1. 1
3D 互 動 擬 真 教 學 方 法 建 構
－ 科 學 知 識 融 入 機 器 人 教 學 活 動 為 例
(參 加 創 新 教 學 活 動 設 計 類 )
教學網站 https://sites.google.com/site/dtshlifetechnology/Home
大同高中 汪殿杰
摘要
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，並透過實作活動，進一
步發展與組織科技創意的應用能力。
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。
本教材以機器人教學活動為例，透過三個階段完整的活動設計，說明如何融
入 3D 互動擬真教材輔助教學，增強學生科技應用的能力，及表達創意想法的 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。
關鍵詞: 3D 互動擬真 Interactive 3D Simulation、虛擬實境 Virtual Reality
、3D 動畫 3D Animation

2. 2
壹、課程概說:
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，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，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，完成三個階段六項指定
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，以能源動力與運輸科技為核心，機構學相
關知識及應用為課程內容。教學融入3D互動擬真教材引發學習興趣，輔助學生
建構相關原理及應用知識，增添學習樂趣，進而達到機構創意設計應用的學習目
標。透過動手操作活動，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。

3. 3
貳、文獻探討:
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)1
。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)2
、虛擬博物館之 3D 導覽
系統(Miller, 2002)3
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）4
。
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)5
。Kolb, 1985 6
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

4. 4
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。

5. 5
參、3D互動擬真教學方法:
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。
Google Sketch UP 的動畫設置方
法，可以用 3D 的模型，解說相
關原理或構造，定義觀看的立體
空間，方便學習者理解（本圖為
Arcobet 3D PDF 是一個 3D 的
閱圖外褂程式，使用者不需要
安裝任何 3D 軟體，即可用一
般 PDF 閱覽器觀看與動態操
Solid Works e-Drawing 的 exe
檔，是一個 3D 的閱圖程式，
在機構設計的領域較專業，可
以定義的物件運動關係與機

6. 6
本教材自製的履帶車任務挑戰
動畫場景，說明比賽規則與製作
重點）
控 3D 模型、顯示內部構造與
動態運轉（本圖為本教材自製
的傘型齒輪 3D 模型 PDF 檔）
構分析精確真實（本圖為本教
材使用的機器人電腦控制單
元 NXT，操作使用說明的 3D
模型.exe 動畫執行檔）
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。
機器人左右的平衡重心與旋
轉控制，常是學生在現實的物
理現象觀察與程式邏輯控制
穩定性，最重要也是容易出錯
的地方
Rhino 的動畫外掛程式 Bongo
製作齒輪運轉動畫，真實模擬
齒輪減速比與轉速關係（本圖
為本教材自製的齒輪動畫，讓
學生容易理解相關物理概念）
機器人感測技術與相關的物
理現象擬真(本圖為本教材使
用 google Sketchy Physics 繪
製的動態模擬場景，說明超音
波感應器可能會因為信號反
射角度關係發生的誤判)

7. 7
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。
履帶車越野任務挑戰的場地設計示
意圖(學生需要設計夾持機構，透過
遙控方式將履帶車通過 z 字型上下
坡與 S 形彎道，將綠色鋁罐運送至
紅色終點)
可用電腦搖桿操控3D的物
理模擬器(本圖為本教材採
用 Google Sketchy Physics
所建制物理情境的場景，搭
配遊戲用搖桿，互動操控
3D 模型挑戰任務)
實作活動使用的履帶遙控
模組(本圖為本教材自行研
發之履帶車遙控模組，可與
樂高零件組裝，可增加學習
樂趣，作為機器人任務學習
的輔助教具)

8. 8
肆、教材與活動設計:
筆者個人的經驗認為，學生在學習 3D 數位設計的資訊應用能力，需要一個
真實環境下的設計議題，才能將創意設計的能力與資訊應用能力結合，學習創新
的科際整合能力。因此，本教材以機器人任務挑戰為題材，融入 3D 互動擬真的
數位科技應用，與動手操作實驗學習，發展學生多方面的科技應用能力。
教學活動以樂高機器人LEGO Mindstorms為教具，課程內容可概分為三個階
段的不同學習主題，其中包括四個不同的機器人任務挑戰活動，一個3D互動遊
戲體驗設計活動，與一個未來機器人設計議題的3D動畫專題製作活動。教學活
動透過3D互動擬真教學方法的輔助，引導學生學習與觀察理解，進行科技應用
與機電整合的創意設計的教學，建構學生的邏輯思考能力、機構應用能力與創意
設計能力。數位學習的課程目標，是讓學生學習能善用3D數位設計工具，發揮
創意與想像力，對未來科技的需求與創新發明能力有實質幫助。
一、3D 互動擬真教學方法
本課程研發 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，以提升抽象概念的了解和動手實驗的能力。以下分別簡短
說明融入在本課程的三種類型活動，如何應用這種教材教法，及其學習內容的核

9. 9
心價值：
（一）機器人任務挑戰(科學知識探究與科技應用實驗)
機器人任務挑戰活動，在本校生活科技課程已進行了 6 個年頭，其間因為
學校經費有限，硬體器材的不足的情況之下，活動內容不斷地修正調整，希望學
生能獲得最佳的學習環境。本校機器人教學活動的特色，是結合 3D 數位設計工
具的輔助教學，協助學生學習更多科技應用的能力，增強對科學知識理解，與科
技的創新應用能力；希望這樣的教學活動，對於在升學主義下，課業繁重，難有
空間發展與學習創意應用的高中學生，有實質的幫助。
透過3D動畫學習程式的邏輯判
斷。
3D 軟體的重心分析，說明機器
人設計考量的細節。
提供科學化的數據，提供學生
設計參考。
本活動是以科技系統中的機電控制及程式設計為核心，透過3D即時操控或
動畫模擬的方法，學習機構設計與物理力學的科際整合，控制程序與程式的邏輯
判斷，電子感測原理與馬達控制等三個方面的科技應用能力。機器人教學活動需
要透過動手操作，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。讓學生能有機會善用其科學知
識，進行動手操作的實驗活動，增強學生應用科技的實作能力。
（二）履帶車越野任務(互動科技體驗與 3D 遊戲設計)
履帶車越野任務活動是本教材設計的互動遊戲教材，需要搭配教材自製的
無線遙控履帶車模組，進行虛擬空間的 3D 模擬操控，和真實環境下的物理觀測，
讓學生學習體驗車輛設計的多方面細節，與有趣的科技解決方法，增加科技的深
度。學生可以透過簡單操控的 3D 物理性質模擬器（Google Sketchy Physics 3D），

10. 10
觀察真實環境不容易看到的微妙反應，調整控制方法與物理參數，模擬可能的變
化，思考科技解決問題的方法。
透過自製履帶車教具，可以
實際驗證軟體模擬的駕控
方法，與真實越野路面會產
生的差異，了解車輛工程設
計，需考量多方面的細節。
Google Sketchy Physics 3D 模擬器與
遙控輸入介面，讓學生研究學習競賽
策略，自行設計闖關任務，增加學習
的樂趣。
人型機器人的 3D 模擬器，
可以模擬步形機構動態，觀
察學習接頭自由度和動態
平衡的科技難題，思考可行
的解決辦法。
本活動的學習單，另規畫學生自由創作闖關任務的設計空間，增加學習的
廣度，與遊戲的樂趣，讓科技課程的學習容易持續，科技應用的創意思考能夠被
啟發。
（三）3D 動畫專題製作(未來生活想像與 3D 動畫製作)
課堂活動設計以未來機器人與生活應用為具體的議題，結合先前機器人實
作課程的科技應用知能，對於創意思考的延續，邏輯思考的深度與廣度，都有相
輔相成的幫助。3D 動畫製作以生活使用情境為核心，符合人性需求為概念，發
揮對未來生活改善的創造力與想像力，避免單純科技技術的思考，設計不合用、
不符合感性需求的科技產品。
例如本教材以未來的機器狗為範例，示範說明一個兼具陪伴與保全功能的
機器狗設計，提供學生觀摩學習科技產品與人類生活之間如何互動、如何使用，
發展改善生活品質具體設計。其間涉及複雜的人因工程、人機互動、感測技術、
無線傳輸技術，都是複雜的使用機能問題，一個產品設計者應該完整思考多個層
面。下面以本教材引導產品設計概念的幾張投影片，說明如何帶領學生學習設計
動畫的腳本，與要考慮的需求、功能、人文、環境層面：

11. 11
想像與設計分析，以 Sony Aibo
機器寵物狗為觀摩學習對象，探
討產品設計功能層面與『狗』的
意象所代表的抽象意義。
以使用需求與功能，探討科技
相關知識應用，能提供的服
務，預期的效能與困難。這裡
分別以寵物『狗』能發揮的陪
伴、看護、保全、通訊、娛樂
等功能說明機器人的設計與
應用。
透過情境設計的方法，融入設
計使用的情境，思考如何創新
應用，未來發展的可能，科技
配合發展的方向，與產品的價
值。
本活動的任務係以面對科技的發展，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。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。
二、學習內容、目標與 3D 互動擬真教材模組設計
主題 學習內容與目標 3D互動擬真教材模組
1.科學知識探
究與科技應
用實驗
以機器人任務挑戰活動，
引導學生了解科技應用
方法與相關的物理力
學、機構設計、感測技
術、程式邏輯…等知識。
學習目標：
1.學生將能分辨結構與機
構的差別。
2.學生將能說明傳動機構
1. 《生活常見機構應用》，結合
生活中相類似的機構，引發學
習興趣，應用3D機構動畫呈現
方式，讓同學了解機構傳動的
原理，及機構運動常見的種類。
2. 《常見機構原理》，以可動態
（運轉）的3D模型，讓同學自
行控制觀察，了解常見的機構
元件運作過程及其原理。

12. 12
的功用與常見的機件的
構造原理。
3.學生將能分辨槓桿的種
類，了解槓桿比與機械
效益的關係。
4.學生將能計算齒輪傳動
的轉速比或減速比。
3. 《槓桿的類型》，以槓桿的類
型動畫，協助同學了解槓桿的
類型、槓桿比與機械效益。
4. 以《齒輪運轉》《齒輪的種類》
《皮帶輪與鏈輪運轉》3D動
畫，協助同學了解傳動機構的
的常見類型、特色與設計限制。
5. 《齒數計算模擬器》評量：以
選擇題的方式，讓同學選擇出
適當的答案，完成機構設計的
相關原理學習。
2.互動科技體
驗與3D遊
戲設計
搭配教材自製的無線遙控
履帶車模組，進行虛擬
空間的3D模擬操控，和
真實環境下的物理觀
測，讓學生學習體驗車
輛設計的多方面細節，
與有趣的科技解決方
法，增加學習科技應用
的深度。
學生可以透過簡單操控的
3D物理性質模擬器
（Google Sketchy
Physics 3D），觀察真實
環境不容易看到的微妙
反應，調整控制方法與
物理參數，模擬可能的
變化，思考科技解決問
題的方法。
1. 《3D履帶車互動模擬器》作為
車輛操控與物理環境觀測的模
組，透過遊戲方式學習，融入
3D數位科技的演算與遊戲搖
桿操控介面，可快速實驗與嘗
試錯誤。
2. 《無線遙控履帶車模組》作為
機器人實作活動輔具，額外增
加的遙控功能，提供更多學習
樂趣，作為實驗機器人程式邏
輯與創意機構的簡易動力載
具，提供更多元與探索科技應
用的學習。
3.未來生活想
像與3D動
畫製作
課堂活動設計以未來機器
人與生活應用為具體的
議題，結合先前機器人
實作課程的科技應用知
能，對於創意思考的延
續，邏輯思考的深度與
廣度，都有相輔相成的
幫助。3D動畫製作以生
1. 《生活中的動畫應用》
透過播放元件的方式，讓學
生能理解動態影像的發展與
原理，了解數位影像的基本
構成與格式，體會多媒體動
畫對傳播的影響。
2. 《動畫創作流程與學生創作範
例》

13. 13
活使用情境為核心，符
合人性需求為概念，發
揮對未來生活改善的創
造力與想像力，避免單
純科技技術的思考，設
計不合用、不符合感性
需求的科技產品。
學習目標：
1. 學生能理解動態影像的
發展與原理。
2.學生能了解數位影像的
基本構成與格式。
3.學生能體會多媒體動畫
對傳播的影響。
4.學生能認識製作3D動畫
的步驟。
5.學生能辨認製作分鏡腳
本。
簡單說明一段動畫影片的腳
本項目，請同學分組為未來
生活的需要，實際創作一個
機器人情境動畫腳本（A.流
程分工 B.想法靈感成形 C.
動畫的靈魂---腳本製作）
3. 《逐格動畫》
以一般Windows內建的Movie
Maker製作，簡單說明剪接軟
體的介面、聲音影像時間
軸，素材置入方式，與輸出
選擇。

14. 14
伍、3D互動擬真教學媒體與教具製作方法:
3D數位設計工具係建構在電腦操作環境下的工具軟體，能虛擬出極為真實的
視覺呈現效果，將物體的靜態或動態的立體效果呈現出來，是現今創意設計不可
或缺的幫手。這裡提供教材製作的方法與教材資源參考：
一、自製3D模型PDF檔與e-Drawings .exe檔方法
3D模型PDF檔與e-Drawings .exe檔是一種方便操控的3D閱圖程式，在教學過
程常用來解說構造與原理，相較於圖片或者示範影片的傳統解說方式，透過3D
鏡頭的取景與特殊顯示功能，能夠提供更詳盡與清楚的說明，即時回饋學生的疑
問。個人製作相關.exe執行檔的方法，先在Rhino繪製3D模型，再由Solid Works
製作機構動畫或觀看模型角度，另存.exe執行檔，就可用簡易操控介面的瀏覽器
觀看3D模型與動態模擬。
Rhino繪製3D模型 由Solid Works製作機構動畫或
觀看模型角度
用簡易操控介面的瀏覽器觀
看3D模型與動態模擬
二、自製履帶車遙控模組
履帶車遙控模組是本教材自製的教具，有優良的越野機動能力與遙控樂趣，
應付需要傳動動力較為困難的機器人任務，而不會耗費太大心力與時間在傳動機
構設計製作，讓課程活動有趣，並且能在有限的時間內完成任務。
本教材透過這個教具，簡化機構製作的困難度，讓學生學習利用連桿機構設
計夾具，將製作所需的時間大幅減少。學生透過這個教具，可讓科技學習變成遊
戲，同時導入競爭性競賽，組員彼此協力進行，較能增加學習持續力

15. 15
利用市售的遙控坦克車，改造
為可搭配樂高使用的履帶車
學習模組
完成履帶車的3D建模，讓3D物
理模擬器可與真實遙控履帶車
模組互動操控與對應研究
透過學習單讓學生設計夾具
機構，可依照圖面上的模型比
例直接改造繪製
三、自製簡易3D gif動畫
3D gif動畫是一種容易製作，佔用記憶體積小，容易放入網站與投影片的動畫
格式。目前市面上有許多繪圖或影像軟體，會免費贈送一種利用置入關鍵影格方
式，自動編輯為gif動畫的小程式。本教材透過Rhino的動畫外掛程式Bongo，製
作一系列符合真實物理原理的3D影像，再置入gif編輯軟體製作動畫。
Rhino Bongo動畫外掛程式製
作3D動態模擬
完成一系列動態變化的照
片，可直接作為逐格動畫方式
編輯
置入編輯軟體製作gif動畫，方
便置入投影片或網頁上播放
四、自製物理性質模擬器
Google Sketchy Physics是一個採用牛頓運動理論建構的模擬軟體，搭配
Google Sketch UP 繪圖軟體的3D模型使用，是目前最簡易操作的3D互動模擬
器，且可以免費取得這些的軟體。

16. 16
Google Sketchy Physics 3D
模擬器與遙控輸入介面，
讓學生研究學習競賽策略
模擬器內Z字型上下坡道需
要研擬操控策略，才能順利
闖關成功
學生可以自行設計闖關任務，發展自
行設計的電腦遊戲，或轉換為3D動
畫素材
五、機構應用與組裝方式示範影片
本教材研製階段，正好筆者參與教育部高中生活科技學科中心，數位教材設
計與製作的研發工作，錄製許多機構設計應用的相關知識動畫、製作與操作方法
影片，與本課程議題相符，可將此龐大的學習資源存放在學生使用的電腦，提供
學生自主學習使用，彌補課堂講課的不足。教材網站為 教育部高中學科資訊教
育融入教學資源網 http://hsmaterial.moe.edu.tw/
教師可將多種樂高機構組裝
操作影片示範，存放在學生的
電腦方便自主學習。
相關機構設計知識的動畫，延
伸科技知識的學習，增加學習
的廣度。
學生可以操作學習成果評量
的模擬器，檢核學習的成效，
與機構應用的認知能力。

17. 17
陸、科技實驗學習單: (藍色字為學生的參考答案或作品範例)
一、機器人任務挑戰的設計照片與程式說明
這裡以兩個學生設計走迷宮機器人為範例，說明設計理念與相關物理或機構
知識
利用傾斜重心的調整方式，增加驅動輪的磨
擦力，增加轉向操控的精確度與穩定性，讓
機器人順利走出迷宮。
利用平行連桿的機構，增加觸碰感應器的作用
範圍，提高感應靈敏度，增加闖關成功的機
率。
這是用 robolab 初階程式編寫的迷宮闖關程式，使用這個程式模組的原因是
感應器參數可快速調整，左轉與右轉的控制設定不易弄錯，方便我們這組實
驗機器人機構與感應器設計。

18. 18
二、 履帶車任務挑戰的夾具設計
請在下面兩張履帶車遙控模組的設計圖上，另外描繪夾具設計的構想圖，並
用文字說明設計概念
(請依照圖面上的比例，直接繪製上去如何組裝你們設計的夾具(圖一)，如何
夾持 350cc 的鋁罐)
夾具的設計(圖一)
夾持的方法(圖二)

19. 19
三、 3D 模擬器游戲設計
請將你們設計的遊戲場景(全景彩現圖)貼上，配合文字說明比賽規則，以及
改造後的遊戲有何新創意？
增加『夾夾樂』遊戲，讓兩組不同隊的機器人履帶車去攻擊對手的城堡，透
過下圖的夾具去強奪對手的財物。為了避免太過暴力，所有配件均使用 Q 版可愛
設計，增加游戲的樂趣。
下面是我們這組新增的闖關任務，它是強奪對手財物前的關卡，能夠穩定上
下坡與保持高速，才能順利闖關
這是城堡的磚牆
這是進城堡的平行坡道

20. 20
四、動畫製作分鏡表
請針對未來機器人設計的主題說明產品使用情境，手繪說明幾個重要的分鏡畫面
(三個以上不同場景，說明機器人產品的使用功能，提供人們的服務與便利方式，
畫面顯示方法，說明初步的動畫設計）
分鏡場景 1 開場 2 製造神秘 3 發揮機器人的效能
時間
(秒:畫格)
4-5 6-9 10-16
畫面說明
顯示字幕 小天使與惡魔 天黑了 好舒服喔！
旁白 天使與惡魔進入你
的生活
靜靜的陪伴 發揮勤快本性
配樂
音效
運鏡方式 Solo 驚喜 蒙太奇
燈光 聚光 漸強光 聚光
特效 主角環繞 悄悄進入 快速移動
演員:
請繪製機器人的外觀，並用文字說明其功能？
這是我們的主角：
天使 善於陪伴
惡魔 善於家事
主人 好吃懶惰

21. 21
五、動畫的精彩畫面剪輯:
請放入四張你們那組未來機器人動畫的停格畫面，說明特點和製作的方式
我們這組設計的是名稱來自拉丁文的「invenio」，意為「我尋找」機器人
能夠辨識空間內物品並建立索引，以便需要時能快速尋找
主角invenio從角落步行出來
快速步行的動作，可以凸顯可以克服困難地形
透過攝影機掃描搜尋物品
這是原先PPT的概念圖，透過主機連結組織管
理家中物品

22. 22
柒、活動剪輯與學生作品:
軌道車競賽與學生的軌道車設計活動
走迷宮任務與學生的迷宮機器人設計活動
投籃任務與學生的投籃機器人設計活動
循跡任務與學生的循跡機器人設計活動
學生的未來機器人情境設計動畫腳本發表活動

23. 23
捌、教學省思:
傳統上實作教學活動，原本希望藉由動手做實驗來提升學生學習動機，卻經
常因為時間不足使得實驗無法完成。或者，學生在實際操作實驗時，常會發生因
為器材本身的問題或學生操作技巧等問題，導致實驗結果和預期的教學目標不
符，造成學生認知上的迷思，產生錯誤的概念。這些都是實際教學現場會發生的
問題，教學方法的效能有待調整與改進，需要教師憑藉其經驗與活動前的充份準
備。
本教材設計採用3D互動擬真教學方法，，可增強教師解說科技應用的概念，
輔助學生學習理解，增添學習樂趣。課程融入機器人實作活動，不但可以讓學生
將所學科學概念進行驗證，更可以因為讓同學「動手做」而提高學習動機，彌補
高中學生因升學，而大部分進行黑板教學所造成的「實作能力不足」的缺失。
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，摒棄傳統學
生處於被動學習的演講授課模式，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，透過3D動態的視覺畫面操控說明，以提升抽象概念
的了解和動手實驗的能力。課程設計融入動手實作活動，讓學生探究科技應用的
因果邏輯，進一步發展其它創意的應用，學習製作未來生活的機器人應用3D動
畫。以下概略說明本教材與教學法的優點：
一、3D互動擬真教學法能傳達視覺化的物理觀念，與溝通即時互動的要因，讓
學習者容易了解其道理，進而發展為解決問題的能力。
二、3D互動擬真教學，具備未來感、新鮮感、設計感，相較傳統簡報式教學，
更能吸引觀察的目光。
三、課程導入競爭性活動及彼此協力，較能增加學習的持續力，加上遊戲與比賽
的氣氛，形成學習者彼此良性互動，同學皆能運用各種方式，充分表達自己
的看法，與組員分工合作、創造奇蹟；而良好的溝通讓組員間的默契更好，
更能分享彼此創作的理念，將這些理念、想法互相結合，產生更完美的作品。

24. 24
四、機器人教學模組需要共同的操作，能提昇操作滿意度，尤其每個學生專長不
同，有些同學精於邏輯思考、程式設計，而有些善於結構組裝；所以為了突
破製作上的困境，免不了有獨立思考的機會，而當思想成型後，相互間的討
論，對於分組與團隊合作的氣氛，有相當大的幫助。當教師提供範例程式或
機器人設計，學生皆能興趣盎然的發揮創意設計，設計出另一種更炫、更奇
特、更實用的設計，且靠著修改程式而賦於機器人更多的智慧。
五、透過模擬器遊戲的多重感官刺激組合，對於學習者操作上的持續力有加成作
用；且操作的過程中學習者需要適當的回饋，自行設定機器人不同的任務，
產生多元的變化可增加吸引力。學生可藉著網路資源，輕而易舉地實現心中
的夢，做出符合自己設計理念、想法的遊戲；而當夢想受阻時，又可從現今
蓬勃發展的網路上尋求解決之道。
六、學生學習3D動畫的製作，有助於表達創意構想，增強溝通能力，並可作為
學生未來想像力與創造力發展的重要工具能力。由於每個人創造能力不同，
所以完成的設計也必然不同，透過成果發表活動方式，人人懷著欣賞的心
情，讚美別人，學習他人的創意；也藉由他人創作的優點，融會到自己的作
品，創立獨樹一格的優秀成品。
本文受限書寫文體無法呈現動態與3D立體影像的困難，所以希望透過課程
活動實例說明，與3D互動擬真教材製作的方法，提供其他老師自製或使用相關
教材參考，研發更多不同領域的數位教材。本文是以目前容易取得的軟體與技
術，進行高中科技教學方法的創新；3D數位設計軟體的世界非常浩瀚，教學上
可結合應用的創新方法可以是千變萬化的，相信日後必然會出現更新更好的教
材。3D數位教材能提供更佳的學習成效，這裡期望能拋磚引玉，讓更多老師參
與這項善用3D數位科技，輔助學生學習的教材研發與教法創新工程。

25. 25
1
Warwick, K., Gray J. and Roberts, D. (1993). Virtual Reality in Engineering,
London: The Institution of Electrical Engineers.
2
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.
3
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.
4
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。
5
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。
6
Kolb, D. A. (1985). Experiential learning: Experience as the source of learning and
development. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey