基于Unity3D的中學(xué)數(shù)學(xué)概率學(xué)習(xí)游戲設(shè)計與實現(xiàn)

王麗

摘 要：教育游戲的出現(xiàn)，極大的改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可以通過教育游戲?qū)蕵放c學(xué)習(xí)結(jié)合起來，提高學(xué)習(xí)興趣和效率。文章利用3ds Max建立三維游戲場景和道具，使用Unity3D作為開發(fā)平臺，以JavaScript作為開發(fā)語言，設(shè)計并實現(xiàn)了一個中學(xué)數(shù)學(xué)概率學(xué)習(xí)的三維游戲。

關(guān)鍵詞：游戲；建模；Unity3D

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2016）08-0068-04

一、引言

學(xué)生是有個性差異的，課堂教學(xué)無法滿足每個學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，但通過教育游戲卻可以實現(xiàn)因材施教。教育游戲可將游戲任務(wù)按照難易程度劃分等級，使每個學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況選擇適合的等級，制定自己的學(xué)習(xí)進度，自主學(xué)習(xí)能力也得到了提升[1]。此外，教育游戲還具有很強的挑戰(zhàn)性、互動性和趣味性，可以激發(fā)學(xué)生強烈的求知欲和學(xué)習(xí)動機[2]。學(xué)生利用教育游戲進行學(xué)習(xí)，不僅可以鞏固已學(xué)的知識，拓展知識面，還能提高想象力。教育游戲還有助于培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀和價值觀。

文章利用3ds Max建立三維游戲場景和道具，以Unity3D為開發(fā)環(huán)境，JavaScript為開發(fā)語言設(shè)計并實現(xiàn)了一個中學(xué)概率學(xué)習(xí)游戲。讓學(xué)生體驗游戲刺激的同時，可以通過回答問題來學(xué)習(xí)、鞏固概率知識，使學(xué)習(xí)不再枯燥，讓學(xué)生快樂學(xué)習(xí)，愛上學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

二、游戲開發(fā)流程

首先，根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計學(xué)習(xí)內(nèi)容和游戲流程，接著利用3ds Max建立模型、為模型賦予材質(zhì)；然后將文件導(dǎo)入Unity3D中進行游戲的開發(fā)，內(nèi)容包括碰撞檢測、動畫設(shè)置、添加特效、布置燈光、添加音樂、人機交互設(shè)置六大部分；最后進行優(yōu)化系統(tǒng)，導(dǎo)出為可執(zhí)行文件。游戲的開發(fā)流程如圖1所示。

三、游戲設(shè)計與實現(xiàn)

1.設(shè)計思想

此游戲?qū)儆诿苁医庵i類游戲，游戲場景的部分結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。整個密室由一個個小密室組合而成。當(dāng)玩家進入游戲后，玩家就會位于如圖2所示的位置，玩家想要離開密室，必須打開門。當(dāng)玩家向門走去的時候，就會觸發(fā)一個觸發(fā)器，彈出一道數(shù)學(xué)概率問題。第一個問題是相當(dāng)簡單的，凡是學(xué)過中學(xué)概率的都可以解決，所以當(dāng)?shù)谝粋€問題回答錯誤時，會彈出失敗場景，并提示玩家要先去學(xué)習(xí)中學(xué)數(shù)學(xué)概率的內(nèi)容，再來玩這個游戲。當(dāng)?shù)谝粋€問題回答正確，密室的門會自動打開，玩家可以經(jīng)過走廊進入第二個密室。從第二個密室開始，每道關(guān)口除了有一個正門外還有一個側(cè)門。當(dāng)玩家走向第二個密室主門時，會彈出第二個問題，這個問題比第一個問題略難。當(dāng)這個問題回答正確，主門會自動打開；如果回答錯誤，側(cè)道的門會打開，側(cè)道也會有一些關(guān)于概率的問題，這些問題是主門問題的分解問題，幫助玩家理解主門的問題。游戲的時間限制為25分鐘，單個問題沒有時間限制，這種設(shè)置給了玩家相對自由的空間。整個游戲場景共有6個主道以及6個側(cè)道，直到玩家開啟最后一個密室的門，游戲會結(jié)束，并彈出勝利的場景。

2.建模

（1）建模前的相關(guān)設(shè)置

為了使3ds Max制作的模型與現(xiàn)實世界相符合，需要對3ds Max進行必要的單位設(shè)置。將“系統(tǒng)單位”和“顯示單位”都設(shè)置為厘米。通過這樣的設(shè)置，也可以將模型導(dǎo)入Unity3D中，這樣進行后期游戲開發(fā)時更容易操作[3]。

（2）密室場景建模

密室建模采用“多邊形建?！钡姆椒?。密室分大廳和走廊兩個部分。整個密室由若干個大廳和走廊組成，密室大廳的統(tǒng)一規(guī)格是：高600cm，長1200cm，寬800cm，密室走廊的統(tǒng)一規(guī)格為長400cm，寬1000cm，高400cm。

①密室墻體建模

密室大廳的原型是一個高600cm、長1200cm、寬800cm的長方體，點擊工具欄的“創(chuàng)建”面板，選擇“標(biāo)準(zhǔn)基本體”中的“長方體”并將其命名為“box1”，設(shè)置其長、寬、高分別為1200cm、800cm、600cm。然后將box1轉(zhuǎn)換成“可編輯多邊形”，選擇“多邊形”子集中的“翻轉(zhuǎn)”選項，將box1的法線方向進行反轉(zhuǎn)，使大廳的內(nèi)墻可見。

密室走廊的原型是一個長400cm、寬1000cm、高400cm的長方體，建立的步驟與密室大廳完全相同。建立后將其命名為“box2”。

②門的建模

要用門將大廳和走廊隔離開來。很多做法可以實現(xiàn)這個目的，筆者用的是“超級布爾”。將box1和box2按如圖3的方式進行擺放。選擇box1，在3ds Max的“復(fù)合對象”面板下選擇“超級布爾”。選擇“參數(shù)”中的“差集”和“蓋印”，選擇“拾取布爾對象”中的“開始拾取”，點擊box2，就會得到一個門的輪廓，效果如圖4所示。門的輪廓已經(jīng)完成，接下來就需要制作門了。門的原型是一個長400cm、高400cm、寬20cm的長方體，按照box1的建立步驟創(chuàng)建一個長400cm、高400cm、寬20cm的長方體，將其命名為“door”。將“door”擺放到box1和box2的交界處。

接著通過上述方法完成其他大廳及走廊的創(chuàng)建，并將大廳和走廊用門隔絕開來，然后選擇box1，選擇“修改”面板下的“附加”命令，將其他大廳和走廊與box1組合在一起，就完成了整個密室的建模。最終效果如圖5所示。

（3）道具建模

雖然游戲場景建立好了，但當(dāng)玩家位于游戲場景中時會感覺略顯空曠，而且為了給密室營造一種詭異、緊張的氛圍，需要建立一些火盆擺放在主門的兩邊?；鹋璧闹谱髦饕譃榛鹋韬椭Ъ軆蓚€部分。

①火盆的制作

點擊工具欄的“創(chuàng)建”選項，選擇“標(biāo)準(zhǔn)基本體”中的“圓柱體”，并將其命名為“fire”。將fire的半徑設(shè)為40cm，高度設(shè)為20cm，邊數(shù)設(shè)為8并轉(zhuǎn)化成可編輯多邊形。選擇fire上邊的面，將其放大并選擇“插入”選項，給上邊的面插入一個新的面。選擇新面，選擇使用“擠出”，將新面向下拉，然后選擇“切割”命令，對新面的對頂點進行切割，共需要切割四次，中間會形成一個新的點。進入“點”子集，使用“選擇并移動”命令，將該點微微拉起。這樣就完成了火盆的制作。

②支架的制作

支架的做法相對簡單，同box1的建立方法一樣，建立一個長20cm、寬20cm、高180cm的長方體，并將“高度分段”設(shè)為2，將其命名為“support”。將新建的長方體轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，進入“點”子集，選擇“選擇并移動”命令，將support的中間四個點向下拉，將底面的四個點向外拉，支架的模型就建立完成了。為了節(jié)約電腦資源，可以將看不見的底面刪除。按照這種方法，再建立3個support，并按照圖6所示將四個支架與火盆組合在一起。至此，火盆的模型就完成了。

3.貼圖的制作

搜集貼圖，通過PS加以修改。將修改好的貼圖導(dǎo)入3ds Max賦給游戲場景中的內(nèi)墻和游戲道具。打開3ds Max工具欄的“材質(zhì)編輯器”，將貼圖賦予空白的材質(zhì)球，選擇“將材質(zhì)指定給選定對象”選項，即可進行模型的貼圖。

4.模型的導(dǎo)入

將建立好的游戲場景及其貼圖放在Unity3D游戲的資源文件夾下。當(dāng)把游戲場景拉入Unity3D的開發(fā)界面中時，會發(fā)現(xiàn)游戲場景上的貼圖不見了。這時，只需要在游戲場景的文件里找到那幾個材質(zhì)球，將其重新賦予場景中的對象，就完成了游戲場景和道具的導(dǎo)入。

5.游戲各模塊的實現(xiàn)

（1）燈光系統(tǒng)

由于Unity3D無法識別3ds Max的燈光，所以需要在Unity3D建立燈光系統(tǒng)。本設(shè)計的燈光只用到“點光源”，使用這種光源，是為了模仿火光。

在網(wǎng)格層次面板選擇“創(chuàng)建”按鈕，創(chuàng)建一個點光源，將其重命名為“firelight”，在firelight的檢視面板里修改相關(guān)屬性。將firelight的“范圍”屬性設(shè)為15，“強度”屬性設(shè)為6，顏色調(diào)整為與火光相同的顏色。

（2）動畫

游戲中有門自動打開的動畫。選擇工具欄的“窗口”選項中的“動畫”，在彈出的對話框中，點擊紅色按鈕開始創(chuàng)建動畫，并先將要創(chuàng)建的動畫進行保存。在0：00的位置添加關(guān)鍵幀，將時間軸移動到2：00的位置，將游戲場景中的門向下拉，并添加關(guān)鍵幀。這樣一個門的開門動畫就做好了。按照以上做法，給每個門創(chuàng)建開門動畫。

（3）特效

本設(shè)計的特效是“火”，該特效是用粒子系統(tǒng)制作而成的。在網(wǎng)格層次面板選擇“創(chuàng)建”按鈕，創(chuàng)建一個粒子系統(tǒng)，將其重命名為“fire”。在fire的檢視面板里修改相關(guān)屬性。粒子系統(tǒng)相關(guān)屬性修改完后，就要為火焰貼上材質(zhì)，使其更加真實。在工程面板里創(chuàng)建一個材質(zhì)，將其命名為“firepicture”。在其檢視面板里將“渲染”設(shè)置為“FX”，這樣當(dāng)把火焰的貼圖賦給“fire”時，可以去掉貼圖黑色的部分。然后把“firepicture”賦給粒子動畫，這樣本設(shè)計的特效就制作完成了。

（4）人機交互

本設(shè)計使用的是Unity3D自帶的人物，點擊工具欄的“資源”選項，選擇導(dǎo)入“Character Controller”，就完成了游戲人物的導(dǎo)入。將導(dǎo)入的人物拖入到游戲場景里，就可以用W、S、A、D控制人物上下左右移動。

（5）音樂

系統(tǒng)需添加三種聲效。 首先需要為整個游戲添加背景音樂，選擇主相機，在工具欄上點擊“組件”選項，在“Audio”選項下面選擇“Audio Source”選項，將導(dǎo)入的背景音樂拖給主相機，在檢視面板里點擊“循環(huán)”選項，這樣背景音樂就會循環(huán)播放，第一種聲效添加完畢。其次，為了營造緊張的氛圍，需要給游戲人物添加心跳聲，與添加背景音樂的方法一樣，操作完畢之后，在游戲里就可以聽到人物的心跳聲。最后，需要為門添加開門聲，但這個需要用代碼實現(xiàn)。按照前面的方法添加完音效后，需要給門添加如下代碼：

If（doorIsOpen==true）

{Door.audio.PlayOneShot（doorOpenSound）；}

這樣，所有的音效就全部添加完成了。

（6）碰撞與觸發(fā)

為了避免人物穿墻而過等非自然現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要給游戲添加碰撞。為了讓人接近門的時候可以自動彈出概率題目，需要添加觸發(fā)器。

①人與建筑物的碰撞

點擊游戲場景的墻體，點擊工具欄的“組件”按鈕，選擇“物理”面板下的Mesh碰撞器。這樣游戲人物就可以站在游戲場景里，而不會掉下去。

②人與門的碰撞

同給墻體添加碰撞體的步驟一樣，給門添加一Box碰撞器，使人物避免穿過門到達另一個密室。

③人與火盆的碰撞

給火盆添加Box碰撞器，步驟同上，使人物避免穿過火盆架。

④觸發(fā)器

為了實現(xiàn)人走近門時自動彈出題目，需要在門的前面放一個空物體，給空物體添加Box碰撞，在空物體的檢視面板里將“IS Trigger”打上對勾。彈出題目的相關(guān)代碼如下：

function OnGUI（）

{if（WindowSwitch==true）

{GUI.skin=im；

GUI.BeginGroup（menuAreaNormalized）；

windowRect=GUI.Window（0， windowRect，WindowContain，“題目”）；

GUI.EndGroup（）；}}

function WindowContain（windowID：int）

{ GUI.Label（Rect（0，30，300，300），“5本書分給甲乙丙三個人，按一個人一本，另兩個人各兩本，有多少種不同的分法?！保?；

If（GUI.Button（Rect（0，180，80，60），“120”））

{WindowSwitch=false；Destroy（this.gameObject）；}

If（GUI.Button（Rect（220，180，80，60），“30”））

{WindowSwitch=false；Destroy（this.gameObject）；}

If（GUI.Button（Rect（0，240，80，60），“90”））

{box3.flag2=1；Destroy（this.gameObject）；}

If（GUI.Button（Rect（220，240，80，60），“60”））

{WindowSwitch=false；Destroy（this.gameObject）；}

GUI.DragWindow（）；

}

四、游戲的優(yōu)化與發(fā)布

1.游戲優(yōu)化

游戲場景中含有大量的點燈光，會對游戲的性能產(chǎn)生較大的影響。使用光照貼圖技術(shù)，將光線效果渲染成貼圖可以節(jié)約大量的電腦資源[4]。方法為：點擊工具欄的“窗體”按鈕，選擇“光照貼圖”選項，點擊“烘焙”對當(dāng)前游戲場景進行烘焙。

2.發(fā)布

在工具欄的“編輯”面板下，選擇“工程設(shè)置”面板下的“玩家”選項，對游戲的圖標(biāo)和名稱進行設(shè)置。點擊“文件”面板下的“工程設(shè)置”選項，從工程面板里將游戲的幾個場景文件拖入到“工程設(shè)置”的窗口里。點擊“建立”按鈕，就會生成一個可執(zhí)行文件，這樣就完成了游戲的發(fā)布。游戲勝利時的場景如圖7所示，答題時的場景如圖8所示。

五、結(jié)束語

文章設(shè)計并實現(xiàn)了一個中學(xué)數(shù)學(xué)概率的教育游戲，幫助學(xué)生在娛樂中進行學(xué)習(xí)，讓學(xué)生輕松學(xué)習(xí)、愛上學(xué)習(xí)、快樂學(xué)習(xí)。系統(tǒng)基本實現(xiàn)了需求分析中的要求，但由于時間倉促，系統(tǒng)的功能還可以在后續(xù)研究中進一步完善，如：可以在游戲中添加一些障礙物或機關(guān)，以增加游戲的趣味性；可以在游戲場景進行切換時添加一些過度動畫，使游戲更加美觀。

參考文獻：

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[3]Li Wang. Researching of the three-dimensional virtual simulation campus scenes construction technology[J].The Open Cybernetics & Systemic Journal，2015（Volume9）：1056-1057.

[4]Li Wang.Construction of the three-dimensional virtual campus scenes Problems and Solutions[J].The Open Cybernetics & Systemic Journal，2015（Volume9）：1132-1133.

[5]宣雨松.Unity3D游戲開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2012：91-13.

[6]謝亮.數(shù)學(xué)教育游戲與數(shù)學(xué)教學(xué)[D].廣州：廣州大學(xué)，2008.

（編輯：魯利瑞）