毛瑞雪 林方興 雷長(zhǎng)?！?/p>

（海軍軍醫(yī)大學(xué)，1 衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)系海軍衛(wèi)生信息中心，2 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物物理學(xué)教研室，上海 200433）

傳統(tǒng)教學(xué)模式因課程學(xué)時(shí)有限，內(nèi)容繁多等原因，學(xué)生常常出現(xiàn)學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，學(xué)習(xí)效率低下的情況?？鬃釉凇墩撜Z(yǔ)·雍也》中說(shuō)，“知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者?！迸d趣是激勵(lì)學(xué)習(xí)的最好老師。在“以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體”的新型教學(xué)模式下，“樂(lè)學(xué)”的重要形式“游戲化學(xué)習(xí)”在學(xué)科教學(xué)和人才培養(yǎng)中受到日益廣泛的重視[1-2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于游戲化學(xué)習(xí)在游戲的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、游戲的教育應(yīng)用和游戲的教育評(píng)估等方面開(kāi)展了豐富的研究[3]。但是也有學(xué)者指出，游戲化學(xué)習(xí)面臨多個(gè)問(wèn)題。首先，教育游戲要將教育性和娛樂(lè)性融為一體。這就要求在游戲設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)者要充分考慮到學(xué)習(xí)者的年齡、性別、性格、認(rèn)知等特點(diǎn)，但很難達(dá)到預(yù)期效果。其次，教育游戲開(kāi)發(fā)與測(cè)試的項(xiàng)目周期長(zhǎng)，不僅要求有熟練的編程技巧，還要熟練掌握相關(guān)學(xué)科知識(shí)。另外，傳統(tǒng)的“玩物喪志”觀(guān)念也限制了教育游戲的普及。深入分析這些問(wèn)題背后的原因，主要在于學(xué)習(xí)者與游戲制作者這兩種角色的割裂，這可能是目前影響教育游戲效果的最核心的瓶頸。如果能讓學(xué)習(xí)者成為游戲的制作者，將實(shí)現(xiàn)玩與做、教與學(xué)的統(tǒng)一，或可成為解決教育游戲所面臨的困境的有效手段之一。鑒于此，本研究介紹了一種基于費(fèi)曼學(xué)習(xí)法理念進(jìn)行的自主共享的拼圖類(lèi)教育游戲平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，目的是利用該平臺(tái)學(xué)習(xí)者可以成為拼圖游戲的開(kāi)發(fā)制作者，即學(xué)習(xí)者可以自主選擇內(nèi)容，方便地制作拼圖游戲關(guān)卡，通過(guò)與同伴共享，從而在游戲的設(shè)計(jì)、制作與玩耍過(guò)程中幫助學(xué)習(xí)者加深概念學(xué)習(xí)和知識(shí)理解，并豐富線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)的方法體系，為解決游戲化學(xué)習(xí)所面臨的困境提供一種有效的手段，也為教育游戲資源的開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)理念

費(fèi)曼學(xué)習(xí)法也稱(chēng)費(fèi)曼技巧，由著名物理學(xué)家、諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出，是一種以教促學(xué)的學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者通過(guò)扮演教育者的角色完成學(xué)習(xí)，其核心要義是把自己正在學(xué)的東西教給其他人，并且要千方百計(jì)地讓其他人學(xué)會(huì)。通過(guò)“講授”來(lái)驗(yàn)證和鞏固自身學(xué)習(xí)成果的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了知識(shí)或技能的遷移與應(yīng)用[4-5]。

同樣，如果游戲的使用者（即學(xué)習(xí)者）可以成為教育游戲的開(kāi)發(fā)制作者，那么他所設(shè)計(jì)出來(lái)的游戲不僅符合學(xué)習(xí)者的年齡和認(rèn)知等特點(diǎn)，還會(huì)在游戲設(shè)計(jì)、制作的過(guò)程幫助其進(jìn)一步加深游戲所涉及知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解，并可通過(guò)在朋輩中分享自制的游戲過(guò)程中收獲更大的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)和創(chuàng)造的激情。

基于費(fèi)曼學(xué)習(xí)法的理論，開(kāi)放式教育游戲平臺(tái)的核心要義在于“開(kāi)放”，其設(shè)計(jì)理念定位為“自主”和“共享”。其中，“自主”是指通過(guò)提供通用制作平臺(tái)和可復(fù)用的元件，降低游戲開(kāi)發(fā)門(mén)檻，只需若干步標(biāo)準(zhǔn)化流程即可完成游戲項(xiàng)目的制作；“共享”著眼于所完成的游戲項(xiàng)目可以獨(dú)立于開(kāi)發(fā)平臺(tái)，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的操作（如復(fù)制文件夾、網(wǎng)站下載、APP推送等方式），就可以讓其他人也可以享有該游戲項(xiàng)目。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 游戲類(lèi)型選擇

拼圖游戲是一種廣受歡迎的智力游戲，它變化多端，每一片的單片都有它自己的位置，放對(duì)了，局面就慢慢明朗而又豐富起來(lái)，而放錯(cuò)了，拼圖無(wú)法完整。這種游戲形式可以幫助學(xué)習(xí)者理解系統(tǒng)的組成、整體與個(gè)體的關(guān)系、記憶空間位置以及相互之間的關(guān)聯(lián)等，對(duì)提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握起著重要的作用[6]。在數(shù)學(xué)、地理等初、中等教育學(xué)科的教學(xué)中得到廣泛使用[7-10]。近年來(lái)，一些高等院校的教育學(xué)者也將拼圖游戲引入課堂，在包括斷層解剖學(xué)[11-12]、機(jī)械與電氣識(shí)圖[13]等學(xué)科的教學(xué)中加以應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)證研究證明了該游戲方法可以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，快速提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的記憶力，還能達(dá)到自主學(xué)習(xí)的目的。還有研究者在開(kāi)放教育領(lǐng)域做了有益的探索，通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了將中國(guó)古詩(shī)歌與排序拼圖游戲結(jié)合在一起的widget應(yīng)用，使人們?cè)趭蕵?lè)的過(guò)程中學(xué)習(xí)中國(guó)傳統(tǒng)文化[14]。

基于拼圖游戲的學(xué)科適用性、規(guī)則簡(jiǎn)單性和玩法單一性等特點(diǎn)，本研究以拼圖游戲?yàn)殚_(kāi)發(fā)對(duì)象，建立了普通學(xué)習(xí)者可以自己設(shè)計(jì)游戲關(guān)卡的開(kāi)放式教育游戲平臺(tái)。

2.2 模式與功能

平臺(tái)的主要模塊包括游戲運(yùn)行模塊、資源管理模塊、元素制作模塊和評(píng)價(jià)反饋模塊4個(gè)部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，并基于Python3.6 語(yǔ)言環(huán)境完成功能開(kāi)發(fā)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.2.1 游戲運(yùn)行模塊 游戲運(yùn)行模塊主要實(shí)現(xiàn)關(guān)卡模式設(shè)定及關(guān)卡中拼圖元素的拖曳和位置判定。該游戲平臺(tái)設(shè)計(jì)了兩種關(guān)卡呈現(xiàn)模式。一是隨機(jī)關(guān)卡模式，該模式主要體現(xiàn)游戲的趣味性。在游戲開(kāi)始時(shí)，將讀取所有子文件夾名稱(chēng)（每個(gè)子文件夾為一個(gè)游戲關(guān)卡），形成關(guān)卡列表，并使用當(dāng)前時(shí)間作為隨機(jī)數(shù)種子（random seed），生成隨機(jī)數(shù)列，通過(guò)對(duì)關(guān)卡列表元素的賦值，實(shí)現(xiàn)關(guān)卡隨機(jī)呈現(xiàn)。第二種模式是設(shè)定順序的關(guān)卡模式，這種關(guān)卡模式是為了滿(mǎn)足某些學(xué)習(xí)內(nèi)容循序漸進(jìn)的教學(xué)特色，并以游戲的漸進(jìn)性加以體現(xiàn)。在該模式下，游戲開(kāi)始時(shí)，將從配置文件夾中讀取關(guān)卡順序，并按預(yù)先設(shè)定的順序逐一呈現(xiàn)。

當(dāng)前采取何種模式可在游戲的配置文件中進(jìn)行修改。每個(gè)關(guān)卡所使用的拼圖元素出現(xiàn)模式也是隨機(jī)和設(shè)定兩種形式，實(shí)現(xiàn)方法同關(guān)卡設(shè)定。在具體游戲運(yùn)行中，某拼圖元素是否完成，是通過(guò)讀取拼圖元素的當(dāng)前位置坐標(biāo)與配置文件中預(yù)先標(biāo)定的最終完成位置信息進(jìn)行比對(duì)，如果兩者的相差范圍在設(shè)定的誤差閾值內(nèi)，則標(biāo)志該元素拼圖完成，并予以提示，否則為未完成狀態(tài)。

2.2.2 資源管理模塊 資源管理模塊是實(shí)現(xiàn)該游戲平臺(tái)開(kāi)放性的核心。為實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自制拼圖游戲的“自主”性，設(shè)計(jì)了文件夾模式的資源管理模式，即將每個(gè)文件夾設(shè)定為一個(gè)拼圖游戲關(guān)卡。文件夾的名稱(chēng)即為關(guān)卡名稱(chēng)，該名稱(chēng)將在游戲運(yùn)行中讀取并作為參數(shù)傳遞，在游戲過(guò)程中呈現(xiàn)?；谶@種游戲資源管理模式，實(shí)現(xiàn)了所制作的游戲關(guān)卡獨(dú)立于開(kāi)發(fā)平臺(tái)，只需要通過(guò)復(fù)制文件夾的操作，就可以與他人分享自己設(shè)計(jì)的拼圖游戲。為實(shí)現(xiàn)“自主”性，將游戲所必需的通用資源，包括啟動(dòng)界面，過(guò)關(guān)界面、通關(guān)界面、正確拼圖及錯(cuò)誤拼圖提示音等存入公共文件夾中，并以文本格式的配置文件形式對(duì)資源進(jìn)行定義和描述，用戶(hù)可以通過(guò)修改配置文件實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲標(biāo)題、制作人、背景、音效等游戲通用元素的自主設(shè)置。

2.2.3 元素制作模塊 元素制作模塊是該游戲平臺(tái)“通用”性的體現(xiàn)，通過(guò)交互化手段實(shí)現(xiàn)拼圖元素的制作，從而降低游戲開(kāi)發(fā)門(mén)檻，其核心功能包括拼圖元素分割和元素位置標(biāo)定。

拼圖元素分割功能主要實(shí)現(xiàn)以交互式手段從用戶(hù)提供的最終完成的拼圖中分割出所需的拼圖元素。使用Python語(yǔ)言用于數(shù)字圖像處理的scikit-image包進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用隨機(jī)游走算法進(jìn)行交互式圖像分割。基本分割思想是以圖像的像素為圖的頂點(diǎn)，相鄰像素之間的四鄰域或八鄰域關(guān)系為圖的邊，并根據(jù)像素屬性及相鄰像素之間特征的相似性定義圖中各邊的權(quán)值，以此構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖，然后由通過(guò)用戶(hù)手工指定前景和背景標(biāo)記，即前景物體和背景物體的種子像素，以邊上的權(quán)重為轉(zhuǎn)移概率，未標(biāo)記像素節(jié)點(diǎn)為初始點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)未標(biāo)記節(jié)點(diǎn)首次到達(dá)各種子像素的概率，根據(jù)概率大小，劃分未標(biāo)記節(jié)點(diǎn)，得到最終分割結(jié)果。然后將分割圖像保存至關(guān)卡目錄中。分割界面如圖2所示。另外，該游戲平臺(tái)也接受用戶(hù)利用Photoshop等圖像處理軟件所制作的拼圖元素圖。

圖2 隨機(jī)游走算法進(jìn)行交互式圖像分割

元素位置標(biāo)定功能實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)拼圖元素在最終完成圖中的位置信息。具體實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)在控制臺(tái)顯示鼠標(biāo)拖曳拼圖元素時(shí)的實(shí)時(shí)位置，在到達(dá)目標(biāo)位置后以按鍵方式確認(rèn)完成。標(biāo)定結(jié)果以文本格式的配置文件形式保存在關(guān)卡目錄中，每行為一個(gè)元素的標(biāo)定位置。

具體格式為：“元素文件名[空格]X坐標(biāo)[空格]Y坐標(biāo)”。

2.2.4 評(píng)價(jià)反饋模塊 該拼圖游戲平臺(tái)對(duì)具體某個(gè)游戲關(guān)卡的評(píng)價(jià)是通過(guò)記錄每個(gè)關(guān)卡完成時(shí)間，以及關(guān)卡所包含的拼圖元素拖曳到正確位置的時(shí)間、嘗試次數(shù)、查看提示圖等情況，結(jié)合該元素在該關(guān)卡中的權(quán)重值進(jìn)行計(jì)分。對(duì)整個(gè)拼圖游戲的最終評(píng)價(jià)則是基于各個(gè)關(guān)卡得分情況，并結(jié)合各關(guān)卡在整個(gè)游戲中的權(quán)重值進(jìn)行計(jì)分。

反饋功能除單擊鼠標(biāo)右鍵出現(xiàn)提示圖外，還設(shè)計(jì)了拼圖元素在不同狀態(tài)時(shí)顯示相應(yīng)信息的功能。除了可以根據(jù)元素實(shí)時(shí)位置信息顯示正確與否的提示外，為增加游戲的知識(shí)性，還可以在拼圖元素拖曳前、拖曳中和拖曳完成后顯示預(yù)先設(shè)定的補(bǔ)充性文字。補(bǔ)充性文字以文本格式的配置文件形式保存在關(guān)卡目錄中，每行為一個(gè)元素的補(bǔ)充信息。具體格式為“元素文件名[空格]權(quán)重值[空格]拖曳前信息[空格]拖曳中信息[空格]拖曳后信息”。

3 實(shí)施效果與啟示

為驗(yàn)證該拼圖游戲平臺(tái)在形態(tài)學(xué)課程中的應(yīng)用效果，筆者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 研究對(duì)象

本研究選取某醫(yī)學(xué)院校大一年級(jí)不同專(zhuān)業(yè)的30名學(xué)生志愿者作為研究對(duì)象，年齡17～20歲，其中臨床五年制專(zhuān)業(yè)12人，醫(yī)學(xué)影像學(xué)專(zhuān)業(yè)6人，麻醉學(xué)專(zhuān)業(yè)6人，預(yù)防醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)3人，護(hù)理學(xué)專(zhuān)業(yè)3人。同時(shí)招募了1位非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的教師作為任課教師參與實(shí)驗(yàn)。

3.2 教學(xué)內(nèi)容選擇

本研究選取系統(tǒng)解剖學(xué)為教學(xué)內(nèi)容。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在傳統(tǒng)ppt授課與實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上引入游戲化學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后讓學(xué)生利用本平臺(tái)自主設(shè)計(jì)、制作拼圖游戲的關(guān)卡項(xiàng)目，并相互共享完成游戲。最后采用電子問(wèn)卷調(diào)查方式對(duì)教學(xué)效果評(píng)價(jià)。

3.4 教學(xué)效果評(píng)價(jià)方法

學(xué)習(xí)結(jié)束后，通過(guò)問(wèn)卷星向研究對(duì)象發(fā)放電子問(wèn)卷，從學(xué)習(xí)認(rèn)知、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)效果3個(gè)方面進(jìn)行調(diào)查，問(wèn)卷采用Likert4級(jí)量表。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究共收回有效問(wèn)卷30份，問(wèn)卷分析結(jié)果表明：①86%的學(xué)生認(rèn)為形態(tài)學(xué)中的很多知識(shí)點(diǎn)都可以通過(guò)拼圖方式進(jìn)行游戲化學(xué)習(xí)；②93%的學(xué)生認(rèn)為游戲制作的難度不大，工作量主要取決于拼圖元素的數(shù)量多少，用時(shí)長(zhǎng)短不一。但對(duì)某些復(fù)雜的圖像，拼圖元素分割的效果有待于進(jìn)一步提高；③86%的學(xué)生認(rèn)為基于對(duì)知識(shí)充分理解所設(shè)計(jì)和制作的拼圖游戲更具挑戰(zhàn)性、耐玩程度和受歡迎性相對(duì)較高；④92%的學(xué)生在完成拼圖游戲后，都對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步學(xué)習(xí)，并改進(jìn)了其所設(shè)計(jì)制作的拼圖游戲，改進(jìn)后的拼圖游戲的科學(xué)性和趣味性均得到了提升；⑤93%的學(xué)生認(rèn)為本平臺(tái)通過(guò)文件夾復(fù)制即可實(shí)現(xiàn)游戲關(guān)卡共享的功能簡(jiǎn)單易用，平臺(tái)的易于操作性讓師生參與熱情高，成就感強(qiáng)。

通過(guò)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)師生基于同一知識(shí)點(diǎn)所設(shè)計(jì)的關(guān)卡游戲反映了其對(duì)知識(shí)的不同理解程度，學(xué)生所設(shè)計(jì)的拼圖游戲多局限于位置關(guān)系的直觀(guān)表現(xiàn)，而教師設(shè)計(jì)的游戲偏向于相互關(guān)系和邏輯關(guān)聯(lián)。學(xué)生的思維更加發(fā)散和活躍，其所設(shè)計(jì)的拼圖游戲反饋信息更加生動(dòng)，更加生活化，趣味性和吸引性較大。

經(jīng)過(guò)一學(xué)期的應(yīng)用，筆者認(rèn)為：①拼圖游戲適合于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者觀(guān)察、判斷和邏輯思維能力，應(yīng)用面較為廣泛，特別適用于微課這類(lèi)呈現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)內(nèi)容的教學(xué)體系，可以推廣到更多的學(xué)科教學(xué)；②讓游戲者成為游戲設(shè)計(jì)者的“建物致知”的模式，是費(fèi)曼學(xué)習(xí)法的具體實(shí)踐形式，也是有效提高學(xué)習(xí)者STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）能力的手段；③基于費(fèi)曼學(xué)習(xí)法理念設(shè)計(jì)的自主共享的拼圖教育游戲平臺(tái)，不僅能夠有效提升學(xué)生的知識(shí)理解和表達(dá)能力，還有利于豐富游戲?qū)W習(xí)資源的產(chǎn)生和傳播；④只有不斷地深入研究學(xué)習(xí)者的特質(zhì)與游戲化的核心，做到游戲與學(xué)習(xí)的深度融合，才能讓教育游戲化在人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大作用；⑤若要推廣這種教育游戲設(shè)計(jì)理念，使之適用于更多的游戲?qū)W習(xí)類(lèi)型，還需要考慮到各類(lèi)問(wèn)題，特別是在游戲模式、反饋激勵(lì)方面都需要進(jìn)一步的研究。