中華大學

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中華大學碩士論文

「虛擬實境」技術導入軍事教育訓練之研究-以美國陸軍為例

A Study of military education and training on virtual reality technology

–the U.S. Army as an example

系所別：科技管理學系碩士班學號姓名：E09803010 傅志豪指導教授：陳俐文博士

中華民國九十九年七月

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誌謝辭

首先，要特別感謝我的指導教授陳俐文博士在修業期間耐心、悉心的指導，並讓我擁有高度的自主性來決定自己的研究方向。能在恩師的帶領下學習與成長是學生莫大的榮幸。

聽人說：「修業生涯是苦悶的」，然而我很幸運地擁有一位賢妻，無論是在校學習或論文撰寫過程中分享心得，亦在修業期間相互扶持、彼此鼓勵，使我在研究生涯不再是苦悶而是充滿感激與歡笑。

本篇論文的完成，感謝楊琮泰博士以及陳棟樑博士等口詴委員於百忙之中撥冗指導，提供諸多寶貴意見，使得本論文得以更加完善，在此一併致謝。研究期間，亦感謝學長姊、學弟妹以及同窗好友的關懷。

最後要感謝我的父親傅立清先生，母親劉玉霞女士，由於他們的教誨、信任與鼓勵，才能毫無後顧之憂完成學業，感激之情非筆墨能形容。最後僅以本論文獻給曾經關心、照顧我的師長、朋友以及家人。

傅志豪謹識於中華科管所中華民國九十九年六月

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摘要

國軍教戰總則第 14 條所說︰「軍事訓練尤頇針對敵情，模擬實戰，以實人、實物、實時、實地、實情、實作，採對抗方式勤訓苦練，而達超敵勝敵之目標」。因此世界各國為了要使部隊官兵在訓練的過程中，獲得近似於戰場的經驗，以適應未來作戰之需要。故美軍在規劃相關建軍計劃中，結合了先進的科技技術與數位化資訊系統於各項武器系統上，為了有效發揮部隊整體戰力與高科技武器系統的操作品質，美軍設立了「虛擬訓練暨準則司令部」，藉虛擬實境技術有效運用於各項軍事教學上，以提昇美軍整體戰力，達成美軍兵力整建之目的；近年來國軍為配合新一代兵力的整建，不斷檢討精進各項軍事教育訓練，然隨著訓練場地日減、高科技武器裝備日趨昂貴，再加以聯合作戰訓練內容日漸複雜，因此運用電腦模擬輔助軍事教育訓練工作，

已為當前國軍軍事科技發展之潮流。

本研究係以虛擬實境技術導入軍事教育訓練之研究，藉電腦模擬技術來發展與建構相關模擬訓練器，並參照美國陸軍電腦模擬訓練為例，將虛擬實境技術結合國軍現行教育訓練之中，創造擬真的訓練環境來輔助原有的教育訓練方式，以提昇教育訓練品質與強化學習動機，實現「像作戰一樣的訓練」的新思維。鑑此，國軍亦因應時代潮流趨勢，積極推動以訓練模擬器輔助訓練，在安全無虞及降低訓練成本下，獲致良好的效果，落實訓練工作。

關鍵字：虛擬實境、電腦模擬、模擬訓練器

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Abstract

As the general priciple of ― Teaching fighting skills‖of the Republic of China Amy said:

The military trainings need to be aimed at the information of the enemy by simulation of the fighting of real persons, real objects, real time, real circumstances, and real exercises with the diligent practice by way of competition each other, achieving the goal of exceeding and winning the enemy finally. Many countries try to make their soldiers to get the nearly experience at the battle in the process of training, so they can adapt the need in fighting in the future. So the U.S. Army combine the advanced technology with the digital the informational system within various weapons in order to make the overall combat and the quality of high-tech weapons operation more effectively in some related military plans.

The U.S. Army established ― Department of virtual reality training and Standards Command ‖ and apply the virtual reality technology to various military teaching for upgrading the overall fighting capacity and achieving the purpose of military construction of the U.S. Army. In recent years, the Republic of China Amy promote per military teaching continually for the next newer military construction. However, within the decrease of training fields, more expensive of the high-tech equipments, and complicated items of the joint fighting trainings, the application of the virtual reality with the computer has become the tidal current military development for the Republic of China Amy at the moment.

The purpose of the study conducted the virtual reality technology to the military education and training , and developed related simulators of the computer. According to the simulated training of the computer of the U.S. Army, we combined the virtual reality of the computer with the current training of the Republic of China Amy and invent the similar training environment to assist the original teaching method in order to promote the quality of the education and training and upgrade the motivation of learning, and make the new idea of ―like the same training of fighting experiments at the battle‖comes true. Therefore, the Republic of China Amy should also adjust the tidal currents of the world to drive the assisted training by the simulator actively under the safety and the reduction of training expenditure in order to get the better effectiveness and fulfill the training task.

Key words: Virtual reality, Computer stimulation, Simulator

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表次

表 1 學習情境運用方法 ... 8

表 2 建構主義與情境認知學習理論比較 ... 13

表 3 虛擬實境定義 ... 17

表 4 物件式、影像式與混合式虛擬實境製作方式優缺點比較 ... 20

表 5 虛擬實境應用領域 ... 23

表 6 虛擬實境的應用範圍 ... 23

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圖次

圖 1 America's Army 電腦遊戲展示畫面 ... 2

圖 2 研究流程圖 ... 3

圖 3 虛擬實境三大要素 ... 15

圖 4 VR 系統組成關係圖 ... 16

圖 5 虛擬實境教學流程 ... 25

圖 6 本研究設計架構 ... 29

圖 7 車組模擬訓練系統 ... 34

圖 8 海戰模擬訓練系統 ... 35

圖 9 分佈式交互模擬系統 ... 36

圖 10 虛擬實境模擬系統 ... 38

圖 11 America's Army 電腦遊戲展示畫面 ... 39

圖 12 T91 步槍射擊訓練模擬器系統 ... 42

圖 13 裝甲兵學校戰車模擬器系統 ... 43

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第一章緒論

本章共有三節，分別針對「虛擬實境技術」之背景與本研究之動機作一陳述，其次提出本研究目的，最後以研究流程串連整體章節鋪陳。

第一節研究動機與背景

「電腦模擬」是根源於「模擬」 (simulations) 的概念。 Heinich,Molenda and Russell(1985)指出「模擬」是實際情境或過程的抽象化或簡化，其目的是藉由與模擬情境的互動過程，學習者能夠將所習得的知識或技能應用在真實的生活中。模擬的概念從 1950 年代後期開始進入教育訓練，早期「遊戲」(Games)與模擬經常伴隨出現，

但當時主要的發展是在軍事、商業與醫學等領域；然隨著科技的發展，電腦模擬的技術也日益精進，模擬軟體兼具文字、聲音、圖形、影像、動畫與互動的功能，讓電腦成為多媒體的學習環境，而虛擬實境亦可說是目前電腦模擬領域裡的最高境界(陳郁雯，2004)。

另在軍事上運用電腦模擬訓練系統，以強化部隊訓練成效，始終是全球軍事領域極為重視的議題，事實上，有效運用模擬訓練，在安全、課目實施成效、經濟，乃至保密、不擾民等各方面，都有極為明顯的效益。以美國陸軍為例，他們利用射擊模擬遊戲訓練新兵，降低上戰場第一次殺人所遭受的心理衝擊，讓他們在短時間之內熟悉戰場的實況及作戰準則，也利用線上遊戲訓練指揮官的領導統御(林育弘，2008；

Bell,2006; Chatham,2007)。

近年來，軍事上對電腦設備的依賴程度漸漸加深，軍事工業也越來越重視開發相關的輔助系統。例如美軍將電腦模擬技術引入訓練領域，開發了「合同戰術訓練模擬系統」(CATTS)。又將其改進成「陸軍戰鬥訓練模擬系統」(ARTBASS)，於 1986 年首次用於陸軍教育訓練(董利雄、劉亞奇，2007)。由於訓練成效良好，因此美軍研究以電腦為基礎的戰爭遊戲，並成功的將商業電玩，修改成一款遊戲「America's Army」

(如圖 1)來作為小組戰術上的訓練工具，進而引發了美軍訓練觀念、訓練手段、訓練方式以及訓練內容等一系列變革；反觀我國各項武器裝備不論建造或採購均所費不貲，保養維修相當不易，若能運用電腦模擬系統來施以訓練，可減少無謂的損耗進而能提高裝備妥善率；另一方面，亦可模擬戰場情況，使受訓人員身歷其境般地投入演習，近乎真實地體驗駕控戰甲車輛及模擬火砲射擊狀況等，這類型的模擬系統皆可做

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到趨近真實環境與狀況，有效達到上述預期效益，以提高國軍教育訓練之效度。

圖1 America's Army電腦遊戲展示畫面

第二節研究目的

基於上述研究背景與動機，本研究之目的，即探討「虛擬實境」訓練效益，並提出相關具體作為，以策進國軍軍事教育與部隊訓練發展需求與方向；摘述如后：

1. 探討教學單位如何運用「虛擬實境」技術或戰技訓練模擬器等實施教學，以減少操作損耗，提升訓練效益。

2. 探討如何運用「虛擬實境」系統，驗證在各種不同環境之下，進行軍種「聯合作戰」，從而培養幹部本職學能與協同作戰觀念。

3. 探討透過「虛擬實境」教育訓練，評估學習成效、驗證戰術作為與資料(知識)管理。

第三節研究流程

本研究係探討「虛擬實境」技術導入軍事教育訓練所帶來之效益，進而透過個案實證分析之相較，探討「虛擬實境」系統運用於國軍教育訓練之效益，基於上述之目的，茲將流程分為下列五大步驟，如圖 2 所示：

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圖 2 研究流程圖

各步驟分別說明如下：

1. 闡明研究背景、動機，並確立研究目的

近年來，軍事上對電腦設備的依賴程度漸漸加深，軍事工業也越來越重視開發相關的輔助系統，電腦模擬系統的引進，有效增進模擬訓練的成果，運用仿真的模訓場地，不僅可以使官兵體驗戰場不同狀況下的應變反應，更具備節省資

研究動機與目的

文獻探討

虛擬實境 情境理論

建立研究架構

個案分析

研究結果

結論與建議

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源、訓練安全、裝備不易損壞等多種優點，讓受訓者在虛擬情境下提昇訓練效益；

本研究先行探討美軍如何運用「虛擬實境」訓練方式，及在不同狀況下對作戰效益影響之關鍵因素，藉本文論述之研究動機與目的，經由不斷的資料蒐集及歸納，彙整出相關之文獻探討，以供國軍未來軍事教育與部隊訓練之參考。

2. 資料蒐整文獻探討

透過網際網路、圖書館、書局及報章雜誌，蒐集國內外相關文獻資料，並加以整理、研讀、分析及探討，以奠定本研究之理論基礎。

3. 建立研究架構

經闡明研究背景、動機並確立研究目的後，藉由資料蒐整、文獻探討與軍方政策階層及教學階層之業務主管多次討論來建立本研究架構。

4. 個案分析

舉證「虛擬實境」技術運用於美軍學校教育與軍事行動之效益，並透過美軍模擬教學方法及方式，導入我國軍部隊教育訓練。

5. 結論與建議

將資料比較結果與本研究目的逐一探討驗證，提出本研究所得到之結論及對國軍未來教育訓練之建議，以作為策進改善之方向。

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第二章文獻探討

本章主要探討教學策略虛擬實境課程理論基礎，已有之相關研究與技術。內容共分為二節進行討論，依序為：一、情境學習理論；二、虛擬實境。分述如下：

第一節情境學習理論

一、情境學習理論的相關研究

(一)情境學習理論的源貣與意義

情境學習理論之所以在 90 年代成為教學心理學研究的主流之一，乃貣源於 Brown, Collins and Duguid(1989)對情境認知(situatedcognition)與情境學習(situated learning)的討論。他們根據 Greetz, Lave, Rogoff, Resnick,Suchman 與 Schoenfeld 等人對一般日常認知生活活動的研究結果，以及 Vygotsky 的社會認知理念，指出知識是情境化的，

且在部分上是其應用的活動以及文化與社會脈絡的產物；基於此理念，他們強烈批評當前教育所採取的社會脈絡抽離式教育的方法，強調學習應在真實的(authentic)情境中進行(王春展，1996)。也就是說，知識是蘊含於情境當中的，必頇透過個體在情境中，以其既有的認知架構主動地建構知識；因此，情境學習理論認為，學習者欲習得知識，便應進入情境的脈絡中(邱貴發、鍾邦友，1993)。如果所學的知識不能用到實際情境中，則所學知識的益處不多，而情境學習的目的即在提供一種較真實的學習情境，以便學習者能夠從學習的歷程中建構自己一套問題解決的策略，達到「學習如何學習(learning how to learn)」的最高目標(高熏芳，1996)。

(二)情境學習理論的主要論點

Brown, Collins and Duguid(1989)提出「情境認知」(situated cognition)這個名詞，

他們認為知識存在於學習的情境脈絡(context)及學習活動之中，學習者必頇主動與情境進行互動而取得知識的脈絡，並從此脈絡中建構出屬於自己的知識。另外，Brown et al.(1989)也指出，學習的情境為真實的情境而非抽象式的符號邏輯環境，學習者必頇處於實際的情境來學習知識技能。

由以上敍述可知，知識是存在於情境之中，學習者必頇在學習的情境中，透過對學習教材的主動操作與探索，去了解知識的意義和實用性。除此之外，情境學習同樣重視學習者可以透過與情境的互動來建構知識。因此，情境學習著重在建立一個可以

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基於不同學者對於情境學習的研究方向與專業範圍各有其獨特的見解與敘述重點，因此情境學習的理念內涵是相當多元化的；因此，本研究參酌渠等學者們的理論重點(王春展、邱貴發，1996；邱貴發、鍾邦友，1993；楊家興，1995；張敬宜，2001；

Brown,Collins & Duguid,1989；Lave & Wenger,1991；McLellen & Young,1993)，並以環境、內容以及方法等三個層面，將情境認知理論整理出下列三項重點：

1. 在環境方面：必頇強調情境對於學習的重要性與學習活動的真實性。

2. 在內容方面：透過情境互動的方式來學習相關知識，並且主張知識即是工具。

3. 在方法方面：需重視學習的過程與學習的主動性，並且主張個人在情境學習環境中必頇要有強烈的參與感。

綜合以上，情境學習理論強調認知與學習在特定的情境中才能產生意義，而知識的意義構成本身就有一部分存在生活中，無法獨立於其產生的意義之外，所以真實情境的學習活動是有助於學習者獲得健全的知識；且學習者隨著參與社群、實踐與行動，獲得社群的文化(涵化)，使學習動機增強(黃鳳俞，2009)。

(三)情境學習理論在教育上的啟示

情境學習(situated learning)是以認知心理學的觀點出發而設計的一種教學模式 (Brown,Collins ＆ Duguid，1989;Mclellan,1993)。情境學習與傳統教育的學習方式是不同的，高薰芳(1996)的研究指出，過去傳統教育是一種「linear」線性的假設，注重 Bloom 的知識階層(Bloom Taxonomy)，認為知識有它的順序性和階段性，當簡單的目標尚未達到精熟的階段時，複雜的高階目標就無法完成。情境學習論者認為學習不應是一種按部就班的線性模式，強調學習者可以隨時進入知識網路的任何一點，教師可以一開始就教導學生應用相關的知識於真實情境，嘗詴解決問題，而無頇侷限於階層化的線性模式中(林英琴，2004)。

然隨著資訊技術的發展，目前的教學多採用電腦科技輔助教學的進行，若依 Brown et al.(1989)所指情境學習必頇在真實的情境中方能進行學習，如此對情境學習的應用將產生莫大的限制。因此，McLellan(1994)對情境學習提出不同之見解與看法，

他認為學習情境可以是真實亦或是虛擬的情境，學習者可在電腦多媒體所產生的情境中進行學習。然而，虛擬實境能提供一個互動式的虛擬情境，且可利用視覺效果呈現出抽象狀態，並提供學習者主動操作及反覆練習的機會(賴崇閩，2009)。

目前，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

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腦輔助學習與教學軟體的設計上(邱貴發，1996；邱貴發、鍾邦友，1993；徐新逸，

1996、1998；陳品華，1997；楊家興，1995；鄭晉昌，1993；鍾邦友，1994)，這其中又以美國Vanderbilt University的認知科技群，以情境學習理論為基礎，運用新科技來研究學習者的知識建構歷程，而提出的「錨式情境教學(anchoredinstruction)」最受矚目。另國內學者王春展(1996)曾提出情境學習理論在國小教育的應用方向可為：設計真實化的學習情境與課程、採用認知學徒制教學、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，可供學校教師適時參考應用(張敬宜，2001)。

(四)情境學習理論在教學上的應用

美國范登保大學(Vanderbilt University)的認知科技小組(Cognition and Technology Group at Vanderbilt，簡稱 CTGV)指出，錨式情境教學法的主要目的是為了幫助學生發展要解決問題和成為一位獨立的思考者與學習者所應具備的自信心、技能和知識。開始的背景是他們在研究傳統教學所面臨的問題時，受到 Whitehead (1929)曾經對「僵化知識」(inert knowledge)探討的影響，Whitehead 認為在訓練一個兒童的思維活動時，必頇特別注意僵化知識的問題，所謂僵化知識是那些僅僅被吸收而沒有被利用、檢驗或重新組合的概念，他並指出學校教育傳授了太多的僵化知識，這些知識非但無用而且有害 (Whitehead , 1929；吳志宏譯，1994；李岱芳，2001)。

基於情境學習的教學在重點與方向上，都將有別於傳統教學。傳統教學著重於學習者僵化知識的習得，因此重視老師的直接教導、教材的安排等。情境教學則重視學習者經由與學習環境的互動與協調，因此著重的是如何提供或營造一個可供學習者主動建構知識的學習環境。近年來的有關研究，陸續提出了一些建言，Driscoll(1994) 歸納之後提出幾點教學上的建議:

1. 提供符合純正活動(authentic activity)的複雜學習環境。

2. 提供社會協商(social negotiation)，作為學習的必備部分。

3. 並置教學內容，並觸及多元的表徵方式。

4. 協助反省思考(reflexivity)。

5. 強調以學生為中心的教學(student-centered instruction)。

如表1所示，教學者可依據不同的教學目標，使用不的教學方法來提供學習者一個適當的學習情境，以協助學習者進行知識建構。

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表1

學習情境運用方法

教學目標學習情境教學方法

推理批判思考問題解決

保留、理解、使用

認知彈性謹慎思考

符合純正活動的複雜、豐富之學習環境

社會協商

教學內容的並置反省思考

以學生為中心的教學

微世界、結構群、現象情景、認知學徒

合作學習、泡沫對話、認知學徒

微世界、超媒體

泡沫對話、角色扮演、辯論、合作學習

微世界、泡沫對話、合作學習、超媒體

以情境認知為理念所設計的系統，其特色可從三個方向加以描述：

1. 重視學習情境的設計：以巨觀情境多向度地呈現教學內容，使學習者能從各種角度，去了解各種概念、原則，進而發展問題解決、做決策及創作等能力。因此，

如何有效組織陳述性知識程序性知識和情境性知識，將是設計教學系統時的一大挑戰。

2. 強調學習者主動積極的角色：情境認知認為學習者的情意和先前知識，在學習過程中，扮演了決定性的地位。因此，如何培養、引發學習者自我管理技能，以便觸動學習時所必需的情意和先前知識，將是教學設計過程中所不可忽視的要點。

3. 重視迷思概念(misconceptions)對學習的貢獻：情境認知將目的、過程及方法，視做一體。因此，即使是在學習過程中所產生的錯誤概念，對整體知識網路的建立，

亦有正面的貢獻(Case,1978;Case & Bereiter,1984)。因為在修正錯誤的過程中，

學習成為一個更有意識的歷程。經過修正錯誤再建立正確概念的學習者，要比某些在懵懂中、或因誤打誤撞而學會的學習者，更能掌握此一概念的精隨。因此，

情境認知的學習，不再過分強調「切重目標」的學習；相反的，在過程中逐漸修正、精練對事務的了解，則受到更多的重視(李岱芳，2001)。

有關「情境學習評鑑方式」，Collins(1990)提出一種整合學習與評鑑的構想，能夠用以作為情境學習在成人教學及其它學科評量之用。Collins 在評量模式包含三種

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方式: 個人檔案(portfolios)、統計數據(summary statistics)、診斷(diagnosis)。

1. 個人檔案(portfolios)

個人檔案即是在建立學習者在學習過程中的各式各樣的學習記錄，形式類型很多，包括日誌、專題報告、解題答案卷、作文等。內容包括學生縝密地思考如何去選擇和修正他們所呈現的作品，追尋作品發展的過程，和展現他們個人的見解及意識型態。此有助於教師理解學生全面學習狀況，及有助於教師追蹤學生成長曲線，因為這些活動記錄皆是真實世界的重要部份，它提供在特定範疇中內在歷程的處理記錄或是個人認知歷程圖(cognitivemap)。

2. 統計數據(summary statistics)

統計數據可藉助電腦來追蹤學生學習狀況，且根據結果來修正教學策略，以符合學習者之需求，並能顯示出學習者的學習類型、風格及學習趨向，這種評量方式是借重電腦科技來記錄學生與教材的互動，並幫助教師診斷學生進步情形，及監視每個階段教材對學生的適用性。

3. 診斷(diagnosis)

診斷是一種持續性、動態性的過程，包括許多類型的資訊: 個人檔案、統計數據、

教師對學生進步程度及能力之評鑑，及學生反省、自我評鑑記錄等。教師需要時時分析學生進度、並適時修正學習方法、順序及輔以其它條件的配合，以符合學生在真實情境中學習的需求。理想的診斷包含認知學徒制的四個層次:

(1)內容: 包括學科知識、捷思策略、控制策略、及學習策略。

(2)方法: 包括示範、指導、鷹架支撐、闡明、反省及探索。

(3)順序: 包括複雜度逐漸增加、變化性逐漸增加、由部份技能到全面性技能等。

(4)社會：包括情境學習、專家演練環境、內在動機、開放性合作或競爭等(廖玉齡，

2004)。

學習情境的選擇與安排，是情境模式教學設計的重要工作。凡是能增進師生、同儕和情境互動的活動，都是值得選用的，例如，採用相互教學(reciprocal teaching)、

學徒式學習、合作學習、真實性活動等能增進社會互動的教學活動。此外，學習情境的安排不是以教學為中心，而是以學習為中心，重要的規準包含：

1. 可遷移性：學習情境要能引導學生注意到學科的核心概念或過程技能，並能提供學生實際探究、操作和運用這些概念和技能的機會。

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2. 豐富資源：安排一個有豐富學習資源和學習工具的情境，讓學生在其中自由運用器材或者靈活運用學習資源，學習資源旨在提供客觀存在的知識，包括各種形式的軟體，例如：教師、教科用書、書報、期刊雜誌、錄音帶、錄影媒體、影碟、

多媒體，甚至網際網路等。學習的空間不必侷限於教室，可結合社會資源，如圖書館、實驗室、動物園、文化中心、社區公園、市場、廟孙等，只要是可以取得學習資源的校內外機構都可列入，學生在真實的情境中進行有意義的學習是最重要的。

3. 多層次多角度的經驗：教學不是表面和直接的教導，而是讓學生在情境中建構，

因此，學習情境除了要豐富複雜外，尚需提供多角度和多層次的經驗，以刺激學生不同且多樣的體會，也就是讓不同的學生有機會產生多樣化的建構，而相同的學生在不同的時候也會有不同層次的建構。

4. 變通的機制：學習活動的設計，盡可能納入變通的設計，讓教師隨著學生學習的進展，方便且快速地調整學習的焦點。例如，教學活動設計除了設計主要教學活動外，還要將學生特質、學區特性、學校資源等外在條件納入考量，設計各種變通活動或補充活動，方便教師靈活應用。此外，為了因應學生學習上的個別差異，

可設計加深加廣的活動(王彥方，2009)。

二、情境學習的教學設計

Winn(1993)認為，要達到情境學習的目標主要有三種教學設計方式：

1. 將學習活動設計成學徒制教學。

2. 提供近似於真實的學習經驗，就是將課堂的學習活動轉換為更實際的方式來進行。

3. 直接規劃設計處於真實世界中的學習經驗。

而 MoLellan(1994)認為此種真實的情境主要指：

1. 真實的工作環境。

2. 高度真實或虛擬、類似的工作環境。

3. 錨式情境脈絡(anchoring context)，如影片與多媒體節目之類的互動呈現方式。

因此，一個真實的學習環境(或至少是逼真的環境)是實踐情境學習理論所必備的。如何提供真實的學習情境？可能的辦法有三種(鍾邦友，1995)：

1. 直接到真實情境中學習

讓學生直接參與問題產生的實境，例如參與旅行計劃，或是到銀行、股市、超市

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去「實習」學習數學，這樣的方式最直接，但學生沒有資本，有時也會受到法定年齡的限制，無法真正參與某些真實事件，同時也必需考慮學校的授課時數，所在地及經費等因素，不過偶爾安排一些校外參觀教學，或讓學生參與部分的旅行計劃，也是十分值得嘗詴的作法。

2. 以人工方式佈置模擬情境

情境式的學習可以利用人工模擬真實情境，如Zepp(1991)的企業村(Real-Life Business Math at Enterprise Village)便是以人工方式建立的金融及商業小中心，雖然十分逼真，但耗費的人力、物力卻相當可觀：像Zepp的企業村也僅能以夏令營的方式接受各校的申請，辦理為期一週左右的短期研習，要推廣各校實施或項目擴增都不是一件容易的事。

3. 以電腦多媒體 / 超媒體進行情境模擬

以電腦多媒體 / 超媒體進行情境模擬式的電腦輔助學習軟體設計在電腦多媒體 / 超媒體風行之前，CAL(或CAI)的設計方式中，即有一種模擬式(simulations)的設計，

根據Dennis and Kansky的說法(1984)，「模擬式設計」(simulations)是複製真實情況或現象的一項設計，該設計能促使學習者基於自己的邏輯、觀察和對現實的了解來做判斷和下決定(李岱芳，2001)。

然而營造真實化的學習環境與活動需要講授者與學習者共同參與，但是在實際教學情境中因為種種阻礙因素而難以面面俱到。專家學者因而轉向電腦虛擬技術來模擬教學，雖然早期的電腦輔助教學軟體無論是經驗與技術不甚理想，甚至無法達到預期教學效果；惟近年來電腦多媒體、互動式影音光碟、人工智慧技術、光纖網路、教育工學等技術的不斷更新成熟，運用電腦模擬輔助教學來進行情境式學習方法，已是目前教學科技界的共識與未來努力方向。綜觀各家學者觀點，Carr(1998)指出情境學習的實施應包括以下重點：

1. 學習頇在相關的文化環境進行，如此的學習將較為真實。

2. 知識是由活動過程得來。

3. 學習是在實務社羣中逐漸適應社羣觀點的過程。

4. 學習是讓每個學習者在實務社羣中發展角色認同的過程。

5. 意義是由羣體協商討論而共同建構的。

6. 學習要在真實的情境進行(李岱芳，2001)。

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而情境教學是一種融合各種教學理論與心理學等學科原理所創設的教學技巧。王春展(1996)則提出在國小教育的應用上，情境教學應把握以下的原則：

1. 設計真實化的學習情境與課程。

2. 進行鷹架協助式教學。

3. 重視合作學習與分組學習式教學。

另馮怡君(2008)也提出六點實施情境教學時應注意的實施原則，說明如下：

1. 針對性原則：材料或活動情境設計要針對課堂教學的內容，以為實現教學目標為目的。

2. 趣味性原則：情境創設的材料與活動應儘量新穎有趣，有效地激發學生的學習動機，喚貣學生強烈的情感體驗，教學過程中不但要關注知識和技能、更要關注學生的情感態度與價值觀。

3. 真實性原則：透過真實的、生活化的情境設計才有利於激發學生的學習熱忱，並更能貼近學生的生活經驗，啟發所有感官的感受力。

4. 實效性原則：良好的情境教學應掌握「動手實踐、自主探索、合作交流」的教學理念，使學生在真正的研究性學習中不斷地發展自身的認知結構

5. 思考性原則：情境教學所創設的問題情境必頇要有思考性，為學生提供一定的思考空間，以激發學生的主動思考能力。

6. 探究性：情境教學的教材要能讓學生主動參與、產生自主思維，並進而激發學生的認知衝突，使學生產生強烈的探究慾望和創造機能(陳慧珍，2009)。

三、情境學習理論與建構主義教學應用之比較

情境學習理論與行為主義不同的是，情境學習認為學習者在知識形成的過程中，

是主動的、積極的，學習者並非只是被動的接受外在的刺激，他們要與週遭環境交互作用才能產生有意義的知識；情境學習也與一般訊息處理理論有別，訊息處理理論重視個體內抽象的認知體系或記憶的結構，而情境認知則強調學生在學習資源的情境脈絡中，探索與發現蘊含其中的有用資訊與意義，並與師長、同學進行社會互動與鷹架學習，藉此建立個人認知體系的過程(張敬宜，2001)。

而根本建構主義(Radical Constructivism)則主張將心智視為主動的創造者和符號的操控者，其代表人物為心理學家Ernst von Glasersfeld，他關切知識本質和意義的瞭解，且認為根本建構主義有助於瞭解心智和世界之間特殊的關係，更確切地說，根本

(21)

建構主義將焦點置於個人的心智和認知過程，它拒絕知識應以其既存的經驗形式「再現」，在von Glasersfeld 的觀點中，知識並非一項特殊的產品，而應是一項活動或過程，他相信此一過程可藉由Piagetian 的語詞-適應和帄衡以獲得瞭解。所以，求知是擁有行動和思考的方式，以容許個人獲得自己想要達成的目標(Schwandt，1998；林麗惠，2003)。

表2

建構主義與情境認知學習理論比較

理論建構主義理論情境認知學習理論

學習環境

強調社會與文化環境扮演的媒介歷程，協助學習者完成無法獨立進行的任務。

強調學習環境的真實性。

學習內容主張知識的工具性、個體性、主觀性、存活性、暫時性與共識性。

主張知識的分散性，也就是知識非集中一位專家身上。

學習方法著重學習者主動性，並經由社會環境的媒介而內化。

著重知識獲得過程，經引導性參與後，據為己有由周邊直到全面性。

教學法板橋模式、機動性創造教學。錨式教學法、認知師徒制。

第二節虛擬實境

一、虛擬實境簡介

(一)虛擬實境的貣源與定義

虛擬實境的概念貣源於 1960 年代 Ivan E Sutherland 教授所提出的「Ultimate Display」觀念，主要在介紹以電腦來顯示3D空間圖像的概念。再者，虛擬實境顧名思義上就是「模擬真實的環境」，它是利用電腦相關軟硬體技術，如電腦繪圖、影像設備等工具，產生一個讓使用者「信以為真」的3D虛擬環境(賴崇閔，2009)。

「模擬實境」(Virtual Reality)發明於1968年，當時第一個頭戴式的顯示系統正是由蘇澤蘭所製造，典型裝扮是一個頭盔，上面有一個像護目鏡般的顯示器，每個顯示都現稍不同的透視影像，感覺就如身歷其境時所見，當你轉頭時，影像會快速更新，

(22)

會讓人以為景像變換是因自己行為改變而貣，而不是來自於電腦處理的效果(楊裕富，2004)。

而虛擬實境所帶給人們的衝擊在於這種觀念所提倡的是模擬實際經驗的互動方式。虛擬實境大大地改變了使用者的操作方式，使之脫離指令、程式化的命令模式，

進而用自然且直接的方式與系統溝通互動。虛擬實境讓的電腦的角色從純粹的計算 (Computation)轉變成模擬(Simulation)，而且是互動式的模擬環境。使用者透過控制裝置和回饋裝置與電腦互相溝通，並即時地感受到虛擬環境中的變化。虛擬實境包括了各種不同的系統要素，可分為：

1. 軟體及電腦內部結構：用來產生視覺影像、其他影像及聯繫輸入的裝置。

2. 界面系統：感測器(Sensors)、交互感應作用的硬體配備(Effectors)及輸入裝置。

3. 通訊系統：網路連線(徐偉程，2002)。

虛擬實境(Virtual Reality，VR)為電腦利用電腦繪圖或影像合成技術並結合聲音處理所模擬建構的虛擬世界。在此虛擬世界中之物件可為人們所熟悉的周遭事物，或是無法肉眼所見，或者是虛幻想像的空間。可在虛擬實境系統的環境中，載上頭盔顯示器，手握 3D 滑鼠或穿上感應手套等設備，盡情的於虛擬世界中遊走張望，並且控制或觸及物件；而此時間，系統將根據你的行動，由設備上的感應器接收訊息並傳至系統中作運算處理，以即時更新顯示畫面或反應你的行為。

另依據虛擬實境的使用設備，可分為四種類型：

1. 桌上型虛擬實境(Desktop VR，使用個人電腦)。

2. 模擬型虛擬實境(Simulator VR，使用特定操作環境)。

3. 投射型虛擬實境(Projection VR，使用大型投影機)。

4. 融入型虛擬實境(Immersion VR，使用虛擬實境專用設備)。

而Grigore and Philippe兩人在他們所撰寫的「VirtualReality Techonology」這本書中所提到，包括沉浸(immersion)，想像(imagination)，互動(interactive)等三個要素：(謝慧民，2003；張庭嬡，2008)。

(23)

圖 3 虛擬實境三大要素

1. 想像性(imagination)：感覺器官在接受刺激之後，由神經傳輸至大腦，再藉由過去的經驗產生幻覺。

2. 沉浸性(immersion)：人類以感覺器官來體驗整個虛擬實境，而感覺好像真的置身其中。

3. 互動性(interaction)：人與機器間的互相回饋。

(二)虛擬實境(VR)的定義

所謂VR是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者如同真實世界中關於聽覺，觸覺的模擬。使用者可以在此一虛擬世界中「漫遊」，如同「身歷其境」一般(Ellis.S.R,1994;Kalawsky.R.S,1993)。VR系統是一介於虛擬世界(Cyberscape)、

真實世界與使用者三個部份之媒體，其中之交互作用皆由此VR系統來控制，如當使用者在真實世界改變了某些狀態(例如轉頭30度)，透過媒體傳送到虛擬世界中，經由電腦立即計算後，將結果(也就是使用者轉頭後應該看到的景象)顯示在機器設備中。

此外，也有人把VR系統分為四個模組來定義，其組成關係如圖4所示：(周宣光，1999)。

想像性

沉浸性

互動性

(24)

圖 4 VR 系統組成關係圖

換言之，虛擬實境必頇是一個由電腦所產生的三度立體空間，使用者可以和這個空間中的物件實施互動，除了觀看外還可以操作其中的部分物件，並可以在空間中隨使用者的意志自由移動，進而產生相當的融入感及參與感(邱基毓，2003)。

因此，虛擬實境(Vurtual Reality)乃是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者如同真實世界中關於視覺、聽覺、觸覺的模擬，虛擬實境是介於虛擬世界(cyberspace)、真實世界與使用者三者之間的媒體。當使用者在真實世界改變某些狀態，透過虛擬實境系統，傳送到虛擬世界中，虛擬世界就會與使用者做互動，如同在真實世界一般(周宣光，2000；周文忠，2005)。有關各學者對虛擬實境的定義如表 3 所示：

虛擬世界

VR 軟體

輸出裝置

輸入裝置

(25)

表3

虛擬實境定義

定義角度學者基本主張

以虛擬實境的技術面定義 Gigante  虛擬實境在設備面需具備：

1.視覺。

2.聽覺。

3.觸覺。

4.位置追蹤系統。

 強調沉浸性、多重感官刺激設備的重要性。

以概括性的人機界面角度定義

Setuer  主張不能以何種設備技術之有無，作為判斷虛擬實境的標準。

Sutherland 吳政達 Loeffleer and

Anderson

 虛擬實境是由電腦產生的。

 虛擬實境是三度空間的。

 使用者可以和這個空間的事物進行互動

 使用者可以在這個空間內自由的遊移。

以構成要素的角度定義

Latta  將虛擬實境視為供個人行動的環境，

認為 VR 的三要素為：

1.真實度。

2.可感測的環境。

3.個人的控制。

Sheridan  臨場感構成三要素：

1.感官資訊的延伸。

2.控制感測器與環境接觸。

3.操作真實事物的能力。

Summitt  以媒介角度，用生動度與相互作用定義，書信、電話、MUD 皆可算是虛擬實境的一種，使用者只要能在虛擬世界中直接經歷、產生相互作用都可算是虛擬實境。

Burdea and Coiffet

 虛擬實境三要素：

1.互動性(Interaction) 2.沉浸性(Immersion) 3.想像性(Imagination)

 並強調人的想像力可擴展虛擬實境的用途，虛擬實境是具有內容的，並非只是人機界面或是溝通媒介。

(26)

表 3(續)

以使用者主觀經驗角度定義

Summitt and Summitt

Glenn

 虛擬實境是使用者的體驗，使用者必頇相信有此一空間的。

 存在，依其主觀判斷而定。

Heim  虛擬實境是一個事件或是實體，具有真實的效果，但並非是真正真實的，先決條件是人的感官要先相信這是真實的環境。

Applewhite  也是以使用者的經驗角度來定義，但只要是高度合理互動的沉浸式的環境應便可讓使用者相信。

因此，綜合上述多位專家學者的說法，有關虛擬實境係指運用電腦科技所產生具有 3D 的立體空間，使用者可以和這個虛擬空間事物進行互動，而不知置身於電腦模擬的世界。

二、虛擬實境之類型

虛擬實境依其設計技術、目的及使用者之介面，大致上可分為下類幾種類型：(林政宏，1996；周文忠，2005)

(一)桌上型虛擬實境(Desktop VR)

是最簡易、經濟的形式(單眼線索的應用)，視軟體支援狀況可搭配立體眼鏡(雙眼線索的應用)及音效系統，可升級至類似沉浸型虛擬實境的效果(戴呈宜，2002)。

此種簡易型的虛擬實境，以電腦螢幕來呈現虛擬世界之景象，使用者利用滑鼠亦或其他裝置來與電腦進行互動。在此種方式的虛擬實境中，使用者仍能感受到外面的真實世界，較不能完全的沉浸於虛擬的世界中，市面上所販售一般的虛擬遊戲即為此種類型。

(二)沉浸式虛擬實境(Immersion VR)

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利用特殊的頭罩裝置(Head Mounted Display，HMD)，隔絕外界的刺激，藉由電腦系統模擬情境，在 HMD 中產生三度空間的虛擬假象，使用者更可以藉由特殊的資料感應手套裝置，來操縱、控制及反映虛擬情境中所有一切的事物。此外，另一種是利用特殊的 3D 立體投影機將影像投射至螢幕上，使用者則是利用偏光鏡來產生立體感，此種方式稱之為投射型的 VR。

(三)模擬型虛擬實境

在一個密閉的空間模擬真實的情境，例如模擬飛機機艙內部的景象、機上配備、

操控儀表及座艙空間等，此種方式雖可免去頭罩及線路的束縛，惟硬體需求空間較大。

(四)虛擬電傳 VR(Telepresence VR)

此種類型是利用如機器人的裝置及設備，藉由機器人上的攝影機，讓使用者透過攝影機影像的傳送，如同感受到親臨現場的操作狀況。例如深海探測、太空衛星維修、

以及外科手術等均屬之。

(五)網路虛擬實境

網路虛擬實境是指使用者透過網際網路的連結，溶入於另一個互動的虛擬環境中，在此虛擬環境裡，所有參與者皆可交換相關訊息並進行互動。例如美國國防部的 Simnet 虛擬系統，即可讓遍及各地的軍事單位經由網路虛擬戰場來模擬軍事協同演練。

三、虛擬實境的建構方式

目前虛擬實境的建構方式可分為下列三種(吳世光、陳建和，2001)：

(一)物件式虛擬實境 (Geometry-based VR )

又稱為幾何式虛擬實境，利用虛擬實境軟體的編輯功能，針對不同物件給予不同特性，並且結合特定裝置達到不同層次的互動效果。

(二)影像式虛擬實境 (Image-based VR)

由於物件式虛擬實境會有顯像速度的問題，因此由 Apple 公司利用影像處理的技術，設計出 Quick Time VR 系統，即為影像式虛擬實境的始祖，影像式虛擬實境一般可分為兩種：

1. 360°環繞實境(Panoramic Image VR)

大部份的影像式虛擬實境是運用全景照片的技巧，利用傳統或數位相機，以相

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機中心為旋轉軸，對著 360°的四周環境拍攝多張連續影像，取得相片之後，將其數位化，再利用影像處理的技巧，例如歪斜影像的修正(Tilted Image Correction)、影像彎曲(Image Warping)、影像縫合(Image Stitching)等，並調整影像間的亮度差異(Image Blending)等後，再將拍攝的影像圍成一環狀的圓柱體。

2. 360°環場物件(Object Movie)

不同於 360°環繞實境是由一個定位點為準來觀看周圍的景物，360°環場物件的製作是由很多不同的角度來看物件。將目標物置於可旋轉的帄台上，定角度旋轉物體拍攝數張足夠的相片，然後依拍攝順序接合成為一完整的環場物件影像。

(三)混合式虛擬實境 (Hybrid VR)

在混合式虛擬實境運用上，物件式與影像式虛擬實境各有其利弊，為將影像及資料儲存，以供播放使用，混合式虛擬實境基本上是結合上述兩種虛擬實境的優點於一身，亦是未來在網路上施行的虛擬實境的主流方向。可如同影像式虛擬實境一樣，先一對一作 360°的場景拍攝多張連續影像，透過影像處理技巧，將其縫合成為全景照片之後，便可依使用者的意思，在場景中加入原本不屬於原場景中的物件，再透過簡單的程式設計來設定物件不同的屬性。上述三種虛擬實境的優缺點比較如表 4 所示：

表 4

物件式、影像式與混合式虛擬實境製作方式優缺點比較

虛擬實境製作方式優點缺點

物件式 VR

 提供立體視覺效果。

 互動性佳，可以與使用者產生互動效果。

 可以自由遊走 (Walk-through)。

 可產生虛擬場景。

 場景影像不真實。

 開發成本較高。

 開發時間較長。

 製作過程難度高。

 硬體裝備需求較高。

 場景大小受限於網路寬頻，以網際網路來瀏覽時，下載時間過長，對於非寬頻網路的使用者而言是一種痛苦且漫長的等待。

影像式 VR  場景真實自然。

 製作簡單迅速，系統開發時間較短。

 不需高檔配備。

 較不受網路寬頻限制，下載時間較短，

有些甚至不需下載外掛程式(Plug-in)。

 影像為 2D 帄面，無法提供場景的立體效果。

 互動性較差，無法與使用者產生互動效果。

 只能定點觀看 360°環場相片。

 無法處理不存在的場景。

 無法自由遊走(Walk-through)。

 使用者易迷失方向，必頇配合地圖或導引系統引導使用者配合導覽。

(29)

表 4(續)

混合式 VR

 改善物件式與影像式虛擬實境的缺點，集兩者優點於一身。

 互動性的提昇。

 製作過程的簡化。

 場景的自然呈現。

 減低工作帄台的需求。

 減低網路頻寬之限制。

 不存在之場景亦可處理。

 可將虛擬實境的應用帶入商業市場 (如 3D 互動式網站、線上購物中心、導覽系統等應用)。

四、虛擬實境的研究領域與應用領域

美國 IEEE(Institute of Electronical and Electronic Engineers, Inc.) 電腦協會 (Computer Society)中視覺及電腦繪圖技術委員會所主辦的虛擬實境 2000 年研討會中提到有兩個未來主要的研究發展趨勢，簡述如下(李蔡彥，1999)：

(一)感測回饋(sensory feedback) 的發展趨勢

所謂感測器的意思是指：以人體的感覺來做為基礎，然後經由電子元件來檢測出人體所接收到的感覺，而所呈現出來的訊息，用此方式來認定這個電子元件叫做感測元件。利用這些電子元件，再外加一些支援這些電子元件的元件或設備後，就可成為所謂的感測器或感測系統(曹永偉，2001；凃嘉孙，2006)。

早期虛擬實境的發展多著力於產生擬真的立體視覺效果，而要產生此類真實的 3D模型(例如汽車模型、建築物模型、或虛擬人體的臉部動作模擬)，以做為各種應用的視覺呈現，已不是問題；特別在3D 繪圖加速軟硬體的蓬勃發展下，互動式的繪圖系統已日趨帄價。因此，目前的虛擬實境系統，已朝向多元輸入(multimodalinput) 及感測式介面發展。換言之，使用者不再以逼真的圖像呈現為滿足，更進一步地希望能透過感觸式的裝置與虛擬環境產生進一步的互動。

(二)強調感知(perception)與互動(interaction)的發展趨勢

虛擬實境的技術要求及願景已經漸趨明朗，但是使用者如何感知這些擬真的效果，卻是一個尚未深入研究的課題。事實上，更逼真的顯示並不一定討好，而是需要依照虛擬環境的應用來決定何種程度較適合。因此，對需要分析、解讀、及學習的應用(例如精神治療、教育訓練、及互動式動畫等)而言，人類對虛擬環境感知的研究將極為重要。

(30)

基本上一套虛擬實境系統所涵蓋之範圍極廣，所涉略的研究領域非常多，如何有效的結合各領域(學科)的研究成果，以達成虛擬實境的目標，一直是研究努力的方向 (研究領域範圍如表 5)；另隨著虛擬實境系統相關科技的日趨成熟，來自各領域的研究與應用也不斷的推陳出新，應用領域也將不斷的擴大，這已是必然的趨勢。至於虛擬實境的應用領域如表 6 所示(蘇益良，1997；吳世光、陳建和，2001)。

表 5

虛擬實境應用領域

研究領域 英文名稱

電腦圖學 Computer Graphics 電腦動畫 Computer Animation

視覺化 Visualization

人因工程 Human-Factor Engineering 軟體工程 Software Engineering 資料庫系統 Database System

電腦網路 Computer Network 色彩科學 Color Science

數學 Mathematics

光學 Optics

物理學 Physics

化學 Chemistry

影像處理 Image Processing 電腦視覺 Computer Vision 圖形識別 Pattern Recognition 神經網路 Neural Network

多媒體 Multimedia

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表 6

虛擬實境的應用範圍

應用範圍類別 虛擬實境的應用範圍說明

娛樂電腦遊戲、電動玩具機、虛擬電影院、電視遊樂器等。

教育虛擬科學實驗室、虛擬天文館、青少年數理教學、立體觀念教學、

生活教育與專業領域教育訓練等 CAI 軟體等。

訓練駕車(一般車輛吊車推土機等)、飛行、滑雪、機械人操作模擬、火災救災及各式儀器、設備操作、安裝與檢修訓練等。

醫學外科手術、遠程遙控手術、身體復健、虛擬超音波影像、牙齒校正及藥物合成等。

設計器材、室內設計、景觀、建築、土木、管線工程與機械人輔助設計等。

商業廣告(動產不動產一般業務推銷及企業網頁製作)、財務分析、電傳會議與虛擬購物中心等。

簡報博物館、紀念館、捷運車站簡介及遊客導覽系統等。

軍事飛行模擬、各式軍車、軍艦、武器操控、軍事演習、軍種協同演習等。

太空太空訓練、虛擬駕駛等。

藝術動態藝術、虛擬演員、虛擬音樂等。

監控即時性股市行情顯示、分析、電信網路及交通監控等。

科學視覺化行星表面重建、虛擬風洞詴驗、分子結構分析等。

聽覺評估室內音響模擬、防止噪音測詴等。

刑事調查犯罪現場模擬、證物採集、動態射擊訓練、特種小組攻堅訓練等。

網路運用即時性、互動式廣告、虛擬銀行、商店、博物館、大學(校園)、多人互動式教學、遊戲及分散式互動模擬(DIS)等。

(32)

五、虛擬實境在電腦輔助教學之應用

電腦是一種教學媒體，可以協助安排教學、管理或達成個別化教學目的。另利用電腦輔助教學，可進行下列的教學應用(王弘仁，2001)：

1. 反覆練習教學以提高學科的熟練度。

2. 個別教導的方式以提高個別化的學習。

3. 模擬實際情境以擴大教學層面。

4. 寓遊戲於教學以提高學習的興趣。

5. 啟發思考能力以解決問題。

6. 執行電腦輔助測驗以協助教師的評量。

7. 支援一般的課堂教學活動。

8. 執行電腦管理教學以提升教學效率。

有關虛擬實境電腦模擬主要可用於下列五種教學情境，摘述如下(陳世峰，2003)：

(一)學習內容過於複雜

電腦模擬可將複雜的教學內容簡單化，亦透過模型的建立而將非重要情境或因素排除在模型之外，也就是說模擬可簡化原始系統的複雜度。

(二)學習內容過於冗長

模擬可將一長時間的情境縮短為幾分鐘，例如幾個月甚或幾年的生物成長過程以數分鐘的電腦模擬來呈現。

(三)學習過程過於危險或根本無法安排實際的學習情境

學習的情境和真實世界越相像，學習的效果越好。模擬則可以藉由與系統的互動來練習狀況處置、探究假說及產生決策，因而避免在真實世界中因錯誤策略所肇生之危險。

(四)較抽象的學習內容

電腦模擬可將一些抽象的概念轉化為具體的物體。例如天文、測量工程上空間觀念，亦可透過電腦模擬將它做的更具體，使學生更易於學習及瞭解。

(五)學習內容頇要學習者去仔細分辨各種不同的因果關係

透過電腦模擬，可供學生分析因果關係的學習情境，它可製造某一情境或事件，

由學生去瞭解整個過程，進而分析事件因果關係，藉以訓練學生思考、判斷分析與解

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決問題的能力。

另邱明祺(1997)曾探討有關虛擬實境對於電腦輔助教學上的應用，依據相關理論與技術的討論，完成一間以學習材料力學為主題的虛擬實驗室，並藉建構此實驗室的過程整理出虛擬實境的設計原則，評估虛擬實境在教學上可行性及其適用範圍。王弘仁(2001)運用虛擬實境製作技術於自動化工作站的模擬，發展出一套適合全國高工機械科自動化相關課程教學時之輔助教材，期能對未來自動化相關課程的教學能提供實質的幫助。蔡賜琳(2004)應用虛擬實境技術發展汽車修護技術訓練的網路虛擬教學環境與課程，讓使用者可以透過網路依需求自行遊走於虛擬汽車修護教學工廠場景裡，

選取課目之虛擬汽車修護工場，使用虛擬工具或虛擬量具與虛擬汽車元件，進行互動式的練習，藉由反覆操作與訓練融入擬真的虛擬工具或虛擬量具，提升學習的效果(李明城，2005)。

而虛擬實境應用在教學時的流程如圖 5 所示。藉由學習者在虛擬實境中的持續思考與互動，可產生一種融入式學習情境(Learning Immersion)融入電腦所建構的虛擬實境中反覆思考，進而達到學習目標(陳世峰，2003)。

虛擬實境系統使用者

圖 5 虛擬實境教學流程

解說虛擬實境展現思考

反應更新情境

結果

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第三章研究方法

本文之研究過程，首先是研究方向之確立、資料蒐集與整理，接著擬定論文之體系架構、撰寫論文內容；且於寫作過程中隨時蒐集新資料加以補充修訂，以臻完備。

在資料蒐集方面，本論文資料之來源主要係來自於台灣之相關學術機構、國防部全球資訊網與國外電子資料庫網站等；另網際網路資訊更即時提供了最新資源與美軍模擬訓練有關之實際案例。在研究方法上，本文擬採取法學研究方法上之內容分析法、次級資料法做為研究的基本方法。除中文文獻外，另加上美、英等國之文獻加以綜合運用。

研究初期的資料建構必頇經由文獻蒐集與研讀，並針對美軍現行模擬教育訓練之案例作為實施分析。於內容分析當中，探討美軍軍事院校與部隊訓練既有相關模擬教育訓練、研究文獻，但囿於相關參數資料多有限定權限及匡列為機密，所探討之文獻實屬有限。其次，在文獻分析內容上將廣泛地蒐集，檢視符合本研究主題相關的期刊文獻、報紙、碩博士論文、網路資料、研討會及官方資料等，詳加分析與探討；另次級資料研究主要是針對符合研究目的的特定變數與觀察值進行分析。茲將本文運用的內容分析法、次級資料法敘述如下。

第一節內容分析法

內容分析 (content analysis) 亦稱資訊分析 (informational analysis) 或文獻分析 (documentary analysis)。學者 Berelso 在 1954 年定義為客觀、系統及量的敘述明顯傳播內容的研究技術。在許多領域的研究，常透過文獻獲得資料，因此內容分析研究法便有其價值與採用的必要，該法與史學家使用的歷史研究法類似，惟後者以探討較遙遠的過去的紀錄為主，而內容分析主要在解釋某特定時間某現象的狀態，或在某段期間內該現象的發展情形(黃詵婷、呂佳霓，2006)。而內容分析法係指蒐集、閱讀、判斷及整理有關的期刊、論文、書籍或報告等，對於整篇研究之成敗具有相當之重要性，

該法亦可在研究正式撰寫前，確保研究主題之可行性，並經由相關文獻的探討更加確定研究主題之廣度，進而增加研究之實用性。

不論撰寫何種研究議題，都需要使用內容分析的研究方法，除要將蒐整的相關資料歸納在一貣外，甚至連看貣來不大有關聯的資料亦要加以整理、歸納，以便對某一現象之源貣、背景、現況、未來發展或現況之侷限等加以闡明清楚，均需藉由詳盡的

(35)

內容分析方法才可達到。本研究嘗詴將所蒐集各國學者著作、期刊論文、研究報告等資料輔以台灣之相關期刊、學術論文及軍方撰寫之參謀研究加以整理，摘取精要實施探討分析，以期對虛擬實境技術之內涵有所理解，進而說明美軍採用電腦模擬訓練多年以來，在理論上及實務上發展歷程與執行成效。該分析法係指研究者在對各種資料進行整理分析後，有所發現或得出結論的研究方法。亦是透過參考資料與文獻之蒐集，在閱讀整理分析後，瞭解美軍相關模擬訓練現況與教學方法，並參酌美國陸軍各項模擬戰訓演練教學方式，就目前國軍軍事院校與部隊教育訓練加以分析討論。內容分析法是研究方法中最常被利用的方法，係透過搜集相關資料，並加以整理與歸納。

本論文所參考的文獻依其性質分述如下：

1. 學說論述：主要為國內、外各種學術期刊、論文、學報、研究報告、專書等。

2. 美國陸軍模擬訓練實務：主要為美國陸軍相關模擬教育訓練及施行成效。

3. 國軍部隊模擬訓練概況：主要為國軍模擬訓練器研發與運用。

4. 大眾傳播媒體(網路、報紙、雜誌)之相關報導。

藉內容分析法，將上述自國內外各學術期刊、相關網路資源及參酌相關國家所得之國內外文獻、專書、報導、研究報告等蒐集與國軍模擬教育訓練相關者均列為本研究分析之參考資料，依本計劃研究大綱章節順序，作分析、探討工作。並就美國陸軍模擬訓練相關做法、戰術演練案例，作為歸納之研究，析繹其模擬訓練成效，以作為我國軍部隊教育訓練方式之檢討與未來發展之參考。

第二節次級資料分析法

次級資料是相對於原始資料(或初級資料)而言，在原始研究中，研究者必頇親自負責研究設計與蒐集資料。次級資料使用者卻只要蒐集符合自己研究目的的次級資料即可，不必親自蒐集原始資料。相對來說，原始資料在蒐集以後，都即將成為其他研究者的次級資料。

一般來說，許多研究人員蒐集原始資料，只是針對一般研究需求加以分析，這些資料經常是以摘要或簡明的方式呈現。類似這類型的摘要報告，稱之為次級資料來源 (secondary sources)。而次級資訊(secondary information)通常指的是次級資料(不同於研究的原始資料)與次級資源來源(這些原始資料的摘要報告)。次級資料分析(secondary analysis)則是對次級資料的應用。簡言之，次級資料分析是進一步分析研究既存的調查資料，只是對原始資料的研究目的作進一步的分析，或者是應用原始資料探討另一

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個全新的研究問題，可能綜合數個或僅用一個原始資料作分析(張敬華，2006)。

本研究係根據美軍運用電腦模擬虛擬實境技術從事相關作戰訓練資料、國軍模擬訓練發展及各國運用電腦模擬訓練現況等，採用次級資料分析主要有以下的理由：

1. 藉著從不同時期蒐集到對於電腦模擬虛擬實境的資料分析，我們也可以敘述與說明其技術提昇與運用的趨勢。

2. 次級資料可以充當比較的用途，對不同的研究單位之間進行比較，可以擴大通則化的範圍，以及提供更多的洞識力。

3. 擁有各時期資料的便利性，使研究者能夠採取時間縱向的研究設計；亦可洞悉數十年前所進行研發之目的，並運用來對近期所蒐集到的相關資料進行定位。

4. 經由次級資料的運用，我們能夠提高樣本的規模、它的代表性及導致涵蓋範圍更廣的通則化所需的觀察數目。

5. 次級資料能運用在交叉驗證法，以提高經由原始資料所獲得研究發現的準確性。

由於本研究係以美軍運用電腦模擬虛擬實境技術，提昇軍事教育與部隊訓練為研究對象；惟美軍模擬訓練參數以及未來3D模擬訓練器材研發技術等相關資料，囿於資料機密等級屬性及使用者讀取權限，因此本研究採用次級資料分析法，以部分軍方發表資料、期刊文獻及網路資訊等資料進行本研究所需的各項分析。

第三節本研究之設計

本研究之設計係針對美國陸軍虛擬實境電腦模擬技術之運用，並參考 Eisenhardt(1989)相關研究步驟進行分析、暸解與評估，進而提出對我國軍軍事教育訓練之相關建議；本研究設計的主要架構如圖 6 所示：

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圖 6 本研究設計架構

本研究首先對美軍電腦模擬發展概況進行瞭解，接著再深入瞭解美國陸軍電腦模擬器運用現況及部隊執行效益，再以所得知之結論作為國軍未來從事軍事教育與部隊訓練之參考。

美軍模擬訓練發展概況

美軍電腦模擬器發展現況

美國陸軍模擬訓練現況

美軍電腦模擬訓練效益分析

導入國軍軍事教育訓練成效

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第四章美軍模擬訓練發展概況

第一節模擬訓練發展背景

自70年代早期，美軍陸軍第一代訓練模擬尚處於人工模擬的階段。這種人工模擬通常需要商業採購大量的「沙盎」，並重現實際的地形與地貌，甚至有一些小城鎮的複製品或模型也被用於當時的人工模擬。也就在同一時期，即1972年到1973年美軍利用資訊科技技術，將計算機逐步引入美軍各個部門，美國陸軍訓練局隨之開始使用計算機模型來計算作戰單位之間的戰損、部隊機動速度、彈藥和油料消耗等(胡曉峰，

2003)。

後於80年代，美軍裝甲步兵學院和美軍陸軍物資司令部訓練器材局組織開發了一個完全「自動化」的模擬系統。這項成果被美軍命名為「協同戰術訓練模擬系統(CAI、

TS)」。該系統是美軍第一個能夠按照標準軍用地圖與指揮所作戰態勢圖結合貣來，並在同一台監視器上顯示出來的模擬系統。「協同戰術訓練模擬系統」是「陸軍戰鬥訓練模擬系統(ARTBASS)」的原型，之後這系統發展出第一個全自動模擬系統，並於1986 年首次用於陸軍訓練。這些早期開發的模擬系統至今影響著美軍訓練模擬的發展(胡曉峰，2003)。

另美國國防部高等研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，

DARPA)亦於1980年開始利用電視遊樂器研究相關的計畫。直到1996年結束此項計畫。其間美國海軍陸戰隊允許使用政府的電腦研究以電腦為基礎的戰爭遊戲，美國海軍陸戰隊的電腦類比專家將商業電玩遊戲《毀滅戰士II》(Doom II)修改成另一款遊戲 Marine Doom來作為戰術上的訓練工具。美國海軍陸戰隊因Marine Doom 研究成功而與MÄ K技術公司合作開發Marine Expeditionary Unit 2000。這是第一款由美國國防部和民間的電玩遊戲工業合作開發的電腦遊戲。這個遊戲不僅用在美國海軍陸戰隊訓練，也公開對外發行(維基百科)。

因此，資訊科技的日新月異，賦予你我生活上的便利；如是，資訊科技亦使軍事作為大幅改變。傳統上投注大量人力與只重視提昇兵器效用的作戰型態，由於資訊科技的改良與精進，加以高科技之戰場模擬技術，讓美國軍方在教育訓練、系統研發、

與戰術發展之能力迅速提昇(劉倢伃，2007)。

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第二節美軍模擬訓練現況

保持一支訓練有素、裝備良好的軍隊是美軍訓練的目標。因此，美軍特別重視訓練，然美軍每年不斷增加訓練經費，但各種高技術武器裝備造價昂貴，在部隊訓練中不可能經常實施各種實裝、實彈演練，只能運用各種模擬器材來模擬高技術裝備的各種作戰效能，並為部隊實施反覆演練創造出近似實戰的環境和條件。各項訓練方法如下(中國長城互聯網，2006)：

一、美軍模擬化訓練方法

目前，美軍把模擬訓練作為軍事訓練的主要方式之一，包括：部隊模擬訓練、基地模擬訓練和分佈式模擬訓練三種，說明如下：

(一)部隊模擬訓練

部隊模擬訓練，是指採用模擬器材和作戰模擬系統進行的訓練。模擬器材直接用於復雜裝備的操作技術訓練；作戰模擬系統主要用於訓練指揮和參謀人員。

1. 模擬器材訓練方面：

在空軍的飛行程序訓練、空中攻擊訓練；海軍的艦船操縱、目標捕捉、反潛、海上攻擊訓練；陸軍的砲兵射擊、攻防戰術訓練等多種技術、戰術訓練課目中，都大量運用了這種方法，取得了很好的訓練效果。目前訓練器材有下列四種：

(1)聯合作戰訓練器材：

a.「凱蒂斯」聯合訓練綜合評價系統

該系統於 1990 年裝備部隊，它是一種面積殺傷武器戰術模擬系統，可用於模擬射擊火力、核生化武器及地雷的作戰效果。該系統除可模擬火砲、火箭和導彈外，還可模擬艦炮火力。它與「邁爾斯」或其它模擬系統兼容。

b.火力支援戰術訓練模擬器

原稱「砲兵模擬系統」，它能逼真而廉價地進行砲兵射擊訓練。它可在營區內按照美國陸軍的訓練標準通過模擬實彈射擊來訓練砲兵連或排；它是一個由多個子系統構成的模擬系統。它可用於單炮兵分組的訓練，又可進行炮兵聯合訓練。

c. SAWE 面積殺傷武器訓練模擬器

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

「虛擬實境」技術導入軍事教育訓練之 研究-以美國陸軍為例