基于游戲場景的工程物探考核新模式

楊坪,章斯豪,黃雨a,,王建秀a,

(同濟大學 a.巖土及地下工程教育部重點實驗室; b.土木工程學院地下建筑與工程系,上海 200092)

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基于游戲場景的工程物探考核新模式

楊坪a,b,章斯豪b,黃雨a,b,王建秀a,b

(同濟大學 a.巖土及地下工程教育部重點實驗室; b.土木工程學院地下建筑與工程系,上海 200092)

工程物探是一門理論基礎廣、實際操作性強、結果解釋依賴計算機技術的課程，以考試為主的傳統考核方式無法很好地反映學生掌握課程知識及應用的能力。針對該課程在教學及考核中的難點，提出一種基于游戲場景的工程物探考核方式，并以電法勘探部分的考核為例，闡述了工程物探考核游戲的設計思路及實現方式。

游戲場景；工程物探；考核

工程地球物理勘探是解決工程勘察中工程地質、水文地質問題的一種地球物理勘探方法，簡稱工程物探。電法勘探是以巖石、礦物之間電阻率差異為基礎，通過儀器觀測和研究自然或人工物理場的分布特點以及變化規律，來查明地下地質構造的空間展布和確定地下電阻率異常位置的一類勘探方法，屬于工程物探的一種。工程物探課程從原理、理論計算和實際應用等角度對電法勘探進行了詳細介紹。然而在教學過程中發現，學生對于該技術的理論部分的理解普遍沒有太大問題，一旦需要將其與實際情況聯系起來就比較困難，許多學生為了應付考試往往死記硬背。此外教學模式普遍較為單一，對學生從工程地質模型轉化為數值模型能力的培養較為欠缺，因此，教學效果不好。

為達到提高教學效果這一目標，各國教學人員都在不斷嘗試與改革教學方法，其中將游戲引入教育這一概念首先由國外的教育研究人員提出并開展了實踐。如芬蘭的Kristian提出了體驗式游戲模型[1]。該模型將教育融入游戲之中，將游戲教育中游戲型學習軟件應具有的特點作了明確。英國的Immersive Education Ltd 與劍橋大學合作，推出了RPG游戲型學習軟件 Kar2ouche，讓學習者在角色扮演中體驗學習過程，通過角色在游戲中實現一系列交互性的游戲活動，完成包括理論知識，擴展知識、操作知識的學習[2]。

中國較早涉足教育游戲的主要有科利華、威孚等一批公司，譬如科利華公司在2000年推出了國內首個學習型的游戲網站《學生智慧世界》，通過與他人進行答題比賽達到學習的目的[3]。北京威孚公司從國外引進了數字化學習型游戲制作軟件《游戲工廠》，同時還向用戶開放了游戲引擎并在國內首度公開了這一數字化游戲學習平臺[4]。2006年，香港中文大學資訊科技教育促進中心推出了第一款基于其項目VISOLE(虛擬互動學生為本學習環境)的游戲軟件《農場狂想曲》，該游戲的設計初衷在于幫助玩家通過對農場的經營和管理，綜合運用多種自然科學和社會科學中的知識，培養學生使用現代信息技術、團結協作地解決實際問題方面的綜合能力[5]。中國地質大學(武漢)的向世明等[6]將 C#、Viustools和數據庫技術應用于物探儀器虛擬實驗系統的設計，模擬了物探實驗學習環境，具有極高的真實感。

現有的文獻表明，針對工程物探課程，以游戲場景作為考核手段的還未見相關報道。為此，本文嘗試將游戲模式引入教學考核過程中。通過編寫計算機游戲程序，借助虛擬仿真技術創造虛擬化實際操作環境，構建虛擬的操作過程和現象，通過游戲的方式考查學生對物探原理的理解和實際操作的掌握程度。

1 游戲考核平臺的設計思路

作為課程輔助考核平臺，游戲考核平臺除了應滿足逼真的游戲場景、優良的人機交互外，還要具有一定挑戰性、完善合理的評分機制。適當的難度和挑戰會改善學生學習的動機，激勵其不斷深入學習相關知識以解決不斷出現的新問題。同時需要考慮合適的難度可以拉開學生間的差距，較好地反映學生對知識的掌握情況。在考核學生完成游戲情況時，將提交答案與實際情況的符合程度和完成測試所用時間作為衡量學生掌握知識的程度和操作的熟練程度。

1.1 考核平臺總體設計

本平臺的最終目的是為了考核學生對電法勘探的知識掌握程度，故需在前期進行教學設計，包括明確考核的內容及評價標準、了解學生特征及預期達到的教學和考核效果。在前期教學設計的基礎上，游戲考核平臺的開發主要需經歷如下幾個階段——平臺建模階段、功能設計及編程階段和系統完善階段，最后應用于教學和考查。

一是平臺建模階段。對虛擬勘測中的待測區域、儀器設備進行建模。先對測試中用到的儀器進行圖像素材的采集，再在游戲軟件制作平臺上，利用計算機編程語言制作界面，將儀器的外觀制作出來，并復制操作和分析軟件的界面，以達到與實際操作時類似的視覺效果。

二是功能設計及編程階段。這一階段的成果將會直接展示給游戲參與者，選用C#語言進行編程，需在前一階段建模的基礎上完成勘測場景的創建、勘測過程操作及結果的模擬，并確定生成成績的算法，最后制作成可安裝的軟件。

三是平臺完善階段。對上述平臺進行測試和排錯，并在教學中引入，逐漸完善。通過在日常教學中安排若干小測驗來檢查平臺的功能及漏洞。若發現設計中的缺陷應及時完善并更新軟件版本，以滿足考核的要求。

1.2 考核平臺功能設計

游戲中被測場地為一有限范圍的地表土體，以平面圖的形式呈現。學生可在操作界面中進行測試儀器的選擇和調用、連接調試等操作。以高密度電法儀器為例，完成儀器連接后需要在測試范圍內確定測線，如儀器調試和操作均正確，進行測量動作后程序會立即給出當前剖面的測試結果。根據測試中給出的各類待測物質的電阻率數據，學生需要進行多次模擬測量，并對測試數據進行綜合分析，以最終確定視電祖率異常體存在位置及規模。在程序內輸入對應問題的答案，平臺輸出學生的最終得分。具體操作流程可分為以下幾個步驟：

1)進入程序界面，輸入身份信息

2)在程序界面中連接儀器，操作正確方可進入下一步操作

3)進行布線操作并生成剖面電阻率反演圖

4)重復上一步直到獲得足夠的數據

5)在結果輸入窗口輸入結果并提交，完成測試

1.2.1 考核平臺核心功能的設計

1)勘測區域的模擬。使用軟件建立三維地質體模型，對該區域內進行單元劃分，賦予每一單元一定的電阻率值，來代表不同的物質種類。如高阻的有機物和低阻的金屬等。電阻率異常部位可以以層狀、條帶狀及塊狀形式存在，可通過對相應的區域內的單元體進行賦值來實現。

2)儀器操作面板。主要包括代表測試設備的圖標按鈕、各類操作按鈕(如調用設備及布線操作)、待測區域的操作窗口以及各測線對應的測量結果輸出的窗口。

3)評分機制。需建立一套能反映使用者對該部分知識掌握程度的評分機制，綜合反映勘測結果的準確性及測量過程的高效性。

1.2.2 考核平臺關鍵功能的實現

1)游戲場景的構建。通過三維可視化軟件模擬待測區域內的地質體，通過算法自動隨機生成區域內的電阻率異常區域。根據確定的測線生成相應的二維剖面測試結果后，使用C#編程實現使用者對測量結果的調用、處理和分析，以及最后結果的輸入。

2)人機交互。游戲中需建立良好的人機交互機制，充分利用鍵盤和鼠標進行輸入。游戲需對使用者進行步驟上的指引，在操作適當時進行系統提示，同時顯示必要的操作結果。程序主界面設計如圖1所示。

圖1 程序主界面設計

2 結語

將游戲場景引入工程物探課程考核過程，以其輔助傳統的教學方法，提升了教學效率，激發了學生主動學習的積極性，為教學游戲在工程物探教學中應用做出了有益的嘗試。

基于游戲場景的課程考核能有效檢驗學生的學習成果，客觀地反映學生使用工程物探技術解決實際問題的能力，為工程物探考核提供了一種考核新模式。

[1] Kristian Kiili.Digital Game-Based Learning: Towards an Experiential Gaming Model[J]. Internet and Higher Education，2005(8):13-24.

[2] 牟婭.以鹵族元素為實例的嚴肅游戲型學習軟件的研究與設計[D].成都：四川師范大學,2010.

[3] 楊乃琴.“科利華學生智慧世界”網站正式開通[J].中國電化教育,2001(2):20.

[4] 楊魯新.一種無需編程的游戲開發工具淺說——脫穎而出的軟件新秀——《游戲工廠》(Fhe Games Factore)[J].電腦愛好者,1998(13):77-78.

[5] 尚俊杰,莊紹勇,李芳樂,等.游戲化學習行為特征之個案研究及其對教育游戲設計的啟示[J].中國電化教育,2008(2):65-71.

[6] 向世明,李小磊,郭士明,等.基于C#與Viustools的物探虛擬實驗系統及應用[J].計算機技術與發展,2013(11):161-164.

(責任校對 王小飛)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.11.021

20160615

教育部專業綜合改革試點項目資助(教高函[2013]2號)；同濟大學教學改革研究與建設項目資助

楊坪(1977-)，男，四川瀘州人，副教授，博士，主要從事土的工程性質、地基處理等方面的研究。

G642.0

A

1674-5884(2016)11-0066-03