基于虛擬現實的科普游戲設計*

顧漢杰

（浙江樹人大學 信息科技學院，浙江 杭州310015）

基于虛擬現實的科普游戲設計*

顧漢杰

（浙江樹人大學 信息科技學院，浙江 杭州310015）

傳統平面媒體的科普教育效果不佳，無法滿足互聯網+時代年輕用戶的視聽需求。基于虛擬現實的科普游戲案例，可將虛擬現實與游戲的媒體優勢合二為一。本研究采用野外求生作為科普教育案例的內容題材，基于Mihalyi Csikszentmihalyi的心流理論，設計開發基于虛擬現實的科普游戲案例。游戲案例的設計包含游戲概念原型設定、游戲背景設定、游戲劇情設計、游戲任務設計、游戲關卡設計，形成游戲性與教育性的融合樣式，并通過游戲平衡技巧維持用戶學習動機，以及設計合理的游戲交互機制引導用戶快速融入沉浸。游戲案例的開發采用3dsMax進行三維建模，Unity引擎進行虛擬現實開發，構建支持Web等多個平臺的游戲應用，為科普教育在網絡宣傳等方面提供一種設計范式。

虛擬現實；科普游戲；Unity；沉浸；動機維持

一、引言

我國人口基數龐大，科普意識薄弱，體現在對微信朋友圈等社區中傳播謠言的輕信，網絡的快速轉發率對社會造成了極大的隱患，科普教育亟待加強。作為信息時代的年輕用戶，更需要普及科學意識。然而，目前對于科普教育的傳播仍然停留于平面載體，如社區公告亭張貼、宣傳單分發等，缺乏立體化的現場感染力，實際效果不理想。眾所周知，游戲是一種深受全年齡段用戶喜愛的媒體，而虛擬現實技術則讓游戲沉浸體驗再獲提升，應用其媒體視聽優勢有望加強科普教育的教學效果。

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）概念上世紀80年代由美國的Jaron Lanier所提出，指的是由計算機構建的對真實世界或現象的模擬。隨著Oculus Rift等消費級虛擬現實設備的推出，虛擬現實重新成為市場的關注熱點，Facebook、三星、SONY等大型科技公司大力研發虛擬現實應用，尤其是虛擬現實游戲，2016年由此被稱為“虛擬現實元年”。目前，虛擬現實已經被應用于教育、培訓、文化等領域，如教育平臺Unimersiv設計了羅馬競技場、乘坐宇宙飛船探索太陽系等虛擬現實案例，通過沉浸感教學將最枯燥的課題變得生動，獲得良好反響[1]。根據Digi-Capital預測，虛擬現實軟硬件市場規模將達到1500億美元，未來5年將實現超高速增長，虛擬現實依托移動互聯網等優勢呈現巨大發展潛力[2]。基于上述背景，本研究以野外求生作為科普教育內容題材，提出采用虛擬現實技術構建一款支持包括Web在內主流平臺的科普游戲案例，闡述虛擬現實與教育游戲載體結合的方法，以此作為互聯網+時代科普教育宣傳新范式。

二、理論基礎

本研究的游戲案例基礎理論為Mihalyi Csikszentmihalyi的心流理論（Flow Theory，有時也稱沉浸理論），心流（Flow）是一種在活動中因意識投入情境而進入到忽視其它知覺的愉悅狀態。研究表明，心流的產生，可通過調整游戲情境中的挑戰與能力以影響用戶心理狀態偏離焦慮與厭倦區，靠近心流區所激發[3]。

有別于常規媒體設計，虛擬現實游戲中的挑戰與能力，主要是經由虛擬現實3i特征 （沉浸：Immersion，構想：Imagination，交互：Interaction）調整實現。當今虛擬現實的優勢在于沉浸（Immersion），可幫助用戶快速構建對虛擬環境的認知，是獲取心流的必要前提。基于虛擬現實的科普游戲首當需要考慮虛擬環境的真實程度，三維建模正是還原對象特征的優先選擇，可有效連接用戶行動與知覺，這也是目前絕大多數虛擬現實應用的首選呈現方式。構想（Imagination）體現設計者的創造思想，交代游戲的世界觀，在科普游戲中表現為當前知識內容的性質、意義、因果、參照等客觀事實。沉浸與構想的設計，加速了用戶對于科普游戲案例的熟悉過程，有利于沉浸階段中的目標設立。交互（Interaction）反映游戲的人機交互理念，是沉浸持續發生的重要階段。在科普游戲設計中，利用游戲的天然優勢——快速反饋保持用戶注意力的集中，并通過設計趣味性的游戲任務保持用戶參與動機的持續，同時在任務中設置與能力相平衡的挑戰以促進行動與意識的融合，引導用戶進入沉浸從而激發心流[4]。

三、游戲設計流程概述

基于虛擬現實的科普游戲的設計流程如圖1所示，分為設計、開發、應用三個階段。設計階段包含概念創意、游戲背景設定、游戲劇情設計、游戲任務設計、游戲關卡設計等，這部分工作由整個游戲團隊共同參與討論，并由游戲策劃人員將游戲設計思想編寫為游戲腳本，方便游戲團隊了解游戲的各個組成部分與游戲的分解，并制訂開發計劃，其重點關注游戲內容與教學內容融合。開發階段包含游戲三維建模、游戲程序開發等工作，由專門的美術人員、建模人員、音頻設計人員、編程人員等負責，致力于整個游戲程序的開發實現。應用階段包含游戲測試與推廣應用，分別由測試群體與市場管理人員負責，在游戲測試中通過判斷是否發生沉浸學習決定游戲修改或發布，目的在于保證游戲項目的質量以及順利推廣。

圖1 游戲設計流程

四、游戲腳本設計

游戲腳本（也稱游戲設計文檔），主要用于指導游戲項目的持續性、游戲主題的連貫性以及游戲開發的順利進行[5]。本研究的科普游戲案例腳本設計包含下列步驟：首先，討論決定概念原型，確定游戲的背景設定，保證科普游戲時空背景與現實的一致。其次，設計游戲劇情，創設出野外求生的形象情境，增強用戶的代入感。再次，設計游戲任務，將遇險自救的知識內容分解到各個任務，并與劇情主線走向融合。最后，設計游戲關卡，將自救技能的虛擬現實操作與游戲難度系數進行關聯并趨向平衡，利用互動設計理念優化關卡的人性化操作，以做到對大部分用戶的友好適應。

1.概念原型

本游戲案例的概念原型是，利用Unity引擎開發一款野外自救題材的科普游戲，強調三維場景的真實展示，在虛擬情境的交互練習過程中助其達到沉浸學習。鑒于目前頭盔沉浸式等虛擬現實類型對點擊、選擇等精確交互的不友好，且體感操控、增強現實式虛擬現實則對設備或場地要求較高，較高的成本不利于推廣，與科學普及面向廣大普通用戶的原則相悖；而桌面仿真式只需要普通的個人電腦、較小的物理空間就能夠滿足運行條件，基于上述原因，本案例在游戲模式上主要采用桌面仿真式虛擬現實技術進行開發。

2.背景設定

游戲背景設定主要用于描述游戲世界觀，本案例將其定位于現代時空下的戶外場景事件，主要交代故事的由來、用戶可以在游戲中具備何種程度的能力、世界是怎樣一種物理運行規則等背景，以此匹配用戶對于現代社會野外自救行為的認知習慣。

3.劇情設計

本游戲案例的劇情設定為主角與伙伴在叢林走失，依靠自救技能在叢林內冒險尋找伙伴的故事。敘事采用影視媒體常用的三幕式結構，易于用戶理解劇情。第一幕(Act1)講述游戲主角與伙伴走失，從而深入叢林尋找伙伴，確定了游戲的人物關系、所處形勢以及面臨的主要問題，所占內容比例較少[6]。這一幕主要在于吸引用戶的注意力，盡快將其引入游戲情境。第二幕(Act2)講述主角穿越叢林的密林區、水域區以及村莊，在每個場景地圖內完成自救冒險的故事，確立主角所面臨的主要問題以及與困難做斗爭的事件關系。這一幕作為游戲劇情的展開，占據游戲大部分的內容比例，給予用戶自由，允許其控制自己的虛擬現實游戲體驗[7]。第三幕(Act3)講述主角歷經艱險，成功找到伙伴，為游戲故事劃上結局。這一幕對用戶在游戲過程中的表現進行總結，通過游戲成就的反饋結束整個游戲。其地位相當于電影的高潮，雖然篇幅內容不多，但是對于用戶的沉浸體驗非常重要，可以有效增強或持續激發心流。三幕式設定由于在影視媒體中應用較廣，用戶對其接受度較高，可較好理解游戲情節，便于教學內容的融入。

4.任務設計

與商業游戲有所不同，科普游戲的任務設計除了創設游戲趣味性，還需要兼顧游戲項目的科學性。因此，必須考量游戲性與教育性的融合問題，即游戲任務與科普知識如何有機結合。

在游戲性與教育性融合樣式處理上，本案例的游戲任務應用了“1主線任務+3子任務”的直線型任務結構，與三幕式劇情結構呼應，利于對游戲不熟悉的用戶理解教學內容的闡釋流程；并采用游戲設計中的模糊策略，將科普知識與游戲任務設計為一種“互為彼此”的交融狀態，緩解教學內容融入游戲內容的突兀感。游戲任務在前提上仍然遵循于游戲背景與劇情設定，確保用戶順利按照任務主線進行冒險，而知識內容則通過尋找游戲地圖的物理特征與野外自救知識的性質特征的聯結點將其融入到對應任務，實現樣式如圖2所示[8]，可以看到樹林、水域、村莊等場景內的任務均與相關知識進行聯結。例如，樹林中枝葉密集的物理特性決定其易致人迷路，而如何應對迷路的科普知識包含了指南針的使用、對陌生樹林內毒蛇的防患知識，通過兩者的關聯點將指南針與防蛇知識融入到樹林地圖的迷路任務。采用模糊策劃的好處是，可助科普與游戲主線吻合，避免產生知識點游離于游戲之外的情況，既保證了良好、完整的游戲體驗，又確保科學普及的正確性。

圖2 游戲性與教育性融合樣式

5.關卡設計

關卡作為游戲可玩性體現的環境，擁有分界線，入口與出口，以及一定的目標、開頭與結局等特征，一般包含地形、目標（任務）、情節、對手與NPC（非玩家角色）、物品道具等要素[5]。關卡在本案例中是用以劃分知識單元的重要依據，便于用戶了解自身的學習進度。本游戲案例的關卡設計（Stage）較為明確，以區域地圖為單位，劃分為叢林、水域、村莊三個關卡。每個關卡的目標導向均明確當前任務目標，關卡內的每件道具都與自救技能的練習存在關聯，始終考慮游戲的科普宗旨，如叢林關卡中的指南針道具就是為了鍛煉尋路技能而設置。此外，關卡中的地形、道具、挑戰、難題等資源都是逐漸呈現給用戶，以保持進入下一個關卡的樂趣。

五、游戲平衡設計

在本游戲案例中，游戲平衡的類型屬于玩家用戶/游戲性平衡（Player/Gameplay Balance），為了有效觸發心流，其重點在于調整游戲挑戰難度與用戶能力的相適應，以此提升用戶在游戲過程中的愉悅感，保持用戶的學習動力。具體的平衡技巧有以下幾種[7]：

1.保持設計動機一致性

確保游戲的核心玩法，使之保持科普游戲的純粹性，令游戲特征得到良好控制。若因為過度強調趣味性而加入太多不相關的游戲特征，容易分散用戶的注意力，且影響到科普宣傳目的，如在游戲《植物大戰僵尸》中，設計動機就是對抗僵尸、防衛家園，始終貫徹如一，最終獲得市場肯定。在本案例中，設計動機始終是以科普為導向，野外自救為內容題材，追求虛擬現實帶來的沉浸體驗，特征集小而精煉，游戲任務等各項內容均為保持游戲設計動機的一致性所服務。

2.概率統計

游戲中發生的不平衡現象存在個體性、偶然性，因此需要通過測試人員對游戲程序進行測試分析，確定數據是否存在群體性異常，進而使用數學工具改善原有游戲數值或公式，使之與多數用戶的能力水平匹配。例如，在本案例的渡河任務中，若100名測試人員內有60名均長時間無法完成任務且表現出沮喪情緒，則說明游戲難度可能偏高，需聯系游戲數值策劃、游戲程序員等討論、修改。

3.動態難度調整

游戲動態難度調整指的是依靠游戲系統對用戶的各種行為進行監聽，如用戶的操作方式、行為方式、判斷能力等信息，以此作為用戶的度量標準判斷用戶的能力水平，進而調整游戲的難度，如游戲《暗黑破壞神III》就根據用戶的角色等級自動調整游戲難度。在本案例中，這一措施的關鍵是，需確定環境障礙或威脅的數量、用戶的任務持續時間、任務完成度、操作有效率等參數，以這些參數為基礎構建游戲變量并形成度量標準，配合后臺監控系統即可作出及時的自動難度調整。

4.改善用戶選擇

游戲中存在多種類型的選擇，越靠近上層的選擇對游戲的影響越大。用戶最想要的是在游戲中獲勝，游戲設計者必須為其定制有意義的選擇，即對勝負產生直接或間接影響的選擇，如在游戲《掃雷》中，用戶每一次目標區的選擇都可能對生死結果產生決定性影響，其決策等級較高。在本案例中，對于科普知識傳達及游戲任務結果具有直接或間接影響的用戶選擇會得以保留，以保證游戲的趣味性、戲劇性。其它空洞的、無根據的、無關緊要的選擇都必須摒棄，避免用戶的無意義思考影響沉浸學習。

六、游戲交互機制

心流理論顯示，清晰的目標、及時的反饋等維度都屬于影響心流產生的條件，而這些正是游戲交互機制中的關鍵因素。Werner Wirth等研究者認為，沉浸的發生需要經由用戶在頭腦中形成游戲展示給他們的世界印象，繼而以游戲世界作為自己“在”哪里的參考點，最終獲得空間臨場感（Presence）[9]。因此，良好交互機制的設定也是維持沉浸的重要條件，可減少用戶對游戲的熟悉時間，有利于快速激發心流。結合上述理論，本游戲案例設定如下游戲交互機制：

1.清晰的目標

清晰的目標，要求游戲明確表達用戶參與游戲任務的原因以及要完成的目標要求。通過目標設定，用戶可以有效定位自己在游戲中的角色使命，更好的獲取游戲中的參考點，有助沉浸產生。在本游戲案例中，所設定的目標為主角在叢林中尋找失散伙伴，用戶以此在尋找過程中探索未知的地圖，并清晰表述于游戲的開場動畫內，為沉浸體驗奠定基礎。

2.及時的反饋

及時的反饋，指的是游戲必須就用戶參與的游戲行為給予實時或者幾近實時的清晰、準確的反饋[10]。反饋是電子游戲區別于其它多媒體軟件的最大特點之一，其傳達速度極快甚至密集，內容涵蓋環境狀態、人物狀態、能力狀態、物品狀態、NPC（非玩家角色）狀態、任務狀態等在內的游戲常見狀態。在本游戲案例中，以渡河任務為例，用戶可以實時觀察游戲HUD（抬頭顯視設備）界面所反饋的渡河里程、人物方向、浮力狀態等信息，正確評估自己的能力，掌握任務的完成進度，激勵用戶取得游戲的勝利。

3.信息的關聯展示

Werner Wirth等認為空間臨場感的發生，是經由各種線索形成對虛擬空間感知的定位，從而進行判斷，進入沉浸狀態的心理模型。這個前提是用戶在游戲世界中遇到的（線索）信息應該是有所關聯的，如在本案例中會遇到樹叢下的毒蛇，這種遭遇并不會產生突兀感，用戶只會覺得毒蛇增加了森林的危險性，制造了冒險的沖突感，游戲環境在用戶心中會產生更加立體的印象；但如果樹叢下露出的是“迪斯尼米老鼠”，整個游戲的嚴肅氛圍就會被打破，導致用戶思維可能跳出野外自救的范疇，構建出其它世界觀背景，從而影響到科普游戲的目標與動機。因此，信息的展示設置需要顧及到游戲對象間的關聯，對視覺、因果、行為完整性以及物品對象間的互動作用進行協調，促進臨場的沉浸。

4.操作方法的簡化

Alan Cooper等設計專家認為，面對一個陌生的系統，每個人在一段時間內都是以新手形式存在；隨后遷移到中間用戶，成為大部分用戶的代表，且最為穩定；最后僅有少數中間用戶會轉變為專家[11]。

基于虛擬現實的科普游戲案例，也遵循這種用戶曲線規律，鑒于科普案例的持續使用時間通常小于商業游戲，可以預計用戶層次會停留在新手與中間用戶為主。因此，在游戲進程的初期，通過簡化操作方法，讓新手快速進入熟悉階段，并助其無痛苦的成為中間用戶，具體措施有同時支持鼠標左鍵單擊行走與鍵盤 （WASD鍵）控制四向行走，支持滾輪縮放視角、右鍵選擇視角、任務自動尋址等為用戶普遍認可的三維游戲操作。在游戲進程的中后期，為穩定的中間用戶優化操作體驗，具體措施有設置易被發現的導航與功能交互區，提供側邊、半透明、自動移除等形式的工具提示條，永久支持調用的操作幫助界面等。通過上述操作方法的簡化，可保證大部分用戶對于游戲案例不存在使用障礙，有效增加新手成長為中間用戶的信心。

七、游戲程序開發

游戲程序的開發實現主要包含兩部分，首先采用3dsMax進行三維建模，再使用Unity引擎開發與發布游戲程序。期間所用到的媒體素材則由專門多媒體軟件設計實現，如圖片采用Photoshop設計，音頻采用Audition設計。

1.3dsMax三維建模

本案例中的游戲角色、物品道具、植被建筑等對象均采用3dsMax進行建模。物品道具與簡單的建筑主要采用內置模型建模，使用基本幾何形體和擴展幾何形體快速實現。相對復雜的植被建筑采用復合對象建模，對基本模型對象進行合并與修改，采用變形、連接、地形、散布等方法構建。對于最為復雜的人物、動物等模型，采用網格建模法對其設計，主要從頂點、邊和面進行精細化編輯；其中部分復雜的布線（如臉部），借助Photoshop繪制二維參考圖導入3dsMax作為底圖，實現三維布線繪制。最后，使用UV貼圖方法進行貼圖，VRay插件進行渲染，完成模型的設計工作。

2.Unity游戲開發

Unity引擎是Unity科技公司開發的支持三維虛擬現實、三維游戲等互動內容的綜合性開發工具，兼容Windows、Mac、iOS、Android、WebGL等21種主流平臺，開發周期短，對虛擬現實支持良好，極為適合作為開發科普游戲案例的首選平臺。

本案例的Unity開發流程如圖3所示，包含場景繪制、參數設置、C#編程、美化渲染等工作。

圖3 Unity開發流程

首先，導入模型、音頻、UI(User Interface)等素材文件，做好分類管理。其次，創建Terrain對象，繪制地形，設置材質紋理，并將植被、建筑等模型插入到場景，通過調整參數完善地圖外觀。接著，按照角色、NPC、物品道具等門類，插入到場景中對應位置，以及添加碰撞體，為角色各類動作設置動畫。然后，為全局事件、動作事件等編寫C#腳本，綁定到場景中的指定對象，具體包含角色的視角控制、角色的移動、角色與任務對象的碰撞交互、UI組件的數據顯示、游戲成就記錄保存等，實現游戲案例中的各種交互功能。其中，應用Unity自帶的Nav Mesh Agent組件，對地圖對象進行烘焙與設置行走區，為角色與NPC等對象在碰撞半徑范圍的自動響應觸發，以及實現標記節點的自動追蹤等智能功能提供支持，提升游戲的人工智能。此外，值得一提的是對于人稱視覺的統一化設計以及交互操作的簡化，可為引入Google VR SDK預留接口，若頭盔顯示器條件足夠成熟，只需要將主攝像機添加Google VR SDK的Stereo-Controller組件即可創設立體視覺。最后，為場景添加粒子特效、天空盒，渲染美化視覺，發布為支持Windows、Mac OS、Web等主流平臺的應用程序，可直接本地運行或依托Unity Web Player在瀏覽器中解析運行，保證程序的強大兼容性。最終效果如圖4所示。

圖4 科普游戲案例的截圖

八、結束語

虛擬現實與沉浸的交集歷來是用戶關注的焦點，在2016年更是掀起市場熱潮，本研究即基于此背景，采用Unity引擎開發基于虛擬現實的游戲案例，將其應用于科普教育領域，豐富原有的科普教育資源，提升教學效果。優秀的游戲設計，可以更好地發揮虛擬現實技術的優勢，有助用戶達到沉浸、激發心流。

展望未來，科普游戲的創新方向也許是與虛擬現實、增強現實的混合應用，如將本案例中的迷路任務進行增強現實設計，可用手機攝像頭掃描印有指南針的照片，屏幕立刻呈現三維指南針模型的虛擬現實交互操作，在身臨其境的基礎上更易克服眩暈這一典型問題，突破教育游戲的技術普及型問題，這值得教育游戲設計者去實踐研究。

[1]Andrew T.7 Unexpected virtual reality use cases [EB/OL].https://techcrunch.com/gallery/7-unexpectedvirtual-reality-use-cases.

[2]Manatt Digital Media.The reality of VR and AR [EB/OL].http://www.manattdigitalmedia.com/reality-ofvr-and-ar/.

[3]陶侃.沉浸理論視角下的虛擬交互與學習探究——兼論成人學習者“學習內存”的拓展[J].中國遠程教育,2009 (1):5-15.

[4]王永固,張婷,李瑋等.基于心流理論的教育游戲設計框架要素研究——以特殊兒童言語學習游戲為案例[J].遠程教育雜志,2014(3):97-104.

[5]黃石,李志遠,陳洪.游戲架構設計與策劃基礎[M].北京:清華大學出版社,2010:229-232,147-155.

[6]悉德·菲爾德.電影劇本寫作基礎[M].北京:世界圖書出版公司,2012:120-128.

[7]余慶年.游戲設計基礎教程[M].武漢：武漢理工大學出版社,2009:98-104,141-143.

[8]顧漢杰.基于模糊策略的教育游戲設計[J].浙江樹人大學學報,2009(3):1-5.

[9]Jamie M.The psychology of immersion in video games[EB/OL].http://www.psychologyofgames.com/2010/ 07/the-psychology-of-immersion-in-video-games/.

[10]胡沫.交互設計對游戲沉浸感的影響[D].杭州：浙江大學,2011:23.

[11]Alan C,Robert R,David C.About Face 3交互設計精髓[M].北京：電子工業出版社,2014:31-36.

（編輯：魯利瑞）

G434

：A

：1673-8454（2017）10-0092-05

本文系浙江省文化廳文化科研項目“基于三維虛擬現實的科普游戲設計研究”（編號：zw2016039），浙江樹人大學教學方法改革項目“游戲驅力教學模式在《數字媒體設計案例》課程應用研究”（編號：2015JA1008）研究成果。