基于Unity3D的VR英語教育游戲的設計與開發

王春艷 甘甜 吳倩蓮 王昱霖 高偉

摘 ?要： 教育游戲作為游戲與教育相聯結的產物，體現了教育形式的多樣化，而虛擬現實技術則能增強游戲的體驗感。文章以一款用Unity3D軟件設計并開發的移動端VR英語教育游戲為案例，介紹虛擬現實技術在教育游戲開發中的應用。

關鍵詞： 虛擬現實技術; Unity3D; 教育游戲; 移動端

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1006-8228（2019）10-74-04

Abstract： Educational games， as a product of the combination of games and education， embody the diversification of educational forms， while virtual reality technology can enhance the experience of the games. Taking a mobile end VR English education game designed and developed by Unity3D software as an example， this paper introduces the application of virtual reality technology in the development of educational games.

Key words： virtual reality technology; Unity3D; educational game; mobile end

0 引言

近年來，隨著人們教育理念的轉變升級，各式各樣的教育類游戲層出不窮，而其中，結合虛擬現實（VR）技術打造的教育類游戲尤為亮眼。Knowledge-Works 戰略預測高級總監Katherine Prince 提出：“我們希望教育工作者能夠通過它批判性地思考如何使用新興技術來滿足學生的獨特需求?！痹谕七M全球化和新時代教育行業改革的時代背景下，英語學習與游戲化學習的結合是大勢所趨。本研究中提到的案例游戲“In Order To Dr. ”正是以Unity3D為工具，結合虛擬現實技術打造的一款英語教育游戲，將虛擬現實技術提供的身臨其境的真實感與傳統游戲的通關元素結合，真正實現了“寓教于樂”的目的。

1 基于Unity3D的VR英語教學游戲及功能模塊

虛擬現實簡稱為VR技術，是由美國VPL公司創始人拉尼爾（Jaron Lanier）在二十世紀八十年代提出。其最突出的三個特征為：沉浸感（Immersion），交互性（Interaction），構想性（Imagination）[1]。VR技術的使用可以使人們在專業傳感設備的幫助下，進入由計算機生成的三維感官世界，并且在實時感知與互動中獲得身臨其境的感覺。

VR技術可以提供豐富的感知線索和多通道的反饋，有利于建設體驗式學習所需要的仿真化的學習環境[2]。該文以VR英語教學游戲為例，結合體驗式學習中的化身（Avatar）功能，使學習者通過角色扮演（Role Playing）深入感受游戲世界，增強學習體驗。傳統的網絡游戲，玩家仍是基于傳統的平面顯示器來接受信息，游戲體驗僅僅停留在鼠標和鍵盤的交互，玩家與游戲之間始終會有無法忽視的距離感。不同于傳統的網絡游戲技術，VR游戲玩家通過一系列感知交互設備，如頭盔式顯示器、數據手套等，使自己完全沉浸在虛擬世界中。

VR游戲效果的實現正是依賴于Unity3D強大的技術支持。在前期VR教育游戲在英語教學中應用的理論探索與框架建構的基礎上[3]，本研究基于暴風魔鏡SDK及其硬件設備和unity平臺，設計和開發一款名為“In Order To Dr.”的可推廣的VR英語教學游戲。

2 案例研究：“In Order To Dr. ”游戲

移動端VR游戲的開發流程與一般的游戲開發流程相似，為使玩家提供沉浸式虛擬現實的體驗，游戲需要貼近真實世界，在創建場景時，更注重于物理碰撞等細節，增強虛擬物體與玩家的交互。開發者結合了VR技術的特征和英語教學的目標要求，首先確定VR教育游戲的概念及其特性、游戲類型分類和游戲基本設定和規則，在此基礎上構思游戲的整體架構。選取合適的開發軟件，游戲引擎，以及開發語言，從而完成游戲的各項功能模塊，本節以“In Order To Dr. ”為例，詳細闡述其設計與開發過程。

2.1 案例簡介

“In Order To Dr.”是一款解謎類英語教育游戲，參與者在了解游戲規則后，根據線索進行推理，配合道具的使用回答相應題目，直至成功完成最終題目，通過關卡。本游戲是解謎類游戲，玩家根據線索發現問題設置的地方，正確回答問題，才能獲得下一步的線索提示。參與者通過NPC解說，了解游戲的背景及規則，在完成第一個英語測試后，即可獲得含有語法知識點的“逃生寶典”，游戲過程中可以隨時查看。

游覽游戲場景，通過點擊選中并拾取道具。找到適用道具的場景，觸發英語完型測試，對應的題目會呈現在游戲界面當中，測試回答正確后，獲得更多提示線索或者新道具。最后，玩家根據線索道具破解游戲謎題，完成最終題目，即可獲得“研究成果”，證明“陳博士”無罪，從而成功拯救陳博士（如圖1所示）。本游目的在于幫助學生熟練地掌握英語語法知識點。在后續開發中，可以根據玩家所需要的學齡、知識點類型，設置不同的內容關卡和測試難度。在游戲之外還設置了VR體驗區，可以讓玩家在游戲之外，直觀的體驗該游戲VR場景。

2.2 整體設計

從參與者角度出發，游戲的基本流程如圖2所示，此游戲為解密類單機游戲，在不聯網的情況下可以在移動終端開展。使用者首先要了解游戲的規則，系統中會通過游戲角色對話了解游戲的背景及規則;進入游戲的主要環節后，需要玩家對所處環境進行探索，發現設置問題的地方。作為英語教學游戲，問題設置與英語語法知識點密切相關，該語法知識點（“逃生寶典”）在游戲過程中可反復查閱;玩家根據提示完成信件，獲得含有英語知識點的“逃生寶典”，通過鼠標點擊游戲場景中的物品發現問題，通過填空的方式回答問題，答對問題即獲得下一個問題的線索，以此類推，可設置多重關卡，直至完成最終題目，獲得“研究成果”，游戲結束;在VR體驗區，通過頭戴式設備為暴風魔鏡凝視圓點來進行游戲的交互，每對準一個物體都會彈出對應的英文單詞和讀音;問題設置依據英語語法知識點環環緊扣，反復查閱的過程中，可加深對知識點的理解，使玩家在主動探索的游戲過程中學習知識。

2.3 具體實現

本游戲選擇在Android平臺上運行，借助暴風魔鏡提供的相關VR技術整合，通過Unity3D平臺開發，以此總結出圖3所示的開發流程。Mojing SDK開發包主要從手機陀螺儀獲取頭部跟蹤數據、校正靜態偏置值，圖像抗鏡片畸變、交互外設適配及控制等方面為開發者提供便利性支持。

2.3.1 游戲場景架構

⑴ 場景模型創建：根據該案例游戲背景，構思游戲場景的風格特點，并采用3DsMax進行建模。3DsMax提供了所需的建模工具。在正式建模前，將系統單位設置為國際標準的毫米。根據房間效果圖創建二維平面并擠出，調整屬性，使模型接近理想效果。為減少電腦負載，同時又能較好顯示模型紋理、陰影等細節，選用陰影烘焙技術將大量的需要計算光照信息通過生成紋理貼圖[4]。為了使場景更具真實感，需要使用Photoshop對場景中的各個物體的貼圖進行處理。

⑵ 人物模型創建：該游戲中的人物模型風格我們選擇了當下較流行的Voxel風格。人物模型的創建采用了MagicVoxel建模工具，因其操作簡單，根據顏色和堆砌方式的不同，可以輕松創建出不同的人物模型。

⑶ 模型導出與導入：在3DsMax中選中導出對象，選擇FBX格式導出，并保存在Unity3D工程文件夾下的Assets文件夾下查看效果。如果出現貼圖丟失的情況，可以在Unity3D中重新貼圖。MagicVoxel中的人物模型選擇OBJ格式導出，直接復制到Unity3D下。

⑷ 場景燈光設置：適當的布光可以使整個場景富有層次感，運用光影的變換可以烘托氣氛，加強場景真實感。在案例游戲場景中使用了Unity3D 2017的Shadowmask功能，大致上分為三步，場景設置與光照參數的設置;針對軟陰影修改光照貼圖參數避免帶狀陰影瑕疵;選擇性使用其他可加強效果的后處理特效。

⑸ 背景音樂和音效設置：Unity3D中播放音樂需要三個基本的組件：AudioListener，AudioSource，AudioClip。添加背景音樂：在場景中，給Camera添加一個Audio Source組件，并將我們的音樂文件拖拽到Audio Clip屬性上，勾選Loop使其可以進行循環播放。添加音效：用案例測試，找到我們導入的音樂文件，設置為3D音樂，分別給人物與游戲線索賦予Audio Listener組件與音樂文件。

⑹ 運行游戲，返回Scene視窗，拖拽Audio Listener組件的位置，就可以感受到在兩個音響之間移動的效果。AudioSource播放聲音提供了兩種方法：Play方法適合播放背景音樂，因為背景音樂同一時刻只會有一個在播放，而且還需要播放和暫停等控制;PlayOneShot方法適合播放音效，因為音效一般只會播放一次而不需要其它的控制，且允許多個音效同時播放[5]。

2.3.2 功能模塊設計

⑴ Unity物理引擎模塊設計：從游戲場景建立完成后需要賦予物體相應的物理屬性，從而模仿在真實世界中的物體碰撞等反應。Unity3D內置了NVIDIA的Physx物理引擎，可以高效逼真的模擬剛體碰撞，重力等物理效果，使得游戲更為生動真實。其中，Rigidbody剛體組件可以使游戲對象在物理系統的控制中運動，讓游戲對象更貼近真實世界的運動。選中需要添加的游戲對象，添加后即可具備物理屬性。如果兩個剛體相互撞在一起，除非兩個對象有碰撞體時物理引擎才會計算碰撞，在物理模擬中，沒有碰撞體的剛體會彼此相互穿過[6]。

⑵ 角色控制器的設計：角色控制器（Character Controller）主要用于對第一人稱或第三人稱游戲主角的控制。本游戲創建類人角色，需要添加角色控制器。角色控制模塊主要控制主角的行為，包括當前角色的狀態、行進速度的控制和動作行為的判斷等。添加自定義的角色控制器的辦法為：選中要控制的角色對象→【Component】→【Physics】→【Character Controller】，為該對象添加自定義的角色控制器組件。最后，添加導入的Mojing SDK開發包中預設的角色控制器，Unity第一人稱角色預置包含有自己的相機，添加FirstPersonCharacter后，應刪除創建場景時自動添加的MainCamera。

⑶ 攝像機控制器的設計：普通游戲模式采用第三人稱視角，第三人稱視角鏡頭要跟隨主角移動，且保持一定的高度及距離，確保玩家可以一直看到主角。VR體驗區導入Mojing SDK提供的MojingMain預設攝像頭代替場景創建時自動添加的MainCamera，實際上是將左右兩個攝像頭綁定在一起，將屏幕分成左右兩部分;另外加入IntegrateInputManager用于獲取手柄的按鍵事件，可以上下左右切換按鈕，按確認鍵選中觸發按鈕;Overlay預設組件實現場景中心的GazePointer射線準星，用于聚焦UI按鈕，聚焦按鈕后點擊確認鍵可以觸發按鈕點擊事件[7]。

⑷ 網格尋址模式：在本游戲中，玩家需要游覽游戲場景，這就需要增添尋路功能，Unity3D提供了適用的網格尋路功能，即NAVMesh。NavMesh是Unity3D中用于實現動態自動尋路的一種技術，它能夠通過烘焙地形數據，導航數據，區分路徑和障礙物。再給予需要尋路的角色尋路的組件，并設定速度與目的地相關的參數設置，此時設置到目的地，角色就可以根據烘焙好的地形自行前進到目的地，在此基礎上可以才有利于添加角色控制器等組件。

3 結束語

VR英語教育游戲能盡可能創造貼近真實環境的場景，通過頭戴式設備體驗全沉浸式的虛擬環境，使玩家較少受到外界的干擾。游戲情節導向所需的學習目標，使學生在主動探索的過程中不斷積累知識。對于學習者而言，此類游戲趣味性強，自主性高，更易激發學習者的熱情。

本游戲結合新興的VR技術，利用暴風魔鏡實現了一個移動端VR英語教育游戲。該游戲將英語教學內容巧妙的融入解謎類游戲之中，增強了教學情境的沉浸感和交互性，提高了學生的自主學習能力。虛擬現實技術較好的解決了教學內容與知識的可視化，教學過程缺失沉浸感和交互性、教學模式單調的問題，虛擬現實技術在教育領域方興未艾。當然本游戲還有諸多不足之處，例如：建模逼真程度一般，普通游戲模式下未設置VR視角，問題設置難度單一，缺乏團隊合作元素等，在后續的開發中將進一步完善游戲的難度級別層次，改進游戲模塊與VR技術結合的緊密程度，開發團隊合作模塊，進一步增強游戲的互動性?？傊?，VR教育游戲為傳統教學模式注入了新鮮血液，具有較好的應用前景。

參考文獻（References）：

[1] 劉光然.虛擬現實技術[M].清華大學出版社，2011.

[2] 鐘正，陳衛東.基于VR技術的體驗式學習環境設計策略與案例實現[J].中國電化教育，2018.2：51-58

[3] 高偉，王昱霖，吳倩蓮，王春艷.基于VR技術的教育游戲在英語教學中的應用與發展前景[J].軟件，2018.39（5）：60-65

[4] 王大虎，劉標，徐炎軍.基于虛擬現實的變壓器教學仿真[J].計算機時代，2019.3：71-74

[5] Ouyang SG.A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering[J].Computer Applications in Engineering Education，2018. 26（1）：91-100

[6] 張濟麟，張艷鵬.應用VR及AR技術的虛擬仿真實驗設計與實現[J].軟件，2018.39（8）：202-206

[7] 張繁，王通，黃可蒙，茅佳明，黎美玲，王章野.基于Unity3D的改進實時紅外仿真系統[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2018.30（7）：1177-1186