基于智能手機(jī)的虛擬現(xiàn)實兒童教育游戲設(shè)計綜述

摘 要 虛擬現(xiàn)實（VR）是一場近年來掀起數(shù)字革命，它能使用戶沉浸到夢想世界。與大多數(shù)技術(shù)類似，隨著時間流逝，VR開始變得越來越便宜。現(xiàn)在只要一臺智能手機(jī)加上廉價的VR眼鏡框，就能體驗到VR世界。在本文中，介紹了一款虛擬現(xiàn)實教育游戲“嘟嘟幼兒園”，這是一款交互式3D游戲，面向3至6歲的兒童，在智能手機(jī)上運(yùn)行，包括多個涵蓋英語、數(shù)學(xué)、語文課程的小游戲，旨在幫助兒童通過游戲來學(xué)習(xí)。為了驗證游戲的效果，我們還在一所幼兒園進(jìn)行了測試。老師和學(xué)生的反饋都非常積極。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實;教育游戲;智能手機(jī)應(yīng)用程序;兒童教育

前言

在過去的幾年中，數(shù)字技術(shù)見證了一場巨大的革命。通過使用個人計算機(jī)（PC），平板電腦，智能手機(jī)之類的設(shè)備將人們聯(lián)系在一起，互聯(lián)網(wǎng)已成為現(xiàn)代生活的骨干。而且，教育從這場革命中受益匪淺，它使教師能借助一些智能設(shè)備來開展更有效的教學(xué)工作。我們可以以新的形式來呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，教學(xué)評估也可實時進(jìn)行。這些變化打破了傳統(tǒng)的教學(xué)方法，為學(xué)生帶來了一種帶有情感、有吸引力的新學(xué)習(xí)方法。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR）是一種環(huán)境仿真技術(shù)，它通過三維視覺和聽覺等手段，來模擬虛擬環(huán)境中的物理存在。使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備的人將能夠“環(huán)顧”整個人造世界，在其中移動并與虛擬對象進(jìn)行交互，從而體驗到一種身臨其境的感受。

本文所要介紹的是一款名為“嘟嘟幼兒園”的VR兒童教育類游戲，該游戲運(yùn)行在智能手機(jī)上，同時搭配三星Gear VR等VR設(shè)備使用。應(yīng)用的目的是幫助3至6歲的兒童在沉浸式的、多彩的三維空間環(huán)境中通過游戲來學(xué)習(xí)知識。

1軟件工具和硬件組件

“嘟嘟幼兒園”的主要開發(fā)工具是Unity 3D。Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一款多平臺專業(yè)游戲引擎以及集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。它通常用于為PC，移動設(shè)備，VR設(shè)備，游戲主機(jī)和網(wǎng)站構(gòu)建高質(zhì)量的3D和2D游戲或其他交互應(yīng)用;主要建模工具是Maya，Maya是最著名的三維動畫軟件之一。它可以提供完美的 3D 建模、動畫、特效和高效的渲染功能。

“嘟嘟幼兒園”運(yùn)行于安卓系統(tǒng)智能手機(jī)，可搭配最便宜的Google Cardboard手機(jī)VR眼鏡框來使用。為了獲得較好的效果，本文案例中所使用的硬件設(shè)備為三星Galaxy S10智能手機(jī)+三星Gear VR。三星Gear VR提供了一個帶觸摸板和按鍵的手柄控制器，使VR應(yīng)用更具交互性。它還通過內(nèi)置的陀螺儀和加速度傳感器，實現(xiàn)了穩(wěn)定和精確的頭部跟蹤，確保平順的360度視覺體驗[1]。

2系統(tǒng)設(shè)計

游戲的目的是促進(jìn)學(xué)生參與解決與基本課程相關(guān)的練習(xí)，但避免使他們感到枯燥。實際上，學(xué)習(xí)的部分隱藏在普通游戲中，用戶必須通過獲得高分才能獲勝。不需要通過傳統(tǒng)的讀書或?qū)懽址绞絹韺W(xué)習(xí)，需要他們做的只是戴上VR眼鏡玩游戲。此外，“嘟嘟幼兒園”內(nèi)擁有多種不同的小游戲，每個游戲都有自己的環(huán)境和玩法，讓用戶不容易感到無聊。例如，在一個游戲中，學(xué)生必須在日落時的沙漠中射擊目標(biāo);在另一個游戲中，環(huán)境換成了海底世界，用戶需要找出隱藏在其他海洋生物中的一條魚……此外，很多游戲都需要體力活動，例如跳躍、轉(zhuǎn)圈或四處走動，打破了以往的設(shè)置和游戲概念。具有不同環(huán)境和玩法的各種小游戲能吸引學(xué)生參加到游戲里的學(xué)習(xí)過程，而不會對學(xué)習(xí)產(chǎn)生排斥。

以下是應(yīng)用程序的設(shè)計流程。進(jìn)行應(yīng)用程序后，首先詢問用戶的年齡，以根據(jù)不同年齡學(xué)生預(yù)期的技能水平選擇合適的問題。之后，出現(xiàn)主菜單，學(xué)生可以在其中選擇要玩的三個課程之一，即數(shù)學(xué)，英語或語文。下一步是從與所選課程相關(guān)的多個游戲中選擇一個，例如氣球、射擊、尋找動物等。此時，游戲從一系列問題開始，根據(jù)課程和學(xué)生年齡，將問題分為多個類別，從問題庫中隨機(jī)選擇問題。每個問題以書面句子的形式出現(xiàn)在屏幕頂部，同時還包含當(dāng)前得分和游戲的計時等。如果學(xué)生正確回答，則分?jǐn)?shù)會增加，并出現(xiàn)一個新問題;否則，分?jǐn)?shù)會降低，并且會給再給學(xué)生一個機(jī)會回答該問題。在每個游戲結(jié)束時，顯示最終分?jǐn)?shù)界面，然后返回主菜單，學(xué)生可以在其中選擇新課程和游戲來玩或退出應(yīng)用程序。

英語是非常重要的語言工具，兒童早期英語學(xué)習(xí)是現(xiàn)在很多父母和教學(xué)機(jī)構(gòu)關(guān)注的主題。作為一個主要的內(nèi)容，“嘟嘟幼兒園”會根據(jù)學(xué)生的年齡，提供各種難度級別不同的英語學(xué)習(xí)游戲。包括查找字母、按順序排列字母、用丟失的字母填充單詞、將圖片與單詞匹配、識別顏色和動物等等。

另一方面，中文是我們的母語?！班洁接變簣@”的語文教學(xué)是通過3D游戲這一互動的、生動有趣的方式，提供包括識字卡片、拼音認(rèn)讀、兒歌等教學(xué)內(nèi)容。

數(shù)學(xué)是“嘟嘟幼兒園”涵蓋的另一個針對低齡學(xué)生的重要主題。實際上，對大多數(shù)低齡學(xué)生來說，數(shù)學(xué)教學(xué)可能是一個真正的挑戰(zhàn)?！班洁接變簣@”提供了一種充滿樂趣的數(shù)學(xué)，與數(shù)學(xué)有關(guān)的游戲包括數(shù)數(shù)，比較大小，簡單運(yùn)算等。

下一節(jié)將演示與以上三方面教學(xué)有關(guān)的游戲的演示示例，以展示游戲的實際運(yùn)行方式[2]。

3運(yùn)行方案

如前所述，游戲必須由老師或家長在智能手機(jī)上下載，并且安裝到Samsung Gear VR或同類設(shè)備上才能玩。當(dāng)“嘟嘟幼兒園”運(yùn)行時，主屏幕會詢問玩家年齡，隨之安排玩家到對應(yīng)的年級班級，其后所顯示的游戲和難度便都是適合所選年齡段的。主屏幕背景是一棟教學(xué)樓，前面是黃色的校車，標(biāo)題為“嘟嘟幼兒園”，以營造一種主題的教育氛圍。

選擇正確的年齡并進(jìn)入對應(yīng)的教室后，學(xué)生將選擇三個教學(xué)主題之一。值得一提的是，英語游戲的問題和分?jǐn)?shù)用英語編寫，語文當(dāng)然是用中文，而數(shù)學(xué)問題則使用中文和英語雙語顯示。

以一個名為射擊數(shù)字的數(shù)學(xué)游戲的為例，在該游戲中，學(xué)生被要求找到一個正確的數(shù)字并在4個選擇之間射擊正確的目標(biāo)。在此游戲中，所有選項都顯示在屏幕上，因此玩家無須旋轉(zhuǎn)或上下移動頭。當(dāng)學(xué)生提出錯誤答案時，總分會降低，并要求玩家重試。另一方面，正確的答案是通過在當(dāng)前分?jǐn)?shù)上添加額外的分?jǐn)?shù)來獎勵的，并且會出現(xiàn)一個新的問題。每個游戲都包含多個問題，難度越來越高。此外，每次玩游戲時都會更改問題，并從“嘟嘟幼兒園”的問題庫中隨機(jī)選擇，以避免重復(fù)。完成任何游戲后，都會出現(xiàn)一個最終屏幕，顯示最終分?jǐn)?shù)，為了鼓勵學(xué)生再次學(xué)習(xí)并提高分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)記錄非常重要。因此，父母或老師可以使用分?jǐn)?shù)來衡量學(xué)生的進(jìn)度并確定游戲的有效性。

再介紹一個英語游戲，要求學(xué)生在多個字母中識別某個字母（在本示例中為A）。海灘和海洋主題與船，鳥和其他色彩鮮艷的元素混合使用，使游戲更具挑戰(zhàn)性和吸引力。實際上，此游戲屏幕使用360度全景，玩家必須旋轉(zhuǎn)并上下移動頭部才能找到答案。此外，“嘟嘟幼兒園”在其許多游戲中都會鼓勵玩家站起來，移動，跳躍。學(xué)生必須上下左右尋找，直到找到字母A。

最后，我們介紹一個與語文相關(guān)的游戲示例。是一個查找動物的小游戲，要求學(xué)生在四種選擇中尋找特定的動物，如，在一個森林場景中，出現(xiàn)四種不同的動物，學(xué)生要根據(jù)出現(xiàn)的文字卡片找出特定的目標(biāo)。如果答案正確，就能得到分?jǐn)?shù)。

4系統(tǒng)測試

除了上述示例外，“嘟嘟幼兒園”還有更多不同的游戲，具有不同的想法和主題。我們已經(jīng)在一所幼兒園進(jìn)行了調(diào)研測試，為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，我們要求教師和家長在學(xué)生定期使用應(yīng)用程序一周后填寫相關(guān)調(diào)查表。

調(diào)研結(jié)果非常積極正面，教師和學(xué)生滿意度都很高。絕大多數(shù)學(xué)生都非常喜歡這款游戲，很多人反映，他們并不覺得自己是在學(xué)習(xí)或做作業(yè)。采用“嘟嘟幼兒園”作為教學(xué)工具的教師報告說，使用“嘟嘟幼兒園”的學(xué)生的語言和數(shù)學(xué)技能有較明顯的提高?？傮w而言，教師將“嘟嘟幼兒園”視為一種可接受的支持教學(xué)方法。另一方面，反饋中也包含了許多有用的建議，我們計劃在改進(jìn)“嘟嘟幼兒園”時考慮這些建議，例如添加新主題和添加更多動畫對象。

5結(jié)束語

數(shù)字技術(shù)已成為包括教育在內(nèi)的所有現(xiàn)代生活必不可少的部分。VR是一種向用戶呈現(xiàn)3D圖像的方法，以創(chuàng)建一個虛擬世界來模擬真實環(huán)境。盡管不是新鮮事物，但在最近幾年中，VR應(yīng)用的重要性顯著提高。VR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，因為它能將枯燥的教學(xué)內(nèi)容以充滿吸引力的方式呈現(xiàn)出來。調(diào)研顯示，利用VR教育游戲，能幫助學(xué)生更有效地完成學(xué)習(xí)，在玩游戲的過程中提高各種知識技能。此外，當(dāng)前市場上許多VR設(shè)備在價格上已經(jīng)降到大眾可負(fù)擔(dān)的程度，這是VR能夠普及的一個重要前提。在我們的調(diào)研中，幾乎所有人都同意，如果VR眼鏡的價格變得更加負(fù)擔(dān)得起，那么VR技術(shù)將變得更加流行，這在未來幾年中有望實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 田元，周冪，夏丹，等.基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實的學(xué)齡前兒童教育游戲研究與設(shè)計[J].電化教育研究，2019，40（04）：68-75.

[2] 王瑜.虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)兒童教育類游戲的研究分析[J].計算機(jī)時代，2017，（11）：71-73.

作者簡介

孫一帆（1974-），男，江蘇省蘇州市人;畢業(yè)院校：蘇州大學(xué)，學(xué)歷：碩士研究生，講師，現(xiàn)就職單位：蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：交互設(shè)計。