基于可復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)教育游戲框架

摘 要：為了解決教育性游戲中人工智能的可復(fù)用性的問題，我們通過總結(jié)、抽象教育游戲中的共性的組件模塊，提出“基本教育游戲框架”，并詳細(xì)說明它的組成部分以及各部分的作用。同時(shí)我們還詳述了怎樣平衡教育性和娛樂性。此外為了證明這個(gè)模型的正確性，我們在三維游戲引擎“Unity”中創(chuàng)建了一個(gè)導(dǎo)游人工智能系統(tǒng)。通過實(shí)例分析：在教育性游戲中，使用“基本教育游戲框架”，可以很容易組成一個(gè)適合針對自身游戲的人工智能系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：教育游戲；可重用性；Unity

1 引言

游戲作為生活中的常用詞語，卻很難給出確切的定義，因?yàn)樗诓煌恼Z境中表達(dá)著不同的意思。我們可以通過英文游戲進(jìn)行解釋，play game：play泛指游戲，在更廣的意思上，作為名詞的play可以泛指活動(dòng)，相當(dāng)于activity；game則指社會(huì)性的（有組織、有規(guī)律并通過競技性的）游戲。而教育游戲是一種遵循游戲機(jī)制，制備一定可玩性、趣味性并達(dá)到一定的教育效果的活動(dòng)[1]。通過對多個(gè)教育游戲進(jìn)行對比，我們發(fā)現(xiàn)，有一些基本的概念反復(fù)的出現(xiàn)，以此我們認(rèn)為它們是一個(gè)教育游戲的基礎(chǔ)和核心。理解這些概念，以及明確這些概念之間的關(guān)系，可以防止游戲開發(fā)者重復(fù)發(fā)現(xiàn)這些概念，同時(shí)對于他們組建一個(gè)新的高質(zhì)量的教育游戲有著很大的幫助。在論文的第二部分，我們將要討論這些關(guān)鍵概念的功能，以及它們之間怎么相互作用組合成基本的游戲框架。在文章的第三部分，我們給出了實(shí)例化游戲的基本框架，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Unity3d游戲引擎的虛擬導(dǎo)游系統(tǒng)。第四部分，給出了全文的總結(jié)和展望。

2 教育游戲的基礎(chǔ)框架

在第一部分，我們提到了關(guān)于教育性游戲的基礎(chǔ)框架的一些基本概念。在這一部分中我們將詳細(xì)闡述這些概念的作用，以及它們之間是怎么相互合作，組合成一個(gè)完整的教育游戲基礎(chǔ)框架。最后我們再將這個(gè)教育游戲基礎(chǔ)框架運(yùn)用到教育游戲中。

2.1 教育游戲基礎(chǔ)框架

在教育性游戲基礎(chǔ)框架中，我們會(huì)提及11個(gè)相關(guān)概念：教育環(huán)境，成果，課程，教室，謎題，考試，教科書，教師，障礙，獎(jiǎng)勵(lì)和提示。首先我們討論下每一個(gè)概念的功能。

（1）教育環(huán)境：“教育環(huán)境”是一個(gè)比喻，代表在教育游戲中所有的游戲物體。它的一個(gè)很主要的功能就是為“課程”提供場景，所以我們可以合理的認(rèn)為，“教育環(huán)境”是“課程”的先決條件。同時(shí)“教育環(huán)境”還有一個(gè)重要的功能是它可以為一個(gè)指定的“課程”列出它所需要的先決條件。（2）成果：當(dāng)玩家進(jìn)入一個(gè)教育游戲中時(shí)，去探索每一個(gè)“課程”的相關(guān)領(lǐng)域，學(xué)習(xí)知識(shí)，解答謎題等等，他所操作的過程需要記錄下來。“成果”的作用應(yīng)該是記錄玩家的操作，同時(shí)提供一個(gè)接口以方面查詢。（3）課程：“課程”是最重要的一個(gè)概念，它包含了在教育游戲中一個(gè)獨(dú)立區(qū)域范圍內(nèi)所需要的子物體。由于它包含了太多的概念和功能，所以我們對他進(jìn)行使用或者復(fù)用是比較困難的。（4）教室：“教室”是“課程”傳授的物理區(qū)域。“教室”要提供一些必要的限制，比如玩家需要通過那些必須的“課程”才能進(jìn)入到此教室。“教室”需要具備三個(gè)功能：1）能夠知道玩家何時(shí)進(jìn)入或者離開。2）明確玩家需要完成哪些先決的“課程”。3）知道玩家在先決的課程的操作。（5）謎題和考試：當(dāng)玩家進(jìn)入一個(gè)“教室”，他會(huì)去探索；來發(fā)現(xiàn)離開這個(gè)“教室”的路。但是在路上會(huì)遇到很多的“謎題”。每一個(gè)謎題都是由兩部分組成的：問題和答案。“謎題”能夠判斷玩家輸入的答案和標(biāo)準(zhǔn)答案是否一致，同時(shí)還要做到能夠根據(jù)玩家的動(dòng)作來跟新玩家“成就”。只有玩家解決了在“教室”里一系列的“謎題”，玩家才可以離開。（6）教科書：為了通過“考試”，玩家要有很強(qiáng)的信心來獲取相關(guān)知識(shí)才可以。“教科書”是“課程”所要交的內(nèi)容，也是“謎題”答案所在的地方。“教科書”要做到相對來說要簡單，保持與相關(guān)“課程”的內(nèi)容相關(guān)。教科書的表現(xiàn)形式有很多種，比如普通的文本，問答題，圖片，視頻等等。（7）教師：為了使游戲能夠達(dá)到靈活多樣，“教師”扮演了以一個(gè)特殊的角色，而不是一個(gè)普通的NPC角色，或者可以說他是軟件的一個(gè)接口，任何游戲物體都可以成為“老師”角色，只要它能夠與“教科書”有聯(lián)系。（8）障礙：為了增加游戲的挑戰(zhàn)性，我們可以在玩家的前進(jìn)的道路上增加“障礙”。從本質(zhì)來說，“障礙”就是一個(gè)玩家在物理上一個(gè)限制，比如一個(gè)鎖住的門，一個(gè)陡峭的懸崖，一個(gè)太深的河等等。為了克服這個(gè)障礙，玩家需要滿足一些特定的條件：玩家需要響應(yīng)的游戲物體來克服特定的“障礙”。（9）獎(jiǎng)勵(lì)：如果在玩家能夠在很好完成一段歷程，我們要能夠給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)，以此激勵(lì)。“獎(jiǎng)勵(lì)”本質(zhì)是一個(gè)具備特殊屬性的游戲物體，它可以幫助玩家克服“障礙”。（10）提示：對于新的玩家來說，如果沒有提示的幫助，他有可能在第一次旅行時(shí)會(huì)迷路。因此，我們很有必要為玩家提供一個(gè)提示功能，它能夠幫助玩家顯示他所在的位置，他所要完成的任務(wù)以及下一步該怎么做。

2.2 調(diào)節(jié)游戲的教育性和娛樂性之間的工具

如何調(diào)節(jié)一個(gè)教育游戲的娛樂性和教育性是成功與否的關(guān)鍵。“教科書”是教育游戲的內(nèi)容，也是探索游戲世界的樂趣和動(dòng)機(jī)所在。“謎題”是一個(gè)重要途徑來進(jìn)行引導(dǎo)，同時(shí)也強(qiáng)迫玩家在探索游戲世界時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)一些知識(shí)。“障礙”可以增加更多的娛樂和挑戰(zhàn)，而“提示”卻與之相反，“提示”可以幫助玩家擺脫困境，很之便的簡單。“獎(jiǎng)勵(lì)”不僅能夠使玩家獲得成就感，同時(shí)還是提供克服“障礙”所必須要的游戲物品。

3 教育游戲框架在Unity3d中的應(yīng)用

在第二部分中，我們介紹了教育游戲框架是一個(gè)獨(dú)立于游戲開發(fā)引擎的開發(fā)工具，在這一部分中，我們將教育游戲框架進(jìn)行實(shí)例化，并且應(yīng)用到Unity3d游戲引擎中。

3.1 在Unity3d教育游戲可復(fù)用的腳本

Unity3d游戲引擎為了我們提供組件，可以很方便的以組件的形式進(jìn)行工程組建。為了實(shí)例化教育游戲基礎(chǔ)框架，我們將它進(jìn)行實(shí)例化，應(yīng)用到一個(gè)實(shí)例系統(tǒng)中：導(dǎo)游系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是在虛擬漫游中比較新穎的方面，他不僅可以根據(jù)導(dǎo)游NPC位置不同給予不同的消息響應(yīng)，同時(shí)還可以通過判斷與玩家不同的距離給予不同的響應(yīng)。舉個(gè)例子，當(dāng)導(dǎo)游NPC走到一個(gè)廣告牌時(shí)，可以通過調(diào)用GUI，對展牌進(jìn)行介紹；當(dāng)導(dǎo)游NPC里玩家距離過遠(yuǎn)時(shí)，可以給你玩家一定的提示，要求玩家要跟隨。

3.2 Unity3d路徑動(dòng)畫設(shè)定

在導(dǎo)游系統(tǒng)中，第一個(gè)要解決的問題就是NPC路徑動(dòng)畫問題。例如，怎樣在Unity3d中設(shè)置路徑？NPC怎樣沿曲線運(yùn)動(dòng)？路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)候的消息觸發(fā)，路徑運(yùn)動(dòng)中的碰撞檢測等等。

（1）路徑設(shè)計(jì)。在此工程中，我們運(yùn)用到了Bezier曲線生成算法。首先我們介紹一下Bezier曲線。Bezier曲線用一句簡單的話說就是用給定的離散的點(diǎn)，生成一條平滑的曲線。同時(shí)這條Bezier曲線具有如下性質(zhì)：端點(diǎn)性質(zhì)，即曲線過兩端點(diǎn)；凸包行，Bezier曲線完整的落在控制點(diǎn)所圍成的多邊形內(nèi)；對稱性，即由Pi與Pn-i組成的曲線，位置一致，方向相反；Pn （t）=（1-t）Pn-1（t）+tPn-1（t）。其生成示意圖如表1所示。

圖1 四階Bezier曲線（2）NPC沿曲線切線運(yùn)動(dòng)。雖然我們已經(jīng)能夠確定物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，但是我們還沒有明確物體怎樣沿著曲線運(yùn)動(dòng)。一般來說，我們都只沿著曲線的切線方向來運(yùn)動(dòng)，即規(guī)定好物體的正方向，一般為Z軸方向，沿著曲線的每一點(diǎn)的切向方向?yàn)檎较蜻M(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這樣的好處是能夠保持物體始終正面運(yùn)動(dòng)，這樣也符合人們的認(rèn)識(shí)邏輯。