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摘 要：教育游戏作为游戏产业的新领地，有着巨大的发展潜力。本文综合分析了目前教育游戏的发展现状，针对其不足提出了一种开发三维教育游戏的新方法——EMV。即用EML教育建模语言进行可表达性教学设计；用3DMAX构建三维场景；用VIRTOOLS进行数据处理和交互控制。本文使用EMV方法设计开发了一个教育游戏的实例。
关键词：三维 教育游戏 EML 3DMAX VIRTOOLS
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2008）07-0045-03
教育游戏是游戏产业的新领地，它的研究领域涉及多学科，主要包括教育学原理、课程与教学论、教育技术学、心理学、传播学、美术学、设计艺术学、计算软件与理论、计算机应用技术等。教育游戏产业研究报告（２００４）将教育游戏定义为“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软件”。[1] 同时此报告中大量详实的数据表明，教育游戏的市场潜力和应用前景巨大。目前，国内外在这个领域的研究开发还属起步阶段。由于大多数的教育游戏都采用二维或伪三维技术，因此场景不够真实，吸引力不强；还存在教学设计不明确、游戏性和教育性把握不平衡、游戏的交互设计不够友好、师生以及生生之间的协作交流不够便捷等问题。综合分析上述不足，本文提出了一种针对三维教育游戏的开发方法——EMV。并通过一个简单实例的设计、开发与应用，证明了此方法的可操作性，为三维教育游戏的研究实现提供了一种可行方案。
一、开发工具简介
教育建模语言EML（Educational Modeling Language）是一种语义符号系统,它“为了支持学习对象的可重用和互操作,从教育学角度构建语义信息模型,用来绑定和描述学习单元（Ｕｎｉｔ ｏｆ Ｌｅａｒｎｉｎｇ）内部的学习内容和学习过程”。[2] 2003年1月,它被国际网络教育信息标准制定组织IMS作为学习设计（Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ）规格的基础,正式成为了一种数字教育资源的学习技术规范。EML的语义信息模型使用面向对象的UML建模符号来描述，它把学习过程高度抽象为:多个角色利用教学资源在某种环境中的活动。[2] 这一模型有机地支持各种教学理念、学习方法和资源工具。
3DMAX是强大的三维建模、动画、渲染软件，具有良好的操作界面。用户通过此软件能够方便地创造多种具有真实感的三维物体造型，被广泛应用于游戏、影视、广告等行业。
VIRTOOLS，是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS所开发的一套具备丰富互动行为模组的即时3D环境虚拟实境与多媒体互动编辑软件。它可以将现有的3D模型、2D图形或影音等档案格式整合在一起。VIRTOOLS在3D互动展示方面是一种强大的技术，有着完善的组成：一个创作应用程序、一个动作引擎、一个渲染引擎、一个Web播放器、一个软件开发工具包。
二、EMV开发方法
EMV方法可以分为四个步骤：分别是游戏策划设计、游戏模型的构建、游戏的控制实现、游戏的发布及测试反馈，如图1所示。
完成基础的开发工作后，根据不同的需求将完成的教育游戏以合适的格式发布。VIRTOOLS支持多样输出方式：可以编译成单机运行的可执行文件；可以将作品输出成网络浏览的格式，进一步与一般网页或flash网页整合在一起；VIRTOOLS内建的BB行为交互模块有网络传输协议相关的功能模块，创作者可以通过相对简易的设计，轻易地完成在局域网条件下的联机游戏，甚至更进一步制作成各种模式的在线游戏。
当教育游戏发布成成品后，还有一个重要步骤不能被忽略。即需要将开发的教育游戏应用到小范围的教学活动中，测试游戏的性能和教学效果，从中取得有实践价值的反馈意见并进行针对性的补充修改。如此循环此步骤多次，再进行推广应用，以期使教育要素和游戏性更科学的融合，达到最佳的教学效果。
三、EMV实例
下面采用EMV方法开发了一个孤岛寻宝的教育游戏，通过这个游戏的设计与开发过程，以及应用实践，证明了EMV方法的可行性和可操作性。
1.设计
在本教育游戏实例中，学习者角色需要在一个海中岛屿的游戏场景中搜寻到足够数量的红宝石并且取得它们（一个红宝石即代表一个知识点）才能成功完成寻宝任务。当学习者角色找到红宝石并用鼠标点击拾取它们时，将出现一道问题（本实例为初中生物问题）。学习者角色若在问题下出现的文本框中输入的答案正确则获得红宝石并且生命值增加，否则红宝石消失，并弹出正确答案给予纠正。学习者需要在规定的时间内取得足量的红宝石，才能增加经验值晋级，否则任务失败游戏结束。在游戏的过程中，还可以通过游戏上的聊天工具和网站链接与教师和其他学习伙伴进行交流和扩展学习。用EML语言绘制的模型如图2所示。
2.游戏的实现
开发此教育游戏实例首先是在3DMAX中构建岛屿、大海、宝石等场景与物件，然后将这些三维模型导入VIRTOOLS场景中进行游戏功能的实现。在这个制作过程中，独特的模块流程图脚本语言，实现的一些游戏功能以及使用的一些VIRTOOLS特有的技术都是EMV方法开发三维教育游戏在设计和技术上的特色和典型。（1）在这个游戏中，游戏角色学习者是以一个第三人称摄像机系统来表示。对于角色的移动，本实例实现了由鼠标来控制方向，键盘上的方向键来实现前进、后退和左右转弯的功能。（2）在角色运动过程中，对会遇到的石头、树等障碍物设置了碰撞属性并对角色实现了碰撞检测和角色滑过；对需要拾取的宝石实现了碰撞检测和消息响应；也对整个岛屿的边界设置了运动限制，防止游戏者跌入大海。（3）对于场景中的水流以及瀑布，本实例使用了VIRTOOLS中的粒子系统来实现水流动和水花飞溅的效果。（4）对于场景中数目众多的树木以及花草，本实例使用了VIRTOOLS中一类特有的优化技术——三维精灵来实现。通过三维精灵来用二维图片代替三维模型能减轻系统渲染游戏时的开销并直接影响最后输出文件的大小。（5）在游戏音效方面，以轻音乐和在海中岛屿上听到的海浪声，原始森林中听到的鸟叫声、蚊虫的嗡嗡声为背景音乐。当游戏角色取得或失去红宝石时，音效发生变化以做提示。（6）本实例还应用VIRTOOLS特有的AI模块，实现了在游戏角色周围随机生成宝石，靠近水流时自动播放水流声音等人工智能技术。（7）在选关功能中，通过VIRTOOLS的场景切换功能实现不同的级别。（8）使用VIRTOOLS的二维帧在游戏界面上显示当前拾取宝石的数目和剩余的时间。（9）在知识量方面，将初中生物习题库加入到VIRTOOLS特有的相当于数据库功能的阵列中，并添加标识字段用以根据不同的难易级别在游戏中提取。（10）通过VIRTOOLS特有的链接和调用可执行程序的模块，实现游戏过程中的聊天和网站链接功能。
3.游戏的发布及测试
本教育游戏实例制作完成后，发布成三种形式，应用于不同的教学情境均取得了良好的教学效果，并深得老师和同学的喜爱。一是发布成可执行文件EXE的形式。用于在不具备网络的多媒体教室授课或学生自我练习。二是发布成Web网页形式,挂在学校的网站上用以学生课余练习和扩展使用。三是发布成基于服务器—客户端的形式，用以多人参与的课内或课外竞赛、协作学习。这个需要一定的硬件和网络条件支持。
本游戏实例建构的游戏场景中不仅有逼真的景物，还运用了光线的渲染，展示了原始森林中光影交织的效果。通过红宝石的自旋转和自发光，突出强调了红宝石的位置，同时配以合适的音效给游戏角色的感官带来多重冲击。三维的游戏场景允许游戏角色通过鼠标键盘控制360度旋转漫游。这些设计使本实例的游戏性得到了充分的发挥。在教育性方面，针对不同的难度选择，从资源库中随机提取同等层次的知识点；在任务驱动的情况下，调动学习者的兴趣，激发学习者学习动机；在服务器—客户端的模式下，还可通过多个游戏者角色之间的竞争和协作培养学习者竞争的意识和团队的精神；在这个过程中，对知识点的学习成为游戏过程中的“副产物”。本教育游戏实例还可以作更多的扩展，比如改为其他学科记忆型知识的认知，或者将需要掌握其内在逻辑顺序的知识点分别反映在“宝物”上，并通过一层层的提示和逻辑式寻找最终找到“宝物”，即掌握知识点的逻辑顺序等。
四、结束语
教育游戏是教育和游戏复合而生的新事物，也是目前教育改革中的一道独特风景线。随着我国游戏产业的强劲发展的势头，教育游戏以其独有的特点必定具有广阔的发展空间和深远的教育意义。本文从教育游戏的现状出发，提出了开发三维教育游戏的新方法——EMV，详细介绍了EMV的三个开发工具和四个开发步骤。使用EMV方法开发的三维教育游戏设计清晰，技术难度小，易于掌握，能开发出具有良好的真实性与交互性的产品。下一阶段，笔者将继续关注教育游戏开发的情境应用、技术标准及人才培养框架，研究将教育性和游戏性有效结合的理论与实践等。
参考文献：
[1]吕森林.教育游戏产业研究报告[J].中国远程教育, 2004 (22).
[2]陈品德.学习系统的形式化建模研究现状与评析[J].现代教育技术,2004(1):11-16.
[3]张豫,郑晓齐.教育建模语言的设计与实现的分析[J].计算机应用研究2005(3):103-112.
关键词：三维 教育游戏 EML 3DMAX VIRTOOLS
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2008）07-0045-03
教育游戏是游戏产业的新领地，它的研究领域涉及多学科，主要包括教育学原理、课程与教学论、教育技术学、心理学、传播学、美术学、设计艺术学、计算软件与理论、计算机应用技术等。教育游戏产业研究报告（２００４）将教育游戏定义为“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软件”。[1] 同时此报告中大量详实的数据表明，教育游戏的市场潜力和应用前景巨大。目前，国内外在这个领域的研究开发还属起步阶段。由于大多数的教育游戏都采用二维或伪三维技术，因此场景不够真实，吸引力不强；还存在教学设计不明确、游戏性和教育性把握不平衡、游戏的交互设计不够友好、师生以及生生之间的协作交流不够便捷等问题。综合分析上述不足，本文提出了一种针对三维教育游戏的开发方法——EMV。并通过一个简单实例的设计、开发与应用，证明了此方法的可操作性，为三维教育游戏的研究实现提供了一种可行方案。
一、开发工具简介
教育建模语言EML（Educational Modeling Language）是一种语义符号系统,它“为了支持学习对象的可重用和互操作,从教育学角度构建语义信息模型,用来绑定和描述学习单元（Ｕｎｉｔ ｏｆ Ｌｅａｒｎｉｎｇ）内部的学习内容和学习过程”。[2] 2003年1月,它被国际网络教育信息标准制定组织IMS作为学习设计（Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ）规格的基础,正式成为了一种数字教育资源的学习技术规范。EML的语义信息模型使用面向对象的UML建模符号来描述，它把学习过程高度抽象为:多个角色利用教学资源在某种环境中的活动。[2] 这一模型有机地支持各种教学理念、学习方法和资源工具。
3DMAX是强大的三维建模、动画、渲染软件，具有良好的操作界面。用户通过此软件能够方便地创造多种具有真实感的三维物体造型，被广泛应用于游戏、影视、广告等行业。
VIRTOOLS，是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS所开发的一套具备丰富互动行为模组的即时3D环境虚拟实境与多媒体互动编辑软件。它可以将现有的3D模型、2D图形或影音等档案格式整合在一起。VIRTOOLS在3D互动展示方面是一种强大的技术，有着完善的组成：一个创作应用程序、一个动作引擎、一个渲染引擎、一个Web播放器、一个软件开发工具包。
二、EMV开发方法
EMV方法可以分为四个步骤：分别是游戏策划设计、游戏模型的构建、游戏的控制实现、游戏的发布及测试反馈，如图1所示。
完成基础的开发工作后，根据不同的需求将完成的教育游戏以合适的格式发布。VIRTOOLS支持多样输出方式：可以编译成单机运行的可执行文件；可以将作品输出成网络浏览的格式，进一步与一般网页或flash网页整合在一起；VIRTOOLS内建的BB行为交互模块有网络传输协议相关的功能模块，创作者可以通过相对简易的设计，轻易地完成在局域网条件下的联机游戏，甚至更进一步制作成各种模式的在线游戏。
当教育游戏发布成成品后，还有一个重要步骤不能被忽略。即需要将开发的教育游戏应用到小范围的教学活动中，测试游戏的性能和教学效果，从中取得有实践价值的反馈意见并进行针对性的补充修改。如此循环此步骤多次，再进行推广应用，以期使教育要素和游戏性更科学的融合，达到最佳的教学效果。
三、EMV实例
下面采用EMV方法开发了一个孤岛寻宝的教育游戏，通过这个游戏的设计与开发过程，以及应用实践，证明了EMV方法的可行性和可操作性。
1.设计
在本教育游戏实例中，学习者角色需要在一个海中岛屿的游戏场景中搜寻到足够数量的红宝石并且取得它们（一个红宝石即代表一个知识点）才能成功完成寻宝任务。当学习者角色找到红宝石并用鼠标点击拾取它们时，将出现一道问题（本实例为初中生物问题）。学习者角色若在问题下出现的文本框中输入的答案正确则获得红宝石并且生命值增加，否则红宝石消失，并弹出正确答案给予纠正。学习者需要在规定的时间内取得足量的红宝石，才能增加经验值晋级，否则任务失败游戏结束。在游戏的过程中，还可以通过游戏上的聊天工具和网站链接与教师和其他学习伙伴进行交流和扩展学习。用EML语言绘制的模型如图2所示。
2.游戏的实现
开发此教育游戏实例首先是在3DMAX中构建岛屿、大海、宝石等场景与物件，然后将这些三维模型导入VIRTOOLS场景中进行游戏功能的实现。在这个制作过程中，独特的模块流程图脚本语言，实现的一些游戏功能以及使用的一些VIRTOOLS特有的技术都是EMV方法开发三维教育游戏在设计和技术上的特色和典型。（1）在这个游戏中，游戏角色学习者是以一个第三人称摄像机系统来表示。对于角色的移动，本实例实现了由鼠标来控制方向，键盘上的方向键来实现前进、后退和左右转弯的功能。（2）在角色运动过程中，对会遇到的石头、树等障碍物设置了碰撞属性并对角色实现了碰撞检测和角色滑过；对需要拾取的宝石实现了碰撞检测和消息响应；也对整个岛屿的边界设置了运动限制，防止游戏者跌入大海。（3）对于场景中的水流以及瀑布，本实例使用了VIRTOOLS中的粒子系统来实现水流动和水花飞溅的效果。（4）对于场景中数目众多的树木以及花草，本实例使用了VIRTOOLS中一类特有的优化技术——三维精灵来实现。通过三维精灵来用二维图片代替三维模型能减轻系统渲染游戏时的开销并直接影响最后输出文件的大小。（5）在游戏音效方面，以轻音乐和在海中岛屿上听到的海浪声，原始森林中听到的鸟叫声、蚊虫的嗡嗡声为背景音乐。当游戏角色取得或失去红宝石时，音效发生变化以做提示。（6）本实例还应用VIRTOOLS特有的AI模块，实现了在游戏角色周围随机生成宝石，靠近水流时自动播放水流声音等人工智能技术。（7）在选关功能中，通过VIRTOOLS的场景切换功能实现不同的级别。（8）使用VIRTOOLS的二维帧在游戏界面上显示当前拾取宝石的数目和剩余的时间。（9）在知识量方面，将初中生物习题库加入到VIRTOOLS特有的相当于数据库功能的阵列中，并添加标识字段用以根据不同的难易级别在游戏中提取。（10）通过VIRTOOLS特有的链接和调用可执行程序的模块，实现游戏过程中的聊天和网站链接功能。
3.游戏的发布及测试
本教育游戏实例制作完成后，发布成三种形式，应用于不同的教学情境均取得了良好的教学效果，并深得老师和同学的喜爱。一是发布成可执行文件EXE的形式。用于在不具备网络的多媒体教室授课或学生自我练习。二是发布成Web网页形式,挂在学校的网站上用以学生课余练习和扩展使用。三是发布成基于服务器—客户端的形式，用以多人参与的课内或课外竞赛、协作学习。这个需要一定的硬件和网络条件支持。
本游戏实例建构的游戏场景中不仅有逼真的景物，还运用了光线的渲染，展示了原始森林中光影交织的效果。通过红宝石的自旋转和自发光，突出强调了红宝石的位置，同时配以合适的音效给游戏角色的感官带来多重冲击。三维的游戏场景允许游戏角色通过鼠标键盘控制360度旋转漫游。这些设计使本实例的游戏性得到了充分的发挥。在教育性方面，针对不同的难度选择，从资源库中随机提取同等层次的知识点；在任务驱动的情况下，调动学习者的兴趣，激发学习者学习动机；在服务器—客户端的模式下，还可通过多个游戏者角色之间的竞争和协作培养学习者竞争的意识和团队的精神；在这个过程中，对知识点的学习成为游戏过程中的“副产物”。本教育游戏实例还可以作更多的扩展，比如改为其他学科记忆型知识的认知，或者将需要掌握其内在逻辑顺序的知识点分别反映在“宝物”上，并通过一层层的提示和逻辑式寻找最终找到“宝物”，即掌握知识点的逻辑顺序等。
四、结束语
教育游戏是教育和游戏复合而生的新事物，也是目前教育改革中的一道独特风景线。随着我国游戏产业的强劲发展的势头，教育游戏以其独有的特点必定具有广阔的发展空间和深远的教育意义。本文从教育游戏的现状出发，提出了开发三维教育游戏的新方法——EMV，详细介绍了EMV的三个开发工具和四个开发步骤。使用EMV方法开发的三维教育游戏设计清晰，技术难度小，易于掌握，能开发出具有良好的真实性与交互性的产品。下一阶段，笔者将继续关注教育游戏开发的情境应用、技术标准及人才培养框架，研究将教育性和游戏性有效结合的理论与实践等。
参考文献：
[1]吕森林.教育游戏产业研究报告[J].中国远程教育, 2004 (22).
[2]陈品德.学习系统的形式化建模研究现状与评析[J].现代教育技术,2004(1):11-16.
[3]张豫,郑晓齐.教育建模语言的设计与实现的分析[J].计算机应用研究2005(3):103-112.