一个关于文化教育的3D严肃游戏
摘要：近来科技学习被认为是一个创新性的教育程序，它起源于有教育价值的数码游戏的使用。近些年来，学习历史和文化的严肃游戏被广泛传播。严肃游戏的目标是用一种娱乐的方式来学习，它被广泛的运用于文化教育。尤其是当目标受众是孩子和青少年时，图画用户界面（GUI）以及用户体验（UX）是严肃游戏最重要的方面之一。教育类游戏需要吸引人，达到如今孩子们非常熟悉的娱乐电子游戏体验的水平。这篇文章基于皮亚杰的构成主义学习理论，以及维果斯基关于严肃教育电子游戏使用的社会构成主义，致力于制作一个3D游戏。进入这个的游戏的学生可以进行一场关于格列柯旅途和艺术作品的旅行。
关键词：严肃游戏，3D游戏，文化教育，多人手机教育游戏
第一章：简介
联合国教科文组织宣布2014年为格列柯年，这是为了为了纪念著名画家的四百年忌日。在这个背景下，许多中学举办了相关的活动。基于皮亚杰的构成主义学习理论，以及维果斯基的社会构成主义，一个有趣的方法可以用来实现制作一款电子教育游戏。进入到这款奖惩制程序的学生可以进行一场了解这位伟大艺术家的作品的旅程。
近来科技学习被认为是一个创新性的教育程序，它起源于有教育价值的数码游戏的使用。电子游戏帮助学生经历合作学习以及提供教育性能力。对于游戏的研究表明他们给学生创造了学习和提升效率的动机。
近些年，学习历史和文化的严肃游戏被广泛传播。严肃游戏的目标是用一种娱乐的方法来学习。研究表明教师，学生和游戏开发者的合作是做一个优秀游戏的重要因素之一。
目前工作的目的是设计和研发一款完整的应用，它可以适用前述的观点。具体如下：
1.“格列柯的旅途和艺术作品”创造了一个虚拟的三维空间环境，学生可以在古典的大厦中游玩，在那里视觉和听觉都可以让人感受到格列柯不同时代的作品。
2.游戏的内容（信息，图画）以及其分类是基于对这个著名画家一生的综合性研究而设计出来的。学生们可以收集按时间顺序描述格列柯一生的相关知识。
3．这个3D游戏是用Unity游戏引擎做的，它可以在独立平台或者基于网页的模式下运行。
4.这个应用的试验者是参与这个的学生。
5. 通过一个特别设计的调查问卷，我们对这个实验的参与者进行评估。
对本调查问卷回答的评估与在其他相似项目的结果一致。的确，在文化教育上电子游戏的使用可以加强学生的兴趣，同时让学生更好的学习某个特点的项目。这个回答的结果已经用创新基准信息系统进行处理，本系统提供分布式数据采集和自动分析系统功能，结论对游戏的学习影响非常积极。
第二章描述了在教育和文化方面的严肃3D游戏的主要概念。本文的第三章描述了游戏的详情和运用方面，而第四章描述了3D严肃游戏实施过程中的具体细节。第五章描述了初步结论以及本研究的未来工作。
第二章、3D严肃游戏
- 教育游戏
教育游戏主要通过挑战性，想象力和好奇心来支持学习建设。他们一般有特别设计的交互性环境，该环境包括以下几个特点：需要完成的任务，带反馈的具体目标的教育行为，可提高注意力的任务，训练以及个人控制。这些关键性的特点结合了下述的教育游戏的重要特性：
- 清晰的教育目标
- 具体的互动规则
- 学习结果和反馈
- 冲突和竞争
- 交互性（积极的参与）
- 挑战性元素（实现带有不同等级困难目标的不确定性）
- 娱乐和刺激元素
- 角色扮演类场景，由先进的图像支持的历史展示
- 严肃游戏
严肃游戏是玩家可以扮演角色并参与进来的互动性模式和游戏化场景。Michael和Chen宣称严肃化游戏的教育性目的要大于其游戏性。Zyda将严肃游戏定义为基于电脑，有规则限制，使用娱乐方式来达到政府教育，个人教育，职业性训练和交流目的的概念性竞争。游戏的详细分类可分为：普通游戏，建筑技巧游戏，策略游戏，模拟游戏，教育类游戏和严肃游戏。
严肃游戏的基础特征包括教育性活动和明确的目标。除此之外，严肃游戏对娱乐性，创造性和交互性有严格的的原则。当在安全的环境玩严肃游戏时，你可以学习到知识。严肃游戏因其特性，也可以在课堂体系上学习时使用。在这个体系中，de Freitas 与 Liarokapis 认为在21世纪提供了教育和训练的情况下，
严肃游戏可以促进其标准发生根本性的进步。
Mitchell 与 Savill-Smith 宣称严肃游戏可以促进学习者多项技能的发展：方向能力，情景分析能力，策略训练能力、洞察力、学习能力、心智、选择视野等。许多研究者证明了学生在诸多领域的表现有所提升，诸如建筑、城市设计、媒体学习等；也在诸如个人控制，问题分析和解决、决策制定、长短期记忆、合作社交等方面更加熟练。
从另一个方面看，为教育目的而广泛运用的游戏也带来了一些问题，诸如无节制的使用电脑所引发的问题。这些问题包括身体问题（疲乏，头痛，喜怒无常），心理问题（抑郁，社会隔离，上瘾）以及暴力行为。
- 文化上的严肃游戏
严肃游戏是支持在多种领域终生学习，终生教育和终生训练的关键工具。不过最近他们也逐渐成为一个文化，历史和建筑经验学习的平台。严肃游戏提供了一个文化学习的创新性通道，吸引着孩子和青少年了解重要的文化遗产，纪念碑和古迹，使他们参与进重大的历史事件。这些通道也将对现实文化景点游览的乐趣与游戏使用的科技相结合。例如，对一个寺庙，博物馆或者考古遗址的游览可以与游戏科技相结合，有助于游览者提升他们的经验，测试他们的知识获取，以及让他们在游戏中玩得开心。严肃游戏根据其目的和性质的不同，可以广泛分布在从高端系统到职能手机等设备上。我们很推荐游戏去包含角色扮演类场景，诸如纪念碑、场所背景等，这些有助于游览者完成具体目标，以及获得特殊奖励。
三、游戏详情
A. 涉及目标
教育类电子游戏所含的教育目标。学生们可以发现：
- 格列柯曾游览过，居住过，以及创造其作品的最重要的场所。
- 他艺术作品总体上的基础特性，以及每个创作时期的重要特性。
- 学生之间的合作，分享游戏的快乐是学习，竞争和赢得游戏的动机之一。
- 在完成上述目标后，学生需要设计游戏场面的图像化环境。
- 学生定义游戏的规则，问题以及对其进行回答。
- 学生和他们的同伴以及老师进行合作。
B. 开发工具
我们所提出的教育性文化游戏来源于3D虚拟博物馆的研发，他带有展示文艺复兴时期格列柯伟大画作的目的。通过第一人称视角来实现虚拟博物馆的旅程。游戏的环境是用好用的高质量3D图画用户界面来构建的。
应用的开发是一个复杂的过程，它包括3D环境诸多细节的分别运用以及空间的移动。因此，游戏的大部分内容都是用不同的工具构建，并对其加以整合使之呈现为一个3D游戏。更具体的说，我们用到了下列软件：
- Unity(Microsoft)游戏引擎。它是一个3D游戏引擎。所有的材料，对象和代码都在该引擎中整合以制作一款游戏。
- 3D Studio Max 2016, ZBrush4, 3D-Coat. 这些软件用来创作3D对象。
- Audacity。用来记录、编辑声音的工具。
- Photoshop CC. 用来创作游戏2D对象的工具。
- Substance Designer, Substance Painter。用来实现3D模型制作的工具。
- Visual Studio. 这个集成开发语言是用来开发C#代码的，以完成游戏逻辑的制作。
四、游戏制作
A. 场景
这个3D游戏包括2个场景。主场景呈现了虚拟博物馆的3D影像，用户可以在此移动、观赏格列柯的画作以及相关信息。第二场景是启动、加载界面，它是游戏的开启界面，同时3D对象在其背景中进行加载。在所有的对象加载完成后，主界面初始化并呈现给用户。
B. 元件
在游戏的核心场景中，有许多被安置的对象，称之为元件。元件因其特性被分为10个不同的种类：动画，声音，字体，灯光，模型，预制房屋，脚本，子画面，对象，结构。
声音文件被分为两大类：音效以及音乐。音效文件包括了音响效果，当一个玩家做一个具体的行动例如点击一个对象，或者关闭一个对话盒时，该音响播出。
音乐文件是在背景部分持续播放的文件。在游戏中，我们用了三个音响文件，它是游戏的初始组成部分。我们用了六个16世纪西班牙的音乐文件
这个用于游戏运行的3D模型是用3D Studio Max 2016，ZBrush制作的。UV贴图过程是用Headus Uvlayout制作的。99个3D模型构建了游戏的初始部分，遵循格式标准导入至Unity。
为了增强我们虚拟环境的现实感，我们做了很多灯光方面的工作。为了逼真的表现高光滑度的3D对象镜面反射，我们运用了反射探针。反射探针的广泛运用，可以表现高质量的反射的同时不会在应用的展示上出现明显的问题。
应用有36个灯光元件，其中的35个都是反射探针，其他的是根据灯光设置，由Unity框架灯光数据制作并引用的灯光数据。
为了使博物馆的空间更加真实，我们用了特别的灯光对象，称之为LensFlare。LensFlare需要单元引擎的支持。尽管如此，对LensFlare的运用是很常见的，它创造了游戏特别的手感。
为了描绘格列柯的2D图像，我们用了子画面。在Unity引擎背景的子画面是2D图，它被用作图画用户界面的对象，或是2D动画的基础。在游戏中，所有的带有绘画信息的可视对话框都是子画面。所有的2D元件都是用Photoshop工具制作的。所有的子画面被分为三个类别：23个具体目的的子画面（按钮，拉动条，图标等），3个光标子画面，以及80个图画和图画细节子画面。
最后，但非最不明显的元件是脚本。脚本是定义在游戏物件中定制行动的小程序。脚本也用来实现游戏逻辑。脚本是用C#写的，基于Unity Mono框架。脚本是元件的组成部分，可以改变其设定或者其行动。
C．图像化用户界面
游戏的图像化用户界面（GUI）基于第一人称视角设定原则，包括了在屏幕中间的、帮助用户了解他们行动的十字线。默认的十字线是白色的。十字线跟随着用户的移动，当用户聚焦于某个可互动物品时，十字线变成放大镜。十字线的改变遵循一段关于触碰物品的解释文本。玩家可以点击物品——通常是画作——然后一个对话信息框打开。通过图像化用户界面元素，游戏玩家可以执行许多游戏中的操作，诸如打开对话框，关闭应用以及阅读应用信息。
五、初步评估和讨论
我们所研制的教育类游戏由希腊佩特雷地区的小学5名学生组成的小队进行评估。在他们经历游戏后，学生与我们的专家进行讨论，总结如下：
- 大部分学生同意这是一段愉快的教育经历，他们学习了不少新东西。
- 在1~5分的范围内，学生们对这个游戏在它如何吸引人来持续玩下去这方面打了3分。
- 学生们同意这个游戏非常直接，游戏没有任何令人一直玩下去的乐趣的特征。
根据学生们的回答，我们认为我们的提议对于文化遗产方面的教育有着很大潜力。尽管我们的游戏需要很大程度的提升，尤其是在让学生们玩的开心这一方面。因此在下一步，作者将寻找更多补充特性，诸如可能的故事线，或者一个有趣的化身来吸引玩家。最后，作者正在组织与更多参与学生讨论更大的关于游戏范围的评估。
A 3D Serious Game For Cultural Education
Vangelis Drosos, Athanasia Alexandri, Dimitris Tsolis and Christos Alexakos
Dept. of Computer Engineering amp; Informatics University of Patras Greece e.drosos@gmail.com, alexakos@ceid.upatras.gr e.drosos@gmail.com, alexakos@ceid.upatras.gr
2Det. of Cultural Heritage Management and New Technologies University of Patras Greece nanalexandr@gmail.com, dtsolis@upatras.gr
Abstract— Technology enhanced learning is lately considered as an innovative educational procedure which derives from the usage of digital games with pedagogical value. In the recent years the usage of Serious Games for the learning of History and Culture is widespread. Serious Games is a group of digital games that aim to learning in an entertaining way and are being used widely in cultural education. Especially when th
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