第一章 緒論
多媒體技術的快速發展和網路技術的進步及應用範圍日漸廣泛，使其 對於各種教學內容的呈現具有相當的潛力，多媒體能普遍的應用於各類教 學設計，主要在於它能滿足人們在訊息接收過程中視覺感官上的需求，因 此透過這些技術應用於學校及企業員工訓練等相關課題更形重要，在以往 的課程訓練皆以單向式教導者為導向的訓練方式，但隋著電腦科技進步日 新月異，利用電腦輔助教學和網路技術結合遠距教學的概念，使得學習者 能即時得到課程資訊，而教材呈現多媒體互動，以符合學習者和教導者之 間互動以提昇學習者學習的成效，讓學習者經由人機介面達成網路化多媒 體電腦輔助及遠距教學，使得學習者和電腦達成互動和溝通的效果，以完 成教與學的目的，而電腦輔助教學網路化有幾項特性：
1.不受時空限制。
2.教學內容多樣化。
3.互動式教學環境。
4.個別化需求學習。
由於電腦輔助教學網路化的特性，學習者不再受地域和時間的限制，
多媒體電腦輔助教學具有可以同時提供文字、聲音、影像、視訊等多媒體 環的能力，使得教學的內容豐富且更具互動性及多元化，因此多媒體電腦 輔助網路化應用在學校及企業員工訓練更形重要已成趨勢，因此本研究嘗 試將電腦多媒體、網路技術、虛擬實境、人工智慧等技術的概念應用到電 機操作實驗即時輔導教學系統上，建構一真實、互動、智慧的電機實驗操 作系統。
第一節 研究背景和動機
電腦多媒體多媒體是結合影象(image)、語音(audio)文字(text)動畫 (animation)及電腦繪圖(computer graphic)等技術的科技產物，其廣泛地應用 在設計(design)、教育(education)、傳播(communication)、諮巡服務上，其 中在資訊教育方面傳統的文字教材已並不能具體而微地呈現此一課程，透 過多媒體的應用可以生動活潑地模擬各種實作過程，具體地呈現繁瑣過程 以提升學生的學習效果，降低實驗的危險性及縮短實驗的時間，因此深入 地瞭解多媒體的軟硬體設備並有效的運用多媒體在教育上以幫助學生來 了解記憶思考判斷推理及解決問題是值得我們共同關心的課題[6][8]。
所謂遠距教育是有計畫的學習，通常學生與教師分隔兩地，因而必須 採用特殊課程設計及教學技巧，特殊的設備及其他科技傳播的方式，以及 特殊的組織與行政作業配合，方能達成，而遠距教學發展起源於 1833 年 瑞士的郵寄函授。1969 年英國成立開放大學（Open University.UK）且開 始實施早期的遠距教學，世界各國有鑑於英國開放大學的成功，因而紛紛 仿效成立各種類似的隔空學校，而國內則於 1977 年和 1986 年分別設立空 中專科進修學校和國立空中大學，成為我國遠距教育之開端。而遠距教學 由早期的郵寄函授，逐漸演變，直至今日，由於網際網路的普及和多媒體 技術的進步，使得遠距教學得以即時群播、虛擬教室、隨選視訊等方式進 行，逐漸演變成為今日的網路教學。目前所謂同步遠距教學主要是指用視 訊會議的方式，至特定設備之遠距教室，透過攝影機、網路設備、數據專 線來完成互動教學活動。非同步遠距教學即是利用課程下載軟體的方式，
從網際網路（Internet）以全球資訊網（World wide web）的超本文（Hypertext）
作為教材及系統引導，教師和學生可以透過網際網路的各項應用機能做互 動與溝通，例如：電子郵件（E－mail）、電子佈告欄（Bulletin Board System）、網路聊天室（Net Chat）、檔案傳輸系統等來完成（File Transfer
Protocol）等來完成，目前網路教學情形，例如：史丹佛大學早在 25 年前 就開始進行 Tele-educational program，利用專線從校區主播教室連到矽谷 的大公司教室。美國伊利諾大學（University of Illinois at Vrban-Cham-Paign）
1996 年開始在 SLOAN Foundation 的支持下進行 SCALE（Sloan Center for Asynchronous Learning）計劃，以提供教師們可以在網路上和學生溝通的 環境，來進一步提升教學品質和效率，加拿大電子學習網路中心（Canadian Tele-learning Center of Excellonce）補助 Simon Fraser 大學設計 Virtaul U 的 線上學習環境主要目的是以不同學習者互相合作學習和知識建構的學習 環境[2][9][10]。
隨著電腦科技的進步，視覺設計嚴然成為各種電腦輔助學習軟體中非 常重要的介面操作工具，各種靜態或動態視覺的圖像的呈現，更成為電腦 互動介面中最重要的一環。近年來網路科技不斷發展，也創造了多樣化的 學習環境。而隨著網頁設計的技巧日益普遍，如何結合視覺設計的原理運 用於互動介面的改善，也成為網路教學設計的重要課題。近年來 3D 動畫 或虛擬實境科技的運用更將視覺化帶入了另一種感官互動的境界，透過網 路人們可以圖像式的介面（Graphical User Interface ,GUI ）進行即時的互 動，從事各類學科的學習。虛擬實境是一門綜合科學，其技術逐漸地廣泛 應用於各種領域科學的環境，因此透過電腦所呈現的模擬環境可讓使用者 經歷平時所不易接觸的情境，如軍事演習、機械設計、製程模擬、醫學解 剖等環境，而此項技術最大優點在於透過 3D 立體效果讓學習者能夠達到 身歷其境的真實感受，使其有融入的感覺，虛擬實境能夠提供即時互動的 模式，類似人類在真實世界此溝通或是在真實世界中操作物件的方式，虛 擬實境另一重要功能是在考量訓練所需經費和安全性下，虛擬實境模擬訓 練是一個在各個方面考量下皆是相當有效率的解決方法，其低廉的建構費 用和不具危險性，加上真實的模擬，更可逼真地模擬出操作訓練的各種壯 況，以期達到真實環境學習的目標。
人工智慧是發展輔導教學重要的一環，如何將人工智慧和電腦輔助教 學系統相結合，使其更有智慧化，是一個重要的課題。在各種網路學習電 腦輔助教學的應用技術，人工智慧的引用入教學活動中是主要的一環，這 是基於它的知識庫的建立問與答的能力及學習的能力，目前電腦輔助教學 有五種較典型的模式教導法、遊戲法、模擬練習、問題解決，其中問題解 決除了數理方面可利用電腦的功能教學外人文思想的推理數學是有限 的，而人工智慧的應用可突破這項困難，而智慧型電腦輔助教學(ICAI)基 本而言是透過人工智慧的診斷、推論、預測、設計、除錯、解釋等功能，
讓電腦能做立即性回應，而產生人和電腦雙向溝通，以達到互動的資訊模 擬，智慧型教學系統（Intelligent tutoring system）ITS 必須具有學習規劃、
智慧型學生解答分析、互動式問題解決支援、合作學習支援、適性呈現和 適性導航等機制。類神經網路式專家系統是一種人工智慧，它運用邏輯關 係結合知識特定問題領域的專家意見，執行某一個通常需要人類判斷的特 殊任務。其用於教學上有以下幾個特點：
1.專家系統可以同時指導很多人學習。
2.可同時提供理論及實務的學習。
3.可減少講師的費用。
4.可應用於評量與診斷
它是綜合各種人工智慧的技術，擷取了專家知識經驗，並可協助解決 問題之系統，它具有智慧之決策，及分析、診斷、預測、學習、設計之能 力，故本研究嘗試將類神經網路和專家系統的概念應用到電機實驗教導的 代理人，建構一具有遠距電機操作實驗教學診斷的教學系統外，可隨時提 供學習不佳之學生在網路上做補救學習的的機會，透過重覆學習與診斷的 過程，學生可以了解自己的困難所在，教師也可以由學生在網路上的學習 成效，做為改進教學目標，而這些診斷的過程都是透過類神經網路和專家 系統[11][15]。
對於工程教育而言，理論教學乃是建立正式的觀念架構，實驗教學是 幫助學習者發展自覺的動作行為，因此實驗教學對於工程教育是一項重要 的課題，然而因一些實驗設備價格昂貴、維修費時且費用高，如果學習者 一旦離開實驗室就無法進行實驗學習及操作，因此目前已經有許多運用虛 擬實驗的方式來進行實驗教學，以期達到教學的目的。因此本研究擬發展 一套有效的電機操作實驗學習工具，針對電機相關實務操作的實驗課程，
採用虛擬環境和實際環境相配合建構模擬電機實驗操作教導系統，使學習 者融入整個電機操作實驗教學課程中，本設計實驗教學具備高度互動的能 力，可提供學生進行電機實驗操作練習、示範操作教學、教學課程討論及 問答等，達到彈性互動的功能，也使學習者在遠距不論何時或何處以最基 本的電腦軟硬體設備下，即可使用虛擬電機操作實驗室來進行即時的輔導 實驗教學，透過 Web Browser 連線進入以達到彈性教學的功效[4]。
第二節 研究目的
根據研究背景和動機的探討，由於網路程式設計及電腦多媒體科技提 供了不同於傳統的知識傳播模式與學習的途徑，而人工智慧的技術，擷取 了專家知識經驗，並可協助解決問題之系統，它具有智慧之決策，及分析、
診斷、預測、學習、設計之能力，透過電腦所呈現的模擬環境可讓使用者 經歷平時所不易接觸的情境，因此本研究擬設計一具有智慧的互動式電腦 多媒體網路化電腦輔助實驗教學即時輔導教學系統來改善目前電機實驗 的學習環境，以人工智慧領域中的類神經網路和專家系統為基本的教學代 理機制，藉由智慧型專家教學代理人來嘗試解決相關的教學問題解決網路 化電腦輔助教學中教師無法即時輔導的缺點，目前代理人的技術一直朝著 智慧型代理人成為虛擬人物輔助學習讓人機和人際互動的情境得以實 現，建構一個能在實驗室及遠端模擬的電機實驗操作系統提供學習者於遠 端模擬電機操作實驗及在實驗室以模擬方式教導真實電機設備的操作，本 研究提出一個電機操作實驗即時輔導教學系統，其所欲達成之目的如下：
1.提供一個可進行虛擬模擬與真實模擬的電機操作訓練系統。
2.利用虛擬實境的技術建構一可以模擬實際電機操作的虛擬操作訓練 系統，以期能做進入實際電機操作的預備課程，以減低學習者學習電 機操作的時間，達到訓練的目的。
3.建構一實驗操作平台，使操作平台和虛擬實境即時互動達到一真實模 擬的電機操作實驗的環境。
4.本系統引入類神經網路和專家系統的概念，建構一套即時電機操作訓 練教導代理系統，係將相關的專家知識以類神經網路學習後將其知識 庫建構在伺服主機上，以提供學習者操作、及診斷學習者的學習歷程。
第三節 研究範圍與限制
本研究將研究的範圍和限制界定為以下幾點分述如下：
1.本研究所建構的電機實驗操作系統的內容以直流分激電動機單元做為 電機操作實驗的範例。
2.本研究只討論直流分激電動機轉速實驗和負戴實驗。
3.本研究只對電機操作實驗進行討論，對於電機接線並不在本研究討論 的範圍內。
第四節 研究方法與步驟
在傳統的電機實驗中，教師要和一群學生實施個別的教學是有困難，
然而學生並不熟悉每個電機實驗內容，因此必須花較多時間思考及等待老 師指導，因而造成所接收到的指導和設備的使用不平均，進而容易造成學 習的興趣降低。如使用模擬器，可以讓學生按照自己進度操作電機實驗，
且電機操作因重機設備價格昂貴、危險性高、且設備故障維修費時，常造 成學習者壓力及降低學習的動力，因此發展一套有效電機操作實驗學習的 工具是重要的課題，因此本研究的方法擬以教導法、模擬法的電腦輔助教 學來進行發展電機操作實驗學習的環境，目前國內發展電腦輔助教學都已 教導法為主，通常這類教學設計是把傳統是教學的課文式練習直接或間接 地用程式設計方式呈現在電腦上，讓學生從中學習達到教學目標，簡單地 說，教導法電腦輔助教學是要依照學生的學習能力或程度的不同，透過電 腦的使用與操作等功能，對學生解釋不同的內涵或現象，以增加學生求得 知識和技能的機會，模擬法通常運用於帶有危險或有某種傷害的可能性 時，模擬性教學是最好的教學方式，在電機實驗室中我們需要進一步的示 範時或尋求更有效的操作時，模擬法電腦輔助教學能對昂貴、安全問題、
耗時間的重要電機操作實驗，提供便利的學習方式，本研究所採用之研究 的步驟如下(圖 1-1)：
1.對網路程式設計、類神經網路、技能教學及專家系統等文獻進行探 討，以暸解其相關理論技術背景與應用，進而評估電機操作實驗教學 系統學習環境的可行性。
2.規劃電機操作實驗教學系統之整體架構。
3.規劃電機操作實驗系統之軟體架構、實驗平台。
4.規劃以 JAVA、C 建構一虛擬模擬電機操作實驗的環境。
5.訂定電機操作實驗的診斷規則及操作的相關知識，並轉換成知識庫，
再召開專家會議確定之。
6.設計一電機操作實驗平台，以建構一直流電動機實驗平台。
7.利用類神經網路及 JESS（Java Expert System Shell）來發展電機操作訓 練實驗過程之診斷，適時提供操作上的說明，並檢視學生的學習效能。
8.利用 Java Applet 來建構電機操作實驗環境。
進行文獻探討與評估可行性
系統整體架構之規劃
建構電機實驗 操作環境
發展電機實驗操作 過程診斷系統
撰寫研究報告 系統運作之分析
系統測試 系統軟體架構之規劃
建構電機實驗操作平台
相關文獻
架構圖
研究成果 規劃
建構電機操作實驗 教學系統
招開專家會議
圖 1-1 研究的步驟
