基于多點(diǎn)觸控技術(shù)的游戲化學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[摘要]由于同一屏幕上的多人操作可以增加游戲化學(xué)習(xí)的效果，因此近年來(lái)關(guān)于該方面的研究不斷增多，而多點(diǎn)觸控就是一項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的技術(shù)。文章首先介紹了多點(diǎn)觸控技術(shù)并論證了其對(duì)游戲化學(xué)習(xí)的有效支持，在此基礎(chǔ)上詳述了利用該技術(shù)進(jìn)行游戲化學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，最后展示了一個(gè)教學(xué)應(yīng)用案例，為開展相關(guān)研究提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]多點(diǎn)觸控；游戲化學(xué)習(xí)；Adobe Flex

[中圖分類號(hào)]G40-057 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B [論文編號(hào)]1009－8097(2011)10－0098－04

隨著微軟Surface概念電腦、蘋果公司iPhone手機(jī)、Windows 7操作系統(tǒng)的紛紛問世，多點(diǎn)觸控技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展，成為當(dāng)前最受市場(chǎng)矚目的焦點(diǎn)技術(shù)之一。多點(diǎn)觸控技術(shù)帶來(lái)的人機(jī)交互變革，不單是使用各異的手勢(shì)直接對(duì)屏幕上的對(duì)象傳遞指令，更在于通過(guò)同時(shí)接受多點(diǎn)信息輸入的方式支持多用戶交互操作，將多用戶共享的交互體驗(yàn)帶到了一種全新的高度。

雖然多點(diǎn)觸控技術(shù)發(fā)展迅速，但是在教育領(lǐng)域上的相關(guān)研究卻相當(dāng)有限，其教育價(jià)值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到開發(fā)。因此本文以游戲化學(xué)習(xí)為切入點(diǎn)，嘗試?yán)枚帱c(diǎn)觸控技術(shù)進(jìn)行游戲化學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)操作，進(jìn)而活躍課堂氣氛，提升課堂教學(xué)實(shí)效。

一 多點(diǎn)觸控技術(shù)

多點(diǎn)觸控技術(shù)可以追溯到1982年，多倫多大學(xué)開發(fā)出了第一個(gè)手指壓力多媒體觸摸顯示屏。同年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了第一篇討論觸控屏幕界面的論文。Buxton等人在1986年進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，分別完成了定位／縮放、導(dǎo)航，選擇的任務(wù)，得出雙手并行操作程度的合理增加能提高操作者工作效率的結(jié)論。在2006年的TED研討會(huì)中，紐約大學(xué)JeffersonYHan教授向眾人演示了他們?cè)诙帱c(diǎn)觸控應(yīng)用上的最新進(jìn)展，這次演示讓多點(diǎn)觸控技術(shù)大放異彩，受到了業(yè)界的高度重視。

1 觸控的含義

長(zhǎng)期以來(lái)，鼠標(biāo)、鍵盤一直是人們輸入信息的主要方式。而觸控手勢(shì)作為一種自然的人機(jī)交互方式，更加符合用戶的認(rèn)知，提高了交互的自然性，用戶再也不用因?yàn)檫M(jìn)行某項(xiàng)操作而去費(fèi)力尋找電子設(shè)備周邊的工具或按鈕。這種操控方式可以讓用戶直接掌控強(qiáng)大的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，讓視覺和觸覺完全達(dá)到一致，滿足人們“所觸即所得”的交互要求。

2 多點(diǎn)觸控技術(shù)

多點(diǎn)觸控(Multi-Touch)又稱多點(diǎn)觸摸、多重觸控、多點(diǎn)感應(yīng)、多重感應(yīng)等，是指借助光學(xué)和材料學(xué)等技術(shù)，構(gòu)建能同時(shí)檢測(cè)多個(gè)觸點(diǎn)的觸控平臺(tái)，使得用戶能夠運(yùn)用多個(gè)手指同時(shí)操作實(shí)現(xiàn)基于手勢(shì)的交互，甚至可以讓多個(gè)用戶同時(shí)操作實(shí)現(xiàn)基于協(xié)同手勢(shì)的交互。多點(diǎn)觸控技術(shù)的工作過(guò)程主要分為兩步，一是同時(shí)采集多路多點(diǎn)觸控信號(hào)，二是對(duì)每路信號(hào)的意義進(jìn)行判定，也就是所謂的手勢(shì)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)屏幕識(shí)別人的五個(gè)手指或多人同時(shí)做的觸控動(dòng)作。

相對(duì)于每次只能識(shí)別一個(gè)手指感應(yīng)的單點(diǎn)觸控模式，多點(diǎn)觸控整合了人機(jī)交互技術(shù)(如手勢(shì)、手繪軌跡辨識(shí)技術(shù))與硬件設(shè)備(如桌面、觸控板)，在操作方式和體驗(yàn)感上都要優(yōu)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)觸控，而且人機(jī)互動(dòng)感更強(qiáng)。目前，多點(diǎn)觸控技術(shù)多被應(yīng)用于電視讀報(bào)、樓盤展示、博物館介紹、會(huì)展等商用顯示和觸摸市場(chǎng)，與之相比，教育市場(chǎng)尚未形成主流的應(yīng)用內(nèi)容支持系統(tǒng)。

二 多點(diǎn)觸控技術(shù)對(duì)游戲化學(xué)習(xí)的有效支持

在各種多媒體教學(xué)形式中，游戲是最吸引人的教學(xué)方式之一。游戲化學(xué)習(xí)的主要特點(diǎn)是：規(guī)則、目標(biāo)和目的、結(jié)果和反饋、沖突、互動(dòng)和故事的代表性。近些年的實(shí)踐表明，游戲和教學(xué)相結(jié)合的成效顯著，但仍然存在不足：第一、游戲中無(wú)法產(chǎn)生真實(shí)的情感：第二、不能擺脫鼠標(biāo)鍵盤等第三方工具的機(jī)械控制；第三、無(wú)法實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)參與，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)鼠標(biāo)。在多點(diǎn)觸控技術(shù)支持的教學(xué)環(huán)境下，以上問題都迎刃而解了。多點(diǎn)觸控技術(shù)讓他們能夠以真我面對(duì)彼此，成為相互支持的學(xué)習(xí)伙伴。由于操作方式更加簡(jiǎn)易，學(xué)生互動(dòng)的難度降低，游戲中的目的性、直觀性也更加明確，因此將多點(diǎn)觸控技術(shù)應(yīng)用于游戲化學(xué)習(xí)具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，多點(diǎn)觸控技術(shù)對(duì)游戲化學(xué)習(xí)的有效支持主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1 多種感官并用，有效提升游戲化學(xué)習(xí)的沉浸感

沉浸感是教育游戲領(lǐng)域的核心概念之一，指學(xué)習(xí)者利用視覺、聽覺、觸覺所獲得的“身臨其境”的感受。在已有的視聽情境下，多點(diǎn)觸控技術(shù)允許學(xué)習(xí)者觸摸到直觀的模擬物體，及時(shí)觀察到問題執(zhí)行的結(jié)果，學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中作為主角的真實(shí)程度大大增強(qiáng)。因此，多點(diǎn)觸控為創(chuàng)設(shè)多感官的、真實(shí)的、高沉浸感的學(xué)習(xí)環(huán)境提供了很好的技術(shù)和情景支持，是激發(fā)和強(qiáng)化游戲化學(xué)習(xí)的強(qiáng)效活動(dòng)平臺(tái)。

2 豐富的觸控手勢(shì)，促進(jìn)知識(shí)的轉(zhuǎn)化與吸收

多點(diǎn)觸控的手勢(shì)包括單指或雙指平移、雙指縮放、旋轉(zhuǎn)等，每個(gè)學(xué)習(xí)者都有機(jī)會(huì)實(shí)際操作游戲化學(xué)習(xí)的內(nèi)容，有利于全方位了解對(duì)象的特征。利用這些豐富的手勢(shì)，多點(diǎn)觸控技術(shù)可以衍生出生動(dòng)的知識(shí)表征形式，而這些形式越是逼真，學(xué)習(xí)者在心理上就會(huì)越更愿意把握這些學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，對(duì)各種媒體材料進(jìn)行接收、加工、鑒別與分析就會(huì)越容易，進(jìn)而促進(jìn)知識(shí)的轉(zhuǎn)化與吸收。

3 多熱點(diǎn)響應(yīng)，有效支持多人同時(shí)操作

在以往的游戲化學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者借助個(gè)人計(jì)算機(jī)終端與他人共同完成一定的任務(wù)，但是這樣單純線上的溝通缺乏面對(duì)面的真實(shí)感，影響集體智慧的發(fā)揮。由于多點(diǎn)觸控技術(shù)具有多熱點(diǎn)響應(yīng)的特質(zhì)，因此學(xué)生有了面對(duì)面共同操作的平臺(tái)，在群體學(xué)習(xí)中可以獲得他人的幫助，透過(guò)彼此相異的觀點(diǎn)去分享知識(shí)。與此同時(shí)，這種操控模式還蘊(yùn)含著高效的管理機(jī)制，一些自控能力差的學(xué)生也因更多的交流而從同伴身上找到學(xué)習(xí)模范與認(rèn)同感，進(jìn)而自覺監(jiān)控自身行為，積極地貢獻(xiàn)自己的觀點(diǎn)。

4 增強(qiáng)教師的能動(dòng)性，有效拓展游戲化學(xué)習(xí)的研究視角

教師是教育信息化乃至技術(shù)整合的關(guān)鍵因素，也是教育變革的自主行動(dòng)者(autonomous agent)，因此有必要拓展研究的視角，即探究教師在游戲化學(xué)習(xí)中如何發(fā)揮作用。多點(diǎn)觸控技術(shù)使教師有了充分表達(dá)教學(xué)思路的平臺(tái)，幫助教師實(shí)現(xiàn)游戲化學(xué)習(xí)的預(yù)備和點(diǎn)評(píng)環(huán)節(jié)。教師可以直接在觸摸屏上對(duì)各種文本信息、圖片實(shí)時(shí)點(diǎn)評(píng)批注、修改及繪畫編輯，并對(duì)需要突出的內(nèi)容加以放大顯示，提供更為直觀的視覺效果。通過(guò)這些操作，教師不只是通過(guò)學(xué)生玩游戲來(lái)期待教育效果，而是充分調(diào)動(dòng)自身的能動(dòng)性，使游戲化學(xué)習(xí)更加吸引學(xué)生。

三 基于多點(diǎn)觸控技術(shù)進(jìn)行游戲化學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及架構(gòu)

由于Windows 7操作系統(tǒng)內(nèi)置了對(duì)多點(diǎn)觸控技術(shù)的支持，因此本研究將Windows 7作為平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)具有教育意義的游戲化學(xué)習(xí)系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：學(xué)生在一定的游戲化學(xué)習(xí)策略的指導(dǎo)下，對(duì)游戲中的各種多媒體文件同時(shí)進(jìn)行操作，多個(gè)觸控單元得到系統(tǒng)響應(yīng)及處理，從而完成游戲中規(guī)定的學(xué)習(xí)任務(wù)。

基于多點(diǎn)觸控技術(shù)的游戲化學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)分為三部分：

(1)硬件設(shè)備

指支持多點(diǎn)觸控的觸摸屏，常見的觸摸屏技術(shù)根據(jù)感應(yīng)原理的不同可分為表面聲波式、電阻式、表面電容式、投射電容式和光學(xué)式五種。在多點(diǎn)觸控技術(shù)方案中，投射電容式和光學(xué)式的可行性較高，手勢(shì)檢測(cè)識(shí)別的準(zhǔn)確率較高，因此應(yīng)用廣泛。

(2)軟件技術(shù)

Windows 7上開發(fā)多點(diǎn)觸控應(yīng)用程序的技術(shù)有很多，目前較流行的開發(fā)工具為Microsoft的Silverlight、WPF以及Adobe Flex。由于Adobe Flex基于其專有的Flash平臺(tái)，具有使用矢量圖形、廣泛支持多媒體、延遲實(shí)例化等特點(diǎn)，涵蓋了支持RIA(Rich IntemetApplications)開發(fā)和部署的一系列技術(shù)組合，因此從游戲制作的角度考慮，本研究使用AdobeFlex作為開發(fā)多點(diǎn)觸控應(yīng)用程序的工具。

(3)游戲化學(xué)習(xí)策略

開發(fā)過(guò)程中需要考慮到各種游戲化學(xué)習(xí)策略，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與學(xué)習(xí)成果。比如設(shè)定的任務(wù)首先要具有一定的復(fù)雜性，必須全組成員通力合作才能做好；為玩家設(shè)立最終目標(biāo)，可以是分?jǐn)?shù)的排行、任務(wù)的完成。在課堂教學(xué)過(guò)程中，教師和學(xué)生圍繞共同的游戲化學(xué)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)聚在一起，在平等參與的意識(shí)下，彼此敞開心扉、相互接納，共同致力于知識(shí)的習(xí)得和任務(wù)的解決，在相互影響中作為一個(gè)整體共同發(fā)展。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖1所示：學(xué)生在游戲化學(xué)習(xí)策略指導(dǎo)下對(duì)多點(diǎn)觸控硬件設(shè)備(以Win7系統(tǒng)為支持)進(jìn)行操作，輸入的觸控信息被傳遞給了應(yīng)用程序(即游戲)，之后Flex的輸入核心API對(duì)觸控信息進(jìn)行分析，調(diào)用相關(guān)的應(yīng)用程序代碼并做出響應(yīng)，最后將處理結(jié)果反饋至多點(diǎn)觸控硬件上。

3 主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)

(1)開發(fā)環(huán)境要求的軟硬件配置

操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 7，支持多點(diǎn)觸控。

所需軟件：Flex 4.0 SDK、Flex Builder 3.0、Air 2.0 SDK、Air 2.0 Runtime與Flash Player 10.1以上。

(2)安裝過(guò)程

第一步，分別安裝Flex Builder 3.0、AIR 2.0 Runtime、FlashPlayer 10.1。

第二步，找到Flex的安裝目錄：Program File／Adobe／FIexBuilder3／SDKS，新建名為4.0.0 with air2的文件夾，將Flex4.0SDK解壓縮后放至于此文件夾中。

第三步，將AIR2.0 SDK中的所有文件復(fù)制并取代4.0.0 with air2文件夾中的文件。

第四步，打開FlexBuilder 3.0，選擇Window→Preference→Flex→Installed Flex SDKs，瀏覽找到Flex的安裝目錄，選擇并加入Flex 4.0 SDK，將Flex 4.0指定為預(yù)設(shè)SDK。

第五步，新建項(xiàng)目，選擇Runs inAdobe AIR后即可開發(fā)多點(diǎn)觸控游戲。

(3)在Flex中開發(fā)多點(diǎn)觸控

在Flex中開發(fā)多點(diǎn)觸控主要用到AIR SDK Library中的三個(gè)API：TouehEvent、GestureEvent與TransformGestureEvem。其中TouehEvent的主要作用是監(jiān)聽觸控信息，GestureEvent與TransformGestureEvent的主要作用是處理手勢(shì)事件。

TouchEvent包括了各種觸控事件指令，當(dāng)對(duì)象上發(fā)生Touch滑入、滑出事件時(shí)，通過(guò)TouchEvent這個(gè)API可監(jiān)聽屏幕上是否有觸控事件的發(fā)生，一旦判斷有事件發(fā)生，就開始執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作指令，表l為具體的指令與功能說(shuō)明。TOUCH_BEGIN指開始觸控到屏幕，TOUCH END是離開屏幕，TOUCH_TAP是手指輕敲屏幕，TOUCH_MOVE為手指在屏幕上移動(dòng)；此外TOUCH_OVER等其他四個(gè)指令是針對(duì)具體對(duì)象的。其中TOUCH_OVER與TOUCH_ROLL_OVER的不同之處在于TOUCH_OVER對(duì)所有相似對(duì)象都有作用，而TOUCH_ROLL_OVER只對(duì)某一對(duì)象有作用；TOUCH_OUT與TOUCH ROLL OUT的區(qū)別與此相同。

GestureEventNTransformGestureEvent這兩個(gè)API程序可獲取屏幕上是否有手勢(shì)事件發(fā)生，確定有事件發(fā)生則執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作指令。GestureEvent為手勢(shì)事件，如Gesture Two Finger_TAP是兩指輕敲屏幕；TransformGestureEvent為變形手勢(shì)事件，如GESTURE PAN是在屏幕拖曳的手勢(shì)，GESTURE SWlP是在屏幕上拍打的手勢(shì)。GESTURE ROTATE和GESTUREZOOM是最常用的變形手勢(shì)事件，即旋轉(zhuǎn)手勢(shì)與放大縮小手勢(shì)。旋轉(zhuǎn)手勢(shì)為兩指放置于屏幕上，一指不動(dòng)、一指于屏幕上繞圈旋轉(zhuǎn)，類似圓規(guī)畫圓的動(dòng)作；放大縮小手勢(shì)為兩指在屏幕上同時(shí)向外移動(dòng)實(shí)現(xiàn)放大或向內(nèi)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)縮小。

四 應(yīng)用案例與分析

“電壓表的正確使用”是人教版初中物理八年級(jí)下冊(cè)第六章第一節(jié)的內(nèi)容，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他電學(xué)概念以及電學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)，因此本研究以此為主題，設(shè)計(jì)了《大家選一選》的游戲化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖2所示。在此游戲中，學(xué)生必須牢記電壓表的正確連接方法，確認(rèn)電壓表與被測(cè)物體并聯(lián)，最終分類排列好測(cè)支路電壓與總電壓的電路圖。

本案例通過(guò)兩個(gè)學(xué)習(xí)小組對(duì)戰(zhàn)式的游戲化學(xué)習(xí)策略，挑戰(zhàn)游戲中設(shè)定的任務(wù)，使用的硬件設(shè)備是50時(shí)的多點(diǎn)觸控面板，能同時(shí)響應(yīng)3－6個(gè)人的操作。游戲化學(xué)習(xí)的過(guò)程為：首先，學(xué)生觀察觸控畫面所出現(xiàn)的電路種類，拖拽出正確的電壓表連接圖；在上一步的基礎(chǔ)上，兩個(gè)學(xué)習(xí)小組分別選擇并拖拽出測(cè)支路電壓與總電壓的電路圖；最后，觸控“確定”按鈕等待系統(tǒng)響應(yīng)，判斷學(xué)生選取的結(jié)果，最終完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

游戲中主要響應(yīng)的多點(diǎn)觸控事件有：

(1)學(xué)生手指開始控制屏幕，TOUCH BEGIN事件開始響應(yīng)；

(2)屏幕上光標(biāo)隨著學(xué)生手指開始同步移動(dòng)，TOUCH MOVE事件響應(yīng)；

(3)屏幕上光標(biāo)隨著學(xué)生手指選取對(duì)應(yīng)的測(cè)支路電壓與總電壓電路連接圖，TOUCH TAP(輕敲)事件響應(yīng)；

(4)屏幕上光標(biāo)隨著學(xué)生手指拖拽目標(biāo)電路連接圖并按所屬類別排列，GESTURE PAN(拖拽)事件響應(yīng)；

(5)屏幕光標(biāo)隨手勢(shì)移動(dòng)到“確定”按鈕位置時(shí)，TOUCH OVER事件響應(yīng)。

新課改的一個(gè)重要方面就是改變課程過(guò)于注重知識(shí)傳授的傾向，強(qiáng)調(diào)形成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度，使獲得知識(shí)與技能的過(guò)程成為學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和形成價(jià)值觀的過(guò)程。本案例將教學(xué)目標(biāo)融入到游戲中去，在學(xué)習(xí)效率及吸引力上，均可產(chǎn)生更好的效果。利用多點(diǎn)觸控技術(shù)，學(xué)生通過(guò)彼此的交流、競(jìng)爭(zhēng)親身參與游戲，增強(qiáng)了團(tuán)體意識(shí)，培養(yǎng)了協(xié)作精神和人際交往能力，實(shí)現(xiàn)輕松愉快而高效的學(xué)習(xí)。

五 結(jié)論

游戲化學(xué)習(xí)作為教育領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一，受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。將多點(diǎn)觸控技術(shù)應(yīng)用于游戲化學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生與課堂教學(xué)過(guò)程游戲化互動(dòng)的目的，為進(jìn)一步研究教育信息化時(shí)代課堂教學(xué)的形式提供了新的思路。

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