具身認知理論視角下的科普游戲研究與設計實踐

曾鈺新　王建一

關鍵詞：科普游戲 娛樂性 教育性 具身認知 體驗設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）07-0040-03

引言

科普游戲逐漸成為一種新的科學文化載體，科普游戲產業蓬勃發展，國內也出現了越來越多關于科普游戲的學術研究[1]。目前，我國的科普游戲依然存在娛樂性和教育性不平衡的問題[2]，教育性與游戲性在游戲核心機制上缺乏融合[3]，科普內容的生硬嵌入影響了科普傳播的效果。具身認知理論是認知加工研究的新興領域，研究了身體體驗及交互行為是如何影響人的情緒和認知的。借助具身理論提高用戶的認知效率，對科普游戲的設計與實踐具有指導意義[4]。因此，本文基于具身認知理論，分析了具身環境、交互設計和反饋、隱喻和反饋概念對于科普游戲設計的意義，提出了具身認知理論視角下的科普游戲設計方法，并依據此設計方法進行了空間碎片撞擊科普游戲的設計與開發實踐。

一、具身認知理論概述

具身認知提出：認知思維和情緒體驗與生理體驗有著密不可分的聯系。與傳統的符號加工模式不同，具身理論指出認知并非是“離身”和獨立的，也并非是外界刺激與行為效應的對應公式。認知還產生于身體的物理構造、身體所處的環境，以及身體與外界環境交互方式[5]。認知是身體的認知，心智也是身體的心智，人們的認知很大程度取決于自身的生理條件，以及獲取信息的方式。早期人類與現代人類對“遠”的距離認知迥異，是由于出行方式不同導致出行體驗產生差異。根據麥克盧漢在《理解媒介》一書中提出的“一切技術都是人的延伸”理論，電話、計算機、機械臂等工具大大地延伸了人的身體，強化了人的能力和條件，反過來影響了人類的認知過程[6]。

具身認知理論有以下幾個核心要義：（1）認知是嵌入具身環境的;（2）認知是源于具身交互的，交互方式和反饋共同影響認知過程;（3）抽象思維是具身體驗隱喻而來的[7]。

1.具身環境。具身環境理論指出，身體所處的環境，也構成了認知加工的信息來源。第一層含義在于，信息的存儲不僅僅發生于大腦內部，也發生在外界環境。大腦把環境結構納入認知過程，減輕認知負擔，提高認知效率，如：依據狀態可見原則設計的交互產品，用戶無需將系統狀態納入記憶而徒增負擔。第二層含義在于，環境信息與腦內信息共同決定了認知的結果，同樣的信息在不同的環境中產生不同的意義。

2.交互方式和反饋。認知源于交互，交互方式和交互反饋構成了認知結果。比如，交互方式“用竹簽插著吃”以及交互反饋“聞起來臭吃起來香”構成了對臭豆腐認知的主要部分;采用其他的交互方式及反饋，人就會認為是其他食物。又如“推”與“提”這兩種交互方式，對物體的重量產生了不同的暗示，交互方式本身也在影響認知結果。

3. 抽象思維和隱喻。抽象思維是通過更具象的具身體驗隱喻而形成的，隱喻即使用一種事物表示另一種事物[8]。具身理論認為，絕大部分抽象思維都能追溯到基本的身體體驗，如冷與熱、遠與近等。這些身體體驗形成了冷漠、熱情、疏遠、拉近等抽象含義[9]。“危險”的意義可能產生于受傷和死亡的體驗，即“身體流血”和“心率加快”的身體體驗;因此，“危險”的抽象意義與“流血”“心率加快”產生了意義的聯結，當人看到血紅色或聽到急促的蜂鳴聲，就習慣性地感受到“危險”。

二、科普游戲

科普類游戲為功能游戲的一個分支。功能游戲在娛樂性的基礎上，具有提供知識、訓練技能、培養行為等功能性。此外，科普游戲還具有傳播科學文化知識、提高用戶的科學文化素養、培養科學精神等特殊功能。

因此，依據科普游戲的定義，一款優秀的科普游戲需要同時擁有以下三個特性：（1）娛樂性，娛樂性是游戲的本質屬性;（2）科學性，即游戲傳遞的科學知識是正確的;（3）反思性，即游戲能夠提升興趣，引發關注和思考。

近年來，一些優秀的科普游戲逐漸涌現，但從整體來看，國內科普游戲設計仍存在一些問題，主要包括以下兩個方面：（1）“樂”“教”不平衡;（2）“樂”“教”融合不暢[10] 。

1.“樂”“教”不平衡。樂教不平衡即科普游戲的娛樂性和科學性、教育性不平衡，有兩種表現形式：一種是游戲性不足，游戲性屈從于科學性，因此玩家的游戲動機不足，游戲也難以產生良好的科普效果;另一種則是科學性和教育性不足，由于過分關注游戲的趣味機制，導致游戲內容脫離科學實際，無法達到傳播正確的科學知識的目的[2]。

2.“樂”“教”融合不暢。除了樂教不平衡，樂教融合不暢也是科普游戲面臨的主要問題。樂教融合不暢，即科學內容與游戲機制的脫節。大部分科普游戲的科普內容游離于游戲核心機制之外，只通過其他簡單的形式如答題、背景介紹展示科普內容[10]。科學和娛樂在時空上沒有一致性，導致玩家注意力無法延續、學習效果不佳，游戲的傳播性和整體性受到很大影響。如：生理科普游戲《兒童學身體》，科學知識設置在非游戲的獨立模塊，游戲機制與科學知識關聯較小，科普效果差。

三、具身視角下的科普游戲設計方法研究

（一）設計方法概述：面向科普游戲“樂”“教”不平衡、融合不暢的問題，提出具身視角下的科普游戲設計方法。結合具身認知的核心要義，提出了三種主要方法：（1）具身環境設計，即通過環境和敘事聯結玩家內在記憶，場景化科普知識;（2）交互方式和反饋設計，即對科學內容進行游戲機制轉化，設計擬真化交互方式和反饋以表達科普內容;（3）隱喻設計，即通過特定的隱喻設計喚醒玩家內在具身體驗，表達抽象概念或引起玩家反思。設計方法如圖1所示。

（二）具身環境設計：環境是玩家最先感知到的內容。玩家在虛擬環境中進行交互，并且將交互結果轉化為認知。情境認知理論提出，學習者在非真實情境中被動接收抽象概念，僅僅關注推理和思考而忽視文化和物理情境，會致使抽象知識與真實概念的脫節，產生惰性知識[11]。因此，具身環境設計的意義就在于創造一個具有真實感和沉浸感的文化及物理情境，將科普知識納入其中，促進科普知識的認知。在科普游戲設計中，具身環境體現在兩個方面：視覺環境、敘事環境。

1.視覺環境仿真設計。對視覺環境進行仿真設計，再現科普內容發生的真實物理空間。玩家將游戲機制所呈現出來的科普內容與語境相關聯，獲取情境化的科學內容，提高對科學知識和現象理解的深刻性。優秀的視覺環境仿真設計，在具體化真實物理空間的基礎上，還可以利用逼真的場景設計，關聯玩家腦內對相似真實場景的記憶，利用再現手段提高系統沉浸性。設計精良的飛行模擬游戲《微軟模擬飛行器》，最大程度地還原了真實飛行情境的場景、天氣及突發情況，游戲中的樹木與建筑根據現實地理情況實時渲染，玩家甚至可以找到自己的家。經過視覺環境仿真設計的科普游戲產品，既能夠使科學知識情境化、具體化，又能再現腦中真實，大大提高科學知識的真實性、可信度。

2.敘事環境設計。對語境環境進行敘事設計，可以通過設計背景故事和游戲任務來實現。背景故事設計能夠令游戲事件的發生合理化，同時為科學知識提供確切的語境空間，與物理環境空間相呼應。游戲任務設計則為玩家執行復雜的科學任務提供動機，引導玩家的交互行為，以引入主觀情緒提高玩家的認知效率。《遺忘島》游戲中，玩家扮演一個被困無人島的科學家，玩家必須對不同的氣候或生物的真實照片進行分類，賺取金幣以逃出無人島。通過趣味的背景故事和巧妙的任務設計，玩家在游戲時不自覺地應對挑戰、處理沖突，提高了對科學內容的認知和學習效率 [12]。

（三）交互和反饋設計：科學內容的呈現，首先需要尋找適合游戲的具體操作實踐，抽象化為游戲核心機制，并通過合適的交互方式來呈現。環境一致性原則指出，盡可能選用與真實情境相同的交互方式，以達到對交互與預期的一致，減少界面學習成本。對于具身視角下的科普游戲設計而言，采用與真實情境相似的交互方式，可以提升玩家對于科學操作實踐的認知。在虛擬現實平臺內設計科普游戲，應直接運用手勢識別，而不要使用按鍵替代;在手機或電腦終端，應采用交互范例或擬真的交互方式，如：通過陀螺儀和鼠標轉動視角而非鍵盤;通過拖拽表示移動而非點擊。

交互操作引起了特定反饋，玩家感知到操作與反饋的聯系性，就形成了對科學內容的認知。因此，反映了科普內容的交互反饋應當加以強調，使之反復且生動地向玩家展現。騰訊追夢與科普中國聯合開發的《電是怎樣形成的》中，玩家可以通過拖拽以更換發電材料，選取瓶子上下晃動以添加溶液中的溶質，觀察電燈亮度和電扇轉動速度，據此了解發電材料與電流大小的關系。玩家在真實情景的自主交互，察覺了反饋的不同，并通過反復獲得了對結果的確信，這種具身體驗就轉化為了知識。

（四）隱喻設計：除了傳遞科學知識和再現科學現象，科普游戲的另一任務是向玩家傳遞科學精神、提高玩家的科學思維、引發情感體驗和反思。這些抽象內容，需要利用具體的元素進行隱喻。

在設計中應當先分析科普游戲需要表達的抽象概念，如環保、緊急、開放、機密等，通過聯想和具象化，追溯與之相近的符號，不斷重復以得到游戲設計可以利用的元素，包括：圖標、色彩、界面、文字等視覺元素，音樂、音效等聲音元素，游戲機制、游戲節奏、任務難易度等游戲性元素。玩家在游戲過程中不自覺地與這些元素互動，而這些視聽元素、游戲體驗共同構成了玩家對科普游戲的整體印象和情感體驗，最終引發玩家對科普內容的反思。

四、具身認知理論視角下的科普游戲設計實踐

（一）空間碎片碰撞游戲的設計背景和目的

在空間資源日漸重要的背景下，持續增長的空間碎片正在對空間探索造成巨大威脅，空間碎片逐漸成為了航空航天的重點研究領域。設計該領域的科普游戲，有助于傳播空間碎片領域知識及技術，提升公眾科學素養，對科學研究具有推動作用。本文基于具身認知理論視角下的科普游戲設計方法，實踐了空間碎片碰撞科普游戲《尋芯計劃》的設計與開發。

（二）游戲機制設計

《尋芯計劃》的游戲核心機制圍繞著衛星受空間碎片撞擊、衛星受損、衛星修復以及衛星防護技術升級而展開。將以上科普游對象進行游戲機制轉化：玩家需控制衛星，躲避致命的碎片撞擊，并合理使用資源，執行修復、防護，積攢能量以升級科技，獲得最終勝利。玩家在游玩的過程中，感受碎片碰撞的危害、學習衛星防護材料的知識、了解空間碎片前沿技術，在完成任務挑戰中提升了科學素養。游戲的主要流程如圖2所示：

（三）《尋芯計劃》具身環境設計

1.視覺環境設計：運用三維建模、燈光照明設計、粒子系統、環境貼圖，設計衛星與碎片碰撞的真實環境。地球環境采用燈光照明設計，為地球增加立體感、渲染環境氛圍;使用粒子系統對太陽進行仿真，設置粒子參數，逼真地再現太陽在太空中的視覺形象。在設計過程中，借鑒經典科幻電影《太空救援》的鏡頭和空間布局，力求玩家腦內空間環境的情景再現，強沉浸感和真實感，以求玩家對場景真實的確信，設計效果如圖3所示。

2.敘事設計：游戲設計了“未來社會我國重要軍事衛星受空間碎片撞擊而損毀”這一背景故事，以及“玩家需要躲避碰撞碎片尋找軍事衛星的重要芯片”的游戲任務。通過敘事設計：（1）玩家被賦予了國家級別的重要任務，情感因素提高了專注度和自主性;（2）未來時間背景，使圍繞未來技術的游戲機制合理化;（3）“軍事衛星被碎片擊毀”故事本身就具有啟示意義，強調了空間碎片仿真主題，強化了玩家對碎片危害的認知。通過場景再現和敘事，玩家將游戲機制置于一個具有真實感、沉浸感的環境及語境內。當游戲內容產生結果和意義時，玩家傾向于認為該意義基于真實的科學研究和科學現象。

（四）《尋芯計劃》交互方式與反饋設計

1.交互方式設計：本實踐模擬了航天員在太空中的衛星操作方式和觀測方式，力圖帶給玩家有真實感的交互體驗：（1）太空中缺少受力支點，頭部和視角轉動時會產生遲滯。設置攝像機的轉動速度，編寫轉動延遲函數，以模擬鏡頭延遲效果;（2）衛星操作控件如姿態控制器、變軌避讓器的設計上，借鑒了閘門的操作方式，推動打開，拉回關閉，當虛擬現實眼鏡游玩時，結合體感設備，可以實現手勢控制衛星的衛星;（3）衛星推進器使用粒子系統模擬。與現實交互方式貼近的交互設計，能提供良好的具身交互體驗，玩家也能夠正確預測與系統的交互方式，減輕學習負擔。交互方式直觀、易于理解和記憶，能夠減輕復雜交互方式對科普效率的負面影響。

2.交互反饋設計：反饋是玩家獲取科普內容的最主要方式，玩家進行了避讓、修復、升級等操作，會觀察到碰撞造成的受損情況發生了改變。其中，受損情況的反饋，根據防護材料的不同，衛星分別會產生穿孔、失效、失去姿態、碎片云等效果，如圖4所示。通過操作和觀察反饋，玩家能夠了解到空間碎片相關的科學知識和技術。

（五）《尋芯計劃》隱喻設計

1.抽象概念分析：游戲的設計目的之一在于科普空間碎片的危害性，基于真實的科學研究成果和研究方向，為玩家拓展未來空間技術研究的視野，提高玩家的科學素養。因此，本游戲的隱喻設計需要包含以下幾個抽象概念：（1）危害性;（2）科學性;（3）未來感。

2.設計過程：先對抽象概念進行具象化聯想，再使用可利用的具象元素進行設計。“科學性”“未來感”，具象化聯想轉化成如下幾個設計元素：（1）科技藍和金屬灰，作為交互界面的主要色調;（2）扁平化風格，作為界面視覺元素設計的統一準則;（3）科技“秩序感”的統一樣式，作為界面設計的標準。對“危險性”進行具象化聯想：（1）紅色，作為異常情況提示文字的顏色;（2）急促蜂鳴聲，作為危機提示音。利用色彩設計、界面設計方法，設計出了《尋芯計劃》的交互界面，如圖11所示。其中，受損數據的展示中：“齒輪”“盾牌”等具象化圖形隱喻控制、安全等抽象概念;電池樣式隱喻受損情況;顏色隱喻嚴重性等。

3.效果分析：通過游戲內視聽元素的隱喻設計，玩家在游戲過程中能調動內在的“緊張”與“危機”“秩序”與“混亂”“未來”與“科技”的抽象概念記憶，在交互過后獲得對應的情感體驗，引發對游戲內容的思考。

結語

本文基于具身認知理論，面向科普游戲的設計現狀，提出了具身認知視角下的科普游戲設計策略：通過具身環境設計、交互與反饋設計、隱喻設計等具身體驗設計手段，一方面給用戶帶來情感體驗和沉浸體驗，提高系統的趣味性、交互性、反思性;另一方面，結合情境化學習和游戲核心機制交互反饋，提高系統的科普效率。具身認知理論視角下的科普游戲設計策略，為科普游戲娛樂性與教育性的平衡與融合提出新的思路。