游戲引擎與OOP技術(shù)支撐下教育游戲的交互設(shè)計(jì)與用戶(hù)體驗(yàn)研究

摘要：面向?qū)ο缶幊桃话阒该嫦驅(qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，在提升代碼可重用性、模塊化與可維護(hù)性方面作用顯著。針對(duì)當(dāng)前教育游戲交互設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性技術(shù)支撐、用戶(hù)體驗(yàn)評(píng)估不足等問(wèn)題，文章提出了一套基于游戲引擎與OOP技術(shù)的模塊化交互設(shè)計(jì)框架。該框架通過(guò)對(duì)引擎功能的接口化封裝和交互對(duì)象的繼承體系設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效、可復(fù)用的交互邏輯。通過(guò)用戶(hù)測(cè)試與問(wèn)卷分析，驗(yàn)證了該框架能顯著提升學(xué)習(xí)者的沉浸感與操作效率。該研究為構(gòu)建兼具教育性與高用戶(hù)體驗(yàn)的教育游戲提供了系統(tǒng)性的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與評(píng)估策略。

關(guān)鍵詞：教育游戲；游戲引擎；OOP技術(shù)；交互設(shè)計(jì)；用戶(hù)體驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）28-0102-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

教育游戲是嚴(yán)肅游戲的一種，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)特定教育目的而開(kāi)發(fā)的游戲，具有教育性和娛樂(lè)性并重的特點(diǎn)，是以游戲作為教育的手段，在設(shè)計(jì)游戲時(shí)以成熟的教育理論作為理論支撐，以取得教育性和游戲性的平衡，從而通過(guò)游戲的方式來(lái)完成教育過(guò)程的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。作為教育游戲開(kāi)發(fā)的兩大支柱，游戲引擎與面向?qū)ο缶幊蹋∣OP） 技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的交互架構(gòu)與用戶(hù)感知體驗(yàn)起著決定性作用。前者搭建起開(kāi)發(fā)所需的基礎(chǔ)框架與功能模塊集群，大幅簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程并提升了創(chuàng)作效能；后者則憑借封裝、繼承、多態(tài)等核心特性，使代碼體系更具條理性，便于后期維護(hù)與功能拓展，為復(fù)雜游戲邏輯的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)路徑。此外，流暢、自然的交互設(shè)計(jì)是用戶(hù)與教育游戲高效互動(dòng)的前提，而卓越的用戶(hù)體驗(yàn)則是維系用戶(hù)黏性、達(dá)成教育目標(biāo)的核心要素。基于此，針對(duì)游戲引擎與OOP技術(shù)支撐下的教育游戲交互設(shè)計(jì)及用戶(hù)體驗(yàn)展開(kāi)深度探究，對(duì)提升教育游戲品質(zhì)、強(qiáng)化教學(xué)成效具有不可忽視的實(shí)踐價(jià)值。

因此，本文旨在回答以下核心問(wèn)題：1） 如何利用游戲引擎與OOP技術(shù)，構(gòu)建一套可復(fù)用、可擴(kuò)展的教育游戲交互設(shè)計(jì)架構(gòu)？2） 該架構(gòu)對(duì)學(xué)習(xí)者的用戶(hù)體驗(yàn)（如學(xué)習(xí)效率、沉浸感、滿(mǎn)意度） 有何具體影響？為探討這些問(wèn)題，本文將首先梳理相關(guān)理論，然后提出設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)用戶(hù)研究進(jìn)行評(píng)估，最后進(jìn)行總結(jié)。

1 理論基礎(chǔ)與相關(guān)技術(shù)

1.1 游戲引擎概述

游戲引擎是指一些已編寫(xiě)好的可編輯電腦游戲系統(tǒng)或一些交互式實(shí)時(shí)圖像應(yīng)用程序的核心組件。這些系統(tǒng)為游戲設(shè)計(jì)者提供了編寫(xiě)游戲所需的各種工具，其目的在于讓游戲設(shè)計(jì)者能容易、快速地做出游戲程式而無(wú)須從零開(kāi)始。在教育游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，Unity與Unreal Engine是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的兩款主流引擎，二者基于不同的技術(shù)特性，適用于各類(lèi)開(kāi)發(fā)場(chǎng)景。Unity憑借出色的跨平臺(tái)適配能力和簡(jiǎn)潔的操作邏輯，成為教育游戲開(kāi)發(fā)的優(yōu)選工具[1]。相比之下，Unreal Engine以卓越的圖形渲染性能見(jiàn)長(zhǎng)，更適合開(kāi)發(fā)對(duì)畫(huà)面精細(xì)度有較高要求的教育游戲，例如模擬真實(shí)場(chǎng)景的科學(xué)探究類(lèi)游戲，便常以該引擎為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。這些游戲引擎的核心價(jià)值在于大幅降低了游戲開(kāi)發(fā)的技術(shù)門(mén)檻：即便開(kāi)發(fā)者缺乏扎實(shí)的編程基礎(chǔ)，也能依托引擎自帶的工具與接口，快速完成游戲原型的搭建，并在原型基礎(chǔ)上逐步拓展功能邊界。

1.2 面向?qū)ο缶幊蹋∣OP） 技術(shù)原理

面向?qū)ο缶幊蹋∣OP） 是一種計(jì)算機(jī)編程架構(gòu)，其基本原則是計(jì)算機(jī)程序由單個(gè)能夠起到子程序作用的單元或?qū)ο蠼M合而成。OOP=對(duì)象+類(lèi)+繼承+多態(tài)+消息，其中核心概念是類(lèi)和對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)代碼的模塊化構(gòu)建與復(fù)用拓展。在教育游戲開(kāi)發(fā)中，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)深入，為復(fù)雜游戲邏輯的實(shí)現(xiàn)提供了清晰的路徑。以經(jīng)典消除類(lèi)游戲“連連看”的開(kāi)發(fā)為例，能直觀地看到OOP的應(yīng)用邏輯（圖1） ：棋盤(pán)類(lèi)（GameBoard） 是游戲主界面的載體，它不僅存儲(chǔ)著方塊的二維數(shù)組信息，還負(fù)責(zé)游戲的啟停控制與計(jì)時(shí)管理；方塊類(lèi)（Block） 對(duì)應(yīng)游戲里每一個(gè)可消除的元素，包含位置坐標(biāo)、圖片資源及當(dāng)前狀態(tài)等核心屬性；連接線(xiàn)類(lèi)（ConnectionLine） 用于界定方塊之間的可消除關(guān)系，是判斷消除邏輯的關(guān)鍵；事件處理類(lèi)（EventHandler） 則專(zhuān)門(mén)監(jiān)聽(tīng)玩家的操作行為，并據(jù)此驅(qū)動(dòng)游戲邏輯的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)將游戲邏輯拆解為不同的類(lèi)結(jié)構(gòu)，再在各類(lèi)之間建立合理的關(guān)聯(lián)，開(kāi)發(fā)者便能構(gòu)建出兼具靈活性與可維護(hù)性的代碼體系[2]。

2 基于游戲引擎與OOP的交互設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 交互邏輯的技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

2.1.1 引擎功能的封裝與接口化

運(yùn)用OOP技術(shù)將游戲引擎的核心功能（如圖形渲染、物理模擬、輸入響應(yīng)等） 打包成獨(dú)立的服務(wù)類(lèi)，并對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)化接口。例如，打造Render Service類(lèi)來(lái)包裝引擎的3D渲染能力，給出Draw Object、Update Material等調(diào)用接口；Physics Service類(lèi)則封裝物理引擎，提供Add Force、Check Collision等接口。在業(yè)務(wù)邏輯層面，可通過(guò)調(diào)用這些接口來(lái)完成交互功能，以避免直接使用引擎的API，這樣在后續(xù)進(jìn)行引擎升級(jí)或更換時(shí)會(huì)更加便捷。

2.1.2 交互對(duì)象的類(lèi)層次設(shè)計(jì)?

依托OOP的繼承特點(diǎn)搭建交互對(duì)象的類(lèi)體系，先定義Interactive Object基類(lèi)，其中包含位置、狀態(tài)、交互范圍等通用屬性，以及On Interact、On Hover等基礎(chǔ)交互方法；再衍生出Static Object（如可點(diǎn)擊的知識(shí)點(diǎn)標(biāo)牌） 、Dynamic Object（如可拖拽的實(shí)驗(yàn)器材） 等子類(lèi)，通過(guò)重寫(xiě)交互方法來(lái)實(shí)現(xiàn)各自特有的邏輯，并利用多態(tài)特性讓系統(tǒng)統(tǒng)一處理不同類(lèi)型對(duì)象的交互請(qǐng)求，從而簡(jiǎn)化代碼邏輯[3]。

2.1.3 狀態(tài)管理的模塊化實(shí)現(xiàn)?

將狀態(tài)模式與OOP相結(jié)合可對(duì)交互狀態(tài)進(jìn)行管理。為教育游戲中的核心交互對(duì)象（如任務(wù)面板、角色等） 設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)類(lèi)，封裝Idle、Active、Completed等狀態(tài)，使每個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)獨(dú)立的行為類(lèi)，如Task Idle State、Task Active State。同時(shí)，還可借助游戲引擎的幀更新機(jī)制來(lái)觸發(fā)狀態(tài)檢查。當(dāng)滿(mǎn)足切換條件時(shí)（比如用戶(hù)完成答題） ，狀態(tài)機(jī)會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)狀態(tài)類(lèi)的Enter、Exit方法，以實(shí)現(xiàn)交互狀態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡[5]。

2.2 多維度交互的技術(shù)融合應(yīng)用?

2.2.1 視覺(jué)交互的技術(shù)實(shí)現(xiàn)?

利用融合游戲引擎的UI系統(tǒng)與OOP的組件化思想搭建視覺(jué)交互體系。將按鈕、進(jìn)度條等UI元素封裝為UIComponent類(lèi)，內(nèi)置Set Position、Set Visible等操控方法；通過(guò)Layout Manager類(lèi)統(tǒng)籌UI布局，結(jié)合引擎的分辨率自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)多終端的顯示兼容。針對(duì)動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋（如答題正確時(shí)的粒子特效） ，采用裝飾器模式對(duì)基礎(chǔ)UI組件進(jìn)行功能擴(kuò)展，動(dòng)態(tài)地掛載特效組件，以避免對(duì)核心代碼的修改。

2.2.2 物理交互的技術(shù)支撐?

聯(lián)合游戲引擎的物理引擎與OOP的碰撞檢測(cè)類(lèi)打造真實(shí)的物理交互場(chǎng)景。為可交互物體配備Collision Detector組件，封裝引擎的碰撞回調(diào)函數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到碰撞事件（如虛擬小球撞擊目標(biāo)物） 時(shí)，通過(guò)事件通知系統(tǒng)觸發(fā)后續(xù)邏輯（如計(jì)分統(tǒng)計(jì)、任務(wù)推進(jìn)） 。同時(shí)，運(yùn)用OOP的接口隔離原則，將質(zhì)量、摩擦系數(shù)等物理參數(shù)封裝為可配置的屬性，支持通過(guò)外部文件動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適配不同教育場(chǎng)景的需求[4]。

2.2.3 語(yǔ)音交互的技術(shù)整合?

語(yǔ)音交互是以語(yǔ)音為載體的人工智能交互技術(shù)，涵蓋了語(yǔ)音采集、語(yǔ)音識(shí)別（ASR） 、自然語(yǔ)言處理（NLP） 和語(yǔ)音合成（TTS） 等技術(shù)鏈條。結(jié)合游戲引擎的語(yǔ)音系統(tǒng)與OOP的音效管理器構(gòu)建音頻交互機(jī)制。可設(shè)計(jì)Audio Manager單例類(lèi)，封裝引擎的語(yǔ)音加載、播放、暫停等功能，對(duì)外提供Play Feedback Sound、Play Narration等調(diào)用接口。同時(shí)，還可按音效類(lèi)型（如操作反饋、劇情旁白等） 劃分不同的語(yǔ)音池類(lèi)，借助對(duì)象池技術(shù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音資源的復(fù)用，以降低性能損耗。此外，還可利用OOP的觀察者模式，在交互事件發(fā)生時(shí)（如操作成功） ，自動(dòng)觸發(fā)對(duì)應(yīng)音效的播放。

2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互適配技術(shù)?

2.3.1 用戶(hù)行為數(shù)據(jù)的采集與應(yīng)用?

整合游戲引擎的日志記錄功能與OOP的數(shù)據(jù)處理機(jī)制開(kāi)展行為分析。開(kāi)發(fā)User Behavior Tracker類(lèi)，追蹤用戶(hù)的交互行為（如點(diǎn)擊頻次、任務(wù)耗時(shí)、錯(cuò)誤類(lèi)別） ，并將這些信息封裝為Behavior Data數(shù)據(jù)對(duì)象。運(yùn)用OOP的策略模式，依據(jù)不同的教育場(chǎng)景（如知識(shí)強(qiáng)化、技能演練） 定制數(shù)據(jù)采集規(guī)則，以精準(zhǔn)地篩選核心指標(biāo)。此外，還可基于采集到的用戶(hù)數(shù)據(jù)，通過(guò)Adaptive Interaction類(lèi)實(shí)時(shí)調(diào)整交互參數(shù)（如題目難度梯度、提示出現(xiàn)間隔） ，以構(gòu)建個(gè)性化的交互路徑。

2.3.2 交互流程的可配置化設(shè)計(jì)?

融合OOP的工廠(chǎng)模式與游戲引擎的配置解析能力，實(shí)現(xiàn)交互流程的靈活配置。將實(shí)驗(yàn)操作步驟、答題環(huán)節(jié)等交互流程定義為XML或JSON格式的配置文件，通過(guò)Interaction Factory類(lèi)解析配置信息，動(dòng)態(tài)地生成對(duì)應(yīng)的交互節(jié)點(diǎn)類(lèi)（如Experiment Step、Quiz Step） ，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)類(lèi)獨(dú)立地封裝特定交互邏輯，通過(guò)鏈表結(jié)構(gòu)銜接成完整的流程，支持節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)增減，從而快速適配多樣化的教學(xué)內(nèi)容需求[5]。

2.3.3 多終端交互的適配技術(shù)?

借助游戲引擎的跨平臺(tái)特性與OOP的適配器模式，實(shí)現(xiàn)多終端的兼容。定義Device Adapter接口，針對(duì)PC、移動(dòng)設(shè)備、VR設(shè)備分別開(kāi)發(fā)適配類(lèi)，封裝各自的輸入方式（如鍵盤(pán)操作、觸摸感應(yīng)、手柄控制） ，并通過(guò)Device Detector類(lèi)識(shí)別當(dāng)前運(yùn)行的設(shè)備，自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)的輸入處理類(lèi)，將各類(lèi)設(shè)備輸入轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化交互指令（如“選擇”“拖拽”） ，以確保上層交互邏輯無(wú)須修改即可在不同終端順暢運(yùn)行。

3 用戶(hù)體驗(yàn)評(píng)估與分析

為驗(yàn)證基于游戲引擎與OOP技術(shù)的教育游戲交互設(shè)計(jì)框架對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)的實(shí)際提升效果，本章通過(guò)構(gòu)建多維度評(píng)估模型，采用用戶(hù)測(cè)試法開(kāi)展實(shí)證研究，系統(tǒng)地收集并分析用戶(hù)行為數(shù)據(jù)與主觀反饋，最終形成量化與質(zhì)性相結(jié)合的評(píng)估結(jié)論。

3.1 評(píng)估模型構(gòu)建

結(jié)合教育游戲的“教育性”與“游戲性”雙重屬性，本研究基于HCI領(lǐng)域的經(jīng)典理論與教育游戲的特性，構(gòu)建了包含4個(gè)一級(jí)指標(biāo)、12個(gè)二級(jí)指標(biāo)的用戶(hù)體驗(yàn)評(píng)估模型（如表1所示） 。該模型既覆蓋了交互設(shè)計(jì)的核心可用性要求，又突出了教育場(chǎng)景下的學(xué)習(xí)效果與動(dòng)機(jī)維度。

3.2 研究方法

采用用戶(hù)測(cè)試法，招募一定數(shù)量的目標(biāo)用戶(hù)（如學(xué)生） ，讓其使用基于本文框架開(kāi)發(fā)的一款教育游戲原型進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.3 數(shù)據(jù)收集

3.3.1 行為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)UserBehaviorTracker模塊與人工記錄，兩組用戶(hù)的核心行為數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

3.3.2 主觀問(wèn)卷結(jié)果

量表數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)組在各維度的得分均顯著高于對(duì)照組：在SUS可用性得分方面，實(shí)驗(yàn)組的平均得分為78.5分（良好） ，對(duì)照組為62.3分（一般） ；在沉浸感得分方面，實(shí)驗(yàn)組的平均得分為4.8/7分，對(duì)照組為3.2/7分；在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)得分方面，實(shí)驗(yàn)組“持續(xù)參與意愿”題項(xiàng)的同意率為83.3%，對(duì)照組為53.3%。

3.3.3 訪(fǎng)談結(jié)果分析

對(duì)訪(fǎng)談文本進(jìn)行編碼后，提煉出典型反饋：

正面反饋（高頻詞） ：“操作很流暢，不用反復(fù)看提示就能找到按鈕”（可用性） ；“實(shí)驗(yàn)過(guò)程中點(diǎn)擊器材時(shí)的動(dòng)畫(huà)反饋很清晰，像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室一樣”（沉浸感） ；“通過(guò)游戲記住了物理公式，比課本上的例子更直觀”（學(xué)習(xí)效果） 。

待改進(jìn)點(diǎn)：“部分高級(jí)功能（如自定義實(shí)驗(yàn)參數(shù)）"隱藏較深，需要更多引導(dǎo)”；“長(zhǎng)時(shí)間使用后，畫(huà)面加載偶爾會(huì)卡頓”。

3.4 評(píng)估結(jié)論

有效性驗(yàn)證：基于游戲引擎與OOP技術(shù)的交互設(shè)計(jì)框架能顯著提升教育游戲的可用性（操作效率提升29%、錯(cuò)誤率降低56%） 與沉浸感（得分提升49%） ，驗(yàn)證了模塊化架構(gòu)對(duì)交互邏輯優(yōu)化的實(shí)際效果。

教育價(jià)值：實(shí)驗(yàn)組用戶(hù)的知識(shí)掌握度與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)均優(yōu)于對(duì)照組，說(shuō)明該框架通過(guò)“高效交互—深度沉浸—主動(dòng)學(xué)習(xí)”的路徑，實(shí)現(xiàn)了教育目標(biāo)與用戶(hù)體驗(yàn)的協(xié)同提升。

改進(jìn)方向：須進(jìn)一步優(yōu)化高級(jí)功能的引導(dǎo)設(shè)計(jì)，并通過(guò)引擎性能調(diào)優(yōu)解決加載卡頓問(wèn)題（后續(xù)可結(jié)合OOP的“資源池”設(shè)計(jì)模式優(yōu)化資源加載邏輯） 。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出的基于游戲引擎與OOP技術(shù)的教育游戲交互設(shè)計(jì)框架，經(jīng)用戶(hù)體驗(yàn)評(píng)估顯示，在可用性、沉浸感和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面均有提升。從可用性來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的操作效率提升了29%、錯(cuò)誤率降低了56%，這得益于OOP技術(shù)的交互對(duì)象繼承體系和游戲引擎的接口化封裝，與相關(guān)研究中模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)化交互流暢度的觀點(diǎn)一致。在沉浸感上，實(shí)驗(yàn)組的得分提升了49%，因游戲引擎的實(shí)時(shí)渲染與OOP的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制相結(jié)合，讓交互反饋更精準(zhǔn)，也補(bǔ)充了互動(dòng)邏輯須適配用戶(hù)行為的研究。在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面，83.3%的持續(xù)參與意愿源于框架形成的良好閉環(huán)，符合相關(guān)模型的結(jié)論。經(jīng)驗(yàn)證，該框架的成效顯著，提升了可用性，增強(qiáng)了沉浸感，還協(xié)同提升了學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與效果。但是，研究存在一定的局限性：評(píng)估基于單一的游戲原型，測(cè)試用戶(hù)的樣本量小且代表性不足；未納入長(zhǎng)期的效果評(píng)估；技術(shù)的適配場(chǎng)景有限。未來(lái)，還須探索與AI結(jié)合以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)交互，拓展技術(shù)融合場(chǎng)景，擴(kuò)大應(yīng)用與評(píng)估范圍，深化性能與終端適配，以強(qiáng)化技術(shù)支撐與教育目標(biāo)的協(xié)同性。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】