游戲化學(xué)習(xí)在植物生理學(xué)光呼吸課堂教學(xué)中的應(yīng)用

王磊鵬，王亞坤，滕 云，楊 麗，岳建華，韓坤鍵，徐函兵

（信陽農(nóng)林學(xué)院園藝學(xué)院，河南 信陽 464000）

植物生理學(xué)是研究植物生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，主要包括植物的水分和礦質(zhì)營養(yǎng)、物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換、植物的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、植物的生長和發(fā)育4 個(gè)方面的內(nèi)容[1]，是植物生產(chǎn)類、生物科學(xué)類相關(guān)專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。其中，光合作用是物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換中的重點(diǎn)內(nèi)容，也是教學(xué)難點(diǎn)之一。光合作用包含葉綠體及其色素、光合作用過程、光呼吸、影響光合作用的因素、植物對(duì)光能的利用等知識(shí)點(diǎn)，理論性和應(yīng)用性較強(qiáng)。針對(duì)光合作用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)前期采用課前發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，課中針對(duì)問題精講，課后階段測試的傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)教學(xué)形式進(jìn)行。但由于該知識(shí)點(diǎn)涵蓋內(nèi)容較廣，學(xué)生往往對(duì)某一知識(shí)模塊記憶較為深刻，但對(duì)于知識(shí)模塊之間的聯(lián)系則了解較少，不能形成很好的知識(shí)體系。為了幫助學(xué)生將知識(shí)模塊進(jìn)行貫通，形成知識(shí)體系，引入游戲化的學(xué)習(xí)方式。

游戲是人類的基本行為，教育和工作其實(shí)就是游戲[2]。當(dāng)代著名教育心理學(xué)家杰羅姆·布魯納（Jerome Seymour Bruner）認(rèn)為，學(xué)習(xí)最大的原動(dòng)力在于使得學(xué)生主體對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣，而游戲?qū)⑹羌ぐl(fā)學(xué)生主體濃厚興趣的最佳途徑[3]。簡·麥格尼格爾在《游戲改變世界》中指出，游戲化可以讓現(xiàn)實(shí)變得更美好，提升人的幸福感，構(gòu)建更美好的現(xiàn)實(shí)社會(huì)[4]。游戲化學(xué)習(xí)就是采用游戲化的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，教育者將游戲作為與學(xué)習(xí)者溝通的互動(dòng)平臺(tái)，采用游戲的方式向?qū)W習(xí)者傳遞知識(shí)信息[5]。游戲化學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)是一種學(xué)習(xí)模式，教育者采用游戲的方式，為學(xué)習(xí)者營造一種相對(duì)寬松、自由的氛圍，學(xué)習(xí)者以游戲作為平臺(tái)開展學(xué)習(xí)，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)造能力、問題解決能力、合作交流能力等高階能力的發(fā)展[6]。

游戲化學(xué)習(xí)具有多元化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，包括基于情境的認(rèn)知體驗(yàn)、基于協(xié)作的社會(huì)性體驗(yàn)和基于動(dòng)機(jī)的主體性體驗(yàn)[7]。研究表明，基于學(xué)習(xí)科學(xué)的游戲設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)習(xí)者獲得更加科學(xué)、有效的認(rèn)知體驗(yàn)[8]。

1 游戲化學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 游戲設(shè)計(jì)

選擇光合作用中光呼吸的過程作為游戲的框架。該知識(shí)點(diǎn)涉及葉綠體、過氧化物酶體、線粒體3個(gè)細(xì)胞器之間的協(xié)作，過程繁瑣但邏輯簡單，與其他知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系緊密。根據(jù)光呼吸的反應(yīng)過程，設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的游戲環(huán)節(jié)，有利于該知識(shí)點(diǎn)的鞏固并建立知識(shí)框架。

1.2 準(zhǔn)備工作

①知識(shí)準(zhǔn)備：前期已學(xué)習(xí)過葉綠素的光合特性、光合電子傳遞鏈、碳同化等知識(shí)點(diǎn)，自學(xué)光呼吸具體過程；②人員準(zhǔn)備：以29人班級(jí)為例，將學(xué)生分成6組，每組4～5人；③物品準(zhǔn)備：教師準(zhǔn)備好游戲中所需要的題目、道具、獎(jiǎng)勵(lì)等物品；④規(guī)則講解：教師針對(duì)游戲規(guī)則進(jìn)行詳細(xì)講解，確保學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)熟悉游戲流程及規(guī)則。

1.3 實(shí)施

1.3.1 游戲背景設(shè)計(jì)

知識(shí)背景：植物細(xì)胞葉綠體中的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）是雙功能酶，在CO2濃度高的情況下，該酶催化1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）和CO2與H2O 進(jìn)行羧化反應(yīng)，生成2分子的3-磷酸甘油酸；在O2濃度高的情況下，該酶催化RuBP 和O2進(jìn)行反應(yīng)，生成1 分子的3-磷酸甘油酸和1分子的磷酸乙醇酸。3-磷酸甘油酸可以正常參與卡爾文循環(huán)，而磷酸乙醇酸需歷經(jīng)葉綠體、過氧化物酶體、線粒體轉(zhuǎn)換成3-磷酸甘油酸重新參與到卡爾文循環(huán)中去。

根據(jù)該反應(yīng)特點(diǎn)，再結(jié)合深受學(xué)生喜愛的動(dòng)漫《國王排名》中的波吉形象，將磷酸乙醇酸包裝成“波吉”，設(shè)置如下游戲背景：Rubisco 王后懷了一對(duì)雙胞胎，可是由于CO2含量的不足，本該受到CO2的祝福平安出生的一對(duì)小王子，卻被O2搶先，在這樣的情況下他們出生了，弟弟是一個(gè)健康可愛的磷酸甘油酸，而哥哥卻成了又聾又啞的磷酸乙醇酸。哥哥在王宮受盡了排擠，為了走出自己的路，哥哥化妝成乙醇酸，從葉綠體中離家出走。

根據(jù)乙醇酸的冒險(xiǎn)之路，設(shè)計(jì)游戲關(guān)卡。

1.3.2 過氧化物酶體

知識(shí)背景：在過氧化物酶體中，乙醇酸需要和O2反應(yīng)生成乙醛酸，乙醛酸和谷氨酸反應(yīng)生成甘氨酸。

游戲設(shè)計(jì)：在此關(guān)卡中先利用題目搶答并用抽簽的方式將6 組同學(xué)分成2 隊(duì)，每隊(duì)3 組同學(xué)。一隊(duì)為O2隊(duì)，一隊(duì)為谷氨酸隊(duì)。O2隊(duì)的任務(wù)是拿到谷氨酸隊(duì)的氨基，谷氨酸隊(duì)的任務(wù)則是保護(hù)氨基。闖關(guān)形式為抽盲盒，盲盒中為光合作用的相關(guān)題目和2 個(gè)氨基。由谷氨酸組人手1 個(gè)盲盒，氧氣組每組派1 人選擇1 個(gè)盲盒開啟，開出氨基直接進(jìn)入下一關(guān)，開出題目需進(jìn)行回答，限時(shí)30 s，回答正確繼續(xù)開盲盒，回答錯(cuò)誤由下一組同學(xué)開盲盒。抽盲盒方式：靈魂捕手。上場同學(xué)戴上蜘蛛俠蛛絲手套“捕捉”拿盲盒的同學(xué)，手拿盲盒同學(xué)可以躲避，挨到即算捕捉成功。抽到氨基簽直接晉級(jí)，不需再抽盲盒；若氨基酸被守護(hù)成功，成功守護(hù)的小組進(jìn)入下一關(guān)。

晉級(jí)方式：2個(gè)拿到氨基的小組晉級(jí)并獲得晉級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，剩余4個(gè)小組利用游戲小道具再次進(jìn)行PK，最終失敗的小隊(duì)接受秘密任務(wù)，3個(gè)小隊(duì)留守下一任務(wù)。

獎(jiǎng)勵(lì)方式：個(gè)人+團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)，小組成員誰抽題誰得獎(jiǎng)勵(lì)貼紙，回答完問題后由被抽題同學(xué)判斷對(duì)錯(cuò)，判斷正確被抽同學(xué)得獎(jiǎng)勵(lì)貼紙，判斷失誤不得獎(jiǎng)勵(lì)貼紙。獎(jiǎng)勵(lì)貼紙可換取個(gè)人獎(jiǎng)勵(lì)。晉級(jí)小隊(duì)可獲得晉級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。

1.3.3 線粒體

知識(shí)背景：甘氨酸進(jìn)入線粒體后，2分子的甘氨酸反應(yīng)生成1分子的絲氨酸和1分子的CO2。

游戲設(shè)計(jì)：魔法陣，進(jìn)入此陣的同學(xué)，會(huì)受到鏡子的攻擊，小組內(nèi)同學(xué)必須做相同的動(dòng)作，否則會(huì)被消除。全組動(dòng)作，1人做，其他人學(xué)，最整齊劃一，堅(jiān)持最久的小組獲勝。勝利小組獲得晉級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，失敗小組接受秘密任務(wù)。

1.3.4 返回過氧化物酶體

知識(shí)背景：絲氨酸和谷氨酸的碳骨架α-酮戊二酸進(jìn)行反應(yīng)生成羥基丙酮酸。

游戲設(shè)計(jì)：由留守的3個(gè)小組進(jìn)行反擊，闖關(guān)小組需選擇一個(gè)小組進(jìn)行挑戰(zhàn)，若挑戰(zhàn)成功，被挑戰(zhàn)組失敗并接受秘密任務(wù)，闖關(guān)小組和剩余2 個(gè)留守小組進(jìn)入下一關(guān)；若挑戰(zhàn)失敗，3個(gè)組守關(guān)小組進(jìn)行下一關(guān)，挑戰(zhàn)小組接受秘密任務(wù)。挑戰(zhàn)方式：你來比劃我來猜。小組成員排成一隊(duì)，第一個(gè)成員抽到題目后用肢體語言描述，傳遞給下一位成員，隊(duì)員間依次比劃傳遞，不能發(fā)出聲音，由最后一名成員猜測題目內(nèi)容，答案最接近的小組獲勝。失敗小組接受秘密任務(wù)。其余3個(gè)組合并為闖關(guān)小隊(duì)。參與挑戰(zhàn)并獲勝的小隊(duì)獲得晉級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。

1.3.5 終極挑戰(zhàn)

知識(shí)背景：羥基丙酮酸在過氧化物酶體中消耗1 分子NADH 生成甘油酸，甘油酸進(jìn)入葉綠體，消耗1分子ATP生成3-磷酸甘油酸。

游戲設(shè)計(jì)：秘密任務(wù)：守護(hù)NADH 和ATP。NADH 和ATP是回歸葉綠體，成為3-磷酸甘油酸的重要能量，缺一不可。接受秘密任務(wù)的小組，任務(wù)是保護(hù)這兩個(gè)能量不被找到。闖關(guān)小組負(fù)責(zé)找到這兩個(gè)能量。

1.3.6 終極對(duì)決：撕名牌

闖關(guān)小隊(duì)的名牌后空白，秘密小隊(duì)的名牌后有題目或者是NADH 和ATP 其中之一，撕掉名牌的后面是題目的，負(fù)責(zé)回答該題目，撕掉名牌后面是NADH 或ATP 的，可直接保留。同1個(gè)小組必須同時(shí)拿到NADH和ATP才算成功。最終獲勝的小組獲得終極大獎(jiǎng)。若拿到了NADH 或ATP 的小組，但是小組同學(xué)全部被淘汰，則淘汰該小組最后1 名同學(xué)的小組獲得該小組的NADH 或ATP。撕名牌結(jié)束后，撕到題目的同學(xué)回答題目，回答正確的獲得獎(jiǎng)勵(lì)貼紙，回答錯(cuò)誤的被撕同學(xué)得貼紙。

1.3.7 故事結(jié)尾

磷酸乙醇酸從葉綠體出發(fā)，途徑過氧化物酶體、線粒體，又重新沿著線粒體、過氧化物酶體返回到葉綠體中。歷經(jīng)千辛萬苦，終于成為了3-磷酸甘油酸。磷酸乙醇酸經(jīng)歷了痛苦，也收獲了成長和友情，它終于找回了自己，成為了自己原本就應(yīng)該成為的。人生難免會(huì)有彎路，且彎路的風(fēng)景也很美，但心中有路，就不會(huì)迷失方向，最后仍能抵達(dá)目的地。

1.4 游戲設(shè)計(jì)思路

游戲化學(xué)習(xí)過程中，容易出現(xiàn)游戲和學(xué)習(xí)內(nèi)容脫節(jié)，學(xué)生過于投入游戲而忽視學(xué)習(xí)內(nèi)容的現(xiàn)象。本次游戲化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)用與反應(yīng)歷程相似的虛擬背景進(jìn)行構(gòu)建，將生成的兩種化學(xué)物質(zhì)比喻成受影響的雙胞胎兄弟，游戲背景和學(xué)習(xí)背景合二為一，學(xué)生對(duì)知識(shí)化的游戲背景接受程度更高。

將游戲根據(jù)反應(yīng)過程中的3 個(gè)細(xì)胞器設(shè)置成相應(yīng)的四關(guān)，每個(gè)關(guān)卡中的游戲設(shè)計(jì)都基于相應(yīng)的知識(shí)背景，在游戲中體會(huì)反應(yīng)過程；關(guān)卡中盲盒、你比劃我猜、撕名牌等環(huán)節(jié)中的題目均來自于光合作用相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，考察學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握程度和應(yīng)變能力，促使學(xué)生在緊張的游戲競爭環(huán)節(jié)中喚醒學(xué)過的知識(shí)點(diǎn)，有助于知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的形成；關(guān)卡中的題目內(nèi)容由易到難，充分考慮到不同小組不同知識(shí)點(diǎn)掌握情況；每個(gè)環(huán)節(jié)都設(shè)置有游戲個(gè)人和小組獎(jiǎng)勵(lì)，學(xué)生每回答一個(gè)問題可獲得個(gè)人獎(jiǎng)勵(lì)，小組每完成一次晉級(jí)可獲得小組獎(jiǎng)勵(lì)，學(xué)生根據(jù)自己的知識(shí)掌握情況和小組配合情況，可在不同的游戲關(guān)卡中獲得相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，使不同水平層次的學(xué)生都能參與并有所得。

游戲最后根據(jù)磷酸乙醇酸最終轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸的艱難歷程，利用科學(xué)問題本身進(jìn)行課程思政融入，學(xué)生接受程度高，并對(duì)學(xué)生三觀產(chǎn)生一定的積極影響。

游戲最后評(píng)出終極大獎(jiǎng)獲得小組、最佳個(gè)人和最佳配合小組等，對(duì)學(xué)生的在游戲中的積極表現(xiàn)給予正面激勵(lì)和評(píng)價(jià)。游戲結(jié)束后針對(duì)游戲中的表現(xiàn)和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)盤和總結(jié)，并將錯(cuò)誤題目后的知識(shí)邏輯重新梳理，幫助學(xué)生打通思維癥結(jié)，形成知識(shí)體系。并由獲獎(jiǎng)小組發(fā)言進(jìn)行反思總結(jié)，將知識(shí)內(nèi)化于游戲，又從游戲中提煉而出，鍛煉了學(xué)生的高階思維能力。

2 結(jié)果評(píng)價(jià)

游戲結(jié)束后發(fā)放調(diào)查問卷，問卷由考察知識(shí)點(diǎn)相關(guān)題目、參與度題目、課程思政相關(guān)思政點(diǎn)反饋、意見和反饋4 個(gè)方面的內(nèi)容組成。利用問卷星對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)價(jià)的調(diào)查，本次調(diào)查問卷發(fā)放在普本生源招生、對(duì)本生源招生2個(gè)班級(jí)，共回收調(diào)查問卷53份，結(jié)果顯示：知識(shí)點(diǎn)相關(guān)題目中涉及光呼吸知識(shí)的題目共5 道，正確率最高為86.79%、最低為79.25%，從0 分到10 分對(duì)“本次游戲化學(xué)習(xí)對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握有沒有幫助？”進(jìn)行評(píng)價(jià)題目，平均得分為9.06分，從0分到10 分評(píng)價(jià)“游戲中的題目你認(rèn)為難度如何？”題目，平均得分為6.21分。

該部分問卷題目考察學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況和學(xué)習(xí)遷移的能力，針對(duì)光呼吸涉及的知識(shí)點(diǎn)，將近80%的同學(xué)能夠回答出正確答案，說明絕大多數(shù)學(xué)生都掌握了光呼吸游戲設(shè)計(jì)中涉及到的知識(shí)點(diǎn)，并在對(duì)幫助知識(shí)點(diǎn)的掌握上給予了較高的分?jǐn)?shù)，說明針對(duì)光呼吸知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生可以將游戲情境中的體驗(yàn)較好地遷移到正式的學(xué)習(xí)中。但在游戲中關(guān)于題目難度的問卷調(diào)查中，平均得分并不高。此題目為游戲過程中光合作用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，在游戲過程中，基礎(chǔ)較差的對(duì)本生源的學(xué)生答題正確率并不理想，部分學(xué)生積極參與到了游戲中，但對(duì)游戲中的題目并不能進(jìn)行很好的回答。說明在前期光合作用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)過程中，對(duì)知識(shí)的掌握并不牢固，一些有意設(shè)計(jì)的“陷阱”題目，更是幾乎全軍覆沒；普本生源的學(xué)生基本能夠正確回答游戲中所涉及的題目，對(duì)于“陷阱”題目的回答，雖不能全部回答正確，但針對(duì)題目中的思維“陷阱”能有一定察覺。說明對(duì)于前學(xué)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生對(duì)新學(xué)知識(shí)的建構(gòu)和其基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度有很大關(guān)系。

參與度問卷題目顯示，有92.5%的學(xué)生積極參與到了游戲中，幾乎所有的學(xué)生對(duì)小組其他同學(xué)的貢獻(xiàn)表示了肯定，有的充當(dāng)軍師，有的負(fù)責(zé)查找資料，有的為了團(tuán)隊(duì)利益在撕名牌環(huán)節(jié)犧牲自己，小組成員相互協(xié)作，行動(dòng)敏捷；有77%的學(xué)生獲得了個(gè)人獎(jiǎng)勵(lì)，最高6個(gè)，最低1個(gè)。

學(xué)習(xí)是人與人之間交流合作的過程，也是游戲化學(xué)習(xí)體驗(yàn)的重要內(nèi)容。本次游戲化學(xué)習(xí)采用個(gè)人表現(xiàn)+團(tuán)隊(duì)合作的形式開展，教師進(jìn)行指導(dǎo)，較好地促進(jìn)了學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)合作，并鍛煉了自身能力。

對(duì)題目“本次乙醇酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸的艱辛歷程對(duì)你以后面對(duì)困難時(shí)有何積極影響？”的作答情況進(jìn)行觀點(diǎn)分析，形成如圖1所示詞云，說明學(xué)生通過此次游戲化學(xué)習(xí)形成了積極的人生態(tài)度，是一次成功的、潛移默化的思政教育。

在意見和反饋中，幾乎所有的學(xué)生都表示提升了對(duì)本門課的興趣，有33 人表示加深了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象和理解，有15人表示提升了團(tuán)隊(duì)精神，有10人表示收獲了開心和快樂。說明此次游戲化學(xué)習(xí)較好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié)語

光呼吸是光合作用章節(jié)講解中較難的知識(shí)點(diǎn)，理論性強(qiáng)，與前學(xué)知識(shí)結(jié)合緊密，學(xué)生面對(duì)枯燥的理論學(xué)習(xí)很難提起興趣。本次游戲化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)建立在學(xué)生前期對(duì)新學(xué)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行一定建構(gòu)的基礎(chǔ)上，拔高學(xué)生對(duì)新學(xué)知識(shí)的理解，將知識(shí)模塊融會(huì)貫通，提升學(xué)生對(duì)較難知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)積極性。結(jié)果顯示，對(duì)于此次游戲化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的知識(shí)母版光呼吸知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在游戲中能進(jìn)行較好的知識(shí)遷移，起到不錯(cuò)的效果，但對(duì)于其他的光合作用題目，正確率并不高，這是因?yàn)閷W(xué)時(shí)安排緊密，且學(xué)生未能認(rèn)真復(fù)習(xí)。直觀的結(jié)果能刺激學(xué)生及時(shí)反思，同時(shí)也提醒教師在游戲化學(xué)習(xí)過程中，要實(shí)現(xiàn)高階知識(shí)的建構(gòu)，需要教師進(jìn)行一定的認(rèn)知輔助，以幫助學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)知識(shí)模塊的連結(jié)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的認(rèn)知結(jié)果。

本次游戲化學(xué)習(xí)從游戲背景、闖關(guān)環(huán)節(jié)和結(jié)語升華等多方面進(jìn)行了課程思政的嘗試，注重顯性和隱性課程思政的雙線設(shè)計(jì)，從而真正達(dá)到潛移默化的思政育人效果。整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)采用由易到難、層層闖關(guān)的方式進(jìn)行，使不同學(xué)習(xí)層次的學(xué)生都能有所收獲，并且在游戲過程中得到的及時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)可以持續(xù)激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。但本次游戲設(shè)計(jì)也存在只能適用于小班教學(xué)，因?yàn)橐?guī)則不夠細(xì)化，對(duì)于題目答錯(cuò)的同學(xué)并未給予適宜懲罰等問題，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

大家對(duì)教學(xué)中游戲化學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果期待較高，但相關(guān)的實(shí)踐性研究較少，在中小學(xué)課堂教學(xué)中應(yīng)用較多，但在大學(xué)課堂中的應(yīng)用和嘗試較少。本次光呼吸課堂教學(xué)中對(duì)游戲化學(xué)習(xí)的應(yīng)用，提升了學(xué)生對(duì)本門課程的參與度和興趣，很好的鍛煉了學(xué)生多方面的能力，也是植物生理學(xué)課堂教學(xué)創(chuàng)新教學(xué)模式和方法的有益嘗試。