《产品开发软件基础》实践教学设计与探索.pdf

罗可欣：产品开发软件基础实践教学设计与探索087产品开发软件基础实践教学设计与探索罗可欣（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）摘要：根据教学大纲的要求，产品开发软件基础课程有 28 个学时为实践课程。作为近年新开课程，对实践教学的设计与探索势在必行。本课程对实践教学的目的、方法、内容等方面进行设计与探索，设计出环环相扣、全面覆盖知识点的实践课程体系，为提高学生的实践能力提供教学指导。本文设计了 5 个实验，分别为物体设计、场景设计、音效设计、动画设计和脚本设计；对 3 个优秀作品进行全面分析鉴赏。通过学生作品分析得出，本学期使用的实践方案具有良好的效果。关键词：实践教学；实验课程；实践能力作者简介：罗可欣，女，贵州大学机械工程学院实验师。产品开发软件基础为工业设计专业的必修课，教学大纲中规定总学时为 56 个，其中课堂讲授 28 学时，实验 28 学时，无配套课程设计，实验课以设计为主。本课程的目标是培养工业设计专业学生的编程能力，提升学生在学科领域使用编程解决问题的能力。从多年的教学来看，重点还是上机练习。上机练习是提升学生动手能力和创新能力的重要手段，通过动手让学生有成就感，同时巩固对理论知识的理解，引导学生主动思考，提升学生分析问题、解决问题的能力，进而培养学生的创新能力。本课程分为两个部分，分别是 C#语言的学习以及 Unity 3D 集成环境的使用。Unity 3D 可以用来创建 3D 视频效果、实时 3D 动画、虚拟现实（VR）、建筑可视化等内容2。Unity 3D 主要授课内容包括物体设计、场景设计、音效设计、光源设计、粒子系统设计、动画设计、脚本设计等。在整个设计中，最核心的是脚本设计，088 Academic and Practise 学术与实践脚本是通过 C#语言编写的，Unity 3D 支持C#语言格式的脚本代码。因此，本课程不仅要学设计，更要学编程，好的编程能让设计活灵活现，编程让设计更加有意义。通过本课程的学习，学生应掌握 Unity 3D 游戏设计软件的基本操作，在 Unity 3D中熟练使用 C#编程语言，完成简单游戏的设计与实现。学生应掌握 C#语言的基本语句、语法、数据类型、运算符和表达式，并能编程实现顺序、选择、循环等结构；在 Unity 3D 开发环境下能够使用 C#完成游戏的设计与实现。本课程使学生掌握 C#语言的基础知识、基本语法，以及顺序、选择、循环等结构的语句规则及使用场景；同时，还应掌握 Unity 3d 的基本设计方法，在 Unity 3d 开发环境下能够熟练使用 C#语言完成脚本的设计，实现产品的具体功能。一、实验教学目的、内容及教学思路1.教学目的和内容Unity 3D 的实验课程包括：游戏物体设计、场景设计、音效设计、光源设计、物理引擎游戏设计、布料粒子设计、游戏角色动画设计、游戏脚本设计。其中，游戏脚本设计贯穿整个实验课程，每部分的设计都会涉及脚本的设计。Unity 3D 能够控制游戏中的主角与各种 NPC 角色等，Unity 3D 中常用的脚本函数包括 Update、FixedUpdate 等。Update 函数在渲染一帧之前被调用。在 Unity 3D 集成开发环境中，脚本常用组件见表 1。表 1Unity3D 脚本常用组件组件访问变量TransformtransformRigidbodyrigidbodyRendererrendererCameraCamera(only on camera object)LightLight(Only on camera object)AnimationanimationCollidercolliderUnity 3D 的核心部分是脚本程序设计，在 Unity 3D 中脚本是不可少的。脚本是用来界定用户在游戏中的行为或者规则，Unity 3D 推荐使用的编程语言是JavaScript，同时也支持 C#或 Boo 语言。本课程是产品开发过程中所需要的软件基础，目的是让学生掌握一门编程语言，在产品开发的过程中能够自己编码，改变工业设计人员对程序员过度依赖的现状。本课程将 C#编程语言基本理论与 unity3D结合起来，介绍了 C#基础语法、游戏设计的思想、开发环境、游戏物体设计、游罗可欣：产品开发软件基础实践教学设计与探索089戏场景设计以及脚本编写等基础理论知识。结合具体应用实例，帮助学生掌握游戏设计的软件基础、编程基础以及程序设计基本技能。本课程主要包括以下实验：C#基础知识熟悉与使用；脚本设计基础知识熟悉与使用；游戏物体设计；游戏场景设计；游戏音响设计；游戏物理引擎设计；游戏角色动画设计。2.教学思路在 Unity 3d 设计中，最重要的是游戏物体（Game Object）。游戏设计中的任何东西都是游戏物体，游戏物体是一个容器，它们是一个空的可以容纳不同块的盒子，而这些块可以组成一个复杂物体造型或者场景。为了真正理解游戏物体首先需要理解这些块，这些块被称作组件。根据所要创建的物体的不同，可以添加不同的组件到一个物体中。在 Unity 3d 中，添加 3D 游戏物体造型是利用最基本的几何球体、立方体、长方体、圆柱体以及胶囊体造型组合成各种三维几何造型、文字造型等。例如，创建墙体、双杠、座椅、板凳以及室内外造型等。场景设计是 Unity 3d 中最重要、最复杂的部分。3D 游戏场景设计主要内容包括游戏场景的规划、地形设计、山脉设计、河流山谷设计、森林设计、建筑设计、人物造型设计等。针对不同游戏采用不同策略，根据游戏的每一个故事情节设计每个游戏场景内的各种物体造型。在 Unity 3d场景设计中，要掌握天空盒技术、包括天空盒资源导入、天空盒设计以及天空盒案例分析。主要内容在游戏地形设计中，要很好掌握创建地形地貌、绘制地形及地形修饰等。此外，还要对 3D 游戏场景中事物进行合理添加与处理，如在游戏地形场景中添加森林、树木、花草以及河流等，还可以添加建筑物、桥梁、人物及道具等。在 Unity 3d 中，摇杆、拾取音效、影视纹理设计是为游戏场景设计交互和多媒体艺术效果，通过按钮、摇杆和拾取实现游戏的交互功能。对 3D 游戏声音设计，学习音频管理器和音频监听器的使用，掌握音频源、音频效果以及音频混响区设计方法。掌握 Unity 3d 影片纹理设计。在 Unity 3d 中，摄像机、预置、材质、光源设计是游戏设计场景的重要组成部分。通过摄像机来观察游戏场景中物体或者角色的视角。在 Unity 3d 中，物理游戏引擎包含刚体设计、碰撞设计、物理材质以及关节运动等。关节设计又包括固定关节、铰链关节、弹簧关节、可配置关节等。Unity 3d 脚本设计是 3D 游戏引擎重要组成部分，是 3D 动画设计的核心和灵魂。090 Academic and Practise 学术与实践Unity 3d 支 持 JavaScript、c#、boo 三 种 语言格式的脚本代码。了解 Unity 3d 脚本常用操作、脚本常用组件、脚本向量、变量和全局变量以及类的使用等。期末大作业要求学生通过所学知识，将 Unity 3d 和 C#语言结合起来，独立完成产品的设计与实现。期末大作业包括产品设计及脚本设计：产品设计部分要求学生使用 Unity 3d 完成人物设计、场景设计、音效设计、地形设计、粒子系统设计、光源设计等基本内容；脚本设计部分要求学生实现人物的移动、音效的控制、碰撞响应、碰撞特效等具体功能。教学大纲中，各章教学内容包括：C#基础语法、C#基本知识、C#流程控制、面向对象程序设计基础、Unity 3D 游戏物体设计、Unity 3D游戏场景设计、Unity 3D 游戏音响设计、Unity 3D 游戏光源设计。可见，期末大作业的考核涵盖了教学大纲中 100%的教学内容。因此，期末大作业能够考核学生是否达到课程目标。二、学生成果展示本课程旨在提高学生的动手能力，因此，期末考核方式为小程序的设计与制作，每个同学都提交了自己设计的小程序。本文挑选三位同学的作品进行展示。1.坦克大战该游戏主体功能是以童年一款经典游戏坦克大战为背景，真实客观地还原了坦克大战中的大部分场景与功能。主要是通过玩家控制坦克移动与发射子弹来消灭敌方坦克，保护自己的家（home）不被敌人发出的子弹破坏而导致游戏结束，同时通过不断消灭敌方坦克而得分，以此获得更高的分数。在游戏中会随机在实例化的地图范围中生成敌人与功能，玩家可以通过接触所出现的图片触发相应的功能实现特殊功能。玩家也可以在初始界面选择第二个场景。另一个游戏功能，主要是操控飞机在地图中飞行。坦克是拿到一张图片的渲染，当按下左键向左移动的时候，图片本身不会发生变化。子弹也是获得图片的渲染而且用的是 transform。Translate 的 方 法 是 向 前 移动，所以当坦克发生转向的时候就会带来麻烦。针对这两个问题，有两种解决方法：一是在其他软件中先将坦克的图片旋转四个方向保存，这样就得到了四张图片，监听Horizontal 和 Vertical 的时候只要判断水平轴和垂直轴是-1 还是 1，然后调用相应的图片即可；二是对子弹实例化后，通过旋转子弹的方向及按照“子弹产生角度=当前坦克角度+子弹应该旋转角度”计算公式来解决，并通过 Quaternion.Euler 完成欧罗可欣：产品开发软件基础实践教学设计与探索091拉角与四元数角度的转化。由于游戏中敌人是每隔一段时间随机生成的，而且被摧毁后就消失了，所以为了解决敌人 AI 的问题，通过随机数的方法来控制敌人的移动并加大敌人向目标方向移动的概率来提升游戏难度。再通过计时器来让敌人定时发射子弹，这样就实现了敌人的基本 AI。2.移动端 AR 足球小游戏该游戏利用 Unity 平台进行开发和测试，并且从 Unity 按一定的打包程序导出到移动端进行使用。首先，该游戏满足了移动端的需求，可以用手指交互进行，在移动端按照横屏的方式操作。其次，该游戏采用了 AR 技术作为支持，将足球这样一个虚拟游戏增强现实化，在真实的生活场景中进行虚拟游戏的真实体验。场景的设计也就是虚拟的足球场，是基于一个空间中的平面，可以是桌子上，也可以是一片草坪上，创建的虚拟足球场上随机创建的是一个人物和足球。通过控制手指在手机屏幕上特定区域的触摸移动，会相应地使屏幕上的摇杆移动的 UI 随之移动，人物也会随之移动，当人物接触到足球的时候便会踢出足球。另外，人物还会具有四个不同的动画，分别是站立、跑步、踢球动作以及花式运球。屏幕上有两个动作 Button，按其中一个便能切换动作，控制人物在虚拟场景中奔跑、踢球和花式运球。3.逃出荒岛“逃出荒岛”是一款解谜探索游戏，玩家的目标是要通过触动一系列机关来逃脱不断崩塌的梦境。此游戏各种功能主要是以触发器为基础实现的，最具特色自然是每个障碍的机关设置；机关分为控制杆和按钮两种，以机关控制的门有推拉门和绕轴旋转的门，另外还有一个吊桥；在机关附近放置一个透明的触发器，当玩家角色靠近机关时就进入了触发器，从而触发控制杆的扳动（按钮的按动）和门的推动（转动）。值得一提的是吊桥机关的设置：扳动机关时，支撑吊桥的两根长杆顺着轨道往两边平移，设有铰链关节的桥板依靠重力自然掉下，架起一条通路（若移动的机关零件跑偏则需要冻结某个方向的移动和旋转，非常有效）。游戏的第一个门背后和第二关的起点分别加了一个背景音乐触发器，当门打开时音乐响起，当进入第二关时音乐切换。为了追求更好的游戏体验，在每个机关及每个门上加了音效的触发器，比如扳动控制杆的咔嚓声伴随着木门打开时的声音、按钮按动的声音、石门推动的声音、吊桥落下时金属的碰撞声每个音效不仅要切合门的材质，也要在时间上卡得很准，才会显得更加真实。另外，还有传送门的设置和人物静止、行走、悬浮动画的调用以及相互之间的切换等，都是此游戏的特点。092 Academic and Practise 学术与实践三、结语近年来，随着科技的发展，以及社会对人才要求的提高，开设编程基础课的作用越发凸显。此课程不仅能让学生掌握编程技能，更能培养学生的创新能力。因此，产品开发软件基础实践教学的设计与探索具有重要意义。在本次教学过程中，首先，通过容易上手以及相对简单的例题让学生获得成就感，激发学生对编程的兴趣，让学生循序渐进地全方位掌握编程基础知识。其次，以 C#为基础，融入 Unity3D 的内容，通过 Unity3D 脚本设计这一章节将C#和 Unity3D 融会贯通，通过案例让学生掌握程序设计与实现的过程。最后，学生能够运用所学知识设计小程序。从期末的考核来看，学生基本掌握了上述技能，所有学生都提交了自己的小程序，本次新开课能够达到预期目标。通过本学期的教学可以看到，本学年的教学效果优于上一学年，学生对课程的评价也优于上一学年。可见，本次改革对本课程的教学有着积极的作用。参考文献：1 谢宇,何坤金,陈义仁,等.基于 Unity3D的 疏 浚 船 作 业 虚 拟 仿 真 系 统 J.计 算 机 仿 真,2022,39(7):426-432.2 马胜,沈立,王勇军,等.新工科背景下集成电路设计人才培养的实践教学体系建设探索 J.实验室研究与探索,2022,41(1):206-210.