大學普通物理虛擬實驗室建構之研究-碰撞學實驗

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I

大學普通物理虛擬實驗室建構之研究

大學普通物理虛擬實驗室建構之研究-

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碰撞學實驗

摘要

本研究之目的在建構一個虛擬的物理實驗室，提供大學修習普通物理實驗學生探索、操作和學習碰撞學理論，並探討虛擬實境技術對普通物理實驗的教學模式與學習方式的影響。在虛擬物理實驗室建置的歷程中，研究者先蒐集大學普通物理實驗「碰撞學」相關之實驗器材，進而利用模型設計軟體建構其三維立體模型，接著透過虛擬實境開發軟體編輯虛擬實驗環境。完成後的虛擬碰撞實驗進行兩次實測以檢驗虛擬實驗的各項缺點及可行性。施測的結果顯示，有65.5％學生認為操作虛擬物理實驗室對學習物理的學習態度及對物理概念的瞭解皆為正面評價，有76％學生認為對虛擬實驗室適合作為物理實驗教學的輔助工具並肯定其價值。本論文亦針對開發虛擬物理實驗室所遭遇到的困境以及解決方案進行詳細討論。關鍵詞：虛擬實境、碰撞學、物理實驗

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II

The Construction of The Construction of The Construction of

The Construction of a a a Virtual a Virtual Virtual UVirtual UUUniversity niversity niversity Pniversity PPPhysichysicshysichysicsss LLLLaboratoryaboratoryaboratory:aboratory::: C

CC

Collision ollision ollision ollision Experiments Experiments Experiments Experiments

Abstract Abstract Abstract Abstract

In this study, a virtual physics laboratory has been constructed. It provides an exploring environment for university students to perform the experiments for collisions. By this laboratory, we investigate how the virtual laboratory can be used to improve the instruction of university physics experiments. In order to

construct the virtual laboratory, we first collect the information for the instruments of collision experiments, such as the size, the weight, the operation, etc. Based on the data of the instruments, we employed the commercial computer software, the 3DMas, to build three dimensional models for each component of each instruments. We then follow to export the three dimensional models into another computer commercial software, the Virtools, to build the virtual laboratory. We performed three tests to investigate the performance of the virtual laboratory, including the precision, the operation, and the consistency with theory, of the virtual experiments. To understanding the impact of the virtual experiments on the

students’ physics concepts and learning attitude, we performed a two stage user testing. The result of the user testing indicates that there are 65.5％ of the users who agree that the virtual physics laboratory can give a positive influence on the learning attitude and the physics concepts. In addition, there are 76％ of the users agree that the virtual laboratory is an appropriate assistant tool for the instruction of general university physics.

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III 目錄中文摘要---I 英文摘要---II 目錄--- III 表目錄---V 圖目錄- -- -- -- - -- - -- -- -- -- -- - --- - -- -- -- VII 第一章第一章第一章第一章緒論緒論緒論緒論第一節前言---1 第二節研究背景及動機---3 第三節研究目的---6 第四節研究範圍與限制---7 第五節論文結構---8 第二章第二章第二章第二章文獻探討文獻探討文獻探討文獻探討第一節動量守恆定律---9 第二節教育理論基礎---14 第三節教學媒體---18 第四節 CAI 電腦輔助教學--- 20 第五節虛擬實境---22

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IV 第三章第三章第三章第三章研究方法研究方法研究方法研究方法第一節虛擬實驗室發展流程---33 第二節碰撞實驗介紹---34 第三節 3D 模型建構軟體--- 36 第四節虛擬實驗室場景建置---39 第五節評估與實測---47 第四章第四章第四章第四章研究結果研究結果研究結果研究結果第一節虛擬實驗室之介面設計---49 第二節困難與解決方案--- 58 第三節虛擬實驗室之主要模組---63 第四節虛擬實驗室測試與分析---69 第五節虛擬碰撞實驗的使用者第二次實測與分析---80 第五章第五章第五章第五章結論結論結論結論第一節研究結論---89 第二節研究的貢獻---92 第三節研究發現---93 第四節建議---95 參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻 96 96 96 96

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V 表目錄表 2-2-1 Gagne 的九項教學活動---17 表 2-5-1 「投影產生方式」不同的虛擬實境系統比較表---24 表 2-5-2 三種虛擬實境系統優缺點比較表---26 表 2-5-3 各項課程適用之「虛擬實境」技術分析表---31 表 3-4-1 常見的虛擬實境開發軟體比較表---39 表 4-1-1 3DSMAX 建模說明表---49 表 4-1-2 3D 物件匯入 Virtools 說明表---51 表 4-1-3 虛擬物件與真實物件之比較表---55 表 4-4-1 虛擬實驗與與真實實驗初始條件比較表一---69 表 4-4-2 虛擬實驗與真實實驗總動量及總動能比較表一---69 表 4-4-3 虛擬實驗與與真實實驗初始條件比較表二---70 表 4-4-4 虛擬實驗與真實實驗總動量及總動能比較表二---70 表 4-4-5 虛擬實驗與與真實實驗初始條件比較表三---71 表 4-4-6 虛擬實驗與真實實驗總動量及總動能比較表三---71 表 4-4-7 平台一測試結果表---73 表 4-4-8 平台二測試結果表---74 表 4-4-9 操作介面方面的統計表---75

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VI 表 4-4-10 教材內容方面的統計表---76 表 4-4-11 學習動機方面的統計表---77 表 4-4-12 物理概念學習方面的統計表---78 表 4-5-1 觀測數據完成比率表---81 表 4-5-2 計算數據完成比率表---81 表 4-5-3 數據計算正確率---82 表 4-5-4 教材內容方面的統計表---83 表 4-5-5 操作介面方面的統計表---84 表 4-5-6 學習動機方面的統計表---85 表 4-5-7 物理概念學習方面的統計表---86

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VII 圖目錄圖 1-5-1論文撰寫架構圖---8 圖 3-1-1 虛擬實驗室發展流程圖---33 圖 3-3-1 3DS MAX 介面外觀---36 圖 3-3-2 3D 物件建模流程圖---38 圖 3-4-1 Virtools 流程圖---41 圖 3-4-2 Virtools 介面外觀---42 圖 3-4-3 檔案資源管理圖---42 圖 3-4-4 行為模組資料庫圖---43 圖 3-4-5 除錯工具圖---43 圖 3-4-6 物件參數設定圖---44 圖 3-4-7 Profiler 設定圖---44 圖 3-4-8 Virtools SDK 設定圖---44 圖 3-4-9 Physics Pack 設定圖---45 圖 4-1-1 虛擬物理實驗室主選單---53 圖 4-1-2 虛擬實驗室入口介面選項內容架構---53 圖 4-1-3 實驗器材簡介圖---55 圖 4-1-4 虛擬物理實驗室環境---56

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VIII 圖 4-1-5 虛擬實驗室環境---57 圖 4-2-1 滑車及滑軌之 3D 模型---58 圖 4-2-2 修正後滑車及滑軌之 3D 模型---59 圖 4-2-3 滑車周圍物件圖---59 圖 4-2-4 Visible 設定圖---59 圖 4-2-5 數值轉換設定圖---60 圖 4-2-6 材質壓縮設定圖---61 圖 4-2-7 物件填色設定圖---61 圖 4-2-8 無材質貼圖之虛擬物理實驗室圖---62 圖 4-3-1 實驗桌之物理屬性設定---63 圖 4-3-2 滑車之物理屬性設定---64 圖 4-3-3 物件速度測量模組---64 圖 4-3-4 碰撞偵測模組設定---65 圖 4-3-5 攝影機追尋目標設定---66 圖 4-3-6 目標物移動設定---66 圖 4-3-7 滑鼠控制攝影機視角之模組設定---67 圖 4-3-8 攝影機旋轉設定---67 圖 4-3-9 攝影機前進設定---68

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第一章

緒論

第一節第一節第一節第一節前言前言前言前言二十一世紀是一個教育改革的新時代，也是一個資訊科技蓬勃發展的新時代。資訊科技與網際網路技術的便利性，促進了教育方式的改革，例如資訊融入教育促使教育品質的提昇與終身學習目標的實現（黃仁竑、游寶達，民84）。由於資訊科技對當代國家的影響深遠，各先進國家無不積極進行資訊通信基礎建設（NII）（黃仁竑、游寶達，民84）。資訊科技是僅次於電視科技最有影響力的新科技，這項新科技亦引進新的教育學習途徑。高品質的教育與人才素質是政府與企業一致追求的目標，這股動力已促使得教師將資訊科技整合入教學中。以美國為例，柯林頓政府根據250項的研究結果得到下列結論：「一個在電腦輔助學習環境下學習的學生，其學習時間將可以節省25％。」（壽大衛，民90）教育部九年一貫網站中指出在資訊化的社會中，培養每位國民具備資訊知識與應用能力，已為各國教育發展的重點（教育部九年一貫網站）。資訊科技在教育上的應用種類繁多其中以多媒體教學最被廣泛利用。多媒體教學應用於教育領域已有一段悠久的歷史，成果亦獲得一般教育工作者的肯定。規劃良善的多媒體教學不僅可以強化學生的學習，也可充實老師的教學。多媒體教學內容以教學影片或平面動畫佔大多數，平面媒體教學對於抽象概念的具體化有很大的幫助，卻無法滿足實驗教學的需求。唐文華與劉馨韓（民93）指出若與平面媒體比較，虛擬實境（Virtual Reality，簡稱VR）技術所具備的互動特性及特殊的立體視覺效果，更能滿足實驗教學的需求。至今虛擬實境技術在教育上的應用已受到較以往更多的關注與重視。由於虛擬實境技術中的良好互

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動性，大大縮短了線上學習效果與在真實世界中的學習效果之間的差距。沈潔華（民94）認為如果我們對虛擬實境技術如何應用在教學上能有更多的了解，相信可以讓虛擬實境技術在教育上獲致更大的應用價值。因此，本研究透過製作一座虛擬物理實驗室來探討虛擬實境技術在教學應用上的可能性。

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第二節第二節第二節第二節研究背景及動機研究背景及動機研究背景及動機研究背景及動機一、虛擬實境之可行性所謂虛擬實境，就是以電腦硬體及相關軟體模擬出與真實世界相似的環境，此模擬環境可與使用者產生實境式的互動。虛擬實境是近年來資訊界最熱門的話題之一，吸引了眾多的研究機構、學校及廠商相繼投入這個領域（歐陽明, 民 84）。但是虛擬實境需要較高效能的電腦硬體設備及電腦軟體，來進行大量的3D 圖形運算。過去由於適合的硬體與軟體價格高昂，虛擬實境的技術只能在高階繪圖工作站上來行，使得虛擬實境無法普及。然而，近年隨著電腦硬體以及軟體價格日趨便宜，個人電腦的硬體速度以倍數增長，如3D影像繪圖加速卡，使得虛擬實境技術得以在個人電腦上執行，且其效能直追工作站，因此虛擬實境技術目前正如火如荼的發展，而其應用也愈加的多元化。目前在休閒娛樂、科學、工程設計、醫療、校園導覽、教育訓練等方面。沈潔華（民94）指出虛擬實境教材提供學生一個主動觀察探究的學習環境，藉由作業題目的引導，加強使用者與教材的互動，從操作中學習，此時使用者會對現象的「過程」有深刻的印象，記憶保留的效果明顯。每階段的探究學習後，再配合教師的講述引導及教學，促進使用者的概念形成。二、傳統普通物理實驗教學之學習成效大學生學習普通物理意願低落及學習成效的問題近來受到了關注，部分的學者亦針對普通物理學習問題進行了相關的研究。張慧貞（民92）曾如此描述：「課堂上部分學生努力地跟著抄筆記，部分學生則分心神遊，也常有令人尷尬的打瞌睡問題，上課中除了偶而老師指名同學答問之外，幾乎不見任何師生互動。偶有同學請益，其內容也不外乎考試的範圍，不見為了興趣或好奇而問的課外問題。

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學期末批改考卷時，則常失望地看到學生們寫出不相干的公式，企圖湊出答案。」深入探究其原因，可能是現在的高中物理科教學多半以升學目的為導向，因此使的學生在進入大學之後，因為升學的動機消失，形成學習上的不適應而造成學習障礙。楊文金、許榮富（民76）表示在物理教學中，最主要是要培養學生兩項能力：一是獲得物理知識；二是具備科學探究能力。對大部分的人來說，物理知識常是顛撲不破的真理，一如歷史中的史實一般。而科學探究能力的教育，則是所謂的科學過程技能的學習，也就是讓學生認識到科學家產生知識的探究及發現的過程。什麼樣的教學方式最能讓學生具有「科學方法」的能力呢？那就是實驗；規劃完善的實驗活動，可以讓學生體驗完整的科學探討活動。而物理學科可說是一門實驗科學，在教學中加強學生的實驗能力、實驗技能，並培養學生正確的科學精神與態度。蔡執仲、段曉林（民94）也認為實驗教學對於讓學生能夠熟悉相關的科學概念以及技能扮演非常重要的角色，如何在實驗教學中，提升學生的學習動機，對於科學的學習是非常重要的。儘管科教研究結果未能完全支持實驗教學的成就，然而，物理教學中，完整的實驗能使學生具有正確科學方法與素養；能夠批判既有物理知識的可信度，甚至突破其規範，創造新領域，這是不容置疑的事（楊文金、許榮富，民76）。傳統的物理教學上因架設實驗過程冗長、實驗變因改變必須重新調整沒有足夠時間進行不同條件測試、對於需要長時間操作的實驗限於課堂時間無法進行等的限制，且除了取得數據資料外也要對資料進行分析並且要能再多種不同實驗中要能適用即要有多種不同外接感應器來符合實驗需要（詹偉德，民93）。因此，常會因為時間及器材設備的因素，使得教師不得不犧牲物理實驗的操作。在普通物理課程中為了讓學生了解動量及動能守恆定律，會藉由操作碰撞實驗，增加學生的學習印象。碰撞學實驗器材體積龐大收藏不

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易、器材當中的電汽門容易故障損壞率高，且學生常會花費許多時間在組裝架設碰撞學實驗器材，因而影響學生實際操作的時間。所以本研究擬從碰撞學的實驗架設一虛擬物理實驗室，為碰撞學實驗提供不同的學習方式，亦盼望能藉由新的教學模式與學習管道，為普通物理學習注入新的活力。

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第三節第三節第三節第三節研究目的研究目的研究目的研究目的本研究希望透過建立一座普通物理虛擬實驗室，來探討虛擬實境技術在普通物理實驗教學上的可行性。此虛擬實驗室能提供使用者進行空間探索、儀器操作及學習碰撞物理學概念。透過網際網路讓使用者或修課同學能不受時間、空間的限制進行學習活動。本研究的具體目標如下：一、以虛擬實境技術，建構虛擬實驗室的碰撞學實驗。二、探討虛擬實驗的科學正確性及設計方式的可行性。三、探討虛擬實驗的教學效果與改進方案。

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第四節第四節第四節第四節研究範圍與限制研究範圍與限制研究範圍與限制研究範圍與限制本研究以修習大學普通物理實驗的學生為測試對象，建立普物「碰撞學」之虛擬實驗室。一、研究範圍（一）以修習大學普通物理實驗的學生為測試對象。（二）蒐集商用「碰撞學」實驗器材，作為設計立體模型的依據。（三）使用3DMax作為數位模型設計工具。（四）使用 Virtools 軟體建構虛擬實驗室。（五）發展問卷量表以評估虛擬實驗室的可行性。二、研究限制（一）軟體的限制造成虛擬實驗與真實實驗在科學事實方面產生差異。（二）虛擬實驗的部份組件以平面的方式表現。（三）測試對象僅限一所大學的大一新生，測試結果不宜過度推論。

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第五節第五節第五節第五節論文結構論文結構論文結構論文結構本研究之論文撰寫如下所述，緒論部分做研究背景及動機、研究目的、研究範圍及限制、研究流程等的介紹；文獻部份探討碰撞學理論探究、教育相關理論探究、教學媒體理論探究、CAI電腦輔助教學及虛擬實境理論探究；研究方法部份介紹虛擬實驗室發展流程、碰撞學實驗、3D模型建構軟體、虛擬場景建構軟體；研究結果部份詳細說明3D模型建構方法、虛擬實驗室建構方法、以及虛擬實驗室系統評估及檢測；結論與建議部分主要介紹本研究之研究結果以及未來值得研究的方向。詳細的論文撰寫架構圖，請見圖1-5-1。圖 1-5-1 論文撰寫架構圖

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第二章

文獻探討

第一節第一節第一節第一節動量守恆定律動量守恆定律動量守恆定律動量守恆定律一、牛頓三大運動定律棒球的投擲、車輪的滾動、飛機的航行、人造衛星的運轉，以及其他各天體的運動等等；這些都是我們常見的運動現象。但這些不同的運動現象是否有其共同的原因，亦或各有其不同的特性呢？這個問題遠在兩千五百年前便已經發生，古希臘人見到”推”或”拉”的作用能夠使物體運動，而地面上的物體不受推或拉的作用時就都靜止不動，便以為”推”或”拉”的作用是使物體產生運動現象的原因，而且他們將之稱為力（force）。亞里斯多德（Aristotle 384-322 B.C.）見地面上的物體必須不斷的受到推或拉的作用才能保持其運動，更認定欲使物體保持等速運動必須對其施以定力作用，否則所有物體都會靜止不動。為了要解釋這些現象，亞里斯多德曾將運動分為三大類：一類是地面物體的運動，必須不斷受到力的作用；一類是落體的運動，那是因為當時人們相信地球是宇宙的中心，而萬物均有趨向宇宙中心的特性；另一類是天體的運動，因為（亞氏認為）天體的物質不同於地球的物質，所以應該遵循不同的運動規則。現在我們知道亞里斯多德的觀念是錯誤的，但他錯誤的觀念卻在人類的思想中延續了兩千年之久，直到十七世紀伽利略和牛頓才找到真正的答案:，力是使物體改變運動狀態的原因，也就是使物體產生加速度的原因。因此，使靜止的物體運動，使運動的物體靜止或改變運動速度，都必須要有力的作用，但物體不受力的作用卻仍然可以運動。

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當我們瞭解了力是使物體改變運動狀態的原因之後，便不難推想：當物體不受外力作用時，必然不改變其運動狀態；亦即靜者恆靜，動者恒動；此關係稱之為牛頓第一運動定律（Newton’s first law of motion）。

一物體所受諸外力之合力，又稱為該物體所受之淨力。慣性定律所描繪之現象，實際上包含物體不受淨力時之情形。由力的定義我們還可以推想，當物體受到外力作用（或所受之淨力不為零）時，則必然會產生加速度；但物體所產生之加速度與其所受之外力（淨力）是否有一個明確的關係存在呢？為了要探求這個關係，牛頓經由一連串有系統的實驗結果得知：當以同樣大小的外力作用於同一個物體時，物體所產生加速度之大小也恆為定值；當以不同大小之外力作用於同一個物體時，則物體所產生加速度之大小也不相同，但恆與外力之大小成正比；另外，不論外力之方向如何改變，物體加速度的方向橫與其所受外力之方向相同；因此若某物體受外力F作用則產所生之加速度和外力Ｆ恆有

F=MA

之關係，式中Ｍ為比例常數。此關係就是牛頓第二運動定律（Newton’s second law of motion），或簡稱為運動定律。以棒擊球，球會飛走；以錐擊手，手會傷痛，這些都是我們熟知的現象。而這些現象也說明了當物體（球、手）受到外力作用時，其本身狀態之改變。然而以球擊棒，球也會飛走；以手擊錐，手也會傷痛，這些也都是我們所熟知的現象。這些現象說明了當物體（球、手）以力作用於另一個物體時，其本身之狀態也會發生改變；也就是說當物體以力作用於另一物體時，其本身也同時受到外力作用。牛頓由實驗發現：當物體受到外力作用時，必同時產生反作用力，而反作用力與作用力大小相等、方向相反、作用在同一直線上；此關係稱之為牛頓第三運動定律（Newton’s third law of motion）或反作用定律（law of action and reaction）。

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二、動量守恆當物體運動時，其質量Ｍ與其運動速度Ｖ的乘積稱之為動量（momentum）。由於動量在物理上之應用甚廣，常用符號Ｐ表示之，即

P=M V

當兩個物體互相以力作用時，很明顯的他們的動量必定發生改變。假設有互相作用的兩個物體，他們在某一時刻的的動量各為 1= 1

V

1

P M

，

P M

2= 2

V

2 ，經過時間t後他們的動量各變為 1 1 1 ' =

_V

'

P

M

及 2 2 2 ' =

_V

'

P

M

，則他們動量的改變量各為 1 1 1 = 1 1

'

MV

P

M

V

∆

－

， 2 2 2 = 2 2

'

M V

P

M

V

∆

－

，若Ｍ2作用於Ｍ1之力為Ｆ12、Ｍ1作用於Ｍ2之力為Ｆ21，則由運動定律得 F12

Ｔ＝

P

1

F

21

Ｔ＝

P

2 又由反作用定律知Ｆ12＝-Ｆ21或Ｆ12＋Ｆ21＝0，故從上列二式可以得到

P

1＋

P

2＝0 之關係；若應用 1 1 1 = 1 1

'

M V

P

M

V

∆

－

及 2 2 2 = 2 2

'

M V

P

M

V

∆

－

，上式可以寫成 1'+ 2'= 1+ 2

P

2 1 2 2 '= 1

V

1

'+M

V

1

V +

2

V

M

由此可知：當兩個物體互相作用時，若無外力干擾，則其總動量恆為定值。任意獨立系統的總動量恆為定值，此稱為動量守恆定律（law of conser- vation of momentum）。所謂獨立系統（isolated system）是指不受外力作用的系統，例如最簡單的獨立系統由一個物體所組成的系統。

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二、機械能守恆一物體所具有之能量多少，與其所處之狀態如速度、位置、形狀、體積、質量、溫度等有關。物體因為運動而具有之能量稱為動能（Kinetic energy）。動能既然以物體的運動形式來表現，必定與其速度有關。考慮一質量為ｍ的物體，受一力Ｆ作用，力作用的位移為Ｓ，且速度由靜止加速至Ｖ，則由等加速運動公式可知 2

2 as

V

=

， 2

V

S=

2as

，

F=ma

故Ｆ所作的功為 2 2 1 (ma)V W=Fs= = mV 2as 2 此外力所作的功，物體在接受以後以ｕ的速度表現，固定義動能為 2 1 K= _mV 2 或 2 P K = 2 m 能量之另外一種重要的形式為位能(potential energy)，如物體在重力場中因位置改變而具有之能量為重力位能；彈簧被壓縮或拉長後具有作功的能力稱彈性位能；帶電體在電場中具有電位能等。動能與位能皆稱為機械能（mechanical energy）或力學能。一物體之重力位能為其位置的函數，當質量為ｍ的物體在離開地面高度為ｈ處，若ｈ之值不甚大時，重力場強度可視為定值，則其重力位能表示為Ｕ＝ｍｇｈ式中ｇ為重力場強度，ｍｇ為物體所受之重力，ｍｇｈ為抵抗重力，使物體升高ｈ所作的功，等於物體的重力位能。通常我們定地球表面為位能零點，越高處位

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能越大。當物體在重力場中下落時，其動能會增加，而其位能會減少；當物體上升時，其位能增加而動能減少。當物體在重力作用之下運動時，其動能之增加恆等於位能之減少，或其動能之減少恆等於其位能之增加，也就是說當物體在重力作用之下運動時，其動能與位能之和恆為定值。當物體在外力作用下運動時，若（外力或物體）所作之功完全決定於物體的起點及其終點的位置，而與其運動所循之路線無關，則稱該物體所受的力為守恆力（Conservative force）；若所作之功與物體運動所循之路線有關時，則稱該物體所受的力為非守恆力（nonconservative force）。例如：，重力與彈簧之恢復力均為守恆力，空氣之阻力為非守恆力。在物理上，動能與位能均稱之為機械能。在守恆力作用之系統中，其動能與位能之和恆為定值，此關係稱之為機械能守恆定律（law of Conservative of mechanical energy）。動量守恆定律以及機械能守恆定律為本研究之物理理論之基石，虛擬實驗室當中所有的碰撞反應，皆本於此兩理論。相關的碰撞理論已詳述如上，而有關教育與學習方面的理論則於下一節中討論。

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第二節第二節第二節第二節教育理論基礎教育理論基礎教育理論基礎教育理論基礎一、Skinner的行為主義學習理論 Skinner推測學習時腦部的內在過程無法被直接觀察到（以當時科學研究而言），所以他將注意力放在能夠藉由觀察而建立的因果關係上。他發現人類的行為會受到某些情境的增強而塑造。他提出二種可以塑造行為的情況（張春興，民 82）（一）正增強：個體反應後所獲得的刺激物，會強化個體的反應，此刺激物稱為正增強物，正增強物出現所產生的強化作用，稱為正增強。（二）負增強：個體反應後能使厭惡性刺激物停止，會強化個體的反應，此刺激物稱為負增強物，負增強物消失所產生的強化作用，稱為負增強。大部分的反覆練習的電腦軟體，都是依據 Skinner的增強原理所發展而成，例如：學生如果回答正確即可獲得獎賞或有趣的圖片及音效。藉由反覆練習來協助學生記憶重要的訊息。而反覆練習軟體背後的原理，是以回饋來增加正確回答的次數。本研究之虛擬實驗室，就是希望學生能不受時間與空間的限制，增加實驗操作的機會及次數，進而理解實驗中所蘊含的科學原理。二、Vygotsky的鷹架理論根據Vygotsky的觀點，教師或教學工具的角色是提供動態的支持，以幫助學生完成接近其近側發展區（the zone of proximal development）上限的工作，然後有系統的逐漸減少支援，讓學生獨自完成工作。Vygotsky 的主張提出鷹架（scaffolding）的概念，指出使用者進行學習活動時，若能從學習環境裡得到適當的指引，學習會最有效率。這種指引可以來自認知策略、指導教師、同儕、電腦、書面資料，或任何可以組織及提供資訊給使用者的工具。

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鷹架理論是一個可以用在電腦輔助教學設計的認知策略。例如，當要求使用者解決一複雜問題時，開始時，電腦可以以示範例子說明解題方法，然後呈現下一問題的前面部份的步驟，只保留最後一個步驟讓使用者練習，讓使用者不會覺得很難而導致沒有信心，同時，因為完成解題，使用者會覺得有成就感，提高其學習動機。然後，電腦教學系統漸漸減少其工作負擔，讓使用者逐漸增加要擔負的責任，最後，讓使用者完全負起解題責任。三、情境學習理論情境認知學習理論者認為，知識並非獨立存在於個人的腦中。知識是由個人與真實環境互動所產生。因此，知識與它所在的實際的、社會的脈絡是無法割離的（楊家興，民84）。所以，最好的教學方式是讓學生在真實的環境中學習，或是創造出逼近真實的環境中學習，學生才會有最佳的學習成效。情境學習理論的主要論點如下（楊家興，民84）： (一)分散式的智慧（distributed intelligence）：知識是分散在環境之中，知識無法由環境之中獨立出來，所以要獲得知識就必須與環境產生互動。 (二)真實性的工作（authentic tasks）：真正的學習活動應該在真實的工作環境中。 (三)認知學徒（congnitive apprenticeship）：學習應該像技藝學徒一樣，跟隨師傅不斷的練習及解決各種狀況，從而建立堅實的知識。 (四)錨式教學（anchored instruction）：提供一個具有足夠機會且能讓學生探索、體會的教學環境，才能讓學生學習到的概念著錨（anchor）。

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(五)純自然的學習評量（seamiess assessment）：既然知識是分散於環境當中，所以獨立於環境當中的人工評量是不具意義的。因此，必須採用純自然的學習評量，或是真實性的評量。 (六)社會互動（social interaction）：知識是由專業文化中的成員經由不斷的協調、互動所產生，所以學習就是文化成員之間互動的成果。 (七)教師的新角色：教師不是直接傳遞知識給學生，教師應該像個教練、輔助者甚至是同伴來協助及陪同學生學習。雖然，情境學習理論提出了相當良好的教學理念，然而在學校真實的教學環境中，老師卻無法有充足的資源及時間去安排真正的學習情境。一般傳統教室無法提供逼真的情境，許多學者認為電腦超媒體及網路科技是實踐情境教學的有效工具之ㄧ，可以彌補教室環境的不足（Winn，1993；Hay，1996；McLellan，1996； GTGV，1990，1997；Harley，1993；邱貴發，1996；楊家興，1993）（引自許瑛玿、廖桂菁，2002）。邱貴發（民85）表示情境教學已被積極地應用到各教學領域，特別是在結合電腦科技來進行電腦輔助學習與教學軟體的設計上。本研究所欲開發的虛擬物理實驗室，就是希望能藉由虛擬環境提供符合情境教學理論之學習。當然，虛擬物理實驗室設計最重要的是要能切合使用者的需求，接著將介紹 Gagne的學習理論，以期虛擬物理實驗室設計能搭配使用者之學習階段。四、Gagne的學習理論大學普通物理虛擬實驗室設計建構，主要參考Gagne的九項教學活動來符合使用者的九項學習階段，使整個學習環境及學習歷程的運作，更加盡善盡美（引自黃美珠，民86）。Gagne的九項教學活動介紹如表2-2-1

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表2-2-1 Gagne的九項教學活動內在學習階段外在的教學活動歸類 1.警覺 1.引起注意 2.期待 2.告知學習目標 3.回憶工作記憶 3.刺激先前所學的經驗準備學習 4.選擇性認知 4.呈現明顯刺激的特徵 5.語義解讀 5.引導學習 6.恢復與反應 6.鼓勵表現建立成就感 7.增強作用 7.提供有助益的回饋獲得與表現 8.暗示性恢復 8.評量學習成效 9.歸納 9.加強學習保留與學習遷移學習的遷移虛擬物理實驗室建置主要以情境學習為教育理論基礎，而虛擬實境設計規劃

以 Gagne 的九項教學活動為準則，配合 Skinner 的行為主義學習理論和 Vygotsky 的鷹架理論設計出最符合學習習慣及最具學習效益的虛擬實驗室。虛擬實境應用於教學可以說是電腦 CAI 教學的一種極致表現方式，而電腦 CAI 教學則是一種新興的教學媒體。因此，在下一節將對教學媒體做深入的探討。

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第三節第三節第三節第三節教學媒體教學媒體教學媒體教學媒體一、教學媒體的定義所謂教學媒體(Instructional Media)，就是在教學與學習過程當中，老師與學生之間，或學生與學生之間，為了傳達彼此之訊息，所使用的媒介物（陳叔英，民76）。Gerlack和Ely則認為，教學是為了要將必要的視覺資料、聽覺資料、語言資料或反應資料，加以處理、記錄、再生並提示，從利用圖畫、照片到現代的機械性、電氣性以及電子工學上的各種器具之手段，以及這些在教學上所使用之媒介物，統稱之為教學媒體（引自陳叔英，民76）。二、教學媒體的特性人類異於其他動物之處，在於人類善於使用工具來彌補人類身體的限制、延伸人類身體的能力。人類會使用梯子以便爬到高處；人類會使用望遠鏡看清楚遠方的事物；人類會使用電話聯繫遠在千里之處的親人、朋友。而對一位老師而言，教學媒體就有如上述的梯子、望遠鏡、電話，是老師教學的一項得力工具。老師可使用各種的教學媒體，來增加教學的豐富性、多樣化，讓教學活動更加生動有效率。教學媒體種類雖多，但其主要特性為下列三項（陳叔英，民76）。（一）資料的紀錄、固定、保存、再生：教學媒體就是要記錄、固定及保存某些事物或景像，等到需要使用時就可一在的顯現、展示（再生）。（二）資料的運作、編集：教學媒體在紀錄後，再一次顯現或展示時可對媒體進行運作（如：快轉、暫停畫面），以利教學的進行。另外，對於教學媒體的紀錄也可以進行編輯、剪輯，以切合教學需要。（三）概念、價值的具體化：教學媒體最具功效的教學應用就是將抽象的概念、法則、原理、價值具體化，讓使用者容易理解。

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三、教學媒體的分類教學媒體之分類為：（一）視聽媒體（Audiovisual Media）：包括書籍、圖表、圖片、實物、標本、戲劇、表演類媒體、語言..等。（二）傳播媒體（ Communication Media）：包括電視、廣播、報紙、雜誌等。（三）硬性媒體（Hardware Media）：簡稱硬體，包括電腦、電視、錄放影機、錄放音機、幻燈機…等等有關硬體設備器材。（四）軟性媒體（Software Media）：簡稱軟體，包括電腦程式、磁片（碟）、影片、錄音帶、錄影帶、電視與廣播節目等，有關軟體教材資料。（五）電腦媒體（Computer Media）：電腦科技之日新月異、傳統靜態之教材早已無法滿足使用者不同程度之需求，因此以電腦做為教學媒體，其最大之特色就是在學習過程中提供了更完整及個別化之學習情境。也因此促進了 CAI電腦輔助教學的蓬勃發展。

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第四節第四節第四節

第四節 CAI CAI CAI電腦輔助教學 CAI電腦輔助教學電腦輔助教學電腦輔助教學

一、CAI的定義

CAI（Computer Assisted Instruction），是利用電腦之教育系統及利用電腦之教學學習系統，也可以說是以電腦來支援、直接教導學生之學習活動為目的之系統（陳叔英，民76）。

二、CAI的設計原則

CAI設計原則（黃美珠，民86）：

（一）訂定明確之教學目標（Instructional Objectives）。（二）確定教學對象（Specify Targeted Audience）。（三）創造交談式（Interactive）學習環境。（四）強調個別化（Individualized）教學。（五）吸收使用者之注意力。（六）提供適當的回饋。（七）評估學習成效。（八）良好CAI畫面設計。

（九）以教學設計原則（Principle of Instruction Design ）為依據。

三、CAI軟體的學習型態

CAI有許多的教學方式，以下分別敘述最常用的五種方式（陳叔英，民76）。（一）練習演算方式（drill and practice mode）：在電腦控制下，按照使用

者的學習狀況及學習能力，逐步的顯示演算問題，主要用於基礎知識及技能的訓練。

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教學過程的實施是以編序教學的方式進行。將各種測驗及診斷記憶於電腦電腦根據使用者的特性、成績、學習狀況來評估，選擇最適當的教學講義給學生。（三）詢問方式（inquiry mode）：這種方式雖然也是使用電腦來實施，但是，是以使用者為主體。使用者主動對電腦下指令，主動查詢或要求所欲獲得內容。

（四）遊戲與模擬方式（game and simulation mode）：將日常生活中較複雜的、難理解的現象、環境、或理論法則，設計成遊戲或模擬訓練，也就是現在正如火如荼發展的虛擬實境。

（五）解決問題方式（problem solving mode）：使用者使用對話型的語言與電腦互動，並根據電腦中所得的結果，進行修正來解決問題的學習方式。此種CAI不僅須預先準備幫助改正用的問題及說明，還要按實際需要，自動產生未知的解答，因此屬於較高階的人工智慧型CAI。本研究之虛擬物理實驗室即屬於遊戲與模擬方式的 CAI電腦軟體，以虛擬的介面引導使用者進入學習的殿堂，盼能為普通物理實驗課程的教學帶來一份新的氣象。

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第五節第五節第五節

第五節虛擬實境虛擬實境虛擬實境虛擬實境

一、虛擬實境的定義

虛擬實境的原文是Virtual Reality，最早是由 VPL Research公司的創辦人 Jaron Lanier所提出，意思就是一個無中生有的環境，但是卻可以讓人覺得跟真實環境一樣（林志勇等，民95）。許美玲（民84）則認為簡單地說就是在電腦上建構一個虛擬的世界，並藉由特殊的使用者介面讓人進入該世界，而彷彿身歷其境般。李哲毅（民92）則認為虛擬實境是藉由整合3D繪圖、3D音效與其他人體感知介面所構成的一個模擬環境。歐陽明（民84）指出虛擬實際的基本原理在於利用電腦產生並控制一個虛擬世界，在此虛擬世界中可以感受到如同身處於一個真實的環境。張俊彥（民91）認為虛擬實境是一項可以創造出與使用者互動的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以看到、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。綜合上述說法，研究者認為虛擬實境可以說是一種藉由電腦整合了繪圖動畫、影像、音效及相關的周邊設備來模擬出真實世界環境，而讓使用者的視覺、聽覺、觸覺能與所模擬的環境產生互動的操作介面。二、虛擬實境的要素虛擬實境是多項技術的結合，一個好的虛擬實境系統，最重要就是要讓使用者融入其中，並感受有如置身真實環境當中。因此，在設計建構虛擬實境系統前，必須要先了解虛擬實境的特性，虛擬實境的設計建置必須具備虛擬實境三要素，也就是所謂的3「I」（林志勇等，民95）。（一）想像力（Imagination）：經由美工設計、動作拆解、場景規劃、拆光分布、光影配置與3D立體圖像引發人類想像力（許秀影等，民89）。

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（二）互動性（Interaction）：使用者能透過顯示器、資料手套、位置追蹤器等器材與虛擬場景中的物件產生互動，經由這些器材的操作則更會有置身真實環境的感覺。（三）融入性（ Immersion）：透過虛擬實境的周邊設備所產生的視覺感受，讓使用者感受到有如親臨現場的感覺。三、虛擬實境的型式虛擬實境所包含的技術以及其應用的領域相當廣，因此，林志勇等（民95 ）將虛擬實境依「投影產生方式」與「場景製作方式」兩方面來進行分類。而依「投影產生方式」，可概略分為下列四大類：（一）桌上型虛擬實境（Desktop VR）：是最簡易、經濟的形式，主要是以一般的個人電腦配備為主，使用鍵盤、滑鼠或搖桿做為輸入介面，搭配螢幕顯示影像並結合音效卡、喇叭產生所需的音效。多用於產品行銷、設計、電玩遊戲、以及教育訓練上，從虛擬實境3 I的觀點來看，並無法達到完全融入的效果（許衷源，民93）。但是因為成本較低廉，是虛擬實境入門的最佳選擇，也最被廣為使用。（二）投射型虛擬實境（Projection VR）：利用數台正或背投影機，投影在將使用者者包圍起來的大型螢幕上，可供多人觀賞使用，多用於大型會議、展覽、以及娛樂事業上。（三）模擬型虛擬實境（ Simulation VR）：專為模擬訓練或娛樂用途的設計，大部分是以實體設備進行改裝，或是製作出與實體一模一樣的操作環境。例如飛行模擬訓練，使用者坐在密閉駕駛艙中，隔絕真實世界的干擾，享受逼真的虛擬實境。若搭配運動平台，讓模擬器依操作情形而有不同的運動反應，會有相當不錯的融入感。

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（四）沉浸型虛擬實際（Immersion VR）：是利用頭戴顯示器及追蹤系統來取代螢幕，隔絕真實世界的干擾，並搭配數位資料手套來加強觸覺感受，以及搭配音效系統來加強聽覺感受，讓使用者完完全全融入模擬場景中，是目前融入感最好的虛擬實境型式。除了所需要搭配的設備不同之外，不同的虛擬實境系統亦具有不同的特色，如下表2-5-1所示，表2-5-1 「投影產生方式」不同的虛擬實境系統比較表型式週邊設備特色桌上型滑鼠、軌跡球、搖桿及一般個人電腦螢幕虛擬實境建置經濟，但卻無融入的效果，適合應用於電玩遊戲及教育訓練。投射型大型投射螢幕、投影機及立體音效裝置環場場景可供多人同時使用，適合應用於大型活動宣傳。模擬型與實機相仿的特定操作環境搭配運動平台，讓模擬器依操作情形而有不同的運動反應，常用於駕駛、飛行訓練上。沉浸型頭戴式顯示器、3D滑鼠、追蹤器、資料手套、立體音效裝置及其他感官輸出裝置建置價格昂貴、但情境真實使用者可完全融入。

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本研究礙於時間及經費上的考量，採用較簡易之桌上型虛擬實境系統，周邊設備僅搭配一般個人電腦、鍵盤以及滑鼠。雖融入性效果較差，但建置虛擬環境成本相對低廉許多，使用者使用設備要求也不高，盼能藉由此特性能廣為推行增加使用率。若依虛擬實境「場景製作方式」加以分類，許秀影等（民89）將虛擬實境概分為下列三大類：（一）幾何式虛擬實境( Geometry-Based VR)：這種形式的虛擬實境是指在虛擬環境中的所有場景及物件都是由3D模型模擬建置而成，因為每個物件都真實存在於場景中，所以很容易設定其行為及互動模式，故具有相當高的互動性，可讓使用者彷彿置身其中。但也因為每個物件都是3D物件建構而成所以建置者必須花費較多的時間建立3D物件模型，且如果要達到較高真實性，就須仰賴電腦複雜的運算，因此需要較高效率的電腦設備。（二）影像式虛擬實境( Image-Based VR )：這種形式的虛擬實境製作相當簡易，只要在欲製作成虛擬實境的景點架設照相機，每隔十五度至三十度拍攝一張照片，然後將這些照片經過特殊的軟體加以縫合，這樣就可以得到一個全景影像了。由於虛擬實境是由真實的照片所構成具有相當高的真實感，且不需複雜的運算，但是由平面照片所構成的場景一定缺乏景深，且沒有任何互動性可言。（三）混合式虛擬實境(Hybrid VR )：上述兩種虛擬實境的缺點可由混合式虛擬實境解決。混合式虛擬實境以影像式虛擬實境的方式建立場景，然後在依據需求在場景中在加入3D物件以增加互動性，如此能節省龐大場景製作的時間，也能兼具虛擬實境的互動性。但混合式虛擬實境並非完全沒有缺點將3D物件放至於照片背景中容易產生突兀的感覺，無法真正融入背景中。

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三種不同的建置方式都具備有各自的優缺點，研究者整理如下表2-5-2所示：表2-5-2 三種虛擬實境系統優缺點比較表 VR形式優點缺點幾何式虛擬實境 1.互動性最佳。 2.人物及物件可自由行走或移動。 3.場景具有景深立體視覺效果。 1.模型製作難度較高。 2.場景製作需較長時間以及較高之製作費用。 3.對於硬體配備的需求較高。影像式虛擬實境 1.場景製作簡單迅速、製作費用較低廉。 2.場景真實度較高。 3.不需使用高檔之電腦配備。 1.互動性較差、且只能定點觀看。 2.無法處理不存在之場景。 3.無法提供具備景深之立體視覺效果。混合式虛擬實境結合了幾何式與影像式的部份優點，可依據需求、開發時程及硬體設備，調整兩種製作模式所佔之比例，較易於理想與需求間取得平衡兩種模式結合處容易有破綻與突兀不協調的狀況。由於現在桌上型電腦運算能力進步速度驚人，進行3D模型運算已不成問題，且虛擬物理實驗室當中實驗器材的操作需要相當多的互動性，因此本研究較適合採用幾何式虛擬實境系統。充分了解不同類型之虛擬實境系統的特色以及優缺點之後，研究者接著探究虛擬實境在各領域上的應用，以作為虛擬物理實驗室建置之參考。

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四、虛擬實境的應用由於虛擬實境的擬真特性，近年來虛擬實境已被應用於各領域，以下將虛擬實境在各方面的研究及實際應用，整理如下：（一）國防軍事上：最廣為人知的飛行模擬器(Virtual Cockpits)，大量被採用於駕駛員的訓練上（歐陽明等，民84）。「虛擬實境」技術應用於軍事教學上可以克服造價昂貴的裝備訓練在天候、地形、地物、後勤支援等諸多不利因素，並可減少其他人為疏失造成之意外事件（許秀影等，民 89）。（二）醫學：利用斷層掃瞄(CT)、核磁共振(MRI)、超音波(Ultrasonic)等掃瞄所得的平面影像建成立體模型，再用虛擬實境的方式顯現，以利於醫師診斷及操作手術（歐陽明等，民84）。另外，在手術之前先進行模擬的練習，可以讓醫生先熟悉手術部位周圍組織的分布情形，並事先發現可能遭遇的問題而予以掌握，不僅可縮短手術時間，也可增加手術的安全性（許美玲，民84）。（三）科學研究：虛擬實境被大量用在實驗模擬方面，如虛擬風洞(Wind Tunnel) 實驗、星球表面（planetary surfaces）及分子架構的模擬（歐陽明等，民84）。Loftin等指出在一個虛擬的量子力學實驗裡，學生可以建構自己的實驗活動，透過直接操作和控制虛擬物件（量子）與調整其參數值，來改變及觀察量子運動的情形，而改變加速度及重力在真正實驗時是無法做到的行為（引自張基成、周保南，民90）。在化學模擬方面，北卡大學建立了一套供生化學家使用的系統，它可供研究者載入蛋白質分子結構，並戴上頭戴顯示器進入該結構中進行觀察與分析（許美鈴、朱賢良，民84）。（四）教育訓練：虛擬實境在教育與訓練上的應用潛力可謂相當豐富，主因在於虛擬實境的動態多媒體與立體情境模擬科技（張基成、周保南，民90）。

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許美鈴（民84）也指出運用虛擬實境於教育及訓練上，除了可以加強學習效果外，並可節省訓練經費，尤其具有危險性或成本高的動作，都可藉由虛擬實境的技術來進行訓練，例如：飛行訓練、潛水駕駛訓練、作戰模擬等等。在國內部份，蔡立展等（民95）也曾經製作出射出成型機的專屬教育訓練教材。（五）休閒娛樂：由於虛擬實境具有高互動性和立體視覺效果，可用於建置各種3D模型以提供感官和動態模擬，因此非常適合用來建置數位博物館的導覽系統和展示內容（唐文華，民90）。另外，電影中的特殊效果、電視及遊樂器中虛擬遊戲、虛擬世界的介紹等等，都可以發現虛擬實境的蹤影。（六）工程應用：虛擬實境被廣泛運用在CAD和CAM的領域，用來加速產品的開發及降低成本。另外，也應用於工程設計與規劃如管線配置、電路規劃、土木結構分析、機械設計、工業配線（張基成、周保南，民90）。例如Virtools 與EON均能製作出模擬機械運動的原理，並進行組裝或拆解。（七）商業應用：虛擬實境在產業界的應用範圍非常廣泛，例如：波音公司完全應用虛擬實境技術設計波音777新型客機；高雄市政府利用虛擬實境技術設計「東沙群島」網頁，藉由3D互動介紹東沙生態之美（蔡立展等，民 95）。虛擬實境應用於廣告製作(包括動產、不動產、一般業務推銷及企業網頁製作等)、虛擬商店，達到完整地介紹商品的目的，使顧客不出門，就能購買到滿意的貨品。雖然虛擬實境已被廣泛的應用，但虛擬實境是否適合使用於教育上，以及如何使用虛擬實境於教育上，仍需進一步的討論，以下將探討如何將虛擬實境應用於教育領域。

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五、虛擬實境在教育上的應用在教育方面，虛擬實境可以應用在如 CAI 軟體、教室教學、教育情境等教育學習系統的製作與呈現（張基成、周保南，民 90）。所謂百聞不如一見，學習最好的方法就是親身經歷，但是，在課堂當中，我們不可能讓歷史重演，或讓學生做具有危險性的實驗。（黃仁竑、游寶達，民 84）如果能應用虛擬實境於教學上，則對學生在學習上必有很大的助益。例如：在一個虛擬的歷史環境裡，學生可以任意的遨遊於歷史的時空中，探索歷史考古遺跡中神祕奧妙事物與歷史事件，扮演歷史人物，藉著改變歷史的時事人地物，探究歷史現象的軌跡以及歷史事件的前因後果，獲得日常生活中不易得到的經驗（張基成、周保南，民 90）。虛擬實境應用於中小學教學，可讓學童設計自己的家，學童藉著滑鼠控制盡情揮灑屬於自己的家，讓學生體驗空間規劃並對幾何圖形有更深刻概念（鄭思堂，民 88 ）。黃仁竑及游寶達（民 84）更指出利用虛擬實境於教學上會有下列幾點幫助：（一）提高學習興趣。（二）身歷其境的融入於學習中。（三）提供新的觀點。（四）提供學習的自然介面。而趙金婷、鄭晉昌（民 88）也覺得虛擬實境應用於教育的優點如下：（一）3D 沉浸的感受（二）多重感官線索（三）以多重參照架構（frames of references）觀察物體（四）模擬的學習環境（五）以視覺化的方式呈現資料

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許秀影等（民 89）亦認為虛擬實境應用於教學可達到的效益如下：（一）強調使用者與主題有關物件與場景間的互動關係，教學環境可由強化主題設計詢問與學員充份互動。（二）跨越目前僅有靜態教學的限制，虛擬實境的互動反應設計可以遂行動態實作課程的目的。（三）立體與景深的技術可補強多媒體課程無法滿足真實互動場景即時呈現的缺憾，互動式的教材易於開發。（四）虛擬實境技術結合電腦繪畫、動畫、電腦輔助教學等諸項技術實務應用特性，面授課程可以藉精進虛擬實境課程規劃而予以落實。（五）立體呈現之即時影像更能讓學員有較佳的學習意願與互動行為反應。（六）學員須經由實際操作相關輸出入設備以取得與主機的訊息溝通，深入運用電腦及周邊設備功能有強化學習的效果。（七）擴大虛擬實境技術擬真與互動的特性參與，文字或圖片教材可提昇至以實體物件型來表現主題意境。（八）身歷其境的情境效果讓學員有較大的思考及想像空間。（九）虛擬實境技術明顯提高教學品質，對於學員認知心理有強化效果。由上述可知，許多研究者都認為應用虛擬實境於教學上具有相當多的優點，也都對虛擬實境未來的發展抱持著相當大的期望，可見虛擬實境在教學應用上的潛力。許秀影（民 89）針對高中、國中、國小各教育課程，應用虛擬實境技術的可行性加以評估，評估結果如下表：

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表2-5-3 各項課程適用之「虛擬實境」技術分析表適用技術組別適用「幾何式虛擬實境」之課程適用「影像式虛擬實境」之課程適用「混合式虛擬實境」之課程國小教材語文、數學、體育、音樂道德與健康、社會、鄉土教學活動、自然、美勞交通安全教育、資訊教育國中教材國文、英文、數學、歷史、理化、體育、家政、音樂、童軍教育生物、物理、美術、健康教育、地球科學電腦生活科技公民與道德高中教材國文、英文、數學、歷史、物理、化學、家政、音樂地球科學、地理、美術電腦生活科技軍訓雖然本研究之主要研究學科為大學之物理實驗課程，但參考許秀影（民89）所整理之資料，可發現國中之理化以及高中物理課程適合採用幾何式虛擬實境，因此本研究之虛擬物理實驗室採用幾何式虛擬實境技術。虛擬實境適用於教育領域已經無庸置疑，但須依據哪一些原則或要點才能設計出好的虛擬實境教學環境，以下研究者將針對虛擬實境設計原則進行討論。五、虛擬實境的設計原則儘管虛擬實境在教學上具備相當的潛力，但是沒有好的規劃設計，其效益必定大打則扣。趙金婷及鄭晉昌（民88）指出虛擬實境強大的功能能否發揮的關鍵在於學習環境設計之優劣，因此在設計之前須考量下列事項

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（一）設計學習環境的理論基礎（二）課程內容（三）使用者（四）建構學習環境 1. 實境的性質 2. 簡化的程度 3._{使用者建構的程度} 4._{引導的方式} 5._{回饋的方式} 6._{合作的方式} 7. 多重感官線索 8. 參照點而單文經（民88）也提出有效的虛擬環境應具有的特性如下：（一）沉浸的附加價值（二）超越抽象的符號系統（三）將抽象的表徵具體化（四）現場感的重要性（五）在虛擬環境中協同合作（六）改正迷思概念設計虛擬實境操作介面容易，但是設計好的虛擬實境介面卻非易事。基於上述各項相關理論基礎，虛擬實境架構儼然成型，但是欲建構好的介面，相關軟體的協助勢必不可少，下一章即對物件建模軟體和虛擬場景建置軟體進行探討。

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第三章

研究方法

第一節第一節第一節第一節虛擬實驗室發展流程虛擬實驗室發展流程虛擬實驗室發展流程虛擬實驗室發展流程圖 3-1-1 虛擬實驗室發展流程

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第二節第二節第二節第二節碰撞實驗介紹碰撞實驗介紹碰撞實驗介紹碰撞實驗介紹本虛擬物理實驗室最主要內容是藉由物體的碰撞實驗，來探討動量守恆定律及動能守恆定律，實驗課程內容以及實驗器材設備，主要是參考國立台中教育大學現行的普通物理實驗課程，相關的實驗內容詳述如下。一、實驗目的（一）了解動量守恆定律、動能守恆定律。（二）能夠操作碰撞以了解動量守恆定律及動能守恆定律。二、實驗原理（一）當一多粒子系統不受外力作用時，該系統的總動量保持不變，稱為動量守恆定律。（二）若該系統中的兩粒子進行完全彈性碰撞時，則兩粒子的總動量與總動能在碰撞前後維持不變。（三）若該系統中的兩粒子進行完全非彈性碰撞時，則兩粒子的總動量在碰撞前後維持不變。（四）本實驗考慮下列四種情形來探討碰撞現象： 1. 將質量為 m1的粒子以初速 V1向靜止且質量為 m2的粒子進行頭對頭完全非彈性碰撞。 2. 將質量為 m1的粒子以初速 V1向靜止且質量為 m2的粒子進行頭對頭完全彈性碰撞。 3. 將質量為 m1的粒子以初速 V1向質量為 m2初速為 V2的粒子進行頭對頭完全彈性碰撞。 4._{將質量為 m}1的粒子以初速 V1向質量為 m2初速為-V2的粒子進行頭對頭完全彈性碰撞。三、實驗方法本實驗用水平氣墊軌道，實驗時滑車的質量固定。碰撞情況：大碰小、小碰大、快碰慢、慢碰快均可。（一）實驗設備 1. 小型氣源

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2. 光電管B（HPCI-1 03） 3. 氣墊軌道（10 mm 擋光片 1片） 4. 滑車（二）實驗裝置 1.將氣墊軌道水平放置於水平實驗桌上。 2.分別在軌道上標誌為 50cm 及 20cm 處設置兩支感應光電管。 3.將滑車一及二分別置放於軌道上標誌為 70cm 及 0cm 處。 4.參考實驗手冊的實驗步驟讓滑車一及滑車二分別以不同的初速進行碰撞實驗。本研究參考上述實驗課程手冊內容，再依據虛擬實境特性以及使用者操作便利性做適當的修改，確定實驗器材及設備後即進行3D模型建構，研究所採用之3D 模型建構軟體介紹如下。

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第三節第三節第三節第三節 3D 3D 3D 3D模型建構軟體模型建構軟體模型建構軟體模型建構軟體一、3D Studio 7.0簡介 3Ds max 的工作環境非常複雜也非常細膩，僅就主要工具列介紹。說明： 1：功能表列 2：主工具列 3：指令面板 4：編輯視窗 5：動畫控制區 6：視埠導覽控制目前在電腦上製作動畫，不但可以設計造型，其他相關的材質、燈光、攝影機都能夠加以模擬，就如同在真實世界中拍攝動畫一樣。3Dsmax包含了動畫製作的五大流程，茲分述如下：圖 3-3-1 3DS MAX 介面外觀

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一、建立模型物件設計一個電腦動畫或造型，最重要的步驟就是建立模型物件。在3Dsmax中提供了許多工具，讓您能夠輕易地完成一個立體模型物件。二、材質的處理當我們建立好一個模型物件時，僅是一個架構，就如同石膏像一樣，如果希望能夠逼真如蠟像館展示的樣子，則需要為此模型加上材質，例如填上顏色與設定為皮膚或金屬材質等。三、燈光與攝影如果將一個真實的模型放在書桌上，透過燈光的照射與不同角度的觀察，則會有不同的效果，例如陰影的位置、反光的強度等。在3Dsmax中特別提供了這些功能，讓使用者在設計作品時能夠產生逼真的效果。四、動畫完成所有場景與模型後，3D電腦繪圖最吸引人的地方就是能夠模擬一些真實的動作，也就是產生動畫，例如火山爆發、雪花片片，或是動物走路、飛翔、跳躍等。同樣地，3D max亦將其視為此軟體的重要功能。五、彩現電腦繪圖在編輯過程中，有許多細節的處理會加以省略，以便使用者能夠順暢的編輯設計作品。當作品設計完成之後，使用者會希望顯示完整狀況，甚至加以輸出，這時就要用到彩現功能。在本研究3D物件的建模方式，大致上如圖3-3-2所示

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以「Line」畫出物件線稿以「Extrude」擠出模型深度填上適當材質「Export」成*.nmo檔圖3-3-2 3D物件建模流程圖依據研究者所蒐集碰撞學實驗之實驗器材，使用3DSMAX完成3D物件建模，接著就是將建置好的實驗器材模型匯入虛擬場景建置軟體中以製作虛擬互動操作環境，相關的虛擬場景建置軟體於下節論述。

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第四節第四節第四節第四節虛擬實驗室場景建置虛擬實驗室場景建置虛擬實驗室場景建置虛擬實驗室場景建置虛擬物理實驗室的建置當然有賴於虛擬實境軟體的協助，但傳統的開發工具多是為具有程式設計背景的工程師而研發，如V R M L 、J a v a 3 D 等需要撰寫程式碼才能運作，對於不具程式背景的開發者而言，想開發虛擬環境之前，還要先受過程式設計的訓練才能勝任，門檻實在相當高。所幸，目前許多虛擬實境開發軟體出現，這些軟體的共同特色就是，讓沒有任何程式基礎的人也能夠進行虛擬實境的開發，使用者只要專注於內容的設計，不需要直接面對程式設計的問題。以下將較常見的虛擬實境開發軟體之比較列於表3-4-1。表3-4-1常見的虛擬實境開發軟體比較表

Cult3D EON Studio Virtools

最新版本 5.3 5.2 4.0 Web Player 免費免費免費是否支援3DS Max 是是是行為模組 40種 100種 500種壓縮功能有有有支援資料庫有無有支援資料串流無無有動作編排無無有發佈網頁有有有 Cult3D是由Cycore公司於瑞典所開發，Cult3D可以讓使用者在網路上創造出具有互動性的3D物件。雖然Cult3D在國外網站上運用相當廣泛，但大部份都用來做商品的展示，例如汽車、攝影機、珠寶、手錶與運動用品等商品，且美中不足的是Cult3D不支援3DSMAX。

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EONStudio為 EONReality公司於瑞典所研發，針對一般桌上型虛擬實境系統所設計的，樹枝狀的設計介面，只要拖曳所需的行為模組並設定參數，就可以簡單地達到互動的效果。行為模組約一百種，但如果行為模組不敷使用時，需購買 SDK版的Studio才能來開發模組。 Virtools 是一套由 Virtools公司於法國所研發出來的虛擬實境整合軟體，由於其超強的開發功能與後端的整合能力，目前已成為虛擬實境的主流之一。流程圖式的編輯介面與超過五百個以上的行為模組，可以輕易地滿足無程式背景的使用者，使用者只要拖曳內建的行為模組，便可建構複雜的互動行為。評估上表三套虛擬實境軟體， Virtools 具有較多的行為模組，在互動性方面較Cult3D與EON Studio高出許多，由於虛擬物理實驗是需要較多互動與操作，而且也提供動作編排及資料庫的支援的功能，尤其是支援資料串流的功能，可讓使用者一邊瀏覽一邊下載，有利於虛擬物理實驗室在網際網路上的推廣，所以本研究選擇Virtools為虛擬實境開發工具。以下即介紹本研究所採用之虛擬實境開發軟體Virtools。一、Virtools 簡介 Virtools 是一套虛擬實境整合軟體，可以將現有常用的檔案整合在一起，如 3D 的模型、 2D 的圖形和音效，也可以將工業用 CAD/CAM/DCC 檔案 (如 Solidwork、AutoCAD、Catia、Pro/Engineer 等)或 3D 軟體所設計的模型轉成 Virtools 可使用的檔案格式.nmo。Virtools 是一套具備豐富行為模組的即時性 3D 環境、虛擬實境編輯軟體，可以製作出許多不同用途的 3D 產品。

Virtools 的最大特色在於「互動行為模組」（Building Block），虛擬環境的建置感覺就像堆放積木一般，可以利用 Drag & Drop 拖放方式將內建的互動行為模組賦予在適當的物件或角色上，並以流程圖的方式決定行為模組的處理先後

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順序，逐漸編輯組合成一個完整的互動式虛擬世界，因此可以輕易地滿足無程式背景的使用者，軟體入手的門檻相對的較低。Virtools 基本就擁有超過 500 個以上的互動模組可供運用，經由編輯後的互動模組群環更可以組合成一個新的單一互動模組以方便重複使用、編輯。而具備程式背景的設計師，也可利用腳本 (Script)撰寫程式模組，就可控制場景裡的任何物件，在 3D 環境的建置設計上具有相當的彈性。圖 3-4-1 Virtools 流程圖 Virtools 的編輯介面如圖 3-4-2 所示，編輯介面可分為： 1. 主選單：在主選單中可以操作檔案開啟及儲存、資源庫的開啟、視角的轉換、使用者的設定等功能。 2. 操作介面：虛擬場景建置之主要編輯功能選鈕，可操作模型的移動、縮放、旋轉，插入燈光以及 2D、3DFrame 等功能。 3. 場景顯示視窗：虛擬場景編輯時物件顯示的視窗，可由使用者切換視窗。 4. 行為模組視窗：軟體中內建之行為模組，藉由拖拉行為模組即可建立場景中物件的互動行為。 5. 檔案資源管理視窗：虛擬場景中所加入的物件的 3D 模型，材質，貼圖，燈光…皆會依序分類存放於此，以利使用者編輯。

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圖 3-4-2 Virtools 介面外觀

研究者選擇 Virtools 為 3D 虛擬環境建置軟體，整體來說是因為 Virtools 包含了下列幾項優點：

（一）檔案資源管理(Level Manager )清晰：在Virtools操作介面當中，所有物件的檔案，都會依照分類顯示在各個不同的部分（如圖3-4-3）。例如 3D 物體就會在 3D Objects分類顯示，燈光會顯示在Light的分類中，攝影機會顯示在Camera的分類中等，方便使用者管理檔案中的資源。在Virtools 中，一個檔案可以包含許多不同的場景(Scene)，而場景可以依需要再動態加入至目前所開啟的檔案中。圖3-4-3 檔案資源管理圖

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（二）行為模組資料庫( Building Block Library)：內建超過500個以上的行為模組，使用者只需要以拖曳的方式就可以套用在物件上（如圖3-4-4）。此外使用者也可以利用現有的行為模組，組合再建立一個新的行為模組，此新的行為模組可以另外獨立儲存成一個檔案，以供其他使用者或是在其他專案上使用。因此使用者使用相關的模組即可輕易建立簡單的3D虛擬環境，軟體的使用門檻較低，可相對節省人力及時間的耗費。圖3-4-4 行為模組資料庫圖（三）除錯工具(Debug tools )：使用者在編輯行為模組的過程中，可以隨時利用除錯工具，檢視是否有邏輯上的錯誤並加以修正，以達到最佳的狀態。（如圖3-4-5）圖3-4-5 除錯工具圖（四）物件參數設定介面(Entities setup )：每一個物件都有自己的設定介面，依照每一類別的不同而有不一樣的參數可以修改，如3D 物體的參數設定

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介面中，可以修改位置座標、旋轉角度、比例大小...等資料（如圖3-4-6）。圖3-4-6 物件參數設定圖（二） Profiler：可以讓使用者得知執行時計算時間的分配如何、有多少個物件正在處理中、貼圖使用了多少mb的記憶體...等（如圖3-4-7）。圖3-4-7 Profiler設定圖（三） Virtools SDK：Virtools SDK 具有可新增自訂的行為模組、可整合編譯成標準的執行檔、可運用行為模組資料庫的原始碼加以增刪修改、可存取多樣化的媒體格式（如圖 3-4-8）。圖 3-4-8 Virtools SDK 設定圖

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二、Virtools Physic Pack

本研究所建置的虛擬物理實驗室主要藉由滑車的運動探討動量守恆及機械能守恆定律，為了模擬真實世界的碰撞情形，物件的物理屬性設定相對顯得重要，而 Virtools 所整合的 Physics Pack（如圖 3-4-9）正好符合這樣的需求，有關於 Virtools Physics Pack 介紹如下（引自愛迪斯網站）。

圖 3-4-9 Physics Pack 設定圖

Virtools PhysicsPack 整合了 Havok 公司頂尖的物理屬性引擎，使得 Virtools 的使用者在製作 3D 互動場景的過程中更加便利。Virtools Physics Pack 包含了 29 個新的行為模組 ( Building Blocks，簡稱 BB)，提供使用者多種物理屬性的運用，諸如重力、質量、摩擦力、彈力、物體間的物理限制、浮力、力場與車輛的動態物理屬性等功能。這些功能大大縮短使用者製作的時程，減少設計師繁複冗長的物體動態製作過程與程式設計師撰寫演算法的實作。

Virtools Physics Pack 提供開發者高階行為模組來處理複雜的物理模擬模型。使用 Virtools Physics Pack，開發者可輕易表現線上互動的全新境界，場景中的物件將不用透過下載全部的行為模組即可以栩栩如生的表現，所有類型剛體的摩擦力與重力作用也都可以自動立即檢視。

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在互動應用上加入物理屬性的步驟，就如同在物體中加入其它行為模組般容易，只需要簡單的拖-拉-放，沒有程式語言基礎的設計師也能輕易使用。這項最先進的元件，可順利的被整合於 Virtools 架構中，提供開發者一個單一的使用者介面來整合多樣化的技術。Virools 降低了設計者跨入虛擬實境的門檻，為虛擬實境的發展開啟了嶄新的一頁。因此，研究者希望能藉由 Virools 軟體的優點建立操作簡易且互動佳的虛擬實驗室，虛擬實驗室建置完成後即進行使用者評估，相關的研究設計將於下一節加以論述。