基于學習興趣培養的認知游戲設計
——以中小學生跨學科學習為例

鄭富，盧恩澤，郭蘆波

（1.河南大學，河南開封 475000；2.河北省保定市前進小學，河北保定 071000；3.天津中德應用技術大學，天津 300000）

近年來，科技與網絡的迅速發展推動了網絡和游戲的興趣與發展，學生成了網絡和游戲的主體。然而，游戲設計本身的目標是營利，這就造成了各式各樣的游戲公司，開始將教育理論轉化為可營利的理論，如將沉浸學習轉化為沉迷游戲、將小組互動學習轉化為多人游戲型式，造成從小學、初中、高中、大學，甚至包含成人，都存在許多人沉溺其中而無法自拔。此外，浙江省疾控中心董曉蓮等人研究指出，青少年的游戲成癮，使青少年將游戲優先于其他生活興趣和日?；顒又埃⑶視€人、家庭、社會、教育產生顯著痛苦或嚴重損害[1]，這說明了游戲會促使青少年的生活單一化，不僅不學習，而且是腦中只有“玩游戲”。此外Wang等對中國中學生的游戲成癮研究發現，27.6%的青少年玩電子游戲或網絡游戲，通過游戲成癮表，測得其游戲成癮概率為14%，說明有超過50%的青少年，一旦開始進入“玩游戲”的過程中便會成癮，可見其嚴重影響?；诮逃康亩O計的教育游戲，如周雪薇針對小學生的科學課學習所開發的教育游戲[2]、張亞芳針對初二學生歷史學習所開發的歷史劇編演游戲[3]等，都給學生的學習效果帶來顯著的提升，故游戲并非學生學習的主要影響因素，游戲設計者的目的才是真正影響學生問題核心。本文基于學生學習興趣培養，從認知游戲設計思想、概念模型構建的視角出發，以中小學跨學科學習為材，進行說明及探討。

一、認知游戲設計思想

（一）游戲進行須線下可單人可多人

線上游戲，雖然互動較多，但是對于游戲設計的門檻較高，須以程序進行編程，并且只能在手機、平板或電腦進行，除了日后對游戲的修改成本較高外，由于學生在進行游戲時，能有機會“偷懶”干別的事情，長期來說是更容易促使學生沉溺在手機、平板及電腦的“玩癮”之中。

（二）游戲機制須可閉環

游戲機制的可閉環意指機制的本身是公平的，并且不存在程序上的邏輯問題。學生在進行游戲中，會投入自身大量的時間資源及精力資源，倘若機制本身不公平，有某些人存在非法的游戲特權，會使學生感到自身的權益遭受侵害，進而造成學生所投入的資源損失，最終學生決定不再進行游戲。

（三）游戲進行須圍繞學習

雖然認知游戲的組成包含娛樂性設計及學習性設計，但在學生進行游戲的過程中，卻存在只玩不學的可能性，而認知游戲的設計目的在促使學生各學科的認知水平及跨學科學習能力皆能得以發展，故在游戲的進行機制中，須有確保學生始終圍繞學習的設計。

（四）學習任務難度須符合學生的最近發展區

在學習任務的進行中，任務太難會令學生玩不下去，太簡單則會使學生感到沒意思，只有讓學生感到有一定困難，但又是努力可以達到的任務，才能對學生有持續的推動作用。對于學生而言，最近發展區是一個動態的變化過程，因為學生通過“做任務”提高了自身認知水平，同時擴大了最近發展區，故學習任務的難度設定，必須符合學生實時變化的最近發展區。

（五）游戲參與者可允許多層次參與

一個引人入勝的游戲設計，經常是允許多層次的學生同時參與。學生在游戲過程中，享受著與不同智力水平、不同年紀、不同社會階層的人們公平較量的快感。故在游戲機制的設計中，應該要能允許讓成績不同、年級不同的學生能夠進行競賽的設計。

（六）游戲過程須激發持續參與興趣

不同于學校的學科課程所具有的參與強制性，學生不論喜不喜歡都得學、學得好不好都得參與中考，每個游戲的參與者在任何時刻都存在放棄進行游戲的可能。多數學生在一開始僅是因為新奇感而參與游戲，但隨著時間的推移，新奇感逐漸消退，開始產生某些學生不愿意繼續參與。故在游戲的設計中，須有持續保持其持續參與的機制。

二、認知游戲概念模型

（一）認知游戲要素

1.特權與移動

在認知游戲設計中通過丟擲骰子，依點數進行移動的方式進行游戲，并以停留、前進、倒退三種移動方式定義了“移動”的內容；以盾牌卡的屬性防御、魔法卡的移動方式升級、武器卡的屬性攻擊定義了“特權”的內容。

2.命運與機會

在認知游戲設計當中，因為“非預期”是一個保證學生持續參與的重要設計，故在整個游戲當中，設置了命運與機會兩種隨機選項。抽到機會大多能得到特權卡、而命運則可能是對所有玩家產生正面或負面的影響，也可能是強制抽取學習任務，也可能是運動項目。

3.活動與任務

在認知游戲中，“活動”指學生不論身體素質好壞，都可徒手進行，并且沒有受傷風險的運動及與他人的趣味互動，“任務”專指學生可獨立進行的學習任務，“活動”源自命運與機會，“任務”源自游戲進行中的各子內容。

（二）跨學科學習要求

通過搜集1990年至2016年間物理學與化學領域的113位諾貝爾獎獲得者個人自傳、人物傳記和演講等材料，發現絕大部分獲得者都有博士生教育的經歷，并且有81%在孩提時代就對科學或數學等智力探索和創造性活動產生興趣，同時都有基于專業領域的相近性學科的知識學習[4]，可見跨學科學習是頂尖人才們的顯著特點。

但是在中小學的學校課程設置中，有九成以上是單學科設置，不論是教師、學生或家長，在這樣的學習環境中也習慣了單學科思維?，F實世界中的大多數問題，經常是跨學科的存在，而中小學的分科教學，卻只能讓學生掌握各學科體系內的知識內容，一旦遇到綜合性的問題，容易令學生感到手足無措[5]。故在認知游戲中的跨學科學習要求，并非讓學生學會跨學科知識，而是產生跨學科學習興趣，并建立跨學科的問題發現能力、問題解決思維。

（三）學習的認知層級

結合提升認知的四層次68個學習目標[6]，提煉出四級共12種學習任務

1.識別（依據書上的某一個原則找出不同書上的符合原則的問題或例子）

任務依序為：找出一個原則、說明這個原則、找出符合原則的例子、說明這個例子為何符合這個原則。

例如在生物的糖的分類中，淀粉在水中會水解成為麥芽糖，而人在吃饅頭時會感到饅頭發甜，是因為饅頭主要由淀粉構成，淀粉在人的口腔中由于唾液淀粉酶的催化作用，水解成為麥芽糖。

2.說明（說給別人能理解）

任務依序為：找出一個知識點、用通俗的語言講給別人聽、向對方提問。

例如在初三物理分子的熱運動中，分子熱運動的快慢與溫度有關，溫度越高，分子運動越快，則分子運動范圍增大，這時分子間的平均距離就會增大；同理溫度越低，分子運動越慢，則分子運動范圍縮小，這時分子間的平均距離就會縮小，這種狀況簡稱熱脹冷縮；同體積同質量的水，常溫與結冰的情況相比它們的體積大小沒有區別嗎？

3.改正（把錯誤的改為正確的）

任務依序為：自己想出或在書中找出一個知識點、用錯誤的方式告訴別人、將這個錯題指出并改正。

例如在初三數學的二次函數中，找出“二次函數的定義”，錯誤的說法是二次函數y=ax2+bx+c(a、b、c是常數，a≠0）中自變量x的取值范圍是所有整數；指出自變量的取值說法是錯誤的，自變量x的取值范圍的正確說法應是所有實數。

4.應用（用一個方法在不同情況下解決問題）

任務依序為：想出或找出一種解決問題的方法、用這個方法去解決一個不同情況下的問題。

例如物理中的控制變量法，控制變量法是在做物理實驗時研究物理量之間的關系，同樣可以將控制變量法運用到其他學科的實驗中，例如在做生物的研究實驗時，可以先控制幾個因素不變，再集中研究其中一個因素變化所產生的影響。

5.演示（用工具把信息給別人理解）

任務依序為：找出一個知識點、想想身邊有什么工具、用身邊的工具進行演示、講出演示內容的知識概念原理。

例如在物理的杠桿原理中，用一把尺子、木棍和橡皮來模擬投石機，木棍支撐尺子的部位是支點，而手作為動力點到支點就是動力臂，橡皮作為阻力點到支點就是阻力臂；概念和原理是杠桿由動力、阻力、動力臂、阻力臂和支點組成，若一根硬棒，在力的作用下能圍繞著固定點轉動，這根硬棒就叫杠桿。

6.渲染（夸張敘述）

任務依序為：找出一個知識點、想象有什么夸張的表述形式、找出適合的表述形式來敘述這個知識點。

例如找出知識點“食物鏈”，小吃大的方式可以用動作、用表演、用畫漫畫的方式進行表述、決定畫個漫畫（在一個漫畫中有草、大象、蛇，其中大象吃草、蛇吃大象、蛇死后被草吃，并將這幾個畫面以箭頭線段連接起來）以表示不同生物間的吃與被吃的關系，并說明這個關系就叫作食物鏈。

7.分類（按某項共同特征進行歸類）

任務依序為：找出三個或三個以上的知識詞匯、找出他們的共同特征、找出他們的各自特點、依據共同及不同進行分類。

例如在初二物理的彈力、浮力、摩擦力的分類中，這三種力都存在力的方向、大小及作用點等共同點。彈力的方向與施力物體發生彈性形變的方向相反、彈力的大小僅跟彈性形變程度有關、作用點就是擠壓受力物體的接觸面；浮力的方向與重力的方向相反，而浮力大小僅與排開水體積所受的重力有關、作用點就是物體在水中的上面及下面；摩擦力的方向與物體相對運動的方向相反、摩擦力大小與接觸面的粗糙程度及壓力大小有關、作用點在物體間的接觸面上。

8.對比（對矛盾或對立的事做比較）

任務依序為：先列舉兩個具有矛盾或相反對立的知識點、分別解釋這兩個知識點、以一個為主另一個為輔的方式進行說明。

例如物理中的熔化與凝固現象是相反的，熔化是物質從固態變成液態的過程、凝固是液態變成固態的過程。固體熔化過程中需要進行吸熱，而凝固的物態變化過程與熔化過程相反，相對于熔化過程中的吸熱反應，凝固應為放熱反應。

9.證明（根據已知證出想證明的事物是對的）

任務依序為：確定好已知的知識，從書中找出想要證明事物，根據已知知識證明出此事物的正確性。

例如數學中等腰三角形中，已知等腰三角形的兩底角相等、頂角平分線、底邊上的中線及高是同一條件，所以能這個三角形平分成兩個全等的三角形。

10.改編課本內容（根據原作進行改寫，不論改完后是否正確）

任務依序為：選定課本并找出其中一段知識描述或者課文故事、根據內容進行改寫（改變其形式、改變其用途、將內容中的錯誤和缺點不論對錯的并進行改寫）。

例如將歷史知識“阿拉伯文化的數學成就是阿拉伯人改編古印度人的計數為阿拉伯數字”進行同學科改編為“日本人改編中國的制茶方法形成日本的茶道”、跨學科改編為“生物知識中，把植物體結構的細胞—組織—器官—個體層次改編為動物體結構的細胞—組織—(器官+系統)—個體層次”。

11.創造（將兩個以上的概念進行新的聯系）

任務依序為：提出兩個或兩個以上的知識概念并說出來、找到兩個概念中的聯系、將兩個概念結合聯系形成新的概念。

例如將物理與數學中的壓強計算公式與反比例函數進行聯系創造；物理中壓強等于壓力除以受力面積，當受力面積為常量，壓力為因變量，壓強為自變量時，那么這個公式就成為了數學中一個反比例函數，故可以將兩者概念進行聯系創造新概念，每當受力面積為不變時，那么壓強和壓力就成正比。

12.推薦（從書上找出一個知識并提出一個觀點，向他人介紹并且要得到他人的認可）

任務依序為：從書上找出一個知識或提出一個觀點、想象或考慮對方的生活背景及需求、結合對于對方的了解而想出一個沒有漏洞的邏輯連接觀點、以對方能理解認可及接受的語言進行表述。

例如在語文課本的《龜雖壽》中，雖然龜的壽命很長，但仍有一死。推薦的對象是小明，其背景為，家里的老人去世了。結合邏輯以對方能接受的方式表述觀點是，龜的壽命雖然比人長那么多，但是卻還會死，所以我認為死是不可抗拒的自然規律。

三、認知游戲設計

（一）游戲環境與內容

1.游戲環境

在游戲開始之前，須對每位學生進行游戲定位的嚴肅說明“這個游戲是要讓自己把學習變得快樂，讓學習的過程中可以忘記時間”，而并非只是單純的為了玩游戲。游戲由1～4位學生共同進行游戲（學生過多，等待時間過長，將會促使學生失去耐心），統一由界點（是起點也是終點）向右出發，走完一圈后再重新回到終點。每個人輪流丟擲一顆骰子，所得的點數即為移動點數。每一圈共有76格，在游戲中稱為“路段”，在移動過程中，如果學生走到彈簧的限定路段，將會被彈回至指內路段。當學生在不使用任何特權卡時，僅能按路段的順序進行移動。在游戲的進行開始，每位學生都擁有一格生命值（上限為兩格），在游戲過程中，生命值可能會增加或減少，當減少至零后，學生將被強制倒退七格，同時又恢復一個生命值。

2.游戲內容

在游戲地圖中，除了界點外，還有普通路段及特殊路段，學生停在普通路段時，不需進行任何活動；停留在特殊路段時，則需要進行相應的活動?；顒臃譃?個機會、6個命運、16個任務、22個陷阱。學生走到“機會”或“命運”時，可能會以隨機或對應（有指定獲得特定的特權卡）等方式獲得特權卡，特權卡有工具卡、武器卡、防御卡、加速卡、梯子卡、香蕉皮卡。走到任務則需做一次任務、走到陷阱則可能會造成損失。

特權卡，通過走到“機會”路段后抽取第一張獲得，也可能是走到對應特權而指定獲得。特權卡能隨時使用，在同一局（指在一圈72格中）內可積累卡片，輪回至界點后若有剩余特權卡，可自行選擇保留兩張以內的特權卡，其他特權卡需上交；每張特權卡只能使用一次，使用后特權卡將失效。其中包含了（1）工具卡：疾步鞋，前進5步；彈簧鞋，可跳過一次任務或陷阱；音樂筒，選擇唱一段歌，唱后可跳過一次陷阱。(2）武器卡：機關槍，選擇消滅對手防御卡一張；打炮，選擇消滅對手工具卡一張。

命運卡，通過移動至“命運”路段后抽取第一張獲得。其中包含了：你路過的地方發生了高壓線觸電，需單腳站立15秒躲過，否則回到界點位置；體育老師想檢查一下你的體能，做10個蹲起，能獎勵你一次抽取特權卡的機會；你遇到了火焰攻擊，扣除一格血量，并后退3步；世界遇到了隕石墜落，所有玩家降一等級。

陷阱路段，主要集中在靠近地圖終點位置，玩家停留在陷阱位置會觸發陷阱攻擊，每種陷阱攻擊都會產生相應的后果，擁有特殊特權卡的玩家可以使用并避免對應攻擊。陷阱分為捕獸夾陷阱、火焰陷阱（玩家受到攻擊，被扣除1格血量）、硫酸陷阱（玩家受到攻擊，被扣除1格血量，并后退一步）。

（二）研究過程與分析

為使認知游戲設計能確實激發學生的學習興趣、提升學生的認知水平，故在游戲設計過程中采用了二次調研及改動。

第一次改動，學生反映“玩家走了半天，除了任務幾乎什么也沒遇到，走幾步就到終點了”。改動內容為，將原本54格路徑增加到76格，增加更多的機會點和命運點，并使其分布均勻。

第二次改動，學生反映“認為是無腦游戲，里面的命運還是用不到，玩一局就不想玩了”。改動內容為游戲難度提升，新增獎勵點、梯子裝置和陷阱路段，特權卡與命運卡新增更多玩法，玩家新添血量值機制。觀察改動后的效果，發現學生對游戲興趣提升很多，已經可以持續的、順暢地進行游戲，并完成學習任務。

四、總結

在信息化時代浪潮中，手機及電腦對于中小學生的學習及生活全面滲透。各種游戲的誘惑也無孔不入，游戲與學習并非僅是二元對立，也可以進行整合。在圍繞激發學生學習興趣及提升學習深度的雙目標前提下，游戲元素與學習認知理論進行了統一，再通過多次的游戲設計調研及改良，終于形成圍繞學生正面發展設計的認知游戲。認知游戲在更大的范圍中有效推行及中小學進行過程中能產生多大效果，成為下一階段的研究中，亟待解決的問題。