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动物大探奇
第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 歐陽昆、余兆棠等】2020年10月22日 星期四

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游戏在童年时期是所有人不可或缺的生活主轴,然而游戏其实并非仅止是毫无目的之娱乐,对儿童来说,游戏就是一种学习,甚至可说是他们生活中的全部,3-6 岁的孩子不仅活泼好动,而且好奇心强、喜欢提问,也是想象与思维等各方面能力进展快速的时期,更是掌握辞汇能力的关键期,所以如何满足他们的好奇心与提升其想像力,并且引导他们汇整词汇说出自己想要表达的内容,是这个时期最重要的一件事情。


因此,本专题以游戏中学习为出发,并且结合孩子最感兴趣的动物来设计一套「动物大探奇」的游戏,其中利用盛群晶片HT32F52352当作主控板结合使用卡牌、游戏主机、立体动物等周边设计,让孩子透过游戏认识动物的特徵、居住习性、饮食甚至是叫声,以游戏的方式让孩子认识平常不会看见的一些动物,在游戏的过程中学习与同侪、父母的沟通及互动,找寻出正确的动物,从中得到成就感,也达到寓教於乐的学习效果。


创作动机

根据维也纳大学康士坦丁·梵·艾克诺摩博士(Constantin Freiherr von Economo,1876-1931) 估计,人类的脑神经细胞数量约有一千五百亿个。而新生儿的脑部就已拥有将近一千亿个称为神经元的脑细胞,脑神经科学的研究认为游戏能激发脑神经网络。而游戏可以强化神经网络的另一个原因是游戏属於整合性的行为,当幼儿进行扮演游戏时 会运用语言表达、尝试解决问题、发展社交技巧与能力以及运用抽象思考,当中牵涉多种感觉与情绪,凡此种种均广泛地刺激?神经网络(Johnson et al.,2005)[1]。由此可知,游戏其实是扮演着儿童心智与学习发展的重要角色。


大家在孩童时期总是伴随着各种形式等游戏(诸如鬼抓人、丢接球、说故事)成长,而这些游戏并不仅仅只是游戏,儿童透过游戏去认识、探索、学习这个世界的所有事物,幼稚园创始鼻祖━福禄贝尔认为,游戏是儿童的内在本能,尤其是活动本能的自发表现,也是幼儿时期最纯洁、最神圣的活动[2],可以说游戏是幼儿学习的方式及模式,更是儿童的生活。


幼儿学龄前的3-6岁,正是发展手指运动、自理能力、语言表达、认知发展的年纪,然而现代科技越来越发达,几??人手一支的智慧型手机已经成了孩子手中的最主要的玩具,原本孩子的童年应该是在与同侪玩乐以及接触各种不同玩具与游戏中学习及成长,但现在却只看到一个个年纪尚幼的孩子拿着一件件 3C 产品,紧紧地盯着充满声光效果的萤幕,甚至为了使用 3C 产品而大哭大闹,造成


许多孩子有注意力不集中的问题,甚至对生活周遭的事物兴趣缺缺,不会好奇地去触摸或探索,这样的情况将深深影响孩子的发展,更妄论 3C 产品造成的视力负面影响。因此我们构想以游戏中学习为出发,并且结合孩子最感兴趣的动物来设计一套游戏给学龄前的儿童游玩,除了减少孩童把玩 3C 产品的时间,也可以让他们透过游戏认识平常不易看见的一些动物。


创作目的

学龄前的儿童最主要学习的除了自理能力就 是一些辨认的能力,诸如色彩、形状、符号以及动 物、植物、生活中的物品等,我们希??游戏能够不仅只是游戏,而是真正能让孩子在游戏的过程中学习到新的事物,而多数的孩子对於动物都是充满好奇心的,所以我们选择以动物作为我们的学习主题,所设计之游戏仅使用一些简单的游戏规则给孩子们尝试学习,希??透过游戏达到以下目标:


1.透过卡牌图案让孩子认识动物的外型特徵。


2.卡牌图片配对各动物的特徵,练就孩子的记忆力及配对能力。


3.透过游戏主机让孩子知道动物的叫声。


4.透过游戏主机介绍卡片内容,训练孩子从中寻找线索的能力。


作品设计理念、功能与特色

游戏设计理念

我们希??透过这个游戏让孩子在游戏中认识草原动物,透过游戏主机说动物的小故事以及会摇摆的立体动物来吸引孩子注意力,让孩子能从热衷动态游戏转变成能够专注於静态游戏,卡片故事中还有动物的真实叫声以及各种的动物介绍,好像动物就在孩子身边说话互动,创新的玩法让孩子在认识动物的外型特徵时能够更加有趣,并且加深各部位特徵记忆,让孩子对於动物的外型有更深刻的记忆,只要看到一部分特徵就能分辨是哪种动物,当孩子熟悉动物的特徵後,甚至不需要搜集到三张特徵卡即可分辨是哪一种动物,能够增加孩子的成就感以及图像的连结,增强孩子的想像力;这个桌游的规则很简单,但对於刚开始认识动物的孩子来说会有许多疑惑,透过家长的陪同,以及沟通、互动,能够让孩子更加容易了解这个游戏的玩法,更快融入这个游戏中学习,并增进亲子间的互动。


作品功能

我们从动物的特徵出发,设想许多认识动物的 方式,如组装动物、图片式介绍等,立体或是平面的方式,最终我们将游戏定义为一卡牌为主的桌游, 并将立体动物设定为游戏中的战利品,当凑齐指定的动物配对,就能得到立体动物,从而提供游戏的 目标以及动力。


我们的儿童桌游包含一片栖地板、一台游戏主机、57 张卡牌、立体动物等,在游戏中,将卡牌放上游戏主机即可听取各张卡牌的介绍以及相对应的动物的叫声,让认识动物不再只是看图监、翻百科全书,而是从游戏中以视觉及听觉的部份去认识动物。


以下说明游戏玩法与作品之创新特性。


游戏玩法

游戏的玩法我们分为普通玩法以及教学版玩法,设有教学版玩法是为了让孩子对动物的特徵不熟悉的时候可以先透过教学版玩法熟悉、了解这款桌游。两种玩法说明如下:


普通版玩法


1.拿出栖地板及立体景物,先布置好动物们的栖地。


2.从年纪最小的人开始,每个人从牌堆拿4张牌,摊开放在自己面前。


3.轮流拿取自己手排的一张??入播音器听取特徵故事。


4.所有人的手牌都听完之後,旋转转盘来进行游戏。


5.转盘有五种结果:抽一张/抽两张/暂停/抢别人一张/随机一张(上一位选一张他的手牌给你)。


6.搜集动物:搜集某一动物两种特徵卡和一张习性卡或是凑齐三张特徵卡即可得到一只立体动物,将立体动物放上游戏主机可以听取该动物完整介绍。


7.获胜的方法:先凑齐三只动物的人就获胜。


教学版玩法


1.摊开 57 张特徵卡牌在桌上(13种动物, 每种有三张特徵卡,另有社群卡和食物卡)。


2.将动物放上游戏主机,聆听该动物特徵,快速从桌上抢夺该动物的三张特徵卡, 抢到一张算一分,两张算两分以此类推。


3.最後取得最多特徵牌的人获胜。


作品创新性


「动物大探奇」有别於其他游戏,将动物变成立体的不倒翁,摇摆的模样及鲜明的外型能吸引孩子目光,而不倒翁前後摇晃的特性,制造出与孩子互动的意象。将动物卡牌放置在游戏主机上也会有动物的真实叫声、各种动物介绍及小故事,好像动物就在孩子身边说话互动。以视觉及听觉双重感官下,让孩子能更容易串联动物外型和叫声之间的关系,对於动物的各部位特徵及外型也能有更深刻的记忆。


这次使用到两颗HT32F52352晶片,一个用来於控制 RFID 感测器原件中输出音档,在多个资料中利用无线传输的方式进行作业,并且读取音档。另一个用来播放音档, 并且放置於转盘游戏主机中,利用无线传输控制游戏主机能播放出正确的声音。因此能让游戏主机和卡牌、动物们相互配对,发出声音,让游戏能够不仅只是游戏,真正落实让孩子在游戏过程中学习到新事物的目的。


作品设计

游戏设计

栖地和景物模型设计


栖地板以围绕着湖泊的样子去设计(如图1所示),这样当孩子与家长围着桌游玩耍时,就不会有哪一个人看到的栖地是完全颠倒的,图样设计以草原树木环境以及颜色来制作,让孩子在玩乐的同时粗略记忆草原的色彩及模样是如何的。



图1 : 栖地板
图1 : 栖地板

立体动物与景物设计


我们从许多动物中挑选出13种草原动物(图2),以立体不倒翁的形象与动物的特徵结合,以较可爱、圆润的样子呈现,当得到立体动物时,将其放入栖地板中,因为不倒翁的特性,将会前後摇晃,制造出与孩子互动的意象。另外也设计景物(图3),增添趣味性。



图2 : 立体动物
图2 : 立体动物

图3 : 景物设计
图3 : 景物设计

卡牌设计


卡牌部分共有57张,分为特徵卡、食物卡以及社群卡(图4),从我们挑选出来的13种草原动物身上撷取最明显的三项特徵,让孩子能够从特徵来认识动物,而食物卡及社群卡则能让孩子更加了解这个动物的生活状态。



图4 : 卡牌设计
图4 : 卡牌设计

电子硬体设计

游戏主机设计


我们提出行动指令的转盘与游戏主机结合,将转盘的箭头改为长颈鹿的剪影形象(图5),色彩部分主要以橘黄色以及草绿色为主,鲜艳的色彩更加吸引孩子的注意力。



图5 : 游戏主机
图5 : 游戏主机

为使转盘顺利旋转,我们使用轴承(图6)的机构去建构我们的转盘游戏主机,因为市面上的轴承多为机械使用,所以在兼顾坚硬耐用的同时重量更是不轻,且尺寸并没有我们需求的大小,所以我们在设计机构的同时直接将轴承的原理加入,设计出符合我们需求的轴承零件,以让我们的游戏主机能够真的达到转盘的旋转功能。



图6 : 轴承[5]
图6 : 轴承[5]

RFID无线射频辨识


透过无线通讯的方式进行传输,主要是利用接收器(Reader)发射 RF 能量来读取植入或贴附在物件上的电子标签(Tag),以进行无线资料辨识及存取的工作 [3]。这次我们把标签放在 57 张卡片上, 并且每个卡片都有属於自己的编号代码。透过感应接收器(图 7)能把资料透过盛群晶片找出对应资料,并且执行音乐拨放的功能。



图7 :  RFID-RC522 实际照
图7 : RFID-RC522 实际照

DFPlayer MP3 播放模组


用於指定音乐拨放以及如何拨放音乐和其他功能的命令,我们将卡牌的声音介绍录制成音档後写入 SD 卡中(图8),并在播音器中安装接收器,将卡牌或是立体动物放上後就能够读取录制好的动物叫声以及介绍,并且可以直接接驳扬声器, 模组配合供电电池、扬声器、按键都可以单独使用,也可以通过串囗控制。



图8 : DFPlayer MP3 播放模组[4]
图8 : DFPlayer MP3 播放模组[4]

盛群晶片━HT32F52352


本文使用的盛群晶片HT32F52352主要用来对游戏主机里的RFID与DFPlayer 来进行接收与控制的主要角色,能够在很短的时间内将卡片读 取到的资料,透过音乐播放器送出对应的动物声音。



图9 : 盛群晶片位置 [6]
图9 : 盛群晶片位置 [6]
图10 : 18650 锂电池实际照
图10 : 18650 锂电池实际照

软体流程

依据游戏规划功能(图11)与硬体电路架构(图12),以盛群晶片HT32F52352为控制中心,开始时以9V锂电池对充电板供电,充电板再对HT32F52352供电,HT32F52352再对 RFID 供电,RFID将收到的资料传输到HT32F52352,HT32F52352收到来自RFID的资料时并对 MP3 Player发送资料,MP3 Player 收到资料後选择与资料对应的音档送往Pam8406,Pam8406 将收到的音档声音放大并送往喇叭拨放声音。



图11 : 功能架构图
图11 : 功能架构图
图12 : 硬体架构图
图12 : 硬体架构图

锂电池供电


为了能独立供电,并且经过实测在音乐持续拨放的情况下,可以供电6个小时,这次使用了两颗18650锂电池。搭配升压模组让电压可以足够的传送到HT32F52352晶片上,不影响到输出时的稳定性。


配合硬体设计,软体流程如图 13 所示,在开始时RFID 处於等待的状态,等待卡片靠近读取资料, 当RFID 成功取得资料并对比HT32F52352 晶片里的资料是否相符合,能够进行下面其功能,如动物的声音或音量大小等等,如果卡片不正确则继续等待。


系统实现与功能测试


配合前述的作品设计及软硬体设计进行游戏系统的制作,实现过程中音讯播放 RFID 读取功能先单独进行测试,叁照图14所示,首先了解 DFPlayer 所接收资料的格式,再利用 PC 端的Terminal 传送讯息,测试音乐拨放的功能,同样地 RFID 卡片资料读取也是如此,先了解RFID 接收到卡片所得到的 ID 格式,之後就能利用HT32F52352 取代 PC 端的Terminal 来进行控制与接收资料。


图13 : 软体流程图
图13 : 软体流程图
图14 : 音讯播放与RFID读取功能实现与测试
图14 : 音讯播放与RFID读取功能实现与测试

完整实现之桌游系统如图15 所示,其中将游戏卡片、动物玩偶及游戏主机等等放在一个大片的栖地板上,游戏就可以开始进行了。让小朋友们能够透过卡片或者动物玩偶来与摆设中间的游戏主机进行互动。



图15 : 实现之游戏系统
图15 : 实现之游戏系统

游戏进行可以叁考前文描述的方式进行,其中RFID卡片资料读取与相对应的音讯播放是游戏可以顺利进行的关键,其测试结果如图16与17所示。其中将任何一张卡片靠近游戏主机上面(如图16所示),游戏主机就会透过RFID读卡元件读取卡片上的资料,并且透过 HT32F52352 晶片运作并比对DFPlayer 里的 SD 卡资料,进一步进行控制。



图16 : 卡片感应游戏主机
图16 : 卡片感应游戏主机

在卡片读取到RFID 的瞬间,能够做出对应的音乐拨放(如图17所示),得以实现小朋友能对於卡片、动物玩偶声音的兴趣与好奇。


结论


图17 : 卡片拨放音乐
图17 : 卡片拨放音乐

我们构想以游戏中学习为出发,并且结合孩子 最感兴趣的动物来设计一套「动物大探奇」游戏给 学龄前的儿童游玩。本作品除了可减少孩童把玩 3C 产品的时间,也透过我们的动物大探奇动物学习桌游,使家长和孩子之间有更多的互动、沟通, 并让孩子在游戏中学习。而除了能够认识草原动物、学会辨别各个动物的特徵习性,更是在游戏的过程 中学会观察、配对、逻辑思考等能力,让孩子能够 快乐的在游戏中学习。


(本文作者欧阳昆1、余兆棠2、高伟铭3、刘涵?4、王映捷5、陈文德6、程??翔7为南台科技大学电子工程系1-2教授、3-7学生)


叁考文献

[1] 游戏对幼儿的成长与意义,2019。https://u.nu/8kr5.


[2] 容乃加,“现代学前教育的鼻祖━福禄贝尔”,,大纪元。https://u.nu/b9-a.


[3] 陈??欣,“RFID 不懂就要学”, 2008。https://u.nu/36je.


[4] 创客智造,“Arduino ?音模?-DFPlayer Mini 模?”,2019。https://u.nu/4fon.。


[5] 新丰贸易股份有限公司,2019。https://u.nu/bxs3.


[6] HOLTEK 盛群杯MCU 创意大赛,HOLTEK,2019。https://u.nu/1riu.


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