虛擬實境結合悅趣化數位學習對國小五年級學生數學體積單元學習成效、學習態度與學習動機之影響

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(1)國立屏東大學資訊科學系碩士論文. 虛擬實境結合悅趣化數位學習對國小五年級學生數學體積單元學習成效、學習態度與學習動機之影響 Integrated Virtual Reality and Digital Game-Based Learning on the Unit of Volume Impact on Learning Achievement, Motivation and Attitude for Grade Five Students. 研究生：張雅雯撰指導教授：林志隆博士. 中華民國一○八年六月.

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(3) 誌. 謝. 轉眼間兩年就這麼過去，這條路上，受到很多貴人的大力相助，首先，最要感謝的是指導教授林志隆老師，在不知道方向與茫然的時候，提供一些寶貴的建議，使研究能順利進行，也因為有老師的教導，使論文更加完善，研究的這條路才能一步步走在正軌上，以致能順利完成；感謝專家們審查測驗與量表，使本研究之研究工具更嚴謹；也要感謝徐偉民老師與李忠屏校長，對本論文提供建議與修正方向，不僅論述、研究設計等等方面，都能更完美；最後要感謝本研究實驗國小的教務主任與兩位班級導師，有了主任與兩位導師的協助，使實驗能順利完成，而設備方面要感謝翁麒耀老師的協助，使研究工具能從開發一路進行到完成實驗。在研究的這條路上，認識了許多同學與學長姐，感謝同學千惠、語辰、智瑋、昶亨、慈雅以及容之，不僅為研究生涯帶來許多歡樂，也提供許多幫助，不論是課業上，或是日常生活中，都能感受到互相幫助的溫暖，也感謝學長姐秋蘭、子瑜、昀緻、姵瑩以及姿淇，在剛進研究所，對一切還不是很了解時，熱心說明，特別感謝秋蘭，時常邀請大家一起出遊和吃飯，也感謝提供研究中英文方面的協助。最後要感謝指導老師提供參與計畫的機會與擔任助教，使經濟上能有些補貼；更要感謝家人，有了家人的協助，能無後顧之憂，專心寫論文；因為大家的協助，才能完成本論文，願將這本論文完成的喜悅與成就與大家共享。. 雅雯中華民國. i. 謹誌. 一○八年六月.

(4) 摘. 要. 本研究目的在探討虛擬實境結合悅趣化學習融合國小五年級體積單元對學生之學習成效、學習態度與學習動機，與傳統教學是否不同，以屏東縣某所國小五年級兩個班級的學生作為研究對象，其中一班為控制組，接受傳統教學；而另一班為實驗組，接受傳統教學與虛擬實境教學，兩班學生在接受實驗教學前，實施數學學習成效測驗、數學學習態度量表；實驗教學結束後，實施數學學習成效測驗、數學學習態度量表及數學學習動機量表，藉以了解實施不同教學方法對於國小五年級學生之數學學習成效、學習態度與學習動機之差異。. 將本研究結果歸納如下：一、虛擬實境教學，對國小五年級低成就學生之數學學習成效有顯著效果。二、虛擬實境教學，對國小五年級學生之數學學習動機注意面向有顯著效果。三、虛擬實境教學，對國小五年級學生之數學學習態度無顯著效果。最後，依據本研究提出結論與提供建議做為未來相關研究參考之方向。. 關鍵詞：虛擬實境、悅趣化數位學習、數學學習成效、數學學習動機、數學學習態度。. ii.

(5) Abstract The purpose of this study is to explore whether the effect of virtual reality combined with the digital game-based learning and traditional teaching methods of the fifth-grade volume unit of the students is effective in learning achievement, learning motivation and learning attitude. Taking the students of two classes in the fifth grade of Pingtung County as the research object, one of them is the control group and accepts the traditional teaching. The other class is an experimental group, accepting traditional teaching and virtual reality teaching. Two classes of students implement Mathematics Learning Achievement Test and Mathematics Learning Attitude Scale before receiving experimental teaching. After the end of the experimental teaching, the Mathematics Learning Achievement Test, Mathematics Learning Motivation Scale and Mathematics Learning Attitude Scale are implemented to understand the difference between the implementation of different teaching methods for the mathematics learning achievement, learning attitude and learning motivation of the fifth grade students. The results of this study are summarized as follows: 1.. Virtual reality teaching has a significant effect on the mathematics learning achievement of the fifth grade low achievement students.. 2.. The virtual reality teaching, the attention to the mathematics learning motivation of the fifth grade students has a significant effect.. 3.. Virtual reality teaching has no significant effect on the mathematics learning attitude of the fifth grade students.. Based on this study, the conclusions and suggestions are provided as the reference for future research. Key word: Virtual Reality, Digital Game-Based Learning, mathematics learning achievement, mathematics learning motivation, mathematics learning attitude.. iii.

(6) 目. 次. 誌謝 ......................................................................................................................................... i 摘. 要 ......................................................................................................................................ii. Abstract ......................................................................................................................................iii 目. 次 ..................................................................................................................................... iv. 表. 次 ..................................................................................................................................... vi. 圖. 次 ...................................................................................................................................... x 緒論 ........................................................................................................................ 1. 第一章第一節. 研究背景與動機 ............................................................................................ 1. 第二節. 研究目的與待答問題 .................................................................................... 5. 第三節. 名詞釋義 ........................................................................................................ 6. 第四節. 研究範圍與限制 ............................................................................................ 8 文獻探討 .............................................................................................................. 11. 第二章第一節. 體積概念與相關研究 .................................................................................. 11. 第二節. 虛擬實境 ...................................................................................................... 23. 第三節. 悅趣化數位學習 .......................................................................................... 34 研究方法 .............................................................................................................. 47. 第三章第一節. 研究架構 ...................................................................................................... 47. 第二節. 研究設計 ...................................................................................................... 50. 第三節. 研究假設 ...................................................................................................... 51. 第四節. 研究對象 ...................................................................................................... 51. 第五節. 研究工具 ...................................................................................................... 52. 第六節. 研究流程 ...................................................................................................... 58. 第七節. 研究統計方法與資料分析 .......................................................................... 61 研究結果 .............................................................................................................. 63. 第四章第一節. 對數學學習成效之影響 .............................................................................. 63. 第二節. 對數學學習動機之影響 .............................................................................. 74. 第三節. 對數學學習態度之影響 .............................................................................. 79. 第四節. 訪談分析 ...................................................................................................... 94 iv.

(7) 總結 .............................................................................................................. 96. 第五節. 研究結論與建議 .................................................................................................. 99. 第五章第一節. 研究結論 ...................................................................................................... 99. 第二節. 研究建議 .................................................................................................... 100. 參考文獻 ................................................................................................................................ 103 附錄一數學體積單元學習成效測驗 ................................................................................ 106 附錄二數學學習動機量表 ................................................................................................ 108 附錄三數學學習態度量表 ................................................................................................ 110 附錄四訪談大綱 ................................................................................................................ 112 附錄五專家內容效度審查名單 ........................................................................................ 113. v.

(8) 表. 次. 表 1-1-1 臺灣博碩士論文知識加值系統，虛擬實境相關論文之份數 ............................... 4 表 2-1-1 體積相關的分年細目 ............................................................................................. 13 表 2-1-2 體積相關文獻探討表 ............................................................................................. 14 表 2-2-1 虛擬實境相關文獻探討表 ..................................................................................... 28 表 2-3-1 悅趣化數位學習相關文獻探討表 ......................................................................... 40 表 3-2-1 實驗設計模式 ......................................................................................................... 50 表 3-4-1 研究樣本 ................................................................................................................. 51 表 3-5-1 學習成效測驗雙向細目表 ..................................................................................... 56 表 3-5-2 數學學習動機量表之面向及正反面題號 ............................................................. 57 表 3-5-3 數學學習態度量表之面向及正反面題號 ............................................................. 58 表 4-1-1 數學學習成效前測描述統計 ................................................................................. 63 表 4-1-2 數學學習成效前測獨立樣本 t 檢定 ...................................................................... 64 表 4-1-3 數學學習成效變異數同質性檢定 ......................................................................... 64 表 4-1-4 數學學習成效迴歸斜率同質性檢定摘要表 ......................................................... 64 表 4-1-5 數學學習成效單因子共變數分析摘要表 ............................................................. 65 表 4-1-6 數學學習成效單因子共變數分析（＞平均數） ................................................. 65 表 4-1-7 數學學習成效單因子共變數分析（≦平均數） ................................................. 65 表 4-1-8 數學學習成效調整後平均數 ................................................................................. 66 表 4-1-9 數學學習成效前測（概念）描述統計 ................................................................. 66 表 4-1-10 數學學習成效（概念）變異數同質性檢定 ....................................................... 67 表 4-1-11 數學學習成效（概念）迴歸斜率同質性檢定摘要表 ........................................ 67 表 4-1-12 數學學習成效（概念）詹森-內曼法摘要表 ...................................................... 67 表 4-1-13 數學學習成效（概念）調整後平均數 ............................................................... 68 表 4-1-14 數學學習成效前測（計算）描述統計 ............................................................... 68 表 4-1-15 數學學習成效（計算）變異數同質性檢定 ....................................................... 69 表 4-1-16 數學學習成效（計算）迴歸斜率同質性檢定摘要表 ....................................... 69 表 4-1-17 數學學習成效（計算）單因子共變數分析摘要表 ........................................... 70 表 4-1-18 數學學習成效（計算）單因子共變數分析（＞平均數） ............................... 70 vi.

(9) 表 4-1-19 數學學習成效（計算）單因子共變數分析（≦平均數） ............................... 70 表 4-1-20 數學學習成效（計算）調整後平均數 ............................................................... 71 表 4-1-21 數學學習成效前測（應用）描述統計 ............................................................... 71 表 4-1-22 數學學習成效（應用）變異數同質性檢定 ....................................................... 72 表 4-1-23 數學學習成效（應用）迴歸斜率同質性檢定摘要表 ....................................... 72 表 4-1-24 數學學習成效（應用）單因子共變數分析摘要表 ........................................... 72 表 4-1-25 數學學習成效（應用）單因子共變數分析（＞平均數） ............................... 73 表 4-1-26 數學學習成效（應用）單因子共變數分析（≦平均數） ............................... 73 表 4-1-27 數學學習成效（應用）調整後平均數 ............................................................... 73 表 4-2-1 數學學習動機描述統計 ......................................................................................... 74 表 4-2-2 數學學習動機獨立樣本 t 檢定 .............................................................................. 74 表 4-2-3 數學學習動機（注意）描述統計 ......................................................................... 75 表 4-2-4 數學學習動機（注意）獨立樣本 t 檢定 .............................................................. 75 表 4-2-5 數學學習動機（相關）描述統計 ......................................................................... 76 表 4-2-6 數學學習動機（相關）獨立樣本 t 檢定 .............................................................. 76 表 4-2-7 數學學習動機（信心）描述統計 ......................................................................... 77 表 4-2-8 數學學習動機（信心）獨立樣本 t 檢定 .............................................................. 77 表 4-2-9 數學學習動機（滿足）描述統計 ......................................................................... 78 表 4-2-10 數學學習動機（滿足）獨立樣本 t 檢定 ............................................................ 78 表 4-3-1 數學學習態度前測描述統計 ................................................................................. 79 表 4-3-2 數學學習態度前測獨立樣本 t 檢定 ...................................................................... 80 表 4-3-3 數學學習態度變異數同質性檢定 ......................................................................... 80 表 4-3-4 數學學習態度迴歸斜率同質性分析摘要表 ......................................................... 80 表 4-3-5 數學學習態度單因子共變數分析摘要表 ............................................................. 81 表 4-3-6 數學學習態度單因子共變數分析（＞平均數） ................................................. 81 表 4-3-7 數學學習態度單因子共變數分析（≦平均數） ................................................. 81 表 4-3-8 數學學習態度調整後平均數 ................................................................................. 82 表 4-3-9 數學學習態度（學習數學的自信）前測描述統計 ............................................. 82 表 4-3-10 數學學習態度（學習數學的自信）變異數同質性檢定 ................................... 83 表 4-3-11 數學學習態度（學習數學的自信）迴歸斜率同質性分析摘要表 .................... 83 vii.

(10) 表 4-3-12 數學學習態度（學習數學的自信）迴歸斜率同質性分析摘要表（倒數轉換） .................................................................................................................................................. 83 表 4-3-13 數學學習態度（學習數學的自信）單因子共變數分析摘要表 ....................... 84 表 4-3-14 數學學習態度（學習數學的自信）單因子共變數分析（＞平均數） ........... 84 表 4-3-15 數學學習態度（學習數學的自信）單因子共變數分析（≦平均數） ........... 84 表 4-3-16 數學學習態度（學習數學的自信）調整後平均數 ........................................... 85 表 4-3-17 數學學習態度（學習數學的有用性）前測描述統計 ....................................... 85 表 4-3-18 數學學習態度（學習數學的有用性）變異數同質性檢定 ............................... 86 表 4-3-19 數學學習態度（學習數學的有用性）迴歸斜率同質性分析摘要表 ............... 86 表 4-3-20 數學學習態度（學習數學的有用性）單因子共變數分析摘要表 ................... 86 表 4-3-21 數學學習態度（學習數學的有用性）單因子共變數分析（＞平均數） ....... 87 表 4-3-22 數學學習態度（學習數學的有用性）單因子共變數分析（≦平均數） ....... 87 表 4-3-23 數學學習態度（學習數學的有用性）調整後平均數 ....................................... 87 表 4-3-24 數學學習態度（學習數學的興趣）前測描述統計 ........................................... 88 表 4-3-25 數學學習態度（學習數學的興趣）變異數同質性檢定 ................................... 88 表 4-3-26 數學學習態度（學習數學的興趣）迴歸斜率同質性分析摘要表 ................... 89 表 4-3-27 數學學習態度（學習數學的興趣）單因子共變數分析摘要表 ....................... 89 表 4-3-28 數學學習態度（學習數學的興趣）單因子共變數分析（＞平均數） ........... 89 表 4-3-29 數學學習態度（學習數學的興趣）單因子共變數分析（≦平均數） ........... 90 表 4-3-30 數學學習態度（學習數學的興趣）調整後平均數 ........................................... 90 表 4-3-31 數學學習態度（學習數學的負面態度）前測描述統計 ................................... 91 表 4-3-32 數學學習態度（學習數學的負面態度）變異數同質性檢定 ........................... 91 表 4-3-33 數學學習態度（學習數學的負面態度）迴歸斜率同質性分析摘要表 ........... 91 表 4-3-34 數學學習態度（學習數學的負面態度）迴歸斜率同質性分析摘要表（根號轉換） .......................................................................................................................................... 92 表 4-3-35 數學學習態度（學習數學的負面態度）單因子共變數分析摘要表 ............... 92 表 4-3-36 數學學習態度（學習數學的負面態度）單因子共變數分析（＞平均數） ... 92 表 4-3-37 數學學習態度（學習數學的負面態度）單因子共變數分析（≦平均數） ... 93 表 4-3-38 數學學習態度（學習數學的負面態度）調整後平均數 ................................... 93 表 4-4-1 訪談學生編號與學習成就 ..................................................................................... 94 viii.

(11) 表 4-5-1 各項目分析結果之顯著性與平均數摘要表 ......................................................... 96. ix.

(12) 圖. 次. 圖 2-2-1 真實環境與虛擬實境的簡化連續性定義 ............................................................. 23 圖 2-2-2 虛擬實境的三大要素 ............................................................................................. 24 圖 2-2-3 虛擬實境應用領域 ................................................................................................. 25 圖 2-2-4 虛擬實境應用領域之預測成長狀況 ..................................................................... 26 圖 3-1-1 研究架構圖 ............................................................................................................. 48 圖 3-5-1 虛擬實境教材關卡一遊戲畫面 ............................................................................. 53 圖 3-5-2 虛擬實境教材關卡二遊戲畫面 ............................................................................. 54 圖 3-5-3 虛擬實境教材關卡三遊戲畫面 ............................................................................. 54 圖 3-5-4 虛擬實境教材關卡四遊戲畫面 ............................................................................. 55 圖 3-5-1 研究流程圖 ............................................................................................................. 60. x.

(13) 第一章. 緒論. 本研究主要探討利用虛擬實境的真實體驗融入國小五年級數學體積單元，對學習者學習成效、學習態度以及學習動機的影響。本章共分四節，第一節為研究背景與研究動機，闡述背景環境以及選擇研究的動機，第二節為研究目的與待答問題，設立研究目的，根據研究目的明列待答問題，第三節為名詞釋義，解釋及明確界定相關名詞，第四章為研究範圍與限制，敘述本研究的範圍以及限制。. 第一節. 研究背景與動機. 教育部於九年一貫課程數學領域基本理念強調以學習者作為主體，以知識的完整面當作教育主軸，並將終身學習定為教育目標，在進入 21 世紀且此世紀處於高度文明化的世界中，數學的知識與數學的能力兩者，已經漸漸變成日常生活與現實職場中應該擁有的基礎能力（教育部，2008）。數學是每個人在日常生活中應該具備的基礎工具，正當你來回穿梭在店家的商品貨架間時，看到一袋 13 盎司的咖啡，以及一罐 16 盎司的咖啡，而罐子包裝標示印著「加量 23%」，是否能利用上述看見的這些資訊，決定自己要買哪個，數學的教育能協助學生在生活中實際運用，例如購買物品、不同單位間的計算等等，有很多支撐社會運作的重要工作皆必須把數學當作工具，用途廣泛且存在各種領域中，如會計師、電腦工程師、銀行行員，在他們的工作中皆必須對數學有相當程度的理解(Thurston, 1990)。由此可知，數學教育重視學習者能將習得的數學知識實際應用，於課堂中培養學習者運用的方法，藉以解決實際生活的問題或運用職場中。有兩個固有目的在國小數學教育中，第一為國小數學即是國民數學基本素養的養成重要階段，一個人能否解決日常生活中遇到的實際數學問題，一位成人是否已學會終身會使用到的數量能力，有絕大多數皆是以國小數學作為基礎；第二為由於數學具有累積性，國小數學是未來學習數學的基礎，使在國中階段的學生跨出生活，嘗試理解數學在科學上如何應用，甚至在高中時期的學生便能踏入理工專業，更進而能銜接大學的專業能力訓練（翁秉仁，2015）。在國小的各個學習領域中，數學一直被視為是重點科目，然而許多學習者卻認為數學是枯燥乏味、無聊且困難的科目，心中容易產生焦慮以及排斥，尤其年級越高的學習者越容易感覺數學是艱澀難懂的，學習過程遭遇許多困難，進而導致學習興趣低落，甚至對數學產生學習焦慮。本研究以「體積」單元為實證研究之學習單元，藉由分析實證驗證結果，了解學生 1.

(14) 學習體積之難處，可作為未來學習體積單元與提升能力的參考。「體積」是一個三維的量，是指某一物件所占有空間的大小，能透過堆積的活動，複製一個相同的物件，藉以表示原物件的體積，所以是有範圍的，而且是緊密排列的（譚寧君，1996）。體積的觀測及概念的應用兩者，在日常生活中到處都可見，例如房子內購買傢俱的估量大小、把鹽與糖分裝到盒子與買烤箱的估量容量大小等，都證明體積概念的運用在生活中是無法缺乏的，生活在三度空間的我們，科技的日漸發達與人類對空間的需求，林立的高樓、台北 101 大樓的興建，皆證明了解體積與測量體積是極為重要（葉麗鳳，2008）。國小數學的體積的能力指標為能理解正方體和長方體的體積公式（教育部，2008）。體積常常透過面積大小去感受，而且與面積之大小經常是一樣的，所以很輕易觸發固定有關的判斷，把面積大小當作是體積大小；此外，公制化的「立方公分」感受上比不上「一升」來得實際，而「一升」又不如「一杯」來得令人熟悉（林仁得、謝祥宏、陳文典，1993）。學生腦子裡裝的體積都是一連串的體積公式，誤以為體積就僅僅只是三個長度量的乘積（譚寧君，1996）。研究者期望能透過虛擬實境，有別於傳統課堂中老師需準備許多教材，在虛擬世界中，由電腦設計出許多方塊，讓學生可自由拿取與堆疊，堆疊完成，可立即變換成一正方體、長方體或複合型體，讓學生可以拿取此形體近距離觀察每一面；在虛擬世界中利用方塊實際去進行堆疊，學生可以在堆疊的過程中計算總共使用多少方塊，以更了解體積公式的計算。體積常出現的迷思概念有四點：一、有哪些物體擁有體積想法有很大的分歧；二、體積測量的概念形成時，會受到先前面積公式的影響；三、學生需要較長的時間去學習如何將「加法」（一維的面積點算）到「乘法」（長方形面積公式）的過程運用在體積上；四、沒有深入體悟到體積是三維的量，或是受到直觀思維的影響、或是將加法與乘法混淆誤認為體積與長度是線性關係，或是將體積與表面積混淆、或是將體積看成底面積與高的乘積加法與乘法混淆誤認為體積與長度是平方關係（黃文達，2003）。此外，劉好（2011）研究結果顯示，學童在長方體組合圖形的辨認可能迷失原因有：「可見表面之迷失（能看到幾個表面就認為有幾塊小正方體）」、「表面過度類推型（可能推想成前面後面各有 6 面，再加上上面的 6 面一共 18 個面）」。體積為三維的量，表面積為二維空間的量，有少部分學生存在面積、表面積、體積分不清楚的迷思概念（程柏豪，2006）。依上述學習體積常有的迷思，本研究期望利用虛擬實境的特性，學生接觸的不再只是課本上平面的圖片，能在虛擬世界裡藉由堆疊各種不同方塊堆疊各種不同長方體、正 2.

(15) 方體或複合形體，在堆疊的過程中，更清楚了解體積的概念形成與計算；當堆疊完成後，學生可將整個形體拿起，近距離觀察每一面，理解體積是三維的量以及與面積、表面積的差別。上述顯示學習體積的重要性及實用性，學習者於國小階段應將基本知識及概念打好基礎，對往後數學學習才能有正向的影響；另外，學習者面對數學體積單元仍有些困難、迷思與問題。本研究基於此，特以國小五年級數學科目中「體積」單元做為本研究之教學內容。兒童的生活無法沒有遊戲，帶有教育意義的遊戲經常被認為是訓練與培養兒童認知思考的趣味化並且有效率的學習途徑之一（陳弈璇，2017）。悅趣化數位學習(Digital Game-Based Learning﹐DGBL)是一種新穎的教材設計及自學方式，其主旨是運用遊戲帶給的樂趣和愉快進行學習或藉以達到教育目的（梁朝雲，2010）。學習者在玩遊戲的時候，也許對所面對的學習內容尚未理解，但能藉由遊戲製造刺激與吸引，學習者在解決某一個問題之後，還能持續的運作用以解決下一個問題，持續的循環以保持整個遊戲的進行。學習者在這個遊戲中的持續循環，再藉由人機的互動與系統提供回饋，將產生令人感到滿意的學習行為（梁朝雲，2010）。吳叔鎮（2011）研究結果顯示悅趣化數位學習教材對學童提升單元學習成效是有幫助的，學童對課程內涵的學習動機也有所提升。蓬勃進步的電腦多媒體動畫技術，使一些以前教學上不能有效率傳達與具體呈現的抽象思考觀念得藉以具體並真實展示在學童面前，解決以前教師黔驢技窮的情況，不單單僅是提高教師的教學效益，而學童方面也因資訊科技融入教學而大幅度提高學習興趣與成效（程柏豪，2006）。單單以紙本做的教學，或許已無法滿足學生的課程滿意度及好奇心，以往雖然亦有很多數位多媒體教材，但卻也因呈現方式過於平面，而時常限制老師很多必須以三維成像當作學習方式的教學內容，現今，在教學立體概念的相關知識時，許多老師們已紛紛討論起可以用虛擬實境（Virtual Reality﹐VR）的方式進行三維相關的教學，且大多數學校科目都有跟虛擬實境融合機會與價值，如：物理運動、地理等高線圖、數學幾何、生物科學等（嚴堯瀚，2017）。虛擬實境日漸增加研究、發展和應用，運用在各種領域，例如醫學、舞蹈、娛樂等方面，也有運用在教學，例如自然與生活科技領域的昆蟲單元、化學的元素週期表。國內近幾年，也十分關注虛擬實境的應用，此項趨勢，從臺灣碩博士論文中便可查詢，如表 1-1-1 所示。. 3.

(16) 表 1-1-1 臺灣博碩士論文知識加值系統，虛擬實境相關論文之份數學年度（年）. 虛擬實境相關論文（份數）. 100. 22. 101. 16. 102. 16. 103. 12. 104. 28. 105. 63. 106. 101. 資料來源：臺灣博碩士論文知識加值系統。. 由此可知，虛擬實境在應用上的研究日益增加，因此，本研究以此為出發點，特以評測虛擬實境融入在教學上的成效。綜上所述，本研究目的擬將悅趣化數位學習運用於虛擬實境，探討學習者在數學學習的學習成效、學習動機與學習態度，針對國小五年級體積單元為教學內容，結合虛擬影像、聲音、互動、文字等元素，以遊戲為主軸，隨著遊戲的進行，讓學習者在愉快遊玩的氛圍中，獲得數學知識。藉由虛擬實境的特性，學習內容能擬真呈現，並可與學習者互動，使學習者能更清楚了解教學內容，達到提升教學品質之結果，期望學習者能將所學知識，應用真實情境中，解決實際遇到的問題。. 4.

(17) 第二節. 研究目的與待答問題. 根據上述研究背景與研究動機，本研究透過自編多媒體教材，利用虛擬實境進行開發，呈現數學體積單元，對國小五年級學生進行體驗與教學的實驗研究，控制組接受六節「傳統教學」，實驗組接受五節與半節「傳統教學」加上半節「虛擬實境教學」後，探討學習成效、學習態度與學習動機之影響。故將本研究目的及待答問題分述如下：壹、研究目的一、探討「虛擬實境教學」對國小五年級學生數學體積單元學習成效之影響。二、探討「虛擬實境教學」對國小五年級學生數學體積單元學習態度之影響。三、探討「虛擬實境教學」對國小五年級學生數學體積單元學習動機之影響。. 貳、待答問題根據上述研究目的，將本研究之問題條列如下：一、國小五年級學生在接受「虛擬實境教學」後，數學體積單元學習成效之表現是否會存在差異？二、國小五年級學生在接受「虛擬實境教學」後，數學體積單元學習態度之表現是否會存在差異？三、國小五年級學生在接受「虛擬實境教學」後，數學體積單元學習動機之表現是否會存在差異？. 5.

(18) 第三節. 名詞釋義. 本節將解釋本研究相關名詞，依序為「體積」、「悅趣化數位學習」、「虛擬實境」、「傳統教學」、「學習成效」、「學習態度」以及「學習動機」，將進一步說明如下：壹、體積體積是三維的量，指的是物件所佔有空間的大小，能透過堆疊的活動，複製出一個相等的物件，用來表示原物件的體積，所以是有其範圍，且是緊密排列的（譚寧君，1996）。本研究著重在體積的認識與計算，內容包含正方體、長方體、複合形體及立方公分與立方公尺換算，透過遊戲中概念介紹、堆方塊等關卡，讓學習者了解正方體、長方體、複合形體及立方公分與立方公尺換算。. 貳、虛擬實境(Virtual Reality﹐VR) 虛擬實境是利用資訊科技融合各領域知識所開發出的一種擬真的虛擬世界，並可讓使用者藉由不同感知器與這虛擬世界進行互動，而給予使用者猶如身歷其境之感（馮懷湘，2003）。本研究之虛擬實境為整合影像、文字、音樂與真實互動，使用設備為 HTC VIVE 及軟體 Unity，將國小五年級數學體積單元融入其中，開發一虛擬實境遊戲，讓學習者藉由 HTC VIVE，能看見虛擬畫面，彷彿真實身處其中，搭配手把，在遊戲中便可與物體進行互動。. 參、悅趣化數位學習(Digital Game-Based Learning﹐DGBL) 梁朝雲等人（2008）於「悅趣化數位學習研究宣言」中定義「悅趣化數位學習」為將遊戲中能促進參與度和增強持續性的元素運用在數位學習設計之中，用以實踐「寓樂於教」及「寓教於樂」的理想，並透過提供學習資源與主控權，使學習者擁有富含挑戰與樂趣的學習環境，達到學習動機的強化，並提升其學習成效（梁朝雲、陳德懷、楊叔卿、楊接期，2008）。本研究之悅趣化數位學習，係指利用虛擬實境將國小五年級數學體積單元課程內容融入遊戲中，期望在遊戲中提升學習者學習動機與態度，亦能學習數學的概念。. 肆、虛擬實境結合悅趣化數位學習虛擬實境創造出的三維虛擬世界，使人身歷其境並能模擬聽覺、觸覺以及視覺，與 6.

(19) 悅趣化數位學習結合，在虛擬世界中進行遊戲，提供學生既有趣又有挑戰的學習。. 伍、傳統教學本研究之一般傳統教學，使用普通教室為場所，係指教師課前依照教學指引與目標設計教案，以教師為主體，隨進度將課本內容並搭配教具於課堂中講解，學生經由上課聽講或課堂練習，以及課後複習來熟悉課本與教師講授的內容，教師於課堂中不額外使用其他的資訊媒體。. 陸、學習成效學習成效指學習者進行學習前之能力和結束學習後之能力的差異度（程柏豪，2006）。學習成效同時兼顧「直接」和「間接」，直接的學習成效為學生在接受教育前與完成學習後的行為變化；而間接的學習成效為完成學習後的學生，在歷經一段長時間後才能顯示的成效（王如哲，2010）。本研究之學習成效為，研究者參考康軒數學第十冊的學後檢測卷編制「數學體積單元學習成效測驗」，若學生於測驗中所得分數越高，代表學習成效越高；反之，學生於測驗中所得分數越低，則學習成就越低。. 柒、學習態度學習態度不僅包括學生的學習方法、學習動機、學習行為，還應包括學生在學習的過程中，面對學習環境所展現的行為。因學習不單單只是個人自己的事，學習還會因為人對環境的態度而有所不一樣（鄭耀嬋，2004）。本研究使用「數學學習態度量表」改編自陳亭潔（2016）所編制的數學學習態度量表，若學生於量表得分越高，表示數學學習態度越高，反之，學生所得分數越低，表示數學學習態度越低。. 捌、學習動機學習動機為引起學生學習活動與維持學習活動，並促使該學習活動趨近老師所設立教學目標的內在心理歷程（張春興，1996）。本研究之學習動機為，修訂自陳亭潔（2016）修訂 Keller(1987)的教材動機量表，學生於量表得分越高表示數學學習動機越高，反之，學生所得分數越低，表示數學學習動機越低。. 7.

(20) 第四節. 研究範圍與限制. 本研究以國小五年級學生為研究對象，並進行準實驗研究，以國小五年級體積單元為教學內容，探討學生接受虛擬實境教學方法與傳統教學方法之差異，以下為研究範圍與限制：壹、研究範圍一、研究對象本研究以屏東縣某所國小五年級的某兩個班級學生為實驗對象，其中一班為實驗組，另一班為控制組。控制組則接受六節傳統教學，而實驗組接受五節與半節傳統教學加上半節虛擬實境教學，藉以了解虛擬實境教學融入數學體積單元對國小五年級學生學習成效、學習態度與學習動機的影響。二、研究方法本研究將虛擬實境融入國小五年級數學體積單元，探討數學學習成效、學習態度與學習動機，採用準實驗研究法，利用附錄的測驗卷、學習態度量表與學習動機量表，以獲取相關之量化資料；利用附錄的訪談大綱，獲取質性資料。三、研究單元本研究以康軒數學第十冊第一單元數學「體積」單元進行研究，參考教學大綱與數學能力指標，來開發本研究工具之虛擬實境遊戲。. 貳、研究限制一、研究對象的限制由於實驗的對象只有兩個班級，樣本數僅為兩個班級的學生，數量有限，故不宜將本研究之結果做大量推論。二、研究變項的限制本研究方法為準實驗研究法，以了解學習者在不同教學方法後，在數學領域的學習成效、學習態度與學習動機之影響，對於其他可能受影響之變項將不在本研究討論之範圍。三、研究工具的限制本研究所開發之虛擬實境教材，開發軟體為 Unity，版本為 2017.3.1，因相容性問題，故非此版本的 Unity，可能無法使用，另外，設備採用 HTC VIVE，需備有 8.

(21) 一個 VIVE 頭戴式顯示器、兩個 VIVE 控制器以及兩個 VIVE 基地台，缺少任何一樣將無法使用，故上述軟體的版本及搭配的設備，與本研究所使用不同或缺乏將無法使用所開發教材。四、研究時間的限制由於本研究所選用的設備為 HTC VIVE，一次僅能讓一位學生使用，為配合學生課表時間，以及設備使用達一定時間，即可能產生暈眩等不舒服狀態，基於上述原因，僅實施半節虛擬實境教學，可能是造成實驗結果不佳之原因；由於實驗數據不甚理想，為更探討虛擬實境教學對國小五年級學生的數學學習成效、學習態度與學習動機之影響，故將本研究顯著標準訂為α=.1 進行檢驗。. 9.

(22) 10.

(23) 第二章. 文獻探討. 本研究主旨為探討悅趣化數位學習結合虛擬實境融入國小五年級數學體積單元，對學生學習成效、學習態度及學習動機之影響，因此蒐集並參考相關文獻資料，以做為研究之理論基礎。本章共分三節，第一節為體積概念與相關研究；第二節為虛擬實境；第三節為悅趣化數位學習，分別詳述如下：. 第一節. 體積概念與相關研究. 體積概念一般來說，應該包含保留概念、測量概念以及估算概念三種概念（譚寧君， 1996），本節共分四個部份，壹、體積的意義；貳、體積保留概念；參、體積測量概念；肆、體積估測概念；伍、國小體積課程；陸、體積之相關研究；柒、小結，分述如下：壹、體積的意義人們可以經由自身經驗與週圍他人灌輸的交互影響，而建立一個信念，就是在環境中的任何物質，一定會佔有空間且是具有重（質）量；科學教育更進一步強化這個信念，並且給予數量用以敘述它的大小，將某物質例如黏土或細砂進行零空隙的堆積，使它的形狀與大小和另一個物體完全一樣，這即是體積的複製；而體積的複製即是體積的單位數量敘述的基本（周筱亭、黃敏晃，2002）。 Dickson, Brown 和 Gibson (1984)認為體積應包含下列四個不同層面的意義（引自譚寧君，1996）：一、外體積(external volume) 指藉由視覺的觀察，理解到物體所占空間的大小，不管其為空心或者實心，例如足球、樂高積木或空的箱子。二、內體積(internal volume) 指物件裡面空間大小，指空心物件的內部容積，普遍指的是所承裝固體的小物體，例如盒子裡面可以承裝 6 個白色的小積木，即表示此盒子的容積是 6 立方公分。三、排他性體積(displace volume) 指物件體積的大小就是藉由溢出的液體量表示原物件的體積，例如計算石頭的體積，可透過將它丟入滿水位的水盆內，溢出的液體量就代表石頭的體積。四、液積與容量(liquid volume and capacity) 液積表示為液體所占空間的量，代表液體體積又稱液量；容量即是容器的最大 11.

(24) 裝載量，一般表示裝載液體的量。. 貳、體積保留概念保留概念指的是物體不因大小、方向、位置的改變而改變（譚寧君，1996），例如將一長方體切成三等份，在翻轉其中某些部份，就視覺外觀上雖然不同，但體積仍無改變。 Lovell and Ogilvie (1961)都曾進行物體保留概念的研究，把一個黏土球搓成條狀，然後問小朋友從球狀搓成現在的條狀後黏土增加了嗎？還是減少了嗎？還是沒有任何改變嗎？結果顯示五歲小朋友大約有 33%擁有此保留概念，但是再把黏土切割成好幾塊時，接著再問相同的問題，則年齡到了九歲的小朋友仍然有很多人認為黏土有增加了，由此可見變形與切割活動，對小朋友而言就是屬於不同的層次。. 參、體積測量概念林芳姬（2005）於《國小六年級「體積」補充教學之研究》指出立體物件轉換成二維圖像，其間的轉換需透過空間思考能力的培養，故測量概念必須掌握以下三個面向：一、單位量的點數體積的測量除了做三維個別單位的小物體的點數之外，平面的點數都是需要另一層次的空間表徵的轉換及空間思考能力。二、單位量的轉換體積單位量的轉換難度比面積更高，須透過實際操作，經驗兩個單位量間的關係。三、測量概念體積公式要建立在對上面敘述的單位量計算與換算有充分了解之下才能逐步形成，體積的測量雖是三維空間的量，但實際上是一個計數系統，先掌握邊長為 1 公分的正方體體積表示體積的基本單位，再透過堆疊的活動，如果有 2 層則透過語言溝通建立長、寬、高的知識。至於不規則物體，則可透過排他性體積的測量方式。. 肆、體積估算概念 National Council of Teachers of Mathematics (2000)在估測活動中，運用參考點是很重要的，因為缺乏參考點的估測就單單只是胡亂的猜測，唯有透過參考點的使用，學生在 12.

(25) 進行估測時才能接近實際數值，此處指的參考點可以是 1 立方公分，甚至是 1 本書籍、 1 張椅子，不論學生選擇的是哪個參考點，都能夠協助他做估測的活動。. 伍、國小體積課程研究者將關於體積之分年細目整理如下表 2-1-1，分年細目為階段能力指標細項，為更詳細的描述。分年細目以三碼為編排，第一碼表示年級；第二碼表示主題，分別以小寫字母 n、s、a、d 表示「數與量」、「幾何」、「代數」和「統計與機率」四個主題；第三碼則是分年細目的流水號，表示該細項下分年細目的序號（教育部，2008）。. 表 2-1-1 體積相關的分年細目年級四年級. 分年細目 4-n-19. 能認識體積及體積單位「立方公分」。. 對照指標 N-2-23. 能認識體積單位「立方公尺」、「立方公分」 5-n-19. 及「立方公尺」間的關係，並做相關計算。. N-3-19 N-3-20. 能理解長方體和正方體體積的計算公式，並 5-n-20 五年級. N-3-25. 能求出長方體和正方體的表面積。（同. S-3-05. 5-s-07）. S-3-11 N-3-20. 能理解長方體和正方體體積的計算公式，並 5-s-07. N-3-25. 能求出長方體和正方體的表面積。（同. S-3-05. 5-n-20）. S-3-11. 資料來源：教育部，2008。. 國小體積學習重點包含正方體和長方體的計算公式、立方公分與立方公尺的單位換算與表面積，本研究選用康軒第十冊第一單元，課程安排依據是認識正方體與長方體、正方體與長方體計算公式、立方公分與立方公尺認識與換算以及複合型體積計算，表面積則安排在其他單元中，因此不包含在本次研究中。. 陸、體積之相關研究 13.

(26) 體積是三維的量，能透過堆疊，複製出一個相等的形體，研究者整理近年來針對體積相關單元進行研究的文獻，如表 2-1-2 所示：. 表 2-1-2 體積相關文獻探討表研究者. 論文題目. （年份）. 研究對象（研究方法）. 研究結論 1. 互動式電子白板適用於國小數學領域教學。. 吳巧儀（2010）. 運用互動式電子白. 2. 運用互動式電子白板融. 板融入國小數學領. 入數學領域教學能提昇. 域教學之成效研究-. 國小五年級學生. 以五年級「體積、容. 學童學習成效與正向學習態度。. 積與容量」單元為例. 3. 學童對於互動式電子白. 板融入數學領域教學持正向反應。 1. 對國小新移民子女柱體電腦輔助教學應用孫宗麒（2011）. 體積之學習表現具有立. 於國小新移民子女. 國小六年級新移民. 數學補救教學之研. 子女（單一受試之跨 2. 教師對電腦輔助教學提. 究-以柱體體積單元. 受試多試探設計）. 為例. 即成效並具有保留成效。. 升國小新移民子女柱體體積之學習表現持正面意見。（續下頁）. 14.

(27) 表 2-1-2 （續） 1. 體積概念補教教學方案教學在數學成就方面： (1)數學低成就學童的數學學習成就有顯著的提升，且具有延宕效果。鄭明珠. 數學低成就學童體. 國小六年級. （2011）. 積概念學習之研究. （實驗研究法）. (2)學童之測量概念、空間概念及幾何性質等子概念學習效果顯著提升。 (3)可以提升學童在高難度題目的學習效果。 2. 體積概念補救教學方案教學對數學低成就學童的數學態度改變不顯著。 1. 在課堂中使用行動載具進行學習之學習成效優. 數學科適性行動學. 於傳統課堂教學之學習. 白宗恩. 習系統成效分析－. 國小五年級學生. （2012）. 以國小「體積」單元. （實驗研究法）. 為例. 成效。 2. 利用數學科適性行動學習系統進行適性數學步道行動學習之學習成效優於傳統紙本數學步道。電腦多媒體輔助教學介入. MCAI 對國小資源蔡宜靜. 班學生數學學習成. 國小資源班學生. （2012）. 效之影響—以體積. （單一受試研究法）. 與容積單元為例. 後，能增進受試者「體積與容積的單位」、「體積單元」與「容積單元」單元學習成效，且維持期有保留效果。（續下頁）. 15.

(28) 表 2-1-2 （續） 1. 以學生知識結構做為適性選題基礎，能改善電腦化適性動態評量，省題率為 57.89%。 2. 在教學介入處理後，各組. 以學生知識結構改葉惠貞. 善動態評量系統—. 國小五年級學生. （2013）. 以國小五年級數學. （準實驗研究法）. 「體積與容積」為例. 後測成績均有進步，其中電腦化適性動態補救教學組的學習成效顯著優於適性動畫補救教學組及傳統班級補救教學組。 3. 在試題通過率中，電腦化動態評量補救教學組通過率優於其他兩組。（續下頁）. 16.

(29) 表 2-1-2 （續） 1. 在體積與容積成就測驗的表現上，實驗組成績表現優於對照組。 2. 使用脈絡型教學策略進行教學活動，對於學童成就測驗成績表現沒有顯著差異。 3. 不同性別的受試者，在實. 脈絡型教學策略在蘇雅芬. 國小五年級數學領. 國小五年級學生. （2013）. 域體積與容積單元. （準實驗研究法）. 之應用. 施脈絡型教學策略教學活動下，男生的成就測驗成績表現優於女生。而在實施傳統教學策略教學活動中，不同性別的學童在成就測驗的成績表現上沒有顯著差異。 4. 使用脈絡型教學策略進行教學活動，對於高、中、低分組學童成績不會有顯著差異。（續下頁）. 17.

(30) 表 2-1-2 （續） 1. 實驗班學童在不同題目表徵題型的解題表現情況為：圖示題表現優於短語題及文字情境題，短語題比文字情境題高。 2. 實驗班與對照班學童在「柱體體積學習成就測驗卷」表現無顯著差異。 3. 實驗班學童在「柱體體積. 吳事庭（2014）. 以電子白板與 3D 電. 學習成就測驗卷」的錯誤. 腦圖形軟體在國小. 類型：(1)整題空白(2)計算. 數學教學之研究-以. 國小六年級學生. 國小六年級數學柱. 錯誤(3)拼湊答案(4)單位錯誤(5)誤用公式。. 體體積單元為例. 4. 實驗班學童在柱體體積問題的解題歷程：(1)不論高分組、低分組在解題中都能利用柱體體積公式。 5. (2) 高分組體積保留概念較低分組優，故能了解題意，順利解題。(3) 高分組勘誤能力、運算能力較低分組優，故解題正確率較低分組高。（續下頁）. 18.

(31) 表 2-1-2 （續） 1. 電子書包融入教學相較於電子白板教學能顯著提昇學生的學習成效。. 電子書包融入國小游松坡（2014）. 數學「體積和容積」單元教學對學生學. 國小五年級學生（準實驗研究法）. 習成效影響之研究. 2. 電子書包融入教學相較於電子白板教學未能明顯提昇學生整體的學習態度，但實驗組學生對於數學有用性的態度表現明顯優於控制組學生。 1. 結合遊戲元素的學習教材確實能有效提升學生. 遊戲式數學學習系蔡旻諺. 統之建置與評估－. 國小五年級學生. （2014）. 以國小五年級數學. （等組前後測設計）. 科體積單元為例. 的學習成就。 2. 本研究設計之遊戲式數學學習系統確實能正向引發學生的學習動機與興趣。 1. 互動投影機教學使得學生在學習成就上優於傳統式教學和簡報式教學。 2. 三種教學法對學生學習. 多媒體教學融入數. 動機上具有顯著差異，互. 學領域對學生學習凌映帆（2015）. 成效之研究－以數. 國小高年級學生. 學面積和體積單元. 動投影機教學優於傳統式教學和簡報式教學。 3. 傳統式教學比簡報式教. 為例. 學更容易理解上課內容。 4. 互動式教學有明顯的成. 績進步；整體族群成績進步且拉距變小的現象。（續下頁） 19.

(32) 表 2-1-2 （續） EM 版有關教材較南一版的學習階段提早一年，所涵蓋的內容較廣、較深。南一版在體積的「初步認識」有較詳細的說明；在「量的測量」中南一版較缺乏量的估測；. 石鳳茹（2015）. 在「測量單位」中，EM 版. 臺灣與美國國小數學教科書體積教材. （內容分析法）. 之內容分析. 所包含的標準單位與單位化聚的教材較多，南一版則著重於單位運算；在「解題策略與應用」，兩版本先引入的體積公式及其呈現方式並不相同，EM 版的綜合應用的題目與生活較有連結，且需要應用更多其他的數學概念。. 具象暨意義化教材黃淑君（2016）. 對低成就學生數學學習之影響-以五年級立體圖形體積為. 具象暨意義化教材在五年級國小五年級學生. 立體圖形補救教學上，確實. （行動研究法）. 提升學生的學習動機與學習興趣，進而提升學習表現。. 例. （續下頁）. 20.

(33) 表 2-1-2 （續） 1. 資訊融入教學在學生的學習成就有顯著的差異。 2. 資訊融入教學對於中成就學生在概念理解能力資訊科技融入國小. 有顯著的差異。. 吳怡慧. 五年級數學教學成. 國小五年級學生. （2017）. 效之研究─以容積. （準實驗研究法）. 和體積單元為例. 3. 資訊融入教學對於低成就和中成就學生在程序執行能力有顯著的差異。 4. 資訊融入教學對於低成就、中成就和高成就學生在解題與思考能力有顯著的差異。 1. 無論採用何種教材學習，學生對體積單元的學習成效明顯進步。. 趙文鴻（2018）. 國小數學體積學習之擴增/虛擬實境軟體開發與應用研究. 2. 使用互動式擴增實境學國小生（準實驗研究）. 習 APP 數位教材，成績進步幅度最明顯。 3. 對低成就學童而言，使用虛擬實境數位教材學習數學較能引起低成就學童的注意。. 資料來源：研究者自行整理。. 上述體積相關研究，部分研究利用資訊科技期望提升學習成效，而大多也都確實有明顯進步，而體積是一三維的量，部分研究利用 3D 相關科技增加學生空間感；本研究期望利用虛擬實境特性，讓學生在虛擬世界中可以近距離拿取物體，方便觀察每一面，增加學生空間感；在學習體積課程時，常有學生認為體積僅是公式的計算，針對此誤解，研究者讓學生在虛擬世界堆疊指定形體，在堆疊的過程中，了解體積計算公式。 21.

(34) 柒、小結體積是一三維的量，可以透過堆疊去計算，近年來體積相關許多利用資訊科技或是 3D 科技，來提升學生空間感，本研究特選用虛擬實境，利用虛擬實境創造的虛擬世界，讓學生可以近距離拿取物體，仔細觀察物體每一面，期望提升學生空間感，突破以往僅是平面呈現，更有立體感；也可以讓學生在虛擬世界中進行利用小方塊堆疊形體，更清楚了解體積計算公式；再搭配悅趣化數位學習，讓學生可以一邊玩遊戲，一邊學習體積知識，期望提升學習興趣。. 22.

(35) 第二節. 虛擬實境. 虛擬實境顧名思義就是虛擬出一個環境，這個環境好像真的一樣讓人無法分別（林政宏，1997）。虛擬實境可讓使用者看見一個擬真影像，真實程度彷彿自己身處在場景之中，本節分四部份，壹、真實呈像；貳、虛擬實境的定義與要素；參、虛擬實境的類型；肆、情境學習理論；伍、虛擬實境之相關研究；陸、小結，分述如下：壹、真實呈像為了提升課程與學生的互動性，讓學生可以在教室中體驗到現實生活中的空間環境，突破傳統教學無法呈現現場環境的缺點，常見的方式是將教材融合實境科技，運用 3D 模型建置一個虛擬的模擬環境，使學習者能與虛擬環境中的物件進行互動（沈揚庭， 2016）。Milgram, Takemura, Utsumi, Kishino(1995)提出真實與虛擬之間的簡化連續性定義，如圖 2-2-1 定義擴增實境與混合實境的範圍，以及前面兩者與真實環境和虛擬環境的相關性，由左往右延伸為虛擬環境，而由右往左為真實環境，混合實境則是上述兩種環境的混合，擴增實境處在中間偏左方，主要是以真實環境為主，虛擬環境為輔，把虛擬內容套用在真實環境中。. Mixed Reality(MR). Real Environment. Augmented Reality(AR). Augmented Virtuality(AV). Virtual Environment. Reality-Virtuality(RV) Continuum 圖 2-2-1 真實環境與虛擬實境的簡化連續性定義資料來源：Milgram P, Takemura H, Utsumi A, Kishino F. (1995). Augmented Reality: A class of displays on the reality-virtuality continuum. Telemanipulator and Telepresence Technologies, 2351, 282-292. doi: 10.1117/12.197321 貳、虛擬實境的定義與要素從 1960 年代到 1980 年代，對虛擬實境的稱呼有很多，如人工實境(Artificial Reality)、 23.

(36) 合成實境(Synthetic Reality)、合成世界(Synthetic Reality)、想像世界(Imaginary Worlds)、概念實境(Conceptual Reality)、電腦實境(Cyber Reality)、或是電腦超空間(Cyberspace)等等（林政宏，1997）。而第一次稱 Virtual Reality 的是麻省理工學院媒體實驗室 (Massachusetts Institute of Technology, MIT/Media Lab)提出；後來在 1985 年左右，Virtual Reality 為 Jaron Lanier（VPL 公司創始者）所提出，意思就是一個無中生有的虛擬環境，但是卻可以讓人覺得跟真實環境一模一樣（李忠錦，2008）。虛擬實境(Virtual Reality﹐VR)是藉由電腦模擬而產生出一個三維空間的虛擬世界，給予使用者猶如真實世界中有關聽覺、觸覺的模擬，虛擬實境是一介於虛擬世界 (cyberspace)、真實世界與使用者三者的媒體，當中的交互作用都是由此系統來進行控制，例如當使用者在真實的世界中變換了某些狀態，再透過媒體傳送至虛擬世界中，接著經過電腦計算後，將其結果顯示在設備中（周宣光，2000）。林政宏（1997）於《深入虛擬實境 VR》指出虛擬實境三大要素為高度的想像力、即時的互動性以及強力的沉浸性，如圖 2-2-2 所示。而虛擬實境具有沈浸性(Immerse)、互動性(Interactive)、想像性(Imagination)等三種特性。其中沈浸性是為了讓使用者可融入虛擬的環境，短暫脫離原本身處的真實環境，具備有臨場感；互動性則是當使用者進行觸碰虛擬環境中物件的時候，它的反應會猶如在真實環境中；想像性是一個模擬真實環境的想像世界，富含很多的想像空間（周文忠，2005）。. 互動性. 想像力. 虛擬實境. 圖 2-2-2 虛擬實境的三大要素資料來源：林政宏（1997）。深入虛擬實境 VR。臺北市：碁峯資訊。 24. 沉浸性.

(37) 研究者認為虛擬實境為透過電腦模擬一個虛擬世界，在這個三維的空間內，可與事物進行互動，搭配頭戴式顯示器、手把以及感應器等設備，除了觀看之外，使用者亦可自由在空間中走動以及跟世界裡的物品、人物等進行互動，看得到、觸摸得到、也觸摸得到，系統提供虛擬世界音樂、3D 視覺、特效、動畫等，增加更多的互動及感觸，讓使用者更有身歷其境之感。虛擬實境產業在 2006 年有了爆炸性的成長，因此 2006 年更是被稱為「VR 元年」，於此年，許多廠商推出相關產品，例如宏達電與電玩商 Valve 推出個人電腦 VR 眼鏡產品 HTC VIVE、Google 推出經濟實惠又方便的 Google Cardboard，而虛擬實境亦被應用到許多領域，如教育、娛樂、商業地產，互聯網數據中心(Internet Data Center﹐IDC) Digi-Capital 於 2015 年預測 2020 年虛擬實境應用領域，如圖 2-2-3 所示，及於 2018 年預測虛擬實境應用各領域的成長狀況，如圖 2-2-4 所示，其中，教育領域（圖示為紅色）有逐年成長的趨勢。. 圖 2-2-3 虛擬實境應用領域資料來源：Digi-Capital (2015, April 6). Augmented/Virtual Reality to hit $150 billion disrupting mobile by 2020 [Internet Data Center,IDC]. Retrieved from https://www.digi-capital.com/news/2015/04/augmentedvirtual-reality-to-hit-150-billion-disru pting-mobile-by-2020/#.WQx_pYiGOUk 25.

(38) 圖 2-2-4 虛擬實境應用領域之預測成長狀況資料來源：Digi-Capital (2018, January 26). Ubiquitous $90 billion AR to dominate focused $15 billion VR by 2022 [Internet Data Center,IDC]. Retrieved from https://www.digi-capital.com/news/2018/01/ubiquitous-90-billion-ar-to-dominate-focused-15billion-vr-by-2022/ 註：以下為右方 VR 預測收入目錄遊戲醫學音樂藝術/設計財務雜誌&報紙. 社會教育商業食物&飲料新聞導航. 照片&影片生活方式運動小孩書籍公共事業. 娛樂旅行&運輸健康&體適能參考書目目錄. 參、虛擬實境的類型李思漢（2017）依據不同的視覺化(Visualization)產生方式對應使用設備不同，區分為以下類別：一、桌上型虛擬實境(Desktop VR) 是價格相對最低的虛擬實境系統，通常利用滑鼠、軌跡球等設備當作輸入的設備，並以普遍的個人電腦螢幕作為輸出；透過數位設計，可使操作者產生出心智投 26.

(39) 射的效果，間接能與 VR 應用產生連結的效應。二、模擬型虛擬實境(Simulator VR) 讓使用者在某些特定的操作環境中做使用，模擬操控真實機器的感覺。應用在駕駛、飛行的訓練課程上，為最初發展出來的設備型環境重構導向的虛擬實境系統。三、投射型虛擬實境(Projection VR) 藉由大型投射螢幕搭配多個投影機與立體聲音作為輸出裝置，將整個場景在使用者的周圍投影出來，呈現一個環場的場景。四、沉浸型虛擬實境(Immersion VR) 是所有虛擬實境系統種類中價格最高、感覺最真實者。系統中需配有特定的輸出、輸入設備如頭盔顯示器(Head Mounted Display，HMD)、三維滑鼠(Fly Mouse)、追蹤器(Tracker)或資料手套(Data Glove)、聲音裝置、感官輸出裝置等，呈現多重知覺感官，能讓使用者有完全融入其中的感覺。. 肆、情境學習理論（situated learning） Brown, Collins and Duguid (1989)認為知識存在學習的情境脈絡與學習活動中，學習者須主動和情境進行互動，進而取得知識脈絡，並由此脈絡建構出自己的知識。蔡秉宸、靳知勤（2004）指出情境學習理論旨在說明於一似「真實」環境中，由學習者主動參與，並與環境中的人、事、物進行互動而獲得知識，強調知識的社會性與真實性。隨著科技日新月異的發展，目前有許多教學者利用資訊科技輔助教學，情境學習理論指出學習者須主動並與情境中事物產生互動，而虛擬實境能創造出一個虛擬世界，讓學生可以沉浸在其中，並和形體進行互動，在互動的過程中，讓學生可以學習體積相關知識，如可以拿取形體近距離觀察，使其更了解形體每一面，也可在虛擬世界中利用小方塊進行堆疊，讓學生更清楚體積計算。. 伍、虛擬實境之相關研究虛擬實境創造出一個三維的虛擬世界，模擬視覺、聽覺以及觸覺感官，使用者彷彿身處在其中，並能與虛擬環境中的物件進行互動，許多研究利用虛擬實境的特點，開發相關教材，運用在不同領域中，本研究收集並整理近年來虛擬實境相關研究，如下表 2-2-1 所示： 27.

(40) 表 2-2-1 虛擬實境相關文獻探討表研究者（年份）. 論文題目. 研究對象. 研究結論. （研究方法）. 比哨的獵人學校：數楊懷恩. 位遊戲式學習輔助. 高中原住民學生（田. （2015）. 太魯閣族傳統狩獵. 野調查法）. 文化教育. 3D 虛擬狩獵遊戲輔助太魯閣族傳統狩獵文化教育有其顯著的教育成效。 1. 體感組與傳統組均能有效提升學習動機，並顯著優於控制組。 2. 體感組能有效提升棒球打擊測驗的學習成效；傳統組僅在擊球狀況上有明顯提升；體感組在學習成效上表現全部顯著優於控制組，而傳統組僅在擊球距. 吳孟宗（2016）. 體感遊戲對國中體育課程學習動機與學習成效之影響. 離表現上優於控制組。國中學生（準實驗研究法）. 3. 體感組與傳統組在學習動機與學習成效上均未達顯著差異。 4. 體感組對學習成效的保留效果良好。 5. 以體感遊戲進行體育教學並不受到級別差異而影響學習成效。 6. 體感遊戲進行體育教學，學生的學習動機各構面與學習成效具有顯著正相關。（續下頁）. 28.

(41) 表 2-2-1 （續） 1. SL 可誘發學習者進行寫. 呂伯寧（2016）. 虛擬實境中的真實體驗對華語寫作之影響研究. 作構思。新加坡華語學習者（準實驗研究法）. 2. SL 可提升學習者寫作成績。 3. 透過課堂觀察發現實驗組積極性優於對照組。. 體感互動應用於體曾婉瑜. 驗學習之研究－以. 16 歲以上成人. （2016）. 逢甲大學 iSpace 為. （問卷調查法）. iSpace 體感互動學習系統有助於提升學習成效。. 例. 趙士傑（2017）. 虛擬實境與體感技術應用於舞蹈訓練之研究. 虛擬實境教學與傳統教學影大學學生. 片在連續舞蹈動作與挑戰關. （準實驗研究法）. 卡的統計數據，皆有明顯提升。 1. 擴增實境學習環境組在知識理解表現優於虛擬實境. 數位學習環境與引盧健瑋（2017）. 導策略對高低先備知識高中生數學遞迴學習成效與動機. 學習環境組。高中二年級學生（準 2. 擴增實境學習環境組在知實驗研究法）. 識應用表現優於虛擬實境學習環境組。. 之影響. 3. 各實驗組對學習活動皆抱持正向的學習動機。. 應用理論建構以 3D 陳志哲（2017）. 虛擬實境教育介入對高中職特定對象學生防制濫用愷他. 高中職特定學生（問卷調查法）. 虛擬實境 3DVR 動畫多媒體課程介入 SEM 解釋行為意圖具有顯著成效。. 命之成效（續下頁）. 29.

(42) 表 2-2-1 （續）運用沉浸式虛擬實境呈現華語文數位賴怡臻. 學習遊戲之創作與. 華語為第二語言人. （2017）. 研究－以 VR 呈現. 士（問卷調查法）. 《Chinese I Spy》遊. 虛擬實境數位遊戲式學習可激發學習者學習興趣、動機也有機會提升學習成效。. 戲為例虛擬實境結合數位嚴堯瀚（2017）. 1. 虛擬實境學習強化立體教. 遊戲式學習提升學習動機之創作與研. 國中九年級學生. 究－以化學元素週. 學的學習模式。 2. 虛擬實境結合遊戲式學習可提升學生學習動機。. 期表為例. 1. 本研究之設計適用於不同地區。 2. 應用 Google Cardboard 於應用 Google. 教學上能有效提升學習動. 丁珮純. Cardboard 於遊戲式. 國小二至六年級學. （2017）. 自我組織的學習環. 生（行動研究法）. 境之研究. 機。 3. 動手做之學習活動能有效提高學童參與意願。 4. 同儕間合作有助於提升學習效率。 5. 教育者角色的轉變。（續下頁）. 30.

(43) 表 2-2-1 （續） 1.使用「互動全景網站」之學習成效優於「圖片簡報」。. 2.使用「互動全景網站」較「圖片簡報」能提升學習注意力。. 互動全景網站融入. 3.使用「互動全景網站」與「圖. 林暄. 教學對於學習的影. 高中三年級學生（準. （2018）. 響－以中學生物課. 實驗研究法）. 片簡報」皆能提升學習關聯性。. 4.使用「互動全景網站」較「圖. 程為例. 片簡報」能提升學習自信心。. 5.使用「互動全景網站」與「圖片簡報」皆能提升學習滿足感。. 1. 即興創作與互動式虛擬實境結合，有助於學生體驗不同場域，能掌握主題核即興創作課程融入. 心，更能察覺探索主題的. 楊評媛. 互動式虛擬實境提. 國小五年級學生（行. （2018）. 升學生學習之行動. 動研究法）. 研究. 根本意義。 2. 透過教師的引導了解舞蹈元素，學生從做中學，增進學生產出多元、獨特的想法與肢體創作，激發學生創造力。. 張紹元（2018）. 3D 環景影像電腦技術應用在英語教學上成效之研究. 國小五年級學生（準實驗研究法）. 使用 3D 立體環景技術教學法的班級，成效明顯高於傳統教材教具教學法。（續下頁）. 31.

(44) 表 2-2-1 （續） 1. 具有競爭遊戲方式的 VR 情境教學系統在學習成果上，優於傳統式教學。楊立丞（2018）. 2. 無競爭遊戲方式的 VR 在. 應用虛擬實境實現具競爭遊戲功能之. （實驗研究法）. 情境教學系統. 學習成果與學後記憶內容保留，亦有明顯上升。 3. 透過競爭所產生的壓力，對於學習是有正面的影響。. 金芝萱（2018）. 應用虛擬實境提升. 結合「故事性」、「趣味性」、. 年輕女性科學自我. 「學習性」的科學 VR RPG. 效能之探索性研究. 大學與研究所學生. 遊戲能提升女性在實際經驗. - 以科學 RPG 遊戲. 方面的學習成效及科學自我. 為例. 效能。. 資料來源：研究者自行彙整。. 由上述研究中可看出，虛擬實境應用的領域十分廣泛，有體育、寫作、舞蹈、數學、化學等等領域，其中在數學的領域中僅有一篇，研究者針對數學領域，利用虛擬實境的特性，期望改善學生在數學領域中所遇到的困難以及提升學習成效；而研究對象方面，以大學生與成人為研究對象共有六篇、以高中生為研究對象共有四篇，以國中生為研究對象共有二篇，以國小為研究對象共有三篇，近年來較少國中、國小數學課程進行研究，然而國小課程往往是未來課程的基礎，本研究選擇國小學生為研究對象，期望能幫助其學習以及增進學習樂趣；在研究方法方面，大多數採用實驗研究法，研究者亦選擇實驗研究法，藉由測驗與量表，收集實驗前與後的數據，分析學生學習成效。. 陸、小結從以上這些理論與研究可知，虛擬實境對於不同領域的學習大多具有正向的影響。虛擬實境能提供學習者身歷其境的感覺，現今有多種虛擬實境的種類，基於希望能呈現 32.

(45) 最真實感，故選擇沉浸型虛擬實境，藉由頭戴式顯示器，彷彿自己身處在虛擬世界，再搭配手把，使學習者能在虛擬世界中進行操作，最後加入聲音及視覺畫面，能增添學習者沉浸感。本研究期望能利用虛擬實境的特性，改善學習者在傳統教學中無法觀察形體的限制，打造一個虛擬世界，將體積單元的知識融入其中，學習者可以拿取每個形體，觀察形體的每個面，藉此可觀察正方體與長方體的不同，亦可在虛擬世界中藉由手把堆疊方塊，在堆疊的過程中，了解形體是由多少個方塊堆疊而成，能更了解體積的計算，最後在學校課程中，較難以呈現 1 平方公尺與 1 平方公分的換算，學習者能在虛擬世界中看見單位不同而體積大小相同的形體；在過程中，當學習者完成關卡或是觸碰物品等，出現特定效果與聲音，增加學習者滿足感以及成就感。期望藉由虛擬實境的特點突破傳統教學的限制，以及解決學生認為數學枯燥乏味、困難等情況，提升學生的學習成效、學習動機與學習態度。. 33.

(46) 第三節. 悅趣化數位學習. 本節共分四個部份，壹、悅趣化數位學習的定義；貳、悅趣化數位學習的特性；參、悅趣化數位學習的設計原則；肆、悅趣化數位學習之相關研究，分述如下：壹、悅趣化數位學習的定義悅趣化數位學習(Digital Game-Based Learning﹐DGBL)將遊戲中能促進參與度和增強持續性的元素運用在數位學習設計中，用以實踐「寓樂於教」與「寓教於樂」的理想，欲提供學習者充滿樂趣並兼具挑戰的學習環境，強化其學習動機，並促進其學習成效（梁朝雲等人，2008）。研究者認為悅趣化數位學習將遊戲運用於學習中，打造一個有趣的學習環境，使學生在愉快遊玩的過程亦能學習知識。. Prensky(2001)提出在長大成人之後才接觸數位產品並某種程度無法順暢使用的族群，稱作數位難民(Digital Immigrants)，而從小生長在充滿各式數位產品的族群，則稱數位原住民(Digital Natives)。現今世代的學生即是數位原住民，Prensky 於《Digital game-based learning》一書中指出畢業的大學生平均花不到 5,000 小時閱讀，但花在電腦遊戲上的時間高達 10,000 小時，電腦遊戲、電子郵件、互聯網、手機以及即時通訊是他們生活中不可或缺的一部分，他們較習慣於分散注意力、多工、迅速決定、閱讀多媒體和進行網路合作，因此學校的教育若能配合他們的思慮特性，有助於達成教學目標 (Prensky, 2001)。歷年來有許多關於悅趣化數位學習的研究，表示已被廣泛接受，Van Eck(2006)認為被廣為接受有三項因素：一、教育研究的支持歷年來已經有許多研究成果證實悅趣化數位學習可以提升學習動機、學習品質及學習成效。二、數位原住民的特質習慣處理多元資訊進行歸納與推理，並喜歡頻率高且快速的互動式學習，學習風格大多偏向圖像視覺的方式。三、遊戲成為重要產業和文化遊戲產值年年增加，電腦遊戲已成為全球普及的現代生活娛樂。 Van Eck(2006)更進一步指出教育工作者已採用將遊戲融合到學習過程中有三種方 34.