摘要：隨著社會的進步，人們生活水平的提高，傳統的書法教學模式對少兒的吸引力愈發降低，傳統書法文化的傳承問題變得十分重要，如何重塑少兒對書法的學習興趣是一個重要的問題，因此，本文創新性的提出一個全新的人工智能游戲化的新型書法教學模式，極大地提高了少兒的學習興趣與學習體驗。從故事情節設計與深度學習算法兩個維度改進少兒學習書法的學習過程，必將為傳統書法文化傳承問題帶來新的突破。

關鍵詞：書法教育；游戲化；孿生神經網絡；Unity2D；漢字評價

*基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：202010065007

1 概述

近年來，傳統的書法教育問題越來越得到廣泛的關注。但是傳統的書法教育模式由于存在交互性差、少兒學習積極性不高等問題，一個激發少兒學習興趣的新型教學模式應運而生。本文從少兒對游戲的接受度普遍較高的事實出發，設計了一款基于孿生神經網絡和 Unity2D 的《筆墨英俠》少兒書法游戲。該游戲從書法人工智能游戲化入手，將傳統游戲開發與創新性深度學習算法相結合，極大地提高了學生學習書法的體驗。

2 基于孿生神經網絡和Unity2D的《筆墨英俠》少兒書法游戲設計

2.1 人工智能與游戲化

游戲化，指將游戲這種高趣味的交互形式與其他本身交互性低、娛樂性低的內容進行結合，更具趣味性地將此種內容的核心展現出來。將游戲中的核心機制應用在日常生活領域中，尤其是需要對玩家進行指引的某些場景中，以此來刺激人們更好地融入其中，這就是游戲化的含義。游戲化往往以令使用者更好地沉浸于上述情景當中為目的，并充分利用游戲機制能夠吸引玩家注意力的特點，使人們更好地使用這些非游戲應用，由內而外自發地對其產生濃厚興趣，從而產生動機。游戲化作品可以借助移動設備、VR 等技術增強人機互動，并借游戲機制鼓勵玩家進行預先設計的游戲動作，在游戲過程中加以引導，使人們完成開發者為玩家設計的既定目標。

游戲化對于消費者以及互聯網產業的發展都具有深遠意義。一方面，游戲化能夠有效降低某一領域的門檻，使之大眾化，也能夠讓消費者借助游戲這一形式更好地了解某一非游戲領域，令消費者更快地掌握某項技能或者更深度地投入到一件工作之中。另一方面，游戲化作為促進人機互動的有效手段，能夠推動新型商業模式的開發，促進企業的創新，增強自身游戲產品對于消費者的吸引力，增強用戶黏性，從而使自身產品在市場中的競爭力得到有效的提升。

本文旨在介紹將傳統書法練習游戲化，開發出一款書法練習趣味性較強的游戲軟件——筆墨英俠，這一軟件將區別于已有的缺乏趣味性的書法練習“嚴肅游戲”，為青少年的書法練習提供更多的內驅力。

2.2 書法人工智能游戲化較傳統書法教育的優勢

近年來，隨著各方面對愛國主義教育的不斷重視，如何提升中小學生的民族自信心與民族自豪感成為了校內外思想教育的重要課題。為了相應國家號召，使教育與互聯網行業相結合，許多公司嘗試將教育模式進行游戲化，以此更好地吸引學生進行游玩，并達成教學目標。傳統書法教育模式主要包括在校教育模式和課外書法教育模式。書法游戲化相較于傳統書法教育模式主要有以下優勢：

1）變“陳舊”為“規范”。在傳統書法教育中，語文課程與書法課程對書寫文字的標準不統一嚴重影響了學生日常寫字的美觀性。而將書法游戲化可以以中小學課本中最基礎的漢字書體“標準楷體”為練字基準，避免學生練字過程中標準不統一的問題。

2）變“枯燥”為“快樂”。學生的生理心理特點會給傳統書法教學造成難度，如低年級學生由于手指小肌肉群的發育不成熟，無法長時間學習書法；學生自制力差，專注力保持時間短，無法長時間集中注意力。書法游戲化可以將枯燥的書法學習變得更有樂趣，以適合少年兒童的游戲玩法逐步闖關打敗筆畫和漢字，讓學生充分享受練習書法的樂趣。

3）變“方法單一”為“形式豐富”。在傳統書法教育中，大多是在課上老師先講解然后學生寫在田字格或米字格中，較為枯燥乏味。在書法游戲化里，游戲可以包含多重模式，如個人模式、多人對戰模式、多人配合模式或親子模式，變得更加形式豐富。

2.3 《筆墨英俠》游戲故事劇情設計

游戲主角從小便對忠肝義膽的武俠世界心馳神往，常在發呆時幻想自己是一位飛檐走壁的神捕、一名游巡于漫漫竹海的俠客……像一個傳說般生活在一座默默無聞的小縣城中。

主人公家長決定將其送進書法學習班，讓主人公在黑與白、頓與提的世界中修身養性，平心靜氣。然而主人公并未領會其中趣味，在一次學習中進入了夢鄉，而后竟來到了自己神往已久的武俠世界，由此開啟了一段奇幻之旅！

主人公從民間聽聞這里已被灰暗力量籠罩已久，大約一年以前，這里的人們忽然喪失了書寫的能力，民眾為此甚是苦惱。于是主人公決定以筆墨為武器，與這里的暗勢力抗衡，幫助人們恢復這一重要能力。初次踏上旅途，主人公的行囊中只有一支筆與一張紙，其余的裝備只可通過一次次的戰斗獲得，并且由于主人公在現實中的書法課上總是偷懶，技藝不精，在這一世界的技能等級也處于初級階段，需要在打怪中逐漸精進自己的技能。

主人公憑借自己的聰明才智，以及在途中受到的諸位書法大家的精神指引，見招拆招，通過反復的書法練習，一路上擊敗了眾多對書寫美觀造成干擾的小嘍啰，以及妒之暗影、惰之魔神、渙之鬼魅等一系列超級大魔頭，最終修煉成為這里赫赫有名的“筆墨英俠”，成功拯救了這里的民眾。

2.4 基于Unity2D的《筆墨英俠》游戲設計與實現

書法練習是游戲的主題，也是游戲的核心玩法的設計依據。在對書法練習進行游戲化設計之前，首先應對玩家群體進行分析，并以此為依據設計游戲的核心機制。因為只有如此設計，才能夠完成游戲化的初衷——使玩家更好地沉浸到書法練習這種非游戲元素之中。對于年齡較小的玩家來說，人生經歷尚不充分，因此該群體的學習過程、特點往往由年齡階段以及先天因素決定。在進行玩家類型分析的過程中，游戲設計者往往運用經典的 Bartle 模型來表示玩家類型的拓撲圖譜。在 Bartle 模型中，玩家被分為四種類型：成就型玩家（Achievers）、探索型玩家（Explorers）、社交型玩家（Socialisers）和殺手型玩家（Killers）。Bartle 模型并不是一個完善的玩家分類模型又出現了例如 Marczewski 模型之類的更加復雜的分類方法，豐富完善了玩家的拓撲圖譜，但 Bartle 模型始終以其簡單、有效以及廣泛適用性受到了眾多游戲制作者的認可。

經過以上部分的分析，不難看出，為了鼓勵玩家獲取更多的安排在游戲流程中的書法教育知識，本游戲的核心機制應該以交互于世界為主體，并且由于其所面向的玩家年齡較低，因此，核心機制應當給予玩家一定的獎勵，以此激發玩家對于書法練習的興趣，也就是說，本游戲需要玩家獎勵系統作為作用于世界的元素對核心機制進行輔助。

在開發過程中，需要對 NPC 的行為邏輯進行簡化。將 NPC 的邏輯簡化后可以得到一個如圖 2 所示的有限狀態機（finite state machine ,FSM），NPC 需要在各個狀態之間轉換。實現狀態機的方法有很多，例如常見的 if-else語句以及switch語句，但 AI 走路，跳躍，攻擊，技能的相互轉換，有些可以轉換，有些不能，實現邏輯復雜，使用以上方法會使得代碼難以維護。因此本課題使用抽象類繼承的方法實現該有限狀態機。如圖 3 為該部分的 UML 圖。

其中，Enemy Base State 是每一個狀態都會繼承的抽象類，Enter State 方法在進入該狀態時執行一次，On Update 方法負責對狀態的實時更新，應在腳本的 Fixed Update 方法中進行調用。

圖3 使用單例模式管理游戲事務與UI事務

游戲事務管理使用單例模式創建 UI Manager 類與 Game Manager 類，UML 圖如圖 3 所示。

2.5 基于孿生神經網絡的《筆墨英俠》書法評價系統的設計與實現

在游戲中玩家通過手機攝像頭或者嵌入式拍照設備，將手寫在紙上的漢字進行拍照捕捉形成圖片錄入游戲的評價系統部分。由系統將玩家手寫的漢字與標準字庫中的漢字進行相似度的對比，得到對應分數。

對于漢字評價我們使用了基于孿生神經網絡（Siamese neural network）的評價算法。孿生神經網絡顧名思義是有兩個相同或不同的神經網絡進行連體所得到的網絡結構。當兩個網絡共享權值時，僅實現一個網絡就能完成整個孿生神經網絡的搭建，例如兩個 CNN 或兩個 RNN。當兩個網絡權值不共享時，則需要分別實現兩個網絡來完成搭建，如一個 CNN 和一個 RNN。孿生神經網絡的最大用途是比較兩個Input的相似程度。映射到《筆墨英俠》游戲中，一個輸入固定為標準字庫滿分手寫體，一個輸入為玩家游戲時拍照得到的手寫體。

本文中的評價算法，使用了 VGG16 作為孿生神經網絡的主干特征提取網絡，輸入的兩個手寫漢字圖片將經過 VGG16 網絡進行特征的提取并訓練生成手寫漢字評價模型。對于訓練使用的數據集我們使用了小學生手寫的人教版一年語文課本課后漢字手寫體，標準字體使用對應漢字楷體的書寫體。由于缺乏統一評價標準，因此經過咨詢專業書法教師后。我們將系統打分高于 0.8 分（滿分 1.0 分）評判為合格體，0.8-0.9 分為良體， 0.9-1.0 分為優。低于 0.8 分為不合格體，為差體。系統進行手寫體評價的效果如圖4。

3 結語

傳統書法文化的傳承問題越來越得到社會的廣泛關注，借著人工智能的浪潮，本文創新性將傳統書法教學與人工智能技術相結合，改進學生學習書法的過程，在娛樂的同時也能很好的學習書法，這一新型的人工智能書法游戲化模式能夠極大的為 書法文化的傳承貢獻力量。未來，我們將不斷提高深度學習算法的識別精度，精進故事情節，努力創造更好的游戲體驗服務于書法教學。

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(注：本文轉載自《電子產品世界》雜志2022年8月期)