基于具身认知的教育体感游戏设计与实现

刘俊杰，夏小俊*，柏 毅

(1.东南大学 儿童发展与学习科学教育部重点实验室，江苏 南京 210096；2.东南大学 儿童发展与教育研究所，江苏 南京 210096)

0 引言

随着教育信息化的发展，越来越多的理论与技术被用来改进教学，人机交互方式也在不断地发生变化。传统教学将学习者限制在狭小的空间内，学习只需要“脖颈以上”部分参与，没有肢体上的参与，而具身认知理论强调了身体在认知过程中所发挥的关键作用，认为认知是通过身体的体验及其活动方式形成的，当学习者融入具身学习环境时，才能够增强学习积极性[1]。而教育游戏以游戏为载体来开展教学活动，在一定程度上弥补了传统教学的某些缺点。同时，现在的教育游戏需要极具创新的形式，也需要采用交互性更高的方式来进行操作。因此，本文在具身认知的指导下，将体感交互技术融入教育游戏的设计中，落实了学习过程中的“具身”思想，结合体感技术的自然交互性和教育游戏的趣味性，设计出的教育体感游戏能够满足具身认知过程中所需的条件，游戏化的交互场景为具身认知的产生提供了环境基础，身体与游戏场景进行交互是具身认知产生的媒介。在具身认知的视域下，这种学习和交互方式不仅能够发挥学习者在学习过程中的主体作用，还能够增加学习者的有效参与度和学习体验感。

1 具身认知理论及教育应用研究

传统的“无身认知”理论认为，学习过程中身体和心智是分开的，身体仅是心智发生的场所，并不参与认知活动，甚至贬低身体在学习过程中的作用。随着认知科学的不断发展，具身认知的概念日渐凸显，我国各学界的专家都开始关注这一研究领域，并提出自己对具身认知的理解。在哲学领域内，徐献军[2]从现象学的角度进行探究，提出认知科学要探寻认知的本质，就必须关注身体的作用。在理论心理学的视角下，叶浩生[3]认为具身认知将认知置于身体与环境所构成的整体中，强调身体构造、身体状态等因素对认知的塑造作用。李其维[4]提出，身体与环境的交互产生了心智与认知，并指出身体、环境与认知是一体化的过程。总而言之，这些研究的核心观点是一致的，即具身认知强调身体在认知过程中所起到的中心轴承作用，认知是依附于身体的各种感官与外界环境进行交互的过程中产生的，并且随着身体与环境交互的过程中会产生新的认知，这些认知经过不断地融合与转换，最终形成稳定的知识架构。

具身认知的影响日益扩大，我国很多专家学者都将其运用到具体的教学场景中。但大多数都是使用Unity3D游戏引擎、Kinect专业体感设备开发的教学场景，这些教育系统与设备都需要运用多种专业性的开发技术才能实现，且实现过程较为烦琐。同时，这些系统的代码规模较大，会给后续的软件维护工作带来较大的困难。而本文设计的教育体感游戏《数字乐园》使用Animate AS技术编写动作脚本实现游戏数据模块与游戏操作界面的连接，开发难度较低且无需特殊的外设与硬件支持，只需要摄像头与电脑即可实现游戏运行。同时，本游戏安装简便、操作方法简单，可以根据不同的教学需求，灵活运用在多种教学场景中。

2 教育体感游戏设计分析

2.1 游戏功能需求分析

传统教育游戏主要是通过鼠标、键盘或手柄来进行交互，从玩家操作的角度来看，参与过程只有点击、按键这类动作，动作内容单一，游戏交互简单；而以具身认知为理论基础的教育体感游戏，其交互方式不同于传统游戏，该类教育游戏利用体感交互技术将学习场景与游戏资源进行整合，将枯燥乏味的知识转化为游戏背景和游戏规则，将学习的技能转化为相应的游戏操作。在教育游戏的学习场景中，具身认知为教学目标提供了理论支持，学习者通过肢体动作直接与游戏内容进行交互，主动获得相应的知识和技能。为了将知识内容自然地嵌入到游戏场景中，令“寓教于乐”的理念落到实处，在本文开发的“数字乐园”中，学习者需要先计算出算术题目的答案，然后再进行相应的游戏操作。本游戏需要完成以下功能：(1)利用摄像头获取学习者的肢体动作。(2)使用机器视觉分析算法获取其运动量大小，并转化为移动距离。(3)不断刷新算术题目及答案。(4)实现游戏角色与游戏元素之间的碰撞检测功能。(5)实现游戏的计分功能。

2.2 游戏设计思想

学习者进入游戏后需要使用肢体动作来控制游戏角色移动，游戏过程中会不断刷新算术题目，同时会出现三个附有答案的苹果(其中只有一个是正确答案)，选择附有正确答案的苹果才能增加游戏分值。游戏开始后，游戏角色在行进过程中会不断向下移动，学习者需要做出相应的肢体动作控制游戏角色向上移动。在游戏角色移动的过程中，碰到附有正确答案的苹果，即可获得10分，同时算术题目刷新；如果游戏角色在移动时碰到附有错误答案的苹果，则游戏结束并显示游戏最终得分；若游戏开始后，学习者没有任何肢体动作，游戏角色会不断向下移动直至掉出游戏窗口，则游戏结束。游戏运行流程如图1所示。

图1 游戏运行流程

3 游戏详细功能实现

3.1 捕获学习者肢体动作

借助Animate类库中内置的Camera类和Video类调用摄像头，通过摄像头采集视频信息，实现学习者肢体动作的捕获和处理，同时使用setMotionLevel函数对捕获的肢体动作进行运动检测，由activityLevel属性获取其运动量大小的数值。

Var my_camera：Camera；

var my_video：Video；

my_camera=Camera.getCamera()；

my_video.attachVideo(my_camera)；

if(_camera.activityLevel>20){

return；}

3.2 游戏角色移动功能

游戏角色移动通过改变游戏角色Y轴坐标实现，移动距离由学习者肢体运动量大小决定。由camActive变量决定移动的方向，当检测到学习者有肢体运动时，游戏角色向上移动，移动距离由肢体动作运动量大小决定；当学习者没有任何肢体动作时，游戏角色向下移动。

if(camActive){

bird.y-= my_camera.activityLevel/7；}

if(! camActive){

bird.y += my_camera.activityLevel/7；}

3.3 算术题目及答案刷新功能

在游戏运行过程中，使用随机函数重置游戏中出现的算术题目与答案。算术题目为50以内的加、减运算，使用random函数产生两个25以内的数字。当学习者选择附有答案的苹果后，重置苹果元件的坐标，让其在游戏窗口上重新显示。

m1=1 + Math.ceil(Math.random()* 24)；

var position_yArr =[apple1.y，apple2.y，apple3.y]；

for(var i=0；i

appleArr[i].x = 450；}

position_yArr = randomArray(position_yArr)

3.4 游戏元素碰撞检测与计分功能

碰撞检测功能通过显示对象的hitTestObject()方法，检测两个元件是否有重叠部分。当游戏角色与苹果发生碰撞时，通过appleArr[i]获取苹果上附有的数字，并与正确答案进行比较。如果答案正确，调用计分函数count()，即获得10分；若答案错误，则游戏结束。

if(appleArr[i].hitTestObject(bird.hit)){

if(appleArr[i]== ans){

s1.count()；}

function count(){

score += 10；}

4 结语

本文提出的教育体感游戏，将具身认知与体感交互技术相结合，突破了传统教育观念与游戏交互方式的束缚。教育体感游戏能够调动学习者多种感官参与，在游戏过程中的肢体动作能够促进学习者的认知，与具身认知的特点相关联，学习者不再是被动地理解知识，而是主动参与游戏过程，根据游戏内容对知识进行理解和练习，从而达到更好的学习效果。教育体感游戏具有很强的具身性和互动性，能够使人机交互更加的自然顺畅，更好地实现“寓教于乐”的教学目标[5]。