基于多點觸控技術的游戲化學習系統設計

[摘要]由于同一屏幕上的多人操作可以增加游戲化學習的效果，因此近年來關于該方面的研究不斷增多，而多點觸控就是一項可以實現此目標的技術。文章首先介紹了多點觸控技術并論證了其對游戲化學習的有效支持，在此基礎上詳述了利用該技術進行游戲化學習系統設計的過程，最后展示了一個教學應用案例，為開展相關研究提供借鑒。

[關鍵詞]多點觸控；游戲化學習；Adobe Flex

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]B [論文編號]1009－8097(2011)10－0098－04

隨著微軟Surface概念電腦、蘋果公司iPhone手機、Windows 7操作系統的紛紛問世，多點觸控技術得到了廣泛應用與發展，成為當前最受市場矚目的焦點技術之一。多點觸控技術帶來的人機交互變革，不單是使用各異的手勢直接對屏幕上的對象傳遞指令，更在于通過同時接受多點信息輸入的方式支持多用戶交互操作，將多用戶共享的交互體驗帶到了一種全新的高度。

雖然多點觸控技術發展迅速，但是在教育領域上的相關研究卻相當有限，其教育價值還遠遠沒有得到開發。因此本文以游戲化學習為切入點，嘗試利用多點觸控技術進行游戲化學習系統設計，實現多人同時操作，進而活躍課堂氣氛，提升課堂教學實效。

一 多點觸控技術

多點觸控技術可以追溯到1982年，多倫多大學開發出了第一個手指壓力多媒體觸摸顯示屏。同年，貝爾實驗室發表了第一篇討論觸控屏幕界面的論文。Buxton等人在1986年進行了兩組實驗，分別完成了定位／縮放、導航，選擇的任務，得出雙手并行操作程度的合理增加能提高操作者工作效率的結論。在2006年的TED研討會中，紐約大學JeffersonYHan教授向眾人演示了他們在多點觸控應用上的最新進展，這次演示讓多點觸控技術大放異彩，受到了業界的高度重視。

1 觸控的含義

長期以來，鼠標、鍵盤一直是人們輸入信息的主要方式。而觸控手勢作為一種自然的人機交互方式，更加符合用戶的認知，提高了交互的自然性，用戶再也不用因為進行某項操作而去費力尋找電子設備周邊的工具或按鈕。這種操控方式可以讓用戶直接掌控強大的操作系統和應用程序，讓視覺和觸覺完全達到一致，滿足人們“所觸即所得”的交互要求。

2 多點觸控技術

多點觸控(Multi-Touch)又稱多點觸摸、多重觸控、多點感應、多重感應等，是指借助光學和材料學等技術，構建能同時檢測多個觸點的觸控平臺，使得用戶能夠運用多個手指同時操作實現基于手勢的交互，甚至可以讓多個用戶同時操作實現基于協同手勢的交互。多點觸控技術的工作過程主要分為兩步，一是同時采集多路多點觸控信號，二是對每路信號的意義進行判定，也就是所謂的手勢識別，從而實現屏幕識別人的五個手指或多人同時做的觸控動作。

相對于每次只能識別一個手指感應的單點觸控模式，多點觸控整合了人機交互技術(如手勢、手繪軌跡辨識技術)與硬件設備(如桌面、觸控板)，在操作方式和體驗感上都要優于傳統的單點觸控，而且人機互動感更強。目前，多點觸控技術多被應用于電視讀報、樓盤展示、博物館介紹、會展等商用顯示和觸摸市場，與之相比，教育市場尚未形成主流的應用內容支持系統。

二 多點觸控技術對游戲化學習的有效支持

在各種多媒體教學形式中，游戲是最吸引人的教學方式之一。游戲化學習的主要特點是：規則、目標和目的、結果和反饋、沖突、互動和故事的代表性。近些年的實踐表明，游戲和教學相結合的成效顯著，但仍然存在不足：第一、游戲中無法產生真實的情感：第二、不能擺脫鼠標鍵盤等第三方工具的機械控制；第三、無法實現多人同時參與，因為只有一個鼠標。在多點觸控技術支持的教學環境下，以上問題都迎刃而解了。多點觸控技術讓他們能夠以真我面對彼此，成為相互支持的學習伙伴。由于操作方式更加簡易，學生互動的難度降低，游戲中的目的性、直觀性也更加明確，因此將多點觸控技術應用于游戲化學習具有顯而易見的優勢。具體來說，多點觸控技術對游戲化學習的有效支持主要體現在以下幾方面：

1 多種感官并用，有效提升游戲化學習的沉浸感

沉浸感是教育游戲領域的核心概念之一，指學習者利用視覺、聽覺、觸覺所獲得的“身臨其境”的感受。在已有的視聽情境下，多點觸控技術允許學習者觸摸到直觀的模擬物體，及時觀察到問題執行的結果，學習者在虛擬環境中作為主角的真實程度大大增強。因此，多點觸控為創設多感官的、真實的、高沉浸感的學習環境提供了很好的技術和情景支持，是激發和強化游戲化學習的強效活動平臺。

2 豐富的觸控手勢，促進知識的轉化與吸收

多點觸控的手勢包括單指或雙指平移、雙指縮放、旋轉等，每個學習者都有機會實際操作游戲化學習的內容，有利于全方位了解對象的特征。利用這些豐富的手勢，多點觸控技術可以衍生出生動的知識表征形式，而這些形式越是逼真，學習者在心理上就會越更愿意把握這些學習機會，對各種媒體材料進行接收、加工、鑒別與分析就會越容易，進而促進知識的轉化與吸收。

3 多熱點響應，有效支持多人同時操作

在以往的游戲化學習中，學習者借助個人計算機終端與他人共同完成一定的任務，但是這樣單純線上的溝通缺乏面對面的真實感，影響集體智慧的發揮。由于多點觸控技術具有多熱點響應的特質，因此學生有了面對面共同操作的平臺，在群體學習中可以獲得他人的幫助，透過彼此相異的觀點去分享知識。與此同時，這種操控模式還蘊含著高效的管理機制，一些自控能力差的學生也因更多的交流而從同伴身上找到學習模范與認同感，進而自覺監控自身行為，積極地貢獻自己的觀點。

4 增強教師的能動性，有效拓展游戲化學習的研究視角

教師是教育信息化乃至技術整合的關鍵因素，也是教育變革的自主行動者(autonomous agent)，因此有必要拓展研究的視角，即探究教師在游戲化學習中如何發揮作用。多點觸控技術使教師有了充分表達教學思路的平臺，幫助教師實現游戲化學習的預備和點評環節。教師可以直接在觸摸屏上對各種文本信息、圖片實時點評批注、修改及繪畫編輯，并對需要突出的內容加以放大顯示，提供更為直觀的視覺效果。通過這些操作，教師不只是通過學生玩游戲來期待教育效果，而是充分調動自身的能動性，使游戲化學習更加吸引學生。

三 基于多點觸控技術進行游戲化學習系統設計

1 系統設計目標及架構

由于Windows 7操作系統內置了對多點觸控技術的支持，因此本研究將Windows 7作為平臺設計一個具有教育意義的游戲化學習系統。本系統的設計目標是：學生在一定的游戲化學習策略的指導下，對游戲中的各種多媒體文件同時進行操作，多個觸控單元得到系統響應及處理，從而完成游戲中規定的學習任務。

基于多點觸控技術的游戲化學習系統架構分為三部分：

(1)硬件設備

指支持多點觸控的觸摸屏，常見的觸摸屏技術根據感應原理的不同可分為表面聲波式、電阻式、表面電容式、投射電容式和光學式五種。在多點觸控技術方案中，投射電容式和光學式的可行性較高，手勢檢測識別的準確率較高，因此應用廣泛。

(2)軟件技術

Windows 7上開發多點觸控應用程序的技術有很多，目前較流行的開發工具為Microsoft的Silverlight、WPF以及Adobe Flex。由于Adobe Flex基于其專有的Flash平臺，具有使用矢量圖形、廣泛支持多媒體、延遲實例化等特點，涵蓋了支持RIA(Rich IntemetApplications)開發和部署的一系列技術組合，因此從游戲制作的角度考慮，本研究使用AdobeFlex作為開發多點觸控應用程序的工具。

(3)游戲化學習策略

開發過程中需要考慮到各種游戲化學習策略，增加學生的學習動機與學習成果。比如設定的任務首先要具有一定的復雜性，必須全組成員通力合作才能做好；為玩家設立最終目標，可以是分數的排行、任務的完成。在課堂教學過程中，教師和學生圍繞共同的游戲化學習目標、任務聚在一起，在平等參與的意識下，彼此敞開心扉、相互接納，共同致力于知識的習得和任務的解決，在相互影響中作為一個整體共同發展。

2 系統工作流程

系統工作流程如圖1所示：學生在游戲化學習策略指導下對多點觸控硬件設備(以Win7系統為支持)進行操作，輸入的觸控信息被傳遞給了應用程序(即游戲)，之后Flex的輸入核心API對觸控信息進行分析，調用相關的應用程序代碼并做出響應，最后將處理結果反饋至多點觸控硬件上。

3 主要技術實現

(1)開發環境要求的軟硬件配置

操作系統：Microsoft Windows 7，支持多點觸控。

所需軟件：Flex 4.0 SDK、Flex Builder 3.0、Air 2.0 SDK、Air 2.0 Runtime與Flash Player 10.1以上。

(2)安裝過程

第一步，分別安裝Flex Builder 3.0、AIR 2.0 Runtime、FlashPlayer 10.1。

第二步，找到Flex的安裝目錄：Program File／Adobe／FIexBuilder3／SDKS，新建名為4.0.0 with air2的文件夾，將Flex4.0SDK解壓縮后放至于此文件夾中。

第三步，將AIR2.0 SDK中的所有文件復制并取代4.0.0 with air2文件夾中的文件。

第四步，打開FlexBuilder 3.0，選擇Window→Preference→Flex→Installed Flex SDKs，瀏覽找到Flex的安裝目錄，選擇并加入Flex 4.0 SDK，將Flex 4.0指定為預設SDK。

第五步，新建項目，選擇Runs inAdobe AIR后即可開發多點觸控游戲。

(3)在Flex中開發多點觸控

在Flex中開發多點觸控主要用到AIR SDK Library中的三個API：TouehEvent、GestureEvent與TransformGestureEvem。其中TouehEvent的主要作用是監聽觸控信息，GestureEvent與TransformGestureEvent的主要作用是處理手勢事件。

TouchEvent包括了各種觸控事件指令，當對象上發生Touch滑入、滑出事件時，通過TouchEvent這個API可監聽屏幕上是否有觸控事件的發生，一旦判斷有事件發生，就開始執行相關的動作指令，表l為具體的指令與功能說明。TOUCH_BEGIN指開始觸控到屏幕，TOUCH END是離開屏幕，TOUCH_TAP是手指輕敲屏幕，TOUCH_MOVE為手指在屏幕上移動；此外TOUCH_OVER等其他四個指令是針對具體對象的。其中TOUCH_OVER與TOUCH_ROLL_OVER的不同之處在于TOUCH_OVER對所有相似對象都有作用，而TOUCH_ROLL_OVER只對某一對象有作用；TOUCH_OUT與TOUCH ROLL OUT的區別與此相同。

GestureEventNTransformGestureEvent這兩個API程序可獲取屏幕上是否有手勢事件發生，確定有事件發生則執行相關的動作指令。GestureEvent為手勢事件，如Gesture Two Finger_TAP是兩指輕敲屏幕；TransformGestureEvent為變形手勢事件，如GESTURE PAN是在屏幕拖曳的手勢，GESTURE SWlP是在屏幕上拍打的手勢。GESTURE ROTATE和GESTUREZOOM是最常用的變形手勢事件，即旋轉手勢與放大縮小手勢。旋轉手勢為兩指放置于屏幕上，一指不動、一指于屏幕上繞圈旋轉，類似圓規畫圓的動作；放大縮小手勢為兩指在屏幕上同時向外移動實現放大或向內移動實現縮小。

四 應用案例與分析

“電壓表的正確使用”是人教版初中物理八年級下冊第六章第一節的內容，是進一步學習其他電學概念以及電學規律的基礎，因此本研究以此為主題，設計了《大家選一選》的游戲化學習系統，系統界面如圖2所示。在此游戲中，學生必須牢記電壓表的正確連接方法，確認電壓表與被測物體并聯，最終分類排列好測支路電壓與總電壓的電路圖。

本案例通過兩個學習小組對戰式的游戲化學習策略，挑戰游戲中設定的任務，使用的硬件設備是50時的多點觸控面板，能同時響應3－6個人的操作。游戲化學習的過程為：首先，學生觀察觸控畫面所出現的電路種類，拖拽出正確的電壓表連接圖；在上一步的基礎上，兩個學習小組分別選擇并拖拽出測支路電壓與總電壓的電路圖；最后，觸控“確定”按鈕等待系統響應，判斷學生選取的結果，最終完成學習目標。

游戲中主要響應的多點觸控事件有：

(1)學生手指開始控制屏幕，TOUCH BEGIN事件開始響應；

(2)屏幕上光標隨著學生手指開始同步移動，TOUCH MOVE事件響應；

(3)屏幕上光標隨著學生手指選取對應的測支路電壓與總電壓電路連接圖，TOUCH TAP(輕敲)事件響應；

(4)屏幕上光標隨著學生手指拖拽目標電路連接圖并按所屬類別排列，GESTURE PAN(拖拽)事件響應；

(5)屏幕光標隨手勢移動到“確定”按鈕位置時，TOUCH OVER事件響應。

新課改的一個重要方面就是改變課程過于注重知識傳授的傾向，強調形成積極主動的學習態度，使獲得知識與技能的過程成為學會學習和形成價值觀的過程。本案例將教學目標融入到游戲中去，在學習效率及吸引力上，均可產生更好的效果。利用多點觸控技術，學生通過彼此的交流、競爭親身參與游戲，增強了團體意識，培養了協作精神和人際交往能力，實現輕松愉快而高效的學習。

五 結論

游戲化學習作為教育領域的發展趨勢之一，受到了人們越來越多的關注。將多點觸控技術應用于游戲化學習系統設計，實現了學生與課堂教學過程游戲化互動的目的，為進一步研究教育信息化時代課堂教學的形式提供了新的思路。

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