基于Virtools 的教育游戲設(shè)計(jì)與開發(fā)

張 俊，徐小雙，王 鋒，蔡文勝

(1.黃岡師范學(xué)院 圖書館，湖北 黃州438000;2.黃岡師范學(xué)院 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃州438000)

教育游戲利用游戲的挑戰(zhàn)性、探索性、激勵性等特性，將教學(xué)內(nèi)容和游戲過程有機(jī)融合，為學(xué)生構(gòu)建體驗(yàn)性學(xué)習(xí)環(huán)境。具有沉浸感和交互性的教育游戲能使學(xué)生積極、主動、愉悅地學(xué)習(xí)。通過參與教育游戲，學(xué)生能學(xué)習(xí)一些知識，掌握某種技能，并從中觸發(fā)情感，受到啟迪，獲得教益等等［1］。目前我國開發(fā)針對學(xué)齡前和小學(xué)階段兒童的教育游戲的效率低且質(zhì)量良莠不齊，真正成功的教育游戲卻是鳳毛麟角。一個(gè)很重要的原因是開發(fā)技術(shù)的限制導(dǎo)致教育與游戲的生硬結(jié)合，失去可玩性［2］。Virtools 技術(shù)在三維場景的渲染以及非線性實(shí)時(shí)交互的設(shè)計(jì)方面有著強(qiáng)大的優(yōu)勢，靈活運(yùn)用自帶模塊，無需編寫代碼，即可完成強(qiáng)大功能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。Virtools 結(jié)合三維建模技術(shù)開發(fā)教育游戲，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)快捷、交互豐富，場景逼真，正在成為開發(fā)教育游戲的最佳解決方案之一。

1 Virtools 技術(shù)

法國達(dá)索開發(fā)了Virtools 三維交互軟件［3］，其三維引擎已經(jīng)成為微軟XBox 認(rèn)可系統(tǒng)。它是一套由開發(fā)模塊、生成模塊和發(fā)布模塊組成的多功能3D 虛擬和互動技術(shù)的工具集成，如圖1 所示。

開發(fā)模塊由創(chuàng)作應(yīng)用程序和軟件開發(fā)工具包構(gòu)成，根據(jù)用戶自身的需要，創(chuàng)作應(yīng)用程序Virtools Dev建立應(yīng)用程序，Virtools 支持主流的三維建模軟件工具，如3ds Max，Maya，XSI 等提供的轉(zhuǎn)換插件，則能直接導(dǎo)入和輸出3D XML 格式文件，可實(shí)現(xiàn)對文字、聲音、圖形圖像、動畫、三維模型等對象的實(shí)時(shí)交互和操作。

生成模塊由渲染引擎和行為引擎構(gòu)成，渲染引擎幫助用戶在Virtools Dev 的三維觀察窗口中實(shí)現(xiàn)所見即所得。行為引擎負(fù)責(zé)管理并處理環(huán)境中的對象行動、屬性、輸入、輸出等。由于Virtools 具有開放靈活的架構(gòu)，不僅可以利用鼠標(biāo)拖放行為模塊，還可在對象的行為腳本中設(shè)計(jì)交互，甚至可以利用SDK 和VSL(Virtools Scripting Language)創(chuàng)建自定義行為模塊，從而滿足不同級別的開發(fā)者需求。

發(fā)布模塊由Web 播放器(Virtools Web Player)和EXE 文件生成器構(gòu)成。Web 播放器適宜于建立基于C/S 模式的網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境，而EXE 文件生成器將應(yīng)用程序直接打包成單機(jī)上運(yùn)行的EXE 文件。

圖1 Virtools 的組成結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程

總之，Virtools 提供支持主流三維建模軟件工具的轉(zhuǎn)換插件，具有開放的架構(gòu)極其靈活，集成強(qiáng)大的渲染引擎，配置產(chǎn)品發(fā)布的靈活方案，這就使得Virtools 易于開發(fā)沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，也為教育游戲提供了一個(gè)完整的開發(fā)平臺。

2 教育融入游戲的途徑

游戲劇本的創(chuàng)作，是教育融入游戲的重要步驟。首先需要確立游戲的劇本，游戲劇本傾向于利用現(xiàn)有的一個(gè)故事進(jìn)行改編，并成為游戲的主題，比如，當(dāng)今社會時(shí)事、生活經(jīng)驗(yàn)、古代成語、歷史故事、神話、寓言都可以成為游戲主題的來源。然后分析學(xué)生的年齡層次、知識背景和心理特點(diǎn)，列寫出植入游戲的教育內(nèi)容。最后在故事情節(jié)的改編中，注意學(xué)習(xí)知識、問題解決控制游戲情節(jié)的發(fā)展，合理把握教育與游戲的平衡點(diǎn)。最后的游戲劇本有完整的故事情節(jié)，同時(shí)能體現(xiàn)所需完成的教學(xué)內(nèi)容。

游戲角色的描述，是角色的內(nèi)在知識結(jié)構(gòu)賦予角色的主觀形象感受一個(gè)不可忽略的環(huán)節(jié)。在角色的描述階段，通過主體色彩、衣著裝飾、神態(tài)體態(tài)、角色對白來實(shí)現(xiàn)形象外觀的設(shè)計(jì)，以便使游戲角色具有藝術(shù)性、審美性、娛樂性。在角色的描述階段，注重表達(dá)角色的學(xué)習(xí)任務(wù)及其關(guān)系，制定知識進(jìn)程表或知識概念圖，成為角色地圖導(dǎo)航的核心依據(jù)，引領(lǐng)角色關(guān)注局勢和調(diào)整策略;把角色的已掌握的知識映射為生命力、魔法力、耐力和恢復(fù)力等角色特性。

游戲關(guān)卡的設(shè)計(jì)，是把角色學(xué)知識和玩游戲融合的過程。關(guān)卡控制游戲的節(jié)奏、難度階梯，體現(xiàn)游戲可玩性部分，理所應(yīng)當(dāng)成為體現(xiàn)教育性的組成部分。地形是最直觀常見的關(guān)卡，它把游戲空間分為幾個(gè)相互連接的子空間，最后表現(xiàn)為室內(nèi)或者室外的建筑和地貌。一般情況下，關(guān)卡間因邊界分割而互不相通，只有當(dāng)完成了指定的任務(wù)時(shí)開放邊界進(jìn)入下一關(guān)卡。在教育游戲中，把按知識概念圖組織的學(xué)習(xí)任務(wù)分布到關(guān)卡的空間中，學(xué)習(xí)任務(wù)的時(shí)限、內(nèi)容多少分別由關(guān)卡的節(jié)奏、空間控制。在關(guān)卡進(jìn)行中結(jié)合故事情節(jié)，角色在游戲過程中得到與學(xué)習(xí)、解決問題的相關(guān)物品、裝備而驚喜或感意外。在通過關(guān)卡的過程中，把角色的耐力、合作、運(yùn)籌、競爭、敏捷度、同情心與角色的生命力、魔法力、耐力和恢復(fù)力計(jì)算結(jié)合起來，可以培養(yǎng)他們的非智力方面的能力。通過關(guān)卡意味著完成學(xué)習(xí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

結(jié)束游戲的構(gòu)思，結(jié)尾要自然、合理，要體現(xiàn)故事情節(jié)的完整性，不能讓讓人有懸而未決的感覺。同時(shí)，需要把學(xué)習(xí)的結(jié)果、內(nèi)容、排名用文字、視頻展示出來，激勵角色完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

3 開發(fā)案例

3.1 故事梗概

動畫片《喜羊羊與灰太狼》以“童趣但不幼稚、啟智卻不說教”的鮮明特色，贏得眾多小觀眾和年輕一代的喜愛，成功塑造了喜羊羊、灰太狼等動畫角色。借助該部動畫片的故事背景，我們?yōu)榈湍昙壍男W(xué)生開發(fā)了《喜羊羊的勇闖迷城》的教育游戲，講述了喜羊羊?yàn)槊赓M(fèi)獲得參觀上海世博會的門票，勇闖離羊村不遠(yuǎn)的的迷城，與灰太狼斗智斗勇的故事。迷城存在許多關(guān)口，只有正確回答問題才能啟動機(jī)關(guān)，這些問題包含拼寫英文單詞，口算算術(shù)題。當(dāng)啟動這些機(jī)關(guān)后，能增加維持生命力的青草，以便在遭遇灰太狼時(shí)能破壞吃羊大計(jì)，戰(zhàn)勝灰太狼，否則會失去免費(fèi)獲得門票的機(jī)會，甚至命喪狼口。這個(gè)虛構(gòu)的故事情節(jié)集趣味性、挑戰(zhàn)性和教育性于一體的，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，幫助學(xué)生在游戲中掌握部分英文單詞、學(xué)會十以內(nèi)四則運(yùn)算。

3.2 場景建設(shè)

在Virtools 軟件中對媒體有5 種處理方式:原始數(shù)據(jù)(Raw Data)、外部文件(Externa1)、特殊格式(Specific Format)、全局設(shè)置(Global Settings)和原始文件(Original File)。用戶可以根據(jù)自身需要，選擇適當(dāng)?shù)拿襟w處理方式。本系統(tǒng)場景大，模型多，復(fù)雜度相對比較高，所以采用外部文件方式。應(yīng)用程序運(yùn)行的時(shí)候，動態(tài)調(diào)用各種媒體，可減少內(nèi)存占用，加快場景的渲染速度。

本系統(tǒng)的虛擬場景比較復(fù)雜，涉及諸多的幾何體，如路燈、樹木、柵欄、青草、箱子、灰太狼、喜羊羊等.隨著場景規(guī)模的增大，這些幾何體數(shù)量迅速增大，更多的占用了存儲空間，影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，所以針對這些對象，采用了實(shí)例技術(shù).如在制作環(huán)境的樹木時(shí)，首先在虛擬場景中添加一個(gè)3D Spriters，然后復(fù)制所需數(shù)目的3D Spriters，并將它們放置在場景中需要樹木的地方，最后導(dǎo)入一張樹木的紋理，分別與添加的3D Spriters 綁定.所有樹木大小的總和只比導(dǎo)入的那張樹木的紋理稍微大一點(diǎn)，極大地節(jié)省了存儲空間，并架設(shè)為關(guān)卡照明以編號01 －07 命名的七盞燈光，放置在機(jī)關(guān)開關(guān)所在位置，注意光線光線不用過于強(qiáng)烈，以免破壞跟隨燈光營造的場景的整體氣氛。

3.3 角色設(shè)計(jì)

根據(jù)故事背景，角色的形象直接來自于動畫片《喜羊羊與灰太狼》，當(dāng)遇著青草時(shí)，賦予喜羊羊拼寫單詞或口算學(xué)習(xí)任務(wù)，只有順利回答任務(wù)，才能獲得維持生命力的青草，并把它作為闖出迷城，與灰太狼斗爭的重要資本。由于學(xué)習(xí)目標(biāo)直接，任務(wù)種類簡單，所以不是在不同關(guān)卡根據(jù)知識概念圖生成不同的學(xué)習(xí)任務(wù)，而是隨機(jī)生成學(xué)習(xí)任務(wù)。

3.4 碰撞檢測與交互設(shè)計(jì)

碰撞檢測對增強(qiáng)虛擬場景漫游的真實(shí)感和逼真感有重要作用。例如，角色在虛擬場景中行走時(shí)，姿態(tài)應(yīng)隨著地形的高低而起伏、左右偏轉(zhuǎn)。如果不考慮地形狀態(tài)，角色只是始終保持一個(gè)地面上行走，當(dāng)角色達(dá)到低洼地勢時(shí)，則會離地面太高而產(chǎn)生角色浮空感;反之，當(dāng)角色達(dá)到上升地勢時(shí)，則會產(chǎn)生走進(jìn)地面的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響漫游逼真度。當(dāng)角色在場景中行走時(shí)，需要采用適當(dāng)?shù)呐鲎矙z測方式進(jìn)行碰撞檢測。一方面，采用Virtools 軟件提供了一種常用的基于行為交互模塊(Building Blocks，簡稱BB)的碰撞檢測。

為此設(shè)置地板、機(jī)關(guān)開關(guān)為Floor 屬性，柱子、墻壁與機(jī)關(guān)門設(shè)為Fixed Obstacle 屬性，設(shè)置Enhanced Character Keep On Floor BB 的參數(shù)Follow Inclination 和Replacement Altitude，即可保證角色正常行走。

另一方面，需要設(shè)置寶箱、青草、鑰匙碰撞檢測:當(dāng)喜羊羊遇見寶箱，需要開啟寶箱，以便困限灰太狼;當(dāng)遇著青草需要答題以增加生命力;當(dāng)遇著鑰匙需要摘取以打開機(jī)關(guān)。

以寶箱為例，創(chuàng)建其Script 腳本，命名為全局性設(shè)置，將BB 中的Rotate 拖入腳本使得Rotate 的In和Out 相連，并將碰撞檢測Collison Detection 拖入腳本，使Collison Detection 的In 和False、Start 相連中，以此來完成碰撞檢測，如圖2 所示。

在游戲設(shè)計(jì)中，關(guān)卡是在規(guī)定條件下達(dá)到規(guī)定要求才能通過的障礙點(diǎn)。教育游戲的關(guān)卡設(shè)計(jì)得具有挑戰(zhàn)性，能確保學(xué)習(xí)者體驗(yàn)進(jìn)步感和成就感，吸引他們繼續(xù)參與游戲和學(xué)習(xí)知識。

在《喜羊羊的勇闖迷城》游戲進(jìn)行中，如果能通過單詞拼寫、智啟機(jī)關(guān)、打開木箱、決戰(zhàn)灰太狼四個(gè)關(guān)卡，才能贏取世博票。為了積累象征生命力的青草，玩家需要按劇情隨機(jī)提供的單詞，輸入正確的單詞獲得青草積分;在獲取開啟機(jī)關(guān)門的鑰匙時(shí)，玩家需要按劇情隨機(jī)提供的四則運(yùn)算，輸入正確的算式結(jié)果;玩家在必要時(shí)可以打開木箱并引誘灰太狼陷困45 秒鐘;在逃避、引誘和決戰(zhàn)灰太狼中，需耗費(fèi)象征生命力的青草。總之，在本游戲中，關(guān)卡以青草和時(shí)間為條件，把學(xué)習(xí)性和娛樂性情節(jié)結(jié)合起來，決定著具體的游戲環(huán)境、角色行動、背景音樂等細(xì)節(jié)，并將完整的游戲過程呈現(xiàn)到玩家的面前，讓玩家在情景沉浸中完成知識學(xué)習(xí)。

圖2 碰撞檢測設(shè)計(jì)

圖3 單詞拼寫

在單詞拼寫、智啟機(jī)關(guān)的關(guān)卡中，需要輸入單詞和算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果，Virtools 軟件基于行為交互模塊提供了一種常用的輸入交互。例如，在制作單詞拼寫模塊時(shí)，從BB 中導(dǎo)入2D Text、Create System Font和Set Font Properties，按邏輯連接各個(gè)BB 模塊。圖3 展示了游戲中輸入單詞的界面。關(guān)卡不僅要注重關(guān)鍵交互的實(shí)現(xiàn)，也要提供玩家自由支配的交互。自由支配的交互運(yùn)用使通關(guān)過程具有個(gè)性色彩，能鍛煉玩家心智，提升玩家運(yùn)籌能力，這也是在游戲中實(shí)現(xiàn)教育的重要途徑。在《喜羊羊的勇闖迷城》游戲進(jìn)行中，攝像機(jī)控制、角色漫游、策略啟用這三類交互可由玩家自由支配，表1 給出了具體方法。

表1 游戲中的交互一覽表

從表1 可以看出，在游戲中實(shí)際上有兩個(gè)攝像機(jī)。一個(gè)是跟隨攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)玩家與喜羊羊的視角一致，并可以在攝像機(jī)程序模塊的控制下實(shí)現(xiàn)視角升、降、仰和俯效果，充分體現(xiàn)了虛擬漫游的功能;另一個(gè)為全景攝像機(jī)，提供游戲開始界面的迷宮全預(yù)覽效果，并可以在程序模塊的控制下實(shí)現(xiàn)大小視角的切換。

3.5 作品發(fā)布

最后的作品可以通過兩種方式發(fā)布。一種是通過Virtools Dev 輸出WebPage 的方式，以網(wǎng)絡(luò)頁面形式運(yùn)行，在生成時(shí)需要根據(jù)在網(wǎng)頁上所占比例設(shè)定視窗大小;另一種是輸出為EXE 文件，Virtools 使用make.bat 打包擴(kuò)展名為cmo 的文件，可以更改標(biāo)題和分辨率，最后生成一個(gè)合成版的EXE 文件。

教育游戲提供了一種寓教于樂的新方法，是開展教育改革的新途徑，必定具有廣闊的發(fā)展空間和深遠(yuǎn)的教育價(jià)值。本文從教育游戲的現(xiàn)狀出發(fā)，提出了教育融入游戲的途徑，并以一個(gè)教育游戲的開發(fā)為案例，展示了Virtools 技術(shù)應(yīng)用教育游戲開發(fā)的部分重要環(huán)節(jié)。從中可以看出，應(yīng)用Virtools 技術(shù)開發(fā)教育游戲，快捷建立逼真的虛擬場景，實(shí)現(xiàn)對文字、聲音、圖形圖像、動畫和三維模型等對象操作，完成虛擬世界的碰撞檢測和動態(tài)交互，能適時(shí)融入教育理念和教育內(nèi)容，使游戲具有趣味性、挑戰(zhàn)性和教育性，讓學(xué)習(xí)者有身臨其境的感覺，在游戲世界中達(dá)成教育目標(biāo)。

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