基于Unity3d引擎的教育類游戲設計與實現

劉桂元+曾志遠+楊書新

摘要摘要：教育性游戲作為輔助教育工具，主要通過游戲元素與知識的融合，達到高效傳授某些知識的目的。設計了一款教育類游戲，從游戲規則、游戲場景、情感設計、知識系統、游戲架構幾方面給出了游戲的設計思路，闡述了游戲使用的開發引擎、怪物行為決策的智能模擬、角色的自動尋路實現過程以及物體間的碰撞處理等技術，并展示了游戲的實現結果。

關鍵詞關鍵詞：教育類游戲；知識傳授；Unity3d

DOIDOI：10.11907/rjdk.162360

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001005004

引言

現行教育存在教育路徑相對單一、教學效率低等問題。游戲種類多數量大，能很好地吸引玩家注意力。如果把書本知識植入到游戲中，將游戲與課堂教育互補，讓學生在游戲的同時學習知識，不僅可以縮短學習時間，還可以讓學生對知識有更深的體會。游戲與教育的結合，是教育對自由與民主的呼喚，游戲化學習是人本主義思想在教育中的體現[1]。

基于以上思考，筆者設計開發了一款教育類三維角色扮演電子游戲（即RGP游戲），將小學三到五年級課本中的知識植入到游戲中，重點介紹了知識與游戲融合的方式以及涉及的一些主要技術。

1游戲設計

游戲開發前階段設計非常重要，且大型游戲開發中的設計文檔必不可少。本游戲設計主要完成游戲規則、知識系統以及架構等設計。

1.1游戲規則

1.1.1游戲背景故事

本故事主人公由于偶然原因穿越到其它時空，原本在該時空寧靜生活的人們正遭受不明怪物的侵襲。主人公為了消滅怪物，讓人們重新獲得和平生活，進行了一場勇敢的冒險。

1.1.2游戲關卡

游戲設計有3個主關卡和12個副關卡，每個關卡都有一定數量的怪物，而每個主關卡中都設有一個BOSS怪物且等級隨主關卡依次提高。主人公打敗主關卡中的BOSS即通關，所有主關卡通關即游戲通關。關卡設計如圖1所示，其中關卡間有雙向箭頭連接表示兩關卡間是連通的。游戲中玩家以“傳送”的形式往來于不同關卡，關卡之間的傳送是有權限的。玩家所操控的主人公從主關卡開始依次通關，如通關到主關卡二但本主關卡尚未通關，則該主關卡和之前主關卡以及它們所帶的副關卡之間都可以互相傳送，可以從主關卡二“傳送”至主關卡三，但只能從主關卡三傳送至主關卡二而不能傳送至與主關卡三連通的其它關卡。

圖1關卡設計1.1.3角色成長

玩家控制主人公從主關卡一通關冒險，開始時主人公角色屬性比較弱，只能打一些關卡地圖中的小怪物，玩家要通關就必須提高主人公的角色屬性，如角色等級、角色攻防值、角色血量等。玩家要通關上述某一主關卡時，就需要完成有關的游戲任務，如消滅小怪后獲得經驗提高等級，去副關卡中獲得裝備然后使裝備強化、提高角色攻防值等。這樣，等角色強大到一定程度后才可打敗BOSS。

1.1.4游戲裝備

游戲裝備獲得及強化是游戲角色成長的重要方式。游戲中裝備分為靴子、鎧甲、劍3種類型，分別可提升主人公的移動速度、防御力、攻擊力，且每種裝備都有不同的初始和上限值提升屬性。獲得方式有兩種：①在完成某些游戲任務后系統給以裝備獎勵；②在主人公打敗不同等級的怪物后有一定概率獲得不同初始和上限值裝備，但怪物只能掉落同一種裝備。主人公新獲得的裝備一般為初始屬性，很多時候并不能殺死怪物也不能得到更高等級的裝備，這時玩家就必須去強化現有裝備，使其具有更高的提升屬性。

1.2游戲場景

在場景設計方面，除15個三維的關卡場景外還有兩個平面場景，其中一個是游戲開始場景，另一個是知識測試場景。在15個關卡場景設計時，分別添加不同區域的文化元素，使學生能了解各領域的不同文化。如在以歐洲古老騎士文化為主的場景中，放入城堡、騎士、劍、盔甲等與騎士文化相關的模型，模擬中世紀騎士文化時期的生活場景；而在以埃及文化為主的場景中，則以沙漠地形并加入金字塔、獅身人面像、神廟、古埃及文字符號等元素；中華傳統文化、瑪雅文化、北美文化、日本文化等的場景設計這里就不一一贅述。而對于開始場景的設計，主要是登入、注冊等按鈕的UI布局設計以及一些故事背景。

為了將知識體現在游戲過程中，計算場景也是以UI為主，玩家通過界面操作選擇不同的答題方式及答題內容。初設可選的答題方式有選擇題、填空題、判斷題，考察內容為小學三到五年級的課本知識，如數學計算、文字認識以及少量的簡單智力測試和生活常識等。完成一輪測試后，系統顯示出玩家的答對題數和所用時間，并在提高相關屬性后出現祝賀語等特效。

1.3情感設計

為了培養學生的情感品德，在游戲中設計了勇敢品質、勤儉美德等情感元素，如場景中設置有受傷的人或動物，在幫他們療好傷后會得到一些獎品。這在游戲中設置為隱性任務（即在游戲中沒有明顯提示要完成的任務），只有當玩家自發去做這些事才可得到相應的獎勵。同樣，獎勵也分為顯性獎勵和隱性獎勵，對于隱性獎勵，系統在玩家完成某個隱性任務后自動提高裝備掉落概率而不加顯性說明。此外，因為學生在情感控制方面能力較弱，在游戲中增加了一些情感波動設計，當任務成功時系統給予稱贊，任務失敗時系統給予教育；這樣有喜有悲，使游戲與現實生活更加接近，增加玩家的情感投入，提高游戲的互動性和趣味性。

1.4知識系統設計

本游戲特色設計為游戲知識系統設計，包含知識測試系統以及“書”系統。

1.4.1知識測試系統

對于知識測試系統，在每個主關卡的場景中都有標識為“學校”的地方。當主人公要強化裝備提高角色屬性時便需要到學校中鍛煉其裝備。進入學校便觸發知識測試場景，加載好場景后，玩家在場景界面中選好要鍛煉的裝備，選好相應的題型及難度等級，系統根據玩家的選擇隨機從對應的題庫中選取題目進行測試。測試結束后系統將根據玩家答題的難度等級、答題時間、答題分數等對本次測試結果進行等級評估，系統根據評估結果等級對裝備屬性強化到一定等級。每件裝備都有屬性強化的上限值，裝備自身的等級越高其上限值越高。若玩家對結果不滿意可以選擇繼續測試；若玩家想退出測試，點擊場景界面中的“退出”按鈕即可。

1.4.2“書”系統

在游戲關卡場景界面中有一個背景為書的圖片按鈕。當玩家點擊該按鈕時，界面中便顯示出“書本”圖片及相關文字供玩家瀏覽。內容涉及3個部分：①游戲規則的講解；②課本知識的描述，如一些簡單的課本知識定義，有關游戲測試系統中的答題技巧等；③溫馨提示，如某些隱性任務或游戲技巧提醒等。當玩家想結束閱讀時，點擊“關閉”按鈕即可。

1.5游戲架構

好的游戲架構可以減小游戲開發難度（尤其是一款大型游戲），提高開發效率，從而減少游戲開發周期，降低游戲開發成本。筆者設計的游戲中運用的是游戲架構中的單例模式。

在單例模式中，首先創建一個特殊的靜態類，常稱為單例類，其在游戲運行時存在于內存中，以便對全局游戲對象進行管理。然后在該類中封裝好有關方法（一般為多級封裝方法）。當需要對游戲對象進行數據訪問時（如網絡訪問、數據庫訪問和角色屬性訪問），便調用該特殊類中已經封裝好的方法。同樣游戲要刪除或創建某游戲對象時也可調用該類中的有關方法。因此，在單例類如信息交流大廳，游戲所需數據皆可到“大廳”中獲取。其優點是避免游戲管理混亂，應用域明確，可以管理生命周期，可封裝，可通過繼承擴展，使游戲代碼邏輯簡單化，易于實現游戲模塊功能。

2主要技術實現

本游戲涉及的關鍵開發技術有：Unity3D引擎開發技術、游戲中對怪物行為決策的智能模擬、角色的自動尋路以及物體間的碰撞處理等。

2.1游戲開發引擎

本游戲使用Unity3D游戲開發引擎。之所以選擇Unity3D作為游戲開發引擎，是因為該引擎有著簡潔的界面布局及強大的功能模塊。除此之外，Unity3D還具有良好的跨平臺發布性能，使開發者能把更多的精力集中到制作高質量的游戲上，提高游戲開發效率[2]。

該算法中，在獲得游戲對象的位置信息時，使用引擎類GameObject中已封裝好的GetComponent<>（）函數來獲得游戲對象在虛擬游戲世界中的三維坐標信息。在Update中使用Vector3類中的Distance（）函數對怪物和主角位置信息進行實時判斷，當他們之間距離小于一定值時，怪物會改變狀態從而做出相關動作。在引擎中首先寫好該算法代碼的腳本文件掛載到游戲的怪物物體對象，然后運行游戲，此時怪物將在思考一定時間后進行下一階段的巡邏，而如果在巡邏過程中發現主角，便跑向主角并進行攻擊。

2.3自動尋路

在游戲的人工智能方面，自然也少不了游戲的自動尋路功能。在Unity3D引擎較新的版本中便集成了導航網格功能，并提供了方便的用戶界面[3]。在Unity3D中，用戶首先編輯好場景地形，然后將場景中不動的物體設置為Navigation Static物體；之后點擊Bake進行導航網格烘焙，此時引擎將根據設置在Navigation Static物體上面，也就是游戲世界三維坐標中Y軸的正向面進行網格節點計算，從而形成一張在游戲場景中的網格節點導航地圖。地圖形成后，只需要對所要導航的游戲對象加上NavMeshAgent組件即可，這樣游戲對象便可繞開障礙物并沿著最短路徑到達目的點。

下面介紹引擎中網格尋找最短路徑算法。該算法稱為A Star算法或簡稱為A* 算法，類似于貪心算法。與貪心算法相比，A*算法為了減少計算消耗提高游戲的流暢度，減少了貪心算法的回溯計算。其基本原理為：當引擎渲染好網格節點導航地圖后再通過以下步驟進行路徑尋找：①用兩個變量來存儲已經處理過的節點和要處理的節點，分別稱為關閉列表和開放列表；②將起始節點放入開放列表中并設為當前節點；③計算開發列表中所有不在關閉列表的鄰近節點到目標節點的代價值；④選取已計算的鄰近節點中代價最小的節點為當前節點并保留在開放列表中，其它已計算的鄰近節點則放入關閉列表中；⑤返回步驟③直至當前節點為目標節點或當前節點不是目標節點但沒有鄰近節點可計算（即起始節點沒有路徑到達目標節點），退出路徑尋找。計算節點代價值通過公式（1）得出：F=G+H（1） 公式（1）中F代表節點的代價值，G是從上一個節點到這個節點在網格地圖中的幾何距離，H是從當前節點到目的節點在網格地圖中的幾何距離。

2.4物理碰撞

正如現實世界中物體之間會有力的接觸碰撞一樣，游戲的虛擬世界中也有力的碰撞模擬，而且在3D游戲中，碰撞可以說是建立三維游戲的基礎。同樣在游戲的虛擬世界中，一個物體放在或掉落于地面，以及游戲角色之間發生的傷害，都是碰撞處理的結果。在Unity3D引擎中，物理引擎就是在游戲中模擬真實的物理效果[4]。碰撞分為碰撞器碰撞和觸發器碰撞。當游戲物體間要發生不可穿透碰撞時，便使用碰撞器碰撞，如墻壁阻擋角色、物體落于地面等的碰撞效果。當游戲物體間要發生穿透碰撞時可使用觸發器碰撞，如子彈穿透游戲角色、角色到達一定范圍后門自動開啟等碰撞效果。

當然，并不是所有游戲對象都需要或都能發生碰撞效果，在引擎中發生碰撞器碰撞條件為兩個發生碰撞的物體都必須添加碰撞器，即Physics中的collider組件中至少有一個運動物體必須帶有Rigidbody組件[5]；而發生觸發器碰撞的條件為發生碰撞的運動物體必須帶有collider和Rigidbody組件，而另一個物體則必須添加觸發器，即在物體添加collider組件后勾選組件中的IsTrigger屬性選擇框，啟用該組件的觸發器效果。當碰撞發生時，對碰撞事件進行捕捉，進而讓游戲對象作出相應反應。在Unity3D中主要有以下幾個接口函數負責碰撞事件的檢測：

（1）碰撞器信息檢測：

3游戲實現

經過團隊成員分工合作，初步實現了該游戲項目的設計效果。發布平臺為Windows和Android平臺，其中對操作系統版本要求為Windows7或8版本，Android則支持3.0及以上版本。在相關平臺簡單安裝好后即可開始游戲。

首先是游戲注冊界面，當玩家注冊完后即可登入游戲主界面。在游戲主界面中有“角色”、“書”、“設置”等系統按鈕，操作流程如圖4所示。游戲中當玩家控制的游戲角色打不贏怪物時便可查看“書”中的有關知識，并在“學校”通過知識測試來提高其扮演角色的屬性，以便繼續游戲并最終完成游戲通關。

圖4游戲操作流程4結語

本文闡述了一款關于教育游戲的設計與開發。在玩家注意力高度集中于該游戲的同時，通過顯性與隱性相結合的方式影響玩家自身的知識與品德，達到傳授知識與培養良好品德的效果。當然，在游戲開發過程中也遇到過一些問題，如游戲的粒子特效、三維模型動畫的制作、游戲優化等。但在深入研究后，問題都有了對應的解決方案，為游戲后續的發展打下了良好的基礎。教育游戲推廣在我國還處于起步階段，長路漫漫，尚需研究者們努力奮進、勇于革新。

參考文獻：

[1]張文蘭，劉俊生.教育游戲的本質與價值審思[J].開放教育研究，2007，13（5）：6468.

[2]穆海明，劉盼，劉興華.基于Unity的游戲開發[J].通訊世界，2016，4（4）：288289.

[3]吳彬，黃贊臻，郭雪峰，等.Unity4.x 從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[4]宣雨松.Unity3d游戲開發[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[5]董健.一款基于Unity3D的移動平臺游戲設計[J].軟件工程師，2014，12（12）：3435.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）