（教育技术学专业论文）游戏化教育软件中三维动画的研究与实现.pdf

四川师范大学硕士学位论文 游戏化教育软件中三维动画的研究与实现 教育技术学专业 研究生冉维指导教师黄河明 随着计算机科学技术的发展，游戏的开发与设计正在受到越来越多的关 注。游戏业在过去的3 0 年以逐渐走向成熟，已经成为一种重要的娱乐方式。 三维虚拟游戏能带给游戏者很强的置入感，如果我们能利用游戏这一特点，就 可以给教育带来新的方式。将游戏与教育结合起来，让学生置身于一些在现实 生活中不能或者很难真实再现的环境，比如火灾现场。从而学习面对火灾时如 何自救和如何使用消防设各。 游戏中三维动画的设计与制作是具有创造性、艺术性和技术性的工作。在 游戏的制作中，游戏美工人员的工作是制作游戏者直接面对的界面、操纵的人 物、置身的环境、手中的道具等。游戏中广泛使用了片头动画和过场动画，对 小型制作团队和个人而言，如果没有专业的动画师参与，游戏中的实时画面中 的角色动作、片头动画以及过场动画都要由游戏美工来完成。制作游戏化教育 软件，在创作中除了考虑一般的游戏艺术设计要求外还应注意教育方面的特殊 要求。要体现教育效果的规律性、规范性和科学性，如以技能训练为目的的游 戏化教育软件中的器件、应对的操作、方法、过程、效果等必须符合生活逻辑 和科学原理。不能像一般游戏中那样夸张和随意。 本文主要介绍了影响游戏化教育软件中三维动画设计的因素、设计原则和 需要解决的问题。介绍了设计开发的实例面对火灾。阐述了角色场景 设计、动画设计、人机界面设计的过程和注意要素，以及模型和贴图的制作、 动画的制作、界面的制作过程。总结了在制作中采用的关键技术和方法。通过 创作与实践，作品达到了预期的艺术和教育效果。 关键词：艺术设计游戏化教育软件三维动画 四川师范大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no f t h r e e - - da n i m a t i o n c r e a t i o ni ng a m e e d u c a t i o n a ls o f t w a r e m a j o r ：e d u c a t i o nt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：r a nw e i ( s i c h u a nn o r m a lu n i v e r s i t y ) s u p e r v i s o r ：h u a n gh em i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n t a n dd e s i g no ft h eg a m ei sg e t t i n gr f i o r ea n dm o r ea t t e n t i o n g a m ei n d u s t r yh a s g r o w nt om a t u r i t yi nt h ep a s t3 0y e a r s ，a n dh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tw a yo f e n t e r t a i n m e n t t h r e e dv i r t u a lg a m ep l a y e r sc a l lb eb r o u g h ti n t oas t r o n gs e n s e ， a n di fw ec a nu s et h i sf e a t u r eo ft h eg a m e ，w ea l ea b l et ob r i n gn e ww a y so f e d u c a t i o n c o m b i n i n gg a m e sw i t he d u c a t i o n ，w ec a l la l l o ws t u d e n t st oe x p o s et o s c e n et h a ti si m p o s s i b l eo rv e r yd i f f i c u l tt ob et r u er e p r o d u c t i o no fe n v i r o n m e n ti n r e a ll i f e ，f o re x a m p l e ，t h es c e n eo ft h ef i r e t h e r e f o r e ，s t u d e n t sc a nl e a r nh o wt o h e l pt h e m s e l v e sa n dh o w t ou s ef i r e - f i g h t i n ge q u i p m e r i tw h e nf a c e dw i mt h ef i r e t h r e e - da n i m a t i o ni nt h eg a m ei sac r e a t i v e ，a r t i s t i ca n dt e c h n i c a lw o r k i n t h ep r o d u c t i o no ft h eg a m e ，t h ew o r ko fa r t i s t si st od e s i g nt h ed i r e c ti n t e r f a c ea n d c h a r a c t e r sa n de n v i r o n m e n t ，a n da l s ot h eh a n d so ft h ep r o p s ，w h i c hp l a y e r sc a n d i r e c t l yf a c e ，b e s i d e s ，t i t l e sa n i m a t i o na n dc o u r s ea n i m a t i o nh a v eb e e nw i d e l yu s e d t ot h es m a l l p r o d u c t i o nt e a ma n das i n g l ep e r s o n ，i fw i t h o u tp r o f e s s i o n a l a n i m a t o r s p a r t i c i p a t i o n ，t i t l e sa n i m a t i o n ，t h ec o u r s ea n i m a t i o na sw e l la st h ea c t i o n o ft h er o l e si nt h es c e n em u s tb e c o m p l e t e db yt h ea r t i s t s w h e np r o d u c i n g e d u c a t i o n a ls o f t w a r eg a m e s ，i na d d i t i o nt ot h eg e n e r a ld e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h e a r t s ，w em u s tc o n s i d e rt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t si ne d u c a t i o ni nt h ec r e a t i o no ft h e 四川师范大学硕士学位论文 g a m e o u rg a m em u s tr e f l e c tr e g u l a r ，s t a n d a r d i z e da n ds c i e n t i f i cq u a l i t yi nt h e e f f e c to fe d u c a t i o n ，s u c ha st h er e s p o n d i n go p e r a t i o n ，m e t h o d s ，p r o c e s s e s ，t h ee f f e c t i ng a m ee d u c a t i o n a ls o f t w a r ef o rt h ep u r p o s eo fs k i l l t r a i n i n gm u s tb ec o m p a t i b l e w i t l ll o g i co fl i f ea n ds c i e n t i f i cp r i n c i p l e s ，w h i c hi sn o tt h es a i n ea st h eg e n e r a l g a m ee x a g g e r a t e da n da r b i t r a r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei m p a c to fe d u c a t i o n a ls o r w a r eg a m e so nt h r e e - d a n i m a t i o nd e s i g n ，d e s i g np r i n c i p l e sa n dt h ep r o b l e m sn e e dt os o l v e t h e r ei st h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe x a m p l e s 一i nt h ef a c eo ff i r e ”，a n dt h ee x p l a n a t i o no f t h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g n ，t h ed e s i g no fs c e n e ，a n i m a t i o nd e s i g n i n gp r o c e s s a n de l e m e n t sn e e dt op a ya t t e n t i o nt oa n da l s ot h ep r o d u c t i o no fi n t e r f a c e ，t h e p r o d u c t i o no fm o d e l sa n dt e x t u r e s ，a n i m a t i o np r o d u c t i o np r o c e s s t h ep a p e rh a s s u m m e du pt h ep r o d u c t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d o l o g i e s t h r o u g h c r e a t i o na n dp r a c t i c e ，t h ew o r k sa c h i e v et h ee x p e c t e dr e s u l t so fe d u c a t i o na n da r t s k e y w o r d s ：a r td e s i g ng a m e e d u c a t i o n a ls o f t w a r e t h r e e da n i m a t i o n i l l 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师 墓塑明熬援一指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索；2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位 论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 论文作者签名= 冉倔 g 年年月l o 日 四川师范大学硕士学位论文 第一章绪言 1 1 研究背景和问题的提出 近几十年来，在各种现代学习理论的指导下，在新的科学技术的支撑下， 各种现代信息技术被广泛用于教学实践，新的教学媒体、教学手段、教学资源 不断涌现。更加逼真、自身能够参与互动、多人参与、并在情节化的氛围内体 验等要素，已经成为新一代互动学习的主要特征。 随着游戏三维图像技术的迅速发展，计算机游戏的表现力在深度和广度上 都有很大的拓展。游戏中的多边形数越来越多，材质越来越细致，光影效果越 来越复杂，交互性越来越强。游戏的两个特性模拟现实世界和交互性，使得人 们产生一种置入感，深深地沉浸其中。在这种条件下，游戏化教育软件作为一 种新型的教学资源出现了，并广泛用于教学中，对教育教学活动起到了较强的 辅助作用。 游戏化教育软件能够为学生提供具有挑战性的事件情节，模拟难以再现的 事件和代价较高的技能训练。技能训练类型的游戏在基于问题的教学中起着重 要的作用。而模拟类教育游戏是对现实世界的模拟，具有与现实世界的特征保 持一致的场景。模拟类教育游戏对一些人们难以接触的或比较危险的情景进行 模拟，供学习者学习和研究使用。在国内外，一些专门研发教育游戏的公司和 教学单位正在进行更多类型的游戏化教育软件的研究与开发。n 3 三维动画具有丰富的表现力，运用三维形式可以向学生直观展现危险性高 或难以观察到的微观、宏观事物，有效地减轻学生的认知负担。游戏化教育软 件中三维动画的视觉元素有角色、道具、场景的造型；色彩和光影；角色的动 作以及各类特效。 这些视觉元素是直接呈现在游戏者面前的，它们是吸引游戏者参与的首要 因素。是决定游戏化教育软件优劣的关键要素之一。好的设计能带给学生美的 视觉享受，引起他们的情感共鸣，对取得既定教学效果是非常有利的。 使用三维技术制作的这些元素具有较强的立体感和真实感，有些已经达到 了仿真的程度。这一特点在以培养生存能力和技能教学为目的模拟类游戏化教 育软件中尤为突出。这类软件中角色的动作准确可靠、符合科学规律和生活规 范，有别于一般的以娱乐性为主的游戏软件。比如国外开发的模拟战场医疗救 四川师范大学硕士学位论文 援的游戏，可以学习包扎伤口、打点滴、注射药物等救护手段，这些角色动作 非常规范，不同于一般游戏中的随意和夸张，体现了科学性的要求。馏1 目前的素质教育中强调对学生生存能力的培养。应急生存能力是素质教育 的重要内容，旨在培养学生在危险或突发事件面前能正确应对，把损失控制在 最低限度之内。为了更好的加强中学生灾难事故的应急教育，可以通过多种渠 道来强化学生对灾难事故的知识教育。儿4 3 采用游戏化教育软件就是一种较好的 形式。 将现代信息技术与消防知识进行整合，采用三维动画御作技术与游戏开发 技术，设计并开发一种能介绍消防知识、学习消防技能的三维游戏化教育软件。 该软件能通过对火灾现场的模拟，让学生在三维虚拟环境中演习灭火、逃生等 事件。使得学生掌握基础的消防常识，强化对火灾知识的认识，为预防和防止 火灾事故发生、减轻突发火灾事故给学生带来的损伤打下基础， 如何设计该软件中三维动画的各种视觉元素，处理角色、场景和道具的造 型和色彩，较真实的还原现实情境、模拟现实生活中人物的动作、准确传达科 学知识以达到预期的艺术和教育效果，是本课题在设计开发过程中需要解决的 问题。 1 2 相关概念阐释 1 ，2 ，1 游戏化教育软件 教育软件是一种特殊的计算机应用软件，具有普通软件的共性，也具有教 育软件的特征和特殊需求，不论什么类型的教育软件都必须要体现出科学的教 育思想，并且要符合教育的行为特征。瞄1 它是多媒体技术的集成体，利用硬件 设备，根据创作者的创意、教学设计思想和科学合理的软件设计，形成具有教 学功能的，含有学科教学内容的，通过文字、声音、图形、图像、动画及影像 等多媒体素材向学习者展现各种教学信息的交互性软件产品哺1 。 游戏化教育软件是在教育技术的视昕、学习、传播理论的指导下，同时结 合游戏的理论所制作的集游戏性与教育性为一体的教育软件。利用计算机把科 学性、知识性、趣味性熔于一炉，在娱乐中学习知识和技能，达到寓教于乐的 效果。游戏化教育软件采用计算机模拟现实，主观再现生活中的场景，其环境 2 四川师范大学硕士学位论文 逼真，交互性强，使得学习者能处于一种积极的学习状态中。 根据教育软件开发的心理科学基础、计算机在教育中的作用等方面将教育 软件的发展过程划分为三代。 兰代教育戟律的麓分 一淤邀 第一代数育较僻 籀二f 数育敬件 籍三饨教帮敬 譬 0 嘲辫学旗础行为童义钛知攀习理论建绚主义麓论 教俘描譬思憩 斑试敢嚣璁酞敷霄翔鬻段絮瑷教禽钍企黼摄碣孥坐絮艟为秘的： 教育过霰羰。恢琢”翱| 譬! 效。作为教学过程约缀翅： 教攀联魁以操作稿麟为巾如；以教为巾心：以学习为巾心； 露程蒯激肇堍翱留i 疆肇。驻班教授，辅警敷程学习 计雾饥的俸朔舷姑处趣工具翱存傣教，学毓璐工具认觚z 典学习辫：境 工兵电子震饭知识绂律l ：| i 的蕾机为强础的拳习环境 赣学方穗 爱瑷。捌撒细i r 铭构。执翔结 撩完。发现，精堍铹设。鞠够幺绣，人钒 爱废强亿构毖警，教授 燹丝苏义建纷辫戏撂兜戡掌。震琥 式教攀擞锚式教学。友聚或教学跨钒 逛人式教攀 裘现形式习趱溯绦懿鬟习辅鼯缝妻动嚣等缀 图1 1 ：三代教育软件的划分7 1 根据上图可以分析得出，第三代教育软件的出发点是全面提高学生的综合 素质。以“快乐和“高效”作为教学过程的基本原则。教学模式是以学生为 中心。它以建构主义理论为基础，使用了新技术，计算机既是认知的工具，也 是呈现虚拟学习环境的载体。采用了探究法、发现法等能发挥学生主体性的教 学方法。游戏化教育软件利用以计算机技术为核心的信息技术构建虚拟的教学 环境，将教学内容融入虚拟的环境中，充分发挥了多媒体的优势。根据以上分 析，可以将游戏化教育软件划分到第三代教育软件中。 游戏化教育软件根据应用对象可以分为教师在课堂上使用的教学软件和辅 助学生学习的学习软件，在本文中探讨的是后者。从表现形式上来看有二维、 三维以及二维和三维相结合的游戏化教育软件，本文中主要讨论的是三维游戏 化教育软件。 三维游戏化教育软件可以提供虚拟的三维场景，学习者在其中以各种虚拟 角色的身份进行学习，较好的交互性和游戏性能有效调动学习者的情绪。三维 3 四川师范大学硕士学位论文 游戏化教育软件在一些生存能力训练和技能培训方面具有优势。它可以直观再 现危险或难以再现的环境，提供正确的动作和技能示范，对模拟训练提供了一 种较好的辅助资源。 1 。2 2 游戏化教育软件和一般游戏软件的异同 一般的游戏软件由三种本质元素组成，软件、娱乐、互动。瞪1 其娱乐性和 互动性吸引了无数的游戏者。游戏化教育软件充分利用了游戏软件的娱乐性和 互动性，将这些特征转化为学习的动机，使得学习者投入其中。其游戏目的与 一般的游戏软件相比有更强的教育性，学习目标要通过游戏目标来达到。学习 者通过使用游戏化教育软件，完成相应的人物，获得一定的知识、达到一定的 技能水平。最终完成学习内容的学习，达到学习的目标。 1 2 3 游戏化教育软件中三维动画的地位和作用 游戏中三维动画的设计和制作是集艺术性和技术性于一体的。在游戏的制 作中，对小型团队和个人而言，游戏美工人员要完成美工和动画师的工作。制 作游戏者直接面对的界面、操纵的人物、置身的环境、手中的道具；完成游戏 中实时画面里角色的动作以及片头动画、过场动画和演示动画。这些工作直接 决定了游戏的视觉效果。这些元素是直接与游戏者接触的，其优劣对游戏的质 量起决定作用，在整个游戏设计中占有非常重要的地位。旧1 游戏化教育软件中的三维动画与电视、电影中的三维动画有着不同的创作 流程与工艺规范。游戏化教育软件中的三维动画的设计与制作一般包括故事板 的设计、概念图的绘制、风格的设计、角色的造型设计、道具的设计、场景的 设计；模型的建立和贴图的绘制；灯光和摄像机的应用、3 d 动画的制作、后期 合成等。1 0 3 1 电视、电影中的三维动画对模型精度要求很高，有的甚至要求表现一根头 发和一条皱纹。游戏化教育软件中的三维动画设计要考虑到各个子部分的相互 关系和整体要求，因此在制作过程中需要考虑与开发平台的互动，不同的开发 平台对模型、贴图和动画分别有不同的要求。对于那些游戏中实时画面里的角 色、场景、道具和动作等采用较低的设置，对于那些后期渲染完成的片头动画、 过场动画和演示动画中的组成元素则采用较高的设置。三维动画与游戏化教育 4 四川师范大学硕士学位论文 软件相结合时，还需要注意教育方面的特殊要求，要体现教育性与科学性，过 分的追求艺术效果会干扰学生的注意力，降低学习的效率，难以达到教育效果。 三维动画可以为游戏化教育软件提供教育性和游戏性的支撑。在一些生存 能力训练和技能训练的模拟类游戏化教育软件中，采用三维形式有着积极的意 义。这类软件的主要设计目的不在于娱乐体验，主要是用图形图像技术对目标 对象进行模拟，帮助我们培养、训练在现实学习、工作、生活中的动作、技能 和反应，对道具与动作设置的科学性与教育性上要求较高。 三维形式的游戏化教育的软件好处在于形象具体、情景生动、真实有效、 仿真度高。利用三维虚拟环境和动画再现训练内容，可以使得学生积极参与其 中，强化他们的参与意识。通过各种模拟练习，学生不仅可以接触到实践中的 各种情况或问题，还可以使得学生获得对实践知识的总体感觉，是面临实际问 题的一种预演或者排练，在模拟训练的过程中可以增长学生的技能，具有很强 的实用价值。这类教育软件可以培养学生独立思考和独立解决问题的能力，有 助于提高他们的想象力和创造力，改善其手、眼睛、脑的协调能力。培养和锻 炼学生的演习、生活、实践的能力。 1 3 国内外现状分析 游戏化教育软件的开发正成为游戏与教育界研究的热点，将游戏作为学生 获取知识的一种手段和一种工具，作为教育的一种新型载体。游戏化学习，是 教育的一个发展方向，也是新的游戏类型发展的突破点。游戏化教育软件通过 一种新的方式将信息展示给学生。使得学生通过一种更加有趣、直观的表达方 式来认识抽象复杂的东西。游戏中的交互性使得学习行为成为一种可控性强、 主动的形式。羽u 3 1 在教育游戏开发的热潮中，三维形式的教育游戏越来越受到更多的关注。 它以三维的方式虚拟现实或者展示、讲述教学内容。学生在其中能产生置入感， 能积极调动学习者的学习情绪。利用三维动画制作技术和游戏制作技术相结合 可以创建虚拟的环境，多数画面可以随摄像机进行远近拉伸，可以观察全景也 可以观看细节。在三维空间的虚拟环境中，学生可以从不同的角度观察建筑物 和人物，增强了学习环境的直观性与交互性。 5 四川师范大学硕士学位论文 1 3 1 国外现状 在国外，一些企业和研究机构，将游戏和学习结合已经有许多实际的开发 与应用。他们在这方面的研究比较成熟，这与他们对游戏本身的研究起步较早 是分不开的。 e a ( 电子艺界) 公司发行了七座金城的游戏，这款游戏让使用者扮演成 冒险家，前往世界各地探险、寻找新大陆。无论在图像、场景、可玩性还是题 材上都有较大的突破。它具有非常浓郁的文化气息，在七座金城的新闻发 布会上，e a 的创始人霍金斯特意将“e d u c a t i o n ( 教育) 和 “e n t e r t a i n m e n t ”( 娱乐) 两个单词并在一起，创造了“e d u t a i n m e n t ( 育乐) 这个新词。n 4 1 粮食力量( f o o df o r c e ) 是由联合国世界粮食计划署( w f p ) 提供的3 d 游 戏，该游戏的目标受众是8 到1 3 岁的儿童。旨在通过这款游戏让更多的孩子了 解饥民以及身陷战乱地区者的粮食问题。游戏中构建了各类虚拟环境来帮助儿 童学习与粮食配送相关的知识，该游戏还可以培养儿童的手眼协调能力。例如 在“空投 任务中，要在虚拟的颠簸的飞机中向特定位置投放粮食，投放过程 中要注意风向问题。n 钉 该游戏推出之后短短几个月，其国际网站的点击率突破了1 0 0 0 万，取得了 良好的社会效益和经济效益。发布这款3 d 游戏时，w f p 发言人加拉格尔说了这 样的话“如今，要与儿童沟通就意味着要用最新科技。”n 叼 游戏中的队友、场景与道具都具有良好的造型设计。根据自己的岗位和职 能，各个队友分别具有不同的外形和服装特征。例如物流长官是较干练的外表， 其装束与坐在办公室的求援人员大不相同。求援人员服装正式、物流长宫服装 简练且配有装备，符合各自身份特征。从发型与肤色上也能快速地分辨二者。 对于飞行长官和粮食采购主管，则在体型上有所区分，粮食采购主管体型偏胖， 飞行长官体型比较匀称、结实。 6 p uj i i 师范大学硕上学位论文 暇萎a 董螽 盗 图1 2 ：粮食力量人物截图 游戏共分为六关：空中侦察、营养餐配方、空投、采购和运送、粮食发放 和未来农耕。针对六关分别设计了六个不同的场景，各自具有不同的外形和色 彩，例如任务五是对食品进行运输，在运输的过程中会遇到地雷、武装分子等 各种问题。在场景中设置了断桥、分岔路口等障碍，颜色以沙漠黄为主，有效 地传达了荒芜人迹的故事背景。 一 圈l 圄l 墓 克黢囊品透龟l求蕈销铸一一“粥鲍1 、露芽 毽玛l国滚0 足 图1 3 ：粮食力量任务截图 粮食力量的片头动画和过场动画采用的是全三维的形式。执行不同的 任务前会有相应的过场动画向游戏者介绍要执行的任务以及操作方法。动画中 的虚拟环境起到了渲染氛围的作用，例如执行空中侦察任务前夜，场景是夜晚 四川师范大学硕士学位论文 营地的帐篷里，飞行长官在灯下向大家介绍任务。人物的表情严肃、动作协调， 灯光的投影效果真实。 在执行任务的过程中会遇到各种的情况，某些情况采用了三维动画的形式 来表现。例如在任务五运送粮食的过程中会遇到武装分子，采用了三维动画与 点击选择的方式来表现与武装分子的交涉过程。这些逼真环境的模拟有效地调 动了游戏者的情绪，有利于他们对知识的掌握。 在整个游戏过程中，场景中的干扰信息较少，执行任务的环境设计比较简 单，但是简约的设计包含了充分的故事背景信息和任务信息，有效地避免了过 分华丽的设计带给儿童的干扰，使得他们的注意力集中，能够快速有效地了解 相关知识，学习相关技能，达到教育的目的。 1 3 2 国内现状 目前国内针对开发的游戏化教育软件采用三维形式的较少。多是二维为主， 或者是二维的场景、三维的角色。题材主要是针对思想品德教育和学科教育， 例如英语、数学、化学等。比较成功的案例有奥卓尔公司推出了一系列游戏化 学习软件，其中包括失落的宝典( 小学数学一年级) 、精灵湖奇遇( 小数 学二年级) 、七颗宝石( 小学一年级语文) 等。n 刀 二维与三维游戏都涉及到场景、角色、道具的设定，二者都要在游戏者面 前呈现优美的效果。二维游戏历史悠久，分析二维的教育游戏中艺术设计的特 点，三维游戏可借鉴其在艺术设计方面的经验和优点。 北京中教电信有限公司推出的真知探索是一款在虚拟环境中融入了课 本知识的教育游戏，包含小学至高中教学基础内容，适合学生交互式、探索式 学习。其核心价值在于寓教娱乐与虚拟实境相结合，让学生在娱乐中掌握课内 外知识，同时丰富了老师的信息化教学手段。提供了一个系统平台，该系统能 够自动评价游戏者的知识掌握程度及掌握量。提供多种真知手册帮助游戏者学 习知识。1 8 1 游戏采用了4 5 度斜视角的2 d 场景和3 d 人物画面，用鲜活的色彩渲染出手 绘帖图材质的卡通效果。当角色接收到第一个新任务时，会触发一个c g 动画， 该动画可以帮助游戏者了解游戏的故事背景。可爱的卡通版的人物造型，游戏 四川师范大学硕士学位论文 主的网络游戏。多数场景充满了田园风光，写意的田园景色可以让人不知不觉 放松下来，达到轻松学习的目的，将游戏与学习有效地结合了起来。 从艺术设计层面上对比研究可以发现西方的设计比较开阔和富于个性化， 国内的艺术设计比较自然写实。在国外多采用黑、蓝、灰色为主调，国内偏爱 红、橙、绿色等。这些差异来源于不同的思维方式，西方人一贯注重思辩理性 和分析实证，中国人注重直观、整体、经验。在西方哲人看来，只有思辩性的 东西才是最真实、最完美、最美好的。n 引所以西方的设计偏向与个性化与创意 的独特化，国内的设计比较偏向于富于艺术感的自然的人和物，强调自然、和 谐的美。 对国内外现状的对比分析，可以看出国外教育游戏开发得比较早，他们的 教育性与游戏性结合得较好，在表现方式上多采用了目前流行的三维形式，在 整体设计上简单大方，避免了过多的干扰信息，比较符合教育性的要求。 我国对教育游戏相关的研究起步较晚，但也在理论和开发层面进行了有效 的探索和实践。但是目前国内采用三维形式的游戏化教育软件不多，对这类教 育软件在艺术效果方面的研究也较少，有必要加以重要的研究和探索。相比而 言，三维形式的教育软件能更有效地通过虚拟三维空间来反映某一特定环境下 的“真实”世界，构建有利于学生认知的环境。因此这一领域具有相当大的发 展空间，可以对其进行有效的研究和尝试。 1 4 研究内容和意义 1 4 1 研究内容 目前，将游戏与教育结合起来正成为游戏与教育界研究的热点。三维的游 戏化教育软件能以较逼真的方式再现生活场景，可应用于突发事件的模拟、生 存能力训练等现实生活中危险或代价极高的情况。 三维动画的视觉元素有角色、道具、场景的造型；色彩和光影；角色的动 作以及各类特效。这些元素是三维游戏化教育软件最终效果实现的重要环境， 是游戏化教育软件成功与否的重要工艺和技术过程。在生存能力训练和技能培 训的游戏化教育软件中，场景、道具和角色的动作等具有真实性、有效性、科 学性的特点，这些特点为该类游戏化教育软件提供了可靠的构成基础。 l o 四川师范大学硕士学位论文 本课题为游戏化教育软件在这一领域的应用进行了尝试。采用了三维动画 软件和游戏引擎，开发三维游戏化教育软件面对火灾，用于帮助学生学习基 本的消防知识。本人使用3 d sm a x 及其他的辅助软件完成了该课题中的三维动 画设计与制作部分的研究和开发工作。 ( 1 ) 进行文献调研，对国内外游戏化教育软件的研究和应用的现状进行追 踪。重点分析了三维动画设计中的元素在这些游戏化教育软件中的表现和作用。 在此基础上比较了国内外游戏化教育软件在艺术设计层面的差异。 ( 2 ) 对几个重要的学习理论如经验之塔理论、建构主义学习理论、多元智 能理论进行了探讨和研究，并在此基础上分析了这些理论对游戏化教育软件以 及其中的三维动画创作的指导意义，在此基础上指出了三维虚拟环境在情景建 构中的重要作用。从视觉心理学理论、经典动画理论、色彩学、动态构图理论 上对三维动画创作的艺术性进行了指导。 ( 3 ) 分析了影响游戏化教育软件中三维动画设计的因素，总结了三维动画 在游戏化教育软件中的设计原则，并提出了创作过程中需要解决的问题。将其 指导案例面对火灾中的三维动画的设计与制作。 ( 4 ) 从三维动画设计与制作的流程出发，在制作过程中负责并完成设计稿 的绘制，人机交互界面、角色、消防知识训练场地设计与制作，人物动作、片 头动画以及演示动画的设计与制作等各项创作和开发工作。综合利用素描造型 设计、数字图像技术、三维动画等技术进行创作，达到了较好的艺术效果，并 为游戏的交互性和教育性提供了有利的支撑。 ( 5 ) 对该软件进行了试用，对其实用性与科学性进行了调查，以便对其做 进行进一步的改进。对游戏化教育软件这一新型的教育技术开发领域进行了初 步的，但是卓有成效的探索和尝试。 1 4 2 研究意义 ( 1 ) 游戏具有较强的交互性和虚拟现实性，可以将其应用于抢救生命的教 育普及活动中。弥补了以前讲解、图片、视频等宣传方式参与性不强的缺点。 现实生活中的安全意识教育在实施过程中可能会因为硬件设备较少而不能每个 人都有机会操作，游戏则可以提供更多的参与的机会。 四川师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 游戏化教育软件中采用三维动画可以展示常规教学中不易用实景展示 的重难点，与游戏开发技术相结合可以较为真实地模拟现实生活中的危险情景， 对教育性提供了有利的支撑。还提高了教育软件中的游戏性和趣味性，增强了 学生的参与性。 ( 3 ) 面对火灾可以为学生呈现一个虚拟的三维环境，为学习者提供了 直观、形象、生动的学习环境和学习资源，有效提高了学习者对消防知识的认 识。为普及消防知识提供了一个更加直观的数字化学习手段。目前国内的游戏 化教育软件采用三维形式的不多，面对火灾可以在这一领域起到一定的补充 和探索作用。 ( 4 ) 研究的意义还在于突出了科学性和真实性在教育软件的三维造型和动 作设计中的重要性和必要性，这不同于一般的游戏软件。 ( 5 ) 通过本课题，笔者对三维动画的设计与开发在游戏化教育软件中的实 现进行了探索。希望本人总结的三维动画设计原则与制作流程、制作方法能给 小型团队或个人制作同类作品时带来参考。 1 5 课题研究及论文的组织 第一章，分析了国内外现状，对相关概念进行了阐释，分析了本文的研究 内容和意义。 第二章，阐述了经验之塔理论、建构主义理论、多元智能理论、视觉心理 学、经典动画理论、游戏中的色彩学、动态构图理论，以及三维艺术设计中的 关键技术。这些理论和技术对三维动画的设计与制作在游戏化教育软件中的应 用有重要的支撑和指导作用，是本文研究的理论依据。 第三章，本章总结了游戏化教育软件中影响三维动画设计的因素和应遵循 的原则，并用来指导案例面对火灾中三维动画的设计与制作。 第四章，从结构图设计、角色和场景设计、动画设计、人机界面设计四个 方面阐述了案例面对火灾中三维动画的设计过程。并提出了相应的问题和 解决方案设计。 第五章，本章阐述了案例面对火灾中三维动画的具体实现过程。根据 第四章中提出的解决方案完成了实际的制作，其中包括人机界面制作，角色、 1 2 四川师范大学硕士学位论文 道具和场景的建模，相应贴图的绘制，角色动作、片头动画和演示动画制作， 以及与游戏开发平台的互动。制作完成之后进行了试用并给出了评价。 第六章，总结与展望。总结了本研究的成果与不足，指出了以后发展的方 向。 1 3 四川师范大学硕士学位论文 第二章理论基础与关键技术 2 1 理论基础 2 1 1 经验之塔理论的指导意义 游戏化教育软件为学生提供虚拟的情景，让学习者参与到虚拟的学习环境 中，通过导航按钮，进入不同的学习层级，观看演示动画，阅读提示信息，在 不同的场景中与虚拟道具进行交互，进而学习各种知识和技能。根据戴尔经验 之塔理论，这些属于演戏的经验和观摩示范的经验。 戴尔认为人类主要通过两个途径来获得知识，一是由自身的直接经验获得， 二是通过间接经验获得。他提出的“经验之塔理论把人类学习经验依据抽象 程度的不同分成三类十个层次。 戴尔的经验金字塔模型告诉我们，越上层的，其观念越抽象，学生越不易 理解。而越下层的，刚好相反，其观念越具体，学生越容易理解。一般教师所 用的讲述式的教学，是属于最上层的，也就是最抽象的，所以学生不容易理解。 而使用教学媒体，可以有效地将其层次降低，变得较为具体，学习较为轻松有 趣。 心理学家布鲁纳提出的教学理论中建议教学时最好由直接的经验( 具体的) 到图像描述的经验( 例如图画和影片) ，再到象征性的描述( 例如文字) 的顺序来 进行。教学的第一步是辨别学习者目前的经验层次。而融合具体经验及图像描 述经验的教学媒体正可以帮助学生整合先前的经验，进而促成抽象概念的学习。 根据戴尔经验之塔理论，作观摩演示用的动画要突出重点难点，角色动作 要准确传达意图，动画创意要符合认知规律，防止对学生造成错误的导向。场 景和道具要适合特定教学内容。在设计制作中模拟实际学习生活环境，可以帮 助学生很快地进入学习氛围，积极开始游戏，并获得知识的积累。 2 1 2 多元智能理论的启示 在实际制作过程中，在进行人机交互界面的设计、三维场景和角色的设计 以及动画的制作之前，必须要考虑的一个因素就是学习对象。在设计之初就要 对学习对象进行研究。多元智能理论的提出，正是对学习者的智能特征进行了 关注。 1 4 四川师范大学硕士学位论文 八十年代，美国著名发展心理学家、哈佛大学教授霍华德加德纳博士提 出多元智能理论。霍华德加德纳博士指出，人类的智能是多元化而非单一的， 主要是由语言智能、数学逻辑智能、空间智能、身体运动智能、音乐智能、人 际智能、自我认知智能、自然认知智能八项组成，每个人都拥有不同的智能优 势组合。而且每种智能可以成为获取该智能领域之外的知识的手段瞳1 | 。多元智 能理论有一个核心概念“为多元智能而教，指要以发展学生的多元智能为 教育目标，根据学习者的智能特点确定最有利于学生学习的教学方法。 根据以上的阐述，如果我们能为学习者提供有利于某种智能发展的条件， 那么几乎每个人都能在那一种智能的发展上取得一定的效果；反言之，如果学 生始终不被接触开发某种智能的环境，那么其生理潜能无论多大，都不可能被 激发出来。这就告诉我们：只有为学生提供多元化的学习途径，他们的多元智 能才有可能被激发出来，获得发展。陇1 在实际设计过程中，要强调以学生为主体的指导思想，对学习对象有充分 的了解，面对火灾的学习对象是初中生，要考虑他们对不同媒体的偏好，以 及他们的信息素养。在案例的设计和实施过程中，要综合文字、图形、动画、 音乐、解说等多种方式，以培养学生的多元智能。 2 1 3 以建构主义理论指导设计 建构主义重视学生对过程的参与、亲历，注重情景的创设，关注以学习者 为中心和互动的学习方式。在游戏化教育软件中创建逼真的学习情景，学习者 在其中自由控制游戏的进度，体现了以学生为中心，也实现了互动的学习方式。 在情景的设计中要充分考虑到以学生为中心，让学生在情景中主动地完成相关 知识的意义建构。 要使学习者学到能直接应用于实际环境中的知识和技能，就应在实际应用 环境中学习相应的知识和技能。建构主义强调学习要解决真实环境下的任务， 希望把学习置于真实的或接近真实的情境之中，从而使学习能适应不同的问题 情境，在实际生活中能有更广泛的应用。口3 1 根据建构主义理论，学生是学习的主体，要充分了解学习者的特征，并在 此基础上进行有针对性的设计。在设计开发的过程中，风格设计和色彩的运用 四川师范大学硕士学位论文 需充分考虑到学习者的年龄特征和心理特点。 通过设计适合教学的虚拟情景，将学生引入其中，引导学生用自己的知识、 经验来分析问题、判断问题。建构一个具有教育性、创造性、实践性、操作性 的以学生为主体的三维虚拟环境。在此环境中提供给他们实践的机会，以调动 学生的积极性、主动性和创造性，充分发挥他们自身的学习潜能。使得学生在 活动中，通过操作、探索、加工、体验习得正确的价值观、活动方法、操作技 能和认识能力。体现了以学生为中心，也实现了互动的学习方式。 学习情景越真实，越接近学生已有的知识经验，就越能有效地促进学生对 新知识地理解。把学习置于真实的或接近真实的情境之中，从而使学习能适应不 同的问题情境，在实际生活中能有更广泛的应用。所以在动画创作中要贴近现 实生活中的真实素材，反应现实生活中的真实问题。另外动画的创作要符合客 观事实，所涉及的知识和方法必须是真实的，符合科学规律的。不同于一般的 娱乐性的游戏软件。 2 1 4 视觉心理学理论与三维动画制作 据有关调查资料显示，人类获取信息的8 3 来自视觉。学习者是通过各种 感官来感知事物的各个属性的，其中最重要的就是视觉。三维动画制作的流程 包括故事板的设计、模型制作以及预演，3 d 动画制作、材质制作、灯光制作、 特效制作，渲染，后期合成等过程，其中模型的制作包括场景、道具、角色模 型的制作。制作中需要根据预期的教学目标，在计算机的屏幕窗口资源中完成 这些要素的呈现设计。 在视觉认知上，人类接收外界的信息首先就要对所知觉的事物产生注意。 阱1 所以在设计的过程中要考虑如何引起学生对于教学活动的注意，进而使得学 习者接收教学讯息并形成记忆而达到教学目的。 视觉心理学是在格式塔心理学的基础上发展起来的，格式塔心理学强调知 觉经验虽然是来自外在的刺激，各个刺激可能是分散的，但是个人所得到的知 觉却是有组织的整体。重要的是各部分之间的相互作用。换而言之，我们的大 脑必须根据我们以往的经验和我们的基因中所体现的远古祖先的经验，通过发 现各个部分的最优组合，主动地构造这些“整体。这种组合最有可能对应于真 1 6 四川师范大学硕士学位论文 实世界中某个物体的有关方面。所以在模型制作时我们可以将日常生活环境作 为参考。 视觉心理学理论对游戏化教育软件中的艺术设计有着指导的作用。在设计 。的时候要把握这些要点，比如对于一些重点和难点知识，不仅用文字进行介绍， 还可以化静为动，使学生清楚地注意到事物变化的过程和特征。给学生以刺激 以引起他们的注意，促使其积极思考并主动参与学习。制作中不能一味追求技 术含量和花哨的效果，力求简洁实用，防止分散学生对学习对象的注意力，要 与教学效果达到较完美的结合。不同的场景可采用为不同的空间结构、使用不 同的色彩以此来改善学生的视觉环境。 2 1 5 经典动画理论陉印 d i s n e y 公司的传统动画理论核心是1 2 条法则。它们是指导d i s n e y 公司所 有动画制作的理论基础。无论是二维的还是三维的，手工绘制的还是计算机生 成的，要想达到真实生动的动画效果，就必须在一定程度上遵循这些法则。 对游戏艺术设计人员而言，了解这套理论可以帮助设计人员更好的完成作 品。主要表现在以下三个方面： 第一，动画和游戏有很密切的关系。游戏中广泛使用了片头动画和过场动 画。对中小型公司或者个人而言，如果没有专业的动画师参与，这些片头动画 和过场动画必然要由游戏美工来完成。如果缺乏对动画理论的认识，必然导致 片头动画和过场动画的低劣乏味。 第二，游戏的实时画面中的角色动作，除了使用成本比较高的动作捕捉技 术( m o t i o nc a p t