以RFID無線射頻識別技術建置無所不在數位學習環境

以 RFID 無線射頻識別技術建置無所不在數位學習環境

許政穆*_、蘇雍智 國立中正大學資訊工程學系 * E-mail:hsujm@cs.ccu.edu.tw

摘要

隨著學習科技的轉變，學習早已從傳統教室面對面方式轉換成使用新盈的資 訊科技與創新的學習理論，讓學習多元化。此外高速的有線無線傳輸網路的廣泛 建置，也使得學習已進入到能行動學習(mobile learning)，甚至結合最新且熱門的 無所不在技術(ubiquitous computing)而所建構出學習者能與學習環境高度互動的 無所不在學習(ubiquitous learning)。本論文是以被動式無電力非接觸式的 RFID 技術作為無所不在學習中散佈真實環境中學習物件的無線識別、學習資訊定位、 以及學習互動之用，讓學習者以自主學習方式主動接近感應學習物件進行學習。 所以借助 RFID 的無線感應識別能力，讓學習者能感覺到學習物件是活化有計算 能力的，相信必能讓學習者的學習與週遭環境中的學習物件高度整合互動，而創 造出在真實環境中無所不在學習環境。

關鍵詞：RFID、Ubiquitous Learning、Ubiquitous Vocabulary Cards

壹﹒前言

隨著資訊科技與網路基礎建設的快速發展，數位學習已是網際網路上熱門應 用之一。因為數位學習改變傳統學習模式，讓學習不再限於傳統教室與面對面的 教學，只要透過網路連線以及 Web 介面，就能隨時隨地進行學習(anytime and anywhere learning)。為了因應數位學習的應用趨勢與帶來的學習便利性，國內大 部份學校包括大專院校以及中小學等，都已有建置數位學習平台、設計數位學習 課程、使用學習討論區等，作為正課教學、課後教學、補救教學之用。 數位學習運作模式是相當多元，通常會隨著科技演進與教學創新而有不同形 式出現。當無線網路技術與短小輕薄的行動載具(PDA)推出後，行動學習 (mobile learning)也就自然形成。由於沒有實體網路線羈絆，學習者只要拿著具無線能力 的行動載就能下載教學內容，就能到處學習，使學習的觸角從教室能延伸到戶 外。雖然使用行動載具與無線網路能將學習融入到真實生活空間內，但對於學習 者所在地的學習資訊需求，還是需透過學習者主動輸入 PDA 後，再與後端的行 動學習系統(mobile learning management system)擷取學習資訊。假若學習者不知 道該如何輸入其所處環境的學習需求，也沒有辦法獲得正確的學習資訊。

接與學習者持用的行動載具互動呈現出最合適的學習內容，將可讓學習者安穩於 行動學習之中，不會因擷取到不適合的學習內容而影響原先該有的學習效果。因 此使用環境感知技術用於行動學習上，將可讓行動學習轉化成無所不在學習 (ubiquitous learning)。在無所不在學習環境中學習物件會與學習者所處的真實環 境有密切的互動與融合，當學習者處在真實週遭環境中，能透過學習者本身或是 藉由學習輔助工具取得目前所處環境與學習情境下的學習物件與內容進行學 習。對於無所不在學習環境，最常看到的是國中小校園內廣泛建置的英語字彙解 說卡，例如學生站在“校長室”前就會有相對應的英文單字卡 “principle office”，讓學生了解校長室的英文就是 principle office。

雖然在無所不在學習環境中，除了學習者本身的感官知覺感受週遭環境內學 習能與學習者所在的週遭環境互動外，若要藉著學習輔助載具呈現出更多學習內 容，就必需要搭配學習物件的環境感知與識別定位技術，將識別定位後的學習內 容傳送給學習者進行學習。對於學習物件的感應與識別技術，而無線電射頻識別 (Radio Frequency Identification, RFID)技術正是最好的選擇之一。RFID 是以 RF 無線電波辨識物件的自動辨識技術，其工作原理是利用 RFID Reader 發射無線電 波，以非接觸性 (contactless)方式讀取植入或貼在物件上 Tag 的內存 ID，以進行 無線資料識別與擷取。RFID 目前應用相當廣泛，包括日常生活中台北捷運悠遊 卡、圖書館無人自動化借還書機、校園 IC 卡、以及門禁與醫療管控等系統，RFID 的應用都已相當完整，所以使用 RFID 作為非接觸性的物件辨識與定位會是相當 合適。

習。 目前行動學習的數位學習系統建置與學習設計相關研究已經相當多，特別是 以 PDA 作為行動學習載具的相關研究。在[2,3]中行動學習系統是以 PDA 作為學 習 行 動 載 具 ， 同 時 結 合 無 線 隨 意 (Ad-Hoc) 網 路 ， 並 且 融 入 鷹 架 學 習 理 論 (Scaffolding)，建構出以自主學習為主的戶外賞鳥與賞蝶行動學習環境。故在戶 外教學時，學習者只要攜帶 PDA 將其感官所觀察的鳥類與鏡頭拍攝的蝴蝶等學 習需求資訊輸入，經由無線網路傳給學習管理系統，學習系統便將相關學習內容 傳送到 PDA 以供學習者進一步自主學習。

在[11]所建置的 Mobile-Based Interactive Learning Environment (MOBILE) 中，同樣也使用 PDA 作為行動學習的輔助教具，設計以主題式學習活動 (Theme-based Learning Activities)來強化學習互動，讓小學生認識人與動物的身體 五官結構，最後並在台北動物園內實際施行戶外英語教學的行動學習。而在[5] 行動學習研究上，則是利用無線網路技術在 PDA 設計出具有學習者面對面的 Ad-hoc 合作學習(Collaborative Learning)網路，讓學習者除了能面對面的學習討 論形成學習團體(Learning Groups)，並且使用 PDAs 上提供的電腦輔助合作學習 機制(Computer Support Collaborative Learning, CSCL)來達成團體學習(Group Learning) 的學習成效。

在行動學習也常以遊戲為主的學習模式出現，在[7]中的行動學習系統 Savannah Project 是結合 WIFI、GPS、PDAs、以及虛擬地圖技術，將非洲草原上 的動物生存法則以行動遊戲來實驗。由 學習者模擬草原猛獸獅子，然後透過手 持 PDAs 模擬顯示非洲草原生活空間。當學習者移動時透過 GPS 定位顯示模擬 獅子在草原上移動，並且顯示該地天候狀況與獅子的生理狀況。模擬獅子的學習 者便可透過 PDAs 上顯示的學習資訊，進行狩獵、進食、休息等活動。由於獅子 是群體動物，故此虛擬非洲草原空間上也會有其他學習者扮演獅子，可透過無線 網路便可進行團體學習互動等。透過 Savannah Project 的行動學習，學習者在非 洲草原遊戲中不僅了解相關的自然知識，也親身參與學習遊戲之中，提升其參與 行動學習與作中學的意願。 從上述文獻探討中，使用無線網路技術與輕薄的行動學習載具真的能讓學習 無所不在，隨著資訊科技轉變，行動學習還是有很大的改進空間。大部份行動學 習雖然有 PDAs 與各項學習科技與資訊科技的支撐，但還是需要透過學習者的感 官知覺反應後，將學習需求透過 PDAs 上的學習介面輸入並向行動學習平台取得 相關學習內容。然而行動學習的高移動性與機動性，本質上就很容易接近散佈在 生活週遭的學習物件與學習資源，差別在於學習者能否取得正確的學習資源。假 使在真實空間內的學習物件能主動與學習者互動，或是透過環境感知技術完成學 習互動，相信會讓學習真的無所不在，因此使用無所不在技術 (Ubiquitous Computing)於數位學習而構成的無所不在學習(Ubiquitous Learning)環境，將是數 位學習下一波潮。

置，對於將 RFID 整合於無所不在學習環境上的應用，在下一節內將會詳述。

參﹒無線射頻識別技術與數位學習上之應用

無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術[8]為自動化識別機 制，它是將唯一識別碼(unique identifier)與資料儲存於微型晶片內，此晶片通常 稱為 RFID Tags 或 Transponders，其實體相當輕薄就如同紙張一樣，可以作各種 加工應用。使用 RFID Reader 發射無線電波與 RFID Tags 感應後，此時晶片內的 識別碼與資料回傳給 RFID Reader 解析，便可完成無線且非接觸式的自動識別處 理。由於 RFID 為非接觸無線識別，只要 RFID Tag 與 RFID Reader 在一定距離 內，便能於無形中完成識別處理。由於 RFID 使用的便利性，近年來 RFID 已被 廣泛運用在各個領域內，如身份識別的非接觸式校園 IC 卡、大眾捷運系統的台 北捷運悠遊卡、無人 RFID 自動化圖書館、電子商務的 Master PayPass 卡等。而 且 RFID 建置成本也隨科技進步與使用量大，價格調降也有逐年調降趨勢，因此 可以想像在未來 RFID Tags 必定是無所不在地隱藏貼附於人們周遭生活之中。

由於 RFID 非接觸無線識別機制，能於無形中完成物件識別、定位、資料存 取，使用上相當便利。對於無所不在學習環境中的學習物件同樣也能貼上隱密性 高的 RFID Tags，只要學習者持有的行動學習載具內建 RFID Reader，便能透過 RFID 完成學習物件的識別、定位、學習內容、以及學習活動處理，而呈現出無 所不在的學習特性，而圖 2 是將 RFID Tags 貼附於學習物件與學習者無形學習互 動示意圖，從圖 2 中確實可以感受到學習物件與學習者之間能有主動且隱形的學 習互動，讓學習在不知不覺中成形，也讓學習在真實環境中無所不在。

模組、以及 Learner Interaction 模組，而各個模組功能如下所列：

1. RFID Reader 模組：RFID Reader 主要發射無線電波尋找識別黏貼於學 習物件上的被動式 RFID Tag，RFID Reader 除了讀取 ID 外，也能夠讀 寫存於 RFID Tag 上的資料，在此我們也將部份學習資訊存取於 RFID Tag 上以供學習者讀取寫入學習物件額外學習資訊之用。

2. RFID Identification 模組：負責對 RFID Reader 傳送控制協定命令，並接 收 解 析 RFID Reader 的 回 應 訊 息 。 然 後 將 解 析 識 別 ID 透 過 Wireless/Mobile Communication 模組與後端的 L(C)MS 比對下載相關學 習物件學習內容，或是直接在學習輔具的 Learning (Object) Content Storage 內擷取對應的學習物件。

3. Wireless/Mobile Communication 模組：負則以 PDAs 提供的通訊介面(如 WLAN、GPRS、3G 等)與數位學習平台 L(C)MS 通訊傳遞資料之用。 4. Learning (Object) Content Storage 模組：此模組負責預先儲存學習資訊或

是儲存從 L(C)MS 下載的學習內容，作為行動學習輔助平台的學習物件 內容快取之用。

5. Learning Content Display 模組：此模組負責將學習物件的內容以多媒體 方式播放呈現給學習者學習觀看。

6. Learning Activity Control 模組：此模組負責監督控制學習活動進行，例 如規範學習物件的感應順序，控制學習進行進而能維持一定的學習效 度。

7. Learner Interaction 模組：此模組為行動學習輔具與學習者間的人機介 面，學習者的學習資訊輸入互動皆由此模組負責。

在後端的 L(C)MS 上則有五個模組：Network Communication 模組、RFID Middleware – Mapping 模組、Learning (Object) Content Repository 模組、Learning Activity and Strategy 模組、以及 Learner Portfolio Repository 模組，而各模組功能 分別如下所列：

1. Network Communication 模組：此模組負責接收與回應遠端行動學習輔 具 PDAs 的網路通訊與資料傳遞。

2. RFID Middleware – Mapping 模組：此模組負責比對從端行動學習輔具 PDAs 回傳的學習物件 RFID 識別碼與 L(C)MS 儲存，並將學習物件內容 透過 Network Communication 模組回傳給 PDAs。

3. Learning (Object) Content Repository 模組：此模組儲存所有學習物件的 學習內容，在此我們以 XML 結構化來儲存表示學習物件內容，以方便 傳遞給學習者學習之用。

法進行，而非雜亂無章。

5. Learner Portfolio Repository 模組：此模組負責儲存管理學習者的學習歷 程，以供分析追蹤學習者的學習成效與改進學習活動策略之用。

為了實際檢視驗證將被動式 RFID Tag 貼附於生活週遭的學習物件上，可作 為學習識別與學習內容存取之用，我們以在大部份國中小都有推行的校園英語學 習環境建置為例，將貼附於校園週遭內各地標、設備、物品的英語地標卡 (Landmark)、英語解說卡、英語單字卡等也都貼上 RFID Tags，此種英語字彙卡 我們稱為 Ubiquitous Vocabulary Cards(簡稱 UbiCards)，圖 4 為 UbiCards 的設計 與 UbiCard 在國小校園內的英語地標卡與英語學習卡的應用實際情況。圖五為小 學生持用 RIFD Reader 的 PDA 接近英語地標卡或學習卡後，當 PDA 感應出 UbiCards 所對應的識別碼後，在 PDAs 上呈現出該學習物件的中英文學習解說 (text)、英語發音(Audio)、與多媒體影像學習資訊(Video)等內容呈現。所以透過 學習者主動接近校園或教室內的 UbiCards，不僅使學習者的英語字彙認識學習能 與真實環境融合，真正接近實體的學習物件而有身歷其境的學習效果。

(a)以 RFID Tags 設計 UbiCards (b)小學生英語單字自主學習實況 圖 4 UbiCards 的設計與使用情境

伍﹒結論

隨著資訊科技演變，學習科技也會跟著以新形態的方式呈現，如從早期的網 路學習、到無線網路的行動學習、進而演化使用無所不在技術的無所不在學習。 本論文是以 RFID 技術作為無所不在學習中學習物件與學習者間的感應學習互動 之用，將被動式無電力需求的 RFID Tag 貼附隱藏於散佈於生活週遭環境中的學 習物件上，變成 UbiCards。而學習者持用內建 RFID Reader 的 PDA 作為行動學 習輔具，由學習者以自主學習方式非接觸式接近 UbiCards 的感應學習後，再將 學習內涵呈現於 PDA 上進行學習。

離只有十幾公分之內，但藉由學習者的主動移動更能精準定位學習物件而讓學習 更精確。 RFID 本身是項 ID 識別技術，但其用途相當廣泛，如校園 IC 卡、捷運悠遊 卡、Master PayPass 卡等，甚至在博物館導覽、物流業物流控管都有其應用存在， 所以在未來 RFID 將會廣範應用於無所不在運算環境中。因此本論文以未來會散 佈於實際生活中的 RFID 技術整合無所不在技術建構出無所不在的學習環境，不 管在何時何地只要學習者使用 RFID 感應環境中的學習物件便能進行學習，讓學 習真的達到無所不在。 圖 5 無所不在的英語校園環境中 PDA 與學習物件間 RFID 感應運作流程畫面

陸﹒參考文獻

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Using RFID Technology to Build a Ubiquitous Learning

Environment

Jenq-Muh Hsu*、Iong-Jyh Su

Department of Computer Science and Information Engineering National Chung Cheng University

*

E-mail:hsujm@cs.ccu.edu.tw

Abstract

With the rapid development of learning technologies, Learning activities have been changed from face-to-face learning in traditional classrooms to various and innovative learning by using high technical information technology and novel learning theories. Additionally, wide deployed high-speed wireless and wired network infrastructure makes the learning model to go into mobile learning to reach the learning anytime and anywhere. Learning is also able to integrate ubiquitous computing, which is one of the most popular computing technologies nowadays, to build a highly interactive learning environment for ubiquitous learning. In this paper, we apply passive RFID technology into our proposed ubiquitous learning. RFID will be able to identify learning objects, deliver learning contents, and be a learning interaction among our living environment. By the way, learners can easily approach and identify ambient learning objects spread in our surrounding, and then they can use ubiquitous and contactless RFID identification to achieve their learning activities with highly integrated learning effects for their self-studies.