游戲升級促學習:初中化學用語啟蒙課例研究

溫金菊 錢揚義 劉穎彤 周志豪

摘要： 開發了包含九年級需要學習的17種元素、6種根（原子團）與4大類化合物（酸、堿、鹽及氧化物36種）的“520化學桌游”的價式卡牌游戲教具，運用“3×N”問題解決教學設計范式，進行游戲化教學設計并實施教學。研究結果表明：通過“520化學桌游”價式卡牌的課堂學習，初學者能夠體會到化學學習的樂趣，感受到合作與競爭的愉悅，并在游戲升級的過程中深化“物質由元素組成”的學習。

關鍵詞： 初中化學； 游戲化教學； 化學用語； 520化學桌游； 價式卡牌

文章編號： 10056629（2024）01003708

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

初中化學用語知識主要包括元素符號、化學式、化學方程式等各類化學圖式，作為化學學習的重要工具，用以表示物質的組成、結構和化學變化等。在人教版、魯科版、滬教版的初中化學教材中，化學用語的內容具有一致性，均包含三個方面［1］：（1）化學式的含義、寫讀規范；（2）化合價的識記與計算；（3）相對分子質量的計算與應用。在實際教學中，該主題內容往往通過編成順口溜、類比、對比記憶材料的共性與個性等方法，幫助學生記憶元素符號、化學式、化合價等，但由于缺少即時的反饋、互動性較弱等原因，識記的訓練往往需要貫穿一個學期反復鞏固，效率較低。

卡牌類游戲便于攜帶、容易上手，在國內外將卡牌的游戲形式融入化學教學的案例較為常見［2］，如利用卡牌進行4人對抗游戲學習陰陽離子組成離子化合物［3］、多人接龍學習“元素符號原子序數化合價”之間的關系［4］、小組卡牌交易識記常見元素名稱與符號［5］等。學生通過卡牌游戲學習相應化學用語的效果良好，有利于激發學習化學的興趣、發展合作溝通的能力，符合義務教育課程標準中“注重啟發式、互動式、探究式教學，引導學生自主學習”“倡導‘做中學‘用中學‘創中學”等課程理念［6］。但現有的卡牌教育游戲案例一方面僅聚焦于零散化學用語的學習，知識的連貫性與進階性較差，另一方面也僅提供了游戲案例，并未闡述如何將游戲與課堂結合實施。

綜上所述，本研究主要解決兩個問題：（1）如何開發一款具有連貫性、可升級的初中化學用語啟蒙教育游戲（包括教具及游戲規則），幫助學生認識常見元素、根（原子團）與不同類別的化合物？（2）如何基于此游戲，設計并實施初中化學用語的啟蒙游戲化教學？

2 游戲設計

本研究面向的對象為本省汕尾市某初中的八年級學生，共97名（男生31名，女生66名），均未曾接受化學學科的系統教學，尚未建立微粒觀。教學時，需要納入元素分類與物質分類的教學內容，同時進一步降低化學式與化合價內容的廣度與難度，由此歸納相對應的課程標準要求與教學目標如表1所示。

根據錢揚義團隊提出的“520CRL”模型（圖1）［7］提出如下設計思路：（1）根據教育游戲教具開發的四原則（知識性、科學性、趣味性、美觀化），將“化合價”“元素”“物質”等化學概念（concept）融入到游戲教具的設計與開發中；（2）根據“物質由元素組成”“組成物質的各元素化合價代數和為0”等化學規則（rule）以及“復分解反應”的化學規律（law）生成游戲規則，以心流理論與建構主義平衡游戲規則的游戲性與教育性，設計“520化學桌游”的價式卡牌教育游戲；（3）根據“3×N”問題解決教學設計范式進行游戲化教學設計，在游戲化教學課堂的實踐應用過程中，評價并改進教育游戲與課堂教學。

2.1 教具設計

梳理人教版九年級《化學》上冊教材中“一些常見元素和根的化合價”表格后，根據初高中常見元素及其化合物出現的頻率，最終確定了卡牌教具呈現的17種元素、6種根（原子團）與4大類化合物（酸、堿、鹽及氧化物36種）如表2、 表3所示，卡牌的數量可根據實際需要來確定［8］。

“520化學桌游”的價式卡牌游戲的含義為：520取“我愛你”的諧音，代表在游戲中學習化學、愛上化學；化學桌游指的是以化學知識學習為主題的桌上游戲；價式卡牌則以學習內容與教具形式命名。卡牌教具分為2副，分別為價態牌與化學式牌，如圖2所示。其中，? 價態牌包括常見元素的中文名稱、英文名稱、元素符號、常見價態、核外電子狀態圖、原子結構示意圖以及元素常見原子團和物質應用的科普知識，每張價態牌都采用不同的顏色系列進行搭配。化學式牌主要涉及初中需要掌握的酸、堿、鹽、氧化物四類物質，包括其中文名稱、化學式、物理性質、游戲中可以進行的反應表達式，以及生活應用科普知識，每張化學式牌的漸變顏色，由對應的各價態牌顏色組合而成，強調“物質由元素組成”。

2.2 規則設計

為體現從“物質由元素組成”到“組成物質的各元素化合價代數和為0”的學習進階，游戲設置了以基礎規則（圖3）為核心的“化學火車”游戲規則，只需要價態牌的顏色與化學式牌的顏色一一對應；以進階規則（圖4）為核心的“物質碰撞”游戲規則，價態牌所有元素的化合價相加代數和為0。

2.2.1 “化學火車”規則設計

流程示意如圖5所示。

（1） 分類與準備：價態牌堆背面朝上以備抽牌使用，化學式牌正面朝上按照酸、堿、鹽、金屬氧化物、非金屬氧化物分類擺放，以便組成化學式后取用。

（2） 發牌與順序：每位玩家抽取4張元素牌，由石頭剪刀布決出先手與后手的出牌順序。

（3） 輪次與回合：玩家按照先后順序，每個輪次先抽取1張價態牌，并可以選擇在己方放置1張或不放置價態牌，每個輪次放置的價態牌必須接龍上一輪次的元素牌，直到組合成一個化學式，此時視為完成己方的一個回合。

（4） 合成與收集：組合化學式時，僅需考慮價態牌的顏色與化學式牌的顏色一一對應（物質由相應的元素組成）。而后玩家應當讀出與化學式對應的物質名稱，確認無誤后，方可從物質牌中收集相應的化學式牌。

（5） 得分與勝利：每一張化學式卡牌的右上角星形圖標中都標明了分值，收集到化學式牌能夠獲得相應的分值，最先達到15分的玩家獲勝。

2.2.2 “物質碰撞”規則設計

流程示意如圖6所示。

（1） 分類與準備：價態牌堆背面朝上以備抽牌使用，化學式牌正面朝上按照酸、堿、鹽、金屬氧化物、非金屬氧化物等分類擺放以便組成化學式后取用。

（2） 發牌與順序：每位玩家抽取6張價態牌，分別說出自己手上元素的最大序號，決出第一出牌人，而后按順時針順序出牌。

（3） 輪次與操作：輪到玩家出牌時，總共有兩個操作階段。

① “階段1——元素收集”中，可以進行以下任一個操作：

A. 抽牌：在價態牌堆無條件抽一張牌。要保證自己手上的價態牌至少有3張，即：如果只有1張牌，那就抽2張；如果一張牌都沒有就抽3張；

B. 換牌：把手上的價態牌全部棄置后，從價態牌堆中抽3張新的價態牌；

C. 賣牌：把一張鹽類的化學式牌放回化學式牌堆后，抽取3張價態牌；

D. 攻擊（視學情決定是否增加本規則）：化學式牌綠色框內寫明可進行的反應，出牌攻擊別人已有的化學式牌后，把出的牌放回化學式牌堆，重新抽3張價態牌。對手獲得反應后產物的化學式牌。每回合玩家只能攻擊一次。

② “階段2——物質合成”中，根據兩條基本準則獲得化學式牌：

A. 價態牌的顏色與化學式牌的顏色一一對應（物質由相應的元素組成）;

B. 價態牌所有元素的化合價相加，代數和為0（組成物質的各元素化合價代數和為0）。

若無法合成物質，則輪空，到下一位玩家進行操作。當完成兩個階段的操作后，輪次結束，按順序由下一位玩家進行操作。

（4） 得分與勝利：每一張化學式牌右上角的星形圖標中都標明了分值，收集到化學式牌就能夠獲得相應的分值，分值先達到15分的玩家獲得勝利。

3 教學設計與實施

3.1 教學流程

基于“520化學桌游”的價式卡牌游戲教具與游戲規則，進行“520化學造物工廠”游戲化教學設計，采用“設置情境，提出問題”—“游戲活動，解決問題”—“課堂應用，評價問題”的“3×5”教學流程［9］，如圖7所示。本研究在大學生暑期社會實踐項目的科普課堂中展開實踐，共用3課時（120分鐘）。

在教學實施前，以問卷的形式調查學生是否接觸過化學教育游戲（表4），其中大部分學生從來沒有玩過化學主題的游戲。因此為了提升其學習體驗，在課前分組時確保每個小組中都有1～2名曾經玩過化學主題游戲的學生，在課堂介紹游戲規則時關注學生的疑惑，及時解答與演示。

3.2 教學實施片段

3.2.1 環節一：牌面探索

教師：請各小組分發價態牌和化學式牌，觀察牌面，你們能發現哪些信息？

學生1：價態牌有2種不同的牌面，一種是只有單個大寫字母的，一種是由多個大寫字母組成的。

學生2：價態牌牌面還有中文名稱、英文名稱、帶有正負號的數字和不帶正負號的數字，還有一些生活中用途的信息等等。

學生3：化學式牌牌面有分值、物質的中文名稱和表示它的英文字母組合、該物質的生活用途，還有綠色方框內有一些很長的式子。

教師總結并展示圖8，引導學生一同歸納價態牌與化學式牌的牌面信息，介紹元素的讀音可以讀半邊并帶領學生一起朗讀價態牌的元素名稱。

3.2.2 環節二：卡牌分類

教師：你們能夠將價態牌分為幾類呢？又能夠將化學式牌分為幾類呢？請同學們在小組內分工合作進行分類，并討論分類的依據。

學生1：價態牌上元素的中文名稱偏旁部首有一定的規律，比如鈉和鉀都是“钅”旁、氫和氮都是“氣”頭、碳和硫都是“石”旁，可據此分類。

學生2：化學式牌上物質的中文名稱也有規律，比如銀鹽和鋁鹽都帶“鹽”字、硝酸和硫酸都帶“酸”字、氧化鐵和氫氧化鐵都帶“氧”字，可據此分類。

教師：歸納能力很強，不過對于物質的分類，還有一些細節需要大家注意，對于氧化鐵和氫氧化鐵，我們需要根據“化”字進行斷句，所以“化”字前是“氧”“幾氧”的，比如氧化鈣、二氧化錳，都屬于氧化物；而“化”字前是“氫氧”的，比如氫氧化鈉、氫氧化鈣，都屬于堿。

教師介紹價態牌可以根據偏旁部首分為金屬元素與非金屬元素等，化學式牌可以根據物質類別分為酸、堿、鹽和氧化物等，補充水、氯化氫、氨氣、一水合氨的化學式牌分類細節（學生也有可能會提出根據卡牌的色系、數字的奇偶、科普的用途等進行分類，應鼓勵他們細致觀察和想象能力）。

3.2.3 環節三：化學火車

教師介紹游戲規則，學生小組內合作進行游戲，教師巡堂并解答學生在游戲過程中產生的疑問。游戲結束后，教師引導學生總結游戲策略與化學知識。

教師：在化學火車游戲中，同學們都有什么獲勝的策略呢？

學生1：要先觀察好化學式牌的元素組成，再思考手上的價態牌組成哪些化學式得到的分值會最高，比如都是氫元素、氧元素和鐵元素，組成氫氧化鐵比組成氫氧化亞鐵的分值高。

學生2：如果用元素符號對應化學式比較難，還可以將不同價態牌的顏色和化學式牌上面漸變的顏色相匹配，能匹配上，就能夠用價態牌組成那個化學式牌。

教師：很好，大家已經注意到了，在這個游戲里面，我們要學習的就是“物質由元素組成”，相同的元素可以組成不同的物質，而這個“不同”體現在了相應元素的原子數量上，下面我們通過物質碰撞游戲進一步學習。

3.2.4 環節四：物質碰撞

教師介紹游戲規則，學生小組內合作進行游戲，教師巡堂并解答學生在游戲過程中產生的疑問。游戲結束后，教師引導學生總結游戲策略與化學知識。

教師：在物質碰撞游戲中，同學們都有什么獲勝的策略呢？

學生1：當我手上的價態牌都不能組成化學式的時候，不如全部舍棄，換新的價態牌，這樣可能出現轉機。

學生2：如果別人快贏了，那我就可以用手上低分值的化學式牌通過一些反應“攻擊”對手高分值的化學式牌，這樣雖然我失去了一些分值，但是我能夠得到新的價態牌，可能組成更高分值的化學式。而對手失去了高分值的化學式牌，只能得到“0分的水”化學式牌和“1分的鹽”化學式牌。

學生3：有的時候即使不用看化學式牌，我也能用手上的價態牌組成準確的化學式，比如用1張“+4價的碳”和2張“-2價的氧”就能組成“二氧化碳”，這個時候（黑板板書）：+4+2×（-2）=0。

教師：看來大家收獲頗豐，在這個游戲里面，我們要學習的就是“組成物質的各元素化合價代數和為0”。根據這個規則，我們既可以通過已知化合價的元素組成不同的化學式，又可以通過化學式中部分已知化合價的元素推算出其他元素的化合價。

3.2.5 環節五：心得分享

教師帶領學生總結元素分類、物質分類、物質由元素組成、組成物質的各元素化合價代數和為0、物質之間可以相互轉化等基礎知識，并為積分較高的小組頒發游戲獎章。

4 教學效果

對學生實施了“520價式卡牌”的游戲化教學，而后進行學習效果、學習態度的調查研究。

4.1 學習效果

參考已有研究［13］，進行知識學習的前測與后測。測試題的內容如表5所示，共6個項目17小題，題型為單選題、多選題以及數字填空題等，每答對1個空則計1分，不答或錯答則計0分。

運用SPSS20.0軟件進行測試成績的正態性檢驗，樣本數據滿足正態分布要求，而后進行配對樣本t檢驗，分析結果如表6所示。在前測時，由于呈現在卷面上的卡牌信息淺顯易懂，學生憑借常識與簡單的推理也能夠拿到一定的分數。在課堂結束后，學生的后測成績總分顯著提高，效應量大于0.80，表明通過化學游戲化教學，學生對初中化學用語的掌握有所提升。此外，后測中第1、 2、 4、 5、 6小題的平均分相較于前測有顯著性的提升，效應量均大于0.50，說明教學環節一、三、四、五對學生掌握相應化學知識的程度得到提升；而第3小題的后測成績雖有提高，但不顯著，效應量小于0.20，這可能是因為學生通過中文名稱或化學式對“氯化氫”“水”等特例物質進行分類能力稍顯薄弱，在后續正式教學時應當加強俗稱與命名的教學。總體而言，運用“520化學桌游”的價式卡牌進行初中化學用語的啟蒙教學是有效的，能夠基本達成“元素分類”“物質分類”“物質由元素組成”“組成物質的各元素化合價代數和為0”等教學目標。

4.2 學習態度

參考已有研究［14］，采用李克特7點量表，調查學生對“520價式卡牌”的態度，剔除漏填、前后矛盾等無效問卷后，回收問卷76份，信度檢驗α值為0.876，表明本調查問卷信度較高，調查結果如表7所示，其中帶星號的為反向題。可見學生對“520價式卡牌”的喜愛程度高，運用游戲化教學的方式能夠提升學生的化學學習興趣、吸引學生的課堂注意力。

5 教學反思

在課堂教學中，也存在以下需要改進的方面：

（1） 一個班級里學生的水平不能僅滿足于正態分布，為了提升不同層次學生的課堂參與和游戲體驗，可在課前根據學情進行小組分配，重點跟進部分對游戲規則理解與化學知識學習上存在困難的學生，同時鼓勵學生之間互相學習、互相幫助。

（2） 考慮到實際教學的課時問題，除了利用科普課堂一次性完成本課的教學以外，還可將其作為初三正式課堂教學的補充內容，根據具體的教學進度，將一個游戲的不同難度等級，分環節融合于第二課堂或社團活動中，實現正式課堂與游戲升級的相輔相成。

參考文獻：

［1］楊寶權. 基于教材文本解讀的單元一體化設計——以“化合價與化學式”教學為例［J］. 化學教學， 2022，（1）： 52～55，60.

［2］李娟， 錢揚義， 彭豪等. 國內外化學撲克牌游戲現狀述評［J］. 化學教育， 2012， 33（9）： 126～130.

［3］［13］Nusret K. ChemOkey： A Game To Reinforce Nomenclature ［J］. Journal of Chemical Education， 2012， 89（8）： 1047～1049.

［4］［14］Luis F M， Gina H， María V A. Cheminoes： A Didactic Game To Learn Chemical Relationships between Valence， Atomic Number， and Symbol ［J］. Journal of Chemical Education， 2014， 91（6）： 872～875.

［5］Antonio F M， Jos O M， Serafín B M. An Educational Card Game for Learning Families of Chemical Elements ［J］. Journal of Chemical Education， 2012， 89（8）： 1044～1046.

［6］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［7］溫金菊， 錢揚義， 周志豪. 初中化學“520價式卡牌”的游戲開發與初步應用研究［A］；游戲化學習與未來教育學術會議暨中國教育技術協會教育游戲專業委員會2022在線年會論文集［C］. 2022.

［8］王晶， 鄭長龍主編. 義務教育教科書·化學（九上）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012.

［9］錢揚義， 林丹萍， 張惠敏等. 玩轉520化學桌游： 化學用語啟蒙教育游戲學習法［M］. 北京： 科學出版社，2021.