國立臺東大學美術產業碩士學位 在職進修專班碩士論文
擴增實境應用於國中教學之研究
－以自然與生活科技領域為例
研 究 生：米芳純 指導教授：施能木
中 華 民 國 一 OO 年 六 月
國立臺東大學美術產業碩士學位 在職進修專班碩士論文
擴增實境應用於國中教學之研究
－以自然與生活科技領域為例
研 究 生：米芳純 指導教授：施能木
中 華 民 國 一 OO 年 六 月
謝 誌
手裡捧著完成的這本論文，兩年的研究所生涯，就這樣劃上了句 點。回想這段研究所的求學過程，深深地感謝良師指導、益友相伴，
更感謝一路上陪伴我、支持我的家人及好友，因為你們的鼓勵與協助 才會有今日的成果!。
本碩士論文得以順利完成，首先要感謝恩師 施能木老師，感謝 老師讓我的論文一步一步從荒蕪到結實，終於得以完成。感謝老師這 一路對我的悉心指導與教悔，在學術研究及其他方面都給予許多寶貴 建議及關心，謹此致上最高之敬意與謝忱。
承蒙 曾介宏老師和 謝坤霖老師於在百忙中抽空細心審閱，啟迪 我許多研究方法的觀念，並於口試期間不吝指正及提供寶貴意見，使 本論文更臻完善，在此致上無限謝忱。
感謝同組的研究夥伴雅玲、郁芳、李桂、偉強，因為有你們的陪 伴與協助，得以讓我順利寫完本文，由衷的真心感謝你們。
最後，謹以本文獻給我最親愛的家人，感謝你們的關心與支持，
最重要的要感謝我最親愛的老公—宏昌，因為有你溫暖的付出，生活 上細心的照顧與包容，精神上給我無比的支持，我才能專心撰寫論 文，得以順利地完成學業，你是我最重要的精神支柱，真的好感謝你!
最後，謹在此感謝所有關心我的人，幫助我的人，謝謝您們！
米芳純 謹誌于臺東 中華民國一○○年六月
中文摘要
擴增實境(Augmented Reality,簡稱 AR)特點就是不把人的感官 抽離，維持人跟真實世界的關聯性，依附在真實空間中，再額外加上 一些資訊互動，結合感官經驗，則無須模擬想像，更加貼近真實。擴 增實境目前在各領域方面之應用越來越廣泛，例如遊戲媒體、導覽系 統、雜誌書籍等。而依據國內外文獻實證，目前於教育領域，擴增實 境技術也漸漸地被廣泛應用。
故本研究應用擴增實境軟體作為研發工具，針對九年一貫課程國 中「自然與生活科技領域」單元，設計一套擴增實境教學系統。研究 中探討如何應用擴增實境技術融入自然與生活科境領域教學，亦探討 利用此教學系統輔助教學對教師及學生的影響。
本研究對象為國中九年級 106 位學生及 3 位自然科專任教師。應 用 AR 教學系統融入教學後，於課後請教師及學生填寫調查表，並進 行師生個別訪談，以了解教師及學生對擴增實境教學系統的接受度及 影響。研究結果發現，教師及學生都給予正向評價，利用擴增實境教 學系統不但可以提升學生學習動機，學習態度轉為主動；對於教師教 學方面，也可以彌補教材不足，提供更多元的教學方式。最後，本研 究根據研究結果提出具體建議，以供學校、教師和未來研究者參考。
關鍵詞：擴增實境、Augmented Reality、國中教學、自然與生活科 技領域
Abstract
The characteristics of Augmented Reality(Augmented Reality, referred to as AR) is not pulled out of the human senses, but to maintain people with real world relevance, dependence in the real space, and then add some additional information interaction, combined with sensory experience. It is not necessary to imagine, and more close to the reality. Augmented Reality nowadays have been applied more and more widely in all areas now. For example, game media, navigation systems, magazines, books and so on. Based on empirical literature, augmented reality technology is gradually being widely used in the field of education.
Therefore, this study use augmented reality software as a research tool for Junior High School Curriculum in the "Nature and Life Technology" field, designed a set of Augmented Reality Teaching System. In this study, we discuss how augmented reality technology can be applied into the field of "Nature and Life Technology" field teaching, and we also discuss the influence of using this learning system to assist teachers and students.
The subjects in this study were 106 ninth-grade junior high school students and three science teachers. After using the application of AR into the teaching system, we asked all subjects to fill out questionnaires and had individual interviews after school.
Therefore, we are enable to understand the acceptance and influence of the Augmented Reality Teaching System. The results showed that teachers and students have given positive evaluation. Using Augmented Reality Teaching System can not only enhance students learning motivation, change learning attitudes to more active, but also make up for shortage of teaching materials, and provide more different teaching methods Finally, based on the results of this study, we can give specific recommendations for schools, teachers and future researchers.
Keywords：Augmented Reality、Junior Education、Nature and Life Technology
目 次
中文摘要………i
Abstract……….…….ii
目次………...iv
表次………...vi
圖次………...xi
第一章 緒論...1
第一節 研究背景與動機 ...1
第二節 研究目的 ...3
第三節 待答問題 ...3
第四節 名詞解釋 ...4
第五節 研究範圍與限制 ...6
第二章 文獻探討 ...7
第一節 擴增實境 ...7
第二節 學習理論 ...23
第三節 科技融入教學 ...30
第四節 擴增實境技術於教育之應用 ...35
第三章 研究方法與設計 ...47
第一節 研究架構 ...47
第二節 研究方法 ...48
第三節 研究工具 ...51
第四節 研究對象 ...53
第五節 研究流程 ...54
第四章 系統實作與結果分析 ...59
第一節 系統需求分析 ...59
第二節 系統規劃 ...66
第三節 系統實作與測試 ...72
第四節 使用者意見調查及結果分析 ...84
第五節 研究發現與討論 ...115
第五章 結論與建議 ...119
第一節 結論 ...119
第二節 建議 ...123
參考文獻...125
一、中文部份...125
二、西文部份...128
附錄………131
附錄一 擴增實境教學系統使用後學生學習意見調查表……..131
附錄二 擴增實境教學系統使用後教師學習意見調查表……..133
附錄三 擴增實境教學系統使用後訪談大綱(學生版)………...135
附錄四 擴增實境教學系統使用後訪談大綱(教師版)………...136
附錄五 擴增實境教學系統使用後訪談結果(學生部分)……...137
附錄六 擴增實境教學系統使用後訪談結果(教師部分)……...139
表 次
表1 皮亞傑認知發展理論之認知發展階段及其特徵.……….…23
表2 布魯納認知表徵論之認知發展特徵………….……….…24
表3 擴增實境融入教育之相關實證研究.……….……40
表4 擴增實境融入教育之相關實證研究.……….……41
表5 擴增實境融入教育之相關實證研究.……….……42
表6 單元課程內容分析表.………..……….…….….60
表7 單元課程內容分析表.………..……….…….….61
表8 單元課程內容分析表.………..……….…….….62
表9 單元課程內容分析表.………..……….….…….63
表10 擴增實境教學系統各單元特性分析表.……….…...….…..64
表11 各單元設計之擴增實境組數.……….…...……...65
表12 學習單元課本模型參照圖.…….………..……….………...67
表13 各單元之功能設計目標.………..….68
表14 系統單元介面設計.………..….70
表15 擴增實境教學系統各單元模型顯示圖………79
表16 系統測試評估項目………82
表17 學生對「我喜歡自然科這個科目」的看法.………..….87
表18 學生對「我上自然課感到很愉快」的看法.………88
表19 學生對「以前老師教的自然課學習內容，我都能了解」的看法.88 表20 學生對「對於學習自然科課程，我有信心」的看法.……..…..88
表21 學生對「我願意主動學習自然科課程」的看法.…………..….89
表22 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，我覺得上課氣氛比較 輕鬆有趣」的看法.………..…………..89 表23 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，讓我對學習自然科課
程較有興趣」的看法.………..……….……….90 表24 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，可以幫助我更容易了
解學習的內容」的看法.……….…..…90 表25 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，幫助我更能看懂課本
中的圖或實驗」的看法.………91 表26 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，讓我覺得課程學起來
比較容易」的看法.………91 表27 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，我覺得操作上很容易」
的看法.…………..…..……….…………..92 表28 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，讓我上課更專心」的
看法.………..……..………...……92 表29 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，讓我更想接觸自然科」
的看法.…………..………..………...………93 表30 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，我覺得學習上的問題
減少了一些」的看法.……....………93 表31 學生對「用擴增實境教學系統上自然課，讓我更願意主動學習
自然科」的看法.……….………94 表32 學生對「我覺得擴增實境的教學方式可以減少實驗不足的困擾」
的看法.……….………..…94 表33 學生對「我覺得擴增實境教學系統在家上網即可線上使用是非
常棒的」看法.……….………..…95 表34 學生對「我願意向其他同學推薦使用擴增實境教學系統的學習
方式」的看法.……….………..…95 表35 學生對「我喜歡老師用擴增實境教學系統上自然課」的看法.96 表36 學生對「如果可以的話，我希望老師能繼續使用擴增實境教學
表37 學生對「電與磁擴增實境系統可以讓我更了解電動機轉動的基 本原理」的看法.……….………..…97 表38 學生對「電與磁擴增實境系統可以讓我更了解電流方向的行進
路徑」的看法.……….…..…97 表39 學生對「電與磁擴增實境系統可以讓我更了解磁場改變的原因」
的看法.……….……..…98 表40 學生對「電與磁擴增實境系統可以讓我更了解電流方向會影響
電動機轉動的方向」的看法.……….………..…98 表41 學生對「電與磁擴增實境系統可以讓我更了解磁場會改變電動
機轉動的方向」的看法.……….………..…99 表42 學生對「電與磁擴增實境系統可以讓我更了解磁場會改變電動
機轉動的方向」的看法.……….………..…99 表43 學生對「日地月相對運動擴增實境教學系統可以讓我知道月球
會隨著時間的不同而發生月相的變化」的看法.……….……100 表44 學生對「日地月相對運動擴增實境教學系統可以讓我知道各種
月相發生原因及時間」的看法.……….………100 表45 學生對「日地月相對運動擴增實境教學系統可以讓我知道日食
與月食的形成原因」的看法.……….101 表46 學生對「板塊運動擴增實境教學系統可以讓我了解正斷層造成
的原因」的看法.………..…102 表47 學生對「板塊運動擴增實境教學系統可以讓我了解逆斷層造成
的原因」的看法……….………..…102 表48 學生對「板塊運動擴增實境教學系統可以讓我學會如何判斷地
質事件的先後次序」的看法.………..…103 表49 學生對「酸鹼鹽擴增實境教學系統可以讓我能了解電解質的導
電方式」的看法.……….103
表50 學生對「酸鹼鹽擴增實境教學系統可以讓我能知道通電後離子 如何移動」的看法.………..……….104 表51 學生對「酸鹼鹽擴增實境教學系統可以讓我知道酸鹼中和反應
的酸鹼度變化」的看法.………..……….104 表52 教師對「我認為目前用教科書中的圖片及文字說明來教學已經
非常足夠」的看法.………..106 表53 教師對「我常使用書商附贈的其他教材來上課」的看法…..106 表54 教師對「我認為擴增實境教學系統設計內容符合課程目標」的
看法.………...…107 表55 教師對「我認為用擴增實境教學系統上課比用傳統紙本教材更
好」的看法.………..….107 表56 教師對「我認為使用擴增實境教學系統上課可以呈現不同於傳
統的教學方式」的看法.………..108 表57 教師對「我認為擴增實境教學系統可以幫助老師在教學時更清
楚表達教學內容」的看法.………...108 表58 教師對「我認為擴增實境教學系統可以提升老師的教學效果」
的看法.………...109 表59 教師對「我認為擴增實境教學系統可以引起學生注意」看法.109 表60 教師對「我認為擴增實境教學系統有助學生瞭解抽象之概念」
的看法.………...………..………110 表61 教師對「我認為擴增實境教學系統可以提升學生的學習興趣」
的看法.……….…....110 表62 教師對「我認為擴增實境教學系統可以提升學生的學習成效」
的看法.………...…....111 表63 教師對「我認為擴增實境教學系統是個很獨特的教材類型」的
表64 教師對「我認為擴增實境教學系統是容易操作使用的」看法.112 表65 教師對「我會推薦擴增實境教學系統實施於教學中」看法…112 表66 教師對「我有興趣學習建置擴增實境教學系統」的看法….…112
圖 次
圖1 擴增實境概念………..…..4
圖2 真實-虛擬連續性理論……….….…8
圖3 擴增實境在符號辨識及資訊疊加過程…..………..……9
圖4. 擴增實境系統運作環境……….………10
圖5 以顯示器呈現之擴增實境..………11
圖6 頭戴式之影視顯示型擴增實境..………11
圖7 頭戴式光學投射顯示型擴增實境..………11
圖8 擴增實境之瀏覽式介面………..………12
圖9 擴增實境之瀏覽式介面………..………12
圖10 3D 立體擴增實境介面…….………..12
圖11 觸碰式介面………..………..13
圖12 投影式介面…..………..13
圖13 AR 應用於博物館導覽………..14
圖14 AR 應用於戶外景點導覽………..15
圖15 AR 應用於古蹟導覽系統………..16
圖16 AR 應用於導覽系統………..17
圖17 AR 應用於展場特效…….………..17
圖18 AR 應用於展場特效………….………..17
圖19 AR 應用於遊戲互動…….………..18
圖20 AR 應用於遊戲互動………..18
圖21 AR 應用於娛樂產業………..19
圖22 AR 應用於產品行銷………..19
圖23 AR 應用於產品行銷………..19
圖24 AR 應用於商品介紹………..20
圖25 AR 應用於商品介紹………..20
圖26 AR 應用在開腦手術訓練………..21
圖27 AR 應用於醫療………….………..21
圖28 AR 應用於醫療……….………..21
圖29 Dale 經驗金字塔……….………...28
圖30 教材設計架構圖…………..…...………...32
圖31 使用 Wii 遙控器打擊地鼠遊戲.………..………..34
圖32 使用 AR 模擬畫面與分類遊戲...………..35
圖33 以擴增實境技術發展骨牌效應.….………..36
圖34 使用 AR 教導數學幾何學…..……….………..36
圖35 使用 AR 展示太陽與日夜轉換之關係..…….………..37
圖36 教師透過 AR 教具進行九大行星教學.…….………...38
圖37 使用頭戴式顯示器學習火山爆發過程………..…………...…...38
圖38 研究架構……….………..….45
圖39 雛形開發法實施圖………48
圖40 研究流程圖………54
圖41 介面配置圖………70
圖42 AR 製成方式………...72
圖43 Sketch up 建模介面………73
圖44 遠颺科技公司 Lightning Studios 軟體呈現出擴增實境效果.….74 圖45 星體移動單元基模骨架及貼圖後模型……….….….….75
圖46 電磁感應單元基模骨架及貼圖後模型……….…...75
圖47 電磁感應單元 sketch upskp 檔轉成.3ds 檔………..…76
圖48 電磁感應單元.3ds 檔匯入 3D MAX……….…...76
圖49 電磁感應單元 max 檔轉為.X 檔………..……....77
圖50 電磁感應單元 max 檔轉為.X 檔………..…...77
圖51 Lightning Studios 基模組……….…….…....….78
圖52 X 檔 Import 匯入 Quest 3D 中………..…….……....78
圖53 完成 Quest 3D 設定……….……..78
圖54 擴增實境教學系統模型顯示圖………...…...79
圖55 統一格式辨識圖………....81
第一章 緒論
本章共分五節，第一節敘述本研究的動機，第二節說明本研究之 目的，第三節為本研究之待答問題，第四節為本研究的名詞釋義，第 五節為研究範圍與限制，茲分別說明如后。
第一節 研究背景與動機
已在教育現場任教四年，但對藝術相關領域非常有興趣再深造，
如今有幸進入美術產業學系研究所，也深盼將教育職場所應用與藝術 這兩個領域相結合，研究相關之論題，以期在未來教學及研究上能有 所些貢獻。
在教學過程中，常發現很多學生對於抽象概念不易理解。因為有 些學生可能受限於本身認知能力及理解能力不足等等原因，導致在學 習上有顯著的困難。目前學校教材包含書本及教具上的內容，通常都 只以單純文字說明，頂多加上平面圖片備註解釋，但是對於在學習理 解上較困難的學生來說，是非常不容易了解學習的。甚至有些領域課 程內容是需要實際操作實驗的，例如自然與生活科技領域課程。在實 際操作中，則必須考量到許多條件，例如自然與生活科技領域「氧化 與還原」課程中，做實驗時則要注意學生安全問題，因為如果操作不 當，很容易因為元素的相互反應而造成受傷。例如「電流及電磁現象」
實驗中，因為電流與電磁是無形的，雖然經過實驗操作，部分學生可 能因為抽象概念無法理解，還是會不懂原理，而不易學習。在「星體 運行」課程中，因為無法將太陽、月亮星體實際現場呈現演示，所以
如果可以將星體運行軌跡以電腦媒體教材呈現，加上互動效果，相信 對學生在學習上會有極佳的幫助。除了可以加深學生對實驗過程的了 解,也可以彌補因時間或其他條件不足而無法一一做實驗的遺憾。
因為曾經在教學中利用電腦虛擬教材，發現經由電腦媒體輔助教 學，不僅容易引起學生的學習動機，透過影片講解，動畫輔助，文字 搭配上豐富的圖像並且加上互動功能，慢慢引導學生概念學習，成效 大大的比紙筆空談來的好。
而近年來，教育部針對九年一貫課程極力推動資訊科技融入教 學，為了達成資訊融入教學的目的，資訊科技要融入於課程、教材與 教學中，成為在教室日常教學活動的一部份。在未來，資訊科技的應 用應當視為一種方法或一種程序，提供教師與學生在任何時間或地點 來尋找問題解答的能力(王全世，1990)。
在軟體技術方面，發展迄今已經十餘年的擴增實境(Augmented Reality，簡稱 AR)技術日益進步，在各領域方面之應用越來越廣泛，
例如遊戲媒體、導覽系統、雜誌書籍、產品包裝或是商業活動等。而 依據國內外文獻實證，目前於教育領域，擴增實境技術也漸漸地被廣 泛應用。擴增實境特點就是不把人的感官抽離，維持人跟真實世界的 關聯性，依附在真實空間中，再額外加上一些資訊互動，結合感官經 驗，則無須模擬想像，更加貼近真實。
故本研究希望應用擴增實境軟體作為研發工具，規劃設計國中
「自然與生活科技領域」單元教學教材，以期讓學生藉由擴增實境之 特點，引起興趣之後，結合多感官教學，解決在學習歷程上遇到的困 難，以利於了解課程內容，增進學生學習之能力，達成學習目標。
第二節 研究目的
期望利用擴增實境針對九年一貫國中「自然與生活科技領域」設 計適性教材輔助教學，讓學生能透過數位媒材更容易獲得有效的學 習，在融入情境當中後，引發學習動機後，藉由與真實情境互動之後，
將抽象概念具體化，再與自身舊經驗相連結，進而學習達成目標，也 期望提供學生另一種學習的管道，提供教師另一個教學的工具。
所以本研究希望能深入探討以下幾個目的：
一、運用擴增實境技術於「自然與生活科技領域」之教學。
二、利用擴增實境技術設計教材輔助教學，對師生教學的影響。
第三節 待答問題
根據上述之研究目的，本研究欲探討的問題如下：
一、如何選擇合適的國中「自然與生活科技領域」單元？
二、如何運用合適的擴增實境技術作為設計教材工具? 及擴增實境教 學系統建置時所遇到的困境及因應對策為何？
三、利用擴增實境技術設計教材輔助教學，對於教師應用在教學上的 影響為何?
四、利用擴增實境技術設計教材輔助教學，對於學生在學習動機及學 習態度上的影響為何？
第四節 名詞解釋
一、擴增實境
擴增實境將設計好的虛擬物件及影像，利用設備投射在真實空間 環境中，著重於與真實環境的結合，再藉由與虛擬影像的互動，產生 身歷其境的感覺，目的讓操作者在需要的時候，可以增強與真實環境 中的資訊顯示及互動經驗，除了眼睛看到真實世界外，也能同時看到 虛擬的輔助資訊，利於獲得相關而有用的資訊。
圖1.擴增實境(Augmented Reality, AR)概念 資料來源:修改自 Stapletion et al.(2002)
本研究中所指的擴增實境為圖卡式擴增實境技術，藉由視訊裝置 (webcam)的圖形辨識，可以觸發每個圖卡所預設的立體模型呈現，並 且回饋在螢幕上與使用者互動，並且隨著手中圖形的變換位置與角 度，呈現的立體模型也能即時進行位置與角度的變更。而本研究中基 於操作簡易及圖片辨識效果較佳之原因，故使用之擴增實境教材設計 軟體為遠颺科技公司自行研發的Lightning Studios 擴增實境模組。
擴增實境 技術與環境 實境
(真實環境)
想像 (創意世界)
虛擬 (媒介世界)
二、自然與生活科技領域
教育部九十二年正式公佈之國民中小學九年一貫課程綱要中指 出，課程主要精神在於課程統整與學校本位課程的發展，並秉持著人 本情懷、統整能力、民主素養、鄉土與國際意識、終身學習基本理念，
課程目標依個體發展、社會文化及自然環境等三個面向，提供語文、
健康與體育、社會、藝術與人文、數學、自然與生活科技及綜合活動 等七大學習領域為主要內容，培育學生跨學科，超領域的十大基本能 力(教育部，2003)。
而本研究中所指的「自然與生活科技領域」課程，是指國中九年 級部分，以教育部公佈九年一貫課程裡，康軒版本的國中「自然與生 活科技領域」中之「星體運動」、「板塊運動」、「電磁感應」、「酸鹼鹽」
單元課程。
三、數位化教材
在教學中，課程是指有計畫的學習活動，教材則是指學習活動的 內容。教材(teaching marterial)是指根據學習目標，編選和組織具有一 定深度和範圍的知識技能系統，一般以教科書的形式呈現，但教科書 只是教材的一部分，並非所謂教材的全部(張添洲，2000)。數位化教 材(Digital teaching material）是指將教材數位化，提供教師在教學上 及學生在學習上使用。而數位化教材的創作研發，則是資訊科技融入 教學中最重要的項目之一。如果沒有數位化教材，則無法確實的將資 訊科技融入教學中。目前教育部為了發展數位化教材，建置了教育部 數位資源教學入口網-學習加油站(http://content.edu.tw)，藉以提供教 師們一個教學資源共享及學習經驗分享的交流空間。
本研究中指的數位化教材，係指教學者運用擴增實境技術開發的
第五節 研究範圍與限制
一、研究範圍
1.教材設計內容：因為研究對象所在學校的自然與生活科技課程，
所使用之教科書版本為康軒版教材，故研究中以教育部公佈九年 一貫課程，康軒版國中「自然與生活科技領域」中之「星體運動」、
「板塊運動」、「電磁感應」、「酸鹼鹽」單元課程內容為設計教材 範圍。
2.研究對象：研究對象以台東縣大武國中九年級 106 位學生及 3 名 自然與生活科技專任教師作為研究施測對象。
二、研究限制
1.研究內容限制：因為研究對象所使用的自然與生活科技課程版本 為康軒版教材，故本研究將範圍限定於康軒版本國中「自然與生 活科技領域」中之「星體運動」、「板塊運動」、「電磁感應」、「酸 鹼鹽」單元課程內容設計教材，所以無法針對其他領域或其他單 元課程做深入探討，恐有不足之處。
2.硬體方面限制：因為位於學校環境中進行施測研究，基於經費考 量，故使用比較平價的視訊攝影機取代。
3.軟體方面限制：因為操作簡易及系統辨識效果較佳因素，故使用 Lightning Studios 擴增實境模組為設計軟體。
第二章 文獻探討
第一節 擴增實境
一、擴增實境的意涵
1960 年代，Ivan Sutherland 在研究中使用頭戴式 3D 顯示設備 (HMD)結合簡單的技術，將電腦所產生 3D 影像與真實物件結合在一 起投射呈現在牆壁上，為擴增實境最早的概念起源。
擴增實境是一種計算攝影機影像的位置及角度並加上相應圖像 的技術，這種技術的目標是在螢幕上把虛擬世界套在現實世界並進行 互動。(維基百科 2010 年 7 月 9 日)
擴增實境與虛擬實境〈Virtual reality, VR〉最大的不同點在於與 真實世界的結合。所謂的擴增實境是將虛擬的物件資訊，利用顯示器 疊加到使用者現實世界空間中的感官知覺上，在現實實境中擴增資 訊，讓使用者在親眼所見的實際環境中操作3D 立體虛擬物件，並有 虛實並存的感覺，目的是為了讓使用者得到正確的訊息。擴增實境的 目的在於對真實世界資訊的補充，而且必須同時做到與真實世界無縫 的連結，而非如虛擬實境所呈現之取代特性。相對之下，虛擬實境則 是企圖以電腦科技技術所建置的虛擬空間環境取代真實世界，物件及 環境都是電腦虛擬的，模擬場景空間及所進行的擬真動作行為，讓使 用者感受到存在於三度空間的視覺效果， 目的是讓使用者可以藉由 虛擬實境體驗到臨場感，並在虛擬環境下穿梭或互動。例如飛行員訓 練常使用虛擬實境來增加受訓者的臨場感；有許多博物館、觀光網站 也推出線上虛擬導覽，提供使用者在家上網就可以事先有親臨現場的 體驗。
二、擴增實境的特性
Milgram 和 Kishino(1994)提出真實-虛擬連續性（Milgram's
Reality-Virtuality Continuum），為擴增實境奠定了確實理論。理論中，
連續線性的兩端分別代表著真實環境和虛擬環境，位於中間範圍為
「混合實境（Mixed Reality）」。比較靠近「真實環境」端者，即為擴 增實境（AR），靠近「虛擬環境」端者，即是虛擬實境（Augmented Virtuality）(維基百科，上網日期:2010 年 7 月 14 日)。所以虛擬實境 四周環境皆為虛擬的，擴增實境周圍環境為真實的。Azuma(1997)在 研究中指出擴增實境有三個必要的屬性:1.同時包含真實與虛擬。2.即 時性的互動。3.呈現在三度空間內運作。
圖2.真實－虛擬連續性(Reality-Virtuality Continuum)」理論 (Milgram & Kishino, 1994)
擴增實境的特點是依附在真實環境中，再藉由電腦設計出的虛擬 物件，額外再加上資訊、互動及感官經驗。朱乙仲(2010)提出擴增實 境有幾點發展優勢：1.使用者不需要侷限在某個定點或是位置，使互 動更加自然隨性。2.讓使用者在真實環境中增強其感官刺激，較容易 適應跟學習。
擴增實境應用所需求的設備，包含網路攝影機、圖像辨識系統以 及建模技術。而擴增實境的理論要點包括：1.擴增實境可以引導使用 者逐漸進入情境。2.擴增實境是將虛擬物件加入真實環境中，讓使用 者有實境感。3.擴增實境可增加導覽的有效性，。
三、擴增實境顯示方式
擴增實境主要成像流程，主要是利用攝影機對符號或圖卡的識 別，圖卡符號樣式並不受限制，當電腦辨識到符號之後，會依照在電 腦資料庫中的設定值顯示出與符號相應對之虛擬物件，然後將物件繪 製並合成在攝影機擷取到的真實環境畫面中，並顯示擴增資訊後的在 螢幕或頭戴顯示器(HMD)，甚至是手機等裝置上面。如果是 3D 影像 則須計算X、Y、Z 軸。使用者可以任意轉換觀看角度去觀賞虛擬物 件各面向，讓使用者更有真實體驗的感覺。
圖3.擴增實境在符號辨識及資訊疊加的過程(Billinghurst，2001)
因為擴增實境成像方式需要電腦週邊設備完成輸入及輸出影像 工作，所以需要的設備如下:
1.影像輸入裝置：由於電腦需要擷取真實環境的畫面資訊，之後 加入擴增資訊後再顯示到顯示器上面提供觀看。所以必須有影 像輸入的設備，如數位攝影機，或者是利用一般攝影鏡頭拍攝 後進行處理。
2.顯示器：經過處理的擴增資訊與真實影像結合之後，再利用顯 示設備輸出給使用者，成像方式為輸入裝置擷取之影像，辨識 輸入影所繪製之虛擬物，最後原始影像與虛擬物件疊合之後顯 示至顯示器之畫面，而顯示設備目前應用於擴增實境最佳的選 為頭戴式顯示器(HMD)，因為頭戴式顯示器可以提供給使用者 較佳效果，而一般顯示器則是最易取得的視訊輸出設備。
3.電腦與軟體：攝影機鏡頭負責將擷取真實環境的畫面，經電腦 運算後在真實環境中加入虛擬資訊，之後再輸出影像畫面到使 用者觀看的顯示器中。
圖4.擴增實境系統運作環境(Liarokapis, 2006)
依據使用器材設備以及顯示結果的不同，擴增實境有以下三種顯 示方式：
1.以顯示器呈現之擴增實境：以顯示器來呈現所有場景，是最簡 易且便利的方式。
訊號整合後之顯示設備
（可包含立體音效）
擴增之視訊 真實場景視訊
繪圖系統 攝影機追蹤器
虛擬物件
實景
視訊整合
圖5.以顯示器呈現之擴增實境(王燕超，2006)
2.頭戴式之影像顯示型之擴增實境：使用整合系統將外部影像擷 取、定位，並和電腦所產生的影像，以畫面重疊方式整合，
最後整合畫面則是以影像方式顯示於頭戴式的顯示螢幕上。
攝影機
顯示器 繪圖系統 視訊整合
真實場景視訊
使用者視景點
虛擬物件
頭部追蹤訊號
實景
圖6.頭戴式之影視顯示型擴增實境(王燕超，2006)
3.頭戴式光學透視顯示型之擴增實境：藉由機器投影與實際真實 場景融合，以減少合成所造成的失真，因此以光學透視的顯示 方式可以達到最大的擴增實境的效果。
光學式 整合顯示
顯示器 頭戴式顯示系統 頭部追蹤訊號
虛擬物件
使用者視景點 繪圖系統
背景
圖7.頭戴式光學投射顯示型擴增實境(王燕超，2006)
此外，依據呈現介面不同，擴增實境有以下三種不同呈現介面。
(引自陳連福、黃雅玲、陳建旭，2007)：
1. 瀏覽式介面(Browsing Interfaces)：單純的接收資訊運用為主。
(資料來源: Rekimoto, 1998)。
圖8. 擴增實境之瀏覽式介面(林柏杰，2009)
圖9. A 3D molecular model pops-up from the book(資料來源: Rekimoto, 1998) 2. 3D 立體擴增實境介面(3D ARInterfaces)：利用操作經驗轉換為
3D 立體擴增實境介面上，了解使用上適合與否。(資料來源:
Bimber, 2000)。
圖10. 3D 立體擴增實境介面
(資料來源:httpwww.youtube.comwatchv=FdC-PRmNcRs)
3. 觸碰式介面(Tangible Interfaces)：與實體結合運用真實物體來 產生互動操作，與實際環境空間相結合，這樣的介面能夠讓使 用者對原本物體操作官感有不同認知來進行操作用。(資料來 源: MIT's Media Lab, 2005)。
圖11. 觸碰式介面 (Fischer & Flohr & Strasser, 2008)
4. 投影式介面(Tangible AR)：運用投影在物體上對於被攝物來產 生即時互動。(資料來源: Ulbricht & Schmalstieg, 2003)。
圖12. 投影式介面(資料來源:http://www.youtube.com/watch?v=xlZL9paQEnY 鋼琴)
四、擴增實境應用實例
擴增實境目前於各領域已經漸漸被廣泛應用，例如行動導覽，使 用者可以直接由行動裝置觀景窗所展現出之實景影像上加疊提示；遊 客購買的風景明信片則也可以使用家中桌上型電腦的webcam，透過 明信片上面的圖示看到景點3D 效果，也寄給其他親友利用官方網站 觀賞虛擬的景物；也可以利用在導覽手冊上，辨識手冊內的符號圖 示，可以讓使用者看到虛擬景象而重現古蹟的原始風貌；目前也有商
業出版品及雜誌書籍應用擴增實境技術，將內容以立體影像呈現，是 非常新穎的宣傳廣告手法；在產品包裝上的應用則是消費者將產品包 裝放在攝影機鏡頭前，螢幕就會呈現虛擬產品；擴增實境技術也可以 應用在公關活動、電影宣傳、產品發表會等發揮宣傳特效等等。以下 為擴增實境目前較常應用之領域：
1.博物館導覽：擴增實境可以應用在例如圖書館、博物館、美術 館等場所導覽系統方面,對於需要導覽類的學習非常有幫助。例 如：2008 年五月，中央研究院歷史語言研究所於國立臺灣民主 紀念館舉辦「穿越歷史長河—文明科技四千年」巡迴特展時，
於開幕時利用AR 擴增實境，向來賓展示史語所於 1930 年代安 陽殷商考古工作所發掘出的3000 年前商朝王家馬車。透過 AR 擴增實境，來賓可以透過轉動特定的紙本DM，來操控在 LCD 螢幕上的虛擬商王馬車，並且欣賞其拆、裝過程的虛擬實境復 原，讓使用者透過直覺感官也可以操作虛擬實境。由於擴增實 境技術對於博物館氣氛與空間營造層面可以讓觀賞者更有實際 體驗的感受，所以未來AR 擴增實境技術的發展，想必也值得 博物館與數位典藏界持續發展應用。(資料來源:拓展台灣數位 典藏Blog http://content.ndap.org.tw/index/blog/?p=758)
圖 13. AR 應用於博物館導覽
(資料來源: http://content.ndap.org.tw/index/blog/?p=758#more-758)
2.戶外景點導覽：美國哥倫比亞大學的「電腦繪圖與使用者介面 實驗室」製作了一套佩帶式AR 校園導覽系統 Touring Machine
「導遊機」（Feiner, 1997），用來協助觀光客遊覽大學校園。使 用者背包上的筆記型電腦會輸出電腦影像，疊現在外型長得像 墨鏡的光學式透視顯示器上，而頭頂上的GPS 接收器則會隨時 追蹤使用者的位置，隨時校正虛擬影像應呈現的位置與方向。
使用者可以一面透過頭戴式顯示器觀看校園3D 影像，同時又 能夠從手持式顯示器得到文字介紹等相關資訊。透過頭戴式顯 示器觀察校園，可以看到校園當中插著許多虛擬的旗標，每一 個旗標都代表著該處有進一步的資訊。實驗室製作了一套關於 布隆明達精神病院（哥倫比亞大學現有校地先前的使用者）的 三維影像歷史紀錄片，影像顯示的位置就在它原來的地點上。
同時手持式顯示器會提供關於布隆明達精神病院歷史的互動式 年表。
圖 14. AR 應用於戶外景點導覽(圖片來源：科學人雜誌，2006)
Engineering An Augmented Reality Tour Guide「建構擴增實境 導遊計畫」（Ritsos, 2003）為英國 University of Essex 所開發的考 古基地導覽裝置，以羅馬的 Gosbecks 教堂為考古導覽對象。
MUSE「龐貝城考古導覽系統」（Scagliarini, 2001）是由義大
利 University of Bologna, Cineca, andSinet 以及 Boconsult IdS 公 司所提出，使用者可以攜帶具有無線傳輸與攝影機功能的手持式 平板電腦在考古現場參觀移動。其螢幕的上下方分別會顯現出所 拍攝到的現場樣貌以及假設復原後的虛擬原貌。經由移動、傾 斜、或旋轉平板電腦，分割畫面將會同步移動、傾斜、與旋轉，
考古學者或是參觀民眾將可在考古現場或是遠端的高解析螢幕 中，得到全方位的 3D 影像資訊。
郭其綱、鄭泰昇(2008）利用擴增實境技術應用於建築與城 市戶外導覽之研究-以「古蹟導覽系統」與「隱形招牌」應用為 例。研究經視覺衝擊評估（Visual Impact Assessment）後證實，
所開發的技術在建築與城市戶外導覽上，除了定位精確快速、系 統成本低之外，更具有視覺環境衝擊較低的效果。
圖 15. AR 應用於古蹟導覽系統(郭其綱、鄭泰昇，2008)
3.室內場所導覽：前往大型商場購物，只要拿起行動裝置，開啟 攝影機與相關系統即可透過資訊了解各樓層介紹、餐廳位置等 實用資訊。參加大型商務會展時，除了可以利用3D 平面指引 之外，也可以點選廠商公司名稱，即可下載相關資訊，除了節 省廠商宣傳品成本，也減少了許多宣傳紙的成本。
圖 16. AR 應用於導覽系統
(資料來源: http://mmdays.com/2009/09/25/augmented-reality-for-dummies/)
4.展場特效：如在強調聲光效果的演唱會上透過互動情境設計，
表演者就像變魔術一般，將許多後製特效以現場即時互動的方 式呈現，大規模動態表演將虛實融合於台上螢幕中，將可以帶 給觀眾驚奇眩目的感官刺激。
圖 17.AR 應用於展場特效
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=Tg4LrcOUBSE
圖 18.AR 應用於展場特效
5.動態遊戲互動：宛若真人進入了遊戲本體，螢幕之中的人物就 是玩家的實體，玩家格鬥時的一舉一動都進入了真正打鬥的情 境裡，身歷其境的臨場感瞬時提升了遊戲整體的刺激性。
圖 19.AR 應用於遊戲互動
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=kM6QDd0XqQ4 )
圖 20.AR 應用於遊戲互動
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=cWscwSLpMS4 )
6.娛樂產業：擴增實境技術無論動態或靜態皆適合作為產品示範 介紹或宣傳，如CD 專輯封面，透過官方網站的系統，打開使 用者的Web Cam，歌手旋即出現於顯示器之中，以 3D 人物表 演勁歌熱舞，除了可以增加專輯蒐藏價值，也可作為官方網站 聚集人氣的方式之一。
圖 21.AR 應用於娛樂產業
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=RsehKGygClQ )
7.產品行銷：到玩具賣場購買組裝玩具時，消費者可利用賣場攝 影裝置拍攝未拆封的產品包裝，組裝後的玩具成品立刻藉由擴 增時境技術，以實體大小出現在消費者眼前，栩栩如生地展現 具象型體以及其遊戲功能。
圖 22.AR 應用於產品行銷
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=8UxWkZtUKaI)
圖 23.AR 應用於產品行銷
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=mUuVvY4c4-A )
8.產品介紹：無論平面產品包裝、新品發表會、展場展覽平面空 間導覽、賣場樓層簡介與相關資訊指引、產品發表會或開幕典 禮等公關活動之特效，AR 都為新產品/活動注入新的能量，不 僅令人眼睛一亮，更能創造活動本身的話題性並塑造品牌尖端 形象。
圖 24.AR 應用於商品介紹
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=mjE5pKIuWjE)
圖 25.AR 應用於商品介紹
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=M8zymHWEzRg )
9.與醫學上的結合應用：美國中弗羅里達大學的研究人員示範 AR 在醫學上的應用。系統把膝關節的三維模型疊合在使用者 看到的女人腿部畫面上，研究人員使用紅外線發光二極體來追 蹤腿部的位置。女人彎曲膝部的時候，電腦就會繪出骨骼移動 的方式。而國內案例中，目前國內長庚開發的「腦部擴增實境」
系統輔助，醫師只要戴上3D 眼鏡或是透過裸眼 3D 立體螢幕，
就能看到病患腦部的立體影像；雙手握住結合了「力回饋感應 器」的操控桿後，就可以開始練習開刀。
圖 26.AR 應用在開腦手術訓練(資料來源: 長庚醫療擴增實境系統研發中心)
圖 27.AR 應用於醫療(資料來源:科學人雜誌，2006)
圖 28.AR 應用於醫療
(資料來源: YouTube http://www.youtube.com/watch?v=vgCDTPqAj2E )
其他領域方面，近來擴增實境更被廣泛的運用在高階智慧型手 機、平面媒體及廣告行銷等領域。像是全球知名的時尚雜誌Vogue GQ 就首度推出擴增實境的互動訊息，在封面及特定的廣告頁面均秀出了
方格識別碼，此識別碼瞄準電腦的網路攝影機，電腦中就會呈現出互 動的畫面，突破了過去平面媒體只有文字和靜態廣告圖片的限制。而 國際手機大廠像是Apple、Nokia、宏達電、三星，也紛紛推出具備有 擴增實境應用功能的手機。手機與擴增實境功能相結合，可以變化的 互動更多，例如可以用來尋找地標、指引路徑及在街景上覆蓋資訊標 籤等。
本研究基於上述文獻資料的討論，決定採用圖卡式擴增實境技 術，單純以瀏覽式介面呈現，並基於成本、實驗場域環境設備及使用 方便性的考量，採用成本最低廉的電腦顯示器方式呈現影像。讓使用 者手持圖卡藉由視訊攝影機輸入圖卡辨識系統之後，將3D 影像回饋 在電腦螢幕上，進而再進行互動的步驟。研究中希望針對國中「自然 與生活科技」領域單元教學目標設計適性教材，利用擴增實境技術及 其特性協助教師在教學上，以及學生在學習上皆能有所幫助。
第二節 學習理論
一、認知主義學習理論
認知學派認為學習是新舊經驗累積作用的一個歷程結果，強調學 習者本身的內在心理歷程，著重於個體內部主動的學習驅力，認知發 展是指個人心智結構的成長及心智活動的發展歷程(張春興，1996)。
認知發展理論代表人物皮亞傑（J. P. Piaget）認為學習的觀點為 個體以基模為基礎，當個體接收到新訊息時，同化入認知基模中，並 且擴大基模，或是調適改變舊有基模來配合新訊息。個體的認知結構 便可以藉由同化或是調適來達到認知平衡的狀態，而達到學習的目 的。皮亞傑認為每個階段有其年齡範圍與不同發展特徵，兒童的認知 發展蘊含著兩種特質，一是兒童的認知是主動的；另一是認知受遺傳 與環境交互影響(劉伊祝，2007)。皮亞傑「認知發展論」將兒童的認 知發展過程分成四個階段︰
表1
皮亞傑認知發展論之認知發展階段及其特徵
階段 年齡 認知發展特徵
感覺動作期 0 至 2 歲 1.憑感覺與動作以發揮其基模功能。
2. 具有物體恆存性概念。
前運思期 2 至 7 歲
1.能使用語言表達概念，有自我中心傾向。
2.能使用符號代表實物。
3.能思維但是不合邏輯，不能見及事物的 全部。
具體運思期 7 至 12 歲
1.能根據具體經驗思維以解決問題。
2.思維有可逆性。
3.有守恆的概念。
形式運思期 12 歲以上
1.能做抽象思維。
2.能按假設驗證的科學原則解決問題。
3.能按形式邏輯原則思維問題。
資料來源:張春興(1996)
布魯納（J. S. Bruner）的認知表徵理論有以下二個重點：第一、
將人類對環境中周遭的事物，經知覺而將外在或事件轉換為內在心理 事件的過程，稱為認知表徵或知識表徵；第二、特別強調學生的主動 探索，認為從事象變化中發現其原理原則，才是構成學習的主要條 件。布魯納「認知表徵論」將兒童的認知按年齡分為三個階段：
表2
布魯納認知表徵論之認知發展特徵
階段 認知發展特徵
(一)動作表徵期 幼兒靠動作認識瞭解周圍世界的認知歷程。，亦 即靠動作來獲得知識。
(二)形象表徵期 幼兒可以憑物體知覺留在記憶中的心像、形狀或 是圖片等來獲得知識。
(三)符號表徵期 小學兒童運用語言文字或符號為依據獲得知識的 認知歷程。
資料來源:張春興(1996)
雖然兩者論點對學習認知觀點有所不同，但依照其各階段認知發 展來設計教材，在學習理論上則為重要的地方。認知學派學習理論認 為學習著重於內在心智歷程，教學上配合其心智發展階段，應用適切 教材，藉著調適與同化使學生能將舊知識結合新知識，而達到有效之 學習。而以認知理論為基礎應用於電腦輔助教學，則著重在學習者個
別差異與學習情境的建構，教材教具設計者要事先掌握學習者的先備 知識，並且依照其認知發展階段以及學習活動的歷程，來規劃設計多 媒體教材的內容、呈現方式。
二、行為主義學習理論
行為主義又稱為「刺激-反應論」，認為學習是不斷的刺激及反應 的結果，將個體學到的行為解釋為刺激與反應之間關係的聯結。以行 為主義為主的理論有二：古典制約（classical conditioning）及操作制 約（operant conditioning）。兩項理論的共同點為：將學習視為刺激與 反應之間關係的聯結。古典制約代表人物為巴夫洛夫(I. Pavlov)。他 以「狗分泌唾液實驗」證明了「學習」是個體處於某些條件限制之下 所產生的反應歷程，意指某一刺激原本不能引起個體某種固定反應，
但是經條件作用之後，就會在該刺激出現時做出該固定反應。進一步 實驗發現，相伴刺激條件出現的中性刺激在單獨出現時，亦會產生聯 結效果與增強作用。古典制約在教育上的涵義有三：1.刺激替代歷程 可以證明在學習上以舊經驗為基礎進而學習新經驗的理論。2.類化和 二級制約可解釋學生對學科或學校的正負反應。3.利用嫌惡刺激或消 弱的方式矯正學生的偏差行為。(張春興，1996)
操作制約代表人物為桑代克(Thorndike)及斯肯納(Skinner)。理論 中認為學習為個體在刺激情境中自發性的多個反應中，選擇某項預期 要學習的項目予以增強，每當該反應出現即給予獎賞，從而加強此行 為以後重覆出現的機會。而刺激-反應之間關係是否可以建立，桑代 克提出了三個學習定律：1.準備律：刺激反應間的聯結隨個體本身的 準備狀態而異，當個體身心狀況在預備狀態下是滿足的，則反應結果 則越滿足，此在教育上是強調學習動機。2.練習律：個體刺激反應間
覆練習對學習效果較佳。3.效果律：個體反應後獲得滿足效果者，則 刺激反應間的聯結會加強。在教育上強調學習可立即回饋增強是重要 的。行為主義在教學上應用於行為改變技術、編序教學、電腦輔助教 學等(張春興，1996)。
綜合以上所論述，將行為學派理論應用於教育中，首先引起學生 學習動機是非常重要的，而學生學習方面，透過不斷的反覆練習，增 強刺激與反應間的聯結力量。在學生出現正向行為表現時，立即給予 正面的回饋或獎賞，則會增加學生正面行為出現的頻率。沈中偉(2004) 提出把行為主義學習理論應用於電腦教學上有七項要點：
1.設計教材前先確定學習目標，與分析學習者的特性及應具備的 先備知識、技能。
2.將大單元教材分成多個小單元，每次只教一個小單元。
3.小單元學習內容的難度編序安排應由易至難。
4.回饋增強應符合學習者的需求。
5.學習者可以立即解決問題並獲得正面回饋。
6.對於錯誤答案必須給於改正性的回饋，鼓勵學習者深入思考。
7.配合教材及學生的能力，提供適當並精熟的練習。
行為主義學習理論用於教學上強調有效的學習取決於謹慎安排 刺激、反應與增強的合宜處置。行為取向的學習理論主張將教學的內 容分成很易於掌握的細小單元，依序學習，以便學生學完一個小單元 後便立即測驗，並立即給予回饋，確定學生完全了解學習內容之後，
才進行下一個步驟。在教學中常見的教學機與電腦輔助教學(CAI)，
皆是運用編序教學的原理。
三、情境學習學習理論
「情境學習理論」主張學習者是處於被建構的情境中，或在真實
的情境中因為與環境交互作用而主動獲得知識。沈中偉(2004)研究中 指出情境學習理論應用於教學上有列原則：1.強調學習情境的真實性 及重要性。2.強調學習者必須有主控權，並且可以主動探究建構知 識。3.提倡認知學徒制的教學模式。4.重視學習者由周邊性參與漸漸 向核心推進的過程。5.使用錨定式教學法來培養學生邏輯推演的獨立 思考能力。6.運用真實評量來觀察學生的學習成效。7.強調小組間的 互動、溝通分享，以利共同建構新知識。8.強調教師扮演輔助者的角 色，在學習者有困難時給予適時的協助，在學習者能力提升時，則逐 漸褪除鷹架作用。
情境學習理論應用於教育上，科技扮演著極為重要的角色。因為 情境學習理論強調學習者必須運用近似真實物件或身處在建構出的 情境中，透過互動來學習新知識。而運用擴增實境的技術來設計多媒 體教材教具，藉由軟體建構出虛擬的環境，可以將抽象概念轉化成具 體形象，解決時間空間上的困難，進而也可以讓使用者擁有主控權與 之操作互動，學習成效上更為有幫助。對於教師在教學方面也多了一 項教學工具及不同傳統的上課模式。
四、傳播理論
教學可視為一種知識傳播的過程。由於教學科技與大眾傳播媒體 均使用一樣的工具，所以教師必須了解傳播過程，才可以有效的運用 教學媒體工具來傳播知識。沈中偉(2004)研究中引用 Dr. Berlo 的 SMCR 傳播模式來說明科技教學傳播歷程包括下列幾點：1.來源：指 教師在傳播知識時表達的方式，包括說話技巧、語氣態度、專業知識 技巧等。2.訊息：指知識內容的呈現方式，例如內容編排、版面配置 等。3.通道：只用來傳播知識的工具或媒體，例如多媒體教具。4.接
應用傳播理論於科技教學中有很大影響。因為使用數位科技於教 學中，教學者可以將教學內容呈現多元化的設計，包括視覺圖像設 計、色彩編制、版面編排等，也可以依照學習者的需求來規劃。而對 於學習者來說，數位科技的特性促進多感官學習，在Dale 的「經驗 金字塔」中，認為最低層「直接、有目的的經驗」用來學習最有成效，
而擴增實境特性便可以達到此目的，因為經由AR 軟體，可以讓學習 者在最接近真實環境中直接學習，建構新經驗、新知識。
圖 29.Dale(1946)經驗金字塔 口述符號
視覺符號 錄影、廣播
電影 電視 展覽 參觀 示範 演劇經驗 設計經驗
直接而有目的的經驗 最抽象
最不抽象
具體而直 接的經驗 形象或替代性經驗
抽象符號
本研究基於以上文獻資料的討論，作為擴增實境技術設計教材的 理論基礎，因為認知理論及行為主義基礎皆支持電腦輔助教學，認為 藉由多媒體方式可以幫助學習。擴增實境教材可以針對理解力較不足 的學生，提供其另一種學習管道；在學習上因為及時的互動，也具有 立即回饋的效果；在情境理論方面，使用者可以經由擴增實境教材的 特性，將抽象概念具體化，讓資訊內容融入真實環境中，讓使用者在 自然的情境中直接學習，經由感官知覺接受訊息，其效果會更加顯著。
第三節 科技融入教學
教育部(2000)近年來不斷的推動資訊科技融入教學政策。在九年 一貫課程中，主張培養現代學生十大基本能力，其中的「運用科技與 資訊」指出「正確、安全和有效地利用科技，蒐集、分析、研判、整 合與運用資訊，提升學習效率與生活品質」。而在科技技術及網路寬 頻日益高速發展的現代，科技正融入學生的日常生活，科技在教育的 應用正改變，課程與教學似乎也需要符合科技世代學生的需要。所以 未來教學科技理論發展也朝向「資訊融入教學」的方向潮流，資訊融 入學習領域應是未來主流的學習方式。科技融入學科學習，課程及教 材不再謹限於課本中，教師上課教材、教學方式、評量方式及學生的 學習方式都須改變(徐新逸、吳佩謹，2002)。
一、科技融入教學的意義
資訊科技融入教學所強調的是整體的，與課程、教學密不可分，
若資訊科技使用成為教學與學習的工具，這時資訊科技就已經成 功地融入教學中。徐新逸、吳佩謹(2002)研究中對「資訊融入教 學」定義如下：資訊科技融入教學的「資訊科技」是指教師將多 功能的電腦媒體或網路科技，在教學時配合教學課程所需，應用 電腦多媒體網路於教學工具上。目的為可以使用電腦媒體科技來 更有效地達成教學目標。張國恩(1999)研究中指出科技融入教學 的定義為教師運用電腦科技於課堂教學與課後活動上，目的以培 養學生運用科技與資訊的能力和主動探索與研究的精神，讓學生 獨立思考與解決問題。並提出三種電腦融入教學的模式：
1.電腦簡報的展示：如同傳統的投影片教學方式，但是缺點為若 使用過多或太過複雜的簡報媒體，對學習的效果可能會不佳。
2.電腦輔助教學軟體的運用：目的為將抽象化概念以視覺化或情
境化的方式表現，或利用模擬軟體建立學習環境，以協助學生 操作練習，更有助於學生觀念的理解，例如CAI 軟體。
3.網際網路資源的使用：透過網際網路可以搜尋到相當多的資 源，不但內容多樣化，更多是以多媒體方式呈現，內容包括網 頁化書本型態、網路化CAI 軟體、非同步論壇、遠距教學等。
二、科技融入教學的教材範圍
由於科技的特性，可以使傳統教學型態改變，提供學習者更生 動、更多元及更豐富的學習工具。張國恩（2001）在研究中指出 適用資訊科技融入教學的教材範圍如下：
1.抽象化教材：課本教材中通常呈現都是很抽象的理論知識，學 生不但不易了解，老師教學中也不易口頭說明清楚，所以造成 學生學習困難，學習動機低。而利用電腦多媒體多樣化的特 性，可以將抽象化的教材以視覺化呈現，就能提高學生學習動 機和增進學習效果。
2.需要培育從事實物演練的經驗：例如飛行員飛行訓練、實驗性 課程等，需要經過實際操作練習，利用電腦模擬軟體就可以讓 學生在安全環境，體驗情境下可以有不斷練習的機會。
3.學校無法提供問題解決的環境：現在網際網路方便，可以解決 時間及空間上差距的問題，經由網路上豐富資源，老師可以收 集多樣的資料作為教材，實施教學活動。
4.學校所欠缺老師的一些學科：可以利用遠距教學補足教師專業 上、或是教學上之不足，尤其對偏遠地區的學校更為有益。
5.引起學生學習動機：結合文字、圖片、動畫、音效等教材展現 較能引起學生學習動機，使注意力集中，獲致較佳的學習效果。
不但可減輕老師工作壓力負擔，也可得到學生質的診斷結果。
7.學習能力的發展：利用網際網路完成探究學習及開放建構環境 的CAI 軟體等電腦工具，可以提供一個好的學習環境，讓學 生有持續開發學習能力的機會。
8.社會技能的學習：將網路環境當作學生們在課堂上進行合作學 習的輔助工具，老師透過團體活動設計，讓學生利用網路功 能，如電子佈告欄、電子郵件、網路瀏覽等，進行遠距合作學 習。讓學生學到溝通、協商、討論、與評論等能力與尊重他人，
禮貌待人、樂於助人等態度。
三、科技融入教學教材內容
資訊科技融入教學，是目前學習模式的趨勢，未來必定融入教學 活動中；而數位化教材之發展，則是必備的條件。數位教材所傳 遞的資訊型態含文字、圖形、聲音、影像、動畫等，內容以各種 生動活潑的方式呈現，能有效激起學習者學習動機，因此在學習 上可以是多色彩、多樣化與多互動的方式。當科技融入教學時，
教師可以利用電腦資源設計教學教材及教案，應注意以下要點 (張國恩，1999)：
1.需求性：並非所有課程教材皆需要利用電腦來輔助教學，若確 實需要，教材設計時，所應用的電腦資源也必須滿足輔助教學
的需求。
2.可行性：在應用電腦融入教學時，所使用的電腦資源在學校的 現有環境下必須能施行。每所學校的軟硬體環境皆不同，因此 可使用電腦資源也不同。在考慮電腦融入教學時，必須注意到 資源應用時的可行性。
3.符合學習理論：電腦融入教學的目的除了提高學生學習動機
外，更大的作用在於增進學校效果，故任何融入方式皆需滿足 學習效果的提昇。因此教材設計時，電腦資源的融入方式必須 符合學習理論。
4.原始學科教材之結合程度：融入教學的電腦資料與原始學科教 材的差異性不能太大，否則在實施教學時會造成認知負載過 重。因此教材設計時，所選取的電腦資源應配合原始學科的內 容，其展現方式應考量學科的表現內涵。
5.資源性：融入教學所運用的電腦資源是否容易取得，或具有合 法性，會影響教學的正常。故設計教材時，所考慮的教學資源 應容易取得，並符合正常程序。
圖 30.教材設計架構圖(資料來源：數位學習最佳指引)
由以上可知，「科技融入教學」的意義在於教師能了解資訊科技 的重要性，在資訊科技日益進步及高速頻寬的發展下，善加運用科技 工具在教學環境中，除了透過數位化工具讓資訊科技媒體創意融入教 學，更可以兼顧學生的學習需求，讓學生在求知上更加易於學習。總 之，資訊科技將是九年一貫課程中教學發展上不可或缺的工具。
本研究基於以上文獻討論，認為研究中發展擴增實境自然科課程 教材，除了讓教師可以發展多元化的教材，減輕收集上課資料及備課 壓力，進而提升教學的成效，最重要的是可以增加學生的學習管道，
提升學習動機，因為擴增實境教材擁有多項優點：包括彌補目前教材 的不足、抽象概念具體化、解決時間空間差距問題等。在教材設計原
訂定總目標 找出教學單元及 單元教學目標
建構教材架構 訂定教學順序
圖像須生動活潑、清楚，以及需符合原始學科教材內容，才不會有太 大的差異性，在對象施測時才不會產生認知上的錯誤。所以本研究的 擴增實境教材內容，採用的是研究對象所使用之康軒版本自然科教 材，以作為本研究中教材設計之基礎。
第四節 擴增實境技術於教育之應用
擴增實境技術發展至今，研究者與系統開發者已經將擴增實境應 用到非常廣泛的領域之中，在教育領域中也不例外。擴增實境的特性 可以讓抽象概念具體化，也可以設計互動內容，對於學習上更加多元 化。因此本節將討論擴增實境在教育與學習領域的研究成果。
1. 蘇俊欽(2003）應用擴增實境於中文注音符號學習之研究。研 究中應用擴增實境於拼音教學，以技術輔助兒童學習注音符 號，並設計許多輔助工具以增加教學的互動性與趣味性，加 強提升與學習效果。
2. 徐嘉壯(2006）將「增強實境」應用於教學之研究，並以國小
「自然與生活科技」領域課程單元為例。研究中發展一套AR 輔助教學系統(Augmented Reality Aided Instruction System, ARAIS)，運用 AR 的互動教學遊戲及評量測驗教導國小五年 級自然與生活科技「奇妙的水－小水滴的旅行」單元。學生 透過肢體動作直接和系統互動，無需使用滑鼠與鍵盤。研究 主要探討AR 即時互動和結合真實環境與虛擬物件的特色，
相較於傳統教學的方式，對於學習者之學習興趣以及對該章 節相關概念之釐清有無影響。研究結果顯示，系統偏好中的 鼓勵與獎賞、挑戰性、競賽、身體活動以及合作學習構面與 後測學習動機具有顯著的相關性。教材內容、教學活動以及 系統方面，若能設計成情境式以及建構式學習環境，會有顯 著的影響。
3. 范丙林、薛威明與蔣丏(2007)應用圖卡式擴增實境於電腦輔助 教學之設計。研究中利用擴增實境的技術提供立體空間上的 輔助教材，幫助抽象概念的思考。搭配多媒體電腦輔助系統，
使的學習者能在課程之外自己加強學習，增進學習的動力及 效率，讓學習上的問題能在短時間內得以解決，增強學習意 願。而圖卡的使用可以幫助擴增實境在電腦輔助教學上操作 更為直覺性，同時也能提供作為抽象概念解決的輔助教材。
4. 謝承勳、陳奕桓、沈彥廷(2009)研究運用擴增實境與動作感測 技術於幼教遊戲開發-以打地鼠為例。他們利用結合標記式擴 增實境與Wii 控制器的動作感測技術設計一款低成本、具備 高互動性與趣味性的幼教遊戲軟體。既可用來吸引幼兒對於 遊戲的注意力，也不用擔心被破壞。進而搭配Wii 控制器來 偵測敲擊動作，並於擊中時發出振動作為回饋，目的為達到 訓練幼兒肌力與反應能力。
圖 31.使用Wii 遙控器打擊地鼠(謝承勳、陳奕桓、沈彥廷，2009) 5. 魏綺亭與陳依琦(2009)探討擴增實境(Augmented Reality)應用
於國小九大學科領域之初探研究。研究中探討擴增實境具有結 合真實與虛擬、即時互動與空間定位三大特性，並且認為在國 小七大學科領域當中，並非所有的學科均適合使用擴增實境融 入教學。由於研究中並未針對學習形式等進行討論，因此建議 未來可以針對學習型式與各學科融入擴增實境的部分進行深 入討論。
6. Tan, Lewis, Avis, & Withers(2008)利用擴增實境的技術來模擬 許多不同的材質在不同情況(如高溫燃燒)下的反應及變化，且 用於教學實驗上。學生可以自行選擇材質定義圖卡，觀察燃燒 的狀況，了解其材質的化學反應。並且設計簡易的遊戲讓學生 可以針對材質的特色進行分類，如金屬類、自然材質類、陶瓷 類和聚合物等。透過擴增實境的特色，能夠輕易地在一般教室 進行許多小型實驗，讓學生觀摩與練習並得到正向回饋。
圖 32.模擬畫面與分類遊戲 (Tan, Lewis, Avis, & Withers, 2008)
7. Irawati, Hong, Kim, & Ko(2008) 在研究中將擴增實境技術應 用在教學物理課程上，藉由AR 特性展現一些平常課程上不容 易呈現的效果，如骨牌效應、入射角及反射角，以及碰撞反 應等。以往的骨牌效應，若要做到讓學生印象深刻的表現，
往往需要大量的時間及骨牌以建置其環境，且在建立過程常 因為不小心的碰撞造成時間上的損失，因此使用AR 技術能將 虛擬骨牌融入真實課程之中，節省時間成本。
圖 33.以擴增實境技術發展骨牌效應(Irawati, Hong, Kim, & Ko, 2008) 8. Kaufman(2003)開發出一套用擴增實境系統來教導幾何學的軟
體，並指出在教導幾何的空間概念時，使用 AR(擴增實境)來進 行教學，會得到更好的效果。當然，他認為目前被學校普遍使 用的機會很小，因為要花費較多的錢和操作技術上的問題。
圖 34. 圖左圖為操作幾何方塊的教師，右圖為學生與投影幕上的影像互動 (Kaufmann & Schmalstieg 2003)
9. Kerawalla, Luckin, Seljeflot, &Woolard (2006)提出一種利用擴增 實境的教學方式與教材，其教學課程使小學科學教育課題以生 動的方式展示出來，教學中使用擴增實境展示太陽與日夜轉換 之關係。他認為應用擴增實境融入教學內容時需要考量，並且 根據其研究開發的教學系統使用過程與教學實驗結果提出建 議。為了避免應用新科技於教學結果卻變成尖端的科技展示，
研究中提出下列幾個方向供未來研究者參考：
