“雙減”背景下家庭教育在游戲過(guò)程中提升學(xué)生編程能力

摘"要：本文在可視化編程軟件scratch基礎(chǔ)上，探討通過(guò)3d軟件創(chuàng)建模型，轉(zhuǎn)換可視化編程為具體的程序代碼，以3d游戲引擎完成項(xiàng)目融合，在游戲中提升小學(xué)生編程能力的可行性策略。

關(guān)鍵詞：家庭教育；可視化編程；3d建模

中圖分類號(hào)：G4"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.13.078

1"項(xiàng)目教學(xué)

隨著信息技術(shù)的普及和深入，學(xué)生在可視化編程方面的能力獲得了較大的提升。但是，scratch等可視化編程軟件不能成為編程行業(yè)主流，也不能進(jìn)一步提升學(xué)生的編程能力。為此，在家庭教育中，針對(duì)有興趣和特長(zhǎng)的學(xué)生，可以設(shè)計(jì)以godot游戲編程平臺(tái)為主導(dǎo)的編程，在保留趣味性的同時(shí)，提高學(xué)生編碼水平，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2"算法分析

現(xiàn)假設(shè)雞兔放在超市購(gòu)物車(chē)?yán)?，上面?shù)有20個(gè)頭，下面數(shù)有58只腳，問(wèn)共有多少只雞和兔子。

在scratch中用可視化編程來(lái)描述算法，在算法中通常用偽代碼來(lái)描述解題過(guò)程，這樣方便轉(zhuǎn)化為具體的編程語(yǔ)言。

在編程語(yǔ)言里，解題通常用判斷和循環(huán)來(lái)解決，這道題目，可以通過(guò)循環(huán)計(jì)算求得結(jié)果，偽代碼如下：

假設(shè)有1只雞，則兔子有（20-1）只；從1循環(huán)至20；如果雞*2+（20-雞）*4=58，則計(jì)算出最終結(jié)果；否則繼續(xù)循環(huán)。

從上面?zhèn)未a可以看出，整個(gè)解題思路和可視化編程類似，可以作為編寫(xiě)程序的過(guò)渡。

具體編碼如圖1：首先設(shè)置初始值var"chicken=1，設(shè)計(jì)循環(huán)while"chickenlt;=20，實(shí)現(xiàn)判斷語(yǔ)句if"（chicken*2+（20-chicken）*4）==58，如果條件成立print（chicken），否則條件不成立chicken+=1。

3"模型創(chuàng)建

模型可以用簡(jiǎn)單的3d形狀，如果學(xué)生動(dòng)手能力比較強(qiáng)，同時(shí)為了增強(qiáng)趣味性，我們也可以自己創(chuàng)建模型。首先創(chuàng)建超市購(gòu)物車(chē)3d模型，這里介紹3d模型在開(kāi)源軟件blender中的搭建過(guò)程。

3.1"購(gòu)物車(chē)外邊框的創(chuàng)建

在物體模式下，布局選項(xiàng)卡中，選擇添加網(wǎng)格平面，90度旋轉(zhuǎn)該網(wǎng)格平面，使其平行于正視圖。切換至編輯模式，正視圖視角下，刪除四邊形的一個(gè)頂點(diǎn)，移動(dòng)其他三個(gè)頂點(diǎn)分別至外邊框的左上、左下和右下三個(gè)位置，并通過(guò)擠出命令生成新頂點(diǎn)，沿手推桿生成外輪廓。選中所有頂點(diǎn)，切換至右視圖視角，按E鍵擠出該輪廓移動(dòng)至購(gòu)物車(chē)另一側(cè)外邊框位置，生成對(duì)稱的外輪廓。刪除不需要的手推桿位置的邊，只保留需要的點(diǎn)和邊。將以上四邊形轉(zhuǎn)換為曲線，并且設(shè)置倒角為0.03m，此時(shí)顯示出購(gòu)物車(chē)的外輪廓，通過(guò)倒角命令還可以將棱角加以光滑。這種方式生成的模型布線不夠規(guī)則，所以也可以直接用多邊形創(chuàng)建模型。

切換至物體模式，布局選項(xiàng)卡中，選擇添加網(wǎng)格圓環(huán)，在彈出的菜單中，設(shè)置頂點(diǎn)數(shù)為12，半徑為0.01米。選擇網(wǎng)格圓環(huán)，正視圖視角下，切換至編輯模式，沿著x軸旋轉(zhuǎn)90度，拖動(dòng)至購(gòu)物車(chē)外輪廓右下角。選擇網(wǎng)格圓環(huán)所有頂點(diǎn)，左鍵點(diǎn)擊擠出選區(qū)，沿著y軸移動(dòng)選區(qū)至購(gòu)物車(chē)外輪廓左下角。接著需要向上生成外輪廓，將剛才的選區(qū)沿著x軸旋轉(zhuǎn)45度，左鍵點(diǎn)擊擠出選區(qū)，沿著z軸移動(dòng)至外輪廓左上角。此時(shí)的折角是直的，我們選擇輪廓左下角的一圈頂點(diǎn)，左鍵點(diǎn)擊倒角命令，在彈出的菜單中，設(shè)置寬度為0.01米，段數(shù)為4，這時(shí)的直角就變得圓滑了?；氐捷喞笊辖?，并選擇一圈頂點(diǎn)，沿著x軸旋轉(zhuǎn)-45度，左鍵點(diǎn)擊擠出選區(qū)，沿著y軸移動(dòng)選區(qū)至購(gòu)物車(chē)把手。繼續(xù)選擇該選區(qū)一圈頂點(diǎn)，沿著z軸旋轉(zhuǎn)45度，接著旋轉(zhuǎn)外輪廓右下角一圈頂點(diǎn)，同樣沿著z軸旋轉(zhuǎn)45度?；氐轿矬w模式，選擇整個(gè)右輪廓，復(fù)制該輪廓沿著x軸移動(dòng)到左輪廓位置，沿著x軸鏡像該輪廓，這樣我們就創(chuàng)建了外輪廓的左、右兩個(gè)部分。將購(gòu)物車(chē)左、右輪廓合并，選擇左、右輪廓的把手部分，依次選擇對(duì)應(yīng)的兩組頂點(diǎn)，右鍵點(diǎn)擊從頂點(diǎn)創(chuàng)建面命令，完成購(gòu)物車(chē)把手部分的橫桿。同理，選擇購(gòu)物車(chē)底框前端的左、右兩部分，依次選擇對(duì)應(yīng)的兩組頂點(diǎn)，右鍵點(diǎn)擊從頂點(diǎn)創(chuàng)建面命令，完成購(gòu)物車(chē)底框橫桿的創(chuàng)建。

3.2"購(gòu)物車(chē)內(nèi)邊框的創(chuàng)建

切換至物體模式，布局選項(xiàng)卡中，選擇添加柱體網(wǎng)格。沿x軸旋轉(zhuǎn)90度，分別縮放x軸、y軸和z軸至內(nèi)邊框上邊緣大小。選擇該柱體網(wǎng)格，添加陣列修改器，適配類型選擇固定數(shù)量，并設(shè)置數(shù)量為4，相對(duì)偏移系數(shù)x為0，y為-6，z為0，選擇應(yīng)用該修改器，這樣我們就創(chuàng)建了購(gòu)物車(chē)內(nèi)邊框的橫梁。用同樣的方式繼續(xù)添加柱體網(wǎng)格，分別縮放x軸、y軸和z軸至內(nèi)邊框右邊緣大小。選擇該柱體網(wǎng)格即內(nèi)邊框右豎梁，繼續(xù)添加陣列修改器，適配類型仍然選擇固定數(shù)量，并設(shè)置數(shù)量為5，相對(duì)偏移系數(shù)x為0，y為6.2，z為0，然后選擇應(yīng)用該修改器，這樣我們就創(chuàng)建了購(gòu)物車(chē)內(nèi)邊框的豎梁。復(fù)制內(nèi)邊框豎梁，切換至右視圖，沿著x軸移動(dòng)復(fù)制的網(wǎng)格至購(gòu)物車(chē)左內(nèi)邊框位置，這樣購(gòu)物車(chē)的左、右內(nèi)邊框就創(chuàng)建完成了。合并購(gòu)物車(chē)左、右內(nèi)邊框，切換回主視圖調(diào)整邊框位置。選擇外輪廓，在把手處我們添加2處環(huán)切，選擇中間一圈平面點(diǎn)擊擠出命令，然后按法線方向進(jìn)行縮放，這樣我們可以生成比外邊框厚一些的扶手，再次回到主視圖查看生成的效果。

3.3"購(gòu)物車(chē)車(chē)輪的創(chuàng)建

添加圓形多邊形，在正視圖下填充平面，在側(cè)視圖下擠壓生成厚度。分別選擇車(chē)輪的內(nèi)外一圈頂點(diǎn)，點(diǎn)擊倒角命令，在彈出的菜單中設(shè)置影響范圍為邊，寬度類型為偏移量，寬度為0.05米，段數(shù)為4。分別選擇內(nèi)外最內(nèi)一圈頂點(diǎn)，點(diǎn)擊縮放命令，在彈出的菜單中設(shè)置x軸、y軸和z軸的縮放量為0.25。選擇外側(cè)從車(chē)輪中心數(shù)第2圈頂點(diǎn)，點(diǎn)擊縮放命令，在彈出的菜單中設(shè)置x軸、y軸和z軸的縮放量為0.5，同時(shí)沿著x軸方向移動(dòng)0.001米。接著選擇外側(cè)從車(chē)輪中心數(shù)第3圈頂點(diǎn)，點(diǎn)擊縮放命令，在彈出的菜單中設(shè)置x軸、y軸和z軸的縮放量為0.75，同第2圈頂點(diǎn)一樣也沿著x軸方向移動(dòng)0.001米。這樣車(chē)輪的基本形狀就創(chuàng)建好了。創(chuàng)建四邊形網(wǎng)格，生成幾何節(jié)點(diǎn)，添加實(shí)例化于點(diǎn)上節(jié)點(diǎn)，組輸入中的幾何數(shù)據(jù)連接實(shí)例化于點(diǎn)上的輸入頂點(diǎn)，實(shí)例化于點(diǎn)上的輸出項(xiàng)實(shí)例，連接到組輸出中的幾何數(shù)據(jù)。添加物體信息幾何節(jié)點(diǎn)，物體選擇車(chē)輪，物體信息中的輸出項(xiàng)幾何數(shù)據(jù)連接到實(shí)例化于點(diǎn)上的輸入項(xiàng)實(shí)例。調(diào)整四邊形位置，完成購(gòu)物車(chē)輪子的創(chuàng)建。切換到著色編輯器，在原理化PSDF節(jié)點(diǎn)中，給購(gòu)物車(chē)各個(gè)部件設(shè)置基礎(chǔ)顏色。

4"題目拓展

為了增強(qiáng)趣味性，我們把購(gòu)物車(chē)加載到Godot中，制作成簡(jiǎn)單的游戲。

首先，為了增強(qiáng)程序的可讀性，我們把根目錄中的默認(rèn)的Node3D重命名為根節(jié)點(diǎn)。接下來(lái)右鍵單擊該節(jié)點(diǎn)，并選擇添加子節(jié)點(diǎn)，也可以選用快捷鍵Ctrl+A。在彈出的對(duì)話框中搜索角色身體3D節(jié)點(diǎn)，這是一個(gè)Godot內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)，我們?cè)诰幋a過(guò)程中可以通過(guò)它的屬性和函數(shù)控制這個(gè)3D節(jié)點(diǎn)。我們將之前在blender中制作的購(gòu)物車(chē)導(dǎo)出為glb格式，glb是一種開(kāi)放的3d模型存儲(chǔ)格式，方便在不同的3d軟件里傳輸。將該文件放在Godot項(xiàng)目文件夾中，Godot會(huì)自動(dòng)加載該模型。我們左鍵拖動(dòng)該模型并放置在剛才建立的角色身體3D節(jié)點(diǎn)上，Godot主視圖界面里就會(huì)出現(xiàn)我們導(dǎo)入的購(gòu)物車(chē)模型。Godot和Blender的兼容性非常好，現(xiàn)在主流3d軟件通常選用PBR（Physically"Base"Rendering，基于物理渲染）渲染引擎，我們可以看到在Blender設(shè)置的顏色和材質(zhì)屬性，都完整的保留在Godot里。如果希望描述更多的細(xì)節(jié)，也可以采用貼圖的方式。

其次，為了模擬現(xiàn)實(shí)世界里物體的運(yùn)動(dòng)，需要給購(gòu)物車(chē)加上碰撞器。購(gòu)物車(chē)雖然結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是在進(jìn)行實(shí)時(shí)的游戲運(yùn)算過(guò)程中，頂點(diǎn)過(guò)多會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，所以Godot里對(duì)物體的形狀進(jìn)行了化簡(jiǎn)。我們右鍵單擊角色身體3D節(jié)點(diǎn)，在彈出的對(duì)話框中搜索碰撞形狀3D節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊確定添加該3D節(jié)點(diǎn)。接下來(lái)我們需要選擇適合購(gòu)物車(chē)模型的形狀。常用的3D形狀有球體形狀3D、箱體形狀3D、膠囊形狀3D和圓柱體形狀3D。如果覺(jué)得這些設(shè)置不夠精細(xì)也可以選擇凸面多邊形形狀3D或者凹面多邊形形狀3D，同時(shí)在角色身體3D模型上加以適配。

最后，我們給項(xiàng)目加上迷宮地圖。地圖的創(chuàng)建可以在blender中，也可以直接在Godot中創(chuàng)建。在blender中創(chuàng)建的地圖導(dǎo)入到Godot中同樣需要添加碰撞器；在Godot中可以通過(guò)GridMap（網(wǎng)格地圖）直接創(chuàng)建迷宮地圖。在文件系統(tǒng)中新建文件夾并命名為地板磚，右鍵該文件夾新建場(chǎng)景并命名為brick，右鍵brick節(jié)點(diǎn)在彈出的對(duì)話框中搜索網(wǎng)格實(shí)例并創(chuàng)建。我們可以在Godot右邊的檢查器中設(shè)置brick的類型，這里我們選擇箱體網(wǎng)格，并設(shè)置喜歡的顏色和箱體的長(zhǎng)、寬、高。與購(gòu)物車(chē)模型的碰撞設(shè)置不同，我們左鍵單擊brick網(wǎng)格，并選擇創(chuàng)建三角網(wǎng)格靜態(tài)實(shí)體，就可以給地板磚添加碰撞形狀?？梢栽O(shè)置不同顏色和形狀的brick網(wǎng)格，分別代表不同的區(qū)域和墻體。選擇場(chǎng)景導(dǎo)出為網(wǎng)格庫(kù)，選擇樹(shù)節(jié)點(diǎn)類型保存brick模塊?；氐街鲌?chǎng)景在根節(jié)點(diǎn)下添加網(wǎng)格地圖，將我們保存的brick模塊添加到網(wǎng)格地圖的網(wǎng)格庫(kù)中，這時(shí)就可以在主視圖中繪制地圖了。此外，如果在blender中給購(gòu)物車(chē)創(chuàng)建了動(dòng)畫(huà)，Godot中也可以引用這些動(dòng)畫(huà)。Godot游戲開(kāi)發(fā)平臺(tái)要比Scratch復(fù)雜，其中涉及到建模、動(dòng)畫(huà)、渲染和編程等知識(shí)，但是其趣味性和擴(kuò)展性也更強(qiáng)，家長(zhǎng)可以啟發(fā)孩子一步一步來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

5"總結(jié)

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)對(duì)各行各業(yè)的從業(yè)者信息化水平要求越來(lái)越高，單純的可視化編程已不能滿足社會(huì)對(duì)未來(lái)人才的需求。本文以Godot為例，介紹了在不失趣味性的同時(shí)，讓學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)編程的方法，可以作為有編程興趣或特長(zhǎng)學(xué)生的家長(zhǎng)作為參考。

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