基于Virtools 的教育游戲設計與開發

張 俊，徐小雙，王 鋒，蔡文勝

(1.黃岡師范學院 圖書館，湖北 黃州438000;2.黃岡師范學院 教育科學與技術學院，湖北 黃州438000)

教育游戲利用游戲的挑戰性、探索性、激勵性等特性，將教學內容和游戲過程有機融合，為學生構建體驗性學習環境。具有沉浸感和交互性的教育游戲能使學生積極、主動、愉悅地學習。通過參與教育游戲，學生能學習一些知識，掌握某種技能，并從中觸發情感，受到啟迪，獲得教益等等［1］。目前我國開發針對學齡前和小學階段兒童的教育游戲的效率低且質量良莠不齊，真正成功的教育游戲卻是鳳毛麟角。一個很重要的原因是開發技術的限制導致教育與游戲的生硬結合，失去可玩性［2］。Virtools 技術在三維場景的渲染以及非線性實時交互的設計方面有著強大的優勢，靈活運用自帶模塊，無需編寫代碼，即可完成強大功能，應用領域廣泛。Virtools 結合三維建模技術開發教育游戲，能實現設計快捷、交互豐富，場景逼真，正在成為開發教育游戲的最佳解決方案之一。

1 Virtools 技術

法國達索開發了Virtools 三維交互軟件［3］，其三維引擎已經成為微軟XBox 認可系統。它是一套由開發模塊、生成模塊和發布模塊組成的多功能3D 虛擬和互動技術的工具集成，如圖1 所示。

開發模塊由創作應用程序和軟件開發工具包構成，根據用戶自身的需要，創作應用程序Virtools Dev建立應用程序，Virtools 支持主流的三維建模軟件工具，如3ds Max，Maya，XSI 等提供的轉換插件，則能直接導入和輸出3D XML 格式文件，可實現對文字、聲音、圖形圖像、動畫、三維模型等對象的實時交互和操作。

生成模塊由渲染引擎和行為引擎構成，渲染引擎幫助用戶在Virtools Dev 的三維觀察窗口中實現所見即所得。行為引擎負責管理并處理環境中的對象行動、屬性、輸入、輸出等。由于Virtools 具有開放靈活的架構，不僅可以利用鼠標拖放行為模塊，還可在對象的行為腳本中設計交互，甚至可以利用SDK 和VSL(Virtools Scripting Language)創建自定義行為模塊，從而滿足不同級別的開發者需求。

發布模塊由Web 播放器(Virtools Web Player)和EXE 文件生成器構成。Web 播放器適宜于建立基于C/S 模式的網絡虛擬環境，而EXE 文件生成器將應用程序直接打包成單機上運行的EXE 文件。

圖1 Virtools 的組成結構和開發流程

總之，Virtools 提供支持主流三維建模軟件工具的轉換插件，具有開放的架構極其靈活，集成強大的渲染引擎，配置產品發布的靈活方案，這就使得Virtools 易于開發沉浸式的虛擬現實系統，也為教育游戲提供了一個完整的開發平臺。

2 教育融入游戲的途徑

游戲劇本的創作，是教育融入游戲的重要步驟。首先需要確立游戲的劇本，游戲劇本傾向于利用現有的一個故事進行改編，并成為游戲的主題，比如，當今社會時事、生活經驗、古代成語、歷史故事、神話、寓言都可以成為游戲主題的來源。然后分析學生的年齡層次、知識背景和心理特點，列寫出植入游戲的教育內容。最后在故事情節的改編中，注意學習知識、問題解決控制游戲情節的發展，合理把握教育與游戲的平衡點。最后的游戲劇本有完整的故事情節，同時能體現所需完成的教學內容。

游戲角色的描述，是角色的內在知識結構賦予角色的主觀形象感受一個不可忽略的環節。在角色的描述階段，通過主體色彩、衣著裝飾、神態體態、角色對白來實現形象外觀的設計，以便使游戲角色具有藝術性、審美性、娛樂性。在角色的描述階段，注重表達角色的學習任務及其關系，制定知識進程表或知識概念圖，成為角色地圖導航的核心依據，引領角色關注局勢和調整策略;把角色的已掌握的知識映射為生命力、魔法力、耐力和恢復力等角色特性。

游戲關卡的設計，是把角色學知識和玩游戲融合的過程。關卡控制游戲的節奏、難度階梯，體現游戲可玩性部分，理所應當成為體現教育性的組成部分。地形是最直觀常見的關卡，它把游戲空間分為幾個相互連接的子空間，最后表現為室內或者室外的建筑和地貌。一般情況下，關卡間因邊界分割而互不相通，只有當完成了指定的任務時開放邊界進入下一關卡。在教育游戲中，把按知識概念圖組織的學習任務分布到關卡的空間中，學習任務的時限、內容多少分別由關卡的節奏、空間控制。在關卡進行中結合故事情節，角色在游戲過程中得到與學習、解決問題的相關物品、裝備而驚喜或感意外。在通過關卡的過程中，把角色的耐力、合作、運籌、競爭、敏捷度、同情心與角色的生命力、魔法力、耐力和恢復力計算結合起來，可以培養他們的非智力方面的能力。通過關卡意味著完成學習任務，實現學習目標。

結束游戲的構思，結尾要自然、合理，要體現故事情節的完整性，不能讓讓人有懸而未決的感覺。同時，需要把學習的結果、內容、排名用文字、視頻展示出來，激勵角色完成學習任務。

3 開發案例

3.1 故事梗概

動畫片《喜羊羊與灰太狼》以“童趣但不幼稚、啟智卻不說教”的鮮明特色，贏得眾多小觀眾和年輕一代的喜愛，成功塑造了喜羊羊、灰太狼等動畫角色。借助該部動畫片的故事背景，我們為低年級的小學生開發了《喜羊羊的勇闖迷城》的教育游戲，講述了喜羊羊為免費獲得參觀上海世博會的門票，勇闖離羊村不遠的的迷城，與灰太狼斗智斗勇的故事。迷城存在許多關口，只有正確回答問題才能啟動機關，這些問題包含拼寫英文單詞，口算算術題。當啟動這些機關后，能增加維持生命力的青草，以便在遭遇灰太狼時能破壞吃羊大計，戰勝灰太狼，否則會失去免費獲得門票的機會，甚至命喪狼口。這個虛構的故事情節集趣味性、挑戰性和教育性于一體的，可以激發學生學習的興趣，幫助學生在游戲中掌握部分英文單詞、學會十以內四則運算。

3.2 場景建設

在Virtools 軟件中對媒體有5 種處理方式:原始數據(Raw Data)、外部文件(Externa1)、特殊格式(Specific Format)、全局設置(Global Settings)和原始文件(Original File)。用戶可以根據自身需要，選擇適當的媒體處理方式。本系統場景大，模型多，復雜度相對比較高，所以采用外部文件方式。應用程序運行的時候，動態調用各種媒體，可減少內存占用，加快場景的渲染速度。

本系統的虛擬場景比較復雜，涉及諸多的幾何體，如路燈、樹木、柵欄、青草、箱子、灰太狼、喜羊羊等.隨著場景規模的增大，這些幾何體數量迅速增大，更多的占用了存儲空間，影響系統的運行速度，所以針對這些對象，采用了實例技術.如在制作環境的樹木時，首先在虛擬場景中添加一個3D Spriters，然后復制所需數目的3D Spriters，并將它們放置在場景中需要樹木的地方，最后導入一張樹木的紋理，分別與添加的3D Spriters 綁定.所有樹木大小的總和只比導入的那張樹木的紋理稍微大一點，極大地節省了存儲空間，并架設為關卡照明以編號01 －07 命名的七盞燈光，放置在機關開關所在位置，注意光線光線不用過于強烈，以免破壞跟隨燈光營造的場景的整體氣氛。

3.3 角色設計

根據故事背景，角色的形象直接來自于動畫片《喜羊羊與灰太狼》，當遇著青草時，賦予喜羊羊拼寫單詞或口算學習任務，只有順利回答任務，才能獲得維持生命力的青草，并把它作為闖出迷城，與灰太狼斗爭的重要資本。由于學習目標直接，任務種類簡單，所以不是在不同關卡根據知識概念圖生成不同的學習任務，而是隨機生成學習任務。

3.4 碰撞檢測與交互設計

碰撞檢測對增強虛擬場景漫游的真實感和逼真感有重要作用。例如，角色在虛擬場景中行走時，姿態應隨著地形的高低而起伏、左右偏轉。如果不考慮地形狀態，角色只是始終保持一個地面上行走，當角色達到低洼地勢時，則會離地面太高而產生角色浮空感;反之，當角色達到上升地勢時，則會產生走進地面的現象，嚴重影響漫游逼真度。當角色在場景中行走時，需要采用適當的碰撞檢測方式進行碰撞檢測。一方面，采用Virtools 軟件提供了一種常用的基于行為交互模塊(Building Blocks，簡稱BB)的碰撞檢測。

為此設置地板、機關開關為Floor 屬性，柱子、墻壁與機關門設為Fixed Obstacle 屬性，設置Enhanced Character Keep On Floor BB 的參數Follow Inclination 和Replacement Altitude，即可保證角色正常行走。

另一方面，需要設置寶箱、青草、鑰匙碰撞檢測:當喜羊羊遇見寶箱，需要開啟寶箱，以便困限灰太狼;當遇著青草需要答題以增加生命力;當遇著鑰匙需要摘取以打開機關。

以寶箱為例，創建其Script 腳本，命名為全局性設置，將BB 中的Rotate 拖入腳本使得Rotate 的In和Out 相連，并將碰撞檢測Collison Detection 拖入腳本，使Collison Detection 的In 和False、Start 相連中，以此來完成碰撞檢測，如圖2 所示。

在游戲設計中，關卡是在規定條件下達到規定要求才能通過的障礙點。教育游戲的關卡設計得具有挑戰性，能確保學習者體驗進步感和成就感，吸引他們繼續參與游戲和學習知識。

在《喜羊羊的勇闖迷城》游戲進行中，如果能通過單詞拼寫、智啟機關、打開木箱、決戰灰太狼四個關卡，才能贏取世博票。為了積累象征生命力的青草，玩家需要按劇情隨機提供的單詞，輸入正確的單詞獲得青草積分;在獲取開啟機關門的鑰匙時，玩家需要按劇情隨機提供的四則運算，輸入正確的算式結果;玩家在必要時可以打開木箱并引誘灰太狼陷困45 秒鐘;在逃避、引誘和決戰灰太狼中，需耗費象征生命力的青草。總之，在本游戲中，關卡以青草和時間為條件，把學習性和娛樂性情節結合起來，決定著具體的游戲環境、角色行動、背景音樂等細節，并將完整的游戲過程呈現到玩家的面前，讓玩家在情景沉浸中完成知識學習。

圖2 碰撞檢測設計

圖3 單詞拼寫

在單詞拼寫、智啟機關的關卡中，需要輸入單詞和算術運算的結果，Virtools 軟件基于行為交互模塊提供了一種常用的輸入交互。例如，在制作單詞拼寫模塊時，從BB 中導入2D Text、Create System Font和Set Font Properties，按邏輯連接各個BB 模塊。圖3 展示了游戲中輸入單詞的界面。關卡不僅要注重關鍵交互的實現，也要提供玩家自由支配的交互。自由支配的交互運用使通關過程具有個性色彩，能鍛煉玩家心智，提升玩家運籌能力，這也是在游戲中實現教育的重要途徑。在《喜羊羊的勇闖迷城》游戲進行中，攝像機控制、角色漫游、策略啟用這三類交互可由玩家自由支配，表1 給出了具體方法。

表1 游戲中的交互一覽表

從表1 可以看出，在游戲中實際上有兩個攝像機。一個是跟隨攝像機，實現玩家與喜羊羊的視角一致，并可以在攝像機程序模塊的控制下實現視角升、降、仰和俯效果，充分體現了虛擬漫游的功能;另一個為全景攝像機，提供游戲開始界面的迷宮全預覽效果，并可以在程序模塊的控制下實現大小視角的切換。

3.5 作品發布

最后的作品可以通過兩種方式發布。一種是通過Virtools Dev 輸出WebPage 的方式，以網絡頁面形式運行，在生成時需要根據在網頁上所占比例設定視窗大小;另一種是輸出為EXE 文件，Virtools 使用make.bat 打包擴展名為cmo 的文件，可以更改標題和分辨率，最后生成一個合成版的EXE 文件。

教育游戲提供了一種寓教于樂的新方法，是開展教育改革的新途徑，必定具有廣闊的發展空間和深遠的教育價值。本文從教育游戲的現狀出發，提出了教育融入游戲的途徑，并以一個教育游戲的開發為案例，展示了Virtools 技術應用教育游戲開發的部分重要環節。從中可以看出，應用Virtools 技術開發教育游戲，快捷建立逼真的虛擬場景，實現對文字、聲音、圖形圖像、動畫和三維模型等對象操作，完成虛擬世界的碰撞檢測和動態交互，能適時融入教育理念和教育內容，使游戲具有趣味性、挑戰性和教育性，讓學習者有身臨其境的感覺，在游戲世界中達成教育目標。

［1］ 錢莉，金科，章蘇靜.教育游戲中學習者注意力資源開發策略［J］.遠程教育雜志，2010 (06):93 －97.

［2］ 李彤彤，馬秀峰，張明娟.教育游戲在小學英語教學中的應用模式研究［J］.中國電化教育，2010(01):90 －93.

［3］ 愛迪斯通.http://www.virtools.com.cn/ Virtools User Guide［DB/CD］.北京:愛迪斯通科技有限公司，2011.

［4］ 張雪鵬，陳國華，戴鶯鶯，等.基于3D 的虛擬運動仿真平臺設計及Virtools 功能實現［J］.北京化工大學學報(自然科學版)，2009(04):1219 －1222.

［5］ 劉明坤.三維游戲設計師寶典—Virtools 開發工具篇［M］.成都:四川電子音像出版中心，2005:20 －58.

［6］ 方利偉.基于Virtools 的三維虛擬實驗室研究與實現［J］.實驗技術與管理，2010(05):83 －86.

［7］ 劉志廣，武真，張永策，等.基于Virtools 的動態GC 虛擬實驗室的設計與實現［J］.計算機工程與設計.2009(05):93－95.

［8］ 楊王黎，王惠影.基于Virtools 的注聚站虛擬培訓系統的設計與實現［J］.計算機工程與科學，2009(01):134 －137.

［9］ 朱琦，李兆君.基于Game Maker 的教學游戲的設計與研究［J］. 現代教育技術，2010(02):124 －126.