自主實驗型科普游戲設計研究

劉志博

（ 華北電力大學 電力工程系，河北 保定071000）

目前的計算機科普游戲或互動式虛擬實驗， 側重點在于知識的傳遞和對新事物的體驗，如垃圾分類游戲中，玩家需要理解垃圾分類方法，并將垃圾投入正確的垃圾桶中；沙漠生存游戲則需要玩家選擇必需的裝備，采取正確的行動，同時向玩家提供身臨其境的體驗。 即便用于學校教學的虛擬實驗， 也往往具有固定的步驟， 學生只需且只能按規定步驟進行操作并觀察結果， 得出實驗結論。 這種科普游戲可以做到使學生在應用中理解知識，在實踐中證明知識，卻難以培養通過實驗方法研究問題的科學精神，和根據問題設計實驗的能力。

為幫助玩家自主設計實驗， 游戲應具有較高的自由度和隨機性， 并具備一整套功能輔助玩家進行實驗研究。 本文以生態學科普游戲為例，提出一種新的科普游戲設計方法，以期提升科普游戲在傳授科學知識和培養科學素養等方面的效果。

1 主要構成

1.1 游戲情景與目標

學生對兩類知識最容易感興趣，一是本身足夠有趣的知識，二是能夠幫助其實現感興趣的目的的知識。 因此， 為所傳授的知識設計一個應用情景，引導玩家為實現一個目標而進行實驗研究，就成為吸引玩家注意力的關鍵。 當知識較為具體時，應用情景可以是知識對象及其原本所處的環境；當知識較為抽象時，應用情景可以是一個虛構出來的、與人類經驗較為相關的情景，以便提升玩家的代入感。

玩家置身于一個陌生的虛擬環境中，為實現游戲目標，需要對環境中的各個元素之間的關聯進行研究分析，從而得出實現目標的方法。 為確保玩家理解游戲目標， 并對實現目標有更高的積極性，應將游戲目標設計得盡可能簡單，貼近人類生活，如經典力學普及游戲可以以阻止對方武器攻城為目標。 對于一些學力和興趣較高的玩家，可提供一些次要目標，其完成度可以作為最終得分的參考。

本文的科普游戲將場景設置為一個小村莊， 其存續取決于周遭自然環境的維持和與外界社會的貨物往來，而游戲目標即盡可能的延長村莊的持續時間。 玩家在努力達成此目標的過程中，逐漸認識到生態環境中各個元素之間錯綜復雜的相互關聯，體會到“ 萬物一體”的生態學理念。

1.2 含有隨機元素的模擬系統

為了保證玩家能夠自主設計實驗， 游戲內的虛擬環境須對應一個以變量和數學公式為基礎的玩家可操作的模擬系統，能夠根據玩家的操作和系統當前狀態演算系統的變化過程。 為降低工作量和提高運算效率， 制作者可以在滿足支持玩家自主操作要求的前提下對系統進行適當簡化。

本文的科普游戲以村莊為場景， 模擬系統包含村莊系統和自然生態系統兩部分。

1.2.1 村莊系統

村莊由村民和村莊設施組成。 村民除基本信息外，還有一系列變量表示其各種生活需求， 需求被滿足的情況決定了其壽命和繁衍情況，當村民全部死亡時，游戲失敗。 村莊設施既為村民提供居住場所，也為各項活動提供條件，玩家在游戲過程中需要規劃所建設設施的種類和數目。

村民可通過對自然資源的開采和加工， 以及人工培育食物等方式滿足其生活需求。 在村莊發展過程中， 玩家可逐漸解鎖不同的科技和生產方式，而其生產過程中開采量的多少、加工或培育時使用了多少有毒物質、生產廢物如何處理等問題，對游戲結果即村莊的持續時間有至關重要的影響。 本地不同物資的盈余和匱乏可通過貿易平衡， 與其他人類聚居地實現互通有無。而貿易在本游戲中有著另一項重要作用：很多情況下，生產生活活動引起的污染或某物種種群數量減小等問題并不對當地造成直接的明顯影響，而是通過河流、食物鏈等形式影響到其他地區，在缺乏對大環境模擬的情況下，貿易可以反映出對本地的關聯影響，如買進的食物存在毒素富集的情況，從而體現生態環境的一體性。

除物質需求外，精神需求也是村民生活需求的一大方面。 由于本文科普游戲重點在于生態學， 因此精神需求表現在對村民對自然環境的渴求上，植物的覆蓋率、動物種類的豐富程度影響著村民的心情，進而影響其健康和活力。

1.2.2 自然生態系統

自然生態系統包含自然環境、野生動植物、化學物質和微生物。

自然環境是野生動植物的棲息地，光照、溫度、濕度等因素影響著生物的生長和生存。 村莊對自然環境的改造和利用行為會直接破壞其棲息地，玩家需要對此作出權衡。

不同的化學物質對特定物種具有不同的意義（ 有益、無關或有害），并且會隨著食物鏈進行傳遞。 農藥的危害便是有毒物質隨食物鏈迅速富集的結果。 玩家選擇研究和使用的科技決定著化學物質的使用和排放。

微生物是聯系有機界和無機界的橋梁。 選取數種對生態平衡影響較大且與玩家行為密切相關的微生物作為自然生態系統的一部分，例如：與豆類植物根部共生的根瘤菌可以將大氣中的氮元素轉化為生物可以利用的形式；人類排放的富含磷元素的污水則會促使一些藻類的大量繁殖形成水華和赤潮。

為提高游戲的可探索性和可重復游玩性， 可在模擬系統中加入隨機元素，即名稱、特性按照預定規則可以由程序隨機設置的元素。 不同玩家啟動游戲時獲得不同的隨機元素，構成不同的模擬系統。 同一玩家每次開始新游戲時可選擇是否重新隨機生成元素，若不重新生成，則玩家可以與之前的游戲過程進行比較，觀察不同操作帶來的不同影響，從而研究各元素之間相互作用的關系；若重新生成，則玩家可以探索一個新的系統，避免游戲因為玩家對之前的系統有了足夠的了解而失去了可玩性。

在本文的科普游戲中， 可以將自然生態系統設計為一個隨機系統：各物種的基本類型（ 動物、植物、微生物）和特征（ 體型、食性、特殊能力等）為隨機生成，在玩家開始游戲之后，進入場景前，系統根據物種的特征將其分配至適宜的地點，各動物和食肉植物嘗試捕食，根據對各物種的捕食成功率、物質收益、能量收益以及捕食過程中的能量消耗和身體損傷計算捕食優先級。

1.3 數據分析工具

游戲內應提供相關工具來顯示系統當前狀態和變化歷史，例如通過曲線圖將各個變量的變化情況直觀地展現出來，方便玩家通過不同變量之間變化的相關性對元素間的關系作出推測，并進一步通過實驗來證實。 玩家可自行篩選數據，屏蔽較不相關的變量。 除手動篩選外，程序還可添加自動篩選功能，即玩家選定一個變量，程序可按照玩家設定的參數篩選出與該變量的變化關系較為密切的變量。

在本文的科普游戲中，曲線圖主要用來表示各物種、生產活動和不同區域及生物體內含有的各種化學物質的數量，為玩家探究物種間的捕食關系、生產活動對物種的影響等提供線索。

1.4 教程

游戲應包含一套教程，幫助玩家了解用戶界面、各種工具的用法，帶領玩家初步認識游戲內的場景，學習場景內各種道具和行為的操作方法。 除此之外，教程還應提供一個小型實驗教學，針對一個特定的問題，一步步指導玩家建立實驗思路，確立實驗方法，進而完成實驗，幫助玩家了解實驗研究的流程，為之后的自主實驗建立基礎。

本文科普游戲的教程包含以下幾點內容：

a.村莊建設

學習建設村莊設施的條件和方法， 學習查看其詳細信息的途徑，為接觸更多種類的村莊設施和規劃建設做準備。

b.科技發展

熟悉科技樹界面，學習查看解鎖科技的條件和方法，理解科技提升對生產過程的影響。

c.生產安排

學習為村民安排工作的方法， 嘗試生產基本工具并設定生產和開采規模。

d.數據分析

引導玩家進行少量生產活動， 并使用數據分析工具觀察生態系統在這之后的變化，以某個具體的分析目標為導向，指導學生通過使用各項功能觀察數據的變化，分析其潛在關聯。

e.特色功能

對每一項特色功能， 也秉持與整個科普游戲同樣的設計原則：在一個小情境里，指導玩家在實現一個簡單目標的過程中逐漸學會其使用方法。

2 特色功能

2.1 百科

對于某些難以通過游戲內的虛擬實驗進行研究的知識，可通過解鎖游戲百科的方式令玩家獲取。 隨著游戲進程的發展，玩家通過研究實現一些小目標并獲得獎勵，用獎勵解鎖需要查看的百科條目，根據新獲得的知識進行下一步的研究。 若玩家游戲失敗，重新開始時，已解鎖的游戲百科維持解鎖狀態。

為直觀展示系統構造， 游戲百科的主界面可以使用流程圖的形式將模擬系統的全部元素陳設出來，使用能夠表示雙方關系的符號連接各元素。 當玩家點擊某元素時， 與之直接相關的元素和表示關系的符號都會高亮顯示， 其余元素則透明化，方便玩家查看元素間相互關系。 再次點擊該元素則可閱讀其詳細信息；若點擊某個高亮的連接符號，則可閱讀兩端元素間相互關系的詳細說明。

2.2 對比實驗

為輔助玩家進行對比實驗， 可設置幽靈模式和時間軸回溯功能。 當玩家想要在之前的某個時間點采取不同操作以進行對比觀察時，可拖動時間軸到達目標時間點，重新進行操作。此時，之前的操作和模擬系統的變化會通過虛影的形式顯示出來，方便玩家回憶之前的操作并對比系統的不同狀態，配合變量曲線圖分析各元素之間的關系。

玩家初步判斷兩元素之間的關系后， 繼續針對兩元素做重復試驗。 若在不同時間點采取相同的行動，在同一時間點采取不同的行動，在合理的時間段內產生的反應無法推翻之前的推斷，則可以暫時認定推斷正確，并在之后的游戲中以此為依據規劃行動。

3 結論

本文提出了一種設計科普游戲的方法， 以生態學科普游戲為例，描述了軟件的框架，通過一個可操作的模擬仿真系統和數種輔助工具，設計出了一種玩家可針對延長村莊持續時間的目的進行自主實驗的科普游戲，預期可以為科學精神和科學方法的普及提供幫助。