東吳大學商學院

資訊管理學系碩士論文

指導教授：朱蕙君助理教授

以凱利方格為導引機制之無所不在

擴增實境學習系統

Development and applications of an augmented

reality-integrated Repertory grid system for ubiquitous

learning

研究生：林佳緯 撰

中華民國 一 ０ 二年 七月

以凱利方格為導引機制之無所不在

擴增實境學習系統

Development and applications of an augmented

reality-integrated Repertory grid system for ubiquitous

learning

研究生：林佳緯 Student：Chia-Wei Lin

指導教授：朱蕙君 Advisor：Hui-Chun Chu

東吳大學商學院

資訊管理學系

碩士論文

A Thesis

Submitted to Department of Computer Science and Information Management

School of Business

Soochow University

July 2013

Taipei, Taiwan, Republic of China

中華民國 102 年 7 月

i

致謝

研究所的生活很充實，兩年所累積的收穫都是紮紮實實的，不管是在學習經驗還是

待人處事方面，而在這段期間內，最終目標雖然是將論文完成，但是自己總是會有額外

的目標與挑戰，在這期間，我要感謝的人很多，有了你們幫助、指引、共同努力，我在

研究所的生活才能如此多采多姿。

首先，我要感謝我的指導教授朱蕙君老師，當我第一天與老師面談時，就能感受到

老師的熱情，而老師積極的態度，造就我的學習態度「快」、「狠」、「準」，其中「快」

就是要今日事今日畢；「狠」就是下定決心，將事情有頭有尾的去完成；「準」就是做事

要講求精確，將錯誤率降到最低，以上都是老師的諄諄教誨。

再來我要感謝同在朱老師們下的同僚們，首先是韶宸學長，韶宸是實驗室的模範生，

自從遇到他之後，我就將他視為我的榜樣，時時刻刻提醒自己要好好學習，不可鬆懈，

有朝一日也能達到學長成就。而永煥學長雖然與我相處時間不是很多，但是他的高 EQ，

能使實驗活動規劃的十分完整，這使我在進行實驗活動規劃時，能與對方有更好互動關

係。而勁宏學長是一位多才多藝的學長，口才一流，常常教導我如何去報告，並且，在

數據分析中，持之以恆地教導我統計方面的知識，使我的實驗結果更加詳細、完整。育

誠學長的程式底子非常好，常常在技術上給予我意見與參考，使我的系統操作更加流暢，。

最後是陪我兩年的搭檔毅軒，他不僅長的又高又帥，待人處事又相當細心，在我最忙的

時候，幫忙我處理其他事務，讓我能專心撰寫論文，並且在實驗期間，扮演重要的角色，

我想若沒有他的協助，我的實驗及論文沒辦法在這麼短的期限內完成。

最後我要感謝欲致、耀坤、鉅強、冠智、琪皓、哲宇、協哲、建成、伶穎、祖揚、

承翰、泓安、耿華、韋辰、睿恆平時的照顧，使我在這兩年，能順順利利、平平安安的

完成論文，還有健富學弟，雖然我們在碩二才開始認識，但是兩人的默契猶如十年同窗

般，除了陪伴我留守實驗室撰寫論文外，還協助我處理許許多多的雜務，辛苦了。最後

我要感謝郭育政主任，主任在課堂中講的人生大道理，我聽了也感同身受，並且，啟發

我如何完成一篇成功的論文，如今，我成功了，十分感謝主任的教誨。

ii

中文摘要

近年來，真實情境學習已經受到許多研究者的重視。運用行動科技在真實環境中提

供數位化教材的無所不在學習模式，被應用在各種學科中。然而，許多研究者指出，在

真實環境中進行學習活動，雖可以提昇學習者的學習興趣，但是同時學習實體環境中的

學習目標與透過行動載具瀏覽數位教材，學習上的負荷量較大，很可能會產生較高的認

知負荷。因此，如何讓學習者專注於探索學習內容的同時，也能受惠於數位化教材的輔

助，達到良好的學習成效，仍是具有挑戰性的議題。為了解決這個問題，本研究嘗試建

立一套整合知識建構工具之擴增實境無所不在學習環境，讓學習者在觀察真實環境的學

習目標時，能同時獲得與學習目標相關的數位化教材及引導觀察學習目標的知識，同時，

在學習活動中有效地建構個人化的知識。為了驗證系統對於學習者學習成效的幫助，本

研究以蝴蝶生態園為學習場景，使用知識建構心智工具作為輔助學習策略，建立一套擴

增實境凱利方格學習系統，並探討使用此系統在蝴蝶園中學習，學習者學習的成效及其

認知負荷表現；同時，更進一步探討這樣的學習模式，對不同認知風格的學習者之學習

表現差異為何。

關鍵字：情境感知無所不在學習、擴增實境、凱利方格、認知風格

iii

英文摘要

In recent years, the advancement of mobile and wireless communication technologies

has encouraged an increasing number of studies concerning mobile learning and situated

learning, in which students are able to learn via mobile devices without limitation of time and

space. The design of teaching models in ubiquitous learning environment has been widely

discussed to investigate the effectiveness of ubiquitous learning in various courses, such as

natural science, English, mathematics, etc. In such a learning environment, students need to

face the learning objectives in real-world and the learning materials digital-world in digital

world at the same time. Their learning effectiveness could be significantly affected owing to

the spilt-attention effect and high cognitive load, which might further influence their learning

performance. Therefore, it is still a challenging issue to provide more effective learning

methods to benefit students learning in real-world environment. To cope with this problem,

this study attempts to develop an augmented reality context-aware u-learning system.In this

system, repertory grid method has been conducted to the augmented reality sustem to assist

the students to learning in the real-world. It is expected that the learning system assist the

students in constructing their personal knowledge during the learning activity.

To evaluate the effectiveness of the proposed approach, an augmented reality

context-aware u-learning system has been developed and an experiment has been conducted

in an elementary school natural science course to examine the students’ performance in terms

of their learning attitudes, learning motivation, self-efficacy and learning achievements.

Moreover, with the assistant of the augmented reality technology, the real-world learning

targets and the relevant digital content can be presented to the students in a properly

integrated way to reduce the spilt-attention effect. After conducting the experiment, the

student’s’ learning performance with different cognitive style have also been discussed.

Keywords: context-aware u-learning, augmented reality, repertory grid, cognitive style.

iv

目錄

致謝 ..................................................................................................................................... i

中文摘要 ............................................................................................................................ ii

英文摘要 ........................................................................................................................... iii

目錄 ................................................................................................................................... iv

圖目錄 ............................................................................................................................. viii

表目錄 ................................................................................................................................ x

第一章 緒論 ...................................................................................................................... 1

1.1. 研究背景及動機..................................................................................................... 1

1.2. 研究目的................................................................................................................. 3

1.3. 研究問題................................................................................................................. 3

1.4. 重要名詞解釋......................................................................................................... 4

1.4.1. 擴增實境 ......................................................................................................... 4

1.4.2. 凱利方格 ......................................................................................................... 5

1.4.3. 認知負荷 ......................................................................................................... 5

1.4.4. 學習動機 ......................................................................................................... 5

1.4.5. 認知風格 ......................................................................................................... 6

1.5. 研究範圍與限制..................................................................................................... 6

1.5.1. 研究範圍 ......................................................................................................... 6

1.5.2. 研究限制 ......................................................................................................... 6

第二章 文獻探討 .............................................................................................................. 7

2.1. 情境感知無所不在學習......................................................................................... 7

2.1.1. 無所不在學習 ................................................................................................. 7

2.1.2. 情境感知技術的意涵 ..................................................................................... 9

2.1.3. 情境感知無所不在學習相關研究 ............................................................... 10

v

2.2. 擴增實境............................................................................................................... 11

2.2.1. 擴增實境定義 ............................................................................................... 11

2.2.2. 擴增實境顯示方式 ....................................................................................... 12

2.2.3. 擴增實境教育相關研究 ............................................................................... 15

2.3. 凱利方格心智工具............................................................................................... 16

2.3.1. 心智工具 ....................................................................................................... 16

2.3.2. 專家系統 ....................................................................................................... 17

2.3.3. 知識擷取 ....................................................................................................... 17

2.3.4. 凱利方格教育相關研究 ............................................................................... 19

第三章 研究方法 ............................................................................................................ 20

3.1. 研究架構............................................................................................................... 20

3.2. 擴增實境凱利方格學習系統設計....................................................................... 20

3.2.1. 擴增實境凱利方格學習系統架構 ............................................................... 21

3.2.2. 系統介面與功能 ........................................................................................... 23

3.2.3. 材質圖像設計 ............................................................................................... 29

3.2.4. 系統測驗任務設計 ....................................................................................... 30

3.2.5. 凱利方格設計 ............................................................................................... 31

3.3. 系統工具............................................................................................................... 32

3.4. 研究工具與分析分法........................................................................................... 33

3.4.1. 學習成就測驗 ............................................................................................... 33

3.4.2. 認知風格量表 ............................................................................................... 34

3.4.3. 自然學科自我效能量表 ............................................................................... 34

3.4.4. 自然學科態度量表 ....................................................................................... 34

3.4.5. 認知負荷量表 ............................................................................................... 35

3.4.6. 學習動機量表 ............................................................................................... 35

vi

第四章 實驗設計 ............................................................................................................ 36

4.1. 實驗對象............................................................................................................... 36

4.2. 學習情境與系統流程........................................................................................... 36

4.3. 實驗流程............................................................................................................... 42

第五章 實驗結果 ............................................................................................................ 44

5.1. 自然科學學科前、後測分析............................................................................... 44

5.1.1. 學習前測驗 ................................................................................................... 44

5.1.2. 學習後測驗 ................................................................................................... 45

5.1.3. 學習後測驗與認知風格 ............................................................................... 50

5.2. 系統學習活動分析............................................................................................... 52

5.2.1. 學習活動中之測驗任務成就 ....................................................................... 52

5.2.2. 學習過程中建置之凱利方格成就 ............................................................... 52

5.2.3. 學習活動中之學習歷程記錄 ....................................................................... 53

5.3. 前問卷分析........................................................................................................... 55

5.3.1. 自然科學學科自我效能 ............................................................................... 55

5.3.2. 自然科學學科學習態度 ............................................................................... 55

5.4. 後問卷分析........................................................................................................... 56

5.4.1. 自然科學學科自我效能 ............................................................................... 56

5.4.2. 自然科學學科學習態度 ............................................................................... 57

5.4.3. 認知負荷 ....................................................................................................... 59

5.4.4. 學習動機 ....................................................................................................... 60

第六章 討論與結論 ........................................................................................................ 61

6.1. 討論....................................................................................................................... 61

6.2. 研究限制............................................................................................................... 65

6.3. 結論與建議........................................................................................................... 66

vii

參考文獻 .......................................................................................................................... 68

附錄一、蝴蝶基本知識測驗(前測) ............................................................................... 75

附錄二、蝴蝶基本知識測驗(後測) ............................................................................... 77

附錄三、學習前問卷 ...................................................................................................... 81

附錄四、學習後問卷 ...................................................................................................... 83

viii

圖目錄

圖 1 無所不在學習環境關係圖 .............................................................................................. 8

圖 2 擴增實境位置定義 ........................................................................................................ 12

圖 3 以螢幕呈現之擴增實境架構圖 .................................................................................... 13

圖 4 頭戴式視訊顯示之擴增實境架構圖 ............................................................................ 13

圖 5 頭戴式光學顯示之擴增實境架構圖 ............................................................................ 14

圖 6 擴增實境辨識方式 ........................................................................................................ 15

圖 7 研究架構圖 .................................................................................................................... 20

圖 8 擴增實境凱利方格學習系統架構圖 ............................................................................ 21

圖 9 系統說明畫面 ................................................................................................................ 23

圖 10 蝴蝶清單畫面 .............................................................................................................. 24

圖 11 學習活動測驗任務畫面 .............................................................................................. 24

圖 12 擴增實境示意圖 .......................................................................................................... 25

圖 13 擴增實境功能畫面 ...................................................................................................... 25

圖 14 指定配對屬性組正反向特徵畫面 .............................................................................. 26

圖 15 特徵強度評分畫面 ...................................................................................................... 27

圖 16 查看已評比特徵傾向值畫面 ...................................................................................... 27

圖 17 凱利方格提示畫面 ...................................................................................................... 28

圖 18 完整凱利方格畫面 ...................................................................................................... 28

圖 19 QCAR 擴增實境內容服務管理系統畫面 ................................................................... 29

圖 20 蝴蝶園實景 .................................................................................................................. 37

圖 21 蝴蝶配置圖 .................................................................................................................. 37

圖 22 擴增實境凱利方格學習系統流程 .............................................................................. 38

圖 23 擴增實境學習系統流程 .............................................................................................. 39

圖 24 無所不在凱利方格學習系統流程 .............................................................................. 40

ix

圖 25 無所不在學習系統流程 .............................................................................................. 41

圖 26 實驗流程圖 .................................................................................................................. 42

圖 27 凱利方格建置教學系統畫面 ...................................................................................... 43

圖 28 擴增實境學習系統操作情境 ...................................................................................... 43

圖 29 學習模式與學習策略之學習成效交互作用剖面圖 .................................................. 47

圖 30 擴增實境學習系統錯誤分布圖 .................................................................................. 54

圖 31 無所不在學習系統錯誤分布圖 .................................................................................. 54

x

表目錄

表 1情境感知無所不在相關研究整理 ................................................................................. 10

表 2專家擷取出的元素 ......................................................................................................... 18

表 3專家擷取出配對屬性組 ................................................................................................. 18

表 4元素屬性特徵強度 ......................................................................................................... 19

表 5大紅紋鳳蝶測驗任務設計 ............................................................................................. 30

表 6專家凱利方格 ................................................................................................................. 31

表 7凱利方格計分標準 ......................................................................................................... 33

表 8實驗對象分組表 ............................................................................................................. 36

表 9學習前測驗 ANOVA分析摘要表 ................................................................................. 44

表 10學習後測驗 ANCOVA分析摘要表 ............................................................................. 45

表 11 各組學習後測驗成就平均數、標準差及人數 ........................................................... 46

表 12各組學習成就 two-way ANCOVA 分析摘要表 .......................................................... 46

表 13「蝴蝶的基本知識」題型 ANCOVA 分析摘要表 ...................................................... 48

表 14「蝴蝶的特徵概念記憶與理解能力」題型 ANCOVA 分析摘要表 .......................... 48

表 15「蝴蝶的特徵分析」題型 ANCOVA 分析摘要表 ...................................................... 49

表 16「綜合評鑑」題型 ANCOVA分析摘要表 .................................................................. 50

表 17學習後測驗與認知風格關係 ANCOVA 分析摘要表 ................................................. 51

表 18測驗任務成就 ANCOVA分析摘要表 ......................................................................... 52

表 19凱利方格成就 ANCOVA分析摘要表 ......................................................................... 53

表 20前問卷-自然科學學科自我效能 ANOVA 分析摘要表 .............................................. 55

表 21前問卷-自然科學學科學習態度 ANOVA 分析摘要表 .............................................. 56

表 22後問卷-自然科學學科自我效能 ANCOVA分析摘要表 ........................................... 56

表 23自然科學學科自我效能前、後問卷相依樣本 t 檢定分析摘要表 ............................ 57

表 24後問卷-自然科學學科學習態度 ANCOVA分析摘要表 ........................................... 58

xi

表 25自然科學學科學習態度前、後問卷相依樣本 t 檢定分析摘要表 ............................ 58

表 26認知負荷 ANCOVA分析摘要表 ................................................................................. 59

表 27學習動機 ANCOVA分析摘要表 ................................................................................. 60

1

第一章 緒論

本章旨在說明研究者進行本研究的背景與動機，並引導出研究目的和待答問題，並

且就研究範圍與重要名詞釋義分五個小節進行說明。1.1節為研究背景與動機；1.2節為

研究目的；1.3節為研究問題；1.4節為重要名詞解釋；1.5 節為研究範圍與限制。

1.1. 研究背景及動機

從十七世紀開始，戶外教學模式已經廣泛推行在各個學校中，其中法國教育學家盧

梭也倡導實物教學是最佳的學習教材，比起傳統教室學習，戶外學習經驗的學習效果遠

甚於來自書本學習模式(Bloch, 1995)。Brown、Collins 及 Duguid (1989)指出，如果學習

未與真實情境結合，而使學習成為個別獨立的事件，所產生的知識將無法在學習者身上

產生良好的作用；McLellan (1993)也主張在真實情境中施行的教學與評量才有較高的教

育價值。因此，許多小學開始著手建置生態教室，模擬戶外生態的情境，像是關於植物

生態的空中花園、昆蟲生態的蝴蝶園以及水族生態的水族館。

在科技日新月異的發展下，行動學習(Mobile learning)與無所不在學習(Ubiquitous

learning)已成為研究者矚目的新穎學習方式，由於學習載具的行動化以及行動裝置與無

線技術的普及化，學習者走出戶外，進入到真實情境學習的可能性也不斷提升。近年來，

許多學者成功地建立戶外行動學習系統，像是 Tan、Liu、及 Chu (2009)提出一套結合無

所不在學習與教育資源的學習系統(Environment of Ubiquitous Learning with Educational

Resources，簡稱 EULER)，藉由無線射頻識別感應技術(Radio Frequency Identification,

RFID)來提供戶外生態的相關資訊，結果顯示 EULER 可改善學習者學習成效及學習動

機。Huang、Lin 及 Cheng (2009)建置一套植物學習系統(Mobile Plant Learning System，

簡稱 MPLS)，將 MPLS 安裝在個人數位化助理(Personal Digital Assistance，簡稱 PDA)

中，提供學習者有關野外植物的資訊，結果顯示 MPLS 在教學活動中的確能夠提升學習

者的學習成效。

許多學者仍指出，在真實情境的學習環境下，必須使用適當的學習策略，輔助學習

2

者進行知識建構，提升高層次學習與批判性思考能力，若單純只提供學習教材的學習方

式，學習者可能未能達到預期的學習成效，因此，許多研究者使用心智工具(Mindtools)

來做為知識建構的學習策略與輔助學習工具(Hwang, Shi, & Chu, 2011; Hwang, Wu, & Ke,

2011; Hung, Hwang, Su, & Lin, 2012)。如 Hwang、Shi 及 Chu (2011)利用概念構圖(Concept

map)作為心智工具，學習者利用 PDA 和 RFID 感應技術在真實環境中繪製概念構圖，

學習者藉由 PDA 所給予的資訊及觀察實際環境的蝴蝶目標，進而修改概念構圖，達到

結合真實環境學習與心智工具輔助思考的功效；Chu、Hwang、Huang及 wu (2008)將數

位圖書館結合行動學習策略，在真實環境中藉由 PDA 引導學習者觀察蝴蝶，並運用凱

利方格心智工具來強化學習者對蝴蝶的認知辨別能力，訓練學習者在觀察目標時能夠以

目標特徵進行分類。

由於實施行動與無所不在學習時，學習者除了使用心智工具等高層次的學習策略之

外，必須同時面對兩種不同來源的教材，第一是經由行動載具所呈現的數位化資訊，第

二則是真實學習環境中學習者所面對的學習目標，在 Chu、Hwang、Huang及Wu (2008)

的研究中，為了訓練學習者的蝴蝶特徵辨識能力，在蝴蝶生態館中提供學習者個人化數

位助理來輔助學習，在活動過程中學習者根據學習系統提供的學習引導與蝴蝶生態教材

進行學習；Chen、Kao、Sheu 及 Chiang (2002)在戶外實地觀察鳥類生態，使用 PDA結

合鷹架理論(Scaffolding theory)，該系統根據學習者的學習進度提供適當的教材內容；

Sandberg、Marinus 及 Geus (2011)在動物園中使用智慧型手機，透過全球定位系統(Global

Positioning System，簡稱 GPS)，依據學習者的位置觸發手機內建的應用程式進行動物的

英文詞彙學習，讓學習者一邊觀察動物，同時學習該動物的英文名稱。但也有研究者指

出，學習者參與戶外行動學習時，雖然能產生較高的學習興趣，但由於數位化教材及真

實環境兩方面的資訊分散，可能會造成分散注意力效應(Split-attention effect)，而使學習

者的認知負荷(Cognitive Load)過重，並造成學習成就不如預期成長的情況(Hwang, &

Chang, 2011)。為了避免這樣的問題產生，若能將真實學習環境與數位化教材在行動載

具螢幕中進行整合，讓學習者在同一個位置與時間上觀察真實學習目標與學習數位化教

材，促使學習者更容易地參與真實環境的學習活動。近年來，擴增實境(Augmented Reality)

3

技術越來越成熟，辨識準確度相對地提升，已有許多研究透過擴增實境技術，讓學習者

能在沒有真實學習目標能觀察的情況下，模擬真實物件，融入學習場景中，使學習者能

得到更真實的感受(Milgram, Takemura, Akira, & Fumio, 1994)。因此，本研究期望使用擴

增實境技術，來解決這個課題，提升無所不在學習優勢。

而使用擴增實境技術結合真實情境學習活動，在技術上可提升學習的效益，因此，

本研究將使用擴增實境技術結合行動學習研究，以自然科學課程為教學科目，在台南市

某國小的蝴蝶生態園進行學習活動，在學習策略方面將採用凱利方格(Repertory grid)作

為心智工具去觀察各品種蝴蝶特徵差異，促進學習者進行批判性思考與高層次的學習行

為，進而分析學習者的學習成效與區別目標特徵的能力(Chu, Hwang, & Tsai, 2010)，此

外，將學習者區分為場地依賴型與場地獨立型兩種認知風格，進一步分析不同認知風格

的學習者對擴增實境學習系統的學習成效。

1.2. 研究目的

本研究以台南市某國小的蝴蝶生態園為學習環境，並挑選六種不同品種的蝴蝶為教

學內容，建置一套可以辨識生物材質圖像的擴增實境凱利方格學習系統(Augmented

Reality & Repertory Grid of U-learning system，簡稱 ARUL)，藉由平板電腦中內建攝影機

功能拍攝蝴蝶上的生理特徵進行觀察，經由擴增實境技術將數位化教材疊加在真實學習

情境中，並且在學習過程中搭配凱利方格心智工具來強化學習者的特徵辨識能力，最後

針對不同認知風格的學習者來分析其學習成效有何差異。

1.3. 研究問題

根據上述之研究目的，本研究加入了擴增實境學習系統、無所不在凱利方格學習系

統及無所不在學習系統進行比較，就以下七項研究問題進行探討：

(1) 探討使用不同學習導引機制(凱利方格導引、無所不在學習導引)，及是否導入擴增

實境技術(使用擴增實境技術、未使用擴增實境技術)，對五、六年級學習者在自然

4

科學蝴蝶生態課程學習成效有何差異？

(2) 探討導入擴增實境技術與否(使用擴增實境技術、未使用擴增實境技術)對五、六年

級學習者在真實環境建置蝴蝶凱利方格時有何差異？

(3) 探討使用不同學習導引機制(凱利方格導引、無所不在學習導引)，及是否導入擴增

實境技術(使用擴增實境技術、未使用擴增實境技術)對五、六年級學習者在自然科

學蝴蝶生態課程自我效能有何差異？

(4) 將學習者依其認知風格進行分類(場地獨立型與場地依賴型的學習者)，其使用不同

學習導引機制(凱利方格導引、無所不在學習導引)，及是否導入擴增實境技術(使用

擴增實境技術、未使用擴增實境技術)，對自然科學蝴蝶生態課程學習成效(學習成

就及辨識蝴蝶特徵能力)有何差異？

(5) 探討使用不同學習導引機制(凱利方格導引、無所不在學習導引)，及是否導入擴增

實境技術(使用擴增實境技術、未使用擴增實境技術)，對五、六年級學習者在自然

科學蝴蝶生態課程學習態度有何差異？

(6) 探討使用不同學習導引機制(凱利方格導引、無所不在學習導引)，及是否導入擴增

實境技術(使用擴增實境技術、未使用擴增實境技術)，對五、六年級學習者在自然

科學蝴蝶生態課程認知負荷(心智負荷、心智努力)有何差異？

(7) 探討使用不同學習導引機制(凱利方格導引、無所不在學習導引)，及是否導入擴增

實境技術(使用擴增實境技術、未使用擴增實境技術)，對五、六年級學習者在自然

科學蝴蝶生態課程學習動機(注意力、自信心、滿意度、關聯性)有何差異？

1.4. 重要名詞解釋

1.4.1. 擴增實境

擴增實境是以虛擬實境(Virtual Reality)為出發的新互動技術，擴增實境是一種具即

時互動特質的技術(Azuma et al., 2001)，只要透過網路攝影機、智慧型手機或是平板電腦

的攝影機，將拍攝的影像進行辨識分析，並將虛擬的物件以直接或間接方式投射在真實

5

場景中的一種多媒體展示方式，從上述定義可知，擴增實境有三項要點：結合真實與虛

擬的學習環境、可即時的進行互動、物件具有 3D特性(Azuma, 1997)。本研究採取真實

影像辨識方式，透過平板電腦內建的相機鏡頭進行拍攝，拍攝後的影像將傳置給系統後

端比對資料庫找出相符合的模擬物件，最後將模擬物件與真實目標整合，同時在平板電

腦螢幕中呈現。

1.4.2. 凱利方格

凱利方格(Repertory grid)源自於凱利建構理論(Kelly, 1955)，Kelly認為人類的行為

之所以有差異，是因為每個人組織其個人建構系統(Personal Construction System)的方式

不盡相同，不同的個人建構系統導致每個人有不同的行為與不同的人格，當相同的事件

發生時，就會產生不同的反應與解決方式，所以透過凱利方格建構自我的知識表格，可

以釐清目標與特徵之間的關係，以提高學習者反思與建構知識的能力(Liu & Tsai, 2005)。

在學習活動中，將提供學習者正反面特徵屬性組，學習者只需填寫特徵傾向值即可。

1.4.3. 認知負荷

認知負荷(Cognitive load)最早源自於歐美人體工學(ergonomics)與人因科學(human

factor)，早期應用在軍事訓練與企業上，直到 1988年由澳洲新南威爾斯大學教育學院的

Sweller引入教育。根據 Sweller、Van 及 Paas (1988)對認知負荷的定義，是指個體從事

特定工作時，加諸於個體認知系統的負荷。

1.4.4. 學習動機

D. Schunk (2007)指出學習動機(Learning motivation)將影響學習者提高從事學習活

動的可能性，這將影響學習者獲取更好的學習成效。而學習動機屬於心理性動機，若是

受外在環境因素影響而形成的，則為外在動機；若受本身內在需求而產生的話，則為內

在動機。

6

1.4.5. 認知風格

認知風格最早是由 Allport (1937)所提出的，他認為「認知風格」是用來描述或解釋

個體之間在處理資訊不同的差異；Riding及 Cheema (1991)則認為是個人在解決問題的

行為、思考模式與程序有自己的慣用方法；Sternberg及 Grigorenko (1997)則提出是個人

在處理訊息擁有自己偏好習慣或慣用方法。綜合以上學者所述，認知風格屬於人格特質

的範疇，是個人表現在認知歷程的人格特質，主要描述個體運作、認知、思考、解決問

題、學習以及人際關係行為方面的差異情形。

1.5. 研究範圍與限制

1.5.1. 研究範圍

在實際的學習活動中，影響學習者學習的因素非常多，且變項之間的關係非常複雜，

本研究僅以學習成就、自我效能、學習態度、認知負荷、心流經驗及學習動機進行探討。

教材內容採「認識蝴蝶生態」為課程主題，並以台南市某國小五、六年級學童 68位為

研究對象。

1.5.2. 研究限制

(1) 數位學習習慣：本次採用新穎的平板電腦作為行動學習載具，但因學校所處的位置

以及學習者使用電腦經驗的不同，因此，本研究分析推論的範圍只限於具有相關學

習經驗及設備之學校，並不能代表所有地區學習者。

(2) 研究樣本數：研究樣本數相當有限，對象為五、六年級學童，各兩班，共計 68 名(實

驗組 A：18 人、實驗組 B：17人、實驗組 C：18人、控制組：15 人)，所得結果應

避免過度推論。

(3) 研究科目內容：研究科目內容採用學校附設的蝴蝶生態園的蝴蝶，共六種蝴蝶，分

別為鳳蝶科的大紅紋鳳蝶與無尾鳳蝶、斑蝶科的大白斑蝶與樺斑蝶、蛺蝶科的豹紋

蝶與枯葉蝶，而學習系統所建置的數位教材內容僅局限於這六種蝴蝶。

7

第二章 文獻探討

在本章文獻中 2.1 節說明情境感知無所不在學習近年來的發展，並整理出其在教育

領域的相關應用。2.2 節對擴增實境相關技術進行介紹，其中著重於擴增實境應用在教

育領域方面的應用與研究。2.3 節為心智工具之介紹，本研究運用凱利方格作為心智工

具，因此本節著重於凱利方格之建置與介紹。

2.1. 情境感知無所不在學習

情境教學(Situated Learning)的概念，最早是由 Brown、Collins 及 Duguid (1989)所提

出，其強調學習者在真實情境中或在模擬的情境下學習，學習若無法與真實環境結合，

將無法發揮其功效。因此，在現今的教學模式講究學習者透過與真實的學習情境進行互

動，以促進學習者將抽象的概念與真實的情境結合，強化學習者對知識的建構，以下將

探討情境感知無所不在學習如何將抽象的概念與真實的學習情境彼此結合。

2.1.1. 無所不在學習

Weiser (1991)提出無所不在運算(Ubiquitous Computing)，其強調電腦運算普遍存在

生活周遭中，並且不應該以任何形式存在於某種特定的個人裝置上，而是無所不在的在

我們生活中運作，以使用者為中心，無論在任何時間、地點提供相關的資訊服務，此理

論促使無所不在學習(Ubiquitous Learning)的產生，使學習者可以使用行動載具在真實環

境中進行學習，並藉由感知元件應用，使學習更有互動性，提升學習者的學習興趣與動

機，也帶領學習者進入一個新的技術增強學習(Technology Enhanced Learning)的發展階

段(Sharples, Taylor, & Vavoula, 2007)。

Hwang、Tsai 及 Yang (2008)進一步將無所不在學習進行更廣泛的定義，認為學習者

只要能在任何時間、地點進行學習活動，未必需要行動裝置或其他相關技術輔助，也能

稱之為無所不在學習，如圖 1所示。關於無所不在學習的特性，目前許多學者已經定義

出下列幾項特性 (Chen et al., 2002; Curtis et al., 2002; Hwang, 2006)：

8

(1) 持續性(Permanency)：學習者能夠持續性的進行學習狀態，除非刻意中斷，在學習過

程中所有的行為將會被記錄起來。

(2) 存取性(Accessibility)：學習者可以依照個人學習需求，在任何地點存取所需資料。

(3) 立即性(Immediacy)：學習者不管身在何處，都可以立即取得所需的資訊，因此，學

習者可以立即解決問題，或將問題記錄下來爾後再找尋答案。

(4) 互動性(Interactivity)：學習者可以透過同步(synchronous)與非同步(asynchronous)的管

道與專家或其他人進行互動。

(5) 教學活動情境化(Situating of instructional activities)：學習者所面臨的問題，可以與日

常生活結合，將其轉換成自然且真實的形式進行呈現，以提升學習者解決問題能力。

(6) 適性化(Adaptability)：學習者可以在符合條件的地方，取得正確資訊與解決方式。

圖 1 無所不在學習環境關係圖

資料來源：Hwang, G. J., Tsai, C. C., & Yang, S. J. H. (2008). Criteria, strategies and research

issues of context-aware ubiquitous learning. Educational Technology & Society, 11(2), 81-91.

9

2.1.2. 情境感知技術的意涵

近年來，隨著網路技術與行動裝置的迅速發展，學習者已經不受時間與空間的限制

進行學習，早在 1994年，Schilit 及 Theimer已經提出情境感知(Context-awareness)理論，

主要是根據使用者的需求與所處環境，透過感應元件與無線網路的協助，提供使用者所

需的資訊。根據上述的理論，若要藉由行動載具來呈現出更多學習內容，就必須搭配學

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。

而常見的感知技術，像是 RFID、GPS、二維條碼(2D barcode)以及新穎的擴增實境技術，

而目前以上技術大多都已嵌入行動載具中，並搭配軟體的支援，即可進行情境感知無所

不在學習。

在情境感知無所不在學習環境中，學習者在真實情境下透過電腦系統或使用行動裝

置來存取無線網路中的數位內容來支援或進行學習指導，並且透過感應元件的幫助，學

習系統能夠進行檢測、記錄學習者在真實世界及虛擬世界的學習行為 (Hwang et al.,

2009; Ogata & Yano, 2004)。Hwang、Tsai 及 Yang (2008)更進一步提出情境感知無所不在

學習環境的特點，包括：

(1) 情境感知：對學習者本身的情況或周遭環境具有感知能力。

(2) 學習歷程記錄：根據學習者的學習情況進行分析，包括學習者所處的環境、基本資

料與學習歷程資料，主動地提供適當的輔助。

(3) 無所不在學習：藉由行動載具與無線網路的輔助，使學習行為不會因位置的移動因

此中斷。

(4) 裝置自動化：學習者在學習時可依教學內容來調整不同規格的行動載具。

依據上述特點，情境感知無所不在學習系統比起行動學習系統，能讓學習者更快融

入學習環境中，並且情境感知無所不在學習系統能夠透過感知技術了解學習者的學習狀

況與所處的學習情境，主動地給予適當的輔助，進一步分析學習者的學習行為，反之，

行動學習系統沒有相關的感知技術可以感知學習者的學習情境，因此，只能按照學習者

所提供的基本資料給予制式化的教材內容。

10

2.1.3. 情境感知無所不在學習相關研究

隨著行動載具以及無線通訊的普及，使用行動載具年齡層逐年下降，年幼的學習者

使用行動載具進行學習的機會逐年增加，以及不斷創新的感知技術，帶給學習者更有效、

更便利的學習方式，因此近年有關行動與無所不在學習相關研究逐漸被重視，相關研究

也有逐漸增加的趨勢。以下整理出近年情境感知無所不在學習的相關研究，如表 1所示。

表 1

情境感知無所不在相關研究整理

學者(年代) 研究結果

Ogata, Wada, Li, &

Yano (2008) 建置一套利用行動載具並根據 GPS 定位出使用者的位置，給

予學習者相關的外語數位教材，將外語學習活動融入真實的

生活情境中

Tan, Liu, & Chu (2009) 為了解決戶外生態無法呈現的地方資訊問題，建置一套無所

不在學習資源的系統(EULER)，基於 RFID以及 AR 技術提供

學習者相關的學習資訊，結果表示 EULER 能改善學習者學習

成效及學習動機

Huang, Lin, & Cheng

(2009) 建置一套植物學習系統(MPLS)，協助國小學童學習植物的課

程。教師與學習者只需使用 PDA並配備MPLS，系統透過

GPS 識別使用者的位置並給予植物的相關資訊，研究結果顯

示MPLS 確實能提升學習者的學習成效，在問卷與面談的結

果也指出MPLS 在戶外學習活動是可行的

Chu, Hwang, &Tsai

(2010) 在無所不在學習的環境中，學習者手持行動載具進行觀察植

物並比較植物特徵，依照學習系統的指引，找尋並觀察學習

目標，實驗結果表示有助於學習者知識的建構

Chu, Hwang, Tsai, &

Tseng (2010) 提出一套行動學習系統，採用 RFID 來檢測學習者學習行為。

這項研究採用雙層次測驗來探討學習者的反應，並提供適性

化的學習指導，實驗結果表示能夠提高學習者的學習成就與

學習動機

Liu, & Chu (2010) 探討無處不在的遊戲如何影響英語學習成就以及學習動機，

在校園中實施無所不在英語學習課程，該系統稱為手持式英

語學習組織(HELLO)，並且基於 ARCS 動機理論與不同的學

習策略來幫助學習者實行學習活動

(續下頁)

11

Chiou, Tseng, Hwang,

& Heller (2010) 透過情境感知無所不在學習環境，制定與提出最佳的學習方

式，在蝴蝶館進行模擬，結論得出的確有利於學習者進行更

有效的學習，並且能夠提高資源的利用性

Chen, & Huang (2012) 建置一套情境感知無所不在學習系統(CAULS)，透過 RFID 及

手持式設備在原住民博物館中學習台灣泰雅族的文化，實驗

結果表示這種學習方式能夠提高學習者的學習意圖

資料來源：研究者整理。

從以上研究可知，近年情境感知無所不在學習大多透過 RFID與 GPS 感知技術，相

對的，使用擴增實境技術來實現情境感知無所不在學習的研究相較來的少，並且從上述

整理資料得知，學習者雖然會因使用行動裝置進行學習而對學習活動產生興趣，但如果

沒有適當的教學策略與指引，還是無法產生較佳的學習成效，因此，本研究希望以擴增

實境技術並運用凱利方格學習策略來建置一套無所不在學習系統來探討學習者的學習

影響。

2.2. 擴增實境

著名的數位學習趨勢預測組織，高教教科趨勢的「地平線報告」(Horizon Report)，

對未來的五年教育與學習未來發展進行預測。在 2011 年的「地平線報告」中，特別指

出了擴增實境技術在教學應用上愈來愈重要。由於智慧型手機與平板電腦愈來愈普及化，

也間接地帶動了擴增實境的發展，並且預估在未來兩到三年內，擴增實境技術將成為重

要的數位學習應用技術。

2.2.1. 擴增實境定義

Milgram、Takemura、Akira 及 Fumio (1994)提出真實－虛擬連續性(Reality-Virtuality

Continuum)理論，把真實環境與虛擬環境視為一個連續的區域，如圖 2所示，圖中最左

邊為真實環境 (Real Environment)，而最右邊為虛擬環境 (Virtual Environment)，在兩端

中間區域為真實環境與虛擬環境中的物件同時的呈現，此區域又稱為混合實境 (Mixed

12

Reality, MR)。擴增實境也稱為以虛擬實境(Virtual Reality)為出發點的新互動技術，虛擬

實境是一種完全以人工合成的虛擬環境，利用電腦技術進行模擬事件，但無法查看外部

的真實世界；相反的，擴增實境允許使用者查看虛擬與現實世界。因此，擴增實境可以

補充現實世界的感知與互動(Andújar, Mejías, & Márquez, 2011)，由於擴增實境擁有整合

現實與虛擬環境的特性，使學習者能夠輕易在虛擬與真實世界進行知識的轉換

(Billinghurst, 2002)。

圖 2 擴增實境位置定義

資料來源：Milgram, P., Takemura, H., Akira Utsumi & Fumio Kishino (1994). Augmented

Reality： A class of displays on the reality-virtuality continuum. Telemanipulator and

Telepresence Technologies, SPIE. 23, 51-34.

2.2.2. 擴增實境顯示方式

使用者在使用擴增實境的裝置時，不同的顯示方式會讓使用者達到不同程度的沉浸

(immersion)，進而讓使用者的感覺器官產生錯覺，Vallino (1998)將擴增實境的顯示方式

分成三大類：

(1)以螢幕呈現 (Monitor-based Augmented Reality Display)：此方式為將攝影機將所拍攝

到的影像進行處理，將虛擬物件疊加在真實環境影像上，最後在螢幕中呈現，如圖 3所

示。

13

圖 3 以螢幕呈現之擴增實境架構圖

資料來源：Vallino, J. R. (1998). Interactive augmented reality. Unpublished doctoral

dissertation, University of Rochester, New York.

(2)頭戴式的視訊顯示方式 (Video See-through Augmented Reality Display)：此方式是先將

虛擬物件與真實環境的畫面進行整合，最後以視訊的方式顯示於頭戴式顯示器的螢幕上，

如圖 4所示。

圖 4 頭戴式視訊顯示之擴增實境架構圖

資料來源：Vallino, J. R. (1998). Interactive augmented reality. Unpublished doctoral

dissertation, University of Rochester, New York.

14

(3)頭戴式的光學顯示方式(Optical See-through Augmented Reality Display)：此方式不需經

過影像重疊整合，利用光學投影的方式來做虛擬與真實場景的結合，可以減少視訊所造

成的失真，如圖 5所示。

圖 5 頭戴式光學顯示之擴增實境架構圖

資料來源：Vallino, J. R. (1998). Interactive augmented reality. Unpublished doctoral

dissertation, University of Rochester, New York.

近年來，智慧型手機與平板電腦的硬體規格不斷進步，讓擴增實境的應用越來越多

元化，在辨識方面的技術也日新月異。目前行動擴增實境內容辨識方式主要分為三類：

(1)使用特定圖形標記進行影像辨識(Hsieh & Lee, 2008)，如圖 6 (a)所示；(2)使用實際景

物影像辨識(Liarokapis et al., 2006)，如圖 6 (b)所示；(3)使用 GPS、RFID與電子羅盤

(Digital Compass)定位(Langlotz et al., 2011)，如圖 6 (c)所示。

本研究採用實際景物影像辨識方式並搭配行動載具，透過平板電腦內建的相機鏡頭

進行拍攝，讓虛擬物件與真實目標整合，同時在行動載具螢幕中呈現。

15

圖 6 擴增實境辨識方式

資料來源：(a)Hsieh, M. C., & Lee, J. S. (2008). AR marker capacity increasing for

kindergarten English learning. International Multiconference of Engineerings and Computer

Scientists, 663-666.；(b)Liarokapis, F., Brujic-Okretic, V., & Papakonstantinou, S. (2006).

Exploring urban environments using virtual and augmented reality. Journal of Virtual Reality

and Broadcasting, 3(5), 1-13.；(c)Langlotz, T., Degendorfer, C., Mulloni, A., Schall, G.,

Reitmayr, G., & Schmalstieg, D. (2011). Robust detection and tracking of annotations for

outdoor augmented reality browsing. Computers & Graphics, 35(4), 831-840.

2.2.3. 擴增實境教育相關研究

近年來，擴增實境已成為教育學者與研究人員進行教學與學習的新興技術(Bower,

2008, Dalgarno, & Lee, 2010, Dunleavy et al., 2009, Kye & Kim, 2008)。Billinghurst (2003)

指出，使用擴增實境讓學習者在真實環境下與虛擬物件進行互動，可衍伸出新的教學方

式和學習策略；此外，擴增實境能使學習增加樂趣，使學習者沈浸於學習內容中，讓學

習者不再只是面對靜態的圖片或文字進行學習，因而可增加學習的豐富性。美國華盛頓

州立大學之人機介面科技實驗室 (Human Interface Technology laboratory)所設計的

Magic Book 是最早應用在教育上的案例，透過手持式的顯示器就能顯示 Magic Book 的

3D物件與動畫(Billinghurst, Kato, & Poupyrev, 2001)。Zorzal 及 Kirner (2005)開發一套英

文拼字遊戲，學習者只要將擴增實境的字卡拼湊出正確的英文單字，螢幕就會顯示出該

單字的虛擬物件。

許多研究更進一步探討擴增實境技術帶來的影響，在探討學習者動機方面，Serio、

Ibáñez 及 Kloos (2012)在視覺藝術課程中使用擴增實境教學，並以 Keller (1983)所提出的

ARCS動機模式(Attention Relevance Confidence Satisfaction motivation model)來做為判斷

16

學習活動提升多少學習動機的準則依據，最後以基於 ARCS 理論基礎的教材動機量表

(The Instructional Materials Motivation Survey, IMMS)測量學習者對教材內容的反應

(Keller, 2010)，實驗結果顯示擴增實境學習環境對學習者的學習動機產生積極的影響，

引導學習者使用較少的認知努力(cognitive effort)實現更高層次的學習參與。也有相關研

究探討認知風格與擴增實境技術影響，像是 Chen 及 Tsai (2012) 開發一套以擴增實境為

基礎的圖書館利用指導系統(Augmented Reality Library Instruction System，簡稱ARLIS)，

以 3D互動技術來教導學習者使用圖書館技能與概念，研究結果顯示場依賴學習者使用

ARLIS 比場獨立學習者學習表現更佳。根據以上研究，在本研究也會進一步探討、分析

學習動機及不同認知風格學習者對於擴增實境學習系統的影響。

2.3. 凱利方格心智工具

雖然學習者會因為使用行動裝置進行學習而對學習產生興趣，但如果沒有適當的教

學策略，還是會得到較差的學習成效，而本研究主要的目的是要讓學習者提升對觀察目

標區分的能力，在著名的心智工具中，概念構圖(concept maps)、資料庫(database)及知識

擷取系統(knowledge acquisition systems)都是不錯的選擇，其中知識擷取系統更能夠幫助

學習者區分出目標的數據，以及組織知識的特徵與屬性。以下針對心智工具進行介紹。

2.3.1. 心智工具

心智工具(Mindtools)是一種認知的工具，運用電腦環境與軟體來激發學習者高層次

思考與創造力並加強知識的持續保留與學習遷移的知識建構與認知學習的工具。它可以

激發學習者主動規劃、分析、判斷、思考與創造；它提供加強知識持續保留與學習遷移

的環境，也加強學習者群體合作學習與溝通協商的能力，間接地增加學習者學習的興趣，

根據 Janassen (2000)所定義的心智工具，包含資料庫(Database)、試算表(Spreadsheets)、

語意網路工具(Semantic Networking Tools)、專家系統(Expert System)、系統造型(Systems

Modeling)、微世界學習環境 (Microworld Learning Environments)、資訊搜尋工具

17

(Intentional Information Search Tools)、視覺化模擬工具(Visualization Tools)、超媒體

(Hypermedia)、同步討論會議(Synchronous Conferencing)、非同步討論會議(Asynchronous

Conferencing)。

本研究將使用專家系統中的凱利方格心智工具來辨識各品種蝴蝶特徵的差異，以促

進學習者進行批判性思考與高層次的學習行為。

2.3.2. 專家系統

專家系統是結合人工智慧的應用程式，以專家知識作為基礎，利用知識庫模擬專家

的決策結果，也是眾多心智工具中最具有特別性與挑戰性的工具。Jonassen (2000)認為

專家系統可以做為協助學習者學習的心智工具，而建立專家系統過程中，最困難的為知

識擷取(knowledge acquisition)步驟，如何將人類專家的專業領域知識轉換成電腦可以讀

取的知識庫或是其他電腦化的表達形式，被認為是專家系統的建立瓶頸，Chu、Hwang

及 Tsai (2010)認為使用知識擷取工具同樣可以做為心智工具的一種，而凱利方格為建立

專家系統時常用的知識擷取工具。

2.3.3. 知識擷取

在本研究中，我們以凱利方格作為知識擷取的方法。凱利方格是以矩陣的方式呈現，

凱利方格主要分成三個部分，矩陣最上方擺放元素(Elements)，左右兩側擺放配對的屬

性(Constructs)，並依據元素與屬性兩兩配對比較，給予元素屬性等級的評估值，藉此組

成凱利方格，而凱利方格表的評估值，大都使用 K-scale的等級來表示，而 K-scale的評

估值有 1到 K個等級，一般常用的為 K=5或 K=7，1表示元素具相當程度的正向屬性；

2與(K-1)/2 表示元素具些許傾向正向屬性；3與(K+1)/2 表示元素不傾向正反向屬性；

(K+3)/2與K-1表示元素具些許傾向反正向屬性；K則表示該元素具相當程度的反向屬。

以下針對凱利方格的建立過程進行介紹。

18

一、由專家擷取出所有的元素(E1、E2、E3、E4 與 E5)，並將所有的元素放置在表格的

上方列，如表 2所示。

表 2

專家擷取出的元素

二、由專家擷取出配對屬性組，C1、C2、C3 與 C4 為正向特徵；C1’、C2’、C3’與 C4’

為反向特徵)，每次皆選擇三個元素，並挑選一個特徵，並區別出其中兩個元素與

另一個元素的差異，如表 3所示。

表 3

專家擷取出配對屬性組

三、將每個元素的屬性等級填入相對的表格中，特徵值範圍定義為 1~5，1 表示偏向正

面屬性，5 表示偏向反向屬性，數值代表元素在特徵中的傾向強度，其中 1 代表該

元素偏向正向特徵，2 代表該元素稍微偏向正向特徵，3 代表該元素不偏向正向特

徵也不偏向反向特徵，4 代表該元素稍微偏向反向特徵，5 代表該元素偏向反向特

徵如表 4所示。

19

表 4

元素屬性特徵強度

2.3.4. 凱利方格教育相關研究

在教育方面，有許多研究指出凱利方格作為心智工具，能夠提升學習者的學習成效。

像是 Liu 及 Tsai (2005)提出學習者透過建置凱利方格，讓老師可以了解學習者的學習狀

況，並藉由同儕互評的方式，促進學習者進行批判性思考與高層次的學習行為；Hwang、

Chen、Hwang及 Chu (2006)使用凱利方格作為診斷治療疾病的專家系統，不僅能夠提高

診斷的效率，也能將知識轉換成可儲存的資訊；Hsu、Hwang 及 Chang (2010)透過凱利

方格來分析學習者的英文程度，並根據學習者的英文程度給予學習者適合的英文教材進

行學習；Hwang、Chu、Lin 及 Tasi (2011)在自然科學課程中，使用凱利方格來幫助學習

者進行組織及分享知識，實驗結果顯示不僅提升學習者的學習成效，也提升學習者辨識

目標特徵的能力。

在本研究中，每位學習者經由教學活動觀察各品種的蝴蝶，並依照自己的所觀察的

結果，進行知識建構與重組，並透過凱利方格，讓學習者對不同品種的蝴蝶進行有系統

的分類，加以比較，整合自己的學習知識與觀察的結果，達到知識建構的目的。

20

第三章 研究方法

3.1. 研究架構

本研究採取不同的學習模式與認知風格，對學習自然科學課程的學習成就表現與學

習動機影響情形，藉以瞭解擴增實境在自然學科課程上的可行性，因此規劃了如圖 8的

研究架構。自變項為學習模式與認知風格，學習模式分成擴增實境凱利方格學習系統、

擴增實境學習系統、無所不在凱利方格學習系統及無所不在學習系統；認知風格則分為

場地獨立型及場地依賴型；控制變項為學習者背景、教學內容、教學時間、教師特質及

教學環境；共變項為學習成就前測驗；依變項為經過無所不在學習活動後，學習者對於

課程的學習成就、學習態度、自我效能、認知負荷及學習動機之表現。

圖 7 研究架構圖

3.2. 擴增實境凱利方格學習系統設計

本研究的擴增實境凱利方格學習系統主要是由兩個模組建置而成，首先是作為觀察

學習目標的擴增實境模組，在蝴蝶生態園中提供學習者學習情境的真實感，另一個則是

數位教材學習模組，在教學活動中提供學習者相關數位教材內容，並引導建置凱利方格，

以上兩個模組皆安裝於平板電腦中，以 app方式進行操作，其中擴增實境模組是利用平

21

板電腦內建的相機功能進行蝴蝶的拍攝觀察，並經由系統辨識後將虛擬物件影像疊加在

實際目標上，最後在螢幕上呈現；同時，數位教材學習模組會給予學習者學習活動任務，

學習活動任務完畢後將指引學習者建置凱利方格，進而完成學習活動。

3.2.1. 擴增實境凱利方格學習系統架構

學習者透過擴增實境凱利方格學習系統，至真實環境中進行蝴蝶學習活動，在學習

活動期間透過平板電腦的攝影機鏡頭拍攝蝴蝶實體，取得蝴蝶影像後，系統將依照蝴蝶

影像進行系統資料庫的比對，尋找符合該品種蝴蝶的模擬物件疊加在真實目標上，最後

在平板電腦的螢幕中呈現，觀察完所有品種蝴蝶後，系統將引導學習者建置個人的凱利

方格，進而完成整個學習活動，系統架構如圖 8所示。

圖 8 擴增實境凱利方格學習系統架構圖

擴增實境凱利方格學習系統說明如下：

(1) 數位教材學習模組：學習者透過平板電腦進入擴增實境凱利方格學習系統，並依照

系統給予的學習內容及測驗任務進行蝴蝶的學習及觀察。完成所有蝴蝶觀察及測驗

22

任務後，系統將引導學習者建置個人蝴蝶凱利方格。

(2) 擴增實境模組：學習者透過平板電腦內建的數位攝影機拍攝蝴蝶實體，拍攝後的影

像將傳至系統資料庫進行比對取得符合該品種蝴蝶的模擬物件，疊加在真實目標上，

最後在平板電腦螢幕中呈現。

(3) 後端資料庫模組：本部份包含了活動測驗資料庫、模擬物件資料庫與凱利方格評分

策略，以下將進行說明：

A. 活動測驗資料庫：包含蝴蝶形態、食草與棲息分佈等科目之題庫，在實體環境

中，根據學習者所觀察的目標，給予和該目標蝴蝶的相關測驗，以題目引導學

生在真實環境中進行觀察。

B. 模擬物件資料庫：包含各品種蝴蝶相關的模擬物件，包含種蝴蝶的生理構造、

食草以及蝴蝶棲息分布等模擬物件。透過平板電腦內建之數位攝影機取得影像，

經過系統辨識後，提供符合學習任務需求學習內容之模擬物件疊加在真實的目

標上，以達成學習注意力集中效果。

C. 凱利方格資料庫：提供學習者基本的凱利方格框架以及比較特徵的機制。學生

開始建置凱利方格時，系統從凱利方格資料庫中隨機選出三隻蝴蝶，引導學生

將其中一隻蝴蝶與另外兩隻蝴蝶進行特徵比較，找尋不同的特徵，以判斷蝴蝶

間的差異。每完成一次特徵比較，系統將再次隨機選擇三隻蝴蝶進行比較，直

到完成凱利方格為止。

23

3.2.2. 系統介面與功能

本系統擷取台南市某國小蝴蝶課程教材中六種蝴蝶作為學習主題，分別為鳳蝶科的

大紅紋鳳蝶與無尾鳳蝶、斑蝶科的大白斑蝶與樺斑蝶、蛺蝶科的豹紋蝶與枯葉蝶，依據

這六種蝴蝶教材內容建置一套擴增實境凱利方格學習系統，以下將詳細說明系統介面與

功能。

(1)「填寫基本資料」：系統一開始會要求學習者輸入基本資料，為了讓學習者有自

我探索的學習環境，學習者將扮演一位勇士去認識各種蝴蝶，每次透過完成任務都可以

增加自己的勇士之魂，如果最後勇士之魂數量有達到標準的話將可以得到寶藏，如圖 9

所示。

圖 9 系統說明畫面

(2)「選擇觀察目標」：完成基本資料後，系統會先給予學習者關於學習活動測驗任

務的介紹，學習者瀏覽完畢後，系統將會在畫面顯示六種不同品種蝴蝶清單，此時，學

習者可以依照自己的喜好來選擇想要觀察的蝴蝶品種，每觀察完一種蝴蝶後，將會在該

蝴蝶圖示下標示【完成】，提醒學習者該品種蝴蝶已觀察完畢，如圖 10所示。

24

圖 10 蝴蝶清單畫面

(3)「學習活動測驗任務」：在學習活動的過程中，系統會以測驗任務的方式引導學

習者觀察目標，每種蝴蝶皆有六題測驗題目，包含形態特徵、食草及兩題棲息分布問題，

學習者透過現場的觀察，同時使用擴增實境功能觀察蝴蝶，觀察完畢後再回到測驗頁面

選擇正確答案，如果答錯將自動導入擴增實境功能再次觀察，六題測驗完成後，系統將

自動導至蝴蝶清單頁面，繼續完成尚未觀察的蝴蝶。在測驗任務中，將會記錄學習者答

題錯誤次數，進而分析學習者對哪種類型的問題需要花費較多的心力，如圖 11 所示。

圖 11 學習活動測驗任務畫面

25

(4)「擴增實境功能」：如果是屬形態特徵問題的話，拍攝蝴蝶時，平板電腦的螢幕

將會呈現該品種蝴蝶的生理構造模擬物件；在食草問題中，則會呈現該種蝴蝶的食草模

擬物件；在棲息分布問題，將以台灣分布圖來呈現蝴蝶的分布，如圖 12、13所示。

圖 12 擴增實境示意圖

圖 13 擴增實境功能畫面

26

(5)「凱利方格導引」：學習者完成六種蝴蝶的觀察與測驗後，將進入凱利方格的建

置作業，在建置凱利方格前也會提供基礎建置凱利方格介紹，瀏覽完畢後，系統將隨機

給予一個配對屬性組正反向特徵，讓學習者進行蝴蝶特徵比較，如圖 14所示。

圖 14 指定配對屬性組正反向特徵畫面

(6)「凱利方格建置」：配對屬性組正反面特徵確定後，系統將隨機挑選兩種蝴蝶與

要評比的蝴蝶進行特徵比較，在比較的同時，學習者可以點選蝴蝶圖示進入擴增實境功

能再次觀察三隻蝴蝶的特徵差異，最後選出目標蝴蝶特徵傾向值，完成評比後，系統將

指派下一隻蝴蝶與隨機兩隻蝴蝶進行特徵比較，直到完成六種品種蝴蝶特徵傾向值，系

統將進行下一個配對屬性組的特徵值比較，如圖 15所示。

27

圖 15 特徵強度評分畫面

為了避免學習者忘記自己所填寫的傾向值，在凱利方格建置頁面的左上角將提供學

習者查看目前已評比的蝴蝶，如圖 16 所示。

圖 16 查看已評比特徵傾向值畫面

(7)「凱利方格提示」：每完成一個配對屬性組正反向特徵，也就是對六種蝴蝶在同

一個配對屬性組正反向特徵完成評比後，系統將會提示學習者所填寫的傾向值與專家的

傾向值是否有所差距，如果差距甚大，系統會在該項目中以警告標示與正確率提示學習

者與專家的差距程度，如果專家與學習者的評比差距為 4，正確率 0%；差距為 3，正確

28

率 25%；差距為 2，正確率 50%，差距為 1 或 0，正確率≧75%，則不會提示學習者，

學習者根據系統的提示再次進行觀察並修正特徵傾向值，如圖 17所示。

圖 17 凱利方格提示畫面

(8)「學習歷程紀錄」：所有的配對屬性組正反向特徵完成後，系統將會顯示出完整

凱利方格及學習活動測驗任務的答題記錄，點選觀察完畢即完成學習活動，如圖 18 所

示。

圖 18 完整凱利方格畫面

29

3.2.3. 材質圖像設計

本研究採用材質影像的形式讓學習者進行擴增實境的辨識，QualComm AR SDK

官方網站提供使用者擴增實境內容服務管理，使用者只要將要辨識的材質圖像上傳

至擴增實境內容服務管理系統，系統會評估該材質影像的辨識率，如果辨識率過低，

系統會給予改善的方法，進而加強影像的辨識率，如圖 19所示，如果要使用該材質

圖片為辨識目標，可以使用擴增實境內容服務管理系統所提供的檔案轉換服務，將

檔案轉換成程式軟體可編輯的檔案類型，最後再將檔案放入編輯軟體中進行影像的

疊加作業。

圖 19 QCAR 擴增實境內容服務管理系統畫面

30

3.2.4. 系統測驗任務設計

在本研究的活動中，學習者將會觀察六種不同品種蝴蝶，六種蝴蝶是由三種不同科

目所組成，在形態、食草與棲息方面都有明顯的差異，學習者可以充分觀察到不同蝴蝶

的差異，為了能讓學習者能仔細觀察目標，學習活動中將給予學習者測驗任務，每種蝴

蝶提供六題的測驗問題，包含了兩題形態特徵問題、兩題食草問題以及兩題棲息分布問

題，共三十六題，並以選擇題的方式進行測驗。以下測驗問題以大紅紋鳳蝶做為測驗問

題範例，如表 5 所示。

表 5

大紅紋鳳蝶測驗任務設計

形態特徵問題

(1)( )請問大紅紋鳳蝶翅膀形狀特徵為何?

(A)後翅外緣破裂(B)後翅有尾突(C)形狀有如枯葉(D)前翅外緣呈波浪狀

(2) ( )請問關於大紅紋鳳蝶的形態特徵，以下何者正確?

(A)為大型蝶種(B)前、後翅佈滿斑點(C)翅膀底色為紅色(D)胸腹部有明顯的紅色

食草問題

(3) ( )請問大紅紋鳳蝶的食草【港口馬兜鈴】，葉子形狀的特徵為何?

(A)長橢圓形(B)線形(C)掌形(D)心形

(4) ( )請問大紅紋鳳蝶的食草【港口馬兜鈴】，葉緣的特徵為何?

(A)全緣(B)鋸齒緣(C)波浪緣(D)羽狀裂緣

棲息分佈問題

(5) ( )請問大紅紋鳳蝶在台灣的主要分布為何?

(A)北部(B)西部(C)南部(D)東部(E)以上皆是

(6) ( )請問大紅紋鳳蝶較適合棲息在哪種地形?

(A)平原(0-500m)(B)丘陵(500-1000m) (C)山地(1000-1500m) (D)高山(1500m~)

31

3.2.5. 凱利方格設計

本研究的凱利方格設計，是研究人員與自然學科專家進行諮詢討論繪製而成，如表 6

所示。學習者在回答測驗問題時，必須要先觀察蝴蝶，所以在建置凱利方格的時候，學

習者已有初步的蝴蝶概念，因此，可以立即填寫特徵傾向值，即使不確定蝴蝶的特徵強

度，也能再次透過實地與擴增實境學習系統進行觀察，而在建置凱利方格時，學習者只

需填寫該品種蝴蝶的特徵傾向值，作為連結元素與屬性之間的關係，即可完成凱利方格

建置。

表 6

專家凱利方格

32

3.3. 系統工具

本研究為了能夠增加擴增實境技術在使用上的功能，採用下列兩套系統編輯工具，

分別為 QualComm AR SDK 及 Unity 3D，從建模到生物特徵的繪製以及程式的撰寫，皆

由製作人員蒐集資料建置而成。

(1) QualComm AR SDK

傳統的標記擴增實境系統(Marker-Base AR System)的辨識圖形大致可分為材質

(Template)與字符 (D-encodeed)兩種，而相關的開發軟體，前者如 ARToolKit、

FLARToolKit，而後者如 ARTag、NyARToolKit，但隨著擴增實境技術的發展，

QualComm這家主要研發智慧型手機晶片的供應商提供了一套完全免費的 AR SDK，

名為 QualComm AR SDK(QCAR)，此 SDK支援MAC/PC/Linux 跨平台的開發環境，

也支援 Android 與 iOS，QCAR SDK 除了支援材質與字符辨識方式還可以對辨識對

象進行追蹤，傳統的 AR 系統在辨識目標時一定要完整的材質或字符，但 QCAR 在

辨識一次之後，可以不用經由辨識完整的材質與字符也能在螢幕呈現擴增實境，辨

識強度相當快速及穩定，而 QCAR 還支援 Unity 3D Game Development Tool，如此對

於手機平台 3D遊戲開發相當有幫助。

(2) Unity 3D

Unity是一套免費的跨平台的遊戲製作軟體，目前可執行於 PC、Mac OS、PS3、

XBox360、Wii、iOS、Android 平台，只要透過瀏覽器，安裝外掛程式後，即可執行

Unity 開發的遊戲。Unity 不僅提供強大的遊戲製作功能，在操作介面上也是平易近

人，在遊戲製作支援 PhysX 物理引擎、粒子系統，並且提供網路多人連線的功能，

不需要學習複雜的程式語言，也能達到遊戲製作上的各種需求。

33

3.4. 研究工具與分析分法

3.4.1. 學習成就測驗

本研究學習成就測驗包含三個部分，學習前測驗、學習後測驗以及凱利方格成就：

(1) 學習前測驗：主要了解學習者對各品種蝴蝶生態的先備知識程度，測驗卷題目以選

擇題與問答題的方式進行測驗，內容共計 25題「蝴蝶的基本知識」選擇題(82%)、

與 6題「各品種蝴蝶的形態特徵、食草與棲息分布」配合題(18%)，總分 100 分。

(2) 學習後測驗：學習後測驗除了包括各品種蝴蝶的基本知識，並加上學習活動中所學

習的蝴蝶知識，主要是要分析前測與後測成績是否有顯著差異，以及實驗組與控制

組的成績是否有顯著差異，共計 18題「蝴蝶的基本知識」選擇題(54%)、17 題「蝴

蝶的特徵概念記憶與理解能力」填充題(34%)、6題「蝴蝶的特徵分析」配合題(12%)

與 1題解釋性的闡述式題型「綜合評鑑」(15%)，總分 115分，不倒扣，累計總分為

學習者學習後測驗成績。

(3) 凱利方格成就：本研究以凱利方格作為學習者分辨生物差異的能力，以專家所繪製

的凱利方格為計算分數的標準，以累積的方式計算學習者的成績，舉例來說，專家

(E)的所認定的屬性特徵為 2，但學習者(S)認定為 4，兩者間距(d)為 2，根據表 7的

加權數對照表，先找出專家的數值，再找出學習者的數值，比對後兩者差距為，最

後間距×加權數為倒扣的分數(2×0.8=1.6)，共 42格特徵，從滿分 100分進行倒扣，

分數越高表示學習者分辨生物差異的能力越高，反之能力越低。

表 7

凱利方格計分標準

S：1 S：2 S：3 S：4 S：5 加權數

E：1 d=0 d=1 d=2 d=3 d=4 0.6

E：2 d=1 d=0 d=1 d=2 d=3 0.8

E：3 d=2 d=1 d=0 d=1 d=2 1.2

E：4 d=3 d=2 d=1 d=0 d=1 0.8

E：5 d=4 d=3 d=2 d=1 d=0 0.6

註：E：專家答案、S：學習者答案、d：學習者與專家答案的間距。

34

3.4.2. 認知風格量表

本研究以「場地獨立型」與 「場地依賴型」作為認知風格之分類依據，探討不同

認知風格的學習者，使用無所不在擴增實境學習系統是否有不同的學習影響。至今已發

展出不少的量測工具來區分場地獨立型與場地依賴型的認知風格，如：身體調整測驗

(Body Adjustment Test，簡稱 BAT)、桿框測驗(Rod and Frame Test，簡稱 RFT)、藏圖測

驗(Embedded Figures Test，簡稱 EFT)，其中前兩者所需的器材較為不便，因此本研究採

取的是以 Oltman、Raskin 及Witkin (1971)根據Witkin 所編製的 EFT 改良而成的團體藏

圖測驗(Group Embedded Figure Test，簡稱 GEFT)。該測驗難度較低，適合低年齡層的學

習者使用。本測驗共有 18個複雜圖形以及 8個簡單圖形。受試者必須在時間內根據題

目在每一個複雜圖形中描繪出指定的簡單圖形。該測驗分為三個部分，第一部分限時 2

分鐘，有 7題較簡單的題目，為學習者練習所用；第二、三部分各有 5分鐘，各有 9題

較難的題目，計分方式是將第二部分與第三部分的答對題數的總得分，滿分為 18 分，

分數越高代表認知風格偏向場地獨立型；分數越低代表認知風格偏向場地依賴型，而決

定分界限的方式是採取得分平均值而定，高於平均值為場獨立，若低於平均值則為場依

賴。

3.4.3. 自然學科自我效能量表

此問卷改編自 Wang 及 Hwang (2012)提出的自我效能問卷，主要是探討學習者活動

前、後對自然科學課程的自信程度。前、後問卷題目皆一樣，共 8題，採用李克特 6點

量表，前、後問卷 Cronbach's alpha皆為 0.92。

3.4.4. 自然學科態度量表

此問卷改編自 Hwang 及 Chang (2011)所提出的學習態度問卷，主要是探討學習者活

動前、後對於自然課科學是否保持正面的學習態度。前、後問卷題目皆一樣，共 8 題，

採用李克特 6點量表，Cronbach's alpha分別為 0.93、0.91。

35

3.4.5. 認知負荷量表

根據 Paas 及 Van Merriënboer (1994)所提出的認知負荷組成架構，認知負荷是一個

多維的結構，包括因果因素(causal factor)及評估因素(assessment factor)，因果要素中包

含了「任務/環境特性」(task/environment characteristics)、「學習者特性」(subject

characteristics)以及任務/環境特性與學習特性的「交互作用」(interactions)；而評估因素

包含了心智負荷(mental load)、心智努力(mental effort)、學習成效(performance)。藉此三

因素可測量、評估學習者的認知負荷。

本研究問卷改編自 Paas (1992)所提出的認知負荷問卷，該問卷有兩個面向，分別為

心智負荷、心智努力，心智負荷主要在探討教材難度是否造成學習者的學習負荷，共 5

題，採用李克特 7點量表，Cronbach's alpha 為 0.96；心智努力主要在探討學習活動所使

用的教學模式、活動設計及教材結構，對學習者產生學習負荷程度，共 3題，採用李克

特 7點量表，Cronbach's alpha 為 0.93。

3.4.6. 學習動機量表

本研究改編 Serio、Ibáñez 及 Kloos (2012) 教學內容與動機問卷(The Instructional

Materials Motivation Survey，簡稱 IMMS)，根據 Keller (2010)所提出的教學內容與動機

問卷進行修改，教學內容與動機量表是以 ARCS 模型為理論基礎而設計的量表，ARCS

動機模式最早是 Keller在1983年提出，以激勵學生學習動機的系統化設計模式為基礎，

整合動機理論與相關理論所提出的動機模式，其目的在測量學習者對於教材內容的反應。

該問卷由以下四種題型所組成，注意力(attention)主要探討是否能吸引學習者的興趣並激

起學習者的好奇心，共 10題；關聯性(relevance)主要探討是否能滿足學習者個人的需求

和目標，使他產生積極學習態度，共 9題；自信心(confidence)主要探討是否能幫助學習

者建立正向的信心，相信自己能夠完成任務，共 9題，滿意度(satisfaction)主要探討學習

者能因成就得到內在、外在的鼓勵和報償，共 6題，採用李克特 5點量表，Cronbach's alpha

為 0.91。

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第四章 實驗設計

4.1. 實驗對象

本實驗邀請台南市某國小五、六年級學童，共 68人，平均年齡為 11 歲。由於學校

課程規定，在不破壞學校正常運作的前提下，本實驗採準實驗設計(quasi-experimental

research)，將其分成實驗組 A(18人)、實驗組 B(17 人)、實驗組 C(18人)及控制組(15人)，

共四組，實驗組 A 使用本研究所設計的擴增實境凱利方格學習系統；實驗組 B 是使用

擴增實境學習系統；實驗組 C 使用無所不在凱利方格學習系統；控制組使用無所不在學

習系統，每位學習者皆配置一台平板電腦，整理如表 8所示。

表 8

實驗對象分組表

組別 實驗組 A 實驗組 B 實驗組 C 控制組

班級

六年甲班 五年乙班 六年乙班 五年甲班

人數

18人 17人 18 人 15人

學習系統

擴增實境凱利

方格學習系統

擴增實境

學習系統

無所不在凱利

方格學習系統

無所不在

學習系統

學習策略

凱利方格 無 凱利方格 無

學習工具 平板電腦 平板電腦 平板電腦 平板電腦

4.2. 學習情境與系統流程

本研究實驗活動施行於台南市某國小蝴蝶生態園中，園區內養殖多種蝴蝶，本研究

學習教材皆參考園區內現有品種蝴蝶，園區內除了蝴蝶的蹤跡，其食草與生存棲息環境

完全仿照該品種的習性，實際場景如圖 20所示。

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圖 20 蝴蝶園實景

為了方便學習者在學習活動中進行蝴蝶觀察，分別將六種蝴蝶配置如圖 21，主要避

免過多學習者同時觀察同一種蝴蝶，在系統設計中，學習者可以依照自己的喜好選擇觀

察的目標，如此一來可使學習活動更加順暢，也能讓擴增實境學習系統達到最佳效能。

圖 21 蝴蝶配置圖

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本研究四組學習活動時間皆為 120 分鐘，活動期間，四組學習者必須在蝴蝶生態園

中完成蝴蝶觀察與蝴蝶凱利方格建置，以下將說明各組的系統流程。

(1)擴增實境凱利方格學習系統（ARUL）：學習者一開始進入學習系統時，會先以故事

方式引導學習者進入學習情境，同時取得學習者相關資訊，完成以上流程後，系統將提

供蝴蝶品種清單供學習者選擇想要觀察的項目，在此知識建構模組是以測驗任務的方式，

讓學習者觀察蝴蝶時能有一個明確的目標、方向。觀察方式是以本研究所開發的擴增實

境學習系統進行蝴蝶知識的建構，完成六種蝴蝶觀察後，系統將導引學習者進行凱利方

格建置模組，學習者依據系統所給予的配對屬性組，進行各品種蝴蝶的比較，在建置蝴

蝶凱利方格時，可再次使用擴增實境學習系統觀察蝴蝶，進而選取該蝴蝶的特徵傾向值，

即完成凱利方格建置，如圖 22所示。

圖 22 擴增實境凱利方格學習系統流程

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(2)擴增實境學習系統：學習者一開始進入學習系統時，會先以故事方式引導學習者進入

學習情境，同時取得學習者相關資訊，完成以上流程後，系統將提供學習者蝴蝶品種清

單讓學習者選擇想要觀察的項目，即進入測驗任務進行學習。觀察方式是以本研究所開

發的擴增實境學習系統進行蝴蝶知識的建構，完成六種蝴蝶觀察後，即完成學習活動，

如圖 23所示。

圖 23 擴增實境學習系統流程

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(3)無所不在凱利方格學習系統：