張晨　馬力

摘 要：隨著移動終端設(shè)備的快速發(fā)展，增強現(xiàn)實教育游戲的游戲環(huán)境可以拓展至戶外空間，開拓了教育游戲新的應(yīng)用范圍。目前利用增強現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合位置服務(wù)技術(shù)的教育游戲較少，文章設(shè)計了一款具有位置標(biāo)記功能與增強現(xiàn)實互動功能的具有考研知識的教育游戲。增強現(xiàn)實技術(shù)可以將教育游戲的發(fā)生情境延伸至現(xiàn)實中，通過創(chuàng)設(shè)新穎的游戲環(huán)境，使教學(xué)活動具有一定的開放性和靈活性。位置服務(wù)技術(shù)通過創(chuàng)設(shè)真實游戲環(huán)境，使學(xué)習(xí)者自身活動代替操作控制游戲主角，豐富了教育游戲的活動方式。用戶進入學(xué)習(xí)任務(wù)環(huán)節(jié)前需進行趣味性增強現(xiàn)實小游戲，在游戲化學(xué)習(xí)的知識問答環(huán)節(jié)中，設(shè)置血量為游戲生命值，并根據(jù)設(shè)計游戲規(guī)則，在問答過程中對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)程度進行考察。 參與者運用智能移動終端，利用線索圖尋找任務(wù)點，到達任務(wù)點后通過趣味性小游戲進入知識點學(xué)習(xí)和問答環(huán)節(jié)，通過尋找任務(wù)、回答知識推進游戲進程，最終完成游戲。應(yīng)用表明，該游戲虛實結(jié)合，交互性豐富，具有較強的沉浸感和較好的趣味性，可以實現(xiàn)目標(biāo)群體的部分學(xué)習(xí)需求。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實；教育游戲；位置服務(wù)；移動端

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）16-0084-05

教育游戲近年來得到越來越多的關(guān)注，2016 年《地平線報告》高等教育版預(yù)測未來2到3年增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實將會成為廣泛采用的中期技術(shù)之一[1]。近年來增強現(xiàn)實技術(shù)不斷發(fā)展，移動設(shè)備功能愈加豐富，位置服務(wù)技術(shù)的功能完善，使教育游戲的發(fā)展產(chǎn)生了新的活力，移動增強現(xiàn)實教育游戲有效結(jié)合了增強現(xiàn)實技術(shù)、位置服務(wù)技術(shù)和移動終端與教育游戲的優(yōu)勢，擴展了教育游戲的應(yīng)用領(lǐng)域。

一、研究現(xiàn)狀

移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)利用GPS、方向傳感器或陀螺儀、地理位置識別或標(biāo)記識別以及其他通過傳感設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)，將虛擬信息疊加在真實世界中設(shè)定的區(qū)域位置，并顯示在移動端的屏幕上。設(shè)定區(qū)域就是存儲在增強現(xiàn)實程序中的現(xiàn)實世界信息，例如一張圖片或者一個標(biāo)記，程序能通過攝像頭捕獲的視屏輸入流比較并識別這些設(shè)定了的信息，同時將虛擬信息疊加在真實世界的設(shè)定區(qū)域里。

1997年， Feiner 帶領(lǐng)團隊研制出世界上第一款移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)，名為MARS移動手機增強現(xiàn)實系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于導(dǎo)航技術(shù)[2]。移動增強現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，直到2012年谷歌發(fā)布了一款名為Ingress 的增強現(xiàn)實移動游戲，這款游戲支持網(wǎng)絡(luò)社交，游戲分為紅藍兩個陣營，陣營內(nèi)的玩家被稱為特工，他們通過爭奪、控制真實世界中的地標(biāo)性建筑或其他據(jù)點來進行游戲競爭[3]。2016年谷歌結(jié)合Ingress 的運營經(jīng)驗，與任天堂公司合作推出了PokémonGo這款移動增強現(xiàn)實手機游戲，玩家可以在不同的地理位置使用手機攝像頭在屏幕上捕獲以小精靈為形象的虛擬物體，玩家的小精靈之間可以進行對戰(zhàn)，該游戲憑借新穎的玩法受到全球玩家的追捧[4]。

二、教育游戲的設(shè)計

1.游戲的任務(wù)

首先根據(jù)游戲的教學(xué)用途，確定本游戲是一款在戶外應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)、位置服務(wù)技術(shù)，以知識點學(xué)習(xí)、情境問答為主要活動形式的探究性教育游戲，此后的設(shè)計均圍繞這個基礎(chǔ)展開。前期設(shè)計游戲策略，圍繞知識點學(xué)習(xí)和情境問答所需的游戲規(guī)則、任務(wù)獎勵措施、回答問題后的學(xué)習(xí)信息反饋以及反饋后的診斷和強化展開，目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者利用游戲完成一個完整的考研知識點的學(xué)習(xí)過程，之后進行功能模塊的設(shè)計和資源設(shè)計。功能模塊中除了關(guān)鍵的增強現(xiàn)實技術(shù)和位置服務(wù)技術(shù)，還包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲與載入，服務(wù)器與客戶端的信息處理，實現(xiàn)登錄與注冊等。

資源設(shè)計包括增強現(xiàn)實資源、位置信息資源和游戲的資源設(shè)計，增強現(xiàn)實資源包括UI界面、3D模型，位置信息資源包括地理位置數(shù)據(jù)。增強現(xiàn)實引擎通過獲取當(dāng)前設(shè)備地理位置信息和數(shù)據(jù)庫信息進行匹配，匹配成功后將3D模型疊加到現(xiàn)實場景中，并在手機屏幕上呈現(xiàn)疊加景象。在此基礎(chǔ)上開展知識點學(xué)習(xí)和問答環(huán)節(jié)，通過數(shù)據(jù)封裝將數(shù)據(jù)存儲到后臺，用于評價學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)結(jié)果。通過整個游戲任務(wù)的設(shè)定，形成了以任務(wù)挑戰(zhàn)、知識學(xué)習(xí)、知識問答、探索發(fā)現(xiàn)、記憶聯(lián)想、反饋記錄、成就激勵這些環(huán)節(jié)組成的教育游戲。

2.游戲需求分析

“奔跑吧，學(xué)霸”的目標(biāo)群體為大學(xué)生，這一階段的學(xué)生以抽象思維的分析、歸納、記憶等形式為主把握對象，大學(xué)生具有豐富的游戲軟件使用經(jīng)驗，對于教育游戲的游戲內(nèi)容相關(guān)設(shè)計要充分考慮這些特點。設(shè)計游戲需考慮學(xué)習(xí)者的需求，過去傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)今大學(xué)生的需要，從豐富學(xué)習(xí)方式以及學(xué)習(xí)內(nèi)容的角度出發(fā)，創(chuàng)設(shè)新穎的游戲環(huán)境和活動方式，使教學(xué)活動具有開放性和靈活性，為大學(xué)生的學(xué)習(xí)注入活力。因此，該教育游戲的設(shè)計應(yīng)該注意：

（1）注重創(chuàng)設(shè)新穎的教育游戲環(huán)境，將增強現(xiàn)實和教育游戲結(jié)合起來，設(shè)計出一款基于增強現(xiàn)實的、有教育意義的、含有邏輯思維的游戲——“奔跑吧學(xué)霸”。增強現(xiàn)實教育游戲能為學(xué)生創(chuàng)設(shè)相對真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者通過游戲化活動進行學(xué)習(xí)，鍛煉了邏輯推理能力、人機互動能力，調(diào)節(jié)了身體機能，對學(xué)生的泛在學(xué)習(xí)也有重要意義。

（2）創(chuàng)新教育游戲活動方式，用戶以自身的活動代替通過操作控制主角進行游戲活動，這種游戲活動方式使用戶實現(xiàn)調(diào)節(jié)身體機能的同時進行游戲化學(xué)習(xí)。將位置服務(wù)技術(shù)和教育游戲結(jié)合起來，通過多重的功能滿足游戲者更為細化的需求，提高大學(xué)生群體進行游戲化學(xué)習(xí)的積極性。

3.功能設(shè)計

歸納現(xiàn)有的各類移動增強現(xiàn)實教育游戲，從具體功能實現(xiàn)的角度，一個基本的移動增強現(xiàn)實教育游戲的功能可以歸納為五個模塊：

（1）登錄與注冊：本增強現(xiàn)實教育游戲是由單人完成，游戲者通過向數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，并進行賬號密碼驗證進入主界面。

（2）增強現(xiàn)實與定位：學(xué)習(xí)者需要通過對自身位置的定位和周圍事物的查看，探尋到線索推斷出任務(wù)目標(biāo)地址。位置運動是實現(xiàn)本教育游戲的基本方式，位置服務(wù)相關(guān)功能的實現(xiàn)是本游戲?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵，包括GPS定位功能，查看線索圖后通過位置運動尋找相應(yīng)的目標(biāo)地點后，需要通過增強現(xiàn)實功能進入情景問答和知識點學(xué)習(xí)的入口。

（3）答題與積分：回答問題模塊用于游戲軟件與知識庫系統(tǒng)、用戶之間的交互，例如在游戲過程中要求使用者按照要求做出選擇或者回答問題。答題成功后獎勵一定積分。

（4）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲模塊：負責(zé)將各類游戲數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫之間連接并管理其中數(shù)據(jù)。

（5）客戶端與服務(wù)器信息處理：用戶使用游戲客戶端向服務(wù)器發(fā)動請求，服務(wù)器響應(yīng)請求，將結(jié)果返回客戶端。

三、游戲的開發(fā)

1.游戲內(nèi)容

“奔跑吧，學(xué)霸”是一款基于移動增強現(xiàn)實技術(shù)的教育游戲，用戶通過手機尋找任務(wù)點進行知識點學(xué)習(xí)和回答問題，進而完成在戶外的游戲化學(xué)習(xí)活動。

用戶登錄游戲界面后，游戲系統(tǒng)給用戶隨機分配線索圖，用戶根據(jù)線索圖尋找任務(wù)點地址，到達任務(wù)點地址后通過消除3D模型障礙，進入知識點學(xué)習(xí)和問答環(huán)節(jié)，服務(wù)器會隨機生成3道與知識點相關(guān)的題目，用戶回答正確加積分加血量，數(shù)值與題目難度有關(guān)，回答錯誤扣除血量數(shù)值同上，在提交答案之前每30秒會扣除血量?；卮疱e誤時可以選擇是否需要重新學(xué)習(xí)該知識點，并且學(xué)習(xí)知識點的機會只有3次，第一次是系統(tǒng)提供，后兩次需要扣除當(dāng)前答題所獲得的10積分。不論是否查看知識點都將重新回答錯誤的問題，直到問題回答正確才會跳轉(zhuǎn)到下一題，三道題全部正確，會分配下一任務(wù)點的線索信息，用戶返回上一界面繼續(xù)查找任務(wù)點位置，依次循環(huán)直到用戶完成第五個環(huán)節(jié)的任務(wù)后，前往終點完成游戲任務(wù)。當(dāng)用戶血量值被扣為0時，游戲結(jié)束。系統(tǒng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)如所獲得積分、剩余生命值以及提交時間。成功完成游戲任務(wù)的用戶可以額外獲得該次游戲過程中未使用的雙倍積分，并記錄在數(shù)據(jù)庫中。

2.游戲的開發(fā)環(huán)境

游戲開發(fā)的軟件環(huán)境：采用Unity3D 4.6版本作為游戲的編輯器，因為Unity3D支持多平臺的發(fā)布，同時支持多種編程語言，界面操作友好，可以使用多種第三方插件，在游戲開發(fā)界很受廣大開發(fā)者的喜愛。編程語言使用Visual Studio 2012，數(shù)據(jù)庫使用MYSQL5.6版本，數(shù)據(jù)庫管理軟件為體積小且免費的MySQL-Front 5.3，游戲服務(wù)器端使用Photon-Server-SDK，這個開發(fā)套件版本為v3-4-31-10808，使用Photon-Server進行服務(wù)器端開發(fā)的原因是其開發(fā)語言為C#，上手容易并且與Unity3D對接良好。

3.游戲的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

本文所開發(fā)游戲的具體功能模塊分為：數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲模塊、游戲界面模塊、服務(wù)器與客戶端信息處理模塊、登錄與注冊模塊、增強現(xiàn)實與定位模塊、答題與積分模塊。其中數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲模塊、服務(wù)器與客戶端信息處理模塊、登錄與注冊模塊、增強現(xiàn)實與定位模塊、答題與積分模塊為游戲的主要功能模塊。以下對主要功能模塊的實現(xiàn)進行介紹：

（1）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫的具體實現(xiàn)方法，在使用MySQL-Front連接MYDSQL數(shù)據(jù)庫后，創(chuàng)建名為runing的數(shù)據(jù)庫，然后在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建以下表格來存儲數(shù)據(jù)，見表1-表5。

（2）服務(wù)器與客戶端信息處理模塊的實現(xiàn)

為了合理利用智能設(shè)備的硬件資源，游戲采用了C/S系統(tǒng)架構(gòu)進行設(shè)計開發(fā)，因此其功能模塊實現(xiàn)分為兩部分。

①服務(wù)器端開發(fā)

以上準(zhǔn)備工作完成后，將開始對Photon-Server服務(wù)器端的相關(guān)文件進行開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)的步驟流程見圖1。

服務(wù)器端的主要功能如下：負責(zé)啟動服務(wù)響應(yīng)客戶端的請求，同時監(jiān)測服務(wù)器的運行狀態(tài)并輸出日志信息，便于管理員管理；負責(zé)接收客戶端的請求，如用戶登錄注冊請求等，根據(jù)請求的類型不同來進行不同的處理；根據(jù)相應(yīng)的請求操作相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表格信息，并將結(jié)果返回給客戶端。

②客戶端開發(fā)

相對于服務(wù)器端，客戶端的開發(fā)相對簡單，具體流程見圖2。

客戶端實現(xiàn)的主要功能如下：客戶端負責(zé)與服務(wù)器端進行連接，并時刻監(jiān)測與服務(wù)器的連接狀態(tài)，如若與服務(wù)器斷開連接則提示“服務(wù)器無響應(yīng)信息”；客戶端與服務(wù)器連接成功后，客戶端負責(zé)向服務(wù)器發(fā)起請求，待服務(wù)器處理完請求后接收服務(wù)器的返回信息，并進行相應(yīng)的處理實現(xiàn)不同的功能。

（3）登錄與注冊模塊的實現(xiàn)

注冊登錄模塊實現(xiàn)的主要方法為：

首先通過腳本讀取用戶輸入的登錄框內(nèi)的信息，將信息處理加上標(biāo)記發(fā)送給服務(wù)器。

服務(wù)器根據(jù)信息標(biāo)記的不同進行不同的處理，對于登錄請求只需分別查詢數(shù)據(jù)庫內(nèi)runinguser表的username信息，如若存在則繼續(xù)查詢password密碼信息，都成功返回登錄成功客戶端進行頁面跳轉(zhuǎn)，若有一步不成功則提示“用戶名或密碼錯誤，請重新登錄”。

對于注冊請求需分別查詢數(shù)據(jù)庫內(nèi)runinguser的username信息查看用戶名是否有重復(fù)，有重復(fù)給客戶端返回信息“用戶名重復(fù)請重新輸入用戶名”，無重復(fù)則將用戶所輸入信息保存在runinguser表中，并給客戶端提示“注冊成功”。

（4）增強現(xiàn)實與定位模塊

增強現(xiàn)實模塊主要的實現(xiàn)方式：首先實現(xiàn)讀取真實場景的功能，然后將虛擬物體疊加在真實場景之上。具體操作方法為，打開003-game02AR場景，在場景中創(chuàng)建Canvas組件并在其中添加RawImage組件，然后在Canvas中添加OpenCamera腳本用來調(diào)用攝像頭獲取真實場景，然后將剛剛新建的RawImage組件拖動到Canvas的OpenCamera下的RawImage屬性中，用來將獲取到的真實場景顯示在RawImage上，這樣就實現(xiàn)了顯示真實場景的功能。對于3D模型的疊加顯示則采用普通的界面開發(fā)方法，最終實現(xiàn)增強現(xiàn)實的效果如圖3。

對于位置服務(wù)模塊主要使用Unity3D內(nèi)置的LocationServiceStatus類，通過調(diào)用設(shè)備的GPS來獲取設(shè)備的經(jīng)緯度信息，實現(xiàn)定位功能。其實現(xiàn)方法為：打開PhotonEngine腳本在其Awake方法中添加“Application.runInBackground = true；”表示允許后臺運行、“DontDestroyOnLoad（this.gameObject）；”表示永不銷毀兩條命令。然后在PhotonEngine創(chuàng)建 public float gpslatitude、public float gpslongitude兩類變量，在003-game02AR場景中創(chuàng)建名為GpsEngine的空物體，然后給它添加GpsEngine腳本，在腳本中調(diào)用LocationServiceStatus類獲取設(shè)備經(jīng)緯度，然后在該腳本中的Update方法中，將獲得的經(jīng)緯度復(fù)制給gpslatitude、gpslongitude。這樣就能實時存儲設(shè)備的位置信息，方便之后的應(yīng)用調(diào)用，經(jīng)過邏輯判斷實現(xiàn)位置服務(wù)的功能。

（5）答題與積分模塊的實現(xiàn)

答題與積分模塊作為游戲的主要模塊，從游戲的登錄貫穿到游戲的結(jié)束。答題模塊的功能模塊具體又分為答題血量、添加題庫數(shù)據(jù)、添加各類線索圖數(shù)據(jù)、知識點數(shù)據(jù)、答題線索圖數(shù)據(jù)、恢復(fù)血量小游戲地點數(shù)據(jù)、任務(wù)線索圖的隨機生成、終點數(shù)據(jù)、恢復(fù)血量小游戲、進入答題小游戲等子模塊。

而積分模塊主要分為積分榜顯示、當(dāng)次答題任務(wù)中的積分獲取與消費、普通任務(wù)中的積分耗費、游戲結(jié)束時的積分記錄存儲、游戲完成時的積分雙倍獲得。

從游戲的運行順序依次對應(yīng)答題與積分模塊的各個子模塊進行開發(fā)，具體功能流程如圖4-圖6所示。

在AR模式下尋找任務(wù)點的功能主要通過將PhotonEngine中的gpslatitude、gpslongitude與數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)緯度進行比對，這種對比每秒進行一次，實現(xiàn)實時定位功能，在比對過程中需要對數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)緯度信息進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后可以根據(jù)比對結(jié)果判斷用戶是否處于任務(wù)點附近。當(dāng)用戶到達答題任務(wù)點附近時，使用Instantiate與Random隨機生成3D物體，用來作為一個增強現(xiàn)實的趣味小游戲。只有當(dāng)完成這個小游戲后方可進入答題界面。對于答題界面主要采用了下拉列表、GetQuestionbankByType方法、GetKnowledgetype方法來實現(xiàn)知識點的選擇以及從題庫中抽取所選擇知識點對應(yīng)的題型。在答題過程中將答題血量存儲在PhotonEngine的userHP中，答題累積積分存儲在PhotonEngine 的integral，游戲勝利雙倍積分存儲在PhotonEngine的allright中，時間計時器減血功能由PhotonEngine中的Update方法實現(xiàn)。答題過程中，相關(guān)的問題信息記錄數(shù)據(jù)如rightcount、wrongcount、seecount、notseecount，均在題目回答正確后，使用UpdateQuestionbank方法將當(dāng)前回答問題的相關(guān)信息保存到服務(wù)器端。對于恢復(fù)答題血量的小游戲，當(dāng)用戶到達相應(yīng)地點，若積分充足點擊相關(guān)按鈕，調(diào)用場景跳轉(zhuǎn)方法 Application.LoadLevel進入到小游戲中。當(dāng)游戲結(jié)束時使用AddAddIntegrate與UpdateAddIntegrate方法分別實現(xiàn)單次游戲的積分記錄存儲與當(dāng)前賬號的總積分存儲。

當(dāng)所有功能模塊開發(fā)完成后，整合模塊的各類功能，使整個游戲成為一個整體，功能流程圖見圖7。

四、結(jié)束語

移動增強現(xiàn)實教育游戲能夠再現(xiàn)抽象、真實的信息內(nèi)容，模擬現(xiàn)實的環(huán)境，受到外界的干擾相對較少，加上便捷的智能移動終端，為戶外開展各項學(xué)習(xí)活動提供了可能。這類游戲形式新穎，能使學(xué)習(xí)者沉浸在學(xué)習(xí)活動中，激發(fā)學(xué)生的參與性與積極性。本游戲結(jié)合基于位置和基于圖像識別的兩種增強現(xiàn)實技術(shù)，利用 Unity3D 實現(xiàn)了一個可擴展的移動增強現(xiàn)實教育游戲。該游戲具有用戶登錄、增強現(xiàn)實和回答問題等模塊。通過初步應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)該游戲虛實結(jié)合，交互性強，使學(xué)習(xí)者通過游戲化學(xué)習(xí)能夠順利完成設(shè)定的學(xué)習(xí)任務(wù)。該游戲存在著一些問題：3D 模型形象較為簡單，游戲反應(yīng)速度不快， 缺少分享功能，針對這些問題需要進一步的完善。作為一種新興的研究領(lǐng)域，移動增強現(xiàn)實教育游戲可以給教學(xué)提供新的方式，有很好的應(yīng)用前景。

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（編輯：魯利瑞）