張 晨 ，馬 力 ，2

（1.西北大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，陜西 西安 710069；2.西安郵電大學(xué) 數(shù)字藝術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710061）

教育游戲近年來得到越來越多的關(guān)注，2016年《地平線報告》高等教育版預(yù)測未來2到3年增強(qiáng)現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實將會成為廣泛采用的中期技術(shù)之一[1]。近年來增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)不斷發(fā)展，移動設(shè)備功能愈加豐富，位置服務(wù)技術(shù)的功能完善，使教育游戲的發(fā)展產(chǎn)生了新的活力，移動增強(qiáng)現(xiàn)實教育游戲有效結(jié)合了增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)、位置服務(wù)技術(shù)和移動終端與教育游戲的優(yōu)勢，擴(kuò)展了教育游戲的應(yīng)用領(lǐng)域。

一、研究現(xiàn)狀

移動增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)利用GPS、方向傳感器或陀螺儀、地理位置識別或標(biāo)記識別以及其他通過傳感設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)，將虛擬信息疊加在真實世界中設(shè)定的區(qū)域位置，并顯示在移動端的屏幕上。設(shè)定區(qū)域就是存儲在增強(qiáng)現(xiàn)實程序中的現(xiàn)實世界信息，例如一張圖片或者一個標(biāo)記，程序能通過攝像頭捕獲的視屏輸入流比較并識別這些設(shè)定了的信息，同時將虛擬信息疊加在真實世界的設(shè)定區(qū)域里。

1997年，F(xiàn)einer帶領(lǐng)團(tuán)隊研制出世界上第一款移動增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，名為MARS移動手機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于導(dǎo)航技術(shù)[2]。移動增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，直到2012年谷歌發(fā)布了一款名為Ingress的增強(qiáng)現(xiàn)實移動游戲，這款游戲支持網(wǎng)絡(luò)社交，游戲分為紅藍(lán)兩個陣營，陣營內(nèi)的玩家被稱為特工，他們通過爭奪、控制真實世界中的地標(biāo)性建筑或其他據(jù)點來進(jìn)行游戲競爭[3]。2016年谷歌結(jié)合Ingress的運(yùn)營經(jīng)驗，與任天堂公司合作推出了PokémonGo這款移動增強(qiáng)現(xiàn)實手機(jī)游戲，玩家可以在不同的地理位置使用手機(jī)攝像頭在屏幕上捕獲以小精靈為形象的虛擬物體，玩家的小精靈之間可以進(jìn)行對戰(zhàn)，該游戲憑借新穎的玩法受到全球玩家的追捧[4]。

二、教育游戲的設(shè)計

1.游戲的任務(wù)

首先根據(jù)游戲的教學(xué)用途，確定本游戲是一款在戶外應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)、位置服務(wù)技術(shù)，以知識點學(xué)習(xí)、情境問答為主要活動形式的探究性教育游戲，此后的設(shè)計均圍繞這個基礎(chǔ)展開。前期設(shè)計游戲策略，圍繞知識點學(xué)習(xí)和情境問答所需的游戲規(guī)則、任務(wù)獎勵措施、回答問題后的學(xué)習(xí)信息反饋以及反饋后的診斷和強(qiáng)化展開，目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者利用游戲完成一個完整的考研知識點的學(xué)習(xí)過程，之后進(jìn)行功能模塊的設(shè)計和資源設(shè)計。功能模塊中除了關(guān)鍵的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)和位置服務(wù)技術(shù)，還包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲與載入，服務(wù)器與客戶端的信息處理，實現(xiàn)登錄與注冊等。

資源設(shè)計包括增強(qiáng)現(xiàn)實資源、位置信息資源和游戲的資源設(shè)計，增強(qiáng)現(xiàn)實資源包括UI界面、3D模型，位置信息資源包括地理位置數(shù)據(jù)。增強(qiáng)現(xiàn)實引擎通過獲取當(dāng)前設(shè)備地理位置信息和數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行匹配，匹配成功后將3D模型疊加到現(xiàn)實場景中，并在手機(jī)屏幕上呈現(xiàn)疊加景象。在此基礎(chǔ)上開展知識點學(xué)習(xí)和問答環(huán)節(jié)，通過數(shù)據(jù)封裝將數(shù)據(jù)存儲到后臺，用于評價學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)結(jié)果。通過整個游戲任務(wù)的設(shè)定，形成了以任務(wù)挑戰(zhàn)、知識學(xué)習(xí)、知識問答、探索發(fā)現(xiàn)、記憶聯(lián)想、反饋記錄、成就激勵這些環(huán)節(jié)組成的教育游戲。

2.游戲需求分析

“奔跑吧，學(xué)霸”的目標(biāo)群體為大學(xué)生，這一階段的學(xué)生以抽象思維的分析、歸納、記憶等形式為主把握對象，大學(xué)生具有豐富的游戲軟件使用經(jīng)驗，對于教育游戲的游戲內(nèi)容相關(guān)設(shè)計要充分考慮這些特點。設(shè)計游戲需考慮學(xué)習(xí)者的需求，過去傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)今大學(xué)生的需要，從豐富學(xué)習(xí)方式以及學(xué)習(xí)內(nèi)容的角度出發(fā)，創(chuàng)設(shè)新穎的游戲環(huán)境和活動方式，使教學(xué)活動具有開放性和靈活性，為大學(xué)生的學(xué)習(xí)注入活力。因此，該教育游戲的設(shè)計應(yīng)該注意：

（1）注重創(chuàng)設(shè)新穎的教育游戲環(huán)境，將增強(qiáng)現(xiàn)實和教育游戲結(jié)合起來，設(shè)計出一款基于增強(qiáng)現(xiàn)實的、有教育意義的、含有邏輯思維的游戲——“奔跑吧學(xué)霸”。增強(qiáng)現(xiàn)實教育游戲能為學(xué)生創(chuàng)設(shè)相對真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者通過游戲化活動進(jìn)行學(xué)習(xí)，鍛煉了邏輯推理能力、人機(jī)互動能力，調(diào)節(jié)了身體機(jī)能，對學(xué)生的泛在學(xué)習(xí)也有重要意義。

（2）創(chuàng)新教育游戲活動方式，用戶以自身的活動代替通過操作控制主角進(jìn)行游戲活動，這種游戲活動方式使用戶實現(xiàn)調(diào)節(jié)身體機(jī)能的同時進(jìn)行游戲化學(xué)習(xí)。將位置服務(wù)技術(shù)和教育游戲結(jié)合起來，通過多重的功能滿足游戲者更為細(xì)化的需求，提高大學(xué)生群體進(jìn)行游戲化學(xué)習(xí)的積極性。

3.功能設(shè)計

歸納現(xiàn)有的各類移動增強(qiáng)現(xiàn)實教育游戲，從具體功能實現(xiàn)的角度，一個基本的移動增強(qiáng)現(xiàn)實教育游戲的功能可以歸納為五個模塊：

（1）登錄與注冊：本增強(qiáng)現(xiàn)實教育游戲是由單人完成，游戲者通過向數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，并進(jìn)行賬號密碼驗證進(jìn)入主界面。

（2）增強(qiáng)現(xiàn)實與定位：學(xué)習(xí)者需要通過對自身位置的定位和周圍事物的查看，探尋到線索推斷出任務(wù)目標(biāo)地址。位置運(yùn)動是實現(xiàn)本教育游戲的基本方式，位置服務(wù)相關(guān)功能的實現(xiàn)是本游戲?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵，包括GPS定位功能，查看線索圖后通過位置運(yùn)動尋找相應(yīng)的目標(biāo)地點后，需要通過增強(qiáng)現(xiàn)實功能進(jìn)入情景問答和知識點學(xué)習(xí)的入口。

（3）答題與積分：回答問題模塊用于游戲軟件與知識庫系統(tǒng)、用戶之間的交互，例如在游戲過程中要求使用者按照要求做出選擇或者回答問題。答題成功后獎勵一定積分。

（4）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲模塊：負(fù)責(zé)將各類游戲數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫之間連接并管理其中數(shù)據(jù)。

（5）客戶端與服務(wù)器信息處理：用戶使用游戲客戶端向服務(wù)器發(fā)動請求，服務(wù)器響應(yīng)請求，將結(jié)果返回客戶端。

三、游戲的開發(fā)

1.游戲內(nèi)容

“奔跑吧，學(xué)霸”是一款基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的教育游戲，用戶通過手機(jī)尋找任務(wù)點進(jìn)行知識點學(xué)習(xí)和回答問題，進(jìn)而完成在戶外的游戲化學(xué)習(xí)活動。

用戶登錄游戲界面后，游戲系統(tǒng)給用戶隨機(jī)分配線索圖，用戶根據(jù)線索圖尋找任務(wù)點地址，到達(dá)任務(wù)點地址后通過消除3D模型障礙，進(jìn)入知識點學(xué)習(xí)和問答環(huán)節(jié)，服務(wù)器會隨機(jī)生成3道與知識點相關(guān)的題目，用戶回答正確加積分加血量，數(shù)值與題目難度有關(guān)，回答錯誤扣除血量數(shù)值同上，在提交答案之前每30秒會扣除血量?；卮疱e誤時可以選擇是否需要重新學(xué)習(xí)該知識點，并且學(xué)習(xí)知識點的機(jī)會只有3次，第一次是系統(tǒng)提供，后兩次需要扣除當(dāng)前答題所獲得的10積分。不論是否查看知識點都將重新回答錯誤的問題，直到問題回答正確才會跳轉(zhuǎn)到下一題，三道題全部正確，會分配下一任務(wù)點的線索信息，用戶返回上一界面繼續(xù)查找任務(wù)點位置，依次循環(huán)直到用戶完成第五個環(huán)節(jié)的任務(wù)后，前往終點完成游戲任務(wù)。當(dāng)用戶血量值被扣為0時，游戲結(jié)束。系統(tǒng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)如所獲得積分、剩余生命值以及提交時間。成功完成游戲任務(wù)的用戶可以額外獲得該次游戲過程中未使用的雙倍積分，并記錄在數(shù)據(jù)庫中。

2.游戲的開發(fā)環(huán)境

游戲開發(fā)的軟件環(huán)境：采用Unity3D 4.6版本作為游戲的編輯器，因為Unity3D支持多平臺的發(fā)布，同時支持多種編程語言，界面操作友好，可以使用多種第三方插件，在游戲開發(fā)界很受廣大開發(fā)者的喜愛。編程語言使用Visual Studio 2012，數(shù)據(jù)庫使用MYSQL5.6版本，數(shù)據(jù)庫管理軟件為體積小且免費(fèi)的MySQL-Front 5.3，游戲服務(wù)器端使用Photon-Server-SDK，這個開發(fā)套件版本為v3-4-31-10808，使用Photon-Server進(jìn)行服務(wù)器端開發(fā)的原因是其開發(fā)語言為C#，上手容易并且與Unity3D對接良好。

3.游戲的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

本文所開發(fā)游戲的具體功能模塊分為：數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲模塊、游戲界面模塊、服務(wù)器與客戶端信息處理模塊、登錄與注冊模塊、增強(qiáng)現(xiàn)實與定位模塊、答題與積分模塊。其中數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲模塊、服務(wù)器與客戶端信息處理模塊、登錄與注冊模塊、增強(qiáng)現(xiàn)實與定位模塊、答題與積分模塊為游戲的主要功能模塊。以下對主要功能模塊的實現(xiàn)進(jìn)行介紹：

（1）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫的具體實現(xiàn)方法，在使用MySQL-Front連接MYDSQL數(shù)據(jù)庫后，創(chuàng)建名為runing的數(shù)據(jù)庫，然后在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建以下表格來存儲數(shù)據(jù)，見表1-表5。

表1 積分榜表integrate

表2 知識點表knowledgetype

表3 用戶表runinguser

表4 題庫信息表questionbank

表5 線索點taskpoint

（2）服務(wù)器與客戶端信息處理模塊的實現(xiàn)

為了合理利用智能設(shè)備的硬件資源，游戲采用了C/S系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，因此其功能模塊實現(xiàn)分為兩部分。

①服務(wù)器端開發(fā)

以上準(zhǔn)備工作完成后，將開始對Photon-Server服務(wù)器端的相關(guān)文件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)的步驟流程見圖1。

圖1 服務(wù)器端開發(fā)流程

服務(wù)器端的主要功能如下：負(fù)責(zé)啟動服務(wù)響應(yīng)客戶端的請求，同時監(jiān)測服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)并輸出日志信息，便于管理員管理；負(fù)責(zé)接收客戶端的請求，如用戶登錄注冊請求等，根據(jù)請求的類型不同來進(jìn)行不同的處理；根據(jù)相應(yīng)的請求操作相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表格信息，并將結(jié)果返回給客戶端。

②客戶端開發(fā)

相對于服務(wù)器端，客戶端的開發(fā)相對簡單，具體流程見圖2。

圖2 客戶端信息交互模塊開發(fā)流程

客戶端實現(xiàn)的主要功能如下：客戶端負(fù)責(zé)與服務(wù)器端進(jìn)行連接，并時刻監(jiān)測與服務(wù)器的連接狀態(tài)，如若與服務(wù)器斷開連接則提示“服務(wù)器無響應(yīng)信息”；客戶端與服務(wù)器連接成功后，客戶端負(fù)責(zé)向服務(wù)器發(fā)起請求，待服務(wù)器處理完請求后接收服務(wù)器的返回信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理實現(xiàn)不同的功能。

（3）登錄與注冊模塊的實現(xiàn)

注冊登錄模塊實現(xiàn)的主要方法為：

首先通過腳本讀取用戶輸入的登錄框內(nèi)的信息，將信息處理加上標(biāo)記發(fā)送給服務(wù)器。

服務(wù)器根據(jù)信息標(biāo)記的不同進(jìn)行不同的處理，對于登錄請求只需分別查詢數(shù)據(jù)庫內(nèi)runinguser表的username信息，如若存在則繼續(xù)查詢password密碼信息，都成功返回登錄成功客戶端進(jìn)行頁面跳轉(zhuǎn)，若有一步不成功則提示“用戶名或密碼錯誤，請重新登錄”。

對于注冊請求需分別查詢數(shù)據(jù)庫內(nèi)runinguser的username信息查看用戶名是否有重復(fù)，有重復(fù)給客戶端返回信息“用戶名重復(fù)請重新輸入用戶名”，無重復(fù)則將用戶所輸入信息保存在runinguser表中，并給客戶端提示“注冊成功”。

（4）增強(qiáng)現(xiàn)實與定位模塊

增強(qiáng)現(xiàn)實模塊主要的實現(xiàn)方式：首先實現(xiàn)讀取真實場景的功能，然后將虛擬物體疊加在真實場景之上。具體操作方法為，打開003-game02AR場景，在場景中創(chuàng)建Canvas組件并在其中添加RawImage組件，然后在Canvas中添加OpenCamera腳本用來調(diào)用攝像頭獲取真實場景，然后將剛剛新建的RawImage組件拖動到Canvas的OpenCamera下的RawImage屬性中，用來將獲取到的真實場景顯示在RawImage上，這樣就實現(xiàn)了顯示真實場景的功能。對于3D模型的疊加顯示則采用普通的界面開發(fā)方法，最終實現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實的效果如圖3。

圖3 增強(qiáng)現(xiàn)實界面展示

對于位置服務(wù)模塊主要使用Unity3D內(nèi)置的LocationServiceStatus類，通過調(diào)用設(shè)備的GPS來獲取設(shè)備的經(jīng)緯度信息，實現(xiàn)定位功能。其實現(xiàn)方法為：打開PhotonEngine腳本在其Awake方法中添加“Application.run-InBackground=true;”表示允許后臺運(yùn)行、“DontDestroy-OnLoad(this.gameObject);”表示永不銷毀兩條命令。然后在 PhotonEngine創(chuàng)建 public float gpslatitude、public float gpslongitude兩類變量，在003-game02AR場景中創(chuàng)建名為GpsEngine的空物體，然后給它添加GpsEngine腳本，在腳本中調(diào)用LocationServiceStatus類獲取設(shè)備經(jīng)緯度，然后在該腳本中的Update方法中，將獲得的經(jīng)緯度復(fù)制給gpslatitude、gpslongitude。這樣就能實時存儲設(shè)備的位置信息，方便之后的應(yīng)用調(diào)用，經(jīng)過邏輯判斷實現(xiàn)位置服務(wù)的功能。

（5）答題與積分模塊的實現(xiàn)

答題與積分模塊作為游戲的主要模塊，從游戲的登錄貫穿到游戲的結(jié)束。答題模塊的功能模塊具體又分為答題血量、添加題庫數(shù)據(jù)、添加各類線索圖數(shù)據(jù)、知識點數(shù)據(jù)、答題線索圖數(shù)據(jù)、恢復(fù)血量小游戲地點數(shù)據(jù)、任務(wù)線索圖的隨機(jī)生成、終點數(shù)據(jù)、恢復(fù)血量小游戲、進(jìn)入答題小游戲等子模塊。

而積分模塊主要分為積分榜顯示、當(dāng)次答題任務(wù)中的積分獲取與消費(fèi)、普通任務(wù)中的積分耗費(fèi)、游戲結(jié)束時的積分記錄存儲、游戲完成時的積分雙倍獲得。

從游戲的運(yùn)行順序依次對應(yīng)答題與積分模塊的各個子模塊進(jìn)行開發(fā)，具體功能流程如圖4-圖6所示。

圖4 積分榜顯示

圖5 添加題庫與各類線索圖數(shù)據(jù)

圖6 任務(wù)點的隨機(jī)生成

在AR模式下尋找任務(wù)點的功能主要通過將PhotonEngine中的gpslatitude、gpslongitude與數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)緯度進(jìn)行比對，這種對比每秒進(jìn)行一次，實現(xiàn)實時定位功能，在比對過程中需要對數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)緯度信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后可以根據(jù)比對結(jié)果判斷用戶是否處于任務(wù)點附近。當(dāng)用戶到達(dá)答題任務(wù)點附近時，使用Instantiate與Random隨機(jī)生成3D物體，用來作為一個增強(qiáng)現(xiàn)實的趣味小游戲。只有當(dāng)完成這個小游戲后方可進(jìn)入答題界面。對于答題界面主要采用了下拉列表、GetQuestionbankByType 方法、GetKnowledgetype方法來實現(xiàn)知識點的選擇以及從題庫中抽取所選擇知識點對應(yīng)的題型。在答題過程中將答題血量存儲在PhotonEngine的userHP中，答題累積積分存儲在PhotonEngine的integral，游戲勝利雙倍積分存儲在PhotonEngine的allright中，時間計時器減血功能由PhotonEngine中的Update方法實現(xiàn)。答題過程中，相關(guān)的問題信息記錄數(shù)據(jù)如 rightcount、wrongcount、seecount、notseecount，均在題目回答正確后，使用UpdateQuestionbank方法將當(dāng)前回答問題的相關(guān)信息保存到服務(wù)器端。對于恢復(fù)答題血量的小游戲，當(dāng)用戶到達(dá)相應(yīng)地點，若積分充足點擊相關(guān)按鈕，調(diào)用場景跳轉(zhuǎn)方法Application.LoadLevel進(jìn)入到小游戲中。當(dāng)游戲結(jié)束時使用AddAddIntegrate與UpdateAddIntegrate方法分別實現(xiàn)單次游戲的積分記錄存儲與當(dāng)前賬號的總積分存儲。

當(dāng)所有功能模塊開發(fā)完成后，整合模塊的各類功能，使整個游戲成為一個整體，功能流程圖見圖7。

圖7 整體游戲功能流程

四、結(jié)束語

移動增強(qiáng)現(xiàn)實教育游戲能夠再現(xiàn)抽象、真實的信息內(nèi)容，模擬現(xiàn)實的環(huán)境，受到外界的干擾相對較少，加上便捷的智能移動終端，為戶外開展各項學(xué)習(xí)活動提供了可能。這類游戲形式新穎，能使學(xué)習(xí)者沉浸在學(xué)習(xí)活動中，激發(fā)學(xué)生的參與性與積極性。本游戲結(jié)合基于位置和基于圖像識別的兩種增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，利用 Unity3D實現(xiàn)了一個可擴(kuò)展的移動增強(qiáng)現(xiàn)實教育游戲。該游戲具有用戶登錄、增強(qiáng)現(xiàn)實和回答問題等模塊。通過初步應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)該游戲虛實結(jié)合，交互性強(qiáng)，使學(xué)習(xí)者通過游戲化學(xué)習(xí)能夠順利完成設(shè)定的學(xué)習(xí)任務(wù)。該游戲存在著一些問題：3D模型形象較為簡單，游戲反應(yīng)速度不快，缺少分享功能，針對這些問題需要進(jìn)一步的完善。作為一種新興的研究領(lǐng)域，移動增強(qiáng)現(xiàn)實教育游戲可以給教學(xué)提供新的方式，有很好的應(yīng)用前景。