基于VR技術(shù)的計(jì)算思維教育游戲的設(shè)計(jì)

張妮

摘要：該研究通過設(shè)計(jì)基于VR技術(shù)的計(jì)算思維教育游戲，使得學(xué)生使得學(xué)習(xí)者在VR創(chuàng)設(shè)的虛擬的游戲環(huán)境中產(chǎn)生身臨其境的感覺，學(xué)習(xí)者全身心投入并積極參與、嘗試去發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，并能夠把利用信息技術(shù)解決問題的過程遷移到現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)問題的解決過程中。通過不斷的嘗試并接受系統(tǒng)反饋進(jìn)行改進(jìn)，最終形成新的認(rèn)知。在完成游戲系統(tǒng)設(shè)置的任務(wù)的過程中提升自身的計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞：VR;虛擬現(xiàn)實(shí);計(jì)算思維;教育游戲

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0231-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

隨著互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的來臨，教育信息化的程度也在不斷提升，計(jì)算思維已成為大眾所熟知的思維方式之一，隨著互聯(lián)網(wǎng)與教育的疾速融合發(fā)展，計(jì)算思維的培養(yǎng)需要更加多元化的思考。本研究創(chuàng)新地將計(jì)算思維、教育游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)融合，嘗試提出計(jì)算思維培養(yǎng)策略的一種新思路，為之后計(jì)算思維領(lǐng)域的研究者們提供參考和借鑒。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

1.1 計(jì)算思維分析

2017年出臺的信息技術(shù)新課標(biāo)指出計(jì)算思維是指采用計(jì)算機(jī)相關(guān)的學(xué)科方法定義問題、抽象特性、構(gòu)建模型、合理分析數(shù)據(jù);通過分析、組織各種資源，利用相關(guān)算法形成解決問題的設(shè)計(jì)方案;總結(jié)解決問題的最佳方法，并將之遷移到相關(guān)現(xiàn)實(shí)問題的解決中。計(jì)算思維具體表現(xiàn)為解決實(shí)際問題過程中的形式化、系統(tǒng)化、模型化、自動(dòng)化[1]。

1.2 游戲設(shè)計(jì)分析

1）游戲背景：本研究的研究案例來自ISTE和CSTA提出的培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的交通擁堵案例，筆者對該案例進(jìn)行了適當(dāng)改編。

案例描述：某高中門口只有一條路、一個(gè)入口可以進(jìn)入學(xué)校，門口的這條必經(jīng)路形成了一個(gè)“T”字形，各種車輛經(jīng)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)進(jìn)入該車道，但是該車道上沒有交通信號燈、標(biāo)志、指揮員，在車輛高峰期造成了嚴(yán)重的交通堵塞問題。同學(xué)們對于交通堵塞的原因有以下的看法：學(xué)校擁有大量的學(xué)生、學(xué)校只有一個(gè)入口、學(xué)生的特殊行為、學(xué)校的活動(dòng)安排等。這些原因均可以作為游戲變量參與到后續(xù)游戲的設(shè)計(jì)中。

2）游戲界面：T字形路口的模擬3D圖像，設(shè)置三種不同的紅綠燈時(shí)長：30秒、45秒、60秒。

3）挑戰(zhàn)目標(biāo)：學(xué)生的車輛模型是否能在規(guī)定的時(shí)長內(nèi)通過T字形路口。該游戲共設(shè)置三個(gè)關(guān)卡，每一個(gè)關(guān)卡都有不同的障礙阻礙學(xué)生操作的車輛模型在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通關(guān)。三個(gè)關(guān)卡的障礙是逐漸增加的，紅綠燈時(shí)長是逐漸減少。玩家靈活運(yùn)用所掌握的知識經(jīng)驗(yàn)通過限時(shí)競技的方式完成游戲中設(shè)置的挑戰(zhàn)任務(wù)。

4）可能出現(xiàn)的場景：目標(biāo)車輛需不斷躲避對向行駛來的車輛，不能相撞;道路上有不同形狀、大小的路障，需巧妙躲避;路口交通指揮員會(huì)把目標(biāo)車輛模型攔下，只有回答正確交通指揮員的問題，才能接著行駛。

交通擁堵情境下的思維訓(xùn)練小游戲所包含的計(jì)算思維能力與2017年出臺的信息技術(shù)新課標(biāo)中對于高中生計(jì)算思維能力的要求是契合的。筆者設(shè)計(jì)這個(gè)計(jì)算思維教育小游戲是希望學(xué)生學(xué)會(huì)用信息化手段解決問題，了解條件判斷、順序結(jié)構(gòu)、并行等算法思想，并能夠把利用信息技術(shù)解決問題的過程遷移到學(xué)習(xí)和生活的其他相關(guān)問題的解決過程中[2]。下表1是對于交通擁堵情境下的思維訓(xùn)練游戲所包含的計(jì)算思維能力的分析

表1? ?交通擁堵情境下的思維訓(xùn)練游戲所包含的計(jì)算思維能力

[編號 游戲活動(dòng) 計(jì)算思維能力 1 設(shè)置T字形虛擬游戲場景 是一種系統(tǒng)模型形式化的過程 2 各關(guān)卡中的不同游戲變量設(shè)計(jì)對車輛模型的阻礙 學(xué)生通過不斷嘗試、接受反饋應(yīng)對“如果”情境，是一種情景模擬的過程。 3 學(xué)習(xí)者在完成游戲任務(wù)通關(guān)的過程是有序的，如：首先…，然后…，再次…，一步步有序進(jìn)行，這樣游戲進(jìn)程便是有序的。 順序結(jié)構(gòu)的思想 4 玩家在什么地方或什么時(shí)刻進(jìn)行加速或減速或避讓都需要進(jìn)行決策，尤其在車輛模型遇到障礙時(shí)，以防碰撞。 條件判斷的思想 5 玩家通過分析游戲系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)更好地通關(guān)。 有邏輯的組織和分析系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù) 6 該游戲通過虛擬3D游戲模型模擬等抽象形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生通過分析系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)成功通關(guān)。 分析、設(shè)計(jì)和規(guī)劃可能的問題解決方案，在此過程中找出達(dá)到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的最高效的信息資源整合方案。 ]

2 學(xué)習(xí)者分析

2017年新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》將計(jì)算思維列為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心理念，所以培養(yǎng)高中生的計(jì)算思維是目前信息技術(shù)教育的趨勢所向。本研究旨在這一大環(huán)境下對計(jì)算思維的培養(yǎng)方式提出新思路[3]。本研究所要面對的對象為高中生，高中生相比中小學(xué)生而言在身心發(fā)展水平相對成熟，在學(xué)習(xí)過程中更加喜歡獨(dú)立或協(xié)作進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，也更易于在完成游戲任務(wù)過程中感知背后的計(jì)算思維理念，在虛擬游戲創(chuàng)設(shè)的生動(dòng)具體的情境中，學(xué)習(xí)者全情投入并積極參與、嘗試去發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，通過不斷的嘗試并接受系統(tǒng)反饋進(jìn)行改進(jìn)，最終形成新的認(rèn)知。在完成游戲系統(tǒng)設(shè)置的任務(wù)的過程中提升自身的計(jì)算思維能力。

3 教學(xué)目標(biāo)分析

本研究旨在通過VR情境下的計(jì)算思維虛擬游戲體驗(yàn)使得學(xué)生學(xué)會(huì)用信息化手段解決問題，了解條件判斷、順序結(jié)構(gòu)、并行等算法思想，并能夠把利用信息技術(shù)解決問題的過程遷移到現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)問題的解決過程中。從而提升學(xué)生自身的計(jì)算思維能力。

4 基于VR技術(shù)的計(jì)算思維教育游戲的設(shè)計(jì)

4.1 使用技術(shù)

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，隨之出現(xiàn)了多種虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具。其中Virtools以其強(qiáng)大的3D引擎功能得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可。Virtools是法國開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具軟件，廣泛應(yīng)用于3D/VR數(shù)字教育、3D/VR游戲開發(fā)、虛擬游覽、3D/VR在線商務(wù)等領(lǐng)域。

Virtools滿足大多數(shù)人對于專業(yè)軟件的靈活操作、操作簡便的要求，Virtools采用流程圖式的模塊編輯接口，開發(fā)者只需拖拽需要的模塊即可構(gòu)造出復(fù)雜的行為交互應(yīng)用程序;Virtools支持多種格式的多媒體文件的導(dǎo)入，支持大多數(shù)3D動(dòng)畫軟件建模設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成的程序可以通過多種方式播放，輸入、輸出相比其他同類型軟件極為簡便[4]。

4.2 游戲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本游戲以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的模式設(shè)置了三個(gè)難度遞進(jìn)的游戲關(guān)卡。學(xué)習(xí)者進(jìn)入游戲后，首先查看游戲背景知識，然后進(jìn)入交通堵塞路口場景，駕駛選擇好的車輛（不同外形、不同性能）在有限的時(shí)間內(nèi)通過關(guān)卡（目標(biāo)車輛需不斷躲避對向行駛來的車輛，不能相撞;道路上有不同形狀、大小的路障，需巧妙躲避;路口交通指揮員會(huì)把目標(biāo)車輛模型攔下，只有回答正確交通指揮員的問題，才能接著行駛）。如未能成功通過，可進(jìn)入知識庫查找快速通關(guān)的秘籍，然后重新開始，通過不斷嘗試、反饋完成任務(wù)。三個(gè)關(guān)卡的障礙是逐漸增加的，紅綠燈時(shí)長是逐漸減少。玩家靈活運(yùn)用所掌握的知識經(jīng)驗(yàn)通過限時(shí)競技的方式完成游戲中設(shè)置的挑戰(zhàn)任務(wù)。

4.3 腳本設(shè)計(jì)

游戲的腳本設(shè)計(jì)被認(rèn)為是游戲的靈魂所在。以游戲開始界面滾動(dòng)出現(xiàn)的字幕來呈現(xiàn)游戲情景的設(shè)計(jì)。本研究計(jì)算思維虛擬游戲的腳本設(shè)計(jì)包括游戲故事背景、游戲情節(jié)、車輛模型、NPC對話方式、界面設(shè)計(jì)、知識庫設(shè)置、幫助設(shè)置等。

在本游戲案例的情境中，首先需要設(shè)計(jì)玩家操作的車輛模型、障礙物模型、交通指揮員模型，接著根據(jù)腳本設(shè)計(jì)中的車輛模型加速、減速、轉(zhuǎn)彎、跳躍的動(dòng)作，（路障、炸彈）障礙物移動(dòng)、原地等待、攻擊的動(dòng)作以及交通指揮員NPC攔截、詢問、放行的動(dòng)作來進(jìn)行動(dòng)作設(shè)計(jì)。

游戲場景設(shè)計(jì)主要是為了設(shè)計(jì)出適合劇情展開的環(huán)境，場景設(shè)計(jì)要從腳本故事情節(jié)和實(shí)際生活的入手，盡可能真實(shí)的再現(xiàn)實(shí)際生活的場景，加深學(xué)習(xí)者的臨場感，使得學(xué)習(xí)者更好地融入游戲情境中[5]。在游戲情境中，學(xué)習(xí)者在游戲體驗(yàn)中的交互不僅是計(jì)算機(jī)與學(xué)習(xí)者的交互，還包括模擬角色與游戲情節(jié)、場景的交互。

本游戲案例的場景主要針對游戲任務(wù)來設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了學(xué)校門口T字形路口的模擬圖像，設(shè)置三種不同的紅綠燈時(shí)長：30秒、45秒、60秒。為了游戲的現(xiàn)實(shí)沉浸性，還設(shè)計(jì)了路人、商店、花壇等景觀，在游戲情境中起到美化場景、烘托氣氛的作用。

4.4 交互設(shè)計(jì)

本游戲交互設(shè)計(jì)主要使用控制3D虛擬現(xiàn)實(shí)的工具—虛擬現(xiàn)實(shí)手柄VR頭顯。市面上的虛擬現(xiàn)實(shí)手柄多為6個(gè)自由度空間捕捉跟蹤、兩手分立，帶按鈕和震動(dòng)反饋的手柄。本游戲大多使用觸覺反饋進(jìn)行玩家與虛擬場景的交互，主要交互反饋是按鈕和震動(dòng)反饋[6]。

玩家進(jìn)入虛擬游戲情境，使用手柄晃動(dòng)控制選擇（選擇車輛模型、關(guān)卡、查看玩法），游戲系統(tǒng)使用一個(gè)亮眼醒目的光標(biāo)來指示視線位置，玩家長時(shí)間注視后確認(rèn)點(diǎn)擊。玩家晃動(dòng)手柄控制車輛模型行進(jìn)方向和速度，巧妙躲避障礙模型，成功通關(guān)。

虛擬情境下的交通擁堵情境小游戲給玩家以沉浸式體驗(yàn)。在VR游戲設(shè)計(jì)中，劇情UI設(shè)計(jì)是增強(qiáng)沉浸感的重要方式之一。交通擁堵情境下的計(jì)算思維小游戲的劇情根據(jù)游戲的進(jìn)度是不斷變化的，增強(qiáng)了用戶的沉浸感和臨場感。

4.5 開發(fā)實(shí)現(xiàn)

在開發(fā)階段首先根據(jù)腳本及游戲場景設(shè)計(jì)等的要求利用3DS MAX等建模工具設(shè)計(jì)制作車輛模型、障礙物模型、交通指揮員等基本的3D模型。之后將源文件導(dǎo)入Virtools中，使用Virtools開發(fā)工具設(shè)計(jì)制作一個(gè)demo方案[7]。在3D建模過程中，為了呈現(xiàn)更好的效果，利用3DS MAX以及POSER等設(shè)計(jì)工具盡可能真實(shí)的再現(xiàn)游戲場景是建模過程的關(guān)鍵。

5 總結(jié)

本研究詳細(xì)闡釋了基于VR技術(shù)的計(jì)算思維教育游戲的設(shè)計(jì)方案，下一步是通過Virtools完成交通擁堵情境下的計(jì)算思維小游戲的設(shè)計(jì)。使得學(xué)生在虛擬場景中更加直觀感受交通擁堵思維訓(xùn)練小游戲背后的計(jì)算思維理念;讓學(xué)生了解條件判斷、順序結(jié)構(gòu)、并行等算法思想，并能夠把利用信息技術(shù)解決問題的過程遷移到實(shí)際生活的相關(guān)問題的解決過程中;使得學(xué)生通過不斷的嘗試并接受系統(tǒng)反饋進(jìn)行改進(jìn)，最終形成新的認(rèn)知。在完成游戲系統(tǒng)設(shè)置的任務(wù)的過程中提升自身的計(jì)算思維能力。

但是本設(shè)計(jì)還存在游戲結(jié)構(gòu)單薄、游戲難度偏低、學(xué)生是否能明確感知背后的計(jì)算思維理念等問題，這些問題會(huì)在后續(xù)進(jìn)一步的研究中得到解決。

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