基于Unity3D 的沉浸式中华简史教育游戏设计与实现

伍友龙 朱邦政

（湖南工学院 湖南省衡阳市 421002）

随着我国互联网产业的高速发展，社会对游戏的需求程度呈现出惊人的增长趋势。根据《2021 年中国游戏产业报告》显示，2021 年中国游戏市场实际销售收入达到2965.13 亿元，国内游戏用户规模6.66 亿。电子游戏互动性强、节奏迅速，玩家在游戏中不断接受视觉、听觉信息，思考后输出游戏行为，快速获得进步带来的快感和成就，源源不断的正反馈使得玩家全身心投入游戏，但是，电子游戏的优点没有发挥正面作用，导致了一系列的社会问题，相当部分青少年沉迷电子游戏。

在义务教育阶段，历史学科的知识点繁多，且常常与大量图片关联，学生学习靠死记硬背，又无法得到理科科目课后攻克难题的快速正反馈。学生渴望历史考试取得明显进步的正反馈，需要日积月累的认真付出。许多学生往往努力一段时间后未在考试成绩中取得进步，便心灰意冷，失去学习历史的兴趣和积极性。

传统教育中历史学习的难点恰好是电子游戏的优点，本文探索将历史学习与电子游戏结合，基于Uinty3D 引擎，开发一款历史学习益智类教育游戏，取名为《穿越博物馆》。玩家将在历史长河中穿越，进入不同的朝代中，身临其境，沉浸式的学习感受。

1 游戏策划和准备工作

1.1 游戏的策划

本游戏应是一款能有效学习的游戏，而非披着游戏外壳的答题软件，能摆脱传统历史学习的枯燥，将游戏的趣味性融入学习中，具体设计如下：

1.1.1 游戏类型

本游戏类似于旅行游戏，带有一定的RPG（角色扮演）元素，在软件商城中，其分类标签通常有“休闲益智”、“教育”和“历史”。

1.1.2 游戏场景和AI

游戏由一个博物馆为主场景，陈列各时代的展品，设有详细的资料。其中一些特殊的展品地点可让玩家穿越，例如在画作《清明上河图》前，玩家可穿越其中，前往小场景。

我们将各个朝代、历史事件做为独立的小场景，以历史重现方式构建沉浸式游戏场景，让玩家身临其境。

每个场景中都有与环境互动的AI 人物/动物，营造沉浸感，且能与玩家互动，引导玩家进行游戏。

1.1.3 游戏玩法

玩家可在博物馆内按路线参观学习，在传送点位进入不同风格和玩法的小场景重点学习。玩家在游戏中潜移默化的学习，掌握一定知识，通关小场景后，将解锁路线下一关卡，给玩家迅速的正反馈，激发玩家的积极性和兴趣。

1.1.4 游戏剧情

中华历史上有繁荣盛世、江山多娇和文艺多姿，也有乱世纷争、黑暗腐朽和人民的英勇抗争。玩家在本游戏中，从起点出发，经过代表历史时代的路线，穿越到不同朝代背景的场景，中见证重现的历史故事，与当时的历史人物互动，身临其境，引发对历史的兴趣和思考。玩家将沿着历史脉络一路走来，见证中华文明的经济发展、社会兴衰和时代更替，领略艺术文化和科技创新。在见证了近代的屈辱后，来到最后一个场景，是中国共产党领导下旭日般冉冉升起的新中国，将展示国家的伟大成就，社会的和谐安定，以及人民的幸福生活，将玩家的思绪拉回现实，感恩中国共产党的伟大。

1.1.5 游戏任务和关卡

以探究式学习理论为指导，将学习任务进行游戏化设计。我们将网络上热门的游戏机制融合历史知识做成独立小游戏或游戏关卡的形式，众多的流行保证了游戏的趣味性，避免成为套壳式的答题软件，又能回归学习，不具有沉迷性。不断激励、不断挑战，学生在学习知识同时快速获得乐趣和成就感，寓教于乐，有利于发挥学习的主动性。

1.1.6 运行平台

本游戏使用Unity3D 通用平台模式打包发布，游戏文件无需安装，可运行于Windows/Linux/Mac 系统；也可使用Unity3D 安装包模式打包发布，需按系统安装特定版本后使用，这种打包发布方式下游戏文件较小，但不能在不同电脑平台上通用。

1.1.7 目标玩家

本游戏中含有一系列的流行独立小游戏，包含许多游戏史上的经典机制。虽然以帮助中小学生学习历史知识为主，但面对不同玩家，仍能引人入胜，发挥本作在潜移默化中宣传中华传统文化的能力。

1.2 游戏前期工作

1.2.1 教育理论应用研究

通过查阅国内外文献等方式，熟悉现代教育理论及应用，为教育游戏开发做好基础性工作。

本项目主要以建构主义学习理论和探究式学习理论来指导历史教育游戏设计与实现。依据建构主义学习理论，进行剧情设计，并以历史重现方式搭建沉浸式场景。依据探究式学习理论，将学习任务进行游戏化设计，以达到寓教于乐、自主学习的效果。

1.2.2 系统分析

通过查阅文献和项目调研等方式，进行系统分析。

完成基于Unity3D 的沉浸式中华简史教育游戏的可行性分析，包含跨平台发布的可行性；完成本游戏的需求分析，包含游戏剧情、人物交互、画面、音效等方面的需求分析。

1.2.3 Unity3D 应用研究

研究Unity3D 的特点和在游戏领域的应用情况，掌握Unity3D 开发历史教育游戏的流程，以及3D 建模、游戏脚本编写、测试等相关技术。

1.2.4 游戏草案设计

参考相关文献，依据系统需求，选定代表性的人物和历史事件，拟定游戏内容草案，进行美术、音频、剧本、脚本设计和编写游戏背景故事、任务，制定游戏规则，设计游戏交互环节以及游戏细节。

1.2.5 搭建游戏场景的准备工作

运用3Ds MAX 软件，将选定的素材进行3D 建模，并使用PS 绘制纹理，将得到的游戏模型导入Unity3D 中做为预制体，在搭建场景时直接使用。考虑到性能优化，远景优先考虑使用2D 贴图，例如远处的高山、建筑群等，这部分可使用数位板绘制、PS 修改。

1.2.6 AI 人物设计

设计AI 算法，制作与玩家互动的AI 人物，能正确的触发剧情，发布任务，有逻辑的行动，对玩家的行为产生反馈。设计AI 人物的动作和与场景交互的行为，且严加限制，大量测试，确保不会产生出格行为，维持玩家的沉浸感，为玩家创造一段引人入胜的经历。

1.2.7 游戏原型的开发与测试

在开发时间与工作量可控的情况下，做出一款游戏的可玩雏形，验证玩法或预期体验是否有足够吸引力，方案是否可行。在一两周内就输出可视化雏形，向领导或团队演示讲解自己的想法和概念。

2 游戏场景的制作

2.1 游戏场景的美术风格

在场景建模前，需确定游戏的整体美式风格。美术风格往往可以反映出游戏的题材，但是反之，游戏题材却不能绝对限制美术风格。美术画风对玩家的心理和游戏氛围的塑造有极大的影响，例如探险，悬疑，恐怖类游戏画面阴冷、光线少，给人阴森恐怖的心理暗示，而色彩明亮的画面因给人轻松舒适休闲的氛围而被绝大多数游戏所采用。

美术风格的选取，通常先从文化层面入手，也就是常说的题材。本游戏以历史叙事与学习为主旨，面向青少年，且要传播中华优秀的传统文化。主场景使用大量的真实历史照片，为营造真实、庄严、热闹、繁杂多彩的博物馆氛围，故游戏主场景画风主要采用偏写实的古典美术风格；而小场景中的游戏要有趣味性，可玩性，能适用于多种游戏机制，故采用市场流行的偏卡通风格。

2.2 游戏场景的设计

游戏场景设计是指游戏场景设计师根据游戏原画设计师给的原画稿件设计出游戏中的环境、道具、机械等物体的模型，比如游戏中的建筑、桥梁、道路、花草树木等等。

在本作中，游戏主场景为中国历史博物馆，需了解考察博物馆的室内布局，突出中国特色，合理布置，根据美术风格搭建场景，绘制材质的贴图、纹理，要求主场景画风的一致性，符合主题。

各时代的小场景则可风格特异，刺激玩家视觉，引发玩家好奇心和探索的兴趣。主场景一成不变的画风突然让玩家有新鲜感，这也暗示不同的小游戏有不同的玩法和操作方式，对应不同知识的学习方式。

3 基于Unity3D的游戏开发

在Unity3D 上开发的主要工作是编辑和管理各游戏物体的组件和脚本，新版本Unity3D 已全面使用C#语言作为脚本的开发语言，具体开发内容如下：

3.1 角色控制器

角色控制器是管理玩家的键盘和鼠标输入，控制游戏角色的行为的脚本，角色的行为还包括游戏物体对主角行为，如敌人攻击主角后主角血量减少并触发受伤动作；此外单机游戏中系统的胜负也是由角色控制器负责，一般游戏的音乐管理系统也集成在角色控制器中。对于全过程控制同一物体/角色的游戏，一般只有一套角色控制器，通常为第一人称控制器或第三人称控制器。

本作在主场景下控制同一角色，采用第一人称视角，开发第一人称角色控制器，游戏摄像头位于角色模型的头部里，玩家视角内不会自己控制的人物，相较于第三人称，有更好的沉浸感，且无需开发主角模型的动作，减少工作量；在小场景中，为满足实现多种游戏机制，需为每个小场景定制角色控制器。

主场景中需要实现游戏视角的移动，玩家控制人物的移动，触发事件，部分代码如图1。

图1：角色控制部分代码

3.2 UI设计

UI 是游戏开发中非常重要的一部分，所有交互都需要在其中完成。界面中的元素是多元化的，例如文本、图片和按钮相组合，搭配排列出完美的界面。Unity3D 中有独立的UI 系统，称为UGUI。UGUI 提供基础元素包括文本、图片、按钮、滑动条和滚动组件等，但这些UI 不能单独做为场景中的物体，Unity 中所有UI 元素必须作为Canvas 组件的子物体才能进行绘制。Canvas支持3种绘制方式——Overlay（最上层）、Camera 和World Space（3D 布局），其中用得最多的是Camera，它可以把正交摄像头投影出来的UI 元素绘制在Canvas 面板上。

游戏开始界面，人物的对话窗口，场景中播放的视频等都属于UI，图2 为游戏原型的开始界面，其中背景为动态的视频带音乐，三张图片为按钮，按下后直接进入秦/唐/明，方便演示使用。下方开始游戏按钮将进入主场景博物馆。

图2：部分UI

本游戏启动后加载一个几乎为空的游戏场景，该场景仅含UI 和摄像机两个游戏对象。UI 绘制游戏开始界面，固定的摄像头将画面输出到显示器。

3.3 场景管理

Unity3D 提供了同步切换场景以及异步切换场景的方法。场景切换的原则是删除当前场景，加载新场景。同步加载场景会引起卡顿，所以游戏中通常采用异步方法来加载场景。此时，就需要获取加载场景的进度以及结束的事件了。首先，封装一下加载的管理器类，然后监听加载进度，并在加载结束的地方调用它。此外，Uinty3D 还提供了多场景管理，即可以把多个小场景拼接成一个非常庞大的场景，运行游戏时。可以动态打开以及卸载这些小场景。如图3，可以同时在加载两个场景，并且互相编辑互不影响。

图3：场景管理

本游戏的主场景较大，切划分为不同的展区，所以我们把不同的展区做成小场景，拼接成主场景。游戏运行动态的加载和卸载，最多只会同时存在两个展区，极大的优化了性能，玩家也不会意识到场景的消失。

3.4 光照渲染

游戏优秀的画面能营造良好的沉浸感和引起玩家的兴趣，这方面要求高质量的建模外，还需光影的渲染。在游戏运行时实时计算光照渲染十分消耗GPU 性能，所以对与静止的环境，我们使用Lightmap 技术。其原理是将场景中的灯光与物体产生的光照与阴影信息烘培在一张或多张Lightmap 贴图中，这些物体不在参加实时光照计算，从而减少大量的性能开销。缺点是静态光照的对象在游戏过程中不能发生移动，所以游戏中通常把物体分成两类：使用实时光照的会发生位移的动态物体；不可位移的静态物体，如图4是游戏中的小场景，全部使用静态光照，GPU 性能消耗为0。

图4：光照效果

本游戏中场景较大，物体多，光影环境复杂，所以大量使用静态光照。

4 游戏效果测试

游戏测试需要邀请师生调研、试玩，收集玩家反馈。将玩家的体验放在首位，重视玩家的建议，为游戏下一步的开发和修改提供参考。

开始游戏后，进入主场景博物馆，大致如图5和图6所示。

图5：游戏场景1

图6：游戏场景2

当玩家沿博物馆长廊走到特色地点时，将会触发任务事件，进入小场景，完成目标，进行各种游戏化的学习。如图7，展示了一个小场景中的游戏，玩家需要将低级爵位合成高级爵位且不能超过高度上限，它帮助玩家理解记忆古代等级制。

图7：游戏学习

5 结束语

本文基于 Unity3D 引擎技术设计和实现了一款沉浸式中华简史教育游戏 ，实现了游戏设计中对历史知识的学习 ，同时 ，将历史知识与众多流行的游戏机制融合 ，多种趣味性的小游戏让青少年可以通过这款历史教育游戏走进历史场景，身临其境，引发对历史的兴趣和思考。本游戏设计过程中 ，在开发游戏的娱乐功能的同时 ，更加注重游戏的寓教于乐。将历史元素引入游戏多种游戏机制中 ，将会使玩家游戏过程中潜移默化的接受教育，具有重大的意义。后期将继续完善本游戏，扩展游戏资料，优化用户体验。