不同虛擬實境多媒體設計輔助對國小學童體積概念學習效益之研究

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(1)國立臺中教育大學數位內容科技學系碩士論文. 指導教授：王曉璿博士. 不同虛擬實境多媒體設計輔助對國小學童體積概念學習效益之研究. 研究生：林為光撰. 中華民國一百年元月.

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(3) 謝誌感謝神！我完成了！這兩年半像是一場漫長的挖掘，挖掘的對象是自己，這段時間就一直持續邊挖掘，遍詢問自己：「到底自己會什麼？」、「自己擅長什麼」、「能做什麼？」。而最後出來挖掘出來的就是這本論文。我不知道對其他人來說，這篇論文這是鑽石？還是只是一般的石頭？但是對我自己來說，這篇論文不是鑽石，也不是路旁的石頭，而像是高高立著的基石，告訴我自己，完成了！當然，自己能夠完成這篇論文，並非靠著自己一個人的單打獨鬥，首先要謝謝王曉璿老師的鼓勵和砥礪，老師大概就是我挖掘的督工，一當自己懈怠的時候，老師的監督就會提醒我，趕緊繼續挖掘，雖然有時會非常有壓力，但若不是老師的督促，我會少了多少可能性？另外感謝作為我口試委員的朱延平老師和羅豪章老師，對於我論文的諸多建議，使我的論文更加完善。謝謝國小的劉炳彪和江德興老師借我班級，讓我實驗。謝謝智偉學長，他是我實驗室的好哥哥，常在我身邊給我激勵以及一起說些五四三的。謝謝幫我寫英文摘要的郁文，我的英文放在高中忘了帶來碩班。謝謝戰友鎮宇，我們兩一起熬到碩三上，沒有一個戰友真的是件痛苦的事情。紅粉知己玉璇，雖然不知你男朋友會不會看到這一段，不過要謝謝你有時候禮貌的抱抱。謝謝阿牛，你抱起來最舒服，推薦女生要找男朋友就要找他。謝謝功夫，吃飯無怨無悔的到齊，以及帶我們去好餐廳，希望你痛風不要再復發。還有大雄，謝謝你每次聊天都很有梗讓我們欺負，其實你好像是個好人，真的。謝謝學弟妹，Kason(希望沒拼錯)的提拉米蘇。毛求聽你抱怨其實會讓我提振精神，還有幫我解決抽屜的糖果。小燕借我亂拔網路線，還有每次都留到很晚。沐玟幫我訂桌遊也是萬分感謝～桌遊很好玩！我碩三因你們而增添了許多力氣。最後要謝謝我的家人，特別是我的父母，接納我這個不成熟的孩子，作為我的支持，包容我的延畢，謝謝你們！感謝神！為光寫於 2011 年一月 4 日家中。.

(4) 摘要本研究主要探討不同虛擬實境軟體(擴增實境與虛擬實境)，對國小體積概念課程學習效益之狀況。經由準實驗研究、前後測資料收集，及一個月後的延後測驗，以瞭解學生在不同虛擬實境多媒體下學習成效是否有所差異，以期提供研究及教育界參考。本研究對象為台中某一所國小五年級學生，兩班各有 31 人，區分為擴增實境組與虛擬實境組兩組。排除無效樣本，兩組各為 29 人。經過四節課的實驗教學後，經由描述統計、共變數分析、獨立樣本 t 檢定等統計方法，對前測、後測，與延後測資料進行分析。本研究結論如下： 1.. 應用不同虛擬實境軟體對體積概念教學後的學習成效並無顯著差異。. 2.. 應用虛擬實境軟體比擴增實境軟體學習，讓學生較能建立更完整長久的體積課程概念。. 3.. 應用擴增實境軟體比虛擬實境軟體，讓學生在體積概念課程的學習較可以引起學習興趣。. 4.. 應用擴增實境軟體與虛擬實境軟體皆讓學生於體積的透視圖概念有強烈印象。. 關鍵字：擴增實境、虛擬實境、資訊科技融入教學、體積教學. I.

(5) Abstract The purpose of the research is to explore the effect of using different Virtual coursewares (Augmented Reality and Virtual Reality, AR and VR) in mathematic volume instruction of elementary schools curriculum. The quasi-experimental study was used in the study and measured by pretest, posttest and one month later posttest to understand the learning effect of the research. Two fifth grade classes participated in this research, each class having 29 students, were divided into two groups, AR and VR Groups. After the teaching experiment of four classes, descriptive statistics, analysis of covariance, t test statistical methods were used to analyze pretest, posttest, and delayed posttest data. Several conclusions in this study are as follows. a.. There are no learning differences between students in AR and VR groups.. b.. The students in VR group can built up more complete and permanent concept about volume than the students in AR group.. c.. The students in AR group have the better learning motivation than the students in VR group.. d.. Both of the students in AR and VR groups make a deep impression on a perspective drawing of volume after teaching experiment.. Keywords: Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR), Information Technology Integrated Instruction, Volume Concept Teaching. II.

(6) 目次第一章緒論............................................................................................................. 1 緒論第一節研究背景與動機..................................................................................1 第二節研究目的 .............................................................................................2 第三節研究範圍與限制..................................................................................3 第二章文獻探討..................................................................................................... 5 文獻探討第一節擴增實境與虛擬實境 ..........................................................................5 一、. 擴增實境的定義 ........................................................................ 5. 二、. 擴增實境的技術 ........................................................................ 7. 三、. 擴增實境與虛擬實境的比較....................................................13 擴增實境與虛擬實境的比較. 四、. 擴增實境的運用 .......................................................................16. 第二節資訊融入教學 ...................................................................................21 一、. 資訊科技融入教學資訊科技融入教學 ...................................................................21. 二、. 資訊融入教學的意義 ...............................................................22. 三、. 資訊科技融入教學與教學的層級 ............................................26. 四、. 資訊科技融入教學的分類........................................................28 資訊科技融入教學的分類. 五、. 電腦輔助教學（） ............................................................29 電腦輔助教學（CAI）. 第三節體積概念課程學習............................................................................31 一、. 國內體積教育與教材 ...............................................................31. 二、. 體積概念的學習困難與問題....................................................38 體積概念的學習困難與問題. 三、. 資訊科技融入體積教學的研究................................................40 資訊科技融入體積教學的研究. 第三章研究方法................................................................................................... 47 研究方法第一節研究架構與設計................................................................................47 一、. 研究架構...................................................................................47 研究架構. 二、. 實驗設計...................................................................................50 實驗設計. III.

(7) 第二節研究對象 ...........................................................................................50 第三節研究工具 ...........................................................................................51 一、. 體積概念教學前評量 ...............................................................51. 二、. 數學能力評量...........................................................................52 數學能力評量. 三、. 體積概念教學...........................................................................52 體積概念教學. 四、. 體積概念教材...........................................................................53 體積概念教材. 五、. 體積概念教學後評量 ...............................................................61. 六、. 體積概念教學延後評量 ...........................................................62. 七、. 學生回饋單...............................................................................63 學生回饋單. 第四節研究程序 ...........................................................................................63 一、. 準備階段...................................................................................64 準備階段. 二、. 實驗處理階段...........................................................................65 實驗處理階段. 三、. 完成階段...................................................................................65 完成階段. 第五節研究假設 ...........................................................................................65 第六節資料處理 ...........................................................................................66 一、. 量化分析...................................................................................66 量化分析. 二、. 質性分析...................................................................................67 質性分析. 第四章結果與討論 ............................................................................................... 69 第一節實驗樣本之基本資料分析 ................................................................69 一、. 實驗對象數學能力評量同質性考驗 ........................................69. 二、. 體積概念前測同質性考驗........................................................70 體積概念前測同質性考驗. 第二節不同多媒體教學之成效分析 ............................................................72 一、. 兩組後測成績比較 ...................................................................72. 二、. 兩組體積後測成績共變數分析................................................72 兩組體積後測成績共變數分析. 三、. 兩組體積延後測成績共變數分析 ............................................73. 四、. 兩組體積延後測與後測的共變數分析 ....................................74 IV.

(8) 五、. 小結 ..........................................................................................75. 第三節不同多媒體教學於不同體積概念分析 .............................................76 一、. 兩組體積基本概念之共變數分析 ............................................76. 二、. 兩組體積面與面的關係之共變數分析 ....................................77. 三、. 兩組體積的表面積計算之共變數分析 ....................................80. 四、. 小結 ..........................................................................................83. 第四節學生回饋單分析................................................................................84 一、. 擴增實境組的回饋單統計分析................................................84 擴增實境組的回饋單統計分析. 二、. 虛擬實境組的回饋單統計分析................................................88 虛擬實境組的回饋單統計分析. 三、. 小結 ..........................................................................................91. 第五章結論與建議 ............................................................................................... 93 第一節結論...................................................................................................93 一、. 擴增實境與虛擬實境對於體積教學後的學習成效並無顯著的差異 .........................................................................................95. 二、. 虛擬實境比擴增實境能建立更完整長久的體積課程概念......95 虛擬實境比擴增實境能建立更完整長久的體積課程概念. 三、. 擴增實境比虛擬實境可以引起學生於體積概念課程的學習興趣 .............................................................................................96. 四、. 擴增實境與虛擬實境軟體皆讓學生於體積的透視圖概念有強擴增實境與虛擬實境軟體皆讓學生於體積的透視圖概念有強烈印象 .....................................................................................98. 第二節建議...................................................................................................99 一、. 資訊科技融入教學的建議........................................................99 資訊科技融入教學的建議. 二、. 未來研究的建議 .....................................................................101. 參考文獻 .............................................................................................................. 103 壹、中文參考文獻 .......................................................................................103 貳、英文參考文獻 .......................................................................................106 附錄一前測測驗卷 ............................................................................................. 108 V.

(9) 附錄二後測測驗卷 ............................................................................................. 109 附錄三南一國小數學第九冊第五單元：南一國小數學第九冊第五單元：長方體和正方體 ............................... 110 附錄四擴增實境組學生回饋卷.......................................................................... 130 擴增實境組學生回饋卷附錄五虛擬實境組學生回饋卷.......................................................................... 虛擬實境組學生回饋卷 131. VI.

(10) 表目次表 1-1-1 碩博士論文網，有關擴增實境資料之份數 ............................................. 2 表 2-2-2 「資訊科技融入教學」之意義摘要表 ................................................... 23 表 2-2-2 資訊科技融入課程教學的七等級架構表 ............................................... 27 表 2-2-3 資訊科技融入教學的分類 ...................................................................... 28 表 2-2-4 不同類型的電腦輔助教學 ...................................................................... 30 表 2-3-1 九年一貫體積相關之能力指標表........................................................... 32 表 2-3-2 康軒五六年級體積課程列表 .................................................................. 33 表 2-3-3 翰林五六年級體積課程列表 .................................................................. 35 表 2-3-4 南一五六年級體積課程列表 .................................................................. 36 表 2-3-5 體積概念與相關問題的整理（徐存姮，2003）.................................... 38 表 3-1-1 研究實驗設計模式.................................................................................. 50 表 3-2-1 研究對象樣本人數一覽表 ...................................................................... 51 表 3-3-1 前測雙向細目表....................................................................................... 52 表 3-3-2 「正方體和長方體」體積概念教學單元的教學重點 ............................ 53 表 3-3-3 不同體積多媒體教材介面及功能........................................................... 54 表 3-3-4 不同體積多媒體教材功能展示............................................................... 56 表 3-3-5 不同教學單元的多媒體教材 ................................................................... 57 表 3-3-6 不同多媒體教材實施畫面 ...................................................................... 61 表 3-3-7 後測雙向細目表...................................................................................... 62 表 3-3-8 延後測雙向細目表.................................................................................. 63 表 4-1-1 實驗對象樣本人數一覽表 ...................................................................... 69 表 4-1-2 兩組定期測驗成績描述統計量表........................................................... 70 表 4-1-3 兩組定期測驗成績 t 檢定摘要表............................................................ 70 表 4-1-4 兩組前測成績描述統計量表 .................................................................. 71. VII.

(11) 表 4-1-5 兩組前測成績 t 檢定摘要表 ................................................................... 71 表 4-2-1 兩組前後測成績描述統計量表............................................................... 72 表 4-2-2 兩組學生後測成績差異性共變數分析摘要表........................................ 73 表 4-2-3 兩組學生延後測驗與前測差異性共變數分析摘要表 ............................ 74 表 4-2-4 兩組學生延後測驗與後測差異性共變數分析摘要表 ............................ 75 表 4-3-1 兩組學生體積概念差異性共變數分析摘要表........................................ 77 表 4-3-2 兩組學生面與面的關係差異性共變數分析摘要表（前測-後測）........ 78 表 4-3-3 兩組學生面與面的關係差異性共變數分析摘要表（前測-延後測）.... 79 表 4-3-4 兩組學生面與面的關係差異性共變數分析摘要表（後測-延後測）.... 80 表 4-3-5 兩組學生表面積計算差異性共變數分析摘要表（前測-後測） ........... 81 表 4-3-6 兩組學生表面積計算差異性共變數分析摘要表（前測-延後測）........ 82 表 4-3-7 兩組學生表面積計算差異性共變數分析摘要表（後測-延後測）........ 83 表 4-4-1 擴增實境組學生回饋單統計摘要表 ....................................................... 86 表 4-4-2 虛擬實境組學生回饋單統計摘要表 ....................................................... 89 表 5-1-1 研究假設的虛無假設列表 ...................................................................... 93 表 5-1-2 不同虛擬實境設計對單元評估表........................................................... 95 表 5-1-3 擴增實境組與虛擬實境組的學生學習興趣比較.................................... 97. VIII.

(12) 圖目次圖 2-1-1 真實─虛擬連續量表 .................................................................................. 5 圖 2-1-2 阿凡達影片利用 3D 物件混合環境 .......................................................... 6 圖 2-1-3 光學標誌追蹤............................................................................................ 7 圖 2-1-4 實體影像辨識............................................................................................ 8 圖 2-1-5 利用擴增實境扮演電影中的超級英雄 ..................................................... 8 圖 2-1-6 光學標誌追蹤應用於擴增實境流程 ......................................................... 9 圖 2-1-7 光學式透視 ............................................................................................... 9 圖 2-1-8 戰鬥飛行員的儀表數據 .......................................................................... 10 圖 2-1-9 視訊式透視 ............................................................................................. 10 圖 2-1-10 戲劇中使用綠幕的原本場景................................................................. 11 圖 2-1-11 戲劇使用綠幕的合成後的場景............................................................. 11 圖 2-1-12 利用 LCD 的擴增實境 .......................................................................... 12 圖 2-1-13 利用手持顯示器（HHD）顯示方位、地標......................................... 12 圖 2-1-14 頭戴式顯示器（HMD） ....................................................................... 13 圖 2-1-15 虛擬實境 ............................................................................................... 13 圖 2-1-16 虛擬實境三「I」要素........................................................................... 14 圖 2-1-17 真實─虛擬連續量表 ............................................................................. 15 圖 2-1-18 Virtuoso 大師的藝術史課....................................................................... 16 圖 2-1-19 隱形寶貝 ............................................................................................... 17 圖 2-1-20 我是鋼鐵人 ........................................................................................... 18 圖 2-1-21 擴增實境應用於建築 ............................................................................ 19 圖 2-1-22 擴增實境應用於聲音互動 .................................................................... 20 圖 2-2-1 電腦、資訊科技、科技包含範圍........................................................... 22 圖 2-3-1 研究中所用體積概念的問題（1）......................................................... 39. IX.

(13) 圖 2-3-2 研究中所用體積概念的問題（2）......................................................... 39 圖 2-3-3 U-learning 運用於體積教學 ..................................................................... 40 圖 2-3-4 學者楊淑菁所使用的貝氏網路............................................................... 41 圖 2-3-5 以知識結構與貝氏網路設計的電腦適性測驗........................................ 42 圖 2-3-6 資訊融入表面積教學 .............................................................................. 42 圖 2-3-7 資訊融入體積教學.................................................................................. 43 圖 2-3-8 學者楊儒仁所用電腦補助教學............................................................... 44 圖 3-1-1 研究架構圖 ............................................................................................. 48 圖 3-3-1 體積概念教材配合教學 .......................................................................... 54 圖 3-4-1 研究流程圖 ............................................................................................. 64 圖 4-4-1 擴增實境組回饋單教學單元長條圖 ....................................................... 88 圖 4-4-2 虛擬實境組回饋單教學單元長條圖 ....................................................... 91 圖 5-1-1 擴增實境會因定位 marker 的角度而無法完全顯示虛擬物件 ............... 96 圖 5-1-2 風靡全球的迪士尼卡通 .......................................................................... 98 圖 5-1-3 擴增實境（左）與虛擬實境（右）多媒體教材在透視圖上的效果 ..... 99. X.

(14) 第一章緒論本章分為三個部份。第一節闡述目前擴增實境與虛擬實境的發展現況及背景，並且提出以資訊科技融入國小體積概念課程為本次之研究內容。第二節說明本研究目的。第三節說明本次研究的範圍與限制。. 第一節研究背景與動機 21 世紀是多媒體技術日益進步的時代，資料的呈現從文字的黑白顯示，進化到圖畫、動畫，同樣的人類的溝通模式，也是從人與人傳統的溝通模式，跨入了人與電腦、電腦與電腦的新資訊科技溝通型態，而此影響也是全面的，不單只融入我們的生活周遭，也進入了教育之中，而這影響就如 Dexter 與 Anderson（1999）所指出資訊科技可為傳統教學帶來革新，因此資訊科技融入教學的研究，也因應著新的資訊科技發展，不斷擴充其研究內容與範圍，比如說使用網路的便利性，讓整個網路成為教學的一部分，也可以利用網路來建立遠距的教學，使教學不受距離影響，也使用了各樣的電腦軟體來協助教學，比如說虛擬實境就是其中一者。虛擬實境（Virtual Reality, VR）是個將使用者拉近一個可取代現實世界的多媒體技術。隨著時代的演進，虛擬實境出現一個不同於虛擬實境建立虛擬世界的概念，反而是將虛擬的三維物件，擴展到真實環境之中的改念，此技術就稱之為擴增實境（Augmented Reality, AR）。擴增實境允許使用者看見真實環境的虛擬物件，而不是完全的改變真實環境，來擴增了真實環境（Azuma, 1997）。在擴增實境日漸增加的研究、運用和發展。比如說用於設計、操作模擬、教學註釋、娛樂，軍事導航和信號上。國內近年來也逐漸注意到「擴增實境」的應用，此項趨勢，可以從近年來碩博士論文中，發覺到有日漸增加的趨勢。（如下表）. 1.

(15) 表 1-1-1 碩博士論文網，有關擴增實境資料之份數學年度（年）有關擴增實境的論文份數（份數） 92. 2. 93. 3. 94. 6. 95. 8. 96. 4. 97. 17. （資料來源：全國博碩士論文資訊網). 因此可以得知，擴增實境日後在應用上的研究，勢必是日漸增加，也必定對教學產生影響。所以本研究以此為出發點，特別來評測擴增實境，以及虛擬實境等資訊科技在融入教學上的成效。本研究將選擇「體積概念教學」以兩種不同虛擬的多媒體工具呈現之，希望藉此找出不同的虛擬多媒體是否在資訊融入教學上，使用者有不同的成效，而成為在應用此塊區域中的基石，給予更大未來相關研究、開發的參考和幫助。因此本研究主要以資訊科技融入教學為基礎，用於國小體積概念教學，探討不同虛擬環境設計元素對於使用者學習經驗與學習效益之影響。. 第二節研究目的本研究希望能從資訊融入的角度，重新檢視不同的虛擬實境技術，在教學和教材上的應用成效，並以此為出發點，探討此新興技術在於實際應用上的必要性與重要性。本研究目的如下：. 2.

(16) 一、探討擴增實境和虛擬實境融入教學的可能性，和實際融入的情況。二、探討擴增實境和虛擬實境在資訊科技融入教學上的異同，以及優點和缺點。三、探討利用「體積概念」教學，設計結合不同虛擬實境設計，對於學習者的學習成效影響。. 第三節研究範圍與限制本研究研究對象以兩班快樂（化名）國小五年級學生為主，採用南一版五年級上學期數學領域第五單元「長方體和正方體」為教學內容。本研究把兩個班級的學生分為兩組，其中一班以擴增實境為多媒體教材，另一班則以虛擬實境為教材，經過實驗一段時間過後，再透過測驗和回饋單，探究兩班在不同的多媒體教材教學後，體積概念能力是否有顯著差異。本研究限制將以下三者分別說明之：一、. 研究對象的限制. 本次研究因受限於人力、時間，故只以台中市某小學兩個班級學生作為實驗教材樣本，在研究統計上也只剛好符合所需樣本數，因此限制了研究結果的推論。二、. 研究時間上的限制. 本次研究使用國小五年級，目前正使用的南一出版社的數學領域教材。也因此，為配合教材的時間，進行為期一週的體積實驗教學。但為期一週，本研究在研究時間上顯得不足，限制了研究結果的推論。三、. 研究器材的不足. 本研究是以小組為單位，進行多媒體的教學，因此在實驗過程可能無法兼顧受試對象的個人特質，限制了研究結果的推論。. 3.

(17) 4.

(18) 第二章文獻探討本章分為三節，第一節主要探討擴增實境技術與虛擬實境，包括擴增實境，以及虛擬實境的運作原理，系統架構，相關應用研究，以及未來發展。第二節將探討資訊融入教學及相關內容。第三節則探討體積概念課程學習，為本研究理論探究之基礎。. 第一節擴增實境與虛擬實境擴增實境（AR, Augmented Reality）是一種新興的多媒體技術且源自擴增實境（VR, Virtual Reality），本節主要探討擴增實境、虛擬實境的定義、技術，研究發展等。. 一、擴增實境的定義雖然擴增實境看似似乎是新興的科技技術，但事實上早在 1960 年代，擴增實境就已經有初步的概念出現，但直到 1990 年代初，才有幾位科學家創造了「擴增實境」這個名詞。 1994 年，Paul Milgram 以及 Fumio Kishino 提出了真實─虛擬連續量表，此連續量表把完全真實的真實環境以及全部虛擬的虛擬環境分別作為此量表的兩端，介於此兩者中間即為「混合實境（Mixed Reality）」，而擴增實境，就位於混合實境中，靠近真實環境的一邊。所以，從此研究可以得知，擴增實境的定義是混合了虛擬以及真實的一種技術。. 圖 2-1-1 真實─虛擬連續量表（Paul Milgram, Fumio Kishino,1994）. 5.

(19) 在 1997 年，Azuma 匯集了當時的擴增實境的文獻、產品，並且對收集的資料進行分析，進一步對擴增實境訂出更仔細的定義如下： 1. 結合真實和虛擬 2. 即時互動 3. 定義在 3D 空間中所以從 Azuma 的定義中可以得知，擴增實境是種將虛擬物件延展到真實環境中，且能即時互動的技術。如此定義可以避免將擴增實境的定義，侷限在例如頭戴式顯示器（HMD）等硬體設備之中，並且也能避免如同阿凡達影片一般，用虛擬的 3D 物件混合真實環境，但沒有互動的影片或電影，也被稱之為擴增實境。. 圖 2-1-2 阿凡達影片利用 3D 物件混合環境（資料來源：電影阿凡達）更淺白的說，擴增實境指的是將虛擬資訊加到使用者感官之上，虛擬資訊也可以是其他感官的形式，例如聽覺、觸覺，而非侷限於視覺感官上的顯示器。但本研究在將聚焦於擴增實境於使用者視覺上的影響，故不再多討論其他感官範疇，而將對視覺感官範疇，多. 6.

(20) 做深入探討。. 二、擴增實境的技術根據 Azuma（1997）在擴增實境的定義所言，擴增實境包含真實環境和虛擬物件，並且要將虛擬物件投射在三維的真實環境中，電腦必然要追蹤虛擬物件的座標位置，而在真實環境中，電腦如何追蹤使用者或是攝影機視角的技術，陳九懿（2009）提出，目前在擴增實境中常用的技術有下列三者： 1.無線射頻技術（RFID）：可以讀取接收器和電子標籤之間的距離和方向。 2.光學標誌追蹤：光學標誌追蹤方式利用攝影機傳送畫面至電腦後，加以運算判斷，目標在三維空間的方向、傾斜角度、距離等資料。. 圖 2-1-3 光學標誌追蹤 3.實體影像辨識：實體影像辨識方式同樣利用攝影機傳送畫面至電腦後，加以運算，實體影像辨識不但擁有光學標誌追蹤的優點，更甚一步可以利用真實環境中的任何影像當作辨識記號，但因為技術需求高，一般單位難以實際操作。. 7.

(21) 圖 2-1-4 實體影像辨識（資料來源：TOPPS 3D LIVE）除了以上三者提到的，目前用於擴增實境追蹤定位的技術越來越多，有運用臉部辨識系統與擴增實境結合的技術，也有 GPS 功能和電子羅盤等…技術使得擴增實境的運用範疇更加的廣泛。. 圖 2-1-5 利用擴增實境扮演電影中的超級英雄. 8.

(22) 圖 2-1-6 光學標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst et al., 2001) 根據之前文獻的探討，擴增實境系統中的顯示器的技術，分為以下兩種方式：光學式透視，以及視訊式透視（Milgram, 1994）。 1.光學式透視（Optical-see-through, OST）光學式透視是利用光學原理，將一種半鍍銀的分光鏡（beam splitter）擺在使用者眼前的正確位置，因為分光鏡反射進入使用者的視線中；同時也能讓周遭真實環境的光線穿透進來，此種分光鏡也稱之為合併器（Optical combiners），一開始是使用在戰鬥機飛行員的顯示器上。. 圖 2-1-7 光學式透視（資料來源：Azuma, 1997）. 9.

(23) 圖 2-1-8 戰鬥飛行員的儀表數據（資料來源：http://www.youtube.com/watch?v=INb-421E-mo）. 2.視訊式透視(Video-see-through, VST) 視訊式透視的技術，則使用攝影機傳來的真實環境的影像與虛擬物件結合，視訊式透視能更廣泛的使用在不同的顯示器上面，如 LCD、一般手機螢幕上頭，視訊式透視一開始使用綠幕（或是藍幕）的視訊混合技術，此技術一開始用於電視或電影特效上頭。. 圖 2-1-9 視訊式透視（資料來源：Azuma, 1997）. 10.

(24) 圖 2-1-10 戲劇中使用綠幕的原本場景（資料來源：http://www.stargatestudios.net）. 圖 2-1-11 戲劇使用綠幕的合成後的場景（資料來源：http://www.stargatestudios.net）擴增實境在顯示器定義上也因透視顯示器器材的不同，而有所區分，美國華盛頓大學 Mark Billinghurst（2003），就對於擴增實境顯示器的器材進行了實驗，包括手持式 LCD 螢幕、手持式顯示器、頭戴式顯示器。 1. LCD 螢幕（LCD）：即為一般的液晶顯示器。. 11.

(25) 圖 2-1-12 利用 LCD 的擴增實境（資料來源：http://www.youtube.com/watch?v=NK59Beq0Sew） 2.手持式顯示器（HHD）：手持式的顯示器，同一般 LCD 螢幕，但為手持式的，如手機、PDA。. 圖 2-1-13 利用手持顯示器（HHD）顯示方位、地標 (資料來源：http://www.youtube.com/v/u0vkduEyC7k) 3.頭戴式顯示器（HMD）：頭戴式的顯示器，具有可以使用者的雙手自由活動的顯示器。. 12.

(26) 圖 2-1-14 頭戴式顯示器（HMD） (費納，2002) 除擴增實境之外，虛擬實境也是本研究所使用的虛擬多媒體技術之一，因次，虛擬實境的定義，以及虛擬實境與擴增實境的不同點，將在下段落加以探討。. 三、擴增實境與虛擬實境的比較虛擬實境（Virtual Reality, VR）是從 1989 年提出之後，各學者分別從不同方面，包括技術、硬體、構成要素、使用者經驗…等不同的角度來分析虛擬實境。本研究將在其之下一一列舉描述之。. 圖 2-1-15 虛擬實境（資料來源：http://coursesite.uhcl.edu）. 13.

(27) Aukstakalnis 和 Blatner （1992）在<Silicon Mirage; The Art and Science of Virtual Reality> 一書中提到，虛擬實境科技術設備上包含幾個特點： 1. 虛擬實境是由電腦建構出一個逼真的世界。 2. 這世界包括各種感官，如：視覺，聽覺，觸覺，嗅覺，味覺等。 3. 即時互動（real time interactivity）。而 Gigante（1993）在<Virtual Reality System>一書中，也同樣是以技術設備的硬體層面來看虛擬實境，他強調虛擬實境需要一些硬體設備，如：虛擬物件視覺、聲音觸覺輸入輸出的設備，另外也同時可以追蹤使用者頭部、手部姿勢的追蹤系統。而這些硬體設備可讓此虛擬環境中的使用者，在此虛擬的環境中，可產生「參與其中」的幻覺。而學者 Burdea（2003）等人則認為虛擬實境要有三個基本要素，分別是融入性 (immersion)、互動性(interactive)、想像力(imagination)。 Burdea 把這三個要素列為三個「I」，成為一個金三角，以下圖表現出：. 融入性 (immersion). I3 想像力 (imagination). 互動性 (interactive). 圖 2-1-16 虛擬實境三「I」要素（Burdea, 2003）. 14.

(28) 也就是虛擬實境藉刺激讓使用者如同身歷其境，最後還要依使用者的操作產生回應，產生想像的世界觀，且藉由建立互動，發生想像的過程，否則將會失去真實感（Grigore C. Burdea & Philippe Coiffet, 2003）。 Latta（1994）也同樣從虛擬實境的要素來分析虛擬實境，Latta 把虛擬實境視為個人行動的環境，並且將此環境的構成三要素分別列出，分別是真實度（Degree of Realism）、個人控制（Individual Control），以及可以感測的環境（Sensory Environment）。所以綜合以上各家說法，可以發現，擴增實境與虛擬實境的差異性並非想像中的大，擴增實境與虛擬實境同樣具有：即時互動、建立虛擬物件的定義，但擴增實境與虛擬實境仍有一個根本性的差異。那就是，虛擬實境企圖取代真實的世界，而擴增實境卻是在真實環境中擴增資訊（費納，2002）。另外可從虛擬實境的定義：「建立出一個虛擬的世界」。以及擴增實境中的定義：「需定義在真實的三維空間中」。這兩項定義中，更明顯的看出兩者之間的不同。 Azuma 在給予擴增實境的定義的同時，也同時對於擴增實境和虛擬實境給了明確的關係；Azuma 認為擴增實境是一種虛擬實境的變化，他提到：「擴增實境是個變動中的虛擬環境，也就是說虛擬實境更加頻繁的被呼叫。」換言之，擴增實境把虛擬物件疊印在真實環境中，隨著真實環境的改變，擴增實境中的虛擬物件更頻繁的被運算，讓虛擬物件能夠融入生活場景中。若再次把 Paul Milgram 以及 Fumio Kishino 的真實─虛擬量表拿出來觀察：. 圖 2-1-17 真實─虛擬連續量表（Paul Milgram, Fumio Kishino, 1994）. 15.

(29) 可以發現，真實─虛擬量表把環境分為真實以及虛擬，在上圖的右側，虛擬環境（Virtual Environment）就是虛擬實境完全的呈現，無論場景或是存在物件，都是由電腦繪製出來的虛擬物件。而擴增實境則可以視為將虛擬物件建構在真實環境之中，讓虛擬物件融入環境之中。也因此，可以推測出一個顯而易見的結論，擴增實境則為虛擬實境之延伸。. 四、擴增實境的運用本段落主要針對國內外對於擴增實境在人機介面的運用與研究進行分析探討，運用範圍涵蓋教育、商業、設計、導覽、文化、娛樂、廣告…等各方面人機介面的運用。 1. Virtuoso 大師的藝術史課（大師的藝術史課（Mr. Virtuoso Teaches Art History with Augmented Reality））「Mr.Virtuoso 大師的藝術史課」是 2005 年開發的一個使用手持式、利用光學追蹤 Marker 的擴增實境展覽活動。此活動使用 PDA 讓使用者學習 Mr.Virtuoso 藝術品的年代順序。四位使用者同時操作，且四位使用者需要彼此合作來完成遊戲。四位使用者一起進入展覽室中，展覽室中的牆上貼了許多 Marker，使用者使用手上的手持式擴增實境中會顯示出許多的藝術作品，並且也有動畫指引使用者可以更深瞭解 Mr. Virtuoso 藝術品的年代、歷史，以及背後的內容。. 圖 2-1-18 Virtuoso 大師的藝術史課（Daniel Wagner ＆ Dieter Schmalstieg, 2005） 2. 隱形寶貝（）隱形寶貝（Invizimals）這是一款於 2009 年出於 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲平台上的電玩遊戲，. 16.

(30) PSP 雖然本身沒有附帶攝影機，但依舊可以利用週邊的外接式攝影機，達到手持式擴增實境的配備要求，再搭上光學追蹤 marker 以及辨識顏色的效果，利用遊戲中不時的穿插影片，將使用者拉進一個似真似假的遊戲世界中。遊戲本身可以用 Marker 顯示出來的怪物，彼此對打，或是可以藉由網路通訊的方法，跟世界上不同的玩家對戰，達到娛樂的效果。（如下圖）. 圖 2-1-19 隱形寶貝（資料來源：巴哈姆特電玩資訊站）. 17.

(31) 3. 我是鋼鐵人（）我是鋼鐵人（I Am Iron Man） 2010 年為了配合電影「鋼鐵人 2」上映，電影廠商特地為宣傳電影，開設一個「我是鋼鐵人」的網站，此網站的擴增實境是 LCD 顯示模式，而利用電腦 Webcam，和實體追蹤的方式（此研究追蹤方式是採用人臉辨識），達成擴增實境的廣告效果。只要使用者進入此網站，下載此網站提供的外掛程式，就可以達到如同電影一般的效果，而主角的裝備會因為人臉辨識的效果，覆蓋在使用者的頭上，可以選擇要扮演電影中哪一個主角。也可以換個角度，讓自己出現在電影中超級英雄的視覺中。而達到宣傳廣告的效果。. 圖 2-1-20 我是鋼鐵人 4. 擴增實境定位技術應用於建築與城市戶外導覽之研究—以擴增實境定位技術應用於建築與城市戶外導覽之研究以「古蹟導覽系統」古蹟導覽系統」與「隱形招牌」形招牌」應用為例郭其綱和鄭泰昇（2008）以「古蹟導覽」和「隱形招牌」為題目，而將擴增實境使用在其上。此研究的有使用手持式、也有使用頭戴式的顯示方式，並且皆採用光學追蹤的方式。研究目的是希望將擴增實境的技術實際運用在建築與城市戶外導覽上頭，並且自行研發了透明投影裝置，以減低擴增實境 Marker 圖卡對於周遭環境景觀的破壞，或是利用特殊的材料，發出人眼所見不到的 Marker，但擴增實境的紅外線設備卻能捕捉到 Marker，而產生相對應的虛擬物件（如下圖）。此研究中也收集各個應用於擴增實境的範疇，可以觀察到擴增實境運用越加廣泛的情況。. 18.

(32) 圖 2-1-21 擴增實境應用於建築（郭其綱、鄭泰昇，2008） 5. 擴增實境應用於聲音互動陳九懿（2009）將擴增實境不單單只是運用在視覺之上，更進一步的與聽覺做結合，將擴增實境運用在聲音互動上面。此研究同樣使用 LCD 顯示模式，並且使用光學追蹤，利用 marker 的方式，來讓虛擬的 3D 物件具有不同的物件。單一的物件可能因為使用者不同的操作方式，有不同的結果出來，舉例而言，若使用者旋轉特定的物件，有音效改變的效果。而不同的物件之中，會產生不同的互動關係，例如音量的大小、音頻強化的程度、音調的節奏…等。. 19.

(33) 圖 2-1-22 擴增實境應用於聲音互動（陳九懿，2009）從以上數個評測，就可以知道擴增實境在國內外已經有許多研究與應用投入其中，甚至用於教學之上。因此本研究將延續虛擬實境與擴增實境的資訊科技層面，探討當資訊科技融入教學的情況。下一節將針對「資訊科技融入教學」進行近一步的探討。. 20.

(34) 第二節資訊融入教學本節將就資訊科技融入教學目前發展情況、意義、與課程的融入情況、分類，以及電腦輔助教學，進行更進一步的探討。. 一、資訊科技融入教學資訊科技近年來是國家所發展的重點，也亦是國際上衡量現代化程度的指標。因此資訊教育以及資訊科技融入教學也是國家現代教育關注的議題。為培育未來國家的主人翁，使學生具有基本的資訊素養以及運用科技的能力，學者認為：「資訊科技可為傳統教學帶來革新」（Dexter & Anderson, 1999）。因此教育部在 2003 年開始正式實施的九年一貫課程，將資訊教育列為六大重大議題之一，並將電腦課程安排在三到七年級中，並且也在教育部中. 小學資訊教育白皮書「教育部中小學資訊教育白皮書」中特別針對了國中小學生的資訊能力，希望達到「善用資訊科技、激發創意思考、共享數位資源和保障數位機會」目標（教育部，2008）。除了將電腦課程安排在九年一貫三到七年級的課程之外，同時也鼓勵將資訊融入各科領域之中，這並非是本國的創見，在世界先進國家，如美國、加拿大、日本、韓國…等，均是以此為目標來規劃資訊教育（蕭惠君、邱貴發，1998）。因此，資訊科技融入教學是國內教學的新型態，本研究將繼續針對資訊科技融入教學的內容有更深一步的探討。. 在國外學者也常用電腦整合課程（ computer integrated instruction）或資訊整合（technology integration）來表示資訊科技整合於課程中，以及教室內（Dias, Sprague & Dede ,1999)。雖電腦、資訊科技（網路…等）、與科技三個名詞的範圍不同（圖 2-2-1），但電腦整合（科技整合）都是把電腦如入在課程、教學、教材、以及學習之中，使得電腦成為教學的環境之中，不可或缺的教學工具（邱貴發，1990）。. 21.

(35) 圖 2-2-1 電腦、資訊科技、科技包含範圍. 而將資訊科技融入於教學時，由於資訊科技的優點，可使傳統教學型態改變，提昇教。學者王全世也指出，學品質，使教學達到最佳化，更能符合教育部提倡「激發創意思考」資訊科技融入教學目的有： 1. 培養學生的資訊素養 2. 培養學生運用科技與資訊的能力 3. 提昇教學品質與學習成效所以本研究不單只是將不同的資訊科技（虛擬多媒體）融入本次的教學之中，使資訊成為本次教學不可或缺的教材。也希望從不同的資訊科技中，瞭解所帶來的學習品質與學習成效。而國內外已經有許多關於資訊科技融入教學的研究，並且有各個學者提出不同的看法，本研究將取其中數者探討之，以分析現階段國內外學者對於資訊科技融入教學的看法，可作為本研究在設計不同虛擬多媒體教材，將其融入體積概念教學時之參考。. 二、資訊融入教學的意義首先，本研究先探討究竟何為「資訊科技融入教學」，以及何為資訊科技融入教學的意義。此一部份有許多學者提出各自的看法，陳珊如、耿育文（2009）將各家言論整理，本研究摘要如表 2-2-1。. 22.

(36) 表 2-2-2 「資訊科技融入教學」之意義摘要表學者. 定義 . 「資訊科技融入教學」乃是教師依據教學目標、學生特性，並配合教學內容及環境，再結合電腦將資. 王曉璿（1998）訊科技應用在整個教學環節上，快速、有效地完成教學活動。 . 「資訊科技融入教學」乃是指教師運用資訊科技於課堂教學上和課後活動上，用以培養學生運用科技. 張國恩（1999）與資訊能力、主動探索與研究精神，讓學生能獨立思考、解決問題並完成生涯規劃和終身學習。 . 「資訊科技融入教學」乃是將資訊科技中可供教與學所用的各項優勢資源與媒體，平順的、適切的置入各科教與學的各個環節。在教學過程中資訊科技. 顏龍源（2000）是擔任支援的工作，讓教師可以快速地進行教學前準備，取得豐富的教學內容，使教學過程更為生動活潑，教學評量更加多樣化，學生學習效果更好。 . 「資訊科技融入教學」可分為三類：利用資訊科技作為呈現學習材料的媒介、資訊科技為一種學習的內容以及資訊科技視學生為學習的夥伴。. 何榮桂、藍玉如（2000）. 23.

(37) 學者. 定義 . 「資訊科技融入教學」乃是將資訊科技融入於課程、教材與教學中，讓資訊科技成為師生一項不可或缺的教學工具與學習工具，使得資訊科技的使用. 王全世（2000）成為日常教學活動中的一部份，並且延伸地視資訊科技為一個方法（method）或一種程序（process），在任何時間任何地點來尋找問題的解答。 . 「資訊科技融入教學」乃是指各領域使用電腦為輔助學習的工具，藉以拓展學生學習領域的範疇，進. 尹玫君（2001）而培養學生主動探索與研究的精神，增加學生的學習效果。 . 「資訊科技融入教學」即是藉由資訊科技的適當使用，營造一個有意義的學習情境，讓學生在此適切的學習情境下進行學習，並培養學生獨立思考的批. Jonassen（1996）. 判省思能力，讓學生能建構其獨立自主的知識體系，引發更高層次的學習潛能。 . 「資訊科技融入教學」的意涵，即是在教學的過程中將資訊科技的使用適時的與課堂教學內容相互配. Morton（1996）合、整合，藉由資訊科技的適當使用以達到教學的預期效果，以提升學生的學習成效。 Dias（1999）. 「資訊科技融入教學」中的科技整合應該是指在融入、整合與無間隙的方式下，使用科技來支援與延伸課程目標，使得學生能從事有意義的學習活動。. 24.

(38) 學者. 定義 . 有意義的方法下學習如何應用電腦技術。. Dockstader（1999）. EdTech Connect. . （1999） Roblyer & Edwards. 在一般的課程內容中有效率地使用科技，讓學生在. 科技整合是融合教學技術（科技教育）和課程的內容的過程。. . （2000）. 教育科技強調提供現行的工具－電腦與其相關的科技，將其結合至教學過程中以滿足教育需求。引用：陳珊如、耿育文（2009）. 陳珊如、耿育文（2009）除整理各學者意見外，也提出本身對於資訊科技融入教學的四點意義： 1.. 資訊科技是教學的輔助工具. 資訊科技是教師在教學上輔助工具，而非取代教師教學的角色。 2.. 並非單獨的學習. 資訊科技融入教學強調的教學與資訊科技的融合，而教學主軸依舊在教學學科本身，而非變成資訊科技使用技能的學習。 3. 提高學生的學習興趣與學習成效資訊融入教學的目的，是用來提高學生對該教學的學習興趣，以及提昇學習成效。 4. 教師應妥善運用資訊科技的特色教師在教學時，如能運用資訊科技、網路、以及各媒體，並且融合資訊科技的優點，讓學生有效的學習，進而提昇教師的教學效能，以及學生的學習成效。. 25.

(39) 三、資訊科技融入教學與教學的層級瞭解資訊科技融入教學的定義之後，本研究也將針對，資訊與教學之間的關係，也就是資訊科技融入於教學的程度，進行研究。Moersch（1995）對資訊科技運用於課程教學的程度，提出七個層級，如表 2-2-2。. 26.

(40) 表 2-2-2 資訊科技融入課程教學的七等級架構表層級未用. 內容 . 教師教學全以傳統教具為主，未使用任何資訊科技。. . 教師與學生於電腦教室中操作使用電腦。如電腦課。. . 教師使用資訊科技為工具，來補足傳統教學的不足，提. (nouse) 覺察 (awareness) 探索供學生額外的資訊和練習。如搜尋網路上關於課程的資 (exploration) 訊。 . 教師根據學習領域的內容性質，讓學生使用計算機、資. 融入. 料庫、文書處理、統計繪圖等軟體來分析學習領域中的. (infusion). 內容。或是利用網路功能，讓其他同儕、單位、學校等，分享教師資源。. 整合. . 樣的資訊科技來分析解決之。. (integration) 擴展. . (refinement). 學生不需要老師提醒，就能主動使用資訊科技解決課程之外的問題，將資訊能力延伸到教室之外。. (expansion) 精進. 教師針對學生在課程中關於主題或概念的問題，使用各. . 學生能在生活終究使用各樣資訊科技來解決問題、資料搜尋、資料分析…等，來完成生活中各樣型態的學習。. 本研究把此次融入教學的內容，放置於整合層級當中，在其他教學部份，也鼓勵學生能進入更多的使用資訊科技來解決問題。但除了資訊科技融入教學的層級之外，學者也因融入教學方法的不同，有不同的分類。. 27.

(41) 四、資訊科技融入教學的分類除了資訊科技融入教學的定義，目的，以及融入層面以外，蔡俊男（2000）也將目前進行的資訊科技融入教學，做了以下的分類：. 表 2-2-3 資訊科技融入教學的分類分類電腦教學. 內容 . 實際電腦相關的專業知識與技能的教學。. . 以電腦做工具，將搜尋到的資料篩選、分析、判斷、. 資訊教育整理、統整成為有用的資訊。 . 將學習的課程先製成電腦軟體，兒童再透過操作電. 電腦輔助教學腦來學習這些課程內容。資訊融入學科教學. 利用電腦綱路的特性來協助教學準備、教學活動與補救教學的進行，使得教學更「精緻化」與「卓越化」。. . 運用電腦處理成績、學籍等在行政、教學與學習方. 電腦運用於教學管理面的管理工作。 . 電腦網路應用於教學資源分享：教師利用電腦網路. 電腦網路應用於教學. 的特性將教學資源數位化，提供「非網路型」、「校. 資源分享. 園網路型」與「網際網路型」的資源分享，讓大多數的教師參考使用。. 遠距教學. . 遠距教學：利用網路做跨時空的教學活動。. 本研究是採取電腦輔助教學，讓學生透過電腦使用不同的多媒體教材，瞭解擴增實境與虛擬實境作為資訊科技融入教學的情形，評斷之間的不同。因此接下來本研究要對於電. 28.

(42) 腦輔助教學有更多的探討與研究。. 五、電腦輔助教學（）電腦輔助教學（CAI）電腦輔助教學最早可追溯到 1920 年代，史金納（Skinner）的研究。史金納的研究最早是運用在美國士兵的訓練上，就是將士兵所需學習的部份，變成一系列的小教材，並且使用教學機依序呈現之，讓士兵按步學習。之後在 1950 年代，美國著名電腦公司 IBM，研發出最早期的電腦輔助教學課程，IBM 將此一課程用在員工職業訓練上。而接續此一創見之後，電腦科技與電腦輔助教學，就隨著時代的推進而日新月異。因此本研究可以得知，電腦輔助教學顧名思義，即是利用電腦來增強所要學習與訓練的部份。學者洪榮昭（1992）也提出電腦輔助教學的目的有以下數者： 1. 增加原有教學及訓練的方法和課程發展的實驗。 2. 加速學習的課程 3. 提供補救教學 4. 提供個別化的教學 5. 提供豐富的教材 6. 達到更高的教學水準 7. 提高教學效率 8. 提供「立即需求」的教學因電腦輔助教學在教學上廣泛的被應用，所以本研究也對電腦輔助教學的類型進行研究，洪榮昭及劉明洲（1997）依據電腦輔助教學不同的使用方式、教學策略、教學性質、場合、對象，提出六種不同模式的電腦輔助教學，如表 2-2-4。. 29.

(43) 表 2-2-4 不同類型的電腦輔助教學類型. 內容 . 家教式. 本類型的電腦輔助教學，是將電腦當作家教一般，把教材教學提供給學生，教導各種知識。課程之中還有評量設. （Tutorials）. 計、以及針對評量結果，因學生個人學習差異給予診斷、補救的方式，甚至調整學習步驟，以讓學生學習。 . 本類型的電腦輔助教學，提供學生不斷的重複練習，比如. 練習式說打字或是數學運算，讓學生在不斷練習中熟能生巧。此（Drill & 一類型的電腦輔助教學可以放入家庭作業，或課堂上的練 practice）習題，讓學生可以從此當中，得到學習的樂趣。 . 本類型的電腦輔助教學，提供一個模擬的環境，需要學生. 模擬式. 在這些環境之中做出對策，且電腦能因學生的對策而做出. （Simulation）. 反應。此一種電腦輔助教學通常用於危險的環境，如駕駛飛機模擬器。 . 本類型的電腦輔助教學，提供一個競賽的環境，把教學內. 遊戲式容以比賽遊戲的方法呈現，此一種電腦輔助教學可提高學（Instructional 生的學習興趣，吸引學生的注意力。比如把課文題目作成 games）問答題，用競賽方式呈現。問題解決式. . 本類型的電腦輔助教學，提供如同小幫手的角色，電腦在. （Problem. 此不直接揭開學生的答案，而是跳脫知識學習，引導學生. solving）. 思考，增加學生分析、推理、解決問題的能力。. 測驗式（testing）. . 本類型的電腦輔助教學，提供如同測驗卷的功能。但電腦並非傳統測驗卷條列題目，而是可以根據學生作題的情. 30.

(44) 況，給予學生一個錯誤的上限，並且在超過上限時，顯現標準答案，以及進入下一題。此一種類型的電腦輔助教學適合用於測驗，或是補教教學之中。. 綜合以上所述，電腦輔助學習的目的並非完全取代教師傳統教學的方式，而是以電腦輔助媒體，作為引起學生興趣，或是加強學生學習的寬度和廣度為設計目的，以前面資訊科技融入教學相呼應。而電腦輔助教學也需要瞭解其教學特性、熟悉電腦軟硬體設備特點，以及教學軟體設計的原則、原理。因此本研究對於不同的虛擬實境多媒體（擴增實境、虛擬實境），將進行研究，以期日後在研究相關虛擬實境多媒體，融入教學中的議題時，能作為研究者的立基。本研究除探討資訊融入教學之外，也將針對此次資訊科技融入的教學─「體積概念課程」，進行研究。使本研究在使用資訊科技融入時，不至脫離學科的教材內容，違背了原本教學的目的。. 第三節體積概念課程學習針對應用資訊融入教學，本節將探討以「體積概念課程」為主題，進行相關課程設計基礎探究。. 一、國內體積教育與教材教育部於民國九十二年十一月的頒布的九年一貫課程正式綱要中，數學領域的課程包涵「數與量」、「幾何」、「代數」、「統計與機率」，以及「連結」五個主題。各個主題之下，又有「整數」、「量與實測」、「有理數」以及「估算」…等子題。而本研究的體積概念則是屬於數與量當中的量與實測部份。以下則為九年一貫課程中，體積相關之能力指標：. 31.

(45) 表 2-3-1 九年一貫體積相關之能力指標表體積相關能力指標第一階段具體操作. N-1-14 能對兩個同類量直接比較。. （一至三年級）. N-1-15 能對兩個同類量的間接比較與個別單位比較。 N-1-16 能使用日常測量工具進行實測活動，理解其單位與刻度結構，並解決同單位量的比較、加減與簡單整數倍的問題。 N-1-17 能做量的估測。. 第二階段具體表徵. N-2-15 能認識測量的標準單位（立方公分、立方公. （四至五年級）. 尺），並能處理相關的計算問題。 N-2-16 能理解標準單位間的關係，並在描述一個量時，做不同單位間的換算。 N-2-17 能理解長方體面積、周長與長方體體積公式的關係。. 本研究為深入探討體積概念教學實行的現況，故收集國內出版的體積概念教材，主要收集出版社有翰林出版、南一出局，以及康軒文教。又根據能力指標可發現，國小在學習到體積面積的概念，則是在學生具有具體表徵期之後（如上表 2-3-1），因此本研究收集的體積概念課程多集中於小學五、六年級，如表 2-3-3、表 2-3-4、表 2-3-5。（南一書局、康軒文教與翰林出版，2010）. 32.

(46) 表 2-3-2 康軒五六年級體積課程列表年級五年級. 六年級. 學期第三單元正方體、正方體、長方體和球. 依據形體的組成要素、比較. a.. 認識簡單形體的組成要素. b.. 認識正方體和長方體的透. 圓錐、圓柱、角柱和角錐的. 視圖. 異同。. 認識正方體和長方體的展 b.. 認識柱體和錐體的透視和. 開圖. 展開圖。. 觀察正方體、長方體中邊與 c.. 透過觀察與實測，知道角柱. 邊的相互關係、以及面與面. 中面與面的平行與垂直關. 的相互關係。. 係。. c.. d.. e. 上學期. 第三單元柱體與錐體 a.. 認識球及其組成要素. 第八單元體積 a.. 以個別單位使用乘法簡化計算方式描述體積。. b.. 使用中文簡記法描述長方體和正方體的體積。. c.. 認識 1 立方公尺. d.. 知道立方公尺與立方公分的關係，並利用此關係做整數化聚。. e.. 能算出簡單複合形體的體積。. 33.

(47) 第九單元表面積 a.. 認識並計算正方體和長方體的表面積。. b.. 能計算簡單複合形體的表面積。. 第五單元體積、體積、容積與容量 a.. b.. 第五單元柱體體積. 瞭解容積的意義及其常用 a.. 能理解簡單直立柱體的體. 的單位。. 積為底面積與高的乘積。. 瞭解並能計算正方體和長 b.. 能計算複合形體的體積。. 第七單元柱體表面積. 方體容器的容積。下學期. c.. d.. e.. 瞭解容積的意義及其常用 a.. 認識並計算正方體和正方. 的單位。. 體的表面積。. 認識容積與容積的單位關 b.. 能計算簡單柱體（三角柱、. 係，及換算。. 四角柱和圓柱）的表面積。. 能實測並計算不規則物體 c.. 能計算簡單複合形體的表. 的體積。. 面積。. 34.

(48) 表 2-3-3 翰林五六年級體積課程列表年級五年級. 六年級. 學期第六單元多面體. 第三單元錐與柱. 認識多面體，及其構成要素 a.. 認識直角柱、直角錐、直圓. 「頂點」、「邊」與「面」，. 柱與直圓錐。. 並能辨別長方體和正方體。 b.. 認識展開圖。. b.. 認識正多面體。. 理解柱體體積為底面積乘. c.. 認識正方體與長方體中面. a.. c.. 上學期與面的平行垂直關係。. 以高。第八單元圓柱體 a.. 圓柱的體積＝底面積高。. b.. 透過展開圖，理解柱體表面積的算法。. 第八單元體積與容積. 下學期. 無. a.. 認識長方體體積公式。. b.. 認識立方公尺、公秉。. c.. 理解立方公尺、公秉的不同。. 35.

(49) 表 2-3-4 南一五六年級體積課程列表年級五年級. 六年級. 學期第五單元長方體和正方體 a.. b.. c. 上學期 d.. 第九單元柱體與錐體. 認識長方體和正方體的組 a.. 認識柱體和錐體的性質。. 成要素及組成要素間的關 b.. 瞭解柱體、錐體的組成要素. 係。. 及其異同。. 認識長方體和正方體的透 c.. 認識柱體和錐體的展開圖。. 視圖和展開圖。. 找出直角柱、正角錐中邊與. d.. 能計算長方體和正方體的. 邊、面與面的平行、垂直關. 表面積。. 係。. 能理解長方體正方體中面第十單元體積和容積和面的垂直、平行關係。. a.. 認識體積和容積的關係。. b.. 瞭解長方體（正方體）容積的求法。. c.. 認識容積和容量的關係。. d.. 瞭解不規則物體體積的算法。. 第四單元體積的計算 a. 下學期 b.. 第三單元體積的計算. 認識長方體和正方體的體 a.. 柱體體積公式。. 積公式。. 計算複合形體的體積。. b.. 能計算長方體和正方體的體積。. 36.

(50) c.. 能認識 1 立方公尺的正方體。. d.. 能由 1 公尺＝100 公分導出 1 立方公尺＝1000000 立方公分。. e.. 能計算由長方體或正方體組合的複合形體的體積。. f.. 能將複合形體看成是幾個長方體或正方體的「和」或「差」，. 綜合以上各家出版社課程內容可以得知，各個出版社皆傾向介紹體積的各個性質（邊、線、面），或是面與面的關係等概念，而後再加入表面積或體積的運算。其中體積的介紹也從最基本的長方體或正方體開始，慢慢加深難度進入到錐體、柱體、圓柱體…等較複雜的體積形體。除以用現行教材瞭解體積應有的概念之外，學者更整理出國小五年級學生在建立體積概念時，應具備有下列觀念（葉麗鳳，2008；徐存姮，2003；沈佑霖，2003）： 1. 體積初步概念：體積的認識、體積的直接比較、體積間接比較。 2. 體積保留概念：體積不因物體的切割、重組與變形、方向、位置的改變而改變。 3. 體積測量概念：利用立方公分為刻度單位的工具，認識立方公尺與立方公分的關係與化聚、認識長方體體積的求語法公式的應用。 4. 體積估測概念：可利用自然的工具（目測、手量…等）為單位，進行估測活動。經過對於國內體積概念能力指標與課程教材的收集，本研究對於本次學生的學習目標重點已有所瞭解認識，但國小學童在學習體積概念的同時，又有怎麼樣的問題和困難，也. 37.

(51) 是本研究所要探討的目標。. 二、體積概念的學習困難與問題根據徐存姮（2003）在國小六年級體積直觀迷思概念的研究當中，對於體積初步概念、體積保留概念、體積測量概念，以及體積估測概念，國小學生對於不同概念的共同問題做出整理，在下表中將逐一列出。表 2-3-5 體積概念與相關問題的整理（徐存姮，2003）體積概念體積初步概念. 相關問題 1. 認為體積就是物體的重量。 2. 相同面積等於相同體積。 3. 其他，例如：（1）規則的物體才有體積。（2）只有固體才有體積。（3）具有完整外形、排列整齊的物體才有體積。（4）看得到、摸得到的物體才有體積。（5）有固定形狀的物體才有體積。（6）把面積誤認為體積。（7）不同的展開圖，摺合出來的物體，其體積也不一樣。. 體積保留概念. 1. 保留性不足。比如：對於盒子內放入不同大小的黏土後，無法正確估算出剩下的體積。 2. 比較兩個物體的體積大小時，會認為「高度」較高者或「寬度」較寬者的體積較大。. 體積測量概念. 1. 用視覺作圖像的點數或用圖形出現的數字求體積。. 38.

(52) 2. 單位量不為 1 立方公分時單位量的點數有困難或邊長不為整數時，造成體積計算的錯誤。 3. 不易透過視覺分解或合成立體物。 4. 測量結果之單位誤用或單位量間關係的轉換缺乏注意。 5. 沒有長、寬、高的物體或無法使用單位量堆疊物體時，就認為無法算出其體積或認為無體積。體積估測概念. 1. 學生對體積的量感不足，導致其估測出錯誤的答案。. 圖 2-3-1 研究中所用體積概念的問題（1）. 圖 2-3-2 研究中所用體積概念的問題（2）從徐存姮的研究當中，可以發現六年級學生對於不固定的體積樣式，或是較難透過視. 39.

(53) 覺分解或合成立體物，因此本研究在五年級體積概念教學，如何加強學生對體積概念的認識，以及讓學生於腦中建立完整的體積概念，方便透過視覺合成或分解立體物，都成為本研究可探討研究的部份。為解決這些問題和困難，有許多學者研究不同的資訊科技來融入體積概念學習，以下本研究將收集分析之。. 三、資訊科技融入體積教學的研究資訊科技融入體積教學的研究 1.. 以 U-learning 為基礎之數學步道設計-以五年級體積與表面積單元為例為基礎之數學步道設計以五年級體積與表面積單元為例. 學者葉晉源（2009）提出以 U-learning，作為五年級體積與表面積單元的教學，及補救教學的設計。U-learning 意為「無所不在的學習」，也就是教學者以資訊科技（偵測器、行動裝置…等科技）來為學生建立一個完全的學習環境。學習者在此環境當中不會因為位置、時間的改變，影響學習，可謂之有不間斷的學習，且裝置可在正確的時間、地點，提供個人化協助，並且同時收集學習者的學習情況。學者葉晉源即利用此一概念，設計一個數學步道，讓學生學習體積與表面積，如圖 2-3-3。. 圖 2-3-3 U-learning 運用於體積教學. 對於使用多媒體建制環境的體積教學，學者葉晉源提出以下數者結論：以教學模式而. 40.

(54) 言，利用 U-learning 數學步道與傳統室內紙本數學步道的學習，對學生在不同的教學模式對學習成效並沒有顯著性的差異；但在補救教學就有顯著的差別；除此之外，這樣的教學也能提昇學生的學習興趣。 2.. 以知識結構與貝氏網路為基礎之數位教材與評量研發-以六年級柱體體積單元為以知識結構與貝氏網路為基礎之數位教材與評量研發以六年級柱體體積單元為例. 學者楊淑菁（2009）以知識結構與貝氏網路，建立六年級柱體體積單元的電腦適性測驗。「知識結構」所指的不同的角色知識所組成的結構，在此研究中學者使用教學經驗的數學學科專家及國小教師群的「專家知識結構」，經過專家知識結構所得的學生評量成績的「學生知識結構」，以及以學生知識結構為基，參照專家知識結構的「補救教學知識結構」。此外，學者楊淑菁使用貝氏網路作為電腦適性測驗決策方式，「貝氏網路」是一種結合圖形和機率的推測工具，使用學生的先備知識以及專家意見，結合成一個資訊推論的圖表模式（如圖 2-3-4）。. 圖 2-3-4 學者楊淑菁所使用的貝氏網路（楊淑菁，2009）. 41.

(55) 圖 2-3-5 以知識結構與貝氏網路設計的電腦適性測驗（楊淑菁，2009）. 經過實驗之後，學者楊淑菁指出，以知識結構為基礎的自編教材具有良好學習成效，且自編補救教材提昇學生的學習成效。 3.. 資訊科技融入國小數學科教學效益之研究-以國小五年級體積與表面積為例資訊科技融入國小數學科教學效益之研究以國小五年級體積與表面積為例. 學者程柏豪（2009）設計一國小五年級適用之體積與表面積電腦教學媒體，並以此媒體為教具，來探討資訊融入體積與表面積教學，對學生的學習成效。此研究採準實驗實驗法，一組為傳統教學，一組為資訊融入教學，並且針對受試對象，依照數學學業成就、教學模式（傳統教學、資訊融入教學）及性別來進行分組分析。. 圖 2-3-6 資訊融入表面積教學（程柏豪，2009）. 42.

(56) 圖 2-3-7 資訊融入體積教學（程柏豪，2009）. 經過實驗後，學者程柏豪認為資訊融入教學在學童學習成效中優於傳統教學。此外資訊教學中的中、低學習成就的學童，於體積學習、表面積學習方面有顯著學習成效且表現優於傳統教學，相反地，在高學習成就中則無明顯差異。. 4.. 電腦輔助教學對數學低成就學生補救教學成效個案研究─以柱體的體積為例電腦輔助教學對數學低成就學生補救教學成效個案研究以柱體的體積為例. 學者楊儒仁（2010）透過電腦輔助教學，針對四位學習低成就的學生，來設計為期三週的體積補救教學（如圖 2-3-8）。. 43.

(57) 圖 2-3-8 學者楊儒仁所用電腦補助教學. 學者楊儒仁在經過電腦補助教學之後，所得結果發現低成就學生接受電腦輔助教學之後，在體積的「保留概念」、「測量概念」、「解題應用」上都有良好的結果，另外也發現，電腦輔助教學受到個案是否有接觸其他電腦軟體影響（如個案常玩線上遊戲而電腦輔助教學的內容和聲光效果影響不如預期…等）。. 根據以上研究，本研究可以知道利用資訊科技融入教學，可以提昇學生的學習興趣，特別是使用在補救教學（低成就）中，對於學生興趣、學習成效有更顯著提昇。而對於體積概念課程教學，除了以上數位研究者的資訊融入教學外，更有多位學者提出應用虛擬三維物件對於學生的空間概念上學習，十分有幫助(Shelton & Hedly，2002；李婉芬，2006；卓詠欽、王健華，2008)。但卻未有研究提出不同的虛擬多媒體對於體積學習的成效差異，因此本研究乃以不同虛擬實境軟體，針對國小學童體積概念問題，設計多媒體輔助軟體，. 44.

(58) 期能提升國小兒童體積課程概念學習效益。. 45.

(59) 46.

(60) 第三章研究方法本章內容包含研究架構與設計、研究對象、研究工具、研究程序、研究假設。. 第一節研究架構與設計本研究將以國小班級為單位，以不同的虛擬多媒體教材作為本研究的自變項，並且觀察不同實驗組組別的前測、後測、延後測作為依變項。本準實驗研究依據現有的「體積概念教學」─南一版本五年級上學期的第五單元「長方體與正方體」，做一完整的體積教學計劃實驗，並在此教學計劃之前製作一個供實驗者參考的體積概念前測。在實驗階段中，施行同一套流程的體積概念教學，並會依照體積單元所需的單元內容，以擴增實境和虛擬實境多媒體分別進行設計實驗後對於被實驗者進行體積概念體積概念教學後評量。一個月後，為瞭解學生經過一段時間後，在體積概念能力的改變，本研究收集受測國小共同實施的第一次段考，試卷內與體積概念相關的題目成績，當作延後測的參考。之後將實驗前的前測資料、實驗後的後測所得的成績資料，以及一個月後的延後測資料，交叉比較，以瞭解體積概念在兩組多媒體教材中上運作的情況，看是否使用不同的多媒體教材，在體積教學中是否會引出不同的學習成效。除用數據上的統計資料作為本研究的參考，本研究也使用學生回饋單，讓學生針對本次的體積概念教學的多媒體教材，給予評估、建議。. 一、研究架構本研究目的在探討以體積概念為教學內容，擴增實境和虛擬實境多媒體在作為體積概念教材，是否有不同的教學成效，可供擴增實境和虛擬實境未來發展教材和課程，以及多媒體之參考，主要研究架構圖，以本研究涉及之變項說明如下。. 47.