汪 楓， 熊永紅， 曾中良， 王 琛， 許明耀

（1.武漢紡織大學(xué)數(shù)理科學(xué)學(xué)院，武漢 430200；2.文華學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)部，武漢 430074）

0 引 言

翻轉(zhuǎn)課堂作為如今信息技術(shù)支持下的一種新型教學(xué)模式，體現(xiàn)了“以學(xué)生發(fā)展為中心”的重要教學(xué)改革理念，是扭轉(zhuǎn)“學(xué)生被動學(xué)習(xí)”和“教師單純講授”狀況的有力手段，對于提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力都有著積極促進(jìn)作用，是建設(shè)國家一流本科課程的有效路徑［1］。然而，高校實驗教學(xué)條件雖然越來越優(yōu)異，智慧教學(xué)工具也確實豐富了教師的教學(xué)手段，但實驗教學(xué)的課堂交互方式還并未發(fā)生本質(zhì)改變。一方面是實驗課程的數(shù)字化資源開發(fā)相對于其他理論課程來說更加困難，“翻轉(zhuǎn)”任務(wù)艱巨。更重要的是，在混合式教學(xué)改革浪潮下，大量課程僅僅是通過微視頻將需要講授的內(nèi)容進(jìn)行時空上的前移，師生間以及學(xué)生間的交流研討依然缺乏深度和層次性，學(xué)生并未擺脫機(jī)械學(xué)習(xí)、被動接受的狀況，學(xué)習(xí)動力堪憂［2］。特別是一直處于被動學(xué)習(xí)、缺乏提問環(huán)境和機(jī)會的學(xué)生，在翻轉(zhuǎn)課堂過程中易成為交流研討過程的“旁觀者”，不善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，或畏懼提出問題［3］。因此，如何充分調(diào)動主觀能動性，使學(xué)生更加積極主動且愉快地進(jìn)行知識構(gòu)建，實現(xiàn)學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的真轉(zhuǎn)變，讓翻轉(zhuǎn)課堂真正走進(jìn)實驗教學(xué)，這些問題仍然需要開展深入探討和實踐。為推進(jìn)大學(xué)物理實驗教學(xué)改革，貫徹以學(xué)生為中心的教改理念，提高教學(xué)質(zhì)量，本文從游戲化理念出發(fā)，探索游戲化教學(xué)設(shè)計在大學(xué)物理實驗翻轉(zhuǎn)課堂中的應(yīng)用。

1 游戲化教學(xué)意義

1.1 關(guān)于游戲化

21 世紀(jì)以來，我國已成為全球第一游戲市場［4］，特別是隨著移動互聯(lián)技術(shù)的普及，使人們在有意或無意間都會接觸到游戲或參與到游戲過程中，游戲與生活的聯(lián)系愈發(fā)緊密。美國著名教育家和哲學(xué)家杜威認(rèn)為，“教育即生活”，教學(xué)法的應(yīng)用最好從學(xué)生的經(jīng)驗與能力出發(fā)［5］。2003 年，英國游戲開發(fā)人員Nick Pelling第一次明確提出游戲化（gamification）的概念，并將其定義為“把不是游戲的東西（或者工作）變成游戲”［6］。游戲化既是將游戲思維、游戲機(jī)制以及游戲元素整合應(yīng)用于非游戲環(huán)境中，賦予其游戲特征，以幫助引導(dǎo)和促進(jìn)使用者的參與和互動。近年來，游戲化在教育領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐漸興起，無論是教育游戲還是基于游戲的教學(xué)模式，都在茁壯成長［7］，游戲化學(xué)習(xí)目前已成為十大創(chuàng)新教學(xué)法之一［8］，同時也成了培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)精神”的新途徑［9］。其中，關(guān)于游戲化教育軟件的開發(fā)和研究尤為突出，在中國知網(wǎng)僅搜索2017 ～2021 年關(guān)于“教育游戲”的中文核心期刊就多達(dá)105 篇，游戲教育價值也得到了充分地探討和深化［10］。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，游戲化理念還被應(yīng)用于MOOC 學(xué)習(xí)中，有效提升MOOC 學(xué)習(xí)的沉浸感，改善學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)效果、課程評價和輟學(xué)率等問題［11］。游戲化翻轉(zhuǎn)課堂也開始嶄露頭角，對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動力有持續(xù)促進(jìn)作用［12-13］。目前游戲化在學(xué)前教育和基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用已經(jīng)非常普及，但在高等教育中的應(yīng)用仍顯不足。實際上，相較于中小學(xué)學(xué)段的學(xué)生，游戲化學(xué)習(xí)對于提升大學(xué)生學(xué)習(xí)成績具有更積極的作用，特別是對于如數(shù)學(xué)、物理等系統(tǒng)性和邏輯性更強(qiáng)的學(xué)科，具有顯著的正向影響［14］。

1.2 實驗教學(xué)游戲化

學(xué)習(xí)動機(jī)是學(xué)習(xí)的原動力，Malone等［15］致力于研究人們?yōu)槭裁聪矚g玩游戲，并認(rèn)為游戲讓人樂此不疲的原因是游戲能夠激發(fā)人們的深層內(nèi)在動機(jī)，并提出一套內(nèi)在動機(jī)理論。該理論認(rèn)為內(nèi)在動機(jī)可分為個人動機(jī)和集體動機(jī)兩類。個人動機(jī)包括挑戰(zhàn)、好奇、控制和幻想，集體動機(jī)包括合作、競爭和尊重。實驗教學(xué)是一個觀察、理解、判斷、操作、反饋的過程，包含自主性、探究性、試誤性、交互性等特征，與游戲特性具有極強(qiáng)的相似性，特別是實驗設(shè)備與學(xué)習(xí)者之間的交互性也是其他課程無法取代的。因此，實驗教學(xué)的先天條件不僅有利于激發(fā)學(xué)生的深層內(nèi)在動機(jī)，而且為開展游戲化教學(xué)提供了良好的動態(tài)交互機(jī)制。實際上，測驗、問答、討論等基本教學(xué)互動方式都具有交互特性，教師只需通過設(shè)計積分、排名、段位等各類游戲元素就可以趣味性地開展教學(xué)活動。實驗教學(xué)的游戲化設(shè)計將從游戲動機(jī)、游戲機(jī)制和游戲元素3 個方面出發(fā)，設(shè)置學(xué)習(xí)任務(wù)、教學(xué)活動和課程評價，如圖1 所示。

圖1 游戲化教學(xué)設(shè)計框架

2 游戲化翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計

實驗教學(xué)的游戲化翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，將學(xué)習(xí)任務(wù)分為個人任務(wù)與團(tuán)隊任務(wù)，并貫穿課前、課中、課后全過程，如圖2 所示。

圖2 游戲化翻轉(zhuǎn)課堂流程

其中，團(tuán)隊任務(wù)是游戲化教學(xué)的核心機(jī)制，通過比拼競技的形式，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)和協(xié)作式學(xué)習(xí)，充分激發(fā)學(xué)生的深層內(nèi)在動機(jī)。團(tuán)隊人數(shù)不宜過多，避免惰化現(xiàn)象，教師可以根據(jù)實驗條件進(jìn)行合理分配，通常3 ～5 人即可。每次實驗都會安排小組之間以游戲競賽的方式兩兩進(jìn)行交流研討，并要求做好提出問題、分析問題、解決問題的相關(guān)工作，不斷總結(jié)完善，持續(xù)改進(jìn)。賽制可根據(jù)實驗項目數(shù)和學(xué)生組數(shù)采用單循環(huán)（每支隊伍之間均進(jìn)行一場比賽）或雙循環(huán)（每支隊伍之間共進(jìn)行兩場比賽）的方式，教師在比賽中通過引入積分、徽章、榮譽(yù)、頭銜、排行榜等游戲激勵系統(tǒng)，讓學(xué)生獲得成就感、儀式感和沉浸感，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍。對于比賽中操作準(zhǔn)確熟練、問答表述清晰無誤的學(xué)生，會設(shè)立MVP（Most valuable player），獲得額外的課堂積分。最終，學(xué)習(xí)任務(wù)達(dá)成情況將由學(xué)生課前課中課后的綜合評分決定，使評價方式由單一化、標(biāo)準(zhǔn)化向多元化、個性化轉(zhuǎn)變。

2.1 課前

教師通過MOOC或SPOC 發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，如觀看原理視頻、操作視頻、完成章節(jié)測驗、撰寫實驗預(yù)習(xí)報告等，并要求團(tuán)隊提出5 道思考題和答案；學(xué)生圍繞學(xué)習(xí)任務(wù)開展線上自學(xué)自測，明確實驗?zāi)康募罢n程重難點，完成實驗預(yù)習(xí)報告，并通過小組協(xié)作研討，提出思考題；教師根據(jù)教學(xué)管理平臺的學(xué)習(xí)行為統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行前端分析，并對每個小組進(jìn)行督學(xué)助學(xué)，探討知識薄弱環(huán)節(jié)以及思考題，完善和更換掉不合理的問題。教師還可以引導(dǎo)學(xué)生主動去了解相關(guān)學(xué)科前沿發(fā)展、科學(xué)人物事跡。

2.2 課中

教師首先回顧課前預(yù)習(xí)情況，介紹實驗?zāi)康暮妥⒁馐马?，隨后結(jié)合實驗特點組織學(xué)生開展游戲化教學(xué)?；顒油ǔ７譃閮纱蟛糠郑?/p>

（1）頭腦風(fēng)暴。安排本輪對戰(zhàn)的小組分別開展研討，根據(jù)課前準(zhǔn)備的思考題，彼此相互提問，交替回答，最終以正確率判定勝負(fù)。每個回合結(jié)束，教師都會總結(jié)和點評，并根據(jù)實驗特點進(jìn)行拓展延伸，例如光的干涉實驗中將知識延伸到激光干涉引力波探測器的工作原理，在霍爾效應(yīng)實驗中引領(lǐng)學(xué)生理解量子反?；魻栃?yīng)，在彈性模量實驗中探討彈性模量的測定對研究光纖、半導(dǎo)體、航天器件等各類材料力學(xué)性質(zhì)的意義等。同時結(jié)合一些典型案例，在潛移默化中厚植愛國主情懷、文化自信、科學(xué)精神等思政元素。在時間充裕的情況下，教師也可以自行補(bǔ)充問題進(jìn)行附加賽，讓小組之間進(jìn)行搶分，或者采用學(xué)生互講互問、生講師評等多種比賽形式。

（2）操作比拼。教師根據(jù)實驗項目特點設(shè)置不同形式的操作競賽，在寓教于樂中完成儀器調(diào)試、數(shù)據(jù)測量等教學(xué)任務(wù)。例如在示波器的原理及使用實驗中，需要學(xué)生學(xué)會使用示波器的掃描應(yīng)用和X－Y方式應(yīng)用，課堂上以單循環(huán)的競賽方式組織學(xué)生進(jìn)行操作比拼，積分規(guī)則采用勝3 分，平1 分，負(fù)0 分的常用比賽記分方式。每回合比賽時間為2 min，賽前組間彼此交換儀器，打亂對方儀器，隨后回到各自位置。在規(guī)定時間內(nèi)把示波器調(diào)節(jié)至指定狀態(tài)并正確記錄數(shù)據(jù)（如正弦波、利薩如圖形等），成功人數(shù)多的一方獲勝，人數(shù)一樣則平分。隨著學(xué)生熟練度的提升，再逐步縮短時間，增加難度。在條件允許的情況下，還可以通過播放背景音樂，設(shè)定一些游戲技能機(jī)制，如減少對方時間、增加己方時間、減少對方人數(shù)或增加對方儀器等多種方式增加過程的緊張感和激烈性，促進(jìn)師生和學(xué)生之間互動，為課堂教學(xué)提供強(qiáng)大的情緒支持，不斷刺激和維持內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)，圖3 所示為課中游戲化教學(xué)場景。

圖3 游戲化實驗教學(xué)場景

2.3 課后

教師對整個教學(xué)活動、課程內(nèi)容以及學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，隨后通過教學(xué)管理平臺發(fā)布隨堂考試，幫助學(xué)生鞏固課程重難點，促進(jìn)知識的內(nèi)化和吸收。學(xué)生根據(jù)實驗測量結(jié)果完成實驗報告，教師進(jìn)行批閱反饋。每周還會通過戰(zhàn)報的形式向班級發(fā)布通知，對比賽進(jìn)行回顧并預(yù)告下一輪教學(xué)活動安排。

3 實踐效果

3.1 學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析

分析選取了同一專業(yè)的兩個班級進(jìn)行對比，實驗班31 人，對照班30 人，課程內(nèi)容、教學(xué)進(jìn)度基本一致，使用的SPOC資源也相同，且所有學(xué)生在參與物理實驗教學(xué)之前均學(xué)過同樣的基礎(chǔ)課程，學(xué)習(xí)起點、教育背景、認(rèn)知能力基本相同。實驗班與對照班均采用了“線上＋線下”的混合式教學(xué)模式，但實驗班融入了游戲化翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計。利用SPSS23.0 軟件對兩個班2021 年上半學(xué)期的章節(jié)測驗、隨堂考試以及平時作業(yè)成績進(jìn)行差異顯著性分析，結(jié)果如表1 所示。章節(jié)測驗和隨堂考試的顯著性為0.000，均小于0.01，說明兩個班在這兩項成績上存在極顯著地差異。其中，章節(jié)測驗屬于課前SPOC 的自測習(xí)題，而隨堂考試則是課中教學(xué)活動結(jié)束后發(fā)布的測試，為進(jìn)階型考題，檢驗學(xué)生是否融會貫通。從分析結(jié)果可見，實驗班的章節(jié)測驗和隨堂考試均值分別為79.745 和82.332，相較于對照班（章節(jié)測驗61.983，隨堂考試69.093），分別提高了約18 分和13 分，說明游戲化教學(xué)更能提升學(xué)生的課前自學(xué)效果，課中也進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)生對知識點的吸收和內(nèi)化。不過，兩個班的平時作業(yè)均值相差僅2 分，并無明顯差異。這是由于SPOC 和教材已經(jīng)為撰寫實驗報告提供了足夠多的資料，相關(guān)內(nèi)容也進(jìn)行了詳盡研討，所以沒有表現(xiàn)出顯著差異。

表1 實驗班與對照班混合式教學(xué)差異性分析

研究還追蹤兩個班的學(xué)習(xí)次數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖4所示。實驗班的月平均學(xué)習(xí)次數(shù)普遍高于對照班，且呈現(xiàn)持續(xù)走高的趨勢，而對照班的學(xué)習(xí)次數(shù)在學(xué)期中段則開始出現(xiàn)滑坡，這不僅進(jìn)一步解釋了實驗班章節(jié)測驗成績更加出色的原因，而且也反映出游戲化翻轉(zhuǎn)課堂確實持續(xù)促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，激發(fā)了內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)。

圖4 實驗班與對照班的學(xué)習(xí)次數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比

3.2 問卷調(diào)查分析

研究采用5 點李克特量表設(shè)計了包含14 道題的“游戲化教學(xué)效果問卷調(diào)查量表”，從學(xué)習(xí)氛圍、學(xué)習(xí)動機(jī)、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)效果、滿意度5 個維度對實驗班31 位同學(xué)進(jìn)行問卷調(diào)查，回收有效問卷31 份，調(diào)查結(jié)果如表2 所示。同時，采用SPSS23.0 對問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，用“Cronbach’s α”系數(shù)進(jìn)行內(nèi)在信度檢驗，量表信度系數(shù)Alpha ＝0.984（＞0.9），說明本問卷具有良好的問卷結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)可信度高。

表2 學(xué)生對游戲化混合式教學(xué)的態(tài)度調(diào)查

問卷統(tǒng)計結(jié)果表明，學(xué)生整體呈現(xiàn)出非常認(rèn)可的態(tài)度。學(xué)生認(rèn)為，游戲化教學(xué)能夠營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，維持學(xué)習(xí)動機(jī)。在整個學(xué)習(xí)過程中，也更有參與感，并且擁有更多探索、思考和交流協(xié)作的機(jī)會。無論是在知識掌握方面還是能力發(fā)展方面也都得到了學(xué)生肯定。在滿意度的調(diào)查統(tǒng)計中，41.94%的學(xué)生表示非常滿意，48.39%的學(xué)生表示比較滿意。在游戲化教學(xué)建議版塊中，學(xué)生紛紛表示教學(xué)方式“挺好”，特別是“小組對抗很好”“對抗性當(dāng)中更容易提升自己”“環(huán)節(jié)設(shè)置得挺好的，比賽的回合很多，不會糾結(jié)于一兩場的失敗，反而會繼續(xù)努力完成下一場比賽”等，說明該模式易于誘發(fā)“挑戰(zhàn)”“合作”“競爭”等深層內(nèi)在動機(jī)。

4 結(jié) 語

隨著教育技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)過程更具交互性和感染力，也使游戲化教學(xué)更具生命力。但相較于學(xué)前教育和基礎(chǔ)教育，游戲化教學(xué)在高等教育中的應(yīng)用則發(fā)展相對緩慢。實際上，游戲化教學(xué)并非要依托于教育游戲或者游戲本身，而是將游戲設(shè)計元素和機(jī)制融入教學(xué)活動中，通過趣味性、個性化呈現(xiàn)，喚醒學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)，讓學(xué)生在教學(xué)過程中充分“玩起來”“活起來”，改善學(xué)習(xí)氛圍提升學(xué)習(xí)效果。本研究探討了實驗教學(xué)與游戲化的關(guān)系，構(gòu)建了游戲化翻轉(zhuǎn)課堂模式。通過對比實驗、定量分析和問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)效果有顯著提升，對學(xué)習(xí)動機(jī)也起到了持續(xù)性促進(jìn)作用。后續(xù)計劃根據(jù)相關(guān)游戲設(shè)計理論研發(fā)更系統(tǒng)性且多樣化的游戲化教學(xué)方案，擴(kuò)大研究范圍和分析維度，不斷完善和深化游戲設(shè)計理念在實驗教學(xué)創(chuàng)新中的研究和應(yīng)用。