基于費曼學習法理念的開放式教育游戲平臺的設計及在形態學課程教學中的應用

毛瑞雪 林方興 雷長海△

（海軍軍醫大學，1 衛生勤務學系海軍衛生信息中心，2 基礎醫學院生物物理學教研室，上海 200433）

傳統教學模式因課程學時有限，內容繁多等原因，學生常常出現學習動力不足，學習效率低下的情況。孔子在《論語·雍也》中說，“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”興趣是激勵學習的最好老師。在“以教師為主導、以學生為主體”的新型教學模式下，“樂學”的重要形式“游戲化學習”在學科教學和人才培養中受到日益廣泛的重視[1-2]。近年來，國內外學者對于游戲化學習在游戲的設計與開發、游戲的教育應用和游戲的教育評估等方面開展了豐富的研究[3]。但是也有學者指出，游戲化學習面臨多個問題。首先，教育游戲要將教育性和娛樂性融為一體。這就要求在游戲設計之初，設計者要充分考慮到學習者的年齡、性別、性格、認知等特點，但很難達到預期效果。其次，教育游戲開發與測試的項目周期長，不僅要求有熟練的編程技巧，還要熟練掌握相關學科知識。另外，傳統的“玩物喪志”觀念也限制了教育游戲的普及。深入分析這些問題背后的原因，主要在于學習者與游戲制作者這兩種角色的割裂，這可能是目前影響教育游戲效果的最核心的瓶頸。如果能讓學習者成為游戲的制作者，將實現玩與做、教與學的統一，或可成為解決教育游戲所面臨的困境的有效手段之一。鑒于此，本研究介紹了一種基于費曼學習法理念進行的自主共享的拼圖類教育游戲平臺的設計與實現方法，目的是利用該平臺學習者可以成為拼圖游戲的開發制作者，即學習者可以自主選擇內容，方便地制作拼圖游戲關卡，通過與同伴共享，從而在游戲的設計、制作與玩耍過程中幫助學習者加深概念學習和知識理解，并豐富線上線下混合式教學的方法體系，為解決游戲化學習所面臨的困境提供一種有效的手段，也為教育游戲資源的開發提供一定的參考。

1 平臺設計理念

費曼學習法也稱費曼技巧，由著名物理學家、諾貝爾物理獎獲得者理查德·費曼提出，是一種以教促學的學習方式，強調學習者通過扮演教育者的角色完成學習，其核心要義是把自己正在學的東西教給其他人，并且要千方百計地讓其他人學會。通過“講授”來驗證和鞏固自身學習成果的同時，也實現了知識或技能的遷移與應用[4-5]。

同樣，如果游戲的使用者（即學習者）可以成為教育游戲的開發制作者，那么他所設計出來的游戲不僅符合學習者的年齡和認知等特點，還會在游戲設計、制作的過程幫助其進一步加深游戲所涉及知識的學習和理解，并可通過在朋輩中分享自制的游戲過程中收獲更大的成就感，激發學習和創造的激情。

基于費曼學習法的理論，開放式教育游戲平臺的核心要義在于“開放”，其設計理念定位為“自主”和“共享”。其中，“自主”是指通過提供通用制作平臺和可復用的元件，降低游戲開發門檻，只需若干步標準化流程即可完成游戲項目的制作；“共享”著眼于所完成的游戲項目可以獨立于開發平臺，只需要通過簡單的操作（如復制文件夾、網站下載、APP推送等方式），就可以讓其他人也可以享有該游戲項目。

2 設計與實現

2.1 游戲類型選擇

拼圖游戲是一種廣受歡迎的智力游戲，它變化多端，每一片的單片都有它自己的位置，放對了，局面就慢慢明朗而又豐富起來，而放錯了，拼圖無法完整。這種游戲形式可以幫助學習者理解系統的組成、整體與個體的關系、記憶空間位置以及相互之間的關聯等，對提高學生對知識的理解和掌握起著重要的作用[6]。在數學、地理等初、中等教育學科的教學中得到廣泛使用[7-10]。近年來，一些高等院校的教育學者也將拼圖游戲引入課堂，在包括斷層解剖學[11-12]、機械與電氣識圖[13]等學科的教學中加以應用，并通過實證研究證明了該游戲方法可以有效激發學生學習的積極性，快速提高學生的學習能力，增強學生對理論知識的記憶力，還能達到自主學習的目的。還有研究者在開放教育領域做了有益的探索，通過設計和實現了將中國古詩歌與排序拼圖游戲結合在一起的widget應用，使人們在娛樂的過程中學習中國傳統文化[14]。

基于拼圖游戲的學科適用性、規則簡單性和玩法單一性等特點，本研究以拼圖游戲為開發對象，建立了普通學習者可以自己設計游戲關卡的開放式教育游戲平臺。

2.2 模式與功能

平臺的主要模塊包括游戲運行模塊、資源管理模塊、元素制作模塊和評價反饋模塊4個部分。系統設計如圖1所示，并基于Python3.6 語言環境完成功能開發。

圖1 系統設計圖

2.2.1 游戲運行模塊 游戲運行模塊主要實現關卡模式設定及關卡中拼圖元素的拖曳和位置判定。該游戲平臺設計了兩種關卡呈現模式。一是隨機關卡模式，該模式主要體現游戲的趣味性。在游戲開始時，將讀取所有子文件夾名稱（每個子文件夾為一個游戲關卡），形成關卡列表，并使用當前時間作為隨機數種子（random seed），生成隨機數列，通過對關卡列表元素的賦值，實現關卡隨機呈現。第二種模式是設定順序的關卡模式，這種關卡模式是為了滿足某些學習內容循序漸進的教學特色，并以游戲的漸進性加以體現。在該模式下，游戲開始時，將從配置文件夾中讀取關卡順序，并按預先設定的順序逐一呈現。

當前采取何種模式可在游戲的配置文件中進行修改。每個關卡所使用的拼圖元素出現模式也是隨機和設定兩種形式，實現方法同關卡設定。在具體游戲運行中，某拼圖元素是否完成，是通過讀取拼圖元素的當前位置坐標與配置文件中預先標定的最終完成位置信息進行比對，如果兩者的相差范圍在設定的誤差閾值內，則標志該元素拼圖完成，并予以提示，否則為未完成狀態。

2.2.2 資源管理模塊 資源管理模塊是實現該游戲平臺開放性的核心。為實現用戶自制拼圖游戲的“自主”性，設計了文件夾模式的資源管理模式，即將每個文件夾設定為一個拼圖游戲關卡。文件夾的名稱即為關卡名稱，該名稱將在游戲運行中讀取并作為參數傳遞，在游戲過程中呈現。基于這種游戲資源管理模式，實現了所制作的游戲關卡獨立于開發平臺，只需要通過復制文件夾的操作，就可以與他人分享自己設計的拼圖游戲。為實現“自主”性，將游戲所必需的通用資源，包括啟動界面，過關界面、通關界面、正確拼圖及錯誤拼圖提示音等存入公共文件夾中，并以文本格式的配置文件形式對資源進行定義和描述，用戶可以通過修改配置文件實現對游戲標題、制作人、背景、音效等游戲通用元素的自主設置。

2.2.3 元素制作模塊 元素制作模塊是該游戲平臺“通用”性的體現，通過交互化手段實現拼圖元素的制作，從而降低游戲開發門檻，其核心功能包括拼圖元素分割和元素位置標定。

拼圖元素分割功能主要實現以交互式手段從用戶提供的最終完成的拼圖中分割出所需的拼圖元素。使用Python語言用于數字圖像處理的scikit-image包進行開發，采用隨機游走算法進行交互式圖像分割。基本分割思想是以圖像的像素為圖的頂點，相鄰像素之間的四鄰域或八鄰域關系為圖的邊，并根據像素屬性及相鄰像素之間特征的相似性定義圖中各邊的權值，以此構建網絡圖，然后由通過用戶手工指定前景和背景標記，即前景物體和背景物體的種子像素，以邊上的權重為轉移概率，未標記像素節點為初始點，計算每個未標記節點首次到達各種子像素的概率，根據概率大小，劃分未標記節點，得到最終分割結果。然后將分割圖像保存至關卡目錄中。分割界面如圖2所示。另外，該游戲平臺也接受用戶利用Photoshop等圖像處理軟件所制作的拼圖元素圖。

圖2 隨機游走算法進行交互式圖像分割

元素位置標定功能實現對每個拼圖元素在最終完成圖中的位置信息。具體實現方法是通過在控制臺顯示鼠標拖曳拼圖元素時的實時位置，在到達目標位置后以按鍵方式確認完成。標定結果以文本格式的配置文件形式保存在關卡目錄中，每行為一個元素的標定位置。

具體格式為：“元素文件名[空格]X坐標[空格]Y坐標”。

2.2.4 評價反饋模塊 該拼圖游戲平臺對具體某個游戲關卡的評價是通過記錄每個關卡完成時間，以及關卡所包含的拼圖元素拖曳到正確位置的時間、嘗試次數、查看提示圖等情況，結合該元素在該關卡中的權重值進行計分。對整個拼圖游戲的最終評價則是基于各個關卡得分情況，并結合各關卡在整個游戲中的權重值進行計分。

反饋功能除單擊鼠標右鍵出現提示圖外，還設計了拼圖元素在不同狀態時顯示相應信息的功能。除了可以根據元素實時位置信息顯示正確與否的提示外，為增加游戲的知識性，還可以在拼圖元素拖曳前、拖曳中和拖曳完成后顯示預先設定的補充性文字。補充性文字以文本格式的配置文件形式保存在關卡目錄中，每行為一個元素的補充信息。具體格式為“元素文件名[空格]權重值[空格]拖曳前信息[空格]拖曳中信息[空格]拖曳后信息”。

3 實施效果與啟示

為驗證該拼圖游戲平臺在形態學課程中的應用效果，筆者進行了實驗研究。

3.1 研究對象

本研究選取某醫學院校大一年級不同專業的30名學生志愿者作為研究對象，年齡17～20歲，其中臨床五年制專業12人，醫學影像學專業6人，麻醉學專業6人，預防醫學專業3人，護理學專業3人。同時招募了1位非計算機專業的教師作為任課教師參與實驗。

3.2 教學內容選擇

本研究選取系統解剖學為教學內容。

3.3 實驗設計

本研究在傳統ppt授課與實習的基礎上引入游戲化學習，經過簡單培訓后讓學生利用本平臺自主設計、制作拼圖游戲的關卡項目，并相互共享完成游戲。最后采用電子問卷調查方式對教學效果評價。

3.4 教學效果評價方法

學習結束后，通過問卷星向研究對象發放電子問卷，從學習認知、學習行為、學習效果3個方面進行調查，問卷采用Likert4級量表。

3.5 實驗結果

本研究共收回有效問卷30份，問卷分析結果表明：①86%的學生認為形態學中的很多知識點都可以通過拼圖方式進行游戲化學習；②93%的學生認為游戲制作的難度不大，工作量主要取決于拼圖元素的數量多少，用時長短不一。但對某些復雜的圖像，拼圖元素分割的效果有待于進一步提高；③86%的學生認為基于對知識充分理解所設計和制作的拼圖游戲更具挑戰性、耐玩程度和受歡迎性相對較高；④92%的學生在完成拼圖游戲后，都對相關知識點進行了進一步學習，并改進了其所設計制作的拼圖游戲，改進后的拼圖游戲的科學性和趣味性均得到了提升；⑤93%的學生認為本平臺通過文件夾復制即可實現游戲關卡共享的功能簡單易用，平臺的易于操作性讓師生參與熱情高，成就感強。

通過觀察發現師生基于同一知識點所設計的關卡游戲反映了其對知識的不同理解程度，學生所設計的拼圖游戲多局限于位置關系的直觀表現，而教師設計的游戲偏向于相互關系和邏輯關聯。學生的思維更加發散和活躍，其所設計的拼圖游戲反饋信息更加生動，更加生活化，趣味性和吸引性較大。

經過一學期的應用，筆者認為：①拼圖游戲適合于培養學習者觀察、判斷和邏輯思維能力，應用面較為廣泛，特別適用于微課這類呈現碎片化學習內容的教學體系，可以推廣到更多的學科教學；②讓游戲者成為游戲設計者的“建物致知”的模式，是費曼學習法的具體實踐形式，也是有效提高學習者STEM（科學、技術、工程和數學）能力的手段；③基于費曼學習法理念設計的自主共享的拼圖教育游戲平臺，不僅能夠有效提升學生的知識理解和表達能力，還有利于豐富游戲學習資源的產生和傳播；④只有不斷地深入研究學習者的特質與游戲化的核心，做到游戲與學習的深度融合，才能讓教育游戲化在人才培養中發揮更大作用；⑤若要推廣這種教育游戲設計理念，使之適用于更多的游戲學習類型，還需要考慮到各類問題，特別是在游戲模式、反饋激勵方面都需要進一步的研究。