基于具身認(rèn)知的教育體感游戲設(shè)計與實現(xiàn)

劉俊杰，夏小俊*，柏 毅

(1.東南大學(xué) 兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.東南大學(xué) 兒童發(fā)展與教育研究所，江蘇 南京 210096)

0 引言

隨著教育信息化的發(fā)展，越來越多的理論與技術(shù)被用來改進(jìn)教學(xué)，人機(jī)交互方式也在不斷地發(fā)生變化。傳統(tǒng)教學(xué)將學(xué)習(xí)者限制在狹小的空間內(nèi)，學(xué)習(xí)只需要“脖頸以上”部分參與，沒有肢體上的參與，而具身認(rèn)知理論強調(diào)了身體在認(rèn)知過程中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用，認(rèn)為認(rèn)知是通過身體的體驗及其活動方式形成的，當(dāng)學(xué)習(xí)者融入具身學(xué)習(xí)環(huán)境時，才能夠增強學(xué)習(xí)積極性[1]。而教育游戲以游戲為載體來開展教學(xué)活動，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)教學(xué)的某些缺點。同時，現(xiàn)在的教育游戲需要極具創(chuàng)新的形式，也需要采用交互性更高的方式來進(jìn)行操作。因此，本文在具身認(rèn)知的指導(dǎo)下，將體感交互技術(shù)融入教育游戲的設(shè)計中，落實了學(xué)習(xí)過程中的“具身”思想，結(jié)合體感技術(shù)的自然交互性和教育游戲的趣味性，設(shè)計出的教育體感游戲能夠滿足具身認(rèn)知過程中所需的條件，游戲化的交互場景為具身認(rèn)知的產(chǎn)生提供了環(huán)境基礎(chǔ)，身體與游戲場景進(jìn)行交互是具身認(rèn)知產(chǎn)生的媒介。在具身認(rèn)知的視域下，這種學(xué)習(xí)和交互方式不僅能夠發(fā)揮學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的主體作用，還能夠增加學(xué)習(xí)者的有效參與度和學(xué)習(xí)體驗感。

1 具身認(rèn)知理論及教育應(yīng)用研究

傳統(tǒng)的“無身認(rèn)知”理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)過程中身體和心智是分開的，身體僅是心智發(fā)生的場所，并不參與認(rèn)知活動，甚至貶低身體在學(xué)習(xí)過程中的作用。隨著認(rèn)知科學(xué)的不斷發(fā)展，具身認(rèn)知的概念日漸凸顯，我國各學(xué)界的專家都開始關(guān)注這一研究領(lǐng)域，并提出自己對具身認(rèn)知的理解。在哲學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，徐獻(xiàn)軍[2]從現(xiàn)象學(xué)的角度進(jìn)行探究，提出認(rèn)知科學(xué)要探尋認(rèn)知的本質(zhì)，就必須關(guān)注身體的作用。在理論心理學(xué)的視角下，葉浩生[3]認(rèn)為具身認(rèn)知將認(rèn)知置于身體與環(huán)境所構(gòu)成的整體中，強調(diào)身體構(gòu)造、身體狀態(tài)等因素對認(rèn)知的塑造作用。李其維[4]提出，身體與環(huán)境的交互產(chǎn)生了心智與認(rèn)知，并指出身體、環(huán)境與認(rèn)知是一體化的過程?？偠灾@些研究的核心觀點是一致的，即具身認(rèn)知強調(diào)身體在認(rèn)知過程中所起到的中心軸承作用，認(rèn)知是依附于身體的各種感官與外界環(huán)境進(jìn)行交互的過程中產(chǎn)生的，并且隨著身體與環(huán)境交互的過程中會產(chǎn)生新的認(rèn)知，這些認(rèn)知經(jīng)過不斷地融合與轉(zhuǎn)換，最終形成穩(wěn)定的知識架構(gòu)。

具身認(rèn)知的影響日益擴(kuò)大，我國很多專家學(xué)者都將其運用到具體的教學(xué)場景中。但大多數(shù)都是使用Unity3D游戲引擎、Kinect專業(yè)體感設(shè)備開發(fā)的教學(xué)場景，這些教育系統(tǒng)與設(shè)備都需要運用多種專業(yè)性的開發(fā)技術(shù)才能實現(xiàn)，且實現(xiàn)過程較為煩瑣。同時，這些系統(tǒng)的代碼規(guī)模較大，會給后續(xù)的軟件維護(hù)工作帶來較大的困難。而本文設(shè)計的教育體感游戲《數(shù)字樂園》使用Animate AS技術(shù)編寫動作腳本實現(xiàn)游戲數(shù)據(jù)模塊與游戲操作界面的連接，開發(fā)難度較低且無需特殊的外設(shè)與硬件支持，只需要攝像頭與電腦即可實現(xiàn)游戲運行。同時，本游戲安裝簡便、操作方法簡單，可以根據(jù)不同的教學(xué)需求，靈活運用在多種教學(xué)場景中。

2 教育體感游戲設(shè)計分析

2.1 游戲功能需求分析

傳統(tǒng)教育游戲主要是通過鼠標(biāo)、鍵盤或手柄來進(jìn)行交互，從玩家操作的角度來看，參與過程只有點擊、按鍵這類動作，動作內(nèi)容單一，游戲交互簡單；而以具身認(rèn)知為理論基礎(chǔ)的教育體感游戲，其交互方式不同于傳統(tǒng)游戲，該類教育游戲利用體感交互技術(shù)將學(xué)習(xí)場景與游戲資源進(jìn)行整合，將枯燥乏味的知識轉(zhuǎn)化為游戲背景和游戲規(guī)則，將學(xué)習(xí)的技能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的游戲操作。在教育游戲的學(xué)習(xí)場景中，具身認(rèn)知為教學(xué)目標(biāo)提供了理論支持，學(xué)習(xí)者通過肢體動作直接與游戲內(nèi)容進(jìn)行交互，主動獲得相應(yīng)的知識和技能。為了將知識內(nèi)容自然地嵌入到游戲場景中，令“寓教于樂”的理念落到實處，在本文開發(fā)的“數(shù)字樂園”中，學(xué)習(xí)者需要先計算出算術(shù)題目的答案，然后再進(jìn)行相應(yīng)的游戲操作。本游戲需要完成以下功能：(1)利用攝像頭獲取學(xué)習(xí)者的肢體動作。(2)使用機(jī)器視覺分析算法獲取其運動量大小，并轉(zhuǎn)化為移動距離。(3)不斷刷新算術(shù)題目及答案。(4)實現(xiàn)游戲角色與游戲元素之間的碰撞檢測功能。(5)實現(xiàn)游戲的計分功能。

2.2 游戲設(shè)計思想

學(xué)習(xí)者進(jìn)入游戲后需要使用肢體動作來控制游戲角色移動，游戲過程中會不斷刷新算術(shù)題目，同時會出現(xiàn)三個附有答案的蘋果(其中只有一個是正確答案)，選擇附有正確答案的蘋果才能增加游戲分值。游戲開始后，游戲角色在行進(jìn)過程中會不斷向下移動，學(xué)習(xí)者需要做出相應(yīng)的肢體動作控制游戲角色向上移動。在游戲角色移動的過程中，碰到附有正確答案的蘋果，即可獲得10分，同時算術(shù)題目刷新；如果游戲角色在移動時碰到附有錯誤答案的蘋果，則游戲結(jié)束并顯示游戲最終得分；若游戲開始后，學(xué)習(xí)者沒有任何肢體動作，游戲角色會不斷向下移動直至掉出游戲窗口，則游戲結(jié)束。游戲運行流程如圖1所示。

圖1 游戲運行流程

3 游戲詳細(xì)功能實現(xiàn)

3.1 捕獲學(xué)習(xí)者肢體動作

借助Animate類庫中內(nèi)置的Camera類和Video類調(diào)用攝像頭，通過攝像頭采集視頻信息，實現(xiàn)學(xué)習(xí)者肢體動作的捕獲和處理，同時使用setMotionLevel函數(shù)對捕獲的肢體動作進(jìn)行運動檢測，由activityLevel屬性獲取其運動量大小的數(shù)值。

Var my_camera：Camera；

var my_video：Video；

my_camera=Camera.getCamera()；

my_video.attachVideo(my_camera)；

if(_camera.activityLevel>20){

return；}

3.2 游戲角色移動功能

游戲角色移動通過改變游戲角色Y軸坐標(biāo)實現(xiàn)，移動距離由學(xué)習(xí)者肢體運動量大小決定。由camActive變量決定移動的方向，當(dāng)檢測到學(xué)習(xí)者有肢體運動時，游戲角色向上移動，移動距離由肢體動作運動量大小決定；當(dāng)學(xué)習(xí)者沒有任何肢體動作時，游戲角色向下移動。

if(camActive){

bird.y-= my_camera.activityLevel/7；}

if(! camActive){

bird.y += my_camera.activityLevel/7；}

3.3 算術(shù)題目及答案刷新功能

在游戲運行過程中，使用隨機(jī)函數(shù)重置游戲中出現(xiàn)的算術(shù)題目與答案。算術(shù)題目為50以內(nèi)的加、減運算，使用random函數(shù)產(chǎn)生兩個25以內(nèi)的數(shù)字。當(dāng)學(xué)習(xí)者選擇附有答案的蘋果后，重置蘋果元件的坐標(biāo)，讓其在游戲窗口上重新顯示。

m1=1 + Math.ceil(Math.random()* 24)；

var position_yArr =[apple1.y，apple2.y，apple3.y]；

for(var i=0；i

appleArr[i].x = 450；}

position_yArr = randomArray(position_yArr)

3.4 游戲元素碰撞檢測與計分功能

碰撞檢測功能通過顯示對象的hitTestObject()方法，檢測兩個元件是否有重疊部分。當(dāng)游戲角色與蘋果發(fā)生碰撞時，通過appleArr[i]獲取蘋果上附有的數(shù)字，并與正確答案進(jìn)行比較。如果答案正確，調(diào)用計分函數(shù)count()，即獲得10分；若答案錯誤，則游戲結(jié)束。

if(appleArr[i].hitTestObject(bird.hit)){

if(appleArr[i]== ans){

s1.count()；}

function count(){

score += 10；}

4 結(jié)語

本文提出的教育體感游戲，將具身認(rèn)知與體感交互技術(shù)相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)教育觀念與游戲交互方式的束縛。教育體感游戲能夠調(diào)動學(xué)習(xí)者多種感官參與，在游戲過程中的肢體動作能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知，與具身認(rèn)知的特點相關(guān)聯(lián)，學(xué)習(xí)者不再是被動地理解知識，而是主動參與游戲過程，根據(jù)游戲內(nèi)容對知識進(jìn)行理解和練習(xí)，從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。教育體感游戲具有很強的具身性和互動性，能夠使人機(jī)交互更加的自然順暢，更好地實現(xiàn)“寓教于樂”的教學(xué)目標(biāo)[5]。