中 華 大 學

碩 士 論 文

題目：虛擬實境在全站儀座標測量教學之應用

系 所 別：土木與工程資訊學系碩士班

學號姓名：Ｍ09304035 陳 安

指導教授：葉怡成 博 士

中華民國 九十五 年 八 月

虛擬實境在全站儀座標測量教學之應用

研究生：陳安 指導教授：葉怡成 博士

中華大學土木與工程資訊學系

摘要

測量實習為學習土木工程必修之課程，每位學生都必須熟悉測量

儀器操作的方法。本研究利用三維建模軟體與互動編輯軟體建構了一

套虛擬實境測量教學系統，並模擬測量儀器中最常使用且功能最廣泛

的全站儀(Total Station)，將傳統測量實習課程的座標測量整合進系統

中，依照教學目標的不同分為(1)全站儀架設教學系統，(2)全站儀直

接座標測量教學系統兩個單元；主要目的著重於了解測量儀器的正確

架設操作步驟與該注意的細節。學習者可於課程前先行操作本系統做

為預習之用，也可於課後複習之教材。融合建構主義(Constructivism)

與情境式學習(Situated Learning)等理論，令學習者主動的建立知識，

而嶄新的教學流程，可以輔助教學者掌握學習者的進度，並提昇學習

效率。

關鍵詞：虛擬實境、全站儀、電腦輔助教學、測量實習、座標測量。

I

目錄 目錄 ................................................................................................. I

圖目錄............................................................................................IV

表目錄............................................................................................VI

第一章 導論....................................................................................1

1-1 研究目的 ................................................................................................................1 1-2 研究方法 ................................................................................................................2 1-3 研究內容 ................................................................................................................2

第二章 文獻回顧 ............................................................................4

2-1 前言 ........................................................................................................................4 2-2 全站儀 ....................................................................................................................4 2-3 電腦輔助教學 ........................................................................................................5

2-3-1 適用電腦輔助教學的題材 .............................................................................5 2-3-2 電腦輔助教學的分類 .....................................................................................6 2-3-3 傳統教學與電腦輔助教學的比較 .................................................................8

2-4 虛擬實境 .............................................................................................................. 11 2-4-1 虛擬實境的定義 ...........................................................................................11 2-4-2 虛擬實境的種類 ...........................................................................................15 2-4-3 虛擬實境的應用 ............................................................................................18

2-5 虛擬實境在電腦輔助教學之應用 ......................................................................19 2-5-1 虛擬實境在電腦輔助教學上的應用方式 ...................................................20 2-5-2 虛擬實境應用於電腦輔助教學上之優點 ...................................................20 2-5-3 虛擬實境教學與傳統教學的比較 ...............................................................21

2-6 虛擬實境在工程教育上之應用 ..........................................................................22 2-6-1 國內相關研究 ...............................................................................................22 2-6-2 國外相關研究 ...............................................................................................29

第三章 系統分析 ..........................................................................33

3-1 前言 ......................................................................................................................33 3-2 需求分析 ..............................................................................................................33 3-3 全站儀架設教學分析 ..........................................................................................37

3-3-1 概略定心 .......................................................................................................37

II

3-3-2 概略定平 .......................................................................................................38 3-3-3 精確定心 .......................................................................................................38 3-3-4 精確定平 .......................................................................................................39

3-4 全站儀座標測量教學分析 ..................................................................................40 3-4-1 照準模式 .......................................................................................................40 3-4-2 儀表板操作模式 ...........................................................................................41

第四章 系統設計 ..........................................................................43

4-1 前言 ......................................................................................................................43 4-2 教學策略設計 ......................................................................................................44 4-3 內容設計 ..............................................................................................................46 4-4 系統設計：全站儀架設教學 ...............................................................................48

4-4-1 概略定心模式 ...............................................................................................49 4-4-2 概略定平模式 ...............................................................................................50 4-4-3 精確定心模式 ...............................................................................................51 4-4-4 精確定平模式 ...............................................................................................52

4-5 系統設計：全站儀座標測量教學 .......................................................................53 4-5-1 照準模式 .......................................................................................................54 4-5-2 儀俵板操作模式 ...........................................................................................55

4-6 介面設計 ..............................................................................................................56 4-6-1 操作控制設計 ...............................................................................................57 4-6-2 切換模式圖示設計 .......................................................................................58 4-6-3 互動功能操作設計 .......................................................................................59

第五章 系統建構 ..........................................................................61

5-1 前言 ......................................................................................................................61 5-2 虛擬實境模型建構軟體 ......................................................................................62 5-3 虛擬實境互動編輯軟體 ......................................................................................64 5-4 虛擬實境物件之建構 ..........................................................................................68 5-5 全站儀架設教學系統建構 ..................................................................................72

5-5-1 概略定心模式系統建構 ...............................................................................72 5-5-2 概略定平模式系統建構 ...............................................................................73 5-5-3 精確定心模式系統建構 ...............................................................................74 5-5-4 精確定平模式系統建構 ...............................................................................75

5-6 全站儀座標測量教學系統建構 ..........................................................................77 5-6-1 照準模式系統模式建構 ...............................................................................77 5-6-2 儀俵板操作模式系統建構 ...........................................................................80

第六章 成效與評估 .......................................................................81

III

6-1 前言 ......................................................................................................................81 6-2 評估設計 ..............................................................................................................81 6-3 評估規劃 ..............................................................................................................82

第七章 結論與建議 .......................................................................85

7-1 結論 ......................................................................................................................85 7-2 建議 ......................................................................................................................87

參考文獻 .......................................................................................89

IV

圖目錄 圖 1-1 研究流程圖 ...................................................................................................2 圖 2-1 臨場感構成的三個向度﹝6﹞ ...................................................................12 圖 2-2 虛擬實境的五個特性 .................................................................................13 圖 2-3 虛擬實境的三個要求 .................................................................................14 圖 2-4 虛擬實境的四個要求﹝12﹞ .....................................................................14 圖 2-5 概略定平與精確定平(唐為灝開發) ..........................................................25 圖 2-6 粗略照準與精確照準(唐為灝開發) ..........................................................25 圖 2-7 導線定位模式之執行畫面(導線測量) ......................................................26 圖 2-8 瞄準鏡模式執行畫面(導線測量) ..............................................................26 圖 3-1 傳統測量實習全站儀教學流程圖 .............................................................34 圖 3-2 新全站儀測量實習教學流程圖 .................................................................35 圖 3-3 TOPCON 之 GTS-210D 全站儀..................................................................36 圖 3-4 直接座標測量示意圖 .................................................................................36 圖 4-1 場地選擇 .....................................................................................................47 圖 4-2 直接座標測量(現場) ..................................................................................48 圖 4-3 直接座標測量(系統) ...................................................................................48 圖 4-4 全站儀架設教學系統流程圖 .....................................................................49 圖 4-5 概略定心流程圖 .........................................................................................50 圖 4-6 概略定平流程圖 .........................................................................................51 圖 4-7 精確定心流程圖 .........................................................................................52 圖 4-8 精確定平流程圖 .........................................................................................53 圖 4-9 全站儀座標測量教學系統流程圖 .............................................................54 圖 4-10 照準模式流程圖 .......................................................................................55 圖 4-11 儀器操作模式流程圖 ...............................................................................56 圖 4-12 系統設計介面 ...........................................................................................57 圖 4-13 由移動模式控制 .......................................................................................58 圖 4-14 照準模式控制 ...........................................................................................58 圖 4-15 在概略定心時全站儀腳架移動操作圖示 ...............................................59 圖 4-16 在精確定心時全站儀主機移動操作圖示 ...............................................59 圖 4-17 在概略定平時全站儀腳架伸縮操作圖示 ...............................................60 圖 4-18 在精確定平時相鄰踵定螺旋操作圖示 ...................................................60 圖 4-19 在精確定平時對腳踵定螺旋操作圖示 ....................................................60 圖 4-20 在精確照準時微調螺旋開關 ...................................................................60 圖 4-21 儀俵板操作按鍵(虛擬).............................................................................60 圖 4-22 儀俵板操作按鍵(實際).............................................................................60 圖 5-1 系統建構流程 .............................................................................................61

V

圖 5-2 全站儀本體(虛擬) .......................................................................................69 圖 5-3 全站儀本體(實際) ......................................................................................69 圖 5-4 反射稜鏡組(虛擬) .......................................................................................69 圖 5-5 反射稜鏡組(實際) .......................................................................................69 圖 5-6 腳架(虛擬)...................................................................................................70 圖 5-7 腳架(實際)...................................................................................................70 圖 5-8 圓盒水準氣泡(虛擬) ..................................................................................70 圖 5-9 圓盒水準氣泡(實際) ..................................................................................70 圖 5-10 管狀水準氣泡(虛擬).................................................................................70 圖 5-11 管狀水準氣泡(實際).................................................................................70 圖 5-12 活動中心(虛擬) ........................................................................................71 圖 5-13 活動中心(實際) ........................................................................................71 圖 5-14 國際會議廳(虛擬) ....................................................................................71 圖 5-15 國際會議廳(實際) ....................................................................................71 圖 5-16 圖書館(虛擬).............................................................................................71 圖 5-17 圖書館(實際).............................................................................................71 圖 5-18 概略定心模式 ...........................................................................................72 圖 5-19 概略定心過程(注意各圖右上角的定心鏡畫面) ....................................73 圖 5-20 概略定平模式 ...........................................................................................73 圖 5-21 腳架固定螺旋旋轉過程 ...........................................................................74 圖 5-22 概略定平過程(注意各圖右上角的圓盒水準氣泡畫面) ........................74 圖 5-23 精確定心模式 ...........................................................................................75 圖 5-24 基座固定螺旋旋轉過程(注意各圖中間基座固定螺旋的旋轉) ............75 圖 5-25 精確定平平行模式 ...................................................................................76 圖 5-26 精確定平垂直模式 ...................................................................................76 圖 5-27 全站儀主機旋轉過程(注意途中的主機旋轉 90 ﾟ的過程) ....................77 圖 5-28 粗略照準模式 ...........................................................................................77 圖 5-29 水平度盤固定螺旋旋轉過程(注意圖中水平度盤固定螺旋之旋轉) ....78 圖 5-30 垂直度盤固定螺旋旋轉過程(注意圖中垂直度盤固定螺旋之旋轉) ....78 圖 5-31 粗略照準旋轉過程(注意圖中主機旋轉至靠近右方的反射稜鏡) ........79 圖 5-32 目鏡照準模式 ...........................................................................................79 圖 5-33 目鏡照準過程 ...........................................................................................80 圖 5-34 儀俵板操作模式 .......................................................................................80

VI

表目錄 表 2-1 模擬式電腦輔助教學的種類﹝2﹞ .............................................................7 表 2-2 傳統教學與電腦輔助教學比較 .................................................................10 表 2-2 虛擬實境定義表﹝13﹞ .............................................................................15 表 2-3 虛擬實境依不同技術類型之優缺點比較表 .............................................17 表 2-4 虛擬實境的應用﹝16﹞ .............................................................................19 表 2-5 傳統教學與虛擬實境教學之比較﹝15﹞ .................................................21 表 2-6 2000~2006 年虛擬實境相關研究國內博碩士論文整理表 .......................27 表 2-6 2000~2006 年虛擬實境相關研究國內博碩士論文整理表(續) ................28 表 2-7 2000~2006 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究 .......................28 表 2-7 2000~2006 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究(續) ................29 表 2-8 2000~2006 年 ASCE 土木領域 VR 相關期刊論文與研討會 ...................30 表 2-8 2000~2006 年 ASCE 土木領域 VR 相關期刊論文與研討會(續).............31 表 2-8 2000~2006 年 ASCE 土木領域 VR 相關期刊論文與研討會(續).............32 表 4-1 切換模式圖示 .............................................................................................58 表 4-1 切換模式圖示(續) ......................................................................................59 表 5-1 四種視覺式繪圖軟體 .................................................................................63 表 5-2 三種 3D/VR 軟體之特性............................................................................65 表 5-3 三種 3D/VR 軟體之比較............................................................................66 表 5-4 系統所需建構元件 .....................................................................................68 表 6-1 傳統測量課程授課大綱 .............................................................................83 表 6-2 加入本系統後之測量課程授課大綱 .........................................................84

1

第一章 導論

1-1 研究目的

測量實習為學習土木工程必修之課程，每位學生都必須熟悉測量

儀器操作的方法。但測量儀器為高單價的設備，在學校受限於經費的

情況下，儀器採購的數量往往不足。且傳統的測量教學課程，是分組

進行實習教學，所以每位學生操作儀器的時數自然縮減。再加上近年

來土木課程的多元化發展，使得測量課程的時數受到壓縮，教師在課

程安排上較以前倉卒，學生將更難獲得良好的學習效果。在傳統教學

存在太多不利因素的同時，如何使用現有的教學資源來解決問題，且

能令測量教學更為互動化、個人化，即是本研究的重點。

電腦輔助教學(Computer Assist Instruction，以下簡稱 CAI)是一個

可能可以解決此一問題的辦法之一。但早期的電腦輔助教學是使用圖

像與動畫來進行學習，並在一些簡單的問答之中灌輸課程的概念，這

對早以接受現代科技洗禮的學生來說，就如同傳統教學一樣死板，已

無法達到多媒體教學的目的。且測量儀器為複雜之設備，僅靠圖像與

動畫來教學是不足夠的。為了令學生對儀器的操作更熟悉，近年來虛

擬實境(Virtual Reality，以下簡稱 VR)被應用於電腦輔助教學。在電

腦中反覆操作虛擬的測量儀器，一來可於現地實習前，先一步熟悉儀

器的使用方式，二來可避免儀器因不慎操作而產生的損壞。

虛擬實境教學系統現在廣泛應用在許多教學訓練課程當中。凡是

具有危險性、操作設備昂貴，或是概念太過抽象的課程，都可使用虛

擬實境來進行教學。除了可以增加使用者對於實際儀器操作的熟練

度，更可以節省傳統教學所需的開銷。

本研究採用 3D Studio MAX(以下簡稱 3DSMAX)來建立系統所

2

需的模型，配合虛擬實境編輯軟體 EON Studio(以下簡稱 EON)來製作

互動介面，最後再配合物件導向程式編輯軟體 Visual Basic(以下簡稱

VB)來開發虛擬儀器內部的運算功能與系統外部框架；整個教學系統

包含兩個部份：(1)全站儀架設教學系統(2)全站儀座標測量教學系統。

1-2 研究方法

研究方法之流程如圖 1-1。

圖 1-1 研究流程圖

1-3 研究內容

本研究內容包括第二章文獻回顧，主要探討虛擬實境與電腦輔助

3

教學(CAI)的相關研究。第三章系統分析，在開發本系統前進行相關

資源的分析，並分析本系統中儀器架設與座標測量教學所需的功能。

第四章系統設計，設計本系統的功能與流程、介面及回饋的方式。第

五章系統建構，介紹本系統的開發軟體，並說明本系統的建構流程

與，第六章成效評估，設計與規劃本系統評估成效的方式，並於未來

接續研究時，能遵循此一設計進行系統效能評估。第七章為結論與建

議。

4

第二章 文獻回顧

2-1 前言

本章節將先行介紹全站儀的功能與特性，接著說明虛擬實境的簡

介與其優缺點及相關分類方式，後再敘述虛擬實境應用於教學訓練的

成效與國內外相關之研究文獻，而電腦輔助教學的簡介與特性說明之

相關文獻也附於本章節。

2-2 全站儀

全站儀(Total Station)又稱電子速測儀，乃整合電子經緯儀、電子

測距儀、電子計算機及電子記錄器成一體之儀器。全站儀可以看成

是：「全站儀=電子測距儀+電子經緯儀+電子計算機+電子記錄器」。

全站儀利用電子經緯儀測角、電子測距儀測距、電子計算機計算座

標。其讀數除可以自動顯示外，也可傳輸給電子記錄器(電子手簿)

﹝1﹞。專用的程式可使全站儀內部計算機完成自動數據紀錄、簡單

的數據處理、數據儲存等工作。簡單的數據處理功能包括把斜距、垂

直角換成水準距離和高差；對實測距離加多項改正數；導線法、距離

交會法、前方交會法、後方交會法等計算。儲存在計算機內的數據可

以通過介面輸給功能較大的計算機，以便作進一步計算，並能通過室

內計算機的周邊設備輸出結果。全站型儀器測得的數據也可以用無線

傳輸直接輸入功能較大的計算機，這樣幾台儀器同時與一台計算機連

結，將可及時進行計算，例如可以即時計算得知交會點的三維座標。

5

2-3 電腦輔助教學

電腦輔助教學係指運用電腦之交談式或互動式(Interactive)的功

能來引介教材，以提供個別(Individual)或個別化(Individualized)之一

種教學環境而言。對此而言，此種教學環境必須以電腦為工具，且引

導此環境之軟體，必須能表現出交談式或互動性的功能。因此，互動

性成為電腦輔助教學不可或缺的功能，如此，電腦輔助教學軟體才不

致於被譏為翻頁機，也因此有別於一般之電子書或導覽軟體﹝2﹞。

2-3-1 適用電腦輔助教學的題材

理論上，任何平面的教材皆可用電腦來呈現。雖然如此，但這並

不意味以電腦來呈現教材均比傳統呈現方式來的好；換言之，傳統的

教材有其無可取代之優點，而以電腦來呈現教材也有其限制。因此在

選擇題材時，應考慮下列幾點﹝2﹞：

1. 需要重複展示的題材

就教師而言，展示(Present)教材給學生學習是教學過程中經常發

生的步驟。但因教學時間有限，有些需要重複展示的題材，則無法實

施。此種情形，電腦適可發揮其功能來輔助重複的展現。

2. 需要經常練習的題材

就學生而言，有些在課堂上學過的教材，因需透過經常性的練

習，才能達到熟練的程度，或是達到精熟學習的水準。此類型的題材

也符合用電腦來輔助重複的展現。

3. 內容較持久性的題材

就教材的性質而言，有些內容有較高的持久性，換言之，教材內

容不會在短期間內有所改變或更動者，也較適合做為電腦輔助教學的

6

題材。因發展一個教學軟體費時費力，如因教材內容經常變動，則在

軟體的更改與維護上均不經濟。

4. 教材內容抽象的題材

有些教材內容較為抽象，或是受時空限制，學生較不易了解的題

材，則可透過電腦的輔助，使抽象的概念具體化，或透過模擬，以超

越時空的限制。此等題材也適合以電腦來展現。

5. 器材昂貴或操作具危險性的題材

有些教學實驗所需之器材屬消耗性質，或從事實驗操作時，危險

性較高。為了減少器材的消耗，降低危險性，也可先透過電腦輔助學

習，待充分了解教學或實驗情境後，才真正去使用器材或進行操作。

2-3-2 電腦輔助教學的分類

電腦輔助教學是將教材內容透過電腦呈現給學習者學習，其內容

呈現方式的設計，需符合教學的理念。我們可依表現方式將電腦輔助

教學大致區分成五大類﹝2﹞：

1. 教導式(Tutorials)

由系統扮演教師的角色，將教學內容呈現在畫面上供學生學習，

並且輔導學生，使其達成學習的目標。此種模式的長處，是可依照學

生的能力反應，將教學內容作網狀的組織安排，學生學習時可依其個

別的能力選擇合適的學習流程與速度，達到個別化教學的效果。

2. 模擬式(Simulations)

模擬式電腦輔助教學是提供學習者一個擬真性的學習情境。在此

情境中，學習者可親自重現自然現象或社會現象的過程，親臨其境的

效果可引發高度的學習動機，而且學生可與系統所呈現的情境發生互

7

動，彷彿置身於真實的世界中。模擬式電腦輔助教學可讓學習者平時

無法接觸到或看得到的現象，在電腦上獲得瞭解。

模擬式電腦輔助教學就其模擬對象的屬性大致可區分為四大類

﹝2﹞：(1)物質現象模擬；(2)程序模擬(Procedural)；(3)狀況模擬

(Situational)；及(4)過程模擬。

表 2-1 模擬式電腦輔助教學的種類﹝2﹞

屬性 意義 用途

物質現象模擬 模擬現實生活中的物理或科學現

象，在教材內真實的重現。 儀器操縱、載具駕駛

程序模擬 程序是指一組規則、一組構成完整手

續的續列動作 儀器故障的診斷、太空梭

的著陸、人體疾病的診斷

狀況模擬 模擬一個人處於各種不同狀況下的

態度與行為，模擬就某一狀況作不同

處置所產生的不同效應 員工訓練、態度測試

過程模擬 事先給電腦輸入若干參數值，程式自

動演算，在畫面上顯示模擬的結果或

現象 植物生長、衛星雲圖

3. 練習式(Drill and Practice)

這類軟體的特性是就某一特定教學內容，提供使用者一些可供反

覆習作的練習機會，並就其結果，給予適當的回饋，以達到教學之目

的。這種類型的教學軟體，是學習許多「技能」的有效途徑。正因為

電腦能配合學生的個別差異，迅速地給予回饋，並在學習者遭遇困難

的任何時間，給予持續性的指導。

4. 測驗式(Tests)

測驗是教學過程中的重要階段，其目的是要評估學生的學習成

效。測驗式電腦輔助教學是指學生坐在電腦前的上機考試，但是又與

傳統考試有些許的不同。主要的差別在於，測驗式電腦輔助教學可以

8

活用電腦的機動性與速度，在學習者解答完的瞬間給予評量，還可判

斷學習者的程度而自動切換適合的題庫。

5. 遊戲式(Games)

遊戲式電腦輔助教學其目的一方面是要提供學習情境以幫助學

生學習或熟悉技能，另一方面要提供具娛樂性、挑戰性的遊戲，以提

高學生的動機，讓學生在遊戲中達到學習的成效。遊戲式的設計是將

學習的內容融入遊戲中，遊戲的方式可涵蓋的種類甚多，諸如戰鬥

式、探險式、過關斬將式、邏輯式、角色扮演式等等。

2-3-3 傳統教學與電腦輔助教學的比較

傳統教學的特性﹝3﹞：

1. 互動學習

大班教學可以增加學習互動的機會，節省教師人力。通常在團體

教學中互動教學較有啟發性，教師導引出問題，可激發學生不同的思

考方式進而引出更多的問題。

2. 教師的身體語言

善用身體語言，可把只能意會不能言傳之處表現得淋漓盡致，使

學習者心領神會。

3. 語言表達

在傳統的教學中，教師在課堂上講解時，語意表達可以保持機動

與彈性。在機動方面若學生聽不懂方式一的說法，可以改用方式二來

講解。而彈性方面有些句子的表達所用的句子的深淺，教師可以隨時

變化，有時句子長短也可依學生的表情困惑或釋然，改變說明的長短。

4. 情意教學

教師可以視學生的回答反應與學生的情緒表現，採取適當的雙向

9

溝通。在學生表現疲累時，教師可以講些有趣的題材，振奮學生的學

習精神。

電腦輔助教學的特性﹝3﹞：

1. 個別化教育

電腦輔助教學個別化教育的特質包括立即回饋(電腦對人的互

動)，學習進度的自我控制(人對電腦的互動)。基於這兩個特點可使學

習快的學的更快，學習慢的也大有進步。

2. 不受空間限制

在傳統的教學裡必須在固定的時間及空間內進行知識的傳授，而

電腦輔助教學則摒除了這項限制，只要有相容性的電腦設備都可以立

即進行教學活動。

3. 適性的發展環境

在電腦輔助教學的環境下，提供了學習者一個具有隱密性及獨立

性的學習空間，減少面對同學的壓力，不必擔心問的問題是否過於簡

單而遭致同學的嘲笑，或是同一個問題問了好幾次而降低自信心。所

以電腦輔助教學使學生可以增加自我學習的機會，而不必擔心在大庭

廣眾前，教師無法多次對一個學生回答問題。

4. 教材發展與應用

電腦輔助教學的教材發展由教育學者，教師學生及程式專家共同

編寫出來。一個良好的電腦輔助教學教材，可以提供多數的教師使

用，因而可以節省很多教學的勞力與時間，使教師有時間去從事其他

的教學研究或活動。

傳統教學與電腦輔助教學之比較如表 2-2。

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表 2-2 傳統教學與電腦輔助教學比較

傳統式教學 電腦輔助教學 學習方式 學習者被動地吸收知識。 學習者主動地建構知識。 學生活動 學習者複製老師授課內容。 學習者在系統中產生互動。 教學方式 以講義、圖片說明。

以口述講解。 以黑板繪圖或文字講解抽

象概念。

學習者於任何一台電腦上進行

上機學習。 教學者從旁輔助學習者上機學

習。 學習流程 講師口述→考試→回饋→

知識。 情境學習→操作系統→學習→

知識。 特性比較 學習者程度不一，教學者不

易掌握教學進度。 學習者必須跟上教師進

度，部分學習者無法跟上進

度。 學習者通常只能依據上課

時的講義、課本學習。 學習者處於被動吸收狀

態，無法主動學習。 教學中會出現重複性高或

是內容較沉悶的情況。

個別化教學，教學者容易掌握

教學進度。 一人一機制度，不會發生因為

擁擠而無法學習之問題。 學習者可在課後獨自於家中電

腦複習上課內容。 學習者可無限次的進行操作練

習。 學習者可依自行學習效果調整

學習進度。 透過互動式多媒體，用活潑化

的方式教學。

電腦輔助教學的優缺點如下﹝2﹞：

優點：

1. 增加互動(Interaction)的機會。

2. 滿足個別化(Individualized)教學的需求。

3. 可以獲得立即的回饋(Feedback)。

4. 能培養學生主動的精神。

5. 易於監控(Monitoring)學生的學習情況。

缺點：

1. 需要較昂貴的設備。

2. 需要額外的發展技巧。

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3. 發展費時。

4. 限制副學習(Incidental Learning)減少人際溝通的機會，而易產生

非人性化(Dehumanization)的問題。

2-4 虛擬實境

2-4-1 虛擬實境的定義

虛擬實境在目前並沒有一個統一的定義，在相關文獻中，有許多

意義與虛擬實境相似的詞彙，如 Cyberspace、Artificial Reality

Telepresence 等。而虛擬實境的定義，大略可分狹義的技術面定義，

以及廣義的由媒介和經驗角度來分析。如 Gigante 認為虛擬實境在技

術上需要若干配備如即時由電腦產生的 3D 圖形，廣角、立體化的視

覺呈現，使用者頭部與手勢姿態的追蹤，立體化的聲音，觸覺回饋以

及聲音輸入與輸出設備﹝4﹞。

Sutherland 指出，虛擬實境是模擬的、由電腦產生的世界、而使

用者可在其間自由的遊走，獲得即時的回饋，如同再真實空間中行走

一般﹝5﹞。

Latta 整理出虛擬實境三個最重要的要素，分別為：真實度(Degree

of Realism)、與可感測的環境(Sensory Environment)、以及個人的控制

(Individual Control)﹝6﹞。

Sheridan 則是用臨場感(Presence)的角度來定義。他認為虛擬實境

的臨場感應具有三個向度：(1)感官資訊的延伸：將資訊適當地傳遞

使用者接收；(2)控制感測器與環境接觸：使用者可以自行控制視野，

觀看事物；(3)操作真實事物的能力：操作虛擬環境中的機器或改變

虛擬環境中的物體的能力﹝7﹞。

12

圖 2-1 臨場感構成的三個向度﹝6﹞

Summitt & Summitt 對虛擬實境提出了兩種看法。其一是將虛擬

實境定義為一種電子通訊媒介，當作感官經驗的延伸，如同電話可以

延伸我們的聽覺範圍，相對的虛擬實境則可延伸所有的感官範圍。第

二種看法則將虛擬實境視為一種體驗，虛擬實境只是讓使用者藉由媒

體來體驗環境。即使系統生動，畫面逼真，互動性也佳，若使用者不

將之視為一個存在空間，則虛擬實境也無法存在﹝8﹞。

Heim 認為「虛擬」的意義是在非正式的情況下，被認為是一種

存在的實體或效果；「實境」的意義則是一種真實的事件或情況。綜

合兩者，「虛擬實境」的意義便是「一個事件或實體具有真實的效果，

但並非真正的真實」，也就是盡可能的模擬真實的環境﹝9﹞。

許秀影等人認為，虛擬實境必須掌握以下這五個特性﹝10﹞：

1. 由電腦產生。

2. 是個 3D 立體空間。

3. 可以和這個空間的事物進行交談。

4. 可以隨使用者的意志自由的游移。

13

5. 要有融入感及參與感。

虛擬實境的五個特性請參考圖 2-2。

圖 2-2 虛擬實境的五個特性

Burdea & Coiffet 並提出虛擬實境必須滿足三個基本要求﹝11﹞：

1. 融入度(Immersion)

當為了一件事情沈迷投入時，會達到渾然忘我的境界，完全無視

於外界的環境。虛擬實境就是藉助這種心理讓人擺脫現實環境的壓

力，讓人自然而然地融入到電腦所模擬的虛擬世界。

2. 互動性(Interaction)

因為真實的世界中，人可以與周圍的環境互動，例如：抬頭可以

看到太陽、白雲，可以和行人打招呼。所以虛擬實境就是要把這種人

與環境的互動性，加入虛擬世界中讓虛擬世界變得更加地真實。

3. 想像力(Imagination)

人類就是有類似天馬行空的想像力，才創造了今日的世界。虛擬

實境就是想藉著人的想像力，將虛擬實境和真實的事物聯想一起，好

比一個雖然沒有進入大英博物館，卻可透過網際網路去瀏覽參觀虛擬

的大英博物館。

14

虛擬實境必須滿足的三個要求如圖 2-3。

圖 2-3 虛擬實境的三個要求

虛擬實境剛出現的時候，網路技術並不普及。現在由於科技的進

步，虛擬實境已經從 I3演變成 I4了，也就是除了前述的三個 I 以外，

應再加上網際網路(Internet)這個要素，朝多人互動來發展，來大幅增

加虛擬實境的互動性﹝12﹞，如圖 2-4 所示。

圖 2-4 虛擬實境的四個要求﹝12﹞

對於虛擬實境，不同立場便會有互異的定義，以下就各學者對虛

擬實境定義的看法做一整理如表2-2﹝13﹞：

15

表 2-2 虛擬實境定義表﹝13﹞

定義角度 學者 主張 以技術設備

定義 Giante 虛擬實境在設備面需要具備有電腦產生的3D圖

形、立體化的視覺呈現與聲音系統、頭部與手部

姿態的追蹤系統、觸覺回饋與聲音輸入輸出裝

置，其主要強調融入式、多重感官刺激的設備。 以人機介面

定義 Setuer 主張不能以設備技術之有無作為判斷虛擬實境之

標準。 Latta 將虛擬實境視為供個人行動的環境，VR三要素

為：真實度、可感測的環境，以及個人的控制。 Sheridan 臨場感構成三要素：感官資訊的延伸、與環境接

觸，以及操作真實事物的能力。 Summitt, et al.

以媒介角度，用生動度與相互作用來定義，使用

者只要能在虛擬世界中直接經歷、產生相互作用

都可算是虛擬實境。 許秀影 虛擬實境必須滿足五項特性：電腦產生、3D立體

空間、融入感與參與感、進行交談與自由的游移。

Burdea & Coiffet

強調虛擬實境的三要素：融入度、互動性以及想

像力。虛擬實境是具有內容的，並非只是人機介

面或溝通媒介。

以構成要素

定義

紀大任 如前Burdea & Coiffet的論點，但更強調現今的虛

擬實境應具備網路多人互動的功能。 Summitt, et al.

虛擬實境是使用者的體驗，使用者必須相信有此

一空間存在，依其主觀判斷而定。 Heim 虛擬實境是一個事件或實體，其具有真實的效果

但並非真正的真實，先決條件是人類感官要相信

這是真實的環境。

以使用者主

觀角度定義

Applewhite 只要是高度合理互動的浸入式環境、便可讓使用

者相信。

2-4-2 虛擬實境的種類

虛擬實境技術大致區分為三維立體模型建立、視覺輸出裝置、以

及意念輸入裝置等。經由「虛擬實境」的一系列計畫發展程序，包括

事件架構與主題表現方式之整體構思、故事發展之劇本編撰、物體模

型與場景製作、硬軟體系統整合操控、依時序與動作建立線上之操控

點、描繪修飾、建立多媒體展示時之操控點與展示等，而建構一個真

16

實世界的模型。人類可以利用輔助的週邊設備與虛擬模型進行功能互

動，進而達到學習、控制與模擬等特定目的。

虛擬實境依使用的技術不同而可分成幾何式虛擬實境、影像式虛

擬實境、混合式虛擬實境三類﹝14﹞：

1. 幾何式虛擬實境(Geometry-base VR or Graphic-based VR)

此種形式的「虛擬實境」是架構在所有場景與事件皆由 3D 模型

模擬建置而成，故具有高度的互動性，且可讓操作者於使用時可以放

若置身其中。因為每一個物件皆真實存在於景中，所以非常容易設定

其行為與互動方式。但因為場景中美一個物件皆由 3D 模型建構而

成，所以場景中每一個動作皆必須經由許多複雜的「計算」才能夠得

到。

2. 影像式虛擬實境(Image-based VR)

「影像式虛擬實境」其製作方法說起較為簡單。在想要製作場景

的地方規劃好要拍攝的景點，然後於各個拍攝點架設好照相機以此為

圓心，每隔十五至三十度的角度拍攝一張照片，每張照片需有部份重

疊。依此法拍攝全場景，然後將這些照片經過特殊的軟體加以縫合，

那麼我們就可以得到一個全景的影像。這樣的場景自然就缺乏景深，

而導致整場景的立體感不足。此外，場景中的物件均由拍攝而得，所

以就沒有「互動性」可言。再加上對於實際上不存在的物件無法用此

方法呈現亦是其致命傷。

3. 混合式虛擬實境(Hybrid VR)

上述「幾何式虛擬實境」、「影像式虛擬實境」，雖然各有特色，

但卻無法提供完整的解決方案。而「混合式虛擬實境」就具備了其二

者之優點，成功的整合「互動性」與「真實性」，成為 VR 應用技術

之新主流。「混合式虛擬實境」只需要如同「影像式虛擬實境」拍下

17

需要的場景經由縫合後，便可於場景中依照我們的需求，加入其他不

存在場景中的物件，並可設定物件互動的行為。如此，「混合式虛擬

實境」就可省下自建模型的時間，但仍有真實性的場景。

在「幾何式虛擬實境」及「混合式虛擬實境」中，都必須建構

3D 模型物件，然後依使用者實際需求，賦予建立 3D 模型物件其行

為互動指令及參數，以利使用者於「虛擬實境」的環境中可以有互動

之行為。3D 模型物件的建立，必須有良好之美工專業技術，若要再

賦予行為互動指令及參數，又必須具有專業之資訊技術，且許多行為

是不容易製作的。所以在軟體技術不斷的研發與演進的過程中，現今

已可以利用「動作擷取」(Motion Capture)技術來輕易完成上述 3D 模

型物件的行為互動指令及參數，不必再去設定複雜的程式了﹝14﹞。

虛擬實境依不同的技術類型之優缺點比較如表 2-3。

表 2-3 虛擬實境依不同技術類型之優缺點比較表

類型 優點 缺點 幾何式虛擬實境 物件互動性高

物件行為較為自由 場景可以自由遊走 場景深度與立體效果佳

場景真實感低 場景製作難度較高 電腦運算速度需求較高

影像式虛擬實境 場景真實感高 場景製作難度較低 電腦運算速度需求較低

物件互動性低 物件行為較受限 場景只能定點瀏覽 場景深度與立體效果差

混合式虛擬實境 物件具互動性 場景具真實感 技術要求較幾何式低 節省自建模型時間

物件行為製作不易 需美工專業技術 需資訊專業技術

虛擬實境依投影的技術不同，我們可以將現有虛擬實境系統分為

四大類：桌上型 VR 系統(Desktop VR)、融入型 VR 系統(Immersive

VR)、投影型 VR 系統(Projection VR)以及模擬型 VR 系統(Simulation

18

VR)﹝15﹞。

1. 桌上型 VR 系統(Desktop VR)

這種是最「陽春」的虛擬實境系統，所使用的設備為一般個人電

腦所使用的配備，例如螢幕、搖桿、滑鼠、音效卡等，當然為求立體

顯像效果，3D 立體眼鏡亦為必備設備之一。然而為求更高級的操控

效果，3D 滑鼠或空間球則有取代傳統滑鼠之趨勢。

2. 融入型 VR 系統(Immersive VR)

要達到「身歷其境」，則必須身處於密閉空間之中，最簡單的方

式為利用頭盔與手套，將視覺、觸覺與聽覺與外界隔離，讓使用者完

全進入一個與現實世界隔離的擬真環境。

3. 投影型 VR 系統(Projection VR)

融入型系統是足以展現虛擬實境的特色，但缺點是僅供單人使

用，多人使用狀況下、須考慮設備成本以及設備連線複雜度大幅提

高，因此利用大型投影螢幕隔離出一密閉空間，便可以提供多人參與

體驗虛擬情境。

4. 模擬型 VR 系統(Simulation VR)

所謂模擬型，顧名思義是專門作為模擬應用之虛擬實境系統，一

般可以見到的是遊樂場中配有小型動力平台之大型遊戲機台如賽

車，飛行戰鬥等，當使用者操作時，以油門收放、方向盤／操縱桿控

制方式，達到視覺、碰撞以及音效等反應。

2-4-3 虛擬實境的應用

有關於虛擬實境在各界所帶來的便利已經廣泛的出現在許多地

方。由一般網路應用、商品展示，甚至到軍事訓練等。目前市面上應

用範圍我們可整理出表 2-4﹝16﹞。

19

表 2-4 虛擬實境的應用﹝16﹞

應用市場 應用類別 網路應用 虛擬銀行、商店、博物館、校園、多人互動式教學、遊戲、分散

式互動模擬(DIS)等。 教育 虛擬科學實驗室、虛擬天文館、青少年數理立體觀念、生活教育、

專業領域的教育訓練等CAI軟體。 訓練 駕駛(一般車輛、吊車、堆土機等)、飛行、滑雪、機械人操作模

擬、火災救災演練及各式儀器、設備操作、安裝與檢修訓練。 醫學 外科手術、遠程遙控手術、身體復健、虛擬超音波影像牙齒校正

及藥物合成等。 設計 器材、室內、景觀、建築、土木、管線工程、機械人輔助設計、

室內音響模擬、噪音測試等。 商業 廣告(動產、不動產、一般業務推銷及企業網頁製作)、財務分析、

電傳會議及虛擬購物中心等。 簡報 博物館、紀念館、捷運車站簡介及遊客導覽系統。 軍事 飛行模擬、各式軍車、軍艦、武器操控及軍事演習與太空訓練、

虛擬駕駛等。 監控 即時性股市行情顯示、分析、電信網路及交通監控等。 藝術 動態藝術、虛擬演員、虛擬音樂等。

科學視覺化 行星表面重建、虛擬風洞試驗、分子結構分析等。 刑事調查 犯罪現場模擬。 娛樂 電腦遊戲、電動玩具機、虛擬電影院。

2-5 虛擬實境在電腦輔助教學之應用

對電腦輔助教學應用「虛擬實境」技術的必要性之評估重點為教

學概念中是否需要包含平面空間、場景概念。當課程只需平面的概

念，建議可應用一般多媒體電腦輔助教學課程軟體即可將課程內容完

全表現。當課程需要空間概念時，表示課程不重視物體上的色調、圖

像，而重視物體相互之位置關係﹝14﹞，僅需一般多媒體的系統輔助

說明即可，例如講授樑受外力的應力分佈情形。當課程屬於互動性

高、真實性強、需特殊裝備器材、或具相當程度之危險性的教學時及

需要場景概念，則適用「虛擬實境」技術，如講授樑漸進受力時應力

的分析情形。

現行教育訓練頂多提供文字、圖形、聲音、動畫、影像等元素的

20

結合，在「情境認知」與「情境互動」等項因素的融入程度不足，無

法使受教者感同身受。虛擬實境技術應用於教學除足以將上述之缺點

全部改善外，並結合「情境認知」與「情境互動」等項因素的融入，

讓教學環境與學員達到一定程度互動的教學目標且具備即時雙向交

流的目的﹝14﹞。

2-5-1 虛擬實境在電腦輔助教學上的應用方式

1. 教學：由於虛擬實境的技術強調身歷其境，在對使用者所收到感

官刺激的程度而言，遠超過平面媒體的圖文訊息傳遞，對於課程

主題的記憶及領悟有實質加深的效果。

2. 訓練：情境因素為支持實作訓練的要件，藉由反覆的訓練將能夠

降低實作時可能衍生非預期的風險。虛擬實境技術可經由特定領

域的專才參與，提供完善而具體的演練程序，並由物件模型強化

物的設計以刺激使用者的正面反應。

3. 模擬：模擬係於虛擬實境應用中導入時間或獎懲壓力，諸如即時

動作、有時限的任務，再藉由互動性良好的人機介面，讓使用者

有一定的發揮與思考空間。

2-5-2 虛擬實境應用於電腦輔助教學上之優點

1. 虛擬實境技術應用於教學上僅需要電腦模擬系統的成本，相當符

合經濟效益。

2. 每位學者可以自行控制系統訓練與操作學習，不需要教師在旁監

督也可以進行練習。

3. 即使操作不當，也不用擔心會損害真實的設備系統。

4. 訓練場景可以在虛擬場景中設定，可以有需多不同的場景狀況。

學習者可以感覺到非常逼真的情境，可以提高學習的情緒，進而

21

提升訓練成效。

5. 系統甚具彈性，很容易依照使用者的需求做適當的修正，以符合

使用者的期望。

6. 不受天候影響，隨時都可以從事教育訓練。

7. 不受教育場地不足的影響，即使在最偏遠的校區也可以使用。

8. 可以用較低成本同時訓練很多人。

2-5-3 虛擬實境教學與傳統教學的比較

傳統教學與虛擬實境教學之比較如表 2-5﹝15﹞。

表 2-5 傳統教學與虛擬實境教學之比較﹝15﹞

傳統式教學 虛擬實境輔助教學 學習方式 學習者被動的吸收知識。 學習者主動的建構知識。 學生活動 學習者複製老師授課內容。 學習者在虛擬實境中以互動

學習。 教學方式 發講義內附圖片說明。

教學者以口述，搭配學習者

以看實物之方式，逐一步驟

介紹操作方式。

學習者於設計過的情境中進

行虛擬實境教學。 學習者於任何一台電腦上進

行上機學習。 教學者從旁輔助學習者上機

學習。 學習流程 講師口述→考試→回饋→知

識 情境學習→操控→學習→知

識 優缺點比

較 受天候影響。 學習者可直接親臨現場，觀

看實物狀況。 教學者解說步驟時，只能操

控一部儀器，學習者常看不

清楚教學解說細節。 學習者必須跟上教師進度，

部份學習者無法跟上進度。 學習者通常只能在上課時練

習操作儀器，練習次數有限。

學習者錯誤操作可能會造成

儀器損壞。

不受天候影響。 虛擬實境雖可模擬儀器狀

況，但與實際儀器上有差異

存在。 學習者學習時，如採一人一

機教學，學習者不會看不清

楚教學解說細節。 學習者可依自行學習效果，

調整學習進度。 學習者可在任意時間練習操

作儀器，練習次數無限制。

學習者錯誤操作不會造成儀

器損壞。

22

2-6 虛擬實境在工程教育上之應用 2-6-1 國內相關研究

陳瓊瑶(1995)以虛擬實境在教育訓練之應用為探討的主題，進行

研究。本研究主要是採取實作方式和分析比較方式。研究結果顯示，

虛擬實境在教育訓練之應用是可行的。

蘇芬雅(1996)承續國內外相關領域的研究結果，繼續探索虛擬實

境於教育應用的可行性，設計出一套專為國中學生設計的虛擬實境地

震學習系統：MOVER。研究結果顯示，MOVER 系統的學習內容可

以適合國中程度的受試者，他們對於虛擬實境的接受性很高，對未來

虛擬實境於教育應用的發展亦持正面態度。

柯廷潔(1997)設計一套個人電腦組裝職訓的虛擬實境系統。使用

時受訓者頭部戴上頭盔顯示器，本系統則即時輸出立體的組裝工作台

場景，可看到工作台上各種逼真貼圖的組件及工具。然後受訓者移動

雙手，開始從事組裝動作。由本研究成果得知，受訓者在接受虛擬組

裝訓練後，對電腦組裝有進一步的認識，並且對虛擬實境的接受度高。

邱明祺(1997)探討虛擬實境於電腦輔助教學上的應用，完成一間

虛擬材料力學實驗室，並評估其可行性及適用範圍。本研究將虛擬實

境結合全球資訊網及超文件格式的技術，提供系統相關的材料力學教

學資源。研究結果顯示，虛擬實境能提供了電腦輔助教學 3D 圖形的

觀察介面，而超文件連結則提供了相關的教學說明網頁，藉由兩者的

相輔相成，提供使用者能夠達到更好的學習效果。

陳采穗(1998)嘗試將虛擬實境技術應用在加強國小高年級學童

的空間能力上。依據學者對空間能力的研究及虛擬實境技術的特性，

開發一套可以加強積木旋轉能力的三度空間物體操控軟體。統計結果

顯示，接受本研究所開發之軟體訓練的國小高年級學童，其積木旋轉

23

能力有顯著的增強。

吳銘輝(1998)嘗試著透過一個建築設計的實驗來分別測試傳統

繪圖與虛擬實境兩項媒材，並根據實驗的過程與最終的結果來比較兩

種媒材的差異性，及找出虛擬實境在建築設計過程中的一些特性。研

究結果顯示，虛擬實境中具有三維空間的即時視覺感受，在空間的處

理與空間的安排利用上都可以有比較仔細的考慮。

葉儒智(1998)從虛擬實境學習環境的深入探討，配合學習理論及

教學設計之系統化方法，利用虛擬實境塑形語言(VRML)發展出一個

可以透過網際網路來學習的虛擬實境學習環境線上課程。經過實際施

測之程式追蹤及使用者回饋問卷之分析，有 85.1%的使用者認同本虛

擬實境學習環境系統之內容設計。

劉勝民(1998)研究之目的在建構一套三維虛擬實境的課程軟體

發展模式，並以所建構之發展模式，設計製作識圖教學課程軟體系統

雛形。為達成研究目的，本研究首先探討課程軟體之建構模式與設計

原則，並以國民中學生活科技課程中識圖與設計單元之教學活動構思

當作應用實例，再以雛形法進行課程軟體開發，最後再進行評估與應

用。本研究課程軟體的發展模式、人機界面設計原則、方法與技術，

可做為其他需要空間能力配合之課程提供發展課程軟體的參考。

蕭丞鈞(2001)運用虛擬實境技術發展一套在個人電腦操作環境

下之靜脈注射虛擬實境模擬系統。在學生模擬操作結束後，系統將詳

細列出在整個注射程序中使用者操作行為之評估報告。研究結果顯

示，本系統可增進醫護學員對靜脈注射的瞭解，於實地操作時更具備

精進之技術。

林政佑(2002)透過多媒體與網際網路結合工業設計課程，發展出

一套可學習、測驗的網路教學模式，以有助於工業設計教育的教學與

24

學習。研究結果發現，以網路虛擬實境的方式做為學習後的練習、測

驗，並搭配不同的媒體類型做為解說之教學模式，對於教學滿意度有

正向偏好的影響。

陳世峰等(2003) 研發一套「虛擬實境數值地形測量電腦輔助教

學系統」ICALS。學生可在虛擬實境的環境中進行選取地形特徵要點

及編輯三角網，如臨現場般的進行測量作業，並在作業完成後立即了

解學習狀況、達到即時回饋的效果。並對使用系統的學生進行問卷，

以評估系統的實用性。研究結果顯示，系統對學習有良好的貢獻性。

鍾日欣等(2003)描述一個在全球定位系統(GPS)儀器與量測之領

域的互動式多媒體之發展經驗。這個系統的主要目標是，經由以多媒

體技術為基礎的教學系統的智慧型互動，幫助學生獲得 GPS 操作的

基礎，以補野外教學之不足。這個系統被設計成一個具有智慧的、使

用者友善的互動之自我控制進度的虛擬教師。課程軟體包括在模擬真

實儀器的虛擬儀器上作練習的單元，因此學生能夠沒有實際儀器下，

進行虛擬的操作實習。根據對學生的問卷，學生對這個系統有良好的

反應。

唐為灝(2004)藉由虛擬實境互動性、個人化回饋、參與感及融入

感等特性，建立一套虛擬全站儀，可以定心、定平與照準等全站儀功

能，使初學者不會被傳統測量實習中時間與空間條件所限制，以達成

更佳的學習效果，並提升學習興趣，進而改善教學的品質與效果。唐

為灝所開發之系統展示於圖 2-5~圖 2-6。

25

圖 2-5 概略定平與精確定平(唐為灝開發)

圖 2-6 粗略照準與精確照準(唐為灝開發)

江宗原(2005)建立一套導線測量教學系統，這套互動式系統中包

含：(1)測量學教學(導線測量與細部測量部分)模組(2)導線測量實習模

組(3)地物測量實習模組，並採用模擬式遊戲教學法(SG)搭配虛擬實境

建構。江宗原所開發之系統展示於圖 2-7~圖 2-8。

26

圖 2-7 導線定位模式之執行畫面(導線測量)

圖 2-8 瞄準鏡模式執行畫面(導線測量)

鍾勁威(2005)使用物件導向程式設計以及 3Ｄ電腦繪圖技術來開

發一個有互動式及視覺化等特性之虛擬實境，來呈現的結構動力分析

系統，讓使用者能以最有效率的方式設計建物、並且模擬建物在地震

力作用下的動力反應。

許啟彬(2005)建立可套用於汽車駕駛模擬器之車輛模擬軟體，此

軟體分成車輛動力傳輸、車輛動態與操控運動感覺等三個次模組。

回顧 2000~2006 年與虛擬實境相關的研究，國內博碩論文如表

2-6，國科會專題研究如表 2-7。

27

表 2-6 2000~2006 年虛擬實境相關研究國內博碩士論文整理表

作者 指導教授 年代 標題 學校 學位 備註

鍾勁威 洪士林 2005 虛擬實境應用於結構動力

分析模擬 國立交通

大學 碩士 土木工程系

所

許啟彬 馮君平 2005 駕駛模擬器之車輛模擬系

統研究

國防大學

中正理工

學院 碩士 兵器系統工

程研究所

鄭傳璋 李良輝 2005 船舶操縱模擬系統視景資

料庫建置之研究

國立高雄

應用科技

大學 碩士

土木工程與

防災科技研

究

江宗原 葉怡成 2005 虛擬實境在測量實習之應

用 中華大學 碩士 土木與工程

資訊學系

張聖裕 何明果 2004 直昇機飛行模擬環境之建

構與發展 國立臺北

科技大學碩士 機電整合研

究所

程永富 何明果 2004 平面三自由度動感模擬載

具於虛擬實境系統之設計

與控制研究 大同大學 碩士 機械工程研

究所

林重宏 陳詩豐 2004 虛擬實境技術應用於視障

者定向行動輔助之研究 龍華科技

大學 碩士 機械研究所

徐文俊 陳五洲 2004 Web 3D/VR太極拳教學系

統之開發研究－以四十二

式太極拳競賽套路為例

國立體育

學院 碩士 運動科學研

究所

黃傅旻 趙銘 2004 以虛擬環境為架構之數位

學習系統 逢甲大學 碩士 資訊工程所

唐為灝 葉怡成 2003 虛擬實境在全站儀測量實

習教學之應用 中華大學 碩士 土木與工程

資訊學系

陳世峰 葉怡成 2003 虛擬實境在測量實習教學

之應用 中華大學 碩士 土木與工程

資訊學系

邱欽融 葉怡成 2002 虛擬實境在數值地形測量

電腦輔助教學系統之應用中華大學 碩士 土木與工程

資訊學系

吳駿翔 陳俊達 2002 戰車操控訓練模擬器之虛

擬實境系統研究 大葉大學 碩士 自動化工程

研究所

王柏棋 黃正清 2002 虛擬實境應用於船舶避碰

訓練系統之研究 成功大學 碩士 造船及船舶

機械工程系

許嘉修 方銘川 2002 波浪中船體運動之虛擬實

境操縱模擬 成功大學 碩士 造船及船舶

機械工程系

林政佑 柯志祥 2002 虛擬實境於工業設計教育

之應用 台灣科技

大學 碩士 設計研究所

林克衛 方銘川 2001 虛擬實境於船舶操縱模擬

系統之應用 成功大學 碩士 造船及船舶

機械工程系

盧泰均 林進燈 2001 虛擬實境即時船舶動態模

擬系統之場景與模型建立交通大學 碩士 電機與控制

工程系

28

表 2-6 2000~2006 年虛擬實境相關研究國內博碩士論文整理表(續)

作者 指導教授 年代 標題 學校 學位 備註

蕭丞鈞 鄭銘章 2001 靜脈注射虛擬實境模擬系

統 中央大學 碩士 機械工程研

究所

周松瑞 黃俊仁 2001 駕駛模擬系統中高速公路

虛擬實境場景開發之研究中央大學 碩士 機械工程研

究所

莊中安 林彥君 2001 虛擬實境場景建構程式之

設計與製作 台灣科技

大學 碩士 電子工程系

黃德昌 黃俊仁

董基良2001

影像處理與虛擬實境在醫

學上的應用 中央大學 碩士 機械工程研

究所

陳文慶 陳義男

吳聰能2000

運動模擬與虛擬實境之整

合研究 臺灣大學 博士 造船及海洋

工程學研究

所

黃銘聰 吳忠霖

莊華益

薛文證

2000 虛擬實境應用於汽車駕駛

遊戲機之研究 台灣科技

大學 碩士 機械工程系

蔡卓軒 李世忠 2000

影像式虛擬實境軟體使用

者介面設計與發展─以「淡江大學虛擬海事博物

館」導覽為例

淡江大學 碩士 教育科技學

系

表 2-7 2000~2006 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究

年度 姓名 執行機關 計畫名稱

2006 黃幹忠 崑山科技大學不動產經

營系 虛擬實境運用於敷地設計與開發之系統

建構

2005 劉有德 國立臺灣師範大學體育

學系(所) 虛擬實境練習對學習多肢段協調技能之

影響

2005 楊世偉 國立陽明大學醫學工程

研究所 具訓練、評估、復健功能之虛擬實境輪

椅模擬系統研發

2005 董基良 義守大學生物醫學工程

學系 虛擬實境心肺復甦術教學訓練系統之研

究

2005 張惠欽 德霖技術學院機械工程

系 虛擬實境技術應用於數控工具機實務操

作教學之研究

2004 賴進松 國立臺灣大學水工試驗

所 洪氾淹水模擬與 3D 地形地貌結合之虛

擬實境即時展示技術研發

2003 董基良 國立中央大學機械工程

學系 腹腔鏡手術之虛擬實境數位學習系統之

研究 2003 葉怡成 中華大學土木工程學系 測量實習虛擬實境學習系統之研究

2003 江宏志 清雲科技大學工業工程

與管理系(科) 應用虛擬實境技術建構多媒體醫學知識

庫學習系統之研究

2002 張金堅 國立台灣大學醫學院 產學合作計畫：虛擬實境於外科醫療及

教學之應用

29

表 2-7 2000~2006 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究(續)

年度 姓名 執行機關 計畫名稱

2002 方銘川 國立成功大學造船及船

舶機械工程學系(所) 船舶於波浪中之虛擬實境操縱模擬系統

之研發

2002 謝凱生 高雄榮民總醫院小兒科 建立血管內超音波影像自動分析系統與

虛擬實境的血管導管手術模擬訓練系統

2001 李天浩 國立臺灣大學土木工程

學系暨研究所 應用雷達資料進行降雨系統之辨識與平

移速度估計技術研究及其虛擬實境展示

2001 柯志祥 國立臺灣科技大學工商

業設計系 虛擬實境在遠距教育上的應用

2000 張俊彥 國立臺灣師範大學地球

科學系(所) 地球科學「虛擬實境」學習之初探

2000 蔡文祥 國立交通大學資訊科學

學系 以電腦視覺技術作人與虛擬實境場景之

互動

2000 李逢春 國立台南師範學院自然

科學教育學系

地球科學網際網路之虛擬實境遠距教學

研究-以「台灣河流侵蝕」之 3D 虛擬實

境及其地理資訊系統為例-淡水河

2000 董基良 國立中央大學機械工程

學系 火箭發射系統全程操控虛擬實境技術之

研製

2000 許蒼嶺 國立中山大學電機工程

學系(所) 配電系統運轉決策支援系統─子計畫二:調度員訓練系統的虛擬實境模擬器

2000 高富建 私立吳鳳工商專科學校

電子工程科 整合基本電學理論與實習教學之多媒體

虛擬實境電腦輔助教學系統設計

2-6-2 國外相關研究

Arduino等人(1997)將虛擬實境應用在大地工程中三軸土壤試

驗，製作一個可做為訓練工具的土壤三軸試驗虛擬實境模式，讓使用

者可透過系統了解試驗的整個進行過程與限制。本研究成功設計出一

個以個人電腦為平台的虛擬實境土壤三軸試驗系統，使學生能在系統

中模擬學習實驗室中所進行的步驟及狀況。

Câmara等人(1998)研究目的為透過虛擬實境的技術，將水資源分

佈及水資源利用充分展示，最終期能透過網際網路提供設計者及一般

市民水資源規劃資訊的參考。

Hashash & Ghaboussi(2002)以離散元素法建立一套即時的土壤反

應虛擬實境模型，其中包含土壤的性質、有效應力等，使學生能學習

30

到與大地工程相關的知識。

Phillips & Thompson(2002)以虛擬實境的方式模擬出暴風雨水的

管理方式。系統允許使用者可定義土地使用情況，系統再據以模擬暴

風雨水的影響，以提供研究者與管理者規劃與防制的參考資訊。

Arslan(2003)設計一套為土木工程學生教育，以網路為基礎的虛

擬營建工地參訪系統，使學生能透過網路與虛擬實境的技術，學習營

建工地中的相關知識。

Ayaho Miyamoto & Masa-aki Konno(2005)建立一套訓練學生判斷

並修復受損橋樑的系統，可再未來幫助學生更快找出橋樑的問題所

在，與修復的辦法。

Mehdi Setareh等人(2005)發展出一套虛擬建築分析軟體(VSAP)

，可以增對虛擬實境中的建築物之耐震力作出分析，在針對使用者做

回饋後發現，該軟體的學習成效是非常顯著，應可以運用在建築物的

設計與建造過程。

1990~2006年之ASCE土木領域虛擬實境相關之期刊論文與研討

會列於表2-8。

表 2-8 2000~2006 年 ASCE 土木領域 VR 相關期刊論文與研討會

作者 篇名 出處 Guoqing Zhou and Zenyu Tan and Minyi Cen and Chaokui Li (2006)

Customizing Visualization in Three-Dimensional Urban GIS via Web-Based Interaction

Journal of Urban Planning and Development, Vol. 132, No. 2, June 2006, pp. 97-103

Javier Irizarry and Dulcy M. Abraham (2005)

Application of Virtual Reality Technology for the Improvement of Safety in the Steel Erection Process

Proceedings of the 2005 International Conference; July 12.15, 2005, Cancun, Mexico.

Mehdi Setareh, P.E. and Doug A. Bowman and Alex Kalita and Matthew Gracey and John Lucas (2005)

Application of a Virtual Environment System in Building Sciences Education

Journal of Architectural Engineering, Vol. 11, No. 4, December 2005, pp. 165-172

31

表 2-8 2000~2006 年 ASCE 土木領域 VR 相關期刊論文與研討會(續)

作者 篇名 出處

Tulio Sulbaran (2005)

Distributed Virtual Reality Scheduling in Future Construction Companies

Proceedings of the 2005 International Conference; July 12.15, 2005, Cancun, Mexico.

David V. Jáuregui (2005)

Documentation of Bridge Inspection Projects using Virtual Reality Approach

Journal of Infrastructure Systems, Vol. 11, No. 3, September 2005, pp. 172-179

Metropolis & Beyond (2005)

Virtual Reality Damage Process Education System for Deteriorating Bridges

Proceedings of the 2005 Structures Congress and the 2005 Forensic Engineering Symposium, April 20.24, 2005, New York, NY.

George H. Otto, John I. Messner and Loukas Kalisperis (2005)

Expanding the Boundaries of Virtual Reality for Building Design and Construction

Proceedings of the 2005 International Conference; July 12.15, 2005, Cancun, Mexico.

John I. Messner and David R. Riley and Michael J. Horman (2005)

An Interactive Visualization Environment for Construction Engineering Education

Proceedings of the Congress, April 5.7, 2005, San Diego, California.

Gokhan Arslan (2003)

Design of a Web-Based Virtual Construction Site Visit for Education of Civil Engineering Student

Proceedings Of The Fourth Joint International Symposium On Information Technology In Civil Engineering, November 15-16, 2003, Nashville, Tennessee, pp.1-8

Julie Hartman (2003)

Technology: Researchers Create Virtual Earthquake Engineering Lab

Civil Engineering—ASCE, Vol. 73, No. 2, February 2003, pg. 38

Eddy M. Rojas and Amlan Mukherjee (2002)

Data Modeling for the Virtual Coach

Proceedings of the International Workshop on Information Technology in Civil Engineering, November 2-3, 2002, Washington, D.C , pp. 308-317

Youssef M. A. Hashash and Jamshid Ghaboussi (2002)

Discrete Element Modeling for the Development of a Real-Time Soil Model in a Virtual Reality Environment

Geotechical Special Publication no.117; Proceedings of the Third International Conference Sept. 23-25, 2002, Santa Fe, New Mexico, USA

Brett C. Phillips and Geoffrey Thompson (2002)

Virtual Stormwater Management Planning in the 21st Century

Proceedings of the Ninth International Conference on Urban Drainage, Sept. 8-13, 2002, Lloyd Center Doubletree Hotel, Portland, Oregon

Youssef M. A. Hashash and Jamshid Ghaboussi (2002)

Discrete Element Modeling for the Development of a Real-Time Soil Model in a Virtual Reality Environment

Discrete Element Methods: Numerical Modeling of Discontinua, pp. 112-117

Denis Gracanin and John Collura (2001)

Virtual Reality Based Interface for Simulation and Evaluation of Airport APMs

Moving Through the Millennium: Automated People Movers VIII, section 19, chapter 1

Eddy M. Rojas (2000)

Virtual Environments for Construction Engineering and Management Education

Construction Congress VI , pp. 669-674

Eddy M. Rojas (2000)

Virtual Environments for Construction Engineering and Management Education

Construction Congress VI , pp. 263-270

32

表 2-8 2000~2006 年 ASCE 土木領域 VR 相關期刊論文與研討會(續)

作者 篇名 出處 Jarkko Leinonen and Kalle Kähkönen (2000)

New Construction Management Practice Based on the Virtual Reality Technology

Construction Congress VI, pp. 1014-1022

Edward K. A. Kwaw and Peter Gorny (2000)

Reality in Virtual Construction Using Virtual-CAD (VCAD)

Computing in Civil and Building Engineering, pp. 317-324

Raja R. A (2000)

Virtual Reality: A Solution to Seamless Technology Integration in the AEC Industry

Construction Congress VI, pp. 1007-1013

Biemo W. Soemardi (2000)

Virtual Reality (VR) for Precast Concrete Constructability Analysis

Computing in Civil and Building Engineering, pp. 302-308

Sami Al-Masalha and Ron R. Wakefield (2000)

Design for Construction Utilizing a Virtual Environment

Computing in Civil and Building Engineering pp. 23-30

33

第三章 系統分析

3-1 前言

現今的電腦輔助教學結合了文字、聲音、圖片、動畫、影像等，

其製作過程如同一部電影之編導，不僅內容務必正確，系統的挑戰

性、適切性亦是維持學習者動機的重要因素。尤其近年來盛行的情境

教學，更強調內容情境的真實感，在這樣複雜的製作過程中，事前分

析的工作就更加重要。在此章節我們將系統分析細分為：1.需求分析

2.資源分析 3.教學目標 4.功能目標等四個部份，而功能目標又依功能

不同分為(1)全站儀架設教學；(2)全站儀座標測量教學兩部分。

3-2 需求分析

測量工作需使用到多種儀器，但最常使用的就屬全站儀(Total

Station)。全站儀可以勝任大多數的測量工作，是學生最必須熟悉操作

方法的儀器。但由於全站儀的功能複雜，初學者往往無法正確的操作

與使用，常需要多次的練習才能上手。但學生若在不熟悉操作步驟的

情況下，有可能會因為錯誤的動作而導致儀器的損壞。傳統的全站儀

測量教學流程圖如圖 3-1。

34

圖 3-1 傳統測量實習全站儀教學流程圖

許多學生常想在測驗前借用儀器自行練習，但全站儀屬於精密昂

貴的器材，若在沒有老師或助教的陪同下，通常是不會於課餘的時間

外界給學生練習使用，這是為了避免儀器不必要的故障與損壞。開發

本系統的目的即是為了令學習者能夠加速學習速度，彌補目前由於課

程時數之不足所導致的課程壓縮。學生想於課後自行練習時，也可於

家中操作此系統當作復習的教材。虛擬實境教學系統加入後的全站儀

測量教學流程如圖 3-2。

35

學習者

現地測量

課堂結束

是否學會

學會全站儀測量步驟

否

是

全站儀虛擬實境教學系統

全站儀虛擬實境教學系統

學習者於學校學習

學習者於家中

學習

學習全站儀架設與操作

圖 3-2 新全站儀測量實習教學流程圖

全站儀的廠牌眾多，最新的機種還擁有照相、錄影等功能。本系

統在設計規劃階段，由於需要真實的儀器作為系統開發參照之用，選

定本系實習教學所用之由 TOPCON 公司所開發的 GTS-211D 全站儀

(圖 3-3)。該機型擁有基本測量、座標放樣、交會測量、求測點座標、

懸高測定、多邊測量等功能。

36

圖 3-3 TOPCON 之 GTS-210D 全站儀

座標測量為控制測量之基礎，學生必須了解座標測量的方法，才

可以學習更高等的控制測量步驟，所以本研究選定座標測量為系統開

發的目標。直接座標測量示意圖請見圖3-4。

正確的架設儀器為測量工作的重點，全站儀在開始進行測量前必

須完成定心與定平的步驟，而測量的準確度完全取決於這個步驟的正

確度。為了讓使用者可以反覆練習，增加現場實測時的操作熟練度，

本系統將此步驟囊括其中。因此本系統分為全站儀架設教學與全站儀

座標測量教學兩大部份。

圖 3-4 直接座標測量示意圖

37

3-3 全站儀架設教學分析 傳統測量教學在全站儀的架設步驟，需使用三到四週的時間來教

學練習與考核，佔了課程極大的比重。且整個學年的課程都需要使用

到架設步驟，所以全站儀的架設為學習者最需熟練的部份，因此將全

站儀的架設部份獨立出來。本研究之全站儀基本架設教學系統分為四

個部分，分別為：

1. 概略定心

2. 概略定平

3. 精確定心

4. 精確定平

3-3-1 概略定心

此步驟為架設儀器之初，由使用者觀看定心鏡來確定全站儀之光

學中心點已吻合於架設點的座標中心，使用者可雙手抓住全站儀的兩

隻相鄰腳架，以一次移動兩隻腳架的前後左右方式讓定心鏡的十字絲

中心照準座標中心位置。

系統所需功能：

展示定心鏡中顯視的畫面。

使用者可操作腳架移動。

若使用者未正確完成步驟將顯示出警示訊息。

學習者可能犯的錯誤：

定心鏡未正確照準座標點或偏離過多。

腳架固定螺旋未確實鎖緊，導致儀器傾倒。

定心精度不足導致後續的精確定心操作困難。

38

3-3-2 概略定平

概略定平為使用腳架之伸縮來控制儀器水平的步驟。使用者可鬆

開腳架之固定螺旋後伸長或縮短腳架，控制相對於腳架的三個軸向來

令水準氣泡居中。概略定平會影響到定心狀況的偏差。

系統所需功能：

顯示水準氣泡。

腳架之伸縮需鬆開腳架鎖定螺旋後才能調整。

無法一次調整兩支腳架，若操作將並發出警訊。

調整腳架之伸縮需與定心之偏差同步。

圓盒水準氣泡與腳架之三軸的關係，常令初學者感到困惑，常發

生角架已伸縮至上下死點仍無法完成定平的狀況，且於調整腳架伸縮

時需鬆開螺旋，若未重新拴緊螺旋，將造成儀器因腳架鬆動而摔落地

面，此部分為系統設計中需要強調的細節。

學習者可能犯的錯誤：

腳架固定螺旋未確實鎖緊，導致儀器傾倒。

初始腳架伸長量過多或過少，以至無法定平。

氣泡未正確居中，導致後續精確定平操作困難。

3-3-3 精確定心

精確定心步驟主要用意是在於把上一步驟中調整腳架伸縮所造

成的偏心誤差調整回已知點中心。此步驟調整時除定心鏡圖示外，尚

須解除基座鎖的鎖定才能直接調整儀器之前後左右，並且有一定範圍

的限制。

系統所需功能：

需要解除基座螺栓才可移動主機。

39

主機移動有一定範圍的限制。

使用者移動主機超出範圍後將發出警訊。

精確定心之正確與否，必須於精確定平後再次確認其位置。由於

定平儀器後會造成定心鏡的視準軸偏心，所以待操作者完成精確定心

的步驟後，將顯示出返回精確定心模式之圖示，來引導使用者回到此

步驟進行第二次驗證。

學習者可能犯的錯誤：

未解除基座鎖或未完全轉鬆即推動儀器，導致腳架移動。

移動完畢，主機未正確鎖緊基座鎖，導致儀器摔落或誤觸。

3-3-4 精確定平

精確定平為調整三顆踵定螺旋，來微調管狀水準氣泡的居中。此

步驟在全站儀基本操作中最重要之部分，因全站儀在未完成精確定平

步驟前將無法進行操作。且精確定平的步驟需要調整兩相鄰螺旋，及

調整餘下之單顆螺旋，調整過程中必須配合旋轉主機之水平度盤來平

行或垂直管狀氣泡長軸方向，常令初學者覺得太過抽象。

系統所需功能：

顯示管狀水準氣泡。

旋轉水平度盤前需鬆開固定螺旋，使用者若轉動將發出警示。

定平完成後顯示返回精確定心之圖示。

初學者常在架設儀器時卡在這個步驟，即是因為概略定平步驟沒

有操作正確。由於管狀水準氣泡靈敏度極高，若圓盒水準氣泡沒有先

進行居中，在進行精確定心時將發生氣泡無法移動的窘境。所以必須

於概略定平步驟時發出警訊，警告使用者該注意的細節。

學習者可能犯的錯誤：

40

精確定平完畢後未檢查定心是否正確。

未定平正確至足夠的精確度，導致後續當儀器轉至某些角度時無

法測量。

儀器開始定心定平前，未先使踵定螺旋高度大約居中，以致螺旋

到極限仍無法定平，而須重新定心定平。

3-4 全站儀座標測量教學分析

當儀器架設完成時，下一步驟為進行稜鏡的照準與儀器指令的操

作，最後完成座標測量作業。傳統教學在此部份需要花到四到五週來

進行操作練習。最後於期末時考核學生的學習成效，這個步驟需要靠

操作儀器來練習。本系統將此處將細分為兩個部份：

照準模式。

面版操作模式。

3-4-1 照準模式

此模式是為了讓學習者如何從望遠鏡中搜尋到目標物，並在正確

照準反射稜鏡後，儀器才能夠量測數據。在傳統教學方式中，教師無

法將自己在目鏡中觀察到的現象展示給學生參考，而虛擬實境系統可

以突破此一傳統教學的瓶頸。

系統所需功能：

標明前視與後視反射稜鏡。

顯示望遠鏡目鏡中之畫面。

水平度盤固定螺旋、水平度盤微調螺旋、垂直度盤固定螺旋、垂

直度盤微調螺旋四個功能必須可以操作，以用這四個螺絲去調整

望遠鏡物鏡之十字絲來照準反射稜鏡。

41

照準系統要清楚的告知學習者微調螺旋已旋轉至極限，不可繼續

調整螺旋，以免因鎖死而造成儀器損壞。

若使用者沒有正確照準反射稜鏡之中心，系統將無法進行下一步

驟。待後視步驟完成後，系統將會出現切換圖示，指引使用者進

行前視之照準。

學習者可能犯的錯誤：

粗略照準未確實對準，導致進入目鏡狀態後調整水平微調螺旋與

垂直微調螺旋至極限仍搜尋不到目標稜鏡。

對準目標稜鏡中心後，未鎖定水平度盤與垂直度盤，因手的誤觸

而導致儀器未對準目標。

微調螺旋未先居中，以致微調螺旋已旋轉至極限仍無法搜到目標

稜鏡。

照準後視與前視稜鏡的順序顛倒。

3-4-2 儀表板操作模式

當望遠鏡之物鏡十字絲正確照準反射稜鏡中心之後，將開始進行

儀俵板操作，相關步驟如下：

1. 輸入測站資料。

輸入測站之 N(縱距)、E(橫距)、Z(高程)值。

輸入測站儀器高。

2. 進行後視

輸入後視點之 N(縱距)、E(橫距)值。

3. 驗算動作

輸入後視點反射稜鏡高。

4. 進行前視

42

測量出距離與角度。

系統所需功能：

模擬液晶螢幕之畫面，測站與後視點之 N、E、Z 值與儀器高度能

顯示於畫面中。

需可進行後視與前視之功能。

使用者必須正確輸入資料後，切換照準模式之圖示才會出現。若

是錯誤的輸入將出現警示，用以教導學習者正確的操作步驟。

學習者可能犯的錯誤：

開機後並未先行縱轉垂直度盤與橫轉水平度盤進行全站儀主機起

始準備動作，以至無法操作儀器。

數據輸入遺漏。例如未輸入正確的反射稜鏡高就量測三維座標。

數據輸入錯誤。例如輸入 N 值(縱距)與 E 值(橫距)的順序顛倒。

43

第四章 系統設計

4-1 前言

依據 Alessi & Trollip 發展電腦輔助教學軟體的八個步驟模式

(Eight-Step Model)，開發一個系統大致可分為下列步驟﹝2﹞：

1. 定義目標(Define Your Purpose)

2. 搜集資源(Collect Resource Materials)

3. 激發創意(Generate Ideas)

4. 組織創意(Organize Your Ideas)

5. 製作畫面(Produce Displays on Paper)

6. 繪流程圖(Flowchart)

7. 撰寫程式(Program)

8. 評鑑品質與效果(Evaluate Quality and Effectiveness)

前四個步驟，可視為「醞釀期」，包括需決定目標、蒐集與欲發

展系統之課程內容有關的資料，然後再進行構思，以創意的方式去表

現課程內容。

後四個步驟則可稱為「實作期」，也即要將組織好的創意，具體

的表現出來，並安排成合理的教學順序，同時將欲呈現之具體內容畫

在紙上。最後再根據上述之流程與畫面，以程式語言轉換為電腦可執

行的軟體。而在進行程式設計時之過程中，應隨時進行即時性評量。

軟體發展完成後，也應進行軟體評鑑。

電腦輔助教學為教育工作者提供了更有效的工具與環境。借重現

代科技之進步，現今的教學媒體更強調互動性、視覺性、情境化、遊

戲性、模擬性的設計，藉以提高學習者動機、增強理解力、激發想像

力、並培養邏輯思考、推理、語文訓練、記憶、或問題解決能力。但

44

是當我們對電腦輔助教學寄予厚望的同時，卻發現許多開發出來的成

品粗製濫造、缺乏教學原則、介面設計不良、或無法達成課程目標等

諸多問題。對開發者而言，設計不良往往造成工作進度落後、與預期

不合、預算追加等問題。究其原因就是開發者對設計的不重視、缺乏

正確的發展步驟。因此，本章將會針對前一章所分析之重點來進行系

統的設計，並依設計的先後順序細分為(1)教學策略設計；(2)內容設

計；(3)流程設計與(4)介面設計等四個部份，詳述如下。

4-2 教學策略設計

在虛擬實境應用於學習上，有五個重要的議題：(1)可設計的參

與學習(Programmable Participation)；(2)自然的語意表達；(3)建構主

義(Constructivism)；(4)認知呈現以及(5)多人參與﹝19﹞。

1. 可設計的參與學習

創造環境讓學習者能夠參與，而學習者的行動直接決定他們學習

的內容。虛擬實境可提供多樣化的學習情境，既使在同一情境中，依

學習者個別的差異、興趣不同，也會產生不同的學習歷程與結果。如

果適當的設計虛擬世界中各物體的行為邏輯，也可成為智慧型的訓練

系統。

2. 自然的語意表達

大多數的科學都具有可現實化的部份，我們應先用較自然的現實

化解釋能力，而非在一開始便使用純文字符號、抽象形式來學習。

3. 建構主義

學習主要來自學習者在環境中的經驗，將課程教材隱藏起來，需

學習者自行注意、發覺並經歷而學習。

4. 認知呈現

45

在多人的虛擬實境中，彼此皆可看到對方的虛擬身影，但虛擬身

體的表現方式並不限定與真實世界的人類相互對應，如果由學習者扮

演物體，對於彼此認知上也會有不同的變化。

5. 多人參與

藉由多人共存於一個空間中，透過彼此協商而可達成意義建構的

目的。

以建構主義來設計虛擬實境的教學活動，藉由學習者在虛擬實境

中學習歷程的紀錄，可直接反應學習者的問題所在。而以虛擬實境作

為電腦輔助教學的工具，應有以下幾個特點﹝17﹞：

1. 虛擬實境在視覺方面可以很容易地呈現抽象問題。

2. 在虛擬實境中可以重複、自由地讓學習者嘗試錯誤，可激發學習

者以多種不同的方法來解決問題。

3. 學習者直接與虛擬物體互動，而得到第一手的假設與測試。

4. 虛擬實境中可設計紀錄學習者的錯誤並加以回饋，提醒學習者必

須注意自身的行動。

5. 虛擬實境系統可以即時蒐集並顯示複雜資訊，幫助學習者找到目

標。

6. 融入式且接近自然的環境可增強學習者的記憶，使其更容易地解

決問題。

7. 虛擬世界是一個變動的環境，可藉由反覆的練習過程讓學習者對

於所學更為熟悉。

本系統的設計原則，參照上述之看法，有以下幾個重點：

1. 從做中學

系統將引導學習者完成整個直接座標測量的過程。學生在親自操

作一遍之後，於現場使用時將會有熟悉感，且系統中被放大的細節部

46

份，可令使用者於現場操作時產生深刻印象。

2. 逼真環境

真實的校園場景，跟現地測量時擁有相同的環境，可以令使用者

更為融入虛擬系統當中，增加學習時的真實感。

3. 錯誤警示

當使用者做出錯誤的操作時，系統將會提供警示訊息，並限制使

用者操作下一個步驟，必定要讓使用者了解出問題的環節，與解決問

題的方式。

4. 自由探索

使用者在進行操作步驟時，可以隨時切換至自由移動模式來瀏覽

完整地形，這對於使用者在了解各器材與地形的相對位置有極大的幫

助，並且可以大幅增加虛擬實境的融入度。

5. 紀錄評估

記錄使用者操作架設步驟的完成時間與系統操作的錯誤次數，在

下次進行操作後可以知道進步的時間與成效。

4-3 內容設計

全站儀直接座標測量在傳統的教學方式上，教學者須於學生到達

現場測量前先於場地中規劃三個座標點，分別為測站點、後視點與前

視點，並需測定出三個座標點之三維座標。如此學生在現地測量時，

才可以依據測站點前視點的座標去測量前視點的座標，再將前視點的

座標數據和已知點的前視點座標數據比對，判斷是否正確。

在此系統中，為了提升變化性與互動性，應設計一些可以進行變

動的參數，如將系統內的固定式反射稜鏡與儀器架設配置多樣化，來

提供數組不同位置的座標點讓使用者點選。一來可以避免系統的枯燥

47

單調，二來可以讓學習者練習不同角度的照準方式。此步驟為進入系

統的第一個動作，待使用者選擇練習所需之座標點後，才可進入全站

儀架設教學系統，詳細步驟如圖 4-1 所示。

進入模式

選擇未知點稜鏡

結束模式

是否滿意否

是

選擇已知點稜鏡

切換模式

選擇測站位置

圖 4-1 場地選擇

而為了增加使用者操作系統的融入度，將現地測量的實際場景製

作成立體模型，並重現於虛擬實境教學系統中，並可以設立多支固定

式反射稜鏡，讓學習者練習照準不同角度的反射稜鏡，也可避免系統

流於單調、枯燥。圖 4-2 與圖 4-3 為傳統測量教學與虛擬實境測量教

學在測量場景的比較。

48

圖 4-2 直接座標測量(現場) 圖 4-3 直接座標測量(系統)

4-4 系統設計：全站儀架設教學

全站儀架設教學系統分為「概略定心」、「概略定平」、「精確定

心」、「精確定平」四個部份。使用者執行本系統後，待選擇完反射稜

鏡配置與測站點配置後，才可進行此模式進行架設操作。且進入本模

式後，攝影機將會採用跟隨儀器的方式，停留於全站儀後方等待使用

者進行操作。詳細流程如圖 4-4。

49

圖 4-4 全站儀架設教學系統流程圖

4-4-1 概略定心模式

在現地測量中，此步驟為學習者使用雙手抓住兩隻相鄰腳架，以

平移方式來進行概略定心。但在虛擬實境當中實難表現出相同的情

境，遂此處採用較為簡單的模式來展現此步驟，藉由滑鼠點擊上下左

右移動圖示來移動腳架。學習者最需要了解的重點，即是十字絲務必

要確實對準座現地測量中，不論使用者採用何種方法移動腳架，目的

是令定心鏡吻合於嵌入地面的鐵釘。運作流程如圖 4-5 所示。

50

觀察定心鏡位置

移動腳架

切換模式

是否

定心鏡照準座標點

進入模式

判斷是否概略定心

結束模式 圖 4-5 概略定心流程圖

4-4-2 概略定平模式

採用滑鼠點擊的方式，點擊螺旋模型上任一點，即可控制螺旋鬆

開動作。且於鬆開動作完成後出現伸縮圖示，繼續點擊此圖示即可伸

縮腳架以概略定平儀器，使圓盒水準氣泡居中。若使用者一次開啟兩

個腳架鎖定螺旋，系統將會發生警告並禁止動作。若未正確鎖緊腳架

固定螺旋即按下切換模式圖示，也將會出現警示訊息。運作流程如圖

4-6 所示。

51

觀察氣泡位置

鬆開腳架固定螺旋

否

伸縮腳架居中氣泡

否

是

切換模式

鎖緊腳架固定螺旋

進入模式

判斷是否鬆開多顆

判斷是否鎖定

判斷氣泡是否居中

否

是

是

結束模式

鎖緊腳架固定螺旋

圖 4-6 概略定平流程圖

4-4-3 精確定心模式

鬆開基座固定螺旋始能移動主機，因此設計在沒有鬆開基座固定

螺旋前，將不會出現主機移動圖示。主機移動範圍受限於一定範圍，

此範圍大小為儀器安定的界限，於系統中主機無法移動超過一公分

(系統中尺寸)的距離，若繼續移動將禁止操作並發出警訊。且切換模

式時，若基座螺旋未正確固定，系統將會發出警示訊息。運作流程如

圖 4-7 所示。

52

圖 4-7 精確定心流程圖

4-4-4 精確定平模式

精確定平需要轉動水平度盤。此處設計一個轉動功能鍵，當使用

者需要切換角度時即可按下圖示。踵定螺旋的控制設計取決於現實中

需一次轉動兩顆螺旋的關係，不採用滑鼠直接控制的方法，最終是採

用點擊圖示的方式。切換模式時將自動轉回精確定心模式確認定心狀

況，有需要時重複精確定心步驟後再重回精確定平模式。全站儀架設

教學系統流程結束後，進入全站儀座標測量教學系統。運作流程如圖

4-8 所示。

53

十字絲是否照準

進入模式

觀察氣泡位置

旋轉主機至管狀水準氣泡平行兩相鄰踵定螺旋連線方向

判斷是否平行

旋轉相鄰踵定螺旋至氣泡居中

旋轉主機至管狀水準氣泡垂直兩相鄰踵定螺旋連線方向

判斷是否垂直

氣泡是否居中

結束模式

是

否

否

回到精確定心

否

否

是

是

是

旋轉第三顆踵定螺旋至氣泡居中

旋轉主機至管狀水準氣泡平行兩相鄰踵定螺旋連線方向

切換模式

圖 4-8 精確定平流程圖

4-5 系統設計：全站儀座標測量教學

全站儀座標測量教學系統分為「照準模式」、「儀俵板操作」兩個

部份。照準模式又細分為照準後視(已知點)與前視(未知點)兩部分，

使用者需要在儀器操作步驟中進行切換。照準完後視(已知點)反射稜

鏡後，學習者需要開始進行儀器的操作，如輸入座標、瞄準高度等功

54

能。而後視步驟完成後需切換至照準模式繼續照準前視(未知點)反射

稜鏡，始能完成整套系統流程。系統操作流程如圖 4-9。

進入系統

照準已知點反射稜鏡

是否照準正確

儀俵板操作

切換至照準模式

照準未知點反射稜鏡

是否照準正確

儀俵板操作

結束系統

否

否是

是

圖 4-9 全站儀座標測量教學系統流程圖

4-5-1 照準模式

概略照準時只能觀看機身後的跟隨畫面，精確照準才能觀看望遠

鏡畫面。要進入精確照準則需點擊切換圖示。兩者皆使用鍵盤來控制

水平度盤與垂直度盤的旋轉。望遠鏡的水平、垂直微調功能採用滑鼠

點擊圖示的方式進行切換，且只有進入精確照準(望遠鏡畫面中)才可

進行微調。此模式與儀器操作模式必須交互切換使用，但每次切換前

都需正確照準目標，否則系統將出現警訊。運作流程如圖 4-10 所示。

55

圖 4-10 照準模式流程圖

4-5-2 儀俵板操作模式

實機中的液晶畫面與全部儀俵板上之按鍵將顯示於視窗中。而直

接座標測量需要用到的 MENU、 、ANG、ESC、F1、F2、F3、

F4 等八個按鍵都將賦予功能。學習者必須依循步驟輸入，若是操作

步驟順序錯誤或是數據輸入錯誤時，系統將會出現警訊。需要輸入的

數據會顯示於系統中，任一個測站與稜鏡配置將會改變顯示的數值。

運作流程如圖 4-11 所示。

56

圖 4-11 儀器操作模式流程圖

4-6 介面設計

每個模式所需用到的輸入介面不同，故針對不同的模式來設計不

同的操作介面。系統將盡可能的模擬現場實際的操作動作，較抽象的

動作轉換成學習者可以理解的模式。整套系統利用 VB 製作外框架，

並將全站儀的按鈕轉換成 VB 中之按鈕並賦予功能，全站儀之液晶畫

面則由 VB 內之文字視窗顯示。本系統除儀俵板操作使用 VB 所建立

之按鈕，其餘步驟皆於虛擬實境顯示區中進行操作。

初始設計之全站儀虛擬教學系統外觀如圖 4-12 所示，圖中灰色

框格為虛擬實境編輯軟體 EON Studio 匯入之區域。

57

VirtualTotalStationVirtualTotalStation

液晶畫面

ANG

MENU

ESC

F1 F2 F3 F4

儀俵板按鈕區液晶畫面顯示區

切換圖示顯示區 虛擬實境顯示區

概略定平

精確定平

概略定心

互動按鈕操作區

圖 4-12 系統設計介面

4-6-1 操作控制設計

自由移動模式與照準模式需使用到滑鼠與鍵盤來進行操作，為本

系統中較為獨特的操作方式，相關操控按鍵說明如圖 4-13 與圖 4-14

所示。

58

移動攝影機 升降攝影機

旋轉攝影機

旋轉垂直度盤

旋轉水平度盤

圖 4-13 由移動模式控制 圖 4-14 照準模式控制

4-6-2 切換模式圖示設計

系統中需使用到許多切換按鍵，這裡採用圖形搭配文字的方式來

呈現，相關圖示與功能說明如表 4-1 所示。

表 4-1 切換模式圖示

自由移動模式 概略定心模式 概略定心模式

按下後進入自由移動模

式。 按下後進入概略定心模

式。 按下後進入概略定平模

式。 切換氣泡位置 粗略照準與目鏡照準

按下左邊圖示將旋轉主機至管狀水準氣

泡平行兩相鄰踵定螺旋。按下右邊圖示

將旋轉主機至管狀水準氣泡垂直於兩相

鄰踵定螺旋。

按下左邊圖示後將進入粗略照準模式，

旋轉主機進行粗略照準。按下右邊圖示

後進入目鏡畫面，使用十字絲進行精確

照準。

59

表 4-1 切換模式圖示(續)

精確定心模式 精確定平模式 離開目鏡 返回定心

按下後進入精確定

心模式。 按下後進入精確定

平模式。 按下後離開目鏡，

返回儀俵板操作。

按下後回到精確定

心模式，為精確定

平模式專用圖示。

4-6-3 互動功能操作設計

每個模式都有不同的操作方式。除了照準模式與自由移動模式使

用鍵盤之方向鍵與滑鼠滑動的功能外，其他模式皆為都點擊畫面上出

現之操作圖示來進行操作之設計。設計之操作方式詳列如圖 4-15 至

圖 4-20 所示。

主機前後移動

主機左右移動

圖 4-15 在概略定心時全站儀腳架

移動操作圖示

圖 4-16 在精確定心時全站儀主機

移動操作圖示

60

圖 4-17 在概略定平時全站儀腳架

伸縮操作圖示

圖 4-18 在精確定平時相鄰踵定螺

旋操作圖示

圖 4-19 在精確定平時對腳踵定螺

旋操作圖示

圖 4-20 在精確照準時微調螺旋開

關

顯示於系統面板中的按鈕位置完全仿造真實全站儀本體的設

計，而內部運算功能也將儘可能模仿真實主機操作，遂不在此對儀俵

板按鈕操作多作贅述。系統儀俵板按鈕與全站儀實機之比較圖請見下

圖。

圖 4-21 儀俵板操作按鍵(虛擬) 圖 4-22 儀俵板操作按鍵(實際)

61

第五章 系統建構

5-1 前言

傳統上，製作一個虛擬實境軟體需要兩個軟體，模型建構軟體(例

如 3DSMAX)以及互動編輯軟體(例如 EON)。但本系統需要模擬出全

站儀內部複雜的程式運算功能，純靠互動編輯軟體仍不足以編寫出足

以模擬儀器內部的功能。因此，多增加一套物件導向程式編輯軟體(例

如 VB)，可以大幅度的減輕開發人員的工作量。

本系統的建構步驟如下：

1. 模型建構：使用 3DSMAX 建立儀器、反射稜鏡、管狀水準氣泡

與圓盒水準氣泡之模型，並建立系統所需校園場景模型。

2. 基本互動功能：將建構好之模型匯入 EON 中，並使用 EON 編輯

相關之互動功能，最後建構出前章設計之操作介面。

3. 運算互動功能：使用 VB 來開發系統執行時框架，並編輯出全站

儀內部的運算功能。

圖 5-1 系統建構流程

本章第二節先介紹虛擬實境模型建構軟體 3DSMAX，第三節介

62

紹虛擬實境互動建構軟體 EON，第四節介紹虛擬實境場景與儀器之

建構，第四節介紹「全站儀架設教學系統」之建構，第五節介紹全站

儀「座標測量教學系統」之建構。

5-2 虛擬實境模型建構軟體

市面上可見的 3D 繪圖軟體種類繁多，大致上的功能皆類似，都

可即時建構出 3D 的模型。但是依功能與使用領域來分類，大致可以

分為下列四種：

1. 視覺式 3D 軟體：通常此類軟體除了強大靈活的建模功能，還加

上逼真的光源運算功能。常見軟體為 Maya、SoftImage、Hodini、

3DSMAX、LightWave、Cinema 等。

2. CAID-3D 軟體：可提供精確數據以利整合 CAD/CAM 量產製造前

置作業。現今的主流為 Alias Studio、Rhino 等。

3. CAD/CAM-3D 工業設計軟體：用於實體產品的設計，精確的數

據便於製造，其數據化的模式與視覺式 3D 軟體有著明顯分界。

常見軟體如 PRO/E、UG、Catia、SolidWork、MDT 等。

4. CAD2D/3D 數據設計軟體：這類軟體的 2D 功能非常強大準確，

精確度最高可達 10-16，但其 3D 功能非常陽春。著名軟體有

AutoCAD、MicroStation 等。

本系統雖然著重於虛擬實境的融入度與真實性，但重點則是放在

儀器功能的擬真度與場景真實感上面，對於儀器與腳架的尺寸精度並

沒有太大的要求。遂在這的部份選擇畫面效果取向的視覺式 3D 軟體

作為開發建模之用。而視覺式 3D 軟體當中，又以 3DSMAX、Maya、

SoftImage 與 LightWave 等四種最為常見，詳細介紹如表 5-1 所示。

63

表 5-1 四種視覺式繪圖軟體

項目 3DSMAX LightWave SoftImage MAYA 開發公司 Discreet NewTek Avid Alias 性能特色 包含人物動作

工具套件、法

線貼圖和多邊

形 編 輯 修 改

器。

強大的多層貼

圖功能，對於擁

有多層光澤顏

色 的 生 物 而

言，是最佳的建

模軟體。

獲奧斯卡大獎

的 渲 染 器 技

術，角色動畫工

具，全能的專業

內建合成功能

以及影片後製

資源。

完整的建模系

統、强大的程序

紋理材質和粒

子系統、出色的

角色動畫系統

以及 MEL 脚本

語言。 親合性 AutoDesk 軟體

相容度極高，

對於工程相關

學生來說，操

作並不陌生。

擁有近乎完美

的曲面建模系

統，是所有 3D建構軟體中，公

認最易上手。

後 製 工 具 強

大，不過國內書

籍介紹較少。

功能強悍但操

作複雜，常為高

階者使用。

普及性 最多 最少 第三 居次 價格 便宜 便宜 昂貴 昂貴

適合種類 建築模型 遊戲開發 電影製作 動畫製作

對於工程相關科系的學生來說，AutoCAD 向來是必修的課程，

因此對於同屬 Autodesk 家族軟體的 3DSMAX 將不至於太過陌生。且

3DSMAX 在土木建築應用領域中為四套中最為廣泛的，內建有許多

建築模型，可以加快建模流程。因此選定 3DSMAX 作為模型建構工

具。而選定之原因如下：

使用上手容易，操作簡單。

價格便宜，功能強大。

國內教育學習資源豐富。

接續前者研究，整合容易。

可與 AutoCAD 相互結合。

內建許多建築模型，如樓梯、牆壁、窗戶等，適合場景建構。

3DSMAX 為世界上使用最普及的 3D 模型建構、動畫製作軟體，

完全滿足製作高品質動畫、最新遊戲、設計效果等領域的需求。

3DSMAX 為 Autodesk 公司出品的 3D 繪圖軟體，提供 Windows 平台

64

進行即時 3D 建模和動畫設計等功能，並被廣泛應用於影視、工業設

計、多媒體製作及工程視覺化領域。

3DSMAX 的最新版本為 2006 年五月所發行的 8.0 版，此次的升

級主要是針對製作動畫部分，將舊板功能不足之處加以改進。譬如新

引進的毛髮系統，可以製作出計算重力而改變方向之頭髮，大幅增加

動畫人物的真實感。而動畫編輯功能的改進更是明顯，將允許使用者

儲存建好的角色動作軌跡，待日後搭配給其它角色使用。

在應用方面，擁有強大功能的 3DSMAX 被廣泛應用於電視與娛

樂業中，比如片頭動畫與遊戲製作。而在國內發展相對比較成熟的建

築繪圖和建築動畫製作中，3DSMAX 的使用率更佔據絕對優勢。

5-3 虛擬實境互動編輯軟體

當模型與場景建構完成之後，需要付予兩者與使用者互動之功

能，一個完整的虛擬實境才得以呈現，否則僅是單調的動畫、圖案，

僅能稱做是多媒體。市面上的虛擬實境編輯軟體很多，但除了遊戲公

司開發使用的客製化軟體外，編輯功能較強且最常見的就屬以下三

種： (1)Virtools Dev(2)EON Studio(3)Quest 3D。三套軟體的特性列於

表 5-2。

65

表 5-2 三種 3D/VR 軟體之特性

軟體名稱 Quest 3D Virtools Dev EON Studio 開發公司 Act-3D Virtools EONReality 編輯介面 在 Quest3D 裡，所有

的編輯器都是視覺

化、圖形化的。所見

即所得，即時讓您見

到作品完成後執行的

樣子。

互動是行為模組就像

在堆積木一樣，可以

利用拖放的方式將互

動行為模組賦予在適

當的物件或是角色

上。

EON Studio 提供使用

者非常容易操作的圖

形式介面，且介面本

身可以依照自己喜好

調整位置。

程式撰寫 不需寫程式，完全圖

形化介面，所有視窗

均可保持開啟狀態，

可使得編輯與執行都

容易。

包含了 SDK，可供程

式人員開發新的功

能、新的硬體驅動程

式或是將內容編譯成

執行檔。

軟體本身也有考慮到

程式設計的愛好者需

求，內建的 Script 功

能 與 另 外 選 購

SDK(搭配 VC++)模組可以滿足程式設計

發展系統的慾望。 軟體特色 編寫非常容易，但功

能略嫌陽春，且相關

的硬體支援與售後支

援較為遜色，但價格

為三者之中最為便宜

的。

豐富的教材與教學資

源，在台灣為最多人

使用之 3D/VR 軟體，

相關的使用說明與軟

體公司的售後服務最

為完善。價位稍貴且

過於繁瑣的功能是初

學者的夢靨。

強大的硬體支援與高

解析的畫面顯示，適

中的價位與教育版的

優惠是最大的賣點。

相關的教育資源較

少，但編寫快速簡

單，功能卻意外的強

大。 適合領域 營造、建築展示。 遊戲開發。 訓練、行銷。

綜觀各家軟體之特性，可以得知這三套軟體皆能勝任開發本系統

所需之功能，但 Quest 3D 對於硬體之相容性較低，未來系統的發展

性受限，因此剔除於名單中。而 Virtools 與 EON 功能各有特色，並

沒有孰優孰劣的問題，但考量到購置成本與開發難易度後，最終決定

採用 EON 來進行系統開發。選定之原因如下：

可以開發桌上型虛擬實境軟體。

採圖形介面的編輯模式。

價位符合預算。

可相容於前人的研究。

66

學習困難程度較低。

三套軟體的相關功能比較列於表 5-3。

表 5-3 三種 3D/VR 軟體之比較

軟體名稱 Quest3D Virtools EON 大型幾何物件之演算速度 3 4 4+複雜之物件於同一場景中 3 4+ 4+

動態資料下載 3 5- 5 從伺服器端下載材質 N/A 4- 4+

高解析度材質 3 2 5 模擬真實場景之能力 3 2 5-

使用之便易性 3 2 4+多人共用 N/A N/A 4

複雜之互動功能 3+ 4 5 視覺品質 4 3- 4

壓縮幾何材質之功能 4 3 4 支援多種貼圖功能 3 4- 4

網頁發佈 3+ 4+ 4+相關硬體之相容性 N/A 4 5 可接受之輸入格式 3 3 4

與其它多媒體之整合性 3 3 4 與微軟 ActiveX 之整合 3 N/A 5

網頁全螢幕功能 N/A 5 5 支援影音檔 N/A 4 5 支援 3D 音效 N/A 4+ 4 立體顯像功能 3 4 5

EON 是由瑞典 Eon Reality 公司所開發出來的，為一種利用圖形

使用者介面，研發即時 3D 多媒體應用的工具程式。強調易學易用、

表現逼真、整合性強與完成檔案容量小，可輕易結合網際網路或硬體

設備等特性。主要應用在電子商務/電子行銷/數位學習/教育訓練與建

築空間等領域。適合工商業、學術界或軍事單位製作多功能虛擬實境

整合套件。這套工具可以整合應用設計、行銷與教育訓練等多方面的

67

資源。

EON 根據不同用途區分成 Professional、Studio 兩個等級，這二

個不同的等級再根據市場需求又區分成商業、教育兩種版本。所以在

價格上較其他互動編輯軟體有彈性，讓原本屬於公司行號才有能力負

擔的虛擬實境教育訓練應用，也可以應用在校園內的教學。

Professional 與 Studio 不同的地方在於前者擁有四種特殊開發套

件，可以開發出更逼真的虛擬實境場景。分別為 CG 模組、Human

模組、Physic 模組與 CAD 模組，除了將 Studio 版中不足功能的地方

加以補強外，還可以開發以往需要複雜運算才可以完成的 CG 貼圖場

景、需要特殊設備才可開發出來的生物動態與真實物理動態模擬，並

大幅增加 EON 的檔案支援度，將虛擬實境編輯軟體的實用性增加到

另一個等級。

EON 針對高階使用者的不同需求，推出了許多專門的開發套件

如 Raptor、ICatcher 與 ICube 等，可以讓使用者將所開發的虛擬實境

系統，更輕易的整合在網路與無線通訊應用與大型虛擬實境投影設備

上。

EON 的操控介面是所有虛擬實境編輯軟體中最具親和力的，經

由拖曳的方式便可輕鬆開發過去需要撰寫數以千行複雜程式才可完

成的功能。而超過上百種的功能節點(Nodes)、樹狀架構管理模式

(Simulation Tree)與行為控制(Routes)讓現使用者可以輕輕鬆鬆地建構

複雜的虛擬環境。

整體來說，EON 的優點可以歸納如下：

1. 場景與物件表現逼真，網路上的檔案可以非常的小，不需要手動

安裝外掛程式，很適合工商業研發、行銷與教學應用。

2. 與市面上 90%的 3D/CAD/動畫/多媒體/資料庫系統相容，整合性

68

強，支援的格式最多種，可延展原購置軟體的效益，經濟效益提

高。

3. 可與 90%的虛擬實境硬體週邊整合，包括頭盔(H.M.D)、數位手

套(Data Glove)、6D 滑鼠(Space Controler)、位置追蹤器(Tracking

System)等。

4. 支援 90%標準開發與應用程式(如 C++、VBScript、JavaScript 等)，

可針對不同的市場與應用開發高效能的系統。

5. 可與 PDM(產品資料管理)、ERP(企業資源管理)、CRM(客戶關係

管理)、KM(知識管理)、SCM(供應鏈管理)結合。

5-4 虛擬實境物件之建構

在進行虛擬實境互動建構前，並須先將所需的虛擬模型建構完

成，才可以編輯模型與模型之間、模型與使用者之間的互動程式。一

個虛擬實境的融入度完全取決於操作、場景的擬真度，因此模型必須

讓使用者擁有似真的感受。系統所需建構之元件列於表 5-4。

表 5-4 系統所需建構元件

元件名稱 功能 建構軟體 全站儀本體 系統中操作全站儀的本體。 3DSMAX 反射稜鏡組 系統中照準用之反射稜鏡含腳架。 3DSMAX 腳架 系統中用以置放全站儀與概略定心用。 3DSMAX 圓盒水準氣泡 系統中用以操作之圓盒水準氣泡。 3DSMAX 管狀水準氣泡 系統中用以操作之管狀水準氣泡。 3DSMAX 3D 地形 依照學校南區地形所建構成之立體地形。 3DSMAX 3D 建物 依照現地測量場景建構五棟建物，分別為中華大

學活動中心、中華大學國際會議廳、中華大學圖

書館、工學院大樓與設計學院大樓。

3DSMAX

地形地物貼圖 使建物與地形更為逼真。 Photoshop

本系統建構之虛擬模型與實物之比較圖詳列於下，地形地物之貼

69

圖展示於模型中，將不另外附圖。圖 5-2~圖 5-11 為操作元件之模型，

圖 5-12~圖 5-17 為場景中地形與建物之模型。

圖 5-2 全站儀本體(虛擬) 圖 5-3 全站儀本體(實際)

圖 5-4 反射稜鏡組(虛擬) 圖 5-5 反射稜鏡組(實際)

70

圖 5-6 腳架(虛擬) 圖 5-7 腳架(實際)

圖 5-8 圓盒水準氣泡(虛擬) 圖 5-9 圓盒水準氣泡(實際)

圖 5-10 管狀水準氣泡(虛擬) 圖 5-11 管狀水準氣泡(實際)

71

圖 5-12 活動中心(虛擬) 圖 5-13 活動中心(實際)

圖 5-14 國際會議廳(虛擬) 圖 5-15 國際會議廳(實際)

圖 5-16 圖書館(虛擬) 圖 5-17 圖書館(實際)

72

5-5 全站儀架設教學系統建構

本研究利用 3DS MAX 建構全站儀本體模型，再匯入 EON 建構

互動功能。全站儀架設教學系統共分為四個部份，分別為：

概略定心

概略定平

精確定心

精確定平

5-5-1 概略定心模式系統建構

此步驟使用互動功能按鍵操作全站儀腳架之移動，來令定心鏡概

略照準座標點。定心鏡為顯示於右上角子母畫面並，並隨使用者控制

而移動(參考圖 5-18)。

圖 5-18 概略定心模式

點擊右下角之互動功能按鍵來令定心鏡對準座標點(參考圖

5-19)。

73

(尚未定心) (正在定心) (已經定心)

圖 5-19 概略定心過程(注意各圖右上角的定心鏡畫面)

5-5-2 概略定平模式系統建構

此步驟使用互動功能按鍵操作全站儀腳架之伸縮，來令圓盒水準

氣泡居中。右上角之子母畫面為圓盒水準氣泡觀察畫面(參考圖 5-20)。

圖 5-20 概略定平模式

腳架伸縮前需先行鬆開腳架固定螺旋，此步驟採用滑鼠點擊模型

的方式，腳架固定螺旋旋轉後出現互動功能按鍵，方可進行腳架伸縮

操作。調整完後未正確鎖定，將無法繼續操作下一個腳架固定螺旋(參

考圖 5-21)。

74

圖 5-21 腳架固定螺旋旋轉過程

依序鬆開腳架固定螺旋，伸縮或伸長腳架來使水準氣泡於三軸皆

為居中，以達成概略定平的目標(參考圖 5-22)。

圖 5-22 概略定平過程(注意各圖右上角的圓盒水準氣泡畫面)

5-5-3 精確定心模式系統建構

此步驟使用互動功能按鍵操作全站儀主機之移動，來令定心鏡概

略照準座標點。右上角之子母畫面顯示定心鏡視野，並隨使用者點擊

互動功能按鍵而移動(參考圖 5-23)

75

圖 5-23 精確定心模式

全站儀本體在進行移動前，需先鬆開基座固定螺旋，此步驟採用

滑鼠點擊模型的方式。旋轉後出現互動功能按鍵(參考圖 5-24)。

(尚未鬆開) (正在鬆開) (已經鬆開)

基座固定螺旋

圖 5-24 基座固定螺旋旋轉過程(注意各圖中間基座固定螺旋的旋轉)

5-5-4 精確定平模式系統建構

此階段使用互動功能按鍵操作全站儀踵定螺旋的向內與向外旋

轉，來令管狀水準氣泡居中。氣泡之垂直與平行採用點擊切換模式圖

示的設計。右上角之子母畫面為管狀氣泡觀察畫面(參考圖 5-25 與圖

5-26)。

76

圖 5-25 精確定平平行模式

圖 5-26 精確定平垂直模式

在精確定平過程中，全站儀主機需要進行水平旋轉來切換水準氣

泡垂直或平行於兩相鄰踵定螺旋，此步驟採用滑鼠點擊切換模式圖示

(參考圖 5-27)。

77

圖 5-27 全站儀主機旋轉過程(注意途中的主機旋轉 90 ﾟ的過程)

5-6 全站儀座標測量教學系統建構

全站儀座標測量教學系統共分為兩個部份，分別為：

照準模式

儀表板操作模式

5-6-1 照準模式系統模式建構

此階段使用鍵盤控制全站儀主機之水平、垂直度盤進行旋轉，來

令全站儀粗略照準目標物，直到目標物出現在望遠鏡下方(參考圖

5-28)。

圖 5-28 粗略照準模式

78

在進行主機水平旋轉與垂直旋轉前，須先行鬆開水平、垂直度盤

固定螺旋，方可進行粗略照準操作(參考圖 5-29 與圖 5-30)。

(尚未鬆開) (正在鬆開) (已經鬆開)

水平固定螺旋

圖 5-29 水平度盤固定螺旋旋轉過程(注意圖中水平度盤固定螺旋之

旋轉)

(尚未鬆開) (正在鬆開) (已經鬆開)

垂直固定螺旋

圖 5-30 垂直度盤固定螺旋旋轉過程(注意圖中垂直度盤固定螺旋之

旋轉)

使用者於系統中操作全站儀主機進行粗略照準固定式反射稜鏡

之過程中使用鍵盤進行旋轉操作(參考圖 5-31)。

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(搜尋目標) (旋轉主機) (對準目標)

圖 5-31 粗略照準旋轉過程(注意圖中主機旋轉至靠近右方的反射稜

鏡)

待粗略照準完成後，使用者點擊左下角之切換模式圖示進入目鏡

照準模式。此步驟仍採用鍵盤來控制目鏡之上下左右游移(參考圖

5-32)。

圖 5-32 目鏡照準模式

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圖 5-33 目鏡照準過程

5-6-2 儀俵板操作模式系統建構

此模式採用由 VB 所開發出的框架來操作儀俵版的相關按鍵控

制，使用滑鼠點擊儀器面板操作按鍵，來輸入測站資料與操作直接座

標測量步驟(參考圖 5-34)。

圖 5-34 儀俵板操作模式

81

第六章 成效與評估

6-1 前言

待本系統開發完成後，需進行系統的成效評估，方可驗證本系統

是否可以增加學習者的學習成效，若答案為肯定，其可增加的成效又

有多少，都必須待評估完成後才可得知。由於本研究之成效評估須配

合學生學習測量課程的時間，但因為時間無法配合之故，本研究在此

先行規劃設計相關的成效評估方式，並留待後續研究進行參考使用，

詳細之設計與規劃列於本章節。

6-2 評估設計

為了證明系統之有效性，本研究在這裡提出評估設計之對照測試

架構，依序分為初步評估與正式評估兩部份。由於在系統是否可以增

加學習成效尚未定案之前，大幅度的改變一個班級的學習方式勢必有

些風險，對於參與實驗的學生來說十分不公平。

本研究故在此提出初步評估設計，先行於班級內隨機抽樣十人來

進行實驗，為了能夠不影響正常的學習方式，初步評估將徵求十名尚

未修習測量課程之實驗對象，並給予每位參與實驗人員車馬費，將十

人分為實驗組五人與對照組五人來進行四個小時的系統評估測試，最

後進行一個結訓測驗，若在測驗時實驗組比對照組表現佳，即可印證

本研究的系統具有提升教學績效的效果，便可著手進行後續之正式評

估部分。實驗組與對照組教學法分述如下：

1. 對照組(不採用本系統)：第1~2小時進行儀器的解說、示範。第3

小時進行實際操作練習。第4小時進行測驗。

82

2. 實驗組(採用本系統)：第1小時進行儀器的解說、示範。第2小時操

作練習本系統。第3小時進行實際操作練習。第4小時進行測驗。

正式評估即是於學習初期便將不同班級分成實驗組（應用本系統

輔助教學與學習）與對照組（傳統教學）。如果在實地測驗中實驗組

比對照組表現佳，即可印證本研究的系統具有提升教學績效的效果。

實驗組與對照組教學法分述如下：

1. 對照組（傳統教學）：第1~3週上課直接於戶外現場實地解說、

示範、練習。第4週為實地測驗。

2. 實驗組（應用本系統輔助教學與學習）：第1週上課於電腦教室

以虛擬實境解說、示範、練習。第2~3週上課直接於戶外現場實

地解說、示範、練習。第4週為實地測驗。

6-3 評估規劃

傳統之測量教學課程，於第 2 到第 5 週進行水準儀的架設、測量

與考核，而本研究之全站儀教學部份，則是從第 6~9 週進行全站儀之

架設教學部份，第 10~13 週則是座標測量教學的部份。整學期之傳統

測量課程授課大綱如表 6-1 所示。

83

表 6-1 傳統測量課程授課大綱

週次 教學進度 1 認識儀器與分組 2 教水準儀 3 練水準儀 4 練水準儀 5 考水準儀 6 教全站儀測設 7 練全站儀測設 8 練全站儀測設 9 考全站儀測設 10 教全站儀測量 11 練全站儀測量 12 練全站儀測量 13 考全站儀測量 14 導線測量 15 平面圖測量+直接地形測量 116 平面圖測量+直接地形測量 217 平面圖測量+直接地形測量 318 平面圖測量+直接地形測量 4

加入本研究設計之評估設計之後，於全站儀架設教學部份，將原

本第 6 週後兩節之課程從現地解說、示範、練習移至電腦教室操作本

虛擬實境系統(全站儀架設教學)，第 7~8 週則給予學生實際操作練習

之用。而全站儀座標測量教學部份，將原本第 10 週之現地解說、示

範、練習移至電腦教室操作本虛擬實境系統(全站儀座標測量教學)。

加入本系統後之整學期測量課程授課大綱如表 6-2 所示。

84

表 6-2 加入本系統後之測量課程授課大綱

週次 教學進度 1 認識儀器與分組 2 教水準儀 3 練水準儀 4 練水準儀 5 考水準儀 6 全站儀架設教學系統 7 教全站儀測設 8 練全站儀測設 9 考全站儀測設 10 全站儀座標測量教學系統 11 教全站儀測量 12 練全站儀測量 13 考全站儀測量 14 導線測量 15 平面圖測量+直接地形測量 116 平面圖測量+直接地形測量 217 平面圖測量+直接地形測量 318 平面圖測量+直接地形測量 4

85

第七章 結論與建議

7-1 結論

本研究之結論可從系統分析、設計、建構三個階段來探討，詳細

說明如本節所示。

一、系統分析

本研究分析發現，初學測量的學生經常無法測量出正確的數據，

深入了解之後歸納出的幾個原因，不外乎是粗心大意、專心度不足、

或是因傳統教學的盲點所造成的。傳統教學不僅存在著許多盲點，且

近年來測量學的教學時數受到壓縮，令學生更難獲得良好的學習成

效，待未來測量實習成為選修課程後，學生的成績更將會大幅度的滑

落，教學者勢必需要有補救的方法來應對。為了克服傳統教學上的不

足，並在分析現有教學資源後，本研究決定採用電腦輔助教學的方式

來改變教學型態並增加學習者的學習效率，成為教師在進行測量教學

時的輔助教材，一來可以充分運用電腦資源，二來因為電腦的普及性

高，學習者在未來將可以於家中自行複習課程，而不需要親赴現場實

地測設。

傳統測量實習課程共分為十個單元，挑選出最常使用的全站儀來

作為系統開發的對象，並採用直接座標測量課程來作為系統的教學內

容，若使用者可以正確的學會全站儀直接座標測量的施測方法，對於

日後更複雜的全站儀操作課程，才可以容易的吸收學習成果。而測量

儀器共通的「架設」步驟對於量測的正確度與精準度往往是牽一髮而

動全身，因此經過本研究的分析後，將此步驟納入教學系統中，其獲

得的效益將比全站儀直接座標測量課程來的更高更有價值。

二、系統設計

86

經過對市面上的虛擬實境互動式編輯軟體逐一比較，再根據本系

統的開發需求，最後選擇 EON 來作為本系統的互動編輯軟體。利用

虛擬實境的高度互動性、想像力與融入度來設計一套可令初學測量者

更快速的熟悉測量的課程。虛擬實境的特點在於場景必須逼真，為了

達到此目標，在設計階段即決定採用實際測量課程所用之場地，來作

為系統開發的範例，除可加深使用者於操作系統時的融入感外，對於

連貫日後測量課程、降低虛擬與實際之差異性，都能有更好的表現。

本系統將教學目標分為兩大主題，分別為「全站儀架設教學系統」

與「全站儀直接座標測量系統」，前者負責教導使用者正確的架設測

站，並可解決許多傳統教學的盲點；後者負責給予使用者熟練儀器儀

俵板操作的機會，而照準模式的所見即所得(教師可從旁輔助照準訣

竅)，相較傳統教學的不便性更顯得難能可貴。

為了激發學習者的興趣，在介面設計都盡量美化，操作力求貼近

於時下電腦遊戲的操作手法，且務必要求須雷同於現地測量的步驟與

細節，因此在操作系統後進行實地演練時，可以降低需要二次學習或

有適應困難的機會。

三、系統建構

「全站儀架設教學系統」著重於細步驟的正確順序與常疏忽的小

細節，並以立體模型的方式來建構需用到的儀器。相關固定螺旋的開

關時機以及水準氣泡調整時的軸方向感，都是本系統設計的重點。本

系統隱藏課程教材，使用者需達到預定的目標才可繼續操作下去，符

合建構主義的「知識的取得需要學習者自行注意、發覺並經歷而學習」

之核心架構。

「全站儀直接座標測量教學系統」著重於儀俵板操作的步驟、照

準的準確度與答案的正確性，除了可供使用者反復練習操作外，系統

87

在步驟操作錯誤或是數字輸入錯誤時亦能立即告知問題點。全站儀直

接座標測量教學系統是仿照全站儀的內部運算功能而設計，雖然本研

究並未對系統內部程式碼進行反組譯，但是本系統盡量要求得到的效

果須與實際儀器相仿，即使系統運算的方式與實機有出入，但最終所

得到的結果是不變的。

7-2 建議

對於本研究的兩個虛擬實境教學系統，作者從三個角度提出以下

幾點建議，供後續研究參考。

一、系統畫面

1. 本系統在貼圖應用不夠完備，大量的貼圖運算拖慢系統執行效

率，後續可以著手改善貼圖效果，增加系統運行的流暢度。

2. 本系統在模型比例的大小上與實物有些許的出入，且虛擬實境重

要的視角範圍(Field of View)是一個值得研究的課題，未來應設法

設計出合適的模型比例與符合人眼的視角範圍。

3. 現實的測量活動不會都是一成不變的晴朗天氣，有可能遇到雨霧

等不利觀測的因素，在目鏡照準時可能會遇到照準困難的情形。

未來可加入真實天氣系統，以增加系統的融入度。

4. 雖有建物的輔助可以確認使用者的所在地，但場景中缺少了基本

物件，如：汽車、樹木、行人…等。若增加這些物件於教學系統

中，可產生更為逼真的場景。

二、操作介面

1. 本系統在介面操作的傳達性能嫌不足，必須仰賴互動式功能操作

按鍵才可以運行。如果能使用滑鼠進行仿接觸式的操作，便可藉

由與模型真實的互動來控制，提高系統擬真的程度，並加深人機

88

之間的互動。

2. 雖然本系統有內定的步驟，使用者須遵循這個規則才可以操作系

統，但是未來可以安排一個「小幫手」於其中，當使用者對於該

步驟有疑問時，可以隨時指點使用者操作的方法。

三、教學內容

1. 本系統以全站儀的操作為教學主題。如果能加上其他類型的測量

實習教學主題，例如間接座標測量、地形測量等，將可提升本系

統的應用價值。

2. 本系統目前只完成直接座標測量的功能，未來可將全站儀內部運

算功能建構完整，將可模擬所有需用到全站儀之測量課程，令系

統趨於完備。

3. 增加場景的變化性，若能夠增加不同地形起伏，不同高度或是測

站間無法通視等情形，將可以增加學生適應現地的能力。

89

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