基于學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)的認(rèn)知游戲設(shè)計
——以中小學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)為例

鄭富，盧恩澤，郭蘆波

（1.河南大學(xué)，河南開封 475000；2.河北省保定市前進小學(xué)，河北保定 071000；3.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300000）

近年來，科技與網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展推動了網(wǎng)絡(luò)和游戲的興趣與發(fā)展，學(xué)生成了網(wǎng)絡(luò)和游戲的主體。然而，游戲設(shè)計本身的目標(biāo)是營利，這就造成了各式各樣的游戲公司，開始將教育理論轉(zhuǎn)化為可營利的理論，如將沉浸學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為沉迷游戲、將小組互動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為多人游戲型式，造成從小學(xué)、初中、高中、大學(xué)，甚至包含成人，都存在許多人沉溺其中而無法自拔。此外，浙江省疾控中心董曉蓮等人研究指出，青少年的游戲成癮，使青少年將游戲優(yōu)先于其他生活興趣和日?；顒又埃⑶視€人、家庭、社會、教育產(chǎn)生顯著痛苦或嚴(yán)重?fù)p害[1]，這說明了游戲會促使青少年的生活單一化，不僅不學(xué)習(xí)，而且是腦中只有“玩游戲”。此外Wang等對中國中學(xué)生的游戲成癮研究發(fā)現(xiàn)，27.6%的青少年玩電子游戲或網(wǎng)絡(luò)游戲，通過游戲成癮表，測得其游戲成癮概率為14%，說明有超過50%的青少年，一旦開始進入“玩游戲”的過程中便會成癮，可見其嚴(yán)重影響?；诮逃康亩O(shè)計的教育游戲，如周雪薇針對小學(xué)生的科學(xué)課學(xué)習(xí)所開發(fā)的教育游戲[2]、張亞芳針對初二學(xué)生歷史學(xué)習(xí)所開發(fā)的歷史劇編演游戲[3]等，都給學(xué)生的學(xué)習(xí)效果帶來顯著的提升，故游戲并非學(xué)生學(xué)習(xí)的主要影響因素，游戲設(shè)計者的目的才是真正影響學(xué)生問題核心。本文基于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)，從認(rèn)知游戲設(shè)計思想、概念模型構(gòu)建的視角出發(fā)，以中小學(xué)跨學(xué)科學(xué)習(xí)為材，進行說明及探討。

一、認(rèn)知游戲設(shè)計思想

（一）游戲進行須線下可單人可多人

線上游戲，雖然互動較多，但是對于游戲設(shè)計的門檻較高，須以程序進行編程，并且只能在手機、平板或電腦進行，除了日后對游戲的修改成本較高外，由于學(xué)生在進行游戲時，能有機會“偷懶”干別的事情，長期來說是更容易促使學(xué)生沉溺在手機、平板及電腦的“玩癮”之中。

（二）游戲機制須可閉環(huán)

游戲機制的可閉環(huán)意指機制的本身是公平的，并且不存在程序上的邏輯問題。學(xué)生在進行游戲中，會投入自身大量的時間資源及精力資源，倘若機制本身不公平，有某些人存在非法的游戲特權(quán)，會使學(xué)生感到自身的權(quán)益遭受侵害，進而造成學(xué)生所投入的資源損失，最終學(xué)生決定不再進行游戲。

（三）游戲進行須圍繞學(xué)習(xí)

雖然認(rèn)知游戲的組成包含娛樂性設(shè)計及學(xué)習(xí)性設(shè)計，但在學(xué)生進行游戲的過程中，卻存在只玩不學(xué)的可能性，而認(rèn)知游戲的設(shè)計目的在促使學(xué)生各學(xué)科的認(rèn)知水平及跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力皆能得以發(fā)展，故在游戲的進行機制中，須有確保學(xué)生始終圍繞學(xué)習(xí)的設(shè)計。

（四）學(xué)習(xí)任務(wù)難度須符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)

在學(xué)習(xí)任務(wù)的進行中，任務(wù)太難會令學(xué)生玩不下去，太簡單則會使學(xué)生感到?jīng)]意思，只有讓學(xué)生感到有一定困難，但又是努力可以達(dá)到的任務(wù)，才能對學(xué)生有持續(xù)的推動作用。對于學(xué)生而言，最近發(fā)展區(qū)是一個動態(tài)的變化過程，因為學(xué)生通過“做任務(wù)”提高了自身認(rèn)知水平，同時擴大了最近發(fā)展區(qū)，故學(xué)習(xí)任務(wù)的難度設(shè)定，必須符合學(xué)生實時變化的最近發(fā)展區(qū)。

（五）游戲參與者可允許多層次參與

一個引人入勝的游戲設(shè)計，經(jīng)常是允許多層次的學(xué)生同時參與。學(xué)生在游戲過程中，享受著與不同智力水平、不同年紀(jì)、不同社會階層的人們公平較量的快感。故在游戲機制的設(shè)計中，應(yīng)該要能允許讓成績不同、年級不同的學(xué)生能夠進行競賽的設(shè)計。

（六）游戲過程須激發(fā)持續(xù)參與興趣

不同于學(xué)校的學(xué)科課程所具有的參與強制性，學(xué)生不論喜不喜歡都得學(xué)、學(xué)得好不好都得參與中考，每個游戲的參與者在任何時刻都存在放棄進行游戲的可能。多數(shù)學(xué)生在一開始僅是因為新奇感而參與游戲，但隨著時間的推移，新奇感逐漸消退，開始產(chǎn)生某些學(xué)生不愿意繼續(xù)參與。故在游戲的設(shè)計中，須有持續(xù)保持其持續(xù)參與的機制。

二、認(rèn)知游戲概念模型

（一）認(rèn)知游戲要素

1.特權(quán)與移動

在認(rèn)知游戲設(shè)計中通過丟擲骰子，依點數(shù)進行移動的方式進行游戲，并以停留、前進、倒退三種移動方式定義了“移動”的內(nèi)容；以盾牌卡的屬性防御、魔法卡的移動方式升級、武器卡的屬性攻擊定義了“特權(quán)”的內(nèi)容。

2.命運與機會

在認(rèn)知游戲設(shè)計當(dāng)中，因為“非預(yù)期”是一個保證學(xué)生持續(xù)參與的重要設(shè)計，故在整個游戲當(dāng)中，設(shè)置了命運與機會兩種隨機選項。抽到機會大多能得到特權(quán)卡、而命運則可能是對所有玩家產(chǎn)生正面或負(fù)面的影響，也可能是強制抽取學(xué)習(xí)任務(wù)，也可能是運動項目。

3.活動與任務(wù)

在認(rèn)知游戲中，“活動”指學(xué)生不論身體素質(zhì)好壞，都可徒手進行，并且沒有受傷風(fēng)險的運動及與他人的趣味互動，“任務(wù)”專指學(xué)生可獨立進行的學(xué)習(xí)任務(wù)，“活動”源自命運與機會，“任務(wù)”源自游戲進行中的各子內(nèi)容。

（二）跨學(xué)科學(xué)習(xí)要求

通過搜集1990年至2016年間物理學(xué)與化學(xué)領(lǐng)域的113位諾貝爾獎獲得者個人自傳、人物傳記和演講等材料，發(fā)現(xiàn)絕大部分獲得者都有博士生教育的經(jīng)歷，并且有81%在孩提時代就對科學(xué)或數(shù)學(xué)等智力探索和創(chuàng)造性活動產(chǎn)生興趣，同時都有基于專業(yè)領(lǐng)域的相近性學(xué)科的知識學(xué)習(xí)[4]，可見跨學(xué)科學(xué)習(xí)是頂尖人才們的顯著特點。

但是在中小學(xué)的學(xué)校課程設(shè)置中，有九成以上是單學(xué)科設(shè)置，不論是教師、學(xué)生或家長，在這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境中也習(xí)慣了單學(xué)科思維?，F(xiàn)實世界中的大多數(shù)問題，經(jīng)常是跨學(xué)科的存在，而中小學(xué)的分科教學(xué)，卻只能讓學(xué)生掌握各學(xué)科體系內(nèi)的知識內(nèi)容，一旦遇到綜合性的問題，容易令學(xué)生感到手足無措[5]。故在認(rèn)知游戲中的跨學(xué)科學(xué)習(xí)要求，并非讓學(xué)生學(xué)會跨學(xué)科知識，而是產(chǎn)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)興趣，并建立跨學(xué)科的問題發(fā)現(xiàn)能力、問題解決思維。

（三）學(xué)習(xí)的認(rèn)知層級

結(jié)合提升認(rèn)知的四層次68個學(xué)習(xí)目標(biāo)[6]，提煉出四級共12種學(xué)習(xí)任務(wù)

1.識別（依據(jù)書上的某一個原則找出不同書上的符合原則的問題或例子）

任務(wù)依序為：找出一個原則、說明這個原則、找出符合原則的例子、說明這個例子為何符合這個原則。

例如在生物的糖的分類中，淀粉在水中會水解成為麥芽糖，而人在吃饅頭時會感到饅頭發(fā)甜，是因為饅頭主要由淀粉構(gòu)成，淀粉在人的口腔中由于唾液淀粉酶的催化作用，水解成為麥芽糖。

2.說明（說給別人能理解）

任務(wù)依序為：找出一個知識點、用通俗的語言講給別人聽、向?qū)Ψ教釂枴?/p>

例如在初三物理分子的熱運動中，分子熱運動的快慢與溫度有關(guān)，溫度越高，分子運動越快，則分子運動范圍增大，這時分子間的平均距離就會增大；同理溫度越低，分子運動越慢，則分子運動范圍縮小，這時分子間的平均距離就會縮小，這種狀況簡稱熱脹冷縮；同體積同質(zhì)量的水，常溫與結(jié)冰的情況相比它們的體積大小沒有區(qū)別嗎？

3.改正（把錯誤的改為正確的）

任務(wù)依序為：自己想出或在書中找出一個知識點、用錯誤的方式告訴別人、將這個錯題指出并改正。

例如在初三數(shù)學(xué)的二次函數(shù)中，找出“二次函數(shù)的定義”，錯誤的說法是二次函數(shù)y=ax2+bx+c(a、b、c是常數(shù)，a≠0）中自變量x的取值范圍是所有整數(shù)；指出自變量的取值說法是錯誤的，自變量x的取值范圍的正確說法應(yīng)是所有實數(shù)。

4.應(yīng)用（用一個方法在不同情況下解決問題）

任務(wù)依序為：想出或找出一種解決問題的方法、用這個方法去解決一個不同情況下的問題。

例如物理中的控制變量法，控制變量法是在做物理實驗時研究物理量之間的關(guān)系，同樣可以將控制變量法運用到其他學(xué)科的實驗中，例如在做生物的研究實驗時，可以先控制幾個因素不變，再集中研究其中一個因素變化所產(chǎn)生的影響。

5.演示（用工具把信息給別人理解）

任務(wù)依序為：找出一個知識點、想想身邊有什么工具、用身邊的工具進行演示、講出演示內(nèi)容的知識概念原理。

例如在物理的杠桿原理中，用一把尺子、木棍和橡皮來模擬投石機，木棍支撐尺子的部位是支點，而手作為動力點到支點就是動力臂，橡皮作為阻力點到支點就是阻力臂；概念和原理是杠桿由動力、阻力、動力臂、阻力臂和支點組成，若一根硬棒，在力的作用下能圍繞著固定點轉(zhuǎn)動，這根硬棒就叫杠桿。

6.渲染（夸張敘述）

任務(wù)依序為：找出一個知識點、想象有什么夸張的表述形式、找出適合的表述形式來敘述這個知識點。

例如找出知識點“食物鏈”，小吃大的方式可以用動作、用表演、用畫漫畫的方式進行表述、決定畫個漫畫（在一個漫畫中有草、大象、蛇，其中大象吃草、蛇吃大象、蛇死后被草吃，并將這幾個畫面以箭頭線段連接起來）以表示不同生物間的吃與被吃的關(guān)系，并說明這個關(guān)系就叫作食物鏈。

7.分類（按某項共同特征進行歸類）

任務(wù)依序為：找出三個或三個以上的知識詞匯、找出他們的共同特征、找出他們的各自特點、依據(jù)共同及不同進行分類。

例如在初二物理的彈力、浮力、摩擦力的分類中，這三種力都存在力的方向、大小及作用點等共同點。彈力的方向與施力物體發(fā)生彈性形變的方向相反、彈力的大小僅跟彈性形變程度有關(guān)、作用點就是擠壓受力物體的接觸面；浮力的方向與重力的方向相反，而浮力大小僅與排開水體積所受的重力有關(guān)、作用點就是物體在水中的上面及下面；摩擦力的方向與物體相對運動的方向相反、摩擦力大小與接觸面的粗糙程度及壓力大小有關(guān)、作用點在物體間的接觸面上。

8.對比（對矛盾或?qū)α⒌氖伦霰容^）

任務(wù)依序為：先列舉兩個具有矛盾或相反對立的知識點、分別解釋這兩個知識點、以一個為主另一個為輔的方式進行說明。

例如物理中的熔化與凝固現(xiàn)象是相反的，熔化是物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的過程、凝固是液態(tài)變成固態(tài)的過程。固體熔化過程中需要進行吸熱，而凝固的物態(tài)變化過程與熔化過程相反，相對于熔化過程中的吸熱反應(yīng)，凝固應(yīng)為放熱反應(yīng)。

9.證明（根據(jù)已知證出想證明的事物是對的）

任務(wù)依序為：確定好已知的知識，從書中找出想要證明事物，根據(jù)已知知識證明出此事物的正確性。

例如數(shù)學(xué)中等腰三角形中，已知等腰三角形的兩底角相等、頂角平分線、底邊上的中線及高是同一條件，所以能這個三角形平分成兩個全等的三角形。

10.改編課本內(nèi)容（根據(jù)原作進行改寫，不論改完后是否正確）

任務(wù)依序為：選定課本并找出其中一段知識描述或者課文故事、根據(jù)內(nèi)容進行改寫（改變其形式、改變其用途、將內(nèi)容中的錯誤和缺點不論對錯的并進行改寫）。

例如將歷史知識“阿拉伯文化的數(shù)學(xué)成就是阿拉伯人改編古印度人的計數(shù)為阿拉伯?dāng)?shù)字”進行同學(xué)科改編為“日本人改編中國的制茶方法形成日本的茶道”、跨學(xué)科改編為“生物知識中，把植物體結(jié)構(gòu)的細(xì)胞—組織—器官—個體層次改編為動物體結(jié)構(gòu)的細(xì)胞—組織—(器官+系統(tǒng))—個體層次”。

11.創(chuàng)造（將兩個以上的概念進行新的聯(lián)系）

任務(wù)依序為：提出兩個或兩個以上的知識概念并說出來、找到兩個概念中的聯(lián)系、將兩個概念結(jié)合聯(lián)系形成新的概念。

例如將物理與數(shù)學(xué)中的壓強計算公式與反比例函數(shù)進行聯(lián)系創(chuàng)造；物理中壓強等于壓力除以受力面積，當(dāng)受力面積為常量，壓力為因變量，壓強為自變量時，那么這個公式就成為了數(shù)學(xué)中一個反比例函數(shù)，故可以將兩者概念進行聯(lián)系創(chuàng)造新概念，每當(dāng)受力面積為不變時，那么壓強和壓力就成正比。

12.推薦（從書上找出一個知識并提出一個觀點，向他人介紹并且要得到他人的認(rèn)可）

任務(wù)依序為：從書上找出一個知識或提出一個觀點、想象或考慮對方的生活背景及需求、結(jié)合對于對方的了解而想出一個沒有漏洞的邏輯連接觀點、以對方能理解認(rèn)可及接受的語言進行表述。

例如在語文課本的《龜雖壽》中，雖然龜?shù)膲勖荛L，但仍有一死。推薦的對象是小明，其背景為，家里的老人去世了。結(jié)合邏輯以對方能接受的方式表述觀點是，龜?shù)膲勖m然比人長那么多，但是卻還會死，所以我認(rèn)為死是不可抗拒的自然規(guī)律。

三、認(rèn)知游戲設(shè)計

（一）游戲環(huán)境與內(nèi)容

1.游戲環(huán)境

在游戲開始之前，須對每位學(xué)生進行游戲定位的嚴(yán)肅說明“這個游戲是要讓自己把學(xué)習(xí)變得快樂，讓學(xué)習(xí)的過程中可以忘記時間”，而并非只是單純的為了玩游戲。游戲由1～4位學(xué)生共同進行游戲（學(xué)生過多，等待時間過長，將會促使學(xué)生失去耐心），統(tǒng)一由界點（是起點也是終點）向右出發(fā)，走完一圈后再重新回到終點。每個人輪流丟擲一顆骰子，所得的點數(shù)即為移動點數(shù)。每一圈共有76格，在游戲中稱為“路段”，在移動過程中，如果學(xué)生走到彈簧的限定路段，將會被彈回至指內(nèi)路段。當(dāng)學(xué)生在不使用任何特權(quán)卡時，僅能按路段的順序進行移動。在游戲的進行開始，每位學(xué)生都擁有一格生命值（上限為兩格），在游戲過程中，生命值可能會增加或減少，當(dāng)減少至零后，學(xué)生將被強制倒退七格，同時又恢復(fù)一個生命值。

2.游戲內(nèi)容

在游戲地圖中，除了界點外，還有普通路段及特殊路段，學(xué)生停在普通路段時，不需進行任何活動；停留在特殊路段時，則需要進行相應(yīng)的活動?；顒臃譃?個機會、6個命運、16個任務(wù)、22個陷阱。學(xué)生走到“機會”或“命運”時，可能會以隨機或?qū)?yīng)（有指定獲得特定的特權(quán)卡）等方式獲得特權(quán)卡，特權(quán)卡有工具卡、武器卡、防御卡、加速卡、梯子卡、香蕉皮卡。走到任務(wù)則需做一次任務(wù)、走到陷阱則可能會造成損失。

特權(quán)卡，通過走到“機會”路段后抽取第一張獲得，也可能是走到對應(yīng)特權(quán)而指定獲得。特權(quán)卡能隨時使用，在同一局（指在一圈72格中）內(nèi)可積累卡片，輪回至界點后若有剩余特權(quán)卡，可自行選擇保留兩張以內(nèi)的特權(quán)卡，其他特權(quán)卡需上交；每張?zhí)貦?quán)卡只能使用一次，使用后特權(quán)卡將失效。其中包含了（1）工具卡：疾步鞋，前進5步；彈簧鞋，可跳過一次任務(wù)或陷阱；音樂筒，選擇唱一段歌，唱后可跳過一次陷阱。(2）武器卡：機關(guān)槍，選擇消滅對手防御卡一張；打炮，選擇消滅對手工具卡一張。

命運卡，通過移動至“命運”路段后抽取第一張獲得。其中包含了：你路過的地方發(fā)生了高壓線觸電，需單腳站立15秒躲過，否則回到界點位置；體育老師想檢查一下你的體能，做10個蹲起，能獎勵你一次抽取特權(quán)卡的機會；你遇到了火焰攻擊，扣除一格血量，并后退3步；世界遇到了隕石墜落，所有玩家降一等級。

陷阱路段，主要集中在靠近地圖終點位置，玩家停留在陷阱位置會觸發(fā)陷阱攻擊，每種陷阱攻擊都會產(chǎn)生相應(yīng)的后果，擁有特殊特權(quán)卡的玩家可以使用并避免對應(yīng)攻擊。陷阱分為捕獸夾陷阱、火焰陷阱（玩家受到攻擊，被扣除1格血量）、硫酸陷阱（玩家受到攻擊，被扣除1格血量，并后退一步）。

（二）研究過程與分析

為使認(rèn)知游戲設(shè)計能確實激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生的認(rèn)知水平，故在游戲設(shè)計過程中采用了二次調(diào)研及改動。

第一次改動，學(xué)生反映“玩家走了半天，除了任務(wù)幾乎什么也沒遇到，走幾步就到終點了”。改動內(nèi)容為，將原本54格路徑增加到76格，增加更多的機會點和命運點，并使其分布均勻。

第二次改動，學(xué)生反映“認(rèn)為是無腦游戲，里面的命運還是用不到，玩一局就不想玩了”。改動內(nèi)容為游戲難度提升，新增獎勵點、梯子裝置和陷阱路段，特權(quán)卡與命運卡新增更多玩法，玩家新添血量值機制。觀察改動后的效果，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對游戲興趣提升很多，已經(jīng)可以持續(xù)的、順暢地進行游戲，并完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

四、總結(jié)

在信息化時代浪潮中，手機及電腦對于中小學(xué)生的學(xué)習(xí)及生活全面滲透。各種游戲的誘惑也無孔不入，游戲與學(xué)習(xí)并非僅是二元對立，也可以進行整合。在圍繞激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及提升學(xué)習(xí)深度的雙目標(biāo)前提下，游戲元素與學(xué)習(xí)認(rèn)知理論進行了統(tǒng)一，再通過多次的游戲設(shè)計調(diào)研及改良，終于形成圍繞學(xué)生正面發(fā)展設(shè)計的認(rèn)知游戲。認(rèn)知游戲在更大的范圍中有效推行及中小學(xué)進行過程中能產(chǎn)生多大效果，成為下一階段的研究中，亟待解決的問題。