基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設計研究

黃璐　章蘇靜

[摘要]虛擬實驗的開發和應用極大地豐富了實驗教學環節。然而，在實踐中虛擬實驗往往存在枯燥乏味，無法吸引學習者，教學理論陳舊等現象。文章通過對整合情境、沉浸理論等理論研究，提出了基于整合情境的游戲化虛擬實驗，探討了其設計機理、設計模式及特點，并在此模式下設計開發了虛擬實驗案例。以期通過此模式的研究使虛擬實驗具有一般特點的同時還具有情境性、藝術性、娛樂性，能吸引并使學習者沉浸其中，最終達到增強學習效果的目的。

[關鍵詞]虛擬實驗；整合情境；輕游戲；沉浸理論；整合教學法

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009—8097（2013）11—0109—06

一 引言

虛擬實驗注重的是實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性，主要是借助于圖像/圖形、仿真和虛擬現實等技術在計算機上所營造的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環節。通過研究發現，現在的虛擬實驗普遍存在以下幾個問題：第一，虛擬實驗缺乏趣味性，枯燥乏味，不能引起學生的興趣，學生很難主動投入學習并維持學習興趣。第二，虛擬實驗缺乏與學生的互動，基本上虛擬實驗是由教師控制界面，學生處于聆聽模式。第三，教學理論陳舊無力，學習者缺少自主探宄，合作分享的機會。以上這些問題容易導致學習者對虛擬實驗缺乏興趣，產生厭煩、急躁甚至排斥的情緒，學習效果大打折扣。歸根到底，出現這些問題的原因是與現代教育理念相悖，現代教育理論倡導教師應由處于中心位置的知識權威轉變為學生學習的指導者和合作伙伴、設計者、教育的研究者，學生應由被動的知識容器和只是受體轉變為知識的主宰、學習的主體，學習環境應由簡單的背景化信息轉變為具有吸引力和復雜情境的功能性教學載體。由此可見，虛擬實驗的設計面臨著改進需求。

按照2002年麻省理工學院和微軟公司提出“現代教學法+藝術化游戲環境=下一代教育媒體”的觀點，虛擬實驗要實現吸引、促進學習者沉浸其中，使學習者深度體驗實驗過程，探究實驗結果，那么有先進并恰當的教學理論為設計依據，加上具有強烈感官刺激、心理挑戰的游戲化環境設計，實現教學、心理、藝術效果的完美結合。據此，我們認為虛擬實驗應創設為能吸引并使學習者沉浸其中的虛擬學習環境，這個虛擬環境具有較強的現實感、交互性、藝術性、娛樂性等特點。基于以上考慮，此本文提出創設整合情境，將“輕游戲”元素增設到虛擬實驗中，設計了基于整合情境的游戲化虛擬實驗模式，并將此設計模式應用到開發的虛擬實驗案例中。

二 整合情境及沉浸理論概述

1 整合情境

（1）整合情境的概念。20世紀80年代，比利時、瑞士、法國等歐洲國家提出整合教學法（Integrative Pedagogy），該教學法是訓練學生聯合調動若干知識和技能，來解決復雜的情境。開始時整合教學法被應用在大學教育、職業培訓中，逐漸應用到中小學教育。整合情境（Situation Integration）是整合教學法的核心，學者有些稱之為靶向情境（SituationCible）或重新投入的情境（Situation Reinvestissement）。德·克特勒等認為，整合情境是“一個包括主要信息、干擾信息，并運用先前學習的一個復雜情境”，它有三個構成要素：物質支持工具、若干任務和若干命令。在物質支持工具中呈現出來的實物、背景、信息、功能等都可能是復雜、凌亂無序的。

（2）整合情境與問題情境。上述的整合情境與我們常提到教學論中的問題情境（Problem Situation）較為相似，為了更好地理解整合情境，在此有必要對兩者做一個比較分析。學者對問題情境的界定不統一，布魯納認為“學習者在一定的問題情境中，經歷對學習材料的親身體驗和發展過程，才是學習者最有價值的東西。”他指的問題情境可以理解為一種具有特殊意義的教學環境，既是教學背景，也可以是本學科的問題，還可以是其他學科的相關內容等。埃納爾和尤尼爾認為問題情境是“教育者為了以下目的所設計的情境：為學生們創造一個圍繞某個有待解決的問題進行思考和分析的空間；幫助學生們從這一“空間—問題”出發，對關于某個明確主題的新的表現加以概念化。”它包含三個因素：背景、信息和有待完成的任務。從上述概念來看，整合情境與問題情境確實有很大相似之處，都是為了教與學活動，完成某些教學任務的具象化背景，但兩者的內涵和側重點并不相同。兩者的比較如表1所示。

從表1不難看出，整合情境和與我們一般所指的問題情境有很大區別，第一，功能性，整合情境更具明確的目標，教師應考慮如何利用支持工具，也就是情境的利用，而不像問題情境更重視的是情境本身。第二，情境的類型，整合情境傾向于自然情境，需要學習者在真實的環境中辨別、分析，適合學習者個體探究學習，而問題情境更多的是建構的情境，是教師為了教學目的而設計出來的情境，使學習者個體或小組獲得知識和技能。第三，設計整合情境的初衷是為了整個學業的提升或學習評估，相對問題情境的目標要廣泛和深遠。按照達蒂夫¨2J的說法，問題情境是“任務來源”，而整合情境是“任務靶向”，可以理解為一個偏重于問題本身，一個偏重于通過問題來探究的目標。一言蔽之，整合情境是“被瞄準”的問題情境，為了更明確的方向和目的所設計的問題情境，整合情境相對于問題情境更具復雜性和真實性，更適合學習者探索和建構知識和技能。

2 沉浸理論

沉浸理論（Flow Theory）于1975年由Csikszentmihalyi首次提出，解釋當人們在進行某些日常活動時為何會完全投入情境當中，集中注意力，并且過濾掉所有不相關的知覺，進入一種沉浸的狀態，這種狀態被描述為“流”（flow）。Wigand和Nilan將沉浸感分為三個階段：沉浸的先前準備階段、沉浸體驗階段、沉浸體驗的結果。沉浸的先前準備階段所考慮的要素包括注意力的集中、明確的目標、與玩家技能相平衡的挑戰、活動的趣味性、簡單快速的上手；沉浸體驗階段的體驗包括行動與意識的統一、高度專注、對活動的控制感、時間感的變化、遠程監控感；沉浸體驗所帶來的結果是促進學習、激發學習者的探索行為、信息技術的接受及使用、行為控制的認知。從文獻可以看出，國內外游戲的設計和開發基本都與沉浸理論相關，游戲化的學習的設計和開發也當如此。有研究表明，“深度沉浸的學習相對于淺度沉浸的學生而言.在虛擬實驗的環境中更容易獲得滿足”。據此我們認為追求流體驗是游戲化虛擬實驗設計的重要目標和依據。

三 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設計

基于以上的理論討論和實踐研究，本文提出基于整合情境的游戲化虛擬實驗模式，這種虛擬實驗模式以創設整合情境為手段，以“輕游戲”元素為設計元素，目的在于增加學習者虛擬實驗的沉浸感，激發學習動機，維持學習體驗，從而達到提高虛擬實驗學習的效果。

1 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設計機理

根據心理學研究表明，要真正達到教學效果，必須從吸引學習者，維持學習者注意力著手，實現虛擬實驗的沉浸體現。然而內部的心理活動是由外部的刺激，反復強化才能影響。所以外部的教學設計成為虛擬實驗的關鍵，筆者認為可以從創設整合情境入手，給學習者營造一個逼真復雜的情境，這個情境即包括教學情境，還包括現場情境，避免枯燥無味又不具備現實意義的學習環境。本文提出，虛擬實驗過程應是一個“三層”體系結構：教學層、行為層、心理層，實現一個由外至內的心理過程，由教學活動至實驗過程，再到達到學習者沉浸體驗的過程，從而提高學習者學習興趣，維持注意力。具體見圖1。

從圖1可見，教學層、行為層和心理層都包括技術和學習兩個方面，教學層處在基礎的地位，也是最重要的層面，它是引領學習者進行虛擬實驗的關鍵手段和方法，包括創設整合情境，設計實驗界面，教學設計等；行為層是學習者完成虛擬實驗的過程，探究實驗結果；心理層是虛擬實驗的最高層面，實現心理沉浸，保持學習注意力，從而完成虛擬實驗的體驗活動。這三層體系結構是一個從下到上，從外到內，從教學到心理一個完整的過程。

2 基于整合情境的游戲化虛擬實驗設計模式

根據上述基于教學層、行為層、心理層的“三層”游戲化虛擬實驗的設計機理來設計虛擬實驗學習模式。虛擬實驗主要分為：演示實驗、驗證試驗和探索實驗三種，它們一般的實驗流程為激發興趣、獲取知識和經驗、驗證、應用和控制。為了體現實驗的特點本文稱實驗操作為行為層，而每一個實驗行為都對應著教學層的教學活動以及心理層的沉浸過程，它們的相互關系及內涵是學習模式的核心內容，見圖2。

（1）教學層：創設整合情境、設計游戲化元素。為了能吸引學習者全身心地投入到虛擬實驗中，首先可以從教學設計層面設計具有整合情境的虛擬實驗環境，使學習者被生動、自然、復雜的情境所吸引，目標直指虛擬實驗的核心知識：然后重點設計具有游戲化元素的虛擬實驗，包括人物、場景、情節、任務和音效等，以聲音、圖形、視頻等多媒體表現實驗內容；最后通過設計的交互活動達到知識鞏固、反思和激勵的作用。

（2）行為層：操作游戲化虛擬實驗。虛擬實驗教學設計的目的是使學習者能按既定的設計步驟達到相應的實驗目標，虛擬實驗一般分為演示實驗、驗證試驗和探究實驗，一般都有以下幾個步驟：激發興趣、獲取知識和經驗、驗證實驗、實驗的應用和控制等。實驗過程是學習者在教學設計下完成的是可見、可控制的行為活動。

（3）心理層：實現沉浸體現。為了使學習者達到知識的內化，可以通過設計游戲化虛擬實驗吸引并維持學習者達到長時間的心理沉浸感，可以分成沉浸準備階段（吸引）、沉浸體驗階段（維持）、沉浸反饋階段（遷移）三個過程，每個過程都需要和相應的教學設計和實驗操作階段配合發生，整合情境的創設就是為了激發學習者的興趣，達到學習者沉浸體驗的準備階段。游戲化虛擬實驗的設計就是為了使學習者在實驗過程中獲取相應知識和經驗，達到學習者沉浸體驗階段。而教學反思和鞏固為的是使學習者很好的應用實驗知識，達到沉浸反饋階段，實現知識的遷移。

3 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的特征

（1）強調自然情境的學習意義。從社會學的視角來看，“情境”指一個人正在進行某種行為時所處的社會環境，是人們社會行為產生的條件；從心理學的視角來看，“情境”指的是事物發生并對機體行為產生影響的環境條件；學習論的視角來看，“情境”則是學生從事學習活動、產生某種學習行為的一種環境和背景。基于整合情境的游戲化虛擬實驗所指的“情境”在學習環境中一般并不存在，它是被建構出來的，任務的結果也不是一目了然，信息復雜，表述曲折，難以理解，具有障礙和隱蔽性，更趨向于真實的自然情境，但它的功能明確，即為了服務教學目標。

（2）強調游戲對學習興趣的激發。布魯納等認為學習是學習者內部動機驅動的積極主動的建構過程，激發學習者的學習動機尤為重要。基于整合情境的游戲化虛擬實驗強調利用“輕游戲”的設計，給學習者創造“流體驗”，使學習者更容易沉浸，達到深層次的參與。虛擬實驗的激發興趣、獲取知識和經驗、驗證、應用和控制等一般步驟，都可以在游戲化虛擬環境中完成。我們認為，游戲不是虛擬實驗的目的和重點，游戲化的環境設計是讓學習者能沉浸虛擬實驗學習的手段，完成心理層面的沉浸體驗的三個階段，最終實現虛擬實驗的知識獲得或遷移。

（3）強調教師對學習者或學習小組的支持。建構主義學習理論強調學習者積極主動地建構知識，教師的地位發生了變化，從原來的灌輸知識主導教學活動。基于整合情境的游戲化虛擬實驗“情境”的設計者一般是教師，當然也可以是其他成員，情境的發起者和解決者之間形成合約的關系，教師可以讓學習者選擇是否進入學習情境，學習者可以自由選擇學習方式，教師可以提供幫助，督促學習者學習，直到評估合格。整個教學過程的設計十分重要，關系到整個學習過程的展開。學生或者學習小組成了主體，而教師的地位退居其后，成為中介者、支持者，負責情境的建議和發起，更多的學習主動權交給了學生。

（4）強調探宄學習對虛擬實驗的作用。虛擬實驗可充分發揮其優點，根據實驗的特點和學習者的特征，控制實驗的條件，設計、開發具有較強交互的探究性虛擬實驗。基十整合情境的游戲化虛擬實驗由于其具有較強的現實性、趣味性，更適合也更容易探究學習。學習者或學習小組從整合情境中的復雜信息或自身具體經驗出發，通過觀察和反思概念或認知，設計或驗證試驗方案，這樣的學習過程往往不能一次性完美完成，學習者或學習小組得反復探宄，不斷完善和修正。如此一來，可以發展學習者的積極主動性和探索精神。

綜上，基于整合情境的游戲化虛擬實驗實質上是創建了以學習者為中心，教師為支持的整合學習環境，這個學習環境具有一般虛擬實驗特點的同時還具有情境性、藝術性、娛樂性，吸引并使學習者沉浸其中，完成虛擬實驗的演示、驗證或探究活動。

四 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的應用案例設計

近年來食品衛生和安全成為備受關注的熱門話題，為了加強青少年對食品添加劑方面的知識，提高選購安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設計理論，設計開發了能進行虛擬實驗和檢測的食品添加劑虛擬實驗室。

1 教學設計。根據“食品安全學”教學大綱和實驗要求，為了學習者能融入并沉浸到虛擬實驗.達到主動探究學習，獲取實驗知識和經驗的目的，本文設計并開發了“添U加C”游戲化虛擬實驗，以下將介紹該虛擬實驗的設計和實現研究。

（1）整合情境創設與游戲化學習活動設計，如表2。

（2）游戲化虛擬實驗。根據以上游戲化學習活動設計，我們可以將游戲化虛擬游戲過程主要分為三個階段：整合學習活動、輕游戲化探究學習、反思分享。

①整合學習活動階段。依照整合教學法的理論，學習是一些展開局部學習2、使用整合情境和評估情境所構成的一個連續體。整合學習活動是本案例的設計重點，主要是從其三要素：物質支持工具、信息、命令來展開設計，該案例將物質支持工具和信息整合在資料中，即物體、背景、信息、功能、信息等。

虛擬實驗教學目標：為了了解食品添加劑知識，學習者進入了一個三維虛擬的超市進行選購食品，學習者可以根據以下資料，了解食品中含有哪些添加劑？推斷食品添加劑對人身體有哪些影響？以及計算出人一天食品添加劑最高劑量是多少？

資料1：選購商品情境，如圖4。

資料2：介紹食品添加劑情境，如圖5。

命令1：完成購物報告，如圖6。

命令2：完成虛擬實驗，如圖7。

命令3：完成實驗報告，如圖8。

命令4：完成添加劑重新選購，如圖9。

通過以上整合學習活動后，學習者將傳統學習而來或自有的經驗知識整合到復雜的情境中，進行自主學習，該虛擬實驗提供了物質的支持工具和信息，教師處于支持或輔導的地位，學習者被生動、自然、復雜的情境所吸引，目標指向虛擬實驗的核心知識，完成指定的命令任務。

②“輕游戲”化探究學習階段

尚俊杰等【22】對“輕游戲”的界定為“輕游戲=教育軟件+主流游戲”，認為它首先是一個教育軟件，并追求主流游戲的內在特征，如挑戰、好奇、控制、目標、競爭、合作等，以此平衡游戲的教育性和游戲性。本虛擬實驗的設計遵循“輕游戲”的設計思想，將虛擬實驗設計成模擬類游戲。第一，本游戲化虛擬實驗具有模擬仿真性，學習者進入的“添u加C”食品超市，其中的人物、貨物、貨架、標簽、背景、音效等完全仿真現實超市。第二，本游戲化虛擬實驗具有“輕游戲”元素設計，如情境、系統幫助、導航、虛擬實驗關卡逐級遞增等。第三，本游戲化虛擬實驗具有真實并可完成的任務，學習者在挑選自己喜歡食品時，會出現該商品包括添加劑的情況等信息，這時適時對學習者進行添加劑知識的介紹，而學習者在離開超市前得完成添加劑知識的實驗報告和虛擬實驗，之后會讓學習者重新選擇食品的數量和種類。這樣的設計是讓學習者在知道、了解、掌握、應用食品添加劑的學習過程中，完成探究學習活動，教師或本虛擬實驗設計者自始至終處于整合情境的發起地位，學習者主動思考、積極參與、探索食品添加劑知識成為本虛擬實驗的重點。

③總結分享階段

總結分享是一般虛擬實驗的應用階段，本虛擬實驗要求學生在完成整合學習活動和“輕游戲”化探究學習后，完成食品添加劑的知識鞏固練習，并在退出虛擬實驗前在工藝宣傳欄中填寫自己對食品添加劑的宣傳語，分享游戲化虛擬實驗的學習心得體會，效果如圖10、11所示。

2 模塊設計與實現

本虛擬實驗仿照了現代超市模式，按照功能進行區分，主要有購物中心、服務中心、支付中心、幫助中心。依次是對食品添加劑的了解、學習、反饋和鞏固四個階段。

（1）購物中心：是對食品添加劑的初步了解階段。它模擬現代超市購物環境，通過鍵盤方向鍵來控制購物車的運動，按照食品的分類主要有五大區域：生鮮蔬果區、休閑食品區、糧油調味區、酒飲沖調區、營養健康區，選購時能顯示食品名稱、所含添加劑、原料、保質期、生產日期等信息，購物中顯示購物清單，結束購物時得出購物報告，告知是否購買的食品添加劑超出國家標準。

（2）服務中心：是以食品添加劑學習和實驗階段，主要分為添加劑原理實驗、劑量對比實驗、添加劑案例三個部分。通過這樣的實驗，一方面深刻理解添加劑的功能與副作用，另一方面加強青少年動手能力。離開服務中心時，得出實驗報告，告知在該中心做了哪些實驗，并得出實驗結論。

（3）支付中心：是以對食晶添加劑學習的反饋和鞏固階段。由于之前在服務中心的學習，會對食品添加劑有了一些隊識，因此在支付報告中，學習者可以再次決定哪些食品是否要購買，以及購買的數量，還包括有獎測驗和公益宣傳兩個模塊。

（4）幫助中心：主要包括課件導航地圖和添加劑知以幫助，主要是幫助青少年更好地了解該虛擬實驗室的結構及操作及其對各種添加劑的認識。

本虛擬實驗經過反復的調試，實現了在整個超市各個中心的數據傳遞，用Asp連接Access數據庫，按照數據結構來組織、存儲和管理數據，完善地管理各種數據庫對象.實現登錄注冊頁而、購物清單和公益宣傳等數據的傳遞。

五 結束語

本文通過文獻調研、設計機理與模式的提煉、案例的設計開發等研究，提出了基于整合情境的游戲化虛擬實驗模式，并將此模式進行了初步的應用。實踐證明該虛擬實驗模式具有很好的藝術性、娛樂性，能很好地將虛擬實驗與輕游戲化體驗結合起來，能吸引學習者進入虛擬實驗過程，有一定的保持吸引的作用，并能保持沉浸效果，對于學習者探究能力和合作能力的培養有一定促進效果。但是，由于研究條件和時間的限制，本研究還存在很多的局限，如案例設計和開發內容有待進一步深入，設計策略不詳盡，交互設計何待改進等。我們將在后續研究中，將對該模式進行實驗研究，通過數據統計和分析出該模式在維持學習者動機、學習效果、探究認知等方面的情況，為實現吸引學習者并保持沉浸感的虛擬實驗進行更深入研究。

參考文獻

[1][3]瞿曌.網上虛擬實驗教學的必要性及可行性.高教論 壇，2004，（1）：79-80