基于ChatBot聊天机器人化学科普游戏设计与开发

项目负责人：夏爽

项目组成员：石祝 何喆 李萌

项目指导教师：李艳燕

摘要：在人工智能大数据的背景下，科普游戏成为重要的网络科普形式之一。本项目基于ChatBot聊天机器人技术，建构了基于化学元素的基本性质、历史、应用等信息的化学元素拟人化科普游戏。本项目的研究内容包括需求分析、软件程序的开发与设计、视觉设计、语料库的编纂与设计和科普游戏评价设计。本项目为科普游戏、聊天机器人技术在科技场馆的展品介绍以及新媒体平台客服等领域提供了一条参考路径。

一 概述

（一）项目研究缘起

1.新媒体时代科普形式的演变——科普游戏

今天，以移动互联网为载体的新媒体已经渗透进人们工作与生活的方方面面。在如此大环境下，忽视新媒体就意味着错过了最广泛的受众。《全民科学素质行动计划纲要（2006—2010—2020年）》中提到，“发挥互联网等新型媒体的科技传播功能，研究开发网络科普的新技术和新形式”。科普作为一种社会教育，同样要依赖传播平台和传播工具。科学普及的社会性、群众性和持续性特点表明，科普工作必须运用社会化、群众化和经常化的科普方式，充分利用现代社会的多种传播渠道和信息传播媒体，不失时机地广泛渗透到各种社会活动之中，才能形成大规模、有生机、社会化的大科普。

近年来，随着 4G 技术在移动互联网的广泛应用、流量资费的大幅下降和无线网络覆盖率的日益提高，视频与游戏成为新媒体的主要内容之一。广义的科普游戏是指具有一定科普功能，能够向参与游戏的用户传播科学知识、科学思想、科学方法和科学精神的游戏。虽然这些游戏中的一部分的设计初衷并非以科普为目的，但他们在内容或情节设计上具有一定的科普功能与教育性，因而也属于广义的科普游戏。我们经常提到的益智游戏等都能划归到广义的科普游戏范围内。

狭义的科普游戏则是指以科普为目的、以互联网为数据传输介质，参与用户可以从中获得科学知识、科学思想、科学方法和科学精神的游戏。

科普游戏以游戏为表现形式，具有较强的娱乐性和趣味性，对用户富有吸引力，并能在娱乐的过程中潜移默化地发挥科普功能。区别于传统科普形式，科普游戏因其娱乐性和趣味性而更容易为受众特别是青少年所接受。同时，在科普受众分散化的背景下，游戏正好能为科普带来全新的模式。目前游戏领域有数以亿计的用户，这一点恰恰是科普所期望的。如果能借助游戏这个平台，使得一部分游戏用户转化为科普用户群，就很容易促进科普的推广。此外，游戏具有很丰富的叙事能力，丰富的游戏情节有助于用户对科普知识的理解。还有，游戏具备强大的虚拟世界构建能力，科普往往无法将完整的科学过程和科学原理清晰地呈现给受众，而游戏可以构造一个很强大的虚拟世界，更为形象地展现科普知识。

有关教育游戏、严肃游戏的研究表明，以游戏的方式进行学习，对学生的知识获取和内容理解、学习动机与情感、认知方式、行为改变这几个方面具有积极的效果。Chuang在研究中表示，学生可以通过游戏来提升认知能力，学生玩游戏的过程是他们了解并存在于这个复杂社会的证明。而对移动端的科普游戏来说，Furio的研究表示，虽然iPhone端的移动科普游戏与传统科普游戏相比在教学效果上并没有显著差异，但96%的学生愿意再一次使用iPhone移动端的游戏。因此一个优秀的移动端科普游戏可以成为非常有效的学习工具，可以让学生在任何时间地点进行学习而无须教师的监督。

2.化学元素游戏化科普交互的必要性

2019年是国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）成立100周年，同时也是化学元素周期表发明150周年。由俄罗斯联合国代表提议，在IUPAC等6个国际组织，以及包括中国化学会在内的来自五十多个国家和地区的众多科学团体和研究机构的支持下，联合国批准2019年为“国际化学元素周期表年”。由于IUPAC主导对新化学元素发现的审核，并发布化学元素周期表的权威版本，2019年将由其主导并陆续开展“青年化学奖元素周期表”“化学元素周期表竞赛”“IUPAC故事”“世界女化学家早餐会”“世界化学领导者会议”“绿色化学研究生暑期学校”等活动，共同庆祝“IUPAC百年及国际化学元素周期表年”。联合国将2019年设为国际化学元素周期表年，说明其已经意识到提高全球对促进化学可持续发展的认识的重要性。

对我国来说，当前9～12年级的学生在化学学习过程中，由于化学中各种元素种类繁多、元素之间相互关系的知识结构复杂，教师为学生呈现的图文资料以及语言讲解，并不能有效地与学生原有概念相联系，很多学生反馈很难建立化学元素间的关系。另外，由于很多实验室化学药品不充足，加之许多元素具有危险性，通过实物和实验向学生呈现的方式只能局限在几种元素和几种化学反应之内，不能使学生形成广泛联系的知识结构。再者，由于缺乏必要的支持，学生在知识结构不完备的情况下，很难从自己的最近发展区进行学习，被迫使用机械的背记方法适应教师的进度，对学生的学习动机和学习兴趣造成影响，并且这种机械刻板的知识结构也很难适应实际应用。

在化学科普工作中，由于大众对多数化学元素和化学原理并不熟悉，形成了对化学元素=有害物质、化学=副作用、化学=危险等刻板印象，不时会出现一些基于化学现象的谣言，例如“水中的铁锈”“塑料袋做紫菜”等明显失实的消息。但是化学元素的各种符号公式在化学科普过程中又难以阐述。因此，开发一种通俗易懂且具有良好知识结构的化学科普游戏，对于很多并不具有化学知识背景的人了解生活中必要的化学常识具有重要意义。

3.ChatBot聊天机器人技术

聊天机器人技术是人工智能的应用途径之一，它是一种使用自然语言与人类进行对话的软件机器人，又被称为“对话系统”。当前学术界对于聊天机器人的研究主要产生了两种模型：基于检索的模型（检索模型）和基于生成的模型（生成模型）。检索模型主要依赖于知识库、检索技术和排序特征的提取，生成模型则依赖于大量的训练数据，以及能够表示出自然语言的语义特征。由 IBM 开发的 DeepQA 系统采用了海量并行和基于证据的概率模型架构，整个系统体现了高级自然语言处理、信息检索、知识表示、自动推理和机器学习等开放式问答技术。

聊天机器人作为一种对话问答系统，集成了多年来自然语言处理（Natural Language Processing）研究与应用的各种成果，包括词法分析、词性标注、浅层或深层句法分析、命名实体识别、指代消解、词义消解、文本检索、信息抽取（包括关系抽取）、机器学习、本体知识获取、知识挖掘、知识表示、逻辑推理等。由于中文不似英文有空格之类的词语分隔符，句子由连续的词语组成，必须先进行中文分词才能进一步处理。此外，中文中没有疑问词的区分，不能像英文那样根据疑问词确定问题类型。因此国外的开源聊天机器人例如ALICE （Artificial Linguistic Internet Computer Entity）、Dialog flow（原API.AI）等对中文自然语言的处理尚不成熟。

（二）项目研究过程

从2018年12月至2019年6月，项目研究的步骤如下。

1.用户需求调研

依据《“00后”人群洞察报告》《千禧一代中国“00后”群体研究报告》等文献与实际对“00后”中学生的访谈，调研用户需求。并依据调研结果设计游戏内容、实现形式和美术风格。

2.图灵机器人语料库的编辑与扩充

根据元素周期表序号1～20号元素、剩余主族元素及副族元素的顺序，按照范式模型设置语料库。请相关领域专业人士审核内容。

3.App程序的开发

过程包括前端开发—程序开发—接口对接—第三方接入（图灵机器人等）—定期进行项目会议沟通和管控项目开发进展。

游戏视觉的设计包括制定视觉风格、界面设计和元素图鉴设计。

4.App程序测试与迭代

过程包括App内容测试、App性能测试、App视觉测试和对BUG调试修复。依据测试结果修改程序的不合理设计，完善游戏个性化内容。对游戏进行二次迭代。

5.研究成果整理与项目报告的撰写

根据研究内容与研究成果撰写项目结题报告。

（三）项目研究内容

1.游戏需求分析

游戏的目标用户为“00后”的学生，特别是中学生，以及对化学感兴趣的社会人士。“00后”中学生是在优越的物质生活与移动互联网内容大爆发的背景下成长的，“00后”的中学时期正是用智能手机上网的时代。众多社交平台在这一时间段出现，与“90后”所在的PC时代相比，“00后”的平均上网时间更多，接触到的内容更加丰富。但“00后”的课业负担更重，参加课外班的时间达到“90后”的3倍。

因此，目标用户的系统描述为：“00后”的中学生年龄在12～18岁，普遍持有智能手机，习惯使用学习类App，也喜欢移动端游戏，碎片化时间多；偏爱二次元文化以及可视化信息，喜欢生动有趣兼具深度有内涵的内容。

2.游戏内容设计

本项目计划设计一款将化学元素拟人化，通过对话互动、培养好感以解锁新元素的移动端游戏。在这个过程中，玩家将了解到有关化学元素相应单质与化合物的基本物理性质、化学性质、应用、最新要闻、考题连接等内容。通过生动的形象与语言，加深用户对该元素的认识与理解。游戏内容设计包括确定游戏主题、选定开发工具、游戏视觉设计和游戏评价设计。

（1）确定游戏主题

本项目以化学元素为主要科普内容，因此游戏内容主要围绕与化学元素相关的知识点。通过文献综述整理出了1～18号化学元素的基本信息、化学史料、应用领域等信息。聊天内容主要围绕以上三个方面进行设计。

（2）选定开发工具

本项目基于微信小程序平台开发，小程序可以在微信内被便捷地获取和传播，同时能够兼容各种移动终端，使用户获得良好的体验。

聊天机器人工具选用基于DeepQA技术的图灵机器人。功能包括中文聊天对话、自定义身份属性、情感识别、内置多领域智能回答、场景对话功能等。

视觉设计工具选用Adobe Photoshop，可用于处理以像素构成的数字图像，进行有效的图片编辑工作。

（3）游戏视觉设计

游戏的视觉界面是游戏软件的图形化交互界面。它是学习者进行游戏化学习时，对游戏进行控制并获得反馈信息的接口，是学习者和游戏化学习环境之间视觉性信息传递、交换的媒介。游戏的视觉化界面，联系着学习者和游戏化学习环境。视觉效果设计主要涉及具体的界面元素的位置安排、色彩搭配是否能够满足学习者的视觉感知要求，它需要考虑是否会对学习者的游戏化学习产生噪声干扰。因此，本项目依据风格保持一致原则、方便易用的设计原则和容错性设计原则来设计交互界面。

（4）游戏评价设计

项目基于对游戏化学习评价的参考文献的梳理，发现了现行科普游戏评价主要有三种方式：将科普游戏视为软件从而对其可用性、界面友好性、人机交互性进行评价；将科普游戏视为课程，通过分析其教学效果如知识、能力与认知等方面的提升来进行评价；使用现有的游戏评价框架，但现有游戏评价框架的实际效果还需进一步实践验证。

本项目结合将科普游戏视为软件与将科普游戏视为课程这两种观点，通过调查问卷对游戏的可用性、界面友好性、人机交互性和教学效果进行评价。

二 研究成果

（一）化学元素基本信息的收集

从HPS教育的理论出发，科学史与科学哲学可以有效地整合科学知识，促进科学教育，加深学生对科学本质的理解。它可以使课程更好，使课程中各学科之间的联系更好。因此，以HPS教育为理论基础的化学元素拟人对话语料库应当包含以下要素。

1.基本性质

基本性质包括化学元素的名称、元素符号、相对原子质量、物理性质与化学性质和应用等信息。

2.科学史

科学史包括化学元素发现的历史，以及对未来的展望。该元素对应单质或化合物在历史上的应用等信息。

3.与日常生活相关的信息

与日常生活相关的信息包括化学元素对应单质、化合物在生活日用品中常见的应用注意事项，特别是有毒、有害、有腐蚀性、易燃易爆危险化学品的保存与使用注意事项。

4.传统文化、文艺作品中的相关信息

传统文化、文艺作品中出现该元素相关信息的出处。

（二）化学元素知识库的构建

图灵机器人系统提供公有知识库，并且支持自定义私有知识库，可在NLP知识库中逐条新增或使用EXECL批量导入。化学元素私有知识库的构建以收集到化学元素基本知识的资料为基础，以关键词为中心增加同义语库的方式，提高对话匹配的准确度。同时依据化学元素的性质，为聊天机器人设置不同的性格、语气特征。

（三）游戏视觉设计图

根据科普游戏视觉界面设计的一般原则，对不同属性的元素设计不同的视觉风格。

（四）游戏程序设计

微信小程序主要由WXML负责构建页面结构，由WXSS负责为页面添加效果，并由JavaScript控制交互行为。为了方便开发，并保证程序的扩展性，本项目采用美团的开源小程序开发框架mpvue作为主要的开发框架，根据不同功能为每个页面构建了不同的可复用组件，并使用Vuex状态管理模式对应用中的数据进行统一管理，对整个应用进行模块化的开发，使程序功能稳定，并具有扩展性。在自由聊天的功能中，使用微信原生的请求接口向图灵机器人提供的接口进行请求，实现了主动聊天与被动聊天功能，以及其他的展示等功能，整体取得了良好效果。

（五）游戏评价问卷与访谈提纲

在游戏试用后，利用访谈与问卷调查两种数据收集方法，收集游戏对学生知识、态度等方面的影响以及学生对游戏的改进意见，形成了聊天机器人游戏效果反馈问卷、游戏者访谈提纲与在职化学教师访谈提纲。

三 创新点

（一）将ChatBot聊天机器人技术应用于科普游戏

随着技术的不断创新和市场需求的持续增大，人工智能正成为数据、科技进入人类生活的重要桥梁。ChatBot聊天机器人作为人工智能技术在自然语言处理、深度学习、语言识别领域的一种应用，可以模拟真人对话模式。本项目将ChatBot技术应用于科普游戏，为人工智能技术与游戏化学习提供新的结合点，为今后科普游戏的开发与设计提供新的参考路径。

（二）将化学元素拟人化，帮助学习者形成对于化学元素的感性认识

区别于传统的公式和模拟图，通过游戏将化学元素用图片和文字对话的形式呈现出来，有助于提升学习者对于化学元素的感性认识，同时带来类似人和人之间语言互动的情感体验，同时玩家主动输入内容获得反馈的过程提升了学习者的内在动机，使学习者更积极主动地探索游戏，了解化学知识的内容。与此同时，学习者与化学元素进行对话的过程有助于其构建情景记忆，将原有化学知识内化到知识结构中。

四 应用价值

（一）场馆展品介绍

科技场馆、自然博物馆以展品为基础，传统博物馆的展品信息内容是通过设在展区的图文版、说明牌和有限的文字说明来进行传播的。而观众参观的时间有限，说明牌的文字空间也有限，阅读说明牌无法让观众充分了解展品的特点与价值。ChatBot技术可以通过简短的对话问答来调动观众了解展品的动机，灵活地结合图像、短视频等形式一步步将展品信息向参观者展示。该种方式与语音讲解方式相比，便于回顾与记录；与图文信息相比，更加生动有趣，避免了认知疲劳。

（二）新媒体平台智能客服

ChatBot技术还可参照其在电子商务领域的应用，成为科普新媒体平台的智能客服。参观者可从聊天机器人处获取诸如近期科普展览信息、常见科学问题、问题反馈等信息。近年来，拟人化营销风靡全球，人工智能技术功不可没。聊天机器人技术作为人工智能的一种应用路径，特别是线性问答的聊天机器人作为一种弱人工智能，技术门槛低，应用场景非常广阔，无论是技术自身还是其承载内容都能很好体现网络科普的特点。

（三）科普游戏

本项目即ChatBot技术应用于科普游戏的案例。用对话形式增强与游戏者的互动，游戏者在使用聊天机器人时更像是与朋友聊天。依据科普主题内容适当加入激励机制，就可以平衡游戏的学习性与趣味性，特别是对于互联网快速发展下的社会，人们的整段时间非常少，往往是在碎片化时间中接受科普知识的。那么聊天机器人形式的科普游戏可以让学习者有效利用碎片化时间，迅速把握要素信息，与整段文字的科普图文或需要沉浸式体验的科普游戏不同。