基于概念圖的教育游戲設計與實現*

楊小勤，趙一鳴（.寧波大學教師教育學院，浙江寧波35；.寧波大學科技學院，浙江寧波35）

基于概念圖的教育游戲設計與實現*

楊小勤1，趙一鳴2
（1.寧波大學教師教育學院，浙江寧波315211；2.寧波大學科技學院，浙江寧波315211）

信息化時代，游戲的教育價值毋庸置疑。然而，游戲中學習支架的研究特別缺乏，教育游戲作為一種新的教學媒體，應該呈現出與其相適應的學習支架內容和形式，適當的學習支架或教學策略理論和方法的指導可以使游戲的教學效果達到最優化。文章以概念圖所能提供的教學支架作為研究主題，將概念圖支架嵌入到小學科學課程教學中，主要設計和開發了一款名為“草原大作戰”的教育游戲，以期為成功運用教學支架到教育游戲的設計和開發提供一些有益的嘗試。

教育游戲；概念圖；學習支架

一、引言

教育游戲作為一種新興的教學媒體與學習支持工具已被廣泛應用，在過去的十多年里，研究人員一直試圖開發各種以教育為目的的游戲，并已研究得出了教育游戲在促進學生學習動機和學習效果方面的有效性。［1］

然而，教育游戲作為一種信息技術教學的手段，游戲學習的自主性和探究性并沒有體現出來，關于教育游戲中學習策略和學習支架的研究較少，游戲過程中如何提供學習者幫助、幫助又以什么樣的方式呈現也沒有系統的研究和分析。［1］［2］研究表明，在教育游戲中要提高學生的學習動機和學習表現，除了整合學習材料到教育游戲中外，重要的是要提供或引領正確的學習支架或教學策略，而傳統的教育游戲更重視游戲技術的呈現，沒有重視學習支架和教學策略的引入和設計，對學習者能力的培養和創新能力的開發不夠。因此，嵌入適當的教學策略或學習支架到教育游戲中是重要的，也是必要的。［3］

概念圖是一種有效的可視化的學習工具和教學策略，Novak依據Ausubel的理論創建了概念圖，它是一種表征、檢查、修正、完善知識的認知工具。［4］它能將各種概念及其知識以層級結構形式進行排列，清晰地揭示了意義建構的內涵和實質，使用概念圖輔助教學設計，有助于學生理解知識之間的關系，可以將其根據教學內容的結構合理地設計到教育游戲中。［5］［6］

本文以概念圖所能提供的教學策略和支架作為研究主題，將概念圖策略運用到小學科學課程教學中，把它作為一種手段嵌入到筆者所開發的一款 “草原大作戰”教育游戲中，用概念圖從教學策略和學習支架這個角度來對教育游戲進行探索和分析。

二、基于概念圖的教育游戲的構建

1.教育游戲設計理念、原則

（1）設計理念

本研究的設計理念是以建構主義理論、最近發展區理論、有意義學習理論等相關理論為指導，將傳統意義上的學習支架，即概念圖內化到所開發的教育游戲的功能模塊中，內化到游戲活動中，使得游戲中的知識更加系統和可視化。游戲與教育結合，最大化地發揮游戲中教育的價值。

（2）設計原則

本文教育游戲在設計和開發過程中遵循以下幾項原則：

①理論指導原則

本文教育游戲的設計以建構主義和有意義學習為主要理論指導，同時在游戲設計的過程中，因為學習對象所面對的是小學生，所以多元智能理論、情境理論、“支架”理論以及愉快學習理論都要滲透到游戲設計的每一個環節。

②簡單易操作原則

游戲試用對象和群體決定了本文所設計的教育游戲不可能像在線的商業游戲那樣有一系列眾多復雜的操作，小學生記憶能力和知識儲備有限，因此設計游戲時，要注意對教學知識量的控制和把握，游戲任務設計應盡可能簡單、可操作、明確，讓學生在比較自然的條件下去玩游戲。

③動機激發原則

動機激發原則在本游戲中主要有兩層含義：其一：挑戰。首先，游戲中要設置一定任務，以激發玩家內在動機。其次，游戲任務應該保持在“最近發展區”范圍內，游戲者必須相信通過自己的努力可以完成游戲任務。其二：獎勵。游戲過程中可以通過設置虛擬的獎勵，如加分等方式來不斷強化玩家繼續學習的動機，提高玩家的自信心和成就感。

④情境化原則

心理學研究表明，小學生階段主要以具體形象思維為主，在兒童眼中，所學知識最好與一些具體的事物相結合，因此，本游戲中虛擬了一個真實的應用情境來實現交互漫游，游戲更加直觀和生動，有助于學生知識的消化和遷移。

2.教育游戲設計方案

（1）總方案

本文教育游戲的設計包括4個階段：前期分析階段、游戲設計階段、技術開發實現階段、游戲測試發布階段。游戲的總方案流程圖如圖1所示。

圖1　游戲設計總方案流程圖

（2）具體方案

在教育游戲設計總體方案的基礎上，逐步細化教育游戲的具體設計方案。游戲的具體流程圖如圖2所示。

圖2　游戲設計具體方案流程圖

三、基于概念圖的教育游戲設計過程

1.前期分析階段

本文前期分析階段主要是教育游戲的教學設計，從學科內容選擇、學習內容分析和概念圖設計、學習者特征分析、教學目標分析4個方面來展開。

（1）學科內容選擇

教育部出臺的《全日制義務教育科學（3-6年級）課程標準（實驗稿）》（以下簡稱《標準》）是目前我國學校實施科學教學的準則，《標準》中科學知識內容包括：生命世界、物質世界、地球與宇宙三部分，共計141個知識點。［7］其中，生命世界這部分內容的展開基本上都是從學生身邊的動植物入手，主要是圍繞學生生活的周圍環境來展開教學，生命世界充滿了神奇和奧秘，在游戲中建立這樣一個虛擬的真實生命世界的環境，可以讓學生愉快地去了解生命世界中科學探究的過程，并通過游戲任務探索獲得知識。本研究選擇小學科學課程作為設計開發教育游戲的案例研究，選取了教育科學出版社小學科學的一些相關知識。

（2）學習內容分析

本研究中所采用的教材為科學“教科版”，在游戲的具體開發中，主要選取了三年級科學下冊第二單元“動物的生命周期”中蝴蝶的成長單元來進行游戲的設計和開發。《動物的生命周期》單元中共有7課（卵里孵出的新生命、蠶的生長變化、蠶變了新模樣、蛹變成了什么、蝴蝶的生命周期、其它動物的生命周期、我們的生命周期）。［8］［9］蝴蝶的成長過程是一個探究性很強的內容，所蘊含的知識點概念較多，雖然學生認知領域中對蝴蝶成長過程有一定了解，但概念知識點掌握較零散，系統的概念圖能幫助學生對該單元知識之間進行有效的銜接和建立整體的系統。

（3）學習者特征分析

對于學習者特征的分析，主要從學生認知結構、心理特點、學習特點三方面來進行分析。小學生認知結構中對于自然界的生命周期相關知識已經進行了學習。小學生的心理特點方面，他們已有初步的邏輯和言語思維特點，心理思維主要處于具體形象思維階段。學習特點方面，小學生對于游戲學習有極大熱情，實踐操作能力強。

（4）教學目標分析

本研究按照新課改的三維教學目標，即知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀來對教學內容進行分析。知識與技能：影響蝴蝶的生命和變化的環境因素。蝴蝶在生長的過程中，生命周期階段會不斷發生變化。過程與方法：觀察蝴蝶生命周期的生長變化，學習進行記錄及描述。通過學習，知道蝴蝶的食物、生態及天敵等知識以及蝴蝶的成長過程。情感態度與價值觀：發現生命的生長變化，領悟生命的可愛和可貴，懂得珍愛生命，培養對動物研究的興趣。

2.游戲設計階段

（1）游戲定位

游戲定位于開發一個闖關性質的RPG角色扮演類游戲，在虛擬真實的游戲情境中嵌入概念圖學習活動和內容，游戲的主要目的不在于向學生去傳授科學知識和技能，而在于讓學生體驗與掌握科學的研究思維和方法，培養學生的科學素養。

（2）游戲主題內容

游戲選取課本 “蝴蝶的生活環境”、“蝴蝶的每一成長期（即卵、幼蟲、蛹和成蟲）的食物”以及“蝴蝶的天敵”這三個知識點，游戲設計融入蝴蝶生態概念圖（呈現書中4種常見蝴蝶生活史與寄生植物、天敵、防御策略），概念圖在整個游戲中所發揮的作用就是：概念圖模塊幫助學生去組織完成游戲交互和任務（基于提供的概念圖模板），讓學生在整個教育互動游戲中，學習到蝴蝶的食物、生態及天敵等知識，讓學生以游戲的方式去體驗與感受學習科學知識的快樂。

（3）游戲劇情

故事情節是開展于一個神秘的世界，在這個世界中，游戲主角可以得到來自大自然的力量，從而養育昆蟲。游戲的主角是一個卡通人，他需要學習養育蝴蝶來獲得解救人們的權利。因此，他開始了一段旅程。在旅程中，他收集蝴蝶的相關數據，通過完成各種測試和任務獲得權利。

3.開發階段

技術開發主要分三個階段：前期素材制作和收集，主要通過PS、3dsMax軟件來實現；中期技術實現主要在Unity3d軟件中進行；后期需要對所開發的教育游戲進行不斷調試、代碼優化、完善和修飾。

4.發布階段

教育游戲發行和發布必不可少，開發出的游戲必須另存為一個獨立的應用程序，才能不被計算機所制約，供所有人享用。本文是將Unity3d發布成exe項目在PC上運行。

四、基于概念圖的教育游戲的實現

1.游戲開發環境介紹

（1）游戲開發工具軟件

本文選擇PS、3dsMax、Unity3d做為開發工具。

（2）游戲開發語言選擇

Unity3d游戲引擎內置支持JavaScript、C#、Boo這三種腳本語言，三種編程語言可以和諧快速地一起運行。本教育游戲的開發使用JavaScript和C#語言來進行代碼實現。

2.游戲虛擬場景實現

Unity 3d本身有強大的地形系統，通過內置的地形系統可以輕易地創建想要的地形場景，特別適合虛擬游戲場景的漫游構建。本游戲中首先利用Unity3d自帶的地形系統創建好基本的地形場景（繪制山體、種植花草樹木并設置大小、數量、風速等），在地形的基礎上，我們在游戲中需要創建自己定制的環境，針對課本上科學知識學習內容的分析，我們要有自己的資源列表，這個資源列表包括音頻、角色、圖形用戶界面、粒子系統、道具物品等資源的創建。這些資源需要在PS、3dsMax、音頻軟件中去進行制作，特別是角色和敵人AI的創建，需要在3dsMax中自己建構，為玩家和敵人AI角色進行建模、創建動畫、蒙皮和骨骼綁定，將以上這些自己定制的游戲資源導入到Unity3d軟件中，完整的虛擬游戲世界就建成了，如圖3所示。

圖3　虛擬游戲世界

3.核心技術實現

（1）主角控制

游戲中的主角必須是由玩家可控制的，玩家以虛擬人的身份來實現鍵盤鼠標的交互漫游，允許玩家的移動輸入，而要實現控制游戲角色，需要添加角色控制器和狀態控制器腳本，運用Translate（）和Rotate（）函數為其移動和旋轉速度提供可以編輯的變量，本文所設計的教育游戲主角控制實現主要包括：添加主角重力效果、實現主角WASD鍵移動控制、實現主角跳躍及加速功能、實現主角能力值和血值的增減、實現主角死亡、實現攝像機的跟隨。

（2）Mecanim動畫系統

Unity3d自身有內嵌自帶的動畫組件，本游戲中的主角動畫是運用外部軟件3dsMax制作的骨骼綁定動畫導出相應格式后，再導入到Unity3d中，在游戲中進行直接調用。運用Animation組件獲取對應物體上的動畫后，編輯腳本代碼進行對主角在跑、半蹲、跳躍、扭頭等不同狀態下不同動畫播放的控制，本游戲中Mecanim動畫系統在Unity3d中的實現主要包括：分割主角動畫、主角添加動畫狀態機、添加主角動畫腳本。

（3）觸發器和碰撞檢測技術

觸發器及其它形式的環境交互構成了環境和游戲設計的重要組成部分，使用觸發器和碰撞檢測，可以發送某種形式的消息或是開始一個事件，主角、概念圖彈出屏幕、道具物品以及游戲場景中各物體之間會相互接觸碰撞，并相應地觸發一些事件的發生。本款游戲中涉及到的觸發器和碰撞檢測主要有物品拾起、背囊管理、死亡觸發器、復活點（避免死亡的觸發器）、游戲主角和敵人AI攻擊功能、實現敵人AI狀態信息和動態生成 、玩家在場景中與學習目標任務之間的交互。

4.游戲具體實現

（1）游戲GUI界面

本教育游戲設計主要試用群體和對象為小學生，GUI界面開發比較簡單，GUI界面圖標的編輯主要是導入NGUI插件來進行實現，它可以直接在游戲編輯器中創建、修改、更新Atlas圖集。

GUI界面系統反饋主要通過MainMenu類實現，該類中主要實現大小的設置和GUI界面中功能按鈕的設置與觸發。游戲代碼中OnStartButtonClick（）即GUI界面中的“開始游戲”按鈕，當點擊“開始游戲”按鈕時，就觸發監聽器，進入游戲界面。教育游戲GUI界面如圖4所示。

（2）游戲概念圖模塊實現

在游戲場景的左上角設置了一個“概念圖顯示”的按鈕，該按鈕使用toggle（）方法來切換概念圖元素的可見狀態，點擊“概念圖顯示”的按鈕可以實現概念圖元素的顯示和隱藏，下圖為嵌入在一個游戲任務中的兩個概念圖模板，這個概念圖模塊引導玩家以一個組織良好的方式去收集和呈現數據信息，概念圖相互之間存在的關系在游戲中更有效地組織了教學目標任務，為學生提供學習的支架，幫助其更加順暢地完成游戲任務，如圖5所示。

圖4　GUI用戶界面

圖5　概念圖模塊界面

（3）游戲交互和任務實現

在本文教育游戲中，游戲對象的行為主要圍繞兩個重要任務來進行展開。

①收集有關蝴蝶的植物食物信息的游戲場景

在教育游戲的過程中，要求主角根據游戲主題內容，收集相關目標植物的信息來完成概念圖，以幫助他們組織在游戲中所收集到的所有信息。主角（即游戲主人公）通過概念圖找到一個學習目標。首先，主角可以根據自己已有的認知結構來進行判別植物概念圖信息，也可以通過“幫助1”看到有一個“這是日日櫻”的提示，概念圖數據收集正確，則會出現圖6游戲界面，成蟲的食草植物鳳蝶，因此他的力量增加1，所收集的信息也被嵌入到概念圖中，游戲主角可以繼續游戲任務。

圖6　收集學習目標的游戲場景

②格斗益智游戲任務的實現

除了收集植物數據完成游戲任務以外，當蝴蝶成長到第4個階段的時候，還會面臨來自天敵的攻擊，因此筆者開發了一個格斗益智類游戲，以幫助玩家識別天敵和蝴蝶的外表。玩家會發現，戰斗的過程非常艱難和危險。玩家在旅途過程中，一旦遇到蝴蝶的天敵，“幫助2”中會發出一個警告“這是蝴蝶的天敵”，以幫助玩家識別和作戰，主角和天敵AI都有能力值和血值，主角使用它的神奇力量與教學目標蝴蝶的天敵戰斗時，他將獲得能量，但是如果在戰斗中主角沒有完成任務 （即打敗蝴蝶天敵），則會出現“GAME OVER”界面，游戲需要重新開始，如圖7所示。

圖7　益智格斗的游戲場景

五、結束語

本文以小學科學知識《動物的生命周期》為例，通過整合概念圖作為游戲的一部分，以幫助學生組織他們在游戲過程中學習的內容，設計和實現了基于概念圖的教育游戲的開發。在教育游戲中嵌入概念圖學習支架來進行游戲化的學習對學生而言是一個全新的體驗，教育游戲應當適當地整合學習支架和策略進入教育游戲場景中。作為教育游戲的設計者，我們應該在傳統的教育游戲基礎上有所創新，結合游戲開發過程中遇到的實際問題，對游戲進行進一步的完善和改進，設計出與教學知識相結合、滿足學習者學習的教育游戲，這樣才能達到“寓教于樂”的終極目標。

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（編輯：李曉萍）

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1673-8454（2016）12-0063-05

2012年度教育部人文社會科學研究規劃基金項目 “高校教師績效管理/改善模型及其應用方案研究——基于教師專業發展的視角”（編號：12YJA880167）。