近年來，隨著科技的進步，越來越多增強現實(Augmented Reality)的應用問世于日常生活中。雖然，增強現實的技術早在十幾年前就有學者研究，不外乎是把應用焦點放在導覽、建筑、工業發展與游戲等等。本研究希望設計一增強現實游戲架構，應用于既有的教學內容上。透過增強現實技術的特性，讓學習者能夠更融入學習內容中，并藉由實際測試來了解增強現實應用于教育上會遇到的限制與困難。
1. 引言(INTRODUCTION)
隨著數字科技的進步，教育內容不再局限于書本上；開始有計算機輔助教學設備的利用，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。有些老師在教材內加入游戲，希望學習者能將花在游戲上的熱誠與精力轉移到學習內容上。游戲學習的過程，能夠讓學習者產生自發性學習的動機，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，會對新事物產生好奇心，能夠培養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。游戲學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，分享學習歷程與經驗。
近年來虛擬實境技術的應用，學習者可以在虛擬的環境下互動學習，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備，限制了廣泛應用的可能性。所以增強現實（Augmented reality）的技術，將虛擬的信息結合于現實環境下，將大幅度的提升虛擬實境不容易普及的問題。學習者可以在現實環境下體驗多媒體教學，設備低廉且容易取得。重點是，增強現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，并且讓學習者產生一種身歷其境的感覺。
2. 相關工作（RELATED WORK）
本研究利用增強現實的技術，以國小自然科學學習為目標，建置行動式游戲學習系統。本章先探討建構主義的定義與論點，接著說明游戲學習與行動學習的理論與應用。最后再介紹增強現實的概念，以及增強現實應用于教育上的國內外相關研究。
2.1 建構（Constructivism）
建構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。建構主義主張知識是學習者經由個人或合作的經驗建構而來，也就是說，學習者不是單純的被動接受知識，而是主動的建構知識。因此，建構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，以協助學習者能更有效的獲得知識。Von Glasersfeld[1]認為建構主義并不是一味的建構事物，而是在提倡建構知識有著無限的可能性，強調學習者本身才是求知的重點。
Gergen[2]對建構主義有不同的主張，他并不否定個人經驗的重要性，但是他認為合作與互助才是學習的關鍵。知識的建構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展出來的。結合上述學者論點，建構主義主張學習者積極求知與強調互動的重要性，學習者由外在環境所吸收的知識，透過社會互動與自我的省思，建構出個人的知識。
知識建構的過程是在特定的情境下，個人藉由與環境互動的經驗去繁衍出個人化的知識。建構主義強調的是互動的重要性，以學習者自身的經驗為基礎，透過互動來建構知識。在學習的互動中，雖然會有過于主觀的論點出現，卻也是經由與不同的人分享與討論的過程而產生的知識。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。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系，提升了團體的向心力，也突顯出合作學習的優點。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萬化，但本質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。挑戰性、好奇心、控制權、奇幻性等等，都是加強內在動機的元素。透過與其它玩家的互動，產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系，游戲學習包含的內在動機可以達到的學習效果如下：
1.主動學習：
利用游戲有挑戰性的目標與主題性，讓學習者主動去操作游戲，培養主動學習并探討內容的態度。
2.提高學習興趣：
利用游戲的趣味性，將枯燥無味的教材設計成游戲，讓教材變得生動有趣，讓學習者產生興趣。
3.個人化的學習教材：
根據學習者能力與環境的不同，去設計游戲學習內容，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境下學習，不會有現實世界中測驗不及格或不可反悔的壓力。
5.提升創意與思考：
游戲利用視覺效果、內容探索和游戲的創意來增加學習興趣，幫助學習者培養獨立思考的能力。
Cassell 與Ananny[5]設計了一個虛擬計算機人物與玩具城堡構成的互動虛擬系統（圖 1）。屏幕畫面里的虛擬人物擁有與現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容。
圖1. 互動虛擬系統
Peta 與Helen[6]設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。這個游戲藉由設計、探索與建構等過程，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的。將學習者對游戲所產生興趣，在不自覺的情況下將這份熱誠轉換為學習目標，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 增強現實
要了解增強現實的定義，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境的連續范圍，由左至右為真實環境（ Real Environment ） 至虛擬環境（ VirtualEnvironment），混和實境則是混合真實與虛擬的環境。連續范圍中最左邊到最右邊分別被稱為增強現實和擴增虛擬（Augmented Virtuality）。增強現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境為主、虛擬對象為輔，也就是將虛擬的對象依附在現實環境中。反之，擴增虛擬則是將現實的對象依附在虛擬環境里（圖 3）。
圖 3.現實與虛實的連續 (Reality-Virtuality Continuum)
增強現實較常見的表現方式，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實環境，將虛擬依附在現實環境上就是增強現實最大的特色。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]定義增強現實的特性：
1.相同性：在同一接口上同時結合真實與虛擬對象。
2.實時性：實時于真實環境下顯示虛擬對象。
3.空間性：虛擬的對象迭合在真實的環境空間，能夠與使用者互動。
圖 4. 增強現實概念圖（本研究整理）
Henrysson, Billinghurst, & Ollila[9]等學者在手機上設計了一套增強現實交互式網球游戲（ 圖5）。在游戲桌上放置標記，用手機內建的相機讀取標記后，屏幕實時顯示虛擬的網球場和網球。兩個玩家面對面用手機去追虛擬的網球，適時的按下「回擊」的按鍵將網球回擊，目標在將網球來回打的次數能越多越好。
此系統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，讓游戲更加寫實來增加游戲性質。
圖 5. 增強現實交互式網球游戲
“The eye of judgment”，是一款使用增強現實技術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、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容中虛擬的對象呈現在現實生活中，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]研發了一套具有行動性的游戲（圖 7），游戲中虛擬的地圖對應現實環境的房間，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，或是搶奪在對手領地內之牛群，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，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。
尤其是“The eye of judgment”，使用增強現實技術所做的人機接口，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，來增進游戲對玩家的吸引力。這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，成功的創造出顛覆傳統的數位多媒體游戲。
蘇俊欽[12]為兒童設計了一套增強現實中文注音符號學習教材（圖 8），系統依照每個注音符號的發音，建構相對應的虛擬動物圖像，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
Kondo[13]提出”Augmented Textbook”的應用，從書本中觀看虛擬的圖像，可以彌補純文字的單調與版面配置的限制。他也將增強現實應用在博物館的導覽系統中，在導覽過程中3D 對象會顯現在行動裝置上，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]設計了九大行星增強現實的教學實驗系統與花園學習系統。九大行星教學實驗系統主要提供9 張標記卡片，分別代表不同的行星。在學習過程中，系統會提供題目，學習者將代表答案的標記卡片移動到系統指定的位置來作答?；▓@學習系統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，增強現實擁有3D 虛擬對象的優勢，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
Dünser 和Hornecker[15]設計了以增強現實為基礎的游戲”Big Feet and Little Feet”（ 圖 11）。這個游戲以童話故事為背景，經由操作可移動式的記號進行游戲。游戲的主角為兩只小雞，系統設計兩個玩家同時進行互助式的解謎。游戲內容分為多個章節，每個章節都有著不同的任務。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。玩家在游戲結束后多數對過程意猶未盡，并期待有更多故事可以選擇閱讀，證實增強現實能提高學習者的集中力并培養獨立思考的能力。
圖 11. 大腳和小腳（Big Feet and Little Feet）
增強現實的技術能讓使用者更人性化的操作游戲系統，靠著自然拿取標記的動作，使直覺化的互動學習內容更加簡單明了。增強現實也塑造了適合交互式學習的環境，讓學習者可以彼此實時與教材內容互動，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境。
增強現實系統能夠有效的提升學習者的興趣，增加自發性的學習效能。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，而是在互助與切磋的環境下一起成長，完全符合社會建構式主義的理想概念，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，加以提升學習效果。綜合以上相關研究與應用得知增強現實應用在教育上的好處如下：
1.學習的新鮮感：新的教學技術，多樣化的內容呈現 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. 實現方法(METHODOLOGY)
本論文嘗試利用增強現實技術應用于教育方面，以小學自然科學「天文」單元為主題，設計一套增強現實學習系統。希望經過多次的實驗與測試之后，可以了解學習者對游戲內容的看法與態度，并分析增強現實技術的特性與應用于教育上的效果。
3.1 增強現實游戲規劃與接口設計
本研究在經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。增強現實技術的應用能夠將虛擬對象融合真實環境，讓學習者更能沉浸于游戲中，而且硬設備簡單容易取得，不會增加經濟上的負擔。加上增強現實有著實時、簡單且人性化的操作特性，能夠提升游戲的流暢度。
結合以上多種優點，本研究設計一套交互式多媒體學習平臺，主題設定為小學自然科學中太陽、月亮與地球的相互關系。內容小則從三個星球的信息介紹，到三個星球位置關系改變造成了春、夏、秋、冬四季的大規模畫面展示等等，透過系統指示一步一步達到游戲目標。系統設計過程中，為考慮增強現實技術獨特的操作方式，且結合多媒體技術呈現，學習平臺設計分為兩個部分：
1.接口操作：學習者透過系統指示，移動指定標記完成游戲內容。游戲接口設計左半邊為教材選單，右半邊分為上下兩個影像區塊，上面為多媒體展示窗口，下面為增強現實操作窗口。增強現實窗口觀看到的是虛擬對象結合真實環境，而多媒體展示窗口是系統給予學習者指示與展現教材內容用。
2.互動設計：人機接口的互動除了展現增強現實虛擬與現實結合的特色外，隨著多媒體展示窗口給予游戲操作指示后，在增強現實操作窗口下移動標記的動作，會相對實時看到對應的多媒體呈現于多媒體展示窗口。
圖 12. 接口設計概念圖
游戲設計內容以四季的變化為例，題目設定為「請問地球分別在太陽的何處會產生四季？」系統會指示請先把代表太陽的標記放置于增強現實操作畫面中間位置，再請把地球標記先后放置于春、夏、秋、冬四個對應位置完成作答。相對多媒體展示窗口會有對應的簡介、提示與動畫指導。
3.2 增強現實游戲研究架構
首先研讀并搜集國內外文獻資料，歸納出增強現實的特性，設計適合學習者互動合作的游戲內容。教材內容以小學自然科學「天文」單元為主，替小學生量身制訂的游戲內容，希望能夠讓學習者產生興趣，培養學習者們解決問題的能力，在游戲中間接達到學習的目的。然后建置增強現實學習系統，以網頁多媒體互動平臺為架構，配有網絡攝影機以讀取標記，并與后端服務器傳送與接收學習內容信息。系統建置完成后，挑選國小高年級學生為測試對象。主要目的在測試系統的穩定度及學生對系統得適應程度，游戲結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有甚么樣的感想，斟酌修改系統問題與內容。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，并在結束之后給予問卷調查。在教學進行中，系統在數據庫記錄學習內容，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，了解增強現實對教學成效之影響，學習者與教學者的意見與態度，并對學習方式與課程設計進行評估。
4. 結論與未來工作(CONCLUSION&FUTURE WORK)
本研究系統還在建置階段，除了研究如何使用增強現實結合多媒體素材之外，連接數據庫的問題也逐漸在克服中。當然，設計游戲也是最重要的一環，如何對應學習者當下所學的教材，設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，有效的引起學習者興趣，產生學習者主動求知的欲望。
隨著數字科技與多媒體整合技術的進步，將增強現實能讓虛擬對象融入現實生活的特性應用在教育上，結合游戲學習的概念，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實作，經過多次的實驗修正教學內容，最后評估增強現實結合游戲應用于教育上的成效。
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