中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：虛擬實境在測量實習教學之應用
Virtual Reality In Survey Practical Training
系 所 別：土木工程學系碩士班 學號姓名：M09104058 江宗原 指導教授：葉怡成 博 士
中華民國 九十五 年 二 月
虛擬實境在測量實習教學之應用
研究生：江宗原 指導教授葉怡成 博士
中華大學 土木與工程資訊學系研究所 碩士班
摘要
傳統的測量教學之中，有許多複雜的因素如天候不佳、儀器的數 量限制、師生比例差異過大等因素，導致學習者意願低落，影響教學 品質。教學方式的革新與科技的進步對於傳統教學方式有莫大的衝 擊。本研究是採用電腦輔助教學的方式，將教學設計中廣泛被採用的 認知、技能、情意三領域之目標分類，配合互動式多媒體系統與虛擬 實境的方式，重新設計教學流程。
本研究利用 3D 建模與 3D 互動式軟體，建構一套具有互動式的虛 擬實境系統，並以測量實習教學中的導線測量與地物測量為範例，其 目的著重於讓學習者能了解測量實習應注意的原則與方法，達到教學 的目的。
關鍵詞：多媒體、互動式多媒體、虛擬實境、測量實習
目錄
第一章 導論
... 011-1 研究目的... 01
1-2 研究方法... 02
1-3 研究內容... 03
第二章 文獻回顧 ... 04
2-1 教學媒體... 04
2-1-1 多媒體教學種類 ... 05
2-2-2 媒體教學法 ... 07
2-2 虛擬實境... 09
2-3 電腦輔助學習(CAL) ... 11
2-4 虛擬實境在工程教育上之應用 ... 14
第三章 系統分析 ... 27
3-1 前言 ... 27
3-2 導線測量教學系統 ... 29
3-3 地物測量教學系統 ... 30
第四章 系統設計 ... 31
4-1 前言 ... 31
4-2 導線測量教學系統 ... 32
4-3 地物測量教學系統 ... 38
第五章 系統建構 ... 44
5-1 前言... 44
5-2 系統建構前處裡軟體... 44
5-3 虛擬實境模型建構軟體... 45
5-4 虛擬實境互動建構軟體... 48
5-5 虛擬實境物件之建構... 50
5-6 導線測量教學系統建構... 60
5-6-1 人物移動模式之建構 ... 60
5-6-2 導線定位模式之建構 ... 63
5-6-3 瞄準鏡模式之建構 ... 63
5-6-4 射擊模式之建構 ... 66
5-6-5 計算儲存模式之建構 ... 68
5-7 地物測量教學系統建構 ... 70
5-7-1 人物移動模式之建構 ... 70
5-7-2 瞄準鏡模式之建構 ... 71
5-7-3 射擊模式之建構 ... 71
5-7-4 計算儲存模式之建構 ... 71
第六章 結論與建議 ... 74
6-1 結論 ... 74 6-2 建議 ... 76
參考文獻 ... 78
圖目錄
圖 1-1 研究理論基礎 ... 02
圖 1-2 研究流程 ... 03
圖 2-1 教學媒體特色 ... 05
圖 2-2 多媒體教學種類分類 ... 06
圖 2-3 虛擬實境五項特性 ... 11
圖 2-4 虛擬實境的三個要求 ... 14
圖 3-1 教學與遊戲關係圖 ... 28
圖 4-1 傳統導線與地物測量實習教學流程圖 ... 31
圖 4-2 虛擬實境測量實習教學流程圖 ... 32
圖 4-3 虛擬導線測量實習教學流程圖 ... 33
圖 4-4 人物移動模式之流程圖 ... 36
圖 4-5 導線點定位模式之流程圖 ... 36
圖 4-6 瞄準鏡模式之流程圖 ... 36
圖 4-7 射擊模式之流程圖 ... 37
圖 4-8 計算儲存模式流程圖 ... 37
圖 4-9 評分系統模組流程圖 ... 38
圖 4-10 虛擬導線測量實習教學流程圖 ... 39
圖 4-11 人物移動模式流程圖 ... 40
圖 4-12 瞄準鏡模式之流程圖 ... 41
圖 4-13 射擊模式之流程圖 ... 41
圖 4-14 計算儲存模式之流程圖 ... 42
圖 4-15 評分系統模組流程圖 ... 43
圖 5-1 虛擬全站儀儀器 ... 52
圖 5-2 全站儀儀器 ... 52
圖 5-3 虛擬全站儀腳架 ... 53
圖 5-4 全站儀腳架 ... 53
圖 5-5 虛擬全站儀本體 ... 53
圖 5-6 全站儀本體 ... 53
圖 5-7 虛擬反射稜鏡標竿 ... 54
圖 5-8 反射稜鏡標竿 ... 54
圖 5-9 全站儀測量手 ... 54
圖 5-10 稜鏡標竿手 ... 54
圖 5-11 虛擬校園地形(大門) ... 55
圖 5-12 現地校園地形(大門) ... 55
圖 5-13 虛擬校園地形(建築學院與圖書館廣場) ... 55
圖 5-14 現地校園地形(建築學院與圖書館廣場) ... 55
圖 5-15 虛擬校園地形(白馬湖與綜一館) ... 56
圖 5-16 現地校園地形(白馬湖與綜一館) ... 56
圖 5-17 3D 虛擬校園地形圖(由西南向東北) ... 56
圖 5-18 3D 虛擬校園地形圖(由南向北) ... 56
圖 5-19 虛擬育成大樓 ... 57
圖 5-19 現地育成大樓 ... 57
圖 5-21 虛擬建築學院 ... 57
圖 5-22 現地建築學院 ... 57
圖 5-23 虛擬活動中心大樓 ... 58
圖 5-23 現地活動中心大樓 ... 58
圖 5-25 虛擬國際會議廳 ... 58
圖 5-26 現地國際會議廳 ... 58
圖 5-27 虛擬圖書館與 ... 59
圖 5-28 現地圖書館與 ... 59
圖 5-29 虛擬綜一館大樓 ... 59
圖 5-30 現地綜一館 ... 59
圖 5-31 攝影機切換按鈕(導線測量) ... 61
圖 5-32 人物移動鍵盤操作示意圖(導線測量) ... 61
圖 5-33 人物移動模式之攝影機視野畫面(導線測量) ... 62
圖 5-34 人物移動模式之攝影機程式畫面(導線測量) ... 62
圖 5-35 導線控制點鍵盤操作示意圖(導線測量) ... 63
圖 5-36 導線定位模式之執行畫面(導線測量) ... 64
圖 5-37 導線定位模式之程式畫面(導線測量) ... 64
圖 5-38 細部瞄準鍵盤控制示意圖(導線測量) ... 65
圖 5-39 瞄準鏡模式執行畫面(導線測量) ... 65
圖 5-40 瞄準鏡模式建構畫面(導線測量) ... 66
圖 5-41 射擊模式鍵盤控制示意圖(導線測量) ... 67
圖 5-42 射擊模式之執行畫面(導線測量) ... 67
圖 5-43 射擊模式建構畫面(導線測量) ... 68
圖 5-44 計算儲存模式之鍵盤操作示意圖(導線測量) ... 69
圖 5-45 計算儲存模式執行畫面(導線測量) ... 69
圖 5-46 計算儲存模式產生之文字檔(導線測量) ... 69
圖 5-47 參數計算模式執行畫面(導線測量) ... 70
圖 5-48 人物移動鍵盤操作示意圖(地物測量) ... 72
圖 5-49 選擇目標導線點鍵盤控制示意圖(地物測量) ... 72
圖 5-50 攝影機鍵盤控制示意圖(地物測量) ... 72
圖 5-51 人物移動模式之攝影機視野畫面(地物測量) ... 73
圖 5-51 人物移動模式之攝影機程式畫面(地物測量) ... 73
表目錄
表 2-1 虛擬實境的應用 ... 12 表 2-2 電腦輔助學習 ... 13 表 2-3 1995~2004 年以虛擬實境為相關研究國內博碩士論文整理 21 表 2-4 1997~2004 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究 .. 23 表 2-5 1990~2004 年 ASCE 土木相關領域以虛擬實境為相關期刊論文 與研討會 ... 25 表 3-1 傳統教學與互動多媒體教學在測量學教學方面之比較 ... 28 表 5-1 3DS MAX 與 MAYA 軟體比較 ... 46 表 5-2 Virtools 與其他軟體之比較表 ... 51
表 5-3 系 統 元 件 建 構 表
... \5 2
第一章 導論
1-1 研究目的
傳統的測量教學之中，有許多複雜的因素如天候不佳、儀器的數 量限制、學習者人數過多或是師資不足等問題，經常會影響到教學品 質。如何克服教學上的盲點，將教學活潑化、互動化、個人化，是一 個值得研究的課題。
導線與地物測量教學部分仍有諸多盲點，一般傳統教學方式很難 教導學生導線佈點原則，以及地物點選點要領。本研究藉由虛擬實境 (VR) 以及數位學習的方式，使教師們能清楚地呈現導線點與地形要 點的概念，並且搭配活潑化、互動化、個人化遊戲方式，增加學生對 測量的認知與了解（參考圖 1-1）。
本研究採用 3D Studio MAX (以下簡稱 3DS MAX)建立高度真實性 的模型，搭配 Virtools Dev (以下簡稱 Virtools)互動軟體來製作電 腦輔助系統。而這套 Virtual Reality Surveying(以下簡稱 VES)互動式 系統中包含： (1)導線測量教學系統(2) 地物測量教學系統。系統採 用模擬式遊戲教學法(SG)搭配虛擬實境建構而成，利用高度的真實性 與互動性使用者能在虛擬世界中遊走，以進行導線測量以及地物測量 實習，強化使用者對導線測量與地形要點的概念。
虛擬實境 Virtual Reality
數位學習 Digital learning
測量實習
研究基礎
圖 1-1 研究理論基礎
1-2 研究方法
本論文研究方法分為二大部分：
一、 VES 教學系統
本研究利用 3DS MAX 建構虛擬地形、地形、地物，並以 Virtools 賦予系統互動功能模擬導線測量實習與地物測量實習的虛擬實境教 學系統。
二、 VES 系統教學的成效分析
為了客觀分析 VES 系統在教學上的成果，我們在完成練習後立即 對學生作問卷調查，進行成效分析。
本系統的研究流程如圖 1-2 所示：
圖 1-2 研究流程
結論與建議 文獻回顧
建立數位地形 檔及地物檔
使用 3DS MAX 建立模型
匯出 Virtools 檔案
系統分析
Virtools 系統建構
系統測試
1-3 研究內容
本研究內容第二章為文獻回顧，主要回顧與虛擬實境及電腦輔助 學習(CAL)的相關的研究。第三章系統分析，探討系統應達成目標。
第四章系統設計，研究如何將教學理念運用於虛擬實境以及互動遊戲 中。第五章系統建構，描述系統建構工具、方法、流程。第六章系統 測試，以問卷評估系統效能。第七章：為結論與建議
第二章 文獻回顧
2-1 教學媒體
由於資訊科技的發達，教師可以取得媒體形式種類急遽增加，教 師做為學習的引導者，有必要檢視學習環境中，教學媒體對學生可能 造成的潛在影響。
成功的教學具備了各種教學觀點的特色﹝1﹞：
z 主動參與：學生主動參與有意義的任務，與內容互動，便可以達 到有效的學習。
z 反覆練習：學習新的事物必須經過一次以上的接觸才記得住，在 不同環境下練習，可以運用新知識、新技能的能力。
z 個別差異：每一個學習者因個性、性向對某ㄧ主題的學習過程有 所不同。有效的教學法應讓每一位學習者依照不同速度去涉獵不 同的主題。
z 快速回饋：學習者必須知道他們的思考方式是否正確，教師的書 面訂正、電腦的電子訊息、遊戲的計分系統皆可幫助學生瞭解自 己的吸收程度以及不明瞭的地方。
z 實際情境：在真實的情境之中發生的事情往往能讓我們容易記得 並且應用得當。而機械式的學習只能獲的「死知識」(inert- knowledge)。
z 社會互動：一起相處的人隨時可成為指導者或是學習夥伴，提供 教學上或是人際關係上的支持。因此在設計或選擇媒體時，都必 須重視參與互動。
綜合以上分析可知，成功的學習主要的關鍵是在於教師如何將各 種教學媒體整合於課程之中。
反覆練習
快速回饋
實際情境 社會互動 主動參與
個別差異
教學媒體特 色
圖 2-1 教學媒體特色
2-1-1 多媒體教學種類
多媒體系統可以包括傳統媒體的結合運用或是與電腦結合，並呈 現文字、圖畫、聲音與視訊以提升教學效果。多媒體系統在教育與訓
練上應用的目的，就是希望讓學習者處於一個能擁有多感官經驗，以 提昇學習效果。一般的多媒體型態有下列這種(參考圖 2-2)﹝1﹞：
z 多媒體套件：能結合多種型式的媒體應用於單一主題的媒體。
z 超媒體：能呈現非循序式的教材媒體。
z 互動式媒體：能讓學習者接受回饋和互動學習的媒體。
z 虛擬實境：能讓學習者沉浸在多重感官經驗，擬真地與景物互動 的軟體。
z 專家系統：能結合專家經驗教導學習者如何解決複雜的問題的軟 體。
超媒體
多媒體套件
互動式媒體
虛擬實境 專家系統
多媒體型態
圖 2-2 多媒體教學種類分類
2-1-2 媒體教學法
所有媒體幾乎都可以使用下列這十種教學方法，分別是﹝1﹞：
1. 講述法：以說明、改編或傳播資訊給學習者的方式呈現資訊。因 為是單向的溝通方式，其缺點是無法立即與學習者進行互動，也 無法由學習者得到立即回應。資訊來源可以是教科書、錄影帶、
錄音帶、教師等。
2. 示範法：讓學習者觀察一個實際的例子，以便學習某種技能或程 序。示範法的目標可能是要學習者模仿一項身體表現的動作，或 是模仿某個典範的態度與價值。例如在職訓練常用一對一的示 範，有經驗的員工對新進人員示範某項程序的操作。示範法進行 時可以立即提出疑問、回答問題。
3. 討論法：讓學生與教師之間或是學生與學生之間可交換意見。此 方法可使用於教學與學習過程的任何階段。討論法是評估學生知 識、技能和態度的有效方法。
4. 反複練習法：學習者接受一連串的練習，這些練習的目的在於增 進學生對新技能使用的流暢度，或復習已習得的技能。為了使這 方法更有效，必須加入回饋部分，才能強化正確的回應，矯正學 生在過程中可能犯的錯誤。例如使用在練習數學、學習外語及字 彙。
5. 個別指導法：指導者(可以是人、電腦軟體等)展現內容、提出問 題、要求學習者回應、提供恰當的回饋，直到學習者展現預定能 力。
6. 合作學習法：利用團體合作方式，如二到三人為一組共同解決老 師指定的問題。這個方法可以使學生在解決問題的過程中學到更 多的知識。
7. 遊戲學習法：用遊戲能創造出ㄧ個較快樂的學習環境，讓學生為 了想要達到目標而遵循所訂定的規則，從遊戲過程中學習技能或 概念。此種方法能引起學生自發性的學習，並且處裡在教學上較 沉悶或重複性較高的內容特別有效。
8. 模擬學習法：讓學生體驗一個具體而微的真實情境。在沒有實際 情境中的風險或花費之前提下，提供學生實際練習。
9. 發現學習法：讓學生採用歸納、探究的方式來達到學習效果；換 言之，學生必須親身體驗一連串的試驗與犯錯的過程，進而找出 問題並解決之。此法主要目的是培養學生在參與過程中，能對內 容有更深一步了解。
10. 問題解決法：安排一個新的問題給學生，讓學生踴躍參與。隨著 同伴之間的合作及討論，學生學會思考、解釋，進而找出答案。
而本研究應用的教學法是採遊戲學習法與模擬學習法，利用遊戲 與虛擬實境的方式，將較沉悶或重複性高的課程內容轉變成有趣的學 習媒體，引發學生學習的自發性。
2-2 虛擬實境
虛擬實境是利用電腦模擬三度空間，以電腦繪圖之技術產生一個 擬真的情境，其主要目的是要營造一個直覺式的互動環境。
虛擬實境必須掌握以下這五個特性﹝2﹞：
1. 由電腦產生。
2. 是個 3D 立體空間。
3. 可以和這個空間的事物進行交談。
4. 可以隨使用者的意志自由的游移。
5. 要有融入感與參與感。
虛擬實境要滿足三個要求，參考圖 2-5﹝2﹞：
z 融入度(Immersion)：當為了一件事情沈迷投入時，會達到渾然 忘我的境界完全無視於外界的環境。虛擬實境就是藉助這種心理 讓人擺脫現實環境的壓力，讓人進入到電腦所模擬的虛擬世界。
z 互動性(Interaction)：因為真實的世界中，人可以與周圍的環 境互動，例如：抬頭可以看到太陽、白雲，可以和行人打招呼。
所以虛擬實境就是要把這種人與環境的互動性，加入虛擬世界中 讓虛擬世界變得更加地真實。
z 想像力（Imagination）:人類就是有類似天馬行空的想像力，才 創造了今日的世界。虛擬實境就是想藉著人的想像力，將虛擬實 境和真實的事物聯想一起。好比一個雖然沒有進入大英博物館，
卻可透過網際網路去瀏覽參觀虛擬的大英博物館。
虛擬實境最大特點在於能讓使用者能有“身歷其境＂的感覺，即 使這個電腦所產生的虛擬世界在現實生活並不存在。此項技術透過電 腦把原本數值化的資料或是理論化的定理，透過圖學的立體圖形表示 方式建立一個不存在的世界，使得使用者可以置身在這個資料中來直 接處理這些資料，或是對某一個理論化的定理有更清楚的認識﹝3﹞。
虛擬實境的優點與限制有下列幾項﹝1﹞：
優點：
z 提升學習安全：藉由 VR 所建構的真實世界，可以讓使用者不必 身歷災難與險境就能進行學習。
z 擴展學習領域：可以藉由 VR 建構出真實世界無法達到的效果。
限制：
z 軟硬體的成本高昂：完整的 VR 設備相當昂貴。
z 技術尚未完全成熟：達到發展成熟的 VR 教學軟體寥寥可數。
虛擬實境(Virtual Reality，簡稱VR)是由電腦和一些專用的軟 體和硬體所虛擬出的一個擬真環境。藉由整合3D電腦繪圖、3D音效與 其他人體感知介面所構成的一個模擬環境。虛擬實境在各領域應用整 理如表2-1。
由表2-1的歸納，可以清楚的發現虛擬實境的應用層面相當廣 泛，不僅應用於日常生活與娛樂中，更運用於特別的訓練與狀況的模 擬上。
2-3 電腦輔助學習(CAL)
自1980年代以來個人電腦快速成長，使電腦快速成為正式或非正 式教育中的關鍵教學科技。電腦輔助學習的類型如表2-2所示。
由電腦產生
感官的融入 立體的空間
自由的游移 進行交談
虛擬實境 五項特性
圖 2-3 虛擬實境五項特性
表2-1 虛擬實境的應用﹝4﹞
項 目 應 用 市 場 應 用 類 別
一 網路應用 虛擬銀行、商店、博物館、大學(校園)等。
二 教育 虛擬科學實驗室、虛擬天文館、青少年數理立體觀 念、生活教育、專業領域的教育訓練等CAI 軟體。
三 訓練 駕車(一般車輛、吊車、堆土機...等)、飛行、滑雪、
機械人操作模擬、火災救災演練及各式儀器、設備操 作、安裝與檢修訓練。
四 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。
五 設計 器材、室內、景觀、建築、土木、管線工程、機械人 輔助設計、室內音響模擬等。
六 商業 廣告(動產、不動產、一般業務推銷及企業Home Page 製作) 、財務分析、電傳會議及虛擬購物中心等。
七 簡報 博物館、紀念館、捷運車站簡介及遊客導覽系統。
八 軍事 飛行模擬、各式軍車、軍艦、武器操控及軍事演習等。
太空訓練、虛擬駕駛等。
九 監控 即時性股市行情顯示、電信網路及交通監控等。
十 藝術 動態藝術、虛擬演員、虛擬音樂等。
十一 科學視覺化 行星表面重建、虛擬風洞試驗、分子結構分析等
十二 刑事調查 犯罪現場模擬。
十三 娛樂 電腦遊戲、電動玩具機、虛擬電影院
表2-2 電腦輔助學習﹝1﹞
方法 目的 教師角色 電腦角色 學生角色
反複 練習式 學習
1.複習已教過 的事實與術
語。
3.必要時問題 與答案反複 練習。
1.安排教材。
3.檢查進度。
1.提問題。
2.檢查進度。
3.評量學生反 應。
4.提供回饋。
1.練習教過內 容並回答問 題。
2.接收回饋。
個別 指導式 學習
1.提供補救教 學。
2.教導觀念與 原則。
1.選擇教材。
2.適性教學、
3.監看進度。
1.呈現資訊。
2.提出問題。
3.整理概念。
1.與電腦互 動。
2.回答與提出 問題。
遊戲式 學習
1.有趣方式訓 練、練習、
競賽。
1.設定限制。
2.指導過程。
1.扮演競爭 者、裁判。
2.分數記錄。
1.學習策略。
2.學習技能。
模擬式 學習
1.接近自然的 真實情境。
2.以小組或個 別教學。
1.介紹主題。
2.呈現背景。
3.引導簡報。
1.扮演角色。
2.送出決定後 的結果。
1.練習做決 定。
2.接受決定後 結果。
3.評量決定。
發現式 學習
1.探詢資料庫 2.推演方法。
3.嘗試錯誤。
4.測試假設。
1.呈現問題。
2.監看進度。
1.呈現資訊。
2.儲存資料。
1.做出假設。
2.測式假設。
3.發展規則。
問題 解決式 學習
1.定義問題。
2.試驗假設。
3.檢驗資料。
4.產生答案。
1.分派問題。
2.協助學生。
3.檢查結果。
1.呈現問題。
2.處理資料。
1.定義問題。
2.設定解答。
3.處理變數。
4.執行嘗試錯 誤。
I
3Immersion
沈迷度
Interaction 互動性
Imagination 想像力
圖 2-4 虛擬實境的三個要求﹝2﹞
2-4 虛擬實境在工程教育上之應用
(一) 國內相關研究
陳瓊瑶(1995)以虛擬實境在教育訓練之應用為探討的主題，進行 研究。本研究主要是採取實作方式和分析比較方式。研究結果顯示，
虛擬實境在教育訓練之應用是可行的。
蘇芬雅(1996)承續國內外相關領域的研究結果，繼續探索 VR 於 教育應用的可行性，設計出一套專為國中學生設計的虛擬實境地震學 習系統：MOVER。研究結果顯示，MOVER 系統的學習內容可以適合國 中程度的受試者。他們對於虛擬實境的接受性很高，對未來虛擬實境 於教育應用的 發展亦持正面態度。
柯廷潔(1997)設計一套個人電腦組裝職訓的虛擬實境系統。使用
時受訓者頭部戴上頭盔顯示器，本系統則即時輸出立體的組裝工作台 場景，可看到工作台上各種逼真貼圖的組件及工具。然後受訓者移動 雙手，開始從事組裝動作。由本研究成果得知，受訓者在接受虛擬組 裝訓練後，對電腦組裝有進一步的認識，並其接受度高。
邱明祺(1997)探討虛擬實境於電腦輔助教學上的應用，完成一間 虛擬材料力學實驗室，並評估其可行性及適用範圍。本研究將虛擬實 境結合全球資訊網及超文件格式的技術，提供系統相關的材料力學教 學資源。研究結果顯示，虛擬實境能提供了電腦輔助教學 3D 圖形的 觀察介面，而超文件連結則提供了相關的教學說明網頁，藉由兩者的 相輔相成，提供使用者能夠達到更好的學習效果。
陳采穗(1998)嘗試將虛擬實境技術應用在加強國小高年級學童 的空間能力上。依據學者對空間能力的研究及虛擬實境技術的特性，
開發一套可以加強積木旋轉能力的三度空間物體操控軟體。統計結果 顯示，接受本研究所開發之軟體訓練的國小高年級學童，其積木旋轉 能力有顯著的增強。
吳銘輝(1998)嘗試著透過一個建築設計的實驗來分別測試傳統 繪圖與虛擬實境兩項媒材，並根據實驗的過程與最終的結果來比較兩 種媒材的差異性，及找出虛擬實境在建築設計過程中的一些特性。研 究結果顯示，虛擬實境中具有三維空間的即時視覺感受，在空間的處
理與空間的安排利用上都可以有比較仔細的考慮。
葉儒智(1998)從虛擬實境學習環境的深入探討，配合學習理論及 教學設計之系統化方法，利用虛擬實境塑形語言(VRML)發展出一個可 以透過 Internet 來學習的虛擬實境學習環境線上課程。經過實際施 測之程式追蹤及使用者回饋問卷之分析，有 85.1%的使用者認同本虛 擬實境學習環境系統之內容設計。
劉勝民(1998)研究之目的在建構一套三維虛擬實境的課程軟體 發展模式，並以所建構之發展模式，設計製作識圖教學課程軟體系統 雛形。為達成研究目的，本研究首先探討課程軟體之建構模式與設計 原則，並以國民中學生活科技課程中識圖與設計單元之教學活動構思 當做應用實例，再以雛形法進行課程軟體開發，最後再進行評估與應 用。本研究課程軟體的發展模式、人機界面設計原則、方法與技術，
可為其他需要空間能力配合之課程提供發展課程軟體的參考。
蕭丞鈞(2001)運用虛擬實境技術發展一套在個人電腦操作環境 下之靜脈注射虛擬實境模擬系統。在學生模擬操作結束後，系統將詳 細列出在整個注射程序中使用者操作行為之評估報告。研究結果顯 示，本系統可增進醫護學員對靜脈注射的瞭解，於實地操作時更具備 精進之技術。
林政佑(2002)透過多媒體與網際網路結合工業設計課程，發展出
一套可學習、測驗的網路教學模式，以有助於工業設計教育的教學與 學習。研究結果發現，以網路虛擬實境的方式做為學習後的練習、測 驗，並搭配不同的媒體類型做為解說之教學模式，對於教學滿意度有 正向偏好的影響。
邱欽融(2002)以電腦輔助學習來提升測量實習數值地形測量的 教學效果，包括：(1)利用 VRML 建構一套「立體地形模型系統」S3VR 以輔助地形特徵說明。(2)研發一套「虛擬實境數值地形測量電腦輔 助學習系統」ICALS。學生可在虛擬實境的環境中進行選取地形特徵 要點及編輯三角網，如臨現場般的進行測量作業，並在作業完成後立 即了解學習狀況、達到即時回饋的效果。
陳世峰(2003)利用一套虛擬實境測量實習教學系統 ICALS，建立 充足且具代表性之地形模型提供學生練習，並對使用系統的學生進行 問卷，以評估系統的實用性。研究結果顯示，系統對學習有良好的貢 獻性。
鍾日欣(2003)描述一個在全球定位系統(GPS)儀器與量測之領域 的互動式多媒體之發展經驗。這個系統的主要目標是，經由以多媒體 技術為基礎的教學系統的智慧型互動，幫助學生獲得 GPS 操作的基 礎，以補野外教學之不足。這個系統被設計成一個具有智慧的、使用 者友善的互動之自我控制進度的虛擬教師。課程軟體包括在模擬真實
儀器的虛擬儀器上作練習的單元，因此，學生能夠沒有實際儀器下，
進行虛擬的操作實習。根據對學生的問卷，學生對這個系統有良好的 反應。
唐為灝(2004)藉由虛擬實境互動性、個人化回饋、參與感及融入 感等特性，建立一套虛擬全站儀，使初學者不會被傳統測量實習中時 間與空間條件所限制，以達成更佳的學習效果，並提升學習興趣，進 而改善教學的品質與效果。已初步建立全站儀雛形，並完成定心、定 平與照准等全站儀功能。
回顧 1995-2004 年國內博碩論文相關於虛擬實境相關研究如表 2-3。其中與土木直接相關者有申請人指導的「虛擬實境在全站儀測 量實習教學之應用」（唐為灝 2003）、「虛擬實境在測量實習教學之應 用」（陳世峰 2003）、「虛擬實境在數值地形測量電腦輔助學習系統之 應用」（邱欽融 2002），以及非申請人指導的「虛擬實境於電腦輔助 教學之研究-以材料力學之學習為例」（邱明祺 1997）、「虛擬實境學 習環境之研究：以結構力學之學習為例」（姚裕勝 1995）等五篇。從 表中可看出近年來以虛擬實境應用在訓練與學習系統的論文廣泛的 被研究，其中以教育、資工、醫學及機械最廣，並且陸續得到優良的 成果。但在土木領域中被研究的可謂少數，因此，如何進一步應用虛 擬實際技術於提昇土木教學品質，實為一個可研究的重要方向。
回顧 1997-2004 年度國科會於虛擬實境於訓練與學習專題研究如 表 2-4。從表中可看出近年來虛擬實境應用在醫學手術模擬、地球科 學學習最為普遍。其中與土木直接相關者除了申請人的「測量實習虛 擬實境學習系統之研究」（葉怡成 2003）之外，有「資訊科技融入地 球科學教學與學習之研究」（李逢春 2004）、「應用雷達資料進行降雨 系統之辨識與平移速度估計技術研究及其虛擬實境展示」（李天浩 2001）、「虛擬實境於地形資料獲取與模擬之應用」（李良輝 1998）、「虛 擬實境在材料力學輔助教學之應用」（林昌佑 1998）等五篇。
(二) 國外相關研究
Arduino 等人 (1997) 將虛擬實境應用在大地工程中三軸土壤 試驗，製作一個可做為訓練工具的土壤三軸試驗虛擬實境模式，讓使 用者可透過系統了解試驗的整個進行過程與限制。本研究成功設計出 一個以個人電腦為平台的虛擬實境土壤三軸試驗系統，使學生能在系 統中模擬學習實驗室中所進行的步驟及狀況。
Câmara 等人 (1998) 研究目的為透過虛擬實境的技術，將水資 源分佈及水資源利用充分展示，最終期能透過網際網路提供設計者及 一般市民水資源規劃資訊的參考。
Hashash & Ghaboussi (2002) 以離散元素法建立一套即時的土 壤反應虛擬實境模型，其中包含土壤的性質、有效應力等，使學生能
學習到與大地工程相關的知識。
Phillips & Thompson (2002) 以虛擬實境的方式模擬出暴風雨 水的管理方式。系統允許使用者可定義土地使用情況，系統再據以模 擬暴風雨水的影響，以提供研究者與管理者規劃與防制的參考資訊。
Arslan (2003) 設計一套為土木工程學生教育，以網路為基礎的 虛擬營建工地參訪系統，使學生能透過網路與虛擬實境的技術，學習 營建工地中的相關知識。
回顧 1990-2004 年國外土木相關領域的虛擬實境相關期刊與研討 會論文整理表如表 5。表中可看出近年來的期刊及研討會論文的應用 主題有水資源模擬、工程設計模擬、工程營建模擬、實驗室模擬等，
這些研究有很大的比例是應用在工程教育中，可見虛擬實境應用在土 木工程教育中的重要性。
由以上蒐集整理資料過後，虛擬實境教學在近年來科技進步下各 種領域的虛擬實境教學被廣泛的應用。但國內土木相關類別上，虛擬 實境還是一個尚未被運用自如的類別，尚有許多可以討論與深入研究 的研究課題，都是可以在以後的研究中深入探討的一些題目。
表 2-3 1995~2004 年以虛擬實境為相關研究國內博碩士論文整理表 作者 指導教授 年代 標題 學校 學位 備註 唐為灝 葉怡成 2003 虛擬實境在全站儀測量
實習教學之應用 中華大學 碩士 土 木 工 程 學 系
陳世峰 葉怡成 2003 擬實境在測量實習教學
之應用 中華大學 碩士 土 木 工 程 學 系
邱欽融 葉怡成 2002
虛擬實境在數值地形測 量電腦輔助學習系統之 應用
中華大學 碩士 土 木 工 程 學 系
詹德譯 鍾斌賢
林聰武 2002 以虛擬實境情境應用於
合作學習分組之依據 中原大學 碩士 資 訊 工 程 研 究所
吳駿翔 陳俊達 2002 戰車操控訓練模擬器之
虛擬實境系統研究 大葉大學 碩士 自 動 化 工 程 研究所
王柏棋 黃正清 2002 虛擬實境應用於船舶避
碰訓練系統之研究 成功大學 碩士
造 船 及 船 舶 機 械 工 程 學 系
許嘉修 方銘川 2002 波浪中船體運動之虛擬
實境操縱模擬 成功大學 碩士
造 船 及 船 舶 機 械 工 程 學 系
林政佑 柯志祥 2002 虛擬實境於工業設計教 育之應用
台灣科技
大學 碩士 設計研究所
林克衛 方銘川 2001 虛擬實境於船舶操縱模
擬系統之應用 成功大學 碩士
造船及船舶 機械工程學 系
盧泰均 林進燈 2001
虛擬實境即時船舶動態 模擬系統之場景與模型 建立
交通大學 碩士 電 機 與 控 制 工程系
蕭丞鈞 鄭銘章 2001 靜脈注射虛擬實境模擬
系統 中央大學 碩士 機械工程研 究所
周松瑞 黃俊仁 2001
駕駛模擬系統中高速公 路虛擬實境場景開發之 研究
中央大學 碩士 機 械 工 程 研 究所
莊中安 林彥君 2001 虛擬實境場景建構程式 之設計與製作
台灣科技
大學 碩士 電子工程系 黃德昌 黃俊仁
董基良 2001 影像處理與虛擬實境在
醫學上的應用 中央大學 碩士 機 械 工 程 研 究所
表 2-3、1995~2004 年以虛擬實境為相關研究國內博碩士論文整理表 (續) 作者 指導教授 年代 標題 學校 學位 備註
陳文慶 陳義男
吳聰能 2000 運動模擬與虛擬實境之
整合研究 臺灣大學 博士
造 船 及 海 洋 工 程 學 研 究 所
王昭仁 劉育東 1998 虛擬實境中的建築設計
推論 交通大學 碩士 應用藝術所
林佳宏 溫嘉榮 1998
不同認知型態的國中學 生在虛擬實境學習教室 中學習歷程之研究
高雄師範
大學 碩士 工 業 科 技 教 育學系
葉儒智 林奇賢 1998 虛擬實境學習環境之教 學設計研究
臺南師範
學院 碩士 資訊教育研 究所
劉勝民 施純協 1998
建構三維虛擬實境課程 軟體發展模式之研究－
以國中生活科技識圖
臺灣師範
大學 碩士 工業教育研 究所
沈義訓 梁朝雲 1998
網路虛擬實境博物館互 動展示之研究—以元智 大學校史館為例
元智大學 碩士 資訊研究所
李逢格 歐聖榮 1997 應用虛擬實境於日式庭
園石組偏好氣勢之研究 中興大學 碩士 園藝學系 戴彧甫 邱茂林 1997 建築生產系統之虛擬實境
模擬與研究 成功大學 碩士 建 築 ( 工 程 ) 學系
詹登貴 詹寶珠 1997 虛擬實境技術在內視鏡手
術模擬上的應用 成功大學 碩士 電 機 工 程 學 系
許暉東 方晶晶 1997 虛擬實境之應用 成功大學 碩士 機 械 工 程 研 究所
蔡秀菲 周 倩 1997 虛擬實境在網路學習環境
之研究:以健康教育為例 交通大學 碩士 傳播研究所 柯廷潔 陳 稔 1997 利用虛擬實境技術進行個
人電腦組裝訓練 交通大學 碩士 資 訊 工 程 學 系
邱明祺 林昌佑 1997
虛擬實境於電腦輔助教學 之研究-以材料力學之學 習為例
交通大學 碩士 土 木 工 程 研 究所
陽光曦 許秀影
莊謙亮 1997 虛擬實境技術應用於國軍 戰車模擬器之研究
國防管理
學院 碩士 資源管理研 究所 楊致祥 施乃中 1997 公共空間避難逃生之虛擬
實境模擬研究
台灣科技
大學 碩士 工 程 技 術 研 究所
李恩東 梁朝雲 1997
網路虛擬實境教材設計之 研究─以九份建築與聚落 發展課程為例
元智大學 碩士 資訊研究所
林鄉鎮 何志宏
魏健宏 1996
高速公路小汽車駕駛者跟 車行為之研究-以虛擬實 境(VR)技術所構建之駕駛 模擬系統為工具
成功大學 碩士 交通管理(科 學)學系
蘇芬雅 周 倩 1996 虛擬實境地震學習系統
--MOVER之設計與發展 交通大學 碩士 傳播研究所 謝耀賢 陳 稔 1996 環場全景製作技術及其在
虛擬實境應用 交通大學 碩士 資 訊 工 程 學 系
蘇俊仁 王宜明 1996 虛擬實境在技術訓練暨科 學視覺實例應用之研究
彰化師範
大學 碩士 工業教育學 系
盧文貴 陳甦臺 1996
虛擬實境遠距學習系統實 作與研究─以機構運動學 為例
彰化師範
大學 碩士 工業教育學 系
楊麗娟 楊東麟 1995 個人電腦虛擬實境應用的
三維醫學影像視覺系統 逢甲大學 碩士 資訊工程研 究所
表 2-4 1997~2004 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究
年度 姓名 執行機關 計畫名稱
2004 李逢春 長榮大學媒體設計科技 學系
資訊科技融入地球科學教學與學習之研 究
2003 董基良 國立中央大學機械工程 學系
腹腔鏡手術之虛擬實境數位學習系統之 研究
2003 周文忠 國立屏東師範學院資訊 科學系
虛擬實境應用於國小圖形與空間幾何學 習之研究
2003 葉怡成 中華大學土木工程學系 測量實習虛擬實境學習系統之研究 2003 江宏志 清雲科技大學工業工程
與管理系(科)
應用虛擬實境技術建構多媒體醫學知識 庫學習系統之研究
2002 張金堅 國立台灣大學醫學院 產學合作計畫：虛擬實境於外科醫療及 教學之應用
2002 方銘川 國立成功大學造船及船 舶機械工程學系（所）
船舶於波浪中之虛擬實境操縱模擬系統 之研發
表 2-4 1997~2004 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究(續)
年度 姓名 執行機關 計畫名稱
2002 謝凱生 高雄榮民總醫院小兒科 建立血管內超音波影像自動分析系統與 虛擬實境的血管導管手術模擬訓練系統 2001 李天浩 國立臺灣大學土木工程
學系暨研究所
應用雷達資料進行降雨系統之辨識與平 移速度估計技術研究及其虛擬實境展示 2001 柯志祥 國立臺灣科技大學工商
業設計系 虛擬實境在遠距教育上的應用 2000 張俊彥 國立臺灣師範大學地球
科學系(所) 地球科學「虛擬實境」學習之初探 2000 蔡文祥 國立交通大學資訊科學
學系
以電腦視覺技術作人與虛擬實境場景之 互動
2000 李逢春 國立臺南師範學院自然 科學教育學系
地球科學網際網路之虛擬實境遠距教學 研究-以「台灣河流侵蝕」之 3D 虛擬實 境及其地理資訊系統為例-淡水河 2000 董基良 國立中央大學機械工程
學系
火箭發射系統全程操控虛擬實境技術之 研製
2000 許蒼嶺 國立中山大學電機工程 學系(所)
配電系統運轉決策支援系統─子計畫 二:調度員訓練系統的虛擬實境模擬器 2000 高富建 私立吳鳳工商專科學校
電子工程科
整合基本電學理論與實習教學之多媒體 虛擬實境電腦輔助教學系統設計
1999 董基良 國立中央大學機械工程 學系
汽車駕駛模擬系統之研製─子計畫一：
駕駛虛擬實境系統之研究 1999 溫嘉榮 國立高雄師範大學工業
科技教育學系(所) 虛擬實境輔助概念學習遷移之研究 1998 何錦文 國立中央大學資訊工程
系
地形地貌高速處理與虛擬實境技術之結 合
1998 李良輝 國立高雄應用科技大學
土木工程系 虛擬實境於地形資料獲取與模擬之應用 1998 邱茂林 國立成功大學建築學系
（所） 建築構造與系統之虛擬實境模擬與研究 1998 邱茂林 國立成功大學建築學系
（所） 虛擬實境在建築視覺模擬之研究與應用 1998 林昌佑 國立交通大學土木工程
學系 虛擬實境在材料力學輔助教學之應用
表 2-5 1990~2004 年 ASCE 土木相關領域以虛擬實境為相關期刊論文與研討會
作者 篇名 出處
Gokhan Arslan (2003)
Design of a Web-Based Virtual Construction Site Visit for Education of Civil Engineering Student
Proceedings Of The Fourth Joint International Symposium On Information Technology In Civil Engineering, November 15-16, 2003, Nashville, Tennessee,pp.1-8
Eddy M. Rojas and Amlan Mukherjee (2002)
Data Modeling for the Virtual Coach
Proceedings of the International Workshop on Information Technology in Civil Engineering, November 2-3, 2002, Washington, D.C ,pp.
308-317
Julie Hartman (2003) Technology: Researchers Create Virtual Earthquake Engineering Lab
Civil Engineering—ASCE, Vol. 73, No. 2, February 2003, pg. 38
Youssef M. A. Hashash and Jamshid Ghaboussi (2002)
Discrete Element Modeling for the Development of a Real-Time Soil Model in a Virtual Reality Environment
Geotechical Special Publication no.117;
Proceedings of the Third International Conference Sept. 23-25, 2002, Santa Fe, New Mexico, USA
Brett C. Phillips and Geoffrey Thompson (2002)
Virtual Stormwater Management Planning in the 21st Century
Proceedings of the Ninth International Conference on Urban Drainage, Sept. 8-13, 2002, Lloyd Center Doubletree Hotel, Portland, Oregon
Lisa Martin, Joe G.
Castillo (1998)
Innovative Technology Combines the Components of a Sewer System to Create Virtual Computer Models
Water Resources and the Urban Environment-98 , pp. 669-674
Eddy M. Rojas (2000) Virtual Environments for Construction Engineering and Management Education
Construction Congress VI , pp. 669-674
Robert Geist, David Vernon, and Robert Schalkoff (1998)
Rendering Inversion in the Automated Construction of Virtual Environments
Robotics 98 ,pp. 263-270
Simeon J. Simoff and Mary Lou Maher (1997)
Design Education via Web-Based Virtual Environments
Computing in Civil Engineering ,pp. 85-91
Augusto Op den Bosch and Nelson Baker (1995)
Simulation of Construction Operations in Virtual Interactive Environments
Computing in Civil Engineering , pp.
1435-1442 Eddy M. Rojas (2000) Virtual Environments for Construction
Engineering and Management Education
Construction Congress VI ,pp. 263-270
Hossam El-Bibany (1995)
Information Technology and Education:
Towards the Virtual Integrated Architecture/Engineering/Construction Environment
Computing in Civil Engineering ,pp. 420-424
表 2-5 土木相關領域以虛擬實境為相關期刊論文與研討會 (續)
作者 篇名 出處
E. Freund and J.
Roßmann
Projective Virtual Reality Conquers Robotics Robotics 98, pp. 258-264
E. Freund, A.
Meister, and J.
Roßmann
Simulation of Human Avatars in Virtual-Reality
Robotics 98, pp. 279-285
Won S. Kim and Robert Brown
Telerobotic Servicing with Virtual Reality Calibration and Semi-Automatic Intermittent Model Updates
Robotics for Challenging Environments, pp. 43-49
António S. Câmara, Jorge N. Neves…and António Carmona Rodrigues
Virtual Environments and Water Quality Management
Journal of Infrastructure Systems, Vol. 4, No. 1, March 1998, pp. 28-36
Ronald G. Hughes and David L.
Harkey, P.E
Cyclists＇ Perception of Risk in a Virtual Environment: Effects of Lane Conditions, Traffic Speed, and Traffic Volume
Traffic Congestion and Traffic Safety in the 21st Century: Challenges, Innovations, and Opportunities
Michael C. Fu and E.
William East
A Proposed Virtual Design Review Environment
Construction Congress V: Managing Engineered Construction in Expanding Global Markets
第三章 系統分析
3-1 前言
傳統的測量實習教學，很難清楚表現出導線與地物測量的觀念。
在課堂上教授會因書本文字敘述不夠生動、繪圖的表示易於抽象而難 以讓學生理解。帶領學生到實地講解也會因天候、地形等因素而難以 讓學生明白。有鑑於此，本研究希望利用虛擬實境與遊戲式學習，融 合課堂教授的抽象解說能力，與實地講解的具體展現能力，形成全新 的教學模式，改進傳統教學的缺陷與盲點。
本研究利用虛擬實境，採取模擬式遊戲的方式，結合模擬（角色 扮演、情境模擬）和遊戲（努力達成目標、有特定遊戲規則）的特性 來設計測量實習教學系統。使用模擬遊戲的主要原因是它提供寓教於 樂的學習。學生經由虛擬實境進行寓教於樂的學習。
將數位遊戲應用於教育並不是新鮮事。例如早期的電腦輔助教學 (CAI)，早就大量應用了遊戲技巧來作為學習過程的一種方法。但多 數教育軟體設計者或是研究電腦輔助教學方法的人，通常並不具備遊 戲設計背景知識，因此許多以教育為目的的遊戲設計，通常都一成不 變或是侷限在傳統的觀念中，只能建立一些較為規則性的遊戲；例如 以 STEP BY SETP 的動作完成指定內容，或只是在學習過程附加簡單 的小遊戲，希望能將知識藉由遊戲的包裝灌輸給使用者。
本研究則是將學習過程轉變成遊戲過程，簡言之，遊戲本身就學 習。傳統教學與互動多媒體教學之比較如表 3-1。
圖 3-1 教學與遊戲關係圖﹝1﹞
表 3-1 傳統教學與互動多媒體教學在測量學教學方面之比較﹝13﹞
傳統式教學 互動式多媒體教學
學習方式 z 學習者被動地吸收知識。 z 學習者主動地建構知識。
學生活動 z 學習者複製老師授課內 容。
z 學習者在遊戲中產生互 動。
教學方式 z 以講義、圖片說明。
z 以口述講解。
z 以黑板繪圖或文字講解 抽象概念。
z 學習者於任何一台電腦 上進行上機學習。
z 教學者從旁輔助學習者 上機學習。
z 學習者透過遊戲方式增 進學習興趣。
表 3-1 傳統教學與互動多媒體教學在測量學教學方面之比較﹝續﹞
傳統式教學 互動式多媒體教學
學習流程 z 講師口述→考試→回饋
→知識。
z 情境學習→操作系統→
學習→知識。
優缺點比 較
z 學習者程度不一，教學者 不易教學進度。
z 學習者必須跟上教師進 度，部分學習者無法跟上 進度。
z 學習者通常只能依據上 課時的講義、課本學習。
z 學習者處於被動吸收狀 態，無法主動學習。
z 教學中會出現重複性高 或是內容較沉悶的情況。
z 個別化教學，教學者容易 掌握教學進度。
z 一人一機制度，不會發生 因為擁擠而無法學習之 問題。
z 學習者可在課後獨自於 家中電腦複習上課內容。
z 學習者可無限次的進行 操作練習。
z 學習者可依自行學習效 果調整學習進度。
z 透過互動式媒體，以遊戲 方式教學。
3-2 導線測量教學系統
導線測量是屬於控制測量的一種，其原理為測量相鄰導線點之間 距離，以及兩段導線所夾水平角，以確定各導線點的平面座標。導線 測量的方式有四種，分別是：(1)閉合導線(2)附合導線 (3)展開導線 (4)自由導線。本研究是以附合導線為範例，讓學習者學習導線點如 何正確佈設。
導線點佈設的原則為：
原則一、導線點應設在視野寬廣，可以量測較多地物點之處，以減少 導線點。
原則二、導線點應設在與相鄰導線點可以互相通視之處。
原則三、導線點應設在與相鄰導線點有適當距離之處，因為邊長太短 時測角誤差較大，影響導線精度。
原則四、導線點應設在不易變動之處，以避免導線點被破壞。
原則五、導線點應設在可以使地物均有導線點可以施測之處，以減少 細部測量時圖根點增設之需求。
本研究將利用虛擬實境與遊戲學習來模擬導線測量，讓學習者能 在遊戲中練習如何佈設最佳的導線點路徑。
3-3 地物測量教學系統
地物測量的目的是量測出地物的平面座標，以製作平面圖。地物 點選點原則如下：
原則一、建物的地物點應以滴水線為原則。
原則二、地物點應適度取捨，以平衡測量效率與地物精細之間的兩難 關係。
原則三、地物點應利用較近的測站來測量為宜。
第四章 系統設計 4-1 前言
傳統的導線與地物測量教學流程圖如圖 4-1。本研究加入虛擬實 境教學系統這新元素，期望可以達到提昇學習者的學習興趣與學習效 率的目的。新的導線與地物測量教學流程如圖 4-2。
課堂講解
現地實習
課堂結束
是否學會
學會導線與地物測量
否
是
地物測量 未學會導線與
圖 4-1 傳統導線與地物測量實習教學流程圖
否
是
虛擬實境教學系統
現地實習
課堂結束
是否學會
學會導線與地物測量
圖 4-2 虛擬實境測量實習教學流程圖
4-2 導線測量教學系統
本系統的運作程序如下：
1. 學生利用虛擬實境瀏覽地形、地物。
2. 學生從起始點出發遊走至適當位置，佈設第一個導線點。
3. 學生在目前的導線點以 360o迴轉以射擊遊戲方式，擊破代表重要 地物點的反射稜鏡。
4. 學生從目前導線點出發，移動至適當位置佈設下一個導線點。
5. 重複步驟 3 至步驟 4，直到目前導線點可以與終端點通視。
6. 系統分析學生學習成效。
虛擬導線測量實習教學流程圖，如圖 4-3。
瀏覽地形、地物
與終端點通視？
佈設第一個導線點
佈設下一個導線點 擊破稜鏡
分析學習成效
圖 4-3 虛擬導線測量實習教學流程圖
本系統分成六個模式、分述如下：
1. 人物移動模式
利用鍵盤控制遊走在虛擬實境之中。人物操作移動之流程如圖 4-4 所示。
2. 導線點定位模式
人物移動到目的地點後，利用鍵盤控制鈕設立導線點，以確立導 線佈點位置，並擷取導線點的座標值。導線點定位模式之流程如圖 4-5 所示。
3. 瞄準鏡模式
導線點確立後，利用鍵盤切換視窗，隨即進入瞄準鏡模式。此模 式仿造狙擊槍瞄準方式進行反射稜鏡瞄準，並控制瞄準鏡運動。瞄準 鏡模式的流程如圖 4-6 所示。
4. 射擊模式
進入瞄準模式後，可進行射擊動作，將反射稜鏡擊破，並傳送反 射稜鏡編號到計算儲存模式。射擊模式之流程如圖 4-7 所示。
5. 計算儲存模式
經過導線點的佈設以及射擊模式後，系統會自動計算擊破反射稜 鏡數、剩餘反射稜鏡數與導線點設立數。計算儲存模式之流程如圖 4-8 所示。
6. 評分模式
結束虛擬導線測量實習後，系統進入評分模式，將儲存的資料載 入，以分析學生學習成效。
評分的項目配合前章之「導線點佈設原則」，包括：
（1） 累計導線點數目：配合原則一「導線點應設在視野寬廣，可 以量測較多地物點之處，以減少導線點。」
（2） 檢核導線點通視：配合原則二「導線點應設在與相鄰導線點 可以互相通視之處。」
（3） 計算導線點距離：配合原則三「導線點應設在與相鄰導線點 有適當距離之處，因為邊長太短時測角誤差較大，影響導線 精度。」
（4） 檢核導線點位置：配合原則四「導線點應設在不易變動之處，
以避免導線點被破壞。」
（5） 累計地物點數目：配合原則五「導線點應設在可以使地物均 有導線點可以施測之處，以減少細部測量時圖根點增設之需 求。」
切換人物移動視窗 選擇鍵盤控制鈕 人物移動
攝影機視角跟隨 可進入導線點定位模式
圖 4-4 人物移動模式之流程圖
啟動鍵盤控制鈕 複製定位 確立定位板座標與編號
傳送定位座標編號 可切換至瞄準鏡模式
圖 4-5 導線點定位模式之流程圖。
切換瞄準鏡視窗 選擇鍵盤移動控制鈕
瞄準鏡移動至反射稜鏡定位 攝影機視角瞄準
進入射擊模式
圖 4-6 瞄準鏡模式之流程圖
。
啟動射擊按鈕 擊破反射稜鏡 傳送擊破反射稜鏡編號
紀錄反射稜鏡與測站距離
圖 4-7 射擊模式之流程圖
計算總反射稜數 計算擊破反射稜鏡數 計算剩餘稜鏡數
計算導線點數量 記錄反射稜鏡屬性
儲存系統
系統結束
圖 4-8 計算儲存模式流程圖
選擇評分模式
累計導線 點數目
計算導線 點距離 檢核導線
點通視
檢核導線 點位置
累積地物 點數目 載入資料表
結束程式 儲存分數及個人資料
圖 4-9 評分系統模組流程圖
4-3 地物測量教學系統
本系統的運作程序如下：
1. 學生利用虛擬實境瀏覽地形、地物、導線點(由教師設定)。
2. 學生從起始點移動至第一個導線點。
3. 學生在目前的導線點，以 360o迴轉以射擊遊戲方式擊破代表重要
地物點的反射稜鏡。
4. 學生從目前導線點，移動至下一個導線點。
5. 重複步驟 3 至步驟 4，直到已擊破所有應該擊破的稜鏡以施測所 有應該施測的地物點。
7. 系統計算分析學生學習成效。
合格 瀏覽地形、地物
以擊破所有應該 擊破之稜鏡 移動第一個導線點
移動下一個導線點 擊破稜鏡
分析學習成效
不合格
圖 4-10 虛擬導線測量實習教學流程圖
上述程序與導線測量教學系統十分相似，但有三點不同：
1. 上述程序中導線點有教師設定。
2. 上述程序中的稜鏡(即地物點)必須由學生決定哪些應該擊破(即 施測)。
3. 擊破稜鏡時必須考慮在適當位置導線點進行射擊稜鏡(施測地物 點)。
本系統分成五個模式、分述如下：
1. 人物移動模式
利用鍵盤控制遊走在虛擬實境之中。人物操作移動之流程如圖 4-11 所示。
圖 4-11 人物移動模式流程圖
選擇鍵盤控制鈕 人物移動 切換人物移動視窗
攝影機視角跟隨 可進入瞄準鏡模式
2. 瞄準鏡模式
到達導線點後，利用鍵盤切換視窗，進入瞄準鏡模式。此模式仿
造狙擊槍瞄準方式進行反射稜鏡瞄準，並控制瞄準鏡運動。瞄準鏡模 式的流程如圖 4-12 所示。
選擇鍵盤控制鈕 瞄準鏡移動 切換瞄準鏡視窗
進入射擊模式 攝影機以第一人稱視角跟隨
圖 4-12 瞄準鏡模式之流程圖
3. 射擊模式
進入瞄準模式後，可進行射擊動作，將反射稜鏡擊破，並傳送反 射稜鏡編號到計算儲存模式。射擊模式之流程如圖 4-13 所示。
記錄反射稜鏡 屬性與編號 啟動射擊按鈕 擊破反射稜鏡
傳送至 計算儲存模組
計算反射稜鏡距離
圖 4-13 射擊模式之流程圖
4. 計算與儲存模式
經過地物點的射擊遊戲後，系統會自動計算擊破反射稜鏡數、剩 餘反射稜鏡數與導線點使用數，計算與儲存模式的流程如圖 4-14 所示。
計算擊破反射稜鏡數 計算剩餘稜鏡數 計算總反射稜數
儲存系統
系統結束
反射稜鏡屬性值 計算導線數量
圖 4-14 計算儲存模式之流程圖
5. 評分系統模式
結束虛擬地物測量實習後，系統進入評分模式，將儲存的資料載 入，以分析學生的學習成效。
評分項目配合前章之「地物點選取原則」，包括：
1. 記錄學生選擇的地物點之編碼，以配合原則一「建物的地物點應
以滴水線為原則。」
2. 計算測站與地物點間之距離，以配合原則三「地物點應適度取 捨，以平衡測量效率與地物精細之間的兩難的關係。」
3. 累計學生選擇地物點之總數，以配合原則二「地物點應利用較近 的測站來測量為宜。」
選擇評分模式
載入資料表
儲存分數
結束程式 記錄學生選擇的
地物點之編碼
累計學生選擇地 物點之總數
計算測站地物點 間之距離
圖 4-15 評分系統模組流程圖
第五章 系統建構
5-1 前言
本系統的建構程序為：
1. 以 AUTOCAD 進行地形檔與建築物初步的編輯，建立等高線位置與 地形與建築物的相對位置。
2. 將地形與地物資料匯入 3DS MAX，進行實際地物編輯與建物模型建 造與模型貼圖。
3. 將地形與地物模型匯入 Virtools，進行互動功能建構。
本章第二節先介紹系統前處理軟體、第三節介紹虛擬實境模型 建構軟體 3DS MAX，第四節介紹虛擬實境互動建構軟體 Virtools，第 五節介紹虛擬實境物件之建構，第五節介紹導線測量教學系統之建 構，第六節介紹地物測量教學系統之建構。
5-2 系統建構前處理軟體
由於本系統為測量實習教學系統，因此地形地物必須十分精準。
因此本研究利用本校之 1/1000 地形圖之 AutoCAD，檔做為地形模型 的依據程序如下：
1. 將地形的等高線數值資料找出。
2. 利用 AutoCAD 在數值圖檔上作編輯以及將未閉合之線段予以閉
合。
3. 賦予等高線實地高程。
4. 匯出至 3DS MAX。
地物資料的處理方式為：
1. 找出地物在平面圖上的座標。
2. 利用 AutoCAD 在數值圖檔上作編輯以及將未閉合之線段予以閉 合。
3. 賦予地物位置高程。
4. 匯出至 3DS MAX。
整理好的的檔案由 3DS MAX 等高線圖產生地形模型的功能，產生 精準的本校地形模型。
5-3 虛擬實境模型建構軟體
近年來 3D技術運用多來越多，軟體層出不窮，目前大多數常用 3D建模軟體為3DS MAX、 MAYA、 Sumatra、Lightwave、 Rhino等軟 體。這些軟體各有特色，使用者可以挑選自己習慣的建模軟體來進行 建模。但也必須應注意是否有跟互動式軟體相互支援，而目前支援本 系 統 互 動 式 軟 體 Virtools ， 目 前 有 三 種 建 模 軟 體 支 援 ， 分 別 是 Lightwave、3DS MAX與 MAYA。目前大眾廣泛較為接受的建模軟體為3DS
