自主实验型科普游戏设计研究

刘志博

（ 华北电力大学 电力工程系，河北 保定071000）

目前的计算机科普游戏或互动式虚拟实验， 侧重点在于知识的传递和对新事物的体验，如垃圾分类游戏中，玩家需要理解垃圾分类方法，并将垃圾投入正确的垃圾桶中；沙漠生存游戏则需要玩家选择必需的装备，采取正确的行动，同时向玩家提供身临其境的体验。 即便用于学校教学的虚拟实验， 也往往具有固定的步骤， 学生只需且只能按规定步骤进行操作并观察结果， 得出实验结论。 这种科普游戏可以做到使学生在应用中理解知识，在实践中证明知识，却难以培养通过实验方法研究问题的科学精神，和根据问题设计实验的能力。

为帮助玩家自主设计实验， 游戏应具有较高的自由度和随机性， 并具备一整套功能辅助玩家进行实验研究。 本文以生态学科普游戏为例，提出一种新的科普游戏设计方法，以期提升科普游戏在传授科学知识和培养科学素养等方面的效果。

1 主要构成

1.1 游戏情景与目标

学生对两类知识最容易感兴趣，一是本身足够有趣的知识，二是能够帮助其实现感兴趣的目的的知识。 因此， 为所传授的知识设计一个应用情景，引导玩家为实现一个目标而进行实验研究，就成为吸引玩家注意力的关键。 当知识较为具体时，应用情景可以是知识对象及其原本所处的环境；当知识较为抽象时，应用情景可以是一个虚构出来的、与人类经验较为相关的情景，以便提升玩家的代入感。

玩家置身于一个陌生的虚拟环境中，为实现游戏目标，需要对环境中的各个元素之间的关联进行研究分析，从而得出实现目标的方法。 为确保玩家理解游戏目标， 并对实现目标有更高的积极性，应将游戏目标设计得尽可能简单，贴近人类生活，如经典力学普及游戏可以以阻止对方武器攻城为目标。 对于一些学力和兴趣较高的玩家，可提供一些次要目标，其完成度可以作为最终得分的参考。

本文的科普游戏将场景设置为一个小村庄， 其存续取决于周遭自然环境的维持和与外界社会的货物往来，而游戏目标即尽可能的延长村庄的持续时间。 玩家在努力达成此目标的过程中，逐渐认识到生态环境中各个元素之间错综复杂的相互关联，体会到“ 万物一体”的生态学理念。

1.2 含有随机元素的模拟系统

为了保证玩家能够自主设计实验， 游戏内的虚拟环境须对应一个以变量和数学公式为基础的玩家可操作的模拟系统，能够根据玩家的操作和系统当前状态演算系统的变化过程。 为降低工作量和提高运算效率， 制作者可以在满足支持玩家自主操作要求的前提下对系统进行适当简化。

本文的科普游戏以村庄为场景， 模拟系统包含村庄系统和自然生态系统两部分。

1.2.1 村庄系统

村庄由村民和村庄设施组成。 村民除基本信息外，还有一系列变量表示其各种生活需求， 需求被满足的情况决定了其寿命和繁衍情况，当村民全部死亡时，游戏失败。 村庄设施既为村民提供居住场所，也为各项活动提供条件，玩家在游戏过程中需要规划所建设设施的种类和数目。

村民可通过对自然资源的开采和加工， 以及人工培育食物等方式满足其生活需求。 在村庄发展过程中， 玩家可逐渐解锁不同的科技和生产方式，而其生产过程中开采量的多少、加工或培育时使用了多少有毒物质、生产废物如何处理等问题，对游戏结果即村庄的持续时间有至关重要的影响。 本地不同物资的盈余和匮乏可通过贸易平衡， 与其他人类聚居地实现互通有无。而贸易在本游戏中有着另一项重要作用：很多情况下，生产生活活动引起的污染或某物种种群数量减小等问题并不对当地造成直接的明显影响，而是通过河流、食物链等形式影响到其他地区，在缺乏对大环境模拟的情况下，贸易可以反映出对本地的关联影响，如买进的食物存在毒素富集的情况，从而体现生态环境的一体性。

除物质需求外，精神需求也是村民生活需求的一大方面。 由于本文科普游戏重点在于生态学， 因此精神需求表现在对村民对自然环境的渴求上，植物的覆盖率、动物种类的丰富程度影响着村民的心情，进而影响其健康和活力。

1.2.2 自然生态系统

自然生态系统包含自然环境、野生动植物、化学物质和微生物。

自然环境是野生动植物的栖息地，光照、温度、湿度等因素影响着生物的生长和生存。 村庄对自然环境的改造和利用行为会直接破坏其栖息地，玩家需要对此作出权衡。

不同的化学物质对特定物种具有不同的意义（ 有益、无关或有害），并且会随着食物链进行传递。 农药的危害便是有毒物质随食物链迅速富集的结果。 玩家选择研究和使用的科技决定着化学物质的使用和排放。

微生物是联系有机界和无机界的桥梁。 选取数种对生态平衡影响较大且与玩家行为密切相关的微生物作为自然生态系统的一部分，例如：与豆类植物根部共生的根瘤菌可以将大气中的氮元素转化为生物可以利用的形式；人类排放的富含磷元素的污水则会促使一些藻类的大量繁殖形成水华和赤潮。

为提高游戏的可探索性和可重复游玩性， 可在模拟系统中加入随机元素，即名称、特性按照预定规则可以由程序随机设置的元素。 不同玩家启动游戏时获得不同的随机元素，构成不同的模拟系统。 同一玩家每次开始新游戏时可选择是否重新随机生成元素，若不重新生成，则玩家可以与之前的游戏过程进行比较，观察不同操作带来的不同影响，从而研究各元素之间相互作用的关系；若重新生成，则玩家可以探索一个新的系统，避免游戏因为玩家对之前的系统有了足够的了解而失去了可玩性。

在本文的科普游戏中， 可以将自然生态系统设计为一个随机系统：各物种的基本类型（ 动物、植物、微生物）和特征（ 体型、食性、特殊能力等）为随机生成，在玩家开始游戏之后，进入场景前，系统根据物种的特征将其分配至适宜的地点，各动物和食肉植物尝试捕食，根据对各物种的捕食成功率、物质收益、能量收益以及捕食过程中的能量消耗和身体损伤计算捕食优先级。

1.3 数据分析工具

游戏内应提供相关工具来显示系统当前状态和变化历史，例如通过曲线图将各个变量的变化情况直观地展现出来，方便玩家通过不同变量之间变化的相关性对元素间的关系作出推测，并进一步通过实验来证实。 玩家可自行筛选数据，屏蔽较不相关的变量。 除手动筛选外，程序还可添加自动筛选功能，即玩家选定一个变量，程序可按照玩家设定的参数筛选出与该变量的变化关系较为密切的变量。

在本文的科普游戏中，曲线图主要用来表示各物种、生产活动和不同区域及生物体内含有的各种化学物质的数量，为玩家探究物种间的捕食关系、生产活动对物种的影响等提供线索。

1.4 教程

游戏应包含一套教程，帮助玩家了解用户界面、各种工具的用法，带领玩家初步认识游戏内的场景，学习场景内各种道具和行为的操作方法。 除此之外，教程还应提供一个小型实验教学，针对一个特定的问题，一步步指导玩家建立实验思路，确立实验方法，进而完成实验，帮助玩家了解实验研究的流程，为之后的自主实验建立基础。

本文科普游戏的教程包含以下几点内容：

a.村庄建设

学习建设村庄设施的条件和方法， 学习查看其详细信息的途径，为接触更多种类的村庄设施和规划建设做准备。

b.科技发展

熟悉科技树界面，学习查看解锁科技的条件和方法，理解科技提升对生产过程的影响。

c.生产安排

学习为村民安排工作的方法， 尝试生产基本工具并设定生产和开采规模。

d.数据分析

引导玩家进行少量生产活动， 并使用数据分析工具观察生态系统在这之后的变化，以某个具体的分析目标为导向，指导学生通过使用各项功能观察数据的变化，分析其潜在关联。

e.特色功能

对每一项特色功能， 也秉持与整个科普游戏同样的设计原则：在一个小情境里，指导玩家在实现一个简单目标的过程中逐渐学会其使用方法。

2 特色功能

2.1 百科

对于某些难以通过游戏内的虚拟实验进行研究的知识，可通过解锁游戏百科的方式令玩家获取。 随着游戏进程的发展，玩家通过研究实现一些小目标并获得奖励，用奖励解锁需要查看的百科条目，根据新获得的知识进行下一步的研究。 若玩家游戏失败，重新开始时，已解锁的游戏百科维持解锁状态。

为直观展示系统构造， 游戏百科的主界面可以使用流程图的形式将模拟系统的全部元素陈设出来，使用能够表示双方关系的符号连接各元素。 当玩家点击某元素时， 与之直接相关的元素和表示关系的符号都会高亮显示， 其余元素则透明化，方便玩家查看元素间相互关系。 再次点击该元素则可阅读其详细信息；若点击某个高亮的连接符号，则可阅读两端元素间相互关系的详细说明。

2.2 对比实验

为辅助玩家进行对比实验， 可设置幽灵模式和时间轴回溯功能。 当玩家想要在之前的某个时间点采取不同操作以进行对比观察时，可拖动时间轴到达目标时间点，重新进行操作。此时，之前的操作和模拟系统的变化会通过虚影的形式显示出来，方便玩家回忆之前的操作并对比系统的不同状态，配合变量曲线图分析各元素之间的关系。

玩家初步判断两元素之间的关系后， 继续针对两元素做重复试验。 若在不同时间点采取相同的行动，在同一时间点采取不同的行动，在合理的时间段内产生的反应无法推翻之前的推断，则可以暂时认定推断正确，并在之后的游戏中以此为依据规划行动。

3 结论

本文提出了一种设计科普游戏的方法， 以生态学科普游戏为例，描述了软件的框架，通过一个可操作的模拟仿真系统和数种辅助工具，设计出了一种玩家可针对延长村庄持续时间的目的进行自主实验的科普游戏，预期可以为科学精神和科学方法的普及提供帮助。