未來想像課程設計
大同高中未來想像課程設計
3D互動擬真教學方法可產生真實意象，模擬動態情境，容易引起學生驚奇，產生學習興趣，克服教學上不易表達，或困難體會的抽象物理問題。本教學法的建構，配合機器人創意設計與實作活動實施，以3D數位科技輔助教學，融入任務挑戰的物理情境模擬，讓學生探究科技應用的因與果，透過實作活動，進一步發展與組織科技創意的應用能力，能對未來機器人科技的應用發揮更多的想像。
創建未來的機器人科技應用
教材以未來機器人創意應用為例，透過四個階段完整的活動設計，融入3D互動擬真教材輔助學習，增強學生科技應用的能力，學習表達創意想法的3D動畫製作能力。並且提供學習單、課堂活動照片、教材教具製作軟硬體說明等資料，希望對於其它教師自製相關教材有所助益，廣泛應用在其它教學活動設計。
課程設計的部份採用注入型模式，融入未來想像核心概念於生活科技課的教學，希望學生能對未來的科技應用充滿想像，增強對科技學習的興趣。課程設計依照科技應用能力的需要，希望藉由建構機器人科技相關知能學習後，再導入設計思考的模式，組織合乎邏輯的科技創新想像，以未來機器人科技能服務人類的議題，運用3D數位設計工具，製作動畫方式，提出對於機器人未來的可能性想像。
現今高中學生雖然具備基礎的科學素養，但是苦於升學主義下，課業繁重，難有空間發展與學習創意應用，並缺乏動手實作能力。本課程設計希望能透過機器人這個議題，學習科際間的整合，讓學生學習體驗科技應用，與基本科學知識的對應，實際動手解決問題，並以未來機器人應用為議題，發展科技應用創意。
機器人教學常安排許多任務挑戰活動，希望學生在科學與科技應用上，整合知識與實際製作能力，發揮創意解決問題。本課程安排在本校高一的生活科技課實施，每週固定兩個小時，學生需要在這有限的時間內，完成四個階段六項指定的課程任務。因此，引導學生了解科技應用方法與任務挑戰的物理力學、機構設計、感測技術、程式邏輯…等知識，都在非常緊湊的時間內完成，需要有效能的教學策略。
課程設計依據生活科技課綱內容，以機器人應用為核心，機構學相關知識及應用為課程內容。除了傳統科技教學重視的相關知能學習，本課程另以面對未來科技的發展，在生活、人文與環境等議題，是否有更完善的解決策略，或對現實科技仍不能滿足的需求，讓學生能提出自身觀點，並用3D擬真的動畫方式予以呈現。科技始終來自於人性，活動的目的希望引起學生對科技發展有期待也有想像，透過簡易的3D動畫的學習，逐格動畫與影片的編輯，增強學生創意表達與溝通能力，發揮對未來生活改善的想像力。
教材教法
3D互動擬真教學方法（3D Interactive Simulation Teaching techniques, 3DISTs）是透過應用3D數位科技提升教學技法，進行科學或科技的教學，早期受限於軟體取得與處理程序的困難，需要的硬體資源昂貴，一般教師於教學現場的施行相當不容易。本教材整合近年來本校施行3D數位設計與科技教學的經驗，研擬一套結合簡易軟體應用的3D互動擬真教學方法，提供學習科技應用的能力。教學活動透過動手操作，同儕間分組合作，討論互動學習的歷程，強化學生的參與，激發學生獨立思考，團隊合作與解決問題的能力。下面就以三種應用模式，分別說明3D互動擬真教學方法，在課堂活動施行的方式：
一、教師的3D操控解說方法
科學或科技教學需要許多真實意象的視覺影像，協助說明許多不易表達，或體會的抽象物理問題。目前已許多3D軟體提供使用者容易即時操控的閱圖程式，例如Google Sketch UP的動畫設置、 Adobe的Arcobet 3D PDF或 e-Drawings 的 exe執行檔，讓使用者不必透過指令的操作，只需要滑鼠按鍵的控制，可以多角度旋轉與放大縮小，觀看內部或運動關係的3D動畫模擬，減少操控解說時電腦操作的負擔，讓教學簡報的進行順暢，學生的理解較為容易。
二、物理性質擬真模擬
筆者教學的經驗觀察，高中學生對科技的認知，與實際轉化為應用能力，經常無法有效連結，關鍵在於沒有生活化的真實體驗，理解能力就無法突迫課本上平面的文字或圖片意象。機器人教學需要透過實作活動，學習實用的科技知識與應用能力，尤其是對於質量、重心、力矩、磨擦力等物理性質的模擬，是最為重要與初步學習的重心。本教材在物理現象擬真模擬部份，採用Rhino 的動畫外掛程式Bongo與物理性質外掛程式Sketchy Physics製作相關教材，以實際的牛頓運動理論與機構學建制需要的3D動畫，由所展現之擬真性與正確性，可作為學生進行實際實驗前之輔助教學系統，可促使學生架構出正確的邏輯思路，讓學生透過3D 動畫，容易理解相關的物理知識與實際應用關係，排除錯誤與干擾因素，轉化為實際科技應用能力。
三、學習者操控3D模擬器
本教材的研發一套履帶搬運車教具(由市售玩具模型改造製作)，可與google sketchy physics建制的物理模擬器操作介面結合使用，使用電腦遊戲搖桿(joystick)操控3D的模擬器，作為履帶操控駕駛訓練，學習觀察機器人設計的轉向、上下坡、撞擊等物理反應現象，機構設計與程式控制方法的對應。機器人任務常需要控制左右輪牽引力，完成轉向幾何的最佳控制；上下坡慣性轉移，控制車身的穩定，透過電腦學習介面的輔助，可以模擬物理反應的微量變化，快速學習操控方法，對於未來機器人設計實作活動有實質幫助。
課程報告獲得評審青睞
新興科技應用
3D互動擬真（虛擬實境Virtual Reality）可定義為：「人與資訊整合之科學」，是以電腦所產生之3D、互動式的環境，而這樣的環境可以代表真實的或虛擬(想像)的世界 (Warwick, 1993)[i]。藉由此技術所展現之擬真性與正確性，可作為學生進行學習前之輔助教學系統，促使學生架構出正確的邏輯思路，增強教學之效能。目前這方面技術應用在教育或機具操控訓練方面，最典型者為飛機與輪船之駕駛模擬、外科手術模擬與輔助教學系統(Rosen, 2006)[ii]、虛擬博物館之3D導覽系統(Miller, 2002)[iii]等方面。此技術目前發展的最大瓶頸在於3D即時擬真的顯示，仍無法接近或滿足人眼之辨識能力，以及具有力度反饋裝置仍無法達到人體觸覺之靈敏與真實程度（許光城, 2008）[iv]。
電腦程式語言或數位設計繪圖的教學活動，若是只能停留在電腦螢幕上，對許多認知層次仍屬具體運思期 (Concrete Operational Stage)，需要藉實物進行思考的學生而言，仍有隔靴搔癢之憾。建構論(Constructivism)對學習有幾個重要的觀點。(1)學習者的認知衝突或疑惑是學習的原動力，同時也會決定所學事物的性質。(2)學習來自學習者與環境的互動。(3)學習者經由社會對話而建立知識。所以課程活動融入動手實作實驗是相當重要(田耐青,1996)[v]。Kolb, 1985 [vi]界定學習是由經驗轉換而創發知識的過程。也就是說，學習活動是一種連續性的歷程；而學習歷程分為以下四個階段：(1)具體經驗(concrete experience)(2)省思觀察(reflective observation)(3)抽象概念(abstract conceptualization) (4)主動實驗(active experimentation)。學習者以這四個階段不斷地循環進行學習活動，形成個體內在的新知識與新經驗，學習行為便成為動態的連續活動。以 Kolb的經驗學習理論解釋科技教育學習活動，學生基於原有的具體經驗，針對教師拋出新的題材，進行省思觀察，並進行抽象化概念，配合教師指導進行學生自主實作活動，實際體驗並轉化為創新設計的知識能力。
在教學實務經驗上，建構學生科技素養的教學，若要將抽象化的概念，發展為實際應用或者創意設計的能力，如何引導學生學習觀察與動手體驗扮演關鍵的因素。3D互動擬真教學方法是透過應用3D數位科技提升教學的技法，採用此方式進行科學或科技的教學，可以增強學生認知及涉入程度。其主要因素包含強化教材的吸引力、持續力、教導力、刺激力等方面，提供一個平台造就良好學習的環境，屬於新一代教學媒體或教學科技。
目前大部份的3D虛擬實境應用，偏重在360度動態環場影像與寫實彩現，介面需要透過人類多重感知，達到即時的模擬與互動之能力。此部份是技術上較困難突破的地方，且需要的軟硬體資源，在目前高中的教學環境仍然相當困難。另一方面，這類技術對於高中科技教學，需要的空間概念、物理現象觀測、物件關聯模擬、機構組立拆卸等教材反而著墨甚少。因此本課程採用一般學校的硬體資源，相關軟體及製作方法，以簡易及容易取得為優先，建構一套容易操作的3D互動擬真教材，實際融入機器人相關創意設計的教學活動；有別於3D虛擬實境技術，所需的複雜人機介面，容易在課堂內實施，希望能提供其他教師研發相關教材參考。
3D互動擬真教學方法，適合開發互動與多元化的課程與教材，摒棄傳統被動授課演講方式，結合授課、實驗與資訊科技等活動的融入，建置學生主動探究學習環境，以提升科學抽象概念的了解和科技動手實驗的能力。教學活動透過動手操作，同儕間分工合作，互動討論學習的歷程，強化學生的共同參與，激發學生創意思考，團隊合作與解決問題的能力。
[i] Warwick, K., Gray J. and Roberts, D. (1993). Virtual Reality in Engineering, London: The Institution of Electrical Engineers.
[ii] Rosen J., Lasko-arwill A. and Satava R. (2006). “Virtual Reality and Surgery,” in Computer-Integrated Surgery, R. Taylor, S. Lavallee, G. Burdea, and R. Moesges Eds., Cambridge: MIT Press, 231-244.
[iii] Miller G., Hoffert E., Chen, S. Patterson, E. Blackketter, D. Rubin, S. Applin, S. Yim D. and Hanan, J. (2002). “The Virtual Museum: Interactive 3D Navigation of a Multimedia Database,” Journal of Visualization and Computer Animation, 3, 183-197.
[iv] 許光城 (2008). 實體模型及動畫模擬在機械設計與製造之應用， 國立高雄科學技術學院學報，29， 137-152。
[v]田耐青 (1996)。建構論的教與學：由一則電視廣告談起。教學科技與媒體雙月刊，29，41-47。
[vi] Kolb, D. A. (1985). Experiential learning: Experience as the source of learning and development. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey
課程設計簡報
專案獲得教育部獎座肯定
