探討認知心理學實驗的AVG游戲設計與開發(fā) *
——以空白實驗法為例

黃 月，董 艷

(北京師范大學 教育技術學院，北京 100875)

《認知心理學》是一門探索人類如何獲取知識和使用知識的學科。對于教育技術學科的大學生來說，學習認知的理論能幫助他們更好地理解學習和教學。《認知心理學》的課程內(nèi)容包括認知過程理論、認知模型和用于驗證這些模型的許多實驗，其中一些經(jīng)典的心理實驗，由于實驗本身的晦澀、實驗條件的缺乏、課程課時的限制，學生對實驗的設計原理、機制和意義都難以獲得深刻體會和理解性認識。傳統(tǒng)紙質(zhì)教材只是通過文本或圖片兩種形式表達心理實驗部分的相關內(nèi)容，難以給學習者提供較好的學習體驗，對于一些學習困難的學生來說，很有可能產(chǎn)生較大的挫折感和挫敗感，這很可能使得學生放棄學習。

隨著信息技術的發(fā)展，技術為學習者提供了新的學習體驗來支持學生的課程學習。在這些技術支持的學習活動中，教育游戲由于其具有的娛樂性、情境性、互動性、參與性等多種特征而受到“數(shù)字一代”學習者的青睞[1][2]。已有研究表明，教育游戲是融合了教學內(nèi)容且具有娛樂性的學習性軟件，學習者可以在游戲的過程中學習知識并能保持長久的學習興趣[3]。為此，在教學中為特定的內(nèi)容開發(fā)適當?shù)慕逃螒颍瑢⒖赡艽龠M學生對于特定學習內(nèi)容的學習和理解。本研究正是基于這樣的考慮，針對《認知心理學》中傳統(tǒng)教學方式下學生學習效果欠佳的“空白實驗法”一節(jié)的內(nèi)容，進行了教育游戲活動的設計，使用Krkr軟件和TJS語言進行了開發(fā)，并選擇相應被試驗證了游戲的學習效果。本研究所開發(fā)的心理學實驗游戲在教育與游戲的融合中取得了一個平衡點，達到了“教游相融”的效果。

一、認知心理學實驗的教學需求分析

以北京大學出版社出版的《認知心理學》為例，該書介紹了知覺、注意、表象、概念、言語等認知過程的基本問題，包括理論闡述、認知模型講解和經(jīng)典實驗演示。其中“概念”屬于高級思維過程，概念形成指的是個人掌握概念的過程。人在概念形成的過程中，需要利用現(xiàn)在已有的信息主動提出一些可能的假設，形成一個假設庫。在概念形成的實驗中，在對任何一個新的刺激反應之前，被試必須從他的假設庫中，取出一到幾個假設做出反應。如果這個反應被主試告知是正確的，那么該假設將繼續(xù)使用，否則更換假設。直到獲得某個正確的假設，即形成某個概念為止，這就是假設考驗說。初期的假設考驗實驗難以直接判斷被試每次是否應用假設或應用了什么假設。空白實驗法(Blank Trial Procedure，簡稱BTP)為了彌補這個缺點，假設如果被試在主試不給予反饋的條件下，能對一系列刺激做出系統(tǒng)的反應，那么就能確定這種反應的基礎即假設。

空白實驗法于1966年由美國的Levine設計，是認知心理學中一個典型的較難理解的實驗，其實驗操作過程只有短短幾步，但是包含了至少三個學習階段，每個階段都有各自特定的基礎概念，由一條設計精巧的路徑來連接這些階段，其難度逐步遞增。第一階段學習中被試在刺激下可能產(chǎn)生的8種假設反應，如圖1所示。

圖1 BTP的8種假設反應[4]

圖1中間的部分代表給被試的實例，總共包含了4個類別（顏色、字母、位置、形狀），每個類別上各有兩個維度，依次是：黑/白、X/T、左/右、大/小，一共有8種假設反應。a代表了b中左列實例的屬性（即陰影部分實例的屬性），c代表了b中右列實例的屬性。a和c中的黑點位置表示實例所代表的屬性是否和所標明屬性一致。b的第一行“X T”意味著a第一行表示“X”的屬性有“黑色、字母X、位置為左、形狀是大的”，c第一行表示“T”的屬性有“白色、字母T、位置為右、形狀是小的”，可以看出，a和c中黑點的位置是對稱的。

8種屬性代表被試在實驗過程中需要做出8個可能的選擇。實驗開始前，主試預設了一個屬性，在實驗的基本推理過程中，主試每次給被試一對實例（一行實例），被試從中選擇一個認為可能包含了主試預設屬性的實例。每輪選擇結束后主試將給予被試反饋正確還是錯誤。被試將繼續(xù)猜測，直到完成4輪基本實驗過程。在這個過程中，主試需從被試的選擇結果判斷是哪些假設屬性引導被試做出選擇，以及在這個過程中被試進行了假設推理，還是胡亂猜測。圖2是假設考驗的基本推理過程。a顯示實驗第一輪被試在一對實例“T X”中選擇了“X”，我們猜測引導被試做出選擇的假設屬性是“大、白、X、右”中的一個。第二次被試做選擇后，我們可以推測被試假設屬性為“X、白”中的一個。從被試第三輪和第四輪的選擇中我們可以推測被試預測主試的假設是“白”，以及被試確實進行了理性思考。與之相對的b中的被試做的選擇，很顯然在第三輪和第四輪實驗中放棄了理性推理，做了非假設反應。

圖2 假設考驗的基本推理過程

Levine的實驗特點在于將4對實例（刺激）作為一組，對被試進行多組實驗。在組內(nèi)實驗過程中，主試對被試的反應不反饋。如果沒有外在的反饋，那么實驗過程中被試沒有其他依據(jù)來改變他自身的假設，只能自行完成推導。主試僅在組間對被試反饋，即在第1、6、11和16次實驗中給被試，其目的在于既使被試能有足夠信息來推理，又能直接推測被試的假設考驗行為。BTP的整個實驗過程如圖3所示。如果被試做了最優(yōu)推理，那么在得到第一次反饋后，就能從8個可能的假設中排除4個；在第二次反饋后又排除2個；第三次反饋后得到一個正確的假設；第四次反饋則能夠?qū)僭O進行驗證。

圖3 BTP的16次實驗程序

從圖1到圖2，學習者很容易理解其機制。但是，從圖2到圖3，學習者將感覺到理解困難，因為學習者需要同時從主試和被試兩種角度來學習實驗。而該實驗的難點就是在于如何理解為什么要為被試提供刺激但是不給反饋，以及如何從被試的外部反饋推測出其內(nèi)部的推理過程。由于BTP曲折的機制和復雜的設計過程，教學過程中發(fā)現(xiàn)對于上述實驗過程只通過文字和圖片的解釋，相當一部分學習者難以清晰理解。

二、本游戲設計的關鍵要素

教育游戲應當立足于教育問題的解決和教育的改進，從教育的角度思考游戲的設計和開發(fā)。下面主要從情景設計、游戲類型選擇、錯誤指導系統(tǒng)等三個關鍵要素來討論。

(一)情景設計

游戲是由復數(shù)場景構成，教育游戲?qū)W習相對于傳統(tǒng)教室學習的一個優(yōu)點在于可以自行設計場景，為學生提供學習知識的情境，也能讓學習者將學到的復雜知識馬上投入應用，促進體驗式學習的進行。在游戲設計中，需要思考哪種情境下更能促進學生學習。Squire認為設計教育游戲需要思考在什么情況下，學習學科知識才最令人投入[5]。他認為學習工程知識的情景如果設置在一條需要馬上逃出以求生的外太空飛船上，學生能激活最大興趣。

本研究為游戲者設計了位于未知世界的5個場景，學生需要探索街道和目標房屋內(nèi)的不同樓層，并不斷解開場景中的謎題來了解整個世界，尋找回家的道路。如圖4所示，左邊是游戲中大街的場景，右邊是房屋內(nèi)二樓的場景。

圖4 游戲場景圖

(二)游戲類型選擇

游戲類型選擇主要考慮三個因素：游戲者的游戲偏好、游戲者先前經(jīng)驗和學習內(nèi)容。根據(jù)對游戲類型的偏好，游戲者有多種類型。已有研究提出當進行的學習活動與個人特質(zhì)一致時，學習者會自動產(chǎn)生興趣體驗[6]。“問題解決者”是這樣一種的類型：深入思考游戲，依照游戲的普遍規(guī)律來尋找一個問題的解決方法，其需求是智力挑戰(zhàn)[7]。考慮到我們對游戲者(學習者)的期望，采取適用于“問題解決者”游戲類型的設計。本游戲主要采取探索世界和特定情境下的解謎為主的游戲模式，并根據(jù)需要穿插服務于其他游戲者類型的系統(tǒng)設計，比如一些動作操作。

由于游戲者的游戲狀態(tài)與對游戲的先前經(jīng)驗有關，先前游戲經(jīng)驗豐富的游戲者與很少玩游戲的游戲者在游戲環(huán)境中在學習績效、對任務困難度的感知和學習體驗不一樣[8]。新手玩家可能在游戲化學習環(huán)境中遇到更大的困難，這使得他們的學習績效和感知都較弱[9]。因此，新手玩家喜歡比自身實際技能更容易的游戲，而有經(jīng)驗的游戲者則喜歡游戲具有更多本身的挑戰(zhàn)，并對在游戲中戰(zhàn)勝失敗有更大的耐心[10]。考慮到本研究面向?qū)W習者的游戲經(jīng)驗差異較大，已調(diào)查人群中絕大多數(shù)使用者僅具有少量游戲經(jīng)驗。因此，游戲在操作上應當盡量簡化，并能有豐富的提示。考慮到BTP實驗所包含的概念數(shù)量多、實驗具有可重復性、實驗材料以視覺刺激性為主，實驗機制本身雖然步驟復雜，但是實驗過程的操作是簡單的。游戲的動作操作需求小，但內(nèi)容與情境結合需求大，可以選擇重視內(nèi)容設計的游戲類型進行設計。

因此，本研究在設計教育游戲時選擇了對游戲者先前游戲經(jīng)驗的要求最低、具有豐富劇情和情景、弱化操作的AVG游戲類型。AVG游戲具有角色扮演的性質(zhì)，側重于文字劇情和謎題的結合，容易將學習的內(nèi)容和游戲的劇情結合起來，游戲者對文字與劇情的關注度是所有游戲類型中最高；專注問題解決，游戲進程通過解密和問題解決推進；操作要求很低，沒有戰(zhàn)斗、技能、屬性調(diào)配等因素的干擾，只需要鼠標點擊完成。

(三)錯誤指導系統(tǒng)

教育的一個目標是幫助學習者在失敗時知道為什么，以避免再犯相同的錯誤。教育游戲需要提供幫助學習者反思的支持體系[11]。那么游戲系統(tǒng)應當為學習者提供失敗時的指導系統(tǒng)。如果沒有教學指導，游戲者容易在游戲過程中陷入無意義的機械試錯中，這個過程不僅可能消耗大量時間，也可能累積起大量的挫折感和無聊感。設計者需要幫助游戲者(學習者)知道為什么他們失敗了。因此，本研究附加了錯誤指導系統(tǒng)，當學習者挑戰(zhàn)失敗的時候，都能選擇是否接受教學指導，得到解密線索(教學指導)再進行挑戰(zhàn)。當然，學習者也可以跳過指導，直接重新開始。

三、基于空白實驗法的教育游戲設計

教育游戲的根本立足點在于教育，應當將教學設計置于先行位置，先對空白實驗法本身的知識結構進行分析，然后針對游戲進行設計和開發(fā)。

(一)空白實驗法的知識結構分析

在這個實驗中，所有的知識點可以被分成三個類型，即陳述性知識、程序性知識和策略性知識。表1呈現(xiàn)了這部分內(nèi)容的主要知識點和類型，并標注了各知識點的難度等級。

表1 空白實驗法實驗內(nèi)容的主要知識點和類型

(二)空白實驗法游戲的設計結構要素

游戲命名為“心理迷蹤”。考慮心理學常給人的固有印象與本實驗的性質(zhì)，背景為未知架空場景，帶有科幻色彩，略為壓抑的環(huán)境風格。主要游戲模式為探索、交流、解密。游戲故事主線描述如下：

主角在某天醒來時，發(fā)現(xiàn)自己處于一個熟悉又陌生的地方，這個地方所有人與物都只有陰影的輪廓，沒有倒影。只有主角自己是形象清晰的，但是他沒有自己的影子。指導者華生出現(xiàn)說明情況，希望主角能幫助那個世界脫離現(xiàn)狀，拯救世界。主角完成一系列任務，解開謎題，最后成功拯救世界，回到自己世界。

游戲中一共有三個角色，分別包括：(1)主角：學習者與冒險者；(2)指導者和助手：華生（使用這個名字考慮兩點：這是一位著名的心理學家，也是一部著名偵探小說中的一位主要人物）；(3)對手：Levine.Matine，名字來源于BTP實驗的設計者，在這里設定為雙重人格者，需要等待主角的拯救。這幾種命名法除了希望游戲者能對實驗的設計者有一定的印象，也能增加游戲者的參與感與存在感。

游戲中共設置了11個結局，其中有9個失敗結局，2個是成功結局。通過抵達不同的結局來對學習者的學習過程給予評價。如果游戲者解決了所有的謎題并且在完成任務中失敗次數(shù)不超過3次，會進入成功結局1。如果在游戲中失敗次數(shù)超過3次，會給出鼓勵評價，進入成功結局2。如果游戲者選擇錯誤或者挑戰(zhàn)關卡失敗，游戲者將進入失敗結局。

具體游戲流程如圖5所示。每個關卡對應一個具體的學習任務，進入關卡前的游戲部分是探索信息（學習基礎概念）的時間。關卡與學習內(nèi)容對應如表2所示。

圖5 BTP游戲流程圖

表2 空白實驗學習與游戲內(nèi)容對應表

續(xù)表2

(三)空白實驗法游戲的開發(fā)技術路線及游戲情景案例

本研究使用吉里吉里Krkr游戲制作軟件進行游戲開發(fā)，這是一款由W.Dee所開發(fā)的用于制作AVG游戲的制作工具，與NScripter并稱為兩大同人游戲工具。程序本體采用GPL許可證，使用者可以免費使用其進行開發(fā)。底層使用類似JAVA的面向?qū)ο箝_發(fā)語言TJS(由開發(fā)者本人自定義的程序語言，目前版本為TJS2)，使用者使用該語言定義的一套命令語法KAG3進行編程。缺點是沒有圖形界面，沒有編程基礎的初學者不易上手。優(yōu)點是支持大量格式的圖像和音樂，使用最簡單的文字編輯器(如記事本)即可以直接編寫包含劇本的程序，整個體系架構清晰，文件易于管理。可擴展能力強大，即如果制作者有一定的編程基礎，可以利用TJS底層語言自行擴充游戲功能，甚至可以制作RTS游戲。圖6為游戲的一些信息提示和解謎的主要界面。

圖6 游戲中的部分場景圖

四、總結與建議

本研究在游戲開發(fā)完成后，先在未選修這一課程的研究生（18人）中進行了試用，并根據(jù)反饋意見對游戲進行了程序上的調(diào)整。游戲者在游戲之前閱讀《認知心理學》課本中的空白實驗法部分大多都表示難以理解，在平均經(jīng)過20-30分鐘的游戲操作后，并只需閱讀5分鐘左右時間即可理解這一復雜的實驗。而對選修過這一課程的學習者的訪談調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學習者需要花費1小時到1.5小時才能理解該部分內(nèi)容。這一點來看，該游戲節(jié)約了大家的學習時間，提高了學習效率。在上述的試用過程中，有17人反饋游戲比較有趣，僅有1人先前游戲經(jīng)驗豐富的學習者表示游戲比較簡單，他提出應給游戲中的人物加上配音，以增加游戲的沉浸感，在學習上也符合梅耶的多通道理論。總體來看，該游戲比較好地做到了把教育內(nèi)容、知識學習和游戲娛樂等結合在一起，也即體現(xiàn)了“教游相融”的設計理念，取得了較好的學習效果。

本研究所開發(fā)的游戲特色還在于游戲過程中，在游戲者犯錯時會提供其即時反饋和指導。但是考慮到嵌入游戲的評估系統(tǒng)[12]的研究成果，在未來將進一步細化與學習內(nèi)容相關的評估反饋環(huán)節(jié)，以更細致地追蹤學習者的學習路徑，判斷學習者的學習程度。《認知心理學》課程中還有較多類似的復雜實驗，為此我們對于相關心理實驗游戲的設計與開發(fā)，提出以下建議：

(一)任務設計需要多樣化，并要處理好不同關卡的難度分配

要想做到“教游相融”，在游戲任務的設計上需要做到多樣化、情景化，減輕認知負荷。本研究也采用了鏈狀任務設計和情境化任務設計[13]。將學習內(nèi)容知識點設計成多個關卡任務，每個關卡任務不僅在學習內(nèi)容具有遞進關系，在游戲的敘事上也具有遞進性。

對于任務設計，還需要注意的是任務（關卡）難度的跨度。根據(jù)流體驗理論，當游戲者(學習者)面對挑戰(zhàn)時，他們總是在三種精神狀態(tài)中來回跳躍，即沮喪、流、厭倦。如果學習者的能力水平比挑戰(zhàn)所要求的高，學習者將會感覺到厭倦；如果學習者的能力水平比挑戰(zhàn)所要求的低，他們將感到沮喪；只有當個體的技能與任務的挑戰(zhàn)相匹配時，個體才會經(jīng)歷流體驗[14]。由于個體的技能會逐步提高，所以任務的挑戰(zhàn)難度也必須隨之增長。因此，需要合理調(diào)節(jié)游戲任務的難度，在感覺難度跨度過大的任務情境中，需要增加輔助者的教學和提示。本研究中，由于空白實驗法本身的難度，在關卡1和關卡2的挑戰(zhàn)前都加入了教師問題解決演示和簡單問題重復測驗來降低難度。游戲也提供了隨時讀取先前存檔和使用鼠標中鍵回滾即可讀取已經(jīng)過場景的文本記錄兩個功能。

(二)通過劇本、謎題、人物設定等來保證游戲的娛樂性

以AVG游戲的類型來說，保證其娛樂性的要點在于劇本的編寫、謎題的設計、人物設定有趣。本游戲的開發(fā)遵循冒險游戲劇本的常規(guī)劇情路線，即主角受到召喚、接受任務、挑戰(zhàn)與成長、打倒對手、獲得勝利。關卡謎題經(jīng)過包裝，將實驗過程改編為啟動電梯、與對手的心理戰(zhàn)、解開密碼鎖等情境任務，盡可能保證游戲任務和情境對于游戲本身的敘事也是有意義的，而不是強行嵌入的學習任務。游戲設計也應當盡可能包含情感因素，這也能提供給學習者更好的沉浸感受。學習者不是在與冷冰冰的程序在玩，而是作為一個角色進入到故事中經(jīng)歷一段旅程。因為盡管最后的結局只有兩個，但是豐富的路徑選項可以盡可能地讓游戲者個人感覺到自己的選擇是自由的。

(三)分配好每一階段的游戲時間

關注時間和學習效果之間的關系可以發(fā)現(xiàn)：超過一定時間的學習，效率會隨著時間的延長而遞減。因此，對于教育游戲來說，一口氣玩遍整個游戲而沒有間斷對學習效果來說并不是最優(yōu)選擇。我們需要精心設計每個學習階段，保證能在適當?shù)臅r間打斷學習者。如果積累了一定的疲勞度，則建議游戲者能暫時中止游戲，休息過后再回來。這樣，學習者就能對學習一直維持一個相對較高的關注。

[1][3]安福杰.基于需要層次理論的教育游戲激勵機制研究[J].中國電化教育,2013,(3):96-100.

[2]Mihaly Csikszentmihalyi & Isabella Selega Csikszentmihalyi.Optimal experience:Psychological studies of flow in consciousness [M].Cambridge:Cambridge University Press,1992.

[4]王甦,汪安圣.認知心理學[M].北京:北京大學出版社,2008.

[5]Squire K.Video games in education [J].Int.J.Intell.Games &Simulation,2003,2(1):49-62.

[6]范寧,左靖,錢玲.教育游戲中興趣體驗的激發(fā)與維持策略[J].中國電化教育,2011,(8):73-76.

[7]Neal Hallford,Jana Hallford,陳洪等.劍與電:角色扮演游戲設計藝術[M].北京:清華大學出版社,2006.11-16.

[8][9]Orvis K A,Horn D B,Belanich J.The roles of task difficulty and prior videogame experience on performance and motivation in instructional videogames [J].Computers in Human behavior,2008,24(5):2415-2433.

[10]Ryan R M,Rigby C S,Przybylski A.The motivational pull of video games:A self-determination theory approach [J].Motivation and emotion,2006,30(4):344-360.

[11]Wolf M J P.Assessing Interactivity in Video Game Design [J].Mechademia,2006,1(1):78-85.

[12]魏婷,李馨,趙云建.美國教育游戲研究發(fā)展新動向——威斯康星大學麥迪遜分校Kurt Squire教授訪談[J].中國電化教育,2014,(4):1-5.

[13]楊麗,姚曉蘭.教育游戲中“教游相融”的設計策略研究[J].中國電化教育,2011,(6):81-84.

[14]E.M.Pilk.Flow experiences in information technology use[J].Human-Computer Studies,2004,(61):347-357.