“雙減”背景下家庭教育在游戲過程中提升學生編程能力

摘"要：本文在可視化編程軟件scratch基礎上，探討通過3d軟件創建模型，轉換可視化編程為具體的程序代碼，以3d游戲引擎完成項目融合，在游戲中提升小學生編程能力的可行性策略。

關鍵詞：家庭教育；可視化編程；3d建模

中圖分類號：G4"文獻標識碼：A""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.13.078

1"項目教學

隨著信息技術的普及和深入，學生在可視化編程方面的能力獲得了較大的提升。但是，scratch等可視化編程軟件不能成為編程行業主流，也不能進一步提升學生的編程能力。為此，在家庭教育中，針對有興趣和特長的學生，可以設計以godot游戲編程平臺為主導的編程，在保留趣味性的同時，提高學生編碼水平，為以后的學習和工作打下堅實的基礎。

2"算法分析

現假設雞兔放在超市購物車里，上面數有20個頭，下面數有58只腳，問共有多少只雞和兔子。

在scratch中用可視化編程來描述算法，在算法中通常用偽代碼來描述解題過程，這樣方便轉化為具體的編程語言。

在編程語言里，解題通常用判斷和循環來解決，這道題目，可以通過循環計算求得結果，偽代碼如下：

假設有1只雞，則兔子有（20-1）只；從1循環至20；如果雞*2+（20-雞）*4=58，則計算出最終結果；否則繼續循環。

從上面偽代碼可以看出，整個解題思路和可視化編程類似，可以作為編寫程序的過渡。

具體編碼如圖1：首先設置初始值var"chicken=1，設計循環while"chickenlt;=20，實現判斷語句if"（chicken*2+（20-chicken）*4）==58，如果條件成立print（chicken），否則條件不成立chicken+=1。

3"模型創建

模型可以用簡單的3d形狀，如果學生動手能力比較強，同時為了增強趣味性，我們也可以自己創建模型。首先創建超市購物車3d模型，這里介紹3d模型在開源軟件blender中的搭建過程。

3.1"購物車外邊框的創建

在物體模式下，布局選項卡中，選擇添加網格平面，90度旋轉該網格平面，使其平行于正視圖。切換至編輯模式，正視圖視角下，刪除四邊形的一個頂點，移動其他三個頂點分別至外邊框的左上、左下和右下三個位置，并通過擠出命令生成新頂點，沿手推桿生成外輪廓。選中所有頂點，切換至右視圖視角，按E鍵擠出該輪廓移動至購物車另一側外邊框位置，生成對稱的外輪廓。刪除不需要的手推桿位置的邊，只保留需要的點和邊。將以上四邊形轉換為曲線，并且設置倒角為0.03m，此時顯示出購物車的外輪廓，通過倒角命令還可以將棱角加以光滑。這種方式生成的模型布線不夠規則，所以也可以直接用多邊形創建模型。

切換至物體模式，布局選項卡中，選擇添加網格圓環，在彈出的菜單中，設置頂點數為12，半徑為0.01米。選擇網格圓環，正視圖視角下，切換至編輯模式，沿著x軸旋轉90度，拖動至購物車外輪廓右下角。選擇網格圓環所有頂點，左鍵點擊擠出選區，沿著y軸移動選區至購物車外輪廓左下角。接著需要向上生成外輪廓，將剛才的選區沿著x軸旋轉45度，左鍵點擊擠出選區，沿著z軸移動至外輪廓左上角。此時的折角是直的，我們選擇輪廓左下角的一圈頂點，左鍵點擊倒角命令，在彈出的菜單中，設置寬度為0.01米，段數為4，這時的直角就變得圓滑了。回到輪廓左上角，并選擇一圈頂點，沿著x軸旋轉-45度，左鍵點擊擠出選區，沿著y軸移動選區至購物車把手。繼續選擇該選區一圈頂點，沿著z軸旋轉45度，接著旋轉外輪廓右下角一圈頂點，同樣沿著z軸旋轉45度。回到物體模式，選擇整個右輪廓，復制該輪廓沿著x軸移動到左輪廓位置，沿著x軸鏡像該輪廓，這樣我們就創建了外輪廓的左、右兩個部分。將購物車左、右輪廓合并，選擇左、右輪廓的把手部分，依次選擇對應的兩組頂點，右鍵點擊從頂點創建面命令，完成購物車把手部分的橫桿。同理，選擇購物車底框前端的左、右兩部分，依次選擇對應的兩組頂點，右鍵點擊從頂點創建面命令，完成購物車底框橫桿的創建。

3.2"購物車內邊框的創建

切換至物體模式，布局選項卡中，選擇添加柱體網格。沿x軸旋轉90度，分別縮放x軸、y軸和z軸至內邊框上邊緣大小。選擇該柱體網格，添加陣列修改器，適配類型選擇固定數量，并設置數量為4，相對偏移系數x為0，y為-6，z為0，選擇應用該修改器，這樣我們就創建了購物車內邊框的橫梁。用同樣的方式繼續添加柱體網格，分別縮放x軸、y軸和z軸至內邊框右邊緣大小。選擇該柱體網格即內邊框右豎梁，繼續添加陣列修改器，適配類型仍然選擇固定數量，并設置數量為5，相對偏移系數x為0，y為6.2，z為0，然后選擇應用該修改器，這樣我們就創建了購物車內邊框的豎梁。復制內邊框豎梁，切換至右視圖，沿著x軸移動復制的網格至購物車左內邊框位置，這樣購物車的左、右內邊框就創建完成了。合并購物車左、右內邊框，切換回主視圖調整邊框位置。選擇外輪廓，在把手處我們添加2處環切，選擇中間一圈平面點擊擠出命令，然后按法線方向進行縮放，這樣我們可以生成比外邊框厚一些的扶手，再次回到主視圖查看生成的效果。

3.3"購物車車輪的創建

添加圓形多邊形，在正視圖下填充平面，在側視圖下擠壓生成厚度。分別選擇車輪的內外一圈頂點，點擊倒角命令，在彈出的菜單中設置影響范圍為邊，寬度類型為偏移量，寬度為0.05米，段數為4。分別選擇內外最內一圈頂點，點擊縮放命令，在彈出的菜單中設置x軸、y軸和z軸的縮放量為0.25。選擇外側從車輪中心數第2圈頂點，點擊縮放命令，在彈出的菜單中設置x軸、y軸和z軸的縮放量為0.5，同時沿著x軸方向移動0.001米。接著選擇外側從車輪中心數第3圈頂點，點擊縮放命令，在彈出的菜單中設置x軸、y軸和z軸的縮放量為0.75，同第2圈頂點一樣也沿著x軸方向移動0.001米。這樣車輪的基本形狀就創建好了。創建四邊形網格，生成幾何節點，添加實例化于點上節點，組輸入中的幾何數據連接實例化于點上的輸入頂點，實例化于點上的輸出項實例，連接到組輸出中的幾何數據。添加物體信息幾何節點，物體選擇車輪，物體信息中的輸出項幾何數據連接到實例化于點上的輸入項實例。調整四邊形位置，完成購物車輪子的創建。切換到著色編輯器，在原理化PSDF節點中，給購物車各個部件設置基礎顏色。

4"題目拓展

為了增強趣味性，我們把購物車加載到Godot中，制作成簡單的游戲。

首先，為了增強程序的可讀性，我們把根目錄中的默認的Node3D重命名為根節點。接下來右鍵單擊該節點，并選擇添加子節點，也可以選用快捷鍵Ctrl+A。在彈出的對話框中搜索角色身體3D節點，這是一個Godot內部的節點，我們在編碼過程中可以通過它的屬性和函數控制這個3D節點。我們將之前在blender中制作的購物車導出為glb格式，glb是一種開放的3d模型存儲格式，方便在不同的3d軟件里傳輸。將該文件放在Godot項目文件夾中，Godot會自動加載該模型。我們左鍵拖動該模型并放置在剛才建立的角色身體3D節點上，Godot主視圖界面里就會出現我們導入的購物車模型。Godot和Blender的兼容性非常好，現在主流3d軟件通常選用PBR（Physically"Base"Rendering，基于物理渲染）渲染引擎，我們可以看到在Blender設置的顏色和材質屬性，都完整的保留在Godot里。如果希望描述更多的細節，也可以采用貼圖的方式。

其次，為了模擬現實世界里物體的運動，需要給購物車加上碰撞器。購物車雖然結構并不復雜，但是在進行實時的游戲運算過程中，頂點過多會耗費大量的時間，所以Godot里對物體的形狀進行了化簡。我們右鍵單擊角色身體3D節點，在彈出的對話框中搜索碰撞形狀3D節點，點擊確定添加該3D節點。接下來我們需要選擇適合購物車模型的形狀。常用的3D形狀有球體形狀3D、箱體形狀3D、膠囊形狀3D和圓柱體形狀3D。如果覺得這些設置不夠精細也可以選擇凸面多邊形形狀3D或者凹面多邊形形狀3D，同時在角色身體3D模型上加以適配。

最后，我們給項目加上迷宮地圖。地圖的創建可以在blender中，也可以直接在Godot中創建。在blender中創建的地圖導入到Godot中同樣需要添加碰撞器；在Godot中可以通過GridMap（網格地圖）直接創建迷宮地圖。在文件系統中新建文件夾并命名為地板磚，右鍵該文件夾新建場景并命名為brick，右鍵brick節點在彈出的對話框中搜索網格實例并創建。我們可以在Godot右邊的檢查器中設置brick的類型，這里我們選擇箱體網格，并設置喜歡的顏色和箱體的長、寬、高。與購物車模型的碰撞設置不同，我們左鍵單擊brick網格，并選擇創建三角網格靜態實體，就可以給地板磚添加碰撞形狀。可以設置不同顏色和形狀的brick網格，分別代表不同的區域和墻體。選擇場景導出為網格庫，選擇樹節點類型保存brick模塊。回到主場景在根節點下添加網格地圖，將我們保存的brick模塊添加到網格地圖的網格庫中，這時就可以在主視圖中繪制地圖了。此外，如果在blender中給購物車創建了動畫，Godot中也可以引用這些動畫。Godot游戲開發平臺要比Scratch復雜，其中涉及到建模、動畫、渲染和編程等知識，但是其趣味性和擴展性也更強，家長可以啟發孩子一步一步來解決實際問題。

5"總結

隨著信息時代的發展，社會對各行各業的從業者信息化水平要求越來越高，單純的可視化編程已不能滿足社會對未來人才的需求。本文以Godot為例，介紹了在不失趣味性的同時，讓學生進一步學習編程的方法，可以作為有編程興趣或特長學生的家長作為參考。

參考文獻

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