指導教授 : 王曉璿 教授 張容容 BIT103103 103年3月27日(WEEK06) 數 位 整 合 傳 播 研 究 論文研讀報告 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估 The Usability Evaluation of Employing Eye Movement Analysis in Augmented Reality Digital Learning System 指導教授 : 王曉璿 教授 張容容 BIT103103 103年3月27日(WEEK06)

論文資料 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估 The Usability Evaluation of Employing Eye Movement Analysis in Augmented Reality Digital Learning System 指導教授：林豪鏘 教授 研 究 生：林宗毅 國 立 臺 南 大 學 數 位 學 習 科 技 學 系 2012年碩 士 論 文 關鍵詞：眼動分析、擴增實境、使用性評估 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

摘要 建置一套擴增實境數位學習系統(Augmented Reality Digital Learning System, ARDLS) 包含「系統建置」及「教學實驗與系統評估」兩大主軸｡ 在教學實驗分為預試組、實驗組、控制組三組 使用眼動儀來記錄學生學習時眼動情形，再進行眼動行為分析。 以使用性尺度量表(System Usability Scale, SUS)與使用者介面滿意度問卷(Questionnaire for User Interaction Satisfaction, QUIS)再配合質性研究方式，用三角驗證法 (Triangulation)來相互驗證， 參加者之使用性評估結果顯示，其學習成效性比未參與學生效果顯著好，且均持正面態度 從眼動分析結果，系統之使用性會顯著影響學生對於系統之凝視次數、凝視時間。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

目錄 一.研究問題探討 二.文獻探討 三.研究方法 四.研究結果 五.研究建議 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

一.研究問題探討_研究背景與動機 九年一貫課程綱要中將資訊科技列為十大重要基本能力之一、六大議題與七大學習領域的重要元素 (教育部，2003) 資料顯示在國小「自然與生活科技」中，資訊科技不只是學習工具，更能成為學習上不可或缺的學 習夥伴(何榮桂、藍玉如，2000；何榮桂，2002)因此如何結合傳統自然與科技兩大主軸，使用科技 增進學習者於自然學科之學習成效益顯重要。 在皮亞傑的認知發展與學習(1964)，國小階段的孩童上處於具體運思期，此期的孩子面對問題時， 已具有邏輯法則推理思維的能力，但也只限於眼見的具體物或者相關經驗。然而國小自然與生活科 技學科中牽涉到學童無法具體認知的天體世界，天體世界的運行有許多是無法透過傳統平面教材具 體呈現的，這樣的教學常使學生學習成效不彰。 隨著科技的發展擴增實境技術的成熟以及許多研究利用眼動實驗的結果推論閱讀以及其他認知處理 的歷程(Rayner & Morris, 1992; Radach & Kennedy, 2004;Rayner & Juhasz, 2004)，發現在體知 覺歷程中的資訊注意力由視線軌跡來加以衡量。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

一.研究問題探討_研究背景與動機 過去研究發現視線軌跡能反應個體內在心理歷程以及資訊注意力的轉移歷程(Just & Carpenter, 1976)，個體的視線停留處以及視線停留時間多受到其知覺因素的影響(Rayner, 1998)。 許多研究透過擴增實境進行教學(Hsieh & Lee, 2008; Tan et al.2007)，以加深學生在教學過程中 的學習印象。並有許多研究指出擴增實境式學習可提升學生的學習動機(Dunser & Hornecker, 2007; 林為光，2011)。 自然科學領域的課程內容大多數是抽象性、實驗操作性高的概念，一般傳統教學現場，教師教學方 式往往多採用板書或手持教具進行，此一教學方式雖然可提供學生具體物的觀測經驗，卻缺乏學習 自主性 卓詠欽、王健華(2010)研究結果發現擴增實境適合應用在國小自然與生活科技教學，因此本研究藉 由擴增實境具體呈現3D物件之優勢，以國小自然與生活科技的「氣象觀測」單元做為教材 而國內探討擴增實境系統之使用性在眼動情形研究較少，因此，本研究發展一套擴增實境學習系統 做為教材媒介，並以眼動儀、使用者滿意度量表、系統使用性量表，來得知學生在操作擴增實境時 的眼動情形以及行為表現。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

一.研究問題探討_研究目的 將擴增實境技術結合國小教材，建置一套擴增實境數位學習系統，配合學科課程單元設計擴增實境 3D數位媒體教材，透過新的資訊媒體來增強學生的學習成效，並豐富其學習歷程。許多研究透過擴增 實境進行教學(Hsieh & Lee, 2008; Tan et al.2007)，以加深學生在教學過程中的學習印象。 (1) 分析本系統之使用性與滿意度。 (2) 探討本系統之滿意度對學生自然學科能力的影響。 (3) 探討本系統之使用性對學生自然學科能力的影響。 (4) 分析學生對於本系統之滿意度與使用性的影響。 (5) 探討學生眼動情形與系統使用性關係。探討以本系統輔助學習後對學生自然學科能力的影響。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

一.研究問題探討_研究限制 本研究為瞭解學生在操作擴增實境時之眼動情形，為配合實驗設備之固定眼 動儀的使用，所以本研究所設計之擴增實境教材內容，只能搭配桌上型電腦或者 筆電使用。受限於研究場域、學生學習背景、家庭環境及學習環境等因素，研究 結果僅限於具相同情況之對象，不宜做過度揣測及推論。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_擴增實境 擴增實境(Augmented Reality, AR)是基於虛擬實境(Virtual Reality, VR)所延伸的電腦圖學技術。 不同於虛擬實境，擴增實境是在真實場景中融入虛擬的3D物件，藉此提升使用者的感知。 資結合虛擬與真實互動的擴增實境，可以應用在各種領域，像是軍事、醫學、工程設計、機器人、 保養和維修的應用、消費者設計、學習、娛樂、教育娛樂、心理治療等(Azuma, 2001)。 Azuma (1997)學者提出擴增實境的定義，定義為同一空間結合虛擬和真實物件、立即的互動性、具 有空間性。虛擬物件是在真實的三維空間，且能與使用者互動，此三項特點缺一不可。 陳坤森(2007)將「擴增實境」(Augmented Reality, AR) 定義為一種將「現實環境影像」與「電腦 虛擬影像」互相結合的一種新技術。 Kaufman(2006)總結他6年內許多有關應用擴增實境與虛擬實境之相關研究，結論顯示無論是學生或 教師對於學習都產生相當興趣。因此，擴增實境是一項可以增加學生的學習效果與興趣的新型態教 學(卓詠欽、王建華，2010)。 Shelton & Hedley (2002)利用擴增實境呈現九大行星的教學實驗進行教學活動，因為擴增實境輔助 教學，學生增加了對行星的瞭解度。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_擴增實境 擴增實境(Augmented Reality, AR)是基於虛擬實境(Virtual Reality, VR)所延伸的電腦圖學技術。 不同於虛擬實境，擴增實境是在真實場景中融入虛擬的3D物件，藉此提升使用者的感知。 資結合虛擬與真實互動的擴增實境，可以應用在各種領域，像是軍事、醫學、工程設計、機器人、 保養和維修的應用、消費者設計、學習、娛樂、教育娛樂、心理治療等(Azuma, 2001)。 Azuma (1997)學者提出擴增實境的定義，定義為同一空間結合虛擬和真實物件、立即的互動性、具 有空間性。虛擬物件是在真實的三維空間，且能與使用者互動，此三項特點缺一不可。 陳坤森(2007)將「擴增實境」(Augmented Reality, AR) 定義為一種將「現實環境影像」與「電腦 虛擬影像」互相結合的一種新技術。 Kaufman(2006)總結他6年內許多有關應用擴增實境與虛擬實境之相關研究，結論顯示無論是學生或 教師對於學習都產生相當興趣。因此，擴增實境是一項可以增加學生的學習效果與興趣的新型態教 學(卓詠欽、王建華，2010)。 Shelton & Hedley (2002)利用擴增實境呈現九大行星的教學實驗進行教學活動，因為擴增實境輔助 教學，學生增加了對行星的瞭解度。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_擴增實境 擴增實境(Augmented Reality, AR)是基於虛擬實境(Virtual Reality, VR)所延伸的電腦圖學技術。 不同於虛擬實境，擴增實境是在真實場景中融入虛擬的3D物件，藉此提升使用者的感知。 資結合虛擬與真實互動的擴增實境，可以應用在各種領域，像是軍事、醫學、工程設計、機器人、 保養和維修的應用、消費者設計、學習、娛樂、教育娛樂、心理治療等(Azuma, 2001)。 Azuma (1997)學者提出擴增實境的定義，定義為同一空間結合虛擬和真實物件、立即的互動性、具 有空間性。虛擬物件是在真實的三維空間，且能與使用者互動，此三項特點缺一不可。 陳坤森(2007)將「擴增實境」(Augmented Reality, AR) 定義為一種將「現實環境影像」與「電腦 虛擬影像」互相結合的一種新技術。 Kaufman(2006)總結他6年內許多有關應用擴增實境與虛擬實境之相關研究，結論顯示無論是學生或 教師對於學習都產生相當興趣。因此，擴增實境是一項可以增加學生的學習效果與興趣的新型態教 學(卓詠欽、王建華，2010)。 Shelton & Hedley (2002)利用擴增實境呈現九大行星的教學實驗進行教學活動，因為擴增實境輔助 教學，學生增加了對行星的瞭解度。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_擴增實境 白益欣(2006)提出的作品「AR 大富翁」、「AR 小紅帽」運用擴增實境建立多人學習的介面，讓使 用者在擴增實境的環境中進行互動，引起學習動機。 (Hsieh & Lee,2008)將擴增實境圖卡以排列組合的概念，降低圖卡設計的複雜度，利用擴增實境技 術開發英語字彙學習輔助系統，提供新的數位媒體給予學童不同的學習刺激。 Hsieh與Lin(2009)提出一套具有浸入式學習效果的擴增實境英語字彙學習系統，結合英文字彙魔法 書，學童能與魔法書互動給學童不同的學習刺激，而學童在家就能透過擴增實境英語字彙學習系統 自行學習，在混合實境中，透過人機互動來增進學童的學習興趣及學習效果 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_眼動追蹤 眼動追蹤技術(eye tracking)是一種測量技術(Cornsweet, 1958)，它能協助研究者記錄測量使用者 在特定時間的眼球位置(凝視點)以及凝視資訊陳列的運動順序及軌跡。 眼動追蹤技術有助於建構使用者觀看螢幕的注意力分佈，與資訊處理同步記錄的眼動資料，是提供 使用者介面評估的客觀資料(Poole & Ball, 2005)，因此，眼動被視為處理視覺訊息最有效的方法 (Solso, 1994)。 以觀察記錄「使用者在看哪裡」的眼位技術，或者測量相對於頭部位置的眼動(eye movement)資料 型態。 每個人的觀看模式不同，因此，可以透過凝視點位置或視線軌跡方式瞭解觀者對於訊息的閱讀策略 與注意力的關係，其眼球的凝視方向幾乎等同於個人注意力方向(Langton et al., 2000; 唐大崙、 張文瑜，2007)，而人的眼睛所凝視的位置與注意力分布的範圍也存在著強烈的相關性(Henderson & Hollingworth, 1998)。 Hoffman 和Subramaniam (1995)的研究指出，當觀者要執行眼球運動時，注意力其實已經搶先在眼 球運動之前，當到達某特定位置時會增進某事件的知覺反應。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_眼動追蹤 眼球運動和人類的意志、意圖以及注意力分佈有密切相關性(Solso, 2003)，能以眼動路徑、凝視點 和眼動停留時間等資料，將可成為注意力分布的最佳指標。 從受測者閱讀時的總凝視時間、凝視位置等眼動型態，可以觀察觀者的閱讀注意的過程(Just & Carpenter, 1987; Rayner & Pollatsek, 1987; Rayner & Morris,1992; Radach & Kennedy, 2004)。 過去研究發現視線軌跡能反應個體內在心理歷程以及資訊注意力的轉移歷程(Just & Carpenter, 1976)，個體的視線停留處以及視線停留時間多受到其知覺因素的影響(Rayner, 1998)。 Yarbus(1967)的研究指出觀者在觀看圖片時的眼球運動與閱讀文字的訊息幾乎完全相同。因此，眼 球運動的觀察被應用在許多領域研究，如多屬性消費者決策問題(Pieters & Warlop, 1999; Russo & Leclerc, 1994; Russo &Rosen, 1975)，閱讀研究(Chaffin et al., 2001 ; Rayner, 1998)，廣 告研究(唐大崙et al.,民94; 唐大崙& 莊賢智, 民94)，以及問題解決研究(Salvucci & Anderson,1998; Suppes, 1990)。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_眼動追蹤 Hyrskyari, Majaranta, and Raiha (2003)提出i-Dict和Khiat,Matsumoto, and Ogasawara (2004) 提出的Gaze-Sensitive Dictionary 都是輔助外語學習的眼動字典，利用眼動行為特徵判斷使用者 在閱讀外文時的狀態，看是否需要即時的翻譯給予輔助。 Campbell, and Maglio (2001)提出一個偵測閱讀行為的演算法，利用眼動移動的距離和方向作即時 分析，可以即時找出閱讀者是在閱讀(Reading)、瀏覽(Skimming)或是跳讀(Skipping)。 Chaffin, Morris, and Seely (2001)探討讀者詞彙熟悉度對眼動行為的影響，其分析指標使用第一 次凝視點的凝視時間、第一次連續凝視總時間、重新閱讀總凝視時間、回視率，以及全部凝視時間 等五大指標來加以衡量讀者眼動行為，結果發現讀者對於熟悉度低的字詞其凝視時間較熟悉度高的 字詞為多。 Megaw和Richardson (1979) 與Neboit和Richardson (1987)的研究指出眼球運動的主要參數有凝視 時間、凝視次數、凝視順序、跳視次數、跳視距離，瞳孔大小等，凝視時間；凝視順序、凝視次數 是最常被拿出來探討的變項(Duchowski, 2003; Henderson & Hollingworth, 2003)。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_系統使用性量表 系統使用性量表(System Usability Scale, SUS)用來測量受測者操作系統之使用主觀感受 (Brooke, 1996)，在1986年由Digital Equipment Co Ltd.公司所開發的主觀感受量表。量表共有十個 問題，採取正反面交叉詢問之技巧，量測受測者對於系統之主觀評價，該問卷通常於使用者操作系統 後，在不討論與交集的情況下填答。每個問題最後被分為同意、不確定、不同意三個部分 (Lutes et al., 2006)，透過公式將受測者所選擇之尺度，轉換為數據型式之資料，評分方式以一百分為滿分， 分數越高代表受測者在主觀上，對於系統有較高之滿意度(Brooke, 1996;Lutes et al., 2006)。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

二.文獻探討_使用者滿意度量表 使用者滿意度量表(QUIS, Questionnaire for userinteraction satisfaction)是用來量測人機 介面與使用者滿意度之關係(chin et al., 1988)，其所評量介面的內容包含如下： 整體使用反應項目：分別為「極差至極好」、「困難至簡單」、「令人失望至令人滿意」、「令 人厭惡致令人興奮」、「能力不足至能力足夠」、「令人討厭至令人喜歡」、「死板至彈性」，為針 對系統之整體評估以及感受。 畫面呈現：「畫面中強調部分」、「畫面規劃」、「畫面順序」、「文字呈現」等四項評估，其 中又在予以細分成各項，本研究中僅針對其中三項進行評估。 學習：「操作系統的難易度」、「由錯誤中學習的程度」、「記得名稱、指令的程度」以及「任 務易懂的程度」。 系統性能：「系統速度」、「可信度」、「系統發出的聲響傾向安靜或吵雜」、「操作難易度受 到經驗影響程度」以及「更正錯誤程度」。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

三.研究方法_研究流程與實施步驟 系統建置分為六大主軸， 規劃：規劃擴增實境數位學習系統之系統架構與雛型設計， 系統建置：依據架構與雛型建置系統(ASP.NET及FLARToolKit為開發工具，FLARToolKit係以 ActionScript 3.0語言來撰寫) 資料庫建置：3D數位內容教材資料庫之建置，包括內容物件設計、繪圖、3D物件建模、場景設計、動 畫設計、圖卡設計等。(3D Digital ContentMaterials資料庫以SQL Server為主) 系統測試：系統建置完成後進行系統測試 系統評估：評估是否有需微調之處 建置3D數位內容教材標準化之作業流程： 以3D MAX為開發工具建置3D數位內容教材，並在建置的過 程中，同時擬訂製作3D數位內容教材標準作業流程SOP (Standard OperationProcess)。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

三.研究方法_研究設計 本研究之課程發展依循ADDIE之架構完成各階段任務。上學期建置擴增實境數位學習系統Augmented Reality DigitalLearning System)，下學期進行教學實驗及系統評估。 ADDIE是具有系統化的教學設計模型由五個步驟發展組成：分析(Analysis)、設計(Design)、發展 (Development)、實作(Implementation)、評鑑(Evaluation) 系統硬體包含個人電腦、螢幕、網路攝影機、眼動追蹤儀(眼動追蹤實驗用) 系統軟體包含FLARToolKit、3Ds MAX、Moodle平台。 圖卡設計以以二維條碼進行設計 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

三.研究方法_研究工具 系統使用性量表，採用Likert Scale五點量表做為問卷詢問，每題由低至高分別是(1)非常不同意、 (2)不同意、(3)普通、(4)同意、(5)非常同意 使用者滿意度量表，採用Likert Scale五點量表做為問卷詢問，每題由低至高分別是(1)非常不同意、 (2)不同意、(3)普通、(4)同意、(5)非常同意。 自然學習測驗卷，根據自編課程內容並參考南一、康軒、翰林等出版社之課程內容，編製自然學習 測驗卷，測驗卷內容具有內容效度。測驗題項分為四大項是非題、選擇題、連連看、做做看，共計 20題，學生作答時間為45分鐘。 三角交叉驗證法，意即倂用質和量的資料分析共同解釋研究結果，本研究之進行方式為讓使用者進 行使用性測試，包含使用者測試、觀察、問卷和訪談。同時分析蒐集來的量化資料和質性資料，將 二者所得結果進行比較並做詮釋，以瞭解兩組資料是否相互支持或相互矛盾 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

三.研究方法_實驗設計 實驗對象為臺南市立某國民小學三年級生。預試組共計18人，實際參與實驗學生人數共計76人，經 隨機分組分成兩組；其中，實驗組與控制組各38人。正式實驗前先對預試組學生進行施測，以了解系 統設計與操作是否有需要改進的並了解問卷量表是否具信度，其分析結果Cronbach’s α值為0.732， 達到一般認定之量表信度為0.7以上，表示量表之穩定性高且具有一致性。 。 將實驗對象分為實驗組及對照組共兩班進行教學實驗。 透過擴增實境數位學習系統配合課本進行教學，讓學生看到3D互動的教學內容，以直覺式的瞭解氣 象觀測單元所學之概念， 使用網路攝影機做為擷取擴增實境圖卡設備，再經由螢幕畫面呈現，學生亦可親自操作系統觀看學 習內容。 藉由擴增實境數位學習系統的輔助教師教學，讓學生對於氣象觀測能有具體的認知不再是抽象的概 念。 實驗結束後進行自然學習測驗卷、問卷及訪談做為實驗分析。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

三.研究方法_實驗設計 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

三.研究方法_眼動追蹤實驗 透過文獻探討並參考Radach和Kennedy (2004)、Rayner (2009)研究中指標定義來做為本研究眼動指標定義， 說明如下。 凝視時間(Fixation Duration) 受測畫面開始時間至受測結束之時間總和。以本實驗為例，從操作開始時 間到操作結束時間，即為凝視時間 凝視次數(Fixation Count) 受測畫面開始至受測結束之凝視次數總和。以本實驗為例，代表觀看特定區域 的總凝視次數，分析學生視覺關注點，以了解該學習畫面對學生學習時所吸引的學習內容。 平均凝視時間(Average Fixation Duration)受測畫面開始至結束總凝視時間與總凝視次數所得之平均數。 以本實驗為例，受測者觀看圖卡所顯示的3D模型總凝視時間除以總凝視次數，即為平均凝視時間。 感興趣區域AOI(Area of Interesting)可對於學生眼動軌跡所凝視部分區域或多重區域進行分析。以本實 驗為例，將受測者觀看的3D模型以AOI圈選，即得感興趣區域資料進行分析。 移動軌跡根據學生對於受測畫面之眼動軌跡情形進行分析，可得知學生在學習天氣觀測單元時，學生是根 據內容進行判別與學習。 Hot Map效果經由熱圖分析學生在學習時關注焦點，此一焦點可能是學生感興趣區域或不甚了解區域，以此 資訊可做為教師進行個別輔導時的參考切入點，也可藉此找出各點的關注程度，引導學習。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

四.研究結果 經過擴增實境輔助課程教學後，實驗組學生成績上均有所成長且與控制組學生比較，在學習上學習 成效較高。 受試學生對於本系統輔助教學之主觀使用感受是良好的，且控制組學生對於系統的使用性有顯著影 響到學習成效，而實驗組則沒顯著的關係。 受試學生對於本系統輔助教學之滿意度是良好的，但在學習成效上，實驗組與控制組則沒顯著的影 響到學習成效。 受試學生對於本系統滿意度與系統使用性，實驗組學生有顯著的相關性，控制組學生則無顯著的相 關性，表示擴增實境輔助課程滿意度會影響到學生對於系統的使用性。 由實驗數據得知，受試學生對於擴增實境輔助課程的系統使用性與眼動情形呈現顯著正相關，表示 受試學生對於擴增實境輔助課程的使用性越高，凝視的時間越長，凝視的次數越多。越高。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估

五.研究建議 在操作過程當中，常見學生移動網路攝影機拍攝圖卡時需要一直調整位置，常常因調的位置導致圖 卡內容無法顯示，之後的研究可考慮將擴增實境輔助系統移植到手機上，那這樣的問題就可降低許 多。 本研究針對系統使用性、使用者滿意度、學習成效等變項作探討，未來研究建議可增加學習動機、 學習風格等變項做後續研究。 本研究受限人力、時間、環境，故僅以臺南市某國小二個班級學生做為樣本，未來可擴大樣本數以 求更完整的統計資料。此外，施測時間上為配合教材時間、課程內容難易度，各組僅進行為期一節 課的實驗教學實在不足；因此，建議拉長研究時間相信會有更多具有價值之資料數據。 未來的研究者可以分別研究不同的知識領域，整合出一套適用於國小教育的擴增實境教材，或是探 討各式的學習層次，如幼兒教育、高中教育、大學教育、成人教育等，進一步提供導入的模式，讓 不久之後的學生能在課堂上經歷擴增實境的感官新體驗。 本研究主要針對擴增實境應用在教育上，醫學、軍事、博物館應用等涉略不多，因此無法推廣至其 相關領域，但軍事教育、醫學教育的擴增實境應用在未來均有很大的運用空間與發展，建議研究者 可以延續此方向，探索更多不同領域的發展。 運用眼動分析於擴增實境數位學習系統之使用性評估