基于游戲場景的工程物探考核新模式

楊坪,章斯豪,黃雨a,,王建秀a,

(同濟大學(xué) a.巖土及地下工程教育部重點實驗室; b.土木工程學(xué)院地下建筑與工程系,上海 200092)

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基于游戲場景的工程物探考核新模式

楊坪a,b,章斯豪b,黃雨a,b,王建秀a,b

(同濟大學(xué) a.巖土及地下工程教育部重點實驗室; b.土木工程學(xué)院地下建筑與工程系,上海 200092)

工程物探是一門理論基礎(chǔ)廣、實際操作性強、結(jié)果解釋依賴計算機技術(shù)的課程，以考試為主的傳統(tǒng)考核方式無法很好地反映學(xué)生掌握課程知識及應(yīng)用的能力。針對該課程在教學(xué)及考核中的難點，提出一種基于游戲場景的工程物探考核方式，并以電法勘探部分的考核為例，闡述了工程物探考核游戲的設(shè)計思路及實現(xiàn)方式。

游戲場景；工程物探；考核

工程地球物理勘探是解決工程勘察中工程地質(zhì)、水文地質(zhì)問題的一種地球物理勘探方法，簡稱工程物探。電法勘探是以巖石、礦物之間電阻率差異為基礎(chǔ)，通過儀器觀測和研究自然或人工物理場的分布特點以及變化規(guī)律，來查明地下地質(zhì)構(gòu)造的空間展布和確定地下電阻率異常位置的一類勘探方法，屬于工程物探的一種。工程物探課程從原理、理論計算和實際應(yīng)用等角度對電法勘探進行了詳細介紹。然而在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于該技術(shù)的理論部分的理解普遍沒有太大問題，一旦需要將其與實際情況聯(lián)系起來就比較困難，許多學(xué)生為了應(yīng)付考試往往死記硬背。此外教學(xué)模式普遍較為單一，對學(xué)生從工程地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)值模型能力的培養(yǎng)較為欠缺，因此，教學(xué)效果不好。

為達到提高教學(xué)效果這一目標，各國教學(xué)人員都在不斷嘗試與改革教學(xué)方法，其中將游戲引入教育這一概念首先由國外的教育研究人員提出并開展了實踐。如芬蘭的Kristian提出了體驗式游戲模型[1]。該模型將教育融入游戲之中，將游戲教育中游戲型學(xué)習(xí)軟件應(yīng)具有的特點作了明確。英國的Immersive Education Ltd 與劍橋大學(xué)合作，推出了RPG游戲型學(xué)習(xí)軟件 Kar2ouche，讓學(xué)習(xí)者在角色扮演中體驗學(xué)習(xí)過程，通過角色在游戲中實現(xiàn)一系列交互性的游戲活動，完成包括理論知識，擴展知識、操作知識的學(xué)習(xí)[2]。

中國較早涉足教育游戲的主要有科利華、威孚等一批公司，譬如科利華公司在2000年推出了國內(nèi)首個學(xué)習(xí)型的游戲網(wǎng)站《學(xué)生智慧世界》，通過與他人進行答題比賽達到學(xué)習(xí)的目的[3]。北京威孚公司從國外引進了數(shù)字化學(xué)習(xí)型游戲制作軟件《游戲工廠》，同時還向用戶開放了游戲引擎并在國內(nèi)首度公開了這一數(shù)字化游戲?qū)W習(xí)平臺[4]。2006年，香港中文大學(xué)資訊科技教育促進中心推出了第一款基于其項目VISOLE(虛擬互動學(xué)生為本學(xué)習(xí)環(huán)境)的游戲軟件《農(nóng)場狂想曲》，該游戲的設(shè)計初衷在于幫助玩家通過對農(nóng)場的經(jīng)營和管理，綜合運用多種自然科學(xué)和社會科學(xué)中的知識，培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代信息技術(shù)、團結(jié)協(xié)作地解決實際問題方面的綜合能力[5]。中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)的向世明等[6]將 C#、Viustools和數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用于物探儀器虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計，模擬了物探實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，具有極高的真實感。

現(xiàn)有的文獻表明，針對工程物探課程，以游戲場景作為考核手段的還未見相關(guān)報道。為此，本文嘗試將游戲模式引入教學(xué)考核過程中。通過編寫計算機游戲程序，借助虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造虛擬化實際操作環(huán)境，構(gòu)建虛擬的操作過程和現(xiàn)象，通過游戲的方式考查學(xué)生對物探原理的理解和實際操作的掌握程度。

1 游戲考核平臺的設(shè)計思路

作為課程輔助考核平臺，游戲考核平臺除了應(yīng)滿足逼真的游戲場景、優(yōu)良的人機交互外，還要具有一定挑戰(zhàn)性、完善合理的評分機制。適當?shù)碾y度和挑戰(zhàn)會改善學(xué)生學(xué)習(xí)的動機，激勵其不斷深入學(xué)習(xí)相關(guān)知識以解決不斷出現(xiàn)的新問題。同時需要考慮合適的難度可以拉開學(xué)生間的差距，較好地反映學(xué)生對知識的掌握情況。在考核學(xué)生完成游戲情況時，將提交答案與實際情況的符合程度和完成測試所用時間作為衡量學(xué)生掌握知識的程度和操作的熟練程度。

1.1 考核平臺總體設(shè)計

本平臺的最終目的是為了考核學(xué)生對電法勘探的知識掌握程度，故需在前期進行教學(xué)設(shè)計，包括明確考核的內(nèi)容及評價標準、了解學(xué)生特征及預(yù)期達到的教學(xué)和考核效果。在前期教學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上，游戲考核平臺的開發(fā)主要需經(jīng)歷如下幾個階段——平臺建模階段、功能設(shè)計及編程階段和系統(tǒng)完善階段，最后應(yīng)用于教學(xué)和考查。

一是平臺建模階段。對虛擬勘測中的待測區(qū)域、儀器設(shè)備進行建模。先對測試中用到的儀器進行圖像素材的采集，再在游戲軟件制作平臺上，利用計算機編程語言制作界面，將儀器的外觀制作出來，并復(fù)制操作和分析軟件的界面，以達到與實際操作時類似的視覺效果。

二是功能設(shè)計及編程階段。這一階段的成果將會直接展示給游戲參與者，選用C#語言進行編程，需在前一階段建模的基礎(chǔ)上完成勘測場景的創(chuàng)建、勘測過程操作及結(jié)果的模擬，并確定生成成績的算法，最后制作成可安裝的軟件。

三是平臺完善階段。對上述平臺進行測試和排錯，并在教學(xué)中引入，逐漸完善。通過在日常教學(xué)中安排若干小測驗來檢查平臺的功能及漏洞。若發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷應(yīng)及時完善并更新軟件版本，以滿足考核的要求。

1.2 考核平臺功能設(shè)計

游戲中被測場地為一有限范圍的地表土體，以平面圖的形式呈現(xiàn)。學(xué)生可在操作界面中進行測試儀器的選擇和調(diào)用、連接調(diào)試等操作。以高密度電法儀器為例，完成儀器連接后需要在測試范圍內(nèi)確定測線，如儀器調(diào)試和操作均正確，進行測量動作后程序會立即給出當前剖面的測試結(jié)果。根據(jù)測試中給出的各類待測物質(zhì)的電阻率數(shù)據(jù)，學(xué)生需要進行多次模擬測量，并對測試數(shù)據(jù)進行綜合分析，以最終確定視電祖率異常體存在位置及規(guī)模。在程序內(nèi)輸入對應(yīng)問題的答案，平臺輸出學(xué)生的最終得分。具體操作流程可分為以下幾個步驟：

1)進入程序界面，輸入身份信息

2)在程序界面中連接儀器，操作正確方可進入下一步操作

3)進行布線操作并生成剖面電阻率反演圖

4)重復(fù)上一步直到獲得足夠的數(shù)據(jù)

5)在結(jié)果輸入窗口輸入結(jié)果并提交，完成測試

1.2.1 考核平臺核心功能的設(shè)計

1)勘測區(qū)域的模擬。使用軟件建立三維地質(zhì)體模型，對該區(qū)域內(nèi)進行單元劃分，賦予每一單元一定的電阻率值，來代表不同的物質(zhì)種類。如高阻的有機物和低阻的金屬等。電阻率異常部位可以以層狀、條帶狀及塊狀形式存在，可通過對相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的單元體進行賦值來實現(xiàn)。

2)儀器操作面板。主要包括代表測試設(shè)備的圖標按鈕、各類操作按鈕(如調(diào)用設(shè)備及布線操作)、待測區(qū)域的操作窗口以及各測線對應(yīng)的測量結(jié)果輸出的窗口。

3)評分機制。需建立一套能反映使用者對該部分知識掌握程度的評分機制，綜合反映勘測結(jié)果的準確性及測量過程的高效性。

1.2.2 考核平臺關(guān)鍵功能的實現(xiàn)

1)游戲場景的構(gòu)建。通過三維可視化軟件模擬待測區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)體，通過算法自動隨機生成區(qū)域內(nèi)的電阻率異常區(qū)域。根據(jù)確定的測線生成相應(yīng)的二維剖面測試結(jié)果后，使用C#編程實現(xiàn)使用者對測量結(jié)果的調(diào)用、處理和分析，以及最后結(jié)果的輸入。

2)人機交互。游戲中需建立良好的人機交互機制，充分利用鍵盤和鼠標進行輸入。游戲需對使用者進行步驟上的指引，在操作適當時進行系統(tǒng)提示，同時顯示必要的操作結(jié)果。程序主界面設(shè)計如圖1所示。

圖1 程序主界面設(shè)計

2 結(jié)語

將游戲場景引入工程物探課程考核過程，以其輔助傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提升了教學(xué)效率，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，為教學(xué)游戲在工程物探教學(xué)中應(yīng)用做出了有益的嘗試。

基于游戲場景的課程考核能有效檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，客觀地反映學(xué)生使用工程物探技術(shù)解決實際問題的能力，為工程物探考核提供了一種考核新模式。

[1] Kristian Kiili.Digital Game-Based Learning: Towards an Experiential Gaming Model[J]. Internet and Higher Education，2005(8):13-24.

[2] 牟婭.以鹵族元素為實例的嚴肅游戲型學(xué)習(xí)軟件的研究與設(shè)計[D].成都：四川師范大學(xué),2010.

[3] 楊乃琴.“科利華學(xué)生智慧世界”網(wǎng)站正式開通[J].中國電化教育,2001(2):20.

[4] 楊魯新.一種無需編程的游戲開發(fā)工具淺說——脫穎而出的軟件新秀——《游戲工廠》(Fhe Games Factore)[J].電腦愛好者,1998(13):77-78.

[5] 尚俊杰,莊紹勇,李芳樂,等.游戲化學(xué)習(xí)行為特征之個案研究及其對教育游戲設(shè)計的啟示[J].中國電化教育,2008(2):65-71.

[6] 向世明,李小磊,郭士明,等.基于C#與Viustools的物探虛擬實驗系統(tǒng)及應(yīng)用[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2013(11):161-164.

(責(zé)任校對 王小飛)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.11.021

20160615

教育部專業(yè)綜合改革試點項目資助(教高函[2013]2號)；同濟大學(xué)教學(xué)改革研究與建設(shè)項目資助

楊坪(1977-)，男，四川瀘州人，副教授，博士，主要從事土的工程性質(zhì)、地基處理等方面的研究。

G642.0

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1674-5884(2016)11-0066-03