基于教育神經科學的數學游戲設計研究

裴蕾絲　尚俊杰等

摘要：教育游戲是指專門針對特定的教育教學目標而設計開發的游戲。關于教育游戲的設計，不僅要重視游戲形式和過程的趣味性，更要強調游戲內容和方式的科學性，當二者實現了有機融合，才能真正達成寓教于樂的最終目標。教育神經科學是學習科學的最新發展階段，先進的腦成像技術和設備讓基于腦的學習研究變為了現實，經過多年的發展，已經積累了大量的研究成果。該文以數學游戲設計為例，先對數學學習相關的教育神經科學研究進行梳理，再對經典數學游戲《The Number Race》如何將腦科學成果轉化為游戲設計方案進行深入分析，最后在此基礎上提出了四條教育游戲的發展建議，希望未來的教育游戲能在教育性和游戲性的設計上有更進一步的發展。

關鍵詞：學習科學；教育神經科學；教育游戲；游戲設計；數學學習

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

20世紀五六十年代，一場席卷全世界的“認知革命”催生了以“心智及其產生過程”為研究核心，以心智哲學、認知心理學、認知語言學、認知人類學、人工智能和認知神經科學為六大研究方向的認知科學（Cognitive Scienee）。在這個具有劃時代意義的事件影響下，學習科學（Learning Sciences），這一與心智研究密切相關的領域，也同樣經歷著巨大的顛覆與重塑——從第一代符號加工范式到第二代具身認知范式，人們對學習的理解不再局限于個體的內部，而是將學習的過程作為個體與情境共同作用的結果。隨后，教育神經科學（Educational Neuroscience）的出現將學習科學推進到了一個新階段。通過認知神經科學的技術方法，尤其是將各類腦成像技術與行為研究相結合，科學家實現了將人類行為、認知功能和腦結構對應起來研究的夢想，也讓人們對教與學過程有了重新認識。經過多年發展，教育神經科學已經在語言學習、數學學習、情緒發展等方面積累了豐碩的研究成果，未來也必將會成為變革教育的重要力量。

教育游戲（Educational Game），這一以“寓教于樂”為核心理念的新興教學形式，近些年來逐漸受到了社會各界的關注與認可。截至目前，已經有大量的教育實證研究，證明了教育游戲對提高學業成績的有效性，認為教育游戲可以激發學生的學習動機并促進學生高階思維能力的發展。然而，由于學科壁壘的存在，教育神經科學中與學習相關的前沿知識，還未在教育游戲設計中得到廣泛應用，教育游戲市場也因此良莠不齊，令人擔憂。面對這一窘境，本文試圖從教育游戲設計和數學學習出發，以《The Number Race》游戲為例，探討如何有效地將教育神經科學的研究成果轉化為教學實踐中游戲設計方案，并以對教育游戲設計的未來發展提出了一些建議。

二、教育游戲的定義及現狀

（一）概念辨析

教育游戲最早起源于20世紀80年代美國一些學者對電視游戲教育價值的研究。之后，隨著電腦游戲的普及，教育游戲才逐漸為人所熟知，直到90年代后期，教育游戲的設計、開發和應用才受到社會各界的廣泛關注。最近十年，隨著“寓教于樂”觀念的不斷深入，教育游戲已經成為教育技術領域重要的研究方向——在新媒體聯盟2011至2015年發布的《地平線報告》中，“基于游戲的學習”“游戲和游戲化”和“數字徽章”等一直被列為“未來會影響教育的新技術”，由此可見教育游戲的學術和市場價值。

在不同歷史時期，一些與教育游戲概念類似的術語也同時存在著，如嚴肅游戲（Serious Games）、寓教于樂（Edutainment）和輕游戲（Light Games）。嚴肅游戲是視頻和電腦游戲的一種，雖然具有游戲的外觀與設計元素，但其目的并不是純粹的娛樂，而是在為使用者提供一種游戲體驗的同時，訓練并教育使用者。寓教于樂有廣義和狹義兩種理解方式：在廣義上是指“任何與教育相結合的娛樂形式”；在狹義上是指“面向幼兒和低年級兒童，依賴于多媒體視覺材料和敘事方式，以較少的說教形式，提供更多非正式學習機會”。輕游戲是針對教育游戲在課堂教學應用中遇到的諸多問題而提出的一種解決方案——游戲既要與課堂教學內容保持高度一致，又要具備游戲的一些核心特征，還要能很容易地應用在課堂教學環節中。與教育游戲關系密切的另一個關鍵詞是游戲化學習（Game-based Learning），在教學實踐中主要以兩種形式存在：一種是在學習活動中應用游戲，即借助各類游戲輔助學生學習；另一種是將學習活動設計為游戲，即利用游戲化的元素將傳統的學習活動轉變為游戲活動。相比而言，游戲化學習重在強調學習方式，教育游戲重在強調游戲本身，是實現游戲化學習第一種形式的關鍵。

基于此，本文認為，教育游戲是指專門針對特定的教育教學目標而設計開發的游戲，它通過將教育性和游戲性結合在一起的方式來激發學習者的學習動機，提高學習的參與程度，從而實現讓學習者在心流（Flow）的愉悅體驗中達成既定的學習目標。根據游戲實現技術的不同，教育游戲大致可分為非電子的傳統教育游戲和電子教育游戲兩大類。本文關注的主要是電子教育游戲。

（二）現狀與問題

事實上，教育游戲的實證研究已經十分普遍，其教育價值已經受到越來越多教師和家長的認可，也有越來越多的游戲公司開始關注教育游戲設計，如啟點教育的《悟空識字》系列、葡萄科技的“葡萄探索號”系列，以及完美世界的《洪恩識字》系列等。研究表明，設計精良的教育游戲不僅能夠激發學生學習的內在動機，還能更有效地培養學生的創造力和協作能力。根據內容和形式不同，教育游戲大致可分為三類（如下表所示）。

由于規則簡單等特點，操練式的輕游戲已經成為課堂游戲的主流，但仍存在諸多問題，比如教育性和游戲性結合不緊密、與國家課程有些脫節等。此外，絕大多數操練式的輕游戲還存在一個嚴重的問題，那就是其“反復練習、以量取勝”的變相應試屬性，這一現象在數學游戲中更加普遍。使用這類數學游戲，不僅不能激發學生的學習動機，還可能使學生采用錯誤的方法學習數學（如死記硬背），長此以往，將會阻礙學生真正數學能力的形成。因此，如何從根本上改變操練式輕游戲的應試屬性，讓學生更科學地學習和練習，值得深思。

三、教育神經科學的定義與內涵

（一）概念辨析

教育神經科學是將神經科學、心理學、教育學和機器學習整合起來，研究人類教育現象及其一般規律的新興交叉學科，是一門新的學習科學（the New Science of Learning）。由于學科內涵的復雜性，世界上很多研究組織也使用其他術語來代指該學科，如“心智、腦與教育”（Mind，Brain and Education）、“神經教育學”（Neuroeducation）、“腦與學習”（Brain and Learning）等，但“教育神經科學”和“神經教育科學”在國際上具有更高的認可程度。

“教育神經科學”一詞最早由美國哈佛大學Jeanne S.Chall和Allan F.Mirsky教授于1978年提出，目前已經被經濟合作與發展組織（OECD）、聯合國教科文組織（UNESCO）、美國國家教育研究學會（National Society for the Study of Education）、美國教育研究協會（AERA）、美國國家科學基金會（NSF）等權威機構廣泛應用在學術期刊、國際會議和專業課程名稱中。“神經教育學”一詞在學界也頗具影響力——2017年4月27日，中國認知科學學會神經教育學分會成立大會暨首屆學術研討會在江蘇南京舉行，來自教育學、心理學、認知科學及人工智能等多個領域的近百位專家學者參加了大會，會議選舉中國工程院院士、前教育部副部長韋鈺任咨詢委員會主任，東南大學生物科學與醫學工程院院長顧忠澤教授任理事長，足見其重要性。相比而言，“教育神經科學”強調整合教育學的神經科學，更重視新的教育規律的發現，而“神經教育學”則更側重將基礎研究中發現的規律應用于解決教育的實際問題中。

雖然側重點有所不同，但作為研究領域來看，兩者的研究內容和方法并無本質差異，目前的學術刊物也經常將兩者作為同義詞使用，因此本文對二者不作區分。

（二）內涵與發展

教育神經科學的興起，離不開20世紀90年代的“腦的十年”計劃（Decade of the Brain），腦成像技術和認知神經科學的快速發展，使得從腦水平上研究學習過程成為可能。1999年OECD啟動了“學習科學與腦科學研究”項目，為教育研究人員、教育決策專家和腦科學研究人員之間密切的跨學科合作架設起了橋梁；2003年11月“國際心智、腦與教育協會”（International Mind，Brain and Education Society）成立，成為促進認知科學與教育實踐跨界合作的重要一步，由該協會主辦的《Mind，Brain and Educmion》也于2007年正式創刊，成為該專業領域第一個SSCI學術刊物。之后，隨著世界各國政府的重視和大力支持，教育神經科學相關的研究機構紛紛成立，如美國NSF斥巨資建立的6個學習科學中心（Science of Learning Center）；與此同時，國際知名大學也開始籌建教育神經科學相關的專業與實驗室，如美國哈佛大學教育研究院的教育神經科學實驗室、斯坦福大學的腦科學跨學科研究中心、英國牛津大學的心智的未來研究所、加拿大西蒙·弗雷澤大學的數學教育神經科學實驗室等，我國也成立了包括北京師范大學腦與認知科學研究院、東南大學兒童發展與學習科學教育部重點實驗室、華東師范大學教育神經科學研究中心等在內的研究機構。

作為連接心智、腦與行為的橋梁，教育神經科學經過多年發展，其研究內容和方法體系逐漸成形。截至目前，教育神經科學的主要研究內容可以歸納為以下四類（1）腦的功能結構與發展研究，包括腦的主要結構和功能分區、腦的關鍵期和敏感期、腦的可塑性等；（2）語言學習研究，主要涉及語言功能的腦結構基礎、語言發展的敏感期、腦的讀寫能力與發展性讀寫障礙等；（3）數學學習研究，主要包括數學能力的腦結構基礎、嬰兒計算和計算障礙等；（4）情緒發展研究，著重研究情緒對學習過程的作用，如情緒對注意力和問題解決能力的影響。在研究方法上，教育神經科學采用腦成像技術（如功能性磁共振技術fMRI、功能性近紅外光譜技術（NIRS等）與行為研究相結合的方法，既使用認知神經科學的方法，在實驗室里研究學習的基礎機制、挖掘新的學習規律與知識，同時也注重使用行為測量的方法，在實際教學問題中開展轉化和實踐研究，為制定更有效的教育政策和實踐方案提供科學依據。在未來，隨著教育神經科學的研究成果在學校教育中更加深入地應用，與該領域相關的腦成像儀器和裝備的研制也將會成為一個重要的研究內容，促使傳統的教育測量與評價方法實現科學化與個性化的轉變。

綜上，脫胎于認知神經科學的教育神經科學，已經成為推動學習科學邁向發展新階段的動力源泉。在超學科特征體系下，匯聚多方智慧的教育神經科學，勢必會成為變革傳統教育教學觀念和方法的中堅力量，需要特別引起教育各從業者的關注。

四、數學學習的認知與腦研究

數學是研究數量關系和空間形式的科學，是人們參與現代生活的基本能力，也是教育神經科學的研究重點。在《義務教育數學課程標準（2011年版）》（以下簡稱《標準》）中，我國明確提出了學生應該具備的10個數學核心素養，分別是數感、符號意識、空間觀念、幾何直觀、數據分析觀念、運算能力、推理能力、模型思想、應用意識和創新意識。在《標準》規定的四部分課程內容中，“數與代數”是學生最先學習的模塊，也是學生日常生活中應用最多的內容，涉及的核心數學素養主要有三個，即數感、符號意識和運算能力，這三個核心素養在數學認知與腦研究中對應的概念主要集中在數量加工能力。那么，大腦究竟是通過怎樣的工作機制，來完成“數與代數”學習的呢？

（一）腦機制研究

與其他認知加工不同，數量加工能力是先天就有的，不具備語言能力的動物和人類嬰兒在剛出生時便具有識別數量的能力（不超過4）。研究表明，老鼠、猴子等動物，在經過一系列有獎勵的訓練后，也能區分出數量的不同，甚至可以把阿拉伯數字與具體的物品數量聯系在一起，而6個月大的人類嬰兒也已經具有了基本的數量辨別能力。這些研究駁斥了以瑞士心理學家讓·皮亞杰（Jean Piaget）為代表的經驗學派的錯誤觀點，即認為人類的數量概念并非天生就有的，而是建立在感覺經驗基礎之上的。

人類的數量加工能力主要來自于大腦的頂葉（Parietal Lobe），尤其是雙側頂內溝（Bilateral Intra-Parietal Sulcus）區域，這里是產生數感、進行符號（阿拉伯數字、言語數詞）或非符號（如，點陣、實物集合）數量比較、完成計算等“數與代數”任務的核心區域。研究表明，正常人在數字識別、數量估計等數學任務中，大腦的頂內溝區域都出現了明顯激活；計算障礙（Dyscalculia）患者，一般都會伴有頂葉的損傷、頂內溝灰質密度減少以及激活水平低于常人等問題，再次證明了雙側頂內溝區域是執行數量加工的關鍵。進一步研究還發現，左右頂葉在數量加工任務中所起的功能并不一樣——右頂葉與理解基本數量概念的任務密切相關，如非符號的數量比較任務，以及只需要區分數量大小和關系的任務；當任務需要精確數量表征和更多操作步驟時，如數字比較和計算，左頂葉就會與右頂葉一起完成任務。此外，研究還發現，由于頂葉與空間認知能力也密切相關，人類對數量的表征和加工其實會受到心理數軸的影響——不同的數量在心理數軸上從左到右按照從小到大的順序依次排開，這種數量與空間映射關系對人們的近似數量估計和比較會起到重要作用。

雖然，雙側頂內溝對數量加工能力起著至關重要的作用，但完成數量加工的相關任務并不是僅依靠頂葉。在要求更高復雜度和精確度的任務中，頂內溝還需要與其他腦區結構相互配合。在精確數量任務中，負責語言功能的腦區會顯著激活，比如左外側裂語言區（Left Perisylvian Language Areas，包括Broca區和Werniekes區）和左側角回（Left Angular Gyrus），它們在需要語言參與的數學任務中，如數量命名、四則運算、計算知識的記憶和提取等，發揮著重要作用。額頂葉神經網絡（Fronto-parietal Network）連接度的強弱和連接方式也會顯著影響學生采用的數量加工的方法，比如母語是英文的人更多依賴語言功能，而母語是中文的人在完成同樣任務時則會更多使用視覺空間能力（Visuo-spatial Processing）。此外，大腦邊緣系統中的海馬體（Hippocampus）在數量加工中也扮演重要角色，通過將常用的數學知識編碼在長時記憶里，可以極大地減少執行任務時前額葉的工作量，從而優化解題策略、提升任務準確度。

可以說，數量加工的腦機制是由雙側頂內溝與其他相關腦區共同完成的。其中，雙側頂內溝是核心，是形成先天初始數量加工能力的基礎；其他相關腦區是后天進一步學習和發展數量加工能力的關鍵。兩者在“數與代數”學習中都十分重要，任何一個結構或連接出現損傷，都可能影響學生整體的數量加工能力。

（二）數量認知加工模型

構建數量認知加工過程的理論體系，是科學家們幾十年來孜孜不倦的追求，期間曾提出了多種理論模型，如圖表搜索理論模型（Table Search Theory）、網絡提取理論模型（Network Retrieval Theory）、聯結分布理論模型（Distribution of Association Theory）和McCloskey的抽象表征模型等。這些早期的理論模型雖然能解釋數量認知加工中的某些問題，但卻不能完全解釋個體數量加工的腦機制特點。隨著現代腦成像技術的發展，由Stanislas Dehaene教授提出的三重編碼模型（Triple-code Model，簡稱TCM），取得了越來越多實驗研究的支持，成為目前被廣泛接受的理論模型。

三重編碼模型（如下頁圖1所示）認為，數量認知加工能力的核心由三部分構成，每部分又分別與不同的編碼類型對應。也就是說，大腦在完成數量加工任務時，會涉及三種不同的編碼來表征數量，分別是模擬數量編碼（Quantity System，數量的非言語符號編碼，用以表征數量之間的大小和距離）、聽覺言語編碼（Verbal System，數量的言語編碼，用數量詞匯的發音和語義來表征數量，如中文里的“一、二、三”和英文里的“One、Two、Three”等）和視覺阿拉伯數字編碼（Visual System，數量的數字符號編碼，將數量按規則表征為一系列阿拉伯數字串）。

這三種數量編碼需要不同的腦區功能參與：模擬數量編碼主要由位于頂葉的雙側頂內溝參與完成，這里是產生數感的核心區域，是理解數量意義、執行數量比較和估算的關鍵；聽覺言語編碼需要外側裂以及左側角回的參與，左側角回位于頂葉、枕葉和顳葉的聯接區，在大腦語言加工中起著重要作用，可將數量以可聽、可讀和可寫的文字形式表現出來，是執行精算、數數以及數學知識記憶和提取的重要結構，比如記憶乘法表等；視覺阿拉伯數字編碼則依靠下頂——顳葉區和后上頂葉區，前者是感知和傳達數字符號的關鍵，負責數字操作、奇偶判斷等認知功能，后者是大腦完成視覺空間任務的核心區域，當進行數字的進退位加減法時，下頂葉會顯著激活。

如前所述，數量加工任務的執行需要多個腦區協同參與。同樣，這三種編碼之間也是相互關聯而非獨立存在的，這一點在對計算障礙兒童展開大量研究后得以基本證實。研究發現，數量加工障礙的形成可能是由數字模塊缺陷（The Defective Number Module Hypothesis）和數量通達缺陷（The Access Deficit Hypothesis）這兩個主要原因引起：數字模塊缺陷是指先天用來識別和加工基本數量的能力發展異常，導致理解數字概念和問題產生困難，即由雙側頂內溝發育缺陷導致的模擬數量編碼出現異常；數量通達缺陷則是在數字符號與數量轉化的過程中出現通達問題，即聽覺言語編碼和視覺阿拉伯數字編碼在轉化為模擬數量編碼時出現問題，而非數字模塊自身缺陷導致。

以上結果進一步說明，數量認知加工是一種十分綜合的能力。要想提高這一能力，不僅要熟練掌握每一種數量表征編碼，還要能流暢地在不同編碼之間實現相互轉換。

五、基于教育神經科學的數學游戲案例分析

The Number Race游戲是Stanislas Dehaene教授帶領團隊基于Java環境設計和開發的一款支持多平臺運行的數學電子游戲，游戲第一以玩家和電腦之間的角色競爭為故事藍本，不僅可以幫助計算障礙兒童，還可以促進早期正常兒童的數學學習。該游戲經過一年籌備，于2006年完成開發并實施了第一次教育實驗研究，啟動界面如圖2所示。

該游戲的核心設計者Stanislas Dehaene教授是享譽全球的腦科學家。目前，他不僅是法國科學院院士、比利時皇家科學和藝術學院院士、美國科學院外籍院士、法蘭西公學院（Coll e ge de France）教授、法國國家健康與醫學研究院fINSERM）認知神經影像組主任，還擔任了歐洲腦計劃（EU Human Brain Project）中認知結構（Cognitive Architecture）大項目的負責人。早在1999年，Stanislas Dehaene教授就因在數學認知領域的杰出貢獻，成為最早被授予杰姆斯·S·麥克唐奈基金會（James S.McDonnell Foundation）百年紀念獎的十名科學家之一。到了2014年，他又與另外兩名教授一起被授予了有“神經科學領域的諾貝爾獎”之稱的Brain Prize獎。Stanislas Dehaene教授的研究領域包括知覺、數學和閱讀的腦認知機制，幾十年來積累了眾多高質量的學術成果，三重編碼模型就是由他提出的。

根據三重編碼模型，數學學習的核心是數量加工，數量加工障礙的形成主要由數字模塊缺陷和數量通達缺陷兩個原因引起。因此，The Number Race游戲的設計思路就沿著這兩條線展開，一是針對數字模塊缺陷，通過相關游戲任務設計，刺激學生雙側頂內溝的激活，從而提高學生的數感能力，即非符號的近似數量加工能力；二是針對數量通達缺陷，在數字模塊缺陷游戲任務之后，刺激言語和視覺的相關腦區，幫助學生建立和鞏固不同數量編碼表征之間的聯系。此外，該游戲還考慮了其他可以提高學生數學學習策略和動機問題。下面，本文將從以上三個方面出發，對The Number Raee的游戲設計進行剖析。

（一）針對數字模塊缺陷的游戲任務設計

數字模塊缺陷是引發數量加工障礙的首要因素，The Number Race也因此將提升兒童的數量表征能力或數感作為游戲設計的出發點。根據三重編碼模型，人類最基礎的數量加工能力就是非言語符號的近似數量加工能力，即便是后天學習言語符號的數量加工，也是以先天非言語符號為基礎。在此理論的指導下，該游戲設計了兩類游戲任務，以幫助學生彌補數感方面的不足，分別是數量比較任務和數量與空間的映射任務。

在數量比較的任務中，玩家需要做的是比較兩堆寶藏的個數，并從中選擇數量最多的一堆寶藏，而未選擇的一堆則自動派給電腦玩家。這個任務主要是訓練學生對非符號數量的加工能力，游戲中學生將主要根據呈現圓點的多少，來判斷兩堆寶藏數量的多與少（如圖3所示）。為了讓學生清楚地理解數量的多少與圖形的大小并沒有必然關系，因此在不同的數量比較任務里，游戲設計者既考慮到了圓點大小相同條件下的數量比較（如圖3左所示），也考慮到了圓點大小不同條件下的數量比較（如圖3右所示）。通過學生的反復練習，來提高他們的數感，同時消除之前對數量這一抽象概念可能有的錯誤認識。

在數量與空間的映射任務中，玩家需要做的是將獲得的寶藏個數轉化成相等數量的行動步數，并在一條從左向右的數軸賽道上，依次將玩家和電腦角色的行動步數映射到數軸賽道正確的格子里。如圖4所示，玩家將獲得的兩個寶藏轉化為兩格行動步數，并從當前數軸賽道所在的位置開始向前移動兩格到達本輪應到的位置。為了讓學生在移動過程中更加明確每一步移動的數量意義，游戲設計者在呈現方式上采用了數量和空間數軸一一對應的方式（如圖4左所示），而且還用醒目的紅色在數軸賽道的下方標出在數軸賽道上移動的數量操作意義，即向前移動為加法，向后移動為減法（如圖4右所示）。在這種不斷的數量與空間數軸的映射訓練中，非符號的數量操作的本質含義便會被學生逐漸理解和掌握。

（二）針對數量通達缺陷的游戲任務設計

接著，是對數量通達缺陷展開的游戲任務干預。同樣根據三重編碼模型，數量的不同編碼間轉換也會對數量加工能力產生重要影響，因此要強化學生對數量不同編碼表征之間的聯系。在The Number Race里，游戲設計者主要是通過兩種方法，來幫助學生完成數量編碼間的有效聯結的：一個是在任務過程中，讓學生漸漸地過渡到只根據數字符號來完成任務；另一個是在任務完成后，會同時呈現三種編碼，來加強學生對同一數量不同編碼的聯系強度。

同樣是數量比較任務（如圖5所示），在游戲剛開始時，除了數字符號之外還會同時呈現相應數量的圓點來輔助玩家理解（如圖5左所示）。隨著游戲的推進，輔助玩家直觀理解數量概念的圓點將會逐漸消失，只呈現數字符號讓學生完成數量比較任務（如圖5右所示）。這種漸進式的游戲任務設計，即符合人類數量加工能力的發展規律，同時也強化了非符號和符號數量表征之間的聯結。

除了任務中的過渡設計，在玩家完成兩類游戲任務后，也適時增加了強化數量不同編碼方式間聯結的機會。如圖6所示，左邊呈現是完成數量比較任務后的情形，這時游戲屏幕的上半部分不僅會顯示由圓點代表的模擬數量編碼和阿拉伯數字代表的視覺數字編碼，而且玩家還能聽到不同數量的單詞發音，即聽覺言語編碼；同理，右邊呈現的是數字與空間映射任務完成后的情景，在玩家和電腦角色在數軸賽道上移動的過程中，不僅有圓點與數軸賽道上數字的對應，而且每次移動格子的數量也會被玩家聽到。這樣就十分容易地在游戲任務中為玩家創造了多次編碼間聯結的練習機會。

（三）提高數學學習策略和動機的其他設計

除了三重編碼模型外，該游戲也同時考慮了其他可以提高數學學習的設計，最為突出的兩點是數學學習的策略與動機。

在數學學習策略方面，主要是讓學生實現基本計算知識的概念化和自動化。對于基本的加減運算結果，學生除了要能完全理解計算的原理外，還要能漸漸熟練地記憶和提取常用的計算結果，從而用更高級的計算策略來替代低級的計算策略，如數手指。因此，游戲會在后期反復出現一些常用的加減法，并且增加時間指標，來幫助學生強化對這些計算結果的記憶精度和提取速度。如圖7所示，左邊表示在數量比較任務中，輔助玩家理解數量的圓點會逐漸消失；右邊的頂部增加了倒計時進度條，表示玩家需要在規定時間內做出數量比較的選擇，不然將由電腦角色先選。這些游戲元素的加入，迫使玩家在更短的時間內做出更準確的判斷，因而有助于促進學生在理解的基礎上，實現計算知識的概念化和自動化。

在強化數學學習動機方面，主要是為了讓學生能持續地在游戲中學習，這不僅對于普通學生很重要，對于計算障礙兒童更為重要。該游戲采用的是創造高頻率的正向獎勵機制，來增加學生的學習動機，這也同時減輕了學生在游戲過程中的數學焦慮。為了實現這一目標，游戲專門設計了自適應算法，確保每個學生在面對游戲中的每一個任務時，正確解答的概率均保持在75%左右。該算法的核心是構建一個n維的問題空間模型，先根據每個游戲任務的難度將其與問題空間中的點相對應，再根據之前的游戲表現，確定玩家當前能力水平在問題空間中的位置，最后將兩者比較以確定下一個游戲任務的具體難度和內容。

六、總結與建議

進入21世紀以來，日新月異的技術進步不僅沖擊著人們傳統的學習方式，也為人們深度思考與探索學習本質創造了新契機——伴隨著教育神經科學的出現，教育科學化進程也將會邁入一個嶄新的歷史階段。在新的教育研究理論和方法體系下，當前的教育游戲研究也應及時更新思路，從更高的站位設計教育性與游戲性，讓學習真正變得科學又有趣。

The Number Race游戲在一開始就突破了傳統課堂教學對教育游戲設計的束縛，真正從“人是如何學習的”這一根本問題出發，通過科學合理且層層遞進的游戲任務設計，幫助學生在正確且適合自己的學習路徑上，實現自身能力的提升。這種扎根于教育神經科學研究成果的教育游戲設計理念，是當前教育游戲設計中特別稀缺的要素，同時這也是教育游戲教育性的根本保障，必須引起相關研究者和從業人員的重視。從這方面看來，The Number Race這款游戲確實為新時代教育游戲的科學設計，提供了很多新的思路。或許，這將成為社會各界真正接受并認可教育游戲教育價值和效果的關鍵，因此本文提出以下建議：

（一）積極借鑒教育神經科學的相關研究成果

理論和方法的重大創新，往往都預示著新一輪領域變革的發生，對于教育也不例外。隨著教育神經科學的興起和不斷滲透，基于腦科學的教育研究成果，將會成為決定未來教育發展方向的重要力量。在這種趨勢下，教育游戲設計的理論基礎也必將受到前所未有的沖擊——人們不再會因為媒介形式的新穎而盲目追捧教育游戲，而會越來越多地關注教育游戲設計的科學性，比如，是否符合大腦的學習規律，是否真能激發大腦的學習動機等。就如The Number Race，游戲內容不再是傳統題海戰術式的隨機計算練習，而是真的根據大腦學習數學的機制，通過科學設置的游戲任務，逐步引導學生有效地跨越學習障礙；再如，北京師范大學腦與數學認知實驗室設計開發的《小豬收蘋果》游戲，也是通過訓練學生的數感來提高數學學業成績的。目前，教育神經科學已經在閱讀和數學學習上取得了諸多研究成果，如果能將這些成果合理地應用在語數外這三個傳統重點學科的教育游戲設計中，勢必會大幅提高當前教育游戲的科學性，并逐漸增強社會對教育游戲的信心，從而讓教育游戲真正入駐教育實踐，成為未來常規的學習與教學方式。

（二）大力推廣教育游戲自適應關卡設計原則

隨著社會物質財富的不斷積累，整齊劃一的學校教育體系越來越受到社會的詬病——以知識灌輸為特征的教學形式逐漸被世人所摒棄，取而代之的，是以人為本的核心素養教育新理念，強調賦予每個學生個性化發展的權力。相比之下，教育游戲設計的主流理念依然是相對滯后的，絕大多數教育游戲的關卡設置是固定不變的。也就是說，雖然不同學生玩家通過每個關卡所使用的方法可能不盡相同，但他們所經歷的關卡任務卻是完全相同的，這顯然無法滿足不同能力水平的學生需要。在這一問題上，The Number Race為未來教育游戲的關卡設置提供了很好的設計思路，那就是采用彈性的自適應關卡設計。借助計算機的超級運算特性，擁有自適應關卡設計功能的教育游戲，可以迅速為不同能力起點的學生自動生成恰到好處的關卡任務，從而讓不同能力起點的學生在游戲中都能獲得最適合自己的游戲闖關路徑，并最終實現更加平等的游戲教育結果。如果這種教育游戲形式得到普及，相信會惠及更多掙扎在學習困難邊緣的孩子們。

（三）重視采集教育游戲中的學生行為大數據

精準的自適應關卡設計，離不開新一代人工智能技術對教育大數據的充分挖掘和學習。在軟硬件技術飛速發展的年代，教育大數據的收集將不再局限于有限次數的紙筆測驗，并且隨著可穿戴設備的普及，數據的采集過程也將變得更加可信與多元。教育游戲，尤其是電子教育游戲，很好地繼承了信息技術在數據采集和處理上的便捷，學生在游戲中的每一步操作都能被客觀詳實地記錄下來，從而形成一個龐大的有關某個學習任務的學生行為數據庫。并且，隨著學生玩家的不斷涌入，該數據庫會不斷得到更新。從某種程度上講，這一數據持續積累的過程意義更大：一方面，相比于傳統教育或心理學測試，學生在教育游戲中的行為數據可能更接近自身的真實水平；另一方面，教育游戲可以同步進行數據的記錄與分析，這將大大提高數據應用的時效性和準確性。The Number Race游戲不僅涉及針對每個習題的難度系數計算，還會自動記錄每個玩家的在全部游戲任務中的實際表現情況，使得更科學地為玩家呈現游戲任務成為了可能。因此，教育游戲要十分重視游戲過程中的行為數據采集，這將會成為未來教育個性化實施和過程性評價的重要環節。

（四）把握好教育游戲教育性和游戲性的平衡

教育游戲是兼具教育性和游戲性的一類特殊游戲，在設計過程中，既要分別考慮兩種特性，還要做好兩者間的融合與平衡。但是，當前市面上的大部分教育游戲都很難達到這一要求。在教育性上，很多教育游戲僅僅是將課本習題進行重新的美術包裝，既沒有重視將學習科學相關的理論融入到教育內容的設計上，也沒有較清楚地定義教育游戲的使用場景，這就導致其在科學性和易用性上都比不上傳統的教輔資料；在游戲性上，很多教育游戲僅是簡單套用現成的游戲機制，并沒有根據其游戲的教育內容對機制進行優化調整，導致游戲的趣味性無法像制作精良的商業游戲那樣，能讓學生玩家持續投入。從這兩方面看，The Number Race在教育性上和游戲性上都有著更好地表現：第一，它突破了習題式的重復練習，學習科學中教育神經科學和大數據的加入，為游戲的科學性和有效性提供了保障；第二，游戲機制與學生的學習行為表現進行了深度融合，通過自適應關卡的設計，增強了學生玩家對游戲的控制感和興奮感。但稍顯遺憾的是，The Number Race游戲沒有考慮課堂教學的使用情境，因此游戲內容更適合學生的課后學習。如果未來能與課堂教學計劃一起通盤考慮，或將進一步拓展該教育游戲的適用范圍，畢竟教師在教育游戲的應用閉環中扮演著重要的角色。

在國家全面深化教育綜合改革的背景下，教育信息化已經成為解決教育改革“深水區”難題的重要途徑和方法。教育游戲作為教育信息化時代下的一種新型教育資源，其科學性、趣味性和有效性的實現，不僅需要傳統教育工作者和游戲設計師的合作，還需要借助其他新興學科的智慧和力量，尤其是教育神經科學和人工智能、大數據的理論與技術成果。相信，在不斷實現教育性和游戲性平衡的未來，教育游戲必將成為變革教育生態的重要力量。