近年來，隨著科技的進步，越來越多增強現(xiàn)實(Augmented Reality)的應(yīng)用問世于日常生活中。雖然，增強現(xiàn)實的技術(shù)早在十幾年前就有學者研究，不外乎是把應(yīng)用焦點放在導覽、建筑、工業(yè)發(fā)展與游戲等等。本研究希望設(shè)計一增強現(xiàn)實游戲架構(gòu)，應(yīng)用于既有的教學內(nèi)容上。透過增強現(xiàn)實技術(shù)的特性，讓學習者能夠更融入學習內(nèi)容中，并藉由實際測試來了解增強現(xiàn)實應(yīng)用于教育上會遇到的限制與困難。
1. 引言(INTRODUCTION)
隨著數(shù)字科技的進步，教育內(nèi)容不再局限于書本上；開始有計算機輔助教學設(shè)備的利用，學習教材就已逐漸摻入多媒體元素。在教學的過程中，學習單元甚至具有主題性，加深了學習者對教材的印象并提升了學習興趣。有些老師在教材內(nèi)加入游戲，希望學習者能將花在游戲上的熱誠與精力轉(zhuǎn)移到學習內(nèi)容上。游戲?qū)W習的過程，能夠讓學習者產(chǎn)生自發(fā)性學習的動機，主動積極且愉快得參與學習；因此在教學游戲的設(shè)計上，學生與情境教材媒體的互動是非常重要的。多媒體教材提供的影音效果對學習的效果有很大的幫助，相較之下傳統(tǒng)的紙本教材就顯得枯燥無味。
游戲是兒童成長時重要的休閑活動之一，兒童在游戲的過程中，會對新事物產(chǎn)生好奇心，能夠培養(yǎng)獨自解決問題的能力。對兒童而言，游戲就猶如他們的世界觀，兒童的認知、行為、互動與情緒，幾乎都是在游戲中得到。游戲?qū)W習主要的目的在加強學習動機，讓學習者主動參與游戲，并與其它學習者互動，分享學習歷程與經(jīng)驗。
近年來虛擬實境技術(shù)的應(yīng)用，學習者可以在虛擬的環(huán)境下互動學習，還可以和他人討論與合作進行學習活動。但由于虛擬實境需要昂貴的硬設(shè)備，限制了廣泛應(yīng)用的可能性。所以增強現(xiàn)實（Augmented reality）的技術(shù)，將虛擬的信息結(jié)合于現(xiàn)實環(huán)境下，將大幅度的提升虛擬實境不容易普及的問題。學習者可以在現(xiàn)實環(huán)境下體驗多媒體教學，設(shè)備低廉且容易取得。重點是，增強現(xiàn)實可以提供學習者人性化的操作，自然且直接的互動方式來進行學習，并且讓學習者產(chǎn)生一種身歷其境的感覺。
2. 相關(guān)工作（RELATED WORK）
本研究利用增強現(xiàn)實的技術(shù)，以國小自然科學學習為目標，建置行動式游戲?qū)W習系統(tǒng)。本章先探討建構(gòu)主義的定義與論點，接著說明游戲?qū)W習與行動學習的理論與應(yīng)用。最后再介紹增強現(xiàn)實的概念，以及增強現(xiàn)實應(yīng)用于教育上的國內(nèi)外相關(guān)研究。
2.1 建構(gòu)（Constructivism）
建構(gòu)主義是一種教學與學習的理念，探討如何有效的獲得知識以及了解知識最根本的意義。建構(gòu)主義主張知識是學習者經(jīng)由個人或合作的經(jīng)驗建構(gòu)而來，也就是說，學習者不是單純的被動接受知識，而是主動的建構(gòu)知識。因此，建構(gòu)主義提倡以學習者為中心，負責傳授知識的教學者成為學習過程中的輔助角色，以協(xié)助學習者能更有效的獲得知識。Von Glasersfeld[1]認為建構(gòu)主義并不是一味的建構(gòu)事物，而是在提倡建構(gòu)知識有著無限的可能性，強調(diào)學習者本身才是求知的重點。
Gergen[2]對建構(gòu)主義有不同的主張，他并不否定個人經(jīng)驗的重要性，但是他認為合作與互助才是學習的關(guān)鍵。知識的建構(gòu)是由人文社會互動為模式，因為學習者的知識并非天生就有，所以知識是學習者在互動中發(fā)展出來的。結(jié)合上述學者論點，建構(gòu)主義主張學習者積極求知與強調(diào)互動的重要性，學習者由外在環(huán)境所吸收的知識，透過社會互動與自我的省思，建構(gòu)出個人的知識。
知識建構(gòu)的過程是在特定的情境下，個人藉由與環(huán)境互動的經(jīng)驗去繁衍出個人化的知識。建構(gòu)主義強調(diào)的是互動的重要性，以學習者自身的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，透過互動來建構(gòu)知識。在學習的互動中，雖然會有過于主觀的論點出現(xiàn)，卻也是經(jīng)由與不同的人分享與討論的過程而產(chǎn)生的知識。所以在學習的過程中，能力較強的學習者可以輔助能力較差的人，使他們獲得較好的學習效果。
在這種的合作學習過程中，每個學習成員都要能感受到自己的重要性，認定彼此是不可缺得而且息息相關(guān)。學習的成果有賴于所有成員的努力，不但有助于學習者的成就與人際關(guān)系，提升了團體的向心力，也突顯出合作學習的優(yōu)點。從以上各論點可了解，在合作學習的過程中，學習者不會因為聰明與否而造成學習成效的差異。反而可讓不同能力的學習者彼此互相指導并分享經(jīng)驗，獲得同步成長的意義。所以合作學習可以改善學習者間學習成效的落差，也有加強學習者溝通與互助的技巧。
2.2 游戲與學習
游戲的目的雖然千變?nèi)f化，但本質(zhì)上能夠讓使用者投入情感在游戲中。吳幸玲[2]認為，當一個活動只要有包含游戲特色，如感官上的刺激、自由度、令人回味的過程、迫不及待的結(jié)果等等，就可以被稱作是游戲。
動機是學習的原動力，往往有好的學習動機就可以提升學習效果，反之就會有反效果。挑戰(zhàn)性、好奇心、控制權(quán)、奇幻性等等，都是加強內(nèi)在動機的元素。透過與其它玩家的互動，產(chǎn)生合作或競爭的刺激感，容易使學習者愿意花更多的時間與精力在學習上。適度的加深難度與復雜度，更可以提升學習者解決問題的能力與信心[3]。
Mitchell 與Savill-SMIth[4]提出電子游戲可以幫助學習者提升學習興趣與自信。互動性的游戲還可以增進人際關(guān)系，游戲?qū)W習包含的內(nèi)在動機可以達到的學習效果如下：
1.主動學習：
利用游戲有挑戰(zhàn)性的目標與主題性，讓學習者主動去操作游戲，培養(yǎng)主動學習并探討內(nèi)容的態(tài)度。
2.提高學習興趣：
利用游戲的趣味性，將枯燥無味的教材設(shè)計成游戲，讓教材變得生動有趣，讓學習者產(chǎn)生興趣。
3.個人化的學習教材：
根據(jù)學習者能力與環(huán)境的不同，去設(shè)計游戲?qū)W習內(nèi)容，讓學習者能夠依照個人興趣與能力來學習。
4.減輕學習壓力：
讓學習者可以在輕松的環(huán)境下學習，不會有現(xiàn)實世界中測驗不及格或不可反悔的壓力。
5.提升創(chuàng)意與思考：
游戲利用視覺效果、內(nèi)容探索和游戲的創(chuàng)意來增加學習興趣，幫助學習者培養(yǎng)獨立思考的能力。
Cassell 與Ananny[5]設(shè)計了一個虛擬計算機人物與玩具城堡構(gòu)成的互動虛擬系統(tǒng)（圖 1）。屏幕畫面里的虛擬人物擁有與現(xiàn)實玩具城堡一樣的虛擬城堡，虛擬人物會一邊說故事，一邊指示游戲者如何進行游戲。該系統(tǒng)讓游戲者與虛擬人物互動，更讓他們能身歷其境的去體驗故事內(nèi)容。
圖1. 互動虛擬系統(tǒng)
Peta 與Helen[6]設(shè)計了一套給兒童的游戲教材叫”Electronic Blocks”（ Figure 2），這是一套電子積木玩具，兒童根據(jù)線索將適合的積木裝在一起，不同功能積木有不同的組合。這個游戲藉由設(shè)計、探索與建構(gòu)等過程，提升兒童的學習技巧。
圖 2. 電子模板(Electronic Blocks)
綜合上述文獻得知，游戲式的學習與學習效果是息息相關(guān)的。將學習者對游戲所產(chǎn)生興趣，在不自覺的情況下將這份熱誠轉(zhuǎn)換為學習目標，并且減少學習壓力，讓學習的過程更有趣，以達到提升學習成效的目的。
2.3 增強現(xiàn)實
要了解增強現(xiàn)實的定義，就要先說明混合實境（Mixed reality）的定義。MiLGram 和Kishino[7]提到一真實與虛擬環(huán)境的連續(xù)范圍，由左至右為真實環(huán)境（ Real Environment ） 至虛擬環(huán)境（ VirtualEnvironment），混和實境則是混合真實與虛擬的環(huán)境。連續(xù)范圍中最左邊到最右邊分別被稱為增強現(xiàn)實和擴增虛擬（Augmented Virtuality）。增強現(xiàn)實定位于混合實境范圍中間偏左，顧名思義主要是以真實環(huán)境為主、虛擬對象為輔，也就是將虛擬的對象依附在現(xiàn)實環(huán)境中。反之，擴增虛擬則是將現(xiàn)實的對象依附在虛擬環(huán)境里（圖 3）。
圖 3.現(xiàn)實與虛實的連續(xù) (Reality-Virtuality Continuum)
增強現(xiàn)實較常見的表現(xiàn)方式，是實時將虛擬的對象顯示在相機/攝影機的屏幕上。展示的方式可以分「光學式頭盔」（Optical see-through head mounteddisplay ） 、影像式頭盔（ Video see-through headmounted display）以及計算機屏幕展示（Monitor Baseddisplay）。視覺上看起來就像是虛擬對象真實存在于現(xiàn)實環(huán)境，將虛擬依附在現(xiàn)實環(huán)境上就是增強現(xiàn)實最大的特色。計算機會辨別「標記」（Marker）的位置將事先準備好的虛擬3D 模型顯示出來，隨著使用者觀看角度的改變，3D 虛擬對象也會呈現(xiàn)出不同的角度。而操作者可以挪動標記來改變屏幕里虛擬對象的位置，達到人機交互式的效果。（圖 4）Azuma[8]定義增強現(xiàn)實的特性：
1.相同性：在同一接口上同時結(jié)合真實與虛擬對象。
2.實時性：實時于真實環(huán)境下顯示虛擬對象。
3.空間性：虛擬的對象迭合在真實的環(huán)境空間，能夠與使用者互動。
圖 4. 增強現(xiàn)實概念圖（本研究整理）
Henrysson, Billinghurst, & Ollila[9]等學者在手機上設(shè)計了一套增強現(xiàn)實交互式網(wǎng)球游戲（ 圖5）。在游戲桌上放置標記，用手機內(nèi)建的相機讀取標記后，屏幕實時顯示虛擬的網(wǎng)球場和網(wǎng)球。兩個玩家面對面用手機去追虛擬的網(wǎng)球，適時的按下「回擊」的按鍵將網(wǎng)球回擊，目標在將網(wǎng)球來回打的次數(shù)能越多越好。
此系統(tǒng)采用三種實驗方式來進行測試。
1.手機屏幕上可以看得到對手的情況下進行游戲。
2.手機屏幕上看不到對手，只看到虛擬的游戲畫面。
3.在游戲桌中間用黑布擋住玩家彼此，完全看不到對手的情況下進行游戲。
實驗結(jié)果玩家認為手機屏幕上看得到對手的情況下比較容易上手，未來計劃也加入震動力回饋、音效與計算分數(shù)，讓游戲更加寫實來增加游戲性質(zhì)。
圖 5. 增強現(xiàn)實交互式網(wǎng)球游戲
“The eye of judgment”，是一款使用增強現(xiàn)實技術(shù)所作的桌上型卡片游戲（圖 6）。利用攝影機判斷卡片上的標記樣式與位置，并在屏幕上顯示虛擬的對象，如怪獸、魔法特效等等。游戲的操作也全部都使用卡片，例如翻轉(zhuǎn)、重迭還有行動卡、取消卡等等。玩起來的感覺就像是實際在玩桌上型游戲一樣，但是不同的地方是將游戲內(nèi)容中虛擬的對象呈現(xiàn)在現(xiàn)實生活中，增加了感官上的刺激。游戲的過程的聲光效果，大大提升了它的游戲性，算是一款很成功的游戲[10]。
圖 6. “The eye of judgment”游戲情境
Mulloni, Wagner, & Schmalstieg[11]研發(fā)了一套具有行動性的游戲（圖 7），游戲中虛擬的地圖對應(yīng)現(xiàn)實環(huán)境的房間，在房間的各角落貼上標記代表地圖上牛群的位置。玩家們用行動裝置去讀取標記，來搜集該地點的牛群，或是搶奪在對手領(lǐng)地內(nèi)之牛群，取得較多牛群的即是贏家。玩家們必須在房間里跑來跑去，與隊友戰(zhàn)略的討論來完成游戲目標，游戲的過程中不單純只是與隊友的互動，隨時還會有敵隊挑釁、示威的舉動出現(xiàn)，在互動性與行動性方面達到了很好了效果。
圖 7. 畫面
由這些例子可以看出，游戲的人機接口一直在進步，且朝向更直覺化、更符合人類日常生活的型態(tài)。
尤其是“The eye of judgment”，使用增強現(xiàn)實技術(shù)所做的人機接口，彌補了紙牌游戲聲光效果的貧乏。在實體紙牌游戲上加上虛擬的特效，來增進游戲?qū)ν婕业奈Α＿@游戲不但保留了紙牌游戲在玩法上的特性，也增加了虛擬的游戲特效，成功的創(chuàng)造出顛覆傳統(tǒng)的數(shù)位多媒體游戲。
蘇俊欽[12]為兒童設(shè)計了一套增強現(xiàn)實中文注音符號學習教材（圖 8），系統(tǒng)依照每個注音符號的發(fā)音，建構(gòu)相對應(yīng)的虛擬動物圖像，以動畫告知兒童去拿取正確的標記。簡單的系統(tǒng)操作與虛擬圖像的輔助，可以有效增強兒童的興趣，并提升學習集中力，加深兒童對中文注音的印象。
圖 8. 系統(tǒng)
Kondo[13]提出”Augmented Textbook”的應(yīng)用，從書本中觀看虛擬的圖像，可以彌補純文字的單調(diào)與版面配置的限制。他也將增強現(xiàn)實應(yīng)用在博物館的導覽系統(tǒng)中，在導覽過程中3D 對象會顯現(xiàn)在行動裝置上，配合語音的介紹，可以加深游客的印象，比起單純的走馬看花還要來的充實。（圖 9）
圖 9. 增強教材(Augmented Textbook)
Liu, Cheok, Mei-Ling, & Theng[14]設(shè)計了九大行星增強現(xiàn)實的教學實驗系統(tǒng)與花園學習系統(tǒng)。九大行星教學實驗系統(tǒng)主要提供9 張標記卡片，分別代表不同的行星。在學習過程中，系統(tǒng)會提供題目，學習者將代表答案的標記卡片移動到系統(tǒng)指定的位置來作答。花園學習系統(tǒng)同樣也是靠移動標記來種植物，比方說長得像鏟子的標記用來挖土，太陽符號的標記代表陽光等等，學習的過程中還可以觀看植物的各種特征。比起枯燥的教科書與只有文字選項的仿真試題，增強現(xiàn)實擁有3D 虛擬對象的優(yōu)勢，而且操作簡單，不僅可以減少教科書的使用量，也提高了學習者的集中力與學習成效。（圖 10）
圖 10. 系統(tǒng)
Dünser 和Hornecker[15]設(shè)計了以增強現(xiàn)實為基礎(chǔ)的游戲”Big Feet and Little Feet”（ 圖 11）。這個游戲以童話故事為背景，經(jīng)由操作可移動式的記號進行游戲。游戲的主角為兩只小雞，系統(tǒng)設(shè)計兩個玩家同時進行互助式的解謎。游戲內(nèi)容分為多個章節(jié)，每個章節(jié)都有著不同的任務(wù)。兩個玩家移動著各自代表小雞的標記一起合作解謎，比如說跳過籬笆、躲避狐貍、讓小雞們安全到家等等。實驗分為一個玩家獨力完成游戲或兩個玩家互相幫助解謎，最后在旁觀察游戲過程時學生的舉動，分析其差異性與對學習與互動的成效。玩家在游戲結(jié)束后多數(shù)對過程意猶未盡，并期待有更多故事可以選擇閱讀，證實增強現(xiàn)實能提高學習者的集中力并培養(yǎng)獨立思考的能力。
圖 11. 大腳和小腳（Big Feet and Little Feet）
增強現(xiàn)實的技術(shù)能讓使用者更人性化的操作游戲系統(tǒng)，靠著自然拿取標記的動作，使直覺化的互動學習內(nèi)容更加簡單明了。增強現(xiàn)實也塑造了適合交互式學習的環(huán)境，讓學習者可以彼此實時與教材內(nèi)容互動，而且不再只限制在單一計算機屏幕或書本頁面，提供無限可能性的學習環(huán)境。
增強現(xiàn)實系統(tǒng)能夠有效的提升學習者的興趣，增加自發(fā)性的學習效能。有效的提供互動的學習平臺，不再只是讓學習者一個人揣摩游戲系統(tǒng)，而是在互助與切磋的環(huán)境下一起成長，完全符合社會建構(gòu)式主義的理想概念，一開始就帶給學習者足夠的新鮮感，并在游戲中增加學習的自信心，也足以增加游戲的互動性質(zhì)，加以提升學習效果。綜合以上相關(guān)研究與應(yīng)用得知增強現(xiàn)實應(yīng)用在教育上的好處如下：
1.學習的新鮮感：新的教學技術(shù)，多樣化的內(nèi)容呈現(xiàn) 在學生面前，給予學習者許多樂趣，刺激學習熱誠。
2.互動性：在課堂上學生直接的互動，增加學生們的參與程度與學習自信心。
3.增加空間概念：看得見的畫面，更能將抽象化的東西以圖形表示，3D的對象也能提升學生對空間的理解能力。
3. 實現(xiàn)方法(METHODOLOGY)
本論文嘗試利用增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育方面，以小學自然科學「天文」單元為主題，設(shè)計一套增強現(xiàn)實學習系統(tǒng)。希望經(jīng)過多次的實驗與測試之后，可以了解學習者對游戲內(nèi)容的看法與態(tài)度，并分析增強現(xiàn)實技術(shù)的特性與應(yīng)用于教育上的效果。
3.1 增強現(xiàn)實游戲規(guī)劃與接口設(shè)計
本研究在經(jīng)由參考多篇文獻后得知，互助、競爭與在游戲中學習可以增加學習者的學習興趣。增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⑻摂M對象融合真實環(huán)境，讓學習者更能沉浸于游戲中，而且硬設(shè)備簡單容易取得，不會增加經(jīng)濟上的負擔。加上增強現(xiàn)實有著實時、簡單且人性化的操作特性，能夠提升游戲的流暢度。
結(jié)合以上多種優(yōu)點，本研究設(shè)計一套交互式多媒體學習平臺，主題設(shè)定為小學自然科學中太陽、月亮與地球的相互關(guān)系。內(nèi)容小則從三個星球的信息介紹，到三個星球位置關(guān)系改變造成了春、夏、秋、冬四季的大規(guī)模畫面展示等等，透過系統(tǒng)指示一步一步達到游戲目標。系統(tǒng)設(shè)計過程中，為考慮增強現(xiàn)實技術(shù)獨特的操作方式，且結(jié)合多媒體技術(shù)呈現(xiàn)，學習平臺設(shè)計分為兩個部分：
1.接口操作：學習者透過系統(tǒng)指示，移動指定標記完成游戲內(nèi)容。游戲接口設(shè)計左半邊為教材選單，右半邊分為上下兩個影像區(qū)塊，上面為多媒體展示窗口，下面為增強現(xiàn)實操作窗口。增強現(xiàn)實窗口觀看到的是虛擬對象結(jié)合真實環(huán)境，而多媒體展示窗口是系統(tǒng)給予學習者指示與展現(xiàn)教材內(nèi)容用。
2.互動設(shè)計：人機接口的互動除了展現(xiàn)增強現(xiàn)實虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的特色外，隨著多媒體展示窗口給予游戲操作指示后，在增強現(xiàn)實操作窗口下移動標記的動作，會相對實時看到對應(yīng)的多媒體呈現(xiàn)于多媒體展示窗口。
圖 12. 接口設(shè)計概念圖
游戲設(shè)計內(nèi)容以四季的變化為例，題目設(shè)定為「請問地球分別在太陽的何處會產(chǎn)生四季？」系統(tǒng)會指示請先把代表太陽的標記放置于增強現(xiàn)實操作畫面中間位置，再請把地球標記先后放置于春、夏、秋、冬四個對應(yīng)位置完成作答。相對多媒體展示窗口會有對應(yīng)的簡介、提示與動畫指導。
3.2 增強現(xiàn)實游戲研究架構(gòu)
首先研讀并搜集國內(nèi)外文獻資料，歸納出增強現(xiàn)實的特性，設(shè)計適合學習者互動合作的游戲內(nèi)容。教材內(nèi)容以小學自然科學「天文」單元為主，替小學生量身制訂的游戲內(nèi)容，希望能夠讓學習者產(chǎn)生興趣，培養(yǎng)學習者們解決問題的能力，在游戲中間接達到學習的目的。然后建置增強現(xiàn)實學習系統(tǒng)，以網(wǎng)頁多媒體互動平臺為架構(gòu)，配有網(wǎng)絡(luò)攝影機以讀取標記，并與后端服務(wù)器傳送與接收學習內(nèi)容信息。系統(tǒng)建置完成后，挑選國小高年級學生為測試對象。主要目的在測試系統(tǒng)的穩(wěn)定度及學生對系統(tǒng)得適應(yīng)程度，游戲結(jié)束之后詢問學生的意見，并透過問卷的方式了解學生對兩種不同的系統(tǒng)有甚么樣的感想，斟酌修改系統(tǒng)問題與內(nèi)容。最后進入實驗階段進行教學成效的測試，在游戲的過程中參與并在旁觀察學生的反應(yīng)，并在結(jié)束之后給予問卷調(diào)查。在教學進行中，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫記錄學習內(nèi)容，以便分析學生學習成效的差異。實驗完成后，開始分析搜集到的資料與問卷，了解增強現(xiàn)實對教學成效之影響，學習者與教學者的意見與態(tài)度，并對學習方式與課程設(shè)計進行評估。
4. 結(jié)論與未來工作(CONCLUSION&FUTURE WORK)
本研究系統(tǒng)還在建置階段，除了研究如何使用增強現(xiàn)實結(jié)合多媒體素材之外，連接數(shù)據(jù)庫的問題也逐漸在克服中。當然，設(shè)計游戲也是最重要的一環(huán)，如何對應(yīng)學習者當下所學的教材，設(shè)計操作接口既簡單人性化，可以減少學習時間，又能夠提升娛樂性質(zhì)，有效的引起學習者興趣，產(chǎn)生學習者主動求知的欲望。
隨著數(shù)字科技與多媒體整合技術(shù)的進步，將增強現(xiàn)實能讓虛擬對象融入現(xiàn)實生活的特性應(yīng)用在教育上，結(jié)合游戲?qū)W習的概念，是否能帶來更大的成效是值得讓人期待的。本研究未來希望能完成系統(tǒng)實作，經(jīng)過多次的實驗修正教學內(nèi)容，最后評估增強現(xiàn)實結(jié)合游戲應(yīng)用于教育上的成效。
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