楊坪,章斯豪,黃雨a,,王建秀a,

(同濟(jì)大學(xué) a.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.土木工程學(xué)院地下建筑與工程系,上海 200092)

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基于游戲場(chǎng)景的工程物探考核新模式

楊坪a,b,章斯豪b,黃雨a,b,王建秀a,b

(同濟(jì)大學(xué) a.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.土木工程學(xué)院地下建筑與工程系,上海 200092)

工程物探是一門理論基礎(chǔ)廣、實(shí)際操作性強(qiáng)、結(jié)果解釋依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)的課程，以考試為主的傳統(tǒng)考核方式無(wú)法很好地反映學(xué)生掌握課程知識(shí)及應(yīng)用的能力。針對(duì)該課程在教學(xué)及考核中的難點(diǎn)，提出一種基于游戲場(chǎng)景的工程物探考核方式，并以電法勘探部分的考核為例，闡述了工程物探考核游戲的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方式。

游戲場(chǎng)景；工程物探；考核

工程地球物理勘探是解決工程勘察中工程地質(zhì)、水文地質(zhì)問題的一種地球物理勘探方法，簡(jiǎn)稱工程物探。電法勘探是以巖石、礦物之間電阻率差異為基礎(chǔ)，通過(guò)儀器觀測(cè)和研究自然或人工物理場(chǎng)的分布特點(diǎn)以及變化規(guī)律，來(lái)查明地下地質(zhì)構(gòu)造的空間展布和確定地下電阻率異常位置的一類勘探方法，屬于工程物探的一種。工程物探課程從原理、理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用等角度對(duì)電法勘探進(jìn)行了詳細(xì)介紹。然而在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于該技術(shù)的理論部分的理解普遍沒有太大問題，一旦需要將其與實(shí)際情況聯(lián)系起來(lái)就比較困難，許多學(xué)生為了應(yīng)付考試往往死記硬背。此外教學(xué)模式普遍較為單一，對(duì)學(xué)生從工程地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)值模型能力的培養(yǎng)較為欠缺，因此，教學(xué)效果不好。

為達(dá)到提高教學(xué)效果這一目標(biāo)，各國(guó)教學(xué)人員都在不斷嘗試與改革教學(xué)方法，其中將游戲引入教育這一概念首先由國(guó)外的教育研究人員提出并開展了實(shí)踐。如芬蘭的Kristian提出了體驗(yàn)式游戲模型[1]。該模型將教育融入游戲之中，將游戲教育中游戲型學(xué)習(xí)軟件應(yīng)具有的特點(diǎn)作了明確。英國(guó)的Immersive Education Ltd 與劍橋大學(xué)合作，推出了RPG游戲型學(xué)習(xí)軟件 Kar2ouche，讓學(xué)習(xí)者在角色扮演中體驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)角色在游戲中實(shí)現(xiàn)一系列交互性的游戲活動(dòng)，完成包括理論知識(shí)，擴(kuò)展知識(shí)、操作知識(shí)的學(xué)習(xí)[2]。

中國(guó)較早涉足教育游戲的主要有科利華、威孚等一批公司，譬如科利華公司在2000年推出了國(guó)內(nèi)首個(gè)學(xué)習(xí)型的游戲網(wǎng)站《學(xué)生智慧世界》，通過(guò)與他人進(jìn)行答題比賽達(dá)到學(xué)習(xí)的目的[3]。北京威孚公司從國(guó)外引進(jìn)了數(shù)字化學(xué)習(xí)型游戲制作軟件《游戲工廠》，同時(shí)還向用戶開放了游戲引擎并在國(guó)內(nèi)首度公開了這一數(shù)字化游戲?qū)W習(xí)平臺(tái)[4]。2006年，香港中文大學(xué)資訊科技教育促進(jìn)中心推出了第一款基于其項(xiàng)目VISOLE(虛擬互動(dòng)學(xué)生為本學(xué)習(xí)環(huán)境)的游戲軟件《農(nóng)場(chǎng)狂想曲》，該游戲的設(shè)計(jì)初衷在于幫助玩家通過(guò)對(duì)農(nóng)場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)和管理，綜合運(yùn)用多種自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)中的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代信息技術(shù)、團(tuán)結(jié)協(xié)作地解決實(shí)際問題方面的綜合能力[5]。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)的向世明等[6]將 C#、Viustools和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用于物探儀器虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模擬了物探實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，具有極高的真實(shí)感。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)表明，針對(duì)工程物探課程，以游戲場(chǎng)景作為考核手段的還未見相關(guān)報(bào)道。為此，本文嘗試將游戲模式引入教學(xué)考核過(guò)程中。通過(guò)編寫計(jì)算機(jī)游戲程序，借助虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造虛擬化實(shí)際操作環(huán)境，構(gòu)建虛擬的操作過(guò)程和現(xiàn)象，通過(guò)游戲的方式考查學(xué)生對(duì)物探原理的理解和實(shí)際操作的掌握程度。

1 游戲考核平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

作為課程輔助考核平臺(tái)，游戲考核平臺(tái)除了應(yīng)滿足逼真的游戲場(chǎng)景、優(yōu)良的人機(jī)交互外，還要具有一定挑戰(zhàn)性、完善合理的評(píng)分機(jī)制。適當(dāng)?shù)碾y度和挑戰(zhàn)會(huì)改善學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，激勵(lì)其不斷深入學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)以解決不斷出現(xiàn)的新問題。同時(shí)需要考慮合適的難度可以拉開學(xué)生間的差距，較好地反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。在考核學(xué)生完成游戲情況時(shí)，將提交答案與實(shí)際情況的符合程度和完成測(cè)試所用時(shí)間作為衡量學(xué)生掌握知識(shí)的程度和操作的熟練程度。

1.1 考核平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

本平臺(tái)的最終目的是為了考核學(xué)生對(duì)電法勘探的知識(shí)掌握程度，故需在前期進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，包括明確考核的內(nèi)容及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、了解學(xué)生特征及預(yù)期達(dá)到的教學(xué)和考核效果。在前期教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，游戲考核平臺(tái)的開發(fā)主要需經(jīng)歷如下幾個(gè)階段——平臺(tái)建模階段、功能設(shè)計(jì)及編程階段和系統(tǒng)完善階段，最后應(yīng)用于教學(xué)和考查。

一是平臺(tái)建模階段。對(duì)虛擬勘測(cè)中的待測(cè)區(qū)域、儀器設(shè)備進(jìn)行建模。先對(duì)測(cè)試中用到的儀器進(jìn)行圖像素材的采集，再在游戲軟件制作平臺(tái)上，利用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言制作界面，將儀器的外觀制作出來(lái)，并復(fù)制操作和分析軟件的界面，以達(dá)到與實(shí)際操作時(shí)類似的視覺效果。

二是功能設(shè)計(jì)及編程階段。這一階段的成果將會(huì)直接展示給游戲參與者，選用C#語(yǔ)言進(jìn)行編程，需在前一階段建模的基礎(chǔ)上完成勘測(cè)場(chǎng)景的創(chuàng)建、勘測(cè)過(guò)程操作及結(jié)果的模擬，并確定生成成績(jī)的算法，最后制作成可安裝的軟件。

三是平臺(tái)完善階段。對(duì)上述平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試和排錯(cuò)，并在教學(xué)中引入，逐漸完善。通過(guò)在日常教學(xué)中安排若干小測(cè)驗(yàn)來(lái)檢查平臺(tái)的功能及漏洞。若發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷應(yīng)及時(shí)完善并更新軟件版本，以滿足考核的要求。

1.2 考核平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

游戲中被測(cè)場(chǎng)地為一有限范圍的地表土體，以平面圖的形式呈現(xiàn)。學(xué)生可在操作界面中進(jìn)行測(cè)試儀器的選擇和調(diào)用、連接調(diào)試等操作。以高密度電法儀器為例，完成儀器連接后需要在測(cè)試范圍內(nèi)確定測(cè)線，如儀器調(diào)試和操作均正確，進(jìn)行測(cè)量動(dòng)作后程序會(huì)立即給出當(dāng)前剖面的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)測(cè)試中給出的各類待測(cè)物質(zhì)的電阻率數(shù)據(jù)，學(xué)生需要進(jìn)行多次模擬測(cè)量，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以最終確定視電祖率異常體存在位置及規(guī)模。在程序內(nèi)輸入對(duì)應(yīng)問題的答案，平臺(tái)輸出學(xué)生的最終得分。具體操作流程可分為以下幾個(gè)步驟：

1)進(jìn)入程序界面，輸入身份信息

2)在程序界面中連接儀器，操作正確方可進(jìn)入下一步操作

3)進(jìn)行布線操作并生成剖面電阻率反演圖

4)重復(fù)上一步直到獲得足夠的數(shù)據(jù)

5)在結(jié)果輸入窗口輸入結(jié)果并提交，完成測(cè)試

1.2.1 考核平臺(tái)核心功能的設(shè)計(jì)

1)勘測(cè)區(qū)域的模擬。使用軟件建立三維地質(zhì)體模型，對(duì)該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑x予每一單元一定的電阻率值，來(lái)代表不同的物質(zhì)種類。如高阻的有機(jī)物和低阻的金屬等。電阻率異常部位可以以層狀、條帶狀及塊狀形式存在，可通過(guò)對(duì)相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的單元體進(jìn)行賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2)儀器操作面板。主要包括代表測(cè)試設(shè)備的圖標(biāo)按鈕、各類操作按鈕(如調(diào)用設(shè)備及布線操作)、待測(cè)區(qū)域的操作窗口以及各測(cè)線對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果輸出的窗口。

3)評(píng)分機(jī)制。需建立一套能反映使用者對(duì)該部分知識(shí)掌握程度的評(píng)分機(jī)制，綜合反映勘測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性及測(cè)量過(guò)程的高效性。

1.2.2 考核平臺(tái)關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)

1)游戲場(chǎng)景的構(gòu)建。通過(guò)三維可視化軟件模擬待測(cè)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)體，通過(guò)算法自動(dòng)隨機(jī)生成區(qū)域內(nèi)的電阻率異常區(qū)域。根據(jù)確定的測(cè)線生成相應(yīng)的二維剖面測(cè)試結(jié)果后，使用C#編程實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)測(cè)量結(jié)果的調(diào)用、處理和分析，以及最后結(jié)果的輸入。

2)人機(jī)交互。游戲中需建立良好的人機(jī)交互機(jī)制，充分利用鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行輸入。游戲需對(duì)使用者進(jìn)行步驟上的指引，在操作適當(dāng)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)提示，同時(shí)顯示必要的操作結(jié)果。程序主界面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 程序主界面設(shè)計(jì)

2 結(jié)語(yǔ)

將游戲場(chǎng)景引入工程物探課程考核過(guò)程，以其輔助傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提升了教學(xué)效率，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，為教學(xué)游戲在工程物探教學(xué)中應(yīng)用做出了有益的嘗試。

基于游戲場(chǎng)景的課程考核能有效檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，客觀地反映學(xué)生使用工程物探技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，為工程物探考核提供了一種考核新模式。

[1] Kristian Kiili.Digital Game-Based Learning: Towards an Experiential Gaming Model[J]. Internet and Higher Education，2005(8):13-24.

[2] 牟婭.以鹵族元素為實(shí)例的嚴(yán)肅游戲型學(xué)習(xí)軟件的研究與設(shè)計(jì)[D].成都：四川師范大學(xué),2010.

[3] 楊乃琴.“科利華學(xué)生智慧世界”網(wǎng)站正式開通[J].中國(guó)電化教育,2001(2):20.

[4] 楊魯新.一種無(wú)需編程的游戲開發(fā)工具淺說(shuō)——脫穎而出的軟件新秀——《游戲工廠》(Fhe Games Factore)[J].電腦愛好者,1998(13):77-78.

[5] 尚俊杰,莊紹勇,李芳樂,等.游戲化學(xué)習(xí)行為特征之個(gè)案研究及其對(duì)教育游戲設(shè)計(jì)的啟示[J].中國(guó)電化教育,2008(2):65-71.

[6] 向世明,李小磊,郭士明,等.基于C#與Viustools的物探虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2013(11):161-164.

(責(zé)任校對(duì) 王小飛)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.11.021

20160615

教育部專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目資助(教高函[2013]2號(hào))；同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革研究與建設(shè)項(xiàng)目資助

楊坪(1977-)，男，四川瀘州人，副教授，博士，主要從事土的工程性質(zhì)、地基處理等方面的研究。

G642.0

A

1674-5884(2016)11-0066-03