基于工程制圖課程投影知識的移動學(xué)習(xí)游戲設(shè)計

陳錦昌, 劉 菲, 陳 煌, 陳 亮, 孫 煒

(華南理工大學(xué) 設(shè)計學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

基于工程制圖課程投影知識的移動學(xué)習(xí)游戲設(shè)計

陳錦昌, 劉 菲, 陳 煌, 陳 亮, 孫 煒

(華南理工大學(xué) 設(shè)計學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

移動學(xué)習(xí)游戲在教學(xué)方面有著巨大的潛力, 但是目前國內(nèi)外仍然缺乏對大學(xué)課程知識的移動游戲化學(xué)習(xí)研究. 提出了移動學(xué)習(xí)游戲的定義, 從大學(xué)工程制圖課程知識點(diǎn)的選擇、安排、與游戲功能的結(jié)合共3個方面, 設(shè)計了一款基于工程制圖課程投影知識的移動學(xué)習(xí)游戲, 并利用游戲引擎Cocos2d-x進(jìn)行開發(fā). 實踐證明, 課題的研究對工程制圖教學(xué)起到良好的促進(jìn)作用, 并為其他課程知識的移動游戲化教學(xué)研究提供參考的范本和可行的途徑.

移動學(xué)習(xí)游戲; 大學(xué)課程; 工程制圖; 投影知識; Cocos2d-x

以智能手機(jī)、平板電腦、PDAs(personal digital assistants)、surface、google眼鏡等為代表的智能移動設(shè)備的迅速發(fā)展, 使得基于這些智能移動設(shè)備的移動游戲越來越盛行[1]. 移動游戲已經(jīng)充斥著人們的日常生活, 在未來的學(xué)習(xí)和教育領(lǐng)域中, 移動學(xué)習(xí)游戲因為有著不可估量的巨大潛力, 必然成為研究的熱點(diǎn), 而且它對于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、熱情和自學(xué)能力方面有著其他學(xué)習(xí)方法無法比擬的優(yōu)越性.

對移動游戲中教育功能的研究, 國外起步較早, 目前國外對教育類游戲的研究主要集中在基于移動設(shè)備的教育類游戲的教育潛力、教育類游戲的開發(fā)、教育類游戲的應(yīng)用研究等方面. 國內(nèi)基于移動設(shè)備的教育類游戲的研究極少. 本文利用智能觸屏手機(jī)設(shè)備, 對大學(xué)課程進(jìn)行移動學(xué)習(xí)游戲的研究, 具有一定的前瞻性, 同時填補(bǔ)了大學(xué)課程的游戲化教育研究的空白, 能為其他的課程知識的移動游戲化教學(xué)研究提供參考的范本和可行的途徑.

1 移動學(xué)習(xí)游戲的定義

根據(jù)游戲的定義[2]、學(xué)習(xí)理論和用戶體驗[3]的研究, 本文把移動學(xué)習(xí)游戲定義為: 以寓教于樂為目的, 將游戲內(nèi)容、規(guī)則與課程知識進(jìn)行有機(jī)結(jié)合, 平衡了游戲中的教育功能和娛樂功能, 能夠讓用戶通過智能移動終端來隨時隨地玩游戲, 并在人機(jī)互動的愉快過程中, 掌握課程知識和解決問題方法的一種具有可量化結(jié)果的教育類游戲.

2 在工程制圖課程中引入移動學(xué)習(xí)游 戲的意義

傳統(tǒng)工程制圖課程教育方式存在的不足: 多以教師為中心, 教師與學(xué)生之間缺乏互動. 無論教師在課堂上教學(xué), 還是學(xué)生課后學(xué)習(xí)的過程, 都只能通過靜態(tài)的圖片或想象中的立體來進(jìn)行交流, 而不能通過操作真正的三維立體來進(jìn)行演示和溝通, 導(dǎo)致彼此間會存在認(rèn)知上的誤差和講解上的不便.

因此, 為了解決這些問題, 本文將移動學(xué)習(xí)游戲與工程制圖課程進(jìn)行了結(jié)合. 在工程制圖課程中引入移動學(xué)習(xí)游戲，其意義在于讓學(xué)生通過玩有趣的移動學(xué)習(xí)游戲的過程中更容易且自然而然地理解和掌握課程的知識, 幫助他們進(jìn)行深層次的思考、提高他們的自學(xué)能力[4]和培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣.

3 基于工程制圖課程投影知識的移動 學(xué)習(xí)游戲設(shè)計

要設(shè)計出好的移動學(xué)習(xí)游戲中的學(xué)習(xí)任務(wù), 有必要進(jìn)行課程知識點(diǎn)的選擇和有規(guī)律地安排知識. 為了更合理地安排學(xué)習(xí)的規(guī)律和降低游戲設(shè)計的難度, 設(shè)計師可以把課程知識點(diǎn)合理地安排于幾個移動學(xué)習(xí)游戲當(dāng)中, 一個移動學(xué)習(xí)游戲只針對少量的知識點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計, 循序漸進(jìn)地傳遞知識.

3.1 工程制圖課程知識點(diǎn)的選擇

投影知識點(diǎn)是工程制圖課程的基礎(chǔ), 也是培養(yǎng)學(xué)生三維空間想象能力的重要環(huán)節(jié), 因此,本文選擇了投影知識點(diǎn)作為研究對象, 來安排移動學(xué)習(xí)游戲中的學(xué)習(xí)任務(wù).

3.2 工程制圖課程知識點(diǎn)的安排

這些被選擇出來的“投影知識點(diǎn)”會根據(jù)本課題提出的方法——基于體素構(gòu)造分析法(constructive solid geometry, CGS)的建模思維方法, 來安排在游戲的任務(wù)關(guān)卡中. 基于體素構(gòu)造分析法的建模思維方法是指任何一個復(fù)雜的組合體都是由簡單的基本體通過布爾運(yùn)算(交集、并集和差集)和形變運(yùn)算(擠壓、拉伸和扭曲)構(gòu)成[5], 這與常規(guī)的三維虛擬數(shù)字模型的建模思維[6]是一致的, 在建模過程中, 復(fù)雜的三維模型都是將簡單的基本幾何形體通過一次或多次布爾運(yùn)算, 包括交集、并集和差集而形成的[7], 這將更有效地幫助學(xué)生形成三維空間想象能力.

讓學(xué)生先學(xué)習(xí)三維立體模型, 使得學(xué)生首先掌握三維形體的構(gòu)型特點(diǎn), 然后, 在學(xué)習(xí)三維形體的投影時, 通過將三維立體的構(gòu)成按照基本幾何體構(gòu)型特點(diǎn)進(jìn)行拆分, 建立不同特征的三維立體模型和與之相對應(yīng)的投影之間的對應(yīng)關(guān)系, 并進(jìn)行不斷的訓(xùn)練, 由淺入深, 讓學(xué)生逐漸發(fā)現(xiàn), 復(fù)雜多樣的三維立體的基本構(gòu)型都是由簡單的基本幾何體經(jīng)過布爾運(yùn)算(交集、并集和差集)構(gòu)成, 如同在學(xué)生腦海中慢慢植入如何構(gòu)建三維立體模型的過程. 通過該方法, 能加深學(xué)生對三維立體的特征和構(gòu)成的理解, 提升他們的讀圖能力, 為往后其他知識的深入學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備[8].

3.3 課程知識與游戲功能相結(jié)合

本文基于工程制圖課程投影知識的移動學(xué)習(xí)游戲——Invade UFO, 選擇益智游戲類型中的解謎游戲來作為本游戲的基礎(chǔ)游戲類型, 游戲功能與課程知識的對應(yīng)安排, 如圖1所示.

選擇開始游戲的畫面如圖2中的左上角所示. 在游戲主題的設(shè)計上, 故事主題的內(nèi)容要與工程制圖課程的主旨相配, 以便更好地安排游戲任務(wù)及任務(wù)中的知識點(diǎn). 用連環(huán)畫的形式展現(xiàn)故事背景, 如圖2所示， 在某個晚上, UFO從天而降, 把科學(xué)怪人的實驗室撞破了, 這讓科學(xué)怪人抓狂, 于是他把UFO中的外星人抓起來, 而游戲任務(wù)就是要用戶扮演科學(xué)怪人入侵UFO的最深處, 占領(lǐng)UFO. 因此, 該游戲主題能很好地與工程制圖課程的機(jī)械和工程特點(diǎn)相配.在游戲的場景設(shè)計中, 場景和關(guān)卡是益智類游戲的核心部分, 同時也是游戲功能中的核心功能(微型學(xué)習(xí)任務(wù)和情感激勵機(jī)制), 需要將游戲各個場景與課程知識的學(xué)習(xí)規(guī)律相統(tǒng)一, 即場景的發(fā)展也是課程知識的逐步深入學(xué)習(xí).

圖1 課程知識與游戲功能相結(jié)合Fig.1 Curriculum knowledge combined with game function

圖2 開始游戲的畫面和故事背景Fig.2 Start the game picture and story background

(1) 游戲場景1(Tunnel): 基本體和組合體的輪廓投影. 該場景是扮演科學(xué)怪人的用戶入侵UFO內(nèi)部的入口, 用戶需要把UFO的封鎖隧道Tunnel打開, 才能入侵到UFO的內(nèi)部.

游戲場景Tunnel中含有10個小關(guān)卡, 把每個小關(guān)卡的時間限制設(shè)定為20 s, 讓用戶在掌握了游戲玩法和課程知識的情況下, 能在較短的時間內(nèi)完成這些微型的游戲任務(wù), 方便用戶利用零碎的空閑時間來玩移動學(xué)習(xí)游戲.

小關(guān)卡01和02為游戲的引導(dǎo)關(guān), 如圖3所示, 先介紹游戲的玩法規(guī)則(在規(guī)定的時間內(nèi), 將前面的三維立體與后面有趣的二維投影相匹配), 引導(dǎo)用戶熟悉游戲的操作(通過觸摸屏幕中的三維立體來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作).

(a) 點(diǎn)與線之間的投影 (b) 線與面之間的投影圖3 游戲的引導(dǎo)關(guān)圖Fig.3 The game guide

圖4 小關(guān)卡03基本體的投影——四棱柱Fig.4 Levels 3 basic body of projection-four prism

(a) 小關(guān)卡08：組合體的輪廓——三角形

(b) 小關(guān)卡09：組合體的輪廓——六邊形

(c) 小關(guān)卡10：組合體的輪廓——五角星圖5 小關(guān)卡08～10輪廓特點(diǎn)Fig.5 Contour features of levels 08 to 10

在這兩個游戲引導(dǎo)關(guān)中, 將工程制圖課程知識(點(diǎn)與線之間的投影、線與面之間的投影)融入游戲中, 讓用戶了解點(diǎn)、線、面的投影特點(diǎn), 為立體的投影學(xué)習(xí)作準(zhǔn)備.

小關(guān)卡03～07為基本體的投影, 讓用戶掌握四棱柱、四棱錐、圓柱、圓錐、圓球共五大基本幾何體的形態(tài)特征和單面投影的特性. 小關(guān)卡03四棱柱投影知識游戲過程如圖4所示, 其他基本體同理.

小關(guān)卡08～10的設(shè)計, 如圖5所示. 為了讓用戶先熟悉一下復(fù)雜組合體的輪廓特點(diǎn), 先從輪廓上去把握組合體的形態(tài)特征. 小關(guān)卡08～10的組合體訓(xùn)練是為了讓用戶更好地過渡到游戲的第二個場景, 即組合體的投影.

(2)游戲場景2(第二道防線): 組合體的投影. 該場景是當(dāng)用戶通過了第一道防線Tunnel后, 進(jìn)入UFO的第二道防線, 用戶在這里需要將10個形狀各異的組合體旋轉(zhuǎn)成與墻上對應(yīng)的投影形狀, 才能通關(guān), 難度等級比第一關(guān)有所增加, 讓學(xué)生熟悉基本體是如何通過形變運(yùn)算(擠壓、拉伸和扭曲)和布爾運(yùn)算(交集、并集和差集)組成組合體的, 慢慢掌握組合體的構(gòu)成規(guī)律, 更好地掌握組合體的投影特性.

對于游戲場景2下的小關(guān)卡01～04, 如圖6所示, 主要用于展示基本體(四棱柱、四棱錐、圓柱、圓錐、圓球)是如何通過布爾運(yùn)算(差集、交集和并集)組成復(fù)雜的組合體, 以及組合體與主視圖之間的投影關(guān)系. 由于并集和差集在組合體的布爾運(yùn)算中, 是運(yùn)用最多的運(yùn)算, 因此, 本文將03和04兩個小關(guān)卡都設(shè)計成由并集和差集運(yùn)算組成的組合體.

(a) 小關(guān)卡01：組合體1(差集)

(b) 小關(guān)卡02：組合體2(交集和差集)

(c) 小關(guān)卡03：組合體3(并集和差集)

(d) 小關(guān)卡04：組合體4(并集和差集)圖6 布爾運(yùn)算后的組合體投影Fig.6 Combination of projection after Boolean operation

(a) 小關(guān)卡05：組合體5(并集、差集和拉伸)

(b) 小關(guān)卡06：組合體6(并集、差集和扭曲)

(c) 小關(guān)卡07：組合體7(并集、差集和擠壓)圖7 形變運(yùn)算后的組合體投影Fig.7 Combination of projection after Deformation operation

對于小關(guān)卡05～07, 如圖7所示, 主要用于展示基本體(四棱柱、四棱錐、圓柱、圓錐、圓球)是如何通過形變運(yùn)算(拉伸、扭曲和擠壓)來組成組合體, 掌握組合體的形變特征和投影規(guī)律.

對于小關(guān)卡08～10, 如圖8所示, 為布爾運(yùn)算和形變運(yùn)算的綜合運(yùn)算后而形成的組合體, 用戶需要在這幾個關(guān)卡掌握組合體的構(gòu)成特點(diǎn)及其與主視圖之間的投影規(guī)律.

(a) 小關(guān)卡08：組合體8(交、并、差運(yùn)算和拉伸)

(b) 小關(guān)卡09：組合體9(交、并、差運(yùn)算和拉伸、擠壓)

(c) 小關(guān)卡10：組合體10(交、并、差運(yùn)算和拉伸、擠壓、扭曲)圖8 綜合運(yùn)算后的組合體投影Fig.8 Combination of projection after the operational

在游戲中, 無論是用戶闖關(guān)勝利(如圖9所示) 還是失敗, 系統(tǒng)都會以量化的結(jié)果來顯示用戶的成績. 成績分?jǐn)?shù)的高低取決于用戶通關(guān)所花的時間, 即時間越短, 得分越高, 而且用戶每通過一關(guān)后, 勝利畫面還會顯示出剛通過的關(guān)卡中的三維立體與二維投影之間的對應(yīng)關(guān)系(圖9左圖的左側(cè)畫面), 以此來復(fù)習(xí)知識, 從而達(dá)到鞏固知識的目的.

圖9 勝利畫面和分享功能Fig.9 Victory pictures and sharing

此外, 用戶可以通過勝利畫面中的分享按鈕(如圖9所示), 來分享自己勝利后的畫面, 與朋友們進(jìn)行互動和比拼, 而且用戶也可以不斷刷新自己的通關(guān)記錄, 來挑戰(zhàn)自己的極限, 用戶在不斷刷新記錄的同時, 也不斷鞏固和加深對于投影知識的理解和提高三維空間想象能力.

當(dāng)用戶不能在規(guī)定的時間內(nèi)完成游戲任務(wù), 則會出現(xiàn)闖關(guān)失敗的畫面, 不過, 移動學(xué)習(xí)游戲的失敗畫面的目的是為了讓用戶盡快返回游戲, 繼續(xù)挑戰(zhàn)和完成游戲任務(wù), 而不鼓勵游戲失敗后受到懲罰的做法.

由于用戶在玩游戲時, 不僅經(jīng)常處于多變的移動情景, 而且經(jīng)常處于需要處理多個日常生活事務(wù)的狀態(tài)中, 如排隊時可以玩一下游戲, 但是排完隊后就得隨時中斷游戲, 因此, 當(dāng)用戶隨時退出游戲時, 移動學(xué)習(xí)游戲要能夠隨時保存游戲的記錄, 如圖10所示, 方便用戶回到游戲中斷前的狀態(tài).

圖10 隨時保存游戲的記錄Fig.10 Save game records at any time

4 基于Cocos2d-x的移動學(xué)習(xí)游戲開發(fā)

本文所設(shè)計的基于工程制圖課程投影知識的移動學(xué)習(xí)游戲——Invade UFO, 采用游戲引擎Cocos2d-x進(jìn)行開發(fā). 雖然Cocos2d-x能將一個游戲發(fā)布到不同的移動設(shè)備上, 但由于不同智能移動設(shè)備的屏幕分辨率各有不同, 而一個游戲又必須同時適配不同的屏幕大小, 才能有好的游戲體驗, 因此, 為了解決這一問題, 游戲引擎Cocos2d-x的2.0以上更新的版本均提供適應(yīng)各種分辨率的自定義功能, 該功能函數(shù)如下:

SetDesignResolutionSize(Height×Width)

該函數(shù)的功能是讓游戲的內(nèi)容自動去適應(yīng)不同的移動設(shè)備屏幕大小, 使得同一款游戲能在不同的移動設(shè)備上完美運(yùn)行[9]. 由于目前主流的智能觸屏手機(jī)的屏幕分辯率為800像素×480像素, 因此，本文選用大眾機(jī)型Samsung i9100作為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型來進(jìn)行設(shè)計. 本文所設(shè)計的基于工程制圖課程投影知識的移動學(xué)習(xí)游戲(Invade UFO)的開發(fā), 遵循如圖11所示的開發(fā)流程, 以游戲場景為基本單位來進(jìn)行游戲的開發(fā), 調(diào)試環(huán)境為Cocos2d-win32. vc2010的Microsoft Visual Studio, 在手機(jī)上運(yùn)行的測試效果如圖12所示.

圖11 開發(fā)流程Fig.11 Development process

圖12 手機(jī)測試圖Fig.12 Mobile phone test pattern

5 結(jié) 語

本文所設(shè)計的基于工程制圖課程投影知識的移

動學(xué)習(xí)游戲(Invade UFO)能夠提供可旋轉(zhuǎn)查看的三維立體模型, 并建立起三維立體模型與二維投影圖之間的關(guān)系, 有助于培養(yǎng)學(xué)生的三維空間想象能力和讀圖能力, 并方便同學(xué)之間、學(xué)生與教師之間的交流. 作為一種新型的移動游戲化學(xué)習(xí)模式, 學(xué)生可通過玩游戲的方式來掌握知識, 感受愉快的學(xué)習(xí)體驗, 從而培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣, 激發(fā)學(xué)習(xí)欲望, 增強(qiáng)對知識的理解和記憶. 另外, 由于學(xué)生們可以隨時隨地玩智能觸屏手機(jī)上的Invade UFO, 因此, 能更有效地利用零碎和空閑的時間來學(xué)習(xí)投影知識, 提高學(xué)習(xí)的效率.

本文的研究與實踐為其他課程知識的移動游戲化教學(xué)提供了研究的范本和可行的途徑, 而基于工程制圖課程投影知識的移動學(xué)習(xí)游戲能用于各大院校的工程制圖課程教學(xué)中.

[1] 陳煌, 陳錦昌, 陳亮, 等. 基于用戶參與度的移動學(xué)習(xí)游戲設(shè)計理論探討[J]. 包裝工程, 2013, 34(22): 73-76.

[2] SALEN K, ZIMMERMAN E. Rules of play: Game design fundamentals[M]. Cambridge: MIT Press, 2004: 28-570.

[3] GARRETT J J. The elements of user experience: User-centered design for the web[M]. New Jersey: Pearson Education, 2010: 1-155.

[4] 王志忠. 圖學(xué)課程的自主性學(xué)習(xí)[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2012, 33(6): 121-123.

[5] 傅自鋼. 基于工程圖的三維形體重建方法研究[D]. 長沙: 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 2011.

[6] 童秉樞, 易素君, 徐曉慧. 工程圖學(xué)中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2005, 26(4): 130-135.

[7] 莫春柳, 李冰, 譚夏梅. 三維實體造型形體分析教學(xué)法研究[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版), 2003, 3(4): 41-43.

[8] 續(xù)丹. “3D機(jī)械制圖”教學(xué)中提高學(xué)生讀圖能力的實踐與思考[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2012, 33(6): 124-129.

[9] 石倩倩. 智能設(shè)備中跨平臺游戲框架的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子測試, 2014(2): 12-14.

Mobile Learning Game Design Based on Projection Knowledge of the Engineering Drawing Curriculum

CHENJin-chang,LIUFei,CHENHuang,CHENLiang,SUNWei

(School of Design, South China University of Technology , Guangzhou 510006, China)

Mobile learning games have great educational potential in the teaching area. However, it lacks the mobile gamification learning research on knowledge of university curriculums in the domestic and foreign researches currently. So the definition of mobile learning games was put forward. A mobile learning game was designed based on the projection knowledge of the engineering drawing curriculum and its knowledge points chosen, arranged and the combination with the game functions . The game was developed with the game engine named Cocos2d-x. The practice proves that the research of the project is beneficial to the teaching for engineering drawing. It provides a reference and feasible way to research the mobile gamification teaching of other courses.

mobile learning games; university curriculums; engineering drawing; projection knowledge; Cocos2d-x

1671-0444 (2016)04-0608-09

2016-03-02

廣東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃教育信息技術(shù)研究專項課題資助項目(11JXN027)；廣東省高等教育教學(xué)改革資助項目(GDJG20142059)；廣東省科技廳軟科學(xué)資助項目(x2s-N4140370);華南理工大學(xué)本科教研教改資助項目

陳錦昌(1956—)，男，廣東南海人，教授，碩士，研究方向為工程圖學(xué)及工業(yè)設(shè)計．E-mail: jcchen@scut.edu.cn

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