基于Unity3D的VR英語教育游戲的設(shè)計與開發(fā)

王春艷 甘甜 吳倩蓮 王昱霖 高偉

摘 ?要： 教育游戲作為游戲與教育相聯(lián)結(jié)的產(chǎn)物，體現(xiàn)了教育形式的多樣化，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則能增強游戲的體驗感。文章以一款用Unity3D軟件設(shè)計并開發(fā)的移動端VR英語教育游戲為案例，介紹虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育游戲開發(fā)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實技術(shù); Unity3D; 教育游戲; 移動端

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1006-8228（2019）10-74-04

Abstract： Educational games， as a product of the combination of games and education， embody the diversification of educational forms， while virtual reality technology can enhance the experience of the games. Taking a mobile end VR English education game designed and developed by Unity3D software as an example， this paper introduces the application of virtual reality technology in the development of educational games.

Key words： virtual reality technology; Unity3D; educational game; mobile end

0 引言

近年來，隨著人們教育理念的轉(zhuǎn)變升級，各式各樣的教育類游戲?qū)映霾桓F，而其中，結(jié)合虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)打造的教育類游戲尤為亮眼。Knowledge-Works 戰(zhàn)略預(yù)測高級總監(jiān)Katherine Prince 提出：“我們希望教育工作者能夠通過它批判性地思考如何使用新興技術(shù)來滿足學(xué)生的獨特需求?！痹谕七M全球化和新時代教育行業(yè)改革的時代背景下，英語學(xué)習與游戲化學(xué)習的結(jié)合是大勢所趨。本研究中提到的案例游戲“In Order To Dr. ”正是以Unity3D為工具，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)打造的一款英語教育游戲，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的身臨其境的真實感與傳統(tǒng)游戲的通關(guān)元素結(jié)合，真正實現(xiàn)了“寓教于樂”的目的。

1 基于Unity3D的VR英語教學(xué)游戲及功能模塊

虛擬現(xiàn)實簡稱為VR技術(shù)，是由美國VPL公司創(chuàng)始人拉尼爾（Jaron Lanier）在二十世紀八十年代提出。其最突出的三個特征為：沉浸感（Immersion），交互性（Interaction），構(gòu)想性（Imagination）[1]。VR技術(shù)的使用可以使人們在專業(yè)傳感設(shè)備的幫助下，進入由計算機生成的三維感官世界，并且在實時感知與互動中獲得身臨其境的感覺。

VR技術(shù)可以提供豐富的感知線索和多通道的反饋，有利于建設(shè)體驗式學(xué)習所需要的仿真化的學(xué)習環(huán)境[2]。該文以VR英語教學(xué)游戲為例，結(jié)合體驗式學(xué)習中的化身（Avatar）功能，使學(xué)習者通過角色扮演（Role Playing）深入感受游戲世界，增強學(xué)習體驗。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)游戲，玩家仍是基于傳統(tǒng)的平面顯示器來接受信息，游戲體驗僅僅停留在鼠標和鍵盤的交互，玩家與游戲之間始終會有無法忽視的距離感。不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)游戲技術(shù)，VR游戲玩家通過一系列感知交互設(shè)備，如頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套等，使自己完全沉浸在虛擬世界中。

VR游戲效果的實現(xiàn)正是依賴于Unity3D強大的技術(shù)支持。在前期VR教育游戲在英語教學(xué)中應(yīng)用的理論探索與框架建構(gòu)的基礎(chǔ)上[3]，本研究基于暴風魔鏡SDK及其硬件設(shè)備和unity平臺，設(shè)計和開發(fā)一款名為“In Order To Dr.”的可推廣的VR英語教學(xué)游戲。

2 案例研究：“In Order To Dr. ”游戲

移動端VR游戲的開發(fā)流程與一般的游戲開發(fā)流程相似，為使玩家提供沉浸式虛擬現(xiàn)實的體驗，游戲需要貼近真實世界，在創(chuàng)建場景時，更注重于物理碰撞等細節(jié)，增強虛擬物體與玩家的交互。開發(fā)者結(jié)合了VR技術(shù)的特征和英語教學(xué)的目標要求，首先確定VR教育游戲的概念及其特性、游戲類型分類和游戲基本設(shè)定和規(guī)則，在此基礎(chǔ)上構(gòu)思游戲的整體架構(gòu)。選取合適的開發(fā)軟件，游戲引擎，以及開發(fā)語言，從而完成游戲的各項功能模塊，本節(jié)以“In Order To Dr. ”為例，詳細闡述其設(shè)計與開發(fā)過程。

2.1 案例簡介

“In Order To Dr.”是一款解謎類英語教育游戲，參與者在了解游戲規(guī)則后，根據(jù)線索進行推理，配合道具的使用回答相應(yīng)題目，直至成功完成最終題目，通過關(guān)卡。本游戲是解謎類游戲，玩家根據(jù)線索發(fā)現(xiàn)問題設(shè)置的地方，正確回答問題，才能獲得下一步的線索提示。參與者通過NPC解說，了解游戲的背景及規(guī)則，在完成第一個英語測試后，即可獲得含有語法知識點的“逃生寶典”，游戲過程中可以隨時查看。

游覽游戲場景，通過點擊選中并拾取道具。找到適用道具的場景，觸發(fā)英語完型測試，對應(yīng)的題目會呈現(xiàn)在游戲界面當中，測試回答正確后，獲得更多提示線索或者新道具。最后，玩家根據(jù)線索道具破解游戲謎題，完成最終題目，即可獲得“研究成果”，證明“陳博士”無罪，從而成功拯救陳博士（如圖1所示）。本游目的在于幫助學(xué)生熟練地掌握英語語法知識點。在后續(xù)開發(fā)中，可以根據(jù)玩家所需要的學(xué)齡、知識點類型，設(shè)置不同的內(nèi)容關(guān)卡和測試難度。在游戲之外還設(shè)置了VR體驗區(qū)，可以讓玩家在游戲之外，直觀的體驗該游戲VR場景。

2.2 整體設(shè)計

從參與者角度出發(fā)，游戲的基本流程如圖2所示，此游戲為解密類單機游戲，在不聯(lián)網(wǎng)的情況下可以在移動終端開展。使用者首先要了解游戲的規(guī)則，系統(tǒng)中會通過游戲角色對話了解游戲的背景及規(guī)則;進入游戲的主要環(huán)節(jié)后，需要玩家對所處環(huán)境進行探索，發(fā)現(xiàn)設(shè)置問題的地方。作為英語教學(xué)游戲，問題設(shè)置與英語語法知識點密切相關(guān)，該語法知識點（“逃生寶典”）在游戲過程中可反復(fù)查閱;玩家根據(jù)提示完成信件，獲得含有英語知識點的“逃生寶典”，通過鼠標點擊游戲場景中的物品發(fā)現(xiàn)問題，通過填空的方式回答問題，答對問題即獲得下一個問題的線索，以此類推，可設(shè)置多重關(guān)卡，直至完成最終題目，獲得“研究成果”，游戲結(jié)束;在VR體驗區(qū)，通過頭戴式設(shè)備為暴風魔鏡凝視圓點來進行游戲的交互，每對準一個物體都會彈出對應(yīng)的英文單詞和讀音;問題設(shè)置依據(jù)英語語法知識點環(huán)環(huán)緊扣，反復(fù)查閱的過程中，可加深對知識點的理解，使玩家在主動探索的游戲過程中學(xué)習知識。

2.3 具體實現(xiàn)

本游戲選擇在Android平臺上運行，借助暴風魔鏡提供的相關(guān)VR技術(shù)整合，通過Unity3D平臺開發(fā)，以此總結(jié)出圖3所示的開發(fā)流程。Mojing SDK開發(fā)包主要從手機陀螺儀獲取頭部跟蹤數(shù)據(jù)、校正靜態(tài)偏置值，圖像抗鏡片畸變、交互外設(shè)適配及控制等方面為開發(fā)者提供便利性支持。

2.3.1 游戲場景架構(gòu)

⑴ 場景模型創(chuàng)建：根據(jù)該案例游戲背景，構(gòu)思游戲場景的風格特點，并采用3DsMax進行建模。3DsMax提供了所需的建模工具。在正式建模前，將系統(tǒng)單位設(shè)置為國際標準的毫米。根據(jù)房間效果圖創(chuàng)建二維平面并擠出，調(diào)整屬性，使模型接近理想效果。為減少電腦負載，同時又能較好顯示模型紋理、陰影等細節(jié)，選用陰影烘焙技術(shù)將大量的需要計算光照信息通過生成紋理貼圖[4]。為了使場景更具真實感，需要使用Photoshop對場景中的各個物體的貼圖進行處理。

⑵ 人物模型創(chuàng)建：該游戲中的人物模型風格我們選擇了當下較流行的Voxel風格。人物模型的創(chuàng)建采用了MagicVoxel建模工具，因其操作簡單，根據(jù)顏色和堆砌方式的不同，可以輕松創(chuàng)建出不同的人物模型。

⑶ 模型導(dǎo)出與導(dǎo)入：在3DsMax中選中導(dǎo)出對象，選擇FBX格式導(dǎo)出，并保存在Unity3D工程文件夾下的Assets文件夾下查看效果。如果出現(xiàn)貼圖丟失的情況，可以在Unity3D中重新貼圖。MagicVoxel中的人物模型選擇OBJ格式導(dǎo)出，直接復(fù)制到Unity3D下。

⑷ 場景燈光設(shè)置：適當?shù)牟脊饪梢允拐麄€場景富有層次感，運用光影的變換可以烘托氣氛，加強場景真實感。在案例游戲場景中使用了Unity3D 2017的Shadowmask功能，大致上分為三步，場景設(shè)置與光照參數(shù)的設(shè)置;針對軟陰影修改光照貼圖參數(shù)避免帶狀陰影瑕疵;選擇性使用其他可加強效果的后處理特效。

⑸ 背景音樂和音效設(shè)置：Unity3D中播放音樂需要三個基本的組件：AudioListener，AudioSource，AudioClip。添加背景音樂：在場景中，給Camera添加一個Audio Source組件，并將我們的音樂文件拖拽到Audio Clip屬性上，勾選Loop使其可以進行循環(huán)播放。添加音效：用案例測試，找到我們導(dǎo)入的音樂文件，設(shè)置為3D音樂，分別給人物與游戲線索賦予Audio Listener組件與音樂文件。

⑹ 運行游戲，返回Scene視窗，拖拽Audio Listener組件的位置，就可以感受到在兩個音響之間移動的效果。AudioSource播放聲音提供了兩種方法：Play方法適合播放背景音樂，因為背景音樂同一時刻只會有一個在播放，而且還需要播放和暫停等控制;PlayOneShot方法適合播放音效，因為音效一般只會播放一次而不需要其它的控制，且允許多個音效同時播放[5]。

2.3.2 功能模塊設(shè)計

⑴ Unity物理引擎模塊設(shè)計：從游戲場景建立完成后需要賦予物體相應(yīng)的物理屬性，從而模仿在真實世界中的物體碰撞等反應(yīng)。Unity3D內(nèi)置了NVIDIA的Physx物理引擎，可以高效逼真的模擬剛體碰撞，重力等物理效果，使得游戲更為生動真實。其中，Rigidbody剛體組件可以使游戲?qū)ο笤谖锢硐到y(tǒng)的控制中運動，讓游戲?qū)ο蟾N近真實世界的運動。選中需要添加的游戲?qū)ο?，添加后即可具備物理屬性。如果兩個剛體相互撞在一起，除非兩個對象有碰撞體時物理引擎才會計算碰撞，在物理模擬中，沒有碰撞體的剛體會彼此相互穿過[6]。

⑵ 角色控制器的設(shè)計：角色控制器（Character Controller）主要用于對第一人稱或第三人稱游戲主角的控制。本游戲創(chuàng)建類人角色，需要添加角色控制器。角色控制模塊主要控制主角的行為，包括當前角色的狀態(tài)、行進速度的控制和動作行為的判斷等。添加自定義的角色控制器的辦法為：選中要控制的角色對象→【Component】→【Physics】→【Character Controller】，為該對象添加自定義的角色控制器組件。最后，添加導(dǎo)入的Mojing SDK開發(fā)包中預(yù)設(shè)的角色控制器，Unity第一人稱角色預(yù)置包含有自己的相機，添加FirstPersonCharacter后，應(yīng)刪除創(chuàng)建場景時自動添加的MainCamera。

⑶ 攝像機控制器的設(shè)計：普通游戲模式采用第三人稱視角，第三人稱視角鏡頭要跟隨主角移動，且保持一定的高度及距離，確保玩家可以一直看到主角。VR體驗區(qū)導(dǎo)入Mojing SDK提供的MojingMain預(yù)設(shè)攝像頭代替場景創(chuàng)建時自動添加的MainCamera，實際上是將左右兩個攝像頭綁定在一起，將屏幕分成左右兩部分;另外加入IntegrateInputManager用于獲取手柄的按鍵事件，可以上下左右切換按鈕，按確認鍵選中觸發(fā)按鈕;Overlay預(yù)設(shè)組件實現(xiàn)場景中心的GazePointer射線準星，用于聚焦UI按鈕，聚焦按鈕后點擊確認鍵可以觸發(fā)按鈕點擊事件[7]。

⑷ 網(wǎng)格尋址模式：在本游戲中，玩家需要游覽游戲場景，這就需要增添尋路功能，Unity3D提供了適用的網(wǎng)格尋路功能，即NAVMesh。NavMesh是Unity3D中用于實現(xiàn)動態(tài)自動尋路的一種技術(shù)，它能夠通過烘焙地形數(shù)據(jù)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)，區(qū)分路徑和障礙物。再給予需要尋路的角色尋路的組件，并設(shè)定速度與目的地相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，此時設(shè)置到目的地，角色就可以根據(jù)烘焙好的地形自行前進到目的地，在此基礎(chǔ)上可以才有利于添加角色控制器等組件。

3 結(jié)束語

VR英語教育游戲能盡可能創(chuàng)造貼近真實環(huán)境的場景，通過頭戴式設(shè)備體驗全沉浸式的虛擬環(huán)境，使玩家較少受到外界的干擾。游戲情節(jié)導(dǎo)向所需的學(xué)習目標，使學(xué)生在主動探索的過程中不斷積累知識。對于學(xué)習者而言，此類游戲趣味性強，自主性高，更易激發(fā)學(xué)習者的熱情。

本游戲結(jié)合新興的VR技術(shù)，利用暴風魔鏡實現(xiàn)了一個移動端VR英語教育游戲。該游戲?qū)⒂⒄Z教學(xué)內(nèi)容巧妙的融入解謎類游戲之中，增強了教學(xué)情境的沉浸感和交互性，提高了學(xué)生的自主學(xué)習能力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)較好的解決了教學(xué)內(nèi)容與知識的可視化，教學(xué)過程缺失沉浸感和交互性、教學(xué)模式單調(diào)的問題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域方興未艾。當然本游戲還有諸多不足之處，例如：建模逼真程度一般，普通游戲模式下未設(shè)置VR視角，問題設(shè)置難度單一，缺乏團隊合作元素等，在后續(xù)的開發(fā)中將進一步完善游戲的難度級別層次，改進游戲模塊與VR技術(shù)結(jié)合的緊密程度，開發(fā)團隊合作模塊，進一步增強游戲的互動性?？傊?，VR教育游戲為傳統(tǒng)教學(xué)模式注入了新鮮血液，具有較好的應(yīng)用前景。

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