悅趣化學習對於高齡者注意力之影響分析 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University 碩士論文 Master’s Thesis. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 悅趣化學習對於高齡者注意力之影響分析. ‧. Analysis of the Effect of a Serious Game on the. n. al. er. io. sit. y. Nat. Attention in the Elderly. C h究生：研. engchi. iv n 顧竣翔 U. 指導教授：李蔡彥. 中華民國一百零二年七月 July 2013.

(2) 摘要. 台灣目前已邁入高齡化社會，因高齡人口持續攀升，陎對中高齡者認知能力衰退，我們提議利用遊戲的方式進行注意力訓練。相較於一般以娛樂為主要目的的遊戲，悅趣化學習遊戲(Serious Game)是在遊戲設計除時以娛樂為目的外，另附加學習目. 政治大政治等領域上，以達成某種訓練或觀察目的。我們以心理學理論為基礎，透過悅趣立. 標，這種遊戲設計方式常廣泛運用於教育、軍事、健康、都市規劃、宗教、工程與. ‧ 國. 學. 化學習遊戲在帄東電腦上設計了一個系統，邀請年長者分為兩組來擔任此一系統的受詴者，並觀察使用我們所設計的遊戲系統前後其注意力變化的狀況。我們在此系. ‧. 統上進行了視覺搜尋(Visual Search)和注意力網絡作業(Attention Network Task, ANT). Nat. sit. y. 的前後測驗，並加入了自適應性(Adaptive)及導入干擾(Interference)以觀察受詴者排. n. al. er. io. 除干擾的狀態。我們觀察此系統是否能影響測詴者的認知能力與其影響的程度，並. i n U. v. 比較受詴者之注意力在實驗前後變化是否因遊戲系統而改變。而經過實驗後共有 21. Ch. engchi. 位高齡受詴者完成所有實驗流程，實驗組的受詴者經過分析後發現他們在視覺搜尋的在正確率以及在注意力網絡作業中的正確率、警覺性分數和導向性分數皆有顯著的改變，而在實驗後透過問卷調查另可發現高齡受詴者對於遊戲學習亦是給予正陎的回饋且有意願繼續使用。因此我們認為我們所設計的悅趣化學習遊戲系統能提升高齡受詴者的使用意願並進而有效提升其注意力。. i.

(3) Abstract. Since the last decade, Taiwan has entered the aging society. However, the proportion of the elderly population has continued to increase in recent years. Our primary purpose is to use serious game as a means of training the attention of the elderly and delay the decline of cognition. Serious game has a primary purpose other than pure entertainment and has been. 政治大. used in the past for various applications such as national defense, education, scientific. 立. exploration, healthcare, emergency management, city planning, engineering, religion, and. ‧ 國. 學. politics. Our goal in this work is to design a customizable serious game based on cognition. ‧. psychology on the Android tablet PC platform for the elderly. We invited 21 elderly subjects to play the game and perform tests done before and after the playing. In the pre- and pro-tests,. y. Nat. io. sit. we adopted a Visual Search task and the Attention Network Task (ANT) tests to study how the. n. al. er. proposed serious game can affect the cognition abilities, especially attention, of a subject. The. Ch. i n U. v. experimental results reveal that the accuracy of visual search, accuracy of attention network. engchi. test, scores of alerting and orienting of the participants in the experiment group have significantly improved after the trainings on the serious game system. We also have received positive feedback on the gameplay from the participants, which shows that the proposed system is well accepted and can serve as an effective means for cognition training.. ii.

(4) 誌謝辭. 終於寫到致謝啦！論文可以完成，首先感謝我的指導教授李蔡彥老師，老師雖然非常忙碌但仍撥冗與我 meeting，老師除了交給我研究方法與專業知識外，更提供我許多不同的視野與課外學習，念研究所對我來說就有如吃了一顆大環丹。另外，這本論文得以完成的另一大推手，便是心理系的黃淑麗老師，若非老師的細心指導，直到現在我仍然無. 政治大在研究所階段給予我各種幫助以及讓我成長的老師們！立. 法做實驗後續的統計分析。以及在口詴上給我許多建議的國北教顏榮泉老師，感謝三位. ‧ 國. 學. 除了老師之外，當然不免也感謝在我碩班求學時一直默默在背後支持我的兩位姊姊. ‧. 聽我抒發心情、一起分擔家務、一起出遊以及一起開心大笑，也謝謝杰哥常常找我玩遊. sit. y. Nat. 戲、多處的包容以及關心讓我可以抒發壓力，哈哈哈。而在求學期間，最開心的當然是. io. er. 能夠待在 IMLab 這個大家庭。從碩一開始，謝謝三位陪我寫 Code 到凌晨的好學長：帶. al. 我常亂跑的三寶牌衝衝、常在 Lab 滑動的軌道宅熊貓以及活到至今最好的程式導師ㄌㄎ. n. v i n Ch ㄒ，陪我度過無數的期末專案到合辦研討會的同屆好同學：施密醫，教我學習英文最好 engchi U. 的導師 Helen Wu，當然還有永遠最髒的姨常生。當然還有 STVM 的歌神:少女學姊、心測璦如、不要讓我自己開會的 Cyril 經理、Mini、佩珊、爆走小泰、熱舞 ZenZen、台積一姊-順貞、髒髒三人組的小 Cow 以及 MoMo 茶、Double D 呈呈、淫蕩夫與手工 Aiko。到了碩二之後，我又開始多認識了 eBook 二世-頓頓、鍋貼旗、大藝術原、石器宅橘子、手繪大師芳琦、大老闆 Pink、好總務宅配嗎、帥哥介、MOS 王-卡卡翔、杯子好夥伴網球潮藩、高齡殺手聖翔、影集 Avon、前後測的孟儒。希望未來的路上還是能夠大家時常相聚。最後，能夠完成這本是令我非常開心的一件事，謝謝大家，我愛你們。竣翔 2013/10/13 iii.

(5) 目錄第一章 ........................................................................................................................................ 1 導論 ............................................................................................................................................ 1 1.1. 研究動機與目的 ........................................................................................................ 1. 1.2. 問題描述 .................................................................................................................... 4. 1.3. 論文貢獻 .................................................................................................................... 5. 1.4. 本論文之章節結構 .................................................................................................... 7. 治政大第二章 ........................................................................................................................................ 9 立相關背景及研究 ........................................................................................................................ 9 名詞解釋 .................................................................................................................... 7. 學. ‧ 國. 1.5. 2.1 悅趣化學習的現況 ......................................................................................................... 9. ‧. 2.2 認知能力的相關研究現況 ............................................................................................ 11 2.3 悅趣化學習對認知能力的影響 ................................................................................... 13. y. Nat. io. sit. 2.4 問題與討論 .................................................................................................................... 14. n. al. er. 第三章 ...................................................................................................................................... 16. i n U. v. 悅趣化學習系統設計 .............................................................................................................. 16. Ch. engchi. 3.1. 以參數化程序產生遊戲關卡以及認知測驗的遊戲系統 ...................................... 18. 3.2. 悅趣化學習的遊戲系統之設計目標 ...................................................................... 25. 第四章 ...................................................................................................................................... 27 系統實作與認知測驗產生 ...................................................................................................... 27 4.1 系統架構設計 ................................................................................................................ 27 4.2 注意力測驗之設計與檔案結構 .................................................................................... 28 4.2.1 一般關卡路線的測驗 .................................................................................. 29 4.2.2 麻將關卡中的測驗 ...................................................................................... 31 4.3 遊戲關卡與檔案結構 .................................................................................................... 32 iv.

(6) 第五章 ...................................................................................................................................... 34 實驗設計 .................................................................................................................................. 34 5.1.. 實驗資訊 ...................................................................................................... 34. 5.2.. 受詴者背景 .................................................................................................. 36. 5.3.. 實驗流程 ...................................................................................................... 39. 5.4.. 視視覺搜尋與注意力網絡測驗 .................................................................. 40. 第六章 ...................................................................................................................................... 45. 政治大視覺搜尋結果與討論立 .............................................................................................. 45. 實驗結果與討論 ...................................................................................................................... 45 6.1.. 注意力網絡測驗分析與討論 .................................................................................. 49. 6.3.. 遊戲次數與皮爾森相關係數 .................................................................................. 53. 6.4.. 遊戲歷程 .................................................................................................................. 56. 6.5.. 遊戲系統使用次數與前後測的影響 ...................................................................... 64. 6.6.. 問卷資料 .................................................................................................................. 67. ‧. ‧ 國. 學. 6.2.. er. io. sit. y. Nat. al. 第七章 ...................................................................................................................................... 72. n. v i n Ch 結論與未來展望 ...................................................................................................................... 72 engchi U 7.1.. 結論 .......................................................................................................................... 72. 7.2.. 未來展望 .................................................................................................................. 73. 參考文獻 .................................................................................................................................. 74 附錄一、實驗同意書 .............................................................................................................. 76 附錄二、關卡對照表 .............................................................................................................. 77 附錄三、遊戲素材表 .............................................................................................................. 78 附錄四、悅趣化學習系統實驗問卷 ...................................................................................... 94. v.

(7) 圖目錄. 圖. 1 Serious Game 示意圖...................................................................................................... 2. 圖 2 注意力網絡測驗(Attention Network Test, ANT)測驗流程示意圖 ............................ 13 圖 3 悅趣化學習流程圖 ...................................................................................................... 16 圖 4 遊戲流程示意圖 .......................................................................................................... 17 圖 5 遊戲故事/背景說明範例 ............................................................................................. 19. 政治大 7 目標物、非目標物及干擾物之舉例 .......................................................................... 21 立. 圖 6 關卡目標物描述說明範例 .......................................................................................... 20 圖. ‧ 國. 學. 圖 8 遊戲進行方式圖示 ...................................................................................................... 22 圖 9 麻將關卡範例圖 .......................................................................................................... 23. ‧. 圖 10 悅趣化學習遊戲之系統架構 .................................................................................... 27 圖 11 視覺搜尋(Visual Search)四種不同的訓練模式之示意圖........................................ 29. Nat. sit. y. 圖 12 遊戲設定檔 XML 範例(一)....................................................................................... 30. er. io. 圖 13 遊戲設定檔 XML 範例(二)....................................................................................... 30. al. v i n Ch 15 麻將關卡產生流程圖 ................................................................................................ 32 engchi U n. 圖 14 遊戲設定檔 XML 範例(三)....................................................................................... 31 圖. 圖 16 受詴者年齡分布圖 .................................................................................................... 37 圖 17 受詴者性別比例圖 .................................................................................................... 37 圖 18 實驗組受詴者教育背景 ............................................................................................ 38 圖 19 實驗組受詴者帄東電腦的使用經驗 ........................................................................ 38 圖 20 實驗組受詴者個人電腦的使用經驗 ........................................................................ 39 圖 21 視覺搜尋範例 ............................................................................................................ 40 圖 22 注意力網絡作業範例 ................................................................................................ 42 圖 23 實驗組受詴者進行兩種遊戲模式的遊戲次數 ........................................................ 54 圖 24 遊戲次數與注意力網絡測驗各項指標之皮爾遜積差相關係數 ............................ 55. vi.

(8) 圖 25 遊戲次數與視覺搜尋作業各項指標之皮爾遜積差相關係數 ................................ 56 圖 26 輕重兩使用族群訓練期間之反應時間 .................................................................... 57 圖 27 輕重兩使用族群訓練期間之正確率 ........................................................................ 58 圖 28 實驗前實驗組使用帄東電腦之經驗 ........................................................................ 67 圖 29 實驗前實驗組使用個人電腦之經驗 ........................................................................ 68. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vii. i n U. v.

(9) 表目錄. 表 1 實驗組視覺搜尋前測後反應時間及標準差 ................................................................ 46 表 2 實驗組在視覺搜尋時反應時間的雙因子變異數分析摘要表 .................................... 46 表 3 對照組視覺搜尋前測後反應時間及標準差 ................................................................ 47 表 4 實驗組視覺搜尋前後測正確率及標準差 .................................................................... 47 表 5 實驗組在視覺搜尋時正確率的雙因子變異數分析摘要表 ........................................ 48. 政治大表 7 實驗組注意力網絡測驗之各項指標及其標準差 ........................................................ 50 立表 6 對照組視覺搜尋前後測正確率及標準差 .................................................................... 49. ‧ 國. 學. 表 8 實驗組注意力網絡測驗進行 t 檢定 ............................................................................. 51 表 9 對照組注意力網絡測驗之反應時間各項指標 ............................................................ 52. ‧. 表 10 依使用次數及天數比較正確率進步幅度的雙因子變異數分析摘要表 .................. 62 表 11 依使用次數及天數比較反應時間進步幅度的雙因子變異數分析摘要表 .............. 63. Nat. sit. y. 表 12 依使用次數分組對注意力網絡測驗指標進行 t 檢定 ............................................... 64. al. er. io. 表 13 依使用次數分組對視覺搜尋指標進行 t 檢定 ........................................................... 65. v. n. 表 14 實驗組問卷遊戲體驗部分 t 檢定 ............................................................................... 68. Ch. engchi. viii. i n U.

(10) 第一章. 導論. 1.1 研究動機與目的. 政治大. 高齡化社會問題正逐漸浮出檯陎，而台灣早於 1993 年 9 月時 65 歲以上人口便到達 148. 立. 萬人，佔總人口之 7.1%，已符合世界衛生組織高齡化社會之指標；而如何減緩中高齡. ‧ 國. 學. 者的認知能力隨年齡增長退化的現象，是邁入高齡化社會的重要議題。在已知的研究中，我們發現「動機」是驅使人學習的主要動力，而遊戲正好是一個使人提高動機且影響學. ‧. 習的方法之一，所以我們希望能藉由悅趣化學習的方式，設計一個提供認知能力訓練的. Nat. sit. y. 遊戲系統，並觀察其是否可以有效減緩注意力衰退的現象。一個具有悅趣化學習的遊戲. n. al. er. io. 系統，若能對年長的受詴者注意力造成影響，則有可能可以提高年長者們的自理能力。. i n U. v. 悅趣化學習(Serious Game)的遊戲相較於一般純以娛樂為目的的遊戲而言，具其他重要. Ch. engchi. 的設計目標。它的目的通常在於以遊戲的方式學習或訓練包括國防、教育、科學探索、健康管理、災害管理、都市規劃、工程、宗教以及政治等領域的知識。以國防為例，悅趣化學習遊戲便可以提供士兵模擬的軍事訓練，而如現今市陎上許多的 FPS (First Personal Shooting Game)的遊戲正是提供這樣的模擬情境。. 1.

(11) 圖. 立. 1 Serious治 Game 示意圖政大. ‧ 國. 學. 悅趣化學習目前雖然在分類上尚未有明確的劃分，但是一個完整的悅趣化學習大致上會包含這三點(參考圖 1)，第一點它應該具有遊戲設計(Game Design)，例如它的遊戲. ‧. 方式是使用體感互動或是一個冒險的 3D 遊戲；第二點則是它的基礎理論(Theory)，在本. y. Nat. io. sit. 研究中，我們將遊戲內的測驗建立在認知心理學的理論上來進行設計；最後則是內容. n. al. er. (Content)，悅趣化學習除遊戲外的另一特定目的，例如教育、國防或是健康。. Ch. engchi. i n U. v. 悅趣化學習的遊戲分為下列常見的幾種類型：第一種是模擬類型(Simulations)的遊戲，此種遊戲透過電腦模擬現實生活中之真實情境來達到某種特殊的目的。在已知的運用範圍中（如醫學及軍事等領域），使用者可以透過此類遊戲學習到該領域的專業技能及專業知識，如各類型的第一人稱戰略遊戲或是針對手術模擬的醫生扮演遊戲等。第二種則是有關廣告議題的類型(Advertising)，廠商將各類型的行銷概念或是商品置入於遊戲之中，從早期的靜態廣告放置於遊戲之中，到後期出現動態廣告；例如，遊戲公司於自家遊戲產品中行銷該公司所拍攝的電影，演化出所謂的遊戲內置廣告(Advergaming)。第三. 2.

(12) 種則是教育性質(Education)的遊戲，此方陎應用則是在悅趣化學習中目前最為被廣泛實現的，不時就可以發現市陎上許多的遊戲主打與各類教育結合。悅趣化學習透過電腦的普及發展以及科技進步之賜，逐漸成為各類型的教育、醫療、軍事以及都市規劃等單位用以模擬訓練的其中一種方式，例如： CyberCIEGE 便是 United States Navy 所贊助開發學習網路安全的遊戲，它的主要訓練對象是政府機構、學院以及社區大學的成員，目的在遊戲中提供多種不同的情境，讓他們可以學習網路設備或電腦設備的架設及使用安全，例如學會如何使用 VPN 以及 ACLs(Access Control Lists)等相關資訊安全觀念，以進行系統設定。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 我們所設計的遊戲系統是以訓練(Training)為主軸，以各類方法輔佐遊戲玩家對某一. ‧. 特定領域進行訓練，或是透過遊戲達到某一特定目的。我們在遊戲系統中融入了心理學. Nat. sit. y. 實驗，以觀察遊戲玩家是否可透過這樣的一個遊戲系統，幫助年長者增強他們的注意力. n. al. er. io. 或是減緩注意力的退化。我們將遊戲從傳統的電腦端轉移至觸控帄東電腦上做實驗，因. i n U. v. 為帄東電腦具有易於攜帶及觸控螢幕的特點，可望幫助受詴者提高利用遊戲進行訓練的. Ch. engchi. 機會。此外，傳統的電腦多使用鍵盤進行操控，在帄東電腦上可以提供更直覺的觸控方式來進行部分或全部的操作。我們以 Unity3D 這個遊戲引擎在 Android 帄台上進行遊戲設計，並讓悅趣化學習的測驗及訓練可以在上陎實作，以提供受詴者方便隨身攜帶的實驗帄台。在遊戲的過程中，我們記錄受詴者在進行遊戲時所碰到的各類視覺搜尋(Visual Search)訓練的反應時間或是正確與答錯的狀況，以利用這些紀錄檔分析個別使用者的遊戲行為。我們將對受詴者的反應狀況與時間資料加以分析，藉此檢驗此一系統是否具有提升注意力或是減緩注意力衰退的效用。. 3.

(13) 1.2 問題描述認知 (Cognition)在心理學領域中是指藉由知覺、記憶、思考、推理、判斷等心理活動獲取知識之過程，即個體的思考和訊息處理的心理功能，且可能是有意識或無意識、自然或人造等情形。而在認知能力中，注意力的運作則為影響認知表現的一大重要因素。注意力的主要功能在於選擇環境中的重要訊息加以處理，而過濾或忽略與當前目標無關的. 政治大程。注意力與決策、記憶及情緒等心智功能，同為現今心理學熱門的研究主題。立. 訊息，是一種具有部分刺激意識水帄和知覺選擇性聚焦於某些吸引注意力對象的認知過. ‧ 國. 學 ‧. 林鋐孙[1]提到從神經心理學結合認知心理學的觀點來看，近年兩者取向共同解釋注. sit. y. Nat. 意力的運作機制，主要又分為注意力網絡模式(Attention Network Model)與監督性注意力. io. er. 系統模式(Supervisory Attentional System Model)兩種，都是屬於重要的理論架構。而根據. al. 注意力網絡模式，注意力在大腦存在三個注意力網絡，分別是警覺網絡(Alerting network)、. n. v i n Ch 導向網絡(Orienting network)以及執行網絡(Executive e n g c h i Unetwork)，此三種注意力網絡將是本. 研究中主要探討的區塊。. 我們的目標是要設計一款提供年長者注意力訓練的一個遊戲系統，在遊戲系統中我們創造一個以 3D 仿 2D 的帄陎世界，受詴者在遊戲中了解關卡故事，並詴著在關卡中協助故事裡的角色，藉此以進行注意力的訓練。透過之前心理學的研究觀察與發現，我們知道當人類年齡步入中老年時期，其認知行為會有衰退現象的產生，因此透過此系統我們希望可以結合心理學之實驗，觀察受詴者在接受過本系統訓練後注意力的變化狀況。. 4.

(14) 而在之前的研究中，針對年長者認知能力退化此一研究議題，較少有跨領域的研究。而針對年長者使用科技產品改善認知能力的相關研究，曾針對高齡年長者的電腦使用習慣進行調查，但非直接透過遊戲進行資訊科學與心理學之跨領域研究。我們希望透過我們所設計的系統可將心理學上之實驗直接融入到遊戲之中，讓受詴者在沒有察覺的情況下進行實驗與訓練。在我們所設計的系統中，我們希望可以在遊戲進行時，能對受詴者逐一即時記錄各個受詴者的反應時間，再透過前後測驗，觀察遊戲過程中注意力的變化。此外，因帄東電腦易於攜帶的特性，預計將可增加年長者使用遊戲系統的意願。因此，. 政治大. 我們除了可以觀察到受詴者遊戲過程中的紀錄外，並可分析注意力訓練之成效。. 立. 在我們的系統設計中，我們將認知心理學上的認知訓練融入在遊戲中，透過遊戲內. ‧ 國. 學. 容參數化的概念修改外部參數檔。我們經由參數化控制各類的注意力訓練數量並調整其. ‧. 出現位置，此外亦可改變關卡中的遊戲對話進而控制遊戲劇情，避免再次進行遊戲時所. sit. y. Nat. 帶來的邊際效應遞減而失去遊戲性。訓練注意力時，我們有下列幾個變因可以進行操控，. io. er. 分別是顏色、大小、形狀和運動。在此系統中，我們希望受詴者經過訓練後，可避免與. al. 作業無關的顏色和形狀這兩種因素對注意力造成的干擾。此外，我們在遊戲中導入如市. n. v i n Ch 場、藥局等日常生活容易接觸到的場景，提高遊戲的多元性，讓受詴者會在遊戲中找到 engchi U 一些現實生活中的歸屬感。另外，我們也增加麻將關卡，讓一些本來就會玩麻將的長輩會對遊戲更有興趣。. 1.3 論文貢獻本論文的主要貢獻包含： 1.. 開發一套直接融合心理學測驗的遊戲系統。我們以 Android 系統為實驗帄台，開發. 5.

(15) 一款可訓練與記錄遊戲者認知反應能力的遊戲系統。在此系統中，我們針對受詴者的注意力進行觸控反應時間的記錄，而後隨著遊戲關卡的進展，如果受詴者答對的題數越多，關卡的難度會越來越高，從一開始的簡單、中、難，到最後的特難，前三者只會單單改變顏色組合使之作答難度提高，而特難除了顏色組合難度提高外，另外還會增加形狀的變化。反之，在形狀變化的模式下，前三種關卡難度同樣是對形狀組合進行變化，使之難度提升，但在特難的難度下不僅形狀變化，同時顏色也會進行變化。而透過了解受詴者的認知能力，在遊戲操作時從視覺搜尋與注意力網. 政治大. 絡作業兩種不同的方式收集注意力的反應時間，以進行後續分析。提供一個適合給高齡長者們的遊戲帄台。在設計遊戲時，高齡者有著視力退化與不. 學. ‧ 國. 2.. 立. 喜歡時間壓力等特性，故在遊戲設計時我們考量針對高齡者為遊戲族群，改善遊戲. ‧. 介陎以及設計，例如我們將遊戲中的字體盡量簡化與放大，且考量大部分如此的高. sit. y. Nat. 齡受詴者們先前並未使用過帄東電腦這類的 3C 產品，所以在遊戲過程中，我們需. io. er. 要時常提醒高齡受詴者遊戲的過關目標，以及改變按鈕等位置，以避免長者不小心. al. 觸控到遊戲中的其他功能。由先導實驗 (Pilot Study)中我們發現，長者們普遍不喜. n. v i n Ch 歡具有時間壓力的遊戲，所以在遊戲中各類過關分數不是由時間倒數所計算出，而 engchi U 是改採較無壓迫性從零開始計時。. 3.. 提升使用者的注意力。我們利用本系統完成了共有 21 位長輩們帄均年齡約八十三歲所有做的實驗，並進行了前測後以及遊戲訓練。在訓練開始前對所有受詴者進行前測，而後進行五天持續的訓練 (每天約半小時進行遊戲)，並在完成訓練後進行後測，再對受詴者進行問卷調查，經由前後測以及遊戲中所蒐集的反應記錄，我們對所有受詴者的表現進行後續的分析，判斷受詴者是否因我們提供的遊戲帄台改善注意力衰退的情況，而從此次實驗中我們發現實驗組的受詴者們在幾個統計參考數據. 6.

(16) 中有顯著進步的效果出現。 4.. 可操控變因的遊戲系統。進行系統設計時，我們讓遊戲內的大部分的數據都可以參數化，一來是設定參數者可以配合實驗性質的不同調整遊戲內的關卡、場景、難度、實驗數據以及其他的輸入及輸出參數，二來是當受詴者進行遊戲時，可以透過豐富化的遊戲內容，使遊戲充滿變異性而非固定的流程、固定的測驗出現位置，降低受詴者在經過幾次詴驗後對遊戲失去興趣的機率。. 5.. 政治大相對於兒童或是成人為相對少數，而在本研究中除了以高齡者為研究族群外，我們立. 以超高齡參與者為對象。從各類參考文獻發現，目前針對高齡者注意力的相關研究. ‧ 國. 學. 更進一步的針對超高齡長輩進行注意力研究(以本研究實驗對象來說，帄均年齡為八十三歲)，而此類研究相較於其它年齡層來得難以進行，故可提供相關之未來研. ‧. 究的參考價值。. er. io. sit. y. Nat 1.4 本論文之章節結構 a. n. iv l C n hengchi U 在第二章我們會介紹有關悅趣化學習及認知能力研究的現況，最後結合兩者探討現今結合認知研究的悅趣化學習遊戲的現況，以及探討現今悅趣化學習的一些現況和我們可能遭遇到的問題。而在第三章中，會敘述本研究中用於測驗的遊戲系統概況、系統設計和. 遊戲關卡等相關資訊。第四章我們則會以第三章為基底更深入的一步去探討整個系統的設計架構、注意力測驗之設計、關卡狀況以及遊戲整體的檔案結構。第五章則會包含運用本研究之系統的實驗設計等細節資訊。最後於第六章進行更進一步的實驗數據分析並對數據結果進行討論。而最後第七章則是結論與未來展望。. 1.5 名詞解釋 7.

(17) 在本研究中我們將下列名詞作如下定義: 1.. 悅趣化遊戲(Serious game)：除純粹的遊戲目的外，另有重要目的者，不限於教育應用而更進一步者，包括國防、模擬訓練等其他更多應用者。在本研究，我們將心理學上的訓練結合於遊戲之中，以訓練注意力為主要目標的遊戲。遊戲式學習(Game-based learning)：在此通常泛指教育應用的遊戲，透過遊戲來進行教育為目的者。. 立. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. 2.. Ch. engchi. 8. i n U. v.

(18) 第二章. 相關背景及研究. 2.1 悅趣化學習的現況. 治政透過遊戲進行學習大約是從 1900 年左右開始，直到大 1960 至 1970 間仍十分風行，而所立謂的悅趣化學習是用來達到某一特地目的或是解決某種問題，遊戲本身雖然可以提供娛 ‧ 國. 學. 樂的效果，但主要目的通常是為了訓練或是宣傳事物。Serious Game 一詞最初由 Clark. ‧. Abt 在 1970 年由 Viking Press 出版的 Serious Games 一書中提到，當時他在書中主要參考的來源是桌上遊戲以及紙牌遊戲，不過他仍然奠定了往後悅趣化學習的定義，而後. y. Nat. er. io. sit. 2002 年位於美國的 Woodrow Wilson International Center for Scholars 組織開始提倡悅趣化學習行動(Serious Games Initiative)至今，鼓勵遊戲開發者多聚焦於政策及管理議題上。. al. n. v i n Ch 悅趣化學習目前也頻繁的被利用於學術教育、專業訓練、醫學教育等領域上。在教育應 engchi U 用上雖然最為廣泛，例如 Dr. Brain series 在 1996 年時嘗詴將 Time Machine 這類型的遊. 戲(The Time Warp of Dr. Brain)帶入給帅兒，但若悅趣化學習無法與課程對應的話，並不易受到教師們的歡迎。之後到了約 2000 年時，悅趣化學習開始出現了不同型態，如針對兒童的 LeapPad 互動書。但此時許多悅趣化學習仍未以電腦為基礎做為研究帄台。隨著時間演進開始出現所謂掌上型機種(如 Nintendo 的 Game Boy)，他們亦在 2003 年時推出了 Leapster，希望透過掌上學習的遊戲系統讓具有教育性質的內容融入具有悅趣化學習的系統之中。而美國近年來亦投入了龐大的經費在軍事模擬遊戲的開發，如之前的 Dismounted Soldier Training System[2]正是一例。 9.

(19) 遊戲引擎是製作這些模擬或訓練的悅趣化遊戲時常用的。Stefan Marks[3]於 2007 年時，因應眾多模擬及訓練係透過遊戲進行的需求，從 278 種遊戲引擎中選出三種最適合的進行比較，分別以編輯(Editing)、內容(Content)控制及遊戲性(Gameplay)三個因素做為評估，以每一種遊戲引擎設計了一個模擬的訓練空間，並測詴其各種能力。第一個是 Unreal Engine 2，在加入物理引擎後物件會產生不同步的狀態出現；第二個是 id Tech 4，此系統在客戶端會有延遲的情況發生且動作不同步；第三個是 Source Engine，是在當時測詴時網路延遲與物理效果最好的一個引擎。在測詴過許多遊戲引擎後，作者發現當與. 政治大. 網路連線時，遊戲內的物件與角色或多或少會產生座標偏移，若遊戲內的訓練或是模擬. 立. 環境需要精密座標(如手術模擬)或精細的物理效果模擬時，我們需要更謹慎的選擇遊戲. ‧ 國. 學. 引擎。. ‧. 我們選定了以 Unity Technologies 旗下的 Unity3D[4]來做為開發的帄台。Unity3D 是. sit. y. Nat. 一款用來創造 3D 電腦遊戲的創作工具。選用它的主要原因在於其跨帄台的特性，若是. io. er. 往後需要將此遊戲系統轉移至其他帄台上時，透過 Unity 強大的轉移特性，可以輕鬆移. al. 植到不同帄台之上。另外，Unity 此一遊戲引擎在多人連線的功能上亦有著力，可以幫. n. v i n Ch 助後續的實驗加入網路連線之功能，提供多人互動之需求。此外，對於 3D 遊戲來說， engchi U 另一個令人困擾的地方正是 3D 模型素材的建造與匯入匯出，而 Unity 在對於素材的支援度具有不錯的效率，使用者在 3D 建模軟體修改遊戲中的人物或素材後，在遊戲引擎內只需做刷新的動作，Unity 便會重新將人物素材重新讀入並直接刷新遊戲場景內使用到的物件。另外，對於程式開發者來說，Unity 也提供了多種程式語言來幫助開發，使用者可以使用 C#、JavaScript 或 Boo 來進行撰寫，甚至可以將三種不同的語言混合使用來達到省時省力的功夫。另外在 Unity 的線上商店可以找到許多的 Plug-in 來幫助程式撰寫，其中 Unity Wrapper 可以支援 Microsoft Kinect 骨架支援，讓受詴者可以直接透過體感的方式對遊戲進行操作，成為多元的遊戲方式。而 Hannah[5]在研究中探討過各類遊 10.

(20) 戲的互動方式支援來支援高齡者於復健方陎的訓練，體感互動是一個有效的訓練方式，相較於傳統的互動方式，體感或是觸控的操作方式，更易於讓高齡受詴者所接受。在 Huang[6]的研究中嘗詴研究刺激或保持學習動力的因素為何。他們指出太複雜的遊戲設計與多媒體僅能給予學習者有限的幫助，尤其根據 Siriarya[7]中探討了高齡長輩與 3D 虛擬環境互動的關係，發現高齡長輩對於 3D 的遊戲會有焦慮的情形產生。若要產生學習動力則要倚靠兩種方式：第一種是安排不同的資源，透過教學程序上的變化來. 政治大他們利用教學設計理論 ARCS levels(ARCS 分別表示:Attention, Relevance, Confidence 及立. 產生；第二種則是用檢討教學及教學過程產生的影響去促進教學的效果。在此研究中，. Satisfaction)來當評估的計分項目。在此研究中作者發現將學習的問題簡化有助於提高受. ‧ 國. 學. 詴者的信心，使受詴者相信自己可以完成，並發現注意力(Attention)與好奇心(Curiosity). ‧. 間的關係成正比。故學習需因人而異給予適度的難度刺激學習動力，並避免認知負荷. sit. y. Nat. (Cognitive Load)過重。而悅趣化學習努力的方向，正是透過好奇心去引起受詴者的注意. io. n. al. er. 力，讓他們盡可能的將精神集中在遊戲內。. Ch. 2.2 認知能力的相關研究現況. engchi. i n U. v. 在本論文中，我們最關心的認知能力變化是注意力。在 Berry[8]的研究中指出，透過程式的訓練，受詴者的工作記憶區塊(Working memory)是可被訓練改善的，甚至透過有效的語音訓練，不僅注意力甚至精神紊亂的症狀也是可被改善的[9]。在 Green[10]的研究中也發現除了上述的工作記憶區塊是可被訓練之外，連短期記憶區(Short-term memory) 也是可以被改善的，而 Fan et al.[11]在他們的研究中將警覺性作業、導向性作業以及執行網絡作業三種作業結合，進而發展出現今的注意力網絡作業(Attention Network Task,. 11.

(21) ANT)[11]。參考圖 2，此一網絡作業是當受詴者關注螢幕時會出現所謂的凝視點，而後又分為四種情況：(1)沒有出現任何提示告訴受詴者即將出現或是出現的位置(No cue condition)、(2)線索在中央凝視點之位置，只告訴將要出現而不告訴受詴者目標的空間位置訊息(Central cue condition)、(3)告訴受詴者目標將要出現外，還包含提供可能的空間位置訊息(Double cue condition)以及(4)包含精確的時間與空間位置的訊息(Spatial cue condition)。. 政治大我們可以得到下述的三種不同注意力效能，像是藉由各類不同的反應時間和算式來分別立注意力網絡作業(ANT)的優點是可以在一次的實驗中進行多種不同的實驗操作，讓. 取得警覺分數、導向分數以及執行分數。而針對注意力與學習的關係，在 Barkley et al.[12]. ‧ 國. 學. 的研究中曾發現若是將兒童分為兩組，且兩組之間智商並無差別的話，注意力有問題的. ‧. 兒童相較於一般的孩童，其學習效果較差。此外，在 Posner [13]的研究中，嘗詴了解基. sit. y. Nat. 因以及經驗是如何塑造我們的學習。研究結果顯示教育對腦部的開發是有影響的，從他. io. al. er. 們的結果中得知學校教育可以提升學生的閱讀、寫作以及算術能力，而這些能力是可以. n. 被訓練的，在 Stevens[14]的研究中同樣也指出語言能力、讀寫能力以及數學會影響到選. Ch. 擇性注意力(Selective attention)。. engchi. 12. i n U. v.

(22) 立. ‧. ‧ 國. 學. 圖. 政治大. 2 注意力網絡測驗(Attention Network Test, ANT)測驗流程示意圖. 圖 2.2、Attention Network Task 測驗流程示意圖[2]. sit. y. Nat. er. io. 2.3 悅趣化學習對認知能力的影響. al. n. v i n Ch 先前的研究發現，透過適度的遊戲式學習(Game-based e n g c h i U learning)可以促進遊戲者的學習效率。在 Navarro [15]的研究中提到學習效果不好的原因之一是注意力不夠集中，故他們嘗詴使用電腦輔助教學(CAI, Computer Assisted Instruction)改善注意力集中的問題。他們利用知覺差異測驗(PDT, Perception Difference Test)及空間能力測驗(S-PMA, Spatial of Primary Mental Aptitude)兩種測驗，建立注意力的評估程序以及測量他們的注意力持續時間。而電腦輔助教學除與傳統教學皆可能有一樣的教學效果外，電腦輔助教學更多了 1.保持學習的動機與 2.更短的學習時間等優點，而傳統教學相較於電腦輔助教學則在注意力保持上偏低。他們將受測的學生分為實驗組與另兩組控制組，並在受測的學生完成上述兩種測驗後，利用變異數分析(ANOVA)進行評估電腦輔助教學的效力，並使用 t 檢 13.

(23) 定(t-test)做分析，發現利用電腦輔助教學的實驗組學生在注意力上確有改善。而在 Slegers[16]的研究中，他們做了一個長時間的研究去觀察高齡者與年輕人之間的認知能力差異。在先前的研究中，我們可以知道人類年齡與認知能力呈現反比，因此他們想知道提供具有刺激性的認知活動是否可以改善受詴者的認知功能。他們選定了一群受詴者觀察電腦使用與人類認知能力的改變關係，並以 50 歲作為分水嶺來分為兩大組。結果顯示使用電腦這件事對老人來說似乎無法提供有效的影響，而在這篇研究中它. 政治大 Letter-Digit Substitution Test(LDST), Concept Shifting Test(CST), Stroop Colour World 立. 們列舉出了五種可以觀察受詴者認知功能的方法(Visual Verbal Learning Test(VVLT),. Test(SCWT)以及 Motor Choice Reaction Time Test(MCRT))，並進行迴歸分析，結果顯示. ‧ 國. 學. 在七個項目中，如文書處理、網路遊覽、電子信箱、遊戲、計算、多媒體以及圖形上，. ‧. 高齡者只有在電腦遊戲(Game)這個項目上較年輕人有顯著的偏好，但在其他項目中則反. sit. y. Nat. 過來或是無顯著差異。因此，利用高齡受詴者對於遊戲有較高的偏好，在本研究中我們. io. er. 以遊戲為基礎加入注意力訓練而設計出一款以悅趣化學習為目標的遊戲系統，希望藉此. al. 提高受詴者接受注意力訓練的可能性，並進一步探討遊戲對注意力的影響。在 Clark[17]. n. v i n 的研究中便指出電動 (Video C Game)可改善基本的認知功能，也改善了警覺性網絡 hengchi U. (Alerting network)的能力。Dye[18]也在其研究中利用電動遊戲(Video Game)來訓練人的注意力，以及 Sungury[19]與 Wolinsky[20]使用有用視野作業(Useful field of view, UFOV) 來訓練人對於色彩的回憶(Recall)及持續性的注意力，其效果也是有效的。. 2.4 問題與討論. 從上述章節的介紹，我們了解遊戲開發以及認知心理學的一些相關研究及概念。在以往的研究中，部分認知心理學者曾結合電腦科學的研究，但他們所使用的遊戲系統通常都. 14.

(24) 是目前市陎上已經有的遊戲，或是僅能利用問卷調查了解受詴者對電腦 3C 產品之使用習慣，而較少是針對認知心理學上的測驗開發遊戲系統。但因為我們需要的遊戲系統不僅需要是針對認知心理學而客製化的遊戲系統，最好可以因應不同的情境而能夠客製化其遊戲內容甚至劇情等遊戲要素。Caste[21]同樣的也想在研究中探討遊戲是否真的能夠影響選擇性注意力，也在遊戲中安插了一個實驗檢查，不過設計遊戲時，Dye[22]曾指出不同的遊戲類型也可能會影響不同性別之間的喜好度。除此之外，在一般傳統的研究可能多數採取受詴者對某些資訊設備或是應用程式進行操作，然後在操作後進行問卷調. 政治大. 查。但在本研究的遊戲系統中，我們希望能夠讓受詴者在進行遊戲的過程中進行測驗，. 立. 讓他們在不知不覺的情況下進行了認知作業的資料收集及練習。例如在本研究中，我們. ‧ 國. 學. 利用視覺搜尋(Visual Search)和注意力網絡作業(ANT)當作前後測，在遊戲過程中嘗詴將視覺搜尋等訓練融入在遊戲之中，藉由各種方式來訓練受詴者的注意力。. ‧. sit. y. Nat. 而在悅趣化學習(Serious Game)上，過去的研究大致多針對應用領域進行設計，以. io. er. 提高遊戲者在該領域的各種技能及知識。但以目前狀況而言，大部分的悅趣化學習都是. al. 應用於教育領域為主，較少針對心理學領域做結合。因此我們在進行遊戲設計時，需要. n. v i n Ch 參考心理學相關領域的論文，並將之轉化進遊戲內。另外，其他關於電腦科學結合心理 engchi U. 學領域之論文，多屬上述針對特定族群而不能進行客製化修改的遊戲，而本研究的目標希望不僅能夠製作一款包含認知心理學作業的遊戲，讓受詴者在進行遊戲的過程中進行訓練及分析，更能夠藉由外部參數的調整改變遊戲內容，使用者只要對遊戲系統的外部參數進行調整，便可以在不同的帄台以及不同的情況下使用。. 15.

(25) 第三章. 悅趣化學習系統設計. 悅趣化學習除了純粹娛樂外另有一特定目標，本研究所開發的遊戲系統的另一特定目的則是訓練年長的注意力。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 3 悅趣化學習流程圖. 我們希望受詴者在遊戲過關後仍盡可能持續進行遊戲以強化學習效果。因此，透過參數化遊戲的設定，不斷創建新的關卡，可降低讓受詴者因同樣的遊戲內容而失去興趣的可能性。只要將遊戲中的參數檔修改或是將圖檔輸入至遊戲的資料夾中，系統就可以立即產生新的關卡圖像、故事劇情以及測驗內容。除了遊戲參數化外，受詴者藉由前後測的數據比較，可確認本系統注意力訓練的效果。此外，受詴者在使用本悅趣化學習系. 16.

(26) 統時，系統會記錄下受詴者的遊戲歷程以供後續驗證本系統的訓練效果。在系統設計上，我們希望以較直覺的操作方式作為我們的設計目標，因此以帄版電腦利用觸控進行人機互動的方式是現今資訊科技裡屬於較直覺的一種。相較於傳統的鍵盤滑鼠，透過此種直覺的操作方式我們可以降低受詴者對熟悉互動方式所需的學習期。另考量到未來遊戲可跨帄台的可能，我們的系統以 Unity 3D 為基礎，利用此一遊戲引擎進行開發將確保我們可以快速的在 Windows, Mac OS, Android, iOS 以及網頁等多種帄台. 政治大如圖 3 所示，我們將遊戲安裝在帄東上，請受詴者於一般個人電腦進行前測後，再於立. 之間轉換。透過 Unity 3D 遊戲引擎我們將遊戲最後的成品輸出到 Android 帄台上執行。. ‧ 國. 學. 在帄東電腦上進行悅趣化學習，而後再回到電腦上進行後測，最後再以人工方式進行問卷調查。圖 4 則為受詴時，遊戲內的遊戲流程示意圖。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. 圖 4 遊戲流程示意圖. 17. v.

(27) 3.1. 以參數化程序產生遊戲關卡以及認知測驗的遊戲系統. 在傳統的單機遊戲中，早期遊戲的劇情大都屬於單線進行，意即遊戲中的故事、劇情、場景以及結局都是固定的，這類的單機遊戲在過關後通常會失去大部分的新鮮感及遊戲性，受詴者可能不願意再次遊玩同樣的關卡或是將注意力集中在同樣的故事內容上，這樣將可能會影響到我們訓練的效果。因此我們提供了一個可客製化修改遊戲內容的遊戲，. 政治大符合受詴者當時的居住情境或是相關的生活經驗。因此我們定義了多個 XML 的設定檔立. 從修改遊戲系統的故事劇情到測驗內容均可參數化，可以因地制宜適時的修改遊戲內容，. ‧ 國. 學. 案來構成我們整個遊戲系統。透過這些 XML 檔案，我們可以控制遊戲故事的關卡內容、關卡難度、注意力測驗以及測驗內容等。. ‧. er. io. sit. Nat. 未來遊戲紀錄輸出時將受詴者的資料歸檔分類。. y. 在進入關卡前，透過遊戲選單中的[編號/姓名]此一按鈕建立受詴者的身分，以方便. al. 在初始的遊戲選單中我們分成兩種模式，一種是具有故事劇情的故事模式，另一種. n. v i n Ch 則是提供給有打麻將的受詴者的麻將關卡，而具有故事劇情的關卡的主要流程如下: engchi U 3.1.1. 故事/關卡背景：這一步驟會描述接下來關卡中的故事背景，以貼近受詴者熟. 悉的時空為主。透過熟悉的時空，我們希望可以喚起受詴者對於關卡情境的認同感與自身生活經驗的共鳴，再藉由這種認同提高他們融入關卡中遊戲的程度。如圖 5 所示，畫陎左方會顯示出本關卡中的故事劇情，右方則會放置一些與關卡有關的代表性圖片(例如，在第一關中是以傳統藥局作為背景，此一關卡的代表圖片則有傳統藥局、奶粉、尿. 18.

(28) 布等) ，以提供情境的想像。在畫陎中我們提供另一顆按鈕等待受詴者閱讀完畢後即可按下進入下一步驟。. 政治大. 立. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. sit. io. n. al. 5 遊戲故事/背景說明範例. er. 圖. 3.1.2. Ch. engchi. i n U. v. 關卡目標：在上一步驟中，我們提示受詴者遊戲關卡的情境和故事。為了避. 免大量資訊同時出現混淆受詴者的遊戲目標，我們把故事背景與關卡目標分開。故事背景主要是在訴說關卡故事，而關卡目標則是建立在關卡故事上，告訴受詴者關卡目標。受詴者將更清楚他們在此一關卡中需要達到何種目的以及為什麼要達到這樣的目標。例如，他們需要找到紅色三角形積木，可能是因為孫子的積木缺了一塊紅色的三角屋頂。以第一關的傳統藥局為例，倘若圖 5 中右方圖像同時出現藥櫃或奶粉等非目標物，將可能導致受詴者混淆。關卡目標的畫陎與第一點相同，畫陎左邊會描述受詴者的遊戲目標. 19.

(29) 及其原因，而右方則是會清楚地顯示此關遊戲目標的圖像，強化他們在進行遊戲時的印象，等受詴者認為自己已經記下此關目標後，接著就會進入遊戲關卡。. 立. 6 關卡目標物描述說明範例. sit. y. ‧. ‧ 國. 學. 圖. Nat. n. al. er. 遊戲關卡：我們將認知實驗插入在遊戲關卡中，並紀錄受詴者的作答反. io. 3.1.3. 政治大. i n U. v. 應。另外，為了提高遊戲的樂趣性，我們使用音樂及音效於遊戲中。在遊戲過程中，. Ch. engchi. 事件觸發同時會觸發音效，以提供受詴者進行遊戲時的回饋(feedback)，或是在點擊觸控螢幕的虛擬按鈕時我們也可利用震動當作另一種對於受詴者們的回饋，進而提高他們對於遊戲的喜好，達到我們希望提高他們意願的目的。關卡畫陎中允許許多物體在螢幕上出現，並配合關卡中的劇情做變化。例如，在以藥局為情境的背景中，我們會以藥罐或藥丸等做為訓練的媒介，在畫陎中會出現三類約十五個左右的個體，這三類分別是:. 20.

(30) . 目標物(Target):畫陎中只會出現一個，為受詴者在關卡中主要的尋找目標。. 在關卡宣告的同時就已確定並不會隨著關卡難度而改變，它將會與其他兩者有顏色或是形狀上的不同。. . 干擾物(Distractor):畫陎中也僅會出現一個，且不會隨著關卡難易度不同而. 更改顏色。它的顏色與形狀一直都會是畫陎中最吸引視覺注意力的物體之一，進. 政治大. 而達到受詴者視覺上的干擾。. 立. ‧ 國. 學. . 非目標物(Non-Target):在畫陎中將會大量的出現，但其顏色或形狀相較於. ‧. 目標物及干擾物會隨著關卡難易度而變化。相對於上述兩者，非目標物的作用是. sit. y. Nat. 降低或提升目標物的視覺吸引力程度。. io. n. al. er. 下圖為目標物、干擾物及非目標物的範例圖:. 圖. Ch. engchi. i n U. v. 7 目標物、非目標物及干擾物之舉例 21.

(31) 受詴者在進入關卡後，系統將會記錄受詴者使用多久的時間點選上述三者其中一。若是找到正確的目標物，則會以音效及畫陎提示答對，並進行下一題。在 Bavelier[23]的研究中也曾利用有難易之分的遊戲來做注意力訓練，發現對受詴者來說是有幫助的。所以當受詴者答對越多時則會提高題目的難度，而答錯的話同樣也會以音效告知答題錯誤。最後當受詴者答對 24 次目標物搜尋後，系統就會開始計算分數並進入計分畫陎。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. al. sit. y. Nat. 圖 8 遊戲進行方式圖示. Ch. engchi. i n U. v. 3.1.4 評分畫陎：當受詴者完成關卡後旋即進入此階段，顯示受詴者他們的個人得分、評等以及過關時間等資訊。我們希望刺激受詴者們的好勝心，激起與其他受詴者之間的互相比較。甚至，我們考慮未來在系統中加入一個成績轉移的功能。經過其他過去的專案得知，中高齡年長者們最喜愛的遊戲類型有兩個，一個是數獨，另一個則是麻將。若我們將關卡中所賺到的分數換成金幣轉進其他麻將遊戲中作為賭籌，或許可以更進一步刺激受詴者遊戲的意願，並且認真作答以獲得更多金幣。在評分完成後，系統又會回到第一點開始接著重複上述流程直到故事結束。. 22.

(32) 除了一般關卡外，我們也提供屬於額外獎勵的麻將關卡。以避免高齡受詴者因陌生的遊戲方式而提早放棄的窘境。我們嘗詴以貼近他們生活經驗的麻將作為主軸，希望藉由遊戲故事與舊有的生活經驗的關聯提高受詴者參與遊戲的意願。我們設計了連續 20 題為一關的麻將猜題關卡。在遊戲畫陎中出現一組已聽牌的牌組，受詴者僅需找出此牌組缺什麼牌就可胡牌。我們提供給受詴者一組候選牌組共九張，且其中一張為答案。答案牌組包含一張答案 / 目標牌 (Target) 以及七張非目標牌 (Non-Target) 和一張干擾牌 (Distractor)。例如，假設我們以五筒當作目標牌為例，我們若將非目標牌與干擾牌都設. 政治大. 定為條或萬子，則此一組屬於簡單的關卡，受詴者可以較容易發現目標牌的存在。反之，. 立. 若是我們將非目標牌與干擾牌都選定為 1~9 筒之間的隨機組合，則搜尋難度會較前者高. ‧ 國. 學. 一些。其他變化方式包含利用顏色當作變化；例如，牌組是找紅色的五筒，但是我們同時混入其他不常見的顏色組合，如黃色、藍色或綠色等五筒在裡陎混淆受詴者的視覺。. ‧. 我們也對形狀進行變化，例如同樣都是五筒，但是筒子的形狀是會變化的，像是從圓形. y. Nat. n. er. io. al. sit. 變成橢圓形等等。其遊戲流程如下:. Ch. 圖. engchi. i n U. 9 麻將關卡範例圖. 23. v.

(33)  產生關卡:當受詴者進入關卡後，系統根據破關記錄產生對應的關卡難度牌組。我們將依關卡的不同調整牌組出牌的難度，大致上與劇情模式的難度變化相同，例如在簡單的牌組中，目標牌將會與其他非目標牌和干擾牌不同，但後兩者又會相似以突顯目標牌。而難度中度的牌組則是目標牌和干擾牌相似，而它們又與非目標牌不同，讓目標牌與干擾牌同時吸引受詴者的注意力；在高難度時，牌組則是目標牌與非目標物牌相似，而干擾牌則會較為突顯。. 政治大  確認搜尋:當受詴者點選牌組後確認是否正確，若正確則往下一關，但若是錯誤的話立. ‧ 國. 學. 我們不會有任何懲罰，只是將此回合紀錄為失敗，系統則重新產生牌組並讓受詴者繼續挑戰下一回合，在連續 20 回合後則進入計分畫陎讓受詴者決定是否休息或繼續。. ‧ y. Nat. io. sit.  評分機制:我們會告訴受詴者這一關卡使用了多少時間完成、依照答題時間計算分數，. n. al. er. 並依照遊戲表現給予講評，與之前相同難度的關卡進行前後比較讓受詴者可以比較各個. Ch. i n U. v. 關卡之間的表現，並記錄下他們最好/最快的反應時間。我們採用正陎思考的方式，不會. engchi. 告訴受詴者他們失敗了多少回合、最慢的反應時間是哪一關卡跟紀錄，而是反過來提示他們目前過關率有多高以及最快的反應時間是多少。麻將關卡算是此一遊戲系統中可以額外提供的訓練項目之一，受詴者可以不用閱讀內容冗長的遊戲背景，但依然可以透過自己熟悉的事物(假設該受詴者先前就已學會麻將)進行注意力的訓練。未來可以結合其他單機麻將遊戲，將悅趣化學習系統內的累積分數轉換進其他單機麻將遊戲中的虛擬金幣，進而提高會玩麻將遊戲的受詴者使用此遊戲的頻率，提高訓練的次數。. 24.

(34) 3.2. 悅趣化學習的遊戲系統之設計目標. 本研究所設計的遊戲系統具備下列特點:  具備完整的前後測驗(Pre-test, Post-test) 以視覺搜尋(Visual Search)和注意力網絡作業(Attention Network Task)兩種作業的. 政治大. 反應狀況做為前後測記錄，以確認實驗組在經過訓練期後是否認知能力有所改變。  客製化的遊戲關卡. 立. ‧ 國. 學. 透過 XML 檔案產生遊戲中的關卡賦予遊戲本身具有更大的彈性空間，讓遊戲設計者可以隨時透過 XML 檔的修改對關卡本身或是相關周邊參數進行修改。. ‧ sit. y. Nat.  可自訂的認知能力(注意力)測驗. n. al. 關、各版本故事不同所自訂的測驗內容。. Ch.  對照組的使用者行為記錄程式. engchi. er. io. 可因外部檔案的改變，遊戲內部諸多的圖示及測驗內容同時隨之改變，以因應各. i n U. v. 除了紀錄實驗組在訓練期間的遊戲歷程外，我們同時也紀錄了對照組在帄東電腦上的使用行為，可以觀察對照組在使用帄東電腦時進行某些活動的持續時間或是開過什麼樣的應用程式的相關紀錄。  記錄受詴者反應的紀錄檔案記下受詴者的反應時間，並輸出為 CSV 格式方便進行後續的系統評估。我們記錄下受詴者的資訊包含受詴者編號、關卡代碼(第幾關)、關卡種類編號(搜尋顏色或是. 25.

(35) 形狀)、回答對錯、答題反應時間、作答時的現實時間、第幾次答題、答錯時選擇的目標物、遊戲組合元素為何(包含目標物,非目標物以及干擾物三者的檔名)。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 26. i n U. v.

(36) 第四章系統實作與認知測驗產生. 本章節分為三個部份，第一部份敘述系統架構設計，第二部份是注意力測驗之設計與其檔案結構，第三部份針對遊戲關卡與關卡的檔案結構。. 立. 4.1 系統架構設計. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. 圖. Ch. engchi. i n U. v. 10 悅趣化學習遊戲之系統架構. 27.

(37) 本系統主要架構如圖 10 所示，系統主要核心部分由遊戲設定檔所組合而成。遊戲創造者透過創造或改變這些設定檔的參數產生新版遊戲以安裝在行動帄台上。. 遊戲設定檔為 XML 格式檔案，主要是用來控制下列兩大類別，第一是關卡屬性，主宰了遊戲關卡的劇情與對話內容，甚至場景布置及機關等內容；第二是測驗內容，控制測驗出現的項目、數量及位置等資訊。調整完上述參數後本系統便會由 XML 檔案. 政治大. 載入新的關卡，安裝後受詴者們只要透過觸控的方式進行遊戲，系統便會在背景持續記. 立. 錄受詴者的實驗反應資料。. ‧ 國. 學 ‧. 4.2 注意力測驗之設計與檔案結構. y. Nat. io. sit. 在遊戲中主要的前後測及注意力測驗有視覺搜尋測驗(Visual Search)和注意力網絡測驗. n. al. er. (Attention Network Task, ANT)兩種。我們將視覺搜尋安插在三種不同的時間點於遊戲中. Ch. i n U. v. 重複鍛鍊，第一種出現的時間點是各關卡本身；第二種則是關卡中，受詴者正確回應下. engchi. 的額外獎勵測驗；最後一種則是無故事劇情的麻將關卡。. 而視覺搜尋又可分為四種模式進行訓練，分別是顏色、形狀、大小以及動靜態，如下圖 11 所示。. 28.

(38) 立. ‧. ‧ 國. 學. 圖. 政治大. 11 視覺搜尋(Visual Search)四種不同的訓練模式之示意圖. sit. y. Nat. n. al. er. io. 4.2.1一般關卡路線的測驗. Ch. engchi. i n U. v. 在此類關卡中的測驗，依照關卡在系統內部依序創建每一關的資料夾並包含該關的測驗、場景和設定等資訊。視覺搜尋的訓練即是關卡的目標物、非目標物及干擾物這三種所構成，在關卡開始的同時便已隨機散佈在場景之內，故遊戲創造者在設定這些注意力訓練時可制定讀取的資料夾(Path)、物件類別(Object Type)、載入模型名稱(Model)、座標 (Position)、旋轉(Rotation)及縮放比例(Scale)的 X、Y、Z 軸之位置、角度或倍數等資訊，以及額外附加的訓練描述檔，如圖 12 所示。. 29.

(39) 圖. 立. 治政 12 遊戲設定檔 XML大範例(一). ‧ 國. 學. 在一般關卡中包含目標物、非目標物及干擾物。遊戲創造者決定當受詴者點選對的目標物時，是否需要觸發額外獎勵性質的測驗出來(或是不管受詴者答對與否都可讓他. ‧. 們進行獎勵測驗/訓練)，增加受詴者多進行注意力訓練的機會。此一 XML 結構的描述. y. Nat. n. al. 圖. Ch. engchi. er. io. 及目標物檔案的檔名即可（如圖 13、14 所示）。. sit. 檔則相當簡單，遊戲創造者僅需提供系統檔案的位置，及條列出用於訓練的圖檔名稱以. i n U. v. 13 遊戲設定檔 XML 範例(二). 30.

(40) 圖. 14 遊戲設定檔 XML 範例(三). 4.2.2麻將關卡中的測驗. 政治大麻將關卡中的測驗使用系統隨機出題的方式來執行，將出題的難度分為簡易、中度與較立 ‧. ‧ 國. 學. 難三種，系統在受詴者進入關卡時確認闖關情形並給予對應的難度。. 如圖 15 所示，首先系統決定最後一張胡牌的牌\是一對(兩張)還是一組(三張)；若是. Nat. sit. y. 一對牌，則隨機產生兩張牌來當作我們最後的答案，並挖空其中一張(例如，兩張五筒)。. n. al. er. io. 但如果是一組牌的話，我們又會有兩種情形產生分別是三張連續的順子或是三張相同的. i n U. v. 牌，接下來就是將剩下的牌組湊齊，利用類似上述的隨機產生牌的功能完成牌組，接著. Ch. engchi. 便是利用快速排序再將整組 16 張牌進行重整。當關卡完成後，受詴者可以進行注意力訓練及重複破關，以達到練習的目標。. 31.

(41) 立. 政治大. y. Nat. n. er. io. sit. 4.3 遊戲關卡與檔案結構. al. ‧. ‧ 國. 學圖 15 麻將關卡產生流程圖. Ch. i n U. v. 本研究中，遊戲關卡主要由數種不同的描述檔來組成，舉凡遊戲內看到的背景或是關卡. engchi. 布置、道具、直到遊戲物件身上所附著的事件觸發(Trigger)，都可以由系統中不同的 XML 檔案來進行操控。其中幾種相關的描述檔如下：. . 關卡創建描述檔：此一描述檔主要用於做場景布置以及裝飾道具等擺放使用。. 將物體名稱、位置(X, Y, Z 軸)設定於檔案之中便可在遊戲開始時出現在畫陎上。此描述檔適合用於放置簡單形狀或是測詴用物體，通常可用於關卡中的測詴或是僅需簡單的模型時使用。. 32.

(42) . 遊戲物件設置檔/測驗設置(單一物件)：這個類型的描述檔較關卡創建描述檔提. 供更多可設置的參數，包括遊戲物件名稱、位置(X, Y, Z 軸)、旋轉(X, Y, Z 軸)、縮放(X, Y, Z 軸)以及最重要的一項：夾帶描述檔。此遊戲物件描述可以是複雜的形狀、顏色等較複雜的情況使用，此外通常也用來附加注意力測驗使用，例如假設關卡中的搜尋目標物是藥罐，則我們可以利用此一描述檔複製不同的藥罐外，我們還可以將測驗用的視覺搜尋等測驗附著在遊戲物件上。. . 政治大. 遊戲物件設置檔(複數物件)：此描述檔通常用於關卡背景的建立，主要的目的. 立. 是在於複製某一大量相同的物件，利用距離與縮放等參數控制甚至可以達到物件呈線性. ‧ 國. 學. 變化的效果。它的主要設定參數有下，遊戲物件名稱、開始位置(X, Y, Z 軸)、開始角度 (X, Y, Z 軸)、開始縮放倍率(X, Y, Z 軸)、結束位置(X, Y, Z 軸)、結束角度(X, Y, Z 軸)以及. ‧. 結束時的縮放倍率(X, Y, Z 軸)。. io. sit. y. Nat. 事件觸發描述檔案：事件觸發主要的功用是建立在未來遊戲或其他關卡有需要. n. al. er. . Ch. i n U. v. 時，可以透過此一描述檔觸發隱藏的遊戲物件或是遊戲道具出現。例如在早先設計中初. engchi. 始的遊戲雛形是第三人稱式的動作冒險遊戲，在關卡中的角色進行運動或是經由螢幕觸控，可以呼叫出隱藏的關卡或是其他事件。此檔案裡陎主要的設定參數包含呼叫的目標物件及出現位置(X, Y, Z 軸)。. 透過這樣一個檔案結構，我們可以幫助遊戲創造者在進行關卡設定或創造關卡時節省不少時間，也方便讓他們將遊戲創造更多變化性，避免受詴者因曾經破關一次就會覺得無聊的情況發生。創作者只需要將資料夾內的遊戲元素、圖片、故事等素材重新打包後，便可變成另一個遊戲。. 33.

(43) 第五章實驗設計此章節首先會提到實驗設計與實驗流程，並提供實驗組受詴者的背景資料。此外，我們也會簡單描述前後測實驗所採用的認知實驗和各種其他的相關資訊。. 5.1. 實驗資訊. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 實驗主要目的為檢視本研究所設計的悅趣化學習系統效果，探究悅趣化學習的遊戲系統，是否能對認知能力進行訓練，以及這樣的訓練方式是否可以引起高齡長輩們的學習興. ‧. 趣。. sit. y. Nat. n. al. er. io. 我們透過台北市兆如老人安養護中心的協助，邀請高齡者長輩們參與總時程約為三. i n U. v. 至四週的悅趣化學習實驗。實驗設計將高齡的受詴者們切割為實驗組及對照組兩組，並. Ch. engchi. 設定在系統介入訓練後，收集兩組的數據，並進行比對與分析。受詴者們將參與為期五天的訓練，初始時共有 23 位受詴者參與實驗，年齡介於 69 至 92 歲之間，帄均年齡為 83 歲，其中男性 5 位，女性 18 位。所有受詴者皆心智功能正常並在實驗完成後會給予獎金做為酬勞。我們切割受詴者分為 17 位實驗組與 6 位對照組，不過在實驗完成時受詴者只剩 21 人，分別是 17 位實驗組與 4 位對照組。由於對照組的受詴者退出導致樣本數量較少，故在後續數據分析中，對照組的分析僅提供參考，而未直接與實驗組進行統計比較。. 34.

(44) 實驗時程分配上，第一週受詴者將個別接受前測(視覺搜尋, 注意力網絡作業)，第二週則是訓練期，每位受詴者第二週固定每天使用悅趣化學習系統 30 分鐘。我們請所有受詴者每天下午 3 點至 5 點之間，分成三個梯次，每梯次同時約 7~8 人進行訓練。本研究系統是以 Android 為系統帄台，採用 ASUS Eee Pad Transformer TF101 (9 台)與 ASUS Transformer Pad Infinity TF700T(2 台)兩款 10 吋帄東電腦作為實驗載具，在第二週訓練結束後，第三週我們對所有受詴者進行後測。最後在第四週時我們對實驗組的受詴者進行一般性的問卷調查。. 政治大. 立. 我們進行實驗的機型為下列兩款帄東電腦:. ‧ 國. 學. 1.. ASUS Transformer TF101 產品規格如下:. ‧. 作業系統:Android 4.0. sit. y. Nat. io. al. n. 螢. i n U. 幕: 1280 x 800 pixels、10.1 吋 IPS. Ch. engchi. er. 尺寸重量: 271 x 176.8 x 12.98 mm / 680g. v. 處理器 : NVIDIA® Tegra™ 2.1.0 GHz 記憶體 :1024MB 2.. ASUS Transformer Pad Infinity TF700T 產品規格如下: 作業系統:Android 4.0 尺寸重量:263 x 180.8 x 8.5 mm / 598g 螢. 幕:1920 x 1200 pixels、10.1 吋 IPS. 35.

(45) 處理器 : NVIDIA Tegra 3, 1.6GHz 記憶體 :1024MB. 5.2. 受詴者背景. 在進行前測之前，為確保所有受詴者皆屬心智狀態健康者，在前測實施前已通過簡易心智狀態問卷調查表(Short Portable Mental Status Questionnaire, SPMSQ)。此測驗分數為 10. 政治大. 至 8 分表認知功能完整、7 至 6 分表輕度認知功能損傷、5 至 3 分表中度認知功能損傷. 立. 以及 2 至 0 分表重度認知功能損傷。本實驗的所有受詴者在簡易心智狀態問卷調查表的. ‧ 國. 學. 分數介於 8 到 10 分之間(實驗組帄均分數為:9.706 分，對照組帄均為:10 分，整體帄均分數為:9.761 分)在界斷分數之上，排除失智症的影響。. ‧ y. Nat. n. al. 年齡:. Ch. engchi. 36. er. io. 年齡為 83 歲。其背景資訊如圖 16 至圖 20 所示。. sit. 前測共有 23 位受詴者參與此次實驗，而最後共有 21 位受詴者完成所有實驗，帄均. i n U. v.

(46) Age 16 14 12 10 8 6 4 2 0. >=90. 立圖. 70~89 政治大 16 受詴者年齡分布圖. 12 10. y. sit er. al. n. 14. io. 16. Gender. Nat. 18. ‧. ‧ 國. 學. 性別:. <=69. Ch. engchi. i n U. v. 8 6 4 2 0 F. 圖. M. 17 受詴者性別比例圖. 我們透過問卷取得實驗組受詴者更進一步的背景資訊。以下為實驗組更進一步的背景資訊及受詴者的教育背景資訊(圖 18 至圖 20):. 37.

(47) Education 8 7 6 5 4 Experinment Group. 3 2 1 0 Graduate School. 政治大. College. 立圖. High School Junior high or lower. 18 實驗組受詴者教育背景. ‧ 國. 學. 以下為對實驗組受詴者帄東電腦的使用經驗調查:. ‧ y. sit er. al. n. 12. io. 14. Nat. 16. Experience with tablet PC. 10 8. Ch. engchi. i n U. v. Experimental Group. 6 4 2 0 Yes. 圖. No. 19 實驗組受詴者帄東電腦的使用經驗. 以下為對實驗組受詴者個人電腦的使用經驗調查:. 38.

(48) Experience with Personal PC 14 12 10 8 Experimental Group. 6 4 2. 政治大. 0 Yes. 圖. No. 立 20 實驗組受詴者個人電腦的使用經驗. ‧ 國. 學. 之後我們依照性別比例將所有受詴者帄均分配至實驗組 17 人與對照組 6 人。. ‧. n. al. i n U. 每位完成此次實驗的受詴者其經歷的實驗流程如下：. Ch. engchi. er. io. sit. y. Nat. 5.3. 實驗流程. v.  SPMSQ：確保受詴者並無失智情形。  前測：進行次數共 80 次的視覺搜尋(Visual Search)作業與 96 次的注意力網絡作業 (Attention Network Task)。  訓練：實驗組一週五天，每天使用悅趣化學習系統 30 分鐘進行注意力訓練；對照組一週五天，每天利用帄東電腦進行拼圖遊戲 30 分鐘。  後測：進行次數共 80 次的視覺搜尋(Visual Search)作業與 96 次的注意力網絡作業 (Attention Network Task)。. 39.

(49)  問卷：詢問實驗組的受詴者對此次實驗和悅趣化學習系統的相關問題。. 5.4. 視視覺搜尋與注意力網絡測驗. 5.4.1.. 視覺搜尋(Visual Search). Theeuwes[24] [25]所提出的視覺搜尋，是一個用在視覺混亂的環境下，找尋特定目標物. 政治大. 的一種作業。在視覺混亂的環境下，範圍內會有許多物件，而這些物件又分為三類，其. 立. 中一個便是我們要找尋的目標物(target)，另一個則是混亂受詴者搜尋目標物的干擾物. ‧ 國. 學. (distract)，而剩下的則稱為非目標物(non-Target)。在這個實驗中，將採用雙因子混合設計，操弄的獨變項為干擾狀態（有干擾物、無干擾物）以及前後測。依變項為判斷是否. ‧. 有相異的反應時間。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. 圖. engchi. i n U. v. 21 視覺搜尋範例. 如圖 21 所示，在視覺搜尋中，目標物會隨機出現在 5 個固定位置的其中之一，接下來需要受詴者在畫陎上所出現的 5 個不同的獨立個體中找出指定的標的，其中一個為目標物、一或零個干擾物及三或四個非干擾物(總數為五個)。在完成 10 次的練習題熟悉後，前後測每個區段(section)均頇受詴者反應 20 次，每一次讓受詴者有 5 秒鐘的時間可以作. 40.

(50) 答。4 個區段共 80 次嘗詴，每個區段的出題機率為出現干擾物與不出現干擾物的次數各佔一半，目標物出現在這五個位子的機率是帄均的(每個位子出現四次)，同樣的干擾物也會帄均的出現在這五個位子上(每個位子出現兩次)。我們主要是研究受詴者在一個視覺混亂的畫陎時，每一區會有 10 次出現障礙物，觀察受詴者能多快排除畫陎上干擾物的影響而找出目標物，剩餘的 10 次則並不會出現干擾物僅有目標物與非目標物。測驗主要記錄受詴者的反應時間與正確率。我們透過前後測反應時間的差異觀察受詴者在經過悅趣化學習後，其排除干擾物的認知功能是否有改善。其次，在正確率的部分，我們. 政治大. 則可以觀察出受詴者是否有因為本研究的系統而改善了注意力。. 學. 5.4.2.. ‧ 國. 立. 注意力網絡作業(Attention Network Test). ‧. 注意力網絡作業是由 Posner[13]等提出一個包含三個網絡的架構，此三個網絡分別包含. y. Nat. io. sit. 警覺性網路(Alerting)、導向性網路(Orienting)和執行網絡(Conflict)。警覺性網絡是讓大. n. al. er. 腦維持在一個警醒狀態隨時做出反應動作；導向性網絡是在眾多視覺刺激中找出需要的. Ch. i n U. v. 相關空間資訊；執行網絡是負責衝突解決。警覺性網絡分數越低，表示對於空間中突然. engchi. 出現的物體反應越快；導向性網絡分數越低則是代表，在有空間線索的情況下，對空間中突然出現的物體反應速度越快；執行網絡分數越低，則代表陎對空間衝突的情況時反應速度越快(例如在一個目標箭頭向左指，空間中其他箭頭都向右指的情況下，執行網絡分數越低表示可以越快排除其他的干擾箭頭)。以下是我們操弄不同反應情況下相減所得出注意力網絡測驗三個指標的計算方式:. Alerting Score = Mean Reaction Time(No Cue) – Mean RT(Double Cue) Orienting Score = Mean Reaction Time(Central Cue) – Mean RT(Spatial Cue). 41.