應用KINECT體感技術輔助國小健身操學習系統設計架構

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(1)國立臺中教育大學數位內容科技學系碩士在職專班碩士論文. 指導教授:王曉璿. 博士. 應用 KINECT 體感技術輔助國小健身操學習系統設計架構. 研究生: 鄭博旗. 撰. 中華民國一百零二年六月.

(2) 謝誌首先要感謝的是指導教授──王曉璿教授，不僅要感謝他在論文上的引導與鼓勵，更感謝在我突遭人生低潮期間變成心靈導師給予安慰與支持，在彷徨失措之際能夠重穩腳步，完成學業。這兩年，他對學術研究的認真與堅持，對學生親切的關懷與嚴謹的指導，從他身上學習到的不僅是豐富的知識與技能，更讓我感受到他那氣度非凡的學者風範，是我學習的典範，將深深影響我未來的教學。感謝口試委員朱延平教授與吳育龍老師在計畫提審階段給予精闢的見解及建議，讓研究能夠更加周延，以及在口試階段悉心審閱與指正，讓論文能更趨完善。感謝同窗秋全、錦雄、麗敏、麗年、睿昕、正祥、冠延、玟蓉在程式與課程上的幫助；感謝榮霖、元隆、躍龍、益明的幽默，讓我年輕不少；感謝文君、靜宜、國志、奎榕的班級服務，讓我能更專心於研究與課業; 尤其感謝文君在我低潮期間的傾聽與支持。感謝任職學校同事志澤與銘通老師以及班上 22 位可愛的小朋友參與各項施測，使得我的研究順利進行並開花結果。謝謝一路上曾經幫助過我的人，在此獻上真摯的祝福與謝意，謝謝！最後，特別感謝我最親愛的家人，謝謝爸爸、媽媽、妻子一路上的支持與鼓勵，讓我順利完成碩士學業。. 鄭博旗. 謹誌. 2013 年 6 月.

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(4) 摘要教育部推廣第一代新式健身操至今，許多研究都論及健身操在推廣上有「教材太難」的問題，所以如何增進學生健身操的學習是推廣健身操極重要的課題。使用多媒體影片實施體操或舞蹈教學已行之多年，但這種傳統的多媒體教學在動作學習上有一個很大的問題──除非老師或教練在場，否則就不能像一般知識性的教學媒體給予「外在回饋」。「動作擷取系統」可解決「外在回饋」的問題，但大部分的系統技術門檻高、價格昂貴而且要穿戴感測裝置，幾乎只能在實驗室中進行。2011 年 6 月微軟公司公布 Kinect SDK for Windows 細節，利用 Kinect 硬軟體擷取使用者的關節位置資料數據，經處理分析再與正確的動作做比對。利用比對的差異給予使用者評分或指導語的「外在回饋」，這正好彌補了電腦多媒體輔助動作教學與學習的缺憾。值此體感科技進步並依據健身操推廣與學習所產生的問題加以思考，結合以 Kinect 體感裝置，設計發展一套輔助國小 4 至 6 年級新式健身操的學習系統。開發完成後進行系統測試與評估，所得主要結果如下：一、系統評分與教師評分呈正相關，顯示系統的評分機制是有效的。二、使用此系統確實能提升學童的健身操學習動機。三、大部分學童在系統介面給予正面肯定，並認為系統新奇有趣，其回饋機制激勵了他們的學習。. 關鍵字：Kinect；動作學習；動作擷取. I.

(5) Abstract How to enhance elementary school students learning in the gymnastics exercises is always an important issue in Taiwan education. For several years, multimedia courseware has been used as an assisted tool in gymnastics teaching. This kind of multimedia teaching has a big problem in the motor learning which can’t offer the external feedback immediately. Motion capture system can solve the problem about immediately external feedback, but most of the systems which technical threshold is high and the price is expensive need to wear heavy device, almost only in the laboratory. June 2011 Microsoft released Kinect SDK for Windows. The use of differences which the joint position data of the user captured by Kinect compares with the correct motor can give users "External feedback" , and then makes up the shortcomings of the problem. On the progress in motion-body technology, this study will combine with Kinect devices to design a learning system for the gymnastics exercises for elementary school. Hope to enhance fun and effectiveness of learning gymnastics exercises for elementary school. The main results are as follows: 1. The system's score is positively correlated with teachers', so the mechanism of the system's score is effective. 2. The use of this system can really improve students' motivation to learn the gymnastics exercises for elementary school. 3. The majority of children give positive feedback to the system interface and consider the system is novel and interesting. Keywords: Kinect; motor learning; motion capture. II.

(6) 目錄摘要 ......................................................... I Abstract .................................................... II 目錄 ....................................................... III 表目錄 ....................................................... V 圖目錄 ...................................................... VI 第一章. 緒論 ................................................. 1. 第一節研究背景與動機.......................................................................................... 1 第二節研究目的與問題.......................................................................................... 3 第三節研究範圍與限制.......................................................................................... 4. 第二章. 文獻探討 ............................................. 5. 第一節第二代新式健身操及其推廣上的問題 ..................................................... 5 第二節動作學習理論與電腦多媒體學習 ............................................................. 9 第三節動作擷取系統............................................................................................ 14 第四節 MICROSOFT KINECT 軟硬體探討 .................................................................... 18 第五節 MICROSOFT KINECT 系統一般及在教育領域上的應用探討 ........................ 23 第六節文獻總結.................................................................................................... 30. III.

(7) 第三章. 研究方法 ............................................ 33. 第一節研究流程.................................................................................................... 33 第二節系統目標.................................................................................................... 34 第三節系統發展模式............................................................................................ 35 第四節系統架構.................................................................................................... 36 第五節研究對象.................................................................................................... 40 第六節研究工具.................................................................................................... 40 第七節施測流程.................................................................................................... 47 第八節資料處理與分析........................................................................................ 48. 第四章結果與討論 ........................................... 51 第一節系統開發結果 ............................................................................................. 51 第二節開發過程中遭遇到的問題以及解決策略 ................................................. 64 第三節系統測試與評估結果 ................................................................................. 71. 第五章結論與建議 ........................................... 81 第一節結論 ............................................................................................................. 81 第二節建議 ............................................................................................................. 82. 參考文獻 .................................................... 85. IV.

(8) 表目錄表 1. 新式健身操 4 至 6 年級前奏 RAP 與暖身運動各動作分段及動作要點 ... 6. 表 2. Kinect 詳細規格 .............................................. 20. 表 3. 量表、問卷專家效度審查名單 .................................. 41. 表 4. 「國小五年級新式健身操學習動機量表」項目分析決斷值一覽表 .... 42. 表 5. 「國小五年級新式健身操學習動機量表」因素分析摘要表 .......... 44. 表 6. 「國小五年級新式健身操學習動機量表」信度分析摘要表 .......... 46. 表 7. 單一檢查項目的評分標準 ...................................... 57. 表 8. 動作前後測教師評分與系統評分相關一覽表 ...................... 72. 表 9. 各個動作項目兩位教師給分與系統評分之相關摘要表 .............. 73. 表 10 參與動作測驗學童國小新式健身操學習動機前後測相依樣本 t 檢定摘要表 ............................................................. 74 表 11 系統介面設計合宜性調查分析結果一覽表 ........................ 75 表 12 施測學童對本學習系統的建議或使用感想彙整表 .................. 77. V.

(9) 圖目錄圖1. Fitts 和 Posner 動作分期說示意圖 .............................. 10. 圖 2. Adams 的閉鎖環理論示意圖 ..................................... 11. 圖 3. 基模理論示意圖............................................... 12. 圖 4. 感覺回饋的種類............................................... 13. 圖 5. 機械式動作擷取系統設備圖 .................................... 15. 圖 6. 電磁感應式動作擷取系統設備圖 ................................ 16. 圖 7. 光學式動作擷取系統設備圖 .................................... 16. 圖 8. Wii Remote................................................... 17. 圖 9. Microsoft Kinect ............................................ 18. 圖 10 Kinect 硬體說明 .............................................. 19 圖 11 Kinect 資料串流圖 ............................................ 20 圖 12 Kinect for Windows SDK 架構圖 ................................ 21 圖 13 骨架追蹤關節位置與名稱 ...................................... 21 圖 14 Kinect 骨架座標系統 .......................................... 22 圖 15 互動式投影廣告架構圖 ........................................ 24 圖 16 用手勢控制飛行器的飛行 ...................................... 24 圖 17 利用 Kinect 在室內不碰撞飛行 ................................. 24 圖 18 用 Kinect 即時監測呼吸系統 ................................... 25 圖 19 盲人導航輔具系統 ............................................ 25 圖 20 行走側彎偵測器............................................... 25 圖 21 智慧型輪椅................................................... 25 圖 22 多重輸入的擴增實境系統實例 .................................. 26 圖 23 Kinect 做成的虛擬試衣室 ...................................... 26. VI.

(10) 圖 24 使用 Kinect 手勢控制電子白板 ................................. 27 圖 25 以手勢操控 Google Earth 地理資訊系統 ......................... 27 圖 26 Xdigit 手勢操作數學學習軟體 .................................. 28 圖 27 高爾夫揮桿教學輔助系統 ...................................... 28 圖 28 武術學習輔助系統 ............................................ 28 圖 29 Kinect 體感色彩遊樂園 ........................................ 29 圖 30 Xbox LIVE 虛擬人偶聊天室 ..................................... 29 圖 31 研究流程圖................................................... 33 圖 32 雛型模式之系統開發程序及參與人員 ............................ 35 圖 33 預備開發操作介面示意圖 ...................................... 36 圖 34 預備開發選單滑出示意圖 ...................................... 36 圖 35 系統操作流程示意圖 .......................................... 37 圖 36 整體系統架構................................................. 38 圖 37 系統安裝完成圖............................................... 47 圖 38 系統初始畫面................................................. 51 圖 39 分解動作選單跳出畫面 ........................................ 51 圖 40 動作選單更換畫面 ............................................ 52 圖 41 分解動作名稱放大顯示畫面 .................................... 52 圖 42 右手觸及圓形播放鈕超過 1.5 秒畫面開始播放 .................... 53 圖 43 系統評分與評語顯示畫面 ...................................... 53 圖 44 關節/肢段位移曲線圖 ......................................... 54 圖 45 利用波峰與標準組波峰的時間差異來評判動作優劣示意圖 .......... 55 圖 46 利用峰數不同來判斷動作的對錯示意圖 .......................... 55 圖 47 擷取標準組數據資料建立評分標準實施圖 ........................ 56 圖 48 指定小區間找峰谷值問題 1 示意圖 .............................. 65. VII.

(11) 圖 49 指定小區間找峰谷值問題 2 示意圖 .............................. 65 圖 50 波形剖半尋峰法示意圖 ........................................ 65 圖 51 波形剖半尋峰演算流程圖 ...................................... 66 圖 52 波形剖半尋峰演算第一個問題示意圖 ............................ 67 圖 53 波形剖半尋峰演算剖半位置自動調整示意圖 ...................... 67 圖 54 波形剖半尋峰剖半位置自動調整演算流程圖 ...................... 68 圖 55 波形剖半尋峰法所遭遇到的第二個問題示意圖 .................... 68 圖 56 三點判斷峰值演算雜訊問題說明圖 .............................. 69 圖 57 三點判斷峰值演算法非真峰判別說明圖 .......................... 69 圖 58 三點判斷峰值演算法真峰判別說明圖 ............................ 70 圖 59 三點判斷尋峰演算流程圖 ...................................... 70 圖 60 系統實機測試情況圖片(一) .................................... 71 圖 61 系統實機測試情況圖片(二) .................................... 71 圖 62 學生利用下課時間對本系統練習情況圖片 ........................ 72. VIII.

(12) 第一章緒論本章共分為三個小節，第一節研究背景與動機、第二節研究目的與問題、第三節研究範圍與限制，以下為本章各節內容的敘述說明。. 第一節. 研究背景與動機. 教育部為了有效提昇校園內的運動風氣、促進學生的體適能，以及培養並養成長期適度且規律的運動習慣，1997 年起陸續針對國小、國中與高中職的學生編製新式健身操教材，並加以推廣（沈憲政，2004）。謝銘燕（1999）指出新式健身操因跳躍動作多，活動量夠，可彌補現代學生體能不佳問題，然而因動作較複雜有難度，需花費更多學習時間。林惶欽（1999）指出新式健身操因音樂節奏段落不明顯、動作無規律性且變化快，導致學習者不易領悟。陳張榮（1999）提到校地狹小，新式健身操教材太難等問題。管敏華（2007）指出自 1997 年開始推廣第一代新式健身操至今，已多次參與新式健身操的研習、推廣與競賽，從中發現參與教師的反應不佳、實施推展成效不如預期等問題。對國小體育教師而言，新式健身操突顯老師不易教、學生不易學，以及希望能有符合老師及學生能力教材的問題（管敏華，2007）。管敏華（2007）的研究顯示在臺北縣(現新北市)、臺北市國小實施課間操所感受的阻礙因素依序分別為「時間不足」、「教材難度」及「能力缺乏」，在國中則是依序分別為「教材難度」、「時間不足」及「教師意願」。綜合先前研究者都論及健身操在推廣上皆有「教材太難」的問題，所以如何增進學生健身操的學習是推廣健身操極重要的課題。體育教學與其他教學最不同的地方在於他具有動作技能的學習與練習（蕭筱青、陳五洲，1999）。所謂練習(exercise)是指以掌握一定的動作或活動方式為目標的反覆的操作過程（馬啟偉、張力為，1996）。健身操的學習亦屬於動作的學習，要做出正確、符合期待的動作需要時間去學習與練習。Bandura（1986）. 1.

(13) 觀察學習理論強調個人或學習者能從觀察「範型(model)」中得到學習，學習者從觀察中模仿「範型」，藉著自我回饋和自我修正，逐漸使個人的動作接近「範型」的動作。使用多媒體影片實施體操或舞蹈教學已行之多年，學習者跟著影片中的教練或示範者的動作來學習，示範者的動作就是一個「範型」。但這種傳統的多媒體教學在動作學習上有一個很大的問題──除非老師或教練在場，否則就不能像一般知識性的教學媒體給予「外在回饋」。胡名霞（1998）指出動作學習的回饋訊息分成「內在回饋」及「外在回饋」，內在回饋乃自身聽到、看到、感覺到之後進行自我的修正回饋，而外在回饋是旁人給予的，通常是以口語方式表達。外在回饋又分成「結果的回饋」與「表現的回饋」，結果的回饋是動作結果的告之，例如：投籃進了沒，考試 90 分或 100 分等；表現的回饋是告知動作執行過程的表現，例如某個角度要再大一點，動作快一些或慢一些等。林清和（2006）與林德隆（1995）都認為：回饋訊息是運動技能學習上的一大因素，若能得到外在回饋對運動技能的表現有極大幫助。傳統的電腦多媒體在動作學習的軟體發展方面，因很難做到「結果的回饋」讓使用者知道動作的正確率或是「表現的回饋」給予使用者動作的指導語。有關肢體動作技能，如體操、舞蹈可透過「動作擷取系統」獲得相關數據資料進而記錄、判斷並改善不符合要求的動作。但這些動作擷取系統有的技術門檻高，有的價格昂貴，有的穿戴不便，幾乎只能在實驗室中進行，不能像以滑鼠或觸控螢幕為介面的教學軟體一般能在低價甚至免費的情況下製作與推廣，所以在這個區塊的進展幾乎是停滯不前。所幸這幾年互動體感遊戲的發展與各大遊戲廠商的相互競爭竟彌補了這個缺憾，首先是任天堂 Wii 的熱賣刺激 Sony 及微軟公司也相繼推出自己的體感遊戲，其中令人驚奇的便是 2010 年 11 月微軟公司 Kinect 體感裝置的推出。從早期的跳舞機到近年來的 Wii 都只是針對部分身體肢段來偵測動作，而 Kinect 是針對全身(full body)的肢段來偵測，加上操控上強調「你即是遙控器」，不需手持或穿戴任何感測器就能以手勢或動作來操控介面，和其他公. 2.

(14) 司的產品相比更加方便。Kinect 上市沒多久微軟公司似乎有意要讓 Kinect 成為平民級的動作偵測裝置，2011 年 6 月微軟公司公布 Kinect SDK for Windows(SDK； Software Development Kit，譯為「軟體開發套件」）細節，讓 Kinect 除了可在 Xbox360 平臺上運作外，開發者還可以使用 C++或 C#在其他作業平臺上開發，此時體感遊戲平民化開發已露出曙光。因此利用 Kinect 硬軟體擷取使用者的關節位置數據資料，經處理分析再與正確的動作做比對。利用比對的差異給予使用者即時評分或下指導語的「外在回饋」，這正好彌補了電腦多媒體輔助動作教學與學習的缺憾。國小新式健身操推行數十年來，各級學校一直只能利用教育部所發行的影片來實施多媒體教學，值此體感科技進步，並依據健身操推廣與學習所產生的問題加以思考，如何結合以 Kinect 體感裝置，設計發展一套輔助國小 4 至 6 年級新式健身操的學習系統並探討在設計開發的過程中遇到的問題或瓶頸、依試用者的建議來修改系統，開發完成後評估系統評分有效性與調查此系統是否增進學生學習動機，調查並探討使用者對此系統介面的合宜性，期能提升國小新式健身操的推廣與效益。. 第二節. 研究目的與問題. 一、研究目的： (一)探究開發以 Kinect 體感互動偵測為基礎的國小新式健身操動作學習系統策略與方法。 (二)探究系統開發完成後其評分機制的效益狀況。 (三)評估並探討此系統是否增進學生學習動機。 (四)探究使用者對此系統介面合宜性的看法及建議。. 3.

(15) 二、研究問題：根據研究目的，研究的問題如下： (一)設計及開發過程中可能會遭遇到的問題： 1.要以何種開發模式開發此系統？ 2.要採何種開發工具才能有利於此系統的開發？ 3.此系統要偵測使用者的動作，系統需要哪些子系統(模組)才能完備有作用？ 4.系統各模組開發的優先順序為何，才容易且成功的架構此系統？ 5.體感操作介面要如何設計，操作者才容易明白，容易操作？ 6.動作的評判標準為何？如何架構？ 7.在電腦效能限制下，資料如何擷取、如何評判？ (二)開發完成後進行評估系統評分是否有效？ (三)針對此系統研究是否能增進學生學習動機？ (四)針對此系統探究使用者對此系統介面合宜性的看法及建議？. 第三節. 研究範圍與限制. 本研究必須在雛型系統完備下才能進行後續的調查與分析，基於研究人力及時間，以本研究只針對第二代新式健身操 4 至 6 年級分解動作內前奏 RAP 與暖身運動部分進行系統設計與開發，其餘階段與內容不在本研究範圍之內。. 4.

(16) 第二章文獻探討本章將進行與本研究有關的文獻探討，第一節整理並了解第二代新式健身操的源由、動作以及推廣上的問題。第二節將針對動作學習的相關理論做探討並說明傳統多媒體在動作教學因缺少外在回饋的缺憾；第三節將探討專業級的動作擷取系統與平民、商業化動作偵測遊戲機的發展，進行各類動作擷取系統的相互比較，探討 Microsoft Kinect 為何成為電腦科技新寵兒。第四節將了解架構 Kinect 系統運用到的軟硬體並探討適合本研究的開發平臺與軟體。第五節彙整應用 Microsoft Kinect 的相關文獻並探討在教育領域上的應用。第六節針對整個文獻做一個結論，從而進行下階段的系統開發規劃與研究。. 第一節. 第二代新式健身操及其推廣上的問題. 本研究針對教育部現今推廣的第二代新式健身操進行設計開發，了解推廣第二代新式健身操的推廣源由，探討新式健身操在推廣與本身的問題以及分析各分段動作與動作要領以便利日後系統設計開發。以上的了解、探討或分析對本研究有其必要性，故分述於下。一、第二代新式健身操源由：教育部從 1996 年開始，成立了「國民體能規劃委員會」，負責提昇、審核、督導及考核國民的各項體能活動。另外，舊式健身操礙於節奏緩慢、動作呆板、缺少變化，在實施方面常常流於形式，已經不符合時代需求。因此，教育部特別委託台北市立體育學院編製一套「新式健身操」，並負責推廣（沈憲政，2004）。 2003 年教育部為活絡校園內運動風氣、創新體育教材，再度委託台北市立體育學院編製「第二代新式健身操」。第二代的編製是以第一代為基礎，參考實施過程中的各界意見再予以翻新，以期能提供各界煥然一新的感覺，也更符合學生的需求（管敏華，2007）。不同於第一代新式健身操，第二代採取的是「一套音樂、. 5.

(17) 兩套動作」模式，肢體動作比第一代更豐富、除了傳統的扭腰甩手動作外，還演出中國功夫裡的蹲馬步、打拳，就連時下最流行的 RAP 舞蹈也融入其中，還結合拳擊有氧，甚至有棒球術語。學校往後只需要播放同一種音樂，就可以讓練習不同動作的低年級與高年級學生同時起舞，不會受到音樂類別限制，達到全校健身總動員的目的（顏新洲，2006）。二、第二代新式健身操 4 至 6 年級動作分段與動作要點：第二代健身操依學生年齡不同共有四套，包含：(1)國小 1 至 3 年級組；(2) 國小 4 至 6 年級組；(3)國中組；(4)高中職組（陳俊池，2006）。為便利日後系統設計開發，依據教學手冊（教育部，2005）整理第二代新式健身操 4 至 6 年級分解動作中前奏 RAP 與暖身運動各動作分段及動作要點，如表 1 所示。. 表 1 新式健身操 4 至 6 年級前奏 RAP 與暖身運動各動作分段及動作要點分動動作段作拍動作要點分段節名數次稱插預備腰 2*8 雙手置於腰側，隨拍子踮起腳跟。動作舉拍踵握第前奏拳左腳往左跨一步，右手插腰，左手握拳屈肘，上下振動一 RAP RAP 二下同時左右擺動腰部二下。內節點交第雙腳開立，雙手左斜胸前交叉比出前三指(掌心朝下)，前奏叉二 RAP 接著雙手在胸前由內往外繞三圈，手臂伸直豎起大拇 RAP 轉節指。手踏第前奏併左腳往左微屈膝踏併一次，同時雙手側平舉(掌心朝三 RAP RAP 下)，接著雙手往下畫弧內收胸前拍手一下。拍節手. 6.

(18) 表 1 新式健身操 4 至 6 年級前奏 RAP 與暖身運動各動作分段及動作要點 (續) 分動動作段作拍動作要點分段節數名次稱上雙腳站立，左右擺臀雙膝配合擺動，同時右手插腰，左第前奏下手握拳於體側，上下擺動各二下。四 RAP RAP 搖節擺轉第左腳往左跨一步同時左手往前比出前三指(掌心朝前奏手 RAP 內)，接著同前述動作惟左右相反，再雙手由內往外繞五 RAP 畫節四圈，同時雙膝配合振動。圈 1-8 左腳起，原地踏步四下，同時左手於體側左斜上方踏第伸展(掌心朝下)，右手屈肘於耳際(呈傾聽狀)，同前前奏步六 RAP 述動作惟左右相反，左右各二次。 RAP 轉節 2-8 拍左腳起，逆時針方向踏步自轉一圈，雙手同前述圈動作。 1.左腳往左屈膝重踏，右腳後勾，同時雙手握拳屈肘於勾胸前(1 拍)。第前奏腳 2.接著右腳後踏，左腳屈膝抬起，同時雙手向下伸直(1 七 RAP RAP 屈拍)。節手 3.反覆動作 1.(1 拍)。 4.後腳不放下，轉身向右，同時雙手向下伸直(1 拍)。敲雙腳合併屈膝，腳跟振三下，同握拳屈肘(拳心朝內)，第前奏手 RAP 於胸前往前方敲三下，右手握拳屈肘置於左手肘下方八 RAP 舉 (拳心朝下呈支撐狀)，接著雙手伸直往前平伸(掌心朝節踵上)由外往內招手三下，同時腳跟振三下。踏間奏步 1*8 左腳起，原地踏步八下，雙手握拳屈肘於腰部，前後自 1 擺拍然擺動。手點 1.雙手插腰，左腳尖前點二下後點二下，再左腳起原地第暖身腳 4*8 踏步四下同時雙手握拳屈肘自然前後擺動。一運動拍 2.雙手插腰，左腳尖側點二下，腳跟側點二下，再左腳踏節步起原地踏步四下，同時雙手握拳屈肘自然前後擺動。轉雙腳跨開屈膝(呈馬步狀)同時雙手屈肘於胸前，五指張第暖身 4*8 腰開(掌心朝前)，身體往左轉腰二次。身體往前傾，雙腳二運動擺拍動作不變，同時雙手屈肘握拳前後擺動八下(呈跑步節臂狀)。. 7.

(19) 表 1 新式健身操 4 至 6 年級前奏 RAP 與暖身運動各動作分段及動作要點 (續) 分動動作段作拍動作要點分段節數名次稱 1.右腳站立左腳伸直前抬，同時雙手伸直往前平舉(掌心朝下，2 拍)，再左腳收回雙手放下(2 拍)。接著左平第腳伸直後抬，同時雙手伸直上舉(掌心朝前,2 拍)，再暖身衡 4*8 三左腳收回雙手放下(2 拍)。運動拍抬 2.接著左腳伸直側抬一次，同時右手往右斜上舉、左手節腿往左下擺一次(掌心朝前，2 拍)，左腳收回同時雙手腰前合掌(2 拍)。 1.左腳起，左右腳跟點地交換四次，同時雙屈肘由外往夾第內夾八下(五指張開掌心朝前)。暖身肘 4*8 四 2.接著雙腳合併屈膝、伸直一次。同時雙手由下往上畫運動畫拍節大圈停於上方一次(4 拍)；同前述動作，重覆一次(4 圈拍)。三、新式健身操在推廣上的問題點：搜尋有關新式健身操的文獻大多是探討新式健身操對學童體適能的影響（江東軒，2011；莊桂玲，2009；陳俊池，2006；董芸，2006；賴德聲，2004；顏新洲，2006；魏宜欽，2007；龔金山，2004），而健身操本身或推廣上才是本研究要了解、探討的問題。謝銘燕（1999）指出：國小組動作設計能掌握模仿、遊戲、運動等學生所好，且新式健身操因跳躍動作多，活動量夠，可彌補現代學生體能不佳問題，然而因動作較複雜有難度，需花費更多學習時間。林惶欽（1999）指出：新式健身操因音樂節奏段落不明顯、動作無規律性且變化快，導致學習者不易領悟，以及推廣器材不夠充足等問題。陳張榮（1999）提到校地狹小，新式健身操教材太難等問題。管敏華（2007）指出自 1997 年開始推廣第一代新式健身操至今，已多次參與新式健身操的研習、推廣與競賽，從中發現參與教師的反應不佳、實施推展成效不如預期等問題。對國小體育教師而言，新式健身操突顯老師不易教、學生不易學，以及希望能有符合老師及學生能力教材的問題（管敏華， 2007）。管敏華（2007）的研究顯示在臺北縣(現新北市)、臺北市國小實施課間. 8.

(20) 操所感受的阻礙因素依序分別為「時間不足」、「教材難度」及「能力缺乏」，在國中則是依序分別為「教材難度」、「時間不足」及「教師意願」。四、小結：綜合先前研究者都論及健身操在推廣上皆有「教材太難」的問題，所以如何輔助或增進學生健身操的學習是推廣健身操極重要的課題。健身操的學習屬於動作技能的學習，因此下一節將了解動作學習的相關理論，並探討現今電腦多媒體學習在動作教學的問題。. 第二節. 動作學習理論與電腦多媒體學習. 體育教學與其他教學最不同的地方在於他具有動作技能的學習與練習（蕭筱青、陳五洲，1999）。林忠儀（2009）指出運動技能學習與一般學科是截然不同，它是一項融合肢體與大腦所共同配合的複雜學習任務，除了重視觀念的養成之外，亦特別強調親身實地的「練習」過程。Bandura（1986）強調個人或學習者能從觀察「範型(model)」中得到學習，學習者從觀察中模仿「範型」，藉著自我回饋和自我修正，逐漸使個人的動作接近「範型」的動作。在體育教學過程中經常可以發現教師教導學生時，學生不斷地反覆練習著連自己也不知道對與錯的動作（簡桂杉、麥吉誠與蕭今傑，2006）。Bandura（1986）指出動作學習本身是一種訊息獲得的過程，回饋在動作學習中提供訊息給學習者，觀察學習是一種訊息處理的過程，提供想法和行動的示範，是傳遞行為訊息最有效的方式。林清和 (2006)與林德隆 (1995)都認為回饋訊息是運動技能學習上的一大因素，若能得到外在回饋對運動技能的表現有極大幫助。除非指導老師或教練在場，傳統的動作技能學習多媒體(如影帶)因為沒有動作擷取裝置的分析與評判是無法像「認知」學習可以得到外在回饋。故本節將探討動作學習理論以及回饋在動作學習的重要性並說明傳統多媒體在動作學習上因缺少外在回饋的缺憾。. 9.

(21) 一、動作學習相關理論動作學習的理論，常見的有 Fitts 和 Posner 的動作分期說(stages of motor learning) 、 Adams 的閉鎖環理論 (closed-loop theory of motor learning)、Schmidt 的基模理論(Schema theory)。 (一)Fitts 和 Posner 的動作分期說： Fitts 與 Posner（1967）提出在動作技能的學習過程中，學習者從完全不會至了解，從了解至熟練的過程必須經過認知期、連結期、自動化期三個階段，隨著學習的過程，所需的注意力會隨之減少。，如圖 1 所示。. 圖1. Fitts 和 Posner 動作分期說示意圖（Shumway-Cook、Woollacott，1995）. (二)Adams 的閉鎖環理論： Adams（1971）提出閉鎖環理論以解釋動作技能學習的初期必須依賴回饋訊息來修正錯誤的動作，其中包括知覺痕跡(Perceptual trace)與記憶痕跡(Memory trace)兩大主題。知覺痕跡是利用已完成的動作技能，例如：以教練的動作或選手的動作影像做為一個參考值，學習者藉由此參考值來負責自我動作的修正、控制與評估，經由不斷的參考與修正後，學習者逐漸加深動作印象便形成記憶痕跡，此時的記憶痕跡即代表學習者認定最正確的動作。特別要注意的是，要確保學習者在初期所接收的回饋是正確的，否則將會形成錯誤的永久記憶。. 10.

(22) 圖 2. Adams 的閉鎖環理論示意圖（林忠儀，2009）. (三)Schmidt 的基模理論：基模理論是目前最廣泛使用的動作學習理論，Schmidt（1975）認為學習的過程會逐漸形成基模，等基模建立好就可以用動作程式來完成動作目標。所謂基模，是一種紀錄動作過程、感覺回饋、動作起始狀態、動作結果之間關係的一種記憶或概念，用在動作的基模，就是指儲存了所有關於某個動作的相關知識。基模可以分為兩種，一種是召喚基模(recall schema)，它告訴我們某個動作應該在甚麼時間下出多少力等動作變數的設定，另一種是再認基模(recognition schema)，它是一種感覺的基模，在動作開始但尚未完成前就可以預知應有甚麼感覺。學習的過程就是在建立基模，由起始狀態與預知成果所推知的動作變數越準確，成功率就會越高。好的基模可以用動作程式來完成動作目標，因為動作程式是依據基模的動作變數來完成固定順序的肌肉收縮，其中的程式包括：肌肉收縮的順序、收縮起始時間、相對力量。. 11.

(23) 圖 3. 基模理論示意圖（Schmidt，1986）. 綜合三個動作理論，Fitts 和 Posner 的動作分期說重視練習的時間分配與次數；Adams 的閉鎖環理論強調初期適時且正確的回饋；Schmidt 的基模理論重視漸進式的學習與不同動作的類化。所以在實務上讓學生多「練習」;使用不同的運動參數教學讓學生自我產生動作的「類化」並適時且正確的給予「回饋」應是動作教學的重要策略。. 二、動作學習回饋的運用依據上述動作學習理論，Adams 所提出的閉鎖環理論，知覺痕跡是利用外在回饋不斷的修正，最後形成記憶痕跡；Schmidt 的基模理論中的再認基模主要是對產生的動作做出評價(來自自我也可能從外在環境獲得或兩者兼有)並進行再修正的工作。回饋愈精細，知覺和記憶軌跡就發展得愈快，此亦將有助於新技能的習得（Adams，1971)。回饋不僅提供有關動作表現的訊息用以指導修正動作，. 12.

(24) 並且還能引發繼續追求達成表現目標的動機（Schmidt，1988) 。兩個理論都說明「回饋」在動作學習的重要性而且能精進動作的正確率並增強學習動機。回饋可分為內在回饋（ Intrinsic Feedback ）及外在回饋（ Extrinsic Feedback）兩種。內在回饋是技能表現的直接結果，通常可透過學習者直接從身體的感官獲得。例如：透過觸覺可以將手掌擊球的感覺訊息傳回給大腦，作為下次擊球的修正。外在回饋是藉由非學習者所提供的訊息，使學習者了解本身動作的回饋。可分為技能表現獲知（Knowledge of Performance，簡稱 KP）及技能結果獲知（Knowledge of Result，簡稱 KR）。技能結果獲知是有關動作結果的訊息，通常是以口語告知動作的結果，例如：告訴學生標槍投擲的距離。技能表現獲知是有關技能表現品質的訊息，通常以口語修正和動作示範來表現，使學習者了解動作技能所應注意的要領，例如：網球正手拍擊球時，告訴學生手要往上拉來完成動作（簡桂杉等人，2006）。其回饋分類如圖 4 所示。. 圖 4 感覺回饋的種類（Schmidt，1986）三、傳統多媒體輔助動作教學的缺憾外在回饋是學生在表現完後從教師那裡所收到的訊息，如能適時的運用教學回饋策略的介入給予學生教學回饋，如多稱讚、多鼓勵學生並在動作技能上給予. 13.

(25) 示範與修正，必獲得學習效果。教學回饋是指師生在互動的過程中，有效的教師回饋，是達成教學目標不可或缺的一個重要因素（王儀旭、周建智與邱仕友， 2004）。過去體育課程中所採用的多媒體輔助學習有許多種方式，最常用的方式即是拍攝選手或學生的動作影像於課堂中播放，藉由動作分析後再給予學生即時性的回饋與糾正。這些輔助教學方式往往受到上課環境、課堂時數以及觀賞角度，加上器材精密昂貴等種種因素造成普及推動的困難（林忠儀，2009）。也有人使用網路或虛擬實境的方式輔助動作學習，如徐文俊（2004）使用 Web 3D/VR 研究開發太極拳教學系統；林子超（2006）使用 3D/VR 輔助國小教師和學生的墊上運動教學；賴俊旭（2009）研究開發行動式伸展動作輔助學習系統。以上這些系統雖以電腦、網路或以 3D 虛擬實境的方式輔助動作學習，若無老師或教練在場指導仍無法獲外在回饋。要彌補電腦多媒體輔助動作教學沒有外在回饋的缺憾，只有增加動作擷取系統一途了。四、小結：以電腦多媒體製作「認知」性學習軟體以出試題的方式就可以回饋學習的成果，相較之下在動作「技能」的學習方面，除非指導老師或教練在場，使用傳統的動作技能學習多媒體(如影帶)就難以得到外在回饋。要彌補電腦多媒體輔助動作教學上沒有外在回饋的缺憾，只有增加動作擷取系統擷取人體各肢段/關節位置資料後，再由電腦分析判斷給予外在回饋這一個方法了。因此下一節將探討各類動作擷取系統並進行相互比較來了解 Microsoft Kinect 的優勢。. 第三節動作擷取系統一、定義與解釋動作擷取系統(Mocap， Motion Capture System)，為一種可將人體動作擷取下來轉換為數位資料型態的系統，能夠將真實人體的動作擷取至電腦裡（蔡承錕，2006）。動作擷取系統主要的功能是將人體動作轉換為電腦可接受的數據資. 14.

(26) 料，可在運動物體的關鍵部位裝設訊號源，由動作擷取系統記錄訊號的位置、活動的紀錄，透過電腦的處理後，提供使用者相關資料加以應用（李宗翰，2008）。二、動作擷取系統簡介目前有許多的動作擷取系統，如傳統機械式、電磁感應式以及光學式系統，使用在電影或動畫製作、舞蹈或體操實驗室，要求身體的重要肢段都能偵測到且講求精密正確，這些是屬於專業級的動作擷取系統；而這幾年因遊戲機、手機、平板電腦的發展也發展出其他動作擷取系統，如陀螺儀式以及影像式系統，運用在休閒娛樂上，只要求部分肢段(手或腳)，這些是屬於平價商品化的動作感測系統。以下是主要動作擷取/感測系統簡介： 1.專業級動作擷取系統 (1)傳統機械式動作擷取系統：這是最早發展出來的動作擷取系統（李宗翰，2008），如圖 5 所示。機械式動作擷取系統是利用固定於示範人員身上的「連桿」與「轉軸」來記錄關節的旋轉角度資料。優點是設備價格低廉，最大的缺點是裝備體積大，限制示範人員某些動作的表現（李宗翰，2008）。. 圖 5. 機械式動作擷取系統設備圖（李宗翰，2008）. 15.

(27) (2) 電磁感應式動作擷取系統：電磁感應式系統(如圖 6 所示)可以同時捕捉記錄關節的位移及旋轉角度資料，一般可以看到捕捉區域附近會有一至二個透明球或黑盒子(磁場產生器)，安裝於演員身上的感應器其實就是線圈，其原理就是利用線圈在磁場中移動會產生電流，利用電生磁的方向性定律，得以記錄該線圈在三度空間中的位置及轉動角度（李宗翰，2008）。. 圖 6. 電磁感應式動作擷取系統設備圖（李宗翰，2008）. (3)光學式動作擷取系統：光學式擷取系統採用數台(6 台以上)紅外線(或紅光 LED)攝影機，在示範人員身上黏貼訊號源，如圖 7 所示。經由攝影機群組拍攝訊號源位置後，可得到每個訊號源的空間位移軌跡。因光學式系統對示範人員的動作限制最少，所以在目前各領域中的應用程度最高，當然其設置費用亦最為昂貴（李宗翰，2008）。. 圖 7. 光學式動作擷取系統設備圖（李宗翰，2008）. 16.

(28) 2.平價商品化動作感測系統 (1)Wii Remote：在運用感測儀上最知名的應屬任天堂(http://www.nintendo.com/)在 2006 年 11 月上市的 Wii 其手持遙控器「Wii Remote」，如圖 8 所示。任天堂 Wii 放在電視端的 sensor bar，左右兩端各有五個紅外線 LED。Wii Remote 的光學感應器，可以根據這些 LED 成像的位置、角度、變化的速度，計算你距離電視的遠近，上下左右移動的方向、距離、速度和前後移動的速度（林永祥，2010）。. 圖 8. Wii Remote. (2)Microsoft Kinect：在 2010 年 11 月 Microsoft 標榜「你就是遙控器」的 Kinect 推出（DeVincenzi、Yao、Ishii 與 Raskar，2011），如圖 9 所示。Kinect 採用紅外線 3D 感測技術，無需光點，由攝影機發出紅外線脈衝光照射被攝景物，由 CMOS 影像感測器接收反射回來的紅外線，由系統整合晶片分析，產生代表被攝景物距離的 VGA 解析度深度圖像，最後透過 USB 2.0 介面傳輸到主機進行進階辨識（林永祥，2010）。2011 年 6 月微軟公司公布 Kinect SDK for Windows 細節，讓 Kinect 除了可在 Xbox360 平臺上運作外，開發者還可以使用 C++或 C#在其他作業平臺上開發，此時體感遊戲平民化開發已露出曙光。. 17.

(29) 圖 9. Microsoft Kinect. 三、小結：綜合上述各動作擷取系統特性，專業級的擷取系統雖較精密，但有單價高，穿戴不便等問題，不適合在一般學校教學普遍推廣。Wii 這幾年來雖然有其他的運用，如 Lee(2008)利用 Wii Remote 作出 3D 感應頭盔、低成本的電子白板等；陳穎盛（2008）利用 Wii Remote 在空中的軌跡當作文字的輸入；Pearl(2008)在其部落格介紹將 Wii Remote 放置不動，反持較輕的紅外線發射器實作 Wii Remote 互動電子白板等，但終究沒有開放應用程式開發介面 (API ； Application Programming Interface)，而且只能偵測人體部分肢段或關節，運用在一般電腦多媒體軟體上有困難。Kinect 沒有手持或穿戴動作感測儀的負荷，又沒有複雜的影像處理過程與演算法就能得到人體關節 3D 數值，加上價格便宜（Larry Johnson、Samantha Adams 與 Michele Cummins，2012），甚至微軟公司有意要讓 Kinect 成為平民級的動作偵測裝置公佈了 Kinect SDK（Alberts，2012），使得 Kinect 的應用成為全世界的焦點，儼然已成為視覺科技應用的新寵兒。. 第四節. Microsoft Kinect 軟硬體探討. 2010 年 11 月微軟上市的 Kinect 體感設備原本是 Xbox 360 的專屬週邊(Xbox 臺灣官網，2010)，使用者要將它安裝在 Xbox 360 上面，並且搭配專屬的 Kinect. 18.

(30) 體感遊戲軟體才有辦法發揮作用。由於 Kinect 有擷取動作與辨識人體的能力，加上 Kinect 的連接介面是通用的 USB 2.0 ，有人著手研究並破解，如 OpenNI(http://75.98.78.94/)定義了撰寫自然使用者介面(NUI)所需要的應用程式界面(API)，提供一個多語言、跨平台的架構。2011 年 3 月華碩公司在德國 CeBIT 上展示 WAVI Xtion 體感控制器(IT.OC.COM.TW,2011)，不過並不是應用在遊戲機上，而是可以直接連接電腦來操作電腦和玩電腦遊戲。2011 年 6 月微軟公布 Kinect SDK for Windows 細節，開發者可使用 C++或 C#開發。所以本節將探討 Microsoft Kinect 軟硬體，為系統的開發找到最適合研究者的開發平臺、工具與程式語言。一、Kinect 硬體與架構. 圖 10 Kinect 硬體說明. (一)Kinect 感應器，如圖 10 所示，可以取得以下三種資訊： 1.彩色影像 (透過中間那顆 RGB 鏡頭)。 2.3D 深度影像(透過左右兩顆紅外線發射器和紅外線 CMOS 攝影機鏡頭)。 3.聲音(透過陣列式麥克風)。 4.Kinect 支援追焦功能，底座馬達會轉動 Kinect 方向(上下各 28 度)。. 19.

(31) (二)下表是 Kinect 詳細規格，如表 2：表 2. Kinect 詳細規格. (三)系統需求： 1.作業系統: Windows 7 (x86/x64) 2.硬體： CPU：雙核 2.66GHz 以上 3.RAM：2GB 以上 4.顯示卡：支援 DirectX 9.0c 以上 5.Kinect 感應器 (四)Kinect for Windows 架構：. 圖 11 Kinect 資料串流圖如圖 11 所示，Kinect 的 NUI 程式庫提供應用程式取得 Kinect 感應器傳送至主機的三種資訊串流：(1)彩色影像串流(2)深度影像串流(3)聲音串流。圖 12 是完整的 Kinect for Windows SDK 架構圖：. 20.

(32) 圖 12 Kinect for Windows SDK 架構圖 (五)Kinect 骨架追蹤： Kinect 的骨架追蹤系統可以在感應器可視範圍內主動追蹤最多兩位玩家的骨架，應用程式取得的是一堆座標的集合，稱為骨架關節位置，因此在初始化 NUI 時要指定骨架資料，並且啓動骨架追蹤(曹祖聖，2011)，所有的關節位置與名稱如圖 13：. 圖 13 骨架追蹤關節位置與名稱（Webb、Ashley，2012）. 21.

(33) (六)Kinect 骨架座標系統： Kinect 骨架座標系統，如圖 14 所示：(1)三度空間(x, y, z)。(2)使用單位:公尺。(3)以感應器為中心，Z 軸是感應器面對的方向，Y 軸向上，X 軸向左。. 圖 14 Kinect 骨架座標系統（Jana，2012）二、系統開發工具與軟體由於 Adobe Flash Professional 在多媒體應用的便利性及高互動性，是製作電腦多媒體學習教材時相當常用的工具，所以本研究系統的開發將在 Adobe Flash Professional CS6 上以 ActionScript 3.0 為程式語言來進行。 Flash 與. Kinect. 裝置溝通介面上先前有 as3KINECT. 網站. (http://www.as3Kinect.org/)開發了 as3Kinect 類別指令，讓 Flash 設計者可以利用其 API 建構 Kinect 相關的應用，但由於 as3Kinect 的架構在使用上仍有許多問題，發現初始追蹤定位慢及操作中容易遺失追蹤等問題有待克服（王曉璿、鄭博旗、林志宏與黃敏記，2012）。張慶權（2011）也發現透過 OPEN NI 函式庫取得的原始資料會有不準確，或部份關節不靈敏的現象。2011 年 11 月 as3NUI 網站(http://www.as3nui.com/)發表了 AIRkinect 1.0，以 AIR(Adobe Integrated Runtime)技術擺脫 as3Kinect client-server 的架構，在 Flash 下直接外掛 ANE(Native extensions for Adobe AIR，譯為「原生擴充功能」)，其操作及反應速度已優於 as3Kinect（王曉璿、鄭博旗與林志宏，2012）。. 22.

(34) 三、小結：綜合 Kinect 軟硬體的了解與探討，現今 Kinect 軟硬體技術已經成熟，因此本研究將以 Aobe Flash Professional CS6 為開發工具，利用 AIRkinect 提供的類別指令並結合 Kinect 體感裝置，設計並開發一個以 Kinect 體感裝置輔助國小 4 至 6 年級新式健身操的學習系統。. 第五節. Microsoft Kinect 系統一般及在教育領域上的應用探討. 在 Xbox 官網(2011)上就描繪了 Kinect 在醫學、教育、工業、國防、藝術等各領域未來的發展與應用。愛輪米(2011)在其網路文章中介紹了用 Kinect 執行由日本程式開發者所發展出來的 Kinect 擴增實境遊戲，分別使用 StagePresence 將自己融入桌面環境中，用 So Touch Air Presenter Plus 類似電影「關鍵報告」隔空做簡報，完全利用手勢來控制圖片、文件下一張、上一張，縮放等動作。相對於圖形使用者介面(GUI；Graphical User Interface)這種新奇有趣的自然使用者介面(NUI; Nature User Interface)，使得 Kinect 的應用成為全世界電腦科技的新焦點。這兩年來 Microsoft Kinect 在各領域已出現不少相關應用，所以本節將蒐集整理國內外應用 Kinect 的相關文獻，並探討在教育領域上的應用。一、Microsoft Kinect 系統在工商、醫療等領域的應用： (一) 互動式投影廣告：趙國松（2012）利用 Kinect 形成真實與虛擬互相結合之互動式投影廣告，如圖 15，以瞭解運用互動式廣告是否可以增加消費者對廣告商品的認知或提高購買意願等。尤易彥、何俊達等人（2012）以 Kinect 體感方式設計互動式公益廣告，依據觀看者的肢體動作來與燈箱廣告產生互動，創造出一個以觀看者肢體為核心概念之互動式燈箱廣告系統。. 23.

(35) 圖 15 互動式投影廣告架構圖 (二)機電控制： Sanna、Lamberti、Paravati 等人（2013）利用 Kinect 擷取人體手勢達到控制微型四軸飛行器的目的，如圖 16；也有研究者直接將 Kinect 固定在飛行器上利用深度影像，在不規則的空間中自主飛行旋轉，如圖 17，並回傳該空間貼好 RGB 圖片的 3D 影像（Bachrach 等人，2011）。黃祐翔（2011）利用 Kinect 對地面及地上的物體進行偵測，使用偵測到的數據建立地面的模型，並以此數據對自走車進行引導。. 圖 16 用手勢控制飛行器的飛行. 圖 17 利用 Kinect 在室內不碰撞飛行. (三) 醫療/輔具： Xia 與 Siochi（2012）利用 Kinect 深度影像建構即時監測呼吸系統，如圖 18，其結果與儀器量測數據呈高度相關，顯示此系統是有效的。Filipe 等人（2012）利用 Kinect 深度影像建構一個即時導盲系統，在前有障礙、無障礙、上樓梯、. 24.

(36) 下樓梯的偵測上，正確率皆逹 98%以上；蘇仕瑋（2013）更結合智慧型手機利用藍牙耳機裝置，製作一個盲人導航輔具系統，如圖 19，為了減少盲人使用觸控螢幕的不便，採用藍牙耳機的多媒體按鍵進行各項控制，讓盲人提早做出轉向或折返的準備。Clark、Pua、Bryant 等人（2013）運用 Kinect 偵測行走側彎的情況，如圖 20，並立即給予糾正姿態的回饋，之前的矯正裝置有價格高、設備不易搬動的缺點，因此克服。Tomari、Kobayashi 等人（2012）使用 Kinect、雷射測距儀製成智慧型輪椅，如圖 21，輔助嚴重行動不便者在狹小的空間移動不致於產生碰撞。. 圖 18 用 Kinect 即時監測呼吸系統. 圖 20 行走側彎偵測器. 圖 19 盲人導航輔具系統. 圖 21 智慧型輪椅. 25.

(37) (四) 虛擬/擴增實境： Vera、Gimeno、Coma 等人（2011）設計一個多重輸入的擴增實境系統，如圖 22 使用 Kinect 捕捉演員動作控制一個虛擬人物並演算臉部情緒，並使用手機陀螺儀來檢測頭部運動，用 WiiRemote 輸入資料，呈現在畫面中。. 圖 22 多重輸入的擴增實境系統實例依據 Net(2011)的報導，俄國公司展示利用 Kinect 做成的虛擬試衣室，如圖 23，購物者不用穿脫衣服、飾品，站在螢幕前就能即時看到自己穿戴該服飾的形象，不滿意或是想更換，揮揮手或是移動手掌到更換鈕就會幫購物者換一套。. 圖 23 Kinect 做成的虛擬試衣室. 26.

(38) 二、Microsoft Kinect 系統在教育上的應用： (一）教學設備應用： Ronchetti 與 Avancini（2011）使用 Kinect 設計並完成一套模擬電子白板 (IWD，Interactive Whiteboard)系統，是由程式取得人體骨架，以體感操作的方式取代傳統上較為高價的電子白板（Hsu，2011），如圖 24，完成後調查顯示在大部份的使用功能上尚能被認同。Boulos 等人（2011）使用 Kinect 以手臂的動作去操控 Google Earth 等地理資訊系統 (GIS ， Geographic Information System) ，如圖 25，可運用在教學活動中。. 圖 24 使用 Kinect 手勢控制電子白板（Alberts，2012）. 圖 25 以手勢操控 Google Earth 地理資訊系統. 27.

(39) (二）一般課程教學應用： Lee、Liu 等人（2012）發展一套命名為 Xdigit 以 Kinect 手勢辨識，體感操作的數學四則運算系統，如圖 26，以競爭、趣味的方式進行數學教學活動。. 圖 26 Xdigit 手勢操作數學學習軟體南非網路學校與微軟公司合作在 KwaZuluNatal 之湖濱小學用 Xbox Kinect 進行英文遊戲教學，發現學童讀寫能力更好（Larry Johnson、Samantha Adams 與 M Cummins，2012）。 (三)體育或舞蹈動作的矯正與評判：郭癸賓、黃世育等人（2013）開發一套高爾夫揮桿教學輔助系統，如圖 27，將 Wii Fit 平衡板與 Xbox360 的 Kinect 視訊系統相互結合，將此二種設備結合應用，讓新的系統可以具備動作分析與重心移動軌跡的回饋功能。Wen-Chun、 Yung-Cheng 等人（2012）用 Kinect 偵測武術動作，動作完畢後給予分數回饋的學習系統，如圖 28；也有使用在偵測太極八法（余韋任，2012），並給予立即給分。 Alexiadis 等人（2011）使用 Kinect 擷取舞蹈動作並給予即時評分，不同於傳統使用者同步追隨已預錄好的畫面，其舞蹈動作可重新設定、修改。. 圖 27 高爾夫揮桿教學輔助系統. 圖 28 武術學習輔助系統. 28.

(40) (四)音樂美術：王曉璿、鄭博旗、林志宏等人（2012）以 Flash 為開發工具並結合 Kinect 體感動作，設計「Kinect 體感色彩遊樂園」系統，可用手在空中寫字繪圖，利用手部離身體的遠近製造出筆畫粗細，猶如在空中寫書法，如圖 29 所示，增加了書法或繪畫課程的互動與趣味。Yoo、Beak 等人（2011）用音源器產生定義好的 MIDI 樂音，利用 Kinect 骨架資料來控制音樂的表現，使用者只要移動肢體，就可做即興的演奏。. 圖 29 Kinect 體感色彩遊樂園 (五)遠距操作與教學：可透過 Kinect 將影像與聲音經由網際網路與智慧手機或平板電腦等行動裝置進行即時、不受空間與時間限制的互動學習與溝通（DePriest、Barilovits， 2011）。更可透過虛擬人偶的技術，由 Kinect 追蹤線上人物的臉部表情與肢體動作直接反應在虛擬人偶上，如圖 30，讓參與的人除了從言語外，更能呈現個人在虛擬會議中的表現或直接感受會談氣氛（Zhang，2012）。. 圖 30 Xbox LIVE 虛擬人偶聊天室. 29.

(41) 三、小結： Kinect 在各領域上的應用不勝枚舉，綜合在教育方面的探討，大多應用以體感操作為主，結合了身體活動與知識或技能的學習。在課程中將 Kinect 融入電子白板以遊戲的方式進行教學活動；在音樂或藝術繪畫教學可進行音樂節奏練習以及美術繪圖摸擬；藉由物件辨識在螢幕上將虛擬物件呈現在虛擬或真實影像中進行虛擬或擴增實境的互動，實現虛實互現的學習模式；在體育舞蹈課程可以擷取學童動作進行分析評判，給予即時的糾正、指導與評分的回饋；或者利用結合 Kinect 的各種益智、運動、遊戲套裝軟體進行教學活動。這種借助肢體動作、聲音語言等手段進行的自然使用者操作介面(NUI)，充分刺激各個感官學習的功能，讓學習者如同身臨其境，比空洞抽象的說教更具說服力（黃騰，2012）。這場因 Kinect 在教育上造成的風潮已如火如荼展開，不久的將來，即使是一般的課程學生在教室就像在遊樂場一樣舉手投足，跑跳搖擺也不足為奇。在此 Kinect 風潮下，思考國小健身操問題，亦可利用 Kinect 擷取健身操動作經電腦分析對學童表現的準確性給予即時回饋，研究者決定發展一套使用 Kinect 輔助國小 4~6 年級新式健身操的學習系統，並進行相關的研究。. 第六節文獻總結回顧有關新式健身操的文獻發現健身操本身有動作太難的問題，在推廣上也有練習時間不足、教師能力缺乏等問題。利用影片播放等多媒體輔助教學不受時間或空間限制，可不限次數重覆練習，也可利用課餘時間或回家練習，但這種多媒體教學若無教練或老師在場就難以得到動作學習理論中重要的環節「外在回饋」。科技的進步使動作擷取系統日新月異，擷取人體動作後經程式分析判斷可得到外在回饋，但大部分價格高且穿戴不便，難以平民化推廣。所幸 2010 年年底微軟公司發表的 Kinect，擁有低價、不必穿戴感測器的優點，2011 年年初更發布了 Kinect 軟體發展套件(SDK)，這兩年來已見不少在各領域上的應用。值此. 30.

(42) 體感科技進步，透過 Kinect 體感裝置硬體的了解，探討適合本研究的開發平臺與軟體，開發一套結合以 Kinect 體感裝置，輔助國小 4 至 6 年級新式健身操的學習系統，期能提升國小新式健身操的推廣與效益。. 31.

(43) 32.

(44) 第三章研究方法第一節研究流程本研究主要採用文獻分析法、雛型模式系統發展法以及問卷調查法進行研究。首先以文獻分析法分析現今國小新式健身操推廣及學習上的問題、探討動作學習的相關理論、了解現今動作擷取系統的發展來決定系統設計開發的方向。配合文獻分析的成果繼而以雛型模式進行系統的分析與開發，在系統開發過程中了解試用學生或教師對此系統的修正建議，反覆修改與擴充此系統。此系統開發完成後評估系統評分有效性與調查此系統是否增進學生學習動機，調查並探討使用者對此系統介面的合宜性。再依據結果做出結論與建議作為未來相關研究的方向。本研究流程如圖 31 所示。. 說明研究的背景與動機. 擬定研究的目的與問題系統測試評估文獻探討. 雛型模式. 問卷調查分析. 系統發展實作程式修改開發中測試. 使用者建議. 圖 31 研究流程圖. 33. 結論與建議.

(45) 第二節系統目標綜合第二章文獻探討，我們知道動作學習須「反覆練習」，要精進動作的正確率必須要有「外在回饋」。電腦多媒體教學可進行「無限次的反覆練習」，加上平價、容易設計，最重要是不需穿戴任何感測器的 Kinect 軟硬體就可以得到使用者各肢段或關節位置數據，經程式分析處理更可以讓練習者得到「外在回饋」，Kinect 體感裝置在教育上的應用已然形成，因此本研究主要以 Kinect 為使用介面融入健身操教學活動，以 Flash 為開發工具利用 AIRkinect 提供的類別指令並結合 Kinect 體感動作，設計並開發本研究系統。在系統功能上希望能達到以下目標：一、簡單明瞭的操作介面：介面力求簡單，讓使用者一看畫面就知道如何操作，減少使用者的學習負擔。二、為方便使用者操作，動作選單必須能以身體動作觸發，可以不依靠滑鼠操作。三、因為操作者與畫面有一段距離，選單中字體過小的文字，必須出現放大的文字提示以方便選取。四、在畫面上要有一個使用者可以模仿的「範型(model)」，也就是示範者的影像窗格，方便使用者模仿學習。五、為了方便動作的分析，產生一組可供日後作為評判標準的數據，必須要有關節數據報表的產出，報表內容應包含：(1)記錄時間日期。(2)動作名稱。(3) 擷取關節的名稱。(4) 該動作時間起始及結束位置。(5) 該動作時間內所擷取到的關節向量位置。. 34.

(46) 第三節系統發展模式為了讓所開發的系統能實際與國小 4 至 6 年級使用者結合，此系統的發展主要採軟體發展模式中的雛型模式。雛型模式是一種系統開發方法，該方法先針對使用者需求較清楚的部分或資訊人員較能掌握之部分，依分析、設計與實施等步驟快速開發雛型（吳仁和， 2010）。開發過程中，強調盡早以雛型作為使用者與資訊人員需求溝通與學習之工具，雙方透過雛型之操作與回饋，釐清、修改及擴充需求，並藉以修改與擴充雛型。上述步驟反覆進行，直到系統符合使用者的使用習慣為止（吳仁和，2010）。其系統開發程序及參與人員如圖 32 所示。. 圖 32 雛型模式之系統開發程序及參與人員（吳仁和，2010）. 35.

(47) 第四節系統架構一、系統操作方式首先在視窗布置兩大窗格，操作圖形介面雛型如圖 33 所示。. 線條人與深度影像窗格. 健身操示範影片窗格. 播放鈕. 圖 33 預備開發操作介面示意圖左方為線條人，用來判斷 Kinect 是否追蹤到人體並以右手位置來操控動作選單；右方為示範動作影片播放畫面，學習者可依照右方影片做動作；中間為動作分段選單，當 Mouse 或線條人右手接觸選單，選單會滑出，如圖 34 所示，讓使用者選擇動作分段，選擇後動作選單自動縮回。. 健康操示範影片窗格. 深度影像及線條人窗格. 圖 34 預備開發選單滑出示意圖. 36.

(48) 為達成教學者及體感操作者都能方便使用此系統的目標，此系統採 Kinect 體感及滑鼠並行操作模式，也就是教學者可用滑鼠直接選擇動作分段選單及播放鈕，命令學習者依影片示範者動作模仿練習；而學習者亦可用由線條人右手部分接觸選單選擇動作分段及播放鍵進行非接觸式操作。當滑鼠或線條人右手部分觸發播放鈕，影片開始播放，這時程式也開始擷取評判時需要的肢段或關節位置資料。取得指定身體肢段或關節 3D 位置數值後，經動作分析程式來判斷動作的正確率並給予聲音與文字的回饋。系統整體操作流程如圖 35 所示。教練、老師. 練習者. 滑鼠直接操作畫面選單. 用體感方式操作畫面選單. 選擇動作分段影片磁頭移動至該分段播放開始位置. 是否按下播放鈕 YES 1.影片開始播放。 2.記錄使用者該動作關鍵肢段/關節數據資料。. 該分段影片是否結束 YES 結束使用者肢段/關節數據資料擷取。數據資料分析後評判正確率並給予聲音或文字回饋圖 35 系統操作流程示意圖. 37.

(49) 二、系統架構為方便未來程式開發的管理與維護，將程式分成多個模組。此系統除了主程式外預定分成下列幾個模組：(1)選單模組。(2)體感操作模組。(3)播放及控制影片模組。(4)動作數據整合模組。(5)報表輸出模組。(6)動作分析、評判模組。整體系統架構，如圖 36 所示。. 報表輸出模組. 動作數據整合模組. 動作分析、評判模組. 主動作數據輸出. 程. 式. 影片播放模組. 畫面呈現動作數據讀取. 取得動作數據. 硬體. 深度. 控制. 影像. 互傳 Kinect 仰角. 取得深度影像. 線條人取得影像 x,y 值. Kinect 裝置應用程式介面. 取得動作分段取得右手 x,y 值. 選單模組操控選單體感操作模組. 取得動作分段取得影片播放位置圖 36 整體系統架構整體系統架構各模組功能如下： (一)主程式：主要功能是與 Kinect 裝置的溝通，有(1)取得動態深度影像在畫面左方窗格中呈現。(2) 取得動態深度影像各肢段/關節二維位置數據資料繪製成線條人，當有人被追蹤鎖定時呈現在畫面左方窗格中。(3)硬體控制： Kinect 仰角角度可由 Kinect 傳回得知，使用者亦可下指令調整 Kinect 仰角. 38.

(50) 角度以符合各種安裝環境。(4)取得動作評判時所需要的人體肢段/關節三維數據，作為後續評判動作之用。 (二)選單模組：其主要功能有(1)顯示動作選單。(2)某一個動作分段被選取後，負責通知影片播放模組與動作數據讀取程式哪個動作分段被選取了，準備開始播放與擷取數據。 (三)體感操作模組：從主程式取得線條人右手部分 x,y 位置，以觸發選單中的某一個動作分段項目與播放鈕，實現以體感方式操作此系統。 (四)影片播放模組：功能有(1)建構影片在畫面中播放的機制。(2)呼叫示範影片準備在畫面中播放。(3)依選擇的動作分段調整播放磁頭位置。(4)示範影片播放。(5)影片播放後回傳播放位置給動作數據整理模組，作為後續評判動作之用。 (五)動作資料整合模組：練習者動作數據被擷取後，以影片播放時間為主鍵，與被擷取肢段/關節 3D 位置數據產生一個陣列，以利後續處理。 (六)報表輸出模組：動作資料整合模組傳來的數據再結合其他資訊，如紀錄日期、時間、動作名稱等等產生 scv 檔。在未建立評判標準前 scv 檔是用來匯入 EXCEL 分析標準組資料以建立評判標準。評判標準建立後，報表可作為練習者的學習歷程紀錄。 (七)動作分析、評判模組：本模組是系統相當關鍵的模組，依據新式健身操動作要點(表 1)分析標準組動作後所產生的評判標準置於模組之中，練習者動作終了後，動作資料整合模組會傳來練習者的數據資料，標準組與練習者的資料在此做一個即時比對。依據比對後兩組的差異大小給予評分，在畫面上回饋評分的結果並根據結果產生不同音效。三、程式模組建構順序：為求順利開發完成並解決開發過程中可能遭遇到的問題，擬定各程式模組開發順序。. 39.

(51) (一)測試並建構 AIRKinect 在此系統上要運用的功能，如：深度影像、人體各關節 3D 數據、Kinect 角度控制等。 (二)在畫面建構深度影像及成功捉取使用者後隨使用者動作而作動的線條人。 (三)完成只能用滑鼠操作的動作選單模組。 (四)建構播放及控制影片模組。 (五)體感操作模組。 (六)動作數據讀取、整合模組。 (七)報表輸出模組。 (八)標準組學童練習→標準動作報表產出、分析→產生標準組數據供動作分析、評判模組使用。 (九)動作分析、評判模組。. 第五節研究對象本研究研究對象為臺中市清水區某國小五年級學生 22 位，他們在課間活動時間參與新式健身操練習已接近二年。在系統開發完成後讓他們參與系統的測試，以評估系統的有效性；在系統測試評估前後，施以學習新式健身操動機前後測，研究使用此系統學童在新式健身操學習動機是否提升。. 第六節研究工具依據研究目的，本研究系統開發完成後測試評估分成三個部分：(1)進行實際施測，以教師評分與系統評分相關程度來判斷系統評分有效性。(2) 以「新式健身操學習動機量表」來調查評估使用此系統是否能提升新式健身操學習動機。 (3)施測後藉由問卷調查使用者對此系統的看法與建議以評估系統介面的合宜性。因應上述需要發展以下研究工具：. 40.

(52) 一、國小五年級新式健身操學習動機量表：搜尋相關資料未能找到有關健身操學習動機的量表，故自訂「國小五年級新式健身操學習動機量表」其過程及結果如下說明： (一)編擬量表初稿：在近代動機教學策略中較為系統化且有效的教學策略首推 Keller 的 ARCS 學習者動機之教學策略模式（Okey、Santiago，1991）。本研究依據 Keller（1984）所提出，若能符合學習動機的 ARCS 四個向度便能激發學習者學習，這四個向度分別為：注意力(Attention)、關聯性(Relevance)、自信心(Confidence)與滿足感(Satisfaction)，並根據此系統的特性發展「國小五年級新式健身操學習動機預試量表」。計分方式採李克特氏(Likert-type)五點計分評量法，分成「非常同意」、「同意」、「普通」、「不同意」、「非常不同意」等五個評價其中一個來作答，勾選「非常同意」得五分，勾選「同意」得四分，勾選「普通」得三分，勾選「不同意」得二分，勾選「非常不同意」得一分，所得分數高則代表學習動機越趨積極正向；反之，所得分數低則代表學習動機趨於消極。預試初稿完成後，針對題意及文字內容進行專家效度分析，委託專家如表 3。預試量表初稿由原先的 24 題刪成 22 題，並修改了部分文字，如附錄一，製作成正式的預試量表，如附錄二。. 表 3. 量表、問卷專家效度審查名單. 專家編號. 職務. 專家 1. 大學相關科系教授. 專家 2. 臺中市國中實務教師. 專家 3. 臺中市國小實務教師. 41.

(53) (二)預試量表施測：預試量表編制完成後，為了解問卷的可用性，進行問卷預試。預試以臺中市清水區某國小五年級不參與系統實機施測學童為對象，共 43 人。於 2013 年 3 月 29 日發放預試問卷調查，共發出 43 份，回收 43 份，剔除無效問卷 3 份，有效問卷為 40 份，計回收率為 93%。 (三)項目分析：本研究針對「國小五年級新式健身操學習動機預試量表」，採用決斷值（CR）進行項目分析。有學者建議 CR 值至少應達 3 以上為佳（王俊明，1999）。本量表 16 題 CR 值(2.859)最低先予以刪除，預試各題決斷值如下表所示。表 4 題號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12. 「國小五年級新式健身操學習動機量表」項目分析決斷值一覽表決斷值 (CR). 題目我認為現在健身操的學習方式能集中我的注意力。我認為現在健身操的學習方式很有挑戰性。我很期待以現在的學習方式練習健身操。我在練習健身操時會注意我的動作是不是正確。我在練習健身操時遇到困難的動作會想辦法解決。透過現在健身操的學習方式我有信心做好每一個動作。透過現在健身操的學習方式我能了解每個動作細節。我覺得健身操的動作難度剛好，不會太簡單也不會太難。我有信心在測驗時把每一個動作都做好。透過現在的學習方式可以增進我對新式健身操的熟練度。在練習健身操的過程中遇到挫折，我相信我能克服它。學習健身操能強化體適能、有益健康。. 42. 4.543*** 5.514*** 5.912*** 7.071*** 7.423*** 6.512*** 6.262*** 5.080*** 6.264*** 4.277*** 4.304*** 5.367***.

(54) 表 4 題號 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22. 「國小五年級新式健身操學習動機量表」項目分析決斷值一覽表 (續) 決斷值 (CR). 題目. 學習健身操能訓練肢體的靈活度。 7.050*** 健身操的學習能提升我的運動舞蹈技能。 4.716*** 新式健身操的學習能增進我的音樂節奏感。 4.385*** 2.859(刪除) 健身操的學習對我很有幫助。練習健身操佔用下課時間，我不會感到煩躁。 6.516*** 當我能做到一連串的困難健身操動作時，我會感到 5.692*** 愉快。我喜歡在同學或家人面前展現自己的健身操動作有 5.440*** 多棒。參與健身操的學習可以滿足我的表演欲望。 5.331*** 以現在學習健身操的方式我能得到樂趣。 9.965*** 學習健身操讓我很有成就感。 6.626***. *p≦.05. (四)因素分析：在進行因素分析前，先進行 KMO 與 Bartlett 檢定，如果 KMO 值小於 0.5 時，較不宜進行因素分析，KMO 值要大於 0.5，愈高愈好（Kaiser，1974）。本量表的 KMO 值為 0.748，表示適合進行因素分析。並且從 Bartlett`s 球行考驗的 Chi-Square 值為 681.298（自由度 210）已達顯著水準，代表母群體的相關矩陣有共同因素存在，故適合進行因素分析。. 本量表採用主成分分析法來萃取因素，以最大變異法，取特徵值大於 1 之因素進行正交轉軸，將因素負荷量較低的題目優先刪除（吳明隆，2000）。第一次經轉軸萃取出四個因素，但 21 題經判斷和同組可能因素「專注力」在題意上較無相關，故予以刪除。刪除 21 題後進行第二次因素分析，產生四個因素，第 2、. 43.

(55) 3、1、4、5、6、7 題在因素一的負荷量值最高，且與學生專注力相關，故命名為「專注力」因素，特徵值為 5.345，解釋變異量為 26.727%。第 15、13、12、17、 14 題在因素二的負荷量值最高，且與生活與學習相關，故命名為「關聯性」因素，因素特徵值為 3.335，解釋變異量為 16.676%；第 10、8、11、9 題在因素三的負荷量值最高，且皆與學生自信心相關，故命名為「自信心」因素，特徵值為 3.201，解釋變異量為 16.004%；第 19、22、18、20 題在因素四的負荷量值最高，且與學生滿足感相關，故命名為「滿足感」因素，特徵值為 2.824，解釋變異量為 14.121%。王保進（2006）指出各因素解釋變異量總合在社會科學以達到 60%為宜，本量表四個因素共可解釋 73.528%的結構變異量，顯示本量表已達到可接受的效度。. 表 5 「國小五年級新式健身操學習動機量表」因素分析摘要表因素. 題號 Q2 Q3. 專注力. Q1 Q4 Q5 Q6 Q7. 內容我認為現在健身操的學習方式很有挑戰性。我很期待以現在的學習方式練習健身操。我認為現在健身操的學習方式能集中我的注意力。我在練習健身操時會注意我的動作是不是正確。我在練習健身操時遇到困難的動作會想辦法解決。透過現在健身操的學習方式我有信心做好每一個動作。透過現在健身操的學習方式我能了解每個動作細節。. 44. 因素負荷量 .932. 特徵值. 解釋變異量. .848 .803 .781 .750 .715 .586. 5.345 26.727%.