基于VR技術的計算思維教育游戲的設計

張妮

摘要：該研究通過設計基于VR技術的計算思維教育游戲，使得學生使得學習者在VR創設的虛擬的游戲環境中產生身臨其境的感覺，學習者全身心投入并積極參與、嘗試去發現問題并解決問題，并能夠把利用信息技術解決問題的過程遷移到現實生活相關問題的解決過程中。通過不斷的嘗試并接受系統反饋進行改進，最終形成新的認知。在完成游戲系統設置的任務的過程中提升自身的計算思維能力。

關鍵詞：VR;虛擬現實;計算思維;教育游戲

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0231-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著互聯網+時代的來臨，教育信息化的程度也在不斷提升，計算思維已成為大眾所熟知的思維方式之一，隨著互聯網與教育的疾速融合發展，計算思維的培養需要更加多元化的思考。本研究創新地將計算思維、教育游戲、虛擬現實進行巧妙的設計融合，嘗試提出計算思維培養策略的一種新思路，為之后計算思維領域的研究者們提供參考和借鑒。

1 教學內容分析

1.1 計算思維分析

2017年出臺的信息技術新課標指出計算思維是指采用計算機相關的學科方法定義問題、抽象特性、構建模型、合理分析數據;通過分析、組織各種資源，利用相關算法形成解決問題的設計方案;總結解決問題的最佳方法，并將之遷移到相關現實問題的解決中。計算思維具體表現為解決實際問題過程中的形式化、系統化、模型化、自動化[1]。

1.2 游戲設計分析

1）游戲背景：本研究的研究案例來自ISTE和CSTA提出的培養中學生計算思維的交通擁堵案例，筆者對該案例進行了適當改編。

案例描述：某高中門口只有一條路、一個入口可以進入學校，門口的這條必經路形成了一個“T”字形，各種車輛經左轉或右轉進入該車道，但是該車道上沒有交通信號燈、標志、指揮員，在車輛高峰期造成了嚴重的交通堵塞問題。同學們對于交通堵塞的原因有以下的看法：學校擁有大量的學生、學校只有一個入口、學生的特殊行為、學校的活動安排等。這些原因均可以作為游戲變量參與到后續游戲的設計中。

2）游戲界面：T字形路口的模擬3D圖像，設置三種不同的紅綠燈時長：30秒、45秒、60秒。

3）挑戰目標：學生的車輛模型是否能在規定的時長內通過T字形路口。該游戲共設置三個關卡，每一個關卡都有不同的障礙阻礙學生操作的車輛模型在規定時間內通關。三個關卡的障礙是逐漸增加的，紅綠燈時長是逐漸減少。玩家靈活運用所掌握的知識經驗通過限時競技的方式完成游戲中設置的挑戰任務。

4）可能出現的場景：目標車輛需不斷躲避對向行駛來的車輛，不能相撞;道路上有不同形狀、大小的路障，需巧妙躲避;路口交通指揮員會把目標車輛模型攔下，只有回答正確交通指揮員的問題，才能接著行駛。

交通擁堵情境下的思維訓練小游戲所包含的計算思維能力與2017年出臺的信息技術新課標中對于高中生計算思維能力的要求是契合的。筆者設計這個計算思維教育小游戲是希望學生學會用信息化手段解決問題，了解條件判斷、順序結構、并行等算法思想，并能夠把利用信息技術解決問題的過程遷移到學習和生活的其他相關問題的解決過程中[2]。下表1是對于交通擁堵情境下的思維訓練游戲所包含的計算思維能力的分析

表1? ?交通擁堵情境下的思維訓練游戲所包含的計算思維能力

[編號 游戲活動 計算思維能力 1 設置T字形虛擬游戲場景 是一種系統模型形式化的過程 2 各關卡中的不同游戲變量設計對車輛模型的阻礙 學生通過不斷嘗試、接受反饋應對“如果”情境，是一種情景模擬的過程。 3 學習者在完成游戲任務通關的過程是有序的，如：首先…，然后…，再次…，一步步有序進行，這樣游戲進程便是有序的。 順序結構的思想 4 玩家在什么地方或什么時刻進行加速或減速或避讓都需要進行決策，尤其在車輛模型遇到障礙時，以防碰撞。 條件判斷的思想 5 玩家通過分析游戲系統給出的數據更好地通關。 有邏輯的組織和分析系統反饋數據 6 該游戲通過虛擬3D游戲模型模擬等抽象形式呈現數據，學生通過分析系統給出的數據成功通關。 分析、設計和規劃可能的問題解決方案，在此過程中找出達到實現目標的最高效的信息資源整合方案。 ]

2 學習者分析

2017年新版《普通高中信息技術課程標準》將計算思維列為信息技術學科核心素養的核心理念，所以培養高中生的計算思維是目前信息技術教育的趨勢所向。本研究旨在這一大環境下對計算思維的培養方式提出新思路[3]。本研究所要面對的對象為高中生，高中生相比中小學生而言在身心發展水平相對成熟，在學習過程中更加喜歡獨立或協作進行探究式學習，也更易于在完成游戲任務過程中感知背后的計算思維理念，在虛擬游戲創設的生動具體的情境中，學習者全情投入并積極參與、嘗試去發現問題并解決問題，通過不斷的嘗試并接受系統反饋進行改進，最終形成新的認知。在完成游戲系統設置的任務的過程中提升自身的計算思維能力。

3 教學目標分析

本研究旨在通過VR情境下的計算思維虛擬游戲體驗使得學生學會用信息化手段解決問題，了解條件判斷、順序結構、并行等算法思想，并能夠把利用信息技術解決問題的過程遷移到現實生活相關問題的解決過程中。從而提升學生自身的計算思維能力。

4 基于VR技術的計算思維教育游戲的設計

4.1 使用技術

由于虛擬現實技術的迅猛發展，隨之出現了多種虛擬現實開發工具。其中Virtools以其強大的3D引擎功能得到了業內人士的認可。Virtools是法國開發的一款功能強大的虛擬現實開發工具軟件，廣泛應用于3D/VR數字教育、3D/VR游戲開發、虛擬游覽、3D/VR在線商務等領域。

Virtools滿足大多數人對于專業軟件的靈活操作、操作簡便的要求，Virtools采用流程圖式的模塊編輯接口，開發者只需拖拽需要的模塊即可構造出復雜的行為交互應用程序;Virtools支持多種格式的多媒體文件的導入，支持大多數3D動畫軟件建模設計，設計完成的程序可以通過多種方式播放，輸入、輸出相比其他同類型軟件極為簡便[4]。

4.2 游戲結構設計

本游戲以任務驅動的模式設置了三個難度遞進的游戲關卡。學習者進入游戲后，首先查看游戲背景知識，然后進入交通堵塞路口場景，駕駛選擇好的車輛（不同外形、不同性能）在有限的時間內通過關卡（目標車輛需不斷躲避對向行駛來的車輛，不能相撞;道路上有不同形狀、大小的路障，需巧妙躲避;路口交通指揮員會把目標車輛模型攔下，只有回答正確交通指揮員的問題，才能接著行駛）。如未能成功通過，可進入知識庫查找快速通關的秘籍，然后重新開始，通過不斷嘗試、反饋完成任務。三個關卡的障礙是逐漸增加的，紅綠燈時長是逐漸減少。玩家靈活運用所掌握的知識經驗通過限時競技的方式完成游戲中設置的挑戰任務。

4.3 腳本設計

游戲的腳本設計被認為是游戲的靈魂所在。以游戲開始界面滾動出現的字幕來呈現游戲情景的設計。本研究計算思維虛擬游戲的腳本設計包括游戲故事背景、游戲情節、車輛模型、NPC對話方式、界面設計、知識庫設置、幫助設置等。

在本游戲案例的情境中，首先需要設計玩家操作的車輛模型、障礙物模型、交通指揮員模型，接著根據腳本設計中的車輛模型加速、減速、轉彎、跳躍的動作，（路障、炸彈）障礙物移動、原地等待、攻擊的動作以及交通指揮員NPC攔截、詢問、放行的動作來進行動作設計。

游戲場景設計主要是為了設計出適合劇情展開的環境，場景設計要從腳本故事情節和實際生活的入手，盡可能真實的再現實際生活的場景，加深學習者的臨場感，使得學習者更好地融入游戲情境中[5]。在游戲情境中，學習者在游戲體驗中的交互不僅是計算機與學習者的交互，還包括模擬角色與游戲情節、場景的交互。

本游戲案例的場景主要針對游戲任務來設計。設計了學校門口T字形路口的模擬圖像，設置三種不同的紅綠燈時長：30秒、45秒、60秒。為了游戲的現實沉浸性，還設計了路人、商店、花壇等景觀，在游戲情境中起到美化場景、烘托氣氛的作用。

4.4 交互設計

本游戲交互設計主要使用控制3D虛擬現實的工具—虛擬現實手柄VR頭顯。市面上的虛擬現實手柄多為6個自由度空間捕捉跟蹤、兩手分立，帶按鈕和震動反饋的手柄。本游戲大多使用觸覺反饋進行玩家與虛擬場景的交互，主要交互反饋是按鈕和震動反饋[6]。

玩家進入虛擬游戲情境，使用手柄晃動控制選擇（選擇車輛模型、關卡、查看玩法），游戲系統使用一個亮眼醒目的光標來指示視線位置，玩家長時間注視后確認點擊。玩家晃動手柄控制車輛模型行進方向和速度，巧妙躲避障礙模型，成功通關。

虛擬情境下的交通擁堵情境小游戲給玩家以沉浸式體驗。在VR游戲設計中，劇情UI設計是增強沉浸感的重要方式之一。交通擁堵情境下的計算思維小游戲的劇情根據游戲的進度是不斷變化的，增強了用戶的沉浸感和臨場感。

4.5 開發實現

在開發階段首先根據腳本及游戲場景設計等的要求利用3DS MAX等建模工具設計制作車輛模型、障礙物模型、交通指揮員等基本的3D模型。之后將源文件導入Virtools中，使用Virtools開發工具設計制作一個demo方案[7]。在3D建模過程中，為了呈現更好的效果，利用3DS MAX以及POSER等設計工具盡可能真實的再現游戲場景是建模過程的關鍵。

5 總結

本研究詳細闡釋了基于VR技術的計算思維教育游戲的設計方案，下一步是通過Virtools完成交通擁堵情境下的計算思維小游戲的設計。使得學生在虛擬場景中更加直觀感受交通擁堵思維訓練小游戲背后的計算思維理念;讓學生了解條件判斷、順序結構、并行等算法思想，并能夠把利用信息技術解決問題的過程遷移到實際生活的相關問題的解決過程中;使得學生通過不斷的嘗試并接受系統反饋進行改進，最終形成新的認知。在完成游戲系統設置的任務的過程中提升自身的計算思維能力。

但是本設計還存在游戲結構單薄、游戲難度偏低、學生是否能明確感知背后的計算思維理念等問題，這些問題會在后續進一步的研究中得到解決。

參考文獻：

[1] 張立國，王國華.計算思維：信息技術學科核心素養培養的核心議題[J].電化教育研究， 2018（5）： 115-121.

[2] 龔靜，侯長林，張新婷.計算思維能力發展模型與教學程序研究[J]. 現代教育技術，2018（4）： 48-54.

[3] 李艷坤，高鐵剛.基于思維視角的計算思維綜合解讀[J].現代教育技術，2017（1）：68-73.

[4] 李自力.虛擬現實中基于圖形與圖像的建模與繪制（G&IBMR）的研究[D].華中科技大學，2002：8.

[5] 黃瑩瑩，彭敏俊，許岷.基于虛擬現實的數字校園漫游系統的設計與實現[J].應用科技，2005，32（5） ：40-42.

[6] 張佳信.虛擬展示設計的交互性研究[D].武漢理工大學，2008：3-4.

[7] 劉明昆.三維游戲設計寶典Virtools 開發工具篇[M].成都：四川出版集團，2005.

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