（教育技术学专业论文）人工智能技术在教育游戏中的应用.pdf

摘要 人工智能是一门极富挑战性的科学，总的来 兑，其目的就是让计算机能够像人一样 思考。同时，人工智能技术具备一种潜力，它可以通过提高效率、加快设计和实验速度 等方式改善游戏开发的过程，并且在正确使用的情况下可以提高最终游戏产品的质量。 因此，在教育游戏中引入人工智能技术，不仅能改变教育游戏固有的模式，增加教育游 戏的可玩性，提高学生的学习效率，还能促使学生了解先进的科学技术，开阔学生的视 野，培养学生的兴趣。 如今计算机游戏正变得越来越普及，特别是随着人工智能理论研究的进展，许多现 代游戏都具有了很多的智能成分。如何理解智能? 游戏人工智能是什么? 有哪儿些人工 智能技术可以应用到教育游戏之中? 人工智能技术又该如何融入教育游戏之中? 这些 都是摆在教育游戏开发者面前的问题。 为了推进人工智能技术在教育游戏中的有效应用，本文在研读大量文献的基础上， 结合教育游戏的现状和游戏人工智能的特点，分析了人工智能应用于教育游戏的优势， 进而在此基础上提出了人工智能应用于教育游戏的新方向智能教育游戏，并指出了 智能教育游戏与一般教育游戏以及智能游戏的异同之处。接着深入剖析了智能教育游戏 的组成元素，为如何设计智能教育游戏提出了自己的见解。最后，以上述的研究结果为 依据，自行设计游戏脚本，开发智能教育游戏案例以佐证本文的观点。 本文创新之处在于：总结了目前游戏人工智能的五种不同的观点，并根据自己的理 解，对游戏人工智能、教育游戏人工智能和智能教育游戏的概念进行了界定：指出了智 能教育游戏的研究对象；指出了游戏人工智能与教育游戏人工智能的异同，智能教育游 戏与一般教育游戏、智能游戏的异同；总结了教育游戏人工智能的设计开发原则；探讨 了人工智能应用于教育游戏的优势所在。 论文中采用了小范围的实验调查，所以结论还需要在更大的范围内进行检验和修正。 在后续的研究中，将进一步研究如何在现有教育游戏技术水平基础上加入更多、更新颖 的人工智能，以更好的促进人工智能和教育游戏的结合，希望能够设计出能被玩家接受 的优秀的智能教育游戏产品。 关键词：计算机游戏，教育游戏，人工智能，应用 a b s t r a c t a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei sac h a l l e n g i n gs c i e n c e ，i ng e n e r a l ，w h i c ha i m sa tt oa l l o wt h ec o m p u t e rt o t h i n ka sp e o p l e a tt h es a m et i m e ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yh a sap o t e n t i a lw h i c hc a ni m p r o v et h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fg a m eb yr a i s i n ge f f i c i e n c y , s p e e d i n gu pt h ed e s i g na n de x p e r i m e n t a ls p e e d a n di n t h ec a s eo fc o r r e c tu s e ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yc a l li m p r o v et h ee n d p r o d u c tq u a l i t yo fg a m e t h e r e f o r e ，w h e nw ei n d u c et h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yt ot h ee d u c a t i o n a lg a m e ，n o to n l yt h em o d e o fi n h e r e n te d u c a t i o nc o u l db ec h a n g e d ，t h ep l a y a b i l i t yo fe d u c a t i o n a lg a m ei si n c r e a s e d ，a n dt h el e a r n i n g e f f i c i e n c yi sr a i s e d ，b u tt h a tm a k e ss t u d e n t su n d e r s t a n da d v a n c e ds c i e n c et e c h n o l o g y , b r o a d e nt h e i rv i s i o n a n dt r a i nt h e i ri n t e r e s t n o wc o m p u t e rg a m e sa r cb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp o p u l a r , e s p e c i a l l yw i t ht h ep r o c e s si nt h es t u d y o fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et h e o r y , a n dm a n ym o d e mg a m e sh a v eal o to fi n t e l l i g e n tc o m p o n e n t s 。t h e nh o wt o u n d e r s t a n dt h ei n t e l l i g e n c e ? w h a ti st h eg a m ea i ? w h i c ha r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yc o u l db e a p p l i e dt oe d u c a t i o n a lg a m e ? a n dh o wa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yc o u l db em e l ti n t oe d u c a t i o n a l g a m e ? t h e s ei s s u e sa r ep l a c e dt ot h ee d u c a t i o n a lg a m ed e v e l o p e r s i no r d e rt o p r o m o t et h e e f f e c t i v e a p p l i c a t i o n o fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yi n t h e e d u c a t i o n a lg a m e ，t h i sp a p e rb a s e do nal a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e s ，c o m b i n e dw i t hr e s e a r c hs t a t u so f e d u c a t i o n a lg a m ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fg a m ea i ，a n a l y z e st h ea d v a n t a g e sf o ra r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea p p l i e d t oe d u c a t i o n a lg a m e t h e r e b y , o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rp r o p o s e san e wd i r e c t i o nf o ra r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a p p l i e dt oe d u c a t i o n a lg a m e i n t e l l i g e n te d u c a t i o n a lg a m e ，a n dp o i n t so u tt h es i m i l a r i t i e sa n dt h e d i f f e r e n c e sf o ri n t e l l i g e n te d u c a t i o n a lg a m ea n de d u c a t i o n a lg a m e a sw e l la si n t e l l i g e n tg a m e t h e n ，t h e p a p e ra n a l y s e si n t e l l i g e n te d u c a t i o n a lg a m ee l e m e n t s a tt h es a m et i m e ih a v eg i v e ns o m ea d v i c eo nh o w t od e s i g ni n t e l l i g e n te d u c a t i o n a lg a m e f i n a l l y , 1d e s i g nt h eg a m es c r i p ta n dd e v e l o pa l le d u c a t i o n a lg a m e c a s et op r o v em yv i e w p o i n td e s c r i b e da b o v e t h ei n n o v a t i o no f t h ep a p e ri st h a t ：s u m su pt h ec u r r e n tf i v ed i f f e r e n tp e r s p e c t i v eo f t h eg a m ea i ， a n da c c o r d i n gt om yo w nu n d e r s t a n d i n g ，d e f i n e sg a m ea i ，e d u c a t i o n a lg a m ea ic o n c e p ta n di n t e l l i g e n t e d u c a t i o n a lg a m ec o n c e p t ；p o i n t so u tt h eo b j e c t so fs t u d yf o ri n t e l l i g e n te d u c a t i o n a lg a m e ；p o i n t so u tt h e s i m i l a r i t i e sa n dt h ed i f f e r e n c e sf o rg a m ea ia n de d u c m i o n a lg a m ea i ，i n t e l l i g e n te d u c a t i o n a lg a m ea n d e d u c a t i o n a lg a m e ，a sw e l la si n t e l l i g e n tg a m e ；s u m m a r i z e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r i n c i p l e s ；a n a l y z e s t h ea d v a n t a g e sf o ra r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea p p l i e dt oe d u c a t i o n a lg a m e d u et oc o n d i t i o nl i m i t e d ，t h ee x p e r i m e n ta d o p t sas m a l ls a m p l e ，s ot h ec o n c l u s i o nn e e d st ob e v e r i f i e da n dr e v i s e di nt h el a r g e rs c o p e ，i nf u t u r e ，r e s e a r c hw i l lb ef u r t h e rs t u d yh o wt oa d dm o r ea n dm o r e i n n o v a t i v ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et oe d u c a t i o n a lg a m eb a s e do nt h ee x i s t i n gt e c h n i c a ll e v e l ，s oa st ob e t t e r p r o m o t i n gt h ec o m b i n a t i o nw i t ht h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n de d u c a t i o n a lg a m e s ，a n dih o p et od e s i g n e x c e l l e n ti n t e l l i g e n te d u c a t i o n a lg a m ew h i c hc o u l db ea c c e p t e db yt h ep l a y s k e yw o r d s ：c o m p u t e rg a m e ，e d u c a t i o n a lg a m e ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a p p l i c a t i o n j v 插图和附表清单 图l 一1 游戏a i 的发展年表8 表1 1a l 技术应用现状：9 图1 2 人工智能在每个游戏类型中应用的比例9 图1 3 论文结构图。l l 图2 1 游戏a l 系统的典型结构2 1 图4 1 智能教育游戏与游戏、教育游戏、智能游戏的关系3 5 图4 2 智能教育游戏的研究对象3 8 图5 1 片头4 8 图5 2 室外场景一4 8 图5 3 室内场景4 8 图5 - 4 打斗场景一4 9 图5 5 走廊4 9 图5 - 6 教室4 9 图5 7 整个游戏框架5 0 图5 8 练部分游戏框架5 0 图5 9 考与评部分游戏框架5 1 图5 10 答题情况5 6 图5 11 考试结果5 6 表6 一l 问卷调查数据结果5 9 图6 1 游戏案例四部分的受欢迎程度6 0 x l 独创性声明与论文使 j 授权说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：魁日期：丛：止 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学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，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名：墨数蟹导师签名：i 鱼兰丝同期： o 8 吾ls 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及问题的提出 1 1 1 课题研究背景 ( 1 ) 游戏产业的飞速发展 游戏是一新生事物，但游戏的发展却很迅速，且己自成产业。在国外，游戏开发经 历了2 0 余年的风风雨雨，现已成长为一个高技术、高利润和高速发展的行业。在中国， t 游戏特别是网络游戏，构成了i t 行业中新型的利润增长点。中国出版工作者协会游戏 出版物工作委员会( g b c ) 与国际数据公司( i d c ) 的2 0 0 7 中国游戏产业报告指出：截 至2 0 0 7 年1 2 月，中国网络游戏用户数已达到4 0 1 7 万，比2 0 0 6 年增长2 3 ，预计2 0 1 2 年中国网络游戏用户数将达到8 4 5 6 万，2 0 0 7 年到2 0 1 2 年的年复合增长率为1 6 ，高于 互联网用户数增长率，同时报告指出，2 0 0 7 年，中国网络游戏市场实际销售收入为1 0 5 7 亿元人民币，比2 0 0 6 年增长6 1 5 ，预计2 0 1 2 年中国网络游戏市场实际销售收入将达 到2 6 2 3 亿元人民币，2 0 0 7 年到2 0 1 2 年的年复合增长率为1 9 9 1 1 1 。如此之高的增长率 充分说明了中国的游戏产业正处于快速发展时期，中国网络游戏市场己成为全球最关注 的市场，也成为互联网行业最受关注的应用之一。 ( 2 ) 游戏人工智能重要性的不断上升 游戏人工智能是人工智能科学技术领域一个新兴的、活跃的学科分支，是计算机游 戏和人工智能相结合的产物。人工智能是近几年游戏业界的焦点所在，随着人工智能理 论研究的进展，许多现代游戏都具有了很多的智能成分。 而采用大量的游戏人工智能显然是使你的游戏鹤立鸡群的重要手段之一，高质量的 游戏a i 已经不再是为提高游戏运行速度才予以考虑的东西，它现在已是和图形或声音 一样，成为游戏设计过程的极为重要的一个部分，它是促进还是阻碍游戏产品畅销的 个决定性因素1 2 】。目前，越来越多的游戏公司宣称他们的游戏丌发项目中包括至少一名 专业a i 程序员，而越来越多的游戏开发者正竭尽所能研究新的a ij 支术，以藉此构筑更 好、更聪明的游戏a i 。他们想要探索新的理念，使a j 技术进入下一代，到那时，a i 不 仅是要创造有趣的游戏对手，而且还要使这个对手能够与玩家交谈，能和众多的在线冒 险家周旋，能在一个一个的游戏中不断学习，使它在f 一轮的游戏中变得更加聪明机智。 人工智能技术在教育游戏中的应用 目前，游戏开发中的人工智能正处于一场革命之中，人工智能的迅速发展必将推动整个 游戏产业的飞速发展。 ( 3 ) 教育游戏的缓慢发展 游戏的飞速发展与我国教育游戏的缓慢发展的现状形成了鲜明的对比，在我国，人 们对教育游戏认识模糊，虽对其恐惧、排斥心理有所缓减，但误解仍然存在。 教育游戏的应用比较少，已有的应用也仅仅局限于小学阶段的某些科目上，在中学、 大学教育中几乎见不到，这块肥沃的土壤开发者寥寥无几。现在进行教育游戏研发的单 位中公司企业居多，商业性比较强，而且游戏结果单一，说教内容过强，一旦游戏者熟 悉了游戏之后，游戏就没有太大的吸引力【3 1 。另外，在游戏与教育知识点结合方面，当 前的教育游戏软件仍存在一些不足，游戏与知识内容完全分离，知识内容没有真正的融 入游戏中。 种种情况表明，教育游戏这个新兴的领域虽然已经逐渐走入人们的视野，但是如何 既能很好的体现教育意义，又能抓住青少年玩家，还是教育游戏制作者面临的最大挑战， 从中也反映出了教育游戏在可玩性上存在的问题，这为笔者提出问题并开展研究建立了 研究基础，显示出本研究开展的必要性。 1 1 2 问题的提出 如何激发学生尤其是一些动机不强的学生的学习动机，是知识教育工作者孜孜以求 的问题。近年来，网络游戏的快速发展似乎给该问题提供了一个新的解决思路，许多专 家认为游戏可以使得学习更有趣，从而可以激发学生的学习动机( 如m a l o n e ，1 9 8 0 ) 。 同时有研究指出，游戏是吸引人并且可具有教育意义的( p r e n s k y2 0 0 0 1s q u i r e2 0 0 3 ) 。 将计算机游戏运用在教学可增加学习乐趣，鼓励学生学习原本觉得乏味的题材，使其在 游戏的世界中愿意投入更多时间与精力去收集资讯、解决问题并在过程中学习，引发学 习动机( k i r r e m u i r & m c f a f l a n e ，2 0 0 4 ) 。 对于在游戏化环境中成长起来的年轻人，m a r cp r e n s k y 在其专著数字化游戏学习 中称之为“游戏的一代”1 4 】。“游戏的一代”这个称呼不仪仅适用于美国，在中国同样 适用。青少年喜欢玩游戏，不是地域性的问题，而是一种普遍的现象。随着计算机技术 和网络技术的飞速发展，越来越多的青少年沉溺于计算机游戏中无法自拔，计算机游戏 被视为洪水猛兽，家长、教师无法阻止这种现象；这促使一些学者致力于教育游戏的设 2 第一章绪论 计开发研究，期望以教育游戏这种健康的计算机游戏释放青少年的学习压力，并能 让其在游戏过程中学到有益的知识。 在此情况下，如何进一步发掘游戏的教育价值? 如何有效地将人工智能技术应用到 教育游戏中来，更好的开发出带有智能性质的教育游戏，使游戏对手更加聪明，从而增 加教育游戏的可玩性，进一步提高学习者的学习效率? 通过长期关注新技术及其教育游戏应用方面的理论与实践研究，笔者发现人工智能 技术在游戏中的地位越来越重要，由于人工智能技术具备一种潜力，它可以通过提高效 率、加快设计和实验速度等方式改善游戏开发的过程，并且在正确使用的情况下可以提 高最终游戏产品的质量。尤其在最近几年中，智能游戏得到了长足的进步，一些公司己 经开始尝试从人工智能领域发展出更加高级的技术，如遗传算法和神经网络，从而使当 今的智能游戏比以前的游戏更加丰富有趣。由于三维渲染的硬件设备和游戏的图形质量 已发展到近乎极致的地步，人工智能已经成为决定每个游戏的成功以及相关的游戏开发 工作室命运的重要因素。 另外，要制作出吸引青少年的游戏，除了当前强调的要借用多媒体手段如音乐、画 面，更为重要的还要有符合青少年情感需求的情节。这样来看，教育游戏设计开发中， 不但要捕捉当前社会青少年的兴趣热点，而且还要把其巧妙地揉合进游戏。鉴于当前青 少年不愿学习、厌学现象大面积地存在，笔者认为将人工智能技术引入教育游戏之中， 设计开发出的智能教育游戏不仅会给学生带来更多的乐趣，也会改变现在的教育游戏的 固有模式。因此，通过对教育游戏、人工智能技术，以及人工智能应用于教育游戏后所 带来的影响的研究与探讨，笔者在本论文中提出了自己的一些看法及建议，希望能引起 广大教育工作者及教育游戏制作者的思考和启示。 1 2 教育游戏现状及游戏人工智能现状 1 2 1 教育游戏发展及应用现状 ( 1 ) 国外教育游戏应用现状 理论研究现状 如何设计开发出学生满意、家长和教师放心的教育游戏是游戏在教育应用中所面临 的最大挑战。国外学者对于教育游戏设计丌发理论方匝j 做了大量的研究，并提出了许多 人1 ：智能技术在教育游戏中的应用 设计开发模式和方法。如：k r i s t i a nk i i l i 根据体验式学习理论、沉浸理论和游戏设计理 论提出了教育理论与游戏设计整合的体验式游戏模型。此模型强调在教育游戏中向学习 者提供即时反馈、清楚目标以及与他们技能水平相适合的挑战的重要性。在教育游戏设 计开发中应用这个模型，能使教育理论和游戏设计理论比较好的结合1 5 j 。a l a n a m o r y l ， r o b e r ts e a g r a m 在对教育理论、游戏设计、游戏开发以及g o p 模型和p o m 模型分析 的基础上提出了设计教育游戏的便利方法g a p ( 游戏成就模型) 【6 1 。m a j ap i v e c ， o l g ad z i a b e n k o & l r m g a r ds c h i n n e r l 在分析了游戏与学习关系的基础上提出了设计开发 教育游戏的基本步骤，即确定教育方法，在模拟的世界中确定任务，详细的描述细节， 整合入潜在的教育支持，将学习活动设置在界面交互的活动中以及将所要学习的概念设 置在界面交互的目标中l 7 1 。 应用现状 国外教育游戏的起步较早，从8 0 年代美国提出教育游戏一词开始，到现在，教育游 戏的开发运营与市场化都相当成熟。教育游戏的质量较高，覆盖的知识范围也很广。 国外教育游戏的实践方面，主要集中于学校与企业相互合作，设计制作并应用各种 教育游戏。以下为国外比较成功的教育游戏开发商及其产品。 美国的m i c r o s o f t ( 微软公司) 和m i t ( 麻省理工学院) 合作的g a m e s t o t e a c h 项目 致力于下一代交互式教育媒体概念模型的开发，目前已经开发完成了适合于数学、自然 科学和工程学的游戏化教学软件的概念框剁引。 加拿大的e n l i g h te n t e n a i 姗e n t _ “用娱乐开启智慧”公司( 前身为迪斯尼互动游 戏开发部门) 开发出来的游戏内容和设计都很成熟，满足了学生和学校教学的需要。 法国的c r y o 公司和法国c a n a l + 环广公司多媒体分部联合制作的“凡尔赛：宫廷疑 云和“埃及：法老王之墓”，是颇受欢迎的教育游戏。 在韩国，k i d n k i d 是专门为儿章开发计算机游戏的公司，他们开发的“b u b b l es h o o t e r e d u p a n g p a n g ”适合于从5 岁到成年不同年龄的人。而且计划丌发“e n g l i s hp a n g p a n g ， “c h i n e s ep a n g p a n g ”和“j a n p a n e s ep a n g p a n g ”版本，这些教育游戏软件是用来教学生 们学习词语、绘画技能，了解商业用语以及日常用语。“k o r e a np a n g p a n g ”和“m a t h e m a t i c s p a n g p a n g ”已经开发完成，j 下式发行。 另外还有g a m e s 2 t r a i n ( m a r cp r e n s k y 仓j 建) ，已搠有多种类型的教育游戏产品，适合 于各个年龄阶段的人使用，如：p i c k i t ，t h ec h a l l e n g e 等：at o m s h o c k w a v ec o r p 娱乐游 4 第一章绪论 戏开发公司，开发的儿童教育游戏软件主要包括冒险和猜谜游戏，在娱乐的基础上带有 教育的性质，如c h u z z l ed e l u x e ，s n o w y ：t h eb e a r sa d v e n t u r e 等；b o d i n et r a i n i n gg a m e s l l c 培训、教育、娱乐软件开发公司，最近设计开发的“g a m es h o wp r e s e n t e r ”是一款 适合教师教学和学生学习的可多人玩的教育游戏软件等等。 此外还有很多的教育游戏网站，例如：f u n b r a i n ，g a m e o o o ，g a m e q u a r i u m ，l e a r n i n g p a l a n e t 等等。这些网站提供了中小学在线互动游戏，设计精美而且大多数小游戏都是免 费的。 ， ( 2 ) 国内教育游戏应用现状 理论研究现状 目前，国内对游戏与教育是否能够结合仍然处于疑虑状态，探讨大多还是围绕游戏 有哪些教育价值，游戏到底能不能为教育所用，在教育中是否能够引入游戏等方面。另 外，教育游戏软件的设计与开发理论关键就是游戏与教育如何结合，教育游戏的教育性 和游戏性的平衡点如何考虑以及如何设计与开发教育游戏软件。许多学者已逐渐认识到 了设计与开发优秀的教育游戏软件的重要性，在分析游戏以及现存的教育游戏的基础上 提出了一些教育游戏开发模式的基本框架；教育游戏软件的设计策略：建构游戏化网络 学习环境的设计和评价等等，如：黄小玉，王相东在分析教育教学与网络游戏结合时应 考虑的因素的基础上提出三种两者结合的模式：将教育教学的内容自然而然地融入游 戏，联机对战式的批量知识竞答，游戏和教育网站相结合【9 1 ；尚俊杰，李芳乐，李浩文 提出教育软件+ 主流游戏的内在动机的轻游戏”来实现游戏与教育的完美结合【1 0 】；陈 国强提出游戏型网络课程设计的构想等等，这对推动我国教育游戏软件的设计与开发产 生了一定的推动作用。但是目前的研究只是集中在对一个或少部分国内的产品进行分 析、提出设计和开发意见，似乎具有局限性，不能很好地解答如何设计、开发、评价和 应用教育游戏软件，研究还有待进一步扩大和深入。 实践应用现状 国内教育游戏研究的起步较晚，首先将教育与游戏结合起来的应该算是科利华公 司，该公司在2 0 0 0 年推出类似于联众世界的科利华学生智慧世界，几个学生可以一起竞 答问题。还有比较著名的北京娱教网络科技有限公司的“k 1 2 p l a y 快乐教育”；昱泉信息 技术( 上海) 有限公卅的“游戏学章”；传育网络科技( 上海) 有限公司开发的“$ 5 2 0 快 乐学章”；珠海奥卓尔软件有限公司的奥卓尔学习世界；创新未来电脑有限公司的 人工智能技术在教育游戏中的应用 “w a w a y a y a ”；香港意成资讯科技有限公司开发的“一课一练之传说之旅”；成都斯普电 脑科技公司开发的三毛欢乐派；2 0 0 4 年盛大公司推出的号称中国第一款网络教育游 戏的学雷锋；以及盛大网络和联合国粮食计划署( w f p ) 合作推出的一款教育性的 免费单机版游戏粮食力量；2 0 0 6 年北京中教电信有限公司研发推出的大型教育游戏 真知探索等等。 通过以上的分析，可以看出，国外的教育游戏运作流程比较正规，已形成了完善的 系统和操作规范，教育游戏的质量也比较高，教育与游戏的结合没有那么生硬。而我国 在应试教育环境下，迫于升学压力，对教育游戏的认识比较晚，但到目前为止教育游戏 的概念已逐渐被人们接受，相关的研究也不再仅仅停留在理论层面上，开发、运营方面 也正在逐步实践之中。通过分析我们也可以看到，目前国内大多数教育游戏多为角色扮 演游戏和f l a s h 游戏，适用对象大都是中小学生，面向大学生和成人的很少。种种事实 说明，我国教育游戏的研究和实践才刚刚起步，还需要游戏设计者、游戏制作者、教师、 专家等诸多方面人士的共同努力。 1 2 2 游戏a l 的发展及应用现状 游戏中的人工智能这一领域是随着2 0 世纪7 0 年代视频游戏的出现而兴起的。这一 领域最初并不引人注意，而且人们对它的认识也在很大程度上受到七八十年代简单游戏 的影响。即使在今天，智能游戏也总让人联想起古老的p a c m a n 游戏和其中的4 个人物 1 1 1 1 o ( 1 ) 游戏a i 的发展现状 在早期的游戏中，例如上个世纪7 0 年代以前的游戏，由于计算机软硬件水平的限 制，游戏的画面表现力有限，游戏中的角色往往以一些符号、色斑来表示。游戏中的物 体通常没有任何的过程性控制，而是根据特定的简单规则运动，例如1 9 7 2 年a t a r i 公司 开发的一个类似乒乓球的游戏p o n g ，游戏中的乒乓球只是在到达屏幕边缘时按照镜 面反射被反弹回来【1 2 】。 上个世纪8 0 年代以后，一些较复杂的业务型控制台( a r c a d ec o n s o l e ，在公共场合 供游人付费使用的游戏机) 和家用控制台( f a m i l yc o n s o l e ) 游戏机出现，游戏软件的 表现力得到了显著提升。例如在1 9 8 8 年n i n t e n d o 公司开发的( ( s u p e rm a r i ob r o s ) ) ，游 戏中包含了以二二维画面表示的各种各样的角色，已经表现出了一定的智能行为。在这些 6 第一章绪论 游戏的开发过程中，设计人员发明了一些被特定类型的游戏使用的简单但非常高效、巧 妙的算法，这些算法在业界内广为流传，例如序列化的动作脚本，目标追踪与躲避，角 色沿着特定的路线巡逻等等，一些方法甚至在今天的游戏软件开发中仍在使用。这个阶 段；角色的运动往往是确定的，在多次玩一个游戏之后，玩家很容易总结出游戏中角色 的行动规律。然而，由于相应的画面和音效也比较简单，这种总结规律的过程也是当时 游戏的乐趣所在，这样，游戏开发厂商和玩家都没有提升游戏软件中a l 水平的内在要 求。 9 0 年代后期，三维图形技术被广泛地应用于游戏软件。游戏表现力空前提升，游戏 的自由度和互动程度得到进一步提高，“游戏世界”日趋复杂，使得玩家对游戏性提出 了新的要求。开发人员也逐渐认识到人工智能技术在游戏软件中的重要性。简单的、专 门化的算法已无法满足要求，一些在计算机学科的、成熟的数据结构和算法，例如图论、 优化算法等，在计算机游戏中被大量应用。 近几十年，三维图形的软硬件技术，由于其应用的广泛性，以较高的速度发展。在 这方面，只要硬件允许，游戏软件可以直接使用这些技术，例如新近发行的一些游戏的 画面表现力已经达到了以前难以想象的高度。与其相反，游戏软件中的人工智能是一个 相对孤立的领域，而且只是在近几年才得到了开发者的足够重视，这给游戏中角色的人 工智能的开发带来了极大的困难。 图卜1 所示是游戏a i 的整个发展年表【1 3 l 。 7 人r 智雒技术在教育游戏中的廊刚 目茎圣三 l 一”，6 o q ”l 匕= 竺! ! 兰= ! ! ! 兰竺! = ! = 竺! = = ! ! = l 竺j 广i 忑五= = = 三= 亘画i i 忑沛i 司冈 l = ! = 2 1 1 1 1 = = = ! ! = = = l 一l j e 三王三三三三三互三三三三口日 e ! 三至噩噩噩至三三j 回 二三三三三三三三三三三 曰 回 臣三三三三互三三五三三三固田 叵三三三三三三三互三五三国回 e 巫三三互三三三三三三三三三旧 二j 巫三三三三三三三三二二 回 l 。乞= = 嚣糍二：二? 一l 回 r “嚣篇黼。l 田 图i - i 游戏a j 的发展年表 ( 2 ) 游戏a i 的应用现状 如今，谈到游戏a l 的应片j 现状一般都是谈美国游戏企业的a l 应用现状，其巾有 两方面的原因。一方面a i 应用最多的两种类型的游戏f p s 和r t s 都是从美国发展起 来的，他们在这方面比较有经验，比较有发言权。另一方面，美国游戏业在a l 技术上 公开的交流蛀多比较容易了解业界的情况。 s t e v e nw o o d c o c k 曾连续几年在0 d c ( g a m ed e v e l o p m e n tc o n f e r e n c e ) 上对业界a i 技术应用现状进行对比，如表卜1 所示。 第章绪论 表1ia i 拄术应用现状 2 0 0 0 仃争ij 负责a i 的样序员的小绑在业界的卣丹比 d f 8 0 川 ：a i 的c p l 资源 从 表可以看出，近几年游戏a i 的发展迅速。在2 0 0 0 年年仞，个0 门研究游戏 a i 的教授在卡内基梅降大学演讲时还提到游戏叶 a i 一般只占c p u 资源的l j ，而 2 0 0 1 年的报告中就已绎提高到2 5 t ，如例卜2 所而j 川。 3 课题研究意义 31 实践意义 合$ 4 镱略 游戏9 体胃游戒 即叫策略 图i 2 人工智能在每个游戏类型中应用的比例 通过将人i 智能引入教育游戏后，增加了敦舟游戏的町如性，增强了敦育游戏的 动性，时也向玩家提供丁一种合理的挑战，幢学生在玩教，j 游戏的过程巾，可以不知 小觉的学到知口5 ，对改薄教育游戏同有的、单一的现状，学生对教仃游戏不够重视的态 _ i ! | ：起到定的积极作用。 32 理论意义 ) 拓宽了游戏人工智能的研究范尉 人1 ：智能技术在教育游戏中的应用 如今的游戏人工智能正处于黄金发展阶段，各种新的a i 技术正不断涌现，人们正 前所未有的将目光聚集在了人工智能上，游戏开发人员也把更多的精力投入到了游戏 a i 的设计和实现中。但就目前开发出来游戏a i 产品来说，一般都是以服务社会为主， 以娱乐为主，基本上还没有把目光投入到教育游戏中来，本研究致力于将人工智能引入 教育游戏，进一步拓宽了游戏人工智能的研究范围。 ( 2 ) 为教育游戏的发展提供了一个新的思路 进入7 0 年代以来，随着人工智能技术的日渐成熟，它的一些研究成果也被陆续运 用到教学领域之中，“教育中的人工智能”( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei ne d u c a t i o n ) 已经成为 教育技术学领域的热点话题。北京师范大学何克抗教授在当代教育技术的研究内容与 发展趋势中提到，当代教育技术的五大发展趋势之一就是“愈来愈重视人工智能在教 育中应用的研究”。人工智能对于弥补当前教育存在的种种缺陷和不足，推动教育发展 改革和教学现代化进程起着越来越重要的作用。 本研究提出了将人工智能引入教育游戏后产生了新的研究方向：智能教育游戏，扩 大了教育游戏的研究领域，为教育游戏的发展提供了一个新的思路，本研究的设计、过 程，提出的智能游戏实现原则等对于教育游戏的发展有一定的参考价值。 1 4 本文研究目标和章节安排 1 4 1 本文研究目标 在前人已有工作的基础上，经过研究生期间对游戏，特别是教育游戏以及人工智能 在游戏中的应用的研究，并结合在实际中所做的一个智能教育游戏案例，说明了人工智 能应用于教育游戏的优势所在，期望能引起教育游戏制作者的关注，从而更加促进教育 游戏的发展。 1 4 2 本文章节安排 l o 本论文的内容组织结构如图1 - 3 ： 第一章绪论 第一章绪论 u t 。一一。t ，。+ ，。， 。 ? 、 。 第一二章游戏人 第三章教育游 ； ； l ：智能概述戏概述 - 。 + + 一一。- ，。一一 j j 第四章教育游戏人上智能 u 第五章智能教育游戏案 例设计与开发 u i 第六章智能教育游戏案例实验效果的调查和总结 u 第七章总结与展望 图l - 3 论文结构图 第一章绪论。本章针对教育游戏的国内外研究现状及人工智能技术在游戏中应用 的现状作了仔细地总结与归纳，在此基础上提出了本课题的研究目标和研究意义，勾勒 出了论文的整体框架。 第二章游戏人工智能概述。本章指出了人工智能以及游戏人工智能的定义，并分 析了游戏人工智能与学术界人工智能的区别，阐述了游戏人工智能的设计目的，归纳了 人工智能的实现方式以及如今常见的游戏人工智能技术，并总结了游戏人工智能的未来 发展趋势。 第三章教育游戏概述。本章界定了教育游戏的定义，分析了教育游戏的分类、特 点、发展特点、功能、意义，指出了教育游戏存在的问题。 第四章教育游戏人工智能。本章界定了教育游戏人工智能的概念以及智能教育游 戏的概念，区分了教育游戏人工智能与一般游戏人工智能的异同之处，智能教育游戏与 一般教育游戏、智能游戏的异同，指出了智能教育游戏的四个特征，归纳了智能教育游 戏的研究对象及组成元素，闸述了将人工智能技术用于教育游戏的优势，最后总结了智 人工智能技术在教育游戏中的应用 能教育游戏的设计和实现原则。 第五章智能教育游戏案例设计与开发。本章说明了智能教育游戏设计的思路，包 括：确定教育游戏内容、拟定教育游戏目标、设置游戏规则、选择开发工具和丌发环境 以及整个的游戏制作过程，最后是智能教育游戏的评价部分。 第六章智能教育游戏案例实验效果的调查和总结。为了检验所制作的案例在实践 中是否有意义，是否能够达到笔者要求的目标，做了试用本游戏的实验。本章包括实验 的对象、实验的目的、实验方法、调查问卷的设计，以及根据实验数据结果所做的总结 与分析。 第七章总结与展望。本章总结了主要研究成果，也指出了研究不足之处和将来的 研究方向。 1 5 研究方法 本论文主要采用了三种研究方法，分别为：文献检索法、实验研究法和问卷调查法。 1 5 1 文献检索法 人工智能技术自引入游戏中以来，逐渐成为了研究的热点，但相关的研究还不深入， 研究成果较少，特别是人工智能技术在教育游戏中的应用研究成果比较缺乏，为了研究 a i 引入教育游戏后将产生什么样的影响，在研究过程中，笔者通过中国学术期刊全文数 据库、中国优秀博硕士学位论文数据库、中国科技期刊数据库( 重庆维普) 、中国数字 图书馆电子书库等数据库资源，阅读了大量的有关人工智能、游戏、游戏人工智能、教 育游戏方面的文献，同时在河南师范大学图书馆、河南师范大学物理与信息工程学院资 料室等地方查阅了大量的书籍、期刊和报纸等资料，并且登陆浏览了各个相关的网站， 力求为本课题寻找峰实的理论支柱和技术支撑，其中许多有价值