基于具身認(rèn)知的教育體感游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉俊杰，夏小俊*，柏 毅

(1.東南大學(xué) 兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2.東南大學(xué) 兒童發(fā)展與教育研究所，江蘇 南京 210096)

0 引言

隨著教育信息化的發(fā)展，越來(lái)越多的理論與技術(shù)被用來(lái)改進(jìn)教學(xué)，人機(jī)交互方式也在不斷地發(fā)生變化。傳統(tǒng)教學(xué)將學(xué)習(xí)者限制在狹小的空間內(nèi)，學(xué)習(xí)只需要“脖頸以上”部分參與，沒(méi)有肢體上的參與，而具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)了身體在認(rèn)知過(guò)程中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用，認(rèn)為認(rèn)知是通過(guò)身體的體驗(yàn)及其活動(dòng)方式形成的，當(dāng)學(xué)習(xí)者融入具身學(xué)習(xí)環(huán)境時(shí)，才能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性[1]。而教育游戲以游戲?yàn)檩d體來(lái)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的某些缺點(diǎn)。同時(shí)，現(xiàn)在的教育游戲需要極具創(chuàng)新的形式，也需要采用交互性更高的方式來(lái)進(jìn)行操作。因此，本文在具身認(rèn)知的指導(dǎo)下，將體感交互技術(shù)融入教育游戲的設(shè)計(jì)中，落實(shí)了學(xué)習(xí)過(guò)程中的“具身”思想，結(jié)合體感技術(shù)的自然交互性和教育游戲的趣味性，設(shè)計(jì)出的教育體感游戲能夠滿足具身認(rèn)知過(guò)程中所需的條件，游戲化的交互場(chǎng)景為具身認(rèn)知的產(chǎn)生提供了環(huán)境基礎(chǔ)，身體與游戲場(chǎng)景進(jìn)行交互是具身認(rèn)知產(chǎn)生的媒介。在具身認(rèn)知的視域下，這種學(xué)習(xí)和交互方式不僅能夠發(fā)揮學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主體作用，還能夠增加學(xué)習(xí)者的有效參與度和學(xué)習(xí)體驗(yàn)感。

1 具身認(rèn)知理論及教育應(yīng)用研究

傳統(tǒng)的“無(wú)身認(rèn)知”理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)過(guò)程中身體和心智是分開(kāi)的，身體僅是心智發(fā)生的場(chǎng)所，并不參與認(rèn)知活動(dòng)，甚至貶低身體在學(xué)習(xí)過(guò)程中的作用。隨著認(rèn)知科學(xué)的不斷發(fā)展，具身認(rèn)知的概念日漸凸顯，我國(guó)各學(xué)界的專(zhuān)家都開(kāi)始關(guān)注這一研究領(lǐng)域，并提出自己對(duì)具身認(rèn)知的理解。在哲學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，徐獻(xiàn)軍[2]從現(xiàn)象學(xué)的角度進(jìn)行探究，提出認(rèn)知科學(xué)要探尋認(rèn)知的本質(zhì)，就必須關(guān)注身體的作用。在理論心理學(xué)的視角下，葉浩生[3]認(rèn)為具身認(rèn)知將認(rèn)知置于身體與環(huán)境所構(gòu)成的整體中，強(qiáng)調(diào)身體構(gòu)造、身體狀態(tài)等因素對(duì)認(rèn)知的塑造作用。李其維[4]提出，身體與環(huán)境的交互產(chǎn)生了心智與認(rèn)知，并指出身體、環(huán)境與認(rèn)知是一體化的過(guò)程。總而言之，這些研究的核心觀點(diǎn)是一致的，即具身認(rèn)知強(qiáng)調(diào)身體在認(rèn)知過(guò)程中所起到的中心軸承作用，認(rèn)知是依附于身體的各種感官與外界環(huán)境進(jìn)行交互的過(guò)程中產(chǎn)生的，并且隨著身體與環(huán)境交互的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生新的認(rèn)知，這些認(rèn)知經(jīng)過(guò)不斷地融合與轉(zhuǎn)換，最終形成穩(wěn)定的知識(shí)架構(gòu)。

具身認(rèn)知的影響日益擴(kuò)大，我國(guó)很多專(zhuān)家學(xué)者都將其運(yùn)用到具體的教學(xué)場(chǎng)景中。但大多數(shù)都是使用Unity3D游戲引擎、Kinect專(zhuān)業(yè)體感設(shè)備開(kāi)發(fā)的教學(xué)場(chǎng)景，這些教育系統(tǒng)與設(shè)備都需要運(yùn)用多種專(zhuān)業(yè)性的開(kāi)發(fā)技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，且實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為煩瑣。同時(shí)，這些系統(tǒng)的代碼規(guī)模較大，會(huì)給后續(xù)的軟件維護(hù)工作帶來(lái)較大的困難。而本文設(shè)計(jì)的教育體感游戲《數(shù)字樂(lè)園》使用Animate AS技術(shù)編寫(xiě)動(dòng)作腳本實(shí)現(xiàn)游戲數(shù)據(jù)模塊與游戲操作界面的連接，開(kāi)發(fā)難度較低且無(wú)需特殊的外設(shè)與硬件支持，只需要攝像頭與電腦即可實(shí)現(xiàn)游戲運(yùn)行。同時(shí)，本游戲安裝簡(jiǎn)便、操作方法簡(jiǎn)單，可以根據(jù)不同的教學(xué)需求，靈活運(yùn)用在多種教學(xué)場(chǎng)景中。

2 教育體感游戲設(shè)計(jì)分析

2.1 游戲功能需求分析

傳統(tǒng)教育游戲主要是通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或手柄來(lái)進(jìn)行交互，從玩家操作的角度來(lái)看，參與過(guò)程只有點(diǎn)擊、按鍵這類(lèi)動(dòng)作，動(dòng)作內(nèi)容單一，游戲交互簡(jiǎn)單；而以具身認(rèn)知為理論基礎(chǔ)的教育體感游戲，其交互方式不同于傳統(tǒng)游戲，該類(lèi)教育游戲利用體感交互技術(shù)將學(xué)習(xí)場(chǎng)景與游戲資源進(jìn)行整合，將枯燥乏味的知識(shí)轉(zhuǎn)化為游戲背景和游戲規(guī)則，將學(xué)習(xí)的技能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的游戲操作。在教育游戲的學(xué)習(xí)場(chǎng)景中，具身認(rèn)知為教學(xué)目標(biāo)提供了理論支持，學(xué)習(xí)者通過(guò)肢體動(dòng)作直接與游戲內(nèi)容進(jìn)行交互，主動(dòng)獲得相應(yīng)的知識(shí)和技能。為了將知識(shí)內(nèi)容自然地嵌入到游戲場(chǎng)景中，令“寓教于樂(lè)”的理念落到實(shí)處，在本文開(kāi)發(fā)的“數(shù)字樂(lè)園”中，學(xué)習(xí)者需要先計(jì)算出算術(shù)題目的答案，然后再進(jìn)行相應(yīng)的游戲操作。本游戲需要完成以下功能：(1)利用攝像頭獲取學(xué)習(xí)者的肢體動(dòng)作。(2)使用機(jī)器視覺(jué)分析算法獲取其運(yùn)動(dòng)量大小，并轉(zhuǎn)化為移動(dòng)距離。(3)不斷刷新算術(shù)題目及答案。(4)實(shí)現(xiàn)游戲角色與游戲元素之間的碰撞檢測(cè)功能。(5)實(shí)現(xiàn)游戲的計(jì)分功能。

2.2 游戲設(shè)計(jì)思想

學(xué)習(xí)者進(jìn)入游戲后需要使用肢體動(dòng)作來(lái)控制游戲角色移動(dòng)，游戲過(guò)程中會(huì)不斷刷新算術(shù)題目，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)三個(gè)附有答案的蘋(píng)果(其中只有一個(gè)是正確答案)，選擇附有正確答案的蘋(píng)果才能增加游戲分值。游戲開(kāi)始后，游戲角色在行進(jìn)過(guò)程中會(huì)不斷向下移動(dòng)，學(xué)習(xí)者需要做出相應(yīng)的肢體動(dòng)作控制游戲角色向上移動(dòng)。在游戲角色移動(dòng)的過(guò)程中，碰到附有正確答案的蘋(píng)果，即可獲得10分，同時(shí)算術(shù)題目刷新；如果游戲角色在移動(dòng)時(shí)碰到附有錯(cuò)誤答案的蘋(píng)果，則游戲結(jié)束并顯示游戲最終得分；若游戲開(kāi)始后，學(xué)習(xí)者沒(méi)有任何肢體動(dòng)作，游戲角色會(huì)不斷向下移動(dòng)直至掉出游戲窗口，則游戲結(jié)束。游戲運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 游戲運(yùn)行流程

3 游戲詳細(xì)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 捕獲學(xué)習(xí)者肢體動(dòng)作

借助Animate類(lèi)庫(kù)中內(nèi)置的Camera類(lèi)和Video類(lèi)調(diào)用攝像頭，通過(guò)攝像頭采集視頻信息，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者肢體動(dòng)作的捕獲和處理，同時(shí)使用setMotionLevel函數(shù)對(duì)捕獲的肢體動(dòng)作進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，由activityLevel屬性獲取其運(yùn)動(dòng)量大小的數(shù)值。

Var my_camera：Camera；

var my_video：Video；

my_camera=Camera.getCamera()；

my_video.attachVideo(my_camera)；

if(_camera.activityLevel>20){

return；}

3.2 游戲角色移動(dòng)功能

游戲角色移動(dòng)通過(guò)改變游戲角色Y軸坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)距離由學(xué)習(xí)者肢體運(yùn)動(dòng)量大小決定。由camActive變量決定移動(dòng)的方向，當(dāng)檢測(cè)到學(xué)習(xí)者有肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)，游戲角色向上移動(dòng)，移動(dòng)距離由肢體動(dòng)作運(yùn)動(dòng)量大小決定；當(dāng)學(xué)習(xí)者沒(méi)有任何肢體動(dòng)作時(shí)，游戲角色向下移動(dòng)。

if(camActive){

bird.y-= my_camera.activityLevel/7；}

if(! camActive){

bird.y += my_camera.activityLevel/7；}

3.3 算術(shù)題目及答案刷新功能

在游戲運(yùn)行過(guò)程中，使用隨機(jī)函數(shù)重置游戲中出現(xiàn)的算術(shù)題目與答案。算術(shù)題目為50以內(nèi)的加、減運(yùn)算，使用random函數(shù)產(chǎn)生兩個(gè)25以內(nèi)的數(shù)字。當(dāng)學(xué)習(xí)者選擇附有答案的蘋(píng)果后，重置蘋(píng)果元件的坐標(biāo)，讓其在游戲窗口上重新顯示。

m1=1 + Math.ceil(Math.random()* 24)；

var position_yArr =[apple1.y，apple2.y，apple3.y]；

for(var i=0；i

appleArr[i].x = 450；}

position_yArr = randomArray(position_yArr)

3.4 游戲元素碰撞檢測(cè)與計(jì)分功能

碰撞檢測(cè)功能通過(guò)顯示對(duì)象的hitTestObject()方法，檢測(cè)兩個(gè)元件是否有重疊部分。當(dāng)游戲角色與蘋(píng)果發(fā)生碰撞時(shí)，通過(guò)appleArr[i]獲取蘋(píng)果上附有的數(shù)字，并與正確答案進(jìn)行比較。如果答案正確，調(diào)用計(jì)分函數(shù)count()，即獲得10分；若答案錯(cuò)誤，則游戲結(jié)束。

if(appleArr[i].hitTestObject(bird.hit)){

if(appleArr[i]== ans){

s1.count()；}

function count(){

score += 10；}

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的教育體感游戲，將具身認(rèn)知與體感交互技術(shù)相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)教育觀念與游戲交互方式的束縛。教育體感游戲能夠調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者多種感官參與，在游戲過(guò)程中的肢體動(dòng)作能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知，與具身認(rèn)知的特點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，學(xué)習(xí)者不再是被動(dòng)地理解知識(shí)，而是主動(dòng)參與游戲過(guò)程，根據(jù)游戲內(nèi)容對(duì)知識(shí)進(jìn)行理解和練習(xí)，從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。教育體感游戲具有很強(qiáng)的具身性和互動(dòng)性，能夠使人機(jī)交互更加的自然順暢，更好地實(shí)現(xiàn)“寓教于樂(lè)”的教學(xué)目標(biāo)[5]。