整体性游戏开发课程设计

整体游戏开发课程

摘要

本文讨论了一个整体性游戏开发课程体系的设计与实施。我们专注于围绕游戏工程/技术的工程技术学位，强调可迁移技能、问题解决、数学、软件工程、可扩展性以及行业实践。
鉴于技术型游戏工程师的技能短缺日益严重，我们也必须关注硬件、技术和行业的快速变化。首先，我们希望构建一个协同性的、以游戏为导向的课程体系（适用于四年制学士项目）。其次，组织和教学需要适应未来趋势，避免狭隘视角（过度侧重游戏），同时兼顾研究和行业需求。最后，我们通过与独立专家的合作，推动教育课程的发展，培养多样化的技能。本文所讨论的课程体系涵盖了多种科目（各科目之间相互强化与支持），例如编程、数学、计算机图形学、基于物理的动画、并行系统和人工智能。综合来看，将相关流程的开发与整合纳入课程框架，以跟上游戏技术的进步，具有重要意义和价值。

关键词 : 游戏开发, 教育, 课程体系, 教学, 学位, 技术, 整体的, 学习
概念 ： •应用计算 →教育； •社会与专业主题 → Computing education; •软件及其工程→软件组织与属性；

1 简介

技术性游戏技能 核心技能是必不可少的，例如数学和物理，这些技能我们一直在使用（不仅仅用于游戏开发）。这些核心技能需要从一开始就进行良好的教学。这与游戏产业日益严重的技术技能短缺问题密切相关。更不用说，预计游戏产业的全球贡献将达到1130亿美元，参见 2018[Collmus等，2016；Cappelli 2015]。
人们常常忘记，游戏产业是一个节奏极快的领域，由于数字技术的快速演进而持续变化。核心技能不仅包括数学和计算机图形学，还包括适应和解决问题的能力——这些正是产业迫切需要的技术能力。总之，在设计和教学技术性游戏课程体系时，我们必须着眼未来——着眼于推动下一代娱乐所需的能力，特别是随着虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的曙光即将到来 [福勒 2015； Akc¸ayır 等人。

概述

为了满足未来对技能的需求，我们推出了一种具有统一结构的技术性游戏学位。各模块以“协同作用”方式运作，相互补充并增强整个课程体系的效果。我们避免将游戏课程依附于现有课程体系之上（例如，在通用计算机科学学位中仅添加一个游戏模块），也避免简单地将其拼凑在一起。同时，我们希望兼顾整体视野，即避免过度专业化（狭隘视角），使所有内容都局限于“游戏”焦点。
近年来，游戏开发学位逐渐被贴上刻板标签（例如，游戏工程师只能在游戏工作室工作），我们希望避免这种现象。尽管如此，我们仍致力于教授可迁移技能，并确保学生长期的就业前景。毕业生不应被限制在仅限游戏行业的职业路径中。例如，数学、良好的工程实践以及计算机图形学等技能，在多个学科领域（医疗、金融、工程和机器人技术）均具有重要价值 [Hoidn 等人 2014]。

如图 2所示，各模块具有明确定义的依赖关系——每年的技能以前馈方式传递。这种结构在原本独立的主题之间提供了支持性的协作。例如，数学和编程原理对于计算机图形学至关重要。该课程项目有 20+名教学人员直接参与授课、辅导和演示（实践实验课）。然而，整个课程及模块由课程项目负责人进行总体监督（高层视角）。值得一提的是，课程和模块还通过来自学生和讲师的反馈持续监控，以了解课程项目的整体协同状态（反馈渠道包括匿名模块问卷、学生代表以及全国学生调查结果）。
大学位于苏格兰首府（爱丁堡——文化之城），为学生提供了理想的学习环境；家门口便是国际公认的工作室（例如 Rockstar 和 Disney）。此外，众多专家参与大学的教学与研究工作。更不用说，大学积极参与游戏社区活动、学生会社团，并提供对专业硬件/工具的使用机会。多年来，这些优势带来了丰厚回报：毕业生因其辛勤努力而荣获行业奖项，并在会议中发表成果；就业率统计显示，学生毕业后进入国际公认的工作室就职，或继续深造（研究职位/博士）。

简要概述一下，该课程包括：
• 扎实的数学基础
• 学习和应用最新API，例如Vulkan、OpenGL和DirectX，以充分利用硬件
• 计算机图形学和渲染器（即当前和未来的技术——光栅化和光线追踪器），以便学生理解现代游戏和应用程序中使用的技术
• 游戏工程技术与开发分析 ‐ 将解决方案映射到硬件，同时为设计师和艺术家提供一套工具集
• 视觉和物理效果，例如布料、毛皮和头发的真实实时模拟
• 动画和行为建模，包括导向算法和人群模拟

2 以往与当前课程项目结构（演变）

多年来，该课程体系不断更新，以适应日益增长的产业需求和不断变化的技术。此外，尽管本课程支持广泛的技能培养，但我们对各科目进行了结构化设计和相互协调，使其相辅相成。
该游戏学位始于2009年，多年来持续发展壮大。课程体系结合了理论与实践方面（例如：正式讲座、辅导课、研讨会和实践实验室），并整合了虚拟工具，如Moodle.org和 Progzoo.net。此外，还配备了一个定制游戏实验室，学生可使用高性能计算机和专业设备（例如：PS4、PS3、PSVita和 Oculus Rift）。综上所述，该课程体系的设计模式始终基于一种整体导向范式，致力于实现卓越，而非对各个独立组件 （即模块）进行割裂或分离式的概述。
本文的贡献在于强调面向游戏的课程体系在培养学生适用于视频游戏及其他产业需求的技术类可迁移技能方面的协同重要性。
鉴于此，已有其他研究关注类似目标。其中包括彭[彭 2015]，他是最早提出视频游戏课程的初步观点者之一，指出这些课程需要兼顾技术与艺术特质；而Guimaraes和Murray[Guimaraes和Murray2008]则概述了在高等教育中有效教授游戏课程体系内容的方法。我们的方法则融合了通识与专业视角，以确保课程体系能够涵盖可迁移技能和长期技能。例如，我们希望以避免课程体系过于局限于游戏。由于绝大多数技能和原理可应用于多个领域，如计算机图形学、动画、物理、人工智能和安全。总之，我们的方法为游戏开发课程体系提供了一种简化的教育解决方案，我们希望这能为当前的教育系统带来改革。

3 项目详情

3.1 课程体系

我们的课程项目侧重于游戏开发的技术方面（即与艺术性或抽象性相对）。我们希望避免使课程体系过于“僵化”。例如，对于那些具备扎实数学背景而进入本课程的学生而言，学习其他模块以拓展知识将比重复学习数学内容更有益（参见图2）。此外，学生群体规模通常限制在20至30名学生之间（以保证质量）。
从一开始，就采用并行学习模式（模块之间共享内容，以互补并增强吸收效果）。基于这一理念，我们鼓励并培养“解决问题”的能力（减少填鸭式教学）。这一点也体现在我们避免在整个学位课程中只教授一种编程语言——因为能够使用不同的工具和应用程序编程接口（例如 Python、Java、C++、HTML）非常重要（能够轻松学习新的语言和概念）。同样，模块中教授的技能并不仅仅局限于“游戏”领域——学生需要理解游戏产业中的工具和技术也被广泛应用于多个学科（这提供了更广阔的视野）。换句话说，我们希望cultivate一系列核心技能。
如前所述，该课程项目涵盖了广泛的学科领域。这一目标由专家（在该领域内具有国际认可度的教职人员）提供支持，他们能够提供最新教学资源和内容（保持一致且与时俱进的课程体系）。该课程体系分为四年，如图4所示。前两年奠定共同 （或核心）计算机概念的基础，例如数学、面向对象设计和计算机系统。我们还为新生开设了多个短期研讨会，以帮助他们融入该课程项目（例如使用LaTeX撰写论文，使用版本控制、开发网站/作品集以及阅读研究论文）。此外，鼓励新生加入社团并参加活动（例如游戏社团），从而有机会与大学内的其他成员（即其他游戏开发专业学生、艺术家、声音和设计专业学生）见面并互动。
课程体系的第三和第四年更加专业化，涵盖更多以游戏为中心的模块（例如，先进游戏工程）。值得注意的是，该课程采用 “自下而上”的游戏开发方法，先分别研究底层概念和各个独立组件，再将它们整合起来构建游戏和工具。这与“自上而下”的方法相对，后者通过分析完整的游戏并进行逆向工程，从整体向下分解（即拆解并研究其组成部分）。除了编程和游戏设计外，学生还需定期进行同行评审、小组合作、展示、考试和技术写作。学生被教导既要独立地工作，也要进行协作（例如小组项目），同时与其他院系（如声音、艺术和创意媒体专业学生）合作，以培养跨学科技能，并促进全球理解（共享并学习来自其他领域的先进数字技术和工程知识）。
以下仅列举几位直接参与课程（教学和支持学生）的 20+专家：
• 本·肯赖特 ‐ 课程负责人，物理，计算机图形学
• 肯尼·米切尔教授（同时也是迪士尼研究英国分部负责人）
• 凯文·查尔默斯 ‐ 编程基础，并发与并行系统
• 安德鲁·卡明 ‐ 软件开发，算法与数据结构
• 凯瑟琳·斯图尔特 ‐ 基础数学
• 尼尔·厄奎哈特 ‐ 软件开发，计算智能
• 阿拉斯泰尔·索塔 ‐ 软件工程方法，小组项目
• 莎莉·史密斯 ‐ 移动应用开发

3.2 教育资源

该课程不仅仅关乎游戏制作。大学内有专家（包括教授和研究人员）提供指导和支持。还为希望超越常规的学生提供课外活动/研讨会（例如，参与游戏主机开发或小型研究任务）（参见图5）。
由于资源有限（如游戏实验室的规模和教学时长），该课程项目设有允许的最大学生人数（即配额）。我们希望避免‘大规模教学’，因为这会以牺牲质量来换取学生数量——我们致力于确保每位学生在学业过程中都能得到充分支持（参见图3）。限制学生数量使我们能够避免低质量培训和“香肠工厂”式课程（即学生毕业后无法凭借其资质找到工作）。2015年，游戏实验室进行了扩建，增加了高性能计算机、学习区域以及计算机和硬件升级，以应对课程日益增长的需求。通常问题不在于申请课程的人数，因为申请者数量可能相当高，而在于申请者的质量（即他们需要具备扎实的数学基础）。

3.3 研究（荣誉）项目

最后一年（即第四年）的荣誉项目为学生提供了从头到尾完成一项重要完整工作（包括最终的海报、论文和答辩）的机会。
该项目涉及研究问题、收集支持该问题的数据/证据、构建支持性案例、文档记录以及实施概念验证解决方案/实验。以往的项目题目包括：
• 使用壳结构在GPU上实现软体动力学
• 游戏物理引擎分析与开发
• Poxels：多边形体素环境渲染
• 游戏中的流体模拟
荣誉项目既紧张又富有挑战性，但它们为学生多年来积累的辛勤努力提供了坚实的作品集证据（核心成果）。在多次案例中，学生赢得了奖项，发表了出版物，并受邀参与讲座/研讨会活动（分享他们的经验）。

3.4 学术界与产业界协作

客座讲师会前来讲授现实世界实例（例如，来自研究以及过去参与已发布的游戏作品的经验）。该课程设有行业委员会（指导委员会）—— 由来自业界的专家（例如英伟达、AMD和迪士尼）组成，为当前和未来的教学/研究提供见解与建议。正如其他大学课程所指出的那样，产业界与学术界的协作至关重要[Mikami 等人 2010]。例如，该课程持续与产业界保持联系，英伟达教学中心[英伟达 2016], Skillset 认证[技能集 2016],英国计算机学会（BCS）[英国计算机学会（ BCS） 2016],索尼 Playstation First[索尼2016],客座讲师，他们提供接触并深入了解最新工具、技术和前沿技术的机会。
例如：
• 索尼Playstation第一合作伙伴关系 ‐ 可访问商业硬件和软件（例如， PS3/PS4/Vita）
• 英伟达教学中心 ‐ 来自英伟达的支持和设备，以及访问网络研讨会和在线资料的权限。来自英伟达业内活跃专家的参与，例如菲尔·斯科特（英伟达）
• 与AMD合作（NDA研究项目） ‐ 例如，还可获得来自课程中AMD专家的支持，如AMD的首席游戏官理查德·哈迪

4 评估与结论

游戏产业已经并且将继续增长。建立终身技能（即技术问题解决能力）的强有力课程具有重要意义和价值。这应通过产业与学术合作（而不仅是理论上的）来支持，并提供对先进的硬件和设施的访问。正如我们所讨论的，课程的氛围也是一个关键因素。因为一个积极且支持性的环境，以及后备机制，有助于学生（如社团、学习区域和学生支持服务）应对工作负担（即陡峭的学习曲线和紧迫的截止日期）。总而言之，正如我们在本文中所讨论的，对课程体系的统一认识能够促进成功协同效应。
整个课程致力于通过整体性关注来培训和支持学生，使其发挥最佳水平。尽管课程不断设定更高的标准，但我们也为学生提供了克服挑战所需的全部工具。我们的目标不仅是让学生记忆知识，更是培养他们的终身技能，例如适应和解决问题的能力。
这些目标通过多样化的教学方法得以实现，包括主动与被动的教学方法、小组合作、实践实验、辅导课以及混合式学习（即技术与传统课堂教学法的结合）。
总之，英国各地的大学根据发布统计数据进行评估，这些数据用于评价大学整体、院系以及个别课程在学生满意度、就业能力、研究和设施等方面的有效性（例如全国学生调查）。鉴于此，该课程在计算机学院的所有领域均处于领先地位（通常保持在90%左右）。

5 未来发展

让学生更早参与研究（即在早期阶段）——具有高学术价值。加强与产业界的合作（合作项目）。向公众开放（举办活动，让学生分享他们的知识）。更加重视“终身”技能——适应能力以及学习新工具和新技术的能力。通过数字工具的整合来增强学习效果（例如虚拟现实，如Oculus Rift和Microsoft HoloLens）。

编写技术报告（LaTeX/引用/写作风格），(b)交互式模拟，(c)游戏实验室为协作学习而设计（例如用于活动和讨论的圆形小组），四周配备白板、高性能计算机（双显示器）、会议区，以及(d)使用最先进的硬件的权限，包括 Oculus Rift[Oculus 2016], PlayStation开发套件[索尼 2016],和微软Kinect[微软 2016]（集成到游戏和演示中）。)