面向公眾的地震宏觀異常信息認知培訓游戲系統(tǒng)1

劉 妍 王 慶 陳 洪 朱德海

（中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

引言

地震的宏觀異常是指人的感官能直接覺察到的地震異常現(xiàn)象（車用太等，2012）。地震宏觀異常的表現(xiàn)形式多樣且復雜，異常的種類多達幾百種，異常的現(xiàn)象多達幾千種，大體可分為：地下水異常、生物異常、地聲異常、地光異常、電磁異常、氣象異常等（車用太，2008）。宏觀異常的大規(guī)模出現(xiàn)常與其后的強震活動相關，中國多次強震短臨預測的成功，在一定程度上依賴于大規(guī)模的宏觀異常（劉成龍等，2004）。地震預報預警的“專群結合”需要公眾對地震異常信息準確、及時的上報，從而減少“專群結合”中信息傳遞、信息鑒別的難度（楊新友等，2010）。但目前普遍采用的地震知識和防災避險能力培訓方法以知識手冊、廣播電視講座、海報宣傳冊等方式為主（馬鳳霞，2010；單修政等，2013；陳昌泳，2013；王英等，2013），信息大多單向傳播，公眾處于被動接收的地位，無法和信息形成互動，缺少有效的溝通和交互，不能激發(fā)公眾的學習興趣。而適當?shù)膶⒂螒蛳到y(tǒng)和防災救災結合在一起，可以提供一種全新的、科學的、娛樂的、易于理解的防災救災的學習方法，使玩家在游戲的過程中學習到科學全面的防災救災知識，真正達到寓教于樂的效果。目前，國內外已將游戲系統(tǒng)應用于醫(yī)療、軍事等各類的培訓，取得了良好的培訓效果。

針對上述問題，并借鑒國內外游戲系統(tǒng)在培訓中的應用方式，本文按照體驗式培訓的實際需求，將地震宏觀異常信息知識歸納整理，構建了地震宏觀異常信息的知識庫。并以此為基礎，結合以目標為驅動的體驗式認知方法，實現(xiàn)了面向公眾的地震宏觀異常信息認知培訓游戲系統(tǒng)。該游戲系統(tǒng)模擬了各種宏觀異?，F(xiàn)象的場景，將知識作為游戲中的元素，以體驗特有的吸引力形成用戶的心流體驗，激發(fā)學習者的內在學習動機。游戲系統(tǒng)將學習過程隱藏在體驗過程之中，幫助公眾完成對地震宏觀異常信息的認知，從而提高公眾對地震前兆現(xiàn)象的認識，更好地協(xié)同有關部門做好地震群測群防工作，減少地震損失。

1 地震宏觀異常信息認知方法

由于目前公眾對地震知識的認知大多是單向的，認知過程少有互動，公眾缺乏學習興趣而導致認知效果不佳。而游戲化學習，則利用游戲向學習者傳遞特定的知識（田愛奎等，2006），游戲使知識傳遞的過程更加生動有趣，具有很強的互動性，從而脫離單向說教的模式，讓學習者在輕松、愉快、積極的環(huán)境下學習，真正做到“寓教于樂”。在游戲化學習方法中，建立在建構主義學習理論基礎上的以目標為驅動的體驗式認知方法（陳剛等，2010），以互動式的解決問題、完成任務為教學理念，使學習者在合適的情況下圍繞目標任務展開學習。學習者能根據(jù)自己對當前問題的理解，運用已有的知識和經驗提出方案、解決問題，從而達到對知識的主動認知。因而以目標為驅動的體驗式認知方法更適合公眾對地震宏觀異常知識的認知。

基于以目標為驅動的體驗式認知方法，本文提出對于地震宏觀異常信息的認知應該包含：創(chuàng)設情境、確定目標、自主學習和效果評價四個基本環(huán)節(jié)。創(chuàng)設情境是指使學習者在與現(xiàn)實情況相類似的情境中學習。學習者帶著“目標”進入體驗場景，真實的體驗場景使學習更加直觀和形象化，喚起學習者已有的知識去“同化”或“適應”所學的新知識。確定目標是在創(chuàng)設的情境下，選擇與學習內容密切相關的目標作為學習的中心內容，讓學生面臨一個需要立即去解決的現(xiàn)實問題。目標使學習者更主動地靈活應用已有的知識，來理解、分析并解決當前問題，問題的解決為新舊知識的銜接、拓展提供了理想的平臺。自主學習是指在游戲過程中向學習者提供達到目標的有關線索，學習者利用線索自主地達成目標。最后，在游戲體驗任務結束時，對學習者的目標完成情況和學習效果進行評價。

2 系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設計

本文基于地震宏觀異常知識庫，結合以目標為驅動的體驗式認知方法，設計了公眾可參與、可體驗的地震宏觀異常信息認知培訓游戲系統(tǒng)，通過游戲互動的方式，對地震宏觀異常知識進行普及。游戲系統(tǒng)以一個小故事為線索描述了主角在地震前的異常先兆，提示學習者觀察這些現(xiàn)象并找出異常。根據(jù)故事主線設計多個與宏觀異常相關的虛擬體驗場景，并配合體驗任務幫助公眾完成對地震宏觀異常知識的認知。

2.2 知識庫的設計

在國內外有關資料中，地震宏觀異常的種類多達幾百多種，異常的現(xiàn)象多達幾千多種，包含的知識復雜多樣。由于本體是一種對共享概念的形式化和明確規(guī)范的說明，對知識的復用、重構以及語義表達等方面都有很好的幫助，本文采用本體化的知識庫，以本體結構存儲地震宏觀異常知識，形成知識庫。本體中的概念層與知識庫中的事實集和概念集對應，利用本體為知識庫提供描述地震宏觀異常信息的概念和概念之間的關系，從而獲得宏觀異常信息的本質概念結構。另外，本體中的推理層對應知識庫中的規(guī)則集，以產生規(guī)則為主，存儲宏觀異常信息的推理規(guī)則；本體中的任務層對應知識庫中的服務層，包括了對問題的描述以及問題的解決方案等知識。

鑒于地震宏觀異常信息的復雜性，本文首先針對地聲、地光、噴油、噴氣、氣味、氣霧、地下水異常、噴沙、動物行為異常、植物異常等各類異常情況分析研究，結合地震監(jiān)測預報、震災預防等有關知識，對異?，F(xiàn)象進行統(tǒng)計整理，得到10大類，216小類的地震宏觀異常，如表1所示。

表1 地震宏觀異常信息Table 1 Earthquake macroscopic anomalies

接下來本文將這些異常信息概念化、形式化表示，將概念之間的推理關系轉化為規(guī)則產生式，最后利用本體構建工具Protégé完成了地震宏觀異常知識庫的構建，為知識在游戲系統(tǒng)中的有效利用打下基礎。構建的本體知識庫如圖1所示。

圖1 地震宏觀異常本體庫Fig.1 Macro-seismic anomalies ontology library

2.3 系統(tǒng)詳細設計

在完成地震宏觀異常知識庫的構建之后，根據(jù)以目標為驅動的體驗式認知方法，詳細設計了游戲系統(tǒng)的體驗故事，體驗式認知培訓場景、體驗任務以及體驗流程。

2.3.1 體驗故事設計

體驗故事設定在剛發(fā)生過地震的唐鎮(zhèn)。主角的家鄉(xiāng)唐鎮(zhèn)已被地震完全毀壞，大家失去了很多同鄉(xiāng)和親人，主角在小精靈的幫助下回到1個月前的唐鎮(zhèn)，重新觀察這1個月生活中發(fā)生的異?，F(xiàn)象，將異常記錄在日記中，最終發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象都是地震前的異常信息，并帶領唐鎮(zhèn)的居民成功地減少了地震損失。

2.3.2 游戲化體驗式認知培訓場景及體驗任務的設計

設計游戲化體驗式認知培訓場景及體驗任務時，本文從地震宏觀異常知識庫中抽取主要知識點，將其整合到相應的13個虛擬體驗場景中，并與5種體驗任務相匹配，如表2所示。針對不同時期、不同場所、不同條件下的地震宏觀異常信息，創(chuàng)設了盡量真實的體驗場景，讓公眾在體驗過程中有良好的沉浸感，從而激發(fā)學習動機。依照培訓目標設計難度不等，設計了針對性強和兼具一定娛樂性及挑戰(zhàn)性的體驗任務。具體的體驗任務包括：靜態(tài)找異常，根據(jù)生活認知，在圖中尋找與日常生活相異的現(xiàn)象，即地震前異?，F(xiàn)象，通過系統(tǒng)的反饋提示學習正確的地震宏觀異?，F(xiàn)象；靜態(tài)找茬，參考找茬類游戲，對比兩幅圖中內容，找出相異的圖形部分（相異的部分為地震異?，F(xiàn)象），在觀察、對比思考過程中完成地震異常的認知；動態(tài)找茬，兩幅場景圖以水平方式滾動展開，在動態(tài)的場景移動過程中，比較上下兩幅場景的相異之處，迅速做出判斷，在體驗中完成對于異常知識的認知；動態(tài)找異常，將靜止場景改為水平方向的動態(tài)卷軸展開形式，在圖上尋找異?，F(xiàn)象，加大了體驗任務的難度，同時也增強了對知識的學習理解；記憶游戲，先給出標識地震異常的場景圖，需要認真觀察并且記住圖中全部異常情況，在一定時間后該圖消失，換為去掉某些異常情況的場景圖，體驗者通過對異常元素的記憶回放以及比較，將異?，F(xiàn)象標出。

表2 虛擬體驗場景及體驗任務Table 2 Virtual experience scene and experience task

2.3.3 體驗流程設計

基于上述的體驗場景和體驗任務，設計用戶體驗流程如圖2所示。在體驗過程中，用戶從主界面進入不同的體驗場景，通過完成與之匹配的體驗任務達到對異?，F(xiàn)象的認知。體驗過程可以線性地進行，即用戶按照系統(tǒng)已設定的劇情任務逐步地完成游戲?；蛘?，用戶也可以自行選擇體驗場景，非線性地對感興趣的知識再次學習。

圖2 體驗流程圖Fig.2 Experience flowchart

2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文選用Unity3D開發(fā)平臺，C#開發(fā)語言，根據(jù)目標驅動的學習方法，將體驗任務作為獲取地震宏觀異常知識的手段，實現(xiàn)了具有多個虛擬體驗場景的地震宏觀異常信息認知培訓游戲系統(tǒng)。Unity3D平臺開發(fā)的游戲可以在Windows、Android和IOS上運行，也可轉化為Flash，因而地震宏觀異常信息認知培訓游戲系統(tǒng)可以運行在移動終端以及PC兩種載體上，方便公眾在各種設備上體驗游戲。游戲系統(tǒng)截圖為圖3及圖4。目前，地震宏觀異常信息認知培訓游戲系統(tǒng)已在山東省臨朐縣實驗小學進行了試點培訓和應用，效果良好。同時，該系統(tǒng)已發(fā)布于面向公眾的地震災害認知培訓網(wǎng)站，供公眾體驗。

圖3 系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of the system

圖4 動態(tài)找異常體驗任務場景Fig.4 Experience task scenes of dynamically finding abnormal

3 結論

本文針對目前地震知識培訓缺乏互動和溝通的問題，以本體化的地震宏觀異常信息知識庫為基礎，將以目標為驅動的體驗式認知方法應用于系統(tǒng)設計中，實現(xiàn)了面向公眾的地震宏觀異常信息認知培訓游戲系統(tǒng)。該游戲系統(tǒng)將知識嵌入到以目標為導向體驗場景和體驗任務中，以心流體驗激發(fā)用戶的學習動機，使公眾在游戲中自主地解決問題，高效的完成對地震宏觀知識的認知。該系統(tǒng)可運行在網(wǎng)頁、移動終端和PC上，極大地滿足了公眾不同體驗方式的需求。通過該系統(tǒng)，公眾能夠對地震宏觀異常信息有準確、清晰的認識，更好地協(xié)同有關部門做好地震群測群防工作。在系統(tǒng)試用中，通過試點學生的調查和訪談，反思總結出了一些系統(tǒng)所存在的問題和不足之處，主要體現(xiàn)在體驗活動的趣味性、內容選擇有待進一步增強，以及游戲任務難度需要適時調整，在后續(xù)的研究中將完善這些不足。

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