虚拟现实技术在教育类游戏中的应用

摘要:教育类游戏作为一种“寓教于乐”的教学方式,对指导学习者的学习具有重大的意义。针对我国现阶段教育类游戏发展还不够成熟的现状,结合建构主义学习理论,分析了在虚拟环境中人的行为认知以及学习特点,并探讨了实现教学应用的主要技术。最后,以科普游戏“电脑主机探险记”为例,实现虚拟游戏教学。

关键词:虚拟现实技术;教育类游戏;建构主义;virtools

中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)19-5334-03

The Application of Virtual Reality in Educational Game

WEN Ya, ZHAO Zi-yun

(Information Technology Depatment in the HuaZhong Normal University, Wuhan 430079, China)

Abstract: As a teaching method that teaches throughlively activities, educational gaming is of great significance in instructing the learning of audiences.In view of the currently immature situation of educational games in our country, combined with Constructivism Learning Theory, this paper analyses the cognitive behavior and learning features of human in virtual environment, and discusses the key technology of realizing teaching application. Finally, it takes the educational game "The Adventure of Computer Mainframe" as an example to achieve the teaching of virtual game.

Key words: virtual reality; educational game; constructivism; virtools

随着教育信息化的不断发展,电脑教育类游戏开始越来越多的应用到教学实践之中。教育类游戏可以理解为一类在教育与学习理论指导下,将学习因素与游戏因素进行了有机结合的具有一定积极意义的电脑游戏软件。教育类游戏的出现既满足了学习者游戏的需求,又可以使他们学习科学文化知识。但由于开发理念、技术等还不够成熟,国内的电脑教育类游戏仍处于起步阶段。

目前,国内大多数教育类游戏都采用二维或者伪三维技术,在场景的真实性和游戏的吸引力上显得远远不够,影响教学效果。采用虚拟现实技术制作教育类游戏,通过三维视角能够将目标物全面呈现,易于学习者直观的接受与理解,从而获得很强的置入感,达到更好的学习效果。

1 虚拟现实游戏中的行为认知

基于虚拟现实的教育类游戏是一种结合互联网、计算机及多媒体技术开发的电脑游戏。在游戏中可以由计算机全部或部分生成多种感觉环境,使学习者产生身临其境的感觉。游戏可以真实再现已经消失的历史场景,对具有危险性的物质进行探究,与现实生活中肉眼不可见的生物进行交互等等,这些都在传统教学中不可实现。

建构主义学习理论是认知学习理论的一个重要分支,该理论不同于以往传统的客观主义仅仅将学习者作为知识灌输对象,它强调学习者对所学知识意义的主动建构,以及主动性、社会性和情境性。基于虚拟现实的教育类游戏在很大的程度上满足了建构主义所要求的理想学习环境。首先,在游戏中根据教学的需要创建出适合教学的场景,学习者在场景中可以产生身临其境的感觉;其次,学习者个人能力能够得到积极主动的发挥,对培养创新型人才具有重大的意义。

虚拟现实游戏中,学习者是主体,并且存在一个“虚拟替身”,由“虚拟替身”代表主体参与其中。游戏为学习者提供感官整体交互,使其产生虚拟真实感。与此同时,立体信息空间也有利于实现创造性的学习方式,为发散性思维奠定基础,从而开发学习者的学习潜能和兴趣,使知识水平进一步的提高。

2 实现虚拟现实游戏的关键技术

虚拟现实游戏所要展现的仿真三维场景和虚拟人物,都需要通过三维建模软件制作。maya是目前最优秀的三维制作软件之一,集成了Alias/Wavefront 最先进的动画及数字效果技术,无论是建模、渲染、动作都可以达到优秀的视觉效果。

virtools是一款强大的虚拟现实开发软件,可用于制作具有沉浸感的虚拟环境,让参与者生成诸如视觉、听觉、触觉等各种感官信息,是一种新研发的人机交互系统。它具备丰富的行为模块,根据模块的搭配可以实现多种功能,在三维教育类游戏的开发方面具有突出优势。

交互的实现是虚拟现实游戏技术中最重要的部分,而Virtools 应用程序突显了3D交互技术的强大功能。Virtools采用流程图式的编辑接口,开发人员拖曳所需要的行为交互模块就可以构建击复杂的互动应用脚本,从而实现对话、行走、碰撞等多种效果。在虚拟现实游戏中通过Virtools丰富的行为模块的组合就能实现学习者与“虚拟替身”和虚拟场景的交互,从而达到学习的目的。

3 科普游戏“电脑主机探险记”设计方案

“电脑主机探险记”是一款基于虚拟现实技术的教育类游戏,其主要目的是介绍与电脑主机相关的基础知识。受众为青少年群体,由于青少年的认知能力有一定局限,他们的思维是直觉性的,抽象程度不高,而游戏的三维界面正好可以带来直观的体验,符合青少年的认知特点。

3.1 故事结构设定

游戏中玩家在电脑机箱里经历了一次冒险之旅。为了寻找到走出机箱的正确的出路,玩家需要先后经历光驱、硬盘、电源、CPU、内存条、电源这六大关卡,最后才能离开机箱完成游戏。

3.2 角色和场景设计

本游戏中主要角色有两个:小男孩和机器人。小男孩是玩家扮演的角色,而机器人是NPC,它以电脑作为头部,从而体现出电脑游戏的特色。

本游戏的主场景在机箱内部,机箱内部结构都是按照真实电脑部件所构建,使玩家有一种直观的认知。为了增强视觉效果,在建模时对大部分部件(比如机箱外壳、光驱、电源)的处理均采用了比较鲜艳的颜色。

3.3 题目设计

本游戏共设六道关卡,每个关卡3题,共18道题目,每道题的形式都为四选一的单选题。每个关卡中的题目都是由易到难,使玩家不会因为题目的过于简单或过难而失去玩此游戏的兴趣。当玩家答错或答对题目后,NPC会有相应的对话以鼓励玩家继续思考答题。

3.4 游戏规则

本游戏以知识豆积分,答对一题可获得5颗知识豆,答错一题失去2颗。考虑到答错题目后所带来的挫败感,可能会大大降低玩家对游戏的兴趣,系统会预先提供给玩家10颗知识豆。这样即使在最坏的情况下,即玩家在每道题均为第四次选对的情况下,分析可知也能顺利答完10道题,也就是达到第四个关卡。具体游戏流程及规则如图5所示。

游戏最后会根据知识豆的多少来划分为四个等级,设定相应游戏结束界面。通过不同的等级激发玩家的兴趣,提高游戏的可玩性。

1) 100颗知识豆,即没有一次答错。

2) 80到100之间,即答错次数较少。

3) 60到80之间,机答错次数较多。

4) 60以下,即打错次数很多。在游戏过程中,一旦知识豆少于0颗,则游戏结束。

3.5 游戏操作方法

本游戏通过键盘和鼠标控制角色的行为。方向键上下左右分别控制前进、后退、左转和右转,使用空格键Space与NPC机器人对话,字母A、B、C、D键回答问题,鼠标左键拉动游戏视图上下或左右移动,鼠标中键实现对视图的放大和缩小。另外玩家答完题目之后需要寻找半透明绿色的踏板,踩上踏板就能移动到下一关卡。

3.6 Virtools中三维交互的设计

在Virtools中三维交互的实现是本游戏的关键技术。游戏根据建构主义学习理论,设计了一系列的玩家与虚拟环境的交互行为,在实践中促使学生对知识意义进行构建。这种交互设计体现在控制角色动作、改变游戏视图以及对话答题,其中对话答题是本游戏的核心交互行为。

对话过程中,首先通过键盘输入信息,然后通过对应的消息接收模块来获取消息,执行交互行为。在答题环节设定与不同选项相应的键盘事件,主要以Key Event模块配合文字显示模块Text Display完成功能,用Show模块执行文字的显示,这样可以对选项的正确与否作出判断。由于多个关卡、多道题目具有相同的键盘事件,但是事件所触发的机制不同,因此禁用脚本模块Deactivate Script和启用脚本模块Activate Script 就显得非常重要。当玩家回答某个问题的时候,其他问题的相关脚本需要全部被禁用,避免了键盘控制的混乱。

合理的循环机制也是交互设计的重点,它保证游戏规则的合理性和正确性。当玩家回答正确时通过消息传递机制,获得知识豆并进入下一环节;而回答错误时则需要设定脚本流程的循环,减少知识豆数量并返回初始答题状态,直到问题答对为止。脚本循环中将空格键的按下状态作为答题结束的标志,通过空格键对所应的Key Event模块的输出接口与Show模块的输入接口连接,来实现答题过程中的机制循环。在virtools中设定键盘事件的模块有Key Event模块和Key Waiter模块,而其中只有Key Event能够多次接收消息,这是在循环机制中值得注意的问题。

3.7 游戏

游戏的最终应用环境为网络,在virtools中通过Go To Web Page模块就可以对所网页的地址进行设置,并用virtools自带的Create Web Page将游戏以网页的形式,玩家在浏览网页的时候,就可以点击玩此游戏。

4 总结

基于虚拟现实的教育类游戏作为一种先进的教学方式,应用于教育领域具有独特的优势。游戏利用三维仿真场景为再现教学内容提供了平台,学习者通过与虚拟环境中的场景进行交互,加强了对所学知识系统的建构。现阶段要实现虚拟现实游戏在教育领域的广泛应用还受到很多技术方面的限制,但其本身具有很大的拓展空间,相信随着网络信息技术的不断发展,这种应用会越来越广泛。

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