基于多触点交互技术的教育游戏设计

摘 要：多触点交互技术是一种允许多个用户利用集输入输出为一体的智能终端即可轻松实现人机交互的新型交互技术，其改变了传统的借助于鼠标键盘等中介设备的人机交互方式。这种多点直接交互的方式受到教育界的广泛关注，同时也给教育游戏资源的开发带来新的启示。在介绍多触点教育游戏创新点的基础上，以Xcode为开发工具，设计开发了“图形乐园”教育游戏，对多触点交互技术在数字化学习中的应用提出了展望。

关键词关键词：多触点交互；教育游戏；Xcode开发工具；图形乐园

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2013）008009703

作者简介作者简介：王苗（1987-），女，东北师范大学硕士研究生，研究方向为远程教育、数字化学习；王锡芝（1991-），男，中国矿业大学学生，研究方向为理论力学、材料力学。

1 问题的提出

许多专家研究发现国内教育游戏的发展出现一定的瓶颈，教育与游戏相结合以及投入使用的过程中出现一些问题，主要表现在以下几个方面：以往的教育游戏大都是运用鼠标键盘进行操作的，在低年龄段学习者使用的过程中，儿童对于鼠标键盘操作不熟练或有设备恐惧，使用起来有一定的障碍；教育游戏的增强现实感不强，无法将虚拟的物体与现实世界融为一体，低年龄学习者无法集中注意力将全部精力投入到情景之中；简单的人与屏幕的交互，学习者无法融入到虚拟的环境之中，以上因素是教育游戏在我国无法发挥其优势的主要阻碍因素。

基于多触点交互技术的智能终端恰好能够弥补鼠标键盘教育游戏的不足，对游戏化数字资源建设提供强有力的支持。多触点技术中文还称为多点触摸、多点触控、多点感应等，英文为Multitouch，是一种允许单个用户或多个用户通过手势与交互界面进行对话的图形交互技术 [1]。触点设备我们并不陌生，即用手指或触摸笔代替鼠标和键盘进行输入操作的同时呈现输出结果的智能终端，银行的自动取款机、交通部门的自动售票系统、图书馆的自助借还书系统等大都运用触控显示屏，具备一定阅读能力的人群即可使用这些触控设备，交互自然便捷，更具备人性化，同时减小了设备空间。而近两年来以苹果公司的iPhone、iPad为代表的多触点交互设备受到各界人士的广泛关注，以其多触点显示屏取代了传统的鼠标键盘等输入设备，较传统的计算机能为用户提供更加自然的交互方式，在触摸屏上进行输入操作后即可呈现输入内容，真实感大大增强，能够为使用者呈现更加真实的交互情景。这种融输入输出为一体的设备为集教育的目的性与游戏的娱乐性为一体的教育游戏等数字化学习资源的建设带来了新的契机。

本文试图将多触点交互技术融入教育游戏中，以Xcode为开发工具设计开发出多触点交互的教育游戏，以期为低年龄段学习者的数字化学习提供支持。

2 基于多触点交互技术的教育游戏创新点

2.1 沉浸感

沉浸感是指人作为人机环境的主导者存在于虚拟环境中的感觉。可以通过物理的方法完成，也可以是一种纯粹的精神状态。[2]基于多触点交互技术的教育游戏允许学习者直接触摸屏幕完成命令，无需中介直接体验到所要了解的虚拟事物，大大增强了学习者的视觉、听觉、触觉等多种感官刺激，营造出一种身临其境的感觉，能够强有力地激发学习者的体验兴趣，全身心地沉浸于学习任务之中。

2.2 感觉反馈

由于低年龄学习者的瞬时记忆时间和容量有限，因此适用于低年级学习者的教育游戏教学目标的设计要求学习者及时反馈感觉信息，若通过中间设备进行人机交互给出的答案可能是有偏差的甚至会完全遗忘掉最初的感知。而“多点触控，直接反馈”是多触点交互技术的最大亮点，这种技术允许学习者提供直接的感觉反馈，直接的交互式反馈使得学习者通过多种感官体验构想现实的虚拟情景。

2.3 交互协作性

多触点交互技术最主要的特点体现在直接交互、多点触摸和多用户体验。[3] 移动智能终端没有繁琐的输入输出设备，多触点触摸屏将鼠标、键盘等输入设备以及显示屏输出设备融为一体，输入信息无需中间设备即可呈现反馈结果，交互自然、便捷。能够接受来自多个触点的输入信息，多触点技术支持多用户同时进行操作，极大地方便了学生之间的协作学习，能够满足多个学生共同合作完成同一学习任务。[4]同时支持多个触摸响应点可以满足用户单手、双手、多人多手操作。当今的青少年面临的是一个开放的合作的社会，不仅要他们学会知识，更重要的是培养在活动过程中参与合作的精神[5]，多触点技术可以满足多个学习者在同一个操作平台展开合作学习，共享资源、分享心得，共同完成学习任务，掌握知识的同时人际交往能力也得到提高。

2.4 高仿真性

在以往的教育游戏中，学习者借助计算机终端完成一定的任务，在游戏内容的设计上内容与游戏结合的过于生硬，学习者缺乏趣味性。而多触点教育游戏允许学习者直接触摸到游戏的仿真对象，多触点交互游戏的高仿真性使其产生前所未有的逼真感，游戏场景更加符合现实世界或者想象的世界，解决了游戏黏度性与教育单调性的均衡问题。

3 基于多触点交互技术的“图形乐园”教育游戏设计与开发

3.1 开发工具Xcode

Xcode是苹果公司向开发人员提供的集成开发环境，用于开发应用程序。[6]支持C、C++、Objective C、AppleScript等多种编程语言，充分满足开发者不同的技术层次。教育游戏要求仿真性高、亲近感强、人机交互自然直观便捷等，而Xcode集成开发环境是一个功能非常齐全的代码编辑器、项目管理器以及图形调试器，具有现代IDE的所有方便性，包括健壮的代码着色、错误报告、代码完成，以及代码折叠功能。只要单击就可以完成应用程序的编译、安装和启动，设备级的调试有助于捕获缺陷[7]，能够为教育游戏开发提供有力的技术支持，弥补以往游戏开发工具对于游戏元素呈现慢、画面形象逼真效果差、3D立体感弱等缺陷。

3.2 案例流程及模块设计

“图形的拼组”是人教版小学数学一年级下册第三单元的内容，本单元是在上学期“认识图形”的基础上展开的，以此为研究内容设计了“图形乐园”教育游戏，通过辨别、分类、摆拼等使学生在轻松愉悦的氛围下进一步体会长方形、正方形、三角形和圆的一些特征，进而提高想象能力和创新能力。

综合教学目标、教学内容、学习者特征以及游戏任务、游戏元素、游戏环节以及奖惩机制之后，笔者从“我会认”、“我会辨”、“我会拼”三个不同难度级别展开“图形乐园”教育游戏的设计及开发。

（1）“我会认”。 第一关“我会认”（界面如图1）的难度最低，教学目标为通过操作游戏复习一年级数学上册“认识图形”这一知识点，能够知道不同图形的名称以及辨认图形，学习者可以独立完成。多触点交互屏幕所呈现的内容分为左部的文字表示区、中部的图形展示区以及右部的实物展示区三个区域。首先，学习者观察多触点屏幕所呈现的图形种类和图形特点；在此基础上学习者单手触控相匹配的文字、图形、实物，也可以双手同时触控达到节省时间的目的。如果连续触控的三个区域描述的是同一种图形，则三个区域的内容同时消失，否则提示“很遗憾，继续努力！”在体验游戏的任何过程中都可以暂停或恢复以及退出系统；最后，触控“下一关”或“退出”，等待系统响应之后即可呈现触控结果。

图1 “我会认”操作界面

（2）“我会辨”。 第二关“我会辨”的难度较第一关稍有增加，学习者可以在教师的指导下进行也可以多个学习者协作完成同一个任务，操作熟练的学习者亦可指导其他学习者完成任务（界面如图2所示）。此模块的教学目标为：培养学生观察能力；初步建立不同事物的分类模型。游戏化学习过程为：学习者观察中部区域的图形及实物将其进行归类处理，拖拽到相应的区域中，在此基础上触控“提交”按钮，系统自动处理提交结果，多触点终端将会在最短时间内给出反馈结果。

图2 “我会辨”操作界面

（3）“我会拼”。 最后一关“我会拼”是最高级别的关卡，学习者以小组形式协作完成，本关的教学目标是在上两关图形识别的基础上设计开发的，要求学习者通过摆、拼、接等方式掌握图形的特征以及感知所学图形之间的联系，培养学生合作探究能力及创新意识，使学生理解“数学源于生活，用于生活”的含义，激发学习兴趣。具体设计如图3所示。主要思路是在界面中展示一个卡通建筑的图案轮廓，学习者将图形库中已学过的图形和不规则的图形按照图案样图拼接到对应的位置，如果拖拽的图形与目标位置对应则图形粘附在目标位置，若与目标位置不相符则自动返回到图形库里。所有的图形都粘附到目标位置后游戏结束并根据所用时间给出相应的分数。如果在规定的时间未完成任务，则提示重新开始游戏。

图3 “我会拼”操作界面

3.3 游戏实现的核心多触点事件

在 Xcode集成开发环境中开发多触点游戏支持触摸事件和运动事件。触摸事件是基于多触点模型的，指手指碰到屏幕或者在屏幕上移动，用户不是通过鼠标和键盘而是通过触摸屏幕的设备来操作对象、输入数据以及指示自己的意图。[8]当用户以特定的方式移动设备时就会产生运动事件，“图形乐园”游戏没有涉及到运动事件，因此对此不作过多介绍。

在Xcode为开发环境、Cocoa为开发框架中，主要的触摸对象类是UITouch， UITouch包括window、view、tapCount、timestamp、phase五个属性[9]，phase是UITouchPhase类型的，这是一个枚举配型，包含了UITouchPhaseBegan（开始触摸屏幕）、UITouchPhaseMoved（触摸屏幕后接触点移动）、UITouchPhaseStationary（接触点无移动）、UITouchPhaseEnded（触摸结束）、UITouchPhaseCancelled（触摸取消）五个对象。各属性、对象的意义及“图形乐园”各模块所涉及到的phase属性如表1所示。

4 结语

多触点交互技术与教育游戏相结合必将丰富教育领

域的游戏化学习资源，势必成为数字化学习资源建设的发展趋势之一，已受到业界人士的广泛关注，但是新技术应用于教育领域需要一定的时间，基于多触点交互技术的教育游戏将不会完全取代鼠标键盘操作的教育游戏而是成为其有益补充，以共同满足不同的学习者在不同的学习环境下人机交互方式的需求。多触点交互技术在教育领域发展前景广阔。