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摘 要 在社会高速发展的今天，人们有着越来越丰富的娱乐方式和越来越挑剔的评价标准。如何运用最新的技术手段和设计理念，开发出引人入胜的展项，让观众在体验之后犹有余味，这是科技馆面临的一大难题。以上海科技馆“能源挑战之旅”展项为例，说明如何将能源和环境知识映射为游戏元素，同时融入多人竞技和社交活动，让观众在竞争中游戏，在游戏中思考，潜移默化地认识到能源与环境平衡发展的关系。该展项的设计目标不是让观众学习具体的知识，而是对我们所处的地球产生关切，学会用辩证思维看问题。
关键词 人机交互 能源教育 科普游戏
0 引言
能源是人类生存和文明发展的重要物质基础，它不仅推动了世界运转，而且推进了文明进步。能源需求始终与社会发展互相促进。科技决定能源的未来，科技创造未来的能源。当前，新一轮能源技术革命正在全球孕育兴起，研究成果不断涌现，正在并将持续改变世界的能源格局。
上海科技馆“能源新天地”展区承载着展示能源发展历史、传播能源科普知识、塑造正确能源观的使命。时代在变化、地球在变化、需求在变化，我们将用新的技术手段和设计理念作为展示载体向观众传播信息。面对枯燥的专业知识，如何才能让观众变“被动吸收”为“主动探索”，正是核心展项设计的出发点。
以“能源挑战之旅”展项为例，说明如何通过游戏化的方式融入能源知识，让玩家在参与过程中理解平衡与和谐的精妙。我们在展项设计中依据互动竞技的理念，把能源知识的获取、环保意识的培养，转化为体能和思维策略的比赛。每场游戏中有6名玩家同时参与，在有限的时间里，尽可能获得最多的能源分数，并产生最少的环境污染。这两个核心元素既相辅相成，又彼此制约。玩家在竞技的压迫感之中，不断地深入思考二者的联系，并制定相应的游戏策略。
1 理论基础
1.1 游戏形式演化
人类寻找和开发一种能源，必须考虑几个方面：来源是否丰富？是否能够可持续地获得？开采、转化和使用是否高效？是否产生环境污染？对人类是否有害？因此，某种能源的应用既受到技术的限制，还涉及经济成本、能量转化效率、环境保护、自然气候、政治话语权等多种因素。
在“能源挑战之旅”展项中，重点围绕与能源发展密切相关的两个方面：能源发展对经济发展、地球环境的影响，对游戏属性、数值逻辑进行设定。事实上，能源的开采是一种主动行为。我们借助多媒体将相关能源投射在地面上，并通过体感交互获取身体数据，以踩踏图标的形式采集能源，充分赋予玩家在开采策略上的自主性。同时，玩家在开采过程中所取得的分数，以及对地球环境所产生的影响，将以微缩地球的形式进行实时可视化呈现，让玩家获得直观而生动的感受，从而迅速评判游戏策略的优劣并作出调整。
1.2 关键属性提取
在“能源挑战之旅”展项中，玩家可选择各自的能源策略，了解日后能源的发展思路及制约因素。主要涉及三类能源：（1）传统能源包括柴薪、煤炭、石油、天然气等;（2）可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、氢能、地热能、海洋能等;（3）未来能源包括核聚变、核裂变等有待进一步开发的能源。
如表1所示，将这三种能源类型分别对应游戏中不同颜色的能量容器，并对能源的核心参数进行提取和设定。其中，红色代表传统能源，绿色代表可再生能源，黄色代表未来能源。时间值指获取该能源所需的时间成本，对应该能源的开采难度。能量值对应该能源的能量密度。环境值对应该能源对环境的影响程度。建设值对应开采该能源所需的建设投入。另，能量容器参数设定的依据：（1）数量——用地面图标的数量多少表示;（2）高效——用参与者踩中图标后的图像变化时间表示;（3）安全——用需要耗费的安全点数表示。
此外，基于能量密度、开采价值和开采投入，数值策略如下：传统能源的能量密度中等，開采速度快，但环境污染大，适合前期少量开采。随着传统能源开采的增加，环境影响因子快速拉大，应当进行绿色能源建设，中和原始积累的环境影响。由于未来能源的能量密度高、开采成本大，前期投入建设可有效提升整体分数，而后期投入建设则难以收回建设成本。
1.3 数值模型建立
数值模型是游戏的内在逻辑。如何将玩家的行为结果转变为游戏分数，有赖于对游戏元素的关系进行合理的数值映射。
能源发展、经济发展和环境保护之间存在相互制约的关系，在现实情况中是一个复杂的系统。在“能源挑战之旅”展项中，玩家通过采集能量，会影响三个数值：（1）能源值——玩家通过踩踏地面各种类型的能源，可获得对应的能源值，收集的速度越快，单位能源值越高，总能源值就越高。（2）环境值——开采不同的能源，会对环境造成不同程度的影响，导致分数降低或升高。玩家要在快速获取能源值的过程中，尽量减少对环境值的损耗，否则就无法获得较高的综合值。（3）综合值——通过经济发展分和环境发展分的加权计算得出，代表地球平衡发展的水平。
假设环境值为0～100分，初始数值为70分，平衡点为90分，警戒点为40分，90～100分之间环境值增长非常缓慢，40～90分之间综合值会受到环境值的剧烈影响。如图1所示，环境值首先线性映射为0～1之间的数值，接着又映射了一个S曲线，表明对能源值的影响。
2 游戏设计
2.1 体验流程设计
如图2所示，“能源挑战之旅”展项的画面背景为深邃的蓝色空间内不断流动的多彩粒子。游戏开始前，等待界面介绍了游戏规则。互动游戏共设三关，每关时长为120 s（相同时长容易延伸策略习惯），难度逐渐提高（主要体现在数量的变化和功能的解锁）。玩家通过踩踏地面产生能量容器，从而获取能量并消耗生命值。借助墙面的可视化地球，体现对应的经济发展状况及环境健康度，用感性的语言唤起玩家对能源的全新认知。游戏结束后，终止界面显示最终成绩和总排名。 由图3可知，本展项分为“吸引”“互动”“思考”“獲得”四个环节。在具体实现上，充分考虑各年龄段及新手玩家的学习成本，从而降低了游戏的上手难度。
2.2 空间、交互和界面
“能源挑战之旅”展项的定位是一个竞技型交互式多媒体游戏，尤其注重空间环境、交互技术和多媒体内容之间的关系。如图4所示，墙面高处屏幕作为“游戏排名展示区”显示游戏进程，吸引来往观众参与。墙面中间屏幕作为“玩家数据展示区”，与地面之间进行信息交互，并呈现个人游戏得分进展。地面屏幕采用压感式LED，作为“玩家互动游戏区”，通过视觉提示引导玩家开展踩踏式互动。
同时，作为一个全身体感游戏，应当兼顾移动视角、感应灵敏度、反应速度等诸多人因特征。如图5所示，触点范围：双脚踩踏地面的范围在0.09～0.25 m2之间;运动空间：设定为长3 m、宽1.5 m;可视范围：以玩家为中心2 m内，减少视觉搜索的时间。
2.3 游戏模型优化
“能源挑战之旅”展项面向的是非特定用户，玩家的年龄跨度较大，且大部分人为初次体验。因此，在游戏细节设计上需要具备可玩性、趣味性和挑战性，易上手而难精通。
（1）可玩性
如图6所示，玩家在正式进入游戏之前，将逐步了解游戏的玩法。关卡设计调整：为了形成一致的游戏策略，不能调整数值的关系，只能调整数值的数量。关卡设为功能递进，第一关数量最少，只能采集;第二关数量增加，可建设少量基站;第三关可自由建设基站。
（2）趣味性
动作游戏：在策略相当的情况下，敏锐的观察和迅速的反应是成功的关键。策略游戏：如果策略是错误的，无论动作有多快，都不能取得高分。本展项结合动作游戏和策略游戏的特点，动作游戏是表象，而策略游戏才是内核。
（3）挑战性
为了在采集能源与保护环境之间达到平衡，我们可采取以下三种策略。
配置策略：三种能源类型必须进行组合搭配，并重视保护环境，减少传统能源的开采。
时间策略：前期以建设基站为主，后期以开采能源为主，合理分配时间可有效提高整体的采集效率。
空间策略：密集建设基站，减少空置空间，从而避免无效跑动。
2.4 游戏结果及行为映射
基础框架完成后，通过模拟真实玩家的游戏行为，对游戏结果进行仿真分析和验证，以评估游戏结果是否反映了典型情况（见表2）。
3 结果与讨论
3.1 体验时长分析
在1：1的环境模拟和样本测试中，3 min以内，玩家很难弄清游戏玩法。5～6 min，玩家进入状态，产生“再玩一次”的意愿，有着“下一次会更好”的信心。8～10 min，玩家出现不同程度的疲劳。因此，我们将游戏设为三回合，每回合为120 s，让玩家渐进式进入游戏状态，并且三次游戏的结果相对独立，每次都能重拾乐趣。
3.2 吸引力指数和持续力指数
在模拟测试中，玩家对于运用游戏策略获得高分有着强烈的兴趣，而熟悉策略的过程正是探究“能源”“经济”“环境”三者内在关系的过程，因此达到了“寓教于乐”的设计初衷。游戏结果中既有必然性，也有偶然性。必然性是合理的策略和快速的动作反应必然取得胜利，而偶然性则是空间组合、时间组合、反应速度等因素导致的结果会在一定范围内浮动，这种不确定性从某种程度上增强了游戏的神秘感和吸引力，从而拓展了游戏的持续力和生命力。
4 结语
上海科技馆“能源新天地”展区的“能源挑战之旅”展项在娱乐性与知识性的结合上进行了有益的探索。针对展项的设计开发，我们紧抓一点，就是信息的传达这个抽象化的过程。在科技馆中，观众往往带着相对明确的目的，同时也具有一定的群体特征。而互动竞技游戏作为一个弱社交载体的存在，则提供了其他游戏所不具备的独特优势。在充分考虑展项吞吐量、可维护性的基础上，兼顾场馆功能、观众需求，才能真正发挥科普游戏的优势。
参考文献
[1]黄文良，陈盟仁，陈益和.青少年能源教育之研究[J].工程科技与教育学刊，2005（3）：355-368.
[2]萧德仁.从科学工艺博物馆的燃料电池教具系统探讨能源教育[J].生活科技教育月刊，2010（4）：39-53.
[3]顾汉杰.基于虚拟现实的科普游戏设计[J].中国教育信息化，2017（2）：92-96.
[4]张美珍，王裕宏，沈益丞.科学博物馆能源教育活动对于国小学童能源知识与态度影响[J].高雄师大学报，2018（1）：19-41.
[5]何浩.未来博物馆的游戏化参与性体验设计[J].中国艺术，2019（2）：102-107.
[6]吴志功，王伟，郭炜煜.国际能源教育研究[M].石家庄：河北教育出版社，2009.
[7]苑英科，王聚芹.青少年能源教育知识读本[M].北京：中国经济出版社，2017.
关键词 人机交互 能源教育 科普游戏
0 引言
能源是人类生存和文明发展的重要物质基础，它不仅推动了世界运转，而且推进了文明进步。能源需求始终与社会发展互相促进。科技决定能源的未来，科技创造未来的能源。当前，新一轮能源技术革命正在全球孕育兴起，研究成果不断涌现，正在并将持续改变世界的能源格局。
上海科技馆“能源新天地”展区承载着展示能源发展历史、传播能源科普知识、塑造正确能源观的使命。时代在变化、地球在变化、需求在变化，我们将用新的技术手段和设计理念作为展示载体向观众传播信息。面对枯燥的专业知识，如何才能让观众变“被动吸收”为“主动探索”，正是核心展项设计的出发点。
以“能源挑战之旅”展项为例，说明如何通过游戏化的方式融入能源知识，让玩家在参与过程中理解平衡与和谐的精妙。我们在展项设计中依据互动竞技的理念，把能源知识的获取、环保意识的培养，转化为体能和思维策略的比赛。每场游戏中有6名玩家同时参与，在有限的时间里，尽可能获得最多的能源分数，并产生最少的环境污染。这两个核心元素既相辅相成，又彼此制约。玩家在竞技的压迫感之中，不断地深入思考二者的联系，并制定相应的游戏策略。
1 理论基础
1.1 游戏形式演化
人类寻找和开发一种能源，必须考虑几个方面：来源是否丰富？是否能够可持续地获得？开采、转化和使用是否高效？是否产生环境污染？对人类是否有害？因此，某种能源的应用既受到技术的限制，还涉及经济成本、能量转化效率、环境保护、自然气候、政治话语权等多种因素。
在“能源挑战之旅”展项中，重点围绕与能源发展密切相关的两个方面：能源发展对经济发展、地球环境的影响，对游戏属性、数值逻辑进行设定。事实上，能源的开采是一种主动行为。我们借助多媒体将相关能源投射在地面上，并通过体感交互获取身体数据，以踩踏图标的形式采集能源，充分赋予玩家在开采策略上的自主性。同时，玩家在开采过程中所取得的分数，以及对地球环境所产生的影响，将以微缩地球的形式进行实时可视化呈现，让玩家获得直观而生动的感受，从而迅速评判游戏策略的优劣并作出调整。
1.2 关键属性提取
在“能源挑战之旅”展项中，玩家可选择各自的能源策略，了解日后能源的发展思路及制约因素。主要涉及三类能源：（1）传统能源包括柴薪、煤炭、石油、天然气等;（2）可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、氢能、地热能、海洋能等;（3）未来能源包括核聚变、核裂变等有待进一步开发的能源。
如表1所示，将这三种能源类型分别对应游戏中不同颜色的能量容器，并对能源的核心参数进行提取和设定。其中，红色代表传统能源，绿色代表可再生能源，黄色代表未来能源。时间值指获取该能源所需的时间成本，对应该能源的开采难度。能量值对应该能源的能量密度。环境值对应该能源对环境的影响程度。建设值对应开采该能源所需的建设投入。另，能量容器参数设定的依据：（1）数量——用地面图标的数量多少表示;（2）高效——用参与者踩中图标后的图像变化时间表示;（3）安全——用需要耗费的安全点数表示。
此外，基于能量密度、开采价值和开采投入，数值策略如下：传统能源的能量密度中等，開采速度快，但环境污染大，适合前期少量开采。随着传统能源开采的增加，环境影响因子快速拉大，应当进行绿色能源建设，中和原始积累的环境影响。由于未来能源的能量密度高、开采成本大，前期投入建设可有效提升整体分数，而后期投入建设则难以收回建设成本。
1.3 数值模型建立
数值模型是游戏的内在逻辑。如何将玩家的行为结果转变为游戏分数，有赖于对游戏元素的关系进行合理的数值映射。
能源发展、经济发展和环境保护之间存在相互制约的关系，在现实情况中是一个复杂的系统。在“能源挑战之旅”展项中，玩家通过采集能量，会影响三个数值：（1）能源值——玩家通过踩踏地面各种类型的能源，可获得对应的能源值，收集的速度越快，单位能源值越高，总能源值就越高。（2）环境值——开采不同的能源，会对环境造成不同程度的影响，导致分数降低或升高。玩家要在快速获取能源值的过程中，尽量减少对环境值的损耗，否则就无法获得较高的综合值。（3）综合值——通过经济发展分和环境发展分的加权计算得出，代表地球平衡发展的水平。
假设环境值为0～100分，初始数值为70分，平衡点为90分，警戒点为40分，90～100分之间环境值增长非常缓慢，40～90分之间综合值会受到环境值的剧烈影响。如图1所示，环境值首先线性映射为0～1之间的数值，接着又映射了一个S曲线，表明对能源值的影响。
2 游戏设计
2.1 体验流程设计
如图2所示，“能源挑战之旅”展项的画面背景为深邃的蓝色空间内不断流动的多彩粒子。游戏开始前，等待界面介绍了游戏规则。互动游戏共设三关，每关时长为120 s（相同时长容易延伸策略习惯），难度逐渐提高（主要体现在数量的变化和功能的解锁）。玩家通过踩踏地面产生能量容器，从而获取能量并消耗生命值。借助墙面的可视化地球，体现对应的经济发展状况及环境健康度，用感性的语言唤起玩家对能源的全新认知。游戏结束后，终止界面显示最终成绩和总排名。 由图3可知，本展项分为“吸引”“互动”“思考”“獲得”四个环节。在具体实现上，充分考虑各年龄段及新手玩家的学习成本，从而降低了游戏的上手难度。
2.2 空间、交互和界面
“能源挑战之旅”展项的定位是一个竞技型交互式多媒体游戏，尤其注重空间环境、交互技术和多媒体内容之间的关系。如图4所示，墙面高处屏幕作为“游戏排名展示区”显示游戏进程，吸引来往观众参与。墙面中间屏幕作为“玩家数据展示区”，与地面之间进行信息交互，并呈现个人游戏得分进展。地面屏幕采用压感式LED，作为“玩家互动游戏区”，通过视觉提示引导玩家开展踩踏式互动。
同时，作为一个全身体感游戏，应当兼顾移动视角、感应灵敏度、反应速度等诸多人因特征。如图5所示，触点范围：双脚踩踏地面的范围在0.09～0.25 m2之间;运动空间：设定为长3 m、宽1.5 m;可视范围：以玩家为中心2 m内，减少视觉搜索的时间。
2.3 游戏模型优化
“能源挑战之旅”展项面向的是非特定用户，玩家的年龄跨度较大，且大部分人为初次体验。因此，在游戏细节设计上需要具备可玩性、趣味性和挑战性，易上手而难精通。
（1）可玩性
如图6所示，玩家在正式进入游戏之前，将逐步了解游戏的玩法。关卡设计调整：为了形成一致的游戏策略，不能调整数值的关系，只能调整数值的数量。关卡设为功能递进，第一关数量最少，只能采集;第二关数量增加，可建设少量基站;第三关可自由建设基站。
（2）趣味性
动作游戏：在策略相当的情况下，敏锐的观察和迅速的反应是成功的关键。策略游戏：如果策略是错误的，无论动作有多快，都不能取得高分。本展项结合动作游戏和策略游戏的特点，动作游戏是表象，而策略游戏才是内核。
（3）挑战性
为了在采集能源与保护环境之间达到平衡，我们可采取以下三种策略。
配置策略：三种能源类型必须进行组合搭配，并重视保护环境，减少传统能源的开采。
时间策略：前期以建设基站为主，后期以开采能源为主，合理分配时间可有效提高整体的采集效率。
空间策略：密集建设基站，减少空置空间，从而避免无效跑动。
2.4 游戏结果及行为映射
基础框架完成后，通过模拟真实玩家的游戏行为，对游戏结果进行仿真分析和验证，以评估游戏结果是否反映了典型情况（见表2）。
3 结果与讨论
3.1 体验时长分析
在1：1的环境模拟和样本测试中，3 min以内，玩家很难弄清游戏玩法。5～6 min，玩家进入状态，产生“再玩一次”的意愿，有着“下一次会更好”的信心。8～10 min，玩家出现不同程度的疲劳。因此，我们将游戏设为三回合，每回合为120 s，让玩家渐进式进入游戏状态，并且三次游戏的结果相对独立，每次都能重拾乐趣。
3.2 吸引力指数和持续力指数
在模拟测试中，玩家对于运用游戏策略获得高分有着强烈的兴趣，而熟悉策略的过程正是探究“能源”“经济”“环境”三者内在关系的过程，因此达到了“寓教于乐”的设计初衷。游戏结果中既有必然性，也有偶然性。必然性是合理的策略和快速的动作反应必然取得胜利，而偶然性则是空间组合、时间组合、反应速度等因素导致的结果会在一定范围内浮动，这种不确定性从某种程度上增强了游戏的神秘感和吸引力，从而拓展了游戏的持续力和生命力。
4 结语
上海科技馆“能源新天地”展区的“能源挑战之旅”展项在娱乐性与知识性的结合上进行了有益的探索。针对展项的设计开发，我们紧抓一点，就是信息的传达这个抽象化的过程。在科技馆中，观众往往带着相对明确的目的，同时也具有一定的群体特征。而互动竞技游戏作为一个弱社交载体的存在，则提供了其他游戏所不具备的独特优势。在充分考虑展项吞吐量、可维护性的基础上，兼顾场馆功能、观众需求，才能真正发挥科普游戏的优势。
参考文献
[1]黄文良，陈盟仁，陈益和.青少年能源教育之研究[J].工程科技与教育学刊，2005（3）：355-368.
[2]萧德仁.从科学工艺博物馆的燃料电池教具系统探讨能源教育[J].生活科技教育月刊，2010（4）：39-53.
[3]顾汉杰.基于虚拟现实的科普游戏设计[J].中国教育信息化，2017（2）：92-96.
[4]张美珍，王裕宏，沈益丞.科学博物馆能源教育活动对于国小学童能源知识与态度影响[J].高雄师大学报，2018（1）：19-41.
[5]何浩.未来博物馆的游戏化参与性体验设计[J].中国艺术，2019（2）：102-107.
[6]吴志功，王伟，郭炜煜.国际能源教育研究[M].石家庄：河北教育出版社，2009.
[7]苑英科，王聚芹.青少年能源教育知识读本[M].北京：中国经济出版社，2017.