1 设计目的
1.1 设计背景
对于中学生而言，电路知识是他们物理课程中的必修知识之一。电路知识一方面从理论上有助于夯实中学生对于电子知识与电路逻辑的基础，另一方面从实践上有助于学生对现实中的电学基础（功率、电表、短路等生活物件和现象）有一个基础的理解。在中学阶段的电路知识学习基础上，感兴趣的学生可以在大学阶段继续学习微电子、通信等相关方面知识。
传统的电路知识学习集中在两方面：
① 课堂讲授：课堂讲授中，教师根据课本教授有关电路的基础知识，根据安排还可辅以实验课供学生动手操作。
② 课后练习：在课堂讲授之后，学生根据课堂讲授的知识，进行做题。在题目中，学生根据给定的电路情况与要求解出正确的答案，题目类型主要分为数值计算和电路连接两种。通过做题，同学进一步巩固知识，并最终通过考试验证电路知识的学习成果。
但是，传统的电路知识学习存在以下两个问题：
① 缺少实践交互：电路是一个非常具体的实体，在现实中有很具体的电路连接体现。然而，课堂讲授中，同学很难根据自己的理解实时交互地控制电路设计，而仅仅停留在对概念的认识中。相比于知识讲授，电路实践课的课时安排很少，因此有很多同学在学习之后，最终对电路的理解仍然十分模糊，不能成功在脑中建立起现实的电路模型，造成电路知识模型构建的失败。
② 抽象的物理量：电压、电流、电阻等物理量均是电路知识中最基础的物理量，但这几个物理量不同于长度、重量等物理量可以直观地在现实世界感受到，电路相关的物理量很难直接被感知，需要借助物理仪器来测量，但这些物理仪器在实验课之外同学很难接触到。这也就导致在课后练习阶段，很多学生难以想象题目中涉及的物理量如何体现在题目给出的电路中，从而难以解题，且知晓答案后仍然一知半解，造成电路知识学习的失败。
本方案中的电路知识教育游戏，旨在为传统电路知识学习添加一个新方式：通过交互式游戏自主学习并解题。在传统的电路知识学习的课堂讲授和课后练习之外，中学生可通过游玩本游戏，在本游戏中找到各个基本电路知识的示例并加以操作，从而在课堂讲授之外提供交互性的学习方式。另外，本游戏提供若干电路谜题设置，学生需要通过更改电路连接方式，使得目标电路元件正常工作，从而在课后练习之外提供具体的问题表现与处理。通过游戏方式，我们意图解决传统电路知识学习中缺少实践交互和物理量抽象的两方面问题，提高学生电路知识学习的乐趣与学习效果。
1.2 游戏性分析
本方案设计的教育游戏本质为一个解谜游戏，为了达到吸引学生游玩从而学习电路知识的目的，本游戏必须具备一定程度的游戏性。本游戏的游戏性主要体现在以下几方面：
① 目标明确：游戏会提供若干个灯泡，将其正常点亮（提供正确的电压值）作为玩家解密的最终目标。相比于传统的基于数值解题，游戏中可以更直观的观察到目标是否成功达成。 在游戏目标失败时，能根据电路中其他元件的情况判断哪个环节出现了问题，并进行更正。
② 试错成本低：游戏中给定的电路元件可以自由拼接，从而不存在试错成本（即不会因为误操作而陷入死局），使玩家可以放轻松，大胆尝试。
③ 难度逐级上升：游戏整体的谜题设计随着关卡的推进而逐级上升，谜题的难度主要取决于知识点的难度以及不同知识点的排列组合情况。设计者会根据知识点的难度逐级设计关卡，以期让玩家通过逐关游玩的过程来逐渐提升知识水平，并达到心流体验。
④ 提供“恍然大悟”体验：像普通的解谜游戏一样，本游戏中会设计一些新知识点，作为当前谜题的关键突破口（比如，利用电线将部分电子元件短路）。当玩家从不理解该知识点时突然理解原理，会带来“恍然大悟”的快感，同时，该知识也会更深刻的被学生记住。
2 设计方案
2.1 游戏平台
游戏采用移动平台作为其平台。首先游戏需要采用模拟机制，使用纸面游戏难以实现其模拟机制，因此选择电子游戏作为其载体。在电子游戏适用的情景中，该游戏作为一个不具备身体技能要求的解谜游戏，是处于略微休闲向的定位的。因此，该游戏最适合的平台是手机平台。
2.2 游戏核心机制
游戏采用关卡制，整个游戏被分为若干独立的关卡。关卡传达的信息互不独立，即在前后关卡中玩家不会继承其它道具，玩家只扩充了自身接受的信息。这个性质和教育中学习者的进步模式很类似。
教育游戏的内容应该尝试模拟一个由所讲述内容引申出来的系统。在每一个关卡中，玩家要在一个方格地图中放置元件来拼接电路，来达成关卡给定的所有目标任务。方格地图中每个格子都只能放置至多一个元件。每一个关卡的目标任务在玩家进入关卡后会明确给出。
游戏应该具有冲突或者一些限制条件。因此关卡中玩家可使用的元件被限制为固定的数量与种类。
作为一个系统的模拟，游戏产生的反馈应该实时且直观。在关卡中玩家可以自由在编辑模式和运行模式中切换。在编辑模式中，玩家可以修改自己的电路。在运行模式下，玩家可以观察自己的电路的效果，同时也会判定关卡的目标是否达成。若运行模式中关卡的目标被达成，则判定为通过关卡并在数秒后结算结果，否则会维持运行模式不变直到玩家切换回编辑模式。
每一个关卡都具有解锁它的前置关卡。完成所有解锁它的前置关卡才可以解锁此关卡。
2.2.1 元件种类
作为对现实世界的粗略模拟，游戏中的元件种类应当在保留其具有代表性的类别的前提下尽可能少。客观的基础电路中一般涉及四个基本物理量：电压、电流、电阻、功率。对其排列组合可得游戏中涉及的三种电路元件：电源、灯泡和电阻。电源给电路提供稳定的电压。灯泡具有固定的电阻值和固定的额定功率。电阻具有固定的电阻值。除这三种元件外，玩家还可以摆放导线。
2.2.2 数值设置
为了降低玩家在游戏中的计算压力，方便玩家进行等量代换，游戏中的元件的数值经过了特殊的设计。所有元件的所有参数都被规范化到若干等级中。相邻等级间，较高等级的元件的参数是较低等级元件的2倍。对于电源，高等级的电源的电压是低等级的2倍。对于灯泡，高等级的灯泡的电阻值和额定功率是低等级的2倍。对于电阻，高等级电阻的电阻值是低等级的2倍。元件的等级可以体现为元件的尺寸，即高等级的元件尺寸明显比低等级的更大。
2.2.3 关卡的目标任务
该游戏作为对抽象的电路知识的具象化表达，应该采取直观且简单易懂的形式对关卡的目标进行设计。游戏关卡的目标任务应该聚焦在电路在运作过程中的一个特定的物理量。在所有物理量中，最容易被客观世界感知到的量是电路元件的功率。因此，关卡的目标应围绕元件的功率进行设计。对于上述元件，运作过程中的功率可以有很多不同的状态。对于电源，它的功率具有无功率、输出能量和消耗能量三种状态，分别对应无效果、放点和充电三种工作模式。对于电阻，则有无功率和消耗能量两种状态，分别对应无效果和发热两种工作模式。对于灯泡，则有无功率、低功率运作、额定功率运作和超额功率运作四种状态，分别对应不发光、昏暗发光、正常发光与过载四种工作模式。上述三种元件中，灯泡的状态虽然最多，会带来最复杂的情况，但是它的工作模式却是最直观的，因此关卡的目标任务常常选择由灯泡产生的形式。此外灯泡的额定功率工作，即正常发光时对应的物理量要求是最严苛的，因此绝大多数的任务都采用灯泡额定功率工作作为关卡的目标任务。此外，各个元件的无效果对物理量的要求也非常严格，只是该现象比较少见，且不够直观，所以排在目标任务的备选选项里。最后目标任务还囊括了一些特殊情况，例如电源被充电。与之对应的放电虽然常见，但是为了作为限制条件出现也应该被纳入目标任务之中。同理还有电阻的发热。电阻发热对应的不工作已被纳入任务，则发热作为限制条件也可纳入目标任务。
综上，游戏的目标基本被限定在元件的工作状态中，且应该包含：
① 某个灯泡正常工作
② 某个元件不工作
③ 某个电源被充电
④ 某个电源放电
⑤ 某个电阻发热
2.2.4 元件的摆放与连接
元件的摆放与连接是设计中可以优化的点。通过对此规则的设计，可以极大程度优化玩家修改电路时的体验。为了加速玩家编辑电路时的速度，可以采用自动连接部分元件的方式进行优化。所有可放置单元在方格地图中都要占据一定的格子。在格子中对于所有非导线元件，每一个元件都具有至少1个位于边上的连接点。连接点定义了元件在自身格子上的哪个边可以与其它元件连接。连接点会随着元件平移及旋转进行移动。对于导线，则会自动连接周围元件的所有连接点。导线间在所有边都可以互相自动连接。
2.2.5 运行模式
运行模式主要负责向玩家提供反馈。因此运行模式应当展示包含玩家需要的所有信息的电路运行状态。与游戏目标类似，最应当展示的是所有元件的工作状态。有关具体状态的内容与2.3.3节中提到的类似，故不再赘述。
2.2.6 禁放区
游戏中的阻碍除去元件的种类和数量限制外，还应包括一些锁死在地图上的元件和禁止放置元件的区域。此规则称之为禁放区。在禁放区存在的元件不可被编辑。若禁放区不包含任何元件，玩家也无法将新的元件放入禁放区。
2.3 玩家可用操作
玩家在进行关卡时，应可以进行一些基本操作。本游戏具有编辑模式与运行模式两种状态。在这两种状态中，共有的是移动与缩放操作。由于我们是为移动端设计的游戏，交互上应该采用手指触控的方式构建交互逻辑。因此采用移动端常见的拖拽移动画面与双指缩放操作。此游戏具有两个模式，其一是编辑模式。编辑模式需要玩家可以将元件放置到地图中，也需要玩家可以修改地图中的元件。因此编辑功能需要基本的增加、删除、移动与旋转四个基本功能。这些基本功能可以由玩家通过长按的方式唤起一个对话框来实现。
2.4 关卡基本模式
游戏中关卡的安排应该类比学习时的过程。安排关卡时，应该先引入新的概念，然后再和玩家已经熟知的概念组合从而强化现有的概念。反复进行此过程从而产生学习的效果。
对于本游戏而言，虽然此游戏是一个解谜游戏，但是它也有不太传统的部分。在游戏过程中，玩家获取的知识主要是关于电路运作模式的内容，而置换到游戏中，则意味着玩家需要花时间通过谜题来理解谜题的运作规律。这个思路很类似Johnathan Blow 的《见证者》（The witness）。在《见证者》中，游戏中的谜题都具有一个基本目标：从圆点处画线到凸起处。而在这个基本目标之上，游戏构筑了一系列限制条件，玩家需要在满足限制条件的前提下完成画线。这些限制条件在游戏中表现为画线的方格内部、边上具有一些神秘符号。然而这些限制条件从未在游戏中明文给出其含义，相反的是，Johnathan Blow 在游戏的各个角落里安排了对这些符号的“教学关卡”。它通过一些连续的非常短小的谜题把符号的含义限定在极小的范围内，从而让玩家逐渐理解符号的具体限制含义。这种让玩家理解运作规律的方式也可以用在本游戏中。
下面举一些假想中的游戏早期的关卡的例子。
以游戏从零开始到介绍完串联基本关系为止，假想的思路是这样的：
① 用若干关介绍什么是电路（成环，首尾相连的图形是电路）。内容是若干个挖去导线的电路，提供的元件是无限的导线。
② 用若干关介绍同等等级的电源能使同等等级的电灯泡正常工作。内容是给出了残缺的同等等级的电源能使同等等级的电灯泡正常工作的电路，且包含各种接法（形状、相对位置不同但拓扑结构相同），挖去电路的电源，让玩家给出正确的电源。
③ 用若干关介绍两个低级的灯泡串在一起需要一个高级的电源驱动。内容是给出了2个X级灯泡串起来，挖去X+1级的电源。同样要包含各种接法。以给出I、II、III级电源各一个，让串起来的I、II、I级灯泡同时发光作为收尾总结性的关卡。
④ 介绍电阻与电灯泡等值的事实。做法是参考前几关，将部分电灯泡换成电阻。
如果有必要，中间可以插入额外的关卡缓冲用。
依据这种节奏可以逐个引入所有知识点，从而让玩家在游戏中逐渐掌握电路相关知识。
3 评估与迭代方案
3.1 教学效果评估与游戏性评估方案
在本游戏实际提供给学校与同学进行使用后，为了不断迭代并提高游戏的教学效果与趣味性，在投放后还需要根据使用者的反馈进行评估。评估分为教学效果评估和游戏性评估两个方面，教学效果评估为主、游戏性评估为辅，意图在优先保证教学效果的前提下，尽可能提高游戏性。
评估方案采用量表法和访谈法。量表法中，我们预先设计好5级李克特量表，同时采用对照实验的方法，在学校内分别选取“不使用本游戏组”（对照组）与“使用本游戏组”。“不使用本游戏组”对传统方法的学习效果和课后习题难度进行评分，“使用本游戏组”也对传统方法的学习效果和课后习题难度进行评分，另外还需对本游戏的学校效果进行评分，最后对综合学习效果进行评分。除了学习效果之外，“使用本游戏组”对游戏的趣味性和游戏难度也进行打分。完整的评估用李克特量表如下（每一个问题均为5级评分）：
① 你觉得传统的电路学习（课堂教学、课后练习）效果如何？
② 你觉得做电路题的难度大吗？
③ 你觉得玩游戏的方法进行电路学习效果如何？
④ 你觉得传统的电路学习方法+玩游戏的方法综合使用的学习效果如何？
⑤ 你觉得电路学习游戏好玩吗？
⑥ 你觉得电路学习游戏的难度大吗？
在以上评估的基础上，如果同学认为本游戏的效果更好，且游戏难度适中（不应太简单也不应太难，略低于做题难度为宜），并且“使用本游戏组”同学的考试成绩也有一定提高，则可以证明本游戏在教学效果的有效性。而游戏的趣味性，也可以通过量表中“你觉得电路学习游戏好玩吗？”这一问题衡量。
如果通过量表，发现游戏的教学效果不尽如人意，则需要对量表进行筛选，选出一些满意度较低的同学，进行有针对性的访谈，了解其学习效果差的原因，并加以针对性的迭代与改进。
3.2 迭代方案
在以上基础上，游戏迭代有两个方向：如果教学效果不满意，则迭代教学效果；如果教学效果满意，则迭代游戏性（但不能反而造成教学效果退步）。迭代新版本后，仍然使用对照试验的方法，在学校内分别选取“不使用本游戏组”（对照组）、“使用迭代前版本组”、“使用迭代后版本组”，三组仍然以量表法进行教学效果评估和游戏性评估，以验证迭代后版本是否解决迭代前版本的问题。如果不能解决，依然采用访谈法，此次重点访谈内容为更新内容对游戏教学效果（或游戏性）的影响，并进一步针对性迭代。通过反复的评估-迭代循环，我们期望能够科学地使本游戏逐渐达到良好的教学效果与趣味性，能够作为广大中学生的优质的电路知识学习资源。
作者：李孟阳 陈子豪
