引起學習者學習動機與興趣，並利用網際網路發展全時段學習環境，有別於傳統物理實驗室的實驗操作模式。

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第三節電腦輔助教學一、電腦輔助教學的起源及涵義電腦輔助教學的起源最早可以追溯到1920年代美國哈佛大學心理學家史金納(Skinner)的研究。他將學生所學習的教材分成細目的教學內容，編序教材後透過教學機採直線式或分支式呈現。在1950年代時期，美國IBM公司為了員工在職訓練的需求，發展出最早期電腦輔助教學課程，電腦科技的進步及電腦輔助教學軟體的發展更是突飛猛進。到了1960年代，電腦教學媒介已經發展出讓學生可以依其自身程度，選擇適性的學習教材。於1970年代後，專家們則將教學策略與電腦輔助教學理論結合，使程式能自動產生問題以檢測學生的學習成效(吳怡慧，1997)。徐加玲(2007)指出電腦輔助教學是應用電腦的互動(interactive)模式以呈現教材及控制個別化學習環境的教學過程，將電腦視為一種協助教師教學的媒體，輔助學生學習，達到個別化或精熟學習的編序教學。邵美雀(2002)認為電腦輔助教學環境必須以電腦為工具，表現出交談式或互動性的功能，方能使電腦輔助教學軟體不致被視為翻頁機。劉祥通、何素華(1997)同樣認為電腦輔助教學的主要目的是協助教師教學，依照課程理論透過電腦而設計的課程教學流程為媒介，輔助學生個別化學習，同時幫助了解學生的學習狀況，作為日後教學上的修正與改進之用。電腦輔助教學是預先規劃完整的課程與教材，然後利用電腦程式設計後呈現給學生，使學生依照一定的步驟進行學習活動，以達到個別化與精熟學習的教學目的。二、電腦輔助教學的特色與教學成效董家莒(2000)認為電腦輔助教學是將電腦視為教學工具，它的價值在於能夠滿足許多教育理念上的需要，如學生個別需求，容許使用者的自我學習步調、維

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持學生的學習動機、並適應其能力的差異等。電腦輔助教學系統在教師或設計者經過縝密的設計，提供學習者學習，學習者的進度可以依照學習者能力而定，且能得到立即性回饋(施婉悅，1996)。馬秀蘭、吳德邦(1999)指出運用適當的電腦技術來輔助該領域知識的教學，具有互動形式及可達一般教學難以做到的教學效果(模擬練習或運作)，且有無私性的互動教學特性。透過電腦輔助教學可以引起學生學習動機，提升學生興趣，增加學習效果(吳宗立，1998；董家莒、張俊彥，1999；Pofen, Wenlung, & Pi-hsia,2002；張立明、何沛佳，2008)。但是設計電腦輔助學習課程時，必須參考相關的學習理論與教學理論，才能設計出真正有益於學生學習的電腦學習環境(郭重吉，1997)。此外部分學者投入電腦輔助教學與傳統式教學的實證研究，皆發現電腦輔助教學的科學學習成就顯著於傳統式教學(董家莒、張俊彥，2000； Chang,2000； Geban, Asker, & Ozkan, 1992)。另外研究指出，使用電腦多媒體輔助教材藉由互動式學習的教育訓練，可以降低64％的成本，減少36％的時間 (Merril, Hammons, & other ,1996)。而電腦輔助教學可以突破時空、環境限制，學生可以不受時空的限制，隨時可以使用電腦輔助教學進行學習(吳鐵雄，1984；徐加玲，2007)。本研究的物理虛擬實境實驗室可視為一種電腦輔助教學系統，學習者能於虛擬實境環境中進行線上個別化實驗。第四節虛擬實境應用於教學之學習理論一、建構主義學習理論 (一)、建構主義學習理論的意涵行為主義認為學習需要刺激與連結，藉由直接教學與反覆練習，可達成有效學習。人的知識是由人主動去建構的，科學知識並非一成不變的，知識的發現也

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沒有一套固定的歷程或方法 (顏弘志，2000,2004)。綜合各建構主義派別差異，顏弘志、段曉林(2006)解釋建構主義應該包含下列三點特點： 1、知識不是被動的接受，而是主動建構的。 2、新知識必須建立在原有的知識基礎上。 3、知識是人與周遭環境互動所產生的。 Vygotsky（1962）指出個人知識的建構來源包含自發和正式的知識，科學概念的學習必須是由學生主動的參與整個學習過程，再進而建構自己的意義。所以學習者學習的意念動機強與弱，將會影響科學知識的學習成效（曾志華，1997）。 (二)、建構主義與電腦虛擬實境學習環境在Vygotsky觀點中強調知識是由學生與環境的互動而主動建接受或吸收知識。從科學學習的角度來看，教師、媒體素材皆可以是知識的促進者。王思峰等 (2004)認為利用電腦網路多元化的呈現方式，運用圖像、導引工具、目錄、虛擬實境技術等，結合影音、聲光等相關媒體來設計輔助教材，藉由網路學習社群進行互相討論、研商與觀摩，不但能吸引學習者的興趣，還可進而提昇教學品質；此提供自動學習的環境與滿足自主性探索的學習方式，正符合建構學習論主動參與的原則。梁朝雲等(1998)認為教學活動乃是去提供一個環境，讓學習者在其中自行建構知識，這環境可以是真實的、自然的，如情境學習理論所主張；也可以是人造的虛擬環境，如電腦產生的虛擬環境。此外透過虛擬實境環境可以讓學習者感官經驗接受到以往傳統教學所難以比擬的感官經驗，所以適時利用此電腦輔助教學對於提升學習效果有明顯的成效(廖士權，2003)。周文忠(2005)指出虛擬實境具有的沈浸性、互動性及想像力的三大特性，與近年來學者主張之建構學習理論有著高度的相關性，軟體的特性與學習理論之相對照下，可看出其異曲同工之處。林子超等(2006)認為虛擬實境可以引起學習動機、降低學習挫折，並幫助學習者處理資訊，主動建構知識，最後習得抽象的概

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念再轉而為具體的知識，也能藉由虛擬世界共同參與學習活動和分享心得。此外虛擬實境以視覺化、具象化的方式呈現資料，可以取代傳統以抽象的文字符號來呈現學習內容，就認知科學的角度，對於學習者認知處理是有助益的，也就是學習者是直接透過虛擬實境的環境來建構知識，而不必透過抽象的符號系統來學習，虛擬實境扮演了幫助學習者從具體事物轉換到抽象法則的媒介橋樑(許光城、葉秀玲，2007)。本研究系透過物理虛擬實驗室的建立，藉由電腦系統呈現虛擬仿真的畫面讓學習者操作實驗以達到參與歷程並且主動建構知識，符合Vygotsky強調外在環境的情境脈絡對於學習的影響及強調主動學習的精神。二、情境學習理論 (一)、情境學習理論 Suchman觀察人們操作影印機時發現，大部份的人在使用過程中遇到困難時，才查閱說明書或直接請教有經驗的人，而不是先仔細閱讀完使用手冊後再操作機器(邱貴發，1996；唐文華、劉馨韓，2004)。Lave等人透過對俗名誌研究發現，某些專門行業的工作者，如屠夫、助產士、裁縫師、操舵手等，思考及行動表現也和完全依賴理論法則行事的學生截然不同。面對專業上各種複雜的疑難雜症，依然有令人滿意的出色表現，甚至更懂得如何直接利用環境資源解決陌生的問題（Lave, & Wenger, 1991；黃鴻鈞，2004）。情境學習理念強調學習者與環境間互動的歷程，提供一個可供學習者主動建構知識的學習環境(許瑛玿、廖桂菁，2002；Suchman,1987；Brown, Collins & Duguid,1989；王春展，1996；鄭晉昌，1994)。Brown等認為情境學習的內涵具有下列兩項特點：(邱貴發，1996； Brown, Collins & Duguid,1989；Lave & Wenger,1991)

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能體會知識的意義及價值，才能真正掌握知識，以利學習遷移(施郁芬、陳如琇，1996)。但是學校教育往往將知識抽離社會脈絡環節，難以和複雜化、多元化的真實情境相結合，導致不利於知識轉移。 2、強調學習來自於學習者主動探索與操作：學習的過程是一個對知識持續不斷建立意義的歷程，學習者在整個環境中，是主動的知識建構者，所以情境式教學著重提供或營造一個可讓學習者主動建構知識的學習環境，使學習者在真實的情境中學習知識技能。 (二)、情境學習與電腦虛擬實境學習環境情境學習理論強調學習者與環境之間的互動關係，在真實學習環境中能主動學習建構知識。Winn（1993）表示，要達到情境學習目標應提供近似真實的學習經驗，將課堂的學習活動轉換為更實際的方式進行，以直接提供學習者親身經歷真實世界的學習經驗。電腦科技可增進學習資源的廣度、深度及變化性，及提供學習感受臨場感，有助於增進其參與感及學習動機。因此提供學習者真實的情境經驗或近似真實的學習經驗是支援情境學習的有利因素。網路學習可提供近似真實的環境，藉由網路學習情境中的學習資源，教材是可以多元化方式呈現，不受時空限制，具備取代耗時、費材的教材準備的便利性。黃鴻鈞(2004)指出網路情境學習具有如下特質： 1、打破學習時間與空間的侷限。 2、豐富且多元化的學習資源。 3、社會互動的學習方式。 4、個別化的學習。 5、自我建構的學習型態。根據建構理論，學習者會根據既有的概念與經驗，去詮釋新理論的意義，情

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境化教學則是提供學習者科學理論對應的真實情境，以促使學習者能夠從具體的現象中，詮釋理論的意義。提供情境化學習環境是概念發展的必要因素(湯兆崙、黃鼎凱、蔡宜君，2007)。實踐情境學習理論需要一個真實的學習環境。一般教室難以提供真實情境，因此許多學者認為利用電腦多媒體實踐情境教學可以補教室環境的不足 (Winn,1993；McLellan,1996；邱貴發，1996；楊家興，1993）。透過媒體科技與情境教學理論互相結合，可以提昇學生的學習動機和學習成效，更有助於培養學習者問題解決及獨立思考的能力(許瑛玿、廖桂菁，2002)。另外王春展（1996）認為情境學習理論可以設計真實化的學習情境課程、進行鷹架協助式教學、重視合作學習與分組學習式教學，以及運用情境式電腦模擬互動多媒體輔助教學等，提供學校教師教學上的參考應用。本研究的物理虛擬實境實驗室，將提供一個具有多媒體特性且帶有互動性、真實性、生動的虛擬學習情境，虛擬情境以3D擬真立體動畫來呈現，在擬真的虛擬環境學習環境下，操作者可以透過滑鼠、鍵盤在仿真的情境中進行學習。第五節虛擬實境一、虛擬實境的定義虛擬實境(Virtual Reality)是藉由電腦建構出一3D虛擬的環境，並由特殊的使用者介面讓人與擬實境環境產生互動，是電腦科技發展與應用的一項新領域。目前對於虛擬實境並沒有一個統一的定義。表2-5-1摘錄不同研究學者對虛擬實境的定義。

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表2-5-1 不同研究學者對虛擬實境的定義列表虛擬實境的各種定義列表定義的詮釋角度研究學者定義內容依技術設備定義 Gigante(1993) 能產生3D的圖形、立體化的視覺呈現與聲音系統、具備頭部與手部的姿態追蹤系統、聲音輸入與觸覺回饋裝置，及強調多重感官刺激與浸入式的設備。 Pantelidis (1993) 強調構成三要素，學習者能本身親自參與、互動性高、以電腦為主的多媒體虛擬世界。 Latha(1991) 虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造的，具備真實度、個人控制、可預測的環境。 Zeltzer(1992) 根據自主性、存在性、互動性等向度，藉以界定虛擬實境提供學習者不同沉浸的程度。依構成要素定義 Burdea& Coiffet(2003) 提出虛擬實境環境應具備三個「I」特性，即浸入度(Immersion)、互動性 (Interaction)、想像力(Imagination)。依使用者介面定義李汪曄等(2008) 使用的工具類型並非斷定是否為虛擬實境的依據。依使用者主觀經驗定義唐文華(1996) 虛擬實境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。

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Summitt& summitt (1996) 虛擬實境是一種使用者的經歷，就如同電話可延伸我們的聽覺範圍，相對的虛擬實境則可延伸所有的感官範圍。 Heim(1996) 虛擬實境是一個事件或實體，具有真實的效果但並非真正的真實，先決條件是要人類感官信任這個真實效果的環境。（彙整自唐文華、李汪曄、梁朝雲、李恩東，2009）二、虛擬實境的發展與涵義虛擬實境最早之研究出現於1970年代的美國麻省理工學院，是由當初電腦圖學之父也是虛擬實境之始祖sutherland所設計。當時主要是以3D電腦繪圖技術加上多重感官的互動式人機介面，並用高解析度來呈現的立體空間與模擬事物 (Pimental & Teixeira,1993，朱賢良、張宏生，2002)。但「虛擬實境」一詞的出現最早卻是由Jaron Lanier於1989年提出的構想。虛擬實境是指運用電腦科技產生具有3D的立體空間，使用者可以和這個空間事物進行互動，而不知置身於電腦模擬的世界(周文忠，2005)。所以虛擬實境在概念上與人造真實、虛擬環境等名詞相似，皆強調在網路世界下創造的擬真環境(陳玉欣等，2007)。此外虛擬實境主要是藉由電腦創造一個虛擬或模擬真實的環境，經由視覺、聽覺、觸覺、或嗅覺的再造，較容易產生多重感官多覺刺激，經由此充滿立體感、層次感的環境中去探索事務，往往較能讓互動者有身歷其境的高度真實感受(Jonasson,2003)。李汪曄等(2008)由功能特性的觀點來描述虛擬實境，認為虛擬實境是由3D 電腦繪圖、3D音效與其他感知介面，所造成的一個模擬環境，以用來創造一個擬真的虛擬環境；人可以在其中甚至虛擬的環境互動。所以虛擬實境在許多方面的應用受到重視，且因當處在一個虛擬而逼真的環境中，不但可以達到近乎真實的

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效果，又可以免除真實環境中的危險性和成本消耗的特性(唐文華，1996)。另外根據chen & Winn(2005)及Schwienhorst(2002)的指出，虛擬實境具有非線性化的多元內容呈現，與多元互動介面設計的媒體特色，並能由多人互動合作、參與的可能性，及開放性的互動情境模式。虛擬實境將3D建模表現得淋漓盡致，具有三度空間的真實物體質感，所以透視狀況較真實，操作者能擁有不同視點觀察角度，且身歷其境的融入仿真的虛擬空間，而本研究的虛擬實驗藉滑鼠及鍵盤工具進行操作，更是合乎使用者的直覺性、自然性操控，讓使用時易上手進行實驗試驗。三、虛擬實境的類型

Burdea & Coiffet(2003)提出虛擬實境應具備三個「I」特性：即浸入度 (Immersion)、互動性(Interaction)、想像力(Imagination)。 1、浸入度(Immersion)：一種能使操作者身歷其境的感受。 2、互動性(Interaction)：人與機器可以產生互動。 3、想像力(Imagination)：操作者在人機介面的媒介接觸過程中，所引發的影響與意義。圖2-5-1 虛擬實境三要素 (資料來源：梁朝雲、李恩東 1998) 虛擬實境三要素當中以想像力(Imagination)最受到特別強調，因為虛擬實

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境不只是一個媒體，為了解決特定問題，這些應用的開發會著重創意，因此人類的想像力，將對應用的領域產生影像而非只是純粹作為溝通的媒介管道而已(梁朝雲、李恩東，1998)。紀大任(1997)將前述虛擬實境具備三個「I」的特性外，又另外加上Internet網際網路的特質，構成所謂四個「I」組成要素，以強調網路的重要性與必要性。圖2-5-2 虛擬實境四要素 (資料來源：紀大任 1997) 陳玉欣、于富雲(2007)、Jonasson(2003)則依照提供互動著不同的沉浸程度將虛擬實境分為三類： 1、浸入式虛擬實境(Immersive VR)：藉由頭盔式顯示器、感應手套，並配以追蹤系統，以及時展現電腦創造之互動空間與物件反應。 2、桌上型虛擬實境(Desktop VR)：多由桌上型電腦，配合軌跡球或操桿、滑鼠、鍵盤等不同輸入系統，以展現立體的視覺影像，營造使用者遨遊螢幕內的感受與經驗。 3、擴增實境(Augmented VR)：用於軍事演練、戰鬥機飛行等訓練課程，近年來則逐漸受到學術界的青睞。陳彥智、徐新逸(2004)、許秀影等(2000)、陳道欣等(1999)依照技術製作形

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成的方式運用於虛擬實境影像呈現，將虛擬實境大致歸納為下列三類： 1、影像式虛擬實境(Image-Based VR)：影像式虛擬實境又分為環場全景 (Panorama)與物件(Object)兩類，所有模擬的真實環境或物件以相機拍攝360度環繞連續相接的照片，經由電腦軟體接縫後處理轉檔，使用者其視點便是位於虛擬世界中央，隨著使用視點的移動、放大、縮小。使用者在虛擬空間中的移動是一連串圖像轉換的結果。優點是不需要3D立體軟體，因此製作簡單、影像品質較細膩，便於單純目的使用。缺點則是立體性較差，視覺上會因為廣角造成左右兩端變形且可應用範圍較小。 2、模型式虛擬實境(Model-Based VR)或幾何式虛擬實境(Geometry-based VR)：所有虛擬實境架構中場景皆由3D模型模擬建置而成，可讓操作者使用時彷彿置身其中，優點是每個物件皆真實存在場景，所以非常容易設定其行為與互動方式，因此自由度較高。但是每個物件皆由3D模型建構而成，每一張畫面都需要電腦做即時算圖才能得到，當場景過於複雜時，使用者所看到的動作就會產生延遲，且須具備有高速之CPU和較昂貴的3D 圖形加速卡及良好美工設計能力，才能完成此類型的虛擬實境場景。不過現今電腦科技日新月異，硬體設備普遍獲得改善、價格也較合理化，此一層面所顯現問題反而漸漸減小。優點是較具立體性、模擬狀況較逼真、可應用範圍較廣。缺點則是建造3D模型及場景需要耗費較多精力與時間設計、另外電腦的硬體配備程度會影響虛擬實境中物件執行的效果。 3、混合式虛擬實境(Hybrid VR)：混合式虛擬實境具備了「幾何式(或模型式)虛擬實境」的互動性與「影像式虛擬實境」的真實性，運用真實影像縫合後製過的場景再加入原場景中不存在的物件並設定此物件的互動行為，這樣混合式虛擬實境可以具備真實性又可不需要經過複雜的計算程式就有具備互動性的效果，而且場景是可以呈現景深的立體效果。

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本研究採模型式虛擬實境方式建構物理實驗室，由3ds Max建模軟體繪製場景物件及Virtools虛擬實境整合軟體，所設計的桌上型虛擬實境，透過滑鼠、鍵盤的輸入介面，展現立體的視覺影像效果，營造使用者於物理實驗上感受與經驗。四、虛擬實境於教育上的應用與成效在我們生活週遭，虛擬實境技術已經被廣泛應用於日常生活中不同的領域，一方面因為虛擬實境的軟體功能增強，另一方面適用於虛擬實境系統的個人電腦 (PC)的價格逐漸降低，使得虛擬實境的技術在各個領域逐漸受到重視與應用。諸如軍事、醫學、娛樂、教育訓練、工程設計、商業活動……等。在軍事上如航空飛行訓練模擬器、戰甲車模擬戰場射擊、軍事演習；醫學上例如外科手術、人體構造模擬、超音波顯示系統、復健輔助系統、外科手術等；娛樂上如電腦線上遊戲、互動式電影、線上主題遊樂園模擬等；工程設計上如室內設計、建築規劃、橋樑工程模擬測試；教育應用上則有虛擬科學實驗室、遠距教學、虛擬天文館等，而商業活動上例如廣告、虛擬會議、財務分析等。由此可得知虛擬實境在日常生活中的運用層面寬廣且和我們週遭息息相關。虛擬實境的設計軟體及電腦在硬、軟體都已發展的相當成熟，應用於教學上，可以彌補傳統教學媒體上的不足，且改變了傳統知識的儲存、傳播、提取方式，所以在教育應用上有許多無可取代的功能性。又加上現今網路的蓬勃與普及，若將虛擬實境充分的應用於教學，可以在教育上開拓一個新的學習途徑，使得網路學習的環境更臻完善。對於虛擬實境在教學上的應用，黃仁竑(1995)、歐陽明等(1995) 歸納出下列幾項優勢的成效： 1、提高學習興趣與及增強學習動機：利用虛擬實境的技術所製作的虛擬世界、圖畫加上互動的關係，這樣學習環境可讓學生在學習過程中產生學習興趣。 2、身歷其境地融入學習環境中：利用虛擬實境技術提供的學習環境具有如身

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歷其境的真實感受。 3、提供新觀點與提供學習的自然界面：利用虛擬實境的接觸，可以提供對事物不同角度與觀點，引發學生新的思維，且利用身歷其境的虛擬世界，可以減少平面資料呈現，進而轉換為適合學習吸收的心智模式。除上述優勢外，陳彥智、徐新逸(2004)認為將高互動操控的虛擬實境特性應用於教學上，會有下列特點： 1、遊戲化─模型式虛擬實境的高互動性，讓學生如玩遊戲化方式進行探索教學，可以持續學習動機與探索動力。 2、模擬化─運用虛擬實境所具備高擬真度的特性，包括立體空間的透視、物體質感與物理性運動狀況，例如碰撞、彈性運動、浮力、力學運動等。所模擬出來的空間與實際透視，可以協助學生在互動的狀況下觀察學習。 3、視覺化─虛擬實境所建立的是3D模型虛擬立體空間，因此是以視覺化的方式呈現生活中眼睛所見似真實情況，且當先天環境限制下無法提供真實實物時，模型式虛擬實境視覺化的特性，便可以解決現實狀況下無實物或不存在的限制。虛擬實境取代傳統以抽象的文字符號來呈現學習內容，就認知科學的角度，因為是具象化及視覺化的方式來呈現資料，對於學習者的認知處理是有幫助的，學習者可以直接透過虛擬實境的環境來建構知識 (趙金婷、鄭晋昌，1999) 。利用虛擬實境可以在學習中教導學生思考與判斷，以具體的方式來傳授抽象的經驗，使真實世界與抽象邏輯之間，讓學習者發展自我概念，並依學習者的認知程度以適切的的表徵協助學生來了解現象的發生(Bricken,1991；黃福坤，2006)。虛擬實境扮演協助學習者從具體事物轉換到抽象概念法則的重要橋樑角色，學習者在虛擬實境當中扮演主動且積極的角色，並能充分發揮其個人能力，與傳統教室中被動學習者的角色相較，更能達到學習的成效(Ferrington & Loge,1992)。

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第三章研究方法

本研究旨在藉由虛擬實境，以牛頓第二運動定律為例探討建置物理虛擬實驗室的可行性，並探究學生操作虛擬實境實驗的反應。以3ds Max為建構物件、場景建模軟體及Virtools 3D虛擬實境整合軟體來設計虛擬實驗室。實驗室設計完成後進行兩階段測試，第一階段由正修習大學普通物理實驗課程的大學生進行初試，第二階段則針對第一階段初測試結果，進行實驗室設計上的缺失修正，後由另一班修習過大學普通物理實驗課程的學生，進行第二階段實作測驗。利用自行開發的問卷針對施測對象，實施問卷調查以了解本虛擬實驗室設計後的實作成效性，最後就蒐集的資料歸納與分析，提出本研究的檢討與改進。第一節研究架構本研究架構如圖3-1-1所示，架構內容說明如下：一、以牛頓第二運動定律為例建置虛擬實境實驗室：研究初期從蒐集與虛擬實境相關的各項資料著手、並選定大學普通物理課程中的牛頓第二運動定律實驗教材為主題，參考其傳統真實實驗室中實驗方法、步驟、目的後建置虛擬實境的物理實驗室。使用者初測試與修正後的第二階段試驗、問卷調查、再次修正及省思，到最後完成本研究的定稿階段，皆詳實的予以紀錄。二、實驗室設計過程中遭遇的挑戰與困難：實驗室建置過程中使用到3ds Max建模軟體及Virtools虛擬實境整合軟體，在設計過程中會面臨到軟體使用上的熟練度及眾多模組套用選擇的瓶頸，另有物件導向的模組程式、參數修改及編攥的困難度，且得考量虛擬實境實驗室的科學真實性及與真實實驗的差異性。整個研究記錄了設計過程中的難題與解決之道，

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以作為將來研究的參考。三、虛擬實境實驗室的實作測試：虛擬實境實驗室初步建置完成，第一階段先經由正修習大學普通物理實驗課程的大學生進行初試驗，以了解本虛擬實驗的技術設計層面及檢驗實驗內容的缺失處與正確性，之後針對實驗室予以修正，第二階段則是針對另一班曾修習大學普通物理實驗課程的學生實施第二階段實測，實驗後讓學生填寫試驗結果及實施問卷填寫，以了解物理虛擬實驗室施測的成效性及虛擬實驗室對學生的影響。四、研究者設計過程中的省思及專業成長：研究者本身並不具有軟體工程師或動畫設計師的背景，所以需大量蒐集閱讀相關文獻、軟體設計書籍的資料及加強熟稔軟體操作，因此整個研究過程，對於研究者的專業成長與虛擬實境設計能力方面有相當大的提升。

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圖3-1-1 物理虛擬實驗室研究架構圖大學普通物理虛擬實境實驗室設計以牛頓第二運動定律為例建置虛擬實境實驗室虛擬實境實驗室的實作測試實驗室設計過程中遭遇的挑戰與困難的省思及專業成長研究者設計過程中普物的科學專業能力虛擬實境設計能力相關文獻資料蒐集虛擬實境建置的研究流程虛擬實驗室建置的檢討及修正第一階段及第二階段測試後學生的反應確定設計的實驗內容軟體運用上的熟練度虛擬實驗結果與理論值的差異

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第二節研究流程本研究目的是以牛頓第二運動定律為例建立物理虛擬實境實驗室，並利用問卷調查了解虛擬實驗室的教學成效性及待改善之處，研究流程如下所示：一、決定研究方向：經由前人相關研究的經驗入門，並朝著研究者興趣及指導教授建議，初步形成本研究所欲探討之主題，並界定研究問題。二、文獻蒐集：多方面蒐集國內外學者對於大學普通物理實驗教學、虛擬實境、電腦輔助教學、多媒體、科學教育學習理論等文獻，並且探討文獻內容進而彙整本研究方法，對於本研究的物理虛擬實驗室建置則參酌相關的軟體工具書以利完善建構虛擬實驗室。三、擬定研究架構：確立研究的主題後，擬定整個研究方法及步驟，並比較相關的研究以決定本物理虛擬實驗室的研究架構。四、3ds Max軟體進行虛擬實驗室的物件、場景建模：透過工具書熟稔3ds Max的建模技巧，以設計虛擬實驗室中的物件與場景，主要建模內容為實驗桌、滑車、滑軌、滑輪、滑塊、偵測器、砝碼、繩索、實驗室環境等物件及場景，並視情形運用Virtools內建的建模物件。五、Virtools編輯及整合物件之間的互動流程：藉由Virtools整合軟體匯入 3ds Max所設計的物件或場景，並從內建數百個建構模組程式及外掛的 Physics Library物理建構模組，套用或修改模組的設定，以賦予物件內容產生互動的流程，完成後輸出成網頁檔案格式，讓研究者著手進行虛擬實驗室的網站設計。六、物理虛擬實驗室網站設立：利用Photoshop影像編輯軟體與Dreamweaver 網頁編輯軟體設計物理虛擬實驗室網站，提供修習普通物理實驗課程的使用者透過網際網路線上操作實驗，完成後的虛擬實驗室，於實作過程中，獲知試驗的成效性與結果的正確性，並從缺失中探討解決方法。

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七、進行初測試驗及問卷調查研究：物理虛擬實驗室網站初步完成後，以修習大學普通物理實驗課程的大學生為初試對象，藉由初試的實驗結果及問卷調查以了解本虛擬實驗室，在設計技術層面的問題及實驗內容的正確性及科學真實性，並進行缺失建議的修正。八、使用者第二階段測試及問卷調查：初試後進行實驗室修正，再經由曾修習過大學普通物理實驗課程的學生，實施第二階段試驗並填寫研究者自行開發的問卷，以探討虛擬實驗室與實驗教學之間關聯性，及本研究待改善建議及其他研究發現。九、分析測試及問卷調查結果並撰寫研究報告：待獲致研究結果後，繼而提出本研究之結論與檢討，並對於將來物理虛擬實驗室的建置、設計提出具體建議，最後完成研究報告的撰寫。

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針對本研究的實驗流程各步驟詳盡內容說明如下：圖3-2-1 物理虛擬實驗室研究流程圖牛頓運動定律理論探討科學教育學習理論探討虛擬實境技術及其運用於教學的理論研究決定研究的主題文獻資料蒐集虛擬實驗室的物件、場景以3ds Max軟體建模以Virtools整合物件之間的互動流程物理虛擬實驗室網站設立持續蒐集及閱讀相關文獻初試及問卷調查分析測試及問卷調查結果、撰寫研究報告擬定研究架構多媒體與電腦輔助教學探討 Photoshop 影像編輯軟體 Deeamweaver 網頁編輯軟體檢討與修正第二階段測試及問卷

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第三節普通物理虛擬實驗室建構之設計本牛頓第二運動虛擬實驗室建置，內容是參酌大學普通物理實驗課程的真實實驗裝置與使用者操作手冊說明書進行設計建構，建置過程中針對真實實驗中的科學實驗器材、實驗原理、實驗方法，及設計虛擬實境的軟體特性給予適當性的修改，以建構3D模型物件及場景，最後製作成可互動操作的虛擬室實驗室環境。本研究的牛頓第二運動定律實驗裝置共計有三項虛擬實境實驗，分別如下：一、牛頓第二運動定律之虛擬實驗室設計 1、力與加速度間關係實驗：藉由氣墊軌道角度改變，探討加速度與外力的關係。實驗裝置如圖3-3-1。圖3-3-1 物理實驗室驗證第二運動定律的器材裝置圖(一) (圖片參考自http://www.science.com.tw/catelog/images/26.jpg，2009) 實驗方法：1.改變軌道支點下的墊高高度，氣墊軌道的斜率會隨之變動，進而改變了滑車所受的作用力。θ為氣墊軌道斜面和水平面的夾角，作用力F=mgsinθ，其中sinθ由氣墊軌道長度與氣墊軌道墊高高度可以求之。 2.當滑車通過兩光電管前沿時由偵測器分別偵測出從出發至抵達光電管位置所歷經的時間。 3.訊號傳至電腦後由電腦程式計算出滑車通過兩光電管擋光片時的瞬時速度。

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4.藉由滑車通過兩光電管之間的Δt與兩光電管的瞬時速度v0和 v，可由v-v0=at公式算出滑車的加速度a。 5.調整氣墊軌道支點下的墊高高度，以產生不同θ角度，並探討每次產生的加速度(a)與滑車受作用力(F)的關係。礙於虛擬實境實驗室和真實實驗室的呈現媒介差異與考量虛擬環境設計的困難度，力與加速度間關係的虛擬實驗建置時，軌道斜面角度採用3ds Max菱柱體模型的建模，分別是5度、10度、15度、20度四種斜面角度。而軌道的建模為平面動力滑車軌道，並非真實實驗室的氣墊軌道裝置器材圖樣。滑車通過兩光電管擋光片的瞬時速度，則是套用Virtools Physics Library 中的建構模組來偵測速度，當滑車經過斜面軌道的偵測器，即會啟動選定的模組主動偵測。藉由兩偵測器所偵測的瞬時速度，與滑車經過兩偵測器之間所花的時間，參數會運算出滑車加速度，並自動顯現於視窗上。此運用各項模組的連接而設計完成的實驗一，其虛擬實驗室數據結果，可探討與理論值間的關係。 2、力、質量與加速度間關係實驗：當氣墊軌道角度固定，且質量一定時，改變受力，探討加速度與外力的關係，實驗裝置如圖3-3-2。圖3-3-2 物理實驗室驗證第二運動定律的器材裝置圖(二) (圖片引自http://www.science.com.tw/catelog/images/27.jpg，2009)

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實驗方法：1.實驗的滑車軌道裝置需保持水平，滑車及滑塊、牽引法碼三項的質量總和(系統質量)不變，而滑塊固定於滑車上。 2.當手離開滑車，讓滑車在軌道上因為法碼的作用力牽引而向滑輪端滑動，當滑車通過兩光電管偵測器前沿時，由偵測器分別偵測出從出發至抵達光電管位置所歷經的時間。 3.訊號傳至電腦後由電腦程式計算出滑車通過兩光電管擋光片時的瞬時速度。 4.藉由滑車通過兩光電管之間的Δt及兩光電管的瞬時速度v0和 v，可由v-v0=at公式算出滑車的加速度a。 5.系統總質量不變之下，將滑車上滑塊換成等質量法碼的牽引力進行實驗，重複上述2、3、4步驟的流程。在不同牽引的作用外力下，探討每次產生的加速度(a)與滑車所受作用力(F)的關係。此虛擬實驗室建置時，偵測滑車速度及移動的時間方式如同「實驗一」力與加速度間關係實驗，但較困難處是對於牽引滑車的繩索及滑輪，需模擬移動狀況及轉動現象，此部分於第四章實驗程式設計會詳細說明之。整個實驗過程中外力(F)為法碼盤與法碼的總和，共有10gW、15gW、20gW、25gW等四種不同外力，而系統總重固定為200gw，偵測器預設位置為50公分、100公分處，操作者可以藉由鍵盤左右移動，設定兩偵測器距離與位置，實驗操作完成後所有相關數據皆會呈現在虛擬實驗室的上方螢幕。 3、質量與加速度間關係實驗：當受力(F)一定時，探討加速度與質量的關係。 (本實驗裝置如圖3-3-2) 實驗方法：1.實驗的滑車軌道裝置需保持水平，外力不變之下(即法碼盤與

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法碼質量總和)，滑車放置不同質量的滑塊，分別偵測滑車加速度大小。 2.當手離開滑車，讓滑車在軌道上因為法碼的作用力(F)牽引而向滑輪端運動，滑車通過兩光電管偵測器前沿時，由偵測器分別偵測出從出發至抵達光電管位置所歷經的時間。 3.訊號傳至電腦後由電腦程式計算出滑車通過兩光電管擋光片時的瞬時速度。 4.藉由滑車通過兩光電管之間的Δt與兩光電管的瞬時速度v0和 v，可由v-v0=at公式求出滑車的加速度a。 5.在外力(F)不變之下，探討系統質量改變(滑車上的滑塊逐漸增加)，與加速的之間的關係。加速度與質量關係的虛擬實境設計，方法同「實驗二」─力、質量與加速度間關係實驗，外力(F)固定為15gw，而實驗過程中共有四種不同的系統質量的情形，分別為235gw，285gw，335gw，385gw，牽引力(F)皆固定為15gw，偵測器的預設位置為50公分及100公分處，操作者透過鍵盤可左右移動位置。本相同外力作用的虛擬試驗，系統質量與加速度間的關係由實驗數據和理論數據資料對照可比較其結果的誤差值。二、虛擬實驗與真實實驗的差異性本研究建置的虛擬實驗與真實實驗之間存在著差異性，各有其特質與優缺點，其差異性分析列表如表3-3-1。於真實情境下操作的傳統物理實驗室，實驗器材的組裝與保存、保養，是普通物理實驗課程中最感到困擾的部份，而這些器材往往只在大學的物理實驗室才能取得，因此只能限於教室課堂間實驗，此外實驗結果會受制於器材的精密性與完整性影響，產生的結果常誤差值偏大；本研究的虛擬實驗透過設計而成的虛擬實驗與電腦設備即可實驗，藉由伺服器端與使用

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者端間的互動，並無器材保養問題，且不受時間與空間影響，因具媒體特質及仿真實情境的擬真性，所以易引起使用者的學習興趣及動機。另建置軟體的特性，本虛擬實驗可以設計多元情境的環境條件，與理論結果的誤差值在建置過程透過參數設定可微調控制。表3-3-1 虛擬實驗與真實實驗的差異分析列表實驗方式比較內容虛擬實驗真實實驗操作媒介虛擬儀器、電腦設備真實儀器環境擬真性仿真實情境完全真實情境實驗場所不受空間限制限於實驗室實驗時間全時段實驗不受時間限制特定時間影響實驗結果因素藉由設計過程的物件建模與模組參數設定，可控制實驗誤差實驗室儀器完整性、精密度與人為操作因素其他特質電腦、網際網路設備即可操作；可輔助物理課程的學習；易引起學生興趣與動機儀器組裝耗時，但具臨場及真實性；儀器簡陋易壞，實驗數據誤差大；學生會對按手冊操作的步驟易缺乏學習動機

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第四節建置虛擬實驗室場景一、3ds Max建模工具軟體簡介 3ds Max是目前全球暢銷的3D模型建置與動畫製作的軟體，3ds Max廣泛應用於視覺效果、角色動畫及新一代的遊戲開發，也是一套專門為建築，工業設計專業人員所量身定制的三維動畫、建模應用軟體。最初的3ds Max的產品名稱為3D Studio，是由Yost Group公司為DOS平台設計製作，由Autodesk公司發行。Autodesk 公司之後從第二版開始買下接下來兩個版本的標誌和核心開發。產品使用平台轉到Windows NT介面，名字改為「3D Studio MAX」，此版本還是Yost Group公司製作，由從Autodesk拆分的Kinetix公司發行。產品名稱更改為皆是小寫的「3ds max」，後來Autodesk公司收購，從第八版到目前第十版的產品又重新打上 Autodesk的標誌，名稱則修改成大寫「3ds Max」。 3ds Max軟體輸出檔案相容於其他的3D軟體及虛擬實境的整合軟體，且3ds Max在3D功能上有許多特色，就本研究性質傾向，在製作上會用到下列幾項軟體上優勢特點： 1. 基於個人電腦(pc)系統所設計的低硬體配置要求的軟體，不是具備超級電腦或僅是專業與企業的專用工具，對一般使用者並非遙不可及。 2. 3D建模步驟可透過堆疊效果，所以使製作模型有非常大的彈性。 3. 3ds Max於物件模型設計時可自訂多個視角，藉由各個視角可以觀察建模過程，並可以很輕易掌握模型的情況。 4. 3ds Max於物件建模時，可以輸入 X、Y、Z三向度的座標，準確設定物件的位置與規格。 5. 3ds Max具強大的外掛支援，多家公司配合設計外掛程式，讓設計者減少自行開發的時間。 6. 3ds Max可以單獨輸出物件或多個物件群組形成一新物件後輸出至其它虛

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擬實境的整合軟體中編輯，例如Virtools。 7. 3ds Max軟體本身可單獨從立體物件的塑造、材質設定、燈光設置、攝影機應用、動畫製作，完成一部動畫。 8. 設計曲面的功能強大，完成具有真實性的立體圖形。基於上述理由，本研究選擇此軟體來建立物理虛擬實驗室場景內的模型，以呈現實驗場景的仿真效果。3ds Max雖可製作物件運動，但匯入Virtools過程中易造成物件設定上的相互干擾，因此動畫建置部分留置Virtools整合編輯軟體完成，目的是簡化設計的環境，讓本虛擬實驗室的模擬達到擬真性及科學真實性。二、3ds Max操作介面介紹就其最主要介面圖示說明圖3-4-1：圖3-4-1 3ds Max操作介面圖 a. Drop down menu：下拉式功能選單

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c. Viewport：視景工具區

d. Status Bar Controls：狀態列

e. Time Slider and Track Bar：時間軸及時間拉桿 f. Animation and Time Controls：動畫錄製控制區 g. Viewport Controls：視景控制面板 h. Command Panels：功能指示面板三、3ds Max進行物件、場景建模的基本流程使用3ds Max軟體製作物件或動畫的流程如下： 1. 建立模型物件(Modeling Objects)：要由電腦繪圖設計一3d立體造型或動畫，最基本且最重要的第一步是建立模型的物件，3ds Max軟體提供許多工具協助完成製作一個立體模型物件。 2. 材質處理(Material Design)：設計好的物體模型僅是一個架構，好比是石膏像一樣，需要為這石膏像選擇適當的外表材質處理。例如選填顏色，或設定金屬色澤亦或是內建多樣化的材質選項。

3. 燈光與攝影(Lights and Cameras)：物體模型材質處理完後，需要燈光的照射與不同角度的觀察才能顯現出逼真的效果，例如光源的強弱度、光亮及陰影的位置等。 4. 動畫(Animation)：完成模型與場景及燈光物件或攝影機設定，若要製作動畫可經由影格處理產生動畫效果。 5. 著色﹝彩現﹞(Render)：當所有物件作品完成之後，經過場景著色的步驟就能完整顯示所有場景內元件的色彩，甚至可以輸出成影像圖片與動畫檔。本物理虛擬實驗室設計採由3ds Max進行建模，完成的物件匯入Virtools介

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面平台，再進行動畫部份的模組程式套用與燈光效果的設定。四、物理虛擬實驗室中以3ds Max所建模的物件本牛頓第二運動定律虛擬實驗共有三項物實驗，使用3ds Max所建模物件如下所列：表3-4-1 應用3ds Max 建模的物件表名稱圖示功能或特性簡述實驗桌放置軌道、滑車等以進行運動定律實驗桌面軌道表面無摩擦力滑車與軌道間無摩擦力，與軌道擋板之間有彈力作用偵測器(光電管) 偵測滑車通過時的速度與時間

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斜面菱柱體共有5度、10度、15度、 20度四種坡度滑塊增加滑車重量法碼作用外力來源繩索及滑輪隨著滑車與法碼移動時，滑輪會旋轉第五節虛擬實驗室模組之設計一、Virtools 虛擬實境整合工具軟體簡介 Virtools是一套3D即時互動開發軟體，具備直覺式圖型開發介面，使用者可以運用超過五百個內建的互動式模組與模型、文字、圖片、影片及聲音整合在一起，產生動畫效果，能製作各式3D互動多媒體，例如3D遊戲、虛擬實境導覽、數位學習、物品的展示、模擬訓練、數位藝術……等。本物理虛擬實驗室研究採用