王龙任步春赵宸立

摘 要：教育游戏是利用游戏手段进行知识传授及具有教育功能的电脑游戏软件。当前，3D技术发展迅猛，多样化、生动丰富的3D教育游戏已成为辅助教育的重要工具。基于Unity3D游戏引擎，对教育游戏进行了研究，设计并构建了一款FPS类的政治教育游戏，运用三维建模技术构建场景、可视化技术以及Javascript脚本语言完成了知识问答、装备选择、战场环境构建、逻辑运算等功能。

关键词关键词：Unity3D；教育游戏；有限状态机；模糊状态设计；数据库

DOIDOI：10.11907/rjdk.162005

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011007903

0 引言

教育游戏是利用游戏手段进行知识传授的具有教育功能的电脑游戏软件[13]。区别于单纯的娱乐游戏，教育游戏主要是为游戏者在游戏的整个过程中提供教育功能。传统的政治教育大都采用讲授、视频演示的形式，教育方式单一、被动、不够灵活，教育效果受限。此外，教育游戏多集中在自然科学类的课程中，社科类课程鲜有涉及。因此，研究一款用于社科教育的教育游戏，对其教育手段的拓展具有重要意义。

目前，关于教育游戏的游戏形式研究主要包括以下几个方面：①二维的平面益智类游戏，锻炼学员的数理能力；②户外游戏，一般用作心理疏导与心理教育；③运用虚拟现实等技术制作的三维游戏，大多是高新技术的体验教育，是游戏教育努力寻找的突破点[2]。3D游戏有很多种类，根据角色视角，一般分为第一人称视角游戏与第三人称视角游戏，第一人称游戏（FPS）是众多3D游戏实现难度最大的游戏，也是与用户交互最多、沉浸感最强、形式最丰富的游戏。采用FPS游戏对于加强教育的趣味性、丰富教育手段的可能性都大有裨益。

Unity3D是由丹麦Unity Technologies公司开发的一款专业游戏引擎，具有高度优化的图形渲染管道和内建的NVIDIA PhysX物理引擎，能较真实地模拟三维空间下物体的运动和碰撞，并通过GUI、粒子系统、声效等辅助手段给用户以反馈，用来快速制作三维视频、游戏、建筑可视化、信息可视化等互动内容[45]。本文将基于Unity3D这一游戏引擎，采用具有更丰富的、更生动的第一人称视角游戏形式，构建一款社科类教育游戏。

1 游戏规则与关卡设计

第一人称视角游戏最为成熟的作品即《Control Strike》，是较早出现的一种游戏，游戏形式也最为典型。其形式是敌我双方战士在一个特定的地理环境下进行枪战，游戏中有丰富的枪支，如：95自动步枪、AK-47等，对战过程中需要对弹药进行补给，通过击毙对方取得胜利。这类游戏规则典型、学生上手快，能够将精力集中在教育知识的设计上，如果能与政治教育很好地结合起来则能够达到事半功倍的效果，这也是人们采用该游戏规则的缘由所在。

政治教育的核心组成部分是爱国教育，爱国是中华民族的传统美德。目前，敌对势力依然对我国领土虎视眈眈。因此，选定保卫岛屿作为教育游戏的主题背景，既符合政治教育内容的需要，也更符合时政热点的聚焦，易被学生接受。

本文设计是选定在某一岛屿上，将学生假想为保卫该岛屿的战士，通过答题的方式积累自己的教育经验值，教育经验值作为枪支与补给弹药的交易条件。这样不仅有利于学生对岛屿地理环境的了解，以及枪支弹药相关知识的学习，而且在游戏过程中将政治教育学习经验值作为自己的武装储备，更为重要的是在对战中深化了保卫岛屿的爱国情怀。

具体环节设计如图1所示 ，即为：开始-知识问答（或知识库学习）-答题获取知识币-主装备选择（购买枪支）-副装备选择（购买弹药）-进入保卫战场-对战-胜利（获得荣誉勋章）。

2 关键技术

2.1 游戏场景构建

游戏场景是影响FPS类游戏十分重要的组成部分。好的游戏效果不仅仅在逻辑上环环相扣，在场景上也是栩栩如生，使用户有身临其境的感觉。游戏场景根据目前的场景构建，主要包括地形环境、天空盒、植被、地物、河流等。

地形环境能够给用户情景认识最真切的感受，只有地形相似才能更好让用户融入到角色中。为了创建真实的岛屿地理环境，采用了1：50 000的遥感影像数据与DEM数据，通过地理数据转换工具，转成Unity3D支持的文件格式。尽管1：50 000的地形数据精度已经非常高，但对于刻画大比例尺的近景虚拟环境，遥感影像的分辨率还是比较模糊。Unity3D提供了Terrian工具，该工具支持纹理材质的叠加，为此，根据视觉需要叠加一部分人为设计的纹理，通过混合纹理处理，图像既富有一定的真实感，又能符合场景分辨率的需要，场景示例如图2所示。

对于环境细节刻画方面，在了解岛屿环境的基础上，运用Unity3D提供的粒子系统工具，如：爆炸效果、火焰效果、水流等构建环境的细节，将岛上的植被、水文等地物外貌复原，据此来刻画岛屿的地形模型。为了提高游戏的体验和丰富性，在地形上添加一些人为的障碍物，如一些箱子、油桶等障碍物，如图3所示。

2.2 基于FSM与FuSM的人工智能设计

在大多数主流游戏中，NPC（Non-Player Character，即非玩家角色）是人工智能的主要应用对象。人工智能的实现是游戏设计的难点，包括规则对象、规则时间以及响应规则。NPC在游戏中如何获得分析、判断能力，对于游戏主控者作出的相应行为能力等都是人工智能研究的问题。

主流游戏中的人工智能设计普遍都采用了两种技术，即有限状态机（Finite State Machine，FSM）和模糊状态设计（Fuzzy State Machine，FuSM）。FSM是包含一组状态集（states）、一个骑士状态（start state）、一组输入符号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型。这样，游戏开发人员通过FSM可以很清楚地把握NPC的行为，一旦知道NPC当前的状态和输入，就可以准确地作出反应行为[67]。

但是，游戏中的FSM非常复杂，在实际编程中要实现复杂的FSM，通常写一个通用的FSM类，然后根据不同的外部数据决定NPC的不同行为。FSM所建立的是一种确定的行为系统，因而此技术设计下的NPC决策速度比较快。但是，使用FSM也有一个致命的缺点：过于城市化。

FuSM的基本思想就是在FSM的基础上引入不确定性。在FuSM中，目标状态的转换由概率决定，即有输入和NPC的当前状态，并不能确定下一个状态。具体实现方法，就是设计一些简单的FSM，然后通过设定不同的海陆，从而产生行为各异的NPC。通过修改概率设定来控制NPC行为的改变。

2.3 数据库

数据是程序的基础、系统的基石，游戏系统的一切操作都是在数据上进行。对于本教育游戏系统，其数据主要包括场景模型数据、角色模型数据等系统的可视化数据，以及具备知识普及和传递的智库数据。

该系统的智库数据有两个部分：一是武器弹药型号数据，二是关于政治教育知识题库数据。武器弹药型号数据包括名称、型号、尺寸、制作时间、图片等。

题库设计要求有一个灵活的接口，这样可以依据不同时政知识的需求来加载不同的内容。这部分数据是相关知识题型，按照文件内容要求加载即可，使得系统具有很好的兼容性。主要的数据类型为：题号、题干、选项、题型等。

3 游戏设计与实现

3.1 游戏系统结构

教育游戏FPS系统主要包括数据、驱动引擎、功能模块、界面等方面的构建。数据库主要有地形数据、环境音效数据等功能模块是在游戏规则与关卡设计的引领下，基于Unity3D将数据库中的数据按照逻辑设计算法组织成相应的模块，从而构建起符合设计的功能；界面是游戏与用户交互的窗口，直接影响游戏效果。具体系统结构设计如图4所示。

3.2 系统实现与分析

本文的教育游戏系统效果如图5—图8所示。图5是系统答题画面以选择题作为试用题型；图6是装备选择画面，能够获取到准确的武器装备信息；图7是FPS游戏对战实时狙击画面；图8是游戏中弹药爆炸的粒子效果场景画面。

4 结语

本文简述了社科类课程的教育现状，分析了当前各种教育游戏方法的特点，基于现有的游戏引擎Unity3D，根据政治教育的目标与特点，设计了一款适用于政治教育类的FPS教育游戏。采用真实的1：50 000地形数据以及Unity3D中的Terrain工具，模拟了真实感强的大比例尺地理环境，并在场景中运用音效、粒子系统等手段丰富环境。针对教育游戏中的NPC采用了FSM与FuSM结合的方法，构建了灵活的人工智能提升了教育游戏的智能化。游戏集成了知识智库模块，通过游戏过程需求的牵引普及并传递了政治教育的相关知识，完成了一定的教育目标，是社科类课程教育游戏的一次尝试。同时，该游戏在场景模拟、知识与游戏的有机结合等方面还存在许多问题，需进一步研究改进。

参考文献：

[1] 张文兰，张俊生.教育游戏的本质与价值审思——从游戏视角看教育与游戏的结合[J].开放教育研究，2007，13（5）：6468.

[2] AMORY A.Building an educational adventure game：theory，design and lessons[J].Journal of Interactive Learning Research，2001，129（2/3）：249264.

[3] 焦树国，王闯.教育游戏理论与开发[J].电脑知识与技术，2010，6（12）：29642965.

[4] 宣雨松.Unity 3D游戏开发[D].北京：人民邮电出版社，2012.

[5] 王树斌.浅析Unity3D开发游戏流程及常用技术[J].电脑知识与技术，2012，8（8）：53515352.

[6] 何国辉，陈家琪.游戏开发中智能路径搜索的算法研究[J].计算机工程与设计，2006，27（13）：23342337.

[7] ZHANG XINYU，YOUNG J K.Simple culling methods for continuous collision detection of deforming triangles[J].IEEE transactions on visualization and computer graphics，2012，18（7）：11461155.

（责任编辑：孙 娟）