游戲化教學(xué)在“材料熱力學(xué)”中的應(yīng)用

［摘 要］ “材料熱力學(xué)”課程因?qū)I(yè)名詞數(shù)量眾多、知識點邏輯聯(lián)系緊密、抽象公式與計算多、專用符號和圖表繁雜等因素，在傳統(tǒng)的線下課堂講授過程中，學(xué)生存在明顯的畏難情緒，學(xué)習(xí)態(tài)度較為消極。基于翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計了卡牌競賽游戲，在實際課堂中融入游戲化教學(xué)，根據(jù)知識點合理設(shè)置題目，分小組對題目進行解釋問答，小組間通過卡牌游戲就題目進行互動，課堂氛圍得到有效調(diào)動，學(xué)生在游戲化教學(xué)中更容易掌握知識點。同時構(gòu)建了完備的激勵系統(tǒng)，加強線上線下混合教學(xué)模式的應(yīng)用，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果，適合小班教學(xué)推廣。

［關(guān)鍵詞］ 翻轉(zhuǎn)課堂；游戲化教學(xué)；教學(xué)創(chuàng)新

［基金項目］ 2023年度東莞理工學(xué)院校級“質(zhì)量工程——基于翻轉(zhuǎn)課堂的游戲化教學(xué)改革”（221114272）

［作者簡介］ 陳 肯（1991—），男，湖南株洲人，博士，東莞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事高溫防護涂層研究；倫沛棋（1994—），男，廣東東莞人，碩士，東莞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院助理實驗師（通信作者），主要從事高溫防護涂層研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）33-0140-04 ［收稿日期］ 2023-06-30

引言

當前，高等教育強調(diào)提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力，傳統(tǒng)的線下講授教學(xué)模式越來越難以滿足相關(guān)要求。造成這種現(xiàn)象的原因一方面在于前期高中的基礎(chǔ)課很少涉及該部分專而精的內(nèi)容；另一方面，理工科專業(yè)課程大多邏輯聯(lián)系多，抽象公式多、計算多，學(xué)生天然地存在著畏難情緒。這種情況導(dǎo)致在線下課堂講授中學(xué)生的積極性不高。在教學(xué)過程中，通常包括知識傳授和知識內(nèi)化兩個階段。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，知識傳授是通過教師在課堂中的講授完成，知識內(nèi)化則需要學(xué)生在課后通過作業(yè)、操作或者實踐完成。為此，開展教學(xué)改革，進而轉(zhuǎn)變教師與學(xué)生身份，從以教師為中心轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為中心的教學(xué)模式探索迫在眉睫。

翻轉(zhuǎn)課堂是完成這種轉(zhuǎn)變的重要工具之一。翻轉(zhuǎn)課堂有很多種具體形式，包括報告式、討論式、辯論式、游戲化等，其中游戲化教學(xué)是最具實操性的模式之一。游戲化（gamification）是指將游戲的理念與設(shè)計方法運用在其他領(lǐng)域上，游戲化教學(xué)［1］是以傳播知識為目標，以學(xué)習(xí)者為中心，將游戲元素和游戲機制融合進教與學(xué)的過程當中，通過互動有趣的教育游戲激發(fā)學(xué)生的興趣和專注力的一種教學(xué)活動。在游戲化教學(xué)中，師生的角色發(fā)生了重大的變化，學(xué)生成為學(xué)習(xí)的中心，教師作為學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和課程的設(shè)計者，需要給學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，滿足學(xué)生個性化和協(xié)作式學(xué)習(xí)的需求，促使他們完成到“學(xué)習(xí)中心”的角色轉(zhuǎn)變。因此，如何設(shè)計游戲環(huán)節(jié)開展課堂活動以促進學(xué)生知識的內(nèi)化，成為提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文通過將游戲化學(xué)習(xí)的設(shè)計理念應(yīng)用到翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計，總結(jié)實踐經(jīng)驗，進而構(gòu)建一套適合小班教學(xué)的以學(xué)生為中心的游戲化教學(xué)模式，以期為理工科教學(xué)實踐提供可供參考借鑒的范式。

一、“材料熱力學(xué)”課堂特點及調(diào)查結(jié)果

“材料熱力學(xué)”課程作為材料學(xué)科重要的專業(yè)課之一，主要講授熱力學(xué)基本定律及相平衡與相變相關(guān)的基本原理，也涉及相圖的系統(tǒng)闡述。課程的教學(xué)目的和任務(wù)是使學(xué)生能夠掌握熱力學(xué)基本原理，并為學(xué)生在后續(xù)課程（如“材料科學(xué)基礎(chǔ)”“金屬材料學(xué)”“金屬凝固原理”等）儲備必要的基礎(chǔ)知識。

學(xué)生在本課程中進入心流的狀態(tài)較難。所謂“心流”指的就是人將注意力完全投注入某種實踐中，會感到高度的興奮感與充實感的心理狀態(tài)［2］。一方面，在課程開始前對學(xué)生的調(diào)查顯示，課程中的一些基本專業(yè)名詞，如熵、吉布斯自由能、相等，學(xué)生不了解的占到了70%以上，如圖1所示。另一方面，該課程邏輯聯(lián)系多、計算多、圖表多，學(xué)生天然地存在著畏難情緒。通過調(diào)查，學(xué)生反映課程太難，新專有名詞出現(xiàn)頻率高，稍不注意錯過知識點后，后面的課程很難跟上。

二、游戲化教學(xué)設(shè)計

（一）學(xué)習(xí)團隊（team）建立

通過構(gòu)建團隊，可以使學(xué)生快速進入游戲角色。開課前，設(shè)計調(diào)查問卷判斷學(xué)生四大學(xué)習(xí)者類型（成就型、目標型、互動性、探索型），如圖2所示。其中，以互動型學(xué)習(xí)者擔(dān)任小組長，再隨機分配剩余學(xué)生，保證每個團隊內(nèi)包含各型學(xué)習(xí)者，使學(xué)生在教學(xué)實踐過程中都能夠積極參與，同步競爭。

（二）卡牌游戲

基于學(xué)生喜聞樂見的《三國殺》卡牌游戲，融合中國傳統(tǒng)文化與成語故事，如圖3所示，教學(xué)團隊設(shè)計了一款適合線下課堂開展的卡牌游戲，卡組分為題目和錦囊兩大類，如圖4所示。

游戲的規(guī)則如下：（1）初始設(shè)定，每小組抽5張手牌，基礎(chǔ)分通過前期講課互動獲得；（2）游戲流程包括抽卡—出題—判定與指定—答題—結(jié)算五部分；（3）游戲結(jié)束條件為下課或者題卡答完；（4）分數(shù)統(tǒng)計以該堂課所獲分數(shù)作為當次小組競賽成績。

游戲流程具體步驟為：（1）抽卡。組A開始，抽卡一張并出牌。（2）出題。在有題的條件下必須出一題。該題結(jié)算完后，組A可選擇繼續(xù)出題或結(jié)束自己的回合。（3）判定與指定。教師扔硬幣判定題目屬性，硬幣正面表示該題為加分題（答對加分，答錯不加分）；硬幣反面表示該題為扣分題（答對不加分，答錯扣分）。指定任意組B（也可以是組A自己）進行答題。（4）答題。組B進行答題，教師和其他組就題目細節(jié)進行詢問。組B可以使用“移花接木”卡牌，將題目轉(zhuǎn)移到指定組X。組B如使用“東山再起”卡牌，組員則擁有再次答題機會。（5）結(jié)算。根據(jù)組B答題情況，結(jié)算分數(shù)。組B使用免死金牌可免扣分，并將答題權(quán)回到組A（如指定自己組則免除轉(zhuǎn)移）。

（三）點數(shù)（point）機制

點數(shù)不但包括最終的課程分數(shù)，也包括獨立于課程分數(shù)之外的評價點數(shù)，例如對課堂上互動答題的評分，以此激勵學(xué)生參與課堂活動，或與組內(nèi)的成員協(xié)作換取點數(shù)。通過具體的分數(shù)可實現(xiàn)教學(xué)成果的量化，有利于課程的達成度分析。

（四）排行榜（leaderboards）機制

排行榜的主要作用是讓學(xué)生了解其對課程知識的掌握情況。在“材料熱力學(xué)”課程線下教學(xué)中，教師以小組為對象，在每次課上都會實時地更新團隊排名并展示，以此激發(fā)學(xué)生的好勝心，并在下次課開始時重置排行榜，避免分差過大導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)消極心態(tài)。線上部分的排行榜由優(yōu)學(xué)院直接給出，在設(shè)置好各部分的所占比例后，學(xué)生通過學(xué)習(xí)行為積累學(xué)習(xí)點數(shù)，可實時地刷新自己的排名。

三、“材料熱力學(xué)”課堂實踐

（一）課前預(yù)熱

在優(yōu)學(xué)院上提前公布下節(jié)“材料熱力學(xué)”課的練習(xí)題庫，如圖5所示，使學(xué)生了解下節(jié)課要講授的內(nèi)容，有利于課堂游戲環(huán)節(jié)的順利開展。學(xué)習(xí)內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)該難易適當，且容易的部分應(yīng)該居多。學(xué)生通過預(yù)習(xí)教材和線上的教學(xué)資源，并以小組為單位提前準備好答案。

（二）課堂競賽

在課堂實踐過程中，教師先開展重點難點的講解，以防止部分學(xué)生因自覺性不高，沒有提前學(xué)習(xí)而錯過課程的重點。這部分所占時長可根據(jù)內(nèi)容的重要性及題庫的多少靈活處理。在講解完后，學(xué)生對本次課的題庫進行組內(nèi)溝通和統(tǒng)一。隨后，由教師作為主持者開展卡牌競賽游戲。

競賽游戲開始前，班級6個小組各派出代表抽取5張手牌。競賽開始時，平均對每組設(shè)置1道簡答題、2道選擇題和1道分析題的題量，教師指定隊伍進行作答，其間所有隊伍可以出卡牌，比如使用“移花接木”卡牌將題目與他組更換，回答完畢后，教師根據(jù)扔硬幣確定答題屬性及學(xué)生的回答給出或扣除分數(shù)。

簡答題一般設(shè)置為各種復(fù)雜名詞的定義與概念，如描述熱力學(xué)第一定律、偏摩爾體積、熵、熱機效率等。在答題的準備階段時，組內(nèi)成員可翻閱書本或筆記查找答案，學(xué)生對名詞進行解釋的過程實際上是對知識點的再一次鞏固。選擇題一般為四個選項，如根據(jù)某定義（如熱力學(xué)定律、熱力學(xué)關(guān)系式、相的概念等）選擇對錯，在回答期間，其他隊伍可就題目的某一錯項要求回答組予以修正，此過程更能加深學(xué)生對知識點的理解。分析題一般根據(jù)課程內(nèi)容來進行合理設(shè)置，如講授熱力學(xué)第二定律時，會讓學(xué)生計算某體系中在某過程中做的功；在講授相平衡時，會讓學(xué)生判斷相圖中相平衡關(guān)系及自由度。游戲化教學(xué)能夠有效地調(diào)動課堂氣氛，學(xué)生的積極性得到提高，學(xué)生在出卡牌的過程中會在無意間對題目中涉及的知識點進行了解，這對含有晦澀難懂知識點的“材料熱力學(xué)”課程的講授是有益的。相對于單一的教師問、學(xué)生答的模式，游戲化教學(xué)能夠吸引更多學(xué)生的注意力，讓更多的學(xué)生參與到問答當中，保證知識點的有效傳播，提高開課效率。

（三）課后鞏固

線上課程應(yīng)該同步更新講課視頻及PPT以便學(xué)生復(fù)習(xí)。通過優(yōu)學(xué)院統(tǒng)計學(xué)生課后學(xué)習(xí)課程視頻時長以確認學(xué)生復(fù)習(xí)情況，如圖6所示。針對課堂上教師只傳授干貨的特點，需要學(xué)生完成復(fù)習(xí)講義，講義中涉及課程的一些細節(jié)內(nèi)容需要學(xué)生認真復(fù)習(xí)后才能較好地掌握。教師及時評閱課后作業(yè)，并給出分數(shù)，由優(yōu)學(xué)院統(tǒng)計分數(shù)、更新排名。

結(jié)語

基于上述游戲化教學(xué)開展“材料熱力學(xué)”的課程教學(xué)，經(jīng)過多學(xué)期的線上+線下混合教學(xué)實踐，學(xué)生的積極性明顯優(yōu)于單純以教師為主的線下課堂講授，巧妙運用點數(shù)—排行榜機制能有效地激勵學(xué)生學(xué)習(xí)。然而，基于的游戲化教學(xué)過程中還存在諸多難題，如教師評分的公正性、成績區(qū)分度等，仍需要進一步的探索，如能夠有效解決這些問題，則游戲化教學(xué)模式的質(zhì)量將更上一層樓。

參考文獻

［1］張金磊，張寶輝.游戲化學(xué)習(xí)理念在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.遠程教育雜志，2013，31（1）：73-78.

［2］張寶，張迪，胡安國.基于心流理論的短視頻APP設(shè)計研究［J］.設(shè)計，2020，33（7）：144-146.

Application of Gamified Teaching in the Course of Thermodynamics of Material

CHEN Ken， LUN Pei-qi， LI Kang， ZHU Wen

（School of Materials Science and Engineering， Dongguan University of Technology， Dongguan， Guangdong 523808， China）

Abstract： Due to the large number of professional terms， the close logical connection of knowledge points， the numerous abstract formulas and calculations， and the complex special symbols and charts in the course of Thermodynamics of Material， students have obvious fear of difficulties and negative learning attitude in the traditional offline classroom teaching process. Based on the flipped classroom， a card game was designed， a complete incentive system was built， in which questions are set properly and answered by different groups， making students grasp the knowledge prints easily.The application of online and offline mixed teaching mode greatly improved students' learning enthusiasm and learning effect， which is suitable for the promotion of small class teaching.

Key words： flipped classroom; game teaching; teaching innovation