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中 華 華 華 華 大大 學 大 學 學 碩 碩

碩 士 士 士 士 論論 文 論 文

植基於 植基於 植基於

植基於GPS之場域感知校園植物學習系統 之場域感知校園植物學習系統 之場域感知校園植物學習系統 之場域感知校園植物學習系統

Location-aware Learning System based on GPS Technology for Campus Plant

系 系 系

系 所 所 所 所 別 別 別: 別 : : :資訊管理學系 資訊管理學系 資訊管理學系 資訊管理學系 碩士班 碩士班 碩士班 碩士班 學號姓名

學號姓名 學號姓名

學號姓名: : : :M09710015 徐琮凱 徐琮凱 徐琮凱 徐琮凱 指導教授

指導教授 指導教授

指導教授: : : :張 張 張 文 張 文 文 文 智 智 智 智 博博 士 博 士

中華民國 中華民國 中華民國

中華民國 九十九 九十九 九十九 年 九十九 年 年 年 八八 月 八 月 月

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摘 要

隨著資訊科技不斷的進步,使教學技術有更多的突破與創新,無所不在學習是近 年來非常熱門的話題,無所不在學習使學習者不必在傳統教室內進行學習活動,另外 無所不在學習可以根據學習者所處的時間與空間給予正確的資訊。我們利用 GPS 建 立一個場域感知的學習環境,透過 GPS 的幫助,學習者可以更容易的融入學習情境。

在進行情境學習時,學習者能夠從中獲得相關的專業知識與技術。本研究提供一個植 基於 GPS 之場域感知校園植物學習系統,並且設計闖關任務增加學習者與 GPS 場域 感知學習系統的互動。實驗結果我們發現學習者使用本研究開發的無所不在學習系統 能夠提升學習者的學習成效。

關鍵字: 無所不在學習、場域感知、GPS 衛星定位技術

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ABSTRACT

With the advances in information technology, teaching techniques have more breakthroughs and innovations. Ubiquitous learning is a very hot topic in recent years;

learners do not have to learn in traditional classroom. In addition, ubiquitous learning can give correct information for learners at the right time and the place. We apply the GPS to establish a GPS location-aware learning environment. With the GPS assistance, learners integrated into the learning situation easily. From the situated learning, learners obtain relevant professional knowledge and skill. In this study, we provide a location-aware learning system based on GPS technology for campus plants and design some challenge tasks for learners to interact with the proposed GPS location-aware learning system. From the results, we found that learners using the ubiquitous learning system can enhance learning efficiency.

Keywords: Ubiquitous learning, location-aware, GPS technology.

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誌謝

時光匆匆飛逝,轉眼間我就要畢業了,首先要感謝的是張文智老師,在我就讀碩 士的期間悉心的指導,不僅在研究領域與課業上給予協助並指引方向,還在不時提點 我為人處世道理,因為張文智老師的耳提面命,讓我在攻讀碩士的兩年間有不少的成 長,並順利的完成碩士論文。接著我感謝這次的口試委員王德華博士、楊宣哲博士與 林曉雯博士,在百忙之中仍花時間細心的批評與指教,並在口試時給予許多寶貴的意 見,使得論文能夠更加的完善。

感謝我的父母與家人與女友:桂芳,全力支持我攻讀碩士學位,時時關心我的研 究進度給我加油與鼓勵,尤其要特別感謝桂芳每個禮拜總是不遠千里的坐車北上新竹 來探望我,而且在辨識校園植物時,也給予不少的幫助,謝謝你們!我最敬愛的家人。

我還要感謝在實驗室陪伴著我的夥伴們,謝謝聖麟、安勝、克祈、乃維、富鈞、

榮翔、政興還有學弟瑞宇、浩軒、來奇與學妹彥菁,大家一起鼓勵互相扶持、切磋課 業,在系統開發以及系統實測階段也給予很大的幫助。

最後我要特別感謝 Jeff 先生,在開發 GPS 接收程式時,Jeff 先生給予很大的協助,

我在程式方面有任何不了解的地方,Jeff 先生都能詳細的解說,讓我 GPS 接收程式能 夠順利的開發完成。

(5)

目錄

摘 要... i

ABSTRACT ... ii

誌謝... iii

圖目錄... vi

表目錄... vii

第一章 緒論 ...1

1.1 研究背景與動機...1

1.2 研究目的 ...3

1.3 研究流程 ...5

1.4 研究架構 ...6

第二章 文獻探討 ...7

2.1 無所不在學習...7

2.1.1 U-Learning 定義...7

2.1.2 U-Learning 與 M-Learning 比較 ...9

2.1.3 近年國內外 U-Learning 的相關研究 ...11

2.1.4 無所不在學習與情境感知技術 ...15

2.2 全球衛星定位系統 ...17

2.2.1 GPS 的發展...17

2.2.2 其他的衛星定位系統...17

2.2.3 GPS 定位原理...18

2.2.4 GPS 訊號格式...19

2.2.5 GPS 與其他位置感知技術比較 ...22

2.3 植物教學 ...27

第三章 系統展示與實作...31

3.1 系統開發環境...31

3.2 系統設計 ...31

3.2.1 系統架構...31

3.2.2 設計理念...32

3.3 系統流程 ...33

3.4 系統展示 ...35

3.4.1GPS 接收程式...35

3.4.2GPS 感知學習系統 ...38

第四章 研究方法與研究成果 ...46

4.1 研究目的 ...46

4.2 研究假設 ...46

4.3 實驗設計 ...46

(6)

4.3.1 實驗設計...46

4.3.2 研究對象...47

4.3.3 實驗流程...48

4.4 研究結果 ...49

4.5 問卷分析 ...52

4.5.1 信度與效度 ...52

4.5.2 問卷分析...56

第五章 結論與未來研究...60

5.1 結論 ...60

5.2 未來研究...62

參考文獻...64

附錄一 植物圖鑑整理...71

附錄二 前測試卷 ...72

附錄三 後測試卷 ...73

附錄四 研究問卷 ...74

附錄五 學習者 A 問卷答題狀況 ...75

附錄六 學習者 B 問卷答題狀況...76

(7)

圖目錄

圖 1、研究流程圖 ...5

圖 2、不同學習環境比較...10

圖 3、衛星定位(一)...18

圖 4、衛星定位(二)...18

圖 5、衛星定位(三)...19

圖 6、GPGGA 訊號範例...20

圖 7、GPRMC 訊號範例...21

圖 8、系統架構圖 ...32

圖 9、系統使用流程 ...33

圖 10、GPS 接收器連線成功 ...35

圖 11、GPS 接收程式-選擇 Comport...36

圖 12、GPS 接收程式-定位資料不足...36

圖 13、GPS 接收程式-定位成功 ...37

圖 14、使用者開始學習任務...38

圖 15、登入頁面 ...39

圖 16、Google Maps 與系統主畫面...40

圖 17、學習者接近關卡示意圖 ...40

圖 18、關卡資訊 ...41

圖 19、植物外觀特徵介紹...42

圖 20、植物功能與效用 ...43

圖 21、開始闖關按鈕 ...43

圖 22、闖關活動 ...44

圖 23、回答問題回饋畫面...44

圖 24、進行下一題的按鈕彈出 ...45

圖 25、闖關成功 ...45

圖 26、實驗流程圖 ...48

(8)

表目錄

表 1、行動學習系統和無所不在學習系統比較 ...9

表 2、近年來國內 Ubiquitous Learning 的相關研究 ...11

表 3、GPGGA 訊號格式...20

表 4、GPRMC 訊號格式...21

表 5、定位技術的比較 ...22

表 6、RFID 與 QR-Code 比較 ...23

表 7、近年國內外 GPS 應用的相關研究 ...23

表 8、植物教學的相關研究...27

表 9、開發系統硬體設備...31

表 10、系統開發工具與軟體需求環境 ...31

表 11、實驗組與對照組分類 ...47

表 12、實驗組與對照組成績整理 ...49

表 13、實驗組前測與後測成對 T 檢定 ...50

表 14、實驗組與對照組的前測 T 檢定 ...50

表 15、實驗組與對照組的後測 T 檢定 ...50

表 16、時間與後測成績皮爾森相關 ...51

表 17、問卷變數相關矩陣...52

表 18、問卷變數相關矩陣(續) ...53

表 19、計算區別效度 ...54

表 20、問卷信度 ...54

表 21、Cronbach α 與可信度高低對照表...54

表 22、問卷整體敘述性統計...56

表 23、易用性敘述統計結果...57

表 24、有用性敘述統計結果...58

表 25、使用態度敘述統計結果 ...58

表 26、使用意願敘述統計結果 ...59

(9)

第一章 緒論

因為資訊科技不斷的進步,使學習方法有更多的突破與創新,從電腦輔助教學 (Computer-Assisted Instruction , CAI) 到 最 近 的 行 動 學 習 (Mobile-Learning , M-Learning),教學方法不斷的在改進;因為這些技術的支持,學生不用再侷限於紙 本 教 材 或 者 是 傳 統 教 室 上 課 。 本 研 究 是 建 置 一 個 以 全 球 衛 星 定 位 系 統 (Global Positioning System,GPS)為基礎的學習系統,幫助學生融入學習環境,透過觀察實物 提升學生的學習成效的學習工具。本章節將說明研究背景與動機、研究目的、研究流 程和論文架構。

1.1 研究背景與動機

隨著時代的不同,學生的學習方式也越來越不一樣,劉富連(1999)提到雖然在教 室內學習,比較容易掌控學生與課堂的進度;但是抽象的講解不如讓學生接觸實物來 的有效,老師不妨帶學生走出教室,進行戶外教學,使學習變得更有趣、更有效果。

情境學習理論的學者們也發現(Lave. J & Wenger. E,1991)專門行業的學徒(如助產士、

裁縫師等),並未像學生或專家一般接受正式的教育或完整的訓練,但在處理專業上 的疑難雜症時甚至懂得一些訣竅。因此他們主張近年來知識無法脫離情境,知識中的 許多概念與規則需要透過實際行動才能理解其真正涵義(Suchmon,1987;鄭晉昌,

1993;邱貴發,1996)。

由於電腦的發明與普及,學習的載具不只侷限於黑板或是課本,隨後電腦輔助教 學(Computer-Assisted Instruction,CAI)一詞被提出並且受到重視,然而隨著科技的進 步,能夠裝載學習內容的載具越來越先進,近年又以智慧型手機(Smart Phone)以及電 子書最為熱門。另一個改變學習型態的重要因素就是網際網路的發展與成熟,根據財 團法人台灣網路資訊中心(財團法人台灣網路資訊中心,2010)的調查報告,在2010年 1月台灣地區12歲以上民眾曾經使用無線上網為34.83%(約704萬人),相較於去年同期 (2009年1月)台灣地區12歲以上民眾曾經使用無線上網的人數明顯上升5個百分比 (29.19%,584萬人);顯示台灣目前無線網路的技術與普及率正穩定的成長。無線通

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訊與位置感應技術蓬勃發展,載具結合情境感知 (Context Awareness) 技術,透過感 應個人所在的位置、所處的環境資訊、個人的情形及任務,使得每個人不受任何時間、

任何地點限制 (邱柏升、林大正、陳宗禧,2006),接收符合使用者所需要的資訊,

形成行動學習(Mobile-Learning) 和無所不在學習(Ubiquitous Learning,U-Learning)。

情境感知是依照使用者當時所在地的地理環境,透過行動載具或是感應器的協 助,給予使用者所需要的資訊(Schilit,Theimer,1994;蕭顯勝,2008)。無所不在學習使 用情境感知技術,能夠依照學習者目前的位置以及當時的時間、氣候與狀況,給予學 習者最適當的學習資料,其中無所不在學習最常使用的就是位置感知(Location-aware) 技術。

位置感知是使用全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)、無線頻射 辨識系統(RFID)、無線區域網路定位(Wireless LAN)、全球行動通訊系統(Global System for mobile communication,GSM)或藍芽等技術,可以在實際的環境中偵測使 用者的位置(陳彥明,民95)。GPS本來為美國國防部因為冷戰時期的需要所提出的計 劃,但是在美國前總統柯林頓在2000年5月1日宣佈關閉美國國防部對GPS衛星信號的 選擇性干擾(Selective Availability, SA)之後,一般平民百姓便開始能充分享受GPS,定 位的精確度一下子也從100公尺提升到10公尺左右,已適用在民用的非專業導航或各 種戶外休閒活動上 (The White House,2000;陳明哲,2003),讓GPS成為近年來最熱 門的導航與位置感知技術之ㄧ。

行動學習與無所不在學習的發展,將學習者的學習環境從室內搬到戶外,讓學習 者能夠接觸到實物,例如學習者可以親自體驗自然生態或親自走訪歷史古蹟等。植物 是自然生態的一部分,它在生活中扮演很重要的腳色,根據老祖先的智慧傳承,植物 不但可以當作草藥治病、治療傷口、染色、食用或是有其他的用途。如今生活在都市 叢林的大部分人類幾乎不認得植物的長相或名稱,更不用說了解該植物的用途。王柔 翔(2009)認為植物涵養了我們生長的大地,沒有植物,我們就沒辦法呼吸也不能吃

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學習相關知識,因為校園植物教材容易取得且方便觀察,所以出版社紛紛將校園植物 被編入教材中,也有許多研究以校園植物作為研究主題,例如許甲奇(2008)利用Wi-Fi 定位開發國小植物學習辨識系統。

如果學習認識植物光是用文字解釋或是靠圖片解說會比較抽象,王美芬與熊召弟 (1995)提出自然與生活科學研究,均由正確和細心的觀察開始。若要仔細的觀察植 物,必須配帶植物圖鑑或是相關教材,但是在戶外尋找植物或是翻閱書籍非常不方 便,所以使用無所不在學習的情境感知技術,系統可以根據使用者的所在位置替使用 者篩選不必要的資訊,給予符合使用者當時情境中最適切的資訊,或是使用地圖服 務,引導並協助使用者找到想要尋找植物,並且還可以透過人機互動的機制,提供學 習者個人化學習的服務。

1.2 研究目的

根據上一節所提出的研究動機,本研究主要目的在於提出一個校園植物學習系統 利用情境感知技術輔助學習者,使學習者在真實的校園環境中學習植物的相關知識,

在學習過程中透過學習系統能夠與環境中的人、事、物進行互動。透過近距離接觸植 物和觀察植物,希望能提升學習者的學習成效。本系統使用 Google Maps 標示學習關 卡的位置,並即時呈現學習者位置,讓使用者可以隨時隨地知道自己與學習關卡的位 置。

本研究以認識校園植物為這次研究的主題。系統將配合 GPS 與 Google Maps 帶 領學習者認識校園內各角落的植物和植物的功用,並在瀏覽植物資訊和學習所有植物 之後要求學習者回答問題進行闖關活動。在學習者使用系統前會進行前測,根據前測 成績將學習者平均分為實驗組與對照組,在實驗組使用系統同時對照組可以瀏覽本研 究整理的校園植物圖鑑或是上網查詢相關資料,最後再進行後測以及對實驗組作問卷 調查。

本研究的研究目的如以下所述:

1、開發與建置使用場域感知的植物學習系統。

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2、評估學習者使用本研究系統是否有顯著的學習效果。

3、評估本研究系統的學習效果是否優於傳統的學習方法的學習效果。

4、探討學習者使用系統的時間是否會影響學習者的學習效果。

5、利用 TAM 科技接受模型設計問卷,了解學習者對本研究系統的感受。

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1.3 研究流程

本研究首先探討與闡述研究背景與動機以及研究目的,在確定研究主題為「植基 於 GPS 之場域感知校園植物學習系統」後,其次再分析及探討相關文獻,作為本研 究主題的理論基礎。本系統是使用 Visual Studio 的 C#程式語言開發,並加入 Google API 的技術協助學生使用地圖更方便找到學習關卡。本研究流程圖如圖 1 所示。

圖 1、研究流程圖 研究背景與動機

研究目的

教材收集 系統分析

文獻探討

系統開發與測試

學習前測驗

實驗組

問卷調查與分析

學習後測驗

結果分析與結論

對照組

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1.4 研究架構

本研究主要的章節及綱要敘述如下:

第一章:緒論部份,首先指出接觸實物的學習遠比在教室學習抽象觀念來的好,

其次主要是講解目前行動學習與無所不在學習的發展過程,說明載具、網路以及感知 裝置的發展,促使學習方式不斷地發展與進化,最後提出植物對於人類的重要性,因 此人類應該多親近與認識植物。

第二章:本研究所用到的文獻探討,包含無所不在學習的介紹,全球衛星定位系 統原理和其他相關文獻的探討。

第三章:系統的實作與展示,介紹系統開發環境,以及資料庫所使用的工具。此 外也將介紹系統設計的想法以及實際操作畫面,展示系統各功能的用途。

第四章:實驗方法,包含實驗目的與假設,分析實驗組學習者在使用系統後成績 是否有大幅提升,並與對照組學習者之間是否有顯著差異,還有實驗組學習者的問卷 調查與分析。

第五章:結論及未來研究,本章將總結之前的研究結果、並針對這次的研究提出 未來之展望。

(15)

第二章 文獻探討

本章節將介紹本研究上相關的理論和系統背景,其中包含介紹無所不在學習以及 國內學者的相關應用,另外還介紹全球衛星定位系統發展過程以及跟其他感知設備的 比較,還有比較 Google Maps 與其他線上地圖系統進行比較,最後介紹國內使用電子 化植物教學系統的相關研究

2.1 無所不在學習

科技不斷的進步,使得學習方式不斷的在轉變、更新。自從個人電腦(Personal Computer,PC)被發明且普及後,電腦輔助教學(Computer Aided Instruction,CAI)隨 即被提出,進而轉變成為電腦輔助學習(Computer Aided Learning,CAL)。而後隨著 網際網路的盛行,遠距學習(Distance Learning)頓時成為熱門的議題,而 E-Learning 一詞也隨著科技的腳步,漸漸地廣為人知;近年來智慧型手機、PDA、筆記型電腦等 載具樣式與功能逐漸地多元化,搭配日漸成熟的情境感知技術,M-Learning 和 U-Learning 一直是近年來最火紅的話題。

2.1.1 U-Learning 定義

無所不在學習具備有情境感知技術,所以能夠知道,學習者的位置以及當時的時 間、氣候與狀況,使系統可以提供最適切的資訊給學習者,所以無所不在學習必須具 備下列幾項特色(王志忠,2007;蕭顯勝、馮瑞婷,2006):

1. 運算裝置將嵌入到人們生活每一天

2. 未來的運算裝置將更具備智慧型介面,讓人們在使用上更加簡單與易於使用。

3. 透過各項運算裝置連接到通訊網路,將使得人們可在任何地點與時間存取所需資 訊。

無所不在學習為了達到能在任何時間、任何地點、任何狀況傳遞適切的資訊給學 習者,無所不在學習環境應該包含三大要素(Chang ,Sheu & Chan ,2003):

1. 無線網路技術

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無線通訊技術目前有Wi-Fi、3.5G(High Speed Downlink Packet Access,HSDPA)、

無線區域網路(Wireless LAN)、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access,全球互通微波存取)、藍芽(Bluetooth)以及紅外線傳輸(IR)等無線通訊技術。

2. 無所不在學習裝置(載具)

無所不在學習環境重要元件之一便是無所不在學習裝置,所以具備無線傳輸功 能、體積小、重量輕與具有可移動等特性的行動裝置是必備的。目前符合這幾項特點 的行動裝置主要有平版電腦(Tablet PC)、聯網板(Web Pad)、PDA(蕭顯勝、蔡福興、

游光昭,2005) ,而現今在行動載具上又多了幾種選擇,如最近非常熱門的小筆電(Eee PC等)、智慧型手機(Smart Phone)和電子書等。

3. 學習活動設計

無所不在學習的活動設計需考慮以下幾點(張雅雯,民 89):

(1). 利用網路、多媒體來設計教學活動

(2). 活動要符合不同學生的學習風格及能力差異

(3). 適時的給予學生回饋並且與學生在課程中進行互動

(4). 以問題導向為原則,讓學生學習分析問題、探討原因進而解決問題 (5). 提供學生日常生活中類似的教學活動

(6). 讓學生在自在的環境下學習,提高學生的學習意願 (7). 結合相關課程的目標,增加學生問題解決的能力

(8). 利用合作學習讓學生透過分組討論、合作,培養團隊合作的能力 (9). 在裝置上的介面設計盡可能單純化,減輕學生的認知負荷

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2.1.2 U-Learning 與 M-Learning 比較

表 1 可以看出行動學習與無所不在學習的不同在於情境感知(Context awareness) 與主動行為(Action initiative),所以無所不在學習系統可以訓練以及評量學習者在真 實情境的觀察力與解決問題的能力(黃國禎,2005)。

表 1、行動學習系統和無所不在學習系統比較

行動學習系統 情境感知無所不在學習系統

學習系統經由學習歷程資料庫來瞭解學 習者的狀態

系統不僅經由學習歷程資料庫,另外透過 感知學習者在真實世界的所在地點、個人 與環境情況,來瞭解學習者的狀態

學習者經由無線網路使用學習系統 根據學習者背景主動提供個人化服務

在學習歷程中記錄線上學習者行為 學習歷程中不僅記錄線上學習者行為,同

時也記錄真實世界中學習者的行為與環 境資訊

系統基於學習者資料與資料庫中的線上 行為提供協助

系統基於真實世界中學習者與環境的狀 況,在正確的時間地點提供正確的協助 系統僅在特定的地點便用特定學習載具

提供無線電上網學習;學習地點或學習載 具的改變將造成學習中斷

即使學習者的地點與環境改變,系統仍可 隨時隨地提供學習,並在必要時由不同系 統(包括載具及網路)交替執行而不中斷 學習過程

學習者往往需要依不同的行動裝置安裝 驅動程式或軟體

系統主動調整主題內容,以符合不同行動 裝置的功能

資料來源:黃國禎,2005

Ogata(2008)利用嵌入性與行動性區分行動學習與無所不在學習和另外兩種學習 環境。由圖2可以得知無所不在學習擁有較高的移動性與嵌入性,一般來說行動學習 只能隨時隨地的傳送學習內容給學習者,但無法適地性的服務,也無法切中學習者遇

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到的狀況,所以在嵌入性這一方面無所不在學習優於行動學習,而普及學習(Computer Supported Pervasive Learning)和個人電腦支援學習(Desktop-Computer Based Learning) 這兩塊並不在本研究的討論範圍內,故不多做討論。

圖 2、不同學習環境比較

資料來源:Ogata,2008 由本研究重新繪圖

本研究系統使用小筆電提供可攜性,讓學生可以攜帶筆電到校園各個角落觀察植 物,並且利用GPS衛星定位取得學習者的所在位置,提供合適的資訊給使用者,根據 表1與圖2,本研究系統不僅擁有高移動性,也可以根據學習者的位置給予不同資料,

所以同時也擁有高嵌入性,並且使用GPS提供情境感知內的位置感知(Location-aware) 技術。

Level of Embeddedness High

Low High

Computer Supported Pervasive Learning (CSPL)

Desktop-Computer Based Learning (DCBL)

Computer Supported Ubiquitous Learning (CSUL)

Computer Supported Mobile Learning (CSML)

Level of mobility

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2.1.3 近年國內外 U-Learning 的相關研究

無所不在學習是近年來相當熱門的議題,根據本研究的統計,2006 年到 2010 年 7 月為止 IEEE 共搜尋到 778 篇以 Ubiquitous Learning 為關鍵字的論文,而國科會在 近 5 年更是通過 75 篇無所不在學習的相關計畫。以下為本研究整理近年國內無所不 在學習的研究,討論這些研究如何使用無所不在學習增加學生的學習教果或提升學生 的學習動機,本研究將近年國內外 Ubiquitous Learning 整理在表 2 中。

表 2、近年來國內 Ubiquitous Learning 的相關研究

作者 研究主題 研究內容

施如齡、黃國楨、鄭家 家(2010)

GPS 導入史地步道系統-行 動與無所不在學習之應用

運用導入 GPS 定位的行動載 具與史地資料庫,以系統提 示的探索式學習,輔助學習 者實地勘查,使學習者了解 學習內容本質,並對鄉土文 化 產 生 認 同 及 提 昇 學 習 動 機。

雷浩、張基成(2010) 在無所不在學習環境下媒 體呈現方式對英語聽力之 影響

利用 GPS 與 PDA 技術開發 無所不在的英文媒體,並讓 學生在動物園使用系統,發 現語音搭配文字(雙碼)系統 對於學生英語聽力學習成效 有顯著的提升。

黃國豪、李玲梅、洪珮 菁、吳佳茹、賴煖菱、

王皓瑀(2010)

無所不在學習環境下自動 問答系統之建置與成效分 析-以認識國小校園植物為 例

運用無所不在學習環境漸至 一個自動問答系統,利用斷 詞系統分析判斷學生提出的 問題類型,再利用知識表合

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成答案回覆學生,但結果發 現無所不在學習與傳統學習 的學習成果並無明顯差異,

但發現學童比較喜歡使用無 所不在學習系統。

Shu-Hau Ye, Yen-Chu Hung (2010)

The Study of Self-Seamless Teaching Strategy for Ubiquitous Learning Environments

結 合自動 引導 (self-directed) 的 學 習 策 略 與 無 所 不 在 學 習 , 提 出 一 個 自 動 無 縫 地 (Self-Seamless) 教 學 策 略 的 無所不在學習環境。

Hwang, G.J., Kuo, F.R., Yin, P.Y., & Chuang, K.H.(2010)

A heuristic algorithm for planning personalized learning paths for

context-aware ubiquitous learning

提供個人化的情境感知無所 不在學習路徑提升學習者的 學習效果,並將這套技術應 用在自然蝴蝶生態的學習活 動上。

Chu, H. C., Hwang, G.

J., & Tsai, C. C. (2010).

A knowledge engineering approach to

developing mindtools for context-aware ubiquitous learning.

利用 mindtools 開發一套情境 感知無所不在學習應用在自 然科學的基礎課程上,發現 使用知識工程的 mindtools 增 加學生的學習成就與學習動 機。

朱蕙君(2009) 以知識工程技術為基礎之 無所不在學習心智工具

提出一套基於無所不在學習 環境的教學設計工具與心智 工具,協助教師設計無所不

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在學習活動,該研究系統為 小學的自然科學課程設計課 程活動,結果發現不僅提升 學生學習動機與興趣,亦改 善學生的學習成果。

黃文秀(2009) 應用位置感知無所不在學

習環境於昆蟲教學

以 全 球 衛 星 定 位 系 統 為 基 礎,發展位置感知的昆蟲認 識與學習系統,透過系統增 加 學 生 對 校 園 內 昆 蟲 的 認 識,並增加學習成效。

林世昌(2009) 建構自然與生活科技教學

的無所不在學習系統:以植 物教學為例

利用 RFID 設計一套無所不 在環境的校園植物系統,並 對學生進行前、後測,發現 無所不在的系統對於學習成 效有很大的幫助。

G.D. Chen, C.K. Chang, C.Y. Wang(2008)

Ubiquitous learning website:

Scaffold learners by mobile devices with

information-ware techniques

建立一個提供無所不在學習 的網站,學習者在網站上的 行為會被分析診斷並且記錄 下來,提供教師進行教學計 畫。

Hwang, G.-J., Tsai, C.-C., & Yang, S. J. H.

(2008)

Criteria, Strategies and Research Issues of

Context-Aware Ubiquitous Learning.

無線網路與感應裝置的進步 帶來新的學習環境,就是情 境感知無所不在學習環境,

這篇研究介紹情境感知無所 不在學習環境的基本準則,

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策略與情境感知無所不在學 習的研究議題,並確認發展 學習環境的必要條件,最後 舉例說明進行設置情境感知 無所不在學習活動的要求和 設置學習環境。

江瑞豪(2007) 情境感知無所不在學習環

境在國小自然科教學之應 用-以校園植物單元為例

開發一套校園植物系統,學 生手持 PDA 學習認識植物,

之 後 對 學 生 與 老 師 進 行 訪 談,該研究系統不但提升學 生的學習興趣與學習動機,

也減輕老師的負擔。

謝欣純(2006) 校園情境式無所不在學習

系統在英文學習上之應用

發展一套校園情境式無所不 在學習系統供學生使用一個 月觀察學習歷程發現系統提 升 學 生 動 機 並 提 升 學 習 成 效。

邱柏升、林大正、陳宗 禧(2006)

情境感知無所不在學習環 境之設計與實作-以國小自 然與生活科技領域為例

以情境式學習為基礎,使用 PDA 結合無線網路和無線射 頻辨識技術,建構情境感知 無所不在學習環境,提供國 小學生認識校園植物的無所 不在學習系統,提升學生的 學習動機。

(23)

Hiroaki Ogata, Yoneo Yano(2004)

Knowledge Awareness Map for Computer-Supported Ubiquitous Language Learning

在無所不在運算環境下建立 一個電腦輔助協作學習的系 統,用來設計、實施與評估 知識認知地圖,利用知識認 知地圖分享知識以及推薦學 習 者 最 佳 的 合 作 學 習 的 夥 伴。

資料來源:本研究整理

2.1.4 無所不在學習與情境感知技術

Feeney, Ahlgren, & Westerlund(2001)表示情境感知是使用者移動位置或是環境中 加入新物件時,系統在不需要中斷、安裝新軟體或是調整參數的狀況下,將新的位置 資訊或新物件納入系統配置;許甲奇(2008)更精確的指出有情境感知技術的系統能主 動偵測使用者所在位置的狀況(如時間、氣候、溼度等),經由系統篩選之後,自動呈 現符合使用者需求的資訊,而無所不在學習因為使用情境感知技術,能夠知道學習者 的位置以及當時的時間、氣候與狀況,使系統可以提供最適切的資訊給學習者。所以 使用情境感知技術能夠提高學習者對環境的嵌入性,幫助使學習者融入學習環境。

情境學習理論的學者們認為人類與環境互動才能生產知識(Brown J.S., A. Collins,

& P. Duguid., 1989),而情境感知技術幫助學習者融入學習環境,增加學習者與環境互 動的機會,所以相對的能生產出更多的知識,因此有許多研究開始提出幫助學習者的 情境感知技術。

Yang S.J.H., Chen I.Y.L.(2006)認為情境感知的學習服務是提供學習者在學習環境 中可以與學習服務互動的學習模式;學習服務會隨著學習環境改變,學習者能夠透過 學習服務與學習環境互動,所以系統在正確的地點與合適的時間提供正確的合作學習 夥伴、正確的學習服務和正確的訊息。Yau J.Y.-K., Joy M.(2010)提出情境感知技術個 人化行動學習,根據學習者的問卷建立學習者的資料庫,利用情境感知技術取得學習

(24)

者所在的情境數據,系統依照學習者的偏好與所在位置的情境數據選擇學習者的學習 對象。Peng H. et al. (2009)利用 PDA 搭配 RFID 的情境感知技術與無線網路傳輸技術,

建立無所不在學習環境應用在植物教學。

(25)

2.2 全球衛星定位系統

2.2.1 GPS 的發展

1973 年美蘇兩國關係緊繃,美國國防部因為戰略需求研發全球衛星系統(Global Positioning System,GPS),並且於 1995 年建立完成具有全方位即時三度空間的能力。

在 1983 年美國因為韓航 007 班機在俄國上空遭擊落,所以美國政府宣佈開放部份 GPS 功能給民間使用,避免導航錯誤使悲劇再度發生。在 2000 年 5 月 1 號由美國宣佈關 閉 GPS 的選擇性干擾 (Selective Availability,SA)後,使得 GPS 的精凖度大大的提升。

誤差從原本的 100 公尺提升到 10 至 25 公尺。

GPS 是由空間衛星、地面監控以及用戶接收端三方面組合而成。在空間衛星方 面,目前共有 27 顆衛星分布在高度約兩萬公里的空中,並且維持 24 顆衛星運作(3 顆備用)。而在地面監控方面,主要分成主控站、地面天線、監控站三個種類;主控 站主要任務是收集各監測站觀測 GPS 衛星所得到的全部資料,利用這些資料計算每 顆 GPS 衛星的軌道和時間校正;監測站主要任務是取得衛星歡測資料傳送回主控站。

用戶接收端主要負責接收 GPS 訊號,分析所獲得的資訊並完成定位的工作(劉仁筑、

鄔智仁,2008)。

2.2.2 其他的衛星定位系統

劉 仁 筑 、 鄔 智 仁 (2008) 整 理 GPS 以 外 的 衛 星 定 位 系 統 。 WAAS(Wide Area Augmentation System,廣域增強系統),是因為只使用 GPS 無法達到美國聯邦航空局 (Federal Aviation Administration,FFA)對精確飛行導航的要求,所以 FFA 與美國交通 部共同開發 WASS 提高飛行精確度,並開放給一般民眾使用。

俄羅斯則是開發與美國 GPS 對等的 GLONASS,一樣也開放給一般民眾使用。歐 洲則發展 GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛星系統),另外歐盟也 規劃一個「伽利略」的計畫,其原理與美國的 WAAS 相似,目的是提高 GLONASS 的精凖度和可用性,稱為歐洲同步衛星導航服務(European Geostationary Navigation

(26)

Overlay Service,EGNOS)。

2.2.3 GPS 定位原理

GPS 的定位方法是採用空間距離交會法,對使用者進行定位。衛星不斷地傳送訊 號與衛星上原子鐘的時間,且在 GPS 接收器上同樣也有一個時鐘,當 GPS 接收器接 收到一個衛星訊號時,GPS 接收器可以透過內部的微處理計算機計算接收器與衛星之 間的時差,然後算出使用者與衛星的距離。

圖 3、衛星定位(一) 資料來源:Kaplan,1996

如圖 3 所示,衛星計算出與使用者的距離為 R,以衛星為中心點 R 為半徑劃一個圓。

圖 4、衛星定位(二)

(27)

如圖 4 當兩顆衛星同時算出與使用者的距離為 R 跟 R1 時,使用者的位置會在兩個圓 相交的面上。

圖 5、衛星定位(三) 資料來源:Kaplan,1996

最後利用第三顆衛星與前面兩顆衛星交會於兩點,其中一點便是使用者的座標(如圖 5 所示),但所得到的座標也僅僅是平面座標而且誤差也非常的大,當接收到第四顆衛 星訊號時才能確定使用者目前的高度;而接收到越多衛星訊號表示定位結果越精確,

誤差越小。

2.2.4 GPS 訊號格式

目 前 市 售 的 GPS 接 收 機 大 部 分 都 遵 照 美 國 海 軍 電 子 學 會 (National Marine Electronics Association,NMEA)所制定的標準資料格式,美國海軍為了讓他們所使用 的儀器設備之間能夠互相通訊,便制定了所有航海電子儀器的介面與通訊協定,稱為 NMEA 標凖(NMEA Standard) (陳彥明,2006)。 NMEA 是採用美國國家標準資訊交 換碼(American Standard Code for Information Interchange,ASCII),每個句子都是以「$」

作為開頭並伴隨兩個辨識碼,圖 6 範例中的$GP 中的 GP 表示為 GPS 的接收器。以 下將介紹 GPS 常用到的 NMEA 格式。

(28)

圖 6 為 GGA(Global Positioning System Fix Data, Positioning and fix related data for GPS)代表所接收的 GPS 固定資料格式,為本研究所使用的格式。

圖 6、GPGGA 訊號範例 表 3、GPGGA 訊號格式

訊號欄位 代表意義

123519 定位標準時間(UTC of position)格式為:時時分分秒秒 4807.038 緯度,格式為:48 度 07.038 分

N 緯度區域標示,N 表示在北半球,S 表示在南半球 01131.000 經度,格式為:011 度 31.000 分

E 經度區域標示,E 表示在東半球,W 表示在西半球

1 GPS 定位的品質,以 0、1、2 代表三種等級,0 代表未 定位或是無效定位;1 代表非 DGPS(Differential GPS)定 位;2 代表 DGPS 定位(差分定位)

08 接收到 GPS 訊號的衛星顆數,可能有 0~12 顆

0.9 水平衛星幾何精度因

545.4 海平面以上的海拔高度

M 海拔高度的單位(公尺)

(29)

M 大地水平面高度的單位(公尺)

*47 檢查碼

接下來圖 7 介紹的是 RMC(Recommended Minimum Navigation Information,建議 最小導航資訊)格式。

圖 7、GPRMC 訊號範例 表 4、GPRMC 訊號格式

訊號欄位 代表意義

081836 UTC,定位標準時間,表示為 08:18:36

A GPS 定位狀態 A 代表定位完成,V 代表尚未定位完成 3751.65 緯度,表示為 37 度 51.65 分

S 緯度區域標示,N 表示在北半球,S 表示在南半球 14507.36 經度,表示為 145 度 07.36 分

E 經度區域標示,E 表示在東半球,W 表示在西半球

000.0 地面移動速度(單位為海哩) 340.0 相對位移方向

130998 日期,表示為 13 號 09 月 1998 年 011.3 磁場變量(單位為度)

E*62 檢查碼

(30)

2.2.5 GPS 與其他位置感知技術比較

根據 Hazas, Scott, &Krumm(2004)的研究指出位置感知技術可分成下列幾種:超 音波定位(Ultrasonic)、射頻無線辨識系統(Radio Frequency Identification,RFID),全 球衛星定位系統,紅外線系統(Infrared-base Active Badge System),無線區域網路,全 球行動通訊系統(Global System for mobile communication,GSM),藍芽等技術,陳彥 明(2006)將定位技術的室內、外精凖度與應用範圍做整理並加以介紹,如表 5。

表 5、定位技術的比較 GPS GSM Wireless

LAN

Bluetooth Infrared

應用範圍 Wide area Wide area Micro area Micro area Pico area 室內定位精

確性

室內無法 接收訊號

低 1-10 公尺 誤差

10 公尺 誤差

1-10 公尺 誤差 室外定位精

確性

5-50 公尺 誤差

100 公尺 誤差

需架設 AP 不適合 戶外

不適合 戶外 資料來源:陳彥明,2006

根據上表可以發現,若要在戶外進行使用者定位,GPS 是最精確且最方便的方 法,比起 GMS 的誤差少 50 公尺以上,在美國關閉 SA 之後 GPS 的定位技術變得更 佳精凖與成熟,而區域無線網路雖然誤差只有 1-10 公尺,但在戶外必須架設 AP 所以 顯得十分不便;另外近年來 RFID 與 QR-Code 是非常熱門的技術,且兩者皆可以透過 使用者感應標籤或是條碼,來取得使用者得所在位置,故按照表 6 的格式將 RFID 與 QR-Code(二維條碼)整理在表 6 的定位方式做比較。由表 6 可以看出 RFID 與 QR-Code 和區域無線網路一樣在室內有極佳的定位凖確度,但無論在室內或是室外都需另外架 設標籤或是條碼,且必須感應器接近標籤或條碼時,才發揮功效,如果使用者在深山 或樹林裡,若標籤或條碼放置在即不顯眼的位置,那使用者將會無法進行定位,若是

(31)

表 6、RFID 與 QR-Code 比較

RFID QR-Code

應用範圍 Pico area Pico area

室內定位精確性 0-10 公尺(需架設 Tag) 0 公尺(需架設條碼) 室外定位精確性 0-10 公尺(需架設 Tag) 0 公尺(需架設條碼)

2.2.6 GPS 相關研究

GPS 不僅能為無所不在學習提供場域感知的服務,在其他領域中也被大量的應 用,例如國內外廠商利用 GPS 技術提供衛星導航的服務等,陳明哲(2003)提到國內外 也有許多人使用 GPS 進行大地尋寶遊戲。因此本研究整理近年國內外 GPS 應用的相 關研究,如下表 7 所示。

表 7、近年國內外 GPS 應用的相關研究

作者 研究主題 研究內容

Lopez, A.R.(2010) GPS Landing System Reference Antenna

將全球衛星定位系統,開 發成飛機的著路系統。

Quebe Stephen, Campbell Jacob, DeVilbiss Stewart, Taylor Clark(2010)

Cooperative GPS navigation

利用群體的方式建立一個 閉塞的 GPS 信號,透過偽 距 溝 通 與 相 對 位 置 進 行 GPS 定位,發現使用群體 定 位 的 精 凖 度 優 於 個 人 GPS 定位。

Shu-Chen Cheng, Wu-Yuin Hwang, Dun-Wei Wen, Sheng-Yi Wu, Ching-Hua Hsiehe, Chia-Yu

Chen(2010)

A Mobile and Web System with Contextual Familiarity and its Effect on Campus English Learning

建 立 英 文 的 行 動 學 習 系 統,系統提供 GPS 功能,

相機,簡訊傳送,追蹤與 紀錄路徑,學生可以張貼 訊息和多媒體。

(32)

許嘉霖(2009) 智慧型自行車旅遊導覽及 PDA 系統之研製

以 PDA 為 平 台 , 結 合 GPS、RFID、藍芽傳輸與 無線區域網路及 8051 微處 理器等技術開發專屬於自 行車的導覽系統。使用者 利用 GPS 做行車路線導 航。

陳佳暉(2009) 利用 GPS 連續站觀測資料 探討臺灣海峽之地殼變形

利用內政部國土測繪中心 所提供 e-GPS 測站的觀測 資料計算台灣海峽區域地 表活動情況。

Jacob, M. ; Schon, S. ; Weinbach, U. ; Kurner, T.(2009)

Ray tracing supported precision evaluation for GPS indoor positioning

分析 GPS 訊號強度的衰退 與多種傳撥途徑,並觀測 室內 GPS 偽距的精確度 Ming-Jhe Yang, Jui-Hung

Chen, Chao L.R., Shih T.K(2009).

Developing the Outdoor Game-Based Learning Environment by Using Ubiquitous Technologies

戶外遊戲的體驗可以幫助 學習者在學習過程中與真 實世界互動,透過 GIS 與 GPS 技術和無線網路與行 動裝置開發戶外遊戲式學 習系統,幫助學生與老師 容易學習、設計學習內容 和相關環境設置。

郭素妙(2008) 利用 GPS 與地震資料探討 台灣西南部地震潛能

利用 1995-2006 年間 GPS 資料,繪製出地殼變化的

(33)

吳俊宜(2009) 新竹 GPS 固定站地層下陷 監測之研究

運用 GPS 固定站 24 小時接 收資料對新竹地區的地層 下陷進行監測。

Cheng Xi-jun, Cao Ke-jin, Xu Jiang-ning, Li Bao

Analysis on Forgery Patterns for GPS Civil Spoofing Signals

因為現階段 GPS 已經普 及,並大量使用在民用航 空、金融機構、軍事單位 或其他民間單位,作者認 為製作一個假的 GPS 訊號 進 行 欺 騙 行 為 是 非 常 值 得,所以提出四個模型偽 造 GPS 訊號。

賴信安(2007) 結 合 全 球 定 位 系 統 與 Google Mapss 於行動軌跡 追蹤之應用

結 合 GPS 與 Google Mapss,將 GPS 座標製程 軌跡,再將照片結合座標 整合到 Google Mapss 上。

陳誠鈺(2007) 車輛監控系統整合 GPS 和 GPRS 之研究與實現

只用 GPS 接收到地理位置 資料透過 GPRS 傳輸到網 路,將車輛的位置展示在 電子地圖上,並可以多人 線上監控車輛。

張榮輝(2005) 利用 GPS 監測高雄柴山地 區地表變形

在柴山設置 9 個 GPS 監測 點,配合地質調查與試驗 分析,進行柴山位移量的 變形監測。

Iyidir, B.,Ozkazanc, Y. Jamming of GPS receivers 在一些歐洲國家拒絕 GPS

(34)

(2004) 訊 號 服 務 , 所 以 會 干 擾 GPS 訊號的接收,作者使 用 MATLAB/SIMULINK 兩種工具,進行對抗干擾 的幾種策略模擬。

資料來源:本研究整理

(35)

2.3 植物教學

校園植栽指的是栽種在學校內的植物。邱小芬(2002)與蘇明洲(2000)認為校園 植栽雖然為景觀植物、觀賞植物,但不同於一般的造園植物,因為校園植栽能提供自 然、生活、生物、鄉土、環境教育等部分的教材,讓學生能夠實際的觀察與體驗,培 養學生的觀察與思考能力;卓宏仁(2009)也提到國小自然課程為了培育國小學生的觀 察與思考能力,植物教學課程佔了自然課程的 25%,顯示國內在植物教學、認識校園 植栽這一個領域非常重視。

而植物除了做為景觀植物之外,還可以拿來食用,無論是填飽肚子或是治病養生 在五千多年前,我們的老祖先-神農氏,已經為我們親嚐百草,最後形成我們常見的 蔬果以及醫藥典籍。但並不是每一個植物都可以食用,以前有一篇新聞:有人吃便當 的時候沒有筷子,所以就折路邊樹枝當筷子用,結果就中毒了,這故事顯現出大部分 的現代人對於植物是如此的不熟悉。

除此之外,自從工業革命以來,人類開始大量開發土地,如今造成全球氣候暖化、

洪水、土石流等環境問題,這些環境問題一切都歸咎於環境與自然生態的認知不足(黃 乾全,1991),例如開發山坡地,種植檳榔樹或是高麗菜等。

無論是增加對生態環境的認知或是提升觀察與思考的能力,植物已經成為一門重 要的學習領域,也是近年來非常熱門的領域,以下為國內外植物教學的相關研究:

表 8、植物教學的相關研究

作者 研究主題 研究內容

Lai Ah-Fur, Wu Chien-Hsun, Chou Kuan-Chih, Lai Horng-Yih(2010)

Integrate Handheld Device and RFID to Support Context Awareness Environment for Outdoor Inquiry Learning Activity

使用 RFID 與行動學習系 統建立無所不在的學習環 境學習水生植物,實驗對 象是 66 名國小 5 年級學 生,結果發現實驗組與對 照組的學習成果沒有顯著

(36)

的差異,可是實驗組的學 習態度優於對照組。

卓宏仁(2009) 運用流水學習法建置無所

不在的校園植物學習環境

運 用 無 所 不 在 的 運 算 技 術,製作適性化校園植物 學習環境,提供學生適性 化學習教材,改善學生學 習能力與學習效果。

林芳如(2009) 運用 STS 專題導向學習策 略與無所不在學習環境進 行國小校園植物教學之研 究

設計符合 STS 專題導向學 習的學習策略,應用在校 園植物觀察活動,發揮行 動載具在戶外的特性,並 針對行動載具的應用、課 程設計提出建議。

王柔祥(2009) 融入環境特色之科學數位

遊戲學習對學校認同與環 境覺知的影響~以「校園植 物」為例

發展一套數位遊戲學習系 統,探討國小高年級學童 使用後對學校認同與環境 覺知的改變情形。

林世昌(2009) 建構自然與生活科技教學

的無所不在學習系統-以 植物教學為例

設計一套無所不在學習系 統 , 比 較 與 傳 統 教 學 方 式,在認識校園植物成效 上是否有差異。

李素慧(2008) 台東市國民中學、高中職

校園植物教學及多樣性調 查

了解台東市國民中學、高 中職木本植栽現況、相關 教 學 設 施 與 校 園 綠 地 現

(37)

李玉霞(2008) 藥用植物的鄉土課程設計 與教學之研究

以台東地區藥用植物進行 鄉土教學課程設計,探討 常見藥用植物學習活動對 鄉土認知學習與教師專業 成長的影響。

林芳安(2008) 國小生態繪本創作教學研

究-以校園植物為例

要求學生觀賞校園植物並 進行繪本創作教學,啟發 學生對環境問題的重視。

許甲奇(2008) 以情境感知行動學習系統

輔助職務辨識教學之研究

使用 Wi-Fi 無線訊號作為 位置感知的定位技術,在 行動學習系統加入植物辨 識輔助國小六年級學童認 識植物。

簡宇政(2007) 建構校園植物教學系統-以

應用無線射頻辨識系統為 例

利用 PDA 與 RFID 建置校 園植物導覽系統,提升學 生的學習興趣。

Kuo R., Min-Chang Wu, Chang A., Chang M., Jia-Sheng Heh(2007)

Delivering Context-aware Learning Guidance in the Mobile Learning

Environment based on Information Theory

系統使用兩種知識結構,

知識地圖與地圖的空間知 識,系統會給予學生導航 的句子,要求學生觀察學 習對象的特點,系統在生 物學課程實施 5 年觀察植 物的活動。

Yuan-Chen Liu, Kuo-Tai Tang, Tzu-Hua Huang,

Mobile learning activities design based on conceptual

探討如何設計以概念學習 為基礎的數位學習活動,

(38)

Te-Yu Wang, Istanda V.(2007)

learning 是否會影響小學 5 年級的

學童學習校園植被;學生 利用 PDA 透過網路傳送資 料,觀察校園植物特性。

林峯旭(2006) 行動學習教學系統之建構-

以校園植物的學習為例

使用 GPS 結合智慧型手機 發展校園植物學習的行動 教學系統。

資料來源:本研究整理

因為行動學習與無所不在學習的興起,讓強調要接觸實物才能增加學習效果的植 物教學也變的更加熱門,由上表可以得知近年來的學者幾乎都使用無所不在學習或是 行動學習進行植物教學;因為生態環境保育的意識抬頭,再加上植物是校園內隨手可 得的資源,所以植物教學成為行動學習和無所不在學習最熱門的教材之ㄧ。本研究基 於想讓學習者能實際觀察學習目標,但又因為無線網路的限制,所以也將實驗教材定 為植物教學。

(39)

第三章 系統展示與實作

這一章節將介紹無所不在植物學習系統、系統開發環境,以及資料庫所使用的工 具。此外也將介紹系統設計的想法以及實際操作畫面,展示系統各功能的用途。

3.1 系統開發環境

本系統使用微軟公司(Microsoft)Visual Studio C#開發 GPS 接收程式並用 ASP.NET 建構連結 Google Maps 的教學系統,資料庫是使用 Microsoft 的 SQL Server,載具是 使用 Acer Aspire One,表 9 與表 10 為系統開發的環境與工具:

表 9、開發系統硬體設備

系統元件 電腦型號/CPU 規格 記憶體

Master Server AMD Athlon II x2 240 processor 3256 MB SQL Server AMD Athlon II x2 240 processor 3256 MB Client Acer Aspire One/ Intel Atom N280 1024 MB

表 10、系統開發工具與軟體需求環境 作業系統 Microsoft Windows XP Professional SP3

Microsoft Visual Studio 2005 Microsoft .Net Framework 2.0 開發工具

Microsoft SQL Server 2005

3.2 系統設計

根據研究目的,本研究希望開發一套無所不在學習系統,幫助學生認識校園內的 植物,配合 Google Maps 與 GPS 的引導讓學生知道植物的分布位置、與校園景觀、

建築相對的關係,並設計闖關活動與任務增加學生與系統和環境之間的互動,接下來 將介紹系統架構、設計理念、系統基本功能展示與說明。

3.2.1 系統架構

本系統分為 GPS 接收程式以及結合 Google Maps 學習網頁兩部份,GPS 接收程

(40)

式架構為 3-tier 架構,分別為 Client、Web Service 和 Database Server,而無所不在學 習網頁則是採用 Client-Server 的架構,系統架構圖如圖 8 所示。

學習者

GPS接收程式

無所不在學習系統

無線基地台

無線基地台 伺服器

Web Service

行動載具 GPS接收器

資料庫

圖 8、系統架構圖 Client 端:

分成 GPS 接收程式與無所不在學習系統,GPS 接收程式安裝於學習者的電腦中,

將學習者所在位置的經緯度資料透過 Web Service 傳進資料庫,無所不在學習系統則 是根據學習者的經緯度資料結合 Google Maps 以網頁的型式顯示學習者在地圖上的 位置,若學習者開始學習時,系統將會要求伺服器傳送相關的資訊給學習者。

Server 端:

使用 Microsoft SQL Server 2005 作為儲存工具,主要是儲存使用者帳號、經緯度 資料、教材、闖關問題以及學習者的答題狀況。

3.2.2 設計理念

本研究期望設計一套無所不在學習系統,以闖關遊戲的方式認識校園植物,希望 能利用無所不在學習的場域感知功能,讓學生能夠實地觀察校園植物,透過闖關遊戲 的學習方式與系統互動,提升學生的興趣和學習成效。

(41)

3.3 系統流程

下圖 9 展示本研究系統的使用流程,介紹學習者該如何操作與使用本研究的系 統,詳細的系統畫面與介紹會在下一章節介紹。

圖 9、系統使用流程

當學習者要開始使用本研究系統之前,必須確認 GPS 接收器是否與行動載具連 線;開啟 GPS 接收程式之後,學習者站在原地需要等待 GPS 進行定位約 2 到 3 分鐘,

確認完成衛星定位之後,便可以登入本研究的學習系統。

登入學習系統後,學習者會看到 Google Maps 與數個被隱藏的按鈕;Google Maps 上顯示使用者的所在位置以及本研究預設的關卡位置,當學習者移動到學習關卡時,

開啟藍芽與 GPS 接受器連接

開啟 GPS 接收程式並確認定位成功

登入 GPS 感知學習系統

確認學習者自己與學習關卡位置

移動到學習關卡

進行植物學習與瀏覽

進行闖關活動

完成學習活動 闖關失敗

進行闖關成功 再次回答問題

(42)

原本被隱藏的按鈕會依照學習者的所在位置浮出學習者所在關卡的按鈕,點下按鈕學 習者就進入該關卡植物學習的畫面。

當學習者學完關卡內所有植物後,必須挑戰關卡,回答完系統給予的問題之後才 能離開該關卡往下一關前進。當學習者答錯問題時,系統會要求學習者重新作答,經 由反覆的練習提升學習者的技能知識。最後學習者完成所有關卡時,便完成這次研究 設計的學習活動。

(43)

3.4 系統展示

本研究使用 GPS 的位置感知技術與 Google Maps 開發無所不在學習系統,幫助 學習者認識校園植物,並增加植物相關的知識,讓學習者再使用本系統之後不僅認識 植物的外觀與特徵,還可以知道植物的作用與功效。以下將展示本系統的系統畫面以 及系統功能的介紹。

3.4.1GPS 接收程式

1. 連接藍芽裝置

在執行 GPS 接收程式之前必須確定載具與 GPS 接受器連線,當載具與 GPS 接收 器連線時會告知使用者 GPS 接收器所使用的 Comport 位置,如圖 10 所示。

圖 10、GPS 接收器連線成功

(44)

2. GPS 接收程式

當 GPS 接收器與載具成功連線並得到 Comport 位置後,便可以使用 GPS 接收程 式接收 GPS 訊號。開啟 GPS 接收程式後,首先要選擇 GPS 接收器的 Comport 位置,

如圖 11 粗框所示,點選下拉式選單選擇 GPS 接收器的 Comport 位置並按下開始鍵執 行 GPS 接收程式。

圖 11、GPS 接收程式-選擇 Comport

以圖 9 為例, Comport 位置選擇 COM5 並點下開始按鈕後 Port5 狀態的欄位會 由關閉變成開啟,如圖 12 的畫面所示。

(45)

因為當 GPS 接收器剛開啟時,需要一些時間接收衛星訊號以及計算與衛星之間 的距離,所以會在經度與緯度的欄位上出現定位資料不足的資訊,如圖 12 所示,或 是 GPS 接收器尚未收到系統設定的 NMEA 格式,則會在經度與緯度經緯度的欄位出 現 GPS 訊號不足的訊息。GPS 定位成功畫面如圖 13 所示,系統會標示出目前 GPS 接收器接收到的衛星數、經緯度、海平面高度以及衛星訊號的品質,在 GPS 資料旁 邊的大欄位是顯示 GPS 接收器接收到的所有 NMEA 格式的字串。

圖 13、GPS 接收程式-定位成功

(46)

3.4.2GPS 感知學習系統

1. 登入系統

當學習者開始學習任務,GPS 定位成功後便可以開啟網頁(圖 14),登入系統。在 登入畫面系統(圖 15)會要求學習者輸入暱稱與所使用的載具編號。在使用者暱稱這個 欄位,並無任何限制,可以添入自己喜愛的暱稱,其主要目的是紀錄使用者的學習歷 程與闖關狀態,本研究要求受測的學習者輸入自己的學號;由於本研究在進行實驗是 三組學習者同時進行學習,當 GPS 接收程式傳輸經緯度資料給資料庫的同時,會傳 輸一個辨識組別的代號,以免系統無法分辨不同組別的 GPS 訊號。所以機器代號這 個欄位是為了要系統判斷資料庫內的經緯度資料是屬於哪組學習者和載具,學習者必 須將載具上的編號填入此欄位中,輸入好暱稱與代號後點下登入的按鈕進入本系統。

圖 14、使用者開始學習任務

(47)

圖 15、登入頁面 2. Google Maps 與系統主畫面

圖 16 為本系統的主畫面,其中 Google Maps 上顯示關卡位置和學習者目前位置;

地圖上有三顆較大且中間有黑點的標誌,代表學習者,該標誌對應在地圖上的位置也 就是學習者目前的位置,每顆標誌後面接有不同顏色的粗線,代表每位學習者過去兩 分鐘內所行走的路徑,並以顏色區分學習者,另外 Google Maps 會 10 刷新一次,讓 學習者可以隨時掌握自己的位置。另外幾個較小的標誌就是系統設定的關卡位置。

(48)

圖 16、Google Maps 與系統主畫面

在 Google Maps 下面有五個隱藏的按鈕,當學習者接近學習關卡時,才會彈出供 學習者點選。如圖 17 所示,學習者走到校門口的畫面,當學習者接近關卡時,系統 就會根據學習者的位置提供該關卡名稱的按鈕並顯示在 Google Maps。如圖 16 黑框 內的按鈕所示,表示學習者已經接近校門口,並可以進入學習關卡。

(49)

3. 關卡資訊

系統將提供該關卡內植物的照片以及與其相對應的按鈕,如圖 18 黑框所示,學 習者點下按鈕會跳出該植物的相關資訊,並根據系統提供的內容找到植物。

圖 18、關卡資訊 4. 植物資訊

圖 19 展示的是本系統的植物教學頁面,左邊的大欄位是該植物的全身照與植物 的名稱,右邊則是將該植物各部位(莖、葉、花與果實)分類使用文字說明並加上圖片

(50)

對照。當學習者瀏覽完植物外觀與特徵,將捲軸向下拉,可以看到該植物的功能與作 用如圖 20。系統網頁無法一次瀏覽所有植物相關訊息的原因是開發系統時希望學習 者能更清楚觀察植物的特徵,所以將圖片調至能輕易分辨特徵的大小,而且 Acer Aspire One 所支援的解析度為 800X600,在無法加寬欄位的情況下,只好將系統以此 種方式呈現。在教導學習者使用系統時,也提醒學習者務必瀏覽過全部的內容才可以 進行闖關活動。

圖 19、植物外觀特徵介紹

(51)

圖 20、植物功能與效用 5. 闖關活動

當學習者瀏覽關卡內所有植物後,必須回到關卡資訊的頁面,點選圖 21 黑框內 的按鈕開始進行闖關。

圖 21、開始闖關按鈕

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當學習者點下開始闖關的按鈕後,系統提問與該關卡相關植物的問題如圖 22 所 示,若是學習者答錯,系統將會提示學習者回答錯誤,並要求再回答一次直到學習者 答對為止(圖 23.a)。若是學習者答對問題,系統也會跳出視窗提醒學習者進行下一題 (圖 23.b)

圖 22、闖關活動

圖 23、回答問題回饋畫面

下一題的按鈕原本是隱藏的(如圖 22 黑框所示),若學習者未回答出正確答案是

(a) (b)

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圖 24、進行下一題的按鈕彈出

當學習者答對所有問題後系統會跳出視窗告訴學習者闖關成功,並結束闖關的視 窗(圖 25)。學習者必須完成地圖上標示的所有關卡。

圖 25、闖關成功

(54)

第四章 研究方法與研究成果

本章節將展示實驗方法,包含實驗目的與假設,並對進行前測與後測成績分析,

並針對學習者進行問卷調查與分析。

4.1 研究目的

本研究目的要評量在學習者使用無所不在學習系統是否能獲得植物的專業領域 知識,並與傳統學習方式進行比較,了解本系統的學習成效是否優於傳統學習方式的 學習成效?還要觀察學習者使用系統時間與後測成績之間的關係。

在實驗結束後,請學習者填寫問卷,本研究問卷收集科技接受模型(Technology Acceptance Model,TAM)內的有用性、易用性、使用者態度與使用者意願之相關問題,

了解學習者對於本系統的評價,並且想透過使用者態度與使用者意願知道無所不在學 習系統是否能提高學習者的學習興趣與學習意願。本研究在問卷最後做一個開放式的 問題,希望學習者提供意見,以供本研究的系統做改進。

4.2 研究假設

根據研究目的,我們將使用無所不在學習系統的學習者稱為實驗組,使用傳統學 習方式的學習者成為對照組,並提出下列研究假設:

H1.1 實驗組的前測成績與後測成績沒有顯著的差異。

H1.2 實驗組的前測成績與對照組的前測成績沒有顯著差異。

H1.3 實驗組的後測成績與對照組的後測成績沒有顯著差異。

H1.4 系統使用時間與實驗組的後測成績無顯著相關。

4.3 實驗設計

4.3.1 實驗設計

根據研究目的,本研究在進行系統實測之前舉行前測,並依照分數的排序做系統 隨機抽樣(Systematic random sampling),分為實驗組與對照組;實驗組使用本研究開

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無所不在學習,每組都分配有一名助教協助學習者使用系統,並監督學習者確實造訪 所有的植物;對照組則使用本研究整理的植物圖鑑(參照附錄一)並允許在北部某大學 的電腦教室上網查詢植物相關資訊。在實驗完成後,實驗組與對照組均接受後測。

4.3.2 研究對象

本次研究對象為北部某大學資訊管理學系多媒體與創新設計的修課學生,修課班 級分為甲乙兩班共 126 人,其中前測甲班缺席 7 人、乙班缺席 5 人,所以本實驗的研 究對象共有 114 人。

本研究實驗組的樣本是將甲乙兩班 114 人倒敘排列(第 114 名、第 113 名…第 2 名、第 1 名),在使用系統隨機抽樣法進行樣本抽取,系統隨機抽樣法適用於有排定 先後順序的樣本,是隨機一個起始點,每間隔一個固定的區間就抽出一個樣本,本研 究的抽樣法以成績排列第一位為起始點(第 114 名),每間隔兩位就抽出一位最後如表 11 所示。

表 11、實驗組與對照組分類

實驗組 對照組

前測第 114 名 前測第 113 名 前測第 112 名 前測第 111 名 前測第 110 名 前測第 109 名

…(中略) …(中略) 前測第 20 名 前測第 19 名

前測第 18 名

…(中略) 前測第 1 名

如表 12 所示,因為施測時間有限,所以實驗組人數只能測試 48 人,但對照組卻 高達 66 人,很明顯此兩組樣本不在同一個起始點上,會無法拿兩者做比較。所以本 研究刪去多餘的樣本後,實驗組與對照組都是 48 人,研究樣本共 96 人。

(56)

4.3.3 實驗流程

在做完實驗設計與確定研究對象後,本研究就開始進行實驗,其實驗的流程如下 圖 26 所示。

圖 26、實驗流程圖

 前測

前測題目共 15 題,其中 10 題為選擇題,後面 5 題為植物外觀連連看,目的是要 了解學習者對於校園植物的熟悉程度。前測與後測出題範圍皆為校園內的植物,並收 錄在附錄二。根據上一節的描述共 114 人參加前測,並依照前測成績進行系統隨機抽 樣將學習者分為實驗組與對照組。

 對照組

前測

成績統計與排名

實驗組 對照組

無所不在學習系統 瀏覽圖鑑

問卷調查與分析

後測

資料分析 系統介紹

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圖鑑,並允許使用網路查詢該植物相關的資料,並在實驗結束後進行後測。經由上一 節的分析,剔除多餘的 18 筆資料,對照組人數為 48 人。

 實驗組

使用系統隨機抽樣取得 48 名實驗組學習者,以兩人一組的方式使用本研究開發的 情境學習理論導入無所不在學習系統,其用意是希望組員能夠互相負擔載具的重量,

並且在進行情境學習時可以互相討論、分頭尋找植物;或是其中一名學生精通植物知 識時,可以利用系統帶領組員實地講解植物領域的相關知識,達成情境學習理論內的 認知師徒制。

 後測

後測題目的類型與前測相同, 10 題的選擇題與 5 題植物外觀連連看,共 15 題。

主要目的是在學習者學習後進行測驗,了解學習者的學習狀況。後測題目收錄在附錄 三。

4.4 研究結果

本章節將整理前後測的成績,並針對 4.2 節提出的研究假設使用 SPSS12 進行分 析,證明本研究系統有達到當初制定的研究目的。

表 12、實驗組與對照組成績整理

實驗組 對照組

樣本數 48 48

前測成績 31.0833 31.5833

後測成績 63.1667 32.8333

表 12 簡略整理本次實驗的實驗組與對照組的成績與受測人數,可以發現實驗組 與對照組前測成績幾乎相同,實驗後,使用本系統的實驗組平均分數進步 31 分以上,

而對照組平均分數大約進步 1 分,可以得知使用本系統的學習成效是非常顯著的。

(58)

表 13、實驗組前測與後測成對 T 檢定

自變數 平均數 標準差 T 值

前測 31.0833 11.13903 後測 63.1667 14.31460

-11.545**

**P<.001

根據表 13 的資料表示,將實驗組的前測成績與後測成績進行成對樣本的 T 檢定,

發現 P 值小於 0.001,表示拒絕本研究假設「H1.1 實驗組的前測成績與後測成績沒有 顯著的差異」。

表 14、實驗組與對照組的前測 T 檢定

組別 平均數 標準差 T 值

對照組 31.5833 10.47760 實驗組 31.0833 11.13903

0.227

表 14 將實驗組與對照組的前測成績做獨立樣本 T 檢定,發現 P 值為 0.821,P 值 大於 0.05,表示接受本研究假設「H1.2 實驗組的前測成績與對照組的前測成績沒有 顯著差異」。

表 15、實驗組與對照組的後測 T 檢定

組別 平均數 標準差 T 值

對照組 32.8333 12.48545 實驗組 63.1667 14.31460

-11.064**

**P<.001

表 15 是針對實驗組與對照組的後測成績做獨立樣本 T 檢定,P 值小於 0. 001 表 示拒絕本研究假設「H1.3 實驗組的後測成績與對照組的後測成績沒有顯著差異」。

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