【课程论文】严肃游戏设计与运用

这条博客用来记录一下课程最后的作业……
写的挺扯淡就是了……

严肃游戏设计——《机器人对决》

〇、目录

游戏设计思路
游戏受众与学习目标分析
游戏背景与基础设定
游戏模式
游戏机制
游戏流程模拟
参考资料与相关链接

一、游戏设计思路

这是一款融入了计算思维以及计算机知识的游戏，我的设计灵感来源于一些既有的游戏或平台。

在这一部分，我将分析三个真实的游戏或网页的部分特点与机制，进而呈现我设计《机器人对决》的思路。

【1】编程解谜游戏：《Human Resource Machine》¹

^{图1 《Human Resource Machine》游戏界面}

^{这是一款益智解谜游戏，其核心的玩法是通过拖动指令块，操纵小人的行为，把输入部分的数字或字母的盒子进行处理，最后把盒子按照要求放置到输出区域。}

^{可以从游戏界面看出，玩家拖动的指令块的功能设计来自于计算机底层的指令集。}

^{游戏内置数十个关卡，在一个个解谜的关卡中，玩家会逐渐掌握用指令实现一些计算操作，进而学习到一些计算思维与算法。}

^{这样一款游戏的优点在于：很好的将计算机知识与算法融入到了解谜过程中，拖动方块以及可视化的程序运行过程对玩家来说十分友好。但同时，还存在一些缺陷：游戏内容较为有限，游戏挑战性过高，一旦陷入困境，玩家缺少指导，极其容易失去兴趣。}

^{【2】算法竞赛学习平台：CodeForeces²}

^{图2 CodeForces 用户信息界面}

^{CodeForces简称CF。CF是一个用于举办程序设计竞赛的网络平台，同时也是世界级的算法竞赛交流社区。在这个平台上，用户们可以参加程序设计比赛，交流算法的学习。基于此特点，可以将该平台归结为完全的学习平台。}

^{尽管CF是一个学习平台，但其也尝试添加了许多机制，增强其趣味性。}

^{Rating及称号机制：每一位用户都有一个分值，称为Rating。每当用户参加完一场比赛之后，系统会根据用户当前的分值以及在比赛中的表现对其Rating进行增加或者减少。并且每一段Rating会对应用户的荣誉称号，如:pupil(1200~1400)、 specialist(1400~1600)、 expert(1600~1900)、 master(2100~2300) 等。Rating一定程度上可以对应用户的程序设计水平，这样的机制能给予玩家荣誉的获得感。}
^{比赛中的玩家对抗机制：CF的比赛，形式上是给出程序设计题目以及基本的测试数据，让参与者编写程序来解决题目，并且通过测试数据。如果参与者发现其他用户的参赛程序存在bug，那么他可以自己制作一组特殊的测试数据，诱发其他用户的bug，让其他用户不能通过该测试数据，也就不能通过该道题目。这样的进攻行为称为hack，在比赛中成功hack将会获得加分。这样的机制不但能提升测试数据的强度，同时更增加了比赛的趣味性，增加了参与者的操作空间。}

^{此外，作为一个学习平台，CF有着庞大的用户社区，可以较好的帮助遇到困难的学习者解决困难，而不是束手无策。然而参与CF平台的学习有着较大的门槛，参与者必须掌握一门程序设计语言。事实上，CF是专门面向编程学习者开放的，对于外行人，根本不会认识页不会尝试这个平台。}

^{【3】多人联机竞技游戏：以《王者荣耀》为例}

^{作为热门的多人竞技游戏，《王者荣耀》有着日均一亿的活跃用户。该游戏娱乐化程度高，一定程度上缺少教育意义，这里仅对其部分游戏机制略做分析。}

^{《王者荣耀》的以下机制，在一定程度上对玩家具有吸引力。}

^{角色扮演：在每一场竞技中，玩家可以选择自己的英雄并且扮演该英雄。不同的英雄具有不同的技能，在竞技中具有独特的价值。}
^{即时反馈：在每一场游戏中，玩家将与对手对抗，而玩家所做的操作都是能立刻得到反馈的。即时的反馈增强了游戏体验和操作感。}
^{团队协作：《王者荣耀》主要的玩法是5V5团队协作对战，团队的沟通与配合在游戏中至关重要。与队友的交流，能在一定程度上满足玩家的社交需求。}

^{《机器人对决》设计思路}

^{我将设计的游戏暂时命名为《机器人对决》。}

^{我希望结合上述的游戏、平台的部分优势，设计一款学习计算思维与算法，门槛较低，并且能够以单人练习配合多人竞技的形式呈现的游戏。我希望这款游戏能够吸引编程爱好者或是喜欢思考的玩家，希望他们能在游戏中体验到竞技的快感，同时训练自己的思维语团队协作能力。}

^{《机器人对决》将会拥有类似于《Human Resource Machine》的基本游戏形式，同时将会拥有类似于CodeForces的社区。社区成员将会提供源源不断的关卡保持该游戏的活力。此外该游戏还将拥有类似于《王者荣耀》的竞技形式，以吸引玩家。}

^{二、游戏受众与学习目标分析}

^游戏类型

^{解谜，角色扮演，多人竞技}

^游戏受众

^{游戏的主要受众是15岁以上的学生，对编程感兴趣或是喜欢思考问题。}

^{事实上，该游戏本身具有对玩家能力进行评估分类的机制，对于不同水平的玩家，游戏的复杂性与难度都会不同。}

^学习目标

^{学习游戏中接近于计算机底层的各种指令，学习使用指令来完成游戏中的任务，学习使用指令实现一些基础算法，在多人竞技中强化运用所学知识。增强学习者的思维能力。}

^{三、游戏背景与基础设定}

^{游戏背景：}

^{人类社会进入到了一个机器人时代，世界上许许多多的工作都将由机器人取代。但是，世界上有两大机器人集团，他们势均力敌。为了促使机器人的任务完成水平不断提高，两大集团将会不断的举行任务挑战赛，相互切磋，相互竞争。游戏的玩家作为一个普通人，需要学习如何用指令操纵机器人完成任务，提高自己的水平，并且在一些比赛中加入到两大集团中的一方，通过比赛来获取赏金和荣誉。}

^{基础设定：}

^关卡界面

^{游戏的主要关卡界面由三个区域组成：输入区、输出区、堆砌区。}

^{游戏中每一个数字都是32位带符号整型，每一个数字都是一个盒子。盒子上会显示一个整数来表示数字。}

^{输入区大小有限（不妨设置为10个位置），每个位置可以放置一个数字。输入区整体代表的是任务的输入数据。}

^{输出区大小不加限制（但不能超过一个较大的值），在关卡开始时，该区域是空的。玩家用指令操作机器人，将一些数字放置在输出区。}

^{对于每组输入数据，有一组对应的标准输出数据（也就是答案）。通过比对玩家的机器人构造的输出数据和标准的输出数据，就可以判断玩家是否通过该任务。}

^{堆砌区因关卡而异，具有一定的大小，机器人可以将数字暂时堆砌在该区域的某个位置，还可以通过指令对数字进行复制、粘贴、运算等操作。}

^{用指令操作机器人}

^{游戏中机器人的行为是由指令控制的。玩家需要做的，是从自己可以选择的指令集中，拖动指令，组成一条从上到下的指令序列。机器人将按照从上到下的顺序执行指令。此外，通过jump指令，玩家可以让机器人执行的下一条指令跳转到序列中的任何一个位置，这样可以构成指令的循环。}

^{但是玩家并不具有无限的创作空间。所有机器人都具有两项基本属性：“脑容量”和“续航力”，他们都以数值的形式呈现。“脑容量”表示机器人能够储存的指令的条数，也就是玩家编写的一段指令序列的长度最大值。“续航力”表示机器人在一个任务或一场比赛中，能够执行的总指令的最大数量，当机器人执行了该数量的指令之后，就会自动停止，这避免了死循环的出现。}

^{此外，机器人还具有属性“携带量”。“携带量”表示机器人自身可以携带的数字的数量。机器人可以对自身携带的数字做运算操作，或是用堆砌区的数字更新自己携带的数字，又或是将携带的数字放置到输出区域等等。为了增加挑战度，携带量一般情况下为1.}

^{下面介绍游戏中机器人基本指令集中的指令：}

^{【input x y】：机器人到达输入区第x个位置，用这个位置上的数字，替换自己携带的第y个数字。}
^{【output x y】：机器人到达输出区的第x个位置，将自己携带的第y个数字，放置在输出区的这个位置。}
^{【copyto x y】：机器人到达堆砌区的第x个位置，将自己携带的第y个数字，拷贝到堆砌区的这个位置。}
^{【copyfrom x y】：机器人到达堆砌区的第x个位置，用这个位置上的数字，替换自己携带的第y个数字。}
^{【add x y】：机器人到达堆砌区的第x个位置，将其上面的数字与自己携带的第y个数字相加，并把结果存在自己携带的第y个数字。}
^{【sub x y】：与上面类似，换做减法。}
^{【jump x】：机器人查找指令序列的第x条指令，将不再执行该指令之后的指令，而是把第x条指令当作下一条指令执行。}
^{【jumpifzero x y】：机器人查找指令序列的第x条指令，如果机器人携带的第y个数字是0，那么机器人将不再执行该指令之后的指令，而是把第x条指令当作下一条指令执行。}

^{上面的指令称为基础指令，使用基础指令，已经可以解决很多简单的问题。但是对于高阶的玩家，还会解锁一些额外的指令。比如对运算指令进行拓展，加入xor，and，or等位运算。玩家也可以将自己编辑的一段指令序列打包、命名，以提高指令的复用性。}

^{此外，在竞技模式中，玩家可以选择不同的机器人作为自己本场参赛机器人，不同的机器人有各自的特点，也会有一些独特的指令。}

^{四、游戏模式}

^{游戏主要设计三种模式，其中有完成单人任务的【试炼之路】模式，有多人同时进行的【任务挑战赛】模式，还有较为激烈的5V5对抗的【针锋对决】模式。}

^{【试炼之路】}

^简要介绍

^{这是单人游戏模式，并且该模式作为游戏的一系列教程。在试炼之路中，有数十个关卡，每个关卡都设置了任务，要求玩家拖动指令块构造指令序列，操纵机器人完成任务。随着关卡的推进，任务难度会逐步提升，帮助玩家逐步掌握指令的基本用法。}

^{每一个关卡都会设置讨论区，玩家们可以在讨论区分享心得与方法。}

^关卡实例

^{这里给出一些设想的关卡实例。}

^{【输入与输出】编写指令，让机器人将输入区的数字原封不动的搬运到输出区。只使用input和output指令即可。}

^{【输入与倒序输出】编写指令，让机器人将输入区的数字以倒序搬运到输出区。可以借用堆砌区实现，需要用到copyto和copyfrom指令。}

^{【输出相反数】编写指令，让机器人将输入区的数字的相反数搬运到输出区。需要用到计算指令sub来求相反数。}

^……

^{【任务挑战赛】}

^简要介绍

^{这个模式类似于单人游戏模式，但是参赛的玩家将会同时进行单人挑战，并根据挑战的情况给出排名。这个模式的灵感来自于CodeForces举办比赛的方式。官方或者高阶玩家每星期将会创建一场比赛，设计一系列具有难度梯度的关卡。玩家参加挑战赛将会获得奖励。每场挑战赛会将参赛玩家完成比赛关卡的表现做统计并且排名，然后计算出玩家的得分（可能是负数）。玩家的总积分将会用于划分玩家段位。}

^{在比赛中，玩家在自己完成关卡之后，可以查看其他玩家指令序列，如果发现其他玩家的方法存在bug，那么他可以自己构造一组输入输出数据，来“攻击”其他玩家。这样有利于增强关卡的测试数据。}

^{每一场比赛都会设置讨论区，在比赛结束后，玩家们可以在讨论区分享心得与方法。}

^{这样一种比赛方式将会不断更新关卡，让游戏保持活力。}

^比赛实例

^{这里给出一场设想的比赛实例。可以看到，关卡难度是逐渐递增的，具有梯度，能区分玩家水平，锻炼玩家思维。}

^{【RC Contest Round 5】}

^{本场比赛由高阶玩家George_Plover设计关卡。}

^{比赛时间：2021.01.15 20:00~21:00}

^{比赛关卡：}

^{【1.数字交换】编写指令控制机器人，将输入区的两个数字进行交换，分别放置到输出区。}

^{【2.最大数字】编写指令控制机器人，将输入区最大的数字搬运到输出区。}

^{【3.中位数】编写指令控制机器人，将输入区的输入序列的中位数放置到输出区。}

^{【争锋对决】}

^简要介绍

^{这是最刺激的模式，10名水平接近的玩家在一局游戏匹配到一起，分为两个队伍，进行5V5对决。}

^{在一局游戏中玩家需要选择各自出战的机器人，类似于《王者荣耀》中玩家选择自己的英雄。不同的机器人具有不同的属性和自己的专属指令。}

^{在一局5V5游戏中，将不会有输入区。在游戏场景中央，会有一个很大的堆砌区，上面已经堆上了一些数字。对于双方玩家，各自会有一个输出区。双方玩家需要在公用的堆砌区获取数字，进行运算等操作，完成团队任务，最后将结果放置到己方的输出区。最后比较双方完成任务的结果，评定出获胜方。由于堆砌区是公用的，双方玩家在执行任务中将会遇到冲突，这时候游戏就具有对抗性了。}

^{一局5V5游戏分为三个阶段。}

^{第一阶段，各方的前两位队员，同时构造自己机器人的指令序列，同队的玩家可以相互看到队友正在构造的序列。第一阶段结束后，游戏场景会播放第一阶段双方共四个机器人并行的执行结果，这四个机器人的指令序列已经固定，不可修改。这时候双方都可以看到对手在第一阶段的布局和策略。}

^{第二阶段，又是各方的两位队员，同时构造自己机器人的指令序列。和第一阶段类似。当这阶段结束后，游戏场景会播放第一、二阶段双方共八个机器人并行的执行结果。由于相比于第一阶段，加入了四个机器人的并行执行，所以执行结果会发生变化。}

^{第三阶段，各方的最后一位队员，同时构造自己机器人的指令序列。这时候他们的操作将影响最终的结局，当这阶段结束后，游戏场景会播放第一、二、三阶段双方共十个机器人并行的执行结果，根据结果决出胜者。}

^{机器人属性介绍}

^{机器人的属性设计十分重要，需要让机器人具有自己的特性，在团队赛中发挥出自己的特长，强调团队配合的重要性。}

^{【脑容量】一个整数值，代表一局游戏中，该机器人的指令序列的最大长度。}

^{【续航力】一个整数值，代表一局游戏中，该机器人执行指令的最大数量，执行完该数量的指令后，机器人自动停止。}

^{【携带量】一个整数值，代表一局游戏中，该机器人自身能携带的数字的个数。一般为0~2。}

^{【权限度】一个整数值，用于解决对抗并行中的冲突问题。例如两个机器人同时修改一个堆砌区的数字，那么权限度高的机器人能够成功修改。如果两者权限相同，则都不能成功修改。}

^{【专属指令】每个机器人的专属指令，像是一个专属的技能，可以让机器人在任务中体现自己的优势。}

^{机器人实例}

^{这里给出三个设计好的机器人实例，来显示不同机器人的特性。}

属性	Robot A	Robot B	Robot C
脑容量	50	70	100
续航力	300	200	500
携带量	1	2	0
权限度	20	15	22
专属指令1	`add v` ：v是一个自定义的在-128~127的数字，执行该指令可以让自己携带的数字加上v。	`addload`：将自己携带的两个数字相加，替换掉自己携带的第一个数字。	`change x v`:将堆砌区第x个数字修改为自定义的数字v
专属指令2	无	`subload`：将自己携带的两个数字相减，替换掉自己携带的第一个数字。	`cpartner x v`:将队友机器人x携带的第一个数字修改为自定义的数字v

^{可以看到，在三个机器人相比之下，Robot A具有较为全面综合的性能，Robot B 具有较大的携带量，能够对自己携带的两个数字进行运算，具有突出的数子处理和搬运能力，Robot C没有携带量，不能携带数字，这是一大劣势，但是它具有较高的修改权限，并且拥有修改队友携带数字或者堆砌区数字的能力，可以增强与队友之间的配合，而且他较大的脑容量和续航力也是一大优势。}

^{在此基础上，还可以设计更多具有特色的机器人，让玩家进行多种配合，不断探索。}

^{比赛任务实例}

^{这里给出一局游戏中可能的一个任务实例。}

^{【输出最大值】在这个任务中，双方要充分利用堆砌区已经存在的数字，对他们进行运算，处理，最后放置到己方的输出区。由于堆砌区是公用的，双方可以相互干扰对抗。最后输出数字最大的一方获胜。（注：所有数字是32位带符号整型，小心溢出！）}

^{那么在这样一个可能的任务中，双方要合理设计自己的战术，充分利用前两个阶段试探对方的战术，可以去干扰对方，也要时刻提防对方的干扰。同时还需要评估自己机器人的属性，设计出适合的指令序列。这充分训练了玩家的思维能力和战术沟通能力，加强了玩家对指令的熟悉程度和应用能力。}

^{五、游戏机制}

^{为了让游戏更耐玩，让玩家在游戏中学到知识，提升能力，游戏中会添加一些系统机制。}

^{【等级、金币与商店】}

^{玩家账号具有等级，每局游戏结束后都会获得经验，当经验满后，会升至下一级，并获得升级奖励。升级奖励可以是金币、商店物品、物品体验卡。玩家在游戏后也会获得金币，金币可以用于购买商店商品。}

^{商店商品包含不同属性的机器人、机器人的装饰、玩家形象的装饰品等等。}

^{【比赛积分机制】}

^{任何一场多人赛都会根据比赛结果，调整玩家的积分。这用来划分玩家的段位和称号。同时这也是玩家匹配的根据和任务难度调整的依据。对于高阶玩家，游戏中的任务会更具有挑战性，或是更具有对抗性，对于初级玩家，任务和比赛会相对友好。合理的难度设定能让玩家感觉到适中的挑战性，保持对游戏的兴趣。}

^{【每日任务】}

^{每天会从以往的比赛任务中推送一个符合玩家水平的任务，玩家完成后会获得奖励。}

^【社区】

^{游戏自带社区功能，玩家可以添加自己的好友，与好友一同游戏。也可以在社区上查找单人游戏的攻略，学习通关方法。这能够提高玩家的水平，促进玩家交流与平台发展，满足玩家的社交需求。}

^{【融入算法知识】}

^{指令只是游戏的基础，但是指令能够表达、实现许许多多的算法。那么，只要在关卡设计中融入算法，设计一些经典算法的问题（例如二分查找、冒泡排序），就能够让玩家在游戏中学到算法。}

^{【包装指令】}

^{可以发现，在多人对抗模式中，现场编写大量的指令会比较繁琐。因此，游戏添加了自定义包装指令的功能。在游戏之外，玩家可以在客户端内编辑自己的自定义指令。自定义指令是由一条的指令序列构成，在游戏中拖动一条自定义指令，等价于把指令替换成对应的序列。这样，玩家可以在游戏外预先设计一些指令块，在游戏时可以直接拖动这些块，加快设计效率，这体现出了函数的思想。}

^{【更多机制】}

^{游戏还具有添加其他机制的空间，不再赘述。}

^{六、游戏流程模拟}

^{玩家加入了游戏，注册了自己的第一个账号，开始了解游戏背景，接受新手教程。}

^{这时玩家拥有一个1级账号，只能玩单人模式，增加经验，提升等级，在玩单人游戏的过程中，玩家了解到了基础指令，并逐渐学会使用它们操控机器人解决一些基本问题。在这过程中，玩家遇到了一些困难，但通过在社区上寻求帮助，玩家度过了难关。}

^{当玩家到达5级之后，玩家可以加入任务挑战赛，每一场比赛都会计算玩家积分。在任务挑战赛中玩家能学到一些算法的思维模式。}

^{当玩家到达10级之后，将会解锁5V5对抗的基础模式，玩家在对抗中的任务都比较简单，允许使用的机器人类型也有限。在这里玩家体验到了竞技的乐趣，也能够熟练运用基本指令了。到达15级，将会解锁5V5的正常模式，游戏中的任务也会变得复杂，并且开放所有的机器人类型，玩家可以尝试多种整容搭配。}

^{当玩家的积分、等级达到非常高时，已经成为了高阶玩家，若想要对游戏进行一些贡献，可以加入到设计任务挑战赛题目的队伍中。}

^{七、参考资料与相关链接}

^{人力资源机器：Human Resource Machine ↩︎}
^{CodeForces官网 ↩︎}