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動物大探奇
第十四屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 歐陽昆、余兆棠等】   2020年10月22日 星期四

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遊戲在童年時期是所有人不可或缺的生活主軸,然而遊戲其實並非僅止是毫無目的之娛樂,對兒童來說,遊戲就是一種學習,甚至可說是他們生活中的全部,3-6 歲的孩子不僅活潑好動,而且好奇心強、喜歡提問,也是想象與思維等各方面能力進展快速的時期,更是掌握辭彙能力的關鍵期,所以如何滿足他們的好奇心與提升其想像力,並且引導他們彙整詞彙說出自己想要表達的內容,是這個時期最重要的一件事情。


因此,本專題以遊戲中學習為出發,並且結合孩子最感興趣的動物來設計一套「動物大探奇」的遊戲,其中利用盛群晶片HT32F52352當作主控板結合使用卡牌、遊戲主機、立體動物等週邊設計,讓孩子透過遊戲認識動物的特徵、居住習性、飲食甚至是叫聲,以遊戲的方式讓孩子認識平常不會看見的一些動物,在遊戲的過程中學習與同儕、父母的溝通及互動,找尋出正確的動物,從中得到成就感,也達到寓教於樂的學習效果。


創作動機

根據維也納大學康士坦丁‧梵‧艾克諾摩博士(Constantin Freiherr von Economo,1876-1931) 估計,人類的腦神經細胞數量約有一千五百億個。而新生兒的腦部就已擁有將近一千億個稱為神經元的腦細胞,腦神經科學的研究認為遊戲能激發腦神經網絡。而遊戲可以強化神經網絡的另一個原因是遊戲屬於整合性的行為,當幼兒進行扮演遊戲時 會運用語言表達、嘗試解決問題、發展社交技巧與能力以及運用抽象思考,當中牽涉多種感覺與情緒,凡此種種均廣泛地刺激?神經網絡(Johnson et al.,2005)[1]。由此可知,遊戲其實是扮演著兒童心智與學習發展的重要角色。


大家在孩童時期總是伴隨著各種形式等遊戲(諸如鬼抓人、丟接球、說故事)成長,而這些遊戲並不僅僅只是遊戲,兒童透過遊戲去認識、探索、學習這個世界的所有事物,幼稚園創始鼻祖─福祿貝爾認為,遊戲是兒童的內在本能,尤其是活動本能的自發表現,也是幼兒時期最純潔、最神聖的活動[2],可以說遊戲是幼兒學習的方式及模式,更是兒童的生活。


幼兒學齡前的3-6歲,正是發展手指運動、自理能力、語言表達、認知發展的年紀,然而現代科技越來越發達,幾乎人手一支的智慧型手機已經成了孩子手中的最主要的玩具,原本孩子的童年應該是在與同儕玩樂以及接觸各種不同玩具與遊戲中學習及成長,但現在卻只看到一個個年紀尚幼的孩子拿著一件件 3C 產品,緊緊地盯著充滿聲光效果的螢幕,甚至為了使用 3C 產品而大哭大鬧,造成


許多孩子有注意力不集中的問題,甚至對生活周遭的事物興趣缺缺,不會好奇地去觸摸或探索,這樣的情況將深深影響孩子的發展,更妄論 3C 產品造成的視力負面影響。因此我們構想以遊戲中學習為出發,並且結合孩子最感興趣的動物來設計一套遊戲給學齡前的兒童遊玩,除了減少孩童把玩 3C 產品的時間,也可以讓他們透過遊戲認識平常不易看見的一些動物。


創作目的

學齡前的兒童最主要學習的除了自理能力就 是一些辨認的能力,諸如色彩、形狀、符號以及動 物、植物、生活中的物品等,我們希望遊戲能夠不僅只是遊戲,而是真正能讓孩子在遊戲的過程中學習到新的事物,而多數的孩子對於動物都是充滿好奇心的,所以我們選擇以動物作為我們的學習主題,所設計之遊戲僅使用一些簡單的遊戲規則給孩子們嘗試學習,希望透過遊戲達到以下目標:


1.透過卡牌圖案讓孩子認識動物的外型特徵。


2.卡牌圖片配對各動物的特徵,練就孩子的記憶力及配對能力。


3.透過遊戲主機讓孩子知道動物的叫聲。


4.透過遊戲主機介紹卡片內容,訓練孩子從中尋找線索的能力。


作品設計理念、功能與特色

遊戲設計理念

我們希望透過這個遊戲讓孩子在遊戲中認識草原動物,透過遊戲主機說動物的小故事以及會搖擺的立體動物來吸引孩子注意力,讓孩子能從熱衷動態遊戲轉變成能夠專注於靜態遊戲,卡片故事中還有動物的真實叫聲以及各種的動物介紹,好像動物就在孩子身邊說話互動,創新的玩法讓孩子在認識動物的外型特徵時能夠更加有趣,並且加深各部位特徵記憶,讓孩子對於動物的外型有更深刻的記憶,只要看到一部分特徵就能分辨是哪種動物,當孩子熟悉動物的特徵後,甚至不需要蒐集到三張特徵卡即可分辨是哪一種動物,能夠增加孩子的成就感以及圖像的連結,增強孩子的想像力;這個桌遊的規則很簡單,但對於剛開始認識動物的孩子來說會有許多疑惑,透過家長的陪同,以及溝通、互動,能夠讓孩子更加容易了解這個遊戲的玩法,更快融入這個遊戲中學習,並增進親子間的互動。


作品功能

我們從動物的特徵出發,設想許多認識動物的 方式,如組裝動物、圖片式介紹等,立體或是平面的方式,最終我們將遊戲定義為一卡牌為主的桌遊, 並將立體動物設定為遊戲中的戰利品,當湊齊指定的動物配對,就能得到立體動物,從而提供遊戲的 目標以及動力。


我們的兒童桌遊包含一片棲地板、一台遊戲主機、57 張卡牌、立體動物等,在遊戲中,將卡牌放上遊戲主機即可聽取各張卡牌的介紹以及相對應的動物的叫聲,讓認識動物不再只是看圖鑑、翻百科全書,而是從遊戲中以視覺及聽覺的部份去認識動物。


以下說明遊戲玩法與作品之創新特性。


遊戲玩法

遊戲的玩法我們分為普通玩法以及教學版玩法,設有教學版玩法是為了讓孩子對動物的特徵不熟悉的時候可以先透過教學版玩法熟悉、了解這款桌遊。兩種玩法說明如下:


普通版玩法


1.拿出棲地板及立體景物,先布置好動物們的棲地。


2.從年紀最小的人開始,每個人從牌堆拿4張牌,攤開放在自己面前。


3.輪流拿取自己手排的一張插入播音器聽取特徵故事。


4.所有人的手牌都聽完之後,旋轉轉盤來進行遊戲。


5.轉盤有五種結果:抽一張/抽兩張/暫停/搶別人一張/隨機一張(上一位選一張他的手牌給你)。


6.蒐集動物:蒐集某一動物兩種特徵卡和一張習性卡或是湊齊三張特徵卡即可得到一隻立體動物,將立體動物放上遊戲主機可以聽取該動物完整介紹。


7.獲勝的方法:先湊齊三隻動物的人就獲勝。


教學版玩法


1.攤開 57 張特徵卡牌在桌上(13種動物, 每種有三張特徵卡,另有社群卡和食物卡)。


2.將動物放上遊戲主機,聆聽該動物特徵,快速從桌上搶奪該動物的三張特徵卡, 搶到一張算一分,兩張算兩分以此類推。


3.最後取得最多特徵牌的人獲勝。


作品創新性


「動物大探奇」有別於其他遊戲,將動物變成立體的不倒翁,搖擺的模樣及鮮明的外型能吸引孩子目光,而不倒翁前後搖晃的特性,製造出與孩子互動的意象。將動物卡牌放置在遊戲主機上也會有動物的真實叫聲、各種動物介紹及小故事,好像動物就在孩子身邊說話互動。以視覺及聽覺雙重感官下,讓孩子能更容易串聯動物外型和叫聲之間的關係,對於動物的各部位特徵及外型也能有更深刻的記憶。


這次使用到兩顆HT32F52352晶片,一個用來於控制 RFID 感測器原件中輸出音檔,在多個資料中利用無線傳輸的方式進行作業,並且讀取音檔。另一個用來播放音檔, 並且放置於轉盤遊戲主機中,利用無線傳輸控制遊戲主機能播放出正確的聲音。因此能讓遊戲主機和卡牌、動物們相互配對,發出聲音,讓遊戲能夠不僅只是遊戲,真正落實讓孩子在遊戲過程中學習到新事物的目的。


作品設計

遊戲設計

棲地和景物模型設計


棲地板以圍繞著湖泊的樣子去設計(如圖1所示),這樣當孩子與家長圍著桌遊玩耍時,就不會有哪一個人看到的棲地是完全顛倒的,圖樣設計以草原樹木環境以及顏色來製作,讓孩子在玩樂的同時粗略記憶草原的色彩及模樣是如何的。



圖1 : 棲地板
圖1 : 棲地板

立體動物與景物設計


我們從許多動物中挑選出13種草原動物(圖2),以立體不倒翁的形象與動物的特徵結合,以較可愛、圓潤的樣子呈現,當得到立體動物時,將其放入棲地板中,因為不倒翁的特性,將會前後搖晃,製造出與孩子互動的意象。另外也設計景物(圖3),增添趣味性。



圖2 : 立體動物
圖2 : 立體動物

圖3 : 景物設計
圖3 : 景物設計

卡牌設計


卡牌部分共有57張,分為特徵卡、食物卡以及社群卡(圖4),從我們挑選出來的13種草原動物身上擷取最明顯的三項特徵,讓孩子能夠從特徵來認識動物,而食物卡及社群卡則能讓孩子更加了解這個動物的生活狀態。



圖4 : 卡牌設計
圖4 : 卡牌設計

電子硬體設計

遊戲主機設計


我們提出行動指令的轉盤與遊戲主機結合,將轉盤的箭頭改為長頸鹿的剪影形象(圖5),色彩部分主要以橘黃色以及草綠色為主,鮮豔的色彩更加吸引孩子的注意力。



圖5 : 遊戲主機
圖5 : 遊戲主機

為使轉盤順利旋轉,我們使用軸承(圖6)的機構去建構我們的轉盤遊戲主機,因為市面上的軸承多為機械使用,所以在兼顧堅硬耐用的同時重量更是不輕,且尺寸並沒有我們需求的大小,所以我們在設計機構的同時直接將軸承的原理加入,設計出符合我們需求的軸承零件,以讓我們的遊戲主機能夠真的達到轉盤的旋轉功能。



圖6 : 軸承[5]
圖6 : 軸承[5]

RFID無線射頻辨識


透過無線通訊的方式進行傳輸,主要是利用接收器(Reader)發射 RF 能量來讀取植入或貼附在物件上的電子標籤(Tag),以進行無線資料辨識及存取的工作 [3]。這次我們把標籤放在 57 張卡片上, 並且每個卡片都有屬於自己的編號代碼。透過感應接收器(圖 7)能把資料透過盛群晶片找出對應資料,並且執行音樂撥放的功能。



圖7 :  RFID-RC522 實際照
圖7 : RFID-RC522 實際照

DFPlayer MP3 播放模組


用於指定音樂撥放以及如何撥放音樂和其他功能的命令,我們將卡牌的聲音介紹錄製成音檔後寫入 SD 卡中(圖8),並在播音器中安裝接收器,將卡牌或是立體動物放上後就能夠讀取錄製好的動物叫聲以及介紹,並且可以直接接駁揚聲器, 模組配合供電電池、揚聲器、按鍵都可以單獨使用,也可以通過串口控制。



圖8 : DFPlayer MP3 播放模組[4]
圖8 : DFPlayer MP3 播放模組[4]

盛群晶片-HT32F52352


本文使用的盛群晶片HT32F52352主要用來對遊戲主機裡的RFID與DFPlayer 來進行接收與控制的主要角色,能夠在很短的時間內將卡片讀 取到的資料,透過音樂播放器送出對應的動物聲音。



圖9 : 盛群晶片位置 [6]
圖9 : 盛群晶片位置 [6]
圖10 : 18650 鋰電池實際照
圖10 : 18650 鋰電池實際照

軟體流程

依據遊戲規劃功能(圖11)與硬體電路架構(圖12),以盛群晶片HT32F52352為控制中心,開始時以9V鋰電池對充電板供電,充電板再對HT32F52352供電,HT32F52352再對 RFID 供電,RFID將收到的資料傳輸到HT32F52352,HT32F52352收到來自RFID的資料時並對 MP3 Player發送資料,MP3 Player 收到資料後選擇與資料對應的音檔送往Pam8406,Pam8406 將收到的音檔聲音放大並送往喇叭撥放聲音。



圖11 : 功能架構圖
圖11 : 功能架構圖
圖12 : 硬體架構圖
圖12 : 硬體架構圖

鋰電池供電


為了能獨立供電,並且經過實測在音樂持續撥放的情況下,可以供電6個小時,這次使用了兩顆18650鋰電池。搭配升壓模組讓電壓可以足夠的傳送到HT32F52352晶片上,不影響到輸出時的穩定性。


配合硬體設計,軟體流程如圖 13 所示,在開始時RFID 處於等待的狀態,等待卡片靠近讀取資料, 當RFID 成功取得資料並對比HT32F52352 晶片裡的資料是否相符合,能夠進行下面其功能,如動物的聲音或音量大小等等,如果卡片不正確則繼續等待。


系統實現與功能測試


配合前述的作品設計及軟硬體設計進行遊戲系統的製作,實現過程中音訊播放 RFID 讀取功能先單獨進行測試,參照圖14所示,首先了解 DFPlayer 所接收資料的格式,再利用 PC 端的Terminal 傳送訊息,測試音樂撥放的功能,同樣地 RFID 卡片資料讀取也是如此,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 來進行控制與接收資料。


圖13 : 軟體流程圖
圖13 : 軟體流程圖
圖14 : 音訊播放與RFID讀取功能實現與測試
圖14 : 音訊播放與RFID讀取功能實現與測試

完整實現之桌遊系統如圖15 所示,其中將遊戲卡片、動物玩偶及遊戲主機等等放在一個大片的棲地板上,遊戲就可以開始進行了。讓小朋友們能夠透過卡片或者動物玩偶來與擺設中間的遊戲主機進行互動。



圖15 : 實現之遊戲系統
圖15 : 實現之遊戲系統

遊戲進行可以參考前文描述的方式進行,其中RFID卡片資料讀取與相對應的音訊播放是遊戲可以順利進行的關鍵,其測試結果如圖16與17所示。其中將任何一張卡片靠近遊戲主機上面(如圖16所示),遊戲主機就會透過RFID讀卡元件讀取卡片上的資料,並且透過 HT32F52352 晶片運作並比對DFPlayer 裡的 SD 卡資料,進一步進行控制。



圖16 : 卡片感應遊戲主機
圖16 : 卡片感應遊戲主機

在卡片讀取到RFID 的瞬間,能夠做出對應的音樂撥放(如圖17所示),得以實現小朋友能對於卡片、動物玩偶聲音的興趣與好奇。


結論


圖17 : 卡片撥放音樂
圖17 : 卡片撥放音樂

我們構想以遊戲中學習為出發,並且結合孩子 最感興趣的動物來設計一套「動物大探奇」遊戲給 學齡前的兒童遊玩。本作品除了可減少孩童把玩 3C 產品的時間,也透過我們的動物大探奇動物學習桌遊,使家長和孩子之間有更多的互動、溝通, 並讓孩子在遊戲中學習。而除了能夠認識草原動物、學會辨別各個動物的特徵習性,更是在遊戲的過程 中學會觀察、配對、邏輯思考等能力,讓孩子能夠 快樂的在遊戲中學習。


(本文作者歐陽昆1、余兆棠2、高偉銘3、劉涵?4、王映捷5、陳文德6、程珈翔7為南台科技大學電子工程系1-2教授、3-7學生)


參考文獻

[1] 遊戲對幼兒的成長與意義,2019。https://u.nu/8kr5.


[2] 容乃加,“現代學前教育的鼻祖-福祿貝爾”,,大紀元。https://u.nu/b9-a.


[3] 陳豊欣,“RFID 不懂就要學”, 2008。https://u.nu/36je.


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


[5] 新豐貿易股份有限公司,2019。https://u.nu/bxs3.


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


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