基于可复用技术的基础教育游戏框架

摘 要：为了解决教育性游戏中人工智能的可复用性的问题，我们通过总结、抽象教育游戏中的共性的组件模块，提出“基本教育游戏框架”，并详细说明它的组成部分以及各部分的作用。同时我们还详述了怎样平衡教育性和娱乐性。此外为了证明这个模型的正确性，我们在三维游戏引擎“Unity”中创建了一个导游人工智能系统。通过实例分析：在教育性游戏中，使用“基本教育游戏框架”，可以很容易组成一个适合针对自身游戏的人工智能系统。

关键词：教育游戏；可重用性；Unity

1 引言

游戏作为生活中的常用词语，却很难给出确切的定义，因为它在不同的语境中表达着不同的意思。我们可以通过英文游戏进行解释，play game：play泛指游戏，在更广的意思上，作为名词的play可以泛指活动，相当于activity；game则指社会性的（有组织、有规律并通过竞技性的）游戏。而教育游戏是一种遵循游戏机制，制备一定可玩性、趣味性并达到一定的教育效果的活动[1]。通过对多个教育游戏进行对比，我们发现，有一些基本的概念反复的出现，以此我们认为它们是一个教育游戏的基础和核心。理解这些概念，以及明确这些概念之间的关系，可以防止游戏开发者重复发现这些概念，同时对于他们组建一个新的高质量的教育游戏有着很大的帮助。在论文的第二部分，我们将要讨论这些关键概念的功能，以及它们之间怎么相互作用组合成基本的游戏框架。在文章的第三部分，我们给出了实例化游戏的基本框架，实现了一个基于Unity3d游戏引擎的虚拟导游系统。第四部分，给出了全文的总结和展望。

2 教育游戏的基础框架

在第一部分，我们提到了关于教育性游戏的基础框架的一些基本概念。在这一部分中我们将详细阐述这些概念的作用，以及它们之间是怎么相互合作，组合成一个完整的教育游戏基础框架。最后我们再将这个教育游戏基础框架运用到教育游戏中。

2.1 教育游戏基础框架

在教育性游戏基础框架中，我们会提及11个相关概念：教育环境，成果，课程，教室，谜题，考试，教科书，教师，障碍，奖励和提示。首先我们讨论下每一个概念的功能。

（1）教育环境：“教育环境”是一个比喻，代表在教育游戏中所有的游戏物体。它的一个很主要的功能就是为“课程”提供场景，所以我们可以合理的认为，“教育环境”是“课程”的先决条件。同时“教育环境”还有一个重要的功能是它可以为一个指定的“课程”列出它所需要的先决条件。（2）成果：当玩家进入一个教育游戏中时，去探索每一个“课程”的相关领域，学习知识，解答谜题等等，他所操作的过程需要记录下来。“成果”的作用应该是记录玩家的操作，同时提供一个接口以方面查询。（3）课程：“课程”是最重要的一个概念，它包含了在教育游戏中一个独立区域范围内所需要的子物体。由于它包含了太多的概念和功能，所以我们对他进行使用或者复用是比较困难的。（4）教室：“教室”是“课程”传授的物理区域。“教室”要提供一些必要的限制，比如玩家需要通过那些必须的“课程”才能进入到此教室。“教室”需要具备三个功能：1）能够知道玩家何时进入或者离开。2）明确玩家需要完成哪些先决的“课程”。3）知道玩家在先决的课程的操作。（5）谜题和考试：当玩家进入一个“教室”，他会去探索；来发现离开这个“教室”的路。但是在路上会遇到很多的“谜题”。每一个谜题都是由两部分组成的：问题和答案。“谜题”能够判断玩家输入的答案和标准答案是否一致，同时还要做到能够根据玩家的动作来跟新玩家“成就”。只有玩家解决了在“教室”里一系列的“谜题”，玩家才可以离开。（6）教科书：为了通过“考试”，玩家要有很强的信心来获取相关知识才可以。“教科书”是“课程”所要交的内容，也是“谜题”答案所在的地方。“教科书”要做到相对来说要简单，保持与相关“课程”的内容相关。教科书的表现形式有很多种，比如普通的文本，问答题，图片，视频等等。（7）教师：为了使游戏能够达到灵活多样，“教师”扮演了以一个特殊的角色，而不是一个普通的NPC角色，或者可以说他是软件的一个接口，任何游戏物体都可以成为“老师”角色，只要它能够与“教科书”有联系。（8）障碍：为了增加游戏的挑战性，我们可以在玩家的前进的道路上增加“障碍”。从本质来说，“障碍”就是一个玩家在物理上一个限制，比如一个锁住的门，一个陡峭的悬崖，一个太深的河等等。为了克服这个障碍，玩家需要满足一些特定的条件：玩家需要响应的游戏物体来克服特定的“障碍”。（9）奖励：如果在玩家能够在很好完成一段历程，我们要能够给予一定的奖励，以此激励。“奖励”本质是一个具备特殊属性的游戏物体，它可以帮助玩家克服“障碍”。（10）提示：对于新的玩家来说，如果没有提示的帮助，他有可能在第一次旅行时会迷路。因此，我们很有必要为玩家提供一个提示功能，它能够帮助玩家显示他所在的位置，他所要完成的任务以及下一步该怎么做。

2.2 调节游戏的教育性和娱乐性之间的工具

如何调节一个教育游戏的娱乐性和教育性是成功与否的关键。“教科书”是教育游戏的内容，也是探索游戏世界的乐趣和动机所在。“谜题”是一个重要途径来进行引导，同时也强迫玩家在探索游戏世界时进行学习一些知识。“障碍”可以增加更多的娱乐和挑战，而“提示”却与之相反，“提示”可以帮助玩家摆脱困境，很之便的简单。“奖励”不仅能够使玩家获得成就感，同时还是提供克服“障碍”所必须要的游戏物品。

3 教育游戏框架在Unity3d中的应用

在第二部分中，我们介绍了教育游戏框架是一个独立于游戏开发引擎的开发工具，在这一部分中，我们将教育游戏框架进行实例化，并且应用到Unity3d游戏引擎中。

3.1 在Unity3d教育游戏可复用的脚本

Unity3d游戏引擎为了我们提供组件，可以很方便的以组件的形式进行工程组建。为了实例化教育游戏基础框架，我们将它进行实例化，应用到一个实例系统中：导游系统。这个系统是在虚拟漫游中比较新颖的方面，他不仅可以根据导游NPC位置不同给予不同的消息响应，同时还可以通过判断与玩家不同的距离给予不同的响应。举个例子，当导游NPC走到一个广告牌时，可以通过调用GUI，对展牌进行介绍；当导游NPC里玩家距离过远时，可以给你玩家一定的提示，要求玩家要跟随。

3.2 Unity3d路径动画设定

在导游系统中，第一个要解决的问题就是NPC路径动画问题。例如，怎样在Unity3d中设置路径？NPC怎样沿曲线运动？路径运动时候的消息触发，路径运动中的碰撞检测等等。

（1）路径设计。在此工程中，我们运用到了Bezier曲线生成算法。首先我们介绍一下Bezier曲线。Bezier曲线用一句简单的话说就是用给定的离散的点，生成一条平滑的曲线。同时这条Bezier曲线具有如下性质：端点性质，即曲线过两端点；凸包行，Bezier曲线完整的落在控制点所围成的多边形内；对称性，即由Pi与Pn-i组成的曲线，位置一致，方向相反；Pn （t）=（1-t）Pn-1（t）+tPn-1（t）。其生成示意图如表1所示。

图1 四阶Bezier曲线（2）NPC沿曲线切线运动。虽然我们已经能够确定物体的运动轨迹，但是我们还没有明确物体怎样沿着曲线运动。一般来说，我们都只沿着曲线的切线方向来运动，即规定好物体的正方向，一般为Z轴方向，沿着曲线的每一点的切向方向为正方向进行运动。这样的好处是能够保持物体始终正面运动，这样也符合人们的认识逻辑。