基于VR技术的计算思维教育游戏的设计

张妮

摘要：该研究通过设计基于VR技术的计算思维教育游戏，使得学生使得学习者在VR创设的虚拟的游戏环境中产生身临其境的感觉，学习者全身心投入并积极参与、尝试去发现问题并解决问题，并能够把利用信息技术解决问题的过程迁移到现实生活相关问题的解决过程中。通过不断的尝试并接受系统反馈进行改进，最终形成新的认知。在完成游戏系统设置的任务的过程中提升自身的计算思维能力。

关键词：VR;虚拟现实;计算思维;教育游戏

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）17-0231-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着互联网+时代的来临，教育信息化的程度也在不断提升，计算思维已成为大众所熟知的思维方式之一，随着互联网与教育的疾速融合发展，计算思维的培养需要更加多元化的思考。本研究创新地将计算思维、教育游戏、虚拟现实进行巧妙的设计融合，尝试提出计算思维培养策略的一种新思路，为之后计算思维领域的研究者们提供参考和借鉴。

1 教学内容分析

1.1 计算思维分析

2017年出台的信息技术新课标指出计算思维是指采用计算机相关的学科方法定义问题、抽象特性、构建模型、合理分析数据;通过分析、组织各种资源，利用相关算法形成解决问题的设计方案;总结解决问题的最佳方法，并将之迁移到相关现实问题的解决中。计算思维具体表现为解决实际问题过程中的形式化、系统化、模型化、自动化[1]。

1.2 游戏设计分析

1）游戏背景：本研究的研究案例来自ISTE和CSTA提出的培养中学生计算思维的交通拥堵案例，笔者对该案例进行了适当改编。

案例描述：某高中门口只有一条路、一个入口可以进入学校，门口的这条必经路形成了一个“T”字形，各种车辆经左转或右转进入该车道，但是该车道上没有交通信号灯、标志、指挥员，在车辆高峰期造成了严重的交通堵塞问题。同学们对于交通堵塞的原因有以下的看法：学校拥有大量的学生、学校只有一个入口、学生的特殊行为、学校的活动安排等。这些原因均可以作为游戏变量参与到后续游戏的设计中。

2）游戏界面：T字形路口的模拟3D图像，设置三种不同的红绿灯时长：30秒、45秒、60秒。

3）挑战目标：学生的车辆模型是否能在规定的时长内通过T字形路口。该游戏共设置三个关卡，每一个关卡都有不同的障碍阻碍学生操作的车辆模型在规定时间内通关。三个关卡的障碍是逐渐增加的，红绿灯时长是逐渐减少。玩家灵活运用所掌握的知识经验通过限时竞技的方式完成游戏中设置的挑战任务。

4）可能出现的场景：目标车辆需不断躲避对向行驶来的车辆，不能相撞;道路上有不同形状、大小的路障，需巧妙躲避;路口交通指挥员会把目标车辆模型拦下，只有回答正确交通指挥员的问题，才能接着行驶。

交通拥堵情境下的思维训练小游戏所包含的计算思维能力与2017年出台的信息技术新课标中对于高中生计算思维能力的要求是契合的。笔者设计这个计算思维教育小游戏是希望学生学会用信息化手段解决问题，了解条件判断、顺序结构、并行等算法思想，并能够把利用信息技术解决问题的过程迁移到学习和生活的其他相关问题的解决过程中[2]。下表1是对于交通拥堵情境下的思维训练游戏所包含的计算思维能力的分析

表1   交通拥堵情境下的思维训练游戏所包含的计算思维能力

[编号 游戏活动 计算思维能力 1 设置T字形虚拟游戏场景 是一种系统模型形式化的过程 2 各关卡中的不同游戏变量设计对车辆模型的阻碍 学生通过不断尝试、接受反馈应对“如果”情境，是一种情景模拟的过程。 3 学习者在完成游戏任务通关的过程是有序的，如：首先…，然后…，再次…，一步步有序进行，这样游戏进程便是有序的。 顺序结构的思想 4 玩家在什么地方或什么时刻进行加速或减速或避让都需要进行决策，尤其在车辆模型遇到障碍时，以防碰撞。 条件判断的思想 5 玩家通过分析游戏系统给出的数据更好地通关。 有逻辑的组织和分析系统反馈数据 6 该游戏通过虚拟3D游戏模型模拟等抽象形式呈现数据，学生通过分析系统给出的数据成功通关。 分析、设计和规划可能的问题解决方案，在此过程中找出达到实现目标的最高效的信息资源整合方案。 ]

2 学习者分析

2017年新版《普通高中信息技术课程标准》将计算思维列为信息技术学科核心素养的核心理念，所以培养高中生的計算思维是目前信息技术教育的趋势所向。本研究旨在这一大环境下对计算思维的培养方式提出新思路[3]。本研究所要面对的对象为高中生，高中生相比中小学生而言在身心发展水平相对成熟，在学习过程中更加喜欢独立或协作进行探究式学习，也更易于在完成游戏任务过程中感知背后的计算思维理念，在虚拟游戏创设的生动具体的情境中，学习者全情投入并积极参与、尝试去发现问题并解决问题，通过不断的尝试并接受系统反馈进行改进，最终形成新的认知。在完成游戏系统设置的任务的过程中提升自身的计算思维能力。

3 教学目标分析

本研究旨在通过VR情境下的计算思维虚拟游戏体验使得学生学会用信息化手段解决问题，了解条件判断、顺序结构、并行等算法思想，并能够把利用信息技术解决问题的过程迁移到现实生活相关问题的解决过程中。从而提升学生自身的计算思维能力。

4 基于VR技术的计算思维教育游戏的设计

4.1 使用技术

由于虚拟现实技术的迅猛发展，随之出现了多种虚拟现实开发工具。其中Virtools以其强大的3D引擎功能得到了业内人士的认可。Virtools是法国开发的一款功能强大的虚拟现实开发工具软件，广泛应用于3D/VR数字教育、3D/VR游戏开发、虚拟游览、3D/VR在线商务等领域。

Virtools满足大多数人对于专业软件的灵活操作、操作简便的要求，Virtools采用流程图式的模块编辑接口，开发者只需拖拽需要的模块即可构造出复杂的行为交互应用程序;Virtools支持多种格式的多媒体文件的导入，支持大多数3D动画软件建模设计，设计完成的程序可以通过多种方式播放，输入、输出相比其他同类型软件极为简便[4]。

4.2 游戏结构设计

本游戏以任务驱动的模式设置了三个难度递进的游戏关卡。学习者进入游戏后，首先查看游戏背景知识，然后进入交通堵塞路口场景，驾驶选择好的车辆（不同外形、不同性能）在有限的时间内通过关卡（目标车辆需不断躲避对向行驶来的车辆，不能相撞;道路上有不同形状、大小的路障，需巧妙躲避;路口交通指揮员会把目标车辆模型拦下，只有回答正确交通指挥员的问题，才能接着行驶）。如未能成功通过，可进入知识库查找快速通关的秘籍，然后重新开始，通过不断尝试、反馈完成任务。三个关卡的障碍是逐渐增加的，红绿灯时长是逐渐减少。玩家灵活运用所掌握的知识经验通过限时竞技的方式完成游戏中设置的挑战任务。

4.3 脚本设计

游戏的脚本设计被认为是游戏的灵魂所在。以游戏开始界面滚动出现的字幕来呈现游戏情景的设计。本研究计算思维虚拟游戏的脚本设计包括游戏故事背景、游戏情节、车辆模型、NPC对话方式、界面设计、知识库设置、帮助设置等。

在本游戏案例的情境中，首先需要设计玩家操作的车辆模型、障碍物模型、交通指挥员模型，接着根据脚本设计中的车辆模型加速、减速、转弯、跳跃的动作，（路障、炸弹）障碍物移动、原地等待、攻击的动作以及交通指挥员NPC拦截、询问、放行的动作来进行动作设计。

游戏场景设计主要是为了设计出适合剧情展开的环境，场景设计要从脚本故事情节和实际生活的入手，尽可能真实的再现实际生活的场景，加深学习者的临场感，使得学习者更好地融入游戏情境中[5]。在游戏情境中，学习者在游戏体验中的交互不仅是计算机与学习者的交互，还包括模拟角色与游戏情节、场景的交互。

本游戏案例的场景主要针对游戏任务来设计。设计了学校门口T字形路口的模拟图像，设置三种不同的红绿灯时长：30秒、45秒、60秒。为了游戏的现实沉浸性，还设计了路人、商店、花坛等景观，在游戏情境中起到美化场景、烘托气氛的作用。

4.4 交互设计

本游戏交互设计主要使用控制3D虚拟现实的工具—虚拟现实手柄VR头显。市面上的虚拟现实手柄多为6个自由度空间捕捉跟踪、两手分立，带按钮和震动反馈的手柄。本游戏大多使用触觉反馈进行玩家与虚拟场景的交互，主要交互反馈是按钮和震动反馈[6]。

玩家进入虚拟游戏情境，使用手柄晃动控制选择（选择车辆模型、关卡、查看玩法），游戏系统使用一个亮眼醒目的光标来指示视线位置，玩家长时间注视后确认点击。玩家晃动手柄控制车辆模型行进方向和速度，巧妙躲避障碍模型，成功通关。

虚拟情境下的交通拥堵情境小游戏给玩家以沉浸式体验。在VR游戏设计中，剧情UI设计是增强沉浸感的重要方式之一。交通拥堵情境下的计算思维小游戏的剧情根据游戏的进度是不断变化的，增强了用户的沉浸感和临场感。

4.5 开发实现

在开发阶段首先根据脚本及游戏场景设计等的要求利用3DS MAX等建模工具设计制作车辆模型、障碍物模型、交通指挥员等基本的3D模型。之后将源文件导入Virtools中，使用Virtools开发工具设计制作一个demo方案[7]。在3D建模过程中，为了呈现更好的效果，利用3DS MAX以及POSER等设计工具尽可能真实的再现游戏场景是建模过程的关键。

5 总结

本研究详细阐释了基于VR技术的计算思维教育游戏的设计方案，下一步是通过Virtools完成交通拥堵情境下的计算思维小游戏的设计。使得学生在虚拟场景中更加直观感受交通拥堵思维训练小游戏背后的计算思维理念;让学生了解条件判断、顺序结构、并行等算法思想，并能够把利用信息技术解决问题的过程迁移到实际生活的相关问题的解决过程中;使得学生通过不断的尝试并接受系统反馈进行改进，最终形成新的认知。在完成游戏系统设置的任务的过程中提升自身的计算思维能力。

但是本设计还存在游戏结构单薄、游戏难度偏低、学生是否能明确感知背后的计算思维理念等问题，这些问题会在后续进一步的研究中得到解决。

参考文献：

[1] 张立国，王国华.计算思维：信息技术学科核心素养培养的核心议题[J].电化教育研究， 2018（5）： 115-121.

[2] 龚静，侯长林，张新婷.计算思维能力发展模型与教学程序研究[J]. 现代教育技术，2018（4）： 48-54.

[3] 李艳坤，高铁刚.基于思维视角的计算思维综合解读[J].现代教育技术，2017（1）：68-73.

[4] 李自力.虚拟现实中基于图形与图像的建模与绘制（G&IBMR）的研究[D].华中科技大学，2002：8.

[5] 黄莹莹，彭敏俊，许岷.基于虚拟现实的数字校园漫游系统的设计与实现[J].应用科技，2005，32（5） ：40-42.

[6] 张佳信.虚拟展示设计的交互性研究[D].武汉理工大学，2008：3-4.

[7] 刘明昆.三维游戏设计宝典Virtools 开发工具篇[M].成都：四川出版集团，2005.

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