面向公众的地震宏观异常信息认知培训游戏系统1

刘 妍 王 庆 陈 洪 朱德海

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

引言

地震的宏观异常是指人的感官能直接觉察到的地震异常现象（车用太等，2012）。地震宏观异常的表现形式多样且复杂，异常的种类多达几百种，异常的现象多达几千种，大体可分为：地下水异常、生物异常、地声异常、地光异常、电磁异常、气象异常等（车用太，2008）。宏观异常的大规模出现常与其后的强震活动相关，中国多次强震短临预测的成功，在一定程度上依赖于大规模的宏观异常（刘成龙等，2004）。地震预报预警的“专群结合”需要公众对地震异常信息准确、及时的上报，从而减少“专群结合”中信息传递、信息鉴别的难度（杨新友等，2010）。但目前普遍采用的地震知识和防灾避险能力培训方法以知识手册、广播电视讲座、海报宣传册等方式为主（马凤霞，2010；单修政等，2013；陈昌泳，2013；王英等，2013），信息大多单向传播，公众处于被动接收的地位，无法和信息形成互动，缺少有效的沟通和交互，不能激发公众的学习兴趣。而适当的将游戏系统和防灾救灾结合在一起，可以提供一种全新的、科学的、娱乐的、易于理解的防灾救灾的学习方法，使玩家在游戏的过程中学习到科学全面的防灾救灾知识，真正达到寓教于乐的效果。目前，国内外已将游戏系统应用于医疗、军事等各类的培训，取得了良好的培训效果。

针对上述问题，并借鉴国内外游戏系统在培训中的应用方式，本文按照体验式培训的实际需求，将地震宏观异常信息知识归纳整理，构建了地震宏观异常信息的知识库。并以此为基础，结合以目标为驱动的体验式认知方法，实现了面向公众的地震宏观异常信息认知培训游戏系统。该游戏系统模拟了各种宏观异常现象的场景，将知识作为游戏中的元素，以体验特有的吸引力形成用户的心流体验，激发学习者的内在学习动机。游戏系统将学习过程隐藏在体验过程之中，帮助公众完成对地震宏观异常信息的认知，从而提高公众对地震前兆现象的认识，更好地协同有关部门做好地震群测群防工作，减少地震损失。

1 地震宏观异常信息认知方法

由于目前公众对地震知识的认知大多是单向的，认知过程少有互动，公众缺乏学习兴趣而导致认知效果不佳。而游戏化学习，则利用游戏向学习者传递特定的知识（田爱奎等，2006），游戏使知识传递的过程更加生动有趣，具有很强的互动性，从而脱离单向说教的模式，让学习者在轻松、愉快、积极的环境下学习，真正做到“寓教于乐”。在游戏化学习方法中，建立在建构主义学习理论基础上的以目标为驱动的体验式认知方法（陈刚等，2010），以互动式的解决问题、完成任务为教学理念，使学习者在合适的情况下围绕目标任务展开学习。学习者能根据自己对当前问题的理解，运用已有的知识和经验提出方案、解决问题，从而达到对知识的主动认知。因而以目标为驱动的体验式认知方法更适合公众对地震宏观异常知识的认知。

基于以目标为驱动的体验式认知方法，本文提出对于地震宏观异常信息的认知应该包含：创设情境、确定目标、自主学习和效果评价四个基本环节。创设情境是指使学习者在与现实情况相类似的情境中学习。学习者带着“目标”进入体验场景，真实的体验场景使学习更加直观和形象化，唤起学习者已有的知识去“同化”或“适应”所学的新知识。确定目标是在创设的情境下，选择与学习内容密切相关的目标作为学习的中心内容，让学生面临一个需要立即去解决的现实问题。目标使学习者更主动地灵活应用已有的知识，来理解、分析并解决当前问题，问题的解决为新旧知识的衔接、拓展提供了理想的平台。自主学习是指在游戏过程中向学习者提供达到目标的有关线索，学习者利用线索自主地达成目标。最后，在游戏体验任务结束时，对学习者的目标完成情况和学习效果进行评价。

2 系统设计及实现

2.1 系统总体设计

本文基于地震宏观异常知识库，结合以目标为驱动的体验式认知方法，设计了公众可参与、可体验的地震宏观异常信息认知培训游戏系统，通过游戏互动的方式，对地震宏观异常知识进行普及。游戏系统以一个小故事为线索描述了主角在地震前的异常先兆，提示学习者观察这些现象并找出异常。根据故事主线设计多个与宏观异常相关的虚拟体验场景，并配合体验任务帮助公众完成对地震宏观异常知识的认知。

2.2 知识库的设计

在国内外有关资料中，地震宏观异常的种类多达几百多种，异常的现象多达几千多种，包含的知识复杂多样。由于本体是一种对共享概念的形式化和明确规范的说明，对知识的复用、重构以及语义表达等方面都有很好的帮助，本文采用本体化的知识库，以本体结构存储地震宏观异常知识，形成知识库。本体中的概念层与知识库中的事实集和概念集对应，利用本体为知识库提供描述地震宏观异常信息的概念和概念之间的关系，从而获得宏观异常信息的本质概念结构。另外，本体中的推理层对应知识库中的规则集，以产生规则为主，存储宏观异常信息的推理规则；本体中的任务层对应知识库中的服务层，包括了对问题的描述以及问题的解决方案等知识。

鉴于地震宏观异常信息的复杂性，本文首先针对地声、地光、喷油、喷气、气味、气雾、地下水异常、喷沙、动物行为异常、植物异常等各类异常情况分析研究，结合地震监测预报、震灾预防等有关知识，对异常现象进行统计整理，得到10大类，216小类的地震宏观异常，如表1所示。

表1 地震宏观异常信息Table 1 Earthquake macroscopic anomalies

接下来本文将这些异常信息概念化、形式化表示，将概念之间的推理关系转化为规则产生式，最后利用本体构建工具Protégé完成了地震宏观异常知识库的构建，为知识在游戏系统中的有效利用打下基础。构建的本体知识库如图1所示。

图1 地震宏观异常本体库Fig.1 Macro-seismic anomalies ontology library

2.3 系统详细设计

在完成地震宏观异常知识库的构建之后，根据以目标为驱动的体验式认知方法，详细设计了游戏系统的体验故事，体验式认知培训场景、体验任务以及体验流程。

2.3.1 体验故事设计

体验故事设定在刚发生过地震的唐镇。主角的家乡唐镇已被地震完全毁坏，大家失去了很多同乡和亲人，主角在小精灵的帮助下回到1个月前的唐镇，重新观察这1个月生活中发生的异常现象，将异常记录在日记中，最终发现这些现象都是地震前的异常信息，并带领唐镇的居民成功地减少了地震损失。

2.3.2 游戏化体验式认知培训场景及体验任务的设计

设计游戏化体验式认知培训场景及体验任务时，本文从地震宏观异常知识库中抽取主要知识点，将其整合到相应的13个虚拟体验场景中，并与5种体验任务相匹配，如表2所示。针对不同时期、不同场所、不同条件下的地震宏观异常信息，创设了尽量真实的体验场景，让公众在体验过程中有良好的沉浸感，从而激发学习动机。依照培训目标设计难度不等，设计了针对性强和兼具一定娱乐性及挑战性的体验任务。具体的体验任务包括：静态找异常，根据生活认知，在图中寻找与日常生活相异的现象，即地震前异常现象，通过系统的反馈提示学习正确的地震宏观异常现象；静态找茬，参考找茬类游戏，对比两幅图中内容，找出相异的图形部分（相异的部分为地震异常现象），在观察、对比思考过程中完成地震异常的认知；动态找茬，两幅场景图以水平方式滚动展开，在动态的场景移动过程中，比较上下两幅场景的相异之处，迅速做出判断，在体验中完成对于异常知识的认知；动态找异常，将静止场景改为水平方向的动态卷轴展开形式，在图上寻找异常现象，加大了体验任务的难度，同时也增强了对知识的学习理解；记忆游戏，先给出标识地震异常的场景图，需要认真观察并且记住图中全部异常情况，在一定时间后该图消失，换为去掉某些异常情况的场景图，体验者通过对异常元素的记忆回放以及比较，将异常现象标出。

表2 虚拟体验场景及体验任务Table 2 Virtual experience scene and experience task

2.3.3 体验流程设计

基于上述的体验场景和体验任务，设计用户体验流程如图2所示。在体验过程中，用户从主界面进入不同的体验场景，通过完成与之匹配的体验任务达到对异常现象的认知。体验过程可以线性地进行，即用户按照系统已设定的剧情任务逐步地完成游戏。或者，用户也可以自行选择体验场景，非线性地对感兴趣的知识再次学习。

图2 体验流程图Fig.2 Experience flowchart

2.4 系统实现

本文选用Unity3D开发平台，C#开发语言，根据目标驱动的学习方法，将体验任务作为获取地震宏观异常知识的手段，实现了具有多个虚拟体验场景的地震宏观异常信息认知培训游戏系统。Unity3D平台开发的游戏可以在Windows、Android和IOS上运行，也可转化为Flash，因而地震宏观异常信息认知培训游戏系统可以运行在移动终端以及PC两种载体上，方便公众在各种设备上体验游戏。游戏系统截图为图3及图4。目前，地震宏观异常信息认知培训游戏系统已在山东省临朐县实验小学进行了试点培训和应用，效果良好。同时，该系统已发布于面向公众的地震灾害认知培训网站，供公众体验。

图3 系统主界面Fig.3 Main interface of the system

图4 动态找异常体验任务场景Fig.4 Experience task scenes of dynamically finding abnormal

3 结论

本文针对目前地震知识培训缺乏互动和沟通的问题，以本体化的地震宏观异常信息知识库为基础，将以目标为驱动的体验式认知方法应用于系统设计中，实现了面向公众的地震宏观异常信息认知培训游戏系统。该游戏系统将知识嵌入到以目标为导向体验场景和体验任务中，以心流体验激发用户的学习动机，使公众在游戏中自主地解决问题，高效的完成对地震宏观知识的认知。该系统可运行在网页、移动终端和PC上，极大地满足了公众不同体验方式的需求。通过该系统，公众能够对地震宏观异常信息有准确、清晰的认识，更好地协同有关部门做好地震群测群防工作。在系统试用中，通过试点学生的调查和访谈，反思总结出了一些系统所存在的问题和不足之处，主要体现在体验活动的趣味性、内容选择有待进一步增强，以及游戏任务难度需要适时调整，在后续的研究中将完善这些不足。

车用太，鱼金子，刘成龙，2012.地震宏观异常与临震预测成功的希望.国际地震动态，（6）：138.

车用太，2008.地震与宏观异常的关系.城市与减灾，（4）：6—7.

陈昌泳，2013.地震科普宣传在防震减灾中的重要性.科技传播，（1）：5—6.

陈刚，石晋阳，冯锐，2010.科学发现学习的认知机制研究.远程教育杂志，28（6）：11—16.

刘成龙，车用太，王广才，2004.大规模宏观异常的双重性及其在地震预报中的意义.地震地质，26（2）：340—345.

马凤霞，2010.进一步加强地震知识的普及与宣传——汶川“5·12”大地震的教训与启示.国际地震动态，（9）：37—40.

单修政，高文论，2013.地震科普宣传工作在防震减灾事业中的意义.高原地震，25（1）：53—58.

田爱奎，杨瑛霞，夏天，张际平，2006.数字化游戏学习的发展及展望.电化教育研究，（1）：37—41.

王英，李巧萍，2013.解放思想创新模式建设新型地震科普教育基地.防灾博览，（1）：18—25.

杨新友，张翠竹，2010.地震群测群防发展思路浅析.管理观察，（11）：53—54.