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題目:基於空間邏輯之線上歷史教學系統 An Online History Educational System Based

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Academic year: 2022

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:基於空間邏輯之線上歷史教學系統 An Online History Educational System Based

On Spatial Logic

系 所 別:資訊管理學系碩士班 學號姓名:M09410002 杜筱涵 指導教授:羅家駿 博士

中華民國 九十七 年 二 月

(2)

I

摘要

在傳統歷史教學上,學生通常都是在老師的帶領下,透過書本來學習知識。

但此學習方法,卻也常使得學生易迷失於地理空間和歷史事件之間的關聯。這是 因為歷史事件是由眾多複雜的人、事、時、地…等元件所組成。然而隨著資訊科 技不斷進步,歷史教學近年來慢慢都能以資訊科技技術做出進一步的呈現,最常 見的方法便是以 Flash 做出動態的互動式教學系統。但由於許多歷史專家和教師 並不擅長於資訊科技的使用,以致於無法輕易建立出適當的數位歷史教材。

地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)的出現,使得系統設 計者可以利用電腦運算協助處理大量的地理資訊,因為其具有強大的收集、整 合、分析、儲存並呈現大量空間資訊的功能。因此,若將地理資訊系統應用在歷 史教學系統中的空間呈現方面,即可妥善表現出歷史事件在空間上的變化過程,

但對於隨著時間演變所衍生的空間物件改變及空間邏輯間的判斷問題則一直尚 未有進一步的發展。

因此,本研究針對歷史教師、教材設計者及學生三種歷史教學系統上的角 色,繼承已有的歷史教學系統 HES-SPATO(History Educational System – Spatial, Person, Action/Attribute, and Temporal Object),以及其所包含的 SCORM(Sharable Content Object Reference Model)數位學習標準。並將時空物件導向和空間邏輯

(Spatial Logic)推演的觀念加入,使該系統除了可清楚呈現出歷史事件間彼此 的關聯外,還可更清楚的表達出每個空間物件間動態的變動關係。

本研究分別對九位學生和四位歷史教師採質性研究(Qualitative Research)

中的引導式訪談法(Interview Guide)進行相關分析。同時也驗證出本系統的確 有效改善傳統歷史教學系統不能清楚呈現空間動態關係的問題。本系統也的確可 以幫助 Learner 更加理解歷史事件的發生與地理空間之變化。也可幫助 Author 在教學過程中,更簡單方便的建立起空間地理相關資訊。

關鍵字:歷史教學系統、時空物件導向、空間邏輯、時間地理資訊系統

(3)

Abstract

In traditional history classes, the teachers and students usually teach and study paper materials in books. However, it is easy to let students get lost in the geographical space and the relations between history events. History events are complicated, because they are composed by many components, such on ―who initiated the event‖, ―what’s happened‖, ―when it happened‖, and ―where the event happened‖. With the evolving of information technology development, the teaching of history makes further well presentation gradually. The most common way is using Flash to make dynamic interactive teaching system. However, many historical experts and teachers do not good in using IT. They can not develop appropriate digital teaching materials easily.

Because strong computing abilities of GIS to collect, integrate, analyze, store and present space information, system designers can use it to process a large number of geographical information data. Therefore, it can be used in the history teaching system to display the spatial relation changed by history events properly. However, the changed space objects with time evolution and the spatial logical problem has not been further developed yet.

Therefore, the purpose of the study is to propose a system focused on three different roles of the teaching system, namely, history teachers, material designers, and students. The system was based on pre-developed HES-SPATO (History Educational System - Spatial, Person, Action / Attribute, and Temporal Object) with SCORM (Sharable Content Object Reference Model) standard included, in addition, the ideas of temporial-spatial object and spatial logic were added. The system not only showed the spatial relation between history events clearly but also expressed dynamic changed relation between space objects more clearly.

(4)

III

After completing the system development, the experiments were made to test the effectiveness of the study and perception of 9 learners and 4 authors. The Interview Guide of Qualitative Research to evaluate the system was adopted. The results verified that the proposed system is better than the traditional historial teach system.

The proposed system not only made learners to unsderstand the spatial relation which are changed by history events more easily but also helped authors to create space materials more easily and friendly.

Keyword:History Educational System, Temporial-Spatial Object, Spatial Logic,

Temporal GIS

(5)

致謝

首先感謝指導教授羅家駿博士,老師悉心的教導使我得以一窺領域的深奧,

不時的討論並指點我正確的方向,使我在這些年中獲益匪淺,老師對學問的嚴謹 更是我輩學習的典範。

另外亦要感謝口詴時,羅家駿教授、謝德鑫副教授及應鳴雄助理教授的細心 校閱,因為老師們所給予的諸多意見和指正,才能使得本論文可以更加完整而嚴 謹。

兩年多裡的日子,研究所夥伴們共同生活的點滴,包括學術上的討論、言不 及義的閒扯、讓人又愛又怕的宵夜、趕作業的革命情感...等等,感謝陳宏璋同學、

劉郁君同學、江啓宏同學、賴政揚同學、吳名豐學弟、王政傑學弟、黃莉婷學妹,

有你們的陪伴讓這兩年多的研究生活變得更加絢麗多彩。

感謝曹忠學學長、黃政嘉學長、張准榕學姐不厭其煩的指出我研究中的缺 失,且總能在我迷惘時能為我解惑。王英傑學弟、詹雅珍學妹、陳昱儒學弟、宋 昭賢學妹當然也不能忘記,你們的幫忙及搞笑永遠令我銘感在心。感謝我的各個 好友,有你們的存在不論是在課業上、生活上都給了我莫大的支持與鼓勵。

感謝家裡的支持,你們讓我能全心全力的專心於研究,甚至因而常常忽略了 你們。在此,獻上我最真摯的謝意給最親愛的家人。

最後,謹以此文獻給我所有一路幫助我、鼓勵我的人。

杜筱涵 謹誌 中華民國 九十七年二月

(6)

V

目錄

摘要... I Abstract ... II 致謝... IV 目錄... V 圖目錄... VIII 表目錄... XI

第一章 緒論... 1

1.1 研究背景 ... 1

1.2 研究目標 ... 2

1.3 論文架構 ... 2

1.4 研究流程 ... 3

第二章 文獻探討... 5

2.1 歷史教學系統 ... 5

2.2 地理資訊系統 ... 7

2.2.1 地理資料 ... 7

2.2.2 資料組成方式 ... 10

2.3 時間地理資訊系統 ... 12

2.3.1 地理資料 ... 13

2.3.2 資料組成方式 ... 14

2.4 時空物件導向概念 ... 17

2.4.1 時間戳記(Time Stamp) ... 18

2.4.2 物件空間變動類型 ... 18

2.5 HES-SPATO ... 20

2.5.1 SPATO(Spatio-Person-Temporal-Attribute Object) ... 23

2.6 空間邏輯推理 ... 27

(7)

2.6.1 區域連接演算法(RCC) ... 27

2.6.2 RCC-8 ... 28

2.7 地理政區概念 ... 30

2.7.1 政區變動事件 ... 31

2.8 AJAX 和 VML ... 32

2.8.1 AJAX(Asynchronous JavaScript And XML)... 33

2.8.2 VML(Vector Markup Language) ... 35

2.9 結論 ... 36

第三章 系統架構與開發... 37

3.1 系統架構 ... 37

3.1.1 空間資料模型 ... 40

3.1.2 地理空間推理關係 ... 45

3.2 空間物件資料模型 ... 50

3.3 系統操作流程 ... 57

3.3.1 Authoring Module ... 57

3.3.2 Learning Module ... 61

3.4 結論 ... 67

第四章 系統評估與分析... 69

4.1 訪談方法 ... 69

4.2 訪談流程 ... 71

4.3 訪談對象與類別 ... 72

4.4 訪談大綱 ... 75

4.5 教師訪談紀錄分析 ... 78

4.5.1 背景資料分析 ... 78

4.5.2 實際操作分析 ... 81

4.6 學生訪談紀錄分析 ... 84

4.6.1 背景資料分析 ... 85

(8)

VII

4.6.2 實際操作分析 ... 90

4.7 結論 ... 96

第五章 結論與未來發展... 99

5.1 結論 ... 99

5.2 未來發展 ... 101

參考文獻... 102

附錄 A:前測及後測題目 ... 104

附錄 B:訪談內容資料 - TS_01 受訪者 ... 106

附錄 B:訪談內容資料 - TS_02 受訪者 ... 109

附錄 B:訪談內容資料 - TU_01 受訪者 ... 112

附錄 B:訪談內容資料 - TU_02 受訪者 ... 115

附錄 B:訪談內容資料 - LS_01 受訪者 ... 118

附錄 B:訪談內容資料 - LS_02 受訪者 ... 121

附錄 B:訪談內容資料 - LS_03 受訪者 ... 124

附錄 B:訪談內容資料 - LN_01 受訪者 ... 126

附錄 B:訪談內容資料 - LN_02 受訪者 ... 129

附錄 B:訪談內容資料 - LN_03 受訪者 ... 131

附錄 B:訪談內容資料 - LH_01 受訪者 ... 133

附錄 B:訪談內容資料 - LH_02 受訪者 ... 135

附錄 B:訪談內容資料 - LH_03 受訪者 ... 138

(9)

圖目錄

圖 1-1:研究方法流程圖 ... 4

圖 2-1:地理資訊系統的資料(陸天瑢,2004) ... 8

圖 2-2:向量式資料(周天穎,1997) ... 9

圖 2-3:網格式資料(一)(周天穎,1997) ... 9

圖 2-4:空間資料範例(周天穎,1997) ... 9

圖 2-5:資料分層式(陸天瑢,2004) ... 11

圖 2-6:資料分幅式(陸天瑢,2004) ... 11

圖 2-7:離散模式(Renolen, 1997) ... 14

圖 2-8:持續模式(Renolen, 1997) ... 14

圖 2-9:連續模式(Renolen, 1997) ... 14

圖 2-10:快照序列(Langran & Chrisman, 1988) ... 15

圖 2-11:基態修正(Langran & Chrisman, 1988) ... 16

圖 2-12:時空複合(Langran & Chrisman, 1988) ... 16

圖 2-13:時空物件導向(Langran & Chrisman, 1988) ... 17

圖 2-14:時空物件變化(Renolen, 1997) ... 19

圖 2-15:時空物件拓樸關係 ... 20

圖 2-16:空間拓樸關係演化(Fisher & Raper, 1999) ... 20

圖 2-17:HES-SPATO 系統架構(重繪自張准榕,2006)... 21

圖 2-18:STAO 的概念圖(Raza & Kainz, 1999) ... 24

圖 2-19:SPATO 的概念圖(張准榕,2006) ... 24

圖 2-20:以三國歷史事件說明 SPATO(張准榕,2006) ... 25

圖 2-21:SPATO 類別圖(張准榕,2006) ... 26

圖 2-22:完整關係集合(Cohn et al., 1997)... 28

圖 2-23:RCC-8 拓樸演變(Randell et al., 1992) ... 29

(10)

IX

圖 2-24:傳統網頁程式處理流程(Garrett, 2005) ... 34

圖 2-25: AJAX 網頁程式處理流程(Garrett, 2005) ... 34

圖 2-26 :VML 的工作流程(Brian Mathews et al., 1998) ... 35

圖 3-1:基於空間邏輯之線上歷史教學系統架構圖 ... 38

圖 3-2:HES-SPATO 系統架構(重繪自張准榕,2006)... 39

圖 3-3:空間物件改變的形式(Raafat et al., 1994) ... 40

圖 3-4:行政區域的空間變化(範例) ... 41

圖 3-5:行政區域的拓樸關係圖(範例) ... 41

圖 3-6:三國荊州政區時空變動關係圖 ... 42

圖 3-7:物件本體改變 - 新置 ... 46

圖 3-8:物件本體改變 - 析置(分裂、獨立) ... 47

圖 3-9:物件本體改變 - 更名 ... 47

圖 3-10:物件本體改變 - 併置(併吞、合併) ... 48

圖 3-11:物件屬性改變 - 兩空間 ... 49

圖 3-12:物件屬性改變 - 三空間 ... 50

圖 3-13:新置 ... 51

圖 3-14 a:析置前 ... 51

圖 3-14 b:析置後 ... 52

圖 3-15 a:併置前 ... 52

圖 3-15 b:併置後 ... 53

圖 3-16 a:更名前 ... 53

圖 3-16b:更名 ... 54

圖 3-17a:改隸前 ... 54

圖 3-17b:改隸後 ... 55

圖 3-18a:復隸 ... 55

圖 3-18b:復隸 ... 56

(11)

圖 3-18c:復隸 ... 56

圖 3-19:建置 Space Asset 的流程 ... 58

圖 3-20:建置 Space Asset 的介面 ... 58

圖 3-21:建置 Prefecture Asset 的流程 ... 59

圖 3-22:建置 Prefecture Asset 的介面 ... 59

圖 3-23:建置 SPATO 的流程 ... 60

圖 3-24:建置人物、地點、時間、行為/屬性的介面 ... 61

圖 3-25:建置空間物件關係的介面 ... 61

圖 3-26:HES-SPATO Learning Module 介面(張准榕,2006) ... 62

圖 3-27:本系統 Learning Module 介面 ... 62

圖 3-28:Learning Module 組成說明 ... 63

圖 3-29:南郡(編號 2,屬漢) ... 64

圖 3-30:南郡(編號 12,屬曹魏) ... 65

圖 3-31:南郡(編號 21,屬曹魏;編號 23,屬南郡) ... 65

圖 3-32:南郡(編號 30,屬孫吳) ... 66

圖 3-33:南郡(編號 31,屬蜀漢) ... 66

圖 3-34:南郡(編號 47,屬孫吳) ... 67

圖 4-1:訪談流程 ... 72

圖 4-2:訪談類別 ... 73

(12)

XI

表目錄

表 2-1:向量式資料與網格式資料的比較(整理自周天穎,1997) ... 10

表 2-2:使用二元關係 C 的關係定義(Cohn et al., 1997) ... 28

表 2-3:RCC-8 的構成表(Cohn et al., 1997) ... 29

表 2-4:行政區域空間變動型態彙整表(周振鶴,1990) ... 30

表 2-5:造成行政區域「空間資訊」變動的事件表(整理自周振鶴,1990) ... 32

表 2-6:造成行政區域「屬性資訊」變動的事件表(整理自周振鶴,1990) ... 32

表 3-1:三國荊州政區資料表 ... 43

表 3-2:政區的三個空間變化構成表(改自表 2-3) ... 48

表 3-3:政區的使用─以二元關係 C 的關係定義(改自表 2-2) ... 49

表 4-1:訪談名單與時間 ... 74

表 4-2:訪談大綱 - 教師(課程編輯者、教學者) ... 76

表 4-3:訪問大綱 - 學生(學習者) ... 77

表 4-4:基本資料分析(高中歷史科教師) ... 78

表 4-5:基本資料分析(大學歷史系教師) ... 78

表 4-6:基本資料分析(高中生) ... 85

表 4-7:基本資料分析(非歷史系大學生) ... 86

表 4-8:基本資料分析(歷史系大學生) ... 86

表 4-9:對歷史事件及空間的理解程度分析(高中生) ... 87

表 4-10:對歷史事件及空間的理解程度分析(非歷史系大學生) ... 87

表 4-11:對歷史事件及空間的理解程度分析(歷史系大學生) ... 87

表 4-12:對歷史事件及空間的理解程度分析-續(高中生) ... 94

表 4-13:對歷史事件及空間的理解程度分析-續(非歷史系大學生) ... 94

表 4-14:對歷史事件及空間的理解程度分析-續(歷史系大學生) ... 94

(13)

第一章 緒論

1.1 研究背景

傳統的歷史教學上,學習者只能透過書本、文字去了解歷史事件,這使得他 們常迷失在歷史事件所描述的地理空間中,且易對於不同歷史事件間的相關性感 到困惑。這都是因為每個歷史事件是由數個複雜的人、事、時、地…等不同元件 所組合而成的,所以如果能以圖形畫面顯示出歷史事件依時間演變的整個過程,

將會使學習者更易吸收相關知識。

而在傳統的地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)中,我們 可以利用電腦強大的運算來協助處理大量的地理資訊,因為它具有收集、整合、

分析、儲存、呈現大量從不同資料來源之以地圖為基礎的空間資訊功能(Lin et al., 2002 )。 而 在 加 入 時 間 觀 點 後 的 時 間 地 理 資 訊 系 統 ( Temporal Geographic Information Systems,TGIS),則可表達出整個依照時間變動的歷史地理資料變動 過程。

張准榕(2006)發表了以 SCORM 為基礎之歷史教學系統-HES-SPATO

(History Educational System – Spatial, Person, Action/Attribute, and Temporal Object),此系統已做到:

1. 讓使用者可選擇同時呈現一至多項的相關歷史知識,使其能夠互相搭配 學習。

2. 可提供第一線教學者簡易編製教材,而無頇透過系統人員時時協助製 作。

3. 可針對事件的先後做出簡易的順序呈現,以利於快速了解及記憶知識。

4. 簡易地動態呈現與歷史事件相關的地理資訊,以避免過多資訊造成閱讀 負擔。

在描述歷史事件的演變過程中,如何將空間做出適當表達是一項非常重要的

(14)

關鍵,因為相關地理資訊可能會隨著時間的變化或事件的發展而有所更動。例 如:國土的範圍可能因為經過戰爭而有所變動。而 HES-SPATO 在空間物件上的 表達方式過於簡化,且無法呈現出隨時間變化的整個空間物件改變,並對於空間 物件間邏輯上的判斷無詳加規劃。所以,本研究將延續 HES-SPATO 的基本架構,

針對其無法呈現隨時間變化的空間物件改變之相關問題,提出一套以地理空間推 理的改進方法。本研究分別採用 Langran 和 Chrisman(1988)提出的時空物件導 向、Randell(1992)等人提出的區域連接演算法(Region Connection Calculus,

RCC)的概念以做出空間概念上的改進。

1.2 研究目標

本研究致力於開發一個以空間邏輯為基礎的時空歷史教學系統平台,希望藉 由此系統所提供的空間資料處理機制,讓學習者在吸收歷史知識的過程中,更能 以圖形介面學習到依據時間演變的歷史事件將會對地理空間有何影響,使得歷史 知識較容易被吸收而能引發學生較高的學習動機。

此外,針對既有的 HES-SPATO 歷史教學系統,因其採用由伺服器端語言所 寫出的 Web-based 介面,所以存在著需等待伺服器回應時間過長的問題。因此,

本研究也希望能透過 AJAX(Asynchronous JavaScript And XML)這個能向伺服 器提出非同步要求的客戶端技術,以及搭配 VML(Vector Markup Language)的 即時繪圖功能,來針對此問題做出進一步的修正。

綜合上述,本研究的最終目標在於,希望能藉由系統本身所提供的一些機 制,來提升歷史學習及教學上的效益。並應用空間邏輯推理的方法,使得系統能 以更有效率的方式去呈現隨時間變化的空間物件關係。

1.3 論文架構

本研究架構其主要章節可分為:文獻探討、系統架構與開發、系統評估與分

(15)

析、結論與未來發展,其各章節內容概述如下:

第二章 文獻探討

針對與本研究相關的文獻,包括歷史教學系統、時間地理資訊系統、時空物 件導向概念、HES-SPATO、空間邏輯推演理論、地理政區概念…等文獻進 行探討與整理。

第三章 系統架構與開發

介紹本研究的系統架構、空間物件資料模型及系統操作流程。

第四章 系統評估與分析

利用評估分析來驗證本研究是否能有幫於歷史教學系統的使用者。

第五章 結論與未來發展

描述本研究經過實際的系統建置,及系統評估分析過後所得到的最後結果。

同時提出本研究在未來可再更進一步發展的方向。

1.4 研究流程

本研究的流程圖如圖 1-1 所示:

1. 確定研究目的及研究問題:根據研究背景確立研究之目的,及所欲研究 之問題。

2. 相關文獻探討:收集並整理相關文獻,了解研究問題的各種背景知識,

並藉此決定如何解決問題及系統架構。

3. 系統分析設計:分析系統欲達成之功能及系統架構,並先排除可能發生 的系統開發限制。

4. 開發系統:實際開發系統,並解決在實際開發系統過程中所遭遇的困難 及限制。

5. 實驗設計與實驗進行:設計實驗進行的方式,以檢驗系統是否可有效達 到所預期的目標。

(16)

6. 實驗結果與分析:針對實驗結果進行分析及檢測。

7. 結論:針對系統整體及目標提出結論,並探討未來可能的發展及修正。

圖 1-1:研究方法流程圖 確定研究目的及研究問題

相關文獻探討

系統分析設計

開發系統

實驗設計與實驗進行

實驗結果與分析

結論

(17)

第二章 文獻探討

本研究的主要目的為建立以空間邏輯為基礎的時空歷史教學系統平台。此系 統在歷史事件的呈現上,將不再單單以檔案排序的方式呈現時空連續變化,而是 以更動態方式顯示主要的相關內容。而在歷史資料庫建置的方面,每個教材製作 者都可將自己將所建立的歷史事件資料儲存於公用資料庫中,然後再從公用資料 庫中選擇出自己所需的教材製作成歷史課程,並能透過動態方式妥善呈現出歷史 事件間的相關資訊(張准榕,2006)。本研究根據此教學平台的基本架構,新加 入地理空間推論理論,並以 AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)和 VML

(Vector Markup Language)來建置本研究的教學平台,以探討此動態歷史教學 呈現方式對於學習者在學習歷史知識的過程中,是否能達到更有效率的幫助。

在接下來的 2.1 節將探討歷史教學系統目前的缺失;2.2 節探討什麼是地理 資訊系統及其資料模式與資料組成方式;2.3 節更進一步探討在加入時間觀點後 的時間地理資訊系統是如何運作的;之後在 2.4 節則講述本研究所使用的時空物 件導向的概念;2.5 節探討以 SCORM 為基礎的歷史教學系統-「HES-SPATO」;

並在 2.6 節帶出何為空間邏輯推理及本研究使用的區域連接演算法(RCC); 另 外在 2.7 節講述地理政區各種分類概念與變動事件。最後在 2.8 節則介紹本研究 所使用的核心技術-AJAX 和 VML。

2.1 歷史教學系統

在傳統的歷史教學系統中,通常是以文字敘述的方式為主來表達歷史事件的 相關內容。但這樣的學習方式往往會造成學習者在使用歷史教學系統上的困難,

甚至是無法完全理解到歷史教學系統中所欲陳述的內容。這是因為一個歷史事件 本身通常會牽扯到許多相關地名,而系統在沒有提供相關地圖輔助說明該空間關 係時,會使得學習者易於迷失在空間及事件的相對關係中。

(18)

另外,由於任何一個歷史事件都會包含人、事、時、地…等要素。所以,若 歷史教學系統能在學習者使用系統的當下,就將人、事、時、地…等要素的相關 性一併完整呈現出來,不但將可使學習者能夠快速了解歷史事件的整體因果關 係,也同時能使得學習者更易於了解在同一時間但不同地點所發生之事件間的關 聯性。

目前雖已有多套動畫式歷史教學系統的產生,但因其多以 Flash 製作,所以 即使能夠動態的呈現出歷史人物、歷史事件及地理資訊的演變,但在內容上卻仍 無法讓教材製作者隨心所欲地更新內容。而這樣的歷史教學系統,同時也需要教 材製作者本身已具備 Flash 的專業技能,才能順利完成動畫系統的建置。但截至 目前為止,尚未有ㄧ套歷史教學系統能完整的提供教學者簡易、快速地製作動態 教材。

由於資訊科技的發達,在目前的歷史教學系統上,越來越多的研究者開始傾 向將地理資訊系統(Geographic Information System,GIS)加入系統中,以便能 輔助學習者(Liao et al., 2004; Lo, 2004)。這確實能使歷史教學系統提高其在地 理資料方面的呈現與分析能力,但他們也僅只以單純的地圖方式去呈現歷史事件 中地理位置間的關聯,並未依時間變化的空間推理(Spatial Reasoning)關係加 入。

另外,有些歷史教學系統雖已具備了動態呈現地理空間關係的能力,但卻只 單純的偏重於如何呈現出歷史的地理及人文資料,並沒有呈現出歷史事件更細節 的部分。而有些系統呈現歷史事件的方式,僅一次將事件關係以線條路徑表示,

並沒有依照事件發生的順序動態顯示。因此,這些系統若不在旁邊搭配文字敘 述,將可能造成學習者無法從中快速了解歷史事件的因果先後順序。除此之外,

有些系統雖本身已具備良好的互動性,且在系統操作上能易於被使用,系統並且 以讓學習者能快速了解的圖示介面去呈現歷史事件。但因為該系統是建構於 Flash…等不易直接更改的技術之上,使得在修正或添補內容時有一定的困難性。

而大多數使用了地理資訊系統的歷史教學系統卻也存在著因為資訊過載

(19)

(Overloading)問題所造成的閱讀困難。因為,在同一畫面中如果同時呈現過多 的周邊地理位置資訊,將會使得學習者在瀏覽歷史事件時不易快速找到他真正想 要的資訊,而使得學習者有分心的可能。此外,使用地理資訊系統的技術雖然對 於空間資料的呈現有所幫助。但由於歷史事件是由時間連續而下的產物,所以必 頇透過時間和空間的結合,將資料分別有效地收集、保留、編輯、管理、分析和 展示每個訊息形式,它才能成功結合不同類型的空間資料與時間訊息(Academic Sinica, 2005; Liao et al., 2004; Lo, 2004)。

2.2 地理資訊系統

地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)是一個以電腦為工具 來收集、儲存、取回、檢查、處理、分析、顯示地理資訊的系統,並使用地圖標 示的方式來表達出地表上存在的事物或是事件(邱佳正,2003)。1960 年代美 國、加拿大為調查與分析其國土利用、自然資源、地質、人口普查等資料,於是 發展出地理資訊系統;它可有效地結合空間資料(地圖)及統計資料(文、數字),

建立出空間統計資訊,並以多元化的方式呈現個別地區之統計資料差異,以提高 各種空間決策的正確性及完整性。

地理資訊系統能透過疊圖及空間分析功能,將原始地理資料轉變為能支援空 間決策的資訊(陸天瑢,2004)。其主要功能包括:資料輸入(地理資料數位化)、

資料處理(格式轉換、座標校正…等)、資料分析(套疊分析、路網分析…等)

及資料展示與查詢(地圖繪製、查詢系統…等);應用範圍也十分廣泛,凡舉需 要空間資訊之系統均為地理資訊系統的潛在應用對象。

2.2.1 地理資料

一般而言,地理資訊系統的地理資料分為空間資料(Spatial Data)和屬性資 料(Attribute Data)二類(圖 2-1)。空間資料主要在描述物體在地表的空間位

(20)

置資料,例如:座標、幾何單元…等。如圖 2-1 中,上半部藍色粗框中所描繪出 的三個不同空間位置。屬性資料則在描述物體的特性,例如:總人口數、土壤類 別、道路寬度…等。如圖 2-1 中,下半部分別描述出三個不同空間位置的屬性資 料。

圖 2-1:地理資訊系統的資料(陸天瑢,2004)

2.2.1.1 空間資料

空間資料記錄空間中的點、線、面等空間元素。例如:寺廟、道路、洪氾區 域…等等。它具有空間位置的相關訊息,其表達方法主要有向量式資料(Vector Data,圖 2-2)及網格式資料(Raster Data,圖 2-3)兩種。向量式資料主要是使用 點、線、面的方式,連續記錄空間資料。網格式資料則是使用數個大小相等的網 格來表示空間資料,它使用相同的代號來表示相同類型的空間資料。

圖 2-4 中左方為網格式資料,右方為向量式資料。R 代表河流、L 代表湖泊、

H 代表房子。若所使用的網格越細小,則圖形將會越清晰,但相對的資料量也會 越大。兩種資料的比較如表 2.1。

(21)

圖 2-2:向量式資料(周天穎,1997)

圖 2-3:網格式資料(一)(周天穎,1997)

圖 2-4:空間資料範例(周天穎,1997)

(22)

表 2-1:向量式資料與網格式資料的比較(整理自周天穎,1997)

向量式資料 網格式資料

資料獲取 緩慢 迅速

資料量 較少 龐大

圖形表現 較佳 較差

資料結構 複雜 簡單

幾何精度 高 低

線狀網形分析 佳 差

多邊形分析 較差 較佳

圖層結合 較難 較易

縮編 複雜 簡單

2.2.1.2 屬性資料

屬性資料為一般的描述性資料,以 ID(Identifier)的方式與空間資料連結。

它主要是在記錄這些空間元素的特徵,如:寺廟—位置、道路—長度、洪氾區域—

面積…等資料。

2.2.2 資料組成方式

依照不同的應用目的與資料類型,可將地理資訊系統的資料以下列四種方式 組成:

2.2.2.1 資料分層式(Data Layer)

一張地理資訊系統地圖是由很多獨立的資料層(Data Layer)所重疊組成,

且每個資料層都有自己個別的意義,例如街道、建築物、顧客…等(圖 2-5)。

此種方式便於使用者選擇資料項目,適合於網格及向量的紀錄型態,所以是目前 最被普遍使用的資料組織方法,但不同圖層間的圖形空間關係同時也有難以掌控 的問題存在。

(23)

圖 2-5:資料分層式(陸天瑢,2004)

2.2.2.2 資料分幅式(Data Tiling)

將大規模區域之資料劃分成若干規則或不規則小區域來儲存(圖 2-6)。傳 統的地圖常以這種方式記錄地表空間資訊,其劃分區域稱為圖幅(Map Sheet)。

而地理資訊系統為了不讓因圖檔過大而影響資料載入速度,也常以分幅(Serial Map)方式來儲存。它同樣適合於網格及向量模式,且在資料量大的系統中,可 提高資料運算的效率。但最大的問題是常會有如何將圖幅互相銜接的問題。

圖 2-6:資料分幅式(陸天瑢,2004)

2.2.2.3 實體式(Entity Based)

以人所認知的實體(Entity)或物件(Object)為儲存單元,例如:以點圖 代表城市、學校或機構…等;以線圖代表道路、河流…等;以面圖代表行政區、

(24)

湖泊…等。此種方法為最符合人對實際空間的概念認知,且同時也便於加入實體 間的空間關係資料,因此適用於空間資料的查詢分析及空間關係的推論。而由於 人對地理物件的認知或推論會隨著資料或應用形態的不同而有所改變,因此它並 無固定的程序來將資料以實體的方式組成。

2.2.2.4 物件導向式(Object Oriented)

此方法除了將資料實體化外,更將同性質的物件資料(Object)及處理方法

(Method)封包進類別(Class)中。而這些物件及類別必頇滿足物件導向的運 作特性:封包(Encapsulation)、聚類(Classes)、繼承(Inheritance)、多元 性(Polymorphism)。它的資料組織在四種方法中最為嚴謹,且更符合人對實際 空間的認知,並可加強電腦以擬人化方式來做到空間查詢、分析,甚至是推論功 能,但目前並無以此方式開發的商用地理資訊系統。

2.3 時間地理資訊系統

在傳統的地理資訊系統中,地理資料往往是以固定某一時間點的靜態方式呈 現。隨著各系統的使用需求,地理資訊系統已逐漸被廣泛應用在各個領域上,但 在各應用系統中,無可避免地需要將「時間」的觀念加入探討。例如:海岸線的 變化、土地使用的變遷…等等,這些都不能單純的以靜態的時間點來表達空間資 料,這是因為這些空間資料必頇要順著時間的變遷才能呈現出資料價值。在 1920 年之後,研究者們已將「時間」視為一個和空間互動的第四維度(Dimension),

且將「屬性」當成第三維度處理(Langran, 1992; Renolen, 1997)。所以,將時 間加入傳統地理資訊系統之後,就必頇探討時間、空間、屬性之間的互動關係,

其目的主要為管理並分析含有時間的地理資料。

時間地理資訊系統(Temporal GIS,簡稱 TGIS)的概念由 Langran 和 Chrisman

(1988)所提出。之後,時間地理資訊系統開始被研究者廣泛地加以研究。其中,

時空資料庫模式、時空分析和時空動態演化、視覺化研究…等都是當前時空地理

(25)

資訊系統研究領域中的重點(唐新民,2000)。且在實際上,由於時間概念是歷 史教學中的一項重要性質,所以我們可以利用時間地理資訊系統中的時間座標概 念,使其可描述出依照時間變化的地理資料。但因為時間與空間之間的關係會因 不同的頻率變化和持續度,進而影響資料庫的建置模式,因此陸續有許多研究者 提出不同的時空資料模式來描述時空關係。

2.3.1 地理資料

「時間」是一條向過去及未來無限延伸的直線,具有連續性和單向性,在真 實世界中被當成第四維度的空間來表示。當空間物件因為某事件的發生,而在某 個特定時間點發生狀態的改變時,我們可以依照其變動型態而分類成以下幾種形 式:

1. 連續不斷:一直持續而沒有間斷;

2. 突發:某些時間點上會發生,且不再預期之中;

3. 唯一:只發生過一次;

4. 經常:大多數時間會發生。

Renolen(1997)並以此四種形式為觀點,將依據時間變化的空間物件分成 以下三種地理資料:

1. 離散模式(Discrete Model):空間物件會隨著時間改變,而有不連續 且間斷的變化(圖 2-7);

2. 持續模式(Durative Model):空間物件會隨著時間改變,而有連續且 間斷的變化(圖 2-8);

3. 連續模式(Continuous Model):空間物件會隨著時間改變,而有連續 不斷無間隔的變化(圖 2-9)。其中又分三種類:一致的(Uniformly)、

平緩的(Smoothly)、不規則的(Iregularly)。

而在真實世界中的空間物件,則是會隨著時間的改變而產生連續變化,但當

(26)

我們要將地理資料紀錄進電腦時,不可能做到連續紀錄各時間點的地理資訊,所 以必頇以採樣的方式做出離散表達。

圖 2-7:離散模式(Renolen, 1997)

圖 2-8:持續模式(Renolen, 1997)

圖 2-9:連續模式(Renolen, 1997)

2.3.2 資料組成方式

由於時空的資料處理問題具有相當高的複雜度,所以對於不同的應用應採用 不同的資料記錄方法,所採用的方法應取決於時空問題本身的性質和所要表達的 空間實體關聯形式。常見的方式主要有下列三種:

2.3.2.1 快照序列(Snapshots)

它是使用序列的圖層在記錄各時間點後,疊合出不同時間點的地理資料。也

(27)

就是說,它會在不同的時間點上取得同一空間的地理資料,然後再將這些圖層依 照時間順序排列。圖 2-10 顯示此種方式的使用,對於不同時間點的同區域空間 做記錄。在時間點 T1 時,該空間為農用地;時間點 T2 時,該空間被劃分為農 用地、都市區;時間點 T3 時,擴大都市用地;時間點 T4 時,農業用地更少。

此種方式雖能透過圖層的重疊(Overlay)快速表達出時空資料,但卻有資料重 複量大的問題,因為每個時間點所取得的同個空間區域都一定會有某部份物件被 重複紀錄。因此,當記錄時間拉長時,將會使得系統效率低落。且若某個地理資 料變化是發生在兩個快照時間點之間時,這種方法就無法直接發覺其變化。

圖 2-10:快照序列(Langran & Chrisman, 1988)

2.3.2.2 基態修正(Base State with Amendments)

此方式為後續研究者欲改善快照序列模式會有重複紀錄的缺點所提出的修 正模式。它會將時間點 T1 的圖當作是基本圖,將其定義為初始狀態(Base State), 並在往後的每個固定間隔時間點 Ti 重新製作出一張新地圖,並將它與前一張地 圖重疊,而每個重疊的結果都代表著地圖邊界狀態上的新事件(圖 2-11)。它雖 然能改善快照序列模式中資料重複的缺點,可是從這些片段的空間資料中,卻僅 能看出不同時間的空間變動,也因為這個原因,所以往往無法正確處理出某時間 點中物件彼此間的時空關係。

(28)

圖 2-11:基態修正(Langran & Chrisman, 1988)

2.3.2.3 時空複合(Space-Time Composite)

此方法的概念是將各個時間點的圖層全部疊合在一起後,再全部紀錄進資料 庫(圖 2-12),並且是後續所發展出的時空物件導向概念的基本架構。它是以物 件變化為主而非位置變化來記錄資料,所以如果物件發生變化則會產生一個新物 件的記錄。因此,此方法最大的問題在於可能會建立出太多破碎且片段的資料。

但它的確可表達出空間資料的變化過程及內容,且可清楚表達出兩時間的空間變 化情形。

圖 2-12:時空複合(Langran & Chrisman, 1988)

(29)

2.4 時空物件導向概念

在時空複合(Space-Time Composite)的概念提出後,由 Langran 和 Chrisman

(1988)以其為基本架構而提出的時空物件導向概念。此概念使用一條無限延伸 的 直 線 來 代 表 時 空 資 料 , 並 將 時 空 關 係 中的 每 個 實 體 ( Entity) 看 成 物 件

(Object),且將每個物件用無限延長的直線來代表。這些時空資料及物件所代 表的直線互相平行,且直線上的每個點都代表著他們在不同時間點上的狀態(圖 2-13)。

也就是說,當空間物件隨著時間的延續,可能因為在某個時間點上發生某事 件(Event)而造成時空資料有所改變時。我們將這些事件在直線上用「點」來表示。

線段則代表物件在某時間區間內的狀態(State),線段長度則代表該狀態持續的 時間(Duration)。對物件而言,狀態改變可稱為版本(Version)改變,發生的 事件則可稱為變異(Mutation)。

這樣的描述方式可使用時間戳記(Time Stamp)來加以運用。且在時空物件 導向化的概念下,空間物件的變動便可依據時間的變化而做出描述,以下便會加 以詳加介紹。

圖 2-13:時空物件導向(Langran & Chrisman, 1988)

(30)

2.4.1 時間戳記(Time Stamp)

時間戳記是指在記錄某物件的地理狀態時,也一併記錄住在現實世界中的當 時有效時間。它會把時間看成是空間物件的屬性值,因此可有以下兩種的處理方 法:

1. 單純用時間戳記標示出物件發生的時間點,此法可避免資料冗長或空值 的狀況發生。但對於有關時間段落的查詢,系統的回應時間會因此變 得過於冗長。

2. 另一種方法則是將物件的每個狀態都以一個單獨的時間戳記來記錄,也 就是說,每個物件都會有開始和結束的時間值:「Now」、「Current」

和「Null」,並且以時間順序來處理物件變化,所有的記錄都會按時間 順序排列(Renolen, 1997)。

對於屬性而言,則有屬性資料的時間戳記、物件時間戳記和資料庫時間戳 記。對於空間而言,有座標點時間戳記、弧段時間戳記、物件時間戳記和資料庫 時間戳記。至於該採用什麼樣的方法記錄,則要看該系統的需求為何。

2.4.2 物件空間變動類型

前面曾提及,真實世界中如果在某一特定時間點上發生了某事件,將使得空 間物件間的關係產生變動,這也代表物件的空間或屬性會因為在某時間點所發生 的某事件而產生變化。Renolen(1997)將物件可能會發生的變化分作以下幾類

(圖 2-14):

1. 建立(Creation):物件被新建立。

2. 變更(Alteration):物件產生改變或是有所更動屬性。

3. 中斷(Cessation):物件毀滅或是搬移。

4. 轉換(Reincarnation):物件之前已經中斷過,但被重建(可能擁有新 的狀態和位置)。

(31)

5. 合併(Merge):兩個以上的物件合併成一個新的物件。

6. 分割(Split):一個物件被分割成兩個以上的物件。

A. 建立(Creation) B. 變更(Alteration)

C. 中斷(Cessation) D. 轉換(Reincarnation)

E. 合併(Merge) F. 分割(Split)

圖 2-14:時空物件變化(Renolen, 1997)

當某個事件發生時,必定會觸發兩個以上的空間物件發生變化,而我們可以 將空間物件間的變化以拓樸關係(Topolical Relations)來表示,而這樣的拓樸關 係並不單是點對點、面對面的關係,而是彼此之間相互影響。大部分的研究者都 將空間物件間的拓樸關係分為以下六種:分離(Disjoint)、相鄰(Meet)、重疊

(Overlap)、相等(Equal)、包含(Contains)/被包含(Inside)、覆蓋(Covers)

/被覆蓋(CoveredBy)(圖 2-15)。而 Renolen 則簡潔的將空間關係分為:相鄰 關 係 (Neighbour)、重疊關係( Overlap)、包含關係(Contain)、分離關係

(Disjointness)。雖然他們對於空間拓樸所下的定義不盡相同,但最主要都是在 描述物件間的空間關聯性。Fisher 和 Raper(1999)更定義出空間物件拓樸關係 間在時間軸上的關連性(圖 2-16)。

(32)

分離

(Disjoint)

包含

(Contains)

被包含

(Inside)

相等

(Equal)

相鄰

(Meet)

覆蓋

(Covers)

被覆蓋

(CoveredBy)

重疊

(Overlap)

圖 2-15:時空物件拓樸關係

圖 2-16:空間拓樸關係演化(Fisher & Raper, 1999)

2.5 HES-SPATO

張准榕(2006)提出以 SCORM 為基礎的歷史教學系統 HES-SPATO(History Educational System – Spatial, Person, Action/Attribute, and Temporal Object),該系 統延伸 Raza 和 Kainz 所提出的 STAO(Spatio-Temporal-Attribute Object)之概 念(1999),以 SPATO(Spatio-Person-Temporal-Attribute Object)架構整合出人、

事、時、地…等元件來呈現歷史相關事件。也就是說,HES-SPATO 以物件導向 的方式呈現出歷史事件相關的人、事、時、地…等資料,但在該系統中並未考慮

(33)

到空間邏輯的部分。所以在空間的表達上,使用者只能淺略的看出歷史事件中地 理位置的分佈,卻無法依據時間的順序觀察出空間的變化。其系統架構如圖 2-17,共含有九個元件及兩個操作模組。

圖 2-17:HES-SPATO 系統架構(重繪自張准榕,2006)

九個元件分別如下:

1. Asset Pool:專門儲存由領域專家開發或是由其他來源所匯入的 Asset。

它能以任何電子化的形式(例如:文字、圖形、聲音、網頁、其他物件…

等)被描述出來。其為 SCORM 架構中最小單元的實體元件,也就是說,

它描述了關於人物、地點、行為/屬性…等實體元件。但在空間相關部 分的 Asset 上,HES-SPATO 只將其單純的呈現在系統畫面上,並未將歷 史事件對於空間之間的變動關係加以處理。

(34)

2. SPATO:主要描述出是誰觸發了事件、誰受到事件的影響、他們做了什 麼、事件何時發生、事件在哪裡發生。它在 HES-SPATO 中是屬於邏輯 物件,它代表了歷史事件中的各種元素,也就是人、事、時、地。而本 研究將以空間邏輯推理方式處理 SPATO,並在第三章中加以詳述此部 分。

3. SCO Base:儲存系統中的所有學習物件。它整合了 SPATO 及 Asset Pool 中的空間、人物、行為/屬性 Asset。一個 SCO 可以包含數個 SPATO 來 顯示出歷史事件的不同時間關係。

4. Lesson Base:它是用來儲存在 SCO Base 中所合成的 lesson 內容。一個 lesson 可能包含一個或多個 SCO,而在課程(Course)中的一個章節

(Chapter)或是一個段落(Section)則被視為一個 Lesson。Lesson 在 SCORM 的標準內歸類為聚集(Aggregation)。課程編輯者可從 SCO Base 中選擇並管理 SCO 來產生 Lesson。

5. Sequencing Constructor:一個課程包含了兩個元素--多個 Lesson 及 Lesson 間的順序關係。其中 Lesson 在 Lesson Base 中被定義,而 Lesson 的順序 關係則由 Sequencing Constructor 所定義。在 Sequencing Constructor 中,

課程編輯者從 Sequencing Template 所提供的 SO(Sequencing Object)定 義出 lesson 間的關係。

6. Sequencing Template:提供 SO 給 Sequencing Constructor 以定義出 Lesson 間的關係。

7. Manifest Transformer:每個課程的內容設計皆由 Manifest Template 所提 供而設計出的。在設計出課程結構後,將會儲存至 Course Base。

8. Manifest Template:提供 Manifest Template 給 Manifest Transformer 以設 計出課程內容。

9. Course Base:負責儲存及管理所有課程資料。且學習者欲學習歷史事件 時,將會透過瀏覽器連至 Course Base 以取得相關課程資訊。

(35)

兩個操作模組分別如下:

1. Authoring Module:在此模組中,分為兩種角色:課程編輯者(Courseware Designer)、教學者(Instructor)。透過系統所提供的編輯介面,使此二類 的使用者能以更簡便的方式建立出自己專屬的教材元件,也能逐步地設 計出課程內容。

2. Learning Module:在此模組之下的使用者為學習者(Student),學習者能 透過系統所提供的學習介面學習到歷史事件相關的人、事、時、地…等 資訊。且透過地理資訊系統的表達,使得學習者可在地圖上看出同一時 間點上有哪些不同事件在不同地方發生。

2.5.1 SPATO(Spatio-Person-Temporal-Attribute Object)

Raza 和 Kainz(1999)提出利用物件導向的方法來表達時空物件的 STAO

(Spatio-Temporal-Attribute Object),透過空間物件(SpatialClass)、時間物件

(TemporalClass)和屬性物件(AttributeClass)描述出在同一時間點上的空間、

時間與相關時空資料,並再將此三物件封裝(Encapsulation)成一個時空屬性物 件(SpatialTemporalAttributeClass)(圖 2-18)。它會將每個時空物件都視為一個 獨立的物件導向封包(Package),且每個封包都有屬於自己的本體資料(Data)

及物件方法(Method,亦稱為 Operation)。

STAO 的表示式為 <物件編號,屬性物件,空間物件,時間物件>。舉例來 說,我們可以將一個實體物件以 STAO 的方式表達成:<物件 001,農用地,地 區 001,1980-1990>。它是在描述一個地區 001(空間)在 1980 到 1990 年(時 間)時,它的使用用途為農用地(屬性物件),且將之編號成物件 001(物件編 號)。

(36)

圖 2-18:STAO 的概念圖(Raza & Kainz, 1999)

而在歷史教學系統上,歷史事件所發生的時間、過程、互相的關係及相關的 地理資料…等皆為極重要的資料。然而 STAO 只能適用於描述一般地理資料的改 變,因為其架構並無法呈現出歷史事件的相關人物及其所執行的行為,因此並不 適用於呈現歷史事件所造成的地理資料改變。張准榕(2006)延伸 STAO 的概念,

提出 SPATO(Spatio-Person-Temporal-Attribute Object)的概念。它一樣是以物件 導向的方式,透過空間物件(SpaceClass)、人物物件(PersonClass)、時間物件

(TemporalClass)和行為/屬性物件(Action/AttributeClass)描述出歷史事件,

並再將此四物件封裝成一個時空人物屬性物件(SPATOClass)(圖 2-19)。

圖 2-19:SPATO 的概念圖(張准榕,2006)

(37)

而因應描述歷史事件時,同時需要描述出事件的相關人、事、時、地…等資 訊,所以 SPATO 必頇要能描述出以下幾點:1. 是誰開啟了事件;2. 誰受到事件 的影響;3. 他們做了什麼;4. 事件何時發生;5. 事件在哪裡發生;因此可將 STAO 的表示式延伸成:

<物件編號,空間物件,人物物件_施行者,人物物件_接受者,

行為/屬性物件,時間物件_開始,時間物件_結束>。

「物件編號」在 SPATO 架構中為一唯一值;「空間物件」定義出該事件是在 哪裡發生;「人物物件_施行者」定義是誰開啟了該歷史事件;「人物物件_接受者」

定義哪些人物受到該歷史事件的影響;「行為/屬性物件」定義該事件為何;「時 間物件_開始」定義該事件的開始時間;「時間物件_結束」則定義該事件的結束 時間。

以一個三國歷史事件來說明 SPATO 的使用方式(圖 2-20)─「曹操從公元 208 年一月到十二月在鄴城訓練舟軍」。若以 SPATO 定義此歷史事件時,所需要 的物件資料為:鄴城(空間)、曹操(人物施行者)、舟軍(人物接受者)、訓練

(行為)、公元 208 年一月(起始時間)及公元 208 年十二月(結束時間)。表示 式即會為:<物件 001,鄴城,曹操,舟軍,訓練,公元 208 年一月,公元 208 年十二月>。而由於 SPATO 為物件導向的方詴來運作,所以可以類別圖的方式來 說明其模組(圖 2-21)。

圖 2-20:以三國歷史事件說明 SPATO(張准榕,2006)

(38)

圖 2-21:SPATO 類別圖(張准榕,2006)

本研究為達成讓學習者在吸收歷史知識時,能以更有效率的方式去呈現隨時 間變化的空間物件。因此,將應用空間邏輯推理和時空物件的概念,來讓本系統 能以連續性的圖形畫面顯示出歷史事件的整個過程,使得歷史知識較容易被吸收 且能引發學生更高的學習興趣。也就是說,本系統必頇將 HES-SPATO 原有的 SPATO 相關人物物件、時間物件、空間物件、行為/屬性物件加以處理過後,

再儲存進資料庫以供教學者編輯教材。所以接下來本研究將針對空間事件的不同 變化,透過地理空間推理的方法提出不同資料模型。

(39)

2.6 空間邏輯推理

空間邏輯推理包含多種空間關係推理的形式,例如:拓樸、方向、距離…等。

而其中又以拓樸形式的推理關係最為重要,它是空間中最基本的關係,為構成空 間推理模型的基本架構。可分為點拓樸和區域拓樸兩種,而通常被研究者拿來探 討的為區域拓樸,其中又以區域連接計算法(Region Connection Calculus,RCC)

較為常見。

2.6.1 區域連接演算法(RCC)

區域連接演算法(RCC)是由 Randell 等人(1992)依據 Clarke 的空間演算 邏輯理論(1986)所提出的概念。此法是以區域為基礎的空間邏輯推論方式,所 以它所適用的區域範圍可是任意形狀,且區域邊界和區域間的交會點不會被考慮 進來。而這個方法假設一個原始的二元關係 C(x,y)來表示區域 x 和區域 y 相連接 且至少共有一交會點,這個二元關係 C 同時會具有反身性(Reflexive)和對稱性

(Symmetric),其詳細定義及在區域連接演算法中所代表的含意如表 2-2。且可 由此二元關係延伸出 RCC-5、RCC-8、RCC-15…等多種拓樸關係。而在眾多的 RCC 模型中,最重要的是 RCC-8 模型,也是本研究所將使用的基本空間推理架 構,將會在 2.6.2 節中加以詳加介紹。

反身性(Reflexive):

xC ( x , x ) 

對稱性(Symmetric):

x yC ( x , y ) C ( y , x )

在圖 2-22 中,描述出此關係定義的完整關係集合。符號 代表同義重複

(Tautology:不可能被否證或推翻的事實),符號⊥代表抵觸(Contradiction:兩 事實間互斥)。而關係彼此間若有連線則代表它們會互相隱含,例如:TPP 隱含 PP,且 PP 隱含 TPP 或 NTPP。另外,若推演至最底層的關係不同時,則代表彼 此會互斥,例如:TPP 和 NTPP、P 和 DR。

(40)

表 2-2:使用二元關係 C 的關係定義(Cohn et al., 1997)

圖 2-22:完整關係集合(Cohn et al., 1997)

2.6.2 RCC-8

在區域連接演算法中,最被研究者所廣泛探討的模型為 RCC-8。它區分了 8 種不相交且聯合完備(Jointly Exhaustive and Pairwise Disjoint,JEPD)的 RCC 關 係,圖 2-23 顯示了它們的拓樸關係推演:

1. DC(x,y):區域 x 和 y 不相連。

2. EC(x,y):區域 x 和 y 相鄰且有共同點。

3. PO(x,y):區域 x 和 y 有重疊某區域。

(41)

4. TPP(x,y):區域 x 正切於區域 y 的某部份。

5. TPPi(x,y):區域 y 正切於區域 x 的某部份。

6. EQ(x,y):區域 x 和 y 相等。

7. NTPP(x,y):區域 x 非正切於區域 y 的某部份。

8. NTPPi(x,y):區域 y 非正切於區域 x 的某部份。

圖 2-23:RCC-8 拓樸演變(Randell et al., 1992)

假定某一符合 JEPD 的區域拓樸集合關係為 R

{DC, EC, PO, TPP, NTPP, TPPi, NTPPi, EQ},R(x,y)表示區域 x 和區域 y 之間存在某拓樸關係。所以可保證 任 三 個 區 域 拓 樸 皆 可 藉 由 RCC 的 構 成 表 ( 表 2-3 ) 滿 足 以 下 條 件 式 :

 

R

1

( x , y ) R

2

( y , z ) R

3

( x , z ) 

z y

x    

表 2-3:RCC-8 的構成表(Cohn et al., 1997)

(42)

2.7 地理政區概念

對於地理空間而言,簡單來說最常發生的變動方式為「分」與「合」。若加 入時間的觀點來看時,地理空間之間的因果關係變動,也是會隨著時間的演變而 產生「合併」、「分割」…等的空間變化。也就是說,對於地理政區而言,它們會 因為某事件的觸發(例:戰爭)而產生空間或屬性上的變動。

周振鶴(1990)對於中國歷史行政區域的變動大略歸類出「廢」、「復置」、

「分」、「合」(表 2-4)四個主要類別。並歸納出政區的發展和演變,主要會受到 以下兩個原因的影響:

1. 受外部政區地理環境發生變化而互相影響。

2. 內部結構發生變化。又可分為動態(例如:合併、分割)、靜態(例如:

升級、降級)。

表 2-4:行政區域空間變動型態彙整表(周振鶴,1990)

型態 說明 細分 範例

從原有政區中 分置或拆置而 來,又可分為 兩種型態

由一個政區分成兩個或兩個 以上的新政區

明 成 化 十 四 年 海 陽縣析置饒平縣 由數個政區各劃分出一部分

組成一個新政區

清 乾 隆 三 年 析 海 陽、饒平、揭陽、

大 埔 及 嘉 應 等 州 縣之地置豐順縣

撤銷原本已經 存在的政區

放棄領土

漢 文 帝 初 元 三 年 置瑖崖郡,就是放 棄海南島(直到六 百年後,海南島才 重歸中原王朝)

將該政區的 領域劃分進 其他政區

合併至另一 個政區

潮安縣 1983 年撤 銷,併入潮州市 分屬幾個政

漢 昭 帝 元 鳳 五 年

「秋,罷象郡,分 屬鬱林(郡)、牂柯 (郡)。」

唐 代 武 德 四 年 ,

(43)

同時撤銷幾個政區,再合併 至另一個政區

「省桓肆、新豐、

宜安(三縣),併入 藁城。」

合 併入其他政區 撤銷政區的同時意味著併入 其他政區

復置 撤銷一段時間 後又重新設置

2.7.1 政區變動事件

Yuan(1996)對於時空變化歸類出以下六種基本變化類型:1. 屬性改變

(Attribute Changes)。2. 靜態空間分佈(Static Spatial Distribution)。3. 靜態時 間改變(Static Temporal Changes)。4. 動態空間改變(Dynamic Spatial Changes)。

5. 程序變異(Mutation of a Process)。6. 實體移動(Movement of an Entity)。由 以上可以歸納出,在空間物件的改變上大略是由兩種資訊所構成:空間資訊、屬 性資訊。空間資訊主要是在描述空間物件的本體,包含由投影座標形式所表現之 點、線、面…等物件,例如:空間本體的存在;而屬性資訊則在描述空間資訊的 特徵或量化資訊,例如:空間的形狀面積大小…等。

若將這些概念應用在行政區域的空間物件上時,則空間資訊的變動可稱為行 政區域的本體變動;而屬性資訊的變動則可稱為描述該行政區域的資料變動。因 此,可將行政區域的結構變化情形大略分成以下兩類:

1. 空間資訊不變,屬性資訊變動:行政區域的本體(空間資訊)並沒有發 生任何變動,只有屬性上發生更動。例如:政區面積大小改變、政區擁 有者改變。

2. 空間資訊變動,屬性資訊變動:行政區域的本體(空間資訊)發生變動。

且只要是空間資訊發生變動,屬性資訊也必會跟著變動。例如:領地分 割,且在分割後該政區的屬性資訊也會跟著有所變更。

對於影響空間資訊或屬性資訊有所改變的事件而言,便可整理列出如表 2-5、表 2-6 的所有事件型態。

(44)

表 2-5:造成行政區域「空間資訊」變動的事件表(整理自周振鶴,1990)

事件型態 敘述 新置 新建立

復置 過去被撤銷再重新建立 併置 合併一個或多個政區 析置 政區的某部分被分割出去

表 2-6:造成行政區域「屬性資訊」變動的事件表(整理自周振鶴,1990)

事件型態 敘述

升級 政區層級升級 降級 政區層級下降 更名 更改政區名稱

改隸 政區的隸屬關係變更 復隸 回復到先前的隸屬關係 改制 政區的用途改變

移治 駐地遷移到其他政區 附郭 治所所在地

2.8 AJAX 和 VML

本系統的各使用者將經由網頁平台進行歷史教材的編輯或學習。而選擇使用 網頁平台的原因在於其具有不需額外安裝任何軟體便可操作的特性,且網頁內容 也不會有平台相依性的問題,只需依靠瀏覽器即可運行。並因為現今的作業系統 皆附有瀏覽器軟體,不需要使用者再另行安裝,所以可以大大減少使用者對於平 台及使用環境的限制。但正因為 Web 應用系統會受限於 HTTP 架構,其模式皆 屬HTTP Request → Web Server Process → HTML Page Reply 的流程,所以存在著 需 等 待 伺 服 器 回 應 時 間 過 長 的 問 題 。 所 以 本 研 究 也 希 望 能 透 過 AJAX

(Asynchronous JavaScript And XML)和 VML(Vector Markup Language)來針 對此問題做出進一步的修正。

(45)

2.8.1 AJAX(Asynchronous JavaScript And XML)

由於傳統網頁程式處理流程的問題(圖 2-24),使得網頁開發者和瀏覽者在 瀏覽網頁時皆會遇到傳統網頁應用程式 Request/Response 模式所造成的侷限性。

這是因為網頁本身是無狀態的,所以每當網頁資料或使用者介面需要變更時,就 必頇向伺服器提出將整個網頁更新的要求。這也代表著,網頁畫面的產生是由客 戶端和伺服器端不斷的溝通,才會在瀏覽者介面上顯示出網頁畫面。但如果在這 兩端間有極大量的資料時,將會造成因為資料傳輸過於頻繁往返,而使得使用者 等待畫面出現的時間過於漫長。

AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)的出現,使得客戶端可以只向伺 服器發送並取回必需的資料。它結合 XML 傳輸資料與大量使用客戶端 Script。

讓開發者可以客戶端 Scripts 的方式透過 XMLHTTP 來進行非同步的網頁呼叫服 務。且因為透過非同步的方式進行呼叫,使得網頁中的資料與使用者的瀏覽介面 不需要進行客戶端與伺服器端之間的往返,所以 AJAX 能具有較少的資料傳送與 較佳的應用程式效能,於是瀏覽者就可以更快速的在他們的瀏覽器上看到網頁畫 面。

它最大的優點,就是能在不更新整個頁面的前提下維護資料。這會使得整個 網頁程式處理流程(圖 2-25)更迅捷地回應客戶端動作,並且能避免在網路上發 送一些多餘且浪費的訊息(Garrett, 2005)。且非同步的呼叫方式能夠使得網頁應 用程式能有更優良的反應,因為使用者的呼叫工作可以在伺服器端執行的同時,

於客戶端的瀏覽器內繼續進行工作。

(46)

圖 2-24:傳統網頁程式處理流程(Garrett, 2005)

圖 2-25: AJAX 網頁程式處理流程(Garrett, 2005)

因而本研究使用 AJAX 技術來讓網頁應用程式能有更優良的反應效率,這是 因為本系統在呈現空間地理資訊時需要讓客戶端和伺服端互相傳送大量資料,所 以會有讓客戶端上的瀏覽者等待伺服端回應時間過久的可能。因此,本研究使用 AJAX 的技術來改善 HES-SPATO 中呈現地圖空間資訊的部分,使其擁有近似於 Google Map 的能力。

(47)

2.8.2 VML(Vector Markup Language)

VML 是一種 XML 語言用於繪製向量圖形(Vector Graphics)。由微軟

(Microsoft)、Autodesk、惠普(Hewlett-Packard)、Macromedia 和 Visio 公司於 1998 年 5 月所提出,定義了將圖形向量資訊和標記結合的格式,作為描述向量 資訊,及顯示、編輯修改的方式,使用 VML 所描繪出的圖形可以支援以 2D、

3D、動畫的方式呈現。

VML 的結構與 HTML 和 CSS 的結構相似,因此在解讀及修正的時候都十分 地容易被操作(圖 2-26),也就是說,VML、HTML、CSS 這三者很容易被摻雜 在一起使用且相容性也高。且由於以 DOM(Document Object Model)的形式表 達,所以和 JavaScript、VBScript 這類的 DHTML 語言也具有相容性。在 VML 中,圖形的形成方式是由相連接的線條和弧線所描述出的路徑所組成,因此,目 前在 Google Maps 中被拿來與 AJAX 做結合輸出向量圖形。

圖 2-26 :VML 的工作流程(Mathews et al., 1998)

(48)

2.9 結論

由以上探討可以得知,在現有的各種歷史教學系統中,大部分都能以動畫的 形式描述出歷史人物、歷史事件及地理資訊的演變,但在內容上卻無法讓教材製 作者隨心所欲地更新內容。而隨著地理資訊系統的出現,由於它具有可收集、儲 存、取回、檢查、處理、分析、顯示地理資訊的能力,所以歷史教學系統也開始 利用其特性來表述空間關係。

除了人、事、地…等要素外,歷史事件還包含時間要素。但傳統的地理資訊 系統卻無法表現出時間的概念,所以在將時間概念加入地理資訊系統後的時間地 理資訊系統也慢慢取代原先的使用。它將時間視為一個和空間互動的第四維度

(Dimension),且將屬性當成第三維度處理(Langran, 1992; Renolen, 1997)。

所以就必頇探討時間、空間和屬性之間的互動關係,因此有將這些元件物件導向 化的概念出現。HES-SPATO 的出現雖然整合了歷史事件相關的人、事、時、地…

等元件,但在該系統中並未考慮到空間邏輯的部分。所以在空間的表達上,使用 者只能淺略的看出歷史事件中地理位置的分佈,卻無法依據時間的順序觀察出空 間的變化。

因此,本研究將延續 HES-SPATO 的基本架構,並以 AJAX 和 VML 技術加 以修正呈現空間地理資訊時客戶端上的瀏覽者等待伺服端回應時間過久的可 能。除了將歷史事件的相關人、事、時、地…等元件物件化以讓課程編輯者得以 編輯出適當教材外,更希望能運用空間邏輯推理中的區域連接演算法及時空物件 導向的概念,以對空間物件做出更適當的表達。因為在描述歷史事件的演變過程 中,如何將空間做出適當表達是一項非常重要的關鍵,相關地理資訊可能會隨著 時間的變化或事件的發展而有所更動。所以,本研究將針對如何呈現隨時間變化 的空間物件改變以及空間物件間的邏輯判斷這兩方面做出進一步的修正。

(49)

第三章 系統架構與開發

根據上章文獻探討,本研究將以 HES-SPATO(張准榕,2006)為基本架構,

並將該系統中空間相關的 SPATO 部分透過本研究的地理空間推理關係加以處理 後,再輔以 AJAX 和 VML,發展出一套能用於網頁平台使用的空間邏輯推理之 歷史教學系統。此外,本研究將以中國三國時代中的「荊州」作為空間變化討論 之範例,這是因為荊州的空間變化貫穿整個三國的各種歷史事件。

本章首先在 3.1 節會先對本系統的架構做一個說明,並介紹本研究的主要內 容,也就是地理空間推理的關係;3.2 節則以三國荊州為範例,介紹本研究所使 用的資料模型;最後在 3.3 節介紹系統的操作流程。

3.1 系統架構

本系統將延用 2.5 節所探討的時間地理歷史教學系統─HES-SPATO 之基本架 構,並進一步對空間相關的 SPATO 元件,以本研究所提出的地理空間推理關係 處理後,輔以 AJAX 和 VML 達到本研究所欲呈現隨歷史事件的空間變化之目 的,以解決 HES-SPATO 在空間物件上的表達方式過於簡化,無法呈現出隨時間 變化的整個空間物件改變之問題。圖 3-1 描述出本研究的系統架構,其中包含了 十一種元件及兩種模組。基本元件及模組功能和 HES-SPATO 並無太大差異,但 為了能順利處理空間相關物件,因此將 HES-SPATO 中的 Asset Pool 加以細分成 兩個部分(Asset Pool_Other、Asset Pool_SPA)。

在 Authoring Module 上的使用者仍為作者(Author),其又包含兩類角色:

課程編輯者(Courseware Designer)、教學者(Instructor);在 Learning Module 上的使用者則仍為學習者(Learner),角色為學生(Student)。他們分別透過瀏 覽器與伺服器端進行溝通。

課程編輯者可依據自己所熟悉的領域建立教材元件庫,並透過系統所提供的

(50)

功能來讓建立過程能夠更簡單、更快速。此外,在課程編輯者建立 SPATO 的過 程中,系統將會依據 3.1.2 節所建立的地理空間推理關係,自動推論出空間物件 的變化。而學習者則可透過系統所提供的圖形介面,學習特定歷史事件的人、事、

時、地…等相關知識。隨著時間的改變,學習者也將可透過地圖的圖層變化,以 更有系統的方式認知到事件之間的因果關係。相較於傳統的歷史教學系統,在此 介面下的學習者將更容易看出在同一時間、不同地點所發生的歷史事件之關聯。

而教學者則可透過系統介面,依據自己所需要的上課內容、上課對象去編輯教材 內容。

圖 3-1:基於空間邏輯之線上歷史教學系統架構圖

和 HES-SPATO 相比(圖 3-1、圖 3-2),各元件主要差異如下:

1. Asset Pool_SPA:將 HES-SPATO 的 Asset Pool 中,關於人物、地點、行

參考文獻

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