臺灣化學教育

行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學：

行動科技與擴增實境
在科學教育上的應用

邱美虹*、唐尉天

國立臺灣師範大學科學教育研究所
*[email protected]

隨著科技的迅速發展，近年來智慧型手機的普及已造成對人類生活習慣的極大衝擊，同時也改變人際之間的關係。根據 Ambient Insight（2013）統計，2010 年「行動學習產品與服務」全球市場高達32億美元，預計在 2015 年銷售收入將達到91億美元。若以地區來劃分，亞洲地區成長率為 21.2%，僅次於非洲和拉丁美洲，名列第三。顯示行動學習市場正在全球快速發展，尤其是亞洲地區，行動式學習軟體或網路應用皆擁有相當大的潛力，若能推陳出新型態的行動學習軟體，加以研發推廣，必定能跟隨上此全球化的科技學習潮流。

根據行政院研究發展考核委員會調查，2010 年至 2012 年為止，我國 12 歲以上網路族群中，智慧型手機的持有率由 23.4% 快速成長至 50.7%，平板電腦也成長至 21.4%，顯示行動科技將全面智慧型進化的趨勢，行動教學軟體的潛在使用者也會相對增加。那在學校教育中勢必可預期產生新的學習革命典範。

科技的發展從早期電腦輔助教學、電腦模擬、虛擬實境、到現在的擴增實境，這些技術的發展使科技與生活的關係更加密切，同時也改變學習的方式，從書面紙本的知識獲得到與學習教材的互動，這樣的轉變具有提升學習興趣與學習動機的契機，本文將對行動學習和擴增實境的應用做一評介。

n  行動學習

行動學習主要強調在任何時間與地點的情境中進行學習，屏除傳統課室的限制，讓學生可以走出教室實際將欲學習之知識與生活情境相互連結，過程中強調學生能夠即時進行資訊的檢索與整合，並且進行人機互動與設備間的線上互動，以促進知識的建構與轉變（Cole & Stanton, 2003; Patten, Sánchez, & Tangney, 2006）。

有別於傳統的課室情境必須侷限在特定時間與地點，透過行動科技的輔助，學生可以透過任何的行動載具在任何時間與任何地點同步或是非同步進行資訊的檢索與交流。這種透過行動載具進行學習的方式現稱之為行動學習，行動學習與傳統線上學習最大差異在於傳統線上學習課程雖然不會受到時間的限制，但是會局限在特定場域，也就是學生必須在電腦設備前才能進行學習，而行動學習則可排除地點的限制，只要資源建置完成，學生可以在任何時間與地點進行學習。

在教學現場，教師可透過行動載具即可有效率地進行校園中與化學相關的探索活動（如清潔劑、食安等），主要原因為 (1) 強調「情境性」（context），學生的學習過程直接在校園中實際進行考察；(2) 強調「立即性」（immediacy），學生學習過程可在校園中直接透過行動載具主動獲得知識；(3) 強調「互動性」（interaction），學生學習過程可以進行學生與行動載具、學生與教材、學生與學生或是學生與教師的互動，獲得即時的討論與回饋。

n  擴增實境學習

行動科技作為人們隨身裝置的開發領域，在近年智慧型的進化下帶動了其他科技領域的轉變契機。作為一項綜合科技，行動科技能透過與本機一體的攝影裝置、顯示介面，運行具擴增實境技術的軟體，不只突破以往擴增實境技術在裝置便利性上的缺點，普及使用的問題也在短時間內獲得解決。

所謂擴增實境（augmented reality, 簡稱AR），即意指將真實世界的視覺與虛擬世界的影像或圖片相互結合，並透過顯示器產生複合式的影像，強調真實世界與虛擬世界的交互作用，讓學習者獲得截然不同於網路為主的學習模式。許多人常誤以為虛擬實境與擴增實境相似，顧名思義，兩者當然截然不同，前者強調虛幻的部分，後者則強調與真實情境的結合，使物件真實的呈現於眼前。

簡單而言，擴增實境具備以下的特徵與能供性（affordances）可以做為學習輔助的特性。擴增實境包括：(1) 讓學習內容以三維空間方式呈現，學生可以藉由擴增實境的呈現獲得三維空間的概念內容，例如擴增實境的技術可以讓二維行星運轉太陽的圖片以三維空間呈現；(2) 滲入特定情境進行合作學習，學生可以藉由行動載具進行課室內外特定情境的擴增實境學習，並且藉由資訊的檢索判斷進行合作互動；(3) 立即性的感官回饋，學生沉浸其中，透過人機互動獲得即時性的回饋；(4) 將看不見的物體視覺化呈現，學生可以藉由擴增實境將原本肉眼無法看見的物體透過模擬呈現，例如：三維空間的化學分子可以更加凸顯分子間的排列方式；(5) 連結課室與戶外的學習場域，進行校園動植物探查的同時，藉由擴增實境的技術讓學生直接在校園環境中與學科教材相互結合。

上述擴增實境的特徵結合實體與虛擬部分再透過顯示器讓學生可以操作的介面途徑，可幫助學生突破原有感官的學習方式，擴增其對應的相關知識及訊息。於科學學習中，不同維度間的特殊學習過程，能經由設計獲得具體與微觀之間的轉換，例如具體的晶體圖像擴增顯像出分子的排列結構。更深入來說，擴增實境作為學習的輔助工具可從其提供實作、認知、情意等面向的提升。其中實作部分，擴增實境提供實體操作的基礎，讓學生可以藉由操作過程理解相關的學科概念；在認知部分，透過巨觀、微觀與符號尺度的連結與操作抽象表徵，以及擴增實境應用空間與時間相互連接的特性，可達到建構科學模型的理解；在情意方面，透過與同儕互動與溝通共同透過行動科技的學習，可以增進對科學學習的態度與興趣。

n  創造擴增實境的學習環境：實例說明

擴增實境輔助科學概念的學習已經在特定學科中使用，包括：數學、物理、生物、化學以及地球科學，並且在動機、態度以及學習成就表現上獲得顯著性的效果。從文獻中可以看出擴增實境在學科概念學習的可能性而非只是單純提供娛樂的功能。以下將介紹我們的研究團隊所發展的AR輔助教具。

過去三年我們的高瞻計畫團隊與台北市萬芳高中的自然科教師嘗試研發數組擴增實境教具，內容包含物理、化學、生物等自然學科。以下簡介我的研究團隊在執行科技部高瞻計畫後的數項成果：水分子、奈米碳管、DNA 分子結構等教具，前兩者與化學相關，而介紹 DNA 主要是因為其與化學大分子結構較為相關，希望可以拋磚引玉，透過這樣的設計讓教師們思考化學中可以研發的主題。這些教具的研發，除配合教學所需與行動科技的來臨，供教師在教學上的參考外，更重要的是這些教具都可以作為學生自學的學習工具，不受時間地點的限制，只要想學習想看，就可以隨心所欲取出觀察檢視，若能激發其思考與創造力，則達到進一步教育的意義。

一、極性分子和非極性分子

極性分子和非極性分子的主題在教學上是個重要的主題，物質的不同性質，可以產生不同的效果。分子與分子之間的交互作用中（如氫鍵的形成）在化學教學與學習上常需透過想像力的方式去建構其形成的過程與結果。因此，我們透過設計一個AR學習環境中，讓學生可以自行操作實體觀看極性分子（如水）和極性分子非極性分子（如甲烷）不同的表徵以及互動的情形。針對單一極性或非極性分子，學生可以選擇不同的呈現方式來觀看其分子結構，如球棍模式或填充模式。其次，學生可以將兩個相同或不同的分子靠近，觀看是否可以分子間會產生作用力。以水為例，圖1是水分子的結構，當學生將兩張水分子的圖卡放在一起時，即可觀察到氫鍵產生在氧原子和氫原子之間。但是若將兩個水分子的氧靠近時，會出現排斥力，如圖 2 所示。除此之外，這組教具還提供甲烷、甲醛等物質讓學生可以透過操作探討那些是極性分子和非極性分子，且彼此之間是否可以產生氫鍵。

圖 1：水分子的結構        圖 2：水分子產生氫鍵的情形

二、奈米碳管的介紹

奈米碳管（Carbon Nanotube, CNT）是在 1991 年由日本物理學家飯島澄男博士（Dr. S. Lijima）利用高解析度的電子顯微鏡觀察到電弧放電後石墨陰極沉積物中細長狀物質的結構長約 1 微米，直徑為 5-30 奈米的管狀碳分子，進一步觀察發現其呈長形中空結構，由 2-50 層同軸石墨層所組成，這種中空管狀碳結構即成為繼石墨、鑽石、C₆₀ 後成為第四種碳元素的同素異形體—奈米碳管。由於奈米碳管因管壁結構的不同又分為 3 種：單層、雙層及多層。隨著管壁構造的不同，其性質也隨著不同，可能偏向半導體性，也可能偏向金屬性（科技部，2014）。其中單層奈米碳管會因碳原子的排列方式和旋轉角度的不同而表現出不同的物性及力學性質（曾世豪、邱建超、戴念華，2006）。而單層奈米碳管則分為三種扶椅型（armchair）、鋸齒型（zigzag）、對掌型（chiral，因多具螺旋狀，故又有人稱螺旋形）。

因教學上不易呈現不同結構的奈米碳管，因此本研究團隊研發這三種奈米碳管本的擴增實境的教材，讓學生可以透過不同的角度去觀察奈米碳管的結構彼此之間有何不同，如圖 3-5 所示。我們也曾就這些成品訪問過一些大學生，他們對於這樣的學習方式感到特別有興趣，認為可以手持物件旋轉適當角度觀察 sp² 的分子結構，並比較不同組合方式形成不同結構的物質有助學習。

圖 3：奈米碳管立體結構（一）  圖 4：奈米碳管立體結構（二）

圖 5：以不同角度觀察奈米碳管立體結構（三）

三、雙股螺旋擴增實境

本研究團隊使用立體的雙股螺旋模型能讓學習者直接理解其形組成方式和結構，像是含氮鹼基的種類，彼此的配對，氫鍵結合等。但參與試驗品開發的生物科教師，認為傳統模型無論是實體或紙本上的，仍有著教學應用上的缺陷，那就是固定的 DNA 序列以及固定的模型複雜度。固定的 DNA 序列，尤其是繪製在紙本上的平面模型，讓教師欲講解不同生物的序列差異時，無法繼續以該模型說明，且傳統模型的複雜度無法調整，但模型複雜度往往要能適合教學對象及學習概念的階段，例如鹼基配對的概念適合使用簡易模型來教學；鹼基結構的部份就較需配合複雜模型來解說。

有鑑於上述的需求，本研究團隊技術人員研發出呈現雙股螺旋模型的擴增實境教具，與生物科教師合作打造擁有兩種模組之擴增實境，以突破傳統模型的缺點，其中一種模組能配合不同生物圖案的實體教具顯示不同的 DNA 序列，讓學生自行探究顯現出的差異，如圖 6 和圖 7 所示。

此外，DNA 模型的擴增實境提供使用者自由地從各種不同的角度觀察立體結構，也可由介面按鈕切換顯示的複雜度。

圖 6：自由觀察立體結構                圖 7：切換為複雜模型

雙股螺旋擴增實境用於課堂教學時，可幫助教師將 DNA 模型呈現於學生手中，讓學生們自主觀察和操弄，需要時也可指示學生切換為複雜模型做進一步的講解，甚至給予時間請學生做配對組合的練習，如圖 8 所示。

圖 8：學生自主觀察和操弄擴增實境

目前我們已將所開發的 AR 行動科技教具與教學活動，透過辦理兩次大型的行動科技科學教學工作坊（約有 250 位教師參與）以及到受邀的學校進行教師專業成長的交流，以推廣行動科技融入教學的活動，教師與學生的反應都非常熱烈，如圖 9 所示。由於開發此項教學資源相當費時費工，我們建議教師應著重在實際教學面上如何有效的使用教具，並設計具啟發性的教學活動與評量方式以充分發揮擴增實境扮演搭鷹架的角色，協助學生了解抽象、複雜的科學概念，並藉此改變學生的學習態度、提升學習與探究的興趣、進而促進其對科學知識的理解。換言之，教師宜針對教學上可能產生的困難，思考如何可以透過行動科技與擴增實境的教具來促進學生的學習，改變教室中學習的文化，引起學生自動學習的動機並享受學習的樂趣。

圖 9：推廣行動科技融入教學的活動

n  結語

臺灣中小學的教學媒材仍然以紙本為主，尚未積極實施電子媒材的教學。由紙本到可攜數位教材仍需要有一定的典範轉移期程，尤其是支持紙本到可攜數位的典範轉移所需的中介教材必須先進行發展性的工作，其中尤其是行動科技輔助之科學學習教材則是應被發展而尚未有效發展的環節。例如：立體結構顯像、實境實驗操作訓練、GPS 環境調查等，並整合部分已發行之公開軟體，作為行動科技輔助教學之整合型應用。未來開發類似教材應有更多教師提供現場教學之需，以利研發人員開發符合現場需求的教具，充實教學內容與學習素材。

n  致謝

感謝科技部提供研究經費使本研究團隊得以進行新興科技融入學校課程的計畫；感謝台北市萬芳高中的師生給予研究上最大的支持，尤其是湯偉君老師的協調與溝通，使本研究工作得以順利進行；感謝本研究團隊成員周金城教授和劉俞志教授的專家意見、林啟華和許晉維兩位研究生的協助，更要感謝唐尉天技術工程師的專業研發技術，使本研究成果具前瞻性，本文第一作者在此一併致謝。

n  參考文獻

科技部（2014）。一微奈米技術。下載於http://www.most.gov.tw/ctpda.aspx?xItem=14600&ctNode=76&mp=8

曾世豪、邱建超、戴念華（2006）。奈米碳管之製成技術簡介。真空科技，19(1), 17-25。

Ambient Insight (2013). The Asia Market for Mobile Learning Products and Services: 2012-2017 Forecast and Analysis. Ambient Insight Regional Report, 4-6.

Cole, H., & Stanton, D. (2003). Designing mobile technologies to support co-present collaboration. Personal and Ubiquitous Computing, 7(6), 365–371.

Patten, B., Sánchez, I, & Tangney, B. (2006). Designing collaborative, constructionist and contextual applications for handheld devices. Computers & Education, 46, 294–308.

行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學：

有機分子模型擴增實境

陳怡宏

臺北市立萬芳高級中學
[email protected]

n  擴增實境

擴增實境（Augmented Reality, AR）是一種將虛擬資訊加到使用者所使用的電腦顯示器上，能夠實時地計算攝影機影像的位置及角度並加上相應圖像的技術，進而在螢幕上把虛擬世界套在現實世界並進行互動。與虛擬實境（virtual reality, VR）有顯著不同，VR是企圖取代真實環境，而AR是在真實環境上擴充增加資訊。

n  有機分子模型

有機化學的內容在高中化學課綱中，是在基礎化學二及選修化學。而基礎化學課程綱要中基礎化學二的示範實驗：分子在三度空間的模型，有說明以電腦軟體或模型製作簡單分子的三度空間模型，藉著電腦軟體所呈現的3D立體結構（圖1）或實體的分子模型（圖2），建立立體分子結構圖像的概念。不是每間學校設備具有的有機分子模型數量可以讓學生一人一套實地操作，且學生實際組裝分子模型過程中又會耗費許多時間，若以電腦軟體呈現3D有機分子模型於單槍投射螢幕上，卻少了實際動手操作近距離觀察的經驗。

圖1：Avogadro有機分子編輯軟體

圖2：有機分子模型

n  3D有機分子模型擴增實境

以往擴增實境的呈現必須由電腦上來操作，利用網路攝影機掃描圖卡顯現擴增實境，然而現今智慧型手持行動裝置功能愈來愈佳，且日漸普及幾乎人手一機。智慧型手持行動裝置目前以IOS及Android二大系統為主，可以在軟體商店（App Store及Google Play）鍵入”AR”關鍵字搜尋到擴增實境的App，不過大多以遊戲、娛樂為主。

為了能夠利用擴增實境來呈現3D有機分子模型，目前製作了三個3D有機分子模型擴增實境的App（Andriod系統）。可以在Google Play上鍵入"chenyihung”搜尋並安裝，或是經由短網址：http://goo.gl/W9ai05，由電腦端安裝至智慧型手持行動裝置，如圖3所示。

圖3：Google Play搜尋結果

點選App，可以在說明部份的短網址（http://goo.gl/GXq0CJ、http://goo.gl/dfZhkh、http://goo.gl/zMX5aM）中下載底圖，底圖設計成撲克牌套組，每一副共有52個有機分子模型底圖，每一張底圖內容具有中文命名、分子式、3D分子結構式及結構式，如圖4所示。

圖4：3D有機分子擴增實境底圖

n  App使用方法

智慧型手持行動裝置至今廣泛使用，主要原因不外乎是App的設計比起電腦端方面的軟體，更加地直覺式操作。此App的操作也僅僅是打開App，等到出現攝影機畫面，直接對著底圖觀看即可，如圖5所示。

圖5：App操作畫面

可以引導學生觀看順反異構物有何差異，如圖6所示，環烷的碳鏈在空間的排列是屬於平面結構還是立體，如圖7所示，以及讓學生試著以不同角度觀看分子模型，看是否能找到和書寫的結構式一樣的角度，如圖8所示。

圖6：順反異構物

圖7：環戊烷

圖8：乙醇

經由多個班級教學活動中，可以發現學生藉由3D分子模型的觀看，對於有機分子的立體結構空間的認知，會有顯著的成長，由其是順反異構物之間的概念。教室環境若能提供讓智慧型手持行動裝置投影到單槍上，IOS裝置是AirPlay，Android裝置是Miracast或HTML連接，可藉由大螢幕展示3D有機分子模型，方便老師講課說明，更可以加深學生立體分子的概念。由於智慧型手持行動裝置的普及，現今的學生也幾乎人手一機，因此才會有一種想法看看是否能夠做出一個能夠隨身帶著走的工具來學習化學，這就是3D有機分子擴增實境App製作的起因。

n  參考資料

1.          擴增實境，Wikipedia, http://zh.wikipedia.org/wiki/擴增實境。

2.          科學人雜誌，擴增實境︰虛擬與實境的無限延伸，http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=67。

3.          普通高級中學必修科目「基礎化學」課程綱要。

4.          普通高級中學選修科目「化學」課程綱要。

行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學：

擴增實境在化學教學上的應用

鄭媖珍¹、邱美虹²*

¹臺北市立信義國民小學
²國立臺灣師範大學科學教育研究所
*[email protected]

 

你可以想像在未來，藉由一張報紙就能聯結相關網路訊息，即時知道天氣的變化；由登機票，可知飛機起飛時間是否有延誤；只要用雙手擺出拍照手勢，就能拍照，想撥個電話、看時鐘、查即時訊息，雙手作個動作，時鐘、電話、即時訊息，就出現在你的眼前，甚至在任意空白紙上看電影、玩遊戲、任意的擷取資料、做文書處理……等等，任何你想知道的訊息，只要透過身上簡單的配備就能立即處理，並能將所獲得的資訊，與家中的個人電腦做連結，以及未來不用帶相機、平板電腦、智慧手機，只要套上這個由麻省理工學院學生普拉納夫•密斯崔（Pranav Mistry）發明的第六感人機互動裝置（sixth sense，見圖1）出門，即能將數位世界和實體世界相互結合，若這樣的設計可以普及化，未來的世界將有截然不同的面貌。你能想像嗎？！

圖1：Pranav Mistry第六感驚人的潛力

（圖片來源：http://www.youtube.com/watch?v=qC3H3JOtvSs#t=476）

這個數位世界（虛擬世界）和實體世界結合的科技，就是現在最夯的擴增實境（augmented reality），簡稱AR。那擴增實境是什麼呢？

n  AR的定義

AR最早是由Milgram, Takemura, Utsumi, & Kishino (1994)對於介於真實和虛擬之間的概念，提出「真實–虛擬連續性」（reality-virtuality continuum）觀點（圖2）。他們將真實環境和虛擬環境分別作為「真實－虛擬連續性」的兩端，位於它們中間的被稱為「混合實境（mixed reality）」。其中靠近真實環境的是擴增實境（augmented reality, AR），靠近虛擬環境的則是擴增虛境（augmented virtuality, AV），其中所謂擴增實境就是利用模擬的線索擴大對操作者的回饋。狹義而言就是科技為模擬實境的一種形式。

圖2：真實－虛擬連續性（reality-virtuality continuum）

另Azuma（1997）定義擴增實境是一種介於虛擬與實境兩者間的一種技術，且包含三種特點：(1)同時包含實體與虛擬物件，(2)能即時互動，(3)能精準3D定位虛擬與實際物件。簡言之，擴增實境是將虛擬物件透過儀器融入真實情境中，能豐富實境的場景，促進即時互動，讓使用者能獲得立即的回饋。

n  AR在教育上的應用

早期，擴增實境透過頭戴式顯示器（head mounted displays, HMD）將虛擬物件融入真實情境中，但是頭戴式顯示器攜帶不便，再加上AR所需的設備又貴，無法普及化。隨著科技日新月異，手提電腦、平板電腦、智慧型手機的問世，科技技術的提升，AR所需的設備攜帶方便，間接提高AR能見度，AR漸漸成為我們生活中的一部分，例如：Google glass、廣告宣傳、魔法書、博物館或校園的行動導覽、醫療手術的應用、教學上的應用。

擴增實境在教育上的應用雖然仍在起步當中，但已逐漸獲得實證，譬如在教學中融入AR，由於它的視覺、動覺等感官刺激，提高學生的主動參與意願；它提供的3D學習內容，可培養學生發展較佳的空間能力；在AR情境中，與虛擬物件互動，經由立即的回饋，可加深學生對學習內容的印象與興趣；AR可將看不見的概念視覺化（如天文學、化學反應、分子結構等），提升學生對抽象內容的理解、建立正確的知識，減少迷思概念；在AR情境中，與同儕合作共同解決所面對的環境議題，可使學生社會互動能力變佳，對問題能更敏感，並根據情境提出解決方案，讓學生有機會做出決定、提升學生推理能力與思考邏輯能力等。

在這篇短文中，我們將簡要介紹六個在化學教學上應用的AR實例，作為說明AR未來在教學上的可能性以及對學生在學習成效和動機上可能造成的影響。在化學教育上，我們常發現學生對抽象複雜或是需要空間能力才能建構的化學結構知識很難進行抽象思考，而AR的設計正好可以彌補學生在這方面能力的不足，提供一個可以和化學分子物件互動的機會，並可以依照學習者自己的學習步調或觀察的角度，隨意轉動物件來達到對化學結構的認識。

例一、元素與化合物

Zientia公司最早開發的就是化學教育用的擴增實境教具（http://zientia.com/chemistry101）。Zientia開發擴增實境的教具來教導電子組態與物質的組成。以下面的食鹽化合物（NaCl）為例，使用者可以先觀察Na和Cl的電子組態，然後將兩原子靠近後觀察兩元素產生氯化鈉分子的結構以及巨觀表徵，使用者也可以調整或旋轉觀察氯化鈉的角度（見圖3，示範影片見附錄一）。圖4的PCl₅亦同。

圖3：AR Chemistry Augmented Reality Education（圖片取自附錄一）

圖4：PCl₅之AR分子結構（圖片取自附錄二）

例二、分子結構

Daqri所設計的Elements 4D應用軟體目的是經由擴增實境的科技將抽象的概念具象化。以水分子為例，Elements 4D設計的紙張或木塊的物件可以將物件直接轉化為動態的元素表徵（Daqri相關資料見附錄三），如圖5所示。

 

圖5：水分子AR教具

（圖片出處：http://elements4d.daqri.com/#intr）

例三、分子結構

本設計包含元素擴增鍵盤、電腦設備、ＷebCam等裝置（見圖6），用特殊手套按下元素名稱即可看見分子結構圖並能旋轉物件，以透過不同角度觀察分子的結構（Singhal, Bagga, Goyal, & Saxena, 2012）。這一套互動式的擴增化學教具與軟體主要是為高中生設計來引介VSEPR理論。

圖6：設備與透過旋轉紙盒呈現甲烷的結構（Singhal, Bagga, Goyal, & Saxena, 2012，示範影片見附錄四）

例四、分子間的交互作用

此設計主要是介紹分子之間的鍵結關係，從小分子的結構開始產生分子間的交互作用，再進而形成大分子。圖卡或是紙盒的特殊功能就是讓使用者可以任意轉動圖卡或是紙盒以便觀察原子之間的相對位置和鍵結的形成，如圖7所示（示範影片見附錄五）。類似的軟體與教具亦可參考此網站：http://far.in.tum.de/WebHome。

圖7：FAR 11: Augmented Chemical Reactions

例五、分子軌域

本設計是利用擴增實境的設計在電腦上面可觀察分子軌域、鍵結角度、混成軌域等（見圖8與附錄六），這些概念在中學化學學習時是屬於較抽象的概念，學生通常較具困難去想像混成的電子關係。因此，透過新科技的功能，可以提升學生概念的理解與發展空間關係的能力。類似的軟體與教具亦可參考此網站：http://sponholtzproductions.com/index.html。

圖8：分子軌域

例六、原子模型與分子結構

在化學教學上，教師常需藉由分子模型或是繪圖的方式去介紹微小的分子結構讓學生了解原子之間的關係，以及他們之間在空間位置上的關係。若是以平面方式進行教學，學生常無法理解他們3D的關係。譬如學生藉由化學元素圖卡，可觀察兩個元素結合後產生的化合物分子的結構圖（見圖9說明Ｈ分子加上Ｏ分子形成水分子，示範影片說明見附錄七）。上課教學影片見圖10和附錄八。

      電子圍繞原子核  　  3個原子模型   水分子結構　　　 實際水滴的水分子

圖9：原子結構和水分子結構

圖10: 上課教學影片

n  結語

化學主要在探究一個肉眼不能見的微觀世界，學習者需透過豐富的想像力去理解微觀世界，對抽象思維能力尚未發展成熟的學習者而言，常會有錯誤認知，造成學生學習的困難，這也是一般人疏離化學的原因。AR的設計與一般其他媒體不同的地方在於它可將分子結構具體的疊加在實境中，讓學生能夠將微觀真實世界無法看到的現象形象化、視覺化，讓學生擴大學習的經驗，引發學生的學習興趣，提升學生思考的能力。這種藉由AR的運用，將微觀世界具體化，引發學生的主動參與，提升學習興趣，使學生得以透過有效的教具建立正確的化學知識，減少迷思概念的產生。對教師而言，以往需一再講解說明，仍無法明確地傳達化學微觀世界的粒子結構與行為，透過AR的輔助教學，可促進學生對微觀世界的認識，以達到教學目標。簡而言之，AR提供一個縮短「化學」與學生的距離。〝善用〞AR於化學教學中，既能提升學習效益，亦能提高教學的成效。「化學」與你我距離更貼近，若如此，未來將改變「化學」學習的面貌。

n  附錄

附錄一：教學影片：http://www.youtube.com/watch?v=IpNrWKQFq6Q

附錄二：PCl₅之AR分子結構圖片取自：http://www.digitalavmagazine.com/en/2014/01/21/zientia-platform-facilitates-learning-in-the-classrooms-using-augmented-reality/

附錄三：Elements 4D

1.        可打印的圖卡出處：http://daqri.com/elements4D-paper-blocks/cube1-target.pdf

2.        說明使用AR的影片出處：http://www.cnet.com/news/daqris-elements-4d-augmented-reality-app-aims-to-educate-the-masses/

3.        Carney, M. (2013）介紹Elements 4D：http://pando.com/2013/07/24/daqri-elements-4d-kickstarter

附錄四：以手勢為本的鍵盤擴增化學實驗室（Augmented Chemistry Lab with gesture based keyboard，圖片取自：http://www.youtube.com/watch?v=m5ipCLIAIw4以及Singhal, Bagga, Goyal, &Saxena, 2012）

附錄五：示範影片：http://www.youtube.com/watch?v=aPd8fr46bng

附錄六：Chemistry Review with Augmented Reality示範影片：http://www.youtube.com/watch?v=iFJCp_m2iVY

附錄七：applying AR in chemistry learning-case 1示範影片：https://www.youtube.com/watch?v=pWYRUXmna7c

附錄八: 教學影片: https://www.youtube.com/watch?v=WCrbEkifLD0

n  參考文獻

Azuma, R. T. (1997). A survey of augmented reality.Teleoperators and Virtual Environments, 6(4), 355–385.

Milgram, P., Takemura, H., Utsumi, A., & Kishino, F. (1994). Augmented reality: a class of displays on the reality–virtuality continuum. SPIE: Telemanipulator and Telepresence Technologies, 2351, 282–292.

Singhal, S., Bagga, S., goyal, P., & Saxena, V. (2012). Augmented chemistry: Interactive educational system, International Journal of Computer Applications, 49(15), 1-5.

行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學：
行動載具遊戲式化學創新教學

張荊壢

國立臺灣師範大學附屬高級中學
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國立臺灣師範大學附屬高級中學與信望愛基金會合作辦理教育平台實驗計畫，獲該基金會協助，提供本校2700台教學所需的行動載具，這獨特的條件，使本校發展數位融入教學進入重要的里程碑。學生有了這批行動載具，使本校資訊融入教學有了更多的實踐與發揮創意的機會，在此分享本校化學科實施遊戲式創新教學的經驗成果，還請不吝指教。

n  背景說明

一、   理論基礎

電玩遊戲通常具備長期吸引使用者關注和接觸的一種特性。遊戲式教學法就是希望利用電玩遊戲來引發學生的學習動機，解決傳統學習較無法吸引學生投入的缺點，讓學生學習的更快、更好。同時因為同儕的互相競爭，對於學習的成效與效率，皆有大幅的提升。但一般家長對於讓學生在課堂上或是課後透過玩遊戲來學習，仍然存有疑慮，因此教師必須透過良好的遊戲環境設計、妥適的教學法以及優質的學習素材，來消除或減緩家長的擔心。

二、   學校環境

本校積極參與資訊科技融入教學的教案研發與教學模式的翻轉，以強化教師社群的運作及模式發展，推展以學生為主體的資訊科技融入教學。因此本校在推動資訊科技融入教學時，著重以下部分，如圖1所示。

圖1：國立師範大學附屬高級中學資訊科技融入教學發展架構圖

目前本校高一各班教室均已建置無線網路基地台兩台，高二各班一台，並與信望愛基金會合作辦理教育平台實驗計畫，提供一、二年級學生及本校教師行動載具2700台，進行數位融入教學使用。除硬體資源外，已陸續建置多項雲端數位學習相關資料庫。

本校目前相關數位學習系統如下：

(一)      校園雲端播客系統（IGTs）：提供教師建置個人教材庫，並整合教師專業發展評鑑各項指標，進行資料統整。

(二)      附中Ｅ學院（Moodle）：進行課堂的數位互動學習，以學生為導向，設計數位學習活動，增加教師與學生互動，激盪更多的學習成效。

(三)      數位雲端教室（Adobe connect）：透過Adobe connect的介面，老師可以進行雲端教室學習，透過FLV檔案格式的傳輸，降低網路頻寬需求，提升影像品質。並錄製精采的課堂講解，以作為學生課後自行補救教學使用。

同時也配合信望愛基金會合作計畫，成立教師工作坊，工作坊主要目標：其一為進行模擬實驗應用程式的開發與設計，其二為研發遊戲式教學模式，活化教學，以符合教學需求，兼顧專業與趣味性，已有相當成果。

三、   課程設計

本校執行資訊科技融入教學計畫，以教師社群為運作模式，集結老師們的能量，發展資訊科技融入創新教學。選擇發展的主題為高中化學課程中「化學沉澱」與「電解電池」兩個主題，原因是這兩個主題需要背誦記憶，而沒有確切的規則，是學生最感無力的章節。希望藉由此課程設計，發展出讓學生學習主動、學習成效提升的教學模式。

本校在發展數位學習規劃之初，就是希望發展能在各種平台上執行的相關教案為主，因此設計程式時以Android為主，在BYOD（bring your own device）的概念下發展教學模式，同時以平板最基礎的功能為出發，進行資訊融入教學，另以Moodle及IGTs為數位學習平台，以最多數行動載具可以使用為最高原則。

n  創新教學模式

一、   利用平板繪圖功能，學生發想背誦技巧與背誦圖。

首先，學生參考溶解度規則，如表1所示。

表1：溶解度規則

然後，利用繪圖功能說明可以記憶溶解度規則的方式，圖2-4是老師示範的圖檔說明。

圖2：IA學妹向學長請安（氫銨），全溶。

 

圖3：IA請安並告知有空（spare 鍶鋇），學長請（氫）學妹仰（氧）望星空（氫氧根）。

圖4：IA請安並介紹IIA給學長認識，學長請兩位留（S²⁻）住加入天文社。

二、   創作一首朗朗上口的歌曲

化學教師創作一首朗朗上口的化學沉澱歌曲，由學生樂團歌唱，讓學生便於記憶，如影片1所示。

歌名：沉澱ing

作詞：吉佛慈老師

作曲：五月天

編曲：張有為

歌詞：

阿瑞尼士 根據實驗 提出了解離

陰陽離子 在水溶液 不理或不離

IA⁺ H⁺ NH₄⁺ 遇陰離子 高傲不想理

但是 有些沈澱 你一定要記（P-RE-CI-PI-T-ATE!）

沈澱ing 不離ing

氯溴碘 遇汞銅銀 鉈鉛 不分離

沈澱ing 硫酸鉻酸根

前者遇 鈣鋇鍶鉛 後者遇 鋇銀鉛不離

粉筆小新 觀察反應 想找出規律

陰陽離子 在水溶液 不理或不離

醋酸硝酸 遇陽離子 高傲不想理

但是 有些溶解 你一定要記（D-I-S-S-O-L-V-E!）

溶解ing 不理ing

氫氧根 遇 IA⁺ H⁺ NH₄⁺ Sr²⁺ Ba²⁺ 不理

溶解ing 碳酸硫負離

除了遇 IA⁺ H⁺ NH₄⁺ 後者遇 IIA²⁺ 也不理

未來某年某月 某日某時 某分某秒 某人某地 某種未知的反應

不會忘記此刻 不理或不離 （P-R-E-C-I-P-I-T-A-T-E! D-I-S-S-O-L-V-E!）

沈澱ing 不離ing

氯溴碘 遇汞銅銀 鉈鉛 不分離

沈澱ing 硫酸鉻酸根

前者遇 鈣鋇鍶鉛 後者遇 鋇銀鉛不離

化學 反應 一輩子都形影不離

影片1：沉澱ing，https://www.youtube.com/watch?v=bc4pj2AbZc8。

三、   製作教學用Android App

為了讓學生於課後有練習的機會，本團隊自行設計程式，編寫了化學沉澱的App，讓學生可以利用此App進行課後學習。原本設定學生學習以精準為主，後來學生開始競爭，看誰最快過關，除了比精準度還比反應速度，讓化學沉澱反應表，變成了學生的自主反應。

目前本校開發四個App，分別為「沉澱查詢機」、「快打沉澱表」、「電池成雙」及「化學尋寶」，以寓教於樂的方式讓學生在自然而然的環境中學習。以上所述之教學App皆可於Android系統中的Google Play商店裡免費下載，下載網址及QR code如圖5-8所示。

(一)沉澱查詢機

圖5：沉澱查詢機App的畫面之一（左）及其QR code（右）

下載網址：https://play.google.com/store/apps/details?id=air.air.PrecipitationTable

(二)快打沉澱表

圖6：快打沉澱表App的畫面之一（左）及其QR code（右）

下載網址：https://play.google.com/store/apps/details?id=air.air.FastPrecipitation

(三)電池成雙

 

圖7：電池成雙App的畫面之一（左）及其QR code（右）

下載網址：https://play.google.com/store/apps/details?id=air.air.Battery4Cup

(四)化學尋寶

圖8：電池成雙App的畫面之一（左）及其QR code（右）

下載網址：https://play.google.com/store/apps/details?id=air.air.UnknowChemistry2014

n  教學活動設計和教學歷程報告

一、主題：沉澱反應

表2：沉澱反應教學活動設計

二、教學歷程報告

(一)沉澱反應的教學歷程報告，如影片2所示。

影片2：師大附中資訊科技融入教學–沉澱反應，http://youtu.be/v7SHR_0wiqA。

(二)電池成雙的教學歷程報告，如影片3所示。

影片3：師大附中資訊科技融入教學–電池成雙，http://youtu.be/195iChGqK8k。

(三)化學尋寶的教學歷程報告，如影片2所示。

影片4：師大附中資訊科技融入教學–化學尋寶，http://youtu.be/6JbVATzdhlM。

三、課程觀摩照片

學生利用平版電腦，使用老師開發的App上課情形，如圖9所示。

圖9：學生利用平版電腦上課的情形

n  成效評估

一、   千變萬化App教學

本校化學科教師成功研發數個平板電腦專用之APP應用程式，透過應用程式，學生可以在平板電腦進行虛擬實驗，觀察高達數百種的化學反應過程，並瞭解實驗的本質與目標。在虛擬實驗後，進行實際操作時，可減少不必要的浪費與危機。

二、   從實務投影機變成SNG

藉由行動載具及前項行動環境的建置，可利用無線影像傳輸的技術，將教師教學的演示內容，即時轉播在教室內的螢幕，使所有同學皆可觀察完整的演示內容，而不會有死角。甚者教師可將戶外的教學素材，透過畫面錄製或即時傳輸方式，帶進上課的教室內，直接進行教學活動。

三、   藉用載具多元化功能提升教與學的面向

透過群組的學習方式，學生可以利用行動載具上網收集資料、透過鏡頭拍攝影片或照片，透過電腦編輯，並利用雲端影音平台及教室內的無線行動教學環境，在課堂上進行學習成果的演示及分享。老師也可以輕易地觀察及統計學生的學習效果，立即給予全體或個別的回饋或指導，對於創意式學習有極大的助益。

四、   數位學習資源的數位匯流

雖然目前針對高中開發的專屬應用App可以說是鳳毛麟角。但是應用在行動學習上仍有許多的資源可以應用。常見的電子書、影音資料都是可以結合行動載具發揮綜效。例如應用在化學元素介紹及化學相關實驗的教學影片，利用平板配合課程設計，學生可以先在課前了解相關基本知識，進而對課間活動時有更多的互動，這些都是行動載具所帶來更便利的學習改變。

n  教學反思

一、行動學習的導入不只是教學硬體的改變，而是教學模式大幅的翻轉。

學習的過程教師將由教學者變成學習引導者，這對教師的教學是一大挑戰。因此組織教師專業社群，開設各種資訊增能工作坊，及辦理教學觀摩，可增加教師的參與度。

二、無線網路環境的建置，是行動學習教學成敗的關鍵。

本校高一各班配置兩台基地台，支援行動學習，成果良好；高二各班僅一台，學生在課堂使用上就略顯不足，尤其是連續幾個班一起使用時，常無法支援教師教學，影響教師使用行動學習教學意願。因此建置全校通暢的無線網路環境及足夠的頻寬，是推行行動學習的首要課題。

三、利用分組學習方式，多數學生皆能積極參與。

少數同學對平板電腦的功能及操作法不熟悉，有點跟不上步調，需要同學不斷協助。可在各組安排一位小助理，賦予他們協助同學的任務。

四、部分學生家中無網路資源，影響整體教學活動。

部分學生無法在課後時間操作平板電腦上傳課前活動及課後活動作業。建議學生可以在下課時間或放學後留校完成，也可運用台北市各捷運站免費網點或到可搜尋到Taipei Free之免費網點的地方上傳作業。

n  結語

發展行動學習的核心是將學習的主體還給學生，教師的角色由教學者轉變為引導者，希望透過行動載具所帶來的便利性，協助學生自我主動學習。但發展行動學習的成敗，仍取決於校園網路環境的支援，教師運用資訊的能力及教師設計課程的知能，這還需大家努力。

n  誌謝

本次行動載具遊戲式化學創新教學實驗能順利完成，非常感謝信望愛基金會王雪紅董事長的大力支持，也非常感謝本校物理科潘冠錡老師App程式研發的情義相挺，當然要更感謝陳昭錦老師帶領的化學雲端實驗室教學創新應用團隊，所展現出化學專業及教學熱忱，讓人印象深刻。所有化學科教師經過近一年的時間，熱情參與七次教材研發工作坊的腦力激盪，並經吉佛慈老師、吳孟修老師、江青釗老師、黃彬峰老師的課堂實驗或演示，開發出四個化學教學App，希望能供全國化學教師參考，為高中化學教育盡一點棉薄之力。

 

行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學：

我如何利用智慧型手機提升學生學習化學的動機

翁榮源

靜宜大學應用化學系
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這一代的年輕學子普遍都擁有行動裝置，智慧型手機已經成為大學生們生活上不可或缺的工具，在大學校園的老師所面對的教學環境已經到了需要巨大改變的時候了，短短的這兩三年來所有的化學老師被迫必須改變教學工具以及教學方法，否則會被學生們嘲笑以及看不起。目前2013年智慧型手機全台灣的銷售量已經達到844萬支，學生們打卡自拍，滑手機已經跟呼吸空氣一樣的變成生活的一部分。這一代的年輕學生已經從「草莓世代」進步到了「行動世代」，父母親的智慧數位知識已經遠遠不如家裡的小朋友們。在這種大學校園充滿數位工具的環境中，台灣的大學老師顯然尚無任何的警覺性，上課時和下課後同學的嘲笑相信很多的老師們會有類似的經驗。

我個人在台中靜宜大學開設”生活化學”通識課程，這些年來一直是靜宜大學最熱門的一門課，由於採用的是新穎的網路學習，學生蜂 擁而至的搶修，每個學期都是爆滿的選課人數，已經連續六年都滿額，最高紀錄曾經有620位同學選修，後來因為嚴重影響其他老師開課，只好嚴格規定每學期選修同學限額210位，但還是持續滿額中。生活化學網路課程開設了這麼多年，既使有許多優點（打破時空限制、沒有程度差異、節省學習資源等等），但也逐步的發現一些網路課程的缺點，例如：由於網路學習的特殊性，學生不會主動學習，無法引發學生主動學習的動機，沒有真正的面對面人性互動等等。如何改善這些缺失一直是網路課程設計老師的首要目標，智慧型手機的技術創新似乎提供了最佳的解決方案。

n  行動學習的研究簡介

首先找了幾位數位教學以及化學教育專家一起研討，化學領域太過廣泛，我們決定以「奈米化學」單元做為這次研究的主題內容。主要是因為其內容的新穎有趣和生活應用的範例應該可以吸引同學學習的動機。奈米化學單元主要以「微小尺寸的世界」、「奈米的特性 & 效應」、「奈米 & 生活」、「奈米科技的應用」、「奈米的未來」，五大概念的內容為主。另外我們在設計上嘗試著以精熟學習理論融入行動學習模式，由於精熟學習理論須將大量的教學內容，細分為較小的單元目標，並就其單元目標達成精熟，而行動學習的教學內容設計也需要以小單元的方式製作，因此精熟學習理論的設計模式應該最適合這次的研究，如圖1所示。根據使用經驗歸納出智慧型手機最重要的四個特色為：1.小螢幕2.即時回饋3.簡訊傳達4.不間斷的學習。整體學習模組設計則依據這幾個特色下去發揮。

圖1：行動學習的研究流程圖

研究對象為靜宜大學”生活化學”課程之學生，共126位（男生63人、女生63人）透過電腦亂數分為實驗組與控制組，控制組是使用一般網路學習系統，實驗組則使用智慧型手機行動學習模式，讓他們分別進入不同學習平台學習後，蒐集進行統計分析。兩組內容相同，唯學習內容呈現方式不同，並且為了避免統計誤差，單元學習時間皆控制為兩個小時。實驗組將奈米化學單元課程內容設計為多媒體簡訊模式，每一個簡訊內容都非常簡潔的呈現給學習者，避免學習者在學習時的負擔。根據經驗發現智慧型手機行動學習非常適合應用在教學內容較少、模式化的知識內容，應用的學習情境必須讓學習者快速的找到想要的資料，進行直覺化學習。學習小主題之檔案大小控制於1Mb以下，以方便傳輸；頁面呈現方式以螢幕的觸控式按鍵控制學習內容的播放，整個學習模式以小主題為學習目標，文字資料盡量減少，每一個主題內容以不超過三頁之原則作為主要設計考量，減少學習者操作的麻煩。

在每一個主題內容後面都有一個即時測驗，要求學習者立刻回饋，無論答案對與錯，我們都會給於回饋，並針對其答錯之題目給予立即性的補救教材回應，補救教材學習會不同於第一次的描述方式，確保學習者對知識內容的徹底了解，才繼續下一單元之學習。這種學習模式非常類似精熟學習的理念，多媒體簡訊學習結合即時學習、評量回饋、充實補救的教學歷程，如圖2所示。

精熟學習與行動學習的結合在於只要隨時給予不同程度學習者、不同時間學習自主學習，學習者就可自己依照其進度逐步學習。手機體積小、重量輕，具「可攜性」，且學習者可依個人需要調整學習進度的「個人化」特性，讓行動學習教學活動更有彈性。而行動學習教學活動善用精熟學習的特色，將教學活動切割成小單元，則可達成預期學習成效。

圖2：奈米化學的教學與回饋流程圖

n  行動學習的研究發現

整體而言，研究結果發現智慧型手機簡訊行動學習模式確實能有效提升學習成效，尤其特別適合於主動學習性較高、對新式的教學法特別感興趣的學習者，以手機作為學習工具確實能引發其學習動機，達到誘發學習者主動學習之目的，進而提升學習成效。而且簡訊的即時回饋功能設計，更能增添學習的即時性，即時的補教教學能適時的增強學習者對知識的建構。尤其能將化學知識與日常生活習慣產生聯結，行動學習是非常適合採用的學習模式。智慧型手機行動學習應該能為未來教室或終身學習勾勒出一幅美麗的願景，「行動學習模式」可以輔助現行的化學教學行為，促進學習者學習化學的知識建構。我們的研究結果可以作為行動學習教學設計的參考，協助化學教學者進行行動學習更有效的設計依據。

分析發現場地獨立的學習者與男生都顯示比較適合智慧型手機行動學習模式。場地獨立的學習者，特質為比較能夠主動的自我學習，而且彈性的學習路線能幫助場地獨立的學習者學習。智慧型手機行動學習模式能讓學習者依自己的速度，完成所要學習的課程內容，支援學習者進行彈性化的學習與思考，特別有利於場地獨立的學習者進行學習。男性學習者在日常生活中非常想提升其在同儕間的地位形象，在使用多媒體手機簡訊學習時，可以加重其好學不倦之刻板印象，間接的促發其學習動機，因此更加提升其學習成效。

n  提升學習動機

經過學習完成後之面對面問答發現，具有這兩個特質的學生的心理上比較希望在同學中鶴立雞群，因此除了希望大家注意到他的名貴手機之外，更期望大家能注意到他的用功學習過程，所以非常容易被行動學習模式激發出來學習動機，進而提升學習成效。還有就是透過即時不斷的學習，許多垃圾時間的再利用，對年輕學子而言，原來會去打電動以及聊天打屁的惡習轉換為更好的成績進步，這個功能遠比化學教育要更有成果。科技目前正以等比級數化的速度改變人類的所有生活，因應時代的改變，個人以為：現在大學化學老師的角色必須從知識的傳播者慢慢的變化，變成知識設計建構者，如果大學化學老師能夠將課餘時間拿出過去的講義，轉化設計成多媒體簡訊，甚至於分享同好，發表於網路的臺灣化學教育期刊，會是件功德無量的大事！

行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學：

3D化學實驗研究拍攝之實務經驗分享

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系
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n  精彩化學實驗吸引眾人目光

化學實驗總是迷人的，在約兩百年以前科學家公開演示科學實驗，就像是一場華麗的表演，吸引皇家貴族前往觀賞。至今，科學實驗仍然吸引學生目光，有趣的科學實驗會讓學生睜大眼睛仔細觀看。但是，學生認為有趣的科學實驗，通常是有強烈感官刺激的實驗，伴隨強烈火光、巨大聲音、強烈氣味、冷熱溫度劇烈變化。而這些實驗通常因為會有一定的危險性。因此，在教科書中的化學實驗設計，通常以安全為最重要的考量，而那些吸引學生的實驗比較不會被列入化學教科書的實驗之中。

n  化學實驗課程有多重目的

進行化學實驗教學，可以讓學生看到實驗現象、了解操作過程、動手操作儀器、測試實驗假設，分析實驗數據與撰寫實驗報告等部分。在現行的化學實驗課程中，部分實驗因為某些特殊考量，所以由教師進行示範實驗。因此，教師是否每一個化學實驗都需要讓所有學生親自動手做，就需要回頭檢視實驗課程設計的目的。學生動手做化學實驗效果是否一定優於教師示範的假設，是需要再研究檢視。即使可以讓學生動手做實驗，在大多數的學校也不是一人一組器材，真正能動手做實驗的學生也只是少數比例的學生，而其他沒有操作的同學因為設備與場地限制也可能看不清楚化學反應過程的細節。

n  以化學實驗錄影取代直接現場示範的優點

傳統上，很多人可能總覺得動手做實驗優於現場示範實驗，現場示範實驗優於看錄影實驗影片。當然動手作有實驗影片不可取代的優點，但實驗影片也有動手作與現場示範無法取代的優勢。

一、減少廢液處理問題

近年來，由於對環境保護的重視，化學實驗的藥品管制嚴格，化學實驗廢液處理也管制嚴格，因此有些過去化學實驗課本中所設計的實驗，都無法讓學生再進行操作。而學校教師讓學生進行標準化學實驗操作的過程中，學生未仔細依照實驗過程，或藥品處理問題，導致偶有發生意外，造成學生的受傷情形，甚至有實驗室失火的情況。

二、避免實驗危險的問題

親眼看到實驗過程與親自操作實驗過程是兩個不同層次的概念，實驗課的進行方式並不只有學生親自操作實驗過程一種方式，教師進行示範實驗也是實驗課的進行方式之一。

三、可觀察快速變化的化學反應

若化學變化的過程有明顯的改變，學生就可以實際親眼觀察到。但有時化學反應速率很快，在瞬間發生完成，因此學生無法仔細觀察變化的過程，此時影像的慢動作播放就可以達到現場實驗無法達到的功能。

四、可觀察緩慢變化的化學反應

例如鐵生鏽是緩慢的過程，可以化學方法加速鐵氧化的反應過程，但也可以將長時間化學反應過程以縮時影片呈現，就可以在短時間內做有效率的觀察。

五、可剪輯同時比對成功與失敗的實驗過程

受限於實驗的時間，通常實際操作只能呈現成功的實驗過程，但實驗過程常因實驗的條件控制不佳，導致理論與實際結果有差異。因此，不論示範實驗或是一般按照實驗手冊標準過程的實驗都沒有給學生足夠的器材與時間，來改變化學實驗驗條件，可於短時間內經歷失敗與成功的實驗過程，但實驗影片可以加速呈現。

n  3D影像才能讓學生感受〝親眼〞看見化學反應變化

帶學生到化學實驗室可以讓學生親眼看到化學反應變化，若沒有辦法帶學生到化學實驗室看化學反應變化，就將化學實驗搬到學生的眼前。化學示範實驗就是將實驗搬進教室。若無法帶學生到實驗室觀察，示範實驗也搬不進教室，3D化學實驗教學可能是一個好的選擇。現在新的3D播放設備有大幅度進展，一個小時的觀看基本並不會讓眼睛發生不舒服的情況，但3D拍攝後的後製剪輯若未注意處理細節，還是會讓觀賞者眼睛非常的不舒服，但這個不舒服的情況不是像早期來自設備本身所造成，而是剪輯技術不佳所造成。

n  3D影片剪輯不同於2D影像

3D影片在小尺寸3D顯示器與大尺寸3D顯示器的觀看效果是相當不同的。舉例來說，在小尺寸的3D顯示器遠景與近景轉換時，若不是使用淡入與淡出的切換模式，而直接切換對眼睛的衝擊比較小，但是同樣影片在大尺寸3D顯示器，則會讓眼睛相當的不舒服，在3D影片剪輯時若能注意，就可以避免一些3D影片播放造成眼睛不適的問題。3D攝影機在近拍時，必須注意與被拍攝物體間要保持適當的距離，才不會讓3D效果對焦模糊。在拍攝化學實驗時，桌面與背景盡量越簡單越好，桌上的燒杯等背景物品距離鏡頭太近，在觀看3D影片時效果也會不好。此外，3D影片後製加上字幕或圖形也要注意，盡可能不加上後製字幕與圖形，若必須加上在角落的位置。在2D影片加上字幕或圖形在小尺寸與大尺寸顯示器觀看沒有差異，但3D影片則會有所差異，這是筆者在經費與設備已現的情況下，陸續在2D與3D影像在大小螢幕反覆播放觀看才發現的心得。

n  拍攝化學分析儀器操作3D影像應用於教學之實際經驗

在儀器操作示範時，由於儀器通常操做螢幕不大，且儀器通常也集中在儀器室，所以很難讓許多同學同時看清楚整個儀器操作的過程。因此，若不能同時將學生帶到儀器的面前進行操作示範，那我們設法將儀器帶到同學的面前。教師自行拍攝3D影像錄製實際儀器操作有很多的優點，尤其自製3D操作影片與實際場景一樣，學生看完3D操作影片便能可以正確操作儀器。以筆者在102年學年度第二學期所開設的儀器分析課程中示範操作紫外光–可見光光譜儀為例，學生先在教室觀看以65吋3D電視所撥放的高畫質3D實驗操作影片，此時實際光譜儀不到十公分見方的操作螢幕可以在3D電視上放大，比現場觀看還清楚，如圖1所示。

圖1：學生觀看化學儀器操作3D影片

光譜儀的樣品槽如何放置於儀器中，手該如何握樣品槽磨砂面等細節都非常清楚。看完25分鐘的操作說明後，帶學生直接到儀器前進行操作，筆者在一旁觀察小組學生操作但不給任何提示，也沒有讓學生攜帶講義，但發現學生可以正確完成配藥，稀釋溶液並裝填於樣品槽（見圖2），最後設定掃瞄波長（見圖3），並列印出光譜數據，完成整個冗長的實驗過程。2D影像是否可以達到和3D影像一樣的效果，由於沒有進行準實驗研究比較，目前無法仍確認。但3D影像對空間相對位置是肯定比2D影像效果佳，若涉及空間概念的複雜儀器組裝與操作，理論上3D影像會比2D影像效果佳。即使不涉及複雜的空間概念的組裝與操作，3D影像給學生的視覺震撼是比2D影像更強烈的，也能加強學生的知覺記憶。

圖2：照相擷取3D偏光影片中的樣品槽放入儀器中之3D畫面

圖3：照相3D偏光影片中的光譜掃描完成之畫面

n  觀賞3D化學實驗實例

觀賞3D化學實驗需要有適當的設備才能觀看下面影片的3D效果。讀者可以試著觀看下列四部「竹筷乾餾」的實驗影片，其中第一和第二部影片需要有3D螢幕及其搭配的3D眼鏡才能觀看3D效果；其中第三部影片指需要一般螢幕及配戴紅藍眼鏡即可觀看3D效果；其中第四部是2D影片，使用一般螢幕即可觀看。

1.          竹筷乾餾（3D半寬），http://youtu.be/EfPW-5q1GCs（1920 x 1080 半寬），下圖是此3D影片的擷取畫面，此時一般3D電視會自動判斷播放格式。

2.          竹筷乾餾（3D全寬），http://youtu.be/wfs8Khs_4f8（1920×1080 全寬），下圖是此3D影片的擷取畫面，此時一般3D電視會自動判斷播放格式。

3.          竹筷乾餾（3D紅藍），http://youtu.be/8XRBNHXbugI，下圖是此3D影片的擷取畫面。

4.          竹筷乾餾（2D影像），http://youtu.be/rzHRg7jp-Rg，下圖是此2D影片的擷取畫面。

 n  結語

愛因斯坦在廣義對論中提到一個思考實驗，觀察者在一個密閉的電梯中不能分辨在太空中由加速度所產生的慣性力或由地球上由地心引力所產生的重力，所以加速度與重力具有等效原理。我常在想，若是3D影像技術持續發展，我們坐在車廂內，感受著車子前進的速度，窗外的景色向後快速飛去，但窗外的景色其實是3D螢幕的影像，我們無法分辨車子真的在動還是靜止時，還需要真的乘車實地旅行嗎？實地旅行還會遇到下雨而看不清窗外景色，但窗外的3D影像可以是任何氣候與任何季節，而3D化學示範實驗也正是如此，3D化學實驗的視覺刺激比現場還強烈，並且可以看到成功與不同條件而失敗的示範實驗。

電視或是電腦多媒體的化學實驗錄影已經發展多年，也具有一定的實驗教學效果，但隨著近年來攝影機與播放設備的畫質不斷提升，甚至已到達人類視網膜所能辨識的極限精細程度，因此早期拍攝的化學實驗影片現今仍需要再重新拍攝。而3D影像技術，讓高畫質的平面影像變成的立體影像，使學生觀看化學實驗過程能如臨現場，能提高學習的效果，並增加學生的學習興趣。3D影像技術目前仍持續發展中，現有長時間觀看3D影像所造成眼睛不舒適的問題應能逐步解決。但該如何利用3D影像來強化目前的化學實驗的過程技能學習，仍需要透過具有前瞻視野者的科學教育研究計畫來加以持續測試與驗證。