VR海洋保护教育游戏的设计与应用

黄光芳 陈洁滢 朱伟

摘 要：传统的海洋保护意识教育一般通过书本、图片、宣传册或宣传片进行，知识以单方面的输入式为主，学生参与积极性不高，而VR游戏则突破时空限制，营造仿真的海洋世界，提升学习者积极性与创造力。文章以海洋污染为主题，阐述了VR海洋保护教育游戏的理论基础、关卡设计、开发框架、关键技术及效果评价等，将海洋保护知识渗透到教育游戏中，为学习者提供一种沉浸式、交互式、立体化和富有真实感的游戏场景和游戏过程，帮助青少年深刻认识海洋污染的严重性，唤醒国民的海洋保护意识，调动更多人参与到海洋的生态保护和治理中。

关键词：VR;海洋保护;教育游戏;虚拟现实

中图分类号：TP393        文献标志码：A          文章编号：1673-8454（2021）06-0092-05

一、引言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种沉浸式、立体化的应用技术，具有Intensive（集中的）、Interactive（交互的）、Immersive（沉浸的）、 Illustrative（例证的）、 Intuitive（直观的）五大特点，简称5I [1]，能够创建一种真实世界的替代空间，为学生创造出身临其境的学习环境，增强学习者自我效能，再现学习者真实表现和为学习者提供丰富的证据线索，引导学习者进入深层次的学习情境[2]。

虚拟现实技术在海底世界的模拟中，可以实现游戏中海洋生物模型相互猎杀的动画，也可以实现海底海草模型在海底下摆动的动画等，以逼真生动的三维动态模型营造出仿真世界，增强学习的沉浸感，从而提升学习的积极性和创造力。为了更好地唤醒大众的海洋保护意识，本研究利用VR技术设计海洋类游戏，让用户从视觉和听觉两方面得获得更佳的立体感和真实感，更好地沉浸于海洋的世界中，特别是在游戏中以海洋污染为主题，进一步唤醒人们对海洋生态的关注，呼吁更多人加入海洋生态的保护队伍中。

二、VR教育游戏开发的理论基础

教育游戏是能够培养游戏使用者的知识、技能、智力、情感、态度、价值观，并具有一定教育意义的计算机游戏类软件[3]。作为教育游戏，它必须有明确的教育目标、清晰的学习内容和有效的教学活动等，以促进学习者认知的提升为基本前提。正因为教育游戏的特殊性，国内外众多研究者和教师都尝试利用多理论、技术、方法支持教育游戏开发以提升教育游戏的学习质量与效果，例如具身认知理论、情境化学习理论、沉浸理论、RETAIN模型、体感控制、认知负荷理论、认知发展、多元智能理论等[4]。

1.具身认知理论

莱考夫和约翰逊提出理性源自我们的大脑、身体和身体经验的本性，认为身体的构造、神经结构、感官和运动系统的活动方式决定了我们的思维方式，塑造了人们看待世界的视角[5]。具身认知的中心观点认为认知、思维、记忆、学习、情感和态度等是身体作用于环境的活动塑造出来的，大脑、身体和环境共同构成了一个认知动力系统，并形成一种耦合性关系，学习心智与人的身体状态有密切的关系[6]。随着现代化教学空间的升级换代，传统面向学习者主动建构知识和实现意义理解的教学设计的理论基础不再是充分的，而具身认知理论强调在认知过程中的关键作用及认知、身体与环境交互的重要性。VR技术则将学习者置身于亲临其境的情境中，使得认知、身體和环境构成一个动态的统一体，通过虚拟化身实现主体性、愉悦性、满足感，进而影响学习者对学习内容的认知方式和知识的习得效果。

2.沉浸理论

沉浸理论也名心流理论（Flow Theory），由美国心理学家Csikszentmihalyi于1975年提出，认为当人们在进行某些日常活动时将全部精力完全集中于活动当中同时获得高水平的享受和满足的感受，是投入到一种活动中去而完全不受其他干扰的影响，这种体验是如此地让人高兴，使人可以不计较任何代价与付出[7]。关于如何应用沉浸理论提升游戏的沉浸感，Brown 和Cairns 对游戏玩家进行了访谈，通过扎根理论发现沉浸中遇到的障碍来自于环境干扰、游戏结构和玩家偏好等三种综合因素，根据障碍将沉浸分为不同的水平，克服不同水平的障碍便可提高沉浸体验[8]。VR游戏的沉浸性、交互性、全息性为学习者创造了丰富且真实的交互情感，突现了学习者的临场感和存在感，给学习者感官带来良好体验的同时，为其知识构建和情感投入提供了良好的虚拟空间。

3.情境学习理论

情境学习理论认为，学习不仅仅是一个个性的意义构建的心理过程，更是一个社会性、实践性的参与过程。情境学习理论强调做中学，学习者基于真实的情境或经验在实践中解决问题以获取知识和本领[9]。VR海底游戏为学习者创设了逼真的海底世界，为学习者构建特定的学习情景，嵌入认知过程和人生体验，引起强烈的情感共鸣，使学习者与环境之间有充分的交流和对话，激发学习动机和自我效能感，促进学习者以积极的心态进入学习实践中。

三、游戏设计策略

随着信息技术的迅猛发展以及国家对海洋意识教育的重视，海洋保护的多元化、信息化、多模化、动态化及沉浸性等将会越来越重要。传统的海洋保护意识的专题讲座、宣传画册、宣传片等虽然也取得了一定的宣传成效，但学习者在学习时主要处于被动式的输入状态，学习方式以了解为主，很难调动全身深度体验和感受，而以VR技术为基础架构的海洋教育游戏则可以为学习者提供更佳的沉浸性学习情景，在学习中不仅能很好地调动青少年积极性和激发他们的好奇心，而且更容易在潜移默化中普及海洋知识，提升海洋保护意识。

1.革新学习模式，激发青少年对海洋奥秘探索的好奇心

VR游戏将各种教学方法、教学理论和创新教学模式加入虚拟现实学习环境，借助VR技术通过仿真、虚拟游戏来介绍深邃神秘的海底世界，营造出仿真世界，增强学习的沉浸感，唤醒海洋保护意识，从而提升学习的积极性和创造力。

2.游戏设计使用多种技术交互融合，提供更佳的学习体验

VR游戏是借助网络技术、仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、计算机图形学、传感技术等多种技术集合而实现的极具挑战性且极富真实感和沉浸感的海洋游戏。针对目前海洋游戏场景单一、动作机械性重复、真实感不强、智能性和临场感缺乏等不足，本游戏在对海底生物和海底环境的设计中都加入了生命智能和真实环境轮廓建模的算法，构建逼真的游戏场景，让玩家在游戏中有强烈的真实感和沉浸性。

3.打造具有个性特色的游戏场景，让玩家更好地玩中学

VR游戏以一种引人入胜的可视化方式呈现给玩家，这样能让其更好地记住场景中的知识。在海洋知识的学习方面，可为学习者营造一种沉浸性的学习氛围，从教师的“教”过渡到学生的主动“学”，从死记硬背到主动探索，从单一的书面文字到丰富逼真的学习场景，将学习乐趣带入课堂，破解大多数人只能靠想象和动画或视频来了解海底世界的困局。

4.多渠道扩展海洋知识，增强学习的参与感

针对于目前的海洋知识科普教育单一性、平面性、固定性以及感染力不强、代入效果不好等不足，将海洋知识渗透到VR游戏中，帮助青少年学生正确地认识、理解海洋和传播海洋科普知识，以提升学生的科学素养、创新思维、历史使命感和社会责任感。

四、游戏设计

1.游戏简介

本游戏以讲述人类深入大海探索海底世界为情境引入背景，展开海底旅行的探险之路。游戏玩家以海底探险家的角色深入海底，通过以玩家为第一视角来向其展现一个景色奇异、海底生物繁多的海洋世界，介绍海洋科学知识。重点突出海洋受污染的情况，例如鱼类受到垃圾的侵害、海洋垃圾到处漂浮、海洋固体废料大量沉积海底、石油污染等，引发其对海洋多样性的养护和可持续利用的反思。游戏设有四关，玩家在愉快的闯关游戏中学会观察和探究，在游戏中获得丰富的海洋保护情感体验，并从中收获海洋保护的相关知识和树立爱护海洋的意识等。

2.游戏关卡设计

本游戏以安卓移动端设备为载体，配合上VR box与操作手柄进行游戏。游戏中，儿童通过穿戴上VR box，用手柄控制游戏进程。本游戏围绕海洋污染导致鱼儿受伤以及拯救受伤的鱼为主题，向玩家循序渐进地展示海洋危机、海洋知识及海洋环境保护的知识。游戏共有四个关卡，分别是搭救由于海洋污染而受伤的鱼、收集能量治疗受伤的鱼、与鲨鱼搏击保护受伤的鱼和清理海底垃圾还鱼儿一个干净的生存环境。

（1）第一关卡设计思想

玩家进入游戏后需要在浩瀚的海洋里寻找15条受伤的鱼，它们的身上都有明显的受伤标志，游戏过程中会出现其他同种类没有受伤的鱼，只有找到受伤的鱼才能拯救这一种类的鱼并解锁鱼类图鉴，获得该品种的鱼类知识。游戏中有雷达图，可以清楚标明玩家和受伤鱼类的相对位置，当找到15条受伤的鱼时，鱼类图鉴解锁，获得碎片1，关卡1通关成功，关卡2解锁。关卡1运行流程如图1所示。

（2）第二关卡设计思想

玩家解锁关卡2后，进入第二关游戏，需要在海底里寻找贝壳以收集能量来治愈15条受伤的鱼。贝壳的数量是一定的，一个贝壳的能量可以治愈三条伤鱼;玩家在此关一共有15条命，在捡贝壳的途中会遭到鲨鱼的攻擊，每攻击一次会减少一条命，一个贝壳可以恢复玩家一条命。玩家可以通过个人选择来使用捡到的贝壳数用来恢复生命命数还是治愈伤鱼。若玩家生命命数为0或15条受伤的鱼未全部治愈，则通关失败，需要重新通关;15条伤鱼全部痊愈为通关成功，获得碎片2，关卡3解，如图2所示。

（3）第三关卡设计思想

玩家解锁关卡3后，进入第三关游戏，游戏限时3分钟，受伤的鱼居住在鱼民康复中心里，3条生化鲨鱼会随机袭击伤鱼。若生化鲨鱼来袭，雷达会发出警报提醒玩家，鱼民康复中心设有防护罩，若防护罩被生化鲨鱼攻击五次，防护罩失效，重新闯关;玩家有五条命数，生化鲨鱼攻击玩家成功一次，玩家命数减一，玩家开枪击打生化鲨鱼3次，生化鲨鱼就死亡，若玩家生命命数为0，重新闯关，若生化鲨鱼全部死亡，则保卫成功，获得碎片3，解锁关卡4，如图3所示。

（4）第四关卡设计思想

玩家解锁关卡4后，进入第四关游戏，游戏限时3分钟，有一个垃圾处理公司正在往海里投掷垃圾，海底里有大量的垃圾沉下来，玩家要清理海面上投掷下来的垃圾，若垃圾沉到海底3次则游戏失败。在玩家清理垃圾的同时，会有变异的鱼来攻击玩家。若在三分钟内垃圾沉到海底的次数和变异的鱼攻击玩家的次数大于等于5次，游戏失败，重新闯关;反之通关成功，获得碎片4，游戏完成，如图4所示。

五、游戏开发

VR是将计算机仿真技术、图形技术、传感技术、显示技术、人工智能、网络并行处理等最新研究成果集成在一起而生成的模拟系统，能带给用户视、听、嗅、触、味觉等多方面的感受。使用户如同身临其境般可以实时、自由地观察三维空间内的事物，从而以最自然的方式在虚拟世界里进行体验和交互。

1.游戏开发基本框架

根据游戏设计思路，重点要解决虚拟海洋生命模拟、虚拟海洋环境模拟和游戏App的用户交互设计三个关键问题。

（1）虚拟海洋生命

在海洋生命形态构建方面，通过3DS Max、Maya等建模软件，参照海洋生物图鉴进行三维建模;采用水下刻蚀、纹理叠加、透明贴图等技术进行虚拟海洋生命的形态绘制， 刻画鱼体表面使之在海洋中产生复杂的光照、遮挡和细节轮廓效果， 使其与所在的海底环境相配合。在虚拟海洋生命行为构建方面，通过人工生命和人工智能算法模拟海洋生物的感知、认知、决策和运动等，使海洋生命具有生命特征和智能性，能够像自然界的生物那样在虚拟海底世界中自由生活。

（2）虚拟海洋环境

关于虚拟海洋环境静态元素的构建，采用自适应LOD技术等实现大规模地形的可视化，在构建沙子、岩石和地形等物体时，注重动态物体与静态物体之间的碰撞检测;关于虚拟海洋环境动态元素的构建，利用三维建模、雾化、粒子系统等方法模拟海底空间效果， 对光、影、雾、浪、水流等进行实时渲染， 构造逼真的海洋环境。

（3）海底世界奥秘探索游戏App

构建海底世界奥秘探索VR游戏App的交互原型及界面设计，使该游戏App在交互使用方面更加符合人们复杂的交互行为，以满足用户的需求和期望。App基于Unity实现虚拟现实技术，利用立体显示技术在设备屏幕上展现相隔几英寸距离的两个图像;利用两只眼睛形成的视差来形成视觉深度，创造游戏景深。此外，通过传感器技术，探测用户面朝方向，将探测的信息和创造的虚拟海洋世界结合后，就可以获得一个沉浸感很强的VR游戏体验。

2.游戏开发关键技术

Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。本游戏基于Unity 3D开发，开发的关键技术有界面原型设计、三维建模、脚本编辑等。

（1）界面原型设计

交互原型的构建需要做一系列的调查与分析工作，包括问卷调查、用户访谈，建立人物角色模型，撰写情景场景剧本，进行产品分析、需求分析、思维导图与线框图绘制，撰写交互设计文档，画出分支故事版、低保真原型图，得出视觉规范文档，继而画出高保真原型圖，瀑布流展示最终的交互式原型。基于交互原则的基础之上进行程序原型制作和设计。遵循UI（User Interface）设计原则：①关注用户;②突出显示主要内容;③给用户操作及时的反馈;④有章可循的操作模式;⑤整个系统具有容错性。根据这样的设计原则，结合游戏产品的定位和功能，专注于设计上的交互性，即随着时间变化而针对输入所形成的变化和响应，提升用户界面的美观性和操作系统的易用性，从而提高用户在使用过程中的舒适度。

（2）三维建模和动画制作

三维建模在Unity 3D虚拟现实游戏中是一个非常关键的步骤，常用的软件包括Maya、3DS Max、SKETCH UP和AUTO CAD等。在本游戏中主要使用3DS Max和Maya进行物体建模，3DS Max主要设计一些静态的效果图和物体模型图， Maya主要设计一些动态的游戏场景类模型，比如可以构建一个带有蒙皮的鱼类骨骼模型，实现每一个关键动作的联动，如图5所示。

（3）脚本编辑

脚本编辑主要利用Unity内置程序编辑器基于C#语言编程，脚本编写前需要安装VR 头盔式眼镜、操作控制手柄等驱动，安装SteamVR 等插件，装载Rigidbody刚体等属性，创建Box Collider 等碰撞器，创建GameObject虚拟游戏实例，然后通过C# 等语言编写游戏交互功能脚本代码。

六、游戏应用效果评价

本游戏基于逼真的海洋世界构建强交互性的游戏世界，场景内容丰富、沉浸感强，从小学到中学乃至成人的各类玩家等都可以在不同的场合使用，例如中小学的科普课堂、海洋博物馆、个人家庭电脑等。游戏上线后，分别邀约了小学生、中学生和大学生各30位“玩家”参与游戏的体验，并向他们发放评价问卷。调查问卷主要从游戏教学目标、教育内容、体验反馈、学习效果四个方面展开调研，共12道题目，每道题目分5个维度，分别是5分（完全符合）、4分（符合）、3分（基本符合）、2分（基本不符合）、1分（完全不符合），反馈结果如图6所示。

由调查结果可看出，中学生对教学目标的达成打分最高，大学生对教学内容打分最高，小学生对体验反馈打分最高，而在学习效果一栏，中学生与大学生打分基本持平，小学生略低;小学生对于教学目标打分较低，也侧面说明小学生对游戏的教学目标并不是很明确，需要教师进一步的加强引导，对应的学习效果也相对差一些;中学生在四个维度的调研中总体情况最好，也进一步说明了本游戏更加适应中学生的使用;大学生在体验反馈一栏中反馈略差，说明大学生对游戏的沉浸性、交互性、娱乐性等有更高的要求，游戏质量也需要不断提升。

在海洋保护意识培养中，本游戏可为学习者营造一种沉浸性的学习氛围，从教师的“教”过渡到学生的主动“学”，从死记硬背到主动探索，从单一的书面文字到丰富逼真的学习场景，将学习乐趣带入课堂，破解大多数人只能靠想象和动画或视频来了解海底世界的困局。很多学校在培养青少年认识海洋、关心海洋、保护海洋等科普教育方面还处于初级阶段，而本游戏将海底世界奥秘探索VR游戏和大海结合起来，进行深入式的探究发现，紧跟现代的教育需求，帮助学习者在不用增加成本的情况下，重复体验虚拟情境、多次进行实验探究。

随着5G的应用普及，高带宽低延迟的网络传输特性将会大大减少VR游戏的联网卡顿，提升用户体验和促进VR游戏的进一步成熟。海洋是每一个人赖以生存的家园，关心海洋、保护海洋是每一个公民应尽的责任，而有关于海洋保护VR游戏的推出，充分利用现代科技，以沉浸性体验为前提，从娱乐中激发学习情感和学习兴趣，从游戏的探究中完成了海洋保护知识的意义建构。不过由于这方面的游戏设计很难形成商业化，大部分以公益性为主，从技术力量、经费投入、人员投入、社会投入等方面还很欠缺，所以还需要更多的公益组织投入更多的人力物力，以打造出更多高质量的游戏作品。

参考文献：

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