STEM游戲化學習活動設計框架

于 穎 陳文文 于興華

(1. 曲阜師范大學 傳媒學院，山東日照 276826；2. 徐州市興東實驗學校，江蘇徐州 221000；3.威海市羊亭學校，山東威海 264200)

STEM教育的興起和發展源于經濟全球化對科技創新人才的迫切需求，旨在通過培養大量技術增強型創新人才和產業工人，提升國際競爭力。從全球范圍看，STEM教學沒有固定的法則與模式，多國結合自身實際開展了大量探索。我國STEM教育2016年呈爆發式增長，并被納入國家發展戰略。2020年7月，教育部印發了《中小學教師培訓課程指導標準》，把STEM課程與開發納入教師文化知識學習研修主題，彰顯了STEM教育的重要地位。游戲化因富有趣味性、激勵創新、開拓更多可能性等特點，與STEM的育人目標相契合，STEM游戲化學習逐漸為一線教師所認同。將STEM與游戲化學習二者整合的系統化研究較少見，本文構建了適合一線教學的STEM游戲化學習活動設計框架。

一、文獻綜述

(一)STEM課程與教學

STEM教育發端于美國，目的是培養具有創新能力的高端科技人才，確保美國在激烈的全球競爭中立于不敗之地。美國政府特別是奧巴馬政府相繼出臺了一系列計劃與項目推動STEM發展，由此開啟了全球范圍的STEM教育行動。

從教育目標看，各國學者對STEM教育目標的描述不盡相同，但無不指向跨學科學習、真實問題解決，以及以創新思維、批判性思維為代表的高階思維的發展(見表一)。布魯頓(Bruton，2017)把創造性解決問題、創新、設計、批判性思維等作為STEM教育中長期目標；美國俄亥俄州立大學工程學院(College of Engineering in OHIO，2020)把探索與協作、真實問題解決、交流、設計具有挑戰性的任務并鼓勵失敗作為中小學STEM課程設計的基本原則；我國學者(余勝泉等，2015；楊曉哲等，2015；秦瑾若等，2017；李王偉等，2018；袁磊等，2019)把跨學科知識與思維、真實問題解決、創造性思維等視為STEM教育的主要目標。

表二 國內外STEM教學模式示例

表一 國內外STEM教育目標示例

從STEM教學模式看，國外研究一方面探索基于項目的學習(Project-based learning，PBL)、探究式學習、基于設計的學習(Design-based learning，DBL)等教學模式在STEM教學中的應用。阿爾坦等(Altan et al., 2018)通過將基于設計的學習應用于STEM教學的對照實驗研究，指出基于設計的學習有助于學生決策技能的形成。麥克納(McKenna, 2020)認為基于項目的學習適用于STEM教學，但需要保證為學生提供長時間參與的機會。另一方面形成了以6E(ITEEA，2014)為代表的STEM特定教學模式，致力于為STEM教學提供以設計和探究為基礎的操作性程序。國內研究形成了設計型(李克東等，2019；陳鵬等，2019；王佑鎂等，2019；秦瑾若等，2018)、驗證型、制造型(付騫等，2016)、創造型(付騫等，2016；何麗丹等，2019)、證據導向的教學(余勝泉等，2019)等一系列改良型本土化STEM教學模式(見表二)。從這些模式的設計思路與設計內容看，國外研究更強調設計與探究在STEM教學中的作用，國內研究更關注設計、創造等過程元素及其教學實現。

(二)游戲化與游戲化學習

“游戲化”(Gamification)一詞最初由英國程序員尼克2002年提出， 2010年后被廣泛應用于各個領域。迄今為止，人們對游戲化概念尚未達成共識，但普遍贊同它是在非游戲情境中選擇性地整合游戲的基本元素，采用游戲機制與游戲思維，借此吸引他人、激勵行動、促進學習和解決問題(Deterding，2012；韋巴赫等，2014)。游戲化強調游戲元素的使用而非拓展，利用游戲特征而非開發游戲，采用娛樂方式而并非單純娛樂(鮑雪瑩等，2015)。游戲化被廣泛應用于包括學習在內的各個領域，衍生出“游戲化學習”等概念。

當前，游戲化學習研究主要聚焦于游戲化學習的價值、游戲與課程整合(游戲化學習設計)、游戲化學習效果評估等。就游戲化學習價值而言，研究者一致認為，與傳統教學相比，游戲化學習不僅有助于激發學習者的學習興趣和動機，而且有助于培養其認知技能、動作技能和情感技能。沃格爾(Vogel et al., 2006)通過研究發現，運用游戲于學科教學可以明顯提升學習者的認知與高階思維、改善學習態度；就游戲與課程整合而言，越來越多的研究認識到游戲與課程整合的重要性，并開始關注高階能力的培養。尚俊杰(2009)通過設計試誤、冒險、BUG①、娛樂等策略，為學生提供解決問題的機會，提升學生的問題解決能力。阿克考格魯(Akcaoglu，2014)借助“游戲設計-問題解決-問題定位-自由設計”學習活動流程，提升學生的問題解決能力。就游戲化學習效果評估而言，當前研究重點關注游戲化學習效果的影響因素及游戲化學習評價工具與方法。埃雷爾等(Erhel et al.，2013)的研究證實游戲化學習有助于激發學習者的學習動機。瓦薩盧等(Vasalou et al.，2017)通過分析兒童日志發現，游戲不僅能幫助兒童學會面對學習挫折或失敗，還能激發師生交互，創造更多的學習機會，使兒童體驗到學習的快樂。

(三)游戲化與STEM融合

綜上，國內外研究一致認同STEM教育目標指向跨學科知識、問題解決與創新思維。此外，好奇心、韌性、合作、挑戰、容忍失敗等也多次出現在學者們對STEM教育目標的描述中，這些品質的培養恰恰是游戲化的長項。國內外STEM教學模式研究重視設計及其教學實現過程，STEM本土化教學模式研究還特別強調創造性及其實現。游戲對于21世紀的孩子的成長具有重要價值，STEM學習所希望的創造力、批判性、合作、溝通、自我效能感等品質都源于游戲(Hirsh-Pasek et al.，2009；卡普，2015；赫尼等，2015)。游戲化與STEM之間具有天然的契合性，游戲化與STEM融合成為必然，但當前相關學習活動系統化設計框架較為鮮見。正是基于此，本研究試圖探索指向“全人發展”的、以設計為基礎的STEM游戲化學習活動設計框架。

二、設計框架

為更好地落實《K-12年級科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》，美國學者赫尼和坎特(2015)提出了“設計-制作-游戲”學習方法，旨在通過設計、制作和游戲提高年輕人的科學想象力。該方法將設計解釋為迭代、選擇和安排要素以形成一個整體，人們通過設計創造手工制品、系統和工具以解決問題；將制作解釋為手工拆解或制作物品，享受了解物品工作原理的樂趣；將游戲解釋為涉及制作理念、發明和創造的有趣而自愿的活動，通過沒有壓力的探究和發明，促進創造性思維發展。

根據“設計-制作-游戲”方法，結合我國國情，本研究提出旨在促進學生沉浸STEM學習的游戲化學習活動設計框架DMP(見圖1)。DMP即Design、Make & Play②(設計-制作-游戲)首字母縮寫。它以問題解決為主線，在跨學科學習過程中通過設計和制作活動，培養學生的創新、批判、問題解決等高階思維。該框架還根據“游戲化的關鍵是利用游戲的基本要素”這一理論邏輯(韋巴赫等，2014)，在活動設計中巧妙吸收游戲的基本要素及其精髓，提升STEM學習效果。

(一)設定學習目標，指向高階思維

如上所述，STEM教育的目標指向跨學科知識、問題解決和高階思維，其實質與當代教育“全人發展”的育人旨向高度一致。換言之，STEM教育目標有深刻的認識論根源。從認識發生論的角度考察教育目標，人類認識是借由邏輯數學范疇與物理范疇的相互作用產生的，在此過程中知識與思維具有內在一致性(李藝等，2018)。也就是說，STEM教育之“育人”目標若想得以實現，則要關注知識、思維，以及聯結二者的邏輯運演過程。學生解決真實世界問題的過程，實質上是建構科學、技術、工程、數學等跨學科知識與發展創新思維、批判性思維等高階思維的過程。通過這種內在一致的邏輯“運演”過程，學生經由問題解決活動，從知識通達思維，得以“成人”。

圖1 STEM游戲化學習活動設計框架

因而，STEM游戲化學習活動目標的設計圍繞跨學科知識、真實問題解決、高階思維三個維度展開(見圖2)。跨學科知識指通曉兩個及以上學科的知識組合。它有三層含義(李學書，2019)：一是強調科學、技術、工程、數學學科知識的學習，二是強調學科知識間的整合，三是兼顧學科知識的延伸與拓展。真實問題解決指學生參與解決與現實生活相關的STEM問題的主體性活動，一般包含構建心智模型和對問題模型進行操作檢驗兩部分(喬納森，2015)。高階思維指發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力，包括創新創造、問題求解、決策和批判性思維等。

圖2 STEM學習目標

按照皮亞杰認識發生論的“運演”邏輯，STEM學習目標的三個維度間具有內在聯結關系。學生通過解決真實問題，與真實世界建立意義關聯，激活和建構科學、工程、技術、數學等學科知識的意義，發展問題解決、創造、設計、批判等高階思維。三個維度既有“分解”，每個維度都有明確的意義，有利于教學目標的分層設計；又有“整體”，從整體觀立場上分解目標，其實質與個體發展的完整性高度一致。三個維度間還具有層級關系：從下向上，有逐層筑基與推進之意，即下層是上層的基礎，為上層提供“養分”；從上至下，有逐層喚醒之意，上層激活并喚醒下層，邏輯“運演”因此發生。

(二)遴選學習內容，設置挑戰性任務

學習內容是開展STEM活動的基礎。內容選擇主要有學科知識取向、社會經驗取向和學習者取向(張華，2000)，這些取向同樣適用于指導STEM選材。首先，跨學科是STEM教育的鮮明特征，因而STEM學習內容必然要基于學科選材。其次，STEM強調與真實世界的聯系，因而應從真實生活中選材。再次，STEM學習游戲化的關鍵是關注學習者之為“人”之發展，將游戲要素應用到STEM學習活動中，使其具有游戲化屬性，符合兒童“愛玩”的天性。因此， STEM內容的遴選要兼顧學科領域與真實世界，具備游戲屬性(挑戰性)，促進內生激勵機制的形成(見圖3)。

圖3 STEM學習內容遴選的操作流程

1. 從學科中選材

STEM學習是跨學科學習，一般沒有明確的內容標準規約，這使得STEM學習內容的遴選更靈活，但也提出了更高要求。一般而言，STEM學習內容的遴選可采用任一學科內容為主線，將其它學科內容融合其中。鑒于STEM多發端并活躍于科學學科，且科學內容包容性強，故STEM學科內容的選材可以科學課程標準為依據，整合其它學科內容，確定學科主題。《義務教育小學科學課程標準(2017年版)》將小學科學課程內容分為物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程四個領域，它們既彼此獨立，又密切關聯。因此，內容遴選可以領域間的關聯為抓手展開。例如，學習簡單機械運動時，學生通常需要動手設計制作實物，這就需要激活工程和技術領域內容的學習，而其中涉及的數的概念與計算需要調用數學知識。

2. 從真實生活中選材

回歸真實生活世界已經成為教育哲學的中心議題(張中偉等，2016)。只有回歸生活，教育才能實現價值理性，完成從“工具人”到“主體人”的轉變。這意味著， STEM學習內容必須關注真實世界并從中選材，在真實問題解決的驅動下，幫助學生建立學科知識與真實世界間的意義關聯。譬如，從學生早晚增減衣物入手選材，教師可衍生出與氣溫與體溫計的設計與制作相關的科學、工程、數學等內容。

3.具有挑戰性

內生激勵教學理論認為，挑戰、幻想和好奇是影響游戲吸引力的三個關鍵要素(Amabile et al.,1986)，這與最近發展區理論有異曲同工之妙。這意味著，要獲得游戲化的心流體驗，需要將遴選出的學習內容轉化為具有挑戰性的游戲化學習任務。這種學習任務至少要滿足兩個特征：一是任務設置清晰明確，難度與復雜度接近學生最近發展區；二是任務具有進階性與反饋性，即任務設置有一定的梯度或層級，并提供過程性數據與反饋，幫助學生獲得自我效能感。

(三)進入活動流程，開啟STEM游戲化學習

1. 創設游戲化情境，吸引全情投入

STEM游戲化學習情境主要有科學探究與產品研發情境兩類。二者都以真實生活問題解決為導向，賦予學生科學家與研發者角色，引導他們像科學家那樣思考，像研發者那樣研發產品，從而激發好奇心和求知欲，加深問題理解。情境創設可將游戲的角色、情感、敘事、競爭等元素融入其中，增強情境的吸引力和持續性。例如，教師可通過游戲化敘事，引出太空旅行過程產生的“土電話”研發需求，隨即請學生扮演“太空之旅小小發明家”角色，進入設計并制作“土電話”的研發情境中。

2. 組建學習團隊，約定游戲規則

教師可采用組間同質分組、組內異質分組方式，以使團隊成員最大程度地實現優勢互補；發揮游戲道具的作用，增進團隊成員間的相互了解，以提升團隊合作效率。例如，教師可設計“名片猜猜猜”游戲，通過名片內容猜同學姓名，幫助教師了解學生，又增進團隊成員間互動。團隊初步組建后，要明確成員的角色分工，包括師生間的角色分工與團隊成員的內部分工。例如，在“探究電路的奧秘”游戲化情境中，教師扮演電路專家，學生扮演電路探究員、設計員、智多星、小電工等角色，并設置相應的分工。

合理的游戲規則不僅可以觸發玩家激活目標任務，而且有利于促進學生形成積極的情緒體驗，在游戲中不斷進步(赫尼等，2015)。一般而言，游戲規則分為挑戰與互助、競爭與合作及獎賞等規則。教師可指導學生協商確定規則，從而提升學生的主體意識，更深刻地理解并自覺遵守規則，為游戲化學習行為負責。

3. 在游戲中探究，創意規劃設計

研究表明，以探究為基礎的實踐能提高學生對科學概念與知識的理解(赫尼等，2015)。因而，以探究為基礎的規劃設計有利于學生激活目標學習內容，形成積極的行為、情感與認知投入。學生參與規劃設計的游戲化過程，實質是以科學探究為主線，師生一起明確問題、分析問題、規劃并設計問題解決方案的過程。首先，教師帶領學生從復雜的游戲化情境、具有挑戰性的游戲化任務中提取需要解決的問題；其次，分析完成任務涉及的學科領域、要用的道具、素材等；再次，開展創意規劃活動，引導學生通過制訂問題解決方案等競賽小游戲，初步形成系統規劃、分解、建模、設計等思維。教師要激勵成員間的協作與團隊間的良性競爭，鼓勵學生從多角度思考，并根據游戲規則獎勵有創意或新奇想法的團隊和成員。

4. 搭模型巧制作，完成游戲進階

完成創意規劃設計后，學生需要借助“制作”實施創意，這一過程實質上是協同建構知識、制作模型與發展思維的過程。

1)知識建構

學生依托“制作”實施設計方案，勢必要激活已有知識，建構新知識，明確解決問題的關鍵點(Yakman，2019)。因而，游戲化學習活動設計，最好以問題驅動學習，引導學生使用語義組織和思維工具進行分析，建構跨學科知識。

表三 STEM游戲化學習實踐安排

2)模型制作

模型制作可以帶給學生良好的游戲體驗，為學生建構知識、深度思考、思維創新提供機會和可能(赫尼等，2015)。試誤法是模型制作的常用方法，大抵需要經歷試誤、模仿、改造三環節。其中，試誤指學生根據已有經驗，自主構想，嘗試搭建模型，驗證失敗的原因，從中找尋問題的答案。模仿指給學生提供操作手冊、微視頻或范例，供學生效仿。經過試誤與模仿，學生對模型制作有了初步認識，在此基礎上改造完善模型，知識、行為與思維間建立起有意義的聯結，知識建構與思維發展得以發生。

3)思維發展

制作過程能幫助學生了解物品的工作原理，驗證學科規律，發展創新、想象、問題求解、質疑、批判等思維。例如，在搭建潛望鏡模型的積木游戲中，教師帶領學生開展競賽，要求優勝團隊說明搭建的意圖與原理，使學生在“搭積木”的過程中，了解潛望鏡的功能與制作原理，設計出有創意的潛望鏡造型，培養工程、藝術與科學思維。

5. 建立獎賞機制，積極評價反饋

獎賞是游戲的激勵型元素，使玩家被吸引且愿意堅持游戲，是STEM游戲化學習的重要組成部分。對于表現突出的個人或團隊，給予適當的獎賞甚至是“制造驚喜”非常必要。它能帶給學生持續的學習動力，維持學習動機。例如，教師可根據積分評選先進個人和優秀團隊，讓學生利用累積徽章兌換心愿單實物獎勵。與獎賞機制相配套，積極的評價與反饋也是必需的。評價方式主要包括團隊自評、互評和師評，評價內容可以從顯性和隱性成果入手，包含對作品的評價，也關注過程性學習產出，特別是能力與思維發展表現。評價結果要即時反饋給學生，增強游戲化學習的激勵作用和學生的自我效能感。

三、學習活動實踐

(一)研究設計

為了檢驗并修正DMP設計框架，研究者與W小學STEM教師合作，采用基于設計的研究，面向五年級STEM校本班共計57名學生，開展為期3個月的三輪迭代實踐研究(見表三)。為了保證STEM課堂教學的真實狀態和內在效度，研究選取新近STEM成績測驗平均分相當的兩個自然班級作為對象。STEM教學由與研究團隊有合作關系的STEM教師承擔，該教師不僅了解研究團隊的設計理念，而且對實踐內容(選自研究團隊自編教材《小學STAEM課程活動設計》)較熟悉，最大程度地排除因教師等因素對研究數據造成的干擾。

(二)研究過程

1. 第一輪實踐

1)活動設計：探究光的奧秘

研究基于DMP設計框架，以五年級STEM校本課程單元“探究光的奧秘”為主題，設計STEM游戲化學習活動(見表四)。

2)活動實施

該輪活動的目的是實施“探究光的奧秘”，由STEM教師面向五年級STEM甲班開展。從活動反饋看，學生學習熱情較高，盡管出現很多問題，但每個團隊最終都順利通關，完成既定學習任務，并設計了活動規則手冊、概念圖，制作搭建了實物模型等。

表四 “探索光的奧秘”活動設計

3)活動效果

為了檢驗該輪游戲化學習活動的效果，本研究采用學習動機診斷量表MAAT③，從學習動機、作品產出方面收集與分析數據。測評數據統計顯示，學生的學習動機平均值為27.2，處于中等水平，表明STEM游戲化學習活動有助于保持學習動機。

根據預先設計的作品評價量表，各團隊基于作品進行組間評價，主要考察模型設計與制作所涉及的問題解決、知識建構與思維發展。統計數據(見表五)顯示，團隊作品的平均分為72.6，高于70分，表明學生能夠按照預期設計并制作模型，實現預設功能。但各指標平均分不高，特別是“模型設計具有創新性”與“設計與制作方案完整，具有可行性”指標的平均分相對較低，還有優化空間。

表五 第一輪活動團隊作品評價

4)活動反思

從對學習動機調查與作品評價看，學生學習動機總體處于中等水平，各團隊較好地完成學習任務，基本實現了活動目標，這說明DMP設計框架有效，但也揭示出一些問題，如模型的設計創新性不足，設計與制作方案完備性與可行性較差。

為了解問題的成因，研究者查閱了聽課人員的課堂觀察記錄，并隨機抽取3名學生訪談。分析發現，模型搭建環節最受學生歡迎，學生能夠對照操作手冊完成模型的搭建，并享受積木搭建的過程，但學生對方案設計、知識建構與思維發展環節的熱情較低，需要教師不斷干預與激勵。究其原因，一是學生對游戲化學習任務認知不清晰，對方案設計流程較陌生；二是DMP框架沒有明確界定知識建構、搭建模型與思維發展三者的關系，教學按照順序關系依次開展，學生受制于活動環節，導致創新性想法缺乏實踐的舞臺。

為改進上述問題，研究者修正了DMP設計框架：一是將 “在游戲中探究，創意規劃設計”更名為“明確游戲任務，開展創意設計”，意在強調學生形成對游戲化學習任務的清醒認知，圍繞任務完成和問題解決，創新性地設計問題解決方案；二是將“搭模型巧制作，完成游戲進階”環節名稱改為“搭模型巧制作，玩中學玩中思”，明確學生搭建模型的過程是與知識建構和思維發展相統一的自然過程。

2. 第二輪實踐

1)活動設計：探究光的奧秘

根據改進后的DMP框架，本研究修改了第一輪的案例：細化游戲化任務，在每個任務設計上，將知識建構與思維發展滲透于模型制作的自然過程中，即學生制作模型(解決問題)的過程，也是調動思維、建構知識的過程(教學設計略)。

2)活動實施

第二輪活動的目的是實施“探究光的奧秘”(修改稿)，由同一位STEM教師面向STEM乙班教學。較之第一輪活動，第二輪活動教學更順利。

3) 活動效果

從課堂觀察、學生學習動機測評及作品評價看，第二輪活動的實施效果較第一輪有所提升，具體表現在：在關卡一，每個團隊都完成了小孔成像模型的搭建和概念圖繪制，對概念圖涉及的知識及其關系形成了自己的認識，在頭腦風暴接力賽中也提出了諸多創新性想法；在關卡二，各團隊都完成了彩虹發射器的制作，了解了平面鏡成像原理，形成了詳細的過程記錄單，并順利通關。

第二輪實踐繼續使用學習動機量表MAAT測量學生的學習動機。統計數據顯示，67%的學生學習動機較強，較弱的僅8%，學習動機平均值為32.8，總體處于較強水平，相對于第一輪明顯提升。

該輪作品評價結果顯示，團隊作品平均分為78.1，比第一輪提高5.5分，各團隊平均分均高于75分。從每個指標的平均分看，除“能用模型驗證光的傳播規律”指標外，其它指標得分均高于第一輪，說明學生設計與制作作品能力有提升。但“設計與制作方案完整，具有可行性” 等指標的平均分依然不高，說明DMP框架還有待于改進。

4)活動反思

為了深入了解學生對該輪活動的體驗，以及STEM課程教師對DMP框架優化的建議，研究者分別對學生和教師進行了問卷調查和訪談。

學生問卷從對活動的總體評價與活動目標的達成展開。在總體評價方面，96.8%的學生表示STEM活動體驗愉快，達到了玩中學的初衷；44.3%的學生認為活動完成有難度，說明支架設計等活動設計細節還有改進的空間。在活動目標的達成方面，98%的學生表示能清晰地闡述或驗證光的傳播規律， 85%的學生表示解決了活動中遇到的問題，75%的學生表示為團隊貢獻了新創意，77.8%的學生表示會運用活動中學到的問題解決方法解決相似問題。這說明跨學科知識目標達成度高于問題解決和高階思維。

圖4 STEM游戲化學習活動設計改進框架DMP

教師訪談主要針對DMP設計框架優化展開。訪談結果表明，DMP框架在游戲元素的融入設計上存在短板。DMP設計框架只是籠統地列出各項游戲元素，對各項游戲元素的融入設計缺乏操作建議，實用性較差，訪談對象建議將游戲元素與活動流程相對應，使DMP框架作用最大化。

基于上述反思，研究再次改進了DMP設計框架(見圖4)：一是對游戲元素進行分類，并與活動環節相對應，提升可操作性；二是對STEM元素的關系描述進行了微調，凸顯設計與制作元素，強調設計與制作過程本身就蘊含了跨學科學習、問題解決與高階思維的培養。學生在設計與制作過程中，可根據需要隨時調用其它STEM元素；三是將 “明確游戲任務，開展創意設計”更名為“明確游戲任務，創意規劃設計”，強化規劃設計及其在制訂與實施問題解決方案中的作用。

3. 第三輪實踐

1)活動設計：揭開電的面紗

根據改進后的DMP框架，第三輪實踐以“揭開電的面紗”為題，設計4課時的STEM游戲化學習活動。該輪實踐以“設計與制作可調光小臺燈”為總任務，具體分解為“規劃設計可調光小臺燈，畫出設計圖”“搭建簡單電路，描述電路元件”“搭建串并聯電路并加以闡述”“應用變阻器，調節燈泡亮度”四項進階考核任務(關卡)。

2)活動實施

第三輪活動由同一位STEM教師執教，面向STEM甲班與STEM乙班教學。兩個班的學生都表現出較高的學習積極性，每個團隊都通過了四項考核，順利拿到了考核合格證，并制作了規則手冊、過程記錄單、思維導圖、串并聯電路模型、可調光小臺燈等。

3)活動效果

該輪學習動機和作品評價結果顯示，超過3/4的學生達到了較強學習動機水平。團隊作品總平均分為84.9，較之第二輪學生作品平均得分提高6.8分，說明活動效果有提升，DMP設計框架初見成效。為了驗證DMP設計框架的有效性，研究從總體評價、跨學科知識、問題解決、高階思維等入手，編制STEM游戲化學習活動效果調查問卷(Alpha=0.693)。對參與的全體學生進行的測試結果顯示，較之前測，學生對STEM游戲化學習活動的滿意度提升(見表六)；在跨學科知識、問題解決與高階思維三層目標的達成上，后測平均值均顯著高于前測(P=0.000<0.01，見表七)。

4)活動總結

在該輪實踐過程中，學生表現明顯優于前兩輪，不僅對STEM游戲化學習活動過程滿意，而且跨學科知識、問題解決、高階思維的發展都有顯著提升，基本達到了預期目標。這說明，經過迭代修正的DMP設計框架初見成效，可供小學STEM游戲化學習活動設計與實踐參考使用。

表六 學生對STEM游戲化學習活動總體評價(節選)

表七 學生學習效果前后測統計數據

四、結論與討論

STEM教育有利于促進跨學科融合、培養學生真實問題解決與創新創造等高階能力，近年來頗受國內外研究者的重視。學者們對STEM教育目標與教學模式開展了深入的探索，提出了設計型、創造型、6E等教學模式。游戲化學習研究文獻也顯示，游戲化學習與STEM融合有利于激發學生的學習動機和學習興趣，培養學生的創造力、問題解決、批判思維等高階能力。STEM與游戲化學習的育人目標高度一致，兩者大有融合趨于一體之勢。然而，STEM與游戲化學習整合的系統化學習活動設計研究較為鮮見，有必要構建STEM游戲化學習活動設計框架。本研究采用基于設計的研究范式，提出了本土化的DMP設計框架，并經由三輪STEM游戲化學習活動實踐，形成以下研究結論。

(一)結論

1.DMP框架是在STEM與游戲化雙重驅動下形成的“兩驅三環七步”STEM游戲化學習設計框架。它包含學習目標設計、跨學科內容遴選與活動流程設計三個環節， 以及“設定學習目標，指向高階思維”“遴選跨學科內容，設置挑戰性任務”“創設游戲化情境，吸引全情投入”“組建學習團隊，約定游戲規則”“明確游戲任務，創意規劃設計”“搭模型巧制作，玩中學玩中思”“建立獎賞機制，積極評價反饋”七個步驟。

2. DMP框架通過STEM與游戲化融合形成。該框架在學習目標設計、跨學科內容遴選、活動流程設計環節均融入了STEM與游戲化元素，特別是依據皮亞杰的認識發生論，結合國內外STEM教育研究成果，重構了跨學科知識、真實問題解決、高階思維三層目標結構。該框架強調“設計”與“制作”。學生開展設計與制作時，可隨時調用其他STEM元素，從而經歷知識建構、問題求解與高階思維的完整過程。該框架還注重融入“游戲”因素，并將其分類，使其與活動環節相對應，在促進學生形成內生動機、體驗學習快樂的同時，提升框架的可操作性。

3. 實踐結果顯示，依據DMP框架設計的STEM游戲化學習活動，有助于促進學生達成跨學科知識建構、真實問題解決與高階思維發展等目標。從學生活動效果看，無論是作品產出，還是學習動機和學習活動滿意度均達到較高水平。這說明，經過迭代修正的DMP設計框架初見成效，達成了預期目標，可供一線STEM游戲化學習活動設計與實踐參考使用。

(二)討論

本研究以提升STEM教育的育人成效為目的，致力構建適用于一線教學的STEM游戲化學習活動設計框架。研究依據“設計-制作-游戲”學習方法提出本土化的STEM游戲化學習活動設計框架——DMP(設計-制作-游戲)，所開展的三輪STEM游戲化學習迭代實踐，都依次經歷設計、實施、效果與反思四個環節。實踐表明，DMP框架行之有效，有利于激發學生的學習動機，促進學生高階能力的培養。

DMP框架以STEM的“設計”與“制作”為基礎與游戲化融合，通過開展設計與制作，學生圍繞問題解決，建構跨學科知識，經歷創新、分解、迭代、選擇、生成、驗證、建構等高階思維歷程，這與國內外STEM教學重設計與創造的視點高度一致。框架命名沒有特別強調“創造”，因為設計是一種特殊的創造(安德森，2009)，它以一種整合和激勵人心的方式，成為教授STEM內容的有力手段(赫尼等，2015)。

DMP框架將游戲元素分類“代入”STEM學習活動設計流程，并非將游戲化等同于游戲元素，而是遵循“游戲化的關鍵是利用游戲的基本要素”(韋巴赫等，2014)這一認識，巧妙利用游戲要素，促進STEM學習活動“游戲化”。此外，游戲元素與STEM學習活動流程的分類對應意在提升框架的可操作性，引導教師充分吸收游戲要素的精髓設計活動。在活動中，角色、挑戰、情感、規則、合作等游戲元素的反復出現，都說明了這些元素是游戲的基礎。事實上，利用游戲元素有利于強化學習，點燃激情(卡普，2015)。

本研究也存在局限：盡管DMP框架通過了三輪實踐的迭代檢驗與修正，但還有優化空間。而且，本次實踐只在小學范圍內開展，DMP框架是否適用于其他學段學生，還需要實踐檢驗。后續研究可擴大范圍，拓展實驗對象，增加研究對象數量，使DMP框架經由實踐不斷優化，臻于完善。此外，盡管DMP框架充分吸收了STEM與游戲化的精髓，繼承了已有STEM教學模式的優點，關注設計、制作、創造等STEM目標的培養及游戲化對STEM學習的促進作用。但不可否認的是，“設計-制作-游戲”只是STEM游戲化學習的模式之一，后續還需要圍繞STEM目標的達成，從多個視角開展STEM游戲化學習模式的深度探索。

[注釋]

① Bug原指因游戲設計缺陷產生的漏洞，此處指在游戲化學習中人為地設置“可控制的Bug”，為學生提供探索空間、發展其高階能力的一種策略。

② 這里的Play是動詞詞性，指Rule-based play，即基于明確規則的“戲”和“玩”。

③ 學習動機診斷測驗(MATT)由華東師范大學周步成教授于1991年主持修訂，是國內較為成熟的學習動機量表之一。它由成功動機、考試焦慮、自我責任心和要求水準四個分量表組成，適用于小學四年級至高中三年級學生。