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研究生: 劉彥慈
Yen Tzu Liu
論文名稱: 虛擬同步加速器光源之建置與研究
The Development of a Virtual Synchrotron Light Source and its Study
指導教授: 唐文華
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱:
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 95
中文關鍵詞: 同步輻射同步加速器光源Web3D虛擬實境電腦模擬
外文關鍵詞: Synchrotron radiation, Synchrotron light source, Web3D virtual reality, Computer simulation
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  • 本論文主要目的,在研究如何應用Web3D和虛擬實境等技術,建置虛擬同步加速器光源網站,以供國小高年級學生參觀學習之用。此虛擬同步加速器實驗室是模仿國家同步輻射研究中心(NSRRC)所建造,共分成四個主要場景:第一個場景是大廳,提供學習者通往其它區域之入口;第二個場景是控制室,以互動式3D畫面輔以文字講解同步加速器的出光流程;第三個場景是設備區,裡面展示了同步加速器各項具代表性的設備,並以3D動畫模擬方式呈現電子束通過各項設備的情形,讓學習者能夠觀察電子束轉換成光束的現象;第四個場景是實驗站,本研究以鑑定古蹟活動為例,讓學習者扮演研究者在此進行虛擬實驗,藉此瞭解同步加速器光源亮度高且能顯示物質內部細微構造及成份的特性,經由此模擬情境體驗出一般光源跟同步加速器光源之差異。本研究結果發現:
    一、學生使用Web3D虛擬實境網站的使用態度及意見
    (一)網頁內容方面:國小高年級學生認為網頁內容非常豐富,而國中學生則認為網頁內容可以更詳細的解釋物理現象。
    (二)介面與設計方面:有趣之內容能讓學生想進入參觀,若以小地圖之方式導引將更為適當。
    (三)多媒體特性方面:透過3D動畫逼真之特性,能夠引起學習興趣,但需考量教學環境之電腦硬體與網路限制。
    (四)回饋與支持方面:3D動畫輔助文字說明與提供象徵性之圖示,在學習探索的過程中扮演建構抽象概念的重要角色。
    (五)吸引性方面:透過任務導引與互動式虛擬實驗,吸引學生想要使用Web3D虛擬實境之方式去學習新的知識。
    二、建置符合師生需求之Web3D虛擬實境教學網站可以輔助課堂教學,且能符合國小科學教育中「觀察」之教育理念,並能藉此引發學生對課程的學習動機。


    The major purpose of this research is to study how to use Web3D and virtual reality technologies to build a virtual synchrotron light source website for elementary school students to visit and study. The design of virtual synchrotron light source is based on the National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) at Hsinchu, Taiwan, and it contains four main scenes. The first scene is the hallway to provide the entrance to all areas. The second scene is the control room, providing interactive user interface and texts to explain the operational process of synchrotron light source. The third scene shows the representative equipment of the synchrotron light source using 3D animation to simulate electrons passing through the equipment to produce synchrotron light source. The fourth scene is an experimental station, where learners can play the role of a researcher to identify antiques. Learners will find out that the high brightness of synchrotron light source can show the internal structure and composition of materials. In this way, they can understand the difference of synchrotron light source and general light sources by way of virtual experiments. The results of this study include:

    I.The attitudes and opinions of students after using Web3D virtual reality website:
    i.Web content: the elementary school students believed that the web content was very rich, and the junior high school students thought that the web content could be more detailed in the explanation of physical phenomena.
    ii.Interface design: the website provided interesting content to allow students to browse, and it would be more appropriate if the virtual scenes could be guided by a small map.
    iii.Multimedia features: 3D animations with lifelike characteristics could usually enhance the interest in learning, but one needed to consider the restriction of computer and network in learning environments.
    iv.Feedback and support: 3D animations, texts and provision of symbolic icons played an important role in developing abstract concepts in the process of exploration and learning.
    v.Appealing: the task of guidance and interactive virtual experiments could attract students to use Web3D virtual reality in learning new knowledge.
    II.This research built a Web3D virtual reality website according to the requirement of teachers and students to support classroom teaching, which conforms to the "observation" concept of science education in elementary school and can therefore enhance the learning motivation of students.

    第一章 緒論 1 第一節 研究背景與動機 1 第二節 研究目的與問題 3 第三節 名詞釋義 4 第四節 研究範圍及限制 6 第二章 文獻探討 7 第一節 國家同步幅射研究中心 7 第二節 虛擬實境 10 第三節 網路學習 17 第四節 電腦模擬輔助教學 21 第五節 情境式學習 25 第三章 研究方法 28 第一節 研究流程 28 第二節 Web3D網站建置 29 第三節 研究對象 55 第四節 研究工具 56 第五節 實驗程序 60 第四章 研究結果 61 第一節 描述性統計 61 第二節 不同年齡層學生之使用態度分析 65 第三節 學生訪談資料分析 68 第五章 研究結論與建議 71 第一節 結論 71 第二節 建議 74 參考文獻 一、中文部份 76 二、英文部份 79 附錄 附錄一 專家效度請託函 81 附錄二 專家內容效度評定問卷 82 附錄三 專家內容效度意見分析表 85 附錄四 虛擬同步加速器光源使用態度正式問卷 86 附錄五 學生焦點團體訪談紀錄表 88 圖次 圖2-1 台灣國家同步輻射研究中心鳥瞰圖 8 圖2-2 同步加速器光源設備示意圖 9 圖3-1 研究流程圖 28 圖3-2 教學內容發展示意圖 29 圖3-3 Web3D虛擬同步加速器光源網站 33 圖3-4 同步加速器光源建築規劃圖 35 圖3-5 虛擬同步加速器光源場景規劃 35 圖3-6 虛擬同步加速器全景 36 圖3-7 虛擬1F大廳場景 36 圖3-8 B1虛擬增能環場景 36 圖3-9 1F虛擬儲存環場景 37 圖3-10 1F虛擬實驗站場景 37 圖3-11 2F虛擬觀景區 37 圖3-12電子速小於光速之輻射角分布圖 39 圖3-13同步加速器光源指向電子切線運動方向 40 圖3-14 模擬電子束通過偏轉磁鐵之情形 41 圖3-15 模擬電子束偏轉前、後位置示意 41 圖3-16 模擬同步加速光源 41 圖3-17 模擬偏轉磁鐵功能動畫流程 42 圖3-18 四極磁鐵原理 43 圖3-19 模擬四極磁鐵水平聚焦 43 圖3-20 模擬四極磁鐵聚集之功能 44 圖3-21 出光流程粒子位置示意 44 圖3-22 控制室控制面板增能環畫面 45 圖3-23 控制室控制面板儲存環畫面 45 圖3-24 出光流程模擬流程圖 46 圖3-25 古物鑑定教材內容流程圖 47 圖3-26 需重覆的重要設備 49 圖3-27 經由程式處理後產生的設備場景 49 圖3-28 object copy指令 49 圖3-29 碰撞性幾何體 50 圖3-30 真實藝術性幾何體 50 表次 表3-1 國小自然與生活科技相關學習單元目標 30 表3-2 同步加速器光源學習內容 31 表3-3 同步加速器光源學習目標 31 表3-4 實際照片與3D模擬設備對照表 38 表3-5 課堂教學內容說明表 51 表3-6 實驗教學之研究對象 55 表3-7 研究問題與工具 56 表3-8 專家學者委員名單 57 表3-9 虛擬同步加速器使用態度量正式問卷題目 58 表4-1 網頁內容方面平均數及標準差 61 表4-2 介面與設計方面平均數與標準差 62 表4-3 多媒體特性方面平均數與標準差 63 表4-4 回饋與支持方面平均數與標準差 63 表4-5 吸引力方面平均數與標準差 64 表4-6 t考驗分析摘要表 65

    一、中文部份
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