劉志博

（ 華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定071000）

目前的計(jì)算機(jī)科普游戲或互動(dòng)式虛擬實(shí)驗(yàn)， 側(cè)重點(diǎn)在于知識(shí)的傳遞和對(duì)新事物的體驗(yàn)，如垃圾分類游戲中，玩家需要理解垃圾分類方法，并將垃圾投入正確的垃圾桶中；沙漠生存游戲則需要玩家選擇必需的裝備，采取正確的行動(dòng)，同時(shí)向玩家提供身臨其境的體驗(yàn)。 即便用于學(xué)校教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)， 也往往具有固定的步驟， 學(xué)生只需且只能按規(guī)定步驟進(jìn)行操作并觀察結(jié)果， 得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。 這種科普游戲可以做到使學(xué)生在應(yīng)用中理解知識(shí)，在實(shí)踐中證明知識(shí)，卻難以培養(yǎng)通過實(shí)驗(yàn)方法研究問題的科學(xué)精神，和根據(jù)問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

為幫助玩家自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)， 游戲應(yīng)具有較高的自由度和隨機(jī)性， 并具備一整套功能輔助玩家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 本文以生態(tài)學(xué)科普游戲?yàn)槔?，提出一種新的科普游戲設(shè)計(jì)方法，以期提升科普游戲在傳授科學(xué)知識(shí)和培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)等方面的效果。

1 主要構(gòu)成

1.1 游戲情景與目標(biāo)

學(xué)生對(duì)兩類知識(shí)最容易感興趣，一是本身足夠有趣的知識(shí)，二是能夠幫助其實(shí)現(xiàn)感興趣的目的的知識(shí)。 因此， 為所傳授的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用情景，引導(dǎo)玩家為實(shí)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，就成為吸引玩家注意力的關(guān)鍵。 當(dāng)知識(shí)較為具體時(shí)，應(yīng)用情景可以是知識(shí)對(duì)象及其原本所處的環(huán)境；當(dāng)知識(shí)較為抽象時(shí)，應(yīng)用情景可以是一個(gè)虛構(gòu)出來的、與人類經(jīng)驗(yàn)較為相關(guān)的情景，以便提升玩家的代入感。

玩家置身于一個(gè)陌生的虛擬環(huán)境中，為實(shí)現(xiàn)游戲目標(biāo)，需要對(duì)環(huán)境中的各個(gè)元素之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究分析，從而得出實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法。 為確保玩家理解游戲目標(biāo)， 并對(duì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)有更高的積極性，應(yīng)將游戲目標(biāo)設(shè)計(jì)得盡可能簡(jiǎn)單，貼近人類生活，如經(jīng)典力學(xué)普及游戲可以以阻止對(duì)方武器攻城為目標(biāo)。 對(duì)于一些學(xué)力和興趣較高的玩家，可提供一些次要目標(biāo)，其完成度可以作為最終得分的參考。

本文的科普游戲?qū)?chǎng)景設(shè)置為一個(gè)小村莊， 其存續(xù)取決于周遭自然環(huán)境的維持和與外界社會(huì)的貨物往來，而游戲目標(biāo)即盡可能的延長(zhǎng)村莊的持續(xù)時(shí)間。 玩家在努力達(dá)成此目標(biāo)的過程中，逐漸認(rèn)識(shí)到生態(tài)環(huán)境中各個(gè)元素之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)，體會(huì)到“ 萬(wàn)物一體”的生態(tài)學(xué)理念。

1.2 含有隨機(jī)元素的模擬系統(tǒng)

為了保證玩家能夠自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)， 游戲內(nèi)的虛擬環(huán)境須對(duì)應(yīng)一個(gè)以變量和數(shù)學(xué)公式為基礎(chǔ)的玩家可操作的模擬系統(tǒng)，能夠根據(jù)玩家的操作和系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)演算系統(tǒng)的變化過程。 為降低工作量和提高運(yùn)算效率， 制作者可以在滿足支持玩家自主操作要求的前提下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

本文的科普游戲以村莊為場(chǎng)景， 模擬系統(tǒng)包含村莊系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)兩部分。

1.2.1 村莊系統(tǒng)

村莊由村民和村莊設(shè)施組成。 村民除基本信息外，還有一系列變量表示其各種生活需求， 需求被滿足的情況決定了其壽命和繁衍情況，當(dāng)村民全部死亡時(shí)，游戲失敗。 村莊設(shè)施既為村民提供居住場(chǎng)所，也為各項(xiàng)活動(dòng)提供條件，玩家在游戲過程中需要規(guī)劃所建設(shè)設(shè)施的種類和數(shù)目。

村民可通過對(duì)自然資源的開采和加工， 以及人工培育食物等方式滿足其生活需求。 在村莊發(fā)展過程中， 玩家可逐漸解鎖不同的科技和生產(chǎn)方式，而其生產(chǎn)過程中開采量的多少、加工或培育時(shí)使用了多少有毒物質(zhì)、生產(chǎn)廢物如何處理等問題，對(duì)游戲結(jié)果即村莊的持續(xù)時(shí)間有至關(guān)重要的影響。 本地不同物資的盈余和匱乏可通過貿(mào)易平衡， 與其他人類聚居地實(shí)現(xiàn)互通有無(wú)。而貿(mào)易在本游戲中有著另一項(xiàng)重要作用：很多情況下，生產(chǎn)生活活動(dòng)引起的污染或某物種種群數(shù)量減小等問題并不對(duì)當(dāng)?shù)卦斐芍苯拥拿黠@影響，而是通過河流、食物鏈等形式影響到其他地區(qū)，在缺乏對(duì)大環(huán)境模擬的情況下，貿(mào)易可以反映出對(duì)本地的關(guān)聯(lián)影響，如買進(jìn)的食物存在毒素富集的情況，從而體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的一體性。

除物質(zhì)需求外，精神需求也是村民生活需求的一大方面。 由于本文科普游戲重點(diǎn)在于生態(tài)學(xué)， 因此精神需求表現(xiàn)在對(duì)村民對(duì)自然環(huán)境的渴求上，植物的覆蓋率、動(dòng)物種類的豐富程度影響著村民的心情，進(jìn)而影響其健康和活力。

1.2.2 自然生態(tài)系統(tǒng)

自然生態(tài)系統(tǒng)包含自然環(huán)境、野生動(dòng)植物、化學(xué)物質(zhì)和微生物。

自然環(huán)境是野生動(dòng)植物的棲息地，光照、溫度、濕度等因素影響著生物的生長(zhǎng)和生存。 村莊對(duì)自然環(huán)境的改造和利用行為會(huì)直接破壞其棲息地，玩家需要對(duì)此作出權(quán)衡。

不同的化學(xué)物質(zhì)對(duì)特定物種具有不同的意義（ 有益、無(wú)關(guān)或有害），并且會(huì)隨著食物鏈進(jìn)行傳遞。 農(nóng)藥的危害便是有毒物質(zhì)隨食物鏈迅速富集的結(jié)果。 玩家選擇研究和使用的科技決定著化學(xué)物質(zhì)的使用和排放。

微生物是聯(lián)系有機(jī)界和無(wú)機(jī)界的橋梁。 選取數(shù)種對(duì)生態(tài)平衡影響較大且與玩家行為密切相關(guān)的微生物作為自然生態(tài)系統(tǒng)的一部分，例如：與豆類植物根部共生的根瘤菌可以將大氣中的氮元素轉(zhuǎn)化為生物可以利用的形式；人類排放的富含磷元素的污水則會(huì)促使一些藻類的大量繁殖形成水華和赤潮。

為提高游戲的可探索性和可重復(fù)游玩性， 可在模擬系統(tǒng)中加入隨機(jī)元素，即名稱、特性按照預(yù)定規(guī)則可以由程序隨機(jī)設(shè)置的元素。 不同玩家啟動(dòng)游戲時(shí)獲得不同的隨機(jī)元素，構(gòu)成不同的模擬系統(tǒng)。 同一玩家每次開始新游戲時(shí)可選擇是否重新隨機(jī)生成元素，若不重新生成，則玩家可以與之前的游戲過程進(jìn)行比較，觀察不同操作帶來的不同影響，從而研究各元素之間相互作用的關(guān)系；若重新生成，則玩家可以探索一個(gè)新的系統(tǒng)，避免游戲因?yàn)橥婕覍?duì)之前的系統(tǒng)有了足夠的了解而失去了可玩性。

在本文的科普游戲中， 可以將自然生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)隨機(jī)系統(tǒng)：各物種的基本類型（ 動(dòng)物、植物、微生物）和特征（ 體型、食性、特殊能力等）為隨機(jī)生成，在玩家開始游戲之后，進(jìn)入場(chǎng)景前，系統(tǒng)根據(jù)物種的特征將其分配至適宜的地點(diǎn)，各動(dòng)物和食肉植物嘗試捕食，根據(jù)對(duì)各物種的捕食成功率、物質(zhì)收益、能量收益以及捕食過程中的能量消耗和身體損傷計(jì)算捕食優(yōu)先級(jí)。

1.3 數(shù)據(jù)分析工具

游戲內(nèi)應(yīng)提供相關(guān)工具來顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和變化歷史，例如通過曲線圖將各個(gè)變量的變化情況直觀地展現(xiàn)出來，方便玩家通過不同變量之間變化的相關(guān)性對(duì)元素間的關(guān)系作出推測(cè)，并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)。 玩家可自行篩選數(shù)據(jù)，屏蔽較不相關(guān)的變量。 除手動(dòng)篩選外，程序還可添加自動(dòng)篩選功能，即玩家選定一個(gè)變量，程序可按照玩家設(shè)定的參數(shù)篩選出與該變量的變化關(guān)系較為密切的變量。

在本文的科普游戲中，曲線圖主要用來表示各物種、生產(chǎn)活動(dòng)和不同區(qū)域及生物體內(nèi)含有的各種化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量，為玩家探究物種間的捕食關(guān)系、生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)物種的影響等提供線索。

1.4 教程

游戲應(yīng)包含一套教程，幫助玩家了解用戶界面、各種工具的用法，帶領(lǐng)玩家初步認(rèn)識(shí)游戲內(nèi)的場(chǎng)景，學(xué)習(xí)場(chǎng)景內(nèi)各種道具和行為的操作方法。 除此之外，教程還應(yīng)提供一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，針對(duì)一個(gè)特定的問題，一步步指導(dǎo)玩家建立實(shí)驗(yàn)思路，確立實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)而完成實(shí)驗(yàn)，幫助玩家了解實(shí)驗(yàn)研究的流程，為之后的自主實(shí)驗(yàn)建立基礎(chǔ)。

本文科普游戲的教程包含以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

a.村莊建設(shè)

學(xué)習(xí)建設(shè)村莊設(shè)施的條件和方法， 學(xué)習(xí)查看其詳細(xì)信息的途徑，為接觸更多種類的村莊設(shè)施和規(guī)劃建設(shè)做準(zhǔn)備。

b.科技發(fā)展

熟悉科技樹界面，學(xué)習(xí)查看解鎖科技的條件和方法，理解科技提升對(duì)生產(chǎn)過程的影響。

c.生產(chǎn)安排

學(xué)習(xí)為村民安排工作的方法， 嘗試生產(chǎn)基本工具并設(shè)定生產(chǎn)和開采規(guī)模。

d.數(shù)據(jù)分析

引導(dǎo)玩家進(jìn)行少量生產(chǎn)活動(dòng)， 并使用數(shù)據(jù)分析工具觀察生態(tài)系統(tǒng)在這之后的變化，以某個(gè)具體的分析目標(biāo)為導(dǎo)向，指導(dǎo)學(xué)生通過使用各項(xiàng)功能觀察數(shù)據(jù)的變化，分析其潛在關(guān)聯(lián)。

e.特色功能

對(duì)每一項(xiàng)特色功能， 也秉持與整個(gè)科普游戲同樣的設(shè)計(jì)原則：在一個(gè)小情境里，指導(dǎo)玩家在實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單目標(biāo)的過程中逐漸學(xué)會(huì)其使用方法。

2 特色功能

2.1 百科

對(duì)于某些難以通過游戲內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究的知識(shí)，可通過解鎖游戲百科的方式令玩家獲取。 隨著游戲進(jìn)程的發(fā)展，玩家通過研究實(shí)現(xiàn)一些小目標(biāo)并獲得獎(jiǎng)勵(lì)，用獎(jiǎng)勵(lì)解鎖需要查看的百科條目，根據(jù)新獲得的知識(shí)進(jìn)行下一步的研究。 若玩家游戲失敗，重新開始時(shí)，已解鎖的游戲百科維持解鎖狀態(tài)。

為直觀展示系統(tǒng)構(gòu)造， 游戲百科的主界面可以使用流程圖的形式將模擬系統(tǒng)的全部元素陳設(shè)出來，使用能夠表示雙方關(guān)系的符號(hào)連接各元素。 當(dāng)玩家點(diǎn)擊某元素時(shí)， 與之直接相關(guān)的元素和表示關(guān)系的符號(hào)都會(huì)高亮顯示， 其余元素則透明化，方便玩家查看元素間相互關(guān)系。 再次點(diǎn)擊該元素則可閱讀其詳細(xì)信息；若點(diǎn)擊某個(gè)高亮的連接符號(hào)，則可閱讀兩端元素間相互關(guān)系的詳細(xì)說明。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為輔助玩家進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 可設(shè)置幽靈模式和時(shí)間軸回溯功能。 當(dāng)玩家想要在之前的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)采取不同操作以進(jìn)行對(duì)比觀察時(shí)，可拖動(dòng)時(shí)間軸到達(dá)目標(biāo)時(shí)間點(diǎn)，重新進(jìn)行操作。此時(shí)，之前的操作和模擬系統(tǒng)的變化會(huì)通過虛影的形式顯示出來，方便玩家回憶之前的操作并對(duì)比系統(tǒng)的不同狀態(tài)，配合變量曲線圖分析各元素之間的關(guān)系。

玩家初步判斷兩元素之間的關(guān)系后， 繼續(xù)針對(duì)兩元素做重復(fù)試驗(yàn)。 若在不同時(shí)間點(diǎn)采取相同的行動(dòng)，在同一時(shí)間點(diǎn)采取不同的行動(dòng)，在合理的時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)無(wú)法推翻之前的推斷，則可以暫時(shí)認(rèn)定推斷正確，并在之后的游戲中以此為依據(jù)規(guī)劃行動(dòng)。

3 結(jié)論

本文提出了一種設(shè)計(jì)科普游戲的方法， 以生態(tài)學(xué)科普游戲?yàn)槔?，描述了軟件的框架，通過一個(gè)可操作的模擬仿真系統(tǒng)和數(shù)種輔助工具，設(shè)計(jì)出了一種玩家可針對(duì)延長(zhǎng)村莊持續(xù)時(shí)間的目的進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)的科普游戲，預(yù)期可以為科學(xué)精神和科學(xué)方法的普及提供幫助。