地球科學系(含 海洋環境科技研究所)

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本系設立的宗旨,首在養成學生具備地球科學五大學術領域–地質學、大氣科學、海洋科學、天文學和地球物理–充分之本職學能;本系的教育目標,則首重致力培養有志從事地球科學之專精人才,以培育優秀之地球科學研究人才和實務工作的專業人才為主軸,並以培養優良的中學地球科學師資為輔。特別是在國內各地球科學相關系所中,本系是唯一同時涵蓋五大地球科學研究領域,並擁有師範大學在科學教育專業基礎的高等學術機構,此為本系之特色。若志在從事中等學校地科教學,本系亦可提供地科教學知能和教育專業知識,充分培育健全之地球科學師資。

在課程上,為營造更優質的學習與研究環境,本系已適度調整原以師資培育目標為主的舊有課程架構,整合各地球科學次領域之基礎課程,降低本系必、選修課程之比例,大幅減少各次領域之必修課程學分,以增加學生在各次領域課程選修之自由度及彈性,進而充分落實各次領域之專業進階課程。此外本系並積極鼓勵學生,實際參與實驗、撰寫論文、從事專題計畫研究等,以豐富其研究經驗,訓練學生使其具備獨立研究之精神與能力。經由選修本系提供之更多進階專業課程,進而厚植學生之理論基礎、充實其專業背景,並強化其選定目標次領域之學術養成和專業訓練;連同充足的研究經驗,本系學生的未來發展,將更具時代性與面對挑戰時的競爭力,進一步達到「博而精、廣而深」的終極目標。近來本系更積極增聘優秀外籍專任師資,以全英語教學方式授課,期能增加學生之國際觀與國際競爭力。

本系在碩、博士班研究所的教育上,採一系多所之架構,除地球科學研究所外,還包括海洋環境科技研究所。本系研究所的研究重點與發展方向,首在地球科學各領域之深耕與研究發展,並加強各次領域間之跨學門合作,以進一步提升本系之學術研究及國際化,並為本系學生的訓練和學習,提供全面全方位的考量,以訓練學生從容面對多變的世界,因應未來的挑戰。

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    海流資料同化方案之建立
    (2019) 顏嘉緯; Yan, Jia-Wei
    臺灣四周環海,海洋流場研究為我國國防、漁業、航運、救災、永續發展等的重要基石。海洋流場之觀測因受限於天氣、人力、航期規劃等、不易執行空間上大範圍的連續測量。相較於海表面的流場測量可輔以海表流速觀測浮標(Surface Velocity Program drifter, SVP drifter)等儀器來補足,次表層海流資料的取得仍十分困難。本研究藉由運用表面海流觀測資料對海洋模式進行同化,可使模式的次表層海流之模擬結果更趨近於觀測結果。研究中以船載式都卜勒流剖儀(ship-board Acoustic Doppler Current Profiler, sb-ADCP)所測量的海流資料,應用基於艾克曼理論所發展之同化技術,並帶入交互校準多重衛星風場資料(Cross-Calibrated Multi-Platform, CCMP)運算,來修正混合坐標海洋模式(Hybrid Coordinate Ocean Model, HYCOM)之模擬結果。再將HYCOM修正前後資料分別與sb-ADCP資料比對。比對結果可知此同化方法,可使該區域HYCOM模式上層資料更趨近ADCP觀測資料,達成改善模式資料之目的。本研究以海表面風影響海流變化原理的修正,惟因海表面風並非影響上層海流之唯一因素,所以在未來工作上將加入其他影響因素的研究,使模式資料同化結果更符合實際海流流況。
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    非彈性應變回復法之三維應力測量應用於宜蘭地熱探勘之評估
    (2019) 楊士寬; Yang, Shih-Kuan
    世界上的化石能源逐年面臨匱乏的危機,這將對人類的生活與經濟發展造成衝擊,因此開發替代能源為全球必行的趨勢,考慮環境保護、永續利用、經濟發展與資源優勢之因素,地熱能為適合臺灣發展的替代能源之一。 位於太平洋火環帶西緣的臺灣,是個富含地熱資源的國家,其中宜蘭地區地下水充足,若能在該地深處找到熱源與水源富集之區域,該地則即為理想的地熱電廠場址。 本研究以宜蘭紅柴林地熱潛能區紅柴林1號井(HCL01)與紅柴林2號井(HCL02)之岩心為樣本,進行非彈性應變回復法(ASR)實驗,量測現地的三維應力場,並以岩心描述取得現地導水裂隙與弱面位態的資料,利用三維應力與裂隙位態評估現地裂隙的滑動與擴張趨勢以及導水效果的好壞,作為地熱開發潛能的評估依據。 紅柴林1號井樣本所解算出的三軸應變場結果顯示,各樣本的三軸應變場沒有特定的規律,每個深度之樣本所對應的應力場型式也不相同。HCL01-01樣本結果不屬於安德森斷層理論的任一種斷層型式的應力場,水平最大應力的擠壓方向為西北-東南向,解算三為主應力之規模由大到小分別為46.05、41.06、34.29 MPa;HCL01-02樣本結果趨近於逆斷層型式的應力場,水平最大應力的擠壓方向為北北西-南南東向,解算三為主應力之規模由大到小分別為57.86、34.03、29.3 MPa;HCL01-03樣本結果趨近於正斷層型式的應力場,水平最大應力的擠壓方向為北北東-南南西向,解算三為主應力之規模由大到小分別為41.35、34.46、27.96 MPa;HCL01-04樣本結果趨近於逆斷層型式的應力場,水平最大應力的擠壓方向為北北東-南南西向,解算三為主應力之規模由大到小分別為68.58、61.16、51.09 MPa。整體而言,各樣本ASR實驗顯示的應力場結果並不一致,但有水平最大主應力的擠壓方向皆趨近為南北向擠壓的共通點。 紅柴林2號井樣本所解算出的三軸應變場結果顯示,各樣本的三軸應變場沒有特定的規律,每個樣本所對應的應力場型式也不同。HCL02-06樣本結果趨近於正與走向滑移間過渡斷層型式的應力場,水平最大應力的擠壓方向為西北西-東南東向,解算三為主應力之規模由大到小分別為65.09、56.46、34.96 MPa;HCL02-07樣本結果趨近於走向滑移斷層型式的應力場,水平最大應力的擠壓方向為西北-東南向,解算三為主應力之規模由大到小分別為80.08、60.79、46.8 MPa。HCL02-6、7樣本水平最大主應力的擠壓方向趨近於西北東南向擠壓,彼此間有水平最大應力擠壓方向雷同的共通點。 紅柴林1號井樣本解算出的滑動趨勢皆小於0.6,各位態的構造弱面均不容易錯動活化。紅柴林1號井樣本解算出的擴張趨勢顯示,深度約1492公尺西北-東南走向、向東北傾斜之中到高傾角的構造弱面有高的擴張趨勢;深度約1560公尺東北-西南走向、向東南傾斜之中傾斜程度傾角的構造弱面有高的擴張趨勢;深度約1579公尺南北走向、向東或向南傾斜之高傾角的構造弱面有高的擴張趨勢;深度約2222公尺西北-東南走向、向東北傾斜之中到低傾角的構造弱面有高的擴張趨勢。 本研究由紅柴林1號井岩心樣本所計算的擴張趨勢與附近深度構造弱面位態進行比對,分析的結果為大部分的構造弱面(如: 層面、劈理、裂隙、礦脈、斷層擦痕面、導水裂隙)位態都沒有高擴張趨勢,於現今應力場下不利於以擴張撐裂的方式發展成為導水裂隙。只有1491.5~1555.7公尺深朝西南方傾沒的礦脈群擁有高擴張趨勢,較有機會以張裂的方式發展成為現今的導水裂隙。 若能由其他資料,例如井測資料,證實該位置導水裂隙的存在,將有利於加強型地熱電廠之注入井與生產井的設井相對位置之評估。
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    地磁複變解調與地震活動之相關性:以台灣崙坪全磁力資料為例
    (2003) 何英銳
    複變解調方法(complex demodulation method)係利用傅力葉轉換(Fourier Transform)在頻率域中作資料的頻率平移及濾波的技巧,可以取得時間序列中單一頻率分量的振幅(amplitude)及相位(phase)曲線。本研究利用複變解調方法檢視崙坪(LP)1993-1996、1999年及澳洲Alice Springs (ASP) 1996、1997、1999、2000年的地磁全磁力資料,由波譜發現明顯存在1、2、及3 cycle/day等峰值,利用複變解調分別求出其振幅隨時間的變化曲線(振幅時間函數),其振幅值介於0 - 12γ之間。這些曲線皆有週期約為一年的季節變化,各地區、各頻率分量的季節變化皆不相同,有區域性差異。 將崙坪觀測站地磁全磁力波譜頻率分量的長期振幅曲線減去平均季節效應後,比對該測站100公里內的地震活動,發現其間有明顯的相關性存在,地震活動度高時1 cycle/day頻率分量振幅為低值,而且當振幅值由大轉小時為危險期,30至90天之內為大地震活動的高峰期,大地震發生時1 cycle/day頻率分量的去季節效應長週期振幅下降幅度皆超過1γ。
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    西北大西洋與太平洋環流研究
    (2011) 張育綾; Yu-Lin Chang
    西北太平洋與大西洋邊緣海有著世界上最具能量的海流。 本研究旨在於利用模式與觀測的數值分析來了解西北大西洋與太平洋的動力過程。西北太平洋鄉會著重於墨西哥灣,藉由風驅動下的物質與熱量平衡,我們發展了一套理論來解是墨西哥套流產生不同週期渦旋的原因,上下層海洋之間的耦和與交互作用。在應用上,本研究模擬墨西哥灣在2010年發生了嚴重的漏油事件。 在西北太平洋的研究上,首先研究在風作用在強流的渦度場下產生的小尺度垂直運動,並將此應用在東海陸棚邊緣的黑潮。 利用29年的潮位站與衛星風場與高度場資料來分析黑潮過去的季節與年際變化,結果發現黑潮的流量變化與副熱帶反流所產生的渦旋有密切的關係。西北太平洋的風的震盪影響了黑潮流量變化、渦旋產生的年紀變化。此震盪在此定義為"菲律賓-台灣震盪",我們認為此振盪可以為西北太平洋年際變化的動力連結。
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    教育-認知科學-神經科學-分子生物學的整合性研究架構-從多巴胺到學習行為的初探
    (2010) 葉庭光
    本研究嘗試提出教育-認知科學-神經科學-分子生物學的架構,希冀藉由整合各領域的觀念與研究方法,探索影響學習行為的機制。研究結果發現COMT基因-生理-情緒與認知能力-學習成效的潛在路徑。本研究顯示學習行為背後機制的複雜性。教育研究者以及教育工作者應體認學習者的個別差異,依據個別的特性輔助學習者有效學習。
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    南海渦漩、暖流及颱風溫降之數值模擬與動力解釋
    (2010) 江紫綾; Chiang, Tzu-Ling
    本研究使用一個南海區域的數值模式(South China Sea model)模擬向西移動的中尺度渦漩行為、冬季之南海暖流(South China Sea Warm Current)及颱風造成的海表面溫降,並解釋這些現象的動力過程與形成機制。由南海模式之海表面高度距平值顯示,起源於呂宋海峽附近之中尺度渦漩脫離後會向西移動,進而影響南海北部的水文及環流。此渦漩脫離的週期在冬天較短為40~50天,夏天較長為80~120天,此與黑潮入侵之季節性變化有關。南海模式也能成功地模擬出南海暖流。經由多個數值試驗得知,黑潮的存在並不會影響南海暖流的形成與否。冬季時東北季風的間歇性減弱(wind relexation),才是南海暖流產生的主要原因。也就是說,東北季風時期,海水會在東京灣(Gulf of Tonkin)岸邊堆積,使得海平面升高,待東北季風減弱後,海水回流進而形成南海暖流。我們也利用模式重新確認了暖流的發源處是在東京灣,而非過去所認為的海南島東南方。南海模式亦成功模擬了2000年夏季啟德颱風(Kai-Tak)在南海北部所造成的強烈海表面溫降。並利用數值試驗得知:湧升及垂直混合機制各自所占的表面降溫比例分別為62%與31%。啟德颱風能夠造成如此強烈之表面溫降原因為:一、颱風來臨前有異常淺的溫躍層存在,所以次表層的冷水較容易被帶到表面;二、颱風本身之移動速率較慢,因此由颱風引起之湧升效應更為強烈。
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    南海與呂宋海峽渦漩動力之研究
    (2009) 許瑋真
    Satellite observations have shown the abundance of generally westward-propagating eddies in the subtropical regions in the North Pacific Ocean, especially north of 10°N. Eddies transport mass, and can significantly impact the circulation as well as the heat, salt and nutrient balances of the western Pacific marginal seas. This study uses a numerical model to examine the conditions when eddies can or cannot freely propagate westward through the Luzon Strait into the South China Sea (SCS). Composite analyses on the 10-year model data show that the fates of eddies depend on the strength and path of the Kuroshio. In one path which exists mostly during fall and winter, the Kuroshio loops westward into the SCS, the potential vorticity (PV) across the current is weak, and eddies are likely to propagate freely through the Luzon Strait. In another path which exists mostly during spring and summer, the Kuroshio tends to leap directly northward bypassing the SCS, the PV across it strengthens, and eddies are then blocked and are constrained to also follow the northward path. Nonlinear eddy-current interaction and the existence of a cyclone north of the Luzon Island during the looping phase explain why eddies of both signs can pass through the strait. It is shown also that the upstream state of the Kuroshio in the western tropical Pacific plays an important role in dictating the different paths of the Kuroshio. The looping (leaping) path is caused by a weakened (stronger) Kuroshio transport related to the northward (southward) shift of the North Equatorial Current in wintertime (summertime). During El Niño/Southern Oscillation (ENSO) events, the Kuroshio weakens and a large portion of the Philippine Sea water passes through the Luzon Strait. The intensity of the Kuroshio is capable of influencing the seasonal upwelling in the SCS. Seasonal upwelling events along the east coast of Vietnam and west coast of Luzon have been demonstrated by satellite data. In a normal year, a strong eastward jet is associated with the cooling and upwelling off Vietnam. Strong ENSO events have been recorded in the years 1997 and 1998: the satellite data clearly show a vigorous upwelling off Vietnam in August 1997, but a wan one in August 1998. Abnormal warming interrupts the normal upwelling generated off Vietnam and Luzon. Two defined indicators of sea surface temperature anomaly (SSTA), the upwelling off the coast of East Vietnam in summer and off the coast of west Luzon Island, reveal seasonal upwelling activities. Both these upwellings appear in normal years, but they diminish during the active warming period. The seasonal upwelling dynamics is dependent on ENSO and is also coherent with the South Eastern Tropical Indian Ocean (SETIO). The intensity of prevailing monsoon varies the proportion of the response to oceanic circulation and heat content, that is, weak monsoons do not promote water in vertical motion and less heat is released. The ocean heat content anomaly (OHCA) indicates whether the budgets for both the ascending and descending heat content are initiated at the western boundary. Although the OHCA in conjunction with the vortex has not been directly reported, the results of model dynamics studies are favorably comparable with the satellite data. Large-scale Indian-Pacific Ocean meteorological variations have certain strong impacts on the SCS. The teleconnection between ocean and atmosphere shows that the seasonal upwelling is controlled by the complex interplay between the internal and external sea-air interacting processes. The regional monsoon system changes rapidly in response to oceanic variations. The weak wind stress curl during the evolution of the La Niña cycle of 1998 affects the atmosphere-ocean coupling and hampers the generation of the upwelling. Variations in both the large-scale air-sea interaction and the strength of the Kuroshio transport impact (1) the generation of vortices over the SCS and (2) the path of movement vortices in the Luzon Strait.
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    反射探勘數據重建及其淺層地質應用
    (2011) 陳志松; Chih-Sung Chen
    反射信號(reflection data)數據處理一直是地球物理探勘學家相當有興趣的領域。地球物理反射探勘法是以高解析度的反射數據剖面來解釋地質構造或地下埋藏物之幾何形貌。而野外數據常因伴隨的相參性雜波(coherent noise),如:地滾波(ground roll)、諧和波(harmonic wave)、多重反射(multiple),以及儀器本身和外界背景雜波之干擾;或反射信號能量在傳遞過程中,會有本質性 (intrinsic) 及幾何性的衰減(damping factor),導致記錄之數據信雜比(signal-noise ratio, SNR)不佳,進而增加了原始信號本質之分析及解釋上的難度。儘管有很多傳統處理方法可以改善,但往往成效不佳,甚或衍生出更麻煩的人工假象 (artifacts)。 頻譜分析是資料處理的基本方法,本論文以近代新的可適性(adaptive)瞬間時頻分析法,希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang Transform, HHT)分析技術為架構,以非線性(nonlinear)及非穩態性(non-stationary)的信號處理概念,將數據先用自然對數轉換(natural logarithmic transform, NLT)提高信雜比以及調整數據的動態區間(dynamic range),再配合均和式經驗模組拆解法(ensemble empirical mode decomposition, EEMD),讓原始記錄之反射信號與雜波得以分離,並解析出信號本質上所具有的瞬時特性(instantaneous attributes)之物理意義,進而重構數據,提升信號解析度,得到非線性濾波之功效。 在研究程序上,本論文先對反射探勘法從理論、資料處理到解釋,做簡單而不失周延的整理與探討,再以模擬之數據信號來測試及佐證分析方法之可行性,最後再應用於實際的數據。野外案例主要包含兩部分:第一部分為反射震測資料,以台灣西南外海之海底震測儀(ocean bottom seismograph, OBS)數據為例;第二部分屬透地雷達數據,以校園道路之走離雜波測試及新竹峨眉台三線邊坡之傾斜地層構造等三個野外案例說明。 以數據模擬結果與野外案例顯示,NLT及EEMD共構進行分析,不僅對原始數據的信雜比明顯提升,也助於增強走時曲線在時間域與空間域上能量的連續性與相參性,並提高信號的解析度及時間(深度)顯示。另外,利用可適性瞬間時頻譜分析所得之結果可瞭解,應用NLT及EEMD組合處理的反射數據,除了可有效增進反射數據之可信度外,也讓信號數據處理分析多了一種新的選擇。
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    藉由超大分子氣泡與分子噴流的研究瞭解星遽增星系的演化
    (2011) 蔡安理; Tsai, An-Li
    為了瞭解星系的演化,我們研究星系如何在星系活動中消耗他們的燃料,分子氣體。星遽增星系是研究分子氣體如何被消耗的一個很好的研究對象,它是一種在星系中心正在進行劇烈恆星形成的星系,它因為劇烈恆星形成而產生星系尺度大的噴流並拋出大量的分子氣體。然而,對於星系失去分子氣體的精確測量卻非常少,這是因為分子噴流或巨大分子氣泡的分佈很迷散以致於很稀薄,因此不容易被過去敏感度較低的儀器偵測到。 雖然單天線電波望遠鏡沒有觀測通量損失的問題,但是它的低解析度不足以解析分子噴流或者巨大分子氣泡的細微結構。最近發展的干涉陣列電波望遠鏡觀測,雖然可藉由分子光譜的寬翼譜線偵測到高速分子噴流,但是直接觀測到分子噴流的影像仍然非常少,這對於精確定出分子噴流或巨大分子氣泡的性質為一大缺失。目前僅有極為少數的分子噴流與超大分子氣泡被以高解析度干涉陣列電波望遠鏡觀測到。其中一個最有名的星系就是星遽增星系M82。分子噴流的性質,譬如大小、速度、質量等,皆可被直接觀測到。本研究增加了另外兩個目標星系,NGC 2146以及NGC 3628,它們與M82有非常相似的特性。 我們使用日本野邊山干涉陣列電波望遠鏡(Nobeyama Millimeter Array, NMA)觀測這兩個星系。我們的觀測成功地偵測到星系盤外,數百至數千pc大小的分子噴流以及超大分子氣泡。它們的膨脹速度約每秒35-200公里,拋出的質量約107-8個太陽質量,需要動能約1053-55爾格。NGC 2146的分子噴流速率每年損失約17-34太陽質量,NGC 3628則每年損失約4-7太陽質量。 為了瞭解星系如何藉由分子噴流與超大分子氣泡損失分子氣體質量,我們加入了Chandra X-ray太空望遠鏡資料庫的觀測資料。X-ray觀測資料的分佈位置與分子噴流或超大分子氣泡有很好的空間分佈相關性。我們發現較強的低能量X-ray譜線,分佈在分子噴流或超大分子氣泡的裡面,或者分佈在大致相同的位置。此外,電漿氣體產生的熱壓力比分子噴流的壓力大上一到兩個數量級。這顯示分子噴流正被電漿氣體向外推擠。 由於我們可以精確測量分子氣體的損失,我們得以研究分子氣體的消耗在星系演化中所造成的影響。為了這個目的,我們更加入了NMA的三釐米連續譜線觀測資料,這是一個在電波波段偵測大質量恆星形成區很好的指標。結果顯示,星系中星遽增區域的恆星形成速率在NGC 2146為每年16個太陽質量,在NGC 3628為每年2個太陽質量。這顯示星系藉由分子噴流或者巨大分子氣泡損失分子質量比恆星形成速率還要更快。分子氣體質量損失約為恆星形成率的1-3倍。這提供了一個很好的證據,分子噴流或巨大分子氣泡造成的分子質量損失,可阻止恆星繼續形成。 在比較NGC 2146、NGC 3628、與最具代表性的星遽增星系M82三個星系的三種觀測資料的分子噴流與超大分子氣泡數據之後,我們發現它們分別處於星遽增活動的不同演化階段。NGC 3628最年輕,NGC 2146居中,M82最老。NGC 3628的星遽增現象正被增強中,被拋出的分子噴流氣體回到星系盤的時間比星系盤分子氣體完全消耗完的時間大約短了一個數量級,這顯示這些回到星系盤的分子氣體很快就能成為補充恆星形成的燃料。NGC 2146的星遽增現象也正被增強中,但是被拋出的分子氣體回到星系盤時,星系盤分子氣體也快要消耗完了,這顯示回到星系盤的分子氣體對於延長星遽增活動的時間的影響較小。M82的星遽增現象正在降低,被拋出的分子氣體回到星系盤的時間比星系盤分子氣體完全消耗完的時間長約一個數量級,這顯示被拋出的分子氣體對於延長星遽增活動的時間沒有幫助。這三個星系顯示分子噴流在星遽增活動早期,因為分子氣體來得及回到星系盤繼續提供恆星行成的燃料,而延長星遽增的活動時間,但是在星遽增活動晚期卻會抑制星系的恆星形成現象。 關鍵字:星系、分子氣體、星遽增星系、噴流、超大氣泡、演化、恆星形成、天文
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    探究在虛擬學習環境中影響學生學習的因子
    (2011) 林銘照; Ming-Chao Lin
    本論文旨在發展一3D虛擬野外考察學習環境系統(段落一),利用統計分析方法,嘗試瞭解學生在虛擬學習環境中影響其學習的因子(段落二)並進一步探究在虛擬學習環境中的性別差異(段落三)。 段落一中,透過整合歷年來的研討會論文,經3D虛擬野外考察系統的發展做一個完整的介紹。透過一連串的研究設計、施測、修改、重測的過程,我們瞭解到虛擬野外考察系統對於學生學習的幫助、限制和適合的使用方式。 段落二中,我們利用學生合作瀏覽、老師示範教學兩種方式讓學生使用3D虛擬野外考察系統,透過不同的研究設計,我們可以達到不同的教學目標。而在多重回歸中,學生認為『系統是不是能夠幫助他們學習』是其中一的顯著的因子。當學生認為系統能夠協助他們學習時,後測成績顯著優於其他學生。 段落三中,我們引進了虛擬環境量表,利用觀察學生如何完成虛擬任務,瞭解不同特性學生在虛擬學習環境中的表現。完成虛擬任務的時間在性別有顯著差異。而『系統是不是能夠幫助他們學習』為顯著因子則再次被觀察到。 段落四中,基於段落二的發現,經過不同的分析方式,發現透過不同的研究設計:學生合作瀏覽、老師示範教學。兩種方式讓學生使用3D虛擬野外考察系統可以達到不同的教學目標。學生合作瀏覽可以提高學生的想實際前往野外考察的機率,老師示範教學可以有效提高學習成效。