分布式認知視角下的游戲化學習環境模型研究

摘要：近年來，游戲化學習環境以沉浸式的學習體驗和豐富多樣的問題情境，逐漸成為教育者和研究者關注的重點。但該如何基于學習科學理論來設計能夠有效支持教與學的游戲化學習環境，仍然是一個具有挑戰性的問題。基于分布式認知的視角，分析了游戲化學習環境中不同認知主體間的交互關系，并據此提出了游戲化學習環境模型。

關鍵詞分布式認知；游戲化學習；學習環境；基于游戲的學習環境

中圖分類號G434

文獻標識碼A文章編號10054634（2024）02000109

引言

學習環境是指促進學習者發展的各種條件的統合，包括空間、資源、工具、人和活動等要素。近年來，隨著信息技術的快速發展，人工智能、VR/AR、元宇宙等數字化信息技術開始進入課堂和校園，推動著學習環境走向數字化、網絡化、智能化。越來越多學習環境研究開始強調以學習者為中心，基于學習科學理論，結合學習者概念發展水平和社會文化情境創設學習環境，來實現理解性學習與高階認知發展。在此背景下，游戲化學習環境（尤其是基于視頻游戲的虛擬學習環境）逐漸受到研究者的關注。游戲化學習環境主要包括教育游戲和模擬仿真，學習者根據特定規則參與計算機模擬的情境，并產生可量化的結果。游戲化學習環境的優點在于能夠為學習者提供貼近真實的問題情境，營造沉浸式的學習體驗，并能有效激發學習者的內在動機。但當前，針對游戲化學習環境的理論研究仍然較少，未能深入剖析游戲化學習環境的本質特征，限制了游戲化學習的大規模、深層次應用。本研究結合分布式認知理論，把認知的概念拓展到個體之外，將游戲化學習環境視作人工制品（artifacts），并分析游戲化學習環境中不同認知主體間的交互關系、認知在游戲虛擬空間與時間中的分布，以及游戲所構建的特殊社會文化情境，為闡明游戲化學習環境提供了新的視角。

1分布式認知理論及其啟示

1.1分布式認知的概念

分布式認知（distributed cognition）是指認知分布于個體內、個體間、媒介、環境、文化、社會和時間等要素之中。分布式認知理論將一個包括認知主體、環境以及所有參與認知的事物所組成的功能系統視為基本分析單元，從而將認知的概念拓展到個體之外。分布式認知的思想由來已久，早在20世紀初，心理學家和哲學家就開始對傳統哲學中主客分立的二元論展開批判。例如，杜威提出“環境對于機體而言必不可少，而隨著環境概念的出現，不可能再將心理生命視為在真空中孤立發展的個體行為”。此后，研究者們一直在探討環境和認知之間的作用關系。Vygotsky的文化歷史理論強調社會環境對人的影響，指出“工具和符號”同屬于文化人工制品，區別在于通過工具的中介更加“向外”，而通過符號的中介更加“向內”，提出了認知分布并介導于人工制品中的觀點。Gibson認為人的知覺應以人與環境的交互為基礎，并提出了可供性（affordance）的定義，即“動物與環境之間互補的、可直接知覺的行為關系”。可供性明確了環境中可以被人和動物所感知的特征，為分布式認知奠定了理論基礎。在此基礎上，Hutchins基于對艦艇導航過程中的協作認知過程開展的民族志分析，正式提出分布式認知的概念，并認為它是“重新思考所有領域認知現象的一種新的基本范式”。分布式認知的主要特征如下。

（1）以功能系統作為分析單元。分布式認知理論的基本分析單元是功能系統，該系統包括認知主體、環境以及所有參與認知的事物，典型的功能系統由人與人造代理（artificial agents）組成。例如，飛機駕駛艙或艦船控制室，或者模擬仿真和教育游戲構建的虛擬場景。模擬仿真和教育游戲所構建的虛擬場景也可以被看作是一個功能系統。

（2）關注系統內各種交互作用。分布式認知視角下，認知現象不僅存在于認知主體內部，更體現在特定環境下各認知主體間以及認知主體與環境媒介間的復雜交互作用中。這些交互作用包括個體自身的活動，個體與其他成員的交互行為，個體與各種工具、媒介等人工制品之間的交互。Cole和Engestrom提出了主體（subject）、客體（object）和媒介/人工制品（medium/artifacts）三者間的交互模型，并把時間帶來的主體認知狀態改變也納入其中。因此，認知活動不僅僅是個體的，而且是“個體+群體/共同體+人造制品”的。

（3）強調信息的表征加工過程。分布式認知的一個基本論斷是：分布式系統的行為應該用信息動力學來描述。分布式認知關注系統中不同認知主體間知識傳播與信息表征的方式。信息分布于系統各組成部分之中，不同的信息分布模式會對分布式系統造成顯著的影響。在此情境下，認知被視為一種發生在內部表征（個體大腦記憶）和外部表征（人工制品中的信息）之間的信息和知識資源轉換和傳播的運算過程。Hutchins發現的典型案例是在導航任務中，導航團隊受限于語言交流的信息帶寬，使得位于船體不同位置的繪圖員和羅盤觀察員無法僅通過無線電交流完成復雜的協作認知任務。

（4）重視人工制品的認知價值。人工制品區別于自然物體，是指能夠顯示出人類的手藝或者改造的人造物品。人工制品分為物質的（如工具、設備、計算機、技術、數據庫等）和符號的（包括語言、文化、方法、心智模式等）兩種。認知在人工制品中的分布包含兩重含義：一是人們將知識和經驗固化到人工制品之中；二是人們在完成任務時使用人工制品承載部分運算任務而提高認知效率。人工制品具有4種主要功能：轉載認知任務、降低認知負荷、產生認知留存（cognitive residue）效應，以及改變大腦運算結構與方式。由此可見，人工制品對支持和表征人類認知過程發揮著重要的媒介作用，對人工制品特征的分析能夠將內隱的認知過程可視化，為過程性評價積累實證證據。

（5）依賴于具體情境的可供性。分布式認知與情境認知（situated cognition）密切相關，有研究者認為分布式認知就是情境認知的一種表述方式。一方面，分布式認知的研究結論往往來自于對真實情境的細致考察，例如Hutchins通過分析帕勞號軍艦導航團隊交流過程的視頻和音頻材料，發現認知分布于不同個體、工具和環境之中。另一方面，分布式認知系統的認知分布和交互作用的形式取決于具體情境中認知主體與環境的相互建構，即依賴于情境的可供性。

1.2分布式認知對學習環境設計的啟示

分布式認知將物理空間（physical space）、人類社會空間（human society space）和信息空間（cyber space）中能夠支持學習者認知發展的要素統一整合在一起，深刻地改變了人們對學習環境的傳統解釋。具體來說，分布式認知從系統層面考察學習環境中的認知和學習，關注系統內不同認知主體間的交互作用，突出人工制品對分布式認知的支持，以及具體情境對認知生成（enaction）的影響，強調應用技術支持思維的可視化和知識表征，從而重構信息表征加工過程。

鐘志賢總結了分布式認知在學習環境設計中的如下教學隱喻：（1）在分布式認知中，人和人工制品、個體和群體/共同體都同樣重要，理想的認知方式應當能夠整合人與人工制品的認知功能；（2）協作學習、學習者共同體和知識建構共同體都是重要的分布式認知活動；（3）交流與交互是實現分布式認知目標的必然方式；（4）信息技術在分布式認知系統中發揮重要作用。翁凡亞等人進一步分析了分布式認知對學習環境設計的啟示：（1）以系統論的觀點看待學習環境，強調設計；（2）應用智能制品促成分布式認知活動；（3）高度重視社會物質境脈；（4）運用技術支持分布式的交互和協作；（5）強調運用技術支持思維的可視化和知識表征，拓展個體思維。

從分布式認知視角出發，在學習環境設計時要考慮以下因素：第一，認知分布于功能系統內的不同認知主體中，每個認知主體的概念水平、認知策略和獲取信息的能力不同，其認知表征也不相同。因此，學習環境要根據學習者的能力水平，提供不同結構的教學支架，使學習者保持在最近發展區之中。第二，學習環境要為學習者提供充足的交互機會，學習者通過與他人和人造制品的交互來獲取信息，進而改變自身認知。人工制品作為認知媒介和外部認知輔件，支持著系統中的知識傳播和認知發展，部分人工制品還能作為認知卸載的記錄工具，為教學評價提供證據。第三，心理氛圍和文化背景為認知提供重要的情境，同一種行為在不同情境下會產生不同的解讀，因此學習環境設計要對此加以考慮。例如，Huizinga在其經典著作《游戲的人》中提出了“魔法圈”隱喻，指當學習者進入游戲環境或者共同約定開始游戲時，他們便踏入了具有特殊規則的“魔法圈”之中，這是“一個平常世界中的臨時世界，致力于一種不同的行為的表現”。Bateson認為在游戲這個特殊結構框架中，有著不同的元交流（metacommunication）。例如，人們會對“攻擊”行為更加寬容。第四，在分布式認知理論中，認知和知識的分布包括空間和時間兩種維度。認知在空間上的分布提示人們在設計學習環境時，應充分把握參與認知過程的元素之間的功能關系，有策略地將知識內容和認知活動嵌入到學習環境中，使用空間位置來編碼特定信息，促進學習者認知發展。認知在時間上的分布提示人們要將學習者認知順序納入學習環境設計中。學習者作為認知主體，在學習過程中對客體的內在表征不斷更新，與此對應的人造制品也應當適應學習者認知的發展，支持其進一步學習。

2游戲化學習環境研究現狀

近年來，隨著游戲化學習理念的不斷傳播與發展，國內外諸多學者從不同視角對游戲化學習環境的構建進行了研究。

2.1游戲化學習環境的基本內涵

游戲化學習環境也稱基于游戲的學習環境（gamebased learning environment），常見的游戲化學習環境主要包括教育游戲和模擬仿真。教育游戲被定義為一種結合娛樂和教育目標的智力競賽，玩家根據特定規則參與計算機模擬的情境，并產生可量化的結果。模擬仿真（simulation）是一種模擬真實或假想情境的計算模型，用戶可以通過操縱或修改仿真參數來掌握教學內容。教育游戲和模擬仿真之間并沒有清晰的界限，兩者之間共性多于差異，隨著游戲技術的不斷進步，視頻游戲和模擬仿真逐漸趨于融合。

2.2游戲化學習環境的特點

游戲化學習環境是以學習者為中心的學習環境，具有情境化、沉浸式、多模態的特點。相比傳統學習環境，游戲化學習環境以豐富有趣的形式呈現學習內容，能夠有效激發學習動機，并能為學習者提供及時有效的反饋，從而促進有意義學習。

（1）以學習者為中心的設計。游戲化學習環境的內容呈現和互動模式具有以學習者為中心的特點。當玩家進入視頻游戲或模擬仿真時，虛擬環境中的工具、設備和活動都圍繞玩家而展開呈現，感知其能力水平和學習需求，為其提供個性化的內容。這種“圍繞玩家設計關卡場景、呈現內容、提供反饋”的特點與以學習者為中心的學習環境設計理念不謀而合。學習者在界定自身意義時處于中心地位，他們在學習支架的支持下參與真實任務與社會文化實踐，結合先前經驗和日常經驗完成意義建構，并能夠使用多種觀點、資源和表征形式與他人交流。Land等人認為，視頻游戲和模擬仿真不僅能作為教學支架有效地表征學生的默會知識和先前概念，而且能用來增強、完善或拓展學習者的思維和觀點。并且，游戲化學習環境能為學習者呈現與其能力水平相匹配的內容。正如Gee所言，游戲作為學習場景符合循序漸進原則，在前期的學習場景中為學習者量身定制各種任務，使其技能達到一般化水平，為后面更復雜的任務奠定基礎。

（2）動態豐富的學習情境。學習情境主要是學習者通過想象、手工、口述、圖形等手段在學習獲知過程中使獲知效能達到最高境界的創設性手段。學習情境以學習環境為載體，受多方面因素共同影響，包括學習所處的空間（物理空間、資源空間、社交空間、虛擬空間）、人文社會環境、時空關系等。學習情境伴隨著學習行為產生，受到學習環境的制約和調節，學習情境隨著學習者能力水平的變化而發生改變。根據Bandura的三元交互決定論（triadic reciprocal determinism），當學習者身處學習環境中時，環境、行為和個人因素之間就會發生交互作用，人的學習表現是這些交互作用的結果。因此，學習情境存在于由學習者、學習環境和學習活動共同構成的動態系統之中，受學習活動驅動而發生變化。

游戲化學習環境中的學習者、學習環境和學習活動都與傳統課堂有較大差異，所營造的學習情境也具有明顯特點。在學習者方面，游戲能激發學習者的挑戰、好奇、競爭等深層內在動機，并培養其“追求本質和精神上的自由”的游戲精神。在學習環境方面，視頻游戲和模擬仿真能夠構建貼近真實的虛擬空間，為學習者營造沉浸式的學習體驗。游戲化學習環境中分布著豐富的學習內容與精心設計的支架，學習者基于自身對問題的理解“穿針引線”，探索游戲環境、收集信息、提出疑問和假設、獲得反饋與支持，最終建構對探究問題的理解，形成結論。在學習活動方面，游戲將積分、獎章、排行榜等元素融入到活動設計中，并在機制層面支持學習者與他人交互、使用游戲內的工具，操縱甚至改變學習環境，為學習者提供動態豐富的學習情境。

（3）支持多模態信息呈現。游戲化學習環境的另一關鍵特征是能同時為學習者呈現視覺、聽覺、觸覺、動覺等多模態信息，學習者通過計算機、游戲主機或虛擬現實設備等進入虛擬環境，操控虛擬化身與環境中的學習者、非玩家角色（NPC）、人工制品等互動。根據Mayer的多媒體學習認知理論，游戲化學習環境多模態信息呈現的特點能夠促進學習者的認知加工。Samaras等人的研究表明，同時使用視覺和聽覺兩個通道表征信息能夠降低學習者的認知負荷，相比單一通道信息表征更能促進學習者學習。但資源豐富的學習環境也會帶來潛在的認知負荷，當認知負荷超出學習者的認知加工能力范圍時，學習就會受到阻礙，因此需要對游戲化學習環境的交互機制進一步具體分析。

（4）基于玩法的交互機制。游戲化學習環境中的人機交互不僅是人與設備的交互，而且也是人與游戲內容的交互，這種交互比一般人機交互更加注重用戶的使用過程，即游戲玩法（gameplay）。游戲玩法是指玩家與某個視頻游戲或電腦游戲交互的方式，可以進一步表征為玩游戲的方式，包括規則、情節、目標、如何取勝，以及玩家的整體體驗。Pagulayan等人總結出游戲中的人機交互有如下特點：第一，游戲旨在激發思維和情感，側重于游戲過程而非結果；第二，游戲的目的由游戲自身定義；第三，游戲要富于變化，使用戶每次玩游戲都有不同的體驗，還要對用戶行為進行限制，讓實現目標的過程變得有趣而富有挑戰性；第四，游戲使用聲音和圖像來渲染氛圍、創設環境，并為用戶提供觀察視角；第五，游戲輸入設備差異較大，通常有專門為特定游戲類型或平臺設計的獨特輸入設備。由此可見，游戲玩法決定了游戲化學習環境中的人機交互機制。當前，已經出現一些通過特殊交互設計激發玩家情緒體驗的商業視頻游戲。例如，在《艾迪芬奇的記憶》這款游戲的“切魚關卡”中，玩家需要一心二用，使用一只手操控鍵盤控制屏幕左側虛擬角色的移動，用另一只手操控鼠標抓住流水線送來的魚放到右側的切魚刀下，通過這種“左右互搏”的操作方式使玩家“具身”地理解了所扮演的游戲角色在工作中分心做白日夢的體驗。在游戲《風之旅人》的設計過程中，作者將玩家的虛擬化身設置為無法互相碰撞，從互動機制上禁止了玩家間的攻擊行為，這些都是游戲玩法對交互機制的影響（見圖1）。

此外，具身認知的視角也為游戲化學習環境中的人機交互帶來新的啟示。鍵盤、鼠標等各種游戲設備都需要玩家具身使用。玩家通過各種設備操控虛擬化身在虛擬環境中探索，并通過空間知覺和情境記憶構建對虛擬空間的理解，而各種設備和游戲程序共同承載了玩家在環境中的各種行為。研究顯示，沉浸式虛擬現實設備相比于平板電腦和傳統桌面游戲，更能支持學習者的問題解決。由此可見，游戲化學習的交互機制依賴于游戲軟件和設備硬件共同支持的游戲玩法。

（5）激發情感與學習動機。大多數研究者都將教育游戲作為學習工具或學習環境，其研究強調游戲提升學習動機的優勢。這些研究者認為，游戲通過激勵反饋、游戲機制和其他玩家感興趣的活動來維持玩家的沉浸感。首先，游戲化環境能夠為玩家/學習者提供有意義的選擇，玩家通過自己的努力能夠影響游戲呈現的結果，甚至設計和改變游戲化環境，這使得游戲玩家不再是媒介的被動接受者，而是主動建構內容的創造者，能夠有效激發學習者的能動性和自主性，并能夠為學習者帶來與選擇相關的情緒體驗。其次，游戲化學習環境能夠通過激發心流（flow）來促進動機和情感。游戲化學習環境允許學習者在游戲化學習環境中選擇和控制自己的行為，并為學習者提供適合其能力的任務難度，從而成為人們獲得心流體驗的絕佳途徑。與此同時，游戲綜合使用聲音和圖形傳達情緒與環境信息，較傳統媒介在激發情感與學習動機上具有獨特的優勢。游戲化學習環境相比傳統課堂環境有兩個主要差異：一是游戲化學習環境擁有更強的玩樂屬性，能夠激發學習者參與游戲；二是游戲化學習環境能促進學習者在基于技術的環境中學習的自信心。因此，游戲化學習環境為提高學生的參與度和積極性提供了巨大的潛力。

3分布式認知視角下的游戲化學習環境

游戲化學習環境以學習者為中心，通過多模態信息呈現和基于游戲玩法的交互，為學習者構建動態豐富的學習情境，并能夠有效地激發情感體驗和學習動機。目前對游戲化學習環境的設計和選取主要依賴于研究者的經驗，尚缺乏可遵循的設計框架和規則。本研究從分布式認知視角出發，從分析單元、認知主體、時空分布三方面分析游戲化學習環境的設計特點，并基于教學交互層次塔模型和三元交互決定論模型來分析游戲化學習環境的交互機制特點。

3.1分析單元

分布式認知理論將學習者和游戲化學習環境中的所有元素視為一個功能系統。在游戲化學習環境中，學習者不僅與其他同伴互動，而且與各種智能體和人工制品互動。在這種“輸入—輸出”和“刺激—反應”的循環中，學習者主動或被動地卷入到游戲系統中，與游戲環境雙向影響、雙重建構、互相編碼，構成了控制論意義上的反饋循環系統。在Salen和Zimmerman的定義中，游戲是一個包含傳感器、比較器和激活器三個元素的控制論系統，三種元素組合構成許多相互作用的子系統，控制著玩耍的流動，并動態地改變和轉換游戲元素。

3.2認知主體

游戲化學習環境相比于慕課（MOOC）、在線論壇等遠程教學系統具有多主體的特點，分布式認知理論認為游戲中的學習者及其虛擬化身（avatar）、游戲管理者（game master， GM）、非玩家角色（nonplayer character， NPC）、人工制品等都可以被視作認知主體或能動者（agents）。根據分布式認知的觀點，認知和想象分布在整個游戲環境中，分布在認知主體內和主體間。一方面，學習者進入游戲，并將自身認知帶入游戲系統中，而游戲環境中的各種智能體和人工制品也可以被視作設計者認知和意圖的“投射”與“儲存”。另一方面，當人們無法預測機器的行為時，就會用一種“意向立場”將機器視作“一位有智力的人類”來對待，并在活動中與其互動。此外，也有研究者用去中心化的視角看待媒體中的認知主體，Mackenzie和Wajcman基于行動者—網絡理論確定了“人工制品與社會群體之間的相互關系”，該理論假定在任何網絡、現象或系統中，人與非人之間，不存在占據首要地位的能動體。這種區別于傳統主客體二元論的觀點也體現出分布式認知視角下認知主體地位的變化。

3.3時空分布

游戲化學習環境為認知提供了一種泛在的時空分布狀態。這種泛在體現在兩個方面：一方面，在游戲化學習環境中，學習者的所有行動都能被記錄下來，并對環境產生影響。在空間維度上，越來越多的游戲支持學習者改變和重組游戲內容，如道具設計工具、關卡編輯器和地圖編輯器，支持學習者將認知分布于他們創造的人工制品之中。在時間維度上，學習者對游戲系統的改變在時間上累積形成歷史記錄，包括在論壇中的發言、在環境中的標記。這些認知痕跡都可能為其他學習者提供“本地化（local）”的腳手架，幫助其完成學習任務。而認知在時間上的累積也形成了學習共同體的社群文化。例如，《魔獸世界》是一種典型的“大規模參與式媒介”，其用戶為游戲系統提供了大量內容，游戲者的動態活動也在一定程度上改變了游戲環境，并形成游戲規則下約定俗成的文化傳統。另一方面，游戲世界在虛擬的時間和空間中展開，虛擬時間可以被加速、減速與回溯，支持學習者自定步調、反復操縱和回顧學習材料，虛擬空間可以被扭曲、分形和嵌套，支持學習者自選內容，切換觀察的視角與維度。由此可見，游戲化學習環境中的認知不僅在時間和空間維度上泛在分布，同時這種分布的表征形式也會隨著虛擬時間和虛擬空間的變化而發生改變。

3.4交互機制

分布式認知視角下的游戲化學習環境具有多模態交互、多認知主體和自適應反饋等特征。根據陳麗提出的教學交互層次塔模型，教學交互從具體到抽象、從低級到高級可以分為操作交互與信息交互以及概念交互3個層次（如圖2）。在操作交互層，游戲化學習環境不僅支持鍵盤鼠標輸入，并且支持虛擬現實設備、增強現實設備、專用游戲設備，具有多模態的特點。在信息交互層，游戲化學習環境中包含各種認知主體之間的交互，具有多主體、多模態的復雜交互模式。在概念交互層，游戲化學習環境能夠動態調整內容和難度，為學習者提供適合其能力水平的任務，基于規則為學生提供個性化的反饋，從而有效激發心流體驗和情感態度轉變，并促進學生對所學概念內容的深度理解和有效學習。因此，游戲化學習環境在概念交互上具有自適應反饋的特征。

根據Bandura的三元交互決定論，人和環境的互動行為是由個體（P）、行為（B）、環境（E）三元相互作用形成的，這三者雙向相互影響，都作為相互交錯的決定因素而發揮作用（如圖3）。從這個角度來看：一方面，在游戲化學習環境中，作為學習環境的視頻游戲是基于算法和規則設計的，并且受學習者影響而發生改變，這種改變的程度受游戲設計規則的限制。另一方面，游戲化學習環境為學習者提供信息反饋，不斷影響學習者的概念水平、認知能力和情感狀態。學習者的交互行為同時受學習者自身因素和環境因素的影響，并且改變學習者與環境的認知分布狀態。例如，學習者在游戲中操控游戲環境中的人造物品，來記錄和分析他們獲得的信息，并在此基礎上更新自己的認知和信念。

3.5典型案例：教育游戲《Crystal Island》

本研究選取經典教育游戲《Crystal Island（水晶島）》作為游戲化學習環境案例進行分析。《Crystal Island》是北卡羅萊納州立大學James Lester團隊設計開發的、面向培養中年級科學探究和讀寫能力的游戲化學習環境。在游戲中，學生們要扮演一名醫學偵探，調查偏遠島嶼上爆發的神秘傳染病，并完成一系列任務，從蔓延的疫情中拯救整個研究小組。這款游戲使用豐富的、以敘事為中心的、基于探究的方法來培養八年級學生學習微生物知識和探究技能。學生在以身臨其境的第一人稱視角探索島嶼、研究營地的同時，利用批判性思維技能來解決有關疫情來源和影響的問題，使用虛擬實驗室設備檢驗假設，并完成診斷工作表以記錄他們的發現。這個工作表可以為學生提供問題解決過程中的腳手架，并為學生提供認知空間，來卸載有關該疾病的發現的認知負荷（見圖4）。在游戲的最后，學生需要向營地護士提交完整、正確的診斷和治療計劃來解開謎團。

使用分布式認知理論視角來分析《Crystal Island》的學習環境。在游戲環境中，學生以第一人稱的視角探索研究營地，操縱虛擬物體，與各種虛擬人物交談，并利用實驗室設備和其他資源收集信息、記錄發現、形成假設，最終完成診斷工作表，從而解開謎團。在這個過程中，整個游戲場景及場景中的虛擬物體和人物都屬于功能系統。在功能系統中，游戲設計者將各類信息預設“分布”在學習環境中，供學習者探索發現。學習者（及其控制的虛擬化身）作為認知主體通過屏幕、鼠標、鍵盤實現與游戲的界面交互，探索虛擬游戲場景，不斷發現新的信息，并將有意義的信息記錄、整理、分析、綜合，從而實現信息交互。在此過程中，學習者也在頭腦中不斷完善和修正自己內在的認知圖式，更新知識概念，對所探究的問題形成更系統、更準確的理解，從而實現概念交互。以上認知過程同樣具有時空分布的特點，由于對問題解決有價值的信息“分布”在游戲空間場景中，學習者需要在虛擬空間中探索互動，不斷發現分布在空間中的線索。并且，學習者獲取信息有先后次序的時間分布，隨著時間過去，游戲系統本身也不斷產生新信息供學習者獲取，學習者的知識狀態和概念水平也在探索過程中不斷發生動態變化。

4分布式認知視角下的游戲化學習環境模型

根據游戲化學習環境中的信息流動的方向，本研究在三元認知交互論模型和教學交互層次塔模型的基礎上，提出分布式認知視角下的游戲化學習環境模型（如圖5所示）。

模型以分布式認知理論為中心，具體包括行動者網絡、交互行為和游戲化學習環境3個主要部分。

首先，分布式系統的行動者網絡包括學習者、同伴、教師、設計者、智能代理等，這些行動者之間彼此聯系，共同構成認知主體。不同行動者根據其目標和價值，在行動者網絡中發揮自身作用，并相互協調各自的努力和行動。

其次，互動行為由下向上分為操作層、信息層和概念層。操作層主要涵蓋學習者操作學習工具和設備實現系統與外界的信息輸入和輸出，操作的形式受限于設備硬件的技術可供性，并受到信息層內容的影響。對于學習者而言，操作層主要涉及通過屏幕、鍵盤鼠標、手柄等設備操作游戲系統。信息層主要是指系統中，認知主體之間發生信息交流，進而改變各自狀態，并將認知分布于不同主體內部和主體間的共同作用中，包括學習者和非玩家角色的交互、學習者和學習資源的交互、學習者和教師的交互，以及學習者之間的交互。概念層主要是指學習者在交互之后，通過反思、決策、與他人討論分享，改變自身認知圖式，實現舊概念向新概念的轉變。信息流通過操作層的各種設備以多種模態形式輸入系統之后，在信息層的認知主體間通過交互作用復制、傳輸和轉化。在此過程中，學習者頭腦中的概念也發生變化，從而實現概念層中新舊概念的轉變。可以發現，認知主體通過與學習環境不同層次的交互行為，最終實現認知分布狀態的轉變。

再次，游戲化環境所構建的虛擬環境（以及其中各種虛擬物品）“承載”了學習者的各種交互行為，并為其提供學習資源、學習支架。游戲化環境的動態機制也支持對真實情境和復雜變化過程的模擬仿真，能夠在與學習者互動的過程中，給予有效、適時、多模態的反饋，實現認知卸載和分布，從而有效調節學習者的認知負荷水平。游戲化學習的情境和敘事也能營造與學習內容適切的情感狀態，支持學生在情境中進行有意義的學習。

5結束語

分布式認知符合人們的日常習慣，在現實世界中，各種信息分布于每個人的頭腦里，分布于各種人工制品的認知留存中，人們會在環境中收集各種信息，通過探究和批判性思考形成結論，用于解決問題。因此，分布式認知強調交互行為，通過交流和交互實現分布式學習，強調使用信息通信技術支持分布式認知活動，并且重視人工制品對于認知的作用。分布式認知理論與游戲化學習中構建虛擬學習環境、創設學習情境、支持多模態信息呈現與復雜的交互的特點十分契合，為游戲化學習環境設計提供了重要的啟示。并且，隨著具身認知和延展心智理論的發展，認知過程中的身體參與使個體認知和分布于環境中的認知之間的邊界變得更加模糊，這也為游戲化學習環境設計中的交互模式和身體參與提供了新的理論基礎。在此背景下，如何在分布式認知視角下設計開發具有教育價值的游戲化學習環境將成為下一步研究的重點。

參考文獻：

1.鐘志賢.論學習環境設計.電化教育研究，2005（7）：3541.

2.鄭琳.基于人工智能的教育領域變革與路徑探析.繼續教育研究，2024（1）：3841.

3.祝士明，王田.游戲化學習環境下的教與學.現代教育技術，2017，27（6）：2530.

4.理查德·E.梅耶. 走出教育游戲的迷思：科學證據告訴了我們什么.裴蕾絲，譯.北京：教育科學出版社， 2019：910.

5.周國梅， 傅小蘭. 分布式認知——一種新的認知觀點. 心理科學進展， 2002，10（2）：147153.

6.VYGOTSKY L S. Mind in society： the development of higher psychological processes.Cambridge，MA： Harvard University Press，1978：5355.

7.GIBSON J J. The ecological approach to visual perception. Boston： Houghton Mifflin，1979：119120.

8.E.哈欽斯.荒野中的認知.于小涵，嚴密，譯.杭州：浙江大學出版社，2010： 5557.

9.KIRSH D，HOLLAN J，HUTCHINS E. Distributed cognition： toward a new foundation for humancomputer interaction research.ACM Transactions on ComputerHuman Interaction （TOCHI），2000，7（2）：174196.

10.COLE M，ENGESTROM Y. A culturalhistorical approach to distributed cognition//SALOMON G.Distributed cognitions：psychological and educational considerations.USA： Cambridge University Press，1993：146.

11.ZHANG J，PATEL V L，JOHNSON K A，et al.Designing humancentered distributed information systems.Intelligent Systems IEEE，2002，17（5）：4247.

12.任劍鋒，李克東.分布式認知理論及其在CSCL系統設計中的應用.電化教育研究，2004（8）：36，11.

13.FREDERIK I，SONNEVELD W，DE VRIES M J.Teaching and learning the nature of technical artifacts.International Journal of Technology and Design Education，2011，21：277290.https：//doi.org/10.1007/s1079801091193.

14.劉俊生，余勝泉.分布式認知研究述評.遠程教育雜志，2012，30（1）：9297.

15.潘云鶴.人工智能2.0與教育的發展.中國遠程教育，2018（5）：58，44，79.

16.BELL P，WINN W.Distributed cognitions，by nature and by design//JONASSEN D H，LAND S M.Theoretical foundations of learning environments.Mahwah，New Jersey： Lawrence Erlbarum Associates，2000：123145.

17.翁凡亞，何雪利.分布式認知及其對學習環境設計的影響.現代教育技術，2007，17（10）：1417.

18.約翰·赫伊津哈.游戲的人：文化的游戲要素研究.傅存良，譯.北京：北京大學出版社，2014：120.

19.BATESON G.A theory of play and fantasy.Psychiatric Research Reports，1955，2（1）： 3951.

20.SHUTE V J，RAHIMI S.Stealth assessment of creativity in aphysics video game .Computers in Human Behavior，2021，116：106647.https：//doi.org/10.1016/j.chb.2021.106647.

21.National Research Council.Learning science through computer games and simulations.Washington，DC： The National Academies Press，2011：810.

22.DE FREITAS S，GRIFFITHS M.The convergence of gaming practices with other media forms： what potential for learning？ a review of the literature.Learning，Media and Technology，2008，33（1）： 1120.

23.LAND S M，HANNAFIN M，OLIVER K. Student-centered learning environments： foundations， assumptions， and design// LAND S M， JONASSEN D. Theoretical foundations of learning environments.2nd ed. New York： Routledge， 2012：121.

24.GEE J P.What video games have to teach us about learning and literacy.Computers in Entertainment，2003，1（1）：120.

25.田陽，紀河.基于教育場域的網絡學習環境探究.中國電化教育，2019（4）：3643.

26.田陽，萬青青，陳鵬，等.多空間融合視域下學習環境及學習情境探究.中國電化教育，2020（3）：123130.

27.BROWN J S，COLLINS A，DUGUID P.Situated cognition and the culture of learning .Educational Researcher，1989，18（1）：3242.

28.BANDURA A.Social cognitive theory： an agentic perspective.Annual Review of Psychology，2001，52（1）：126.

29.尚俊杰，裴蕾絲.重塑學習方式：游戲的核心教育價值及應用前景.中國電化教育，2015（5）：4149.

30.MAYER R E，MORENO R.Nine ways to reduce cognitive load in multimedia learning.Educational Psychologist，2003，38（1）：4352.

31.SAMARAS H，GIOUVANAKIS T，BOUSIOU D，et al.Towards a new generation of multimedia learning research.AACE Review，2006，14（1）：330.

32.關萍萍.互動媒介論——電子游戲多重互動與敘事模式.杭州：浙江大學，2010.

33.ROUSE M.Gameplay .（20161221）.https：//www.techopedia.com/definition/1911/gameplay.

34.PAGULAYAN R J，KEEKER K，WIXON D，et al.Usercentered design in games// JACKO J，SEARS A.The humancomputer interaction handbook： fundamentals，evolving technologies and emerging applications.Mahwah，NJ： Lawrence Erlbaum Associates，2003： 883906.

35.ARAIZAALBA P，KEANE T，CHEN W S，et al.Immersive virtual reality as a tool to learn problemsolving skills.Computers amp; Education，2021，164（2）：104121.

36.YU Z ，GAO M，WANG L.The effect of educational games on learning outcomes，student motivation，engagement and satisfaction.Journal of Educational Computing Research，2021，59（3）：522546.

37.LU Y L，LIEN C J.Are they learning or playing？ students’ perception traits and their learning selfefficacy in a gamebased learning environment.Journal of Educational Computing Research，2020，57（8）：18791909.

38.SALEN K，ZIMMERMAN E.Rules of play： game design fundamentals.Cambridge： MIT Press，2003：218.

39.DENNETT D.Intentional systems.Journal of Philosophy，1971，68（4）：87106.

40.MACKENZIE D，WAJCMAN J.The social shaping of technology .2nd ed.Buckingham，England： Open University Express，1999：5073.

41.陳麗.遠程學習的教學交互模型和教學交互層次塔.中國遠程教育，2004（5）：2428，78.

42.娜仁，楊成.基于班杜拉的交互決定論談網絡教學中的交互.現代教育技術，2005（1）：2123，27.

43.BANDURA A.The self system in reciprocal determinism.American Psychologist，1978，33（4）：344358.

44.ROWE J P，SHORES L R，MOTT B W，et al.Integrating learning and engagement in narrativecentered learning environments//Proceedings of the 10th international conference on Intelligent Tutoring SystemsVolume Part II.Springer，Berlin，Heidelberg，2010：166177.

45. EMERSON A，CLOUDE E B，AZEVEDO R，et al.Multimodal learning analytics for gamebased learning.British Journal of Educational Technology，2020，51（5）：15051526.

Study on gamebased learning environment model from the perspective of distributed cognition

SHI Zhu，SHANG Junjie

（Graduate School of Education，Peking University，Beijing100871，China）

Abstract""In recent years，gamebased learning environment has gradually become the focus of educators and researchers because of its immersive learning experience and rich and diverse problem situations.However，how to design a gamebased learning environment that can effectively support teaching and learning based on learning scientific theory is still a challenging problem.Based on the perspective of distributed cognition，this paper analyzes the interaction between different cognitive agents in gamebased learning environment，and puts forward a gamebased learning environment model.

Keywords distributed cognition;gamebased learning;learning environment;gamebased learning environment

[責任編輯 孫 菊]