張露 胡若楠 曾嘉靈 尚俊杰

[摘? ?要] 近年來(lái)，教育技術(shù)的發(fā)展為創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。針對(duì)游戲化學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域的核心問(wèn)題——如何設(shè)計(jì)科學(xué)、有效、有趣的教育游戲，以學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科為視角設(shè)計(jì)了數(shù)學(xué)游戲《分?jǐn)?shù)跑跑跑》。在認(rèn)知內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，依據(jù)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)研究成果展開設(shè)計(jì)，為學(xué)習(xí)者提供科學(xué)的認(rèn)知支持;同時(shí)以實(shí)踐需求作為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，確保游戲使用的有效性。在保障科學(xué)性和有效性的基礎(chǔ)上，借助游戲元素充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者情緒動(dòng)機(jī)狀態(tài)。經(jīng)檢驗(yàn)，《分?jǐn)?shù)跑跑跑》能夠顯著提高小學(xué)四年級(jí)學(xué)生的分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)水平。

[關(guān)鍵詞] 教育游戲; 游戲化學(xué)習(xí); 學(xué)習(xí)科學(xué); 數(shù)學(xué)認(rèn)知; 設(shè)計(jì)研究

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 張露（1992—），女，黑龍江鶴崗人。講師，博士，主要從事游戲化學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)認(rèn)知、學(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)設(shè)計(jì)研究。E-mail：zhanglu1176@163.com。尚俊杰為通訊作者，E-mail：jjshang@pku.edu.cn。

一、引? ?言

近年來(lái)，教師和研究人員逐漸意識(shí)到游戲化學(xué)習(xí)的潛在優(yōu)勢(shì)，嘗試使用游戲作為教學(xué)指導(dǎo)和興趣激發(fā)的工具[1-3]。國(guó)內(nèi)外游戲化學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域高度重視教育游戲的設(shè)計(jì)與開發(fā)[4]，如何設(shè)計(jì)科學(xué)、有效、有趣的教育游戲成為教育游戲研究的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著教育領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的深入、教育技術(shù)的不斷創(chuàng)新，學(xué)習(xí)科學(xué)這一跨學(xué)科領(lǐng)域得以快速發(fā)展。學(xué)習(xí)科學(xué)立足教學(xué)實(shí)踐，在探索“人是如何學(xué)習(xí)的”這一問(wèn)題的過(guò)程中，以跨學(xué)科的視角致力于闡釋學(xué)習(xí)的發(fā)生機(jī)制，分析過(guò)程中的學(xué)習(xí)行為，并借助教育技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)科學(xué)的研究成果和理論發(fā)現(xiàn)也為教育游戲的設(shè)計(jì)提供了嶄新的視角。義務(wù)教育階段的數(shù)學(xué)教育一直是游戲化學(xué)習(xí)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在數(shù)學(xué)認(rèn)知研究領(lǐng)域，分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)在兒童的數(shù)學(xué)發(fā)展過(guò)程中具有重要意義，分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)困難也是普遍存在的現(xiàn)象。信息技術(shù)的發(fā)展為分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)創(chuàng)造了更多的可能。隨著移動(dòng)設(shè)備的普及和游戲技術(shù)的進(jìn)步，教育游戲支持下的分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)成為一種趨勢(shì)，備受教育研究者和實(shí)踐者的關(guān)注。

二、分?jǐn)?shù)游戲的整體設(shè)計(jì)框架

為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有效、有趣的游戲設(shè)計(jì)，游戲化學(xué)習(xí)的理論框架是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在游戲設(shè)計(jì)之前，筆者已通過(guò)相關(guān)理論要素的推演和歸納，提出了游戲化學(xué)習(xí)體驗(yàn)的理論框架，歸納了游戲化學(xué)習(xí)體驗(yàn)的三大范疇，即基于情境的認(rèn)知體驗(yàn)、基于協(xié)作的社會(huì)性體驗(yàn)、基于動(dòng)機(jī)的主體性體驗(yàn)。在基于情境的認(rèn)知體驗(yàn)范疇內(nèi)，游戲化學(xué)習(xí)環(huán)境可以為學(xué)習(xí)者提供認(rèn)知真實(shí)性的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，借助與學(xué)習(xí)環(huán)境的互動(dòng)與反饋，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)[5]?；趨f(xié)作的社會(huì)性體驗(yàn)主要包含學(xué)習(xí)者在游戲化學(xué)習(xí)過(guò)程中收獲的協(xié)作體驗(yàn)和學(xué)習(xí)指導(dǎo)?；趧?dòng)機(jī)的主體性體驗(yàn)是在社會(huì)認(rèn)知理論的主體性視角（Agentic Perspective）的啟發(fā)下[6]，主要關(guān)注學(xué)習(xí)者個(gè)體的動(dòng)機(jī)、情緒、意愿狀態(tài)的主體性體驗(yàn)。依據(jù)游戲化學(xué)習(xí)體驗(yàn)框架，本研究在基于情境的認(rèn)知體驗(yàn)和基于動(dòng)機(jī)的主體性體驗(yàn)兩個(gè)維度確定了分?jǐn)?shù)游戲的設(shè)計(jì)體系。

基于情境的認(rèn)知體驗(yàn)主要涉及分?jǐn)?shù)游戲的教育性認(rèn)知內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)教育游戲的教育功能為目標(biāo)。在該范疇內(nèi)，游戲設(shè)計(jì)模塊包含游戲的核心認(rèn)知內(nèi)容、認(rèn)知輔助工具、表征方式以及難度梯度的設(shè)計(jì)，內(nèi)含邏輯線索為“學(xué)什么—怎么學(xué)—如何呈現(xiàn)—怎樣進(jìn)階”?；趧?dòng)機(jī)的主體性體驗(yàn)主要涉及游戲化元素為學(xué)習(xí)者帶來(lái)的愉悅體驗(yàn)，關(guān)注教育游戲的娛樂功能。在該范疇內(nèi)，游戲設(shè)計(jì)模塊包含游戲情境與交互設(shè)計(jì)、獎(jiǎng)懲機(jī)制和聲音的設(shè)計(jì)。游戲的整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。由于教育功能是教育游戲的首要功能，因此，游戲元素的設(shè)計(jì)服務(wù)于認(rèn)知內(nèi)容的呈現(xiàn)。

教育游戲在設(shè)計(jì)之初，需要明確使用目的，這有助于實(shí)現(xiàn)教育游戲的有效性。在游戲使用定位方面，本研究的游戲設(shè)計(jì)旨在輔助教育教學(xué)，作為一款注重?cái)?shù)學(xué)意義建構(gòu)的練習(xí)游戲，將會(huì)成為課堂教學(xué)之外的補(bǔ)充。

三、認(rèn)知內(nèi)容的設(shè)計(jì)與理論參考

（一）核心認(rèn)知內(nèi)容

為理解兒童的分?jǐn)?shù)能力發(fā)展，教育學(xué)從數(shù)學(xué)知識(shí)發(fā)展的角度區(qū)分了分?jǐn)?shù)的概念性知識(shí)和程序性知識(shí)。分?jǐn)?shù)的概念性知識(shí)是指對(duì)分?jǐn)?shù)符號(hào)含義的理解，教育學(xué)領(lǐng)域主要聚焦于分?jǐn)?shù)的兩大基本含義：“部分與整體”（Part and Whole）以及“測(cè)量解釋”（Measurement Interpretation）。“部分與整體”是指分?jǐn)?shù)符號(hào)呈現(xiàn)了部分與整體的關(guān)系，這是理解分?jǐn)?shù)其他含義的基礎(chǔ)。兒童在幼兒園階段已經(jīng)有了“平分”的生活體驗(yàn)，因此，能夠很容易地掌握這部分內(nèi)容。“測(cè)量解釋”是指對(duì)分?jǐn)?shù)數(shù)值大小的理解[7-8]，主要強(qiáng)調(diào)數(shù)字的表達(dá)、比較、排序以及將分?jǐn)?shù)放在數(shù)軸對(duì)應(yīng)的點(diǎn)[9]，其中，數(shù)軸在建構(gòu)分?jǐn)?shù)的數(shù)值知識(shí)方面有廣泛的應(yīng)用[10]。在心理學(xué)研究領(lǐng)域，分?jǐn)?shù)通常被界定為一組相互關(guān)聯(lián)的子含義，包括“部分與整體”“比”“算子”“商”“測(cè)量”[11-12]。學(xué)生需要非常熟悉分?jǐn)?shù)的表征含義，才能對(duì)有理數(shù)進(jìn)行有效認(rèn)知。

作為神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)的交叉學(xué)科，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是學(xué)習(xí)科學(xué)研究的重要領(lǐng)域[13]，促進(jìn)了人類對(duì)腦學(xué)習(xí)機(jī)制的探索研究。為研究人腦如何認(rèn)知分?jǐn)?shù)，Jacob和Nieder通過(guò)功能磁共振成像技術(shù)開展了針對(duì)分?jǐn)?shù)表征的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)（Adaptation Experiment），這項(xiàng)研究表明，符號(hào)比率是以抽象的數(shù)值概念在人腦中進(jìn)行表征[14]。同時(shí)，教育學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，分?jǐn)?shù)數(shù)值表達(dá)的準(zhǔn)確性與分?jǐn)?shù)計(jì)算和數(shù)學(xué)成就密切相關(guān)[15]，理解分?jǐn)?shù)數(shù)值含義的學(xué)生能夠更好地記憶分?jǐn)?shù)的計(jì)算步驟[16]。卡耐基梅隆大學(xué)分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)研究中心的Siegler教授曾提出數(shù)字發(fā)展的整合理論。該理論認(rèn)為，數(shù)學(xué)發(fā)展是數(shù)字認(rèn)知范圍不斷擴(kuò)大的過(guò)程，分?jǐn)?shù)在此過(guò)程中居于核心地位，而對(duì)數(shù)值的理解是鏈接各類數(shù)字知識(shí)的基礎(chǔ)[17]。

以學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科為視角，基于教育學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)Ψ謹(jǐn)?shù)數(shù)值理解知識(shí)的強(qiáng)調(diào)，結(jié)合筆者在前期調(diào)研中所發(fā)現(xiàn)的四年級(jí)學(xué)生在“測(cè)量解釋”知識(shí)方面較差的成績(jī)表現(xiàn)，本研究確定以分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)中的“測(cè)量解釋”知識(shí)作為游戲的核心目標(biāo)教學(xué)內(nèi)容，以加深兒童分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)理解的深度。

（二）核心認(rèn)知輔助工具

在確定數(shù)學(xué)游戲的核心認(rèn)知內(nèi)容之后，還需進(jìn)一步設(shè)計(jì)游戲中的教學(xué)支架，即核心認(rèn)知輔助工具的設(shè)計(jì)。依據(jù)分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)的相關(guān)理論，“測(cè)量解釋”的核心是理解分?jǐn)?shù)在數(shù)軸上的數(shù)值含義。這與認(rèn)知心理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的心理數(shù)軸（Mental Number Line，MNL）認(rèn)知模型相吻合。心理數(shù)軸是為學(xué)習(xí)初等算數(shù)知識(shí)提供的認(rèn)知模型，兒童需要意識(shí)到阿拉伯?dāng)?shù)字和數(shù)詞從左到右依次增長(zhǎng)，每一個(gè)數(shù)字都比前一個(gè)數(shù)字多一個(gè)數(shù)量。此外，在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，Ischebeck等人采用功能磁共振成像方法探究了距離效應(yīng)與大腦頂內(nèi)溝激活的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)數(shù)字的整體距離與右側(cè)頂內(nèi)溝和枕中回（Middle Occipital Gyrus）的激活水平呈顯著負(fù)相關(guān)，只有整體距離能夠調(diào)節(jié)頂內(nèi)溝的激活[18]，這進(jìn)一步支持了數(shù)軸對(duì)于分?jǐn)?shù)數(shù)值理解的重要性。

參考分?jǐn)?shù)認(rèn)知理論關(guān)于數(shù)軸的相關(guān)研究，本研究確定以數(shù)軸作為分?jǐn)?shù)游戲的核心認(rèn)知輔助工具。與此同時(shí)，參考具身認(rèn)知理論設(shè)計(jì)認(rèn)知輔助工具的交互方式。20世紀(jì)80年代以來(lái)，“具身”得到了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)等諸多領(lǐng)域?qū)W科的關(guān)注，對(duì)于人腦“鏡像神經(jīng)元”的發(fā)現(xiàn)也為具身認(rèn)知提供了重要依據(jù)。雖然個(gè)體自己沒有進(jìn)行某一行為，但“鏡像”其他個(gè)體的行為就能夠引發(fā)鏡像神經(jīng)元的激活。那么如何利用具身認(rèn)知方式來(lái)進(jìn)行認(rèn)知輔助工具的設(shè)計(jì)？

在游戲中，設(shè)置數(shù)軸的核心目的是讓學(xué)生掌握數(shù)量大小的方向感，左邊的數(shù)比右邊的數(shù)小，越往右數(shù)字越大。本研究設(shè)定數(shù)軸的呈現(xiàn)方式是“數(shù)軸墻”，讓數(shù)軸顯示在一堵障礙墻上，游戲化身能夠直接面對(duì)數(shù)軸墻，形成三個(gè)平行平面，即學(xué)習(xí)者平面、游戲化身平面和數(shù)軸墻平面，以此確保學(xué)習(xí)者、化身、數(shù)軸墻的左右方向的一致性。學(xué)習(xí)者借助游戲化身進(jìn)行游戲參與，游戲化身的左右手方向與學(xué)習(xí)者左右手方向形成映射;在學(xué)習(xí)者的操控下，游戲化身與數(shù)軸墻進(jìn)行交互，成為學(xué)習(xí)者與數(shù)軸墻交互的中介?；驹O(shè)置內(nèi)容是一根0～1范圍的數(shù)軸，標(biāo)有刻度0和1，其他刻度的標(biāo)注依內(nèi)容設(shè)計(jì)而定。

（三）分?jǐn)?shù)表征

三重編碼模型是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域廣為接受的數(shù)字認(rèn)知模型。基于數(shù)學(xué)認(rèn)知在行為和腦神經(jīng)機(jī)制方面的相關(guān)研究，該理論認(rèn)為，大腦在進(jìn)行數(shù)量加工任務(wù)時(shí)，會(huì)使用三種不同功能的編碼對(duì)數(shù)量進(jìn)行表征，包括模擬數(shù)量編碼（Analog Magnitude Code）、聽覺言語(yǔ)編碼（Auditory Verbal Code）、視覺阿拉伯?dāng)?shù)字編碼（Visual Arabic Code）。其中，模擬數(shù)量編碼主要是指對(duì)代表數(shù)值概念的圖形進(jìn)行加工，如代表分?jǐn)?shù)概念的帶有陰影的圖形;聽覺言語(yǔ)編碼是指對(duì)分?jǐn)?shù)文字進(jìn)行加工，如“三分之一”;視覺阿拉伯?dāng)?shù)字編碼是指對(duì)阿拉伯?dāng)?shù)字的加工，如“1/3”。

在三重編碼模型的理論基礎(chǔ)上，為確保游戲的有效性，筆者對(duì)小學(xué)數(shù)學(xué)教材（人教版、北師大版）進(jìn)行前期調(diào)研，發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)教材的分?jǐn)?shù)概念性講授內(nèi)容主要以模擬數(shù)量編碼和視覺阿拉伯?dāng)?shù)字編碼為主，并且模擬數(shù)量編碼的分?jǐn)?shù)圖形以獨(dú)立圖形為主（如帶有陰影的圓形或方形），集合圖形為輔（如5片葉子中的2片）。為了兼顧編碼的平衡以及中國(guó)小學(xué)數(shù)學(xué)教材的內(nèi)容特點(diǎn)，游戲兩類編碼的比例設(shè)計(jì)盡可能匹配教材。

（四）知識(shí)模塊框架

依據(jù)前文所述的數(shù)字發(fā)展的整合理論，數(shù)值理解是整合整數(shù)、分?jǐn)?shù)、小數(shù)認(rèn)知的關(guān)鍵。以數(shù)值理解的視角看，整數(shù)與分?jǐn)?shù)一脈相承，都是數(shù)值的符號(hào)表達(dá)，分?jǐn)?shù)表達(dá)了整數(shù)的可分割性。為了讓兒童在學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)之前，借助已有的整數(shù)知識(shí)，理解數(shù)值大小的方向性，本研究在分?jǐn)?shù)內(nèi)容之前設(shè)置了4個(gè)整數(shù)知識(shí)關(guān)卡。不僅可以讓兒童盡快建立新舊知識(shí)的聯(lián)系，也可以幫助兒童掌握游戲的玩法。小學(xué)數(shù)學(xué)教材的分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)的主要講授方式是“數(shù)形結(jié)合”，因此，設(shè)置了圖形與分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的關(guān)卡，此部分的主要目的是鞏固“部分與整體”知識(shí)的學(xué)習(xí)。接下來(lái)，依據(jù)教材的知識(shí)點(diǎn)安排，設(shè)置了“分子為1的分?jǐn)?shù)”“分子不為1的分?jǐn)?shù)”“分?jǐn)?shù)比較大小”的模塊，具體內(nèi)容見表1。

四、游戲元素的設(shè)計(jì)與理論參考

在科學(xué)性和有效性的基礎(chǔ)上，游戲元素是實(shí)現(xiàn)教育游戲趣味性的關(guān)鍵。游戲元素的設(shè)計(jì)秉承認(rèn)知中心的原則，圍繞認(rèn)知內(nèi)容的設(shè)計(jì)展開，主要涉及游戲情境與交互方式、獎(jiǎng)懲機(jī)制、聲音設(shè)計(jì)、故事線設(shè)計(jì)等，下文主要介紹核心游戲元素的設(shè)計(jì)。

（一）游戲情境與交互設(shè)計(jì)

游戲情境與交互設(shè)計(jì)是教育游戲激發(fā)兒童學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)，也是游戲元素設(shè)計(jì)的核心。內(nèi)在動(dòng)機(jī)理論是游戲情境設(shè)計(jì)的主要參考。依據(jù)Malone和Lepper提出的游戲內(nèi)在動(dòng)機(jī)理論，挑戰(zhàn)、好奇、控制、幻想能夠影響學(xué)習(xí)者的內(nèi)在動(dòng)機(jī);此外，集體動(dòng)機(jī)受到合作、競(jìng)爭(zhēng)、自尊因素的影響[19]。每一個(gè)數(shù)軸墻都是一個(gè)挑戰(zhàn)任務(wù)，學(xué)習(xí)者需要通過(guò)自身的認(rèn)知努力，撞擊正確的數(shù)軸點(diǎn)，瞬間擊碎數(shù)軸障礙墻，才能獲得積分繼續(xù)前進(jìn)。如未能正確撞擊，化身將受到猛烈反彈，并接受相應(yīng)懲罰。為了適度地激發(fā)兒童的好奇心，數(shù)軸墻的高度高于游戲化身，通過(guò)遮擋視線的方式暗示只有完成挑戰(zhàn)才能繼續(xù)新空間的探索。在游戲化身的控制方面，學(xué)習(xí)者通過(guò)鍵盤的上下左右鍵來(lái)完全操縱化身，左右鍵控制方向，上下鍵控制速度，任務(wù)的成敗完全取決于學(xué)習(xí)者的認(rèn)知努力。同時(shí)，為了增加游戲的沉浸感，適當(dāng)激發(fā)兒童對(duì)虛擬世界的幻想，游戲還設(shè)置了故事線元素，基于數(shù)軸墻的設(shè)計(jì)，圍繞“綠光水晶墻”“科技水晶墻”“紫色玻璃墻”“森林墻”等展開，通過(guò)闖關(guān)獲得寶藏。

（二）獎(jiǎng)懲機(jī)制

在通過(guò)情境與交互激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，教育游戲需要一套完善的獎(jiǎng)懲機(jī)制以維持動(dòng)機(jī)水平，增加學(xué)習(xí)者的情感投入。ARCS動(dòng)機(jī)模型是教育游戲獎(jiǎng)懲機(jī)制設(shè)計(jì)的重要理論參考，該理論認(rèn)為，人的行為取決于感知到的目標(biāo)的可能性以及主觀價(jià)值[20]，影響學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的因素主要包括“注意”“相關(guān)”“信心”“滿足感”四個(gè)方面。在初始階段，認(rèn)知內(nèi)容和游戲情境能夠引發(fā)兒童的注意和興趣，而信心和滿足感的獲得才能支持持續(xù)的學(xué)習(xí)行為。不斷試錯(cuò)有助于獲得信心和滿足感，為了給兒童充足的試錯(cuò)機(jī)會(huì)，游戲的每一個(gè)關(guān)卡設(shè)置了10個(gè)數(shù)軸墻，即10個(gè)數(shù)軸任務(wù)。游戲場(chǎng)景左上角有7顆能量星，為7次試錯(cuò)機(jī)會(huì)，每錯(cuò)一次減少1顆能量星，以此確保每一個(gè)關(guān)卡的通關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為正確率高于60%。與此同時(shí)，游戲?yàn)閮和峁┒嘣慕虒W(xué)支架性質(zhì)的方向提示。

學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者已達(dá)成共識(shí)，學(xué)習(xí)是認(rèn)知、情緒與生理層面進(jìn)行多層次交流的過(guò)程。積極的情緒有助于學(xué)習(xí)，消極情緒將會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)帶來(lái)消極影響。在逐步建立信心與滿足感的過(guò)程中，教育游戲還需要通過(guò)一定的獎(jiǎng)懲機(jī)制來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的情緒狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，積極的情緒有助于促進(jìn)記憶，例如，讓實(shí)驗(yàn)參與者對(duì)照片呈現(xiàn)的愉悅程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后再進(jìn)行照片內(nèi)容的回憶，研究發(fā)現(xiàn)被試對(duì)帶有明顯情緒狀態(tài)的圖像有更加清晰的回憶[21]。

為了能夠最大限度調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的情緒投入，本研究參考認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)﹄S機(jī)獎(jiǎng)勵(lì)的最新研究，在基礎(chǔ)數(shù)軸任務(wù)積分的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了“與運(yùn)氣相關(guān)”的隨機(jī)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，中腦區(qū)域的神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺與獎(jiǎng)勵(lì)活動(dòng)有關(guān)，當(dāng)靈長(zhǎng)目動(dòng)物意識(shí)到獎(jiǎng)勵(lì)出現(xiàn)的不確定性，腦中的多巴胺能的釋放會(huì)達(dá)到峰值[22]。而多巴胺對(duì)整個(gè)大腦前額葉等腦區(qū)神經(jīng)元的活性有重要影響[23]。因此，游戲設(shè)計(jì)將隨機(jī)獎(jiǎng)勵(lì)納入積分體系中，隨機(jī)加分以隨機(jī)金幣形式出現(xiàn)，游戲化身在路上行走的過(guò)程中獲得隨機(jī)加分，每關(guān)隨機(jī)獎(jiǎng)勵(lì)出現(xiàn)2～4次，獎(jiǎng)勵(lì)數(shù)值隨機(jī)。其他積分要素還包括基礎(chǔ)數(shù)軸任務(wù)積分以及剩余能量星。努力相關(guān)積分和運(yùn)氣相關(guān)積分的綜合獎(jiǎng)勵(lì)設(shè)計(jì)旨在激發(fā)大腦多巴胺的分泌，保持游戲的不確定性，充分調(diào)動(dòng)游戲化學(xué)習(xí)過(guò)程中的學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)。為了更好地激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，游戲中還設(shè)置了積分排行榜的游戲元素，以此激發(fā)兒童的競(jìng)爭(zhēng)欲望。

（三）聲音設(shè)計(jì)

聲音是多媒體傳遞信息、創(chuàng)造良好視聽體驗(yàn)的重要元素。依據(jù)梅耶的多媒體認(rèn)知理論，記憶由語(yǔ)言系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)構(gòu)成，記憶可以通過(guò)視覺編碼和言語(yǔ)編碼的聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，同時(shí)呈現(xiàn)視覺信息和言語(yǔ)信息有助于促進(jìn)記憶。本研究決定對(duì)聲音與游戲交互進(jìn)行融合設(shè)計(jì)。具體聲音與游戲交互的搭配設(shè)計(jì)，見表2。比較典型的聲音設(shè)計(jì)是數(shù)軸墻的撞擊聲音，為了激發(fā)學(xué)習(xí)者的成就感，當(dāng)游戲化身成功撞擊數(shù)軸墻，游戲會(huì)出現(xiàn)響亮、清脆的玻璃破碎聲。

五、游戲的應(yīng)用效果

為檢驗(yàn)分?jǐn)?shù)游戲的應(yīng)用成效，筆者在北京市順義區(qū)的一所公立小學(xué)開展了為期一周的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，具體情況如下：

（一）研究方法與過(guò)程

本研究采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，四年級(jí)的兩個(gè)班共65名學(xué)生參加。參與學(xué)生每天在學(xué)校機(jī)房玩20分鐘《分?jǐn)?shù)跑跑跑》，玩五天，共100分鐘。在實(shí)驗(yàn)周期的設(shè)計(jì)方面，基于分?jǐn)?shù)游戲的教育目的，在連續(xù)一周的五天內(nèi)進(jìn)行游戲干預(yù)，與游戲的內(nèi)容模塊設(shè)計(jì)相匹配。

（二）研究工具

游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果測(cè)量包含兩個(gè)維度，其一是圍繞認(rèn)知效果的分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)水平測(cè)試，其二是檢驗(yàn)主體性體驗(yàn)的動(dòng)機(jī)等問(wèn)卷量表。為測(cè)量學(xué)生的分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)水平，參考國(guó)外相關(guān)研究的測(cè)評(píng)方法，本研究的測(cè)試題目主要來(lái)自三大權(quán)威題庫(kù)，包括美國(guó)國(guó)家教育進(jìn)展測(cè)評(píng)、國(guó)際數(shù)學(xué)與科學(xué)趨勢(shì)評(píng)估、美國(guó)加州標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。試題共有47道，每題1分，共47分。其中，第一類題目考察的知識(shí)是“分?jǐn)?shù)與圖形”，共15道題;第二類題目考察的知識(shí)是“分?jǐn)?shù)與數(shù)軸”，共15道;第三類題目考察的知識(shí)是“分?jǐn)?shù)比較大小”，共17道。前測(cè)、后測(cè)所用題目相同。題目類型主要包括選擇題和填空題，代表性測(cè)試題目如圖2所示。

為全面考察分?jǐn)?shù)游戲的應(yīng)用效果，本研究使用相關(guān)量表以考察主體性體驗(yàn)，包括內(nèi)在數(shù)學(xué)焦慮量表（The Modified Abbreviated Math Anxiety Scale）和動(dòng)機(jī)量表（Intrinsic Motivation Inventory）。數(shù)學(xué)焦慮量表修正版是數(shù)學(xué)焦慮量表（AMAS）的縮略版。原量表共9個(gè)題目，在對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行信效度分析之后，保留包含“測(cè)評(píng)焦慮”和“學(xué)習(xí)焦慮”兩個(gè)維度的8個(gè)題目（Cronbach's alpha=0.868），采用5點(diǎn)李克特量表的自我報(bào)告方式。內(nèi)在動(dòng)機(jī)量表旨在測(cè)量學(xué)習(xí)者的興趣（Interest）、勝任力感知（Perceived Competence）、努力程度（Effort）等主觀感受。原始量表共涉及7個(gè)維度，本研究選取了和游戲化學(xué)習(xí)關(guān)系密切的兩個(gè)維度，“勝任力感知”和“興趣”（Cronbach's alpha=0.893）。該問(wèn)卷采用5點(diǎn)李克特量表自我報(bào)告的方式。本研究所用問(wèn)卷見表3。

（三）應(yīng)用研究結(jié)果

在認(rèn)知效果方面，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之前，前測(cè)總成績(jī)均值為23.83，標(biāo)準(zhǔn)差為7.8;第一類題目的前測(cè)成績(jī)均值為11.65，標(biāo)準(zhǔn)差為2.48;第二類題目的前測(cè)成績(jī)均值為7.23，標(biāo)準(zhǔn)差為3.59;第三類題目的前測(cè)成績(jī)均值為5.70，標(biāo)準(zhǔn)差為3.62。在一周的游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之后，后測(cè)總成績(jī)均值為30.44，標(biāo)準(zhǔn)差為7.68;第一類題目的后測(cè)成績(jī)均值為12.45.標(biāo)準(zhǔn)差為2.36;第二類題目的后測(cè)成績(jī)均值為8.53，標(biāo)準(zhǔn)差為3.36;第三類題目的后測(cè)成績(jī)均值為9.46，標(biāo)準(zhǔn)差為4.03。配對(duì)樣本T檢驗(yàn)結(jié)果顯示，后測(cè)總成績(jī)均值顯著高于前測(cè)[t（64）=9.593，p=0.00]，第一類題目的后測(cè)成績(jī)均值顯著高于前測(cè)[t（64）=3.793，p=0.00]，第二類題目的后測(cè)成績(jī)均值顯著高于前測(cè)[t（64）=3.323，p=0.001]，第三類題目的后測(cè)成績(jī)均值顯著高于前測(cè)[t（64）=8.86，p=0.00]。

在主體性體驗(yàn)方面，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之前，數(shù)學(xué)焦慮量表的測(cè)評(píng)維度的前測(cè)均值為2.3，標(biāo)準(zhǔn)差為1.09;學(xué)習(xí)維度的前測(cè)均值為2.09，標(biāo)準(zhǔn)差為1.07;數(shù)學(xué)焦慮量表整體前測(cè)均值為2.19，標(biāo)準(zhǔn)差為0.99。在一周的游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之后，數(shù)學(xué)焦慮量表的測(cè)評(píng)維度的后測(cè)均值為2.29，標(biāo)準(zhǔn)差為0.95;學(xué)習(xí)維度的后測(cè)均值為2.05，標(biāo)準(zhǔn)差為0.81;數(shù)學(xué)焦慮量表整體后測(cè)均值為2.17，標(biāo)準(zhǔn)差為0.8。配對(duì)樣本T檢驗(yàn)顯示，數(shù)學(xué)焦慮量表子維度及整體前后測(cè)的均值無(wú)顯著差異（p>0.05）。在游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之前，數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)在動(dòng)機(jī)量表的勝任維度的前測(cè)均值為4.02，標(biāo)準(zhǔn)差為0.72;興趣維度的前測(cè)均值為4.1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.82;量表整體前測(cè)均值為4.05，標(biāo)準(zhǔn)差為0.67。在一周的游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之后，內(nèi)在動(dòng)機(jī)量表的勝任維度的后測(cè)均值為3.89，標(biāo)準(zhǔn)差為0.82;興趣維度的后測(cè)均值為4.2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.86;數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)在動(dòng)機(jī)量表整體后測(cè)均值為4.03，標(biāo)準(zhǔn)差為0.71。配對(duì)樣本T檢驗(yàn)顯示，內(nèi)在動(dòng)機(jī)量表子維度及整體前后測(cè)的均值無(wú)顯著差異（p>0.05）。

總體而言，《分?jǐn)?shù)跑跑跑》能夠顯著提高四年級(jí)學(xué)生的分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)水平。學(xué)生在考察分?jǐn)?shù)概念理解程度的“部分與整體”（第一類測(cè)試題目）與“測(cè)量解釋”（第二類、第三類測(cè)試題目）后測(cè)中都有良好的表現(xiàn)。但與此同時(shí)，為期一周的游戲化學(xué)習(xí)體驗(yàn)未能顯著降低四年級(jí)學(xué)生的數(shù)學(xué)焦慮水平，未能顯著提升學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)水平。

六、結(jié)論與討論

本研究針對(duì)游戲化學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域的核心問(wèn)題——如何設(shè)計(jì)科學(xué)、有效、有趣的教育游戲，圍繞基礎(chǔ)教育階段的分?jǐn)?shù)認(rèn)知，以學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科視角進(jìn)行數(shù)學(xué)游戲《分?jǐn)?shù)跑跑跑》的設(shè)計(jì)開發(fā)。由于教育游戲兼具教育目的和娛樂目的，教育目的是教育游戲的根本目標(biāo)，“娛樂”以服務(wù)“教育”為核心宗旨，因此，教育游戲在認(rèn)知內(nèi)容上的科學(xué)性直接決定了教育游戲的使用價(jià)值。在教育游戲的科學(xué)性設(shè)計(jì)方面，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“立足跨學(xué)科視角的認(rèn)知支持”原則，依據(jù)學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究成果進(jìn)行認(rèn)知內(nèi)容的設(shè)計(jì)。在科學(xué)性的基礎(chǔ)上，教育游戲需要著眼于實(shí)際問(wèn)題，秉承“著眼教學(xué)實(shí)踐的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)”原則，以實(shí)踐需求作為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，確保教育游戲能夠有效地應(yīng)用于教育教學(xué)。在保障科學(xué)性和有效性的基礎(chǔ)上，教育游戲可以借助游戲元素，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者情緒，運(yùn)用“借助情緒調(diào)動(dòng)的動(dòng)機(jī)發(fā)展”原則進(jìn)行趣味性的設(shè)計(jì)?？茖W(xué)性、有效性與趣味性的層級(jí)關(guān)系與設(shè)計(jì)原則如圖3所示。

在教育游戲的科學(xué)性方面，依據(jù)游戲化學(xué)習(xí)體驗(yàn)框架，基于情境的認(rèn)知體驗(yàn)設(shè)計(jì)主要參考認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)在分?jǐn)?shù)認(rèn)知方面的研究成果，確定游戲的核心認(rèn)知內(nèi)容為分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)的測(cè)量解釋，以數(shù)軸作為核心認(rèn)知輔助工具，參考三重編碼模型和數(shù)字發(fā)展的整合理論，分別設(shè)計(jì)了游戲中的分?jǐn)?shù)表征和知識(shí)模塊框架。與此同時(shí)，為了保證教育游戲應(yīng)用的有效性，在內(nèi)容設(shè)計(jì)的過(guò)程中，統(tǒng)籌考慮國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)要求、教材元素、學(xué)生水平進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)。趣味性主要涉及基于動(dòng)機(jī)的主體性體驗(yàn)，基于動(dòng)機(jī)理論設(shè)計(jì)了游戲情境和交互方式，結(jié)合關(guān)于情緒的相關(guān)研究設(shè)計(jì)了兼顧“努力”和“幸運(yùn)”的獎(jiǎng)懲機(jī)制，并且圍繞游戲元素設(shè)計(jì)了不同的聲音效果。基于65名四年級(jí)學(xué)生的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)《分?jǐn)?shù)跑跑跑》能夠顯著提高四年級(jí)學(xué)生的分?jǐn)?shù)概念性知識(shí)水平。

回顧教育游戲在過(guò)去幾十年間的發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)，技術(shù)發(fā)展確實(shí)為教育創(chuàng)新帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。游戲技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了虛擬化的認(rèn)知情境創(chuàng)建，為學(xué)習(xí)者提供了即時(shí)、有效的信息反饋，也讓寓教于樂的理念得到了更加廣泛的認(rèn)可，虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)也似乎展示了未來(lái)游戲化學(xué)習(xí)的無(wú)限可能。然而，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，雖然游戲化學(xué)習(xí)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，教育游戲研究者終究需要回答“如何設(shè)計(jì)科學(xué)、有效、有趣的教育游戲”這一問(wèn)題。以學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科視角進(jìn)行教育游戲的設(shè)計(jì)開發(fā)具有巨大優(yōu)勢(shì)。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)等關(guān)于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)機(jī)制的研究成果為教育游戲的認(rèn)知內(nèi)容和游戲元素的設(shè)計(jì)提供了參考。通過(guò)技術(shù)設(shè)計(jì)的方式，架起溝通基礎(chǔ)研究與教學(xué)實(shí)踐的橋梁，為解決教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題提供優(yōu)質(zhì)的游戲化學(xué)習(xí)資源。

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