游戲化教學法在工科信息類課程教學中的探索與應用

閆文君 凌青 劉凱 朱子強

摘? 要：游戲化教學法是參與式教學的重要教學方法之一，文章針對游戲化教學法在工科信息類課程中使用的實際情況和問題，分析游戲化教學法的使用現狀，討論其優缺點和使用場景，分析游戲化教學法的課前準備、課程實施和課后活動三個環節的實施方法，最后給出基于“搜索技術”課程教學的案例，為游戲化教學在其他工科課程中實施提供參考，也為工科院校參與式教學法實施提供借鑒。

關鍵詞：參與式教學;游戲化教學法;翻轉課堂;深度學習;教學設計

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）19-0100-04

Abstract： The game teaching method is one of the important teaching method of participatory teaching. In view of the gaming teaching method in information engineering classes used in the actual situation and problems， this paper analyzes the present situation， the use of gaming teaching method to discuss the advantages and disadvantages and the usage scenario. The study analyses the game teaching method of preparation before class， curriculum implementation and after-school three links of the implementation of the method.? Finally the study gives the case based on "search technology" course teaching， for game teaching implementation provides reference in other engineering courses， also provides a reference for engineering colleges and universities of participatory teaching method.

Keywords： participatory teaching; gamification teaching method; flipped classroom; deep learning; teaching design

關于在教學過程中使用傳統講授式的嚴肅教學還是采用參與式教學是一直以來在教學改革中討論的重要問題之一。嚴肅教學歷史較為悠久，我國儒家教學方法尊崇的是“學而不厭，誨人不倦”，要求學生不能厭煩學習，教師講授不能倦怠，幾千年來的教與學一直遵守著類似的規則。隨著社會的發展和人們思想觀念的轉變，“以學生為中心”越來越多出現在教學改革和教學實施中。實際上，從孔子時代就提倡過“以學生為中心”的思想，如“不憤不啟，不悱不發。舉一隅不以三隅反，則不復也。”就是啟發式教學的思想，類似的還有“溫故而知新”“多聞，擇其善者而從之”“學而不思則罔，思而不學則殆”等[1]。也就是說，參與式教學是一直存在在教學環節中的，只不過在近現代的教學過程中，通常采用的是嚴肅教學。因此，以游戲化教學法為代表的參與式教學是自然產生的而不是教學改革的結果。

在西方，游戲化教學早在19世紀80年代就在美國提出，最初并沒有參與式教學的概念。“參與式”理念正式進入我國是在20世紀初，先后有北京師范大學陳向明教授、西北工業大學靳健教授等對參與式教學在國內的實踐進行了研究。21世紀以來，以高校為研究主題的參與式學習/教學本土化研究越來越多，隨著教學理論的不斷深入和發展，有著更多的新穎形式出現在參與式教學基礎理論領域。但是無論是啟發式，還是討論式、探究式、參與式，這些新穎的教學方式無一不是強調“以學生為中心”，注重激發學生學習熱情，讓學生積極參與到教學活動中。

目前參與式教學大多被用在學前教學、小學教育和成人培訓教學中[2]，學歷越高的教育采用得越少，究其原因是隨著培訓層次的提高，學生的理解能力和自制力也隨之提高，若想在短時間內傳遞更多的知識，采用嚴肅教學會更加適合。但是由于參與式教學靈活多變的特點，若與嚴肅教學結合，會取得意想不到的效果。

工科教學中基礎知識多、理論性強，通常意義上被認為不適合采用參與式教學的方法。本文針對上述問題，在討論參與式教學、游戲化教學特點基礎上，以人工智能導論課程中“搜索技術——盲目搜索與啟發式搜索”知識點為例，闡述游戲化教學法在課前、課中和課后實施的方法，分析工科課程實現游戲化教學的有效性。

一、參與式教學法

教育改革要從教育觀念入手，最終要落實到教育實踐中[3]。參與式教學法是以激發學生學習興趣為前提的，讓學生參與到教學環節中，大大提高課堂氣氛和教學效果，使得教學活動從“要我學”變成“我要學”，提高學生的主體性和創造性，挖掘學生的潛能，通過師生之間合作、交流、互動等途徑促進課堂教學效果的提高。其主要有以下幾個特點。

1. 提高了學習環節學生的參與度。參與式教學在教學活動中極大地發揮師生之間、生生之間主觀能動性，在話題有足夠吸引力的前提下，學生的參與度會極大提高，變被動學習為主動學習[4]。

2. 強調教師主導地位。參與式教學不但要求教師是教學活動的組織者，而且是學習活動的引導者和促進者。在參與式教學中，教師的主導地位不僅沒有削弱，反而有所加強。教師應圍繞教學內容涉及可操作性參與式學習方案，備課的內容從備教學內容擴展到教學對象、教學方法和教學手段等。

3. 提高了學習活動的多樣性。參與式教學能使學生在千篇一律的嚴肅教學中體現新鮮感，特別是工科高等教育課程中，如高等數學、自動化原理、信號處理等課程，大多采用嚴肅教學的方式，適當地參與教學能夠極大發揮學生主體作用，激發學生學習興趣[5]。

4. 參與式教學體現教育公平性。在參與式教學中，師生關系在教學環節中是平等的，大家關注點集中到知識上，更容易接受教學內容。

但是，與其他新穎的教學方法類似，參與式教學有著以下致命問題。

1. 參與式互動多了，獲取知識的范圍就會受限。嚴肅教學在一節課程中可以不停地進行知識講授，但參與式教學必須建立話題，引發思考并活躍課堂，這些環節在課程教學中往往會占用大量時間，知識講授的深度和廣度就會受限，這也是目前兩種教學方式的主要矛盾。

2. 參與式教學的實質是老師和學生之間、學生和學生之間的互動交流，在參與式教學中容易出現形式大于內容，甚至華而不實的現象。

3. 參與式教學是將學生放在教學活動的主體地位，但容易讓部分教師誤以為老師的講授是多余的，有悖于課堂教學最初的目的。

因此，這就要求在設計參與式教學活動時，充分考慮授課環節的設計，在保證課堂授課效果的同時，使知識傳授的深度和廣度得到保證。同時要充分利用激發學生興趣這一優勢，通過課上激發興趣，課下引導自我學習的方式，發揮學生主觀能動性，使學生不僅在課上愛學習，同時在課下愛擴展，愛深入，回歸學習本質，引導學生自主學習，以達到課上課下一體，擴展教學內容深度和廣度的目的。

二、游戲化教學法在工科教學中的應用困境

游戲化教學法在工科信息類課程教學中應用不多，主要原因有以下三點。

（一）主流觀點對于課上游戲的不認可

長期以來的儒家文化熏陶導致近現代教學過程通常采用嚴肅教學的方式，在開拓教學方法時，我們通常采用借鑒西方的方式。但是通過調查發現，在大多數課堂上，教師迫于教學督導的現實，不敢進行新的教學方式的嘗試，參與式教學往往僅停留在少數課程和教學比賽中。

（二）工科教學內容過于理論化

工科學生學習的課程一般過于理論化，如高等數據、電子技術、自動控制原理、通信原理等。這些課程理論化較強的現狀導致教師在設計游戲時無從下手，學生在沒有足夠的基礎理論支撐的基礎上，無法理解教師設計游戲的意圖，甚至無法完成游戲，因此在工科教學時難以實施游戲化教學。

（三）高等教育中的參與式教學要求教學雙方具有

更高的素質

對教師而言，游戲化教學除要求教師具備信息化技術和本專業知識外，還需要教師具備游戲設計能力、課堂駕馭能力和判斷學生認知水平能力。其中游戲設計能力要求教師根據教學內容選擇合適的游戲并將教學內容與游戲結合以完成教學目標;課堂駕馭能力要求教師準確把握游戲進程，避免游戲化教學方法的采用導致課堂內容過于發散，甚至游戲時間過長無法完成教學目標;判斷學生認知水平能力要求教師準確把握學生的認知水平以設計符合學生學習內容的游戲，避免游戲過難或過易。對學生而言，學生需要較高的自我管理能力，在課前根據教學內容進行預習，課下積極查閱資料，完成教師布置的任務，避免游戲化教學導致教學內容深度和廣度不深的情況。教師和學生需要共同努力而達到教學相長的狀態。

綜上所述，在教學環節中，教師要以取得更好的教學效果為目的，打破傳統思維，大膽嘗試新的教學方式。利用游戲化教學有利于幫助學生理解復雜問題的特點，在課前對學生狀態充分調研，大膽設計課程與游戲的結合方式，成熟一個案例應用一個案例，讓游戲化教學法成為課堂上重要的助力。

三、游戲化教學法的教學策略

游戲化教學法作為參與式教學法的重要內容，在教育培訓中使用得比較多，針對參與式教學的優缺點，在工科信息化課程教學中，游戲化教學設計策略如下。

（一）課前、課中和課后一體化教學

鑒于游戲化教學課上學生參與度大，課程內容不易展開的問題，要著重對課程授課方式進行設計，以達到課前、課中和課后一體化教學的目的。

課前環節（互聯網+項目式學習）：在課前環節，可通過線上方式，布置預習知識點，并舉部分案例性課題讓學生自由發揮進行研究。需要注意的是，此時不要進行啟發式引導，讓學生帶著案例自行探索，帶著問題或者解決方案進入課堂。教師在此環節應針對案例設計游戲。

課中環節（游戲化教學）：針對課前所布置案例，進行游戲式教學，區別于幼小教育，游戲時間不易過長，以5～10分鐘為宜，以便有更多時間進行課堂教學。游戲的主要目的在于激發學生學習興趣，使學生樂于參與到課程教學中。剩余35～40分鐘進行課程教學，針對設計的游戲進行內容講授，并對課前案例進行詳細分析和解決。

課后環節（自主學習）：課后環節應布置復雜案例供學生探索。學生探索復雜案例的自主性完全取決于課中環節對學生興趣的激發。若課中環節設計得當，學生全身心投入知識點的探索和研究中，游戲化教學才達到目的。

（二）教師主導與學生主體作用統一

教師作用是課程的引導者，作用是激發學生學習興趣、把握課堂節奏，培養學生發現問題和解決問題的能力。避免由于發揮學生主體作用而忽視了教師的引導作用。

（三）目標分層游戲設計

游戲化教學強調以學生為主體的理念，在教學活動中應注重引導學生主動參與到教學活動中。在游戲設計時，應根據講授的知識點，按照由易到難的方式根據教學內容對游戲難易程度進行分層設計，以便于激發學生參與游戲的信息，加快學生進入角色的速度，引發學生好奇心，達到引導學生自主學習的目的。

（四）獎勵機制和競爭機制

由于工科信息類課程課堂內容一般較多，游戲時間設計較少，為加速學生參與游戲熱情，在游戲設計時加入獎勵機制。在課程開始前需要對學生分組，游戲進行時按照游戲難度和學生完成程度對學生進行獎勵，按照過關、晉級、拿獎勵等方式激發學生興趣。同時，對學生分組的方式有利于引入競爭。競爭存在于課上和課下兩個層面：在課上，學生通過參與游戲獲取獎勵，組與組之間存在著競爭;在課后，學生對復雜案例進行實現，實現的結果也存在競爭。這樣，借助游戲這一環節不僅促進了學生課上學習的熱情，也激發了學生課后的競爭，同時加強了學生之間團隊協作的精神，提高學習效率和自我學習動力。

四、典型教學案例設計

本文以人工智能導論課程中“搜索技術——盲目搜索和啟發式搜索”知識點為例，以“漢諾塔”游戲為互動游戲設計教學案例。

案例教學目標：掌握寬度優先搜索和深度優先搜索兩種盲目搜索方式，掌握啟發式搜索中的貪婪算法。

案例時長設計：45分鐘。

1. 課前任務。要求對無人機任務規劃問題進行討論。題目給定6個航路點以及每個航路點之間的距離，要求無人機經過且只能經過一次每個航路點，求取無人機任務規劃的最短路徑。

2. 課上游戲組織。課上游戲組織方式見表1。

第一步，介紹“漢諾塔”游戲規則，要求每5個學生為1組，在其中1只手上分別標記1～5，學生用手表示漢諾塔的方塊，手按照從小到大排列到桌子上位置A處，每次只能移動1只手，小號的手只能放在大號的手的上方，要求全部手從位置A移動到位置B并按照從小到大依次排列。“漢諾塔”游戲示意圖如圖1所示。

第二步，在不給定任何信息的情況下要求學生按照課前分組進行游戲，記錄下最先完成游戲的小組編號和完成時間。

第三步，講授寬度優先搜索方式和深度優先搜索方式。通常情況下，在不給定任何啟發信息的情況下，學生在完成游戲時是盲目的，完成時間也比較長。有的同學是按照深度優先的方式進行游戲，即在游戲中不斷嘗試各種方案，直到游戲無法進行下去才換另一種思路;有的同學是按照寬度優先的方式進行游戲，即每一步列舉所有可能的游戲策略，從中選擇最優的方案。這正符合盲目搜索的基本原理，教師授課時可以邊演示游戲邊講理論。

第四步，給定啟發式信息。奇數的手一定放在偶數的手上，最小號的手最重要。然后讓學生重新完成游戲，記錄最先完成游戲的小組編號和完成時間，可以發現通過啟發式信息，學生完成游戲時間普遍縮短，很多學生可以不需要思考就完成游戲。

第五步，講授啟發式搜索的概念，并結合啟發式信息帶領學生復盤游戲過程。

第六步，講授貪婪算法的概念，并使用貪婪算法完成課前布置的無人機規劃的案例，這一步是對學生課前預習情況的總結，解決問題的同時也回答了學生心中存在的疑問。

3. 課后復雜案例。要求學生在自主學習A*算法的基礎上，解決城市最短路徑規劃問題，并編程實現搜索過程。學生在此階段自主設計啟發式信息，并要求學生思考貪婪算法和A*算法能夠得到最優路徑，最終可以在線上針對學生設計的方案進行講評。

五、結束語

本文針對工科院校信息化類課程，對游戲化教學這一教學模式展開研究，討論了參與式教學的發展與現狀、優缺點和游戲化教學的教學策略，并給出了以“搜索技術”為知識點的教學案例設計方案，能夠為同類課程開展參與式教學提供借鑒。創新的教學模式還需要在實踐中進行校驗和提高，以提高課堂教學效果和學習效率。總之，使用游戲化教學的方式，教師的負擔沒有減輕，除講授者外，教師被賦予了更多的角色，如組織者、引導者、啟發者。教學中要注重培養學生熱愛課程的思政精神，從而增強學生的主動性，這也是啟發式、探討式、參與式等教學方式對教師提出的新要求。

參考文獻：

[1]宋鑫.“以學生為中心”視角下的北京大學課堂教學改革的實踐與探索[J].中國大學教學，2015（11）：27-30.

[2]張靖，傅鋼善，鄭新，等.教育技術領域中的游戲化：超越游戲的學習催化劑[J].電化教育研究，2019，40（3）：20-26.

[3]BROOKFIELD S D，PRESKILL S.實用討論式教學法[M].北京：中國輕工業出版社，2011.

[4]張金磊，張寶輝.游戲化學習理念在翻轉課堂教學中的應用研究[J].遠程教育雜志，2013，31（1）：73-78.

[5]陳中.基于游戲化學習的翻轉課堂教學設計與實踐[J].高等教育研究學報，2014，37（4）：80-83.

基金項目：山東省教育廳“泰山學者專項人才工程”（TS201511020）

作者簡介：閆文君（1986-），男，漢族，山東萊州人，博士，副教授，研究方向為智能信息處理。

*通信作者：凌青（1987-），女，漢族，湖南衡陽人，博士，副教授，研究方向為綜合信號處理。