人工智能時代的教育游戲：發展機遇與趨勢

鄭新 張靖

摘 要：本文論述了人工智能時代教育游戲的發展機遇與趨勢，認為游戲人工智能、教育人工智能對教育游戲的發展能夠起到底層驅動與核心引領作用，人工智能時代的核心技術云計算、教育大數據能夠為教育游戲的發展提供強力支撐，并提出人工智能時代教育游戲發展的整體趨勢。

關鍵詞：人工智能;教育游戲;機遇

中圖分類號：G4文獻標志碼：A文章編號：2096-0069（2020）01-0027-05

引言

伴隨著信息技術的不斷發展，人工智能已經逐漸滲透到社會的各個行業，在人們的生活、工作與學習中發揮著日益重要的作用。游戲人工智能的發展可以說與電子游戲的發展如影隨形，用于解決游戲中的路徑點、尋徑等問題。在人工智能時代，游戲人工智能與教育人工智能的碰撞會迸發出怎樣的火花？教育游戲能否趁著這一股“東風”完成自身的變革與升華？其發展的機遇何在？

一、游戲人工智能、教育人工智能對教育游戲發展的底層驅動與核心引領

（一）游戲人工智能：人工智能時代教育游戲變革與發展的底層驅動

作為現代教學媒體的重要構成，教育游戲的本質仍然是一款電子游戲產品，人工智能的蓬勃發展也為電子游戲的發展帶來了巨大的影響。在這里，將電子游戲中使用的人工智能稱為游戲人工智能，以與教育領域中的教育人工智能相區別。縱觀游戲人工智能的發展歷史，不難發現游戲人工智能的發展呈現出了電子游戲與人工智能相互反哺的情景。無論是早期的《超級馬里奧兄弟》還是當前各類平臺上的單機游戲中，都可以看到人工智能（AI）的身影，它通常也是保證游戲體驗與調節游戲難度的關鍵。最近幾年，游戲人工智能繼續為電子游戲和游戲玩家帶來更好的游戲體驗，但從另一個角度來看，電子游戲也正在逐漸成為訓練和檢驗人工智能的一個絕佳場所。2017年柯潔與谷歌人工智能AlphaGo的圍棋比賽引起了廣泛的關注，而在這之后谷歌公司于2019年1月公布了AlphaStar（阿爾法星際）人工智能在《星際爭霸Ⅱ》游戲項目中戰勝人類職業選手的消息?？梢钥闯?，在當今時代人工智能已經與電子游戲聯系非常緊密。在教育游戲方面，游戲人工智能發揮的作用大致可以分為三個方面：

1.促進人機互動，提升游戲體驗

在電子游戲中，游戲人工智能的水平往往是影響玩家游戲能否順利進行以及游戲情緒的重要因素。在教育游戲中也是如此，由于教育游戲更多地強調教育性，在娛樂性方面相對較弱，一個優秀的人工智能能夠在一定程度上彌補游戲在這方面的不足，即游戲人工智能能夠提供適合學習者水平的游戲體驗，學習者在面對優秀的人工智能時可以獲得更好的心流體驗，更加愿意將時間投入其中。同時游戲人工智能在游戲的整個過程中能夠合理地調整難度、目標、獎勵等，給予學習者玩下去的動力，并且能夠盡量減少其負面情緒，這對于學習者能否持續投入學習（游戲）是至關重要的。

在游戲玩法的變革方面，游戲人工智能的作用主要體現在算法驅動下的交互創新，已有一些電子游戲運用神經網絡和遺傳算法等技術讓交互規則更加自由、有趣，通過算法改進，針對不同玩家進行交互的情況，玩家可以從各種突發事件和情境中尋找多種解決方案。在教育游戲中，同樣可以利用此方法讓游戲更加開放，這種開放式的游戲世界更加適合開展以學生為中心的探究式學習。

2.輔助制作游戲，降低開發門檻

對于電子游戲來說，開發門檻高是其發展的一大瓶頸，教育游戲同樣存在這樣的問題。相對比其他視頻、音頻、課件類教學媒體，教育游戲的開發不僅需要學科知識的支撐，對編程技術、美工等方面均有一定程度的要求，《教育信息化2.0行動計劃》中也指出當前仍然存在“數字教育資源開發與服務能力不強”的問題。

伴隨著游戲人工智能的發展，游戲的制作也發生了變革，而這種變革體現在多個方面：在游戲關卡的制作方面，人工智能能用生成對抗網絡（GAN）自動“設計”海量的《超級馬里奧》關卡[1];在游戲的畫面素材制作方面，人工智能能夠快捷地進行圖片顏色填充、風格轉換等，幫助開發者快速制作出想要的資源;人工智能也能夠充當游戲配樂師的角色，盡管存在著聲音機械化、連貫性較差等缺陷，但相信隨著技術的進步，未來能達到滿足游戲開發所需要的水平;在游戲內容生成方面，過程性內容生成為自動開發游戲內容提供了一種解決方案，因為它可以生成適用于不同目標的可單獨定制的游戲內容。胡希爾（Hooshyar）等人提出了一種基于數據驅動的過程性內容生成方法，該方法利用遺傳算法和支持向量機自動生成適合個人能力的教育游戲內容[2]。

綜合來講，游戲人工智能能夠在素材、聲音資源的開發，情節設計，游戲地圖，游戲內容生成等方面發揮作用。同時也應當看到，當前游戲人工智能只能輔助游戲開發，盡管已經有一些人工智能能夠依據玩家的行為自動生成敘事內容，但游戲的核心機制設計方面仍然需要由設計者來完成。

3.分析游戲數據，感知玩家體驗

電子游戲的游戲體驗如何是判定一款游戲產品成功與否的重要標準，針對玩家體驗的研究主要就是了解玩家的認知、情感及行為模式等。對玩家體驗的感知通常使用機器學習方法，典型的有監督學習法，如支持向量機或神經網絡。

（二）教育人工智能：人工智能時代教育游戲變革與發展的核心引領

作為現代教學媒體的重要構成，教育人工智能的目標有兩個，其中之一就是建構個性化的自適應學習環境，實現高效、靈活及個性化的學習支持[3]。具體來說，教育人工智能在教育游戲中主要扮演以下幾個方面的角色：

1.學習者學習過程的指導者

在人工智能時代，教育游戲對學習者學習過程的指導主要通過教育游戲與智能導學系統的融合實現。設計智能導學系統需要考慮兩個重要的因素：一是易用性，二是趣味性[4]。教育游戲可以較好地滿足趣味性的要求，不失為智能導學系統落地的理想情境。具體而言，教育游戲與智能導學系統的融合可以讓智能導學系統融入教育游戲任務，或者由智能導學系統扮演教育游戲中的“指引者”角色。

2.學習者學習活動的感知者

情感在玩家與游戲的互動中起著重要的作用，教育人工智能在學習活動中可以起到對學習者情感感知的功能。在學習活動中，對學生情感的及時檢測與互動是非常重要的部分，早在1997年麻省理工學院的皮卡德（Picard）教授就提出了情感計算這一概念[5]，但是由于技術條件的限制，人工智能時代來臨之前往往需要依靠通過語言、文字的分析來實現，而且通常應用于遠程教育的環境當中。心理學家麥拉賓（Mehrabian）指出，情感信息的表達=7%的語言+38%聲音+55%的面部表情。隨著視頻監控技術的不斷發展，面部表情采集與分析也已經不再是不可逾越的大山[6]。

對于教育游戲來說，情感信息的收集與反饋更為重要，使用游戲這一教學媒體的出發點就是要讓學習者更加輕松、快樂地學習。如果學習者在玩游戲的過程中產生了大量的負面情緒，則表明游戲的設計或者學習內容的安排可能存在一些問題。借助當前多樣化的檢測手段，德法爾科（DeFalco）在其關于嚴肅游戲的研究中使用了微軟的Kinect、Affectiva公司的Q Sensor來記錄玩家的身體行為和生理反應，在用來訓練陸軍戰斗醫療兵和戰斗救生員嚴肅游戲TC3Sim中開展試驗[7]。

3.學習者學習效果的評價者

在虛擬的游戲世界中，對學習效果的評價并不是一件易事，需要處理好數據收集、數據處理及結果反饋等多個環節，而人工智能可以在這一方面發揮一定的作用。在人工智能時代，教育游戲的評價過程不再是靜態的“結算性”評價，而是更多地體現出動態性、過程性的特點，基于這種變革甚至可以動態地調整游戲與學習難度。相信隨著相關技術研究的不斷深入，教育游戲在人工智能的支持下能夠做到對學習者的實時評價、實時反饋、實時調整，從而為實施個性化學習奠定基礎。

二、人工智能時代的核心技術為教育游戲的發展提供強力支撐

云計算是人工智能時代涌現出的代表性技術，與人工智能聯系緊密，大數據是人工智能的核心驅動力之一[8]。它們在與游戲融合的過程中也讓游戲產生了諸多變革，而這些變革也能夠為教育游戲的發展提供強力支撐。

（一）云計算與云游戲：隨時隨地的游戲體驗

云計算的提出時間相對較早，也成為各大互聯網公司競相追逐的熱點領域。當前云計算的發展已經較為成熟，在這樣一種背景下，云游戲也在最近一段時間逐漸由概念走向了現實，谷歌、微軟等公司均推出了自己的云游戲平臺。

在云游戲火熱發展的背后是互聯網的普及率和網絡帶寬的不斷提升、云計算硬件設備性能的提升以及移動設備的不斷普及。而伴隨著5G技術的大規模商用，以往阻礙技術使用的壁壘（比如網速慢、延遲高等）逐漸被攻克[9]，有望徹底踢開云游戲發展的最后一塊絆腳石。云游戲的發展能夠為玩家帶來隨時隨地的游戲體驗，教育游戲也是如此，這將允許學習者“即需即用、即用即走”，省去了煩瑣的下載、安裝、調試等步驟，符合當前教育游戲以“輕游戲”為主的基本現狀。

（二）大數據與教育大數據：從游戲數據到決策依據

數據是人工智能運行的根本[10]。從教育游戲方面來說，大數據包括兩個方面：一方面是游戲大數據，通過大數據平臺獲取的各類信息已經是各大游戲公司、開發者開展決策與運營的重要參考，例如通過游戲外的數據開展玩家的情感識別、話題檢測、畫像跟蹤、輿情監控等，通過游戲內的數據開展數值合理性評估、玩家屬性聚類、系統關聯性分析等[11]。另一方面則是教育大數據，教育大數據是教育人工智能的基礎，沒有數據就沒有教育人工智能。收集教育數據包括學生數據、教師數據、學校數據及區域教育數據等[12]。在教育游戲中主要收集學生數據，盡管數據收集的對象較為單一，但是玩游戲本身是一個持續的、動態的過程，只要收集方法得當，所獲取的數據相較于其他教學媒體更為細致、準確，更加貼近學習者的真實情況，更加能夠體現教育大數據體量大、種類多、結構復雜的特點，也體現了教育大數據采集時實時性、連貫性、全面性和自然性的特點[12]。從教育游戲中獲取的數據，能夠為教師、教育管理機構展開決策、制定政策提供更加真實的、細致的依據，教育游戲或將成為教育大數據的主要挖掘目標之一。

三、人工智能時代教育游戲發展的整體趨勢

綜合以上游戲人工智能、教育人工智能、云游戲、教育大數據對教育游戲發展的影響，可以分析并總結出人工智能時代教育游戲發展的整體趨勢。

（一）教育游戲本體智能化

人工智能時代的教育游戲將更加智能化。教育游戲的智能化并不是空中樓閣，憑空出現的，而是以長久以來的技術積淀為基礎，以人工智能、云計算及大數據等先進技術作為變革的拐點[13]。

從教育游戲的使用者角度來說，智能化包含兩個部分：一個是游戲層面的智能化，其目的是增強使用者作為游戲玩家這一角色的游戲體驗，解決“如何讓游戲更吸引玩家、留住玩家”這一問題;一個是教育層面的智能化，其目的是增強使用者作為學習者這一角色的學習體驗，解決“如何讓學習者更加有效、高效地學習”這一問題。

從教育教學的管理者來說，智能化則集中體現在對教育游戲使用過程性數據的收集、處理、分析方面，最終形成教育大數據，為學校、教師開展科學決策提供依據，主要解決“教育游戲的使用效果如何”以及“如何更加有效地使用教育游戲”這兩個問題。

（二）教育游戲應用泛在化

人工智能時代教育游戲的應用模式將發生重大變化，向著泛在化的方向發展，這主要得益于云技術和云游戲的不斷發展落地、5G網絡的商用以及移動互聯網用戶的不斷增加。學習者可以較為簡便地獲取各類教育游戲資源，只要能夠以高速率連接互聯網就可以通過教育游戲展開學習活動，實現“無時不有、無處不在的學習”和“沒有教室的學習”[14]。

（三）教育游戲交互多樣化

人工智能時代教育游戲的交互模式將發生重大變化，主要體現在輸入方式和輸出方式的革新，出現了語音、手勢，甚至腦電波等多種輸入方式，以及增強現實、虛擬現實、混合現實等多種輸出方式。

從輸入方式來看，得益于自然語言處理技術和語音識別技術的不斷發展。游戲中利用語音交互的智能助理功能日趨成熟，能夠為游戲與學習者的智能交互提供幫助，但是也應當看到，語音交互的發展還未達到大規模應用的水平，因此語音交互的方式更多地應當以一種輔助交互的形式出現，起到補充作用。與語音交互不同，手勢交互能夠作為主要輸入方式存在，當前正在走向規模應用的嘗試過程中，可以預見，在教育游戲領域這種獨特的輸入方式能夠帶來諸多變革。相比已經部分落地的手勢識別，腦電波作為一種輸入方式既讓游戲開發者充滿了熱切的盼望，又顯得遙不可及，它既需要腦科學、認知神經科學研究不斷深入作為理論基礎，也需要基于人工智能的各類算法不斷更新作為人機交互的接口，其潛力無限。

從輸出方式來看，進入信息時代，特別是人工智能時代后，人工智能和虛擬現實的結合將為學習者營造有智慧的第二學習世界，人工智能技術的引入為這個世界增加了智慧特征，能計算各種信息，虛擬各種學習場景，根據學習者特征智能地設定學習路徑、推送學習資源，解決學習交互的問題[15]。這兩項技術均與人工智能息息相關，它們能夠為教育游戲的使用者帶來更加生動、真實的視覺體驗，從而為學習者營造更加豐富的個性化學習環境[16]，能夠幫助學習者打破時間與空間的束縛，帶來身臨其境般的游戲體驗。

（四）游戲學習過程個性化

滿足學生個性化的學習需求，培養學生學會學習的能力，是教學的基礎性工作。正是在這種時代背景和要求下，個性化學習逐漸受到重視并得以不斷發展[17]。每個學生對學習內容的理解程度均不一樣，應當依據學生自身的特點，提供因人而異的學習方式與學習內容，而人工智能可有效記錄、反饋學生的反應，與學生互動，診斷學生學習困難的原因，發現學生的薄弱環節，給學生“畫像”，智能推薦學習資源。

參考文獻

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The Education Games in Artificial Intelligence Era：Developing Opportunity and Trend

ZHENG Xin1，ZHANG Jing2，3

（1.School of Education and Technology，Northwest Normal University，Lanzhou，Gansu，China 730070;

2.School of Media，Lanzhou City College， Lanzhou，Gansu，China 730070;

3.College of Education，Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710062）

Abstract： This paper expounds the developing opportunity and trend of education games in artificial intelligence era，believes that the game artificial intelligence and education artificial intelligence can function as a role of bottom drive and core leading to the development of education games，and the core technology cloud computing and education big data in artificial intelligence era can provide a strong support to the development of education games，and puts forward the overall trend of the development of education games in artificial intelligence era.

Key words： artificial intelligence;education games;opportunity