基于概念图的教育游戏设计与实现*

杨小勤，赵一鸣（.宁波大学教师教育学院，浙江宁波35；.宁波大学科技学院，浙江宁波35）

基于概念图的教育游戏设计与实现*

杨小勤1，赵一鸣2
（1.宁波大学教师教育学院，浙江宁波315211；2.宁波大学科技学院，浙江宁波315211）

信息化时代，游戏的教育价值毋庸置疑。然而，游戏中学习支架的研究特别缺乏，教育游戏作为一种新的教学媒体，应该呈现出与其相适应的学习支架内容和形式，适当的学习支架或教学策略理论和方法的指导可以使游戏的教学效果达到最优化。文章以概念图所能提供的教学支架作为研究主题，将概念图支架嵌入到小学科学课程教学中，主要设计和开发了一款名为“草原大作战”的教育游戏，以期为成功运用教学支架到教育游戏的设计和开发提供一些有益的尝试。

教育游戏；概念图；学习支架

一、引言

教育游戏作为一种新兴的教学媒体与学习支持工具已被广泛应用，在过去的十多年里，研究人员一直试图开发各种以教育为目的的游戏，并已研究得出了教育游戏在促进学生学习动机和学习效果方面的有效性。［1］

然而，教育游戏作为一种信息技术教学的手段，游戏学习的自主性和探究性并没有体现出来，关于教育游戏中学习策略和学习支架的研究较少，游戏过程中如何提供学习者帮助、帮助又以什么样的方式呈现也没有系统的研究和分析。［1］［2］研究表明，在教育游戏中要提高学生的学习动机和学习表现，除了整合学习材料到教育游戏中外，重要的是要提供或引领正确的学习支架或教学策略，而传统的教育游戏更重视游戏技术的呈现，没有重视学习支架和教学策略的引入和设计，对学习者能力的培养和创新能力的开发不够。因此，嵌入适当的教学策略或学习支架到教育游戏中是重要的，也是必要的。［3］

概念图是一种有效的可视化的学习工具和教学策略，Novak依据Ausubel的理论创建了概念图，它是一种表征、检查、修正、完善知识的认知工具。［4］它能将各种概念及其知识以层级结构形式进行排列，清晰地揭示了意义建构的内涵和实质，使用概念图辅助教学设计，有助于学生理解知识之间的关系，可以将其根据教学内容的结构合理地设计到教育游戏中。［5］［6］

本文以概念图所能提供的教学策略和支架作为研究主题，将概念图策略运用到小学科学课程教学中，把它作为一种手段嵌入到笔者所开发的一款 “草原大作战”教育游戏中，用概念图从教学策略和学习支架这个角度来对教育游戏进行探索和分析。

二、基于概念图的教育游戏的构建

1.教育游戏设计理念、原则

（1）设计理念

本研究的设计理念是以建构主义理论、最近发展区理论、有意义学习理论等相关理论为指导，将传统意义上的学习支架，即概念图内化到所开发的教育游戏的功能模块中，内化到游戏活动中，使得游戏中的知识更加系统和可视化。游戏与教育结合，最大化地发挥游戏中教育的价值。

（2）设计原则

本文教育游戏在设计和开发过程中遵循以下几项原则：

①理论指导原则

本文教育游戏的设计以建构主义和有意义学习为主要理论指导，同时在游戏设计的过程中，因为学习对象所面对的是小学生，所以多元智能理论、情境理论、“支架”理论以及愉快学习理论都要渗透到游戏设计的每一个环节。

②简单易操作原则

游戏试用对象和群体决定了本文所设计的教育游戏不可能像在线的商业游戏那样有一系列众多复杂的操作，小学生记忆能力和知识储备有限，因此设计游戏时，要注意对教学知识量的控制和把握，游戏任务设计应尽可能简单、可操作、明确，让学生在比较自然的条件下去玩游戏。

③动机激发原则

动机激发原则在本游戏中主要有两层含义：其一：挑战。首先，游戏中要设置一定任务，以激发玩家内在动机。其次，游戏任务应该保持在“最近发展区”范围内，游戏者必须相信通过自己的努力可以完成游戏任务。其二：奖励。游戏过程中可以通过设置虚拟的奖励，如加分等方式来不断强化玩家继续学习的动机，提高玩家的自信心和成就感。

④情境化原则

心理学研究表明，小学生阶段主要以具体形象思维为主，在儿童眼中，所学知识最好与一些具体的事物相结合，因此，本游戏中虚拟了一个真实的应用情境来实现交互漫游，游戏更加直观和生动，有助于学生知识的消化和迁移。

2.教育游戏设计方案

（1）总方案

本文教育游戏的设计包括4个阶段：前期分析阶段、游戏设计阶段、技术开发实现阶段、游戏测试发布阶段。游戏的总方案流程图如图1所示。

图1　游戏设计总方案流程图

（2）具体方案

在教育游戏设计总体方案的基础上，逐步细化教育游戏的具体设计方案。游戏的具体流程图如图2所示。

图2　游戏设计具体方案流程图

三、基于概念图的教育游戏设计过程

1.前期分析阶段

本文前期分析阶段主要是教育游戏的教学设计，从学科内容选择、学习内容分析和概念图设计、学习者特征分析、教学目标分析4个方面来展开。

（1）学科内容选择

教育部出台的《全日制义务教育科学（3-6年级）课程标准（实验稿）》（以下简称《标准》）是目前我国学校实施科学教学的准则，《标准》中科学知识内容包括：生命世界、物质世界、地球与宇宙三部分，共计141个知识点。［7］其中，生命世界这部分内容的展开基本上都是从学生身边的动植物入手，主要是围绕学生生活的周围环境来展开教学，生命世界充满了神奇和奥秘，在游戏中建立这样一个虚拟的真实生命世界的环境，可以让学生愉快地去了解生命世界中科学探究的过程，并通过游戏任务探索获得知识。本研究选择小学科学课程作为设计开发教育游戏的案例研究，选取了教育科学出版社小学科学的一些相关知识。

（2）学习内容分析

本研究中所采用的教材为科学“教科版”，在游戏的具体开发中，主要选取了三年级科学下册第二单元“动物的生命周期”中蝴蝶的成长单元来进行游戏的设计和开发。《动物的生命周期》单元中共有7课（卵里孵出的新生命、蚕的生长变化、蚕变了新模样、蛹变成了什么、蝴蝶的生命周期、其它动物的生命周期、我们的生命周期）。［8］［9］蝴蝶的成长过程是一个探究性很强的内容，所蕴含的知识点概念较多，虽然学生认知领域中对蝴蝶成长过程有一定了解，但概念知识点掌握较零散，系统的概念图能帮助学生对该单元知识之间进行有效的衔接和建立整体的系统。

（3）学习者特征分析

对于学习者特征的分析，主要从学生认知结构、心理特点、学习特点三方面来进行分析。小学生认知结构中对于自然界的生命周期相关知识已经进行了学习。小学生的心理特点方面，他们已有初步的逻辑和言语思维特点，心理思维主要处于具体形象思维阶段。学习特点方面，小学生对于游戏学习有极大热情，实践操作能力强。

（4）教学目标分析

本研究按照新课改的三维教学目标，即知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观来对教学内容进行分析。知识与技能：影响蝴蝶的生命和变化的环境因素。蝴蝶在生长的过程中，生命周期阶段会不断发生变化。过程与方法：观察蝴蝶生命周期的生长变化，学习进行记录及描述。通过学习，知道蝴蝶的食物、生态及天敌等知识以及蝴蝶的成长过程。情感态度与价值观：发现生命的生长变化，领悟生命的可爱和可贵，懂得珍爱生命，培养对动物研究的兴趣。

2.游戏设计阶段

（1）游戏定位

游戏定位于开发一个闯关性质的RPG角色扮演类游戏，在虚拟真实的游戏情境中嵌入概念图学习活动和内容，游戏的主要目的不在于向学生去传授科学知识和技能，而在于让学生体验与掌握科学的研究思维和方法，培养学生的科学素养。

（2）游戏主题内容

游戏选取课本 “蝴蝶的生活环境”、“蝴蝶的每一成长期（即卵、幼虫、蛹和成虫）的食物”以及“蝴蝶的天敌”这三个知识点，游戏设计融入蝴蝶生态概念图（呈现书中4种常见蝴蝶生活史与寄生植物、天敌、防御策略），概念图在整个游戏中所发挥的作用就是：概念图模块帮助学生去组织完成游戏交互和任务（基于提供的概念图模板），让学生在整个教育互动游戏中，学习到蝴蝶的食物、生态及天敌等知识，让学生以游戏的方式去体验与感受学习科学知识的快乐。

（3）游戏剧情

故事情节是开展于一个神秘的世界，在这个世界中，游戏主角可以得到来自大自然的力量，从而养育昆虫。游戏的主角是一个卡通人，他需要学习养育蝴蝶来获得解救人们的权利。因此，他开始了一段旅程。在旅程中，他收集蝴蝶的相关数据，通过完成各种测试和任务获得权利。

3.开发阶段

技术开发主要分三个阶段：前期素材制作和收集，主要通过PS、3dsMax软件来实现；中期技术实现主要在Unity3d软件中进行；后期需要对所开发的教育游戏进行不断调试、代码优化、完善和修饰。

4.发布阶段

教育游戏发行和发布必不可少，开发出的游戏必须另存为一个独立的应用程序，才能不被计算机所制约，供所有人享用。本文是将Unity3d发布成exe项目在PC上运行。

四、基于概念图的教育游戏的实现

1.游戏开发环境介绍

（1）游戏开发工具软件

本文选择PS、3dsMax、Unity3d做为开发工具。

（2）游戏开发语言选择

Unity3d游戏引擎内置支持JavaScript、C#、Boo这三种脚本语言，三种编程语言可以和谐快速地一起运行。本教育游戏的开发使用JavaScript和C#语言来进行代码实现。

2.游戏虚拟场景实现

Unity 3d本身有强大的地形系统，通过内置的地形系统可以轻易地创建想要的地形场景，特别适合虚拟游戏场景的漫游构建。本游戏中首先利用Unity3d自带的地形系统创建好基本的地形场景（绘制山体、种植花草树木并设置大小、数量、风速等），在地形的基础上，我们在游戏中需要创建自己定制的环境，针对课本上科学知识学习内容的分析，我们要有自己的资源列表，这个资源列表包括音频、角色、图形用户界面、粒子系统、道具物品等资源的创建。这些资源需要在PS、3dsMax、音频软件中去进行制作，特别是角色和敌人AI的创建，需要在3dsMax中自己建构，为玩家和敌人AI角色进行建模、创建动画、蒙皮和骨骼绑定，将以上这些自己定制的游戏资源导入到Unity3d软件中，完整的虚拟游戏世界就建成了，如图3所示。

图3　虚拟游戏世界

3.核心技术实现

（1）主角控制

游戏中的主角必须是由玩家可控制的，玩家以虚拟人的身份来实现键盘鼠标的交互漫游，允许玩家的移动输入，而要实现控制游戏角色，需要添加角色控制器和状态控制器脚本，运用Translate（）和Rotate（）函数为其移动和旋转速度提供可以编辑的变量，本文所设计的教育游戏主角控制实现主要包括：添加主角重力效果、实现主角WASD键移动控制、实现主角跳跃及加速功能、实现主角能力值和血值的增减、实现主角死亡、实现摄像机的跟随。

（2）Mecanim动画系统

Unity3d自身有内嵌自带的动画组件，本游戏中的主角动画是运用外部软件3dsMax制作的骨骼绑定动画导出相应格式后，再导入到Unity3d中，在游戏中进行直接调用。运用Animation组件获取对应物体上的动画后，编辑脚本代码进行对主角在跑、半蹲、跳跃、扭头等不同状态下不同动画播放的控制，本游戏中Mecanim动画系统在Unity3d中的实现主要包括：分割主角动画、主角添加动画状态机、添加主角动画脚本。

（3）触发器和碰撞检测技术

触发器及其它形式的环境交互构成了环境和游戏设计的重要组成部分，使用触发器和碰撞检测，可以发送某种形式的消息或是开始一个事件，主角、概念图弹出屏幕、道具物品以及游戏场景中各物体之间会相互接触碰撞，并相应地触发一些事件的发生。本款游戏中涉及到的触发器和碰撞检测主要有物品拾起、背囊管理、死亡触发器、复活点（避免死亡的触发器）、游戏主角和敌人AI攻击功能、实现敌人AI状态信息和动态生成 、玩家在场景中与学习目标任务之间的交互。

4.游戏具体实现

（1）游戏GUI界面

本教育游戏设计主要试用群体和对象为小学生，GUI界面开发比较简单，GUI界面图标的编辑主要是导入NGUI插件来进行实现，它可以直接在游戏编辑器中创建、修改、更新Atlas图集。

GUI界面系统反馈主要通过MainMenu类实现，该类中主要实现大小的设置和GUI界面中功能按钮的设置与触发。游戏代码中OnStartButtonClick（）即GUI界面中的“开始游戏”按钮，当点击“开始游戏”按钮时，就触发监听器，进入游戏界面。教育游戏GUI界面如图4所示。

（2）游戏概念图模块实现

在游戏场景的左上角设置了一个“概念图显示”的按钮，该按钮使用toggle（）方法来切换概念图元素的可见状态，点击“概念图显示”的按钮可以实现概念图元素的显示和隐藏，下图为嵌入在一个游戏任务中的两个概念图模板，这个概念图模块引导玩家以一个组织良好的方式去收集和呈现数据信息，概念图相互之间存在的关系在游戏中更有效地组织了教学目标任务，为学生提供学习的支架，帮助其更加顺畅地完成游戏任务，如图5所示。

图4　GUI用户界面

图5　概念图模块界面

（3）游戏交互和任务实现

在本文教育游戏中，游戏对象的行为主要围绕两个重要任务来进行展开。

①收集有关蝴蝶的植物食物信息的游戏场景

在教育游戏的过程中，要求主角根据游戏主题内容，收集相关目标植物的信息来完成概念图，以帮助他们组织在游戏中所收集到的所有信息。主角（即游戏主人公）通过概念图找到一个学习目标。首先，主角可以根据自己已有的认知结构来进行判别植物概念图信息，也可以通过“帮助1”看到有一个“这是日日樱”的提示，概念图数据收集正确，则会出现图6游戏界面，成虫的食草植物凤蝶，因此他的力量增加1，所收集的信息也被嵌入到概念图中，游戏主角可以继续游戏任务。

图6　收集学习目标的游戏场景

②格斗益智游戏任务的实现

除了收集植物数据完成游戏任务以外，当蝴蝶成长到第4个阶段的时候，还会面临来自天敌的攻击，因此笔者开发了一个格斗益智类游戏，以帮助玩家识别天敌和蝴蝶的外表。玩家会发现，战斗的过程非常艰难和危险。玩家在旅途过程中，一旦遇到蝴蝶的天敌，“帮助2”中会发出一个警告“这是蝴蝶的天敌”，以帮助玩家识别和作战，主角和天敌AI都有能力值和血值，主角使用它的神奇力量与教学目标蝴蝶的天敌战斗时，他将获得能量，但是如果在战斗中主角没有完成任务 （即打败蝴蝶天敌），则会出现“GAME OVER”界面，游戏需要重新开始，如图7所示。

图7　益智格斗的游戏场景

五、结束语

本文以小学科学知识《动物的生命周期》为例，通过整合概念图作为游戏的一部分，以帮助学生组织他们在游戏过程中学习的内容，设计和实现了基于概念图的教育游戏的开发。在教育游戏中嵌入概念图学习支架来进行游戏化的学习对学生而言是一个全新的体验，教育游戏应当适当地整合学习支架和策略进入教育游戏场景中。作为教育游戏的设计者，我们应该在传统的教育游戏基础上有所创新，结合游戏开发过程中遇到的实际问题，对游戏进行进一步的完善和改进，设计出与教学知识相结合、满足学习者学习的教育游戏，这样才能达到“寓教于乐”的终极目标。

［1］宋阳.数字化教育游戏教学系统设计模式初探［J］.现代教育技术，2011，21（8）：51-54.

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［3］胡小勇，祝智庭.教学问题设计研究：有效性与支架［J］.中国电化教育，2005（10）：49-53.

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［5］YIN Y，VANIDES J，RUIZ-PRIMO M A，et al. Comparison of two concept-mapping techniques：implications for scoring，interpretation，and use［J］.Journal of Research in Science Teaching，2005，42（2）：166-184.

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［9］周琼，曾玉荣，杨勋华等.台湾农业科普教育的特色及其启示——以蝴蝶科普教育为例［J］.中国农学通报，2009，25（7）：296-299.

（编辑：李晓萍）

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1673-8454（2016）12-0063-05

2012年度教育部人文社会科学研究规划基金项目 “高校教师绩效管理/改善模型及其应用方案研究——基于教师专业发展的视角”（编号：12YJA880167）。