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扩增实境(Augmented Reality)于国中小微观粒子教学之开发与应用

扩增实境(Augmented Reality)于国中小微观粒子教学之开发与应用
吴文龙
国家教育研究院课程及教学研究中心助理研究员
徐俊龙
新北市立永和国民中学教师
唐尉天
奇为有限公司工程师

摘要

台湾目前正值新一波课程改革，其中自然科学领域课纲(草案)为达成国中小的概念衔接，将部份微观粒子概念安排于第三学习阶段(五、六年级)。为响应教学现场的需求，本研究藉由扩增实境的新兴科技将抽象概念具体化，同时开发相对应的教学设计。虚拟现实(Virtual Reality, VR)与扩增实境(Augmented Reality, AR)为目前经常提到的实境模拟技术，VR与AR最大的不同点在于空间的取代程度，AR仍是在现实空间中显示虚拟效果，为本研究主要运用的技术，优点是能与教材内容直接连结。本研究之研究法采取无结构访谈法，访谈过程分两阶段，第一阶段为受访者自由说明开发历程中扮演的角色与相关回馈，第二阶段由研究者针对第一阶段之内容拟出大纲，以特定议题进行更深入的讨论。访谈对象为国中与小学教师各1名，系统开发工程师1名。本研究所开发之微观粒子扩增实境教学(Interactive Microscopic Augmented Reality, IMAR)包括物质三态之粒子运动模拟与三态变化过程模拟，已取得专利(吴文龙，2016)。IMAR之特点为：(1)以3D仿真程序取代动画，用户可由各角度观察粒子运动；(2)特效与教学相互搭配，如粒子的颜色标示可以协助使用者观察粒子，又或粒子运动轨迹与屏幕截取可以提供共学时的讨论。本研究之研究结论如下：(1)扩增实境的建模历程需要经历反复修正的设计，且应与动手作活动应相互配合，以达成虚实互补的功能；(2)教学用的粒子模型与科学模型目的不同，更注重特效与教学方法的配合，增加软件与现场教学的关联性；(3)扩增实境应透过互动过程培养学生的多元表征，以及自主学习的能力，透过撷图等功能让学生可以分享和讨论学习内容，呼应课纲中沟通互动的理念。

关键词：扩增实境、微观粒子教学、国中小阶段、自然科学领域课程纲要 

前言

根据十二年国民基本教育自然科学领域课程纲要草案(国教院，2017)，本次领纲内容为衔接七年级生物的营养成份与扩散作用，将部份微观粒子概念移第三学习阶段(五、六年级)，包括物质由微观粒子组成及运动。因此本研究针对微观粒子开发一系列扩增实境(Augmented Reality, AR)的内容，将原先抽象的概念以具体的粒子模型呈现，以利课纲实施后的教学需要。

本研究在开发扩增实境的过程中已累积许多开发的经验，可针对此类开发新兴科技融入教学之历程提供相关建议。在本研究中主要运用的科技为扩增实境，此扩增实境教学软件名称为交互式微观扩增实境（Interactive Microscopic Augmented Reality, IMAR）。在计划中，增进扩增实境与使用者的互动性为最重要目标，不同传统上一个目标图仅能对应单一AR内容，IMAR可依用户先后扫描的图片，可以出现不同三态变化现象的扩增实境，此部份已取得新型专利(吴文龙，2016)。最后，本研究透过自然科学相关教师与资讯工程人员之合作开发历程，了解不同专业背景人员对于扩增实境教学开发的需求与困难，提供未来运用科技融入教学的引导与建议。

综合上述，本研究之研究目的如下：

(一)藉由开发微观粒子概念扩增实境教学(IMAR)之历程，了解研发团队对于开发新兴科技融入教材与教学之多元观点。

(二)以本研究开发之微观粒子概念扩增实境教学为例，探讨扩增实境教学的开发重点与应用。

……

点评：扩增实境(Augmented Reality)于国中小微观粒子教学之开发与应用
上海市教委教学研究室特级教师 赵伟新

谢谢各位老师，我又回来了。刚才我介绍我的名字叫赵伟新，实际我这还是很顽固的，我是赵伟新，现在还没有微信。实际上我是不符合这个主题的，被我混进来了。混进来也有好处，我读到了这么好的一篇文章，正因为有这样的机会，读到这样的好文章。

这篇文章是《扩增实境于国中小微观粒子教学之开发与应用》。大家一看这个名字，文龙、俊龙，我们就想到这样的图景。为什么这篇文章这么厉害？这个团队厉害啊，两条龙在天空畅游，所以他们做出来的东西肯定好，这是我看了文章以后的第一个图景。接下去五个方面：

第一个图景就是文献综述当中，图一真实到虚拟环境的连续区，应该说是我扫盲了。我本来英文是文盲，英文要扫盲很难，但这个相对现在因为自己有这个学科背景，相对来扫盲容易些，我一看知道了AR、VR什么差异，差异在于真实环境的差异，对吧。一个更靠真实，一个更远离真实，这是一个差异。共同点，他们都能使学生身临其境，使得我们科学学习可以更有效、更生动，所以这是第一个图景，也就是我们刚才吴研究员所做的介绍。

接下去看了研究方法以后又有个图景，我们三位先生一同研发的这篇文章。三位先生采用的是无结构访谈法，那么文章当中的微观粒子扩增实境之建模历程，扩增实境教学开发的困难与突破，专业背景在研发中的角色等内容，清晰地呈现了我们三位先生团结合作，发挥各自优势，努力探索的场景。正因为需求方的不断回馈和设计方的不断修正，保证了我们刚才看到的最终的成品的品质，这是第三个图景。

那么接下去，我们研究成果当中，实际上我当时看到以后是两幅图景。

一副是物质状态不变的固体、液体、气体的分子结构图，结构的模型；另外一个是状态发生改变时，又是一个结构图。那么这里面我们三位先生基于学生的需求，采用纪实性的3D模拟层次，研制了这样一个，我连起来读不来的，我只能一个一个读，IMAR。这个系统应该说解决了什么？就是我们小学生要去学习这个难点。在我们上海，我们没有这块内容。我们只是让学生学有三种状态，状态在一定条件下会改变。至于改变，这三种状态后面改变的原因是什么？我们探究，要放到小学肯定是个难点。那现在台湾这边是放到了小学六年级，相当于我们这边初中一年级，我觉得也比较难。所以有了这样生动形象的东西以后，我想学生难点就可以突破。所以我们三位先生的努力，刚才我们看，因为看文字的时候没看到这个真实的图像，我刚才通过视频看到了真实的图像。我们三位先生的努力，应该说这计划的目标得以实现。学生在学习过程中可以通过生动形象的认识过程，将原本抽象的概念得到深刻的认识，学习的难点我觉得可以突破。

我脑子当中产生的第六幅图像，是在看研究结果与结论的时候，我觉得我这个头脑当中产生了一个非常睿智的头像。这三位先生非常聪明。为达成虚实相符，本计划的各项AR内容都可以有实验操作，以三态变化之升华为例，教学搭配了干冰升华实验，提供了未来推广时教学参考。也就是刚才我们林教授提出的一个疑问，我们用了这个东西以后，传统的东西我们怎么保证？探究的时空如何保证？这里面实际上与我们上海2002年提出的一个观点，也是我们目前正在坚持、继续坚持的观点还是非常相符的，就是做好已有实验，我们这个实验有呀，用好身边的物品做实验，我们也有呀。那么接下去我们科学教学，必须与信息技术去整合。整合了以后，实际上我们的探究时空又发生了改变，这肯定会有优势，也有不足，我们都要去努力的。

最后一个情景就是我们的研究展望，展望大家看到这个小孩子什么？现在实际上在上海这种情况已经不多见，为啥呢？受考试压迫，我们现在分分计较。那么我们的老师、学生在实验上都不怎么重视，那么注意，有了这么好的东西以后，我想我们像在IMAR中的行动装置的镜头角度可以全看到全方位的粒子运动状态与轨迹，你看多好。那学生用扩增实境，有了更好的身临其境的感受，学生更喜欢我们的科学课，学生更喜欢我们的科学老师，学生更喜欢我们的科学。也就是说我们可以做到三个喜欢，这是我学习后脑子中出现的七副图景，非常感谢我们三位先生。
当然最后，我本来不知道最后要提一些问题，我也是第一次参加这么高规格的会，没经验。所以我也就提两点想法：

一个是我在文章当中看到，我们三位先生把固体、液体、气体的分子结构，包括物质状态的变化，都归在化学里面。我自己是物理出身的，这个都是我们物理课的内容，那么你现在归在化学里面，我觉得这样的表述还不怎么最好。最好你要表述成我们物理人满意，化学人也满意，这样是不是更好，就不挨骂了。否则物理人要有想法的，这是第一点。

第二点，就是我们做这么好一个，那么在其他的小学科学课的、中学科学里面，你们还有什么点想在这边在做些文章的，我也很想听到。因为这一块我们上海也有一些实践，我们也想继续把它做好。

谢谢三位先生。

（以上内容根据录音整理）