基于Unity3d引擎的教育類游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉桂元+曾志遠(yuǎn)+楊書新

摘要摘要：教育性游戲作為輔助教育工具，主要通過游戲元素與知識(shí)的融合，達(dá)到高效傳授某些知識(shí)的目的。設(shè)計(jì)了一款教育類游戲，從游戲規(guī)則、游戲場景、情感設(shè)計(jì)、知識(shí)系統(tǒng)、游戲架構(gòu)幾方面給出了游戲的設(shè)計(jì)思路，闡述了游戲使用的開發(fā)引擎、怪物行為決策的智能模擬、角色的自動(dòng)尋路實(shí)現(xiàn)過程以及物體間的碰撞處理等技術(shù)，并展示了游戲的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：教育類游戲；知識(shí)傳授；Unity3d

DOIDOI：10.11907/rjdk.162360

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）001005004

引言

現(xiàn)行教育存在教育路徑相對(duì)單一、教學(xué)效率低等問題。游戲種類多數(shù)量大，能很好地吸引玩家注意力。如果把書本知識(shí)植入到游戲中，將游戲與課堂教育互補(bǔ)，讓學(xué)生在游戲的同時(shí)學(xué)習(xí)知識(shí)，不僅可以縮短學(xué)習(xí)時(shí)間，還可以讓學(xué)生對(duì)知識(shí)有更深的體會(huì)。游戲與教育的結(jié)合，是教育對(duì)自由與民主的呼喚，游戲化學(xué)習(xí)是人本主義思想在教育中的體現(xiàn)[1]。

基于以上思考，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了一款教育類三維角色扮演電子游戲（即RGP游戲），將小學(xué)三到五年級(jí)課本中的知識(shí)植入到游戲中，重點(diǎn)介紹了知識(shí)與游戲融合的方式以及涉及的一些主要技術(shù)。

1游戲設(shè)計(jì)

游戲開發(fā)前階段設(shè)計(jì)非常重要，且大型游戲開發(fā)中的設(shè)計(jì)文檔必不可少。本游戲設(shè)計(jì)主要完成游戲規(guī)則、知識(shí)系統(tǒng)以及架構(gòu)等設(shè)計(jì)。

1.1游戲規(guī)則

1.1.1游戲背景故事

本故事主人公由于偶然原因穿越到其它時(shí)空，原本在該時(shí)空寧靜生活的人們正遭受不明怪物的侵襲。主人公為了消滅怪物，讓人們重新獲得和平生活，進(jìn)行了一場勇敢的冒險(xiǎn)。

1.1.2游戲關(guān)卡

游戲設(shè)計(jì)有3個(gè)主關(guān)卡和12個(gè)副關(guān)卡，每個(gè)關(guān)卡都有一定數(shù)量的怪物，而每個(gè)主關(guān)卡中都設(shè)有一個(gè)BOSS怪物且等級(jí)隨主關(guān)卡依次提高。主人公打敗主關(guān)卡中的BOSS即通關(guān)，所有主關(guān)卡通關(guān)即游戲通關(guān)。關(guān)卡設(shè)計(jì)如圖1所示，其中關(guān)卡間有雙向箭頭連接表示兩關(guān)卡間是連通的。游戲中玩家以“傳送”的形式往來于不同關(guān)卡，關(guān)卡之間的傳送是有權(quán)限的。玩家所操控的主人公從主關(guān)卡開始依次通關(guān)，如通關(guān)到主關(guān)卡二但本主關(guān)卡尚未通關(guān)，則該主關(guān)卡和之前主關(guān)卡以及它們所帶的副關(guān)卡之間都可以互相傳送，可以從主關(guān)卡二“傳送”至主關(guān)卡三，但只能從主關(guān)卡三傳送至主關(guān)卡二而不能傳送至與主關(guān)卡三連通的其它關(guān)卡。

圖1關(guān)卡設(shè)計(jì)1.1.3角色成長

玩家控制主人公從主關(guān)卡一通關(guān)冒險(xiǎn)，開始時(shí)主人公角色屬性比較弱，只能打一些關(guān)卡地圖中的小怪物，玩家要通關(guān)就必須提高主人公的角色屬性，如角色等級(jí)、角色攻防值、角色血量等。玩家要通關(guān)上述某一主關(guān)卡時(shí)，就需要完成有關(guān)的游戲任務(wù)，如消滅小怪后獲得經(jīng)驗(yàn)提高等級(jí)，去副關(guān)卡中獲得裝備然后使裝備強(qiáng)化、提高角色攻防值等。這樣，等角色強(qiáng)大到一定程度后才可打敗BOSS。

1.1.4游戲裝備

游戲裝備獲得及強(qiáng)化是游戲角色成長的重要方式。游戲中裝備分為靴子、鎧甲、劍3種類型，分別可提升主人公的移動(dòng)速度、防御力、攻擊力，且每種裝備都有不同的初始和上限值提升屬性。獲得方式有兩種：①在完成某些游戲任務(wù)后系統(tǒng)給以裝備獎(jiǎng)勵(lì)；②在主人公打敗不同等級(jí)的怪物后有一定概率獲得不同初始和上限值裝備，但怪物只能掉落同一種裝備。主人公新獲得的裝備一般為初始屬性，很多時(shí)候并不能殺死怪物也不能得到更高等級(jí)的裝備，這時(shí)玩家就必須去強(qiáng)化現(xiàn)有裝備，使其具有更高的提升屬性。

1.2游戲場景

在場景設(shè)計(jì)方面，除15個(gè)三維的關(guān)卡場景外還有兩個(gè)平面場景，其中一個(gè)是游戲開始場景，另一個(gè)是知識(shí)測(cè)試場景。在15個(gè)關(guān)卡場景設(shè)計(jì)時(shí)，分別添加不同區(qū)域的文化元素，使學(xué)生能了解各領(lǐng)域的不同文化。如在以歐洲古老騎士文化為主的場景中，放入城堡、騎士、劍、盔甲等與騎士文化相關(guān)的模型，模擬中世紀(jì)騎士文化時(shí)期的生活場景；而在以埃及文化為主的場景中，則以沙漠地形并加入金字塔、獅身人面像、神廟、古埃及文字符號(hào)等元素；中華傳統(tǒng)文化、瑪雅文化、北美文化、日本文化等的場景設(shè)計(jì)這里就不一一贅述。而對(duì)于開始場景的設(shè)計(jì)，主要是登入、注冊(cè)等按鈕的UI布局設(shè)計(jì)以及一些故事背景。

為了將知識(shí)體現(xiàn)在游戲過程中，計(jì)算場景也是以UI為主，玩家通過界面操作選擇不同的答題方式及答題內(nèi)容。初設(shè)可選的答題方式有選擇題、填空題、判斷題，考察內(nèi)容為小學(xué)三到五年級(jí)的課本知識(shí)，如數(shù)學(xué)計(jì)算、文字認(rèn)識(shí)以及少量的簡單智力測(cè)試和生活常識(shí)等。完成一輪測(cè)試后，系統(tǒng)顯示出玩家的答對(duì)題數(shù)和所用時(shí)間，并在提高相關(guān)屬性后出現(xiàn)祝賀語等特效。

1.3情感設(shè)計(jì)

為了培養(yǎng)學(xué)生的情感品德，在游戲中設(shè)計(jì)了勇敢品質(zhì)、勤儉美德等情感元素，如場景中設(shè)置有受傷的人或動(dòng)物，在幫他們療好傷后會(huì)得到一些獎(jiǎng)品。這在游戲中設(shè)置為隱性任務(wù)（即在游戲中沒有明顯提示要完成的任務(wù)），只有當(dāng)玩家自發(fā)去做這些事才可得到相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)。同樣，獎(jiǎng)勵(lì)也分為顯性獎(jiǎng)勵(lì)和隱性獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)于隱性獎(jiǎng)勵(lì)，系統(tǒng)在玩家完成某個(gè)隱性任務(wù)后自動(dòng)提高裝備掉落概率而不加顯性說明。此外，因?yàn)閷W(xué)生在情感控制方面能力較弱，在游戲中增加了一些情感波動(dòng)設(shè)計(jì)，當(dāng)任務(wù)成功時(shí)系統(tǒng)給予稱贊，任務(wù)失敗時(shí)系統(tǒng)給予教育；這樣有喜有悲，使游戲與現(xiàn)實(shí)生活更加接近，增加玩家的情感投入，提高游戲的互動(dòng)性和趣味性。

1.4知識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本游戲特色設(shè)計(jì)為游戲知識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包含知識(shí)測(cè)試系統(tǒng)以及“書”系統(tǒng)。

1.4.1知識(shí)測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)于知識(shí)測(cè)試系統(tǒng)，在每個(gè)主關(guān)卡的場景中都有標(biāo)識(shí)為“學(xué)校”的地方。當(dāng)主人公要強(qiáng)化裝備提高角色屬性時(shí)便需要到學(xué)校中鍛煉其裝備。進(jìn)入學(xué)校便觸發(fā)知識(shí)測(cè)試場景，加載好場景后，玩家在場景界面中選好要鍛煉的裝備，選好相應(yīng)的題型及難度等級(jí)，系統(tǒng)根據(jù)玩家的選擇隨機(jī)從對(duì)應(yīng)的題庫中選取題目進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后系統(tǒng)將根據(jù)玩家答題的難度等級(jí)、答題時(shí)間、答題分?jǐn)?shù)等對(duì)本次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行等級(jí)評(píng)估，系統(tǒng)根據(jù)評(píng)估結(jié)果等級(jí)對(duì)裝備屬性強(qiáng)化到一定等級(jí)。每件裝備都有屬性強(qiáng)化的上限值，裝備自身的等級(jí)越高其上限值越高。若玩家對(duì)結(jié)果不滿意可以選擇繼續(xù)測(cè)試；若玩家想退出測(cè)試，點(diǎn)擊場景界面中的“退出”按鈕即可。

1.4.2“書”系統(tǒng)

在游戲關(guān)卡場景界面中有一個(gè)背景為書的圖片按鈕。當(dāng)玩家點(diǎn)擊該按鈕時(shí)，界面中便顯示出“書本”圖片及相關(guān)文字供玩家瀏覽。內(nèi)容涉及3個(gè)部分：①游戲規(guī)則的講解；②課本知識(shí)的描述，如一些簡單的課本知識(shí)定義，有關(guān)游戲測(cè)試系統(tǒng)中的答題技巧等；③溫馨提示，如某些隱性任務(wù)或游戲技巧提醒等。當(dāng)玩家想結(jié)束閱讀時(shí)，點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕即可。

1.5游戲架構(gòu)

好的游戲架構(gòu)可以減小游戲開發(fā)難度（尤其是一款大型游戲），提高開發(fā)效率，從而減少游戲開發(fā)周期，降低游戲開發(fā)成本。筆者設(shè)計(jì)的游戲中運(yùn)用的是游戲架構(gòu)中的單例模式。

在單例模式中，首先創(chuàng)建一個(gè)特殊的靜態(tài)類，常稱為單例類，其在游戲運(yùn)行時(shí)存在于內(nèi)存中，以便對(duì)全局游戲?qū)ο筮M(jìn)行管理。然后在該類中封裝好有關(guān)方法（一般為多級(jí)封裝方法）。當(dāng)需要對(duì)游戲?qū)ο筮M(jìn)行數(shù)據(jù)訪問時(shí)（如網(wǎng)絡(luò)訪問、數(shù)據(jù)庫訪問和角色屬性訪問），便調(diào)用該特殊類中已經(jīng)封裝好的方法。同樣游戲要?jiǎng)h除或創(chuàng)建某游戲?qū)ο髸r(shí)也可調(diào)用該類中的有關(guān)方法。因此，在單例類如信息交流大廳，游戲所需數(shù)據(jù)皆可到“大廳”中獲取。其優(yōu)點(diǎn)是避免游戲管理混亂，應(yīng)用域明確，可以管理生命周期，可封裝，可通過繼承擴(kuò)展，使游戲代碼邏輯簡單化，易于實(shí)現(xiàn)游戲模塊功能。

2主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本游戲涉及的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)有：Unity3D引擎開發(fā)技術(shù)、游戲中對(duì)怪物行為決策的智能模擬、角色的自動(dòng)尋路以及物體間的碰撞處理等。

2.1游戲開發(fā)引擎

本游戲使用Unity3D游戲開發(fā)引擎。之所以選擇Unity3D作為游戲開發(fā)引擎，是因?yàn)樵撘嬗兄啙嵉慕缑娌季旨皬?qiáng)大的功能模塊。除此之外，Unity3D還具有良好的跨平臺(tái)發(fā)布性能，使開發(fā)者能把更多的精力集中到制作高質(zhì)量的游戲上，提高游戲開發(fā)效率[2]。

該算法中，在獲得游戲?qū)ο蟮奈恢眯畔r(shí)，使用引擎類GameObject中已封裝好的GetComponent<>（）函數(shù)來獲得游戲?qū)ο笤谔摂M游戲世界中的三維坐標(biāo)信息。在Update中使用Vector3類中的Distance（）函數(shù)對(duì)怪物和主角位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，當(dāng)他們之間距離小于一定值時(shí)，怪物會(huì)改變狀態(tài)從而做出相關(guān)動(dòng)作。在引擎中首先寫好該算法代碼的腳本文件掛載到游戲的怪物物體對(duì)象，然后運(yùn)行游戲，此時(shí)怪物將在思考一定時(shí)間后進(jìn)行下一階段的巡邏，而如果在巡邏過程中發(fā)現(xiàn)主角，便跑向主角并進(jìn)行攻擊。

2.3自動(dòng)尋路

在游戲的人工智能方面，自然也少不了游戲的自動(dòng)尋路功能。在Unity3D引擎較新的版本中便集成了導(dǎo)航網(wǎng)格功能，并提供了方便的用戶界面[3]。在Unity3D中，用戶首先編輯好場景地形，然后將場景中不動(dòng)的物體設(shè)置為Navigation Static物體；之后點(diǎn)擊Bake進(jìn)行導(dǎo)航網(wǎng)格烘焙，此時(shí)引擎將根據(jù)設(shè)置在Navigation Static物體上面，也就是游戲世界三維坐標(biāo)中Y軸的正向面進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)計(jì)算，從而形成一張?jiān)谟螒驁鼍爸械木W(wǎng)格節(jié)點(diǎn)導(dǎo)航地圖。地圖形成后，只需要對(duì)所要導(dǎo)航的游戲?qū)ο蠹由螻avMeshAgent組件即可，這樣游戲?qū)ο蟊憧衫@開障礙物并沿著最短路徑到達(dá)目的點(diǎn)。

下面介紹引擎中網(wǎng)格尋找最短路徑算法。該算法稱為A Star算法或簡稱為A* 算法，類似于貪心算法。與貪心算法相比，A*算法為了減少計(jì)算消耗提高游戲的流暢度，減少了貪心算法的回溯計(jì)算。其基本原理為：當(dāng)引擎渲染好網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)導(dǎo)航地圖后再通過以下步驟進(jìn)行路徑尋找：①用兩個(gè)變量來存儲(chǔ)已經(jīng)處理過的節(jié)點(diǎn)和要處理的節(jié)點(diǎn)，分別稱為關(guān)閉列表和開放列表；②將起始節(jié)點(diǎn)放入開放列表中并設(shè)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)；③計(jì)算開發(fā)列表中所有不在關(guān)閉列表的鄰近節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的代價(jià)值；④選取已計(jì)算的鄰近節(jié)點(diǎn)中代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)并保留在開放列表中，其它已計(jì)算的鄰近節(jié)點(diǎn)則放入關(guān)閉列表中；⑤返回步驟③直至當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)但沒有鄰近節(jié)點(diǎn)可計(jì)算（即起始節(jié)點(diǎn)沒有路徑到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)），退出路徑尋找。計(jì)算節(jié)點(diǎn)代價(jià)值通過公式（1）得出：F=G+H（1） 公式（1）中F代表節(jié)點(diǎn)的代價(jià)值，G是從上一個(gè)節(jié)點(diǎn)到這個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)格地圖中的幾何距離，H是從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)格地圖中的幾何距離。

2.4物理碰撞

正如現(xiàn)實(shí)世界中物體之間會(huì)有力的接觸碰撞一樣，游戲的虛擬世界中也有力的碰撞模擬，而且在3D游戲中，碰撞可以說是建立三維游戲的基礎(chǔ)。同樣在游戲的虛擬世界中，一個(gè)物體放在或掉落于地面，以及游戲角色之間發(fā)生的傷害，都是碰撞處理的結(jié)果。在Unity3D引擎中，物理引擎就是在游戲中模擬真實(shí)的物理效果[4]。碰撞分為碰撞器碰撞和觸發(fā)器碰撞。當(dāng)游戲物體間要發(fā)生不可穿透碰撞時(shí)，便使用碰撞器碰撞，如墻壁阻擋角色、物體落于地面等的碰撞效果。當(dāng)游戲物體間要發(fā)生穿透碰撞時(shí)可使用觸發(fā)器碰撞，如子彈穿透游戲角色、角色到達(dá)一定范圍后門自動(dòng)開啟等碰撞效果。

當(dāng)然，并不是所有游戲?qū)ο蠖夹枰蚨寄馨l(fā)生碰撞效果，在引擎中發(fā)生碰撞器碰撞條件為兩個(gè)發(fā)生碰撞的物體都必須添加碰撞器，即Physics中的collider組件中至少有一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體必須帶有Rigidbody組件[5]；而發(fā)生觸發(fā)器碰撞的條件為發(fā)生碰撞的運(yùn)動(dòng)物體必須帶有collider和Rigidbody組件，而另一個(gè)物體則必須添加觸發(fā)器，即在物體添加collider組件后勾選組件中的IsTrigger屬性選擇框，啟用該組件的觸發(fā)器效果。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，對(duì)碰撞事件進(jìn)行捕捉，進(jìn)而讓游戲?qū)ο笞鞒鱿鄳?yīng)反應(yīng)。在Unity3D中主要有以下幾個(gè)接口函數(shù)負(fù)責(zé)碰撞事件的檢測(cè)：

（1）碰撞器信息檢測(cè)：

3游戲?qū)崿F(xiàn)

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)成員分工合作，初步實(shí)現(xiàn)了該游戲項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效果。發(fā)布平臺(tái)為Windows和Android平臺(tái)，其中對(duì)操作系統(tǒng)版本要求為Windows7或8版本，Android則支持3.0及以上版本。在相關(guān)平臺(tái)簡單安裝好后即可開始游戲。

首先是游戲注冊(cè)界面，當(dāng)玩家注冊(cè)完后即可登入游戲主界面。在游戲主界面中有“角色”、“書”、“設(shè)置”等系統(tǒng)按鈕，操作流程如圖4所示。游戲中當(dāng)玩家控制的游戲角色打不贏怪物時(shí)便可查看“書”中的有關(guān)知識(shí)，并在“學(xué)?！蓖ㄟ^知識(shí)測(cè)試來提高其扮演角色的屬性，以便繼續(xù)游戲并最終完成游戲通關(guān)。

圖4游戲操作流程4結(jié)語

本文闡述了一款關(guān)于教育游戲的設(shè)計(jì)與開發(fā)。在玩家注意力高度集中于該游戲的同時(shí)，通過顯性與隱性相結(jié)合的方式影響玩家自身的知識(shí)與品德，達(dá)到傳授知識(shí)與培養(yǎng)良好品德的效果。當(dāng)然，在游戲開發(fā)過程中也遇到過一些問題，如游戲的粒子特效、三維模型動(dòng)畫的制作、游戲優(yōu)化等。但在深入研究后，問題都有了對(duì)應(yīng)的解決方案，為游戲后續(xù)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。教育游戲推廣在我國還處于起步階段，長路漫漫，尚需研究者們努力奮進(jìn)、勇于革新。

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