基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏设计

2017-01-10陈锦昌

东华大学学报（自然科学版） 2016年4期

关键词：组合体关卡制图

陈锦昌, 刘菲, 陈煌, 陈亮, 孙炜

(华南理工大学设计学院, 广东广州 510006)

基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏设计

陈锦昌, 刘菲, 陈煌, 陈亮, 孙炜

(华南理工大学设计学院, 广东广州 510006)

移动学习游戏在教学方面有着巨大的潜力, 但是目前国内外仍然缺乏对大学课程知识的移动游戏化学习研究. 提出了移动学习游戏的定义, 从大学工程制图课程知识点的选择、安排、与游戏功能的结合共3个方面, 设计了一款基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏, 并利用游戏引擎Cocos2d-x进行开发. 实践证明, 课题的研究对工程制图教学起到良好的促进作用, 并为其他课程知识的移动游戏化教学研究提供参考的范本和可行的途径.

移动学习游戏; 大学课程; 工程制图; 投影知识; Cocos2d-x

以智能手机、平板电脑、PDAs(personal digital assistants)、surface、google眼镜等为代表的智能移动设备的迅速发展, 使得基于这些智能移动设备的移动游戏越来越盛行[1]. 移动游戏已经充斥着人们的日常生活, 在未来的学习和教育领域中, 移动学习游戏因为有着不可估量的巨大潜力, 必然成为研究的热点, 而且它对于培养学生的学习兴趣、热情和自学能力方面有着其他学习方法无法比拟的优越性.

对移动游戏中教育功能的研究, 国外起步较早, 目前国外对教育类游戏的研究主要集中在基于移动设备的教育类游戏的教育潜力、教育类游戏的开发、教育类游戏的应用研究等方面. 国内基于移动设备的教育类游戏的研究极少. 本文利用智能触屏手机设备, 对大学课程进行移动学习游戏的研究, 具有一定的前瞻性, 同时填补了大学课程的游戏化教育研究的空白, 能为其他的课程知识的移动游戏化教学研究提供参考的范本和可行的途径.

1 移动学习游戏的定义

根据游戏的定义[2]、学习理论和用户体验[3]的研究, 本文把移动学习游戏定义为: 以寓教于乐为目的, 将游戏内容、规则与课程知识进行有机结合, 平衡了游戏中的教育功能和娱乐功能, 能够让用户通过智能移动终端来随时随地玩游戏, 并在人机互动的愉快过程中, 掌握课程知识和解决问题方法的一种具有可量化结果的教育类游戏.

2 在工程制图课程中引入移动学习游戏的意义

传统工程制图课程教育方式存在的不足: 多以教师为中心, 教师与学生之间缺乏互动. 无论教师在课堂上教学, 还是学生课后学习的过程, 都只能通过静态的图片或想象中的立体来进行交流, 而不能通过操作真正的三维立体来进行演示和沟通, 导致彼此间会存在认知上的误差和讲解上的不便.

因此, 为了解决这些问题, 本文将移动学习游戏与工程制图课程进行了结合. 在工程制图课程中引入移动学习游戏，其意义在于让学生通过玩有趣的移动学习游戏的过程中更容易且自然而然地理解和掌握课程的知识, 帮助他们进行深层次的思考、提高他们的自学能力[4]和培养学习兴趣.

3 基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏设计

要设计出好的移动学习游戏中的学习任务, 有必要进行课程知识点的选择和有规律地安排知识. 为了更合理地安排学习的规律和降低游戏设计的难度, 设计师可以把课程知识点合理地安排于几个移动学习游戏当中, 一个移动学习游戏只针对少量的知识点进行设计, 循序渐进地传递知识.

3.1 工程制图课程知识点的选择

投影知识点是工程制图课程的基础, 也是培养学生三维空间想象能力的重要环节, 因此,本文选择了投影知识点作为研究对象, 来安排移动学习游戏中的学习任务.

3.2 工程制图课程知识点的安排

这些被选择出来的“投影知识点”会根据本课题提出的方法——基于体素构造分析法(constructive solid geometry, CGS)的建模思维方法, 来安排在游戏的任务关卡中. 基于体素构造分析法的建模思维方法是指任何一个复杂的组合体都是由简单的基本体通过布尔运算(交集、并集和差集)和形变运算(挤压、拉伸和扭曲)构成[5], 这与常规的三维虚拟数字模型的建模思维[6]是一致的, 在建模过程中, 复杂的三维模型都是将简单的基本几何形体通过一次或多次布尔运算, 包括交集、并集和差集而形成的[7], 这将更有效地帮助学生形成三维空间想象能力.

让学生先学习三维立体模型, 使得学生首先掌握三维形体的构型特点, 然后, 在学习三维形体的投影时, 通过将三维立体的构成按照基本几何体构型特点进行拆分, 建立不同特征的三维立体模型和与之相对应的投影之间的对应关系, 并进行不断的训练, 由浅入深, 让学生逐渐发现, 复杂多样的三维立体的基本构型都是由简单的基本几何体经过布尔运算(交集、并集和差集)构成, 如同在学生脑海中慢慢植入如何构建三维立体模型的过程. 通过该方法, 能加深学生对三维立体的特征和构成的理解, 提升他们的读图能力, 为往后其他知识的深入学习做好准备[8].

3.3 课程知识与游戏功能相结合

本文基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏——Invade UFO, 选择益智游戏类型中的解谜游戏来作为本游戏的基础游戏类型, 游戏功能与课程知识的对应安排, 如图1所示.

选择开始游戏的画面如图2中的左上角所示. 在游戏主题的设计上, 故事主题的内容要与工程制图课程的主旨相配, 以便更好地安排游戏任务及任务中的知识点. 用连环画的形式展现故事背景, 如图2所示，在某个晚上, UFO从天而降, 把科学怪人的实验室撞破了, 这让科学怪人抓狂, 于是他把UFO中的外星人抓起来, 而游戏任务就是要用户扮演科学怪人入侵UFO的最深处, 占领UFO. 因此, 该游戏主题能很好地与工程制图课程的机械和工程特点相配.在游戏的场景设计中, 场景和关卡是益智类游戏的核心部分, 同时也是游戏功能中的核心功能(微型学习任务和情感激励机制), 需要将游戏各个场景与课程知识的学习规律相统一, 即场景的发展也是课程知识的逐步深入学习.

图1 课程知识与游戏功能相结合Fig.1 Curriculum knowledge combined with game function

图2 开始游戏的画面和故事背景Fig.2 Start the game picture and story background

(1) 游戏场景1(Tunnel): 基本体和组合体的轮廓投影. 该场景是扮演科学怪人的用户入侵UFO内部的入口, 用户需要把UFO的封锁隧道Tunnel打开, 才能入侵到UFO的内部.

游戏场景Tunnel中含有10个小关卡, 把每个小关卡的时间限制设定为20 s, 让用户在掌握了游戏玩法和课程知识的情况下, 能在较短的时间内完成这些微型的游戏任务, 方便用户利用零碎的空闲时间来玩移动学习游戏.

小关卡01和02为游戏的引导关, 如图3所示, 先介绍游戏的玩法规则(在规定的时间内, 将前面的三维立体与后面有趣的二维投影相匹配), 引导用户熟悉游戏的操作(通过触摸屏幕中的三维立体来进行旋转操作).

(a) 点与线之间的投影 (b) 线与面之间的投影图3 游戏的引导关图Fig.3 The game guide

图4 小关卡03基本体的投影——四棱柱Fig.4 Levels 3 basic body of projection-four prism

(a) 小关卡08：组合体的轮廓——三角形

(b) 小关卡09：组合体的轮廓——六边形

在这两个游戏引导关中, 将工程制图课程知识(点与线之间的投影、线与面之间的投影)融入游戏中, 让用户了解点、线、面的投影特点, 为立体的投影学习作准备.

小关卡03～07为基本体的投影, 让用户掌握四棱柱、四棱锥、圆柱、圆锥、圆球共五大基本几何体的形态特征和单面投影的特性. 小关卡03四棱柱投影知识游戏过程如图4所示, 其他基本体同理.

小关卡08～10的设计, 如图5所示. 为了让用户先熟悉一下复杂组合体的轮廓特点, 先从轮廓上去把握组合体的形态特征. 小关卡08～10的组合体训练是为了让用户更好地过渡到游戏的第二个场景, 即组合体的投影.

(2)游戏场景2(第二道防线): 组合体的投影. 该场景是当用户通过了第一道防线Tunnel后, 进入UFO的第二道防线, 用户在这里需要将10个形状各异的组合体旋转成与墙上对应的投影形状, 才能通关, 难度等级比第一关有所增加, 让学生熟悉基本体是如何通过形变运算(挤压、拉伸和扭曲)和布尔运算(交集、并集和差集)组成组合体的, 慢慢掌握组合体的构成规律, 更好地掌握组合体的投影特性.

对于游戏场景2下的小关卡01～04, 如图6所示, 主要用于展示基本体(四棱柱、四棱锥、圆柱、圆锥、圆球)是如何通过布尔运算(差集、交集和并集)组成复杂的组合体, 以及组合体与主视图之间的投影关系. 由于并集和差集在组合体的布尔运算中, 是运用最多的运算, 因此, 本文将03和04两个小关卡都设计成由并集和差集运算组成的组合体.

(a) 小关卡01：组合体1(差集)

(b) 小关卡02：组合体2(交集和差集)

(d) 小关卡04：组合体4(并集和差集)图6 布尔运算后的组合体投影Fig.6 Combination of projection after Boolean operation

(a) 小关卡05：组合体5(并集、差集和拉伸)

(b) 小关卡06：组合体6(并集、差集和扭曲)

对于小关卡05～07, 如图7所示, 主要用于展示基本体(四棱柱、四棱锥、圆柱、圆锥、圆球)是如何通过形变运算(拉伸、扭曲和挤压)来组成组合体, 掌握组合体的形变特征和投影规律.

对于小关卡08～10, 如图8所示, 为布尔运算和形变运算的综合运算后而形成的组合体, 用户需要在这几个关卡掌握组合体的构成特点及其与主视图之间的投影规律.

(a) 小关卡08：组合体8(交、并、差运算和拉伸)

(b) 小关卡09：组合体9(交、并、差运算和拉伸、挤压)

在游戏中, 无论是用户闯关胜利(如图9所示) 还是失败, 系统都会以量化的结果来显示用户的成绩. 成绩分数的高低取决于用户通关所花的时间, 即时间越短, 得分越高, 而且用户每通过一关后, 胜利画面还会显示出刚通过的关卡中的三维立体与二维投影之间的对应关系(图9左图的左侧画面), 以此来复习知识, 从而达到巩固知识的目的.

图9 胜利画面和分享功能Fig.9 Victory pictures and sharing

此外, 用户可以通过胜利画面中的分享按钮(如图9所示), 来分享自己胜利后的画面, 与朋友们进行互动和比拼, 而且用户也可以不断刷新自己的通关记录, 来挑战自己的极限, 用户在不断刷新记录的同时, 也不断巩固和加深对于投影知识的理解和提高三维空间想象能力.

当用户不能在规定的时间内完成游戏任务, 则会出现闯关失败的画面, 不过, 移动学习游戏的失败画面的目的是为了让用户尽快返回游戏, 继续挑战和完成游戏任务, 而不鼓励游戏失败后受到惩罚的做法.

由于用户在玩游戏时, 不仅经常处于多变的移动情景, 而且经常处于需要处理多个日常生活事务的状态中, 如排队时可以玩一下游戏, 但是排完队后就得随时中断游戏, 因此, 当用户随时退出游戏时, 移动学习游戏要能够随时保存游戏的记录, 如图10所示, 方便用户回到游戏中断前的状态.

图10 随时保存游戏的记录Fig.10 Save game records at any time

4 基于Cocos2d-x的移动学习游戏开发

本文所设计的基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏——Invade UFO, 采用游戏引擎Cocos2d-x进行开发. 虽然Cocos2d-x能将一个游戏发布到不同的移动设备上, 但由于不同智能移动设备的屏幕分辨率各有不同, 而一个游戏又必须同时适配不同的屏幕大小, 才能有好的游戏体验, 因此, 为了解决这一问题, 游戏引擎Cocos2d-x的2.0以上更新的版本均提供适应各种分辨率的自定义功能, 该功能函数如下:

SetDesignResolutionSize(Height×Width)

该函数的功能是让游戏的内容自动去适应不同的移动设备屏幕大小, 使得同一款游戏能在不同的移动设备上完美运行[9]. 由于目前主流的智能触屏手机的屏幕分辩率为800像素×480像素, 因此，本文选用大众机型Samsung i9100作为标准机型来进行设计. 本文所设计的基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏(Invade UFO)的开发, 遵循如图11所示的开发流程, 以游戏场景为基本单位来进行游戏的开发, 调试环境为Cocos2d-win32. vc2010的Microsoft Visual Studio, 在手机上运行的测试效果如图12所示.

图11 开发流程Fig.11 Development process

图12 手机测试图Fig.12 Mobile phone test pattern

5 结语

本文所设计的基于工程制图课程投影知识的移

动学习游戏(Invade UFO)能够提供可旋转查看的三维立体模型, 并建立起三维立体模型与二维投影图之间的关系, 有助于培养学生的三维空间想象能力和读图能力, 并方便同学之间、学生与教师之间的交流. 作为一种新型的移动游戏化学习模式, 学生可通过玩游戏的方式来掌握知识, 感受愉快的学习体验, 从而培养学习兴趣, 激发学习欲望, 增强对知识的理解和记忆. 另外, 由于学生们可以随时随地玩智能触屏手机上的Invade UFO, 因此, 能更有效地利用零碎和空闲的时间来学习投影知识, 提高学习的效率.

本文的研究与实践为其他课程知识的移动游戏化教学提供了研究的范本和可行的途径, 而基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏能用于各大院校的工程制图课程教学中.

[1] 陈煌, 陈锦昌, 陈亮, 等. 基于用户参与度的移动学习游戏设计理论探讨[J]. 包装工程, 2013, 34(22): 73-76.

[2] SALEN K, ZIMMERMAN E. Rules of play: Game design fundamentals[M]. Cambridge: MIT Press, 2004: 28-570.

[3] GARRETT J J. The elements of user experience: User-centered design for the web[M]. New Jersey: Pearson Education, 2010: 1-155.

[4] 王志忠. 图学课程的自主性学习[J]. 图学学报, 2012, 33(6): 121-123.

[5] 傅自钢. 基于工程图的三维形体重建方法研究[D]. 长沙: 中南大学信息科学与工程学院, 2011.

[6] 童秉枢, 易素君, 徐晓慧. 工程图学中引入三维几何建模的情况综述与思考[J]. 工程图学学报, 2005, 26(4): 130-135.

[7] 莫春柳, 李冰, 谭夏梅. 三维实体造型形体分析教学法研究[J]. 广东工业大学学报(社会科学版), 2003, 3(4): 41-43.

[8] 续丹. “3D机械制图”教学中提高学生读图能力的实践与思考[J]. 图学学报, 2012, 33(6): 124-129.

[9] 石倩倩. 智能设备中跨平台游戏框架的设计与实现[J]. 电子测试, 2014(2): 12-14.

Mobile Learning Game Design Based on Projection Knowledge of the Engineering Drawing Curriculum

CHENJin-chang,LIUFei,CHENHuang,CHENLiang,SUNWei

(School of Design, South China University of Technology , Guangzhou 510006, China)

Mobile learning games have great educational potential in the teaching area. However, it lacks the mobile gamification learning research on knowledge of university curriculums in the domestic and foreign researches currently. So the definition of mobile learning games was put forward. A mobile learning game was designed based on the projection knowledge of the engineering drawing curriculum and its knowledge points chosen, arranged and the combination with the game functions . The game was developed with the game engine named Cocos2d-x. The practice proves that the research of the project is beneficial to the teaching for engineering drawing. It provides a reference and feasible way to research the mobile gamification teaching of other courses.

mobile learning games; university curriculums; engineering drawing; projection knowledge; Cocos2d-x

1671-0444 (2016)04-0608-09

2016-03-02

广东省教育科学“十二五”规划教育信息技术研究专项课题资助项目(11JXN027)；广东省高等教育教学改革资助项目(GDJG20142059)；广东省科技厅软科学资助项目(x2s-N4140370);华南理工大学本科教研教改资助项目

陈锦昌(1956—)，男，广东南海人，教授，硕士，研究方向为工程图学及工业设计．E-mail: jcchen@scut.edu.cn

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