設計學習型計算機游戲的實證研究

[美]西格蒙斯·托比亞斯 J. D. 弗萊徹/著乜勇 宋艷茹/譯（.陜西師范大學 教育學院，陜西 西安 7006；.西安市第一中學，陜西 西安 7006）

設計學習型計算機游戲的實證研究

[美]西格蒙斯·托比亞斯 J. D. 弗萊徹/著
乜勇1宋艷茹2/譯
（1.陜西師范大學 教育學院，陜西 西安 710062；2.西安市第一中學，陜西 西安 710062）

隨著計算機游戲的日益流行，社會各界對此給予了較高的關注。在教育游戲軟件不斷涌現的同時，我們不得不深思：怎樣才能更好地設計學習型計算機游戲？本文采用實證研究的方法在對1992年以來的研究進行廣泛的文獻調研的基礎上，首先對模擬和游戲進行區分，然后提出13項建議，以指導游戲設計者和開發者提高教學游戲的教學效能。

計算機游戲；模擬；學習型計算機游戲

從美國娛樂軟件協會（ESA）公布的數據中可看出計算機游戲的普及性，這象征著美國計算機和視頻游戲業的結合。考慮到日益盛行的活動，培訓和教育社區對激發動機和游戲的參與及使用它們來教學越來越感興趣。我們回顧了大量的研究，探究出一些實證的、基于資料的發現，設計者和開發者可以利用這些發現來提高教學游戲的教學效能。我們同意克拉克（Clark）（2007）和海斯（Hays）（2005）的觀點——游戲較之其他方式在教學上的優越性并未得到證實，但是我們的焦點不同于他們。計算機游戲的流行證明了它們能被學生和其他人群使用。本研究的目的是向設計者提出一些建議從而使得游戲更好地服務于教學。本研究的13項建議以1992年后的研究為基礎。為了研究得更全面，蘭德爾（Randel）（1992）等人的評論也在其中。

一、游戲和模擬

在教學游戲使用的評估方面的一個難點是區分游戲和模擬。對模擬用于教學的研究在絕對性和相對性上比起基于計算機的游戲的調查文獻都是相當多的。我們的重點和興趣在于游戲本身作為一種新興的、潛在的教學模擬形式。

表1 計算機模擬和計算機游戲的一些區別

游戲和模擬之間并沒有標準化的、廣為接受的區別。從表1得知，這種交互的、基于計算機的游戲以及它們所創設的學習環境只是模擬的一個子集。表1中的區分關鍵在于側重點的不同。當然，有些劃分有待商榷。比如，流行的猜字游戲（Hangman）算模擬嗎？還有棋盤游戲、西洋雙陸棋等。這些游戲都被計算機化了。問題的雙方都有可能被質疑。但是，我們所討論的游戲特指的是沒有計算機技術就不能有效地實施的游戲。我們希望這種區分有助于闡明將要討論的學習體驗的類型。

二、以（實證）研究為基礎的建議

（一）分析認知任務以確認體驗游戲的、任務導向的認知過程

對計算機游戲的研究已證實了它們能夠影響認知過程。比如，它們可以增強個體有效利用或分散視覺注意的能力。進一步說，西姆斯（Sims）和梅耶（Mayer）（2002）發現認知過程的改善可能屬于某個特定領域，他們并沒有歸納出不同于游戲中的刺激和過程。所以，為了評估計算機游戲的影響，認知過程需要通過認知任務的分析來得到證實。克蘭德爾（Crandall）、克萊因（Klein）等人描述了指導上述分析的原則和步驟。

計算機游戲要想達到提高工作或學習的績效的目的，即遷移到“真實（世界）的任務”，確認完成此任務所需的認知過程相當重要。已有證據表明可以將游戲遷移到有針對性的任務績效中。而且，玩游戲的程度也很關鍵。比如，格林菲爾德（Greefield）等人發現帶有視頻游戲的長期訓練可以提高人的空間表現力，但是短期訓練則達不到這種效果。有證據表明，在由操縱桿控制微型攝像機和外科器械的腹腔鏡手術領域，使用特定設計的腹腔鏡模擬裝置能夠提高外科手術的技能。因而，期望通過在計算機游戲中使用操縱桿或相似物控制行動和器械進而提高腹腔鏡手術的技能，似乎合情合理。最近，羅塞爾（Rosser）（2007）等人也證實如此。他們認為，這種提高應歸因于“流行的（off the shelf）”的視頻游戲。這些資料有待考證，但其隱義卻值得深思。其他研究也表明可從游戲遷移到“真實”的任務。費里（Fery）和蓬塞羅（Ponserre）專門設計了一個再現真實高爾夫推桿的電腦游戲，發現該游戲可以遷移到現實的推桿中。布朗等（Brown et al.）（1997）發現糖尿病患者的自我治療和自我匯報的能力在玩過與此有關的游戲后得到提升。在這兩個例子中，對目標任務的認真分析有利于游戲的設計。

目前的研究表明，不能僅僅因為計算機游戲和現實生活的任務看起來相似就認定這兩者的認知過程存在著相似性。馬內（Mane）和唐欽（Donchin）按照實際飛行的復雜性、注意力、認知負荷需求等設計出一個太空城堡游戲，戈弗（Gopher）發現可以從該游戲遷移到真正飛機的駕駛上。但是，哈特（Hart）等人安排練習生參與一個與飛行有關的“off the shelf”游戲，卻沒有起到遷移的作用。

這些結果揭示了游戲和任務的認知過程在某種程度的重疊導致了遷移，而非兩者簡單的表面的相似性。我們可以從這些研究得出結論，為將游戲可靠地、成功地遷移到提高“現實世界”的績效，在游戲設計過程中對游戲和針對性的任務進行認知任務分析是非常必要的。

（二）提供指導

斯旺克（Swank）和德?瓊恩（De Jung）提出了不同類型的教學支持，這些支持可以用來促進游戲過程中的學習。研究結果證實了這些支持的重要性，而且也表明通過解釋正確答案的原因來提供指導和促進反思可能比依賴單獨的游戲經歷更為有用。類似地，Greenfield、卡米翁（Camion）發現以解釋的形式提供指導會提高績效。研究結果的分析證實了這些建議——使用包含教學內容和教學指導的模擬裝置的學生比不用這種形式的教學支持進行模擬操作的學生學到的更多。所以我們期望從教學游戲中得到類似的結果也合乎情理。勒納爾（Renal）和阿特金森（Atkinson）發現了另一種教學支持，漸漸移去已被學生解決的例題中的步驟，能促進近遷移和遠遷移。提供指導和不同形式的教學支持對于促進計算機游戲中的學習是重要的。下面舉一些具體的例子。

1．提供圖示支持

梅耶（Mayer）、毛托尼（Mantone）和普羅瑟羅（Prothero）審查了指導的類型——解決策略的語言模式或有圖片說明的教學支持——這對于通過多媒體模擬游戲來解決問題的學生可能是最有益的。口頭語言指導的效果不佳，然而帶有圖片說明的教學支持確實能提高游戲和遷移任務的績效。多媒體研究表明，比起單獨使用言語信息，有圖片說明的支持更容易減少任務的認知需求。這種支持利用了“多媒體原則”——由圖畫和言語信息組合呈現比只有言語信息的呈現學習效果好。以導航圖形式呈現的圖片支持似乎對學習有幫助，但也有研究者指出，它們也可能加重認知負荷，對這個問題還有待進一步研究。

2．鼓勵對正確的答案進行反思

莫雷諾（Moreno）和梅耶（Mayer）發現對答案的反思促進了近遷移和遠遷移，而交互活動（選擇一個正確答案）僅僅促進了遠遷移。他們也發現，即使沒有交互活動反思也能引起回憶和遠遷移，但是當不需要交互活動時，很可能是因為交互已經促進了參與者的反思。在第三個實驗中，反思增強了回憶和遠遷移；那些對程序（正確的）算法進行反思的人比起那些對自己的程序（可能是錯誤的）算法反思的人，有更高的正確率和較低的錯誤率。缺乏反思的指導對回憶的影響甚微，但對遷移的影響較大。這些結果表明計算機游戲設計者應該建議學生反思正確答案，增加與程序的交互或給予他們指導來促使學生思考他們的答案。所有這些措施都可能促進學習和遷移。

3．為發現學習提供指導/支持

對指導的研究再次強調了Mayer的結論——任何人應該對無支持的運用推理發現學習的好處產生懷疑。克席斯（Kirsches）等人把這個結論推廣到最低程度指導教學的所有形式（包括建構主義的、基于問題的、經驗的、探究的教學方法等）。他們用具有說服力的和明確的證據表明了專門設計的指導比起教學中最低程度的指導更能有效支持學習必需的認知加工。

先前的知識和將要提供的指導的價值和類型之間存在著相互作用。卡柳加（Kalyuga）、艾爾斯（Ayres）、錢德勒（Chandler）等對不同領域的研究進行概括，論證了一個“專家逆效應”，即高層次的教學支持對新手來說是必要的，但對專家不怎么起作用甚至干擾他們的學習。Moreno也發現當學習者變得越來越有見識并且有能力研究某個主題時，指導有可能阻礙他們的進步甚至令人惱火。

這種相互作用回應了預言——所有種類的教學支持對于在某一領域擁有有限的先前知識的學生來說都是最重要的。當為成年人設計教學游戲時，先前學習和提供的指導之間的影響顯得尤為重要。成年人比孩子擁有更多種類和更加廣泛的閱歷，所以許多成年學習者會把更加寬泛的學習背景帶入任何學習情境中，包括教學游戲。

總而言之，依賴于發現學習的游戲應該包含上述提到的教學指導和支持，特別是對某一領域感興趣的新手。按理說，應該把這些支持建構進游戲中，而非“強加上去”。隨著學習者知識的增長和對主題的日益精通，教學支持會漸漸消失。下面將要討論其他形式的支持。

（三）在對話中使用第一人稱

Moreno和Mayer發現當游戲中包含向參與者提供個人介紹的環節，比起中性的第三人稱的交流更有助于學習和遷移。他們的遷移測量包含一些沒有在材料中明確體現的問題。隨著第一人稱的引入，參與者對材料的態度也改進了。盡管參與者對待言語式游戲和文本式游戲的態度是不同的，但與這兩種游戲交流的結果是相似的。因而，設計者應該盡可能把參與者融入到第一人稱的對話中，而不是引用更加客觀的第三人稱。

（四）使用動畫代理與玩家交互

在基于計算機教學的發展中動畫教學代理的使用是一個活躍的領域，這點可以從與這個主題相關的雜志中發現。大量文章描述了在不同的基于計算機的教學程序中代理的積極作用，這些都超出了本論文的研究范圍。馬爾多納多（Maldonado）和納斯（Nass）描繪了屏幕上的一個合作學習者，通過它來測定社會動畫角色對學生的績效和態度產生的影響。他們發現學習者在“有感情的”合作學習者的陪同下比沒有合作學習者或在“缺乏表情”的合作學習者的陪同下學到得更多。這點用到游戲中也是一個有趣的想法。

Moreno、Mayer等人發現使用動畫教學代理與學生交互可以促進遷移和激發興趣，但不能夠提高記憶力。開發這種代理（虛擬角色或卡通人物）與計算機游戲玩家交互比起以文本格式呈現教學或其他材料相對容易些。即使大量研究表明由代理提供的言語指導是有效的，我們仍不能肯定是否有必要視覺呈現其代理。貝勒（Baylor）發現教學代理（遵循建構主義或教學系統設計原則）影響學生不同階段的自我匯報，但對教學計劃任務的影響甚微。Baylor注意到教學計劃相對于相似研究中用到的其他任務來說屬于非良構領域，會出現更復雜的結果。德恩（Dehn）和木肯（Mulken）回顧了動畫教學代理對學生的態度和學習產生的效能的相關文獻，發現盡管學生的一些態度變量（喜好、感知的智力、舒適等）存在著較少的一致性，但是他們發現，在學生眼里，帶有代理的系統比其他系統更加有趣。他們也認為，當呈現代理時，學生的注意力會提高。但是他們擔心投入到代理的精力過多可能會減少學生對任務的注意力。最后，他們得出結論，學習提高的結果取決于呈現代理是不確定的。關于代理的使用仍舊眾說紛紜，沒有研究能夠表明代理的視覺呈現會干擾學習。而且，最近的證據表明，代理在制作更有趣的材料和提高學習方面是有效的。所以，如果可能的話使用代理看起來是合理的。

（五）使用人類的原音代替合成的語音

阿特金森（Atkinson）、梅耶（Mayer）和梅里爾（Merrill）發現用人類聲音代替合成的聲音能夠提高學習和促進遷移。尋找一個好的播音員錄制教學內容，并給予提示，提供反饋和與游戲有關的材料是相對容易的。在計算機教學游戲中，對于什么時候及如何使用人類聲音以提供更多的指導，需要更多研究加以考證。但要在人類和合成的語音之間做出選擇，前者看起來更有優勢。

（六）最大化學習者參與（程度）

威沙特（Wishart）對300個兒童（平均年齡小于9歲）的挑戰程度、控制程度、復雜程度進行了測驗。發現當玩家掌握有更多的游戲控制權時，學習者的參與程度更高。僅僅把復雜性或挑戰性單個添加到控制中并不能提高學習者的參與程度，但同時添加到控制中時，就能達到預期的效果。隨著學習者參與程度的提高，后測分數也隨之增加。類似地，弗萊徹（Fletcher）回顧了大量的基于計算機教學的研究，發現其成功應用的一個主要因素是計算機技術產生的用于教學環境中的強烈的頻繁的交互活動。這種交互活動提高了學習者的參與，它以計算機游戲為特征，因此在設計計算機教學的游戲中應該被重視。

在基于計算機的教學領域中，存在許多關于學習者控制的研究，在教學研究的領域更普遍。Clark概括了這些研究的結果，總結出“隨著對學習者控制程度的增加，學習隨之減少，而最高級的專家除外”的結論。倫茨（Lunts）也對教學中的學習者控制的文獻給予了評論，認為其對學習產生的影響存在極大的不一致性和對立性，并且建議這種控制應謹慎實施。盡管他們兩人都建議對這些影響的警惕是適當的，但還不能肯定這些發現是否也適用于計算機游戲中的學習者控制。

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（七）減少認知負荷

計算機游戲對參與者的認知能力的要求可能非常苛刻。Mayer、Mautone和Prothero通過使用地理學家完成的任務，特別是解釋以視覺資料為基礎的地理學問題模擬了一個認知學徒。發現如上所述，圖示指導提高了參與者的績效，大概是因為認知需求降低了。并且，這項發現看起來是由多媒體原則指導的額外的平行的加工。導航圖在降低認知負荷方面存在著潛力，但如奧尼爾（O’Neil）指出的那樣，導航圖也可能增加認知負荷。同樣，這個問題的解決有待于進一步的實證研究。

游戲玩家經常要從許多事件中做出選擇，回憶游戲規則和先前的動作，并且權衡不同的可供選擇的策略。這些活動可能超出了他們的認知能力，特別是工作記憶。設計者在游戲開發中應把這些考慮進去。當游戲對玩家提出特別高的要求時，教學指導和支持——如上所述應被用來減小認知負荷。

（八）最大化動機

在文獻中我們普遍發現學生喜愛計算機游戲。萊珀（Lepper）、馬隆（Malone）等人描述了提高玩家動機的幾項游戲特征。例如，游戲應該包括能引起挑戰的適當水平，它們應該激起學生的好奇心，給予學生適當的控制（響應、選擇、影響），且包括吸引用戶的幻想因素。所以，設計者在設計計算機教學游戲中應著重考慮這些因素。而且，引起動機的這些特征應該被整合進游戲中。韋德（Wade）、亞當斯（Adams）等對文本學習的研究表明：增加一些與任務目標無關的非常有趣的元素降低了對材料的掌握程度，并且還很容易回想起那些有趣的細節。

（九）增加親社會性的內容，減少攻擊性的內容

在許多計算機游戲中存在著相當多的攻擊性的內容。元分析表明，玩侵略性游戲的玩家表現出更多的侵略性和攻擊性，考慮到游戲的普及性，有必要關注這一點。安德森（Anderson）等人也證實了這個結論。在全面回顧了關于游戲的攻擊性的影響的文獻之后，金泰爾（Gentile）得出結論：“假設從各種類型的研究（實證研究、橫斷研究、縱向研究和元分析法）得出的證據存在優勢的話（盡管有些研究在主要設計上存在缺陷），那么認為暴力性的視頻游戲確實對攻擊產生影響是有道理的。”比如，它們增強了攻擊性。Gentile做的實驗中實驗對象從小學生到大學畢業生，表明上述結論不受年齡的限制。

這些結果表明計算機游戲的設計者應盡力減少攻擊性的內容。豐塔納（Fontana）和貝克曼（Beckerman）發現游戲中包含親社會性的內容是有效的。很可能因為這些內容能夠增加親社會行為并且減少攻擊性的行為，所以，游戲設計者應嘗試把親社會內容包含在他們的產品中。

（十）修訂游戲和任務分析

如果計算機游戲和學習目標這兩者的任務分析之間沒有重疊，則其中一個或兩個都需要修改。Hays認為，審視完學習目標和游戲過程后，為了達到學習目標，通過變化游戲的設計或提供不同類型的教學支持來設計或修改游戲就很有必要。但像斯夸爾（Squire）指出的那樣，幾乎沒有一個游戲開發團隊具有教學設計的專長。在缺乏這種設計的情況下，盡管游戲玩家可能掌握了大量的與游戲有關的知識和能力，卻不能夠完成學習目標。如果沒有專門設計“off the shelf”計算機游戲用以遷移到真實生活的任務，那么由這種游戲培養出來的能力也不會遷移到那種任務中。如上所述，一個人不能夠假定遷移的發生僅僅來源于任務和游戲之間表面上的相似性。而且，如果從游戲獲得的初步的結果表明存在著較少的學習，那么修訂本就應像上面建議的那樣一步步設計。設計應被看作是一個過程而不單單是一個對話事件。

（十一）將游戲與教學目標和教學活動整合

游戲應該被整合進現有的教學程序或培訓程序中，這點很重要。洛伊特納（Leutner）發現學生學會了游戲中有用的方法，但并沒有獲得更加綜合的能力。因而把學生的注意力轉向游戲的課程目標或任務目標是重要的。這點看起來既適用于成年人，也適用于兒童。

（十二）及時了解新出現的研究成果

對計算機游戲中的教學使用的研究不是靜止的，而是快速演變的。隨著不斷涌現的研究，上面提到的一些建議可能需要被修改。像O’Neil 所言，我們建議教學游戲設計者應該及時了解研究成果確保他們的產品持續有用。

強調計算機游戲和日常任務中的潛在表現的加工過程與大量領域的研究相符合。例如，Clark認為教學呈現中的變化的媒體對學習產生極小的影響，只有不同媒體的使用才影響到控制學習的可選擇的認知加工。這個立場建立在一個高級的結論之上——只有當可供選擇的方法涉及不同的認知過程，或一種方法比其他方法產生更加強烈的加工時，不同的教學方法才會導致不同的結果。強調加工與認知心理學中的大量研究是一致的。

（十三）利用團隊來開發教學游戲

以上建議暗示了設計計算機教學游戲應該是一個團隊合作開發的過程。很明顯，在設計游戲、認知任務分析和教學系統設計方面有專長的個人應該成為這個團隊的一部分。但是，像剛才建議的那樣，這個團隊的成員熟悉新出現的游戲對學習產生的影響的研究成果也是 很重要的。這些不同的專長一般不會體現在一個人身上。在游戲開發過程中向精通不同領域的專家（這個團隊之外的）咨詢能夠最大化計算機游戲的學習成果，這也可能提高他們的收益。

三、結 論

為了方便參閱，我們針對十三條建議作了圖表，見表2。作為研究者，沒有關注過多的研究就下結論是不合適的。我們不是想要打破傳統。其中一個研究領域看起來對我們很重要。我們注意到比起更多直接的非游戲的教學方法，獲得與游戲相關的能力來完成教學目標可以增加游戲的學習時間和精力。對游戲中的故事情節、競爭甚至是幻想的強調也可以降低學習者對教學目標的追求。教學游戲的開發和應用的一個潛在假設是學習者愿意花費更多的時間和精力來玩游戲而不是投入更多的時間和精力到直接學習中。學習者被推動用于（游戲或非游戲的）學習環境中的時間和此學習環境達到的效率（完成學習目標需一定的時間）之間的權衡還未通過研究被系統地估量。在游戲學習這個領域，它仍然是一個有趣的和可能起決定作用的話題，對這個問題有待于進一步研究。

表2 設計游戲和模擬的一些建議的匯總

Sigmund Tobias,J. D. Fletcher（2007）.What Research Has to Say about Designing Computer Games for Learning[J].

Educational Technology Sec./Oct.：20-27.

(責任編輯 杜丹丹)

An Empirical Study Involved in Designing Learning-Oriented Computer Games

Written by Sigmund Tobias,J.D.Fletcher Translated by NIE Yong1,SONG Yanru2
(1.School of Education,Shaanxi Normal University,Xi’an,Shaanxi,China 710062; 2.First Middle School of Xi’an,Shaanxi,China 710062)

Along with the computer game has become more and more popular,it attracts a great attention in all sectors of society.With continual emergence of the educational game software,we have to take a deep consideration about how to make a better design of learning-oriented computer games. This paper conducts extensively literature investigation and survey on the studies since 1992 using empirical research method.Firstly,it distinguishes simulation and game and then puts forward 13 proposals that can guide the game designers and developers to improve games’ teaching effectiveness in instructional functions.

computer games;simulation;learning-oriented computer games

G434

B

2096-0069（2015）02-0012-06

2015-01-05

作者、譯者簡介：西格蒙斯·托比亞斯是美國紐約哥倫比亞大學師范學院城市和少數民族教育研究院的一位著名的研究科學家；J. D. 弗萊徹是維吉尼亞州亞歷山大市軍事分析研究所的研究員。乜勇（1970— ），男，青海貴德人，陜西師范大學教育學院教育技術系教師，課程與教學論博士、教授，主要研究方向是信息技術教育應用、網絡遠程教育、信息技術課程教學論；宋艷茹（1982— ），女，陜西西安市第一中學信息技術教師，主要研究方向為信息技術教育應用、網絡遠程教育。