基于Unity3D的小学科学教育游戏的设计与开发

Microcomputer

Applications

Vol.

37,No.

1,2021文章编号:1007-757X(2021)01-0044-03基金项目微型电脑％用2021年第37)第1期基于Unity3D的小学科学教育游戏的设计与开发周雪薇(东北石油大学计算机与信息技术学院，黑龙江大庆163318)摘

要：针对小学科学课在教学过程中缺乏的相关器材设备或者不重视相关教学实验，只能单独接受书本知识，导致学生在

教学过程中缺乏相应的实践过程等问题，借助Unity3D设计开发出一款基于小学科学的教育游戏系统。该系统以小学科学

为教育内容，设计并实现游戏中所包括的基本功能，包括角色控制、背包系统和答题系统等。该教育游戏能够更好的辅助教

师教学，改善学习者传统的学习环境，让学习者在愉快的学习环境中轻松的学习°关键词：Unity3D&小学科学；教育游戏中图分类号：TP37

文献标志码：ADesign

and

Development

of

Elementary

Science

Education

Game

Based

on

Unity3DZHOU

Xuewei(School

of

Computer

f

Information

Technology,

Northeast

Petroleum

University,

Daqing

163318,

China)Abstract:

Because

of

the

lack

of

related

equipment

in

the

teaching

process

of

the

primary

school

science

class,

or

not

paying at-

entiontotherelevantteachingexperiments,thestudentslackthecorrespondingpracticalprocessintheteachingprocess,and

canonlyacceptthebookknowledgeseparately

Asetofprimaryscienceeducationgamesweredesignedanddeveloped

This

paperdescribedtheprocessofdevelopingaprimaryscienceeducationgamesusingtheUnity3Dengine,summarizingthefunc-

ionsimplementedinthegame,includingcharactermovementandperspectiveconversion,characterdialogue,backpacksystem

and

answering

system.

The

educational

game

can

better

assist

teachers

in

teaching,

improve

the

learner's

traditional

learning

environment,

words:

Unity3D；

primary

science；

education

game动元素，将小学科学与教育游戏紧密结合，旨在借助教育游

0引言目前国内外对于教育游戏的探索达到了一个蓬勃发展

阶段，国外对于教育游戏的研究可以说是捷足先登，起步早,

自然也相对成熟，比如加拿大的Inlight

Entertainment公司

戏的特点，帮助学生在游戏中学习科学知识，同时提升学生

的科学素养和解决实际问题的能力，更好地促进学生的学习

与发展&以其成熟的设计技术和游戏内容，以及多样性的游戏类型深

受学校、教育机构等的欢迎，目前可以用于数学、英语等多门

1总体设计1.1

系

统设教育游

设计是教育游

发

提,

学科(1)。近年来，国内的教育游戏研究也取得了一定的成

效，在市场上陆续出现一些优秀的教育游戏作品&

2004年,

珠海奥卓尔软件公司、华南师大未来教育研究中心等机构合

教育游戏设计对于整个开发过程是至关重要的本游戏所开发

的基于Unity3D的教育游戏一一科学探险是一款小学科学

作组建了国内第一个以搭建游戏化教学平台为己任的研究

团队，并在桑新民教授的指导下开发了一款名叫“奥卓尔游

游戏，也是一款角色扮演类探险游戏。通过查阅资料和素

材,对小学科学六年级课本知识进行深入了解，结合教育游

戏设计的一般模式&首先进行开发前的教学分析，分别是学

习者分析、需求分析、教学内容和目标分析，然后进行游戏的

戏化学习世界”的教育游戏，该游戏能够将知识与游戏进

行完美的融合中，让学生在玩中学，学中玩，充分吸引学生的

兴趣，提高学习效果等&虽然在国内外目前有不少公司和研

究机构开发了应用在中小学课程的教育游戏，但是基本上都

是针对语文、数学、英语、物理、化学等传统学科，在小学科学

学科方面的教育游戏，是少之又少&设计，分别是游戏故事设计、人物角色设计、游戏任务设计、

游戏脚本设计、游戏界面设计和游戏交互设计，然后进行具

体功能设计，接下来就可以进行游戏的开发，分别是开发工

具的选择、游戏场景开发和游戏模型开发，最后是测试与发

本文基于Uiy3D与3DS

Max,设计开发出一款小学科

学教育游戏《科学探险8通过创建虚拟情景，加入游戏化互

布，开发模式，如图1所示&基金项目：黑龙江省教育科学“十三五”规划2017年度重点课题(GBB1317018)作者简介：周雪薇O994-),女，硕士，研究方向：教育技术理论与应用&・44・

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1,20211教育游戏设计基金项目微型电脳％用2021年第37

)第1期具体功能设计教学分析学习者分析

(小学生)■教育游戏开发使用工具和机械进行垃圾分类图1教育游戏开发模式结合教育游戏的特点和小学科学课的教学目标与内容

板、房间等；②

需要几何体组合和变形，改变几何体相应的结合点

进行基础建模，像是羊角锤、螺丝刀等；对游戏的总体设计进行分析，本文鉴于教育游戏的可实现

性，选择3个知识点内容进行设计开发，分别是动植物分类%

工具与机械和垃圾分类&③

模型进行贴图建模，物体的模型不要求特别逼真，像

1.2

系统开发框架是电视机，木箱子。模型材质的处理主要有直接对模型添加

相应的颜色和采用PS处理相应的图片进行贴图。(1)框架搭建本教育游戏系统支持PC端，手机与平板电脑等多种终

在建模过程中，模型优化将直接影响游戏的运行效率与

渲染负担&常用的优化方法减少布尔操作、避免三角面建模

端使用。具体框架图，如图2所示&与四边面建模混用、删除多余面片、修正布线以及模型附加

等。通过优化,将明显提高模型的渲染速度⑷。具体建模流

程，如图4所示&图2系统架构图该框架最下层的是文档、视频等作为数据层&在逻辑

层，通过Unity3D引擎编写逻辑控制，集成为数据管理系统%

物理模拟系统、音效系统、背包系统和测试系统。管理系统

之上的是游戏的任务模块：工具与机械模块、动植物分类模

块和垃圾分类模块作为显示层&本教育游戏的关卡流程，如图3所示&图4建模流程图图3关卡流程图玩家进入游戏后，阅读操作说明后，可以任选“开心农

场”、“机械谜题”、“绿色守护者”3个关卡其中一个场景作为

(3)模型导入与场景搭建将3DS

Max软件中导出的FBX格式模型导入Unity3D

的Asset文件夹下，Unity3

D会自动识别模型、材质等在

Unity3D

面以

,

面

数

%游戏的开始，进入到相应的场景，并最终会经历所有环节，完

成3个关卡中所有任务后，进入“最后的试炼”关卡，通过选

等物体，从而营造出较为真实的虚拟环境，增强学习者的投

择题的形式，测试玩家对于前3个关卡相应知识点的掌握情

入度，利于知识和技能迁移&况，最后闯关成功。(2)场景模型建模按照编写的游戏脚本，将场景中所需要的模型，如关卡

2关键技术2.1角色控制实现游戏设计并实现两种性别的虚拟角色，可供玩家选择,

中所需要的房间、管钳、羊角锤、螺丝刀和箱子等相关模型进

行建模&建模工具所用软件为3DS

Maxo游戏中所需要的

角色选择通过预先设计好男女角色的预设体，两个角色放在

同一个场景的相同位置上，当游戏开始时，鼠标点击选择角

模型的制作主要分为3个方面&利用标准的基本几何体组合制作简单的模型①，如木

色按钮后，通过“bprefab.

SetActive

(

false)和

gprefab.

SetAc-45

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1,2021tive(true)”方法显示选定角色，未选用角色执行destroy方

法

销毁&整个游戏采用第三人称

基金项目微型电脳％用2021年第37

)第1期private

string

objName；//工具名称private

int

count；//工具数量private

int

level；//工具层级private

bool

isCanAdd；//工具是否可添加private

int

maxAdd；//工具最多可添加数键WSAD!

1)第一人称

标右键进行视角转换&色上新建脚本role作为

物移动脚本，在inspector界面设置一

speed,作为人物，若键盘按。利用函数GetKey#监听键盘

3(2)

与显

能下WASD四个按键时，则触发语句，利用transform.

Trans­能设计为当游

，同时物体

物触碰物体，点击物体，物体背

form

方法(三维方向向量"系统

第一人称人物

物⑵：转换"

，从

)，就能第一人称片显

上&

，先景中物体时,，则销

物定方向

声明一个数组List,对物体

机发出射线，若射线与

储，在点

物体

体，并将该物体

围及远近泛型List中。之后调用Show#方法，遍物体，通过List中物体

景中都能通过鼠标和键盘

List

称作为查询条缩放

，与角色

，乡

同理！

转

，就件，利用Resource.

LoadO)

的

Source

Image

上

&(3$背

用定监听，若点

载，显

上本代码来

本后将

相机&其中头的远近，对大小&

标右键

色与

和

方向，鼠标滚轮

设置！

方法

&相机一

，则会根据按钮的称找到

片，将

片

标位置上&首xRotation+=

Input.

GetAxis#Mouse

X”)

"

rotSpeed

"

标位置，然后

GUI.

DrawTexture完成Time.

deltaTime；&Rectrect

e

new

Rect(mousePosUx,

ScreenUheight-

yRotation-

=

Input.

GetAxis (“Mouse

Y”)

"

rotSpeed

"

Time.

deltaTime；mousePos.y,

200,

200)；xture(rect,

sp)；点击之后的效果，如图6

xRotation=

Clamp

Angle (

xRotation,

xMinLimit,

xMax-

Limit)；:。yRotation

=

Clamp

Angle

(

yRotation,

yMinLimit,

yMax-

Limit)；2.2

背包系统功能背包系统是GUI的重要组

，游戏界面设计利用UGUI设计

的物体在背包系统

背包系统会根据

设计窗体方格 金币％

、螺丝、钥匙等相关工具。当物品

，通过物体的ag标相同

，则将图6使用工具效果图背包内物品

检测&若背

物品数

标加1;若

品，如图5

，则按窗格顺序自动放置物&2.3

答题功能本功能作为游

后一关，测试玩家

游

后对识 握

&设计为

与

家方

答题。双方设

识

，由玩条，如图7

&图5

“背包系统”功能展示是3

背包系统

，分别是背

显示图7答题界面上面是双方血条,

，题目内

与隐 能、物品

与存储功能和鼠标

物品功能&(1)背包设计针

背包内

物品声明一个工具类，包括工具据前几关的学习

识

提问&

后一关，也

玩家方答对，则怪物掉ID,工具名称，工具个数等。通过UGUI在Canvas下，添加

背包界面的搭建,

，相反，若玩家方答错,

掉血，若怪物

为0,称与物体相

&考试，掌握了相关技能public

class

ItemEntity

{private

string

objld；

//工具

ID与知识；若

为0,

,

重新(下转第51页)答题或重新学习&

46

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1,2021[4(

陈淑芬.数字校园网中基于慕课学习的系统设计[J(.

信息通信，2018(10)：83-85.基金项目微型电脑％用2021年第37)第1期[10( Zhang

Chunhua,Xi

Xiaoliang,

Liu

Songtao,et

al

A

mesoscaleeddy

detection

method

ofspecificintensity

and

scale

from

SSH

image

in

the

South

China

Sea

and

[5(

黄冬经.基于MVC的慕课系统设计与实现[D(南

宁：广西大学2018the

Northwest

Pacific

[J(.Science

China

Earth

Sci-

:6

(

丁然.交互式慕课教学系统设计与研究[J(安阳师范

学院学报，2019(10))07111.:7

(石晶，史永恒.基于开源系统的校园慕课平台研究与

ences2014

8))382-294.[11(

Sommer

Max；

Ritzhaupt

Albert

D；

Muller Keith

E；

Glueck

Deborah ormation

ofaface-to-face

workshop

into

a

Massive

Open

Online

Course

开发[J(软件导刊(教育技术)，2017(12)：

78-80.[8

(

郁文娟.大学数学慕课系统设计与研究信息技术

与信息化，2019(10))65167.(MOOC)

)A

design

and

dev[J(.

Journal

of

formative

design

in

learning

2019

,

(12)

557-565.[9(

Richard

Hannis

Ansah；

Ogechukwu

Vincentia

Ezeh；

Tan

Seng

Teck； Shahryar

Sorooshian.

The Disruptive

[12(

Wu

Qiang,Christopher

J

C,

Burges

Krysta, et

al

A­dapting

boosting

forinformation

retrieval

measures

Power

of

Massive

Open

Online

Course

(MOOC)[J(

InternationalJournal

of

Information

and

Education

Technology

2020(1))432-438[J(.InformationRetrieval2010(3))1322-1335.(

)2020.03.24)(上接第46页)(1)

试题的存储与读取游戏中设计的题型是选择题，试题信息存储在XML文

件根节点list下的子节点item中，每个item结构包括：tmxh

3总结本文借助Unity3D引擎，以小学科学课内容为背景设计

一款教育游戏。首先介绍国内外教育游戏的研究现状&其

次是对游戏进行总体设计包括确定教育游戏的开发模式，系

(题目序号)、xa(选项A内容)、xb(选项B内容)、xc(选项C

内容)、zqda(正确答案)和stnum(试题数目)首先对XML

试题文件进行解析，操作步骤如下&统开发框架以及关卡流程图。最后是对系统的功能进行开

发&将小学科学与教育游戏的灵活性与趣味性进行了很好

的融合，为游戏化学习和教育游戏的开发和设计提供一种思

a.

利用XmlDocument解析并且加载XML试题文件的

内容；路&本系统能够使学习者在虚拟化的环境中发挥学习主体

作用、充满体验的乐趣和探索精神并弥补了实验器材不

b.

获取list节点下的所有item中的试题信息；足所带来的缺陷等问题。但本系统仍然存在一些不足之处,

如交互功能的设计上以及游戏界面的美观上还需要进一步

c.

构造结构体并声明结构体数组存放试题信息；d.

将获取的试题信息加载到试题的结构体数组，实现对

试题的解析。此外，从XML中解析出的试题会打乱顺序，使用随机

数

r=

Random

Range(i,num

Length),改进，这就需要后续完善。参考文献[1(

水卿梅.教育游戏在小学科学教学中的应用与探究

的题目顺序不同&[D(.成都：四川师范大学2011.[2(刘慧磊.关于“食物相克”严肃游戏设计与开发[D(宁

)

大学

2015U[3(李彤彤，马秀峰，马翠平.教育游戏的情感化设计探究

(2)

题目显示与点击选项实现在解析xml文件之后，获得对应的试题内容、试题选项

和正确答案。在OnGUI函数中，通过GUI.

Label)函数实

现在特定位置显示试题内容，通过if

(GUI

.

Button

())判

定选择的选项，并与正确答案进行比对，正确则获得相应分

[J(现代教育技术，2010,20(9))234.[4(

刘卓炫，刘贤梅，赵娅.基于Unity3D的机械清罐作业

仿真培训系统的设计与实现[J(微型电脑应用，2017,

338))4-8U数，错误则不得分。(3)

血量的显示与计算通过UI的slider实现血条，设计变量human_currHP

表示当前血量，human_

MaxHP表示最大血量，二者相除所

[5(

沈旭霞，贾欣欣，满强，等.基于Unity3D的防喷演习系

统的设计与实现自动化技术与应用，2016,35(7)：

139-142.[6(

李遇涵.基于Unity3D的虚拟校园漫游系统的研究

得的值为slider的值&slicder_human.

value

=

human_curHP

/

(float)human

_

MaxHP；设置

[D(.武汉：华中科技大学2019.[7( 陈瑞玲.STEM理念下基于Unity3D的游戏化学习环

境设计与开发[D(.沈阳：东北师范大学2018human_currHP

和

大

mon_cur-rHP为50以及每道题的伤害值为10,如果答错问题，当前

生命值10,若在updateC)函数检测到人物的当前血量为0,

则闯关失败;若怪兽的血量为0,那么闯关成功。[8(

钟正，陈卫东.基于VR技术的体验式学习环境设计策

略与案例实现中国电化教育，2018(2):5158.(

)20191025)51・