游戲引擎與OOP技術支撐下教育游戲的交互設計與用戶體驗研究

摘要：面向對象編程一般指面向對象程序設計，在提升代碼可重用性、模塊化與可維護性方面作用顯著。針對當前教育游戲交互設計缺乏系統性技術支撐、用戶體驗評估不足等問題，文章提出了一套基于游戲引擎與OOP技術的模塊化交互設計框架。該框架通過對引擎功能的接口化封裝和交互對象的繼承體系設計，實現了高效、可復用的交互邏輯。通過用戶測試與問卷分析，驗證了該框架能顯著提升學習者的沉浸感與操作效率。該研究為構建兼具教育性與高用戶體驗的教育游戲提供了系統性的技術實現與評估策略。

關鍵詞：教育游戲；游戲引擎；OOP技術；交互設計；用戶體驗

中圖分類號：TP311" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）28-0102-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

教育游戲是嚴肅游戲的一種，是專門針對特定教育目的而開發的游戲，具有教育性和娛樂性并重的特點，是以游戲作為教育的手段，在設計游戲時以成熟的教育理論作為理論支撐，以取得教育性和游戲性的平衡，從而通過游戲的方式來完成教育過程的產品實現。作為教育游戲開發的兩大支柱，游戲引擎與面向對象編程（OOP） 技術對產品的交互架構與用戶感知體驗起著決定性作用。前者搭建起開發所需的基礎框架與功能模塊集群，大幅簡化了開發流程并提升了創作效能；后者則憑借封裝、繼承、多態等核心特性，使代碼體系更具條理性，便于后期維護與功能拓展，為復雜游戲邏輯的實現提供了可靠的技術路徑。此外，流暢、自然的交互設計是用戶與教育游戲高效互動的前提，而卓越的用戶體驗則是維系用戶黏性、達成教育目標的核心要素。基于此，針對游戲引擎與OOP技術支撐下的教育游戲交互設計及用戶體驗展開深度探究，對提升教育游戲品質、強化教學成效具有不可忽視的實踐價值。

因此，本文旨在回答以下核心問題：1） 如何利用游戲引擎與OOP技術，構建一套可復用、可擴展的教育游戲交互設計架構？2） 該架構對學習者的用戶體驗（如學習效率、沉浸感、滿意度） 有何具體影響？為探討這些問題，本文將首先梳理相關理論，然后提出設計與實現方案，并通過用戶研究進行評估，最后進行總結。

1 理論基礎與相關技術

1.1 游戲引擎概述

游戲引擎是指一些已編寫好的可編輯電腦游戲系統或一些交互式實時圖像應用程序的核心組件。這些系統為游戲設計者提供了編寫游戲所需的各種工具，其目的在于讓游戲設計者能容易、快速地做出游戲程式而無須從零開始。在教育游戲開發領域，Unity與Unreal Engine是當前應用最為廣泛的兩款主流引擎，二者基于不同的技術特性，適用于各類開發場景。Unity憑借出色的跨平臺適配能力和簡潔的操作邏輯，成為教育游戲開發的優選工具[1]。相比之下，Unreal Engine以卓越的圖形渲染性能見長，更適合開發對畫面精細度有較高要求的教育游戲，例如模擬真實場景的科學探究類游戲，便常以該引擎為開發基礎。這些游戲引擎的核心價值在于大幅降低了游戲開發的技術門檻：即便開發者缺乏扎實的編程基礎，也能依托引擎自帶的工具與接口，快速完成游戲原型的搭建，并在原型基礎上逐步拓展功能邊界。

1.2 面向對象編程（OOP） 技術原理

面向對象編程（OOP） 是一種計算機編程架構，其基本原則是計算機程序由單個能夠起到子程序作用的單元或對象組合而成。OOP=對象+類+繼承+多態+消息，其中核心概念是類和對象，可實現代碼的模塊化構建與復用拓展。在教育游戲開發中，這項技術的應用相當深入，為復雜游戲邏輯的實現提供了清晰的路徑。以經典消除類游戲“連連看”的開發為例，能直觀地看到OOP的應用邏輯（圖1） ：棋盤類（GameBoard） 是游戲主界面的載體，它不僅存儲著方塊的二維數組信息，還負責游戲的啟停控制與計時管理；方塊類（Block） 對應游戲里每一個可消除的元素，包含位置坐標、圖片資源及當前狀態等核心屬性；連接線類（ConnectionLine） 用于界定方塊之間的可消除關系，是判斷消除邏輯的關鍵；事件處理類（EventHandler） 則專門監聽玩家的操作行為，并據此驅動游戲邏輯的動態變化。通過將游戲邏輯拆解為不同的類結構，再在各類之間建立合理的關聯，開發者便能構建出兼具靈活性與可維護性的代碼體系[2]。

2 基于游戲引擎與OOP的交互設計與實現

2.1 交互邏輯的技術實現架構

2.1.1 引擎功能的封裝與接口化

運用OOP技術將游戲引擎的核心功能（如圖形渲染、物理模擬、輸入響應等） 打包成獨立的服務類，并對外提供標準化接口。例如，打造Render Service類來包裝引擎的3D渲染能力，給出Draw Object、Update Material等調用接口；Physics Service類則封裝物理引擎，提供Add Force、Check Collision等接口。在業務邏輯層面，可通過調用這些接口來完成交互功能，以避免直接使用引擎的API，這樣在后續進行引擎升級或更換時會更加便捷。

2.1.2 交互對象的類層次設計?

依托OOP的繼承特點搭建交互對象的類體系，先定義Interactive Object基類，其中包含位置、狀態、交互范圍等通用屬性，以及On Interact、On Hover等基礎交互方法；再衍生出Static Object（如可點擊的知識點標牌） 、Dynamic Object（如可拖拽的實驗器材） 等子類，通過重寫交互方法來實現各自特有的邏輯，并利用多態特性讓系統統一處理不同類型對象的交互請求，從而簡化代碼邏輯[3]。

2.1.3 狀態管理的模塊化實現?

將狀態模式與OOP相結合可對交互狀態進行管理。為教育游戲中的核心交互對象（如任務面板、角色等） 設計狀態機類，封裝Idle、Active、Completed等狀態，使每個狀態都對應獨立的行為類，如Task Idle State、Task Active State。同時，還可借助游戲引擎的幀更新機制來觸發狀態檢查。當滿足切換條件時（比如用戶完成答題） ，狀態機會調用對應狀態類的Enter、Exit方法，以實現交互狀態的平穩過渡[5]。

2.2 多維度交互的技術融合應用?

2.2.1 視覺交互的技術實現?

利用融合游戲引擎的UI系統與OOP的組件化思想搭建視覺交互體系。將按鈕、進度條等UI元素封裝為UIComponent類，內置Set Position、Set Visible等操控方法；通過Layout Manager類統籌UI布局，結合引擎的分辨率自適應功能，實現多終端的顯示兼容。針對動態視覺反饋（如答題正確時的粒子特效） ，采用裝飾器模式對基礎UI組件進行功能擴展，動態地掛載特效組件，以避免對核心代碼的修改。

2.2.2 物理交互的技術支撐?

聯合游戲引擎的物理引擎與OOP的碰撞檢測類打造真實的物理交互場景。為可交互物體配備Collision Detector組件，封裝引擎的碰撞回調函數。當檢測到碰撞事件（如虛擬小球撞擊目標物） 時，通過事件通知系統觸發后續邏輯（如計分統計、任務推進） 。同時，運用OOP的接口隔離原則，將質量、摩擦系數等物理參數封裝為可配置的屬性，支持通過外部文件動態調整，以適配不同教育場景的需求[4]。

2.2.3 語音交互的技術整合?

語音交互是以語音為載體的人工智能交互技術，涵蓋了語音采集、語音識別（ASR） 、自然語言處理（NLP） 和語音合成（TTS） 等技術鏈條。結合游戲引擎的語音系統與OOP的音效管理器構建音頻交互機制。可設計Audio Manager單例類，封裝引擎的語音加載、播放、暫停等功能，對外提供Play Feedback Sound、Play Narration等調用接口。同時，還可按音效類型（如操作反饋、劇情旁白等） 劃分不同的語音池類，借助對象池技術實現語音資源的復用，以降低性能損耗。此外，還可利用OOP的觀察者模式，在交互事件發生時（如操作成功） ，自動觸發對應音效的播放。

2.3 數據驅動的交互適配技術?

2.3.1 用戶行為數據的采集與應用?

整合游戲引擎的日志記錄功能與OOP的數據處理機制開展行為分析。開發User Behavior Tracker類，追蹤用戶的交互行為（如點擊頻次、任務耗時、錯誤類別） ，并將這些信息封裝為Behavior Data數據對象。運用OOP的策略模式，依據不同的教育場景（如知識強化、技能演練） 定制數據采集規則，以精準地篩選核心指標。此外，還可基于采集到的用戶數據，通過Adaptive Interaction類實時調整交互參數（如題目難度梯度、提示出現間隔） ，以構建個性化的交互路徑。

2.3.2 交互流程的可配置化設計?

融合OOP的工廠模式與游戲引擎的配置解析能力，實現交互流程的靈活配置。將實驗操作步驟、答題環節等交互流程定義為XML或JSON格式的配置文件，通過Interaction Factory類解析配置信息，動態地生成對應的交互節點類（如Experiment Step、Quiz Step） ，使每個節點類獨立地封裝特定交互邏輯，通過鏈表結構銜接成完整的流程，支持節點的動態增減，從而快速適配多樣化的教學內容需求[5]。

2.3.3 多終端交互的適配技術?

借助游戲引擎的跨平臺特性與OOP的適配器模式，實現多終端的兼容。定義Device Adapter接口，針對PC、移動設備、VR設備分別開發適配類，封裝各自的輸入方式（如鍵盤操作、觸摸感應、手柄控制） ，并通過Device Detector類識別當前運行的設備，自動匹配對應的輸入處理類，將各類設備輸入轉換為統一的標準化交互指令（如“選擇”“拖拽”） ，以確保上層交互邏輯無須修改即可在不同終端順暢運行。

3 用戶體驗評估與分析

為驗證基于游戲引擎與OOP技術的教育游戲交互設計框架對用戶體驗的實際提升效果，本章通過構建多維度評估模型，采用用戶測試法開展實證研究，系統地收集并分析用戶行為數據與主觀反饋，最終形成量化與質性相結合的評估結論。

3.1 評估模型構建

結合教育游戲的“教育性”與“游戲性”雙重屬性，本研究基于HCI領域的經典理論與教育游戲的特性，構建了包含4個一級指標、12個二級指標的用戶體驗評估模型（如表1所示） 。該模型既覆蓋了交互設計的核心可用性要求，又突出了教育場景下的學習效果與動機維度。

3.2 研究方法

采用用戶測試法，招募一定數量的目標用戶（如學生） ，讓其使用基于本文框架開發的一款教育游戲原型進行學習。

3.3 數據收集

3.3.1 行為數據統計

通過UserBehaviorTracker模塊與人工記錄，兩組用戶的核心行為數據對比結果如圖3所示。

3.3.2 主觀問卷結果

量表數據顯示，實驗組在各維度的得分均顯著高于對照組：在SUS可用性得分方面，實驗組的平均得分為78.5分（良好） ，對照組為62.3分（一般） ；在沉浸感得分方面，實驗組的平均得分為4.8/7分，對照組為3.2/7分；在學習動機得分方面，實驗組“持續參與意愿”題項的同意率為83.3%，對照組為53.3%。

3.3.3 訪談結果分析

對訪談文本進行編碼后，提煉出典型反饋：

正面反饋（高頻詞） ：“操作很流暢，不用反復看提示就能找到按鈕”（可用性） ；“實驗過程中點擊器材時的動畫反饋很清晰，像在真實實驗室一樣”（沉浸感） ；“通過游戲記住了物理公式，比課本上的例子更直觀”（學習效果） 。

待改進點：“部分高級功能（如自定義實驗參數）"隱藏較深，需要更多引導”；“長時間使用后，畫面加載偶爾會卡頓”。

3.4 評估結論

有效性驗證：基于游戲引擎與OOP技術的交互設計框架能顯著提升教育游戲的可用性（操作效率提升29%、錯誤率降低56%） 與沉浸感（得分提升49%） ，驗證了模塊化架構對交互邏輯優化的實際效果。

教育價值：實驗組用戶的知識掌握度與學習動機均優于對照組，說明該框架通過“高效交互—深度沉浸—主動學習”的路徑，實現了教育目標與用戶體驗的協同提升。

改進方向：須進一步優化高級功能的引導設計，并通過引擎性能調優解決加載卡頓問題（后續可結合OOP的“資源池”設計模式優化資源加載邏輯） 。

4 結束語

本研究提出的基于游戲引擎與OOP技術的教育游戲交互設計框架，經用戶體驗評估顯示，在可用性、沉浸感和學習動機方面均有提升。從可用性來看，實驗組的操作效率提升了29%、錯誤率降低了56%，這得益于OOP技術的交互對象繼承體系和游戲引擎的接口化封裝，與相關研究中模塊化設計優化交互流暢度的觀點一致。在沉浸感上，實驗組的得分提升了49%，因游戲引擎的實時渲染與OOP的事件驅動機制相結合，讓交互反饋更精準，也補充了互動邏輯須適配用戶行為的研究。在學習動機方面，83.3%的持續參與意愿源于框架形成的良好閉環，符合相關模型的結論。經驗證，該框架的成效顯著，提升了可用性，增強了沉浸感，還協同提升了學習動機與效果。但是，研究存在一定的局限性：評估基于單一的游戲原型，測試用戶的樣本量小且代表性不足；未納入長期的效果評估；技術的適配場景有限。未來，還須探索與AI結合以實現自適應交互，拓展技術融合場景，擴大應用與評估范圍，深化性能與終端適配，以強化技術支撐與教育目標的協同性。

參考文獻：

[1] 陳柏君，黃慎澤.基于游戲性視角的教育游戲設計研究[J].當代動畫，2025（2）：121-128.

[2] 李天樂.教育游戲中的互動邏輯與視覺設計研究[J].藝術教育，2025（2）：166-169.

[3] 孫斌，劉斌，武健超，等.可視化場景中的GIS引擎與游戲引擎的融合技術實踐[J].水利技術監督，2024，32（2）：48-50.

[4] 段永良，劉敏.一款學習型游戲設計與制作[J].工業控制計算機，2024，37（1）：111-114.

[5] 李冰.虛擬現實技術在游戲設計中的應用研究[J].玩具世界，2024（10）：83-85.

【通聯編輯：謝媛媛】