王愛軍
(1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 創(chuàng)意學(xué)院,江蘇 常州 213100;2.安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院,安徽 六安 237000)
意外傷害是威脅兒童健康和安全成長(zhǎng)的重要因素,據(jù)世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國兒童基金會(huì)發(fā)布的《世界預(yù)防兒童傷害報(bào)告》顯示,全世界每天有2 000多個(gè)家庭因非故意傷害或“意外事故”而失去孩子,從而使得這些家庭支離破碎[1].兒童意外傷害主要有:水的傷害、道路交通的傷害、火的傷害以及電的傷害等,而其中兒童因電意外傷害的數(shù)據(jù)不容輕視.據(jù)現(xiàn)代教育2020年網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示:少年兒童因觸電而死亡的人數(shù)占兒童意外死亡人數(shù)的10.6%[2].2020年4月,習(xí)近平總書記就安全生產(chǎn)作出重要指示強(qiáng)調(diào):要針對(duì)安全生產(chǎn)事故主要特點(diǎn)和突出問題,層層壓實(shí)責(zé)任,狠抓整改落實(shí),強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)防控,從根本上消除事故隱患,有效遏制重特大事故發(fā)生[3].為認(rèn)真貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記重要指示精神,推動(dòng)安全教育從小抓起、及早抓起,將安全理念根植入腦、入心,進(jìn)一步夯實(shí)安全基礎(chǔ),基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)兒童安全用電教育仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),提升兒童用電安全教育效果,具有十分重要的意義.
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于游戲、醫(yī)療、教育等行業(yè)[4].在兒童安全教育需求驅(qū)動(dòng)下,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被研究人員提出,但只有將這些研究部署到硬件環(huán)境中,才能真正驗(yàn)證研究的有效性.基于上述原因,本文提出一種兒童用電安全教育仿真系統(tǒng)的開發(fā)方案,利用C#腳本設(shè)計(jì)完成交互動(dòng)作處理,為兒童提供一個(gè)可沉浸的用電安全教育交互媒介,加深兒童對(duì)用電安全知識(shí)的理解,提升兒童對(duì)用電安全突發(fā)狀況的應(yīng)急處理認(rèn)知,并將仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用推廣至各學(xué)前培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、義務(wù)教學(xué)機(jī)構(gòu),作為兒童安全教育的素材載體.
本平臺(tái)制作主要利用Unity 3D、3DMAX、Photoshop、Vive等軟件及工具完成,首先,運(yùn)用3DMAX軟件完成主場(chǎng)景、角色、道具制作;其次,運(yùn)用Photoshop軟件協(xié)助材質(zhì)紋理等制作,再在三維制作軟件中賦予材質(zhì),初調(diào)燈光及渲染,以FBX文件格式導(dǎo)出并導(dǎo)入至Unity 3D軟件[5],修整燈光及渲染,進(jìn)而利用程序語言完成交互動(dòng)作設(shè)計(jì);最后,演示、調(diào)試并生成.
根據(jù)兒童活潑、好奇心強(qiáng)又不喜文字說教等的性格及行為特點(diǎn)[6],依據(jù)常見兒童居家用電安全隱患類別,將平臺(tái)交互設(shè)計(jì)方案確立為三道可沉浸交互體驗(yàn)的闖關(guān)游戲關(guān)卡.兒童以游戲玩家身份完成交互體驗(yàn),進(jìn)而熟知三個(gè)用電安全警示,主要內(nèi)容為關(guān)卡一:不要用手指和硬物摳插座插孔,如使用,則闖關(guān)失??;關(guān)卡二:不要用剪刀等剪斷電線,如使用,則闖關(guān)失敗;關(guān)卡三:有人觸電后,要設(shè)法及時(shí)關(guān)閉電源,如直接觸碰觸電人員,則闖關(guān)失敗.
兒童安全用電教育仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具體運(yùn)行流程是:進(jìn)入主界面,主界面顯示“安全用電小游戲”標(biāo)題文字,點(diǎn)按Vive手柄觸發(fā)文字,隨即彈出三個(gè)附帶不同圖案和文字的選項(xiàng),分別是:帶有插排圖標(biāo)的關(guān)卡一選項(xiàng),帶有剪刀圖標(biāo)的關(guān)卡二選項(xiàng),帶有當(dāng)心觸電圖標(biāo)的關(guān)卡三選項(xiàng).此時(shí),玩家可任意點(diǎn)擊一道關(guān)卡,不分先后順序,如選擇關(guān)卡一,畫面隨即跳轉(zhuǎn)至室內(nèi)場(chǎng)景,餐桌位置有一綠燈點(diǎn)亮電插排,插排旁邊放置有小鐵棒,2秒后畫面彈出文字選項(xiàng):1拾起鐵絲摳插座或徒手摳插孔;2關(guān)閉插座開關(guān).使用Vive手柄選擇選項(xiàng)1,隨即可使用右手手柄抓取鐵絲并插入插座或直接觸碰插孔,此時(shí)彈出“闖關(guān)失敗”文字及音頻提示,2秒后彈出文字警告并伴隨音頻提示:“用電安全請(qǐng)謹(jǐn)記:不可用硬物或徒手摳插座插孔,謹(jǐn)防觸電危險(xiǎn)!”2秒后,跳轉(zhuǎn)回到室內(nèi)場(chǎng)景,玩家繼續(xù)使用Vive手柄選擇選項(xiàng),如選擇選項(xiàng)2,隨即可使用右手手柄點(diǎn)按在開關(guān)按鈕上,此時(shí)彈出“你真棒!恭喜你闖關(guān)成功.”文字及音頻提示,并同時(shí)伴隨悅耳輕快的獎(jiǎng)勵(lì)音效.2秒后,跳轉(zhuǎn)回到主界面,此時(shí),玩家可繼續(xù)選擇未完成的其他闖關(guān)關(guān)卡,如選擇關(guān)卡二,畫面隨即跳轉(zhuǎn)至室內(nèi)場(chǎng)景,餐桌位置有一綠燈點(diǎn)亮電插排,插排旁邊放置有剪刀,2秒后畫面彈出文字選項(xiàng):1拾起剪刀剪斷電線;2關(guān)閉插座開關(guān).使用Vive手柄選擇選項(xiàng)1,隨即可使用右手手柄抓取剪刀剪斷(觸碰)電線,此時(shí)彈出“闖關(guān)失敗”文字及音頻提示,短暫時(shí)間后彈出文字警告并伴隨音頻提示:“用電安全請(qǐng)謹(jǐn)記:不要用剪刀等剪斷電線,謹(jǐn)防觸電危險(xiǎn)!”2秒后,跳轉(zhuǎn)回到室內(nèi)場(chǎng)景,玩家繼續(xù)使用Vive手柄選擇選項(xiàng),如選擇選項(xiàng)2,關(guān)閉插座開關(guān),隨即可使用右手手柄點(diǎn)按在開關(guān)按鈕上,此時(shí)彈出“你真棒!恭喜你闖關(guān)成功.”文字及音頻提示,并同時(shí)伴隨悅耳輕快的獎(jiǎng)勵(lì)音效.2秒后,跳轉(zhuǎn)回到主界面,此時(shí),玩家可繼續(xù)選擇未完成的其他闖關(guān)關(guān)卡,如選擇關(guān)卡三,畫面隨即跳轉(zhuǎn)至室內(nèi)場(chǎng)景,此時(shí)室內(nèi)場(chǎng)景有人倒地,畫面顯示警告文字“有人觸電,請(qǐng)選擇:1直接檢查觸電人員身體情況,2關(guān)閉電源開關(guān)”,使用Vive手柄選擇選項(xiàng)1,隨即可使用右手手柄觸碰觸電倒地人員,此時(shí)彈出“闖關(guān)失敗”文字及音頻提示,2秒后彈出文字警告并伴隨音頻提示:“用電安全請(qǐng)謹(jǐn)記:不要直接觸碰觸電人,請(qǐng)?jiān)O(shè)法關(guān)閉家用總電源,謹(jǐn)防觸電危險(xiǎn)!”2秒后,跳轉(zhuǎn)回到室內(nèi)場(chǎng)景,玩家繼續(xù)使用Vive手柄選擇選項(xiàng),如選擇選項(xiàng)2,隨即可使用右手手柄點(diǎn)按在墻面電源按鈕上,此時(shí)彈出“你真棒!恭喜你闖關(guān)成功.”文字及音頻提示,并同時(shí)伴隨悅耳輕快的獎(jiǎng)勵(lì)音效.2秒后,跳轉(zhuǎn)回到“安全用電小游戲”主界面.運(yùn)行流程如圖1所示.需要注意的是:玩家初次進(jìn)入主界面選擇一關(guān)卡開啟當(dāng)前闖關(guān)游戲后,如當(dāng)前關(guān)卡闖關(guān)失敗,系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至當(dāng)前關(guān)卡,所有關(guān)卡都需至少完成一次,成功闖關(guān)后可方可跳轉(zhuǎn)至開始主界面,否則無法跳轉(zhuǎn)至主界面.
圖1 兒童用電安全教育仿真系統(tǒng)運(yùn)行流程圖
為了增加平臺(tái)交互帶來真實(shí)感及沉浸感,平臺(tái)運(yùn)行以第一人稱視角方式展開,效果如圖2所示,即當(dāng)玩家進(jìn)入游戲自動(dòng)帶入(匹配)角色視角、操控(交互).這需要在Unity 3D軟件首先創(chuàng)建一個(gè)角色預(yù)制體,調(diào)用插件并創(chuàng)建相應(yīng)控制腳本用以達(dá)到玩家佩戴頭盔即可實(shí)現(xiàn)第一人稱視角的目的[7],這里具體操作主要分為三步:第一步,通過調(diào)用Character Controller組件以實(shí)現(xiàn)角色移動(dòng),Character Controller組件同時(shí)可以檢測(cè)到角色預(yù)制體是否在地面,我們創(chuàng)建一個(gè)名為Move.的腳本并將其掛載到角色預(yù)制體上,這樣角色首先可實(shí)現(xiàn)移動(dòng);第二步,為攝像機(jī)添加視角旋轉(zhuǎn)代碼,通過GetAxis()獲取位移,注意限定顯示上下、橫向視角旋轉(zhuǎn)范圍;第三步,創(chuàng)建一個(gè)名為Follow Rotation.腳本實(shí)現(xiàn)角色預(yù)制體跟隨視角旋轉(zhuǎn),并將此腳本掛載到角色預(yù)制體上.
圖2 第一人稱視角運(yùn)行效果圖
在平臺(tái)中闖關(guān)關(guān)卡運(yùn)行交互后都需觸發(fā)音頻提示音,如在關(guān)卡一中,當(dāng)玩家拾起鐵絲或徒手摳插孔交互動(dòng)作完成后,隨即出現(xiàn)音頻提示音“闖關(guān)失敗”,2秒后出現(xiàn)提示音“用電安全需謹(jǐn)記,不可用硬物或徒手摳插座插孔,謹(jǐn)防觸電危險(xiǎn)!”.這里需要提前錄制好音頻文件,隨后創(chuàng)建音頻觸控腳本并將該腳本掛載到插座上,當(dāng)玩家觸碰到插座,2秒后即可觸發(fā)音頻播放控件,具體方法是:第一步在Unity 3D軟件中創(chuàng)建一個(gè)Canvas控件,執(zhí)行Assets下Custom Render Texture菜單命令,隨后執(zhí)行GameObject下Video Player.第二步創(chuàng)建名為Auto play.腳本并將其掛載到插座上,其程序設(shè)計(jì)流程框架如圖3所示.
圖3 音頻播放系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
平臺(tái)中設(shè)置了抓?。ㄓ|碰)、釋放交互操作,其原理就是把插座做成觸發(fā)器,當(dāng)人物碰撞到插座,觸發(fā)器便可檢測(cè)到碰撞,繼而觸發(fā)下一邏輯.要模擬抓取和釋放物體操作,就需要調(diào)用SteamVR plugin[8],同時(shí)為物體添加Rigidbody剛體組件、懸停事件Interactable Hover Events等.具體方法是:首先為插座添加碰撞器并將其設(shè)置為trigger模式,這里只檢測(cè)碰撞,不改變其運(yùn)動(dòng);其次為玩家加上碰撞器,同時(shí)為玩家添加剛體組件;第三步設(shè)置玩家預(yù)制體及插座矩陣,對(duì)手柄進(jìn)入、離開、拾取、放下進(jìn)行事件處理;最后玩家抓?。ㄓ|碰)到插座,即可運(yùn)行下一邏輯,其程序設(shè)計(jì)流程框架如圖4所示.
圖4 抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
在設(shè)置抓取動(dòng)作時(shí),是否能夠?qū)崿F(xiàn)手柄精準(zhǔn)抓取動(dòng)作是本系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,所以,精準(zhǔn)判斷碰撞體的位置以實(shí)現(xiàn)后續(xù)動(dòng)作是該交互設(shè)計(jì)的前提條件,因此,在程序?qū)懭霑r(shí)加入了相對(duì)比較成熟的模糊算法,以幫助VR手柄能夠較為精準(zhǔn)拾取物體.
為了加深平臺(tái)教育效果,每道關(guān)卡游戲中在設(shè)置音頻提示同時(shí)彈出相應(yīng)文字提示,例如關(guān)卡二,當(dāng)玩家闖關(guān)失敗,對(duì)應(yīng)彈出“闖關(guān)失敗”文字提示,2秒后彈出“用電安全請(qǐng)謹(jǐn)記:不要用剪刀等剪斷電線,謹(jǐn)防觸電危險(xiǎn)!”文字警示.這里交互設(shè)計(jì)邏輯與音頻提示處理方法相似,我們需要為電線或插座設(shè)置碰撞體,當(dāng)玩家手持剪刀碰撞到電線或插座,即可認(rèn)定剪刀與電線或插座發(fā)生了碰撞,隨即運(yùn)行文字提示這一邏輯.這里需要編寫一個(gè)用于監(jiān)聽角色Postion的腳本,并將其掛載到角色預(yù)制體上.其系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程框架如圖5所示.
圖5 文字提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
在Unity3D中進(jìn)入File菜單并執(zhí)行Build Setting命令,隨即選擇PC平臺(tái),點(diǎn)按Build生成,完成后即可生成.exe系統(tǒng)文件.在PC端佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)硬設(shè)運(yùn)行平臺(tái),體驗(yàn)者將以玩家身份進(jìn)入游戲關(guān)卡.需要提出的是,由于平臺(tái)交互動(dòng)作是基于固定虛擬現(xiàn)實(shí)硬設(shè)開發(fā),運(yùn)行平臺(tái)應(yīng)作要求,其具體配置建議參數(shù)見本文3.1部分,平臺(tái)運(yùn)行效果如圖6所示.
圖6 用電安全教育仿真系統(tǒng)運(yùn)行效果圖
本平臺(tái)基于圖形工作站、Vive Pro2開發(fā)及運(yùn)行,運(yùn)行本平臺(tái)的操作系統(tǒng)為Windows 7 SP1以上版本,向上支持Windows 8、Windows 10系統(tǒng),建議使用Windows 10作為軟件運(yùn)行環(huán)境.其硬件配置如表1所示.
表1 運(yùn)行VR硬件環(huán)境配置
3.2.1 功能性測(cè)評(píng)
佩戴Vive通過運(yùn)行平臺(tái).exe文件進(jìn)入系統(tǒng)主界面,選擇界面首頁出現(xiàn)的三個(gè)游戲關(guān)卡中任一關(guān)卡進(jìn)入,通過Vive操控手柄實(shí)現(xiàn)交互.各項(xiàng)功能性測(cè)評(píng)結(jié)果如表2所示.
表2 功能性測(cè)評(píng)表
(1)行走及漫游測(cè)試.玩家(主體)可以在場(chǎng)景中通過行走、轉(zhuǎn)頭實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn),讓體驗(yàn)者置身于室內(nèi)環(huán)境中,常見居家用電隱患呈現(xiàn)在玩家眼前,運(yùn)行流暢,效果逼真,測(cè)試通過.
(2)抓取與釋放控件體驗(yàn)測(cè)試.通過Vive操控手柄可拾取鐵絲、剪刀,可準(zhǔn)確地將其放置(觸碰)到電線或插孔位置,以實(shí)現(xiàn)類似于插入和剪斷的效果,測(cè)試通過,效果比較逼真.
(3)文字提示測(cè)試.當(dāng)玩家(主體)通過Vive進(jìn)行闖關(guān)成功時(shí),文字提示會(huì)隨之出現(xiàn):“你真棒!恭喜你闖關(guān)成功!”當(dāng)玩家闖關(guān)失敗時(shí),文字提示隨之出現(xiàn):“用電安全請(qǐng)謹(jǐn)記,不要用剪刀等剪斷電線,謹(jǐn)防觸電危險(xiǎn)!”測(cè)試效果正確無誤,測(cè)試通過.
(4)音頻及音效播放測(cè)試.當(dāng)進(jìn)入主場(chǎng)景,玩家(主體)即可通過Vive頭盔上耳機(jī)聽到背景音樂及字幕人聲提示,同時(shí)在進(jìn)入關(guān)卡操作后伴隨操作聽到相應(yīng)音頻人聲及音效.例如在闖關(guān)失敗后,會(huì)聽到“嘀嘀嘀”三聲警告音效同時(shí)聽到人聲警告:闖關(guān)失敗,用電安全請(qǐng)謹(jǐn)記,不可用硬物或徒手摳插座插孔,謹(jǐn)防觸電危險(xiǎn)!主界面及三個(gè)關(guān)卡背景音頻及音效測(cè)試通過,效果良好,對(duì)玩家能夠起到加深印象作用.
3.2.2 消融實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
基于Nielsen&Molich的啟發(fā)式評(píng)估法(HE),對(duì)照Alita joyce功能游戲10項(xiàng)可用性原則[9],確定了本項(xiàng)目消融測(cè)評(píng)具體內(nèi)容,其中包括:音效模塊、文字提示效果及涵蓋以上2個(gè)模塊的闖關(guān)消融數(shù)據(jù)對(duì)比.參加測(cè)評(píng)人員共12人,按每組4人人員配比共分3組,其中每組含1名游戲設(shè)計(jì)人員,1名小學(xué)教師,1名學(xué)齡兒童家長(zhǎng),1名小學(xué)生.測(cè)評(píng)過程為:首先向參與測(cè)評(píng)人員介紹平臺(tái)基本情況及可用性原則;其次,評(píng)估人員對(duì)是否具有某項(xiàng)功能模塊的游戲進(jìn)行2次試玩闖關(guān),開發(fā)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄;最后,開發(fā)人員整理3組實(shí)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù),與所有測(cè)評(píng)人員討論,確定修正設(shè)計(jì)方案.根據(jù)測(cè)評(píng)結(jié)果,平臺(tái)運(yùn)行流程簡(jiǎn)便易操作,通過對(duì)3組消融實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì),確定了綜合運(yùn)用2項(xiàng)模塊的平臺(tái)設(shè)計(jì)方案,該方案可達(dá)到可用性測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)人員對(duì)照該方案對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了完善,其測(cè)評(píng)結(jié)果及數(shù)據(jù)如表3—表5所示.
表3 具有提示音效的實(shí)驗(yàn)對(duì)比
表4 具有文字提示的實(shí)驗(yàn)對(duì)比
表5 具有文字提示、提示音效(2項(xiàng)模塊)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比
3.2.3 定量數(shù)據(jù)對(duì)比分析
運(yùn)用定量數(shù)據(jù)對(duì)比分析法,針對(duì)兒童用電安全信息傳達(dá)的有效性,選擇40名6~7歲學(xué)齡兒童參與了對(duì)比分析測(cè)試.模擬測(cè)評(píng)開始,隨機(jī)將每10人分為一組,將組別分別命名為文字組、漫畫組、動(dòng)畫組、平臺(tái)組.首先將滿分為100分的兒童用電安全測(cè)試題下發(fā)給各組,平臺(tái)開發(fā)人員現(xiàn)場(chǎng)記錄各組成員測(cè)試得分?jǐn)?shù)據(jù),并測(cè)算平均得分.隨后各組對(duì)應(yīng)通過漫畫、動(dòng)畫、文字、試玩兒童安全用電闖關(guān)游戲4種方式來學(xué)習(xí)兒童用電安全知識(shí),隨即再次進(jìn)行用電安全問卷測(cè)試,平臺(tái)開發(fā)人員再次現(xiàn)場(chǎng)記錄各組成員測(cè)試得分?jǐn)?shù)據(jù),并測(cè)算平均得分.其前后測(cè)評(píng)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析如圖7—圖9所示.
圖7 四組參與學(xué)習(xí)前后測(cè)試分?jǐn)?shù)曲線圖
圖8 四組參與學(xué)習(xí)前后平均分柱狀圖
圖9 參與平臺(tái)學(xué)習(xí)后行為分析
由圖7—圖9測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析圖可知:(1)參與測(cè)評(píng)人員獲取用電安全知識(shí)的途徑會(huì)影響其對(duì)用電安全信息的印象,帶有目的性的體驗(yàn)?zāi)芴嵘粶y(cè)人員對(duì)用電安全信息的印象;(2)參與用電安全教育平臺(tái)試玩闖關(guān)的兒童在進(jìn)行學(xué)習(xí)前后兩次測(cè)評(píng)所得平均分、最高分及最低分的差異均最大;(3)參與用電安全教育平臺(tái)試玩闖關(guān)的大多數(shù)兒童愿意分享他們的互動(dòng)體驗(yàn),因此要重視用電安全知識(shí)傳達(dá)的互動(dòng)性和體驗(yàn)性.
在倡導(dǎo)全民安全生產(chǎn)[10],牢固樹立安全意識(shí)的背景下,筆者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入兒童安全教育中,并將兒童居家安全用電等難以通過體驗(yàn)及訓(xùn)練的內(nèi)容進(jìn)行了模塊規(guī)劃,完成了集沉浸式、體驗(yàn)式、安全性、可操作、可重復(fù)于一體的兒童用電安全教育平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng).此平臺(tái)系統(tǒng)因存儲(chǔ)量小、安裝簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)潔等特性,可作為各大中小學(xué)、幼兒園等教育或培訓(xùn)機(jī)構(gòu)主題安全教育體驗(yàn)內(nèi)容,亦可為各類安全教育科普?qǐng)鲳^持續(xù)延伸開發(fā)基礎(chǔ)應(yīng)用提供框架參考.需要提出的是:由于該平臺(tái)須在配置較高的終端機(jī)上運(yùn)行,方能保證其流暢性,因此,其傳播途徑具有一定局限性,故而通過游戲程序開發(fā)方式對(duì)平臺(tái)進(jìn)行延伸運(yùn)用的研究將是本課題下一步的研究重點(diǎn).