于 穎 陳文文 于興華

(1. 曲阜師范大學(xué) 傳媒學(xué)院，山東日照 276826；2. 徐州市興東實驗學(xué)校，江蘇徐州 221000；3.威海市羊亭學(xué)校，山東威海 264200)

STEM教育的興起和發(fā)展源于經(jīng)濟全球化對科技創(chuàng)新人才的迫切需求，旨在通過培養(yǎng)大量技術(shù)增強型創(chuàng)新人才和產(chǎn)業(yè)工人，提升國際競爭力。從全球范圍看，STEM教學(xué)沒有固定的法則與模式，多國結(jié)合自身實際開展了大量探索。我國STEM教育2016年呈爆發(fā)式增長，并被納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。2020年7月，教育部印發(fā)了《中小學(xué)教師培訓(xùn)課程指導(dǎo)標準》，把STEM課程與開發(fā)納入教師文化知識學(xué)習(xí)研修主題，彰顯了STEM教育的重要地位。游戲化因富有趣味性、激勵創(chuàng)新、開拓更多可能性等特點，與STEM的育人目標相契合，STEM游戲化學(xué)習(xí)逐漸為一線教師所認同。將STEM與游戲化學(xué)習(xí)二者整合的系統(tǒng)化研究較少見，本文構(gòu)建了適合一線教學(xué)的STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架。

一、文獻綜述

(一)STEM課程與教學(xué)

STEM教育發(fā)端于美國，目的是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高端科技人才，確保美國在激烈的全球競爭中立于不敗之地。美國政府特別是奧巴馬政府相繼出臺了一系列計劃與項目推動STEM發(fā)展，由此開啟了全球范圍的STEM教育行動。

從教育目標看，各國學(xué)者對STEM教育目標的描述不盡相同，但無不指向跨學(xué)科學(xué)習(xí)、真實問題解決，以及以創(chuàng)新思維、批判性思維為代表的高階思維的發(fā)展(見表一)。布魯頓(Bruton，2017)把創(chuàng)造性解決問題、創(chuàng)新、設(shè)計、批判性思維等作為STEM教育中長期目標；美國俄亥俄州立大學(xué)工程學(xué)院(College of Engineering in OHIO，2020)把探索與協(xié)作、真實問題解決、交流、設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)并鼓勵失敗作為中小學(xué)STEM課程設(shè)計的基本原則；我國學(xué)者(余勝泉等，2015；楊曉哲等，2015；秦瑾若等，2017；李王偉等，2018；袁磊等，2019)把跨學(xué)科知識與思維、真實問題解決、創(chuàng)造性思維等視為STEM教育的主要目標。

表二 國內(nèi)外STEM教學(xué)模式示例

表一 國內(nèi)外STEM教育目標示例

從STEM教學(xué)模式看，國外研究一方面探索基于項目的學(xué)習(xí)(Project-based learning，PBL)、探究式學(xué)習(xí)、基于設(shè)計的學(xué)習(xí)(Design-based learning，DBL)等教學(xué)模式在STEM教學(xué)中的應(yīng)用。阿爾坦等(Altan et al., 2018)通過將基于設(shè)計的學(xué)習(xí)應(yīng)用于STEM教學(xué)的對照實驗研究，指出基于設(shè)計的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生決策技能的形成。麥克納(McKenna, 2020)認為基于項目的學(xué)習(xí)適用于STEM教學(xué)，但需要保證為學(xué)生提供長時間參與的機會。另一方面形成了以6E(ITEEA，2014)為代表的STEM特定教學(xué)模式，致力于為STEM教學(xué)提供以設(shè)計和探究為基礎(chǔ)的操作性程序。國內(nèi)研究形成了設(shè)計型(李克東等，2019；陳鵬等，2019；王佑鎂等，2019；秦瑾若等，2018)、驗證型、制造型(付騫等，2016)、創(chuàng)造型(付騫等，2016；何麗丹等，2019)、證據(jù)導(dǎo)向的教學(xué)(余勝泉等，2019)等一系列改良型本土化STEM教學(xué)模式(見表二)。從這些模式的設(shè)計思路與設(shè)計內(nèi)容看，國外研究更強調(diào)設(shè)計與探究在STEM教學(xué)中的作用，國內(nèi)研究更關(guān)注設(shè)計、創(chuàng)造等過程元素及其教學(xué)實現(xiàn)。

(二)游戲化與游戲化學(xué)習(xí)

“游戲化”(Gamification)一詞最初由英國程序員尼克2002年提出， 2010年后被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。迄今為止，人們對游戲化概念尚未達成共識，但普遍贊同它是在非游戲情境中選擇性地整合游戲的基本元素，采用游戲機制與游戲思維，借此吸引他人、激勵行動、促進學(xué)習(xí)和解決問題(Deterding，2012；韋巴赫等，2014)。游戲化強調(diào)游戲元素的使用而非拓展，利用游戲特征而非開發(fā)游戲，采用娛樂方式而并非單純娛樂(鮑雪瑩等，2015)。游戲化被廣泛應(yīng)用于包括學(xué)習(xí)在內(nèi)的各個領(lǐng)域，衍生出“游戲化學(xué)習(xí)”等概念。

當(dāng)前，游戲化學(xué)習(xí)研究主要聚焦于游戲化學(xué)習(xí)的價值、游戲與課程整合(游戲化學(xué)習(xí)設(shè)計)、游戲化學(xué)習(xí)效果評估等。就游戲化學(xué)習(xí)價值而言，研究者一致認為，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，游戲化學(xué)習(xí)不僅有助于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和動機，而且有助于培養(yǎng)其認知技能、動作技能和情感技能。沃格爾(Vogel et al., 2006)通過研究發(fā)現(xiàn)，運用游戲于學(xué)科教學(xué)可以明顯提升學(xué)習(xí)者的認知與高階思維、改善學(xué)習(xí)態(tài)度；就游戲與課程整合而言，越來越多的研究認識到游戲與課程整合的重要性，并開始關(guān)注高階能力的培養(yǎng)。尚俊杰(2009)通過設(shè)計試誤、冒險、BUG①、娛樂等策略，為學(xué)生提供解決問題的機會，提升學(xué)生的問題解決能力。阿克考格魯(Akcaoglu，2014)借助“游戲設(shè)計-問題解決-問題定位-自由設(shè)計”學(xué)習(xí)活動流程，提升學(xué)生的問題解決能力。就游戲化學(xué)習(xí)效果評估而言，當(dāng)前研究重點關(guān)注游戲化學(xué)習(xí)效果的影響因素及游戲化學(xué)習(xí)評價工具與方法。埃雷爾等(Erhel et al.，2013)的研究證實游戲化學(xué)習(xí)有助于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機。瓦薩盧等(Vasalou et al.，2017)通過分析兒童日志發(fā)現(xiàn)，游戲不僅能幫助兒童學(xué)會面對學(xué)習(xí)挫折或失敗，還能激發(fā)師生交互，創(chuàng)造更多的學(xué)習(xí)機會，使兒童體驗到學(xué)習(xí)的快樂。

(三)游戲化與STEM融合

綜上，國內(nèi)外研究一致認同STEM教育目標指向跨學(xué)科知識、問題解決與創(chuàng)新思維。此外，好奇心、韌性、合作、挑戰(zhàn)、容忍失敗等也多次出現(xiàn)在學(xué)者們對STEM教育目標的描述中，這些品質(zhì)的培養(yǎng)恰恰是游戲化的長項。國內(nèi)外STEM教學(xué)模式研究重視設(shè)計及其教學(xué)實現(xiàn)過程，STEM本土化教學(xué)模式研究還特別強調(diào)創(chuàng)造性及其實現(xiàn)。游戲?qū)τ?1世紀的孩子的成長具有重要價值，STEM學(xué)習(xí)所希望的創(chuàng)造力、批判性、合作、溝通、自我效能感等品質(zhì)都源于游戲(Hirsh-Pasek et al.，2009；卡普，2015；赫尼等，2015)。游戲化與STEM之間具有天然的契合性，游戲化與STEM融合成為必然，但當(dāng)前相關(guān)學(xué)習(xí)活動系統(tǒng)化設(shè)計框架較為鮮見。正是基于此，本研究試圖探索指向“全人發(fā)展”的、以設(shè)計為基礎(chǔ)的STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架。

二、設(shè)計框架

為更好地落實《K-12年級科學(xué)教育框架：實踐、跨學(xué)科概念和核心概念》，美國學(xué)者赫尼和坎特(2015)提出了“設(shè)計-制作-游戲”學(xué)習(xí)方法，旨在通過設(shè)計、制作和游戲提高年輕人的科學(xué)想象力。該方法將設(shè)計解釋為迭代、選擇和安排要素以形成一個整體，人們通過設(shè)計創(chuàng)造手工制品、系統(tǒng)和工具以解決問題；將制作解釋為手工拆解或制作物品，享受了解物品工作原理的樂趣；將游戲解釋為涉及制作理念、發(fā)明和創(chuàng)造的有趣而自愿的活動，通過沒有壓力的探究和發(fā)明，促進創(chuàng)造性思維發(fā)展。

根據(jù)“設(shè)計-制作-游戲”方法，結(jié)合我國國情，本研究提出旨在促進學(xué)生沉浸STEM學(xué)習(xí)的游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架DMP(見圖1)。DMP即Design、Make & Play②(設(shè)計-制作-游戲)首字母縮寫。它以問題解決為主線，在跨學(xué)科學(xué)習(xí)過程中通過設(shè)計和制作活動，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、批判、問題解決等高階思維。該框架還根據(jù)“游戲化的關(guān)鍵是利用游戲的基本要素”這一理論邏輯(韋巴赫等，2014)，在活動設(shè)計中巧妙吸收游戲的基本要素及其精髓，提升STEM學(xué)習(xí)效果。

(一)設(shè)定學(xué)習(xí)目標，指向高階思維

如上所述，STEM教育的目標指向跨學(xué)科知識、問題解決和高階思維，其實質(zhì)與當(dāng)代教育“全人發(fā)展”的育人旨向高度一致。換言之，STEM教育目標有深刻的認識論根源。從認識發(fā)生論的角度考察教育目標，人類認識是借由邏輯數(shù)學(xué)范疇與物理范疇的相互作用產(chǎn)生的，在此過程中知識與思維具有內(nèi)在一致性(李藝等，2018)。也就是說，STEM教育之“育人”目標若想得以實現(xiàn)，則要關(guān)注知識、思維，以及聯(lián)結(jié)二者的邏輯運演過程。學(xué)生解決真實世界問題的過程，實質(zhì)上是建構(gòu)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識與發(fā)展創(chuàng)新思維、批判性思維等高階思維的過程。通過這種內(nèi)在一致的邏輯“運演”過程，學(xué)生經(jīng)由問題解決活動，從知識通達思維，得以“成人”。

圖1 STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架

因而，STEM游戲化學(xué)習(xí)活動目標的設(shè)計圍繞跨學(xué)科知識、真實問題解決、高階思維三個維度展開(見圖2)?？鐚W(xué)科知識指通曉兩個及以上學(xué)科的知識組合。它有三層含義(李學(xué)書，2019)：一是強調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，二是強調(diào)學(xué)科知識間的整合，三是兼顧學(xué)科知識的延伸與拓展。真實問題解決指學(xué)生參與解決與現(xiàn)實生活相關(guān)的STEM問題的主體性活動，一般包含構(gòu)建心智模型和對問題模型進行操作檢驗兩部分(喬納森，2015)。高階思維指發(fā)生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力，包括創(chuàng)新創(chuàng)造、問題求解、決策和批判性思維等。

圖2 STEM學(xué)習(xí)目標

按照皮亞杰認識發(fā)生論的“運演”邏輯，STEM學(xué)習(xí)目標的三個維度間具有內(nèi)在聯(lián)結(jié)關(guān)系。學(xué)生通過解決真實問題，與真實世界建立意義關(guān)聯(lián)，激活和建構(gòu)科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的意義，發(fā)展問題解決、創(chuàng)造、設(shè)計、批判等高階思維。三個維度既有“分解”，每個維度都有明確的意義，有利于教學(xué)目標的分層設(shè)計；又有“整體”，從整體觀立場上分解目標，其實質(zhì)與個體發(fā)展的完整性高度一致。三個維度間還具有層級關(guān)系：從下向上，有逐層筑基與推進之意，即下層是上層的基礎(chǔ)，為上層提供“養(yǎng)分”；從上至下，有逐層喚醒之意，上層激活并喚醒下層，邏輯“運演”因此發(fā)生。

(二)遴選學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)置挑戰(zhàn)性任務(wù)

學(xué)習(xí)內(nèi)容是開展STEM活動的基礎(chǔ)。內(nèi)容選擇主要有學(xué)科知識取向、社會經(jīng)驗取向和學(xué)習(xí)者取向(張華，2000)，這些取向同樣適用于指導(dǎo)STEM選材。首先，跨學(xué)科是STEM教育的鮮明特征，因而STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容必然要基于學(xué)科選材。其次，STEM強調(diào)與真實世界的聯(lián)系，因而應(yīng)從真實生活中選材。再次，STEM學(xué)習(xí)游戲化的關(guān)鍵是關(guān)注學(xué)習(xí)者之為“人”之發(fā)展，將游戲要素應(yīng)用到STEM學(xué)習(xí)活動中，使其具有游戲化屬性，符合兒童“愛玩”的天性。因此， STEM內(nèi)容的遴選要兼顧學(xué)科領(lǐng)域與真實世界，具備游戲?qū)傩?挑戰(zhàn)性)，促進內(nèi)生激勵機制的形成(見圖3)。

圖3 STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容遴選的操作流程

1. 從學(xué)科中選材

STEM學(xué)習(xí)是跨學(xué)科學(xué)習(xí)，一般沒有明確的內(nèi)容標準規(guī)約，這使得STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容的遴選更靈活，但也提出了更高要求。一般而言，STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容的遴選可采用任一學(xué)科內(nèi)容為主線，將其它學(xué)科內(nèi)容融合其中。鑒于STEM多發(fā)端并活躍于科學(xué)學(xué)科，且科學(xué)內(nèi)容包容性強，故STEM學(xué)科內(nèi)容的選材可以科學(xué)課程標準為依據(jù)，整合其它學(xué)科內(nèi)容，確定學(xué)科主題。《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標準(2017年版)》將小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容分為物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程四個領(lǐng)域，它們既彼此獨立，又密切關(guān)聯(lián)。因此，內(nèi)容遴選可以領(lǐng)域間的關(guān)聯(lián)為抓手展開。例如，學(xué)習(xí)簡單機械運動時，學(xué)生通常需要動手設(shè)計制作實物，這就需要激活工程和技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)容的學(xué)習(xí)，而其中涉及的數(shù)的概念與計算需要調(diào)用數(shù)學(xué)知識。

2. 從真實生活中選材

回歸真實生活世界已經(jīng)成為教育哲學(xué)的中心議題(張中偉等，2016)。只有回歸生活，教育才能實現(xiàn)價值理性，完成從“工具人”到“主體人”的轉(zhuǎn)變。這意味著， STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容必須關(guān)注真實世界并從中選材，在真實問題解決的驅(qū)動下，幫助學(xué)生建立學(xué)科知識與真實世界間的意義關(guān)聯(lián)。譬如，從學(xué)生早晚增減衣物入手選材，教師可衍生出與氣溫與體溫計的設(shè)計與制作相關(guān)的科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)等內(nèi)容。

3.具有挑戰(zhàn)性

內(nèi)生激勵教學(xué)理論認為，挑戰(zhàn)、幻想和好奇是影響游戲吸引力的三個關(guān)鍵要素(Amabile et al.,1986)，這與最近發(fā)展區(qū)理論有異曲同工之妙。這意味著，要獲得游戲化的心流體驗，需要將遴選出的學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為具有挑戰(zhàn)性的游戲化學(xué)習(xí)任務(wù)。這種學(xué)習(xí)任務(wù)至少要滿足兩個特征：一是任務(wù)設(shè)置清晰明確，難度與復(fù)雜度接近學(xué)生最近發(fā)展區(qū)；二是任務(wù)具有進階性與反饋性，即任務(wù)設(shè)置有一定的梯度或?qū)蛹?，并提供過程性數(shù)據(jù)與反饋，幫助學(xué)生獲得自我效能感。

(三)進入活動流程，開啟STEM游戲化學(xué)習(xí)

1. 創(chuàng)設(shè)游戲化情境，吸引全情投入

STEM游戲化學(xué)習(xí)情境主要有科學(xué)探究與產(chǎn)品研發(fā)情境兩類。二者都以真實生活問題解決為導(dǎo)向，賦予學(xué)生科學(xué)家與研發(fā)者角色，引導(dǎo)他們像科學(xué)家那樣思考，像研發(fā)者那樣研發(fā)產(chǎn)品，從而激發(fā)好奇心和求知欲，加深問題理解。情境創(chuàng)設(shè)可將游戲的角色、情感、敘事、競爭等元素融入其中，增強情境的吸引力和持續(xù)性。例如，教師可通過游戲化敘事，引出太空旅行過程產(chǎn)生的“土電話”研發(fā)需求，隨即請學(xué)生扮演“太空之旅小小發(fā)明家”角色，進入設(shè)計并制作“土電話”的研發(fā)情境中。

2. 組建學(xué)習(xí)團隊，約定游戲規(guī)則

教師可采用組間同質(zhì)分組、組內(nèi)異質(zhì)分組方式，以使團隊成員最大程度地實現(xiàn)優(yōu)勢互補；發(fā)揮游戲道具的作用，增進團隊成員間的相互了解，以提升團隊合作效率。例如，教師可設(shè)計“名片猜猜猜”游戲，通過名片內(nèi)容猜同學(xué)姓名，幫助教師了解學(xué)生，又增進團隊成員間互動。團隊初步組建后，要明確成員的角色分工，包括師生間的角色分工與團隊成員的內(nèi)部分工。例如，在“探究電路的奧秘”游戲化情境中，教師扮演電路專家，學(xué)生扮演電路探究員、設(shè)計員、智多星、小電工等角色，并設(shè)置相應(yīng)的分工。

合理的游戲規(guī)則不僅可以觸發(fā)玩家激活目標任務(wù)，而且有利于促進學(xué)生形成積極的情緒體驗，在游戲中不斷進步(赫尼等，2015)。一般而言，游戲規(guī)則分為挑戰(zhàn)與互助、競爭與合作及獎賞等規(guī)則。教師可指導(dǎo)學(xué)生協(xié)商確定規(guī)則，從而提升學(xué)生的主體意識，更深刻地理解并自覺遵守規(guī)則，為游戲化學(xué)習(xí)行為負責(zé)。

3. 在游戲中探究，創(chuàng)意規(guī)劃設(shè)計

研究表明，以探究為基礎(chǔ)的實踐能提高學(xué)生對科學(xué)概念與知識的理解(赫尼等，2015)。因而，以探究為基礎(chǔ)的規(guī)劃設(shè)計有利于學(xué)生激活目標學(xué)習(xí)內(nèi)容，形成積極的行為、情感與認知投入。學(xué)生參與規(guī)劃設(shè)計的游戲化過程，實質(zhì)是以科學(xué)探究為主線，師生一起明確問題、分析問題、規(guī)劃并設(shè)計問題解決方案的過程。首先，教師帶領(lǐng)學(xué)生從復(fù)雜的游戲化情境、具有挑戰(zhàn)性的游戲化任務(wù)中提取需要解決的問題；其次，分析完成任務(wù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域、要用的道具、素材等；再次，開展創(chuàng)意規(guī)劃活動，引導(dǎo)學(xué)生通過制訂問題解決方案等競賽小游戲，初步形成系統(tǒng)規(guī)劃、分解、建模、設(shè)計等思維。教師要激勵成員間的協(xié)作與團隊間的良性競爭，鼓勵學(xué)生從多角度思考，并根據(jù)游戲規(guī)則獎勵有創(chuàng)意或新奇想法的團隊和成員。

4. 搭模型巧制作，完成游戲進階

完成創(chuàng)意規(guī)劃設(shè)計后，學(xué)生需要借助“制作”實施創(chuàng)意，這一過程實質(zhì)上是協(xié)同建構(gòu)知識、制作模型與發(fā)展思維的過程。

1)知識建構(gòu)

學(xué)生依托“制作”實施設(shè)計方案，勢必要激活已有知識，建構(gòu)新知識，明確解決問題的關(guān)鍵點(Yakman，2019)。因而，游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計，最好以問題驅(qū)動學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生使用語義組織和思維工具進行分析，建構(gòu)跨學(xué)科知識。

表三 STEM游戲化學(xué)習(xí)實踐安排

2)模型制作

模型制作可以帶給學(xué)生良好的游戲體驗，為學(xué)生建構(gòu)知識、深度思考、思維創(chuàng)新提供機會和可能(赫尼等，2015)。試誤法是模型制作的常用方法，大抵需要經(jīng)歷試誤、模仿、改造三環(huán)節(jié)。其中，試誤指學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗，自主構(gòu)想，嘗試搭建模型，驗證失敗的原因，從中找尋問題的答案。模仿指給學(xué)生提供操作手冊、微視頻或范例，供學(xué)生效仿。經(jīng)過試誤與模仿，學(xué)生對模型制作有了初步認識，在此基礎(chǔ)上改造完善模型，知識、行為與思維間建立起有意義的聯(lián)結(jié)，知識建構(gòu)與思維發(fā)展得以發(fā)生。

3)思維發(fā)展

制作過程能幫助學(xué)生了解物品的工作原理，驗證學(xué)科規(guī)律，發(fā)展創(chuàng)新、想象、問題求解、質(zhì)疑、批判等思維。例如，在搭建潛望鏡模型的積木游戲中，教師帶領(lǐng)學(xué)生開展競賽，要求優(yōu)勝團隊說明搭建的意圖與原理，使學(xué)生在“搭積木”的過程中，了解潛望鏡的功能與制作原理，設(shè)計出有創(chuàng)意的潛望鏡造型，培養(yǎng)工程、藝術(shù)與科學(xué)思維。

5. 建立獎賞機制，積極評價反饋

獎賞是游戲的激勵型元素，使玩家被吸引且愿意堅持游戲，是STEM游戲化學(xué)習(xí)的重要組成部分。對于表現(xiàn)突出的個人或團隊，給予適當(dāng)?shù)莫勝p甚至是“制造驚喜”非常必要。它能帶給學(xué)生持續(xù)的學(xué)習(xí)動力，維持學(xué)習(xí)動機。例如，教師可根據(jù)積分評選先進個人和優(yōu)秀團隊，讓學(xué)生利用累積徽章兌換心愿單實物獎勵。與獎賞機制相配套，積極的評價與反饋也是必需的。評價方式主要包括團隊自評、互評和師評，評價內(nèi)容可以從顯性和隱性成果入手，包含對作品的評價，也關(guān)注過程性學(xué)習(xí)產(chǎn)出，特別是能力與思維發(fā)展表現(xiàn)。評價結(jié)果要即時反饋給學(xué)生，增強游戲化學(xué)習(xí)的激勵作用和學(xué)生的自我效能感。

三、學(xué)習(xí)活動實踐

(一)研究設(shè)計

為了檢驗并修正DMP設(shè)計框架，研究者與W小學(xué)STEM教師合作，采用基于設(shè)計的研究，面向五年級STEM校本班共計57名學(xué)生，開展為期3個月的三輪迭代實踐研究(見表三)。為了保證STEM課堂教學(xué)的真實狀態(tài)和內(nèi)在效度，研究選取新近STEM成績測驗平均分相當(dāng)?shù)膬蓚€自然班級作為對象。STEM教學(xué)由與研究團隊有合作關(guān)系的STEM教師承擔(dān)，該教師不僅了解研究團隊的設(shè)計理念，而且對實踐內(nèi)容(選自研究團隊自編教材《小學(xué)STAEM課程活動設(shè)計》)較熟悉，最大程度地排除因教師等因素對研究數(shù)據(jù)造成的干擾。

(二)研究過程

1. 第一輪實踐

1)活動設(shè)計：探究光的奧秘

研究基于DMP設(shè)計框架，以五年級STEM校本課程單元“探究光的奧秘”為主題，設(shè)計STEM游戲化學(xué)習(xí)活動(見表四)。

2)活動實施

該輪活動的目的是實施“探究光的奧秘”，由STEM教師面向五年級STEM甲班開展。從活動反饋看，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情較高，盡管出現(xiàn)很多問題，但每個團隊最終都順利通關(guān)，完成既定學(xué)習(xí)任務(wù)，并設(shè)計了活動規(guī)則手冊、概念圖，制作搭建了實物模型等。

表四 “探索光的奧秘”活動設(shè)計

3)活動效果

為了檢驗該輪游戲化學(xué)習(xí)活動的效果，本研究采用學(xué)習(xí)動機診斷量表MAAT③，從學(xué)習(xí)動機、作品產(chǎn)出方面收集與分析數(shù)據(jù)。測評數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，學(xué)生的學(xué)習(xí)動機平均值為27.2，處于中等水平，表明STEM游戲化學(xué)習(xí)活動有助于保持學(xué)習(xí)動機。

根據(jù)預(yù)先設(shè)計的作品評價量表，各團隊基于作品進行組間評價，主要考察模型設(shè)計與制作所涉及的問題解決、知識建構(gòu)與思維發(fā)展。統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見表五)顯示，團隊作品的平均分為72.6，高于70分，表明學(xué)生能夠按照預(yù)期設(shè)計并制作模型，實現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。但各指標平均分不高，特別是“模型設(shè)計具有創(chuàng)新性”與“設(shè)計與制作方案完整，具有可行性”指標的平均分相對較低，還有優(yōu)化空間。

表五 第一輪活動團隊作品評價

4)活動反思

從對學(xué)習(xí)動機調(diào)查與作品評價看，學(xué)生學(xué)習(xí)動機總體處于中等水平，各團隊較好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，基本實現(xiàn)了活動目標，這說明DMP設(shè)計框架有效，但也揭示出一些問題，如模型的設(shè)計創(chuàng)新性不足，設(shè)計與制作方案完備性與可行性較差。

為了解問題的成因，研究者查閱了聽課人員的課堂觀察記錄，并隨機抽取3名學(xué)生訪談。分析發(fā)現(xiàn)，模型搭建環(huán)節(jié)最受學(xué)生歡迎，學(xué)生能夠?qū)φ詹僮魇謨酝瓿赡Ｐ偷拇罱?，并享受積木搭建的過程，但學(xué)生對方案設(shè)計、知識建構(gòu)與思維發(fā)展環(huán)節(jié)的熱情較低，需要教師不斷干預(yù)與激勵。究其原因，一是學(xué)生對游戲化學(xué)習(xí)任務(wù)認知不清晰，對方案設(shè)計流程較陌生；二是DMP框架沒有明確界定知識建構(gòu)、搭建模型與思維發(fā)展三者的關(guān)系，教學(xué)按照順序關(guān)系依次開展，學(xué)生受制于活動環(huán)節(jié)，導(dǎo)致創(chuàng)新性想法缺乏實踐的舞臺。

為改進上述問題，研究者修正了DMP設(shè)計框架：一是將 “在游戲中探究，創(chuàng)意規(guī)劃設(shè)計”更名為“明確游戲任務(wù)，開展創(chuàng)意設(shè)計”，意在強調(diào)學(xué)生形成對游戲化學(xué)習(xí)任務(wù)的清醒認知，圍繞任務(wù)完成和問題解決，創(chuàng)新性地設(shè)計問題解決方案；二是將“搭模型巧制作，完成游戲進階”環(huán)節(jié)名稱改為“搭模型巧制作，玩中學(xué)玩中思”，明確學(xué)生搭建模型的過程是與知識建構(gòu)和思維發(fā)展相統(tǒng)一的自然過程。

2. 第二輪實踐

1)活動設(shè)計：探究光的奧秘

根據(jù)改進后的DMP框架，本研究修改了第一輪的案例：細化游戲化任務(wù)，在每個任務(wù)設(shè)計上，將知識建構(gòu)與思維發(fā)展?jié)B透于模型制作的自然過程中，即學(xué)生制作模型(解決問題)的過程，也是調(diào)動思維、建構(gòu)知識的過程(教學(xué)設(shè)計略)。

2)活動實施

第二輪活動的目的是實施“探究光的奧秘”(修改稿)，由同一位STEM教師面向STEM乙班教學(xué)。較之第一輪活動，第二輪活動教學(xué)更順利。

3) 活動效果

從課堂觀察、學(xué)生學(xué)習(xí)動機測評及作品評價看，第二輪活動的實施效果較第一輪有所提升，具體表現(xiàn)在：在關(guān)卡一，每個團隊都完成了小孔成像模型的搭建和概念圖繪制，對概念圖涉及的知識及其關(guān)系形成了自己的認識，在頭腦風(fēng)暴接力賽中也提出了諸多創(chuàng)新性想法；在關(guān)卡二，各團隊都完成了彩虹發(fā)射器的制作，了解了平面鏡成像原理，形成了詳細的過程記錄單，并順利通關(guān)。

第二輪實踐繼續(xù)使用學(xué)習(xí)動機量表MAAT測量學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，67%的學(xué)生學(xué)習(xí)動機較強，較弱的僅8%，學(xué)習(xí)動機平均值為32.8，總體處于較強水平，相對于第一輪明顯提升。

該輪作品評價結(jié)果顯示，團隊作品平均分為78.1，比第一輪提高5.5分，各團隊平均分均高于75分。從每個指標的平均分看，除“能用模型驗證光的傳播規(guī)律”指標外，其它指標得分均高于第一輪，說明學(xué)生設(shè)計與制作作品能力有提升。但“設(shè)計與制作方案完整，具有可行性” 等指標的平均分依然不高，說明DMP框架還有待于改進。

4)活動反思

為了深入了解學(xué)生對該輪活動的體驗，以及STEM課程教師對DMP框架優(yōu)化的建議，研究者分別對學(xué)生和教師進行了問卷調(diào)查和訪談。

學(xué)生問卷從對活動的總體評價與活動目標的達成展開。在總體評價方面，96.8%的學(xué)生表示STEM活動體驗愉快，達到了玩中學(xué)的初衷；44.3%的學(xué)生認為活動完成有難度，說明支架設(shè)計等活動設(shè)計細節(jié)還有改進的空間。在活動目標的達成方面，98%的學(xué)生表示能清晰地闡述或驗證光的傳播規(guī)律， 85%的學(xué)生表示解決了活動中遇到的問題，75%的學(xué)生表示為團隊貢獻了新創(chuàng)意，77.8%的學(xué)生表示會運用活動中學(xué)到的問題解決方法解決相似問題。這說明跨學(xué)科知識目標達成度高于問題解決和高階思維。

圖4 STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計改進框架DMP

教師訪談主要針對DMP設(shè)計框架優(yōu)化展開。訪談結(jié)果表明，DMP框架在游戲元素的融入設(shè)計上存在短板。DMP設(shè)計框架只是籠統(tǒng)地列出各項游戲元素，對各項游戲元素的融入設(shè)計缺乏操作建議，實用性較差，訪談對象建議將游戲元素與活動流程相對應(yīng)，使DMP框架作用最大化。

基于上述反思，研究再次改進了DMP設(shè)計框架(見圖4)：一是對游戲元素進行分類，并與活動環(huán)節(jié)相對應(yīng)，提升可操作性；二是對STEM元素的關(guān)系描述進行了微調(diào)，凸顯設(shè)計與制作元素，強調(diào)設(shè)計與制作過程本身就蘊含了跨學(xué)科學(xué)習(xí)、問題解決與高階思維的培養(yǎng)。學(xué)生在設(shè)計與制作過程中，可根據(jù)需要隨時調(diào)用其它STEM元素；三是將 “明確游戲任務(wù)，開展創(chuàng)意設(shè)計”更名為“明確游戲任務(wù)，創(chuàng)意規(guī)劃設(shè)計”，強化規(guī)劃設(shè)計及其在制訂與實施問題解決方案中的作用。

3. 第三輪實踐

1)活動設(shè)計：揭開電的面紗

根據(jù)改進后的DMP框架，第三輪實踐以“揭開電的面紗”為題，設(shè)計4課時的STEM游戲化學(xué)習(xí)活動。該輪實踐以“設(shè)計與制作可調(diào)光小臺燈”為總?cè)蝿?wù)，具體分解為“規(guī)劃設(shè)計可調(diào)光小臺燈，畫出設(shè)計圖”“搭建簡單電路，描述電路元件”“搭建串并聯(lián)電路并加以闡述”“應(yīng)用變阻器，調(diào)節(jié)燈泡亮度”四項進階考核任務(wù)(關(guān)卡)。

2)活動實施

第三輪活動由同一位STEM教師執(zhí)教，面向STEM甲班與STEM乙班教學(xué)。兩個班的學(xué)生都表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)積極性，每個團隊都通過了四項考核，順利拿到了考核合格證，并制作了規(guī)則手冊、過程記錄單、思維導(dǎo)圖、串并聯(lián)電路模型、可調(diào)光小臺燈等。

3)活動效果

該輪學(xué)習(xí)動機和作品評價結(jié)果顯示，超過3/4的學(xué)生達到了較強學(xué)習(xí)動機水平。團隊作品總平均分為84.9，較之第二輪學(xué)生作品平均得分提高6.8分，說明活動效果有提升，DMP設(shè)計框架初見成效。為了驗證DMP設(shè)計框架的有效性，研究從總體評價、跨學(xué)科知識、問題解決、高階思維等入手，編制STEM游戲化學(xué)習(xí)活動效果調(diào)查問卷(Alpha=0.693)。對參與的全體學(xué)生進行的測試結(jié)果顯示，較之前測，學(xué)生對STEM游戲化學(xué)習(xí)活動的滿意度提升(見表六)；在跨學(xué)科知識、問題解決與高階思維三層目標的達成上，后測平均值均顯著高于前測(P=0.000<0.01，見表七)。

4)活動總結(jié)

在該輪實踐過程中，學(xué)生表現(xiàn)明顯優(yōu)于前兩輪，不僅對STEM游戲化學(xué)習(xí)活動過程滿意，而且跨學(xué)科知識、問題解決、高階思維的發(fā)展都有顯著提升，基本達到了預(yù)期目標。這說明，經(jīng)過迭代修正的DMP設(shè)計框架初見成效，可供小學(xué)STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計與實踐參考使用。

表六 學(xué)生對STEM游戲化學(xué)習(xí)活動總體評價(節(jié)選)

表七 學(xué)生學(xué)習(xí)效果前后測統(tǒng)計數(shù)據(jù)

四、結(jié)論與討論

STEM教育有利于促進跨學(xué)科融合、培養(yǎng)學(xué)生真實問題解決與創(chuàng)新創(chuàng)造等高階能力，近年來頗受國內(nèi)外研究者的重視。學(xué)者們對STEM教育目標與教學(xué)模式開展了深入的探索，提出了設(shè)計型、創(chuàng)造型、6E等教學(xué)模式。游戲化學(xué)習(xí)研究文獻也顯示，游戲化學(xué)習(xí)與STEM融合有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、問題解決、批判思維等高階能力。STEM與游戲化學(xué)習(xí)的育人目標高度一致，兩者大有融合趨于一體之勢。然而，STEM與游戲化學(xué)習(xí)整合的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)活動設(shè)計研究較為鮮見，有必要構(gòu)建STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架。本研究采用基于設(shè)計的研究范式，提出了本土化的DMP設(shè)計框架，并經(jīng)由三輪STEM游戲化學(xué)習(xí)活動實踐，形成以下研究結(jié)論。

(一)結(jié)論

1.DMP框架是在STEM與游戲化雙重驅(qū)動下形成的“兩驅(qū)三環(huán)七步”STEM游戲化學(xué)習(xí)設(shè)計框架。它包含學(xué)習(xí)目標設(shè)計、跨學(xué)科內(nèi)容遴選與活動流程設(shè)計三個環(huán)節(jié)， 以及“設(shè)定學(xué)習(xí)目標，指向高階思維”“遴選跨學(xué)科內(nèi)容，設(shè)置挑戰(zhàn)性任務(wù)”“創(chuàng)設(shè)游戲化情境，吸引全情投入”“組建學(xué)習(xí)團隊，約定游戲規(guī)則”“明確游戲任務(wù)，創(chuàng)意規(guī)劃設(shè)計”“搭模型巧制作，玩中學(xué)玩中思”“建立獎賞機制，積極評價反饋”七個步驟。

2. DMP框架通過STEM與游戲化融合形成。該框架在學(xué)習(xí)目標設(shè)計、跨學(xué)科內(nèi)容遴選、活動流程設(shè)計環(huán)節(jié)均融入了STEM與游戲化元素，特別是依據(jù)皮亞杰的認識發(fā)生論，結(jié)合國內(nèi)外STEM教育研究成果，重構(gòu)了跨學(xué)科知識、真實問題解決、高階思維三層目標結(jié)構(gòu)。該框架強調(diào)“設(shè)計”與“制作”。學(xué)生開展設(shè)計與制作時，可隨時調(diào)用其他STEM元素，從而經(jīng)歷知識建構(gòu)、問題求解與高階思維的完整過程。該框架還注重融入“游戲”因素，并將其分類，使其與活動環(huán)節(jié)相對應(yīng)，在促進學(xué)生形成內(nèi)生動機、體驗學(xué)習(xí)快樂的同時，提升框架的可操作性。

3. 實踐結(jié)果顯示，依據(jù)DMP框架設(shè)計的STEM游戲化學(xué)習(xí)活動，有助于促進學(xué)生達成跨學(xué)科知識建構(gòu)、真實問題解決與高階思維發(fā)展等目標。從學(xué)生活動效果看，無論是作品產(chǎn)出，還是學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)活動滿意度均達到較高水平。這說明，經(jīng)過迭代修正的DMP設(shè)計框架初見成效，達成了預(yù)期目標，可供一線STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計與實踐參考使用。

(二)討論

本研究以提升STEM教育的育人成效為目的，致力構(gòu)建適用于一線教學(xué)的STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架。研究依據(jù)“設(shè)計-制作-游戲”學(xué)習(xí)方法提出本土化的STEM游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架——DMP(設(shè)計-制作-游戲)，所開展的三輪STEM游戲化學(xué)習(xí)迭代實踐，都依次經(jīng)歷設(shè)計、實施、效果與反思四個環(huán)節(jié)。實踐表明，DMP框架行之有效，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，促進學(xué)生高階能力的培養(yǎng)。

DMP框架以STEM的“設(shè)計”與“制作”為基礎(chǔ)與游戲化融合，通過開展設(shè)計與制作，學(xué)生圍繞問題解決，建構(gòu)跨學(xué)科知識，經(jīng)歷創(chuàng)新、分解、迭代、選擇、生成、驗證、建構(gòu)等高階思維歷程，這與國內(nèi)外STEM教學(xué)重設(shè)計與創(chuàng)造的視點高度一致?？蚣苊麤]有特別強調(diào)“創(chuàng)造”，因為設(shè)計是一種特殊的創(chuàng)造(安德森，2009)，它以一種整合和激勵人心的方式，成為教授STEM內(nèi)容的有力手段(赫尼等，2015)。

DMP框架將游戲元素分類“代入”STEM學(xué)習(xí)活動設(shè)計流程，并非將游戲化等同于游戲元素，而是遵循“游戲化的關(guān)鍵是利用游戲的基本要素”(韋巴赫等，2014)這一認識，巧妙利用游戲要素，促進STEM學(xué)習(xí)活動“游戲化”。此外，游戲元素與STEM學(xué)習(xí)活動流程的分類對應(yīng)意在提升框架的可操作性，引導(dǎo)教師充分吸收游戲要素的精髓設(shè)計活動。在活動中，角色、挑戰(zhàn)、情感、規(guī)則、合作等游戲元素的反復(fù)出現(xiàn)，都說明了這些元素是游戲的基礎(chǔ)。事實上，利用游戲元素有利于強化學(xué)習(xí)，點燃激情(卡普，2015)。

本研究也存在局限：盡管DMP框架通過了三輪實踐的迭代檢驗與修正，但還有優(yōu)化空間。而且，本次實踐只在小學(xué)范圍內(nèi)開展，DMP框架是否適用于其他學(xué)段學(xué)生，還需要實踐檢驗。后續(xù)研究可擴大范圍，拓展實驗對象，增加研究對象數(shù)量，使DMP框架經(jīng)由實踐不斷優(yōu)化，臻于完善。此外，盡管DMP框架充分吸收了STEM與游戲化的精髓，繼承了已有STEM教學(xué)模式的優(yōu)點，關(guān)注設(shè)計、制作、創(chuàng)造等STEM目標的培養(yǎng)及游戲化對STEM學(xué)習(xí)的促進作用。但不可否認的是，“設(shè)計-制作-游戲”只是STEM游戲化學(xué)習(xí)的模式之一，后續(xù)還需要圍繞STEM目標的達成，從多個視角開展STEM游戲化學(xué)習(xí)模式的深度探索。

[注釋]

① Bug原指因游戲設(shè)計缺陷產(chǎn)生的漏洞，此處指在游戲化學(xué)習(xí)中人為地設(shè)置“可控制的Bug”，為學(xué)生提供探索空間、發(fā)展其高階能力的一種策略。

② 這里的Play是動詞詞性，指Rule-based play，即基于明確規(guī)則的“戲”和“玩”。

③ 學(xué)習(xí)動機診斷測驗(MATT)由華東師范大學(xué)周步成教授于1991年主持修訂，是國內(nèi)較為成熟的學(xué)習(xí)動機量表之一。它由成功動機、考試焦慮、自我責(zé)任心和要求水準四個分量表組成，適用于小學(xué)四年級至高中三年級學(xué)生。