中學物理教育游戲設(shè)計開發(fā)框架

文 張藍月 宋藝華

在中學教育教學中，許多教育游戲無意義、游戲設(shè)計簡單，無法實現(xiàn)學習目標，導致人們認為教育游戲玩起來不好玩或?qū)χС謱W習無效。[1]在中學物理教育的背景下，一些特定的限制可能會給教學教育游戲的開發(fā)和實施增加新的難度，特別是在物理課堂上學習新的、復雜的材料時可能會令學生畏懼，物理學通常也被描述為具有強烈數(shù)學傾向的難以理解的學科。以物理和科學為主題的教育游戲通常包含大量復雜的信息供學生在進行游戲時掌握，所以在游戲設(shè)計過程中應(yīng)考慮目標受眾以前的游戲經(jīng)驗，以確保所有玩家都能以相同的方式從教育游戲中獲得相同的技能和知識。鑒于游戲方式多元化，在固定的教室環(huán)境中執(zhí)行游戲并非易事。除此之外，教師對教育游戲的熟悉程度、游戲過程中的課堂管理以及與課程的聯(lián)系，也會影響科學教育游戲開發(fā)及作為日常教學實踐的可能性。支持中學物理教學和學習的教育游戲的開發(fā)需要精心設(shè)計，將游戲和學習嵌入有意義的環(huán)境中。

一、物理教育游戲

傳統(tǒng)中學物理課堂中的教育游戲，常作為課堂導入部分，通過教師與學生之間的互動，將學生新舊知識建立聯(lián)系，從而為新知識的學習建立橋梁。本文所討論的教育游戲，定義為能夠培養(yǎng)游戲使用者的知識、技能、智力、情感、態(tài)度、價值觀，并具有一定教育意義的卡牌、棋盤類游戲或計算機游戲類軟件。物理教育游戲是專門針對物理教育而開發(fā)的游戲，具有教育和娛樂并行的特點。近年來，教育游戲已經(jīng)不斷被開發(fā)并且運用到教育中去，在當下教育備受詬病的時代，教育游戲的出現(xiàn)帶來了一股新的活力。

二、游戲設(shè)計框架

從對中學物理教學實踐的反思中可以了解到，不少教師也嘗試將一些趣味性教學手段融入物理教學中，但是呈現(xiàn)的效果很難令人滿意。在新冠病毒教學背景下，在網(wǎng)絡(luò)課堂的教學中，許多學生不受家長以及教師的監(jiān)督管理，一邊掛著網(wǎng)課，一邊開著小窗口玩游戲，這表明課堂吸引力不夠強烈。[2]所以，教師要借助游戲的特點，抓住學生的心理認知發(fā)展，為學生創(chuàng)設(shè)生動豐富的學習情境。缺乏如何設(shè)計教育游戲體驗的學術(shù)指導，教學實踐可能會阻礙“游戲中學習”在中學物理教學中的實施。為了解決這個問題，筆者確定了一個設(shè)計框架，以創(chuàng)建有意義和有效的教育游戲，這對支持正式的科學教學至關(guān)重要，此框架也可以用于對教育游戲進行分類。擬定的游戲設(shè)計框架從確定目標受眾開始，目標受眾是游戲開發(fā)的核心部分。游戲玩法設(shè)計應(yīng)該從一開始就將玩家(即教育者和學生)與游戲聯(lián)系起來，以支持更好的學習體驗。

圖1顯示了設(shè)計框架和指導游戲開發(fā)步驟討論的中心問題的可視化摘要。該框架包括五個主要步驟以及相關(guān)的組成，這些組成相互依賴以創(chuàng)建游戲的基本結(jié)構(gòu)，為游戲玩法準備原型。這些步驟本質(zhì)上很簡單，無論設(shè)計者以前是否有玩過或設(shè)計教育游戲的經(jīng)驗，都可以創(chuàng)建一個教育游戲。

圖1 設(shè)計框架及指導游戲開發(fā)的步驟與組成

(一)共情

這項步驟是指理解目標受眾的需求，設(shè)計教育游戲不是為了解決教育教學中的問題，它的關(guān)鍵在于用一種最佳策略來解決學生對特定主題學習所存在的問題。游戲不是孤立進行的，因此了解游戲情境可能與了解玩家一樣重要。為了準確理解教學情境，須從以下五個方面去討論每一個教育游戲。

1.游戲時長

設(shè)計者應(yīng)該考慮學生在課堂上參與游戲的時長，即游戲從頭到尾的時間長度，從快節(jié)奏游戲(10分鐘以內(nèi))到所有類型的游戲都應(yīng)該考慮在內(nèi)，對學生的評估環(huán)節(jié)也應(yīng)包含于這段時長內(nèi)。

2.目標受眾需求

確定目標受眾的需求，設(shè)計最適合學生的游戲難易程度、復雜程度，這對學生積極參與游戲及理解游戲中所嵌入的學習內(nèi)容至關(guān)重要。根據(jù)奇拉(Cira)的研究表明[3]，依據(jù)不同目標受眾的需求調(diào)整游戲難易程度、復雜性，可以提高游戲動機、樂趣和努力程度。例如，在初中生和高中生學習磁場時，初中物理的學習更偏向理論，而高中物理的磁場教學更注重物理現(xiàn)象的推理和實驗的發(fā)現(xiàn)，涉及的范圍也更廣。[4]這就要求涉及教育游戲時應(yīng)當根據(jù)學生需求的不同，來確定游戲的難易程度及復雜性。

3.明確課程要求

非傳統(tǒng)教學法的課程評估需要靈活性，課程中可以通過游戲涵蓋潛在領(lǐng)域。研究表明在課堂上采用游戲來進行教學，一個主要的障礙是課程設(shè)置以及學生對游戲?qū)W習的態(tài)度，因此從一開始就確定這些要點是關(guān)鍵。[5]

4.選擇評估標準

因為常規(guī)測試可能無法評估在游戲過程中學習的知識或技能，這就要求課程中有不同的評估方式。這可能涉及游戲后的闡釋、小組討論、反思性寫作、概念圖和知識診斷評估。

5.教師游戲經(jīng)驗

確定教師對教學游戲的熟悉程度，可以讓教師調(diào)整現(xiàn)有機制，并將其應(yīng)用到學校環(huán)境中，縮短教學游戲開發(fā)時間。教師根據(jù)教學的物理知識，結(jié)合學生玩過和喜歡的游戲方式與過程來進行教學，這能在下一階段的設(shè)計中節(jié)省時間。

(二)定義

定義也是從設(shè)計思維方法學中引入的，但該步驟并不涉及定義要解決的問題或挑戰(zhàn)，它關(guān)注的是教師在共情步驟中創(chuàng)建和收集信息的指引下，在游戲中所呈現(xiàn)的學習成果。在教學游戲設(shè)計中，設(shè)計者要以學生為中心，重新組織和定義問題。在定義階段通常可以用一句話來描述問題：誰(用戶User)有什么需要(需求Need)，“我”發(fā)現(xiàn)了什么？定義階段的核心價值是收斂，排定優(yōu)先順序，在此我們要分辨出對目標受眾來說，什么是真正重要的；什么是我們應(yīng)該花更多時間去投入的。

在此階段，教師要考慮游戲的學習目標，即目標受眾的預(yù)期學習成果或?qū)W生在游戲結(jié)束時應(yīng)具備的技能。另外，此步驟還涉及影響學生體驗游戲嵌入內(nèi)容的其他關(guān)鍵元素。復雜性是游戲成功和課堂采用的決定因素之一。然而，選擇適當?shù)挠螒驒C制來實現(xiàn)預(yù)期學習效果是一項艱巨的任務(wù)。盡管教師以前在教育游戲方面擁有經(jīng)驗，但在這個游戲開發(fā)框架中，教師應(yīng)該通過調(diào)整現(xiàn)有機制來開始創(chuàng)設(shè)教育游戲。研究顯示，教師可以“采用商業(yè)上可用的現(xiàn)成游戲”實體來交流科學思想，作為創(chuàng)建教育游戲資源的一種簡單方式。[6]因此，此步驟涉及三個主要方面：定義游戲的學習結(jié)果、選擇游戲機制以及確認影響游戲進程和規(guī)則的約束與挑戰(zhàn)。

1.學習結(jié)果

與其他教學一樣，游戲的學習成果也應(yīng)該是具體的、明確的，從設(shè)計之初就應(yīng)考慮在內(nèi)。在設(shè)計游戲時，游戲的學習成果本質(zhì)是學生在完成游戲時應(yīng)學到的細節(jié)與內(nèi)容。此外，學習成果還可用于幫助教育工作者評估學生在游戲中的學習情況。然而，定義學習成果并不簡單，教師需要在游戲?qū)嵤┣白屑毧紤]和反思。如果教師設(shè)計游戲時不了解如何定義游戲?qū)W習成果，也沒有指導開發(fā)課程的經(jīng)驗，可以參考遵循布盧姆(Bloom)分類法的動作動詞列表(見表1)。

2.游戲機制

游戲機制是指玩家在游戲中的行為，即他們?nèi)绾螆?zhí)行游戲指令并與游戲互動。將流行的商業(yè)游戲改編成教育游戲可以顯著減少游戲開發(fā)時間和成本。表2羅列了部分科學游戲,為不同類型的受眾人群提供一份完整的游戲機制列表，以期對教育游戲方面經(jīng)驗不足的人有所幫助。

應(yīng)該注意的是，機制是每個游戲的一個重要方面，它決定了玩家如何與游戲以及其他玩家進行互動。然而，選擇游戲機制只是設(shè)計玩家動作的第一步，要與玩家能順利參與游戲的挑戰(zhàn)難度相結(jié)合。

3.約束與挑戰(zhàn)

約束是指以不同方式開始或結(jié)束游戲的規(guī)則或動作，確保玩家有繼續(xù)參與游戲的興趣和動力。例如，約束可能包括設(shè)置玩家在游戲中遇到的障礙或挑戰(zhàn)，讓游戲過程有趣。利用學生爭強好勝的心理特點，促使學生不斷提高和突破自我。但是，根據(jù)共情步驟中描述的目標受眾的需要，設(shè)置的“挑戰(zhàn)”數(shù)量和水平應(yīng)保持平衡，防止游戲變得無聊或過于復雜。約束也包括游戲時間限制、玩家數(shù)量。例如，物理概念牌是一款紙牌游戲，游戲約束在使用新規(guī)則卡牌的游戲過程中發(fā)生變化，它限制每個玩家可以抽、玩或持有的牌張數(shù)量。[8]

(三)構(gòu)思

構(gòu)思階段旨在收集學生在游戲過程中，沉浸于游戲情節(jié)的相關(guān)元素。這個階段，教學模式需要構(gòu)思一個較好的主題，這個主題的三個關(guān)鍵要素為：組成、規(guī)則和主題。

1.組成

組成指設(shè)計一個物理教學游戲所需要的材料以及各種碎片化部件。游戲設(shè)計師需要選擇和游戲機制相契合的材料，確保玩家能夠最大限度地沉浸在游戲中。物理飛行棋游戲由棋子、棋盤、骰子組成，使用的棋盤的路徑類似蛇和梯子，玩家在其中移動完成動作以贏得游戲。[9]因此，物理教育游戲可以借助不同的組成來傳達科學信息。

2.規(guī)則

規(guī)則指玩家在游戲中必須遵循相關(guān)的陳述和指令才能進行游戲，這是所有游戲最重要的元素之一。在共情步驟中較早定義的目標受眾很重要，在游戲過程中，它會限制玩家與游戲、玩家與玩家之間互動的規(guī)則。此外，規(guī)則還描述了游戲結(jié)束的條件或獲勝的方法、游戲設(shè)置、游戲的組成部分以及在游戲過程中如何使用它們。圖2展示了“超級電工”教育游戲的規(guī)則書。

圖2 “超級電工”規(guī)則書

3.主題

主題是指玩家沉浸在游戲中的場景或故事。主題應(yīng)提供一個上下文來幫助玩家記憶游戲規(guī)則，并在游戲中做出更明智的決定。此外，游戲主題應(yīng)與教育內(nèi)容相關(guān)。

例如，在“超級電工”中，游戲的角色設(shè)定是電工,任務(wù)是幫助他人修好電路，點亮電燈。游戲給定電壓值和電流值,讓學生選擇適當?shù)碾娮柽B接,將電壓減小到電燈的額定電壓；在完成電阻選擇后拉下電閘。如果電壓達到電燈額定值，燈亮;如果電壓小于額定值，燈閃爍;如果電壓大于額定值，電燈爆炸。游戲過關(guān)可獲得金幣獎勵,如果在限定時間內(nèi)還沒有選好電阻并拉下電閘，游戲人物會生氣。[10]

(四)原型

框架階段基于選擇每個游戲組件的信息，快速開發(fā)物理游戲原型。設(shè)計者應(yīng)重點測試機制并驗證所選組件成分是否與游戲玩法一致，以制作一個“快速版本”的游戲，方便與目標受眾進行游戲測試。此階段，游戲美學(即游戲的美術(shù)和圖形設(shè)計)可以是初步的，在游戲原型經(jīng)過測試和修改，測試成功后才最終確定游戲美術(shù)設(shè)計。在教育游戲中，教師和學生要擁有真正的“共同創(chuàng)造過程”，在原型開發(fā)時，了解受眾對游戲創(chuàng)意的反應(yīng)，再對設(shè)計的游戲原型進行調(diào)整。原型最重要的是快速貫穿設(shè)計思路并收集反饋來完善游戲。

圖3為集成前的游戲元素的游戲原型。原型的設(shè)計者包含一名物理專家和一名科學教師，他們確定游戲組件，檢查棋盤和撲克牌的文字。在原型設(shè)計完成后，設(shè)計團隊邀請了玩家進行測試并評估。

(五)測試

游戲開發(fā)框架的最后一部分是游戲測試。游戲測試是游戲開發(fā)過程的一個重要環(huán)節(jié)。如果不進行測試，無法保證游戲能正常運轉(zhuǎn)。

例如，可以由物理專家對游戲內(nèi)容進行判斷，由游戲開發(fā)者分析游戲機制，由科學教師進行調(diào)整，最后由玩家整體測評游戲。此外，由同行評估游戲創(chuàng)意對于游戲反饋也非常重要。

在完成游戲原型設(shè)計后，設(shè)計師要完善游戲的視覺設(shè)計。圖4所示的設(shè)計具有吸引玩家的視覺元素和圖形，可以讓學生沉浸在天文學中。

圖3 游戲原型

圖4 棋盤游戲的最終設(shè)計

三、結(jié)語

在教學實踐中，由于設(shè)計游戲程序困難、教學中使用游戲較少，教師和研究人員在游戲教學中遇到了許多障礙，本文為游戲開發(fā)提供了一個簡單的指南，旨在展示教育游戲設(shè)計的原則，提高學生在物理教學中的參與度及其成績。該設(shè)計原則從設(shè)計師或教師的角度，從新手到更有經(jīng)驗的游戲創(chuàng)建者角度，支持中學物理課堂中物理教學游戲的應(yīng)用。