游戲化在虛擬仿真實驗中的應用設計

胡之茵 朱宏

摘要：自2013年國家提倡大力建設虛擬仿真實驗室以來，虛擬仿真技術(shù)至今已逐漸發(fā)展成熟，但在其建設過程中缺乏設計方面的考量，導致用戶體驗較差。游戲的設計本質(zhì)是用戶體驗的設計，在其設計過程中始終圍繞著用戶進行設計。文章目的在于通過應用游戲的設計方法來改善和虛擬仿真實驗室的用戶體驗，激發(fā)用戶動力，提高用戶操作的有效性。通過實地調(diào)研及文獻分析的方法總結(jié)目前虛擬仿真實驗所存在的問題，對設計元素進行對比研究。提煉出游戲中的設計元素，得出未來虛擬仿真實驗的設計發(fā)展新思路。該設計方法及思路可為同類型相關(guān)教育系統(tǒng)的設計提供參考。

關(guān)鍵詞：游戲化虛擬仿真實驗用戶體驗游戲元素交互設計

中圖分類號：TP393.092

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）02-0148-04

引言

網(wǎng)絡游戲一直被認為是有趣的、吸引人的。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)和人機交互方面的技術(shù)突破，教育工作者、醫(yī)學家、科學家等都在研究游戲方法和技術(shù)在其學科領域內(nèi)的潛力，以實現(xiàn)更有效的、沉浸式的和引人入勝的學習或培訓。很多學者（Malone1980;Bowman1982）認為游戲可以“使學習更有趣”，所以過去幾十年有很多人在努力提高教育游戲的趣味性。

虛擬實驗室是指在web環(huán)境下的，可供學生進行實驗操作的三維實驗場景。過去的虛擬實驗室僅僅是針對高技術(shù)科研員，將高危、現(xiàn)實情況下難以實現(xiàn)、高成本的實驗作為建設標準。目前更多地是變?yōu)橐环N針對高校學生的，為了普及實驗教育所建立的共享型虛擬實驗。學生可以在虛擬三維環(huán)境中進行多項任務，如學理論，做測試，觀視頻，做實驗，上傳資料等。國外有代表性的如Labster實驗室（如圖1），無論是形式上還是操作上都與游戲十分相似。

目前很多虛擬實驗為了進一步增強實驗的交互性與沉浸性，設計者將其與實驗設備、顯示設備或虛擬現(xiàn)實設備（VR）結(jié)合使用（如圖2）。為了增加趣味性，在其中增加游戲情節(jié)、聲音、視頻等。

這些改變和功能的增加會使實驗交互變得復雜，因此在增加此類功能前需斟酌用戶需求和實驗目標。復雜的軟件往往會使用戶產(chǎn)生迷失感，造成用戶關(guān)注重點偏移，用戶注意力本應集中在實驗上，卻由于功能的復雜致使用戶把更多精力耗費在如何交互上。使用戶產(chǎn)生疲憊甚至憤怒的情感，用戶滿意度、效率產(chǎn)生負面影響。如何在控制用戶認知負擔的情況下去增強用戶體驗是文章的重點。

JaneMcGonigal在著作《RealityisBroken：WhyGamesMakeUsBetterandHowTheyChangetheWorld》中認為由于游戲的交互性，游戲能夠產(chǎn)生認知參與，甚至能給用戶灌輸信心鼓舞士氣，游戲機制、技術(shù)和界面等可以潛在地為用戶提供難忘的體驗。那么，通過應用游戲的方法或可改善虛擬仿真實驗的用戶體驗，激發(fā)其感知能力、提高其操作的有效性。

一、虛擬實驗室目前設計現(xiàn)狀解析

目前虛擬仿真實驗室開發(fā)目標為學科知識實驗普及化，實驗共享化，實驗信息化。虛擬仿真實驗室發(fā)展至今功能大致分為個四模塊：理論學習，虛擬實驗，考試測評，評分系統(tǒng)（圖3）。

理論學習：專業(yè)課程的基礎理論知識學習，普遍采用文本、圖片、視頻播放三種方式單獨或混合呈現(xiàn)。

虛擬實驗：根據(jù)前期學的相關(guān)基礎理論知識進行虛擬實驗。實驗方式有低交互度-物體間不可相互交互，用戶點擊物體觸發(fā)動畫;中交互度-實驗需要的個別物體可進行互相交互，用戶按固定流程選擇物體點按或拖拽進行實驗;高交互度-實驗室中物體都可進行自由交互，用戶點擊、拖拽或搭配VR及體感硬件設備進行實驗。

考試測評：采用文本、圖片、視頻播放三種方式單獨或混合呈現(xiàn)，形成網(wǎng)絡試卷進行考核。

評分系統(tǒng)：評分系統(tǒng)主要包含虛擬實驗中的實驗分數(shù)，考試測評中獲得的試卷分數(shù)，出勤分數(shù)三大類。以三類分數(shù)的綜合分來評定學生的實驗學習情況。

虛擬仿真實驗室的積極作用是被普遍認可的，其作為補充實驗的優(yōu)勢在于：可體驗實際中無法完成的實驗;節(jié)約實驗成本;降低高危實驗風險;實現(xiàn)現(xiàn)實環(huán)境零成本;提高實驗的可重復性;增強實驗共享性。但其在具體使用過程中也出現(xiàn)了消極的一面：趙青林等認為虛擬仿真實驗大多是觀看3D動畫，不能激發(fā)學生的創(chuàng)新精神。且實驗的用戶輻射度很低，虛擬仿真實驗在許多高校搭建運行，但并不被大家所知。文福安認為虛擬實驗被教師上課演示的多，被學生實際操作的少。李展認為多數(shù)實驗教學真實度不高，趣味性差，以二維圖片、視頻、動畫等素材為主，集中于三維模型和二維空間的交叉設計，缺乏真實感;交互方式單一，很大程度上仍依賴于鼠標、鍵盤等輸入設備。聶丹丹認為實驗的自主探索性低，受限于傳統(tǒng)的教學演示和實踐操作，可操作性不強。

從文獻中總結(jié)當前虛擬仿真實驗室的局限性如下：

（1）傳統(tǒng)且單一的交互方式

（2）交互不符合用戶認知

（3）固定的實驗流程

（4）低真實度的實驗環(huán)境

（5）多為演示型實驗，缺乏自主實驗

（6）共享協(xié)作性低

通過文獻調(diào)研及高校走訪調(diào)研（圖4）后，筆者認為，目前虛擬仿真實驗室出現(xiàn)上述的局限性，原因在于：

（1）目前虛擬仿真實驗建設重點在技術(shù)上，忽略了設計。

（2）沒有圍繞用戶進行設計，且學習軟件用戶使用動機弱，情緒低。

（3）虛擬仿真實驗作為新生事物，其在設計上沒有標準和規(guī)范，用戶對其并未形成認知慣性，面對新事物用戶容易產(chǎn)生認知偏差。

（4）用戶心理預期落差大，虛擬仿真實驗用戶普遍都有游戲經(jīng)驗，虛擬仿真體驗與游戲形式趨同，但體驗落差較大。用戶易進行比較，產(chǎn)生負面情感。

二、網(wǎng)絡游戲

Narayanasamy等認為網(wǎng)絡游戲是一個復雜但直觀的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括交互技術(shù)，媒體和模擬技術(shù)，它通常帶有故事情節(jié)。游戲的交互是經(jīng)過設計的，是直觀的，游戲內(nèi)的交互能夠激發(fā)用戶情感。其基本目標是使游戲玩家產(chǎn)生積極的游戲體驗，注重游戲過程。這在一定程度上與虛擬實驗相似，實驗本身是經(jīng)過設計，有固定流程的，注重知識的運用過程，從實踐過程中獲得學習體驗。

本節(jié)主要分析游戲中的運作要素及使用游戲元素的非游戲成功教育類應用案例，將其設計要素抽象總結(jié)，運用到虛擬仿真實驗的設計中去。

（一）游戲的運作要素

游戲是由許多機制構(gòu)成的，這些機制定義了游戲如何運行。在游戲中，游戲機制和玩家之間進行交互就會產(chǎn)生事件，機制又將這些事件與游戲內(nèi)容聯(lián)系起來。SicartM在其文章Defininggamemechanics中總結(jié)了各游戲設計研究者對游戲機制的定義，繪制表格（表1）。

總的來看，所列出的大部分定義都與用戶與游戲系統(tǒng)的交互以及用戶在體驗過程中可能采取的行動有關(guān)，在游戲世界中存在著特定的目標，游戲機制作為引導手段使用戶達到特定的目標或做出特定的行為。

總結(jié)游戲機制的關(guān)鍵方面有：

（1）用戶在游戲中可能的操作

（2）用戶的動作交互文檔

（3）游戲系統(tǒng)的一套規(guī)則

（4）交互中的引導和及時反饋

小結(jié)：這與虛擬仿真實驗室機制設計是相通的，實驗室設計也存在特定的目標-完成實驗。這就需要設計實驗機制，分析用戶在實驗中可能的操作。交互方式和規(guī)則是由機制定義的，但由機制和用戶之間發(fā)生交互而產(chǎn)生的“事件”不是被編碼直接定義的，是在游戲過程中產(chǎn)生的。游戲設計并不是直接設計事件，而是設計能夠產(chǎn)生事件的游戲機制體系。虛擬仿真實驗室設計也應該是這樣，不是直接定義實驗結(jié)果，而是設計實驗機制體系，這些機制能夠通過用戶交互及互相作用引發(fā)各種可能的體驗和結(jié)果。

（二）游戲元素在非游戲領域的應用（嚴肅游戲）

目前對于游戲的理論和機制的研究已經(jīng)早已超越了游戲邊界，很多領域都通過融入游戲體驗的各個方面來增強非游戲系統(tǒng)的功能。如教育、營銷、商業(yè)管理、醫(yī)學等（表2），從游戲中提取愉悅和吸引的元素并利用它們來激勵在其他環(huán)境領域中的用戶。

游戲元素在教育中的運用被稱為“嚴肅游戲”，其被定義為是視頻和計算機游戲的一種，核心是以學習/練習相關(guān)專業(yè)知識為目的。通常是一種具有游戲的外觀與感覺的對于現(xiàn)實事件或過程的模擬，為用戶提供一個吸引人的、相對輕松的環(huán)境來進行訓練或教育學習。

游戲必須是玩家自愿參與的。研究其自愿性時，游戲中用得較多的理論是馬斯洛需求層次理論和自我決定論。其中用得更廣泛的理論是美國心理學家德西和瑞安提出的“自我決定論（Self-DecideTheory）”，強調(diào)自我在動機過程中的能動作用。其將人類行為分為自我決定行為和非自我決定行為，認為驅(qū)力內(nèi)在需要和情緒是自我決定行為的動機來源。動力分為三種：競爭、控制、關(guān)聯(lián)。

競爭-成就感動力：如基于物理工程學的游戲“BridgeBuilder”，將物理學轉(zhuǎn)化為工程建設類的項目，如在某數(shù)量經(jīng)費的限制下建造能夠通過火車重量的橋梁，用戶需要考慮到選用什么材料，成本，橋梁的結(jié)構(gòu)，張力和壓力等眾多專業(yè)因素來搭建橋梁。游戲中每一個關(guān)卡都會給予分數(shù)，分數(shù)的競爭刺激著用戶不斷進行挑戰(zhàn)（圖5）。

控制-掌控感：如在商業(yè)管理領域的模擬城市（游戲圖6），此游戲中城市內(nèi)的一切都由玩家自行設計規(guī)劃、建設管理。此類游戲都是基于真實經(jīng)濟模型的戰(zhàn)略性商業(yè)模擬器，用戶在游戲中能獲得自己作為一個市長的體驗。

關(guān)聯(lián)-歸屬感：多人協(xié)作也是游戲中的一個重要元素，例如方舟。玩家在游戲內(nèi)進行房屋繪制，建造、種植、馴獸等，單人進行復雜和困難任務時會感到壓力進而選擇放棄，但當進行多人協(xié)作任務時，協(xié)作模式會激發(fā)人們的探索欲和創(chuàng)造力，喚醒用戶思維使其更加專注，增強其解決問題的能力。

金山公司在其推出的金山打字系列教育軟件中應用了游戲界面元素，其運用游戲風格的界面用于基本的英語、五筆、拼音等字符識別，幫助學生有效地熟悉鍵盤點位、提高英文錄入速度、英語水平。用戶需要輸入正確的字符來幫助青蛙跳到河對岸，跳到河對岸后增加難度進入下一關(guān)（圖7）。學生在使用了該界面后，表現(xiàn)出高昂的積極性，打字技能也有所提高，游戲界面被證明對純娛樂之外的用戶也是有益的。

小結(jié)：不同于游戲的自愿參與，學習是痛苦的被迫的。但經(jīng)過設計，可以提升學生的操作體驗，降低痛苦感。為學生提供一個吸引人的、相對輕松的學習環(huán)境，激發(fā)用戶動力，將學習實驗的過程變成自主互動的過程。可從以下方面來增加用戶動力：

（1）添加競爭元素，如分數(shù)墻、過關(guān)效率墻等，激發(fā)用戶的好勝心。

（2）融入激勵元素，如完成某個任務后給予獎勵，或語言鼓勵。（3）增加協(xié)作模式，允許學生組隊進行實驗，激發(fā)用戶的探索欲。

（4）運用隱喻和暗示，利用用戶認識習慣，提高操作流暢度。（5）簡化操作界面，標出重點，做到界面清晰簡潔。

三、游戲中的用戶體驗

游戲是完全虛擬的故事機制，游戲的實質(zhì)就是圍繞用戶進行設計。研究用戶心理、激發(fā)用戶動機、留住用戶、建立用戶依賴、刺激用戶消費。虛擬仿真實因其環(huán)境、操作方式等與游戲極其相似甚至完全一致。目前的用戶普遍都有游戲經(jīng)驗，目前的虛擬仿真實驗用戶體驗感太差，導致用戶在進行虛擬仿真實驗時的體驗與其在游戲中的體驗差距過大，用戶自然會產(chǎn)生落差，激起負面情緒。所以虛擬仿真實驗設計需要借鑒游戲的用戶體驗設計。

用戶體驗是人機交互中的一個術(shù)語，它的意義容納貫穿可用性、易用性、美感、情感，是人在與系統(tǒng)交互時產(chǎn)生的感覺。為了加深對用戶體驗的了解和應用，各研究者已經(jīng)開發(fā)了許多模型和理論方法。Pine和Gilmore區(qū)分了主動和被動用戶體驗以及沉浸式和吸收式用戶體驗;Overbeeke專注于美學和行為反饋;在理解用戶與技術(shù)的交互方面，大多關(guān)注用戶期待動機、易用性和可用性等方面。今天的用戶體驗是由用戶在與產(chǎn)品交互時的積極體驗和情感狀態(tài)所驅(qū)動的，在游戲中應用和討論最多的是心理學中的流理論。

游戲中的UX是建立在游戲機制、用戶界面和敘述（故事）的基礎上的，但這也要基于游戲的玩法/可玩性。游戲可玩性是由“為了達到一個明確的目標而需要在游戲中執(zhí)行的用戶行動定義的，一個失敗可以提供一個新的嘗試的基礎，或者成功并給予認可以及衡量用戶做得有多好”。目標、反饋以及失敗和成功的混合提供了多變的游戲事件，用戶隨事件產(chǎn)生豐富的情感，這是玩游戲的一個重要部分。Lazzaro認為游戲玩法的動機方面可以表現(xiàn)為挑戰(zhàn)、感覺、情感和故事，此外，動機也可以用獎勵和成就來解釋。關(guān)于游戲體驗的許多研究中出現(xiàn)頻次最多的詞語有：沉浸、心流、在場（存在），這些詞語經(jīng)常與積極體驗聯(lián)系在一起。用戶體驗正成為理解技術(shù)可用性和人機交互的中心，在游戲過程中，玩家會經(jīng)歷各種各樣的體驗，這些體驗可能是情感上吸引人的、有趣的，也可能是負面的，驚恐的、暴躁的（掘地求生GettingOverlt）。在用戶體驗方面，或有助于虛擬仿真實驗室未來建設發(fā)展的方面有：

（1）情感體驗

（2）沉浸感

（3）在場感

（4）反饋和動機

（5）認知模型

四、虛擬仿真實驗設計的未來趨勢

當前的虛擬仿真實驗室研究重點還在于功能的實現(xiàn)，目前已經(jīng)有學者指出用戶的可用性與體驗問題，但是對于如何解決這一問題的建議卻很少。在進行未來的虛擬仿真實驗室設計時出現(xiàn)的關(guān)鍵問題可能是“如何創(chuàng)造一個有效的實驗環(huán)境來輔助學習和促進決策制定，并同時保持用戶的興趣和參與度？”

在虛擬仿真實驗室的建設設計過程中關(guān)于實驗室體驗方面研究比較欠缺，但在游戲中自游戲開發(fā)以來體驗就一直是被關(guān)注研究的焦點。游戲是一種極具影響力的計算機軟件形式，也是最吸引人的互動系統(tǒng)。其受歡迎的程度不僅反映在游戲的經(jīng)濟成功上，也反映在它們越來越成為社會普遍文化意識的一部分，它們幾乎影響了人們社會生活和互動的各個方面。隨著嚴肅游戲的發(fā)展，游戲已經(jīng)成為一種新的教育、訓練、社交和工作的方式。當然，游戲與虛擬仿真實驗室的實踐定義有所不同，對于游戲來說，核心在于玩家能夠充分享受游戲并愿意繼續(xù)玩下去，而不是幫助玩家學習知識完成任務。將游戲中的要素進行總結(jié)與目前的虛擬仿真實驗室要素進行對比（表3）。

作者認為游戲元素在這方面有很大的潛力。游戲的所有元素并非都能與虛擬實驗室設計相融合匹配，但是其中部分元素有融合設計的可能。從對比的表中得出，未來的虛擬仿真實驗設計可從以下6個潛在元素進行進一步的深入研究：

（1）情感動機：融入引導元素（引導用戶按流程進行游戲）、競爭元素（玩家間的排行）、激勵元素（完成任務的鼓勵或獎勵）及時反饋機制等，激發(fā)用戶內(nèi)在動力。

（2）任務機制：運用游戲機制進行實驗室機制設計，用簡單的交互創(chuàng)造豐富的事件，打破固定的實驗流程，允許用戶“犯錯”。

（3）自然交互：游戲體驗中的沉浸感、在場、認知模型等元素，使用戶將在現(xiàn)實世界中的交互慣性應用到虛擬世界中。有利于加強學生對自身的代入和對環(huán)境的理解，提高交互效率。

（4）溝通協(xié)作：嘗試添加協(xié)作元素，激發(fā)用戶的探索欲望，培養(yǎng)自主探究與合作學習能力。

（5）沉浸性：融入多模態(tài)交互，結(jié)合游戲硬件，如VR眼鏡，Kinect體感儀器等，通過觸覺、聽覺、視覺等多感官融合，帶給用戶更高的沉浸感。

（6）游戲化界面及游戲硬件：采用游戲界面和游戲硬件，帶給學生一個相對輕松的環(huán)境感覺，更能夠激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)造力。

用戶持久不衰的內(nèi)在動機是其沉迷游戲的根本，從主流游戲中提取內(nèi)在動機并將其整合到教育軟件中，不是追求游戲的外在形式，而是追求游戲的內(nèi)在特征。或許學生認為這不是一個游戲，但是他們會認為這是一個吸引人的教育軟件。

參考文獻

[1] Bowman，R.F.A Pac-Man. theory of motivation：Tactical implications for classroom instruction [J] . EducationalTechnology，1982，22（9）：14-17.

【2】趙青林，成誠，謝豐，劉金軍，虛擬仿真實驗教學建設中現(xiàn)存問題及改進建議【J】.漢江師范學院學報，2019，39（06）：95-99.

【3】王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀與發(fā)展【J】.實驗室研究與探索，2015，34（05）：214-219.

【4】余玉陽.基于Flash的大學物理電學仿真實驗的設計與實現(xiàn)【D】.湖北：華中師范大學，2015：15-16.

【5】吳景.基于Unity3D的虛擬實驗系統(tǒng)的設計【D】.廣州：廣東工業(yè)大學，2015：30-32.

【6】李展.具身認知視域下虛擬仿真實驗的設計與開發(fā)【D】.山東：山東師范大學，2019：46-58.

[7] Marc Hassenzahl，Noam Tractinsky. User experience – a research agenda [J] . Ben-Gurion University，2006：22-26.

[8] Narayanasamy V，Wong KW，F(xiàn)ung CC，Rai S. Distinguishing games andsimulation games from simulators [J] . Computer Entertaining 2006，4（2）：16-18.

[9]SchellJ.Artgamedesign–abookoflenses[M]. 2008：68-92.

[10] Sicart M. Defining game mechanics[J] ，Accessed Jan，2011：9-12.

[11] Jane McGonigal. Reality Is Broken：Why Games Make Us Better and How They Can Change the World[M] ， 2011：196-208.

[12] Niedenthal，Simon. What We Talk About When We Talk About Game Aesthetics. [J] ，DiGRA Conference ，2009：6.

【13】陳雪，周美玉.基于用戶體驗的界面設計因素分析【J】.設計，2019，32（01）：81-83.

【14】徐子峰.嚴肅游戲?qū)η嗌倌曛橇﹂_發(fā)的研究【J】.設計，2016（19）：76-77.

【15】辛向陽交互設計的哲學思考【J】.設計，2014（05）：8.