基于虚拟现实的科普游戏设计

摘 要：传统平面媒体的科普教育效果不佳，无法满足互联网+时代年轻用户的视听需求。基于虚拟现实的科普游戏案例，可将虚拟现实与游戏的媒体优势合二为一。本研究采用野外求生作为科普教育案例的内容题材，基于Mihalyi Csikszentmihalyi的心流理论，设计开发基于虚拟现实的科普游戏案例。游戏案例的设计包含游戏概念原型设定、游戏背景设定、游戏剧情设计、游戏任务设计、游戏关卡设计，形成游戏性与教育性的融合样式，并通过游戏平衡技巧维持用户学习动机，以及设计合理的游戏交互机制引导用户快速融入沉浸。游戏案例的开发采用3dsMax进行三维建模，Unity引擎进行虚拟现实开发，构建支持Web等多个平台的游戏应用，为科普教育在网络宣传等方面提供一种设计范式。

关键词：虚拟现实；科普游戏；Unity；沉浸；动机维持

中图分类号：G434 文献标志码： A 文章编号：1673-8454（2017）10-0092-05

一、引言

我国人口基数庞大，科普意识薄弱，体现在對微信朋友圈等社区中传播谣言的轻信，网络的快速转发率对社会造成了极大的隐患，科普教育亟待加强。作为信息时代的年轻用户，更需要普及科学意识。然而，目前对于科普教育的传播仍然停留于平面载体，如社区公告亭张贴、宣传单分发等，缺乏立体化的现场感染力，实际效果不理想。众所周知，游戏是一种深受全年龄段用户喜爱的媒体，而虚拟现实技术则让游戏沉浸体验再获提升，应用其媒体视听优势有望加强科普教育的教学效果。

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）概念上世纪80年代由美国的Jaron Lanier所提出，指的是由计算机构建的对真实世界或现象的模拟。随着Oculus Rift等消费级虚拟现实设备的推出，虚拟现实重新成为市场的关注热点，Facebook、三星、SONY等大型科技公司大力研发虚拟现实应用，尤其是虚拟现实游戏，2016年由此被称为“虚拟现实元年”。目前，虚拟现实已经被应用于教育、培训、文化等领域，如教育平台Unimersiv设计了罗马竞技场、乘坐宇宙飞船探索太阳系等虚拟现实案例，通过沉浸感教学将最枯燥的课题变得生动，获得良好反响[1]。根据Digi-Capital预测，虚拟现实软硬件市场规模将达到1500亿美元，未来5年将实现超高速增长，虚拟现实依托移动互联网等优势呈现巨大发展潜力[2]。基于上述背景，本研究以野外求生作为科普教育内容题材，提出采用虚拟现实技术构建一款支持包括Web在内主流平台的科普游戏案例，阐述虚拟现实与教育游戏载体结合的方法，以此作为互联网+时代科普教育宣传新范式。

二、理论基础

本研究的游戏案例基础理论为Mihalyi Csikszentmihalyi的心流理论（Flow Theory，有时也称沉浸理论），心流（Flow）是一种在活动中因意识投入情境而进入到忽视其它知觉的愉悦状态。研究表明，心流的产生，可通过调整游戏情境中的挑战与能力以影响用户心理状态偏离焦虑与厌倦区，靠近心流区所激发[3]。

有别于常规媒体设计，虚拟现实游戏中的挑战与能力，主要是经由虚拟现实3i特征（沉浸：Immersion，构想：Imagination，交互： Interaction）调整实现。当今虚拟现实的优势在于沉浸（Immersion），可帮助用户快速构建对虚拟环境的认知，是获取心流的必要前提。基于虚拟现实的科普游戏首当需要考虑虚拟环境的真实程度，三维建模正是还原对象特征的优先选择，可有效连接用户行动与知觉，这也是目前绝大多数虚拟现实应用的首选呈现方式。构想（Imagination）体现设计者的创造思想，交代游戏的世界观，在科普游戏中表现为当前知识内容的性质、意义、因果、参照等客观事实。沉浸与构想的设计，加速了用户对于科普游戏案例的熟悉过程，有利于沉浸阶段中的目标设立。交互（Interaction）反映游戏的人机交互理念，是沉浸持续发生的重要阶段。在科普游戏设计中，利用游戏的天然优势——快速反馈保持用户注意力的集中，并通过设计趣味性的游戏任务保持用户参与动机的持续，同时在任务中设置与能力相平衡的挑战以促进行动与意识的融合，引导用户进入沉浸从而激发心流[4]。

三、游戏设计流程概述

基于虚拟现实的科普游戏的设计流程如图1所示，分为设计、开发、应用三个阶段。设计阶段包含概念创意、游戏背景设定、游戏剧情设计、游戏任务设计、游戏关卡设计等，这部分工作由整个游戏团队共同参与讨论，并由游戏策划人员将游戏设计思想编写为游戏脚本，方便游戏团队了解游戏的各个组成部分与游戏的分解，并制订开发计划，其重点关注游戏内容与教学内容融合。开发阶段包含游戏三维建模、游戏程序开发等工作，由专门的美术人员、建模人员、音频设计人员、编程人员等负责，致力于整个游戏程序的开发实现。应用阶段包含游戏测试与推广应用，分别由测试群体与市场管理人员负责，在游戏测试中通过判断是否发生沉浸学习决定游戏修改或发布，目的在于保证游戏项目的质量以及顺利推广。

四、游戏脚本设计

游戏脚本（也称游戏设计文档），主要用于指导游戏项目的持续性、游戏主题的连贯性以及游戏开发的顺利进行[5]。本研究的科普游戏案例脚本设计包含下列步骤：首先，讨论决定概念原型，确定游戏的背景设定，保证科普游戏时空背景与现实的一致。其次，设计游戏剧情，创设出野外求生的形象情境，增强用户的代入感。再次，设计游戏任务，将遇险自救的知识内容分解到各个任务，并与剧情主线走向融合。最后，设计游戏关卡，将自救技能的虚拟现实操作与游戏难度系数进行关联并趋向平衡，利用互动设计理念优化关卡的人性化操作，以做到对大部分用户的友好适应。

1.概念原型

本游戏案例的概念原型是，利用Unity引擎开发一款野外自救题材的科普游戏，强调三维场景的真实展示，在虚拟情境的交互练习过程中助其达到沉浸学习。鉴于目前头盔沉浸式等虚拟现实类型对点击、选择等精确交互的不友好，且体感操控、增强现实式虚拟现实则对设备或场地要求较高，较高的成本不利于推广，与科学普及面向广大普通用户的原则相悖；而桌面仿真式只需要普通的个人电脑、较小的物理空间就能够满足运行条件，基于上述原因，本案例在游戏模式上主要采用桌面仿真式虚拟现实技术进行开发。

2.背景设定

游戏背景设定主要用于描述游戏世界观，本案例将其定位于现代时空下的户外场景事件，主要交代故事的由来、用户可以在游戏中具备何种程度的能力、世界是怎样一种物理运行规则等背景，以此匹配用户对于现代社会野外自救行为的认知习惯。

3.剧情设计

本游戏案例的剧情设定为主角与伙伴在丛林走失，依靠自救技能在丛林内冒险寻找伙伴的故事。叙事采用影视媒体常用的三幕式结构，易于用户理解剧情。第一幕（Act1）讲述游戏主角与伙伴走失，从而深入丛林寻找伙伴，确定了游戏的人物关系、所处形势以及面临的主要问题，所占内容比例较少[6]。这一幕主要在于吸引用户的注意力，尽快将其引入游戏情境。第二幕（Act2）讲述主角穿越丛林的密林区、水域区以及村庄，在每个场景地图内完成自救冒险的故事，确立主角所面临的主要问题以及与困难做斗争的事件关系。这一幕作为游戏剧情的展开，占据游戏大部分的内容比例，给予用户自由，允许其控制自己的虚拟现实游戏体验[7]。第三幕（Act3）講述主角历经艰险，成功找到伙伴，为游戏故事划上结局。这一幕对用户在游戏过程中的表现进行总结，通过游戏成就的反馈结束整个游戏。其地位相当于电影的高潮，虽然篇幅内容不多，但是对于用户的沉浸体验非常重要，可以有效增强或持续激发心流。三幕式设定由于在影视媒体中应用较广，用户对其接受度较高，可较好理解游戏情节，便于教学内容的融入。

4.任务设计

与商业游戏有所不同，科普游戏的任务设计除了创设游戏趣味性，还需要兼顾游戏项目的科学性。因此，必须考量游戏性与教育性的融合问题，即游戏任务与科普知识如何有机结合。

在游戏性与教育性融合样式处理上，本案例的游戏任务应用了“1主线任务+3子任务”的直线型任务结构，与三幕式剧情结构呼应，利于对游戏不熟悉的用户理解教学内容的阐释流程；并采用游戏设计中的模糊策略，将科普知识与游戏任务设计为一种“互为彼此”的交融状态，缓解教学内容融入游戏内容的突兀感。游戏任务在前提上仍然遵循于游戏背景与剧情设定，确保用户顺利按照任务主线进行冒险，而知识内容则通过寻找游戏地图的物理特征与野外自救知识的性质特征的联结点将其融入到对应任务，实现样式如图2所示[8]，可以看到树林、水域、村庄等场景内的任务均与相关知识进行联结。例如，树林中枝叶密集的物理特性决定其易致人迷路，而如何应对迷路的科普知识包含了指南针的使用、对陌生树林内毒蛇的防患知识，通过两者的关联点将指南针与防蛇知识融入到树林地图的迷路任务。采用模糊策划的好处是，可助科普与游戏主线吻合，避免产生知识点游离于游戏之外的情况，既保证了良好、完整的游戏体验，又确保科学普及的正确性。

5.关卡设计

关卡作为游戏可玩性体现的环境，拥有分界线，入口与出口，以及一定的目标、开头与结局等特征，一般包含地形、目标（任务）、情节、对手与NPC（非玩家角色）、物品道具等要素[5]。关卡在本案例中是用以划分知识单元的重要依据，便于用户了解自身的学习进度。本游戏案例的关卡设计（Stage）较为明确，以区域地图为单位，划分为丛林、水域、村庄三个关卡。每个关卡的目标导向均明确当前任务目标，关卡内的每件道具都与自救技能的练习存在关联，始终考虑游戏的科普宗旨，如丛林关卡中的指南针道具就是为了锻炼寻路技能而设置。此外，关卡中的地形、道具、挑战、难题等资源都是逐渐呈现给用户，以保持进入下一个关卡的乐趣。

五、游戏平衡设计

在本游戏案例中，游戏平衡的类型属于玩家用户/游戏性平衡（Player/Gameplay Balance），为了有效触发心流，其重点在于调整游戏挑战难度与用户能力的相适应，以此提升用户在游戏过程中的愉悦感，保持用户的学习动力。具体的平衡技巧有以下几种[7]：

1.保持设计动机一致性

确保游戏的核心玩法，使之保持科普游戏的纯粹性，令游戏特征得到良好控制。若因为过度强调趣味性而加入太多不相关的游戏特征，容易分散用户的注意力，且影响到科普宣传目的，如在游戏《植物大战僵尸》中，设计动机就是对抗僵尸、防卫家园，始终贯彻如一，最终获得市场肯定。在本案例中，设计动机始终是以科普为导向，野外自救为内容题材，追求虚拟现实带来的沉浸体验，特征集小而精炼，游戏任务等各项内容均为保持游戏设计动机的一致性所服务。

2.概率统计

游戏中发生的不平衡现象存在个体性、偶然性，因此需要通过测试人员对游戏程序进行测试分析，确定数据是否存在群体性异常，进而使用数学工具改善原有游戏数值或公式，使之与多数用户的能力水平匹配。例如，在本案例的渡河任务中，若100名测试人员内有60名均长时间无法完成任务且表现出沮丧情绪，则说明游戏难度可能偏高，需联系游戏数值策划、游戏程序员等讨论、修改。

3.动态难度调整

游戏动态难度调整指的是依靠游戏系统对用户的各种行为进行监听，如用户的操作方式、行为方式、判断能力等信息，以此作为用户的度量标准判断用户的能力水平，进而调整游戏的难度，如游戏《暗黑破坏神III》就根据用户的角色等级自动调整游戏难度。在本案例中，这一措施的关键是，需确定环境障碍或威胁的数量、用户的任务持续时间、任务完成度、操作有效率等参数，以这些参数为基础构建游戏变量并形成度量标准，配合后台监控系统即可作出及时的自动难度调整。

4.改善用户选择

游戏中存在多种类型的选择，越靠近上层的选择对游戏的影响越大。用户最想要的是在游戏中获胜，游戏设计者必须为其定制有意义的选择，即对胜负产生直接或间接影响的选择，如在游戏《扫雷》中，用户每一次目标区的选择都可能对生死结果产生决定性影响，其决策等级较高。在本案例中，对于科普知识传达及游戏任务结果具有直接或间接影响的用户选择会得以保留，以保证游戏的趣味性、戏剧性。其它空洞的、无根据的、无关紧要的选择都必须摒弃，避免用户的无意义思考影响沉浸学习。

六、游戏交互机制

心流理论显示，清晰的目标、及时的反馈等维度都属于影响心流产生的条件，而这些正是游戏交互机制中的关键因素。Werner Wirth等研究者认为，沉浸的发生需要经由用户在头脑中形成游戏展示给他们的世界印象，继而以游戏世界作为自己“在”哪里的参考点，最终获得空间临场感（Presence）[9]。因此，良好交互机制的设定也是维持沉浸的重要条件，可减少用户对游戏的熟悉时间，有利于快速激发心流。结合上述理论，本游戏案例设定如下游戏交互机制：

1.清晰的目标

清晰的目标，要求游戏明确表达用户参与游戏任务的原因以及要完成的目标要求。通过目标设定，用户可以有效定位自己在游戏中的角色使命，更好的获取游戏中的参考点，有助沉浸产生。在本游戏案例中，所设定的目标为主角在丛林中寻找失散伙伴，用户以此在寻找过程中探索未知的地图，并清晰表述于游戏的开场动画内，为沉浸体验奠定基础。

2.及时的反馈

及时的反馈，指的是游戏必须就用户参与的游戏行为给予实时或者几近实时的清晰、准确的反馈[10]。反馈是电子游戏区别于其它多媒体软件的最大特点之一，其传达速度极快甚至密集，内容涵盖环境状态、人物状态、能力状态、物品状态、NPC（非玩家角色）状态、任务状态等在内的游戏常见状态。在本游戏案例中，以渡河任务为例，用户可以实时观察游戏HUD（抬头显视设备）界面所反馈的渡河里程、人物方向、浮力状态等信息，正确评估自己的能力，掌握任务的完成进度，激励用户取得游戏的胜利。

3.信息的关联展示

Werner Wirth等认为空间临场感的发生，是经由各种线索形成对虚拟空间感知的定位，从而进行判断，进入沉浸状态的心理模型。这个前提是用户在游戏世界中遇到的（线索）信息应该是有所关联的，如在本案例中会遇到树丛下的毒蛇，这种遭遇并不会产生突兀感，用户只会觉得毒蛇增加了森林的危险性，制造了冒险的冲突感，游戏环境在用户心中会产生更加立体的印象；但如果树丛下露出的是“迪斯尼米老鼠”，整个游戏的严肃氛围就会被打破，导致用户思维可能跳出野外自救的范畴，构建出其它世界观背景，从而影响到科普游戏的目标与动机。因此，信息的展示设置需要顾及到游戏对象间的关联，对视觉、因果、行为完整性以及物品对象间的互动作用进行协调，促进临场的沉浸。

4.操作方法的简化

Alan Cooper等设计专家认为，面对一个陌生的系统，每个人在一段时间内都是以新手形式存在；随后迁移到中间用户，成为大部分用户的代表，且最为稳定；最后仅有少数中间用户会转变为专家[11]。

基于虚拟现实的科普游戏案例，也遵循这种用户曲线规律，鉴于科普案例的持续使用时间通常小于商业游戏，可以预计用户层次会停留在新手与中间用户为主。因此，在游戏进程的初期，通过简化操作方法，让新手快速进入熟悉阶段，并助其无痛苦的成为中间用户，具体措施有同时支持鼠标左键单击行走与键盘（WASD键）控制四向行走，支持滚轮缩放视角、右键选择视角、任务自动寻址等为用户普遍认可的三维游戏操作。在游戏进程的中后期，为稳定的中间用户优化操作体验，具体措施有设置易被发现的导航与功能交互区，提供侧边、半透明、自动移除等形式的工具提示条，永久支持调用的操作帮助界面等。通过上述操作方法的简化，可保证大部分用户对于游戏案例不存在使用障碍，有效增加新手成长为中间用户的信心。

七、游戏程序开发

游戏程序的开发实现主要包含两部分，首先采用3dsMax进行三维建模，再使用Unity引擎开发与发布游戏程序。期间所用到的媒体素材则由专门多媒体软件设计实现，如图片采用Photoshop设计，音频采用Audition设计。

1.3dsMax三维建模

本案例中的游戏角色、物品道具、植被建筑等对象均采用3dsMax进行建模。物品道具与简单的建筑主要采用内置模型建模，使用基本几何形体和扩展几何形体快速实现。相对复杂的植被建筑采用复合对象建模，对基本模型对象进行合并与修改，采用变形、连接、地形、散布等方法构建。对于最为复杂的人物、动物等模型，采用网格建模法对其设计，主要从顶点、边和面进行精细化编辑；其中部分复杂的布线（如脸部），借助Photoshop绘制二维参考图导入3dsMax作为底图，实现三维布线绘制。最后，使用UV贴图方法进行贴图，VRay插件进行渲染，完成模型的设计工作。

2.Unity游戏开发

Unity引擎是Unity科技公司开发的支持三维虚拟现实、三维游戏等互动内容的综合性开发工具，兼容Windows、Mac、iOS、Android、WebGL等21种主流平台，开发周期短，对虚拟现实支持良好，极为适合作为开发科普游戏案例的首选平台。

本案例的Unity开发流程如图3所示，包含场景绘制、参数设置、C#编程、美化渲染等工作。

首先，导入模型、音频、UI（User Interface）等素材文件，做好分类管理。其次，创建Terrain对象，绘制地形，设置材质纹理，并将植被、建筑等模型插入到场景，通过调整參数完善地图外观。接着，按照角色、NPC、物品道具等门类，插入到场景中对应位置，以及添加碰撞体，为角色各类动作设置动画。然后，为全局事件、动作事件等编写C#脚本，绑定到场景中的指定对象，具体包含角色的视角控制、角色的移动、角色与任务对象的碰撞交互、UI组件的数据显示、游戏成就记录保存等，实现游戏案例中的各种交互功能。其中，应用Unity自带的Nav Mesh Agent组件，对地图对象进行烘焙与设置行走区，为角色与NPC等对象在碰撞半径范围的自动响应触发，以及实现标记节点的自动追踪等智能功能提供支持，提升游戏的人工智能。此外，值得一提的是对于人称视觉的统一化设计以及交互操作的简化，可为引入Google VR SDK预留接口，若头盔显示器条件足够成熟，只需要将主摄像机添加Google VR SDK的StereoController组件即可创设立体视觉。最后，为场景添加粒子特效、天空盒，渲染美化视觉，发布为支持Windows、Mac OS、Web等主流平台的应用程序，可直接本地运行或依托Unity Web Player在浏览器中解析运行，保证程序的强大兼容性。最终效果如图4所示。

八、结束语

虚拟现实与沉浸的交集历来是用户关注的焦点，在2016年更是掀起市场热潮，本研究即基于此背景，采用Unity引擎开发基于虚拟现实的游戏案例，将其应用于科普教育领域，丰富原有的科普教育资源，提升教学效果。优秀的游戏设计，可以更好地发挥虚拟现实技术的优势，有助用户达到沉浸、激发心流。

展望未来，科普游戏的创新方向也许是与虚拟现实、增强现实的混合应用，如将本案例中的迷路任务进行增强现实设计，可用手机摄像头扫描印有指南针的照片，屏幕立刻呈现三维指南针模型的虚拟现实交互操作，在身临其境的基础上更易克服眩晕这一典型问题，突破教育游戏的技术普及型问题，这值得教育游戏设计者去实践研究。

参考文献：

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[2]Manatt Digital Media. The reality of VR and AR[EB/OL]. http：//www.manattdigitalmedia.com/reality-of-vr-and-ar/.

[3]陶侃.沉浸理论视角下的虚拟交互与学习探究——兼论成人学习者“学习内存”的拓展[J].中国远程教育，2009（1）：5-15.

[4]王永固，张婷，李玮等.基于心流理论的教育游戏设计框架要素研究——以特殊儿童言语学习游戏为案例[J].远程教育杂志，2014（3）：97-104.

[5]黄石，李志远，陈洪.游戏架构设计与策划基础[M].北京：清华大学出版社，2010： 229-232，147-155.

[6]悉德·菲尔德.电影剧本写作基础[M].北京：世界图书出版公司，2012：120-128.

[7]余庆年.游戏设计基础教程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2009：98-104，141-143.

[8]顾汉杰.基于模糊策略的教育游戏设计[J].浙江树人大学学报，2009（3）：1-5.

[9]Jamie M. The psychology of immersion in video games[EB/OL]. http：//www.psychologyofgames.com/2010/07/the-psychology-of-immersion-in-video-games/.

[10]胡沫.交互设计对游戏沉浸感的影响[D].杭州：浙江大学，2011：23.

[11]Alan C，Robert R，David C.About Face 3交互设计精髓[M].北京：电子工业出版社， 2014：31-36.

（編辑：鲁利瑞）