游戏化在虚拟仿真实验中的应用设计

胡之茵 朱宏

摘要：自2013年国家提倡大力建设虚拟仿真实验室以来，虚拟仿真技术至今已逐渐发展成熟，但在其建设过程中缺乏设计方面的考量，导致用户体验较差。游戏的设计本质是用户体验的设计，在其设计过程中始终围绕着用户进行设计。文章目的在于通过应用游戏的设计方法来改善和虚拟仿真实验室的用户体验，激发用户动力，提高用户操作的有效性。通过实地调研及文献分析的方法总结目前虚拟仿真实验所存在的问题，对设计元素进行对比研究。提炼出游戏中的设计元素，得出未来虚拟仿真实验的设计发展新思路。该设计方法及思路可为同类型相关教育系统的设计提供参考。

关键词：游戏化虚拟仿真实验用户体验游戏元素交互设计

中图分类号：TP393.092

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）02-0148-04

引言

网络游戏一直被认为是有趣的、吸引人的。伴随着互联网和人机交互方面的技术突破，教育工作者、医学家、科学家等都在研究游戏方法和技术在其学科领域内的潜力，以实现更有效的、沉浸式的和引人入胜的学习或培训。很多学者（Malone1980;Bowman1982）认为游戏可以“使学习更有趣”，所以过去几十年有很多人在努力提高教育游戏的趣味性。

虚拟实验室是指在web环境下的，可供学生进行实验操作的三维实验场景。过去的虚拟实验室仅仅是针对高技术科研员，将高危、现实情况下难以实现、高成本的实验作为建设标准。目前更多地是变为一种针对高校学生的，为了普及实验教育所建立的共享型虚拟实验。学生可以在虚拟三维环境中进行多项任务，如学理论，做测试，观视频，做实验，上传资料等。国外有代表性的如Labster实验室（如图1），无论是形式上还是操作上都与游戏十分相似。

目前很多虚拟实验为了进一步增强实验的交互性与沉浸性，设计者将其与实验设备、显示设备或虚拟现实设备（VR）结合使用（如图2）。为了增加趣味性，在其中增加游戏情节、声音、视频等。

這些改变和功能的增加会使实验交互变得复杂，因此在增加此类功能前需斟酌用户需求和实验目标。复杂的软件往往会使用户产生迷失感，造成用户关注重点偏移，用户注意力本应集中在实验上，却由于功能的复杂致使用户把更多精力耗费在如何交互上。使用户产生疲惫甚至愤怒的情感，用户满意度、效率产生负面影响。如何在控制用户认知负担的情况下去增强用户体验是文章的重点。

JaneMcGonigal在著作《RealityisBroken：WhyGamesMakeUsBetterandHowTheyChangetheWorld》中认为由于游戏的交互性，游戏能够产生认知参与，甚至能给用户灌输信心鼓舞士气，游戏机制、技术和界面等可以潜在地为用户提供难忘的体验。那么，通过应用游戏的方法或可改善虚拟仿真实验的用户体验，激发其感知能力、提高其操作的有效性。

一、虚拟实验室目前设计现状解析

目前虚拟仿真实验室开发目标为学科知识实验普及化，实验共享化，实验信息化。虚拟仿真实验室发展至今功能大致分为个四模块：理论学习，虚拟实验，考试测评，评分系统（图3）。

理论学习：专业课程的基础理论知识学习，普遍采用文本、图片、视频播放三种方式单独或混合呈现。

虚拟实验：根据前期学的相关基础理论知识进行虚拟实验。实验方式有低交互度-物体间不可相互交互，用户点击物体触发动画;中交互度-实验需要的个别物体可进行互相交互，用户按固定流程选择物体点按或拖拽进行实验;高交互度-实验室中物体都可进行自由交互，用户点击、拖拽或搭配VR及体感硬件设备进行实验。

考试测评：采用文本、图片、视频播放三种方式单独或混合呈现，形成网络试卷进行考核。

评分系统：评分系统主要包含虚拟实验中的实验分数，考试测评中获得的试卷分数，出勤分数三大类。以三类分数的综合分来评定学生的实验学习情况。

虚拟仿真实验室的积极作用是被普遍认可的，其作为补充实验的优势在于：可体验实际中无法完成的实验;节约实验成本;降低高危实验风险;实现现实环境零成本;提高实验的可重复性;增强实验共享性。但其在具体使用过程中也出现了消极的一面：赵青林等认为虚拟仿真实验大多是观看3D动画，不能激发学生的创新精神。且实验的用户辐射度很低，虚拟仿真实验在许多高校搭建运行，但并不被大家所知。文福安认为虚拟实验被教师上课演示的多，被学生实际操作的少。李展认为多数实验教学真实度不高，趣味性差，以二维图片、视频、动画等素材为主，集中于三维模型和二维空间的交叉设计，缺乏真实感;交互方式单一，很大程度上仍依赖于鼠标、键盘等输入设备。聂丹丹认为实验的自主探索性低，受限于传统的教学演示和实践操作，可操作性不强。

从文献中总结当前虚拟仿真实验室的局限性如下：

（1）传统且单一的交互方式

（2）交互不符合用户认知

（3）固定的实验流程

（4）低真实度的实验环境

（5）多为演示型实验，缺乏自主实验

（6）共享协作性低

通过文献调研及高校走访调研（图4）后，笔者认为，目前虚拟仿真实验室出现上述的局限性，原因在于：

（1）目前虚拟仿真实验建设重点在技术上，忽略了设计。

（2）没有围绕用户进行设计，且学习软件用户使用动机弱，情绪低。

（3）虚拟仿真实验作为新生事物，其在设计上没有标准和规范，用户对其并未形成认知惯性，面对新事物用户容易产生认知偏差。

（4）用户心理预期落差大，虚拟仿真实验用户普遍都有游戏经验，虚拟仿真体验与游戏形式趋同，但体验落差较大。用户易进行比较，产生负面情感。

二、网络游戏

Narayanasamy等认为网络游戏是一个复杂但直观的系统，系统包括交互技术，媒体和模拟技术，它通常带有故事情节。游戏的交互是经过设计的，是直观的，游戏内的交互能够激发用户情感。其基本目标是使游戏玩家产生积极的游戏体验，注重游戏过程。这在一定程度上与虚拟实验相似，实验本身是经过设计，有固定流程的，注重知识的运用过程，从实践过程中获得学习体验。

本节主要分析游戏中的运作要素及使用游戏元素的非游戏成功教育类应用案例，将其设计要素抽象总结，运用到虚拟仿真实验的设计中去。

（一）游戏的运作要素

游戏是由许多机制构成的，这些机制定义了游戏如何运行。在游戏中，游戏机制和玩家之间进行交互就会产生事件，机制又将这些事件与游戏内容联系起来。SicartM在其文章Defininggamemechanics中总结了各游戏设计研究者对游戏机制的定义，绘制表格（表1）。

总的来看，所列出的大部分定义都与用户与游戏系统的交互以及用户在体验过程中可能采取的行动有关，在游戏世界中存在着特定的目标，游戏机制作为引导手段使用户达到特定的目标或做出特定的行为。

总结游戏机制的关键方面有：

（1）用户在游戏中可能的操作

（2）用户的动作交互文档

（3）游戏系统的一套规则

（4）交互中的引导和及时反馈

小结：这与虚拟仿真实验室机制设计是相通的，实验室设计也存在特定的目標-完成实验。这就需要设计实验机制，分析用户在实验中可能的操作。交互方式和规则是由机制定义的，但由机制和用户之间发生交互而产生的“事件”不是被编码直接定义的，是在游戏过程中产生的。游戏设计并不是直接设计事件，而是设计能够产生事件的游戏机制体系。虚拟仿真实验室设计也应该是这样，不是直接定义实验结果，而是设计实验机制体系，这些机制能够通过用户交互及互相作用引发各种可能的体验和结果。

（二）游戏元素在非游戏领域的应用（严肃游戏）

目前对于游戏的理论和机制的研究已经早已超越了游戏边界，很多领域都通过融入游戏体验的各个方面来增强非游戏系统的功能。如教育、营销、商业管理、医学等（表2），从游戏中提取愉悦和吸引的元素并利用它们来激励在其他环境领域中的用户。

游戏元素在教育中的运用被称为“严肃游戏”，其被定义为是视频和计算机游戏的一种，核心是以学习/练习相关专业知识为目的。通常是一种具有游戏的外观与感觉的对于现实事件或过程的模拟，为用户提供一个吸引人的、相对轻松的环境来进行训练或教育学习。

游戏必须是玩家自愿参与的。研究其自愿性时，游戏中用得较多的理论是马斯洛需求层次理论和自我决定论。其中用得更广泛的理论是美国心理学家德西和瑞安提出的“自我决定论（Self-DecideTheory）”，强调自我在动机过程中的能动作用。其将人类行为分为自我决定行为和非自我决定行为，认为驱力内在需要和情绪是自我决定行为的动机来源。动力分为三种：竞争、控制、关联。

竞争-成就感动力：如基于物理工程学的游戏“BridgeBuilder”，将物理学转化为工程建设类的项目，如在某数量经费的限制下建造能够通过火车重量的桥梁，用户需要考虑到选用什么材料，成本，桥梁的结构，张力和压力等众多专业因素来搭建桥梁。游戏中每一个关卡都会给予分数，分数的竞争刺激着用户不断进行挑战（图5）。

控制-掌控感：如在商业管理领域的模拟城市（游戏图6），此游戏中城市内的一切都由玩家自行设计规划、建设管理。此类游戏都是基于真实经济模型的战略性商业模拟器，用户在游戏中能获得自己作为一个市长的体验。

关联-归属感：多人协作也是游戏中的一个重要元素，例如方舟。玩家在游戏内进行房屋绘制，建造、种植、驯兽等，单人进行复杂和困难任务时会感到压力进而选择放弃，但当进行多人协作任务时，协作模式会激发人们的探索欲和创造力，唤醒用户思维使其更加专注，增强其解决问题的能力。

金山公司在其推出的金山打字系列教育软件中应用了游戏界面元素，其运用游戏风格的界面用于基本的英语、五笔、拼音等字符识别，帮助学生有效地熟悉键盘点位、提高英文录入速度、英语水平。用户需要输入正确的字符来帮助青蛙跳到河对岸，跳到河对岸后增加难度进入下一关（图7）。学生在使用了该界面后，表现出高昂的积极性，打字技能也有所提高，游戏界面被证明对纯娱乐之外的用户也是有益的。

小结：不同于游戏的自愿参与，学习是痛苦的被迫的。但经过设计，可以提升学生的操作体验，降低痛苦感。为学生提供一个吸引人的、相对轻松的学习环境，激发用户动力，将学习实验的过程变成自主互动的过程。可从以下方面来增加用户动力：

（1）添加竞争元素，如分数墙、过关效率墙等，激发用户的好胜心。

（2）融入激励元素，如完成某个任务后给予奖励，或语言鼓励。（3）增加协作模式，允许学生组队进行实验，激发用户的探索欲。

（4）运用隐喻和暗示，利用用户认识习惯，提高操作流畅度。（5）简化操作界面，标出重点，做到界面清晰简洁。

三、游戏中的用户体验

游戏是完全虚拟的故事机制，游戏的实质就是围绕用户进行设计。研究用户心理、激发用户动机、留住用户、建立用户依赖、刺激用户消费。虚拟仿真实因其环境、操作方式等与游戏极其相似甚至完全一致。目前的用户普遍都有游戏经验，目前的虚拟仿真实验用户体验感太差，导致用户在进行虚拟仿真实验时的体验与其在游戏中的体验差距过大，用户自然会产生落差，激起负面情绪。所以虚拟仿真实验设计需要借鉴游戏的用户体验设计。

用户体验是人机交互中的一个术语，它的意义容纳贯穿可用性、易用性、美感、情感，是人在与系统交互时产生的感觉。为了加深对用户体验的了解和应用，各研究者已经开发了许多模型和理论方法。Pine和Gilmore区分了主动和被动用户体验以及沉浸式和吸收式用户体验;Overbeeke专注于美学和行为反馈;在理解用户与技术的交互方面，大多关注用户期待动机、易用性和可用性等方面。今天的用户体验是由用户在与产品交互时的积极体验和情感状态所驱动的，在游戏中应用和讨论最多的是心理学中的流理论。

游戏中的UX是建立在游戏机制、用户界面和叙述（故事）的基础上的，但这也要基于游戏的玩法/可玩性。游戏可玩性是由“为了达到一个明确的目标而需要在游戏中执行的用户行动定义的，一个失败可以提供一个新的尝试的基础，或者成功并给予认可以及衡量用户做得有多好”。目标、反馈以及失败和成功的混合提供了多变的游戏事件，用户随事件产生丰富的情感，这是玩游戏的一个重要部分。Lazzaro认为游戏玩法的动机方面可以表现为挑战、感觉、情感和故事，此外，动机也可以用奖励和成就来解释。关于游戏体验的许多研究中出现频次最多的词语有：沉浸、心流、在场（存在），这些词语经常与积极体验联系在一起。用户体验正成为理解技术可用性和人机交互的中心，在游戏过程中，玩家会经历各种各样的体验，这些体验可能是情感上吸引人的、有趣的，也可能是负面的，惊恐的、暴躁的（掘地求生GettingOverlt）。在用户体验方面，或有助于虚拟仿真实验室未来建设发展的方面有：

（1）情感体验

（2）沉浸感

（3）在场感

（4）反馈和动机

（5）认知模型

四、虚拟仿真实验设计的未来趋势

当前的虚拟仿真实验室研究重点还在于功能的实现，目前已经有学者指出用户的可用性与体验问题，但是对于如何解决这一问题的建议却很少。在进行未来的虚拟仿真实验室设计时出现的关键问题可能是“如何创造一个有效的实验环境来辅助学习和促进决策制定，并同时保持用户的兴趣和参与度？”

在虚拟仿真实验室的建设设计过程中关于实验室体验方面研究比较欠缺，但在游戏中自游戏开发以来体验就一直是被关注研究的焦点。游戏是一种极具影响力的计算机软件形式，也是最吸引人的互动系统。其受欢迎的程度不仅反映在游戏的经济成功上，也反映在它们越来越成为社会普遍文化意识的一部分，它们几乎影响了人们社会生活和互动的各个方面。随着严肃游戏的发展，游戏已经成为一种新的教育、训练、社交和工作的方式。当然，游戏与虚拟仿真实验室的实践定义有所不同，对于游戏来说，核心在于玩家能够充分享受游戏并愿意继续玩下去，而不是帮助玩家学习知识完成任务。将游戏中的要素进行总结与目前的虚拟仿真实验室要素进行对比（表3）。

作者认为游戏元素在这方面有很大的潜力。游戏的所有元素并非都能与虚拟实验室设计相融合匹配，但是其中部分元素有融合设计的可能。从对比的表中得出，未来的虚拟仿真实验设计可从以下6个潜在元素进行进一步的深入研究：

（1）情感动机：融入引导元素（引导用户按流程进行游戏）、竞争元素（玩家间的排行）、激励元素（完成任务的鼓励或奖励）及时反馈机制等，激发用户内在动力。

（2）任务机制：运用游戏机制进行实验室机制设计，用简单的交互创造丰富的事件，打破固定的实验流程，允许用户“犯错”。

（3）自然交互：游戏体验中的沉浸感、在场、认知模型等元素，使用户将在现实世界中的交互惯性应用到虚拟世界中。有利于加强学生对自身的代入和对环境的理解，提高交互效率。

（4）沟通协作：尝试添加协作元素，激发用户的探索欲望，培养自主探究与合作学习能力。

（5）沉浸性：融入多模态交互，结合游戏硬件，如VR眼镜，Kinect体感仪器等，通过触觉、听觉、视觉等多感官融合，带给用户更高的沉浸感。

（6）游戏化界面及游戏硬件：采用游戏界面和游戏硬件，带给学生一个相对轻松的环境感觉，更能够激发学生的想象力和创造力。

用户持久不衰的内在动机是其沉迷游戏的根本，从主流游戏中提取内在动机并将其整合到教育软件中，不是追求游戏的外在形式，而是追求游戏的内在特征。或许学生认为这不是一个游戏，但是他们会认为这是一个吸引人的教育软件。

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