周雪薇

(東北石油大學 計算機與信息技術(shù)學院, 黑龍江 大慶 163318)

0 引言

目前國內(nèi)外對于教育游戲的探索達到了一個蓬勃發(fā)展階段，國外對于教育游戲的研究可以說是捷足先登，起步早，自然也相對成熟，比如加拿大的Inlight Entertainment公司以其成熟的設(shè)計技術(shù)和游戲內(nèi)容，以及多樣性的游戲類型深受學校、教育機構(gòu)等的歡迎，目前可以用于數(shù)學、英語等多門學科[1]。近年來，國內(nèi)的教育游戲研究也取得了一定的成效，在市場上陸續(xù)出現(xiàn)一些優(yōu)秀的教育游戲作品。2004年，珠海奧卓爾軟件公司、華南師大未來教育研究中心等機構(gòu)合作組建了國內(nèi)第一個以搭建游戲化教學平臺為己任的研究團隊，并在桑新民教授的指導下開發(fā)了一款名叫“奧卓爾游戲化學習世界”的教育游戲[2]，該游戲能夠?qū)⒅R與游戲進行完美的融合中，讓學生在玩中學，學中玩，充分吸引學生的興趣，提高學習效果等。雖然在國內(nèi)外目前有不少公司和研究機構(gòu)開發(fā)了應(yīng)用在中小學課程的教育游戲，但是基本上都是針對語文、數(shù)學、英語、物理、化學等傳統(tǒng)學科，在小學科學學科方面的教育游戲，是少之又少。

本文基于Unity3D與3DS Max，設(shè)計開發(fā)出一款小學科學教育游戲《科學探險》，通過創(chuàng)建虛擬情景，加入游戲化互動元素，將小學科學與教育游戲緊密結(jié)合，旨在借助教育游戲的特點，幫助學生在游戲中學習科學知識，同時提升學生的科學素養(yǎng)和解決實際問題的能力，更好地促進學生的學習與發(fā)展。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

教育游戲的設(shè)計是教育游戲開發(fā)的前提，良好的教育游戲設(shè)計對于整個開發(fā)過程是至關(guān)重要的[3]。本游戲所開發(fā)的基于Unity3D的教育游戲——科學探險是一款小學科學游戲，也是一款角色扮演類探險游戲。通過查閱資料和素材，對小學科學六年級課本知識進行深入了解，結(jié)合教育游戲設(shè)計的一般模式。首先進行開發(fā)前的教學分析，分別是學習者分析、需求分析、教學內(nèi)容和目標分析，然后進行游戲的設(shè)計，分別是游戲故事設(shè)計、人物角色設(shè)計、游戲任務(wù)設(shè)計、游戲腳本設(shè)計、游戲界面設(shè)計和游戲交互設(shè)計，然后進行具體功能設(shè)計，接下來就可以進行游戲的開發(fā)，分別是開發(fā)工具的選擇、游戲場景開發(fā)和游戲模型開發(fā)，最后是測試與發(fā)布，開發(fā)模式，如圖1所示。

圖1 教育游戲開發(fā)模式

結(jié)合教育游戲的特點和小學科學課的教學目標與內(nèi)容對游戲的總體設(shè)計進行分析，本文鑒于教育游戲的可實現(xiàn)性，選擇3個知識點內(nèi)容進行設(shè)計開發(fā)，分別是動植物分類、工具與機械和垃圾分類。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)框架

(1) 框架搭建

本教育游戲系統(tǒng)支持PC端，手機與平板電腦等多種終端使用。具體框架圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

該框架最下層的是文檔、視頻等作為數(shù)據(jù)層。在邏輯層，通過Unity3D引擎編寫邏輯控制，集成為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、物理模擬系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、背包系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。管理系統(tǒng)之上的是游戲的任務(wù)模塊：工具與機械模塊、動植物分類模塊和垃圾分類模塊作為顯示層。

本教育游戲的關(guān)卡流程，如圖3所示。

圖3 關(guān)卡流程圖

玩家進入游戲后，閱讀操作說明后，可以任選“開心農(nóng)場”、“機械謎題”、“綠色守護者”3個關(guān)卡其中一個場景作為游戲的開始，進入到相應(yīng)的場景，并最終會經(jīng)歷所有環(huán)節(jié)，完成3個關(guān)卡中所有任務(wù)后，進入“最后的試煉”關(guān)卡，通過選擇題的形式，測試玩家對于前3個關(guān)卡相應(yīng)知識點的掌握情況，最后闖關(guān)成功。

(2) 場景模型建模

按照編寫的游戲腳本，將場景中所需要的模型，如關(guān)卡中所需要的房間、管鉗、羊角錘、螺絲刀和箱子等相關(guān)模型進行建模。建模工具所用軟件為3DS Max。游戲中所需要的模型的制作主要分為3個方面。

① 利用標準的基本幾何體組合制作簡單的模型，如木板、房間等；

② 需要幾何體組合和變形，改變幾何體相應(yīng)的結(jié)合點進行基礎(chǔ)建模，像是羊角錘、螺絲刀等；

③ 模型進行貼圖建模，物體的模型不要求特別逼真，像是電視機，木箱子。模型材質(zhì)的處理主要有直接對模型添加相應(yīng)的顏色和采用PS處理相應(yīng)的圖片進行貼圖。

在建模過程中，模型優(yōu)化將直接影響游戲的運行效率與渲染負擔。常用的優(yōu)化方法減少布爾操作、避免三角面建模與四邊面建模混用、刪除多余面片、修正布線以及模型附加等。通過優(yōu)化，將明顯提高模型的渲染速度[4]。具體建模流程，如圖4所示。

圖4 建模流程圖

(3) 模型導入與場景搭建

將3DS Max軟件中導出的FBX格式模型導入Unity3D的Asset文件夾下，Unity3D會自動識別模型、材質(zhì)等[5]，在Unity3D中添加地面以及天空盒子，在地面添加數(shù)木、草地等物體，從而營造出較為真實的虛擬環(huán)境，增強學習者的投入度，利于知識和技能遷移。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 角色控制實現(xiàn)

游戲設(shè)計并實現(xiàn)兩種性別的虛擬角色，可供玩家選擇，角色選擇通過預(yù)先設(shè)計好男女角色的預(yù)設(shè)體，兩個角色放在同一個場景的相同位置上，當游戲開始時，鼠標點擊選擇角色按鈕后，通過“bprefab.SetActive(false)和gprefab.SetActive(true)”方法顯示選定角色，未選用角色執(zhí)行 destroy 方法進行銷毀。整個游戲采用第三人稱視角運行按鍵WSAD控制主角的移動，按住鼠標右鍵進行視角轉(zhuǎn)換。

(1) 主角移動

在第一人稱虛擬角色上新建腳本role作為控制人物移動腳本，在inspector界面設(shè)置一個移動速度speed，作為人物的移動速度。利用函數(shù)GetKey()監(jiān)聽鍵盤輸入，若鍵盤按下WASD四個按鍵時，則觸發(fā)語句，利用transform.Transform方法(三維方向向量*系統(tǒng)增量時間*移動速度)，就能使得第一人稱人物按規(guī)定方向進行移動，從而完成第一人稱人物的移動控制[6]。

(2) 視角轉(zhuǎn)換

在每個場景中都能通過鼠標和鍵盤對視角范圍及遠近進行縮放控制，與角色移動同理，要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)視角的效果，就要通過腳本代碼來實現(xiàn)，編寫好腳本后將其賦予相機。其中通過鼠標右鍵控制視角方向，鼠標滾輪控制鏡頭的遠近，對視角角色與調(diào)節(jié)速度進行設(shè)置，調(diào)節(jié)合適的大小?？刂葡鄼C速度和視角的實現(xiàn)方法如下。

xRotation+=Input.GetAxis(“Mouse X”)*rotSpeed*Time.deltaTime;

yRotation-=Input.GetAxis(“Mouse Y”)*rotSpeed*Time.deltaTime;

xRotation=ClampAngle(xRotation,xMinLimit,xMaxLimit);

yRotation=ClampAngle(yRotation,yMinLimit,yMaxLimit);

2.2 背包系統(tǒng)功能

背包系統(tǒng)是GUI的重要組成部分，游戲界面設(shè)計利用UGUI設(shè)計實現(xiàn)[7]。背包系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)計中需要拾取的物體在背包系統(tǒng)中的窗體方格中添加金幣、羊角錘、螺絲刀、鑰匙等相關(guān)工具。當物品道具出現(xiàn)時，通過物體的tag標簽對背包內(nèi)物品進行檢測。若背包中存在相同道具時，則將物品數(shù)量的下標加1；若不存在，則按窗格順序自動放置物品，如圖5所示。

圖5 “背包系統(tǒng)”功能展示

背包系統(tǒng)中主要實現(xiàn)的是3個效果，分別是背包的顯示與隱藏功能、物品的拾取與存儲功能和鼠標繪制物品功能。

(1) 背包設(shè)計

首先針對背包內(nèi)的道具物品聲明一個工具類，包括工具ID，工具名稱，工具個數(shù)等。通過UGUI在Canvas下，添加按鈕完成背包界面的搭建，每個按鈕的名稱與物體相對應(yīng)。

public class ItemEntity {

private string objId;//工具ID

private string objName;//工具名稱

private int count;//工具數(shù)量

private int level;//工具層級

private bool isCanAdd;//工具是否可添加

private int maxAdd;//工具最多可添加數(shù)

}

(2) 拾取與顯示功能

拾取功能設(shè)計為當游戲人物觸碰物體，點擊物體，物體消失，同時物體對應(yīng)的圖片顯示在背包的按鈕上。首先，先聲明一個數(shù)組List，對物體進行存儲，在點擊場景中物體時，攝像機發(fā)出射線，若射線與道具物體進行碰撞，則銷毀該物體，并將該物體加入泛型List中。之后調(diào)用Show()方法，遍歷List中的所有物體，通過List中物體的名稱作為查詢條件，利用Resource.Load()進行動態(tài)加載，顯示在上述的按鈕的Source Image上。

(3) 背包中道具的使用

對每一個按鈕綁定監(jiān)聽，若點擊按鈕，則會根據(jù)按鈕的名稱找到對應(yīng)的道具圖片，將該圖片繪制在鼠標位置上。首先每幀獲取鼠標位置，然后通過GUI.DrawTexture完成繪制。

Rect rect = new Rect(mousePos.x, Screen.height - mousePos.y, 200, 200);

GUI.DrawTexture(rect, sp);

點擊之后的效果，如圖6所示。

圖6 使用工具效果圖

2.3 答題功能

本功能作為游戲的最后一關(guān)，測試玩家通過游戲之后對于知識的掌握情況。設(shè)計為主角與怪獸進行知識比賽，由玩家方進行答題。雙方設(shè)有血條，如圖7所示。

圖7 答題界面

上面是雙方血條，代表當前的血量狀況，題目內(nèi)容根據(jù)前幾關(guān)的學習的知識進行提問。如果玩家方答對，則怪物掉血，相反，若玩家方答錯，則主角掉血，若怪物當前血量為0，那么主角通過最后一關(guān)，也證明通過考試，掌握了相關(guān)技能與知識；若主角的當前血量為0，那么通關(guān)失敗，則進行重新答題或重新學習。

(1) 試題的存儲與讀取

游戲中設(shè)計的題型是選擇題，試題信息存儲在XML文件根節(jié)點list下的子節(jié)點item中，每個item結(jié)構(gòu)包括：tmxh(題目序號)、xa(選項A內(nèi)容)、xb(選項B內(nèi)容)、xc(選項C內(nèi)容)、zqda(正確答案)和stnum(試題數(shù)目)。首先對XML試題文件進行解析，操作步驟如下。

a.利用XmlDocument解析并且加載XML試題文件的內(nèi)容；

b.獲取list節(jié)點下的所有item中的試題信息；

c.構(gòu)造結(jié)構(gòu)體并聲明結(jié)構(gòu)體數(shù)組存放試題信息；

d.將獲取的試題信息加載到試題的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，實現(xiàn)對試題的解析。

此外，從XML中解析出的試題會打亂順序，使用隨機函數(shù)r=Random.Range(i,num.Length)，可實現(xiàn)每次出現(xiàn)的題目順序不同。

(2) 題目顯示與點擊選項實現(xiàn)

在解析xml文件之后，獲得對應(yīng)的試題內(nèi)容、試題選項和正確答案。在OnGUI函數(shù)中，通過GUI.Label()函數(shù)實現(xiàn)在特定位置顯示試題內(nèi)容，通過 if (GUI .Button ()) 判定選擇的選項，并與正確答案進行比對，正確則獲得相應(yīng)分數(shù)，錯誤則不得分。

(3) 血量的顯示與計算

通過UI的slider實現(xiàn)血條，設(shè)計變量human_currHP表示當前血量，human_MaxHP表示最大血量，二者相除所得的值為slider的值。

slicder_human.value = human_currHP / (float)human_MaxHP;

設(shè)置主角 human_currHP和怪獸的最大血量mon_currHP為50以及每道題的傷害值為10，如果答錯問題，當前生命值-10，若在update()函數(shù)檢測到人物的當前血量為0，則闖關(guān)失敗；若怪獸的血量為0，那么闖關(guān)成功。

3 總結(jié)

本文借助Unity3D引擎，以小學科學課內(nèi)容為背景設(shè)計一款教育游戲。首先介紹國內(nèi)外教育游戲的研究現(xiàn)狀。其次是對游戲進行總體設(shè)計包括確定教育游戲的開發(fā)模式，系統(tǒng)開發(fā)框架以及關(guān)卡流程圖。最后是對系統(tǒng)的功能進行開發(fā)。將小學科學與教育游戲的靈活性與趣味性進行了很好的融合，為游戲化學習和教育游戲的開發(fā)和設(shè)計提供一種思路。本系統(tǒng)能夠使學習者在虛擬化的環(huán)境中發(fā)揮學習主體作用、充滿體驗的樂趣和探索精神[8]，并彌補了實驗器材不足所帶來的缺陷等問題。但本系統(tǒng)仍然存在一些不足之處，如交互功能的設(shè)計上以及游戲界面的美觀上還需要進一步改進，這就需要后續(xù)完善。