基于Unity3D的中学数学概率学习游戏设计与实现

王丽

摘 要：教育游戏的出现，极大的改变了学生的学习方式，学生可以通过教育游戏将娱乐与学习结合起来，提高学习兴趣和效率。文章利用3ds Max建立三维游戏场景和道具，使用Unity3D作为开发平台，以JavaScript作为开发语言，设计并实现了一个中学数学概率学习的三维游戏。

关键词：游戏；建模；Unity3D

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）08-0068-04

一、引言

学生是有个性差异的，课堂教学无法满足每个学生的学习需求，但通过教育游戏却可以实现因材施教。教育游戏可将游戏任务按照难易程度划分等级，使每个学生可以根据自己的学习情况选择适合的等级，制定自己的学习进度，自主学习能力也得到了提升[1]。此外，教育游戏还具有很强的挑战性、互动性和趣味性，可以激发学生强烈的求知欲和学习动机[2]。学生利用教育游戏进行学习，不仅可以巩固已学的知识，拓展知识面，还能提高想象力。教育游戏还有助于培养学生正确的人生观和价值观。

文章利用3ds Max建立三维游戏场景和道具，以Unity3D为开发环境，JavaScript为开发语言设计并实现了一个中学概率学习游戏。让学生体验游戏刺激的同时，可以通过回答问题来学习、巩固概率知识，使学习不再枯燥，让学生快乐学习，爱上学习，提高学习效率。

二、游戏开发流程

首先，根据学习目标设计学习内容和游戏流程，接着利用3ds Max建立模型、为模型赋予材质；然后将文件导入Unity3D中进行游戏的开发，内容包括碰撞检测、动画设置、添加特效、布置灯光、添加音乐、人机交互设置六大部分；最后进行优化系统，导出为可执行文件。游戏的开发流程如图1所示。

三、游戏设计与实现

1.设计思想

此游戏属于密室解谜类游戏，游戏场景的部分结构图如图2所示。整个密室由一个个小密室组合而成。当玩家进入游戏后，玩家就会位于如图2所示的位置，玩家想要离开密室，必须打开门。当玩家向门走去的时候，就会触发一个触发器，弹出一道数学概率问题。第一个问题是相当简单的，凡是学过中学概率的都可以解决，所以当第一个问题回答错误时，会弹出失败场景，并提示玩家要先去学习中学数学概率的内容，再来玩这个游戏。当第一个问题回答正确，密室的门会自动打开，玩家可以经过走廊进入第二个密室。从第二个密室开始，每道关口除了有一个正门外还有一个侧门。当玩家走向第二个密室主门时，会弹出第二个问题，这个问题比第一个问题略难。当这个问题回答正确，主门会自动打开；如果回答错误，侧道的门会打开，侧道也会有一些关于概率的问题，这些问题是主门问题的分解问题，帮助玩家理解主门的问题。游戏的时间限制为25分钟，单个问题没有时间限制，这种设置给了玩家相对自由的空间。整个游戏场景共有6个主道以及6个侧道，直到玩家开启最后一个密室的门，游戏会结束，并弹出胜利的场景。

2.建模

（1）建模前的相关设置

为了使3ds Max制作的模型与现实世界相符合，需要对3ds Max进行必要的单位设置。将“系统单位”和“显示单位”都设置为厘米。通过这样的设置，也可以将模型导入Unity3D中，这样进行后期游戏开发时更容易操作[3]。

（2）密室场景建模

密室建模采用“多边形建模”的方法。密室分大厅和走廊两个部分。整个密室由若干个大厅和走廊组成，密室大厅的统一规格是：高600cm，长1200cm，宽800cm，密室走廊的统一规格为长400cm，宽1000cm，高400cm。

①密室墙体建模

密室大厅的原型是一个高600cm、长1200cm、宽800cm的长方体，点击工具栏的“创建”面板，选择“标准基本体”中的“长方体”并将其命名为“box1”，设置其长、宽、高分别为1200cm、800cm、600cm。然后将box1转换成“可编辑多边形”，选择“多边形”子集中的“翻转”选项，将box1的法线方向进行反转，使大厅的内墙可见。

密室走廊的原型是一个长400cm、宽1000cm、高400cm的长方体，建立的步骤与密室大厅完全相同。建立后将其命名为“box2”。

②门的建模

要用门将大厅和走廊隔离开来。很多做法可以实现这个目的，笔者用的是“超级布尔”。将box1和box2按如图3的方式进行摆放。选择box1，在3ds Max的“复合对象”面板下选择“超级布尔”。选择“参数”中的“差集”和“盖印”，选择“拾取布尔对象”中的“开始拾取”，点击box2，就会得到一个门的轮廓，效果如图4所示。门的轮廓已经完成，接下来就需要制作门了。门的原型是一个长400cm、高400cm、宽20cm的长方体，按照box1的建立步骤创建一个长400cm、高400cm、宽20cm的长方体，将其命名为“door”。将“door”摆放到box1和box2的交界处。

接着通过上述方法完成其他大厅及走廊的创建，并将大厅和走廊用门隔绝开来，然后选择box1，选择“修改”面板下的“附加”命令，将其他大厅和走廊与box1组合在一起，就完成了整个密室的建模。最终效果如图5所示。

（3）道具建模

虽然游戏场景建立好了，但当玩家位于游戏场景中时会感觉略显空旷，而且为了给密室营造一种诡异、紧张的氛围，需要建立一些火盆摆放在主门的两边。火盆的制作主要分为火盆和支架两个部分。

①火盆的制作

点击工具栏的“创建”选项，选择“标准基本体”中的“圆柱体”，并将其命名为“fire”。将fire的半径设为40cm，高度设为20cm，边数设为8并转化成可编辑多边形。选择fire上边的面，将其放大并选择“插入”选项，给上边的面插入一个新的面。选择新面，选择使用“挤出”，将新面向下拉，然后选择“切割”命令，对新面的对顶点进行切割，共需要切割四次，中间会形成一个新的点。进入“点”子集，使用“选择并移动”命令，将该点微微拉起。这样就完成了火盆的制作。

②支架的制作

支架的做法相对简单，同box1的建立方法一样，建立一个长20cm、宽20cm、高180cm的长方体，并将“高度分段”设为2，将其命名为“support”。将新建的长方体转换为可编辑多边形，进入“点”子集，选择“选择并移动”命令，将support的中间四个点向下拉，将底面的四个点向外拉，支架的模型就建立完成了。为了节约电脑资源，可以将看不见的底面删除。按照这种方法，再建立3个support，并按照图6所示将四个支架与火盆组合在一起。至此，火盆的模型就完成了。

3.贴图的制作

搜集贴图，通过PS加以修改。将修改好的贴图导入3ds Max赋给游戏场景中的内墙和游戏道具。打开3ds Max工具栏的“材质编辑器”，将贴图赋予空白的材质球，选择“将材质指定给选定对象”选项，即可进行模型的贴图。

4.模型的导入

将建立好的游戏场景及其贴图放在Unity3D游戏的资源文件夹下。当把游戏场景拉入Unity3D的开发界面中时，会发现游戏场景上的贴图不见了。这时，只需要在游戏场景的文件里找到那几个材质球，将其重新赋予场景中的对象，就完成了游戏场景和道具的导入。

5.游戏各模块的实现

（1）灯光系统

由于Unity3D无法识别3ds Max的灯光，所以需要在Unity3D建立灯光系统。本设计的灯光只用到“点光源”，使用这种光源，是为了模仿火光。

在网格层次面板选择“创建”按钮，创建一个点光源，将其重命名为“firelight”，在firelight的检视面板里修改相关属性。将firelight的“范围”属性设为15，“强度”属性设为6，颜色调整为与火光相同的颜色。

（2）动画

游戏中有门自动打开的动画。选择工具栏的“窗口”选项中的“动画”，在弹出的对话框中，点击红色按钮开始创建动画，并先将要创建的动画进行保存。在0：00的位置添加关键帧，将时间轴移动到2：00的位置，将游戏场景中的门向下拉，并添加关键帧。这样一个门的开门动画就做好了。按照以上做法，给每个门创建开门动画。

（3）特效

本设计的特效是“火”，该特效是用粒子系统制作而成的。在网格层次面板选择“创建”按钮，创建一个粒子系统，将其重命名为“fire”。在fire的检视面板里修改相关属性。粒子系统相关属性修改完后，就要为火焰贴上材质，使其更加真实。在工程面板里创建一个材质，将其命名为“firepicture”。在其检视面板里将“渲染”设置为“FX”，这样当把火焰的贴图赋给“fire”时，可以去掉贴图黑色的部分。然后把“firepicture”赋给粒子动画，这样本设计的特效就制作完成了。

（4）人机交互

本设计使用的是Unity3D自带的人物，点击工具栏的“资源”选项，选择导入“Character Controller”，就完成了游戏人物的导入。将导入的人物拖入到游戏场景里，就可以用W、S、A、D控制人物上下左右移动。

（5）音乐

系统需添加三种声效。 首先需要为整个游戏添加背景音乐，选择主相机，在工具栏上点击“组件”选项，在“Audio”选项下面选择“Audio Source”选项，将导入的背景音乐拖给主相机，在检视面板里点击“循环”选项，这样背景音乐就会循环播放，第一种声效添加完毕。其次，为了营造紧张的氛围，需要给游戏人物添加心跳声，与添加背景音乐的方法一样，操作完毕之后，在游戏里就可以听到人物的心跳声。最后，需要为门添加开门声，但这个需要用代码实现。按照前面的方法添加完音效后，需要给门添加如下代码：

If（doorIsOpen==true）

{Door.audio.PlayOneShot（doorOpenSound）；}

这样，所有的音效就全部添加完成了。

（6）碰撞与触发

为了避免人物穿墙而过等非自然现象的出现，需要给游戏添加碰撞。为了让人接近门的时候可以自动弹出概率题目，需要添加触发器。

①人与建筑物的碰撞

点击游戏场景的墙体，点击工具栏的“组件”按钮，选择“物理”面板下的Mesh碰撞器。这样游戏人物就可以站在游戏场景里，而不会掉下去。

②人与门的碰撞

同给墙体添加碰撞体的步骤一样，给门添加一Box碰撞器，使人物避免穿过门到达另一个密室。

③人与火盆的碰撞

给火盆添加Box碰撞器，步骤同上，使人物避免穿过火盆架。

④触发器

为了实现人走近门时自动弹出题目，需要在门的前面放一个空物体，给空物体添加Box碰撞，在空物体的检视面板里将“IS Trigger”打上对勾。弹出题目的相关代码如下：

function OnGUI（）

{if（WindowSwitch==true）

{GUI.skin=im；

GUI.BeginGroup（menuAreaNormalized）；

windowRect=GUI.Window（0， windowRect，WindowContain，“题目”）；

GUI.EndGroup（）；}}

function WindowContain（windowID：int）

{ GUI.Label（Rect（0，30，300，300），“5本书分给甲乙丙三个人，按一个人一本，另两个人各两本，有多少种不同的分法。”）；

If（GUI.Button（Rect（0，180，80，60），“120”））

{WindowSwitch=false；Destroy（this.gameObject）；}

If（GUI.Button（Rect（220，180，80，60），“30”））

{WindowSwitch=false；Destroy（this.gameObject）；}

If（GUI.Button（Rect（0，240，80，60），“90”））

{box3.flag2=1；Destroy（this.gameObject）；}

If（GUI.Button（Rect（220，240，80，60），“60”））

{WindowSwitch=false；Destroy（this.gameObject）；}

GUI.DragWindow（）；

}

四、游戏的优化与发布

1.游戏优化

游戏场景中含有大量的点灯光，会对游戏的性能产生较大的影响。使用光照贴图技术，将光线效果渲染成贴图可以节约大量的电脑资源[4]。方法为：点击工具栏的“窗体”按钮，选择“光照贴图”选项，点击“烘焙”对当前游戏场景进行烘焙。

2.发布

在工具栏的“编辑”面板下，选择“工程设置”面板下的“玩家”选项，对游戏的图标和名称进行设置。点击“文件”面板下的“工程设置”选项，从工程面板里将游戏的几个场景文件拖入到“工程设置”的窗口里。点击“建立”按钮，就会生成一个可执行文件，这样就完成了游戏的发布。游戏胜利时的场景如图7所示，答题时的场景如图8所示。

五、结束语

文章设计并实现了一个中学数学概率的教育游戏，帮助学生在娱乐中进行学习，让学生轻松学习、爱上学习、快乐学习。系统基本实现了需求分析中的要求，但由于时间仓促，系统的功能还可以在后续研究中进一步完善，如：可以在游戏中添加一些障碍物或机关，以增加游戏的趣味性；可以在游戏场景进行切换时添加一些过度动画，使游戏更加美观。

参考文献：

[1]冯威.数学游戏与高中数学教育研究[D].大连：辽宁师范大学，2012.

[2]王倩，赵玉清.教育游戏在小学数学教学中的应用探析[J].软件导刊，2013，12（3）：3-8.

[3]Li Wang. Researching of the three-dimensional virtual simulation campus scenes construction technology[J].The Open Cybernetics & Systemic Journal，2015（Volume9）：1056-1057.

[4]Li Wang.Construction of the three-dimensional virtual campus scenes Problems and Solutions[J].The Open Cybernetics & Systemic Journal，2015（Volume9）：1132-1133.

[5]宣雨松.Unity3D游戏开发[M].北京：人民邮电出版社，2012：91-13.

[6]谢亮.数学教育游戏与数学教学[D].广州：广州大学，2008.

（编辑：鲁利瑞）