基于認知網絡分析技術的化學密室逃脫教育游戲設計模型研究

摘" 要：" 采用認知網絡分析技術，分析2015至2023年發表的98篇各學科的密室逃脫教育游戲的開發案例文獻，而后聚焦到化學學科，對密室逃脫教育游戲進行設計要素的畫像，提出化學密室逃脫教育游戲設計的LCSEGM 2024模型和實踐應用的建議。

關鍵詞：" 游戲化教學； 認知網絡分析法； 密室逃脫； 化學教育游戲

文章編號： 1005-6629（2025）01-0008-08

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1" 問題提出

1.1" 密室逃脫游戲的機制與教育實現

密室逃脫游戲（Escape Room或Escape Game）是基于團隊的真人游戲，玩家在一個或多個房間里完成任務，在有限時間內達成特定的目標（通常是逃離房間）。密室逃脫游戲風靡全球的背后是玩家對“體驗式娛樂”的需求，人們成為故事中的主角并掌握選擇故事走向的機會［1］。

密室逃脫游戲的機制可概括為：玩家團隊被困在密閉的房間中，在搜索房間的過程中，逐漸發現一個或多個謎題（通常是以鎖的形式呈現），以及散落的線索和道具，通過思考線索與謎題之間的關聯，利用提供的道具解開謎題，最終逃離房間［2］。目前已有多個學科領域引入密室逃脫游戲以實現特定的教育功能，Ran等［3］開發了一個基于實驗的密室（圖1），學生被鎖在一個化學實驗室且其中有“炸彈”會在60min內“爆炸”，要拆除它們，就需要通過化學實驗尋找線索解開謎題，在這個過程中學生能夠鞏固課堂所學的化學知識，發展合作溝通的能力和化學學習興趣。

1.2" 密室逃脫教育游戲設計模型的研究進展

自2017年以來，陸續有不同的研究者提出教育類密室逃脫游戲設計的模型（表1），這些設計模型能在一定程度上實現密室逃脫教育游戲的教育性與游戲性功能［4，5］。不過，研究者往往僅側重于其中一方面，暫未提出涵蓋并平衡兩大功能的綜合型密室逃脫教育游戲設計范式［6，7］。

在化學教育領域，化學用語、化學實驗操作等技能性知識，恰與密室逃脫教育游戲中沉浸式、互動式、合作式的特點相契合［8］，既能融合化學學科知識，又能評價學生在解密過程中的行為表現與知識水平，不僅契合初中課標的課程理念與評價需求，也順應了當前國家推進中小學科學普及工作的發展趨勢［9］。相對于其他類型的游戲，密室逃脫游戲在我國基礎教育領域的研究與發展才剛剛起步，因此提出有普遍性、可行性的密室逃脫教育游戲設計模型，具有較強的理論與實踐意義。

綜上所述，本研究主要解決的問題為：（1）所有學科的密室逃脫教育游戲的設計要素，隨時間節點的變化如何？（2）聚焦到化學學科的密室逃脫教育游戲設計要素，與其他學科相比有何突出特征？（3）如何建構并應用化學密室逃脫教育游戲設計模型？

2" 研究方法與對象

2.1" 研究方法

認知網絡分析法（Epistemic Network Analysis， ENA）由Shaffer等人提出，通過對個體或群體行為的質性數據進行量化編碼和關聯模型，從而形成認知網絡模型，以描述個體或群體在分析、調查、解決復雜問題時的認知表現。具體而言，ENA能夠通過可視化的圖像突顯教育領域中密室逃脫教育游戲的設計要素，并反映要素之間的關系（如不同年份和不同學科的共性和差異），從而清晰直觀地解決研究問題。

本研究認為密室逃脫教育游戲開發者群體在具體案例的文獻中呈現了游戲設計要素及其關聯，因此可以通過量化編碼定量分析文獻中的設計要素，實現不同年份、不同學科的開發者群體的密室逃脫教育游戲設計的認知網絡分析。

2.2" 研究對象

以“密室逃脫”“逃生游戲”“Escape room”“breakout room”為關鍵詞，分別在中國知網、萬方數據、ERIC、 WOS數據庫檢索，經同行評議及篩選后，得到98篇關于具體游戲案例的中、英文文獻，發表時間為2015～2023年，作者來自美國、中國等18個國家，涵蓋醫學、化學等16個學科，覆蓋小學到大學的所有學段。

3" 研究步驟

數據編碼與統計。對開發者的認知表現進行量化分析，需要借助密室逃脫教育游戲的設計模型框架。綜合2017到2022年不同研究者提出的教育類密室逃脫游戲設計模型，EscapED 2017［10］、 SEGAM 2018［11］提及的教育類密室逃脫游戲都需要規模、時間及情境的基本組成與謎題、線索及設施的玩法組成。為突出密室逃脫游戲的教育功能，IDDET 2020［12］、 COMET 2021［13］、 DPERRe 2021［14］、 Room2Educ8 2022［15］四個模型分別從學習者的行為、教育者的設計、教育材料與教學流程等方面提出不同見解。因此，本研究匯集各個模型的側重點，將所有要素歸類為三大維度（表1）。

以每一篇文獻作為ENA分析的最小編碼單元，兩名研究者經過編碼訓練后，采用二進制編碼形式（是與否分別對應1和0）進行背對背編碼，編碼示例見表2。例如，當案例中提及參與的具體人數（如“4～5人一組”），“規模”編碼為1，否則為0；列出密室逃脫關卡的學習目標（如“本關卡以發展學生的滴定實驗技能為目標”），“目標”編碼為1，否則為0。編碼的內部檢驗一致性系數0.820，信度良好。經過協商后，得到最終編碼數據表。

（1） 分節與鄰接向量創建。將編碼表導入ENA Webkit網站（網址為https：//app.epistemicnetwork.org）。①單元（units）與會話（conversation）：將年份分類（2015—2017年：第一個教育類密室逃脫游戲模型提出之前的階段；2018—2020年：密室逃脫游戲向教育性發展的階段；2021—2023年：密室逃脫游戲的教育性與游戲性平衡的階段）與文獻序號、學科分類（化學學科、非化學學科）與文獻序號分兩次作為ENA的分析單元，并分別建立起年份、學科內的會話分析。②節（stanza）：一般由數據表中的多行組成，ENA使用二進制累加的方式，將組成單個節的所有行累積到新數據表中的一行，完成節的折疊，在該新數據表中包含存在于該節的所有代碼（即二進制0、1代碼）。根據不同研究問題與文獻統計情況，年份差異的分析以11行分節、學科差異的分析以12行分節（年份分類與學科分類的會話中能夠實現完全折疊的最小節數）。創建鄰接矩陣并累加可得到累積鄰接矩陣。將各分析單元的累積鄰接矩陣轉換為鄰接向量，代表高維中兩個認知元素共現的頻次。

（2） 認知網絡降維與建模。為了更方便地比較不同年份、學科的認知網絡，需要對其進行球面歸一化處理和奇異值分解降維，實現高維空間的二維平面投影，表征出認知網絡圖像［16］。①“節點”對應于認知元素，節點的位置反映了認知網絡的關聯結構，節點的大小反映了該認知元素出現的相對頻次。②“邊”是標準化后的編碼線，其粗細反映了兩個認知元素之間共現或連接的相對頻次。③“質心”是被測節點定位下的網絡圖的質心，與節點之間的向量和有關，每個案例節點所形成的是這個案例的“階段質心”，在網絡圖中以“實心圓點”形式呈現；而每個案例群節點綜合形成的是這個案例群內所有案例的“平均質心”，在網絡圖中以“實心方塊”形式呈現。④“X軸和Y軸”是奇異值分解降維后高維空間向量在二維平面上定位的參照，方便描述階段質心與平均質心的位置差異。

4" 結果分析

4.1" 密室逃脫教育游戲設計的年份發展與特征分析

以密室逃脫教育游戲三個維度進行認知元素分析，通過98篇文獻的認知思維網絡疊加，建立二維的平面參考系，經過擬合優度計算，三個維度的X軸與Y軸Pearson系數均接近1。由此認為，基于98篇文獻建立的認知網絡分析模型，在平面參考系上的表征具有較強的擬合優度。根據參考系中的質心隨年份位移情況（圖2），位移起點為2015年的質心，終點為2023年的質心。三個維度的擬合優度指標均達到標準。根據結果可知：

（1） 基礎維度（圖2）與玩法維度（圖3）的平均網絡質心在Y軸上位置均較為緊湊（從下往上看），而X軸上位置相對松散（從左往右看）。具體而言，基礎維度在2018—2020年組更強調游戲的人數“規模”，而其他兩組更注重于游戲“情境”。玩法維度在2021—2023年組加強了對密室“謎題”和“主題”的研究，而其他兩組側重于密室的“目標”“設施”和“線索”的設置。這說明隨年份發展，教育類密室逃脫游戲設計模型的側重點從游戲怎么玩過渡到如何在玩中學。

（2） 學習維度（圖4）的平均網絡質心差異明顯。X軸上設計重心的變化是由玩家“技能關聯”逐漸過渡到“權威共享”；Y軸上設計重心則是由玩家“形成性評價”的評估為主轉變為關注玩家是否能夠“自主參與”以及是否在教學上“適應需求”。

總體而言，研究者在基礎維度和玩法維度上隨著年份的變化基本保持了游戲設計要素的認知一致，說明在密室逃脫游戲引進教育領域之前已較為成熟，大家已經形成了對“怎么玩”的共識。這與2017—2018年的設計模型側重于玩法設計且共性突出的特征相契合。在學習維度上隨年份的變化認知差異較大，這說明密室逃脫游戲在教育領域仍然處于摸索前進的階段，不同年份的研究者對于“怎么學”存在不同的看法。這與2020—2022年的設計模型側重于學習設計但差異較大的特征相契合。

4.2" 密室逃脫教育游戲設計的學科差異

進一步聚焦到化學學科領域，探究研究者對玩家在密室逃脫教育游戲中“怎么學”的看法，在與非化學學科（n=72）的比較中，凸顯化學學科（n=26）的設計特征，得到基于學科差異的三個維度的網絡結構（圖5～7的a、b），擬合優度和t檢驗結果均達到標準。分析可知，兩組平均質心在X軸維度上存在顯著差異（p＜0.05），進一步對比兩組文獻的平均網絡圖，若質心沒有位置上的顯著差異，則不需詳細分析是哪些“向量”導致的差異。為獲得直觀的對比效果，以疊減的方式呈現兩組網絡圖的差異，即兩組的設計要素之間連線重疊，最終只呈現連接較強的組的顏色，以及相互疊減后剩余線條的粗細，如圖5c、圖6c、圖7c所示。

化學組的情境-時間、規模-時間要素之間連接性更強，而兩組在情境-規模之間的連接性基本相等（圖5c）。由此推測：化學組更強調某個化學問題情境下問題解決的時間，更考慮參與人數的規模與問題解決的時間是否匹配。進一步分析可知，這是由于納入統計的化學組案例多以化學實驗為解謎手段，設計者更需要權衡學習者的操作熟練度及分工合理度對游戲進程的影響。

在玩法維度，化學組與非化學組的認知大體相同，疊減后，由化學組的結果推測（圖6c）：化學類密室逃脫教育游戲中，由于化學實驗的操作性較強（如需要完成持續數周的分析實驗）、部分化學術語與知識較為復雜微觀（如復雜的有機分子微觀結構設置為華容道機關、動力學與熱力學的曲線圖像隱藏起某些線索的信息），因而為學生提供專業的知識指導，以更順利地完成實驗、分析相關的化學謎題。

在學習維度，非化學組更強調權威共享與技能關聯、自主參與、適應需求要素之間的連接，而化學組形成性評價與權威共享、適應需求、積極投入、技能關聯、自主參與要素之間的連接性更強（圖7c）。結合具體文獻，非化學組具有突出的平等協商與發展21世紀公民素養（如批判性思維）的特征，尤其是部分案例并不限制參與群體的學段，而注重人本身的素質拓展。化學組更注重形成性評價導向下，對于具體的化學知識、化學思維、化學能力、化學素養的發展，因而開發者會更注重參與者是否在游戲中積極投入地發現問題、搜尋線索、解決問題；是否能夠在游戲結束后通過簡報或匯報的形式總結游戲中的知識學習心得或反思解決謎題過程中存在的迷思概念與某個失敗的經驗。

5" 結論與展望

5.1" 研究結論：突出化學特色，發揚其他學科優勢

從化學學科游戲中發現值得傳承的方面為：（1）基礎維度。選取合適的化學家或科學研究情境，這些情境能夠將謎題合理地串聯起來；仔細斟酌納入的實驗操作時長、操作難度與玩家規模是否匹配。（2）玩法維度。謎題與線索的設置與化學知識緊密關聯或直接來自化學概念、規律、規則的改編，這要求指導的教師兼具玩游戲和學知識的良好素養。（3）學習維度。通過形成性評價，追蹤學習者達成學習目標的情況并及時評估游戲本身是否關聯化學學科必需的技能等。

其他學科的案例（主要為醫學學科，細分為診斷、護理、藥理、手術技能等）值得借鑒的方面為增強學生的具身認知，即從學習者轉變為職業者，包括通過自主參與沉浸式的游戲與他人一起積極投入到創造性的工作與思考中。

5.2" 研究啟示：新的設計模型與本土化游戲案例

結合研究結論，提出學習者中心的嚴肅密室逃脫游戲模型（Learnercentered Serious Escape Game Model， LCSEGM 2024），如圖8所示。

（1） 選擇性保留研究者達成了共識的設計要素。模型外層的要素強調密室逃脫游戲本身玩法的游戲功能。

（2） 完善并優化研究者尚且存異的設計要素。包括完善了部分要素的表述，如“評價”修改為更具過程性的“形成性評價”。此外，將各要素從靜態獨立優化為動態關聯。如，內層要素強調玩家能夠在其中積極投入、自主參與。這需要教師在游戲前對學生如何參與并完成“發現問題、搜尋線索、積極合作、解決問題”等進行培訓。

（3） 建立教育功能與游戲功能的有機關聯。“適應需求”“技能關聯”與“形成性評價”作為內外層的紐帶，關聯起密室逃脫教育游戲的教育性和游戲性。

參考LCSEGM 2024研發密室逃脫教育游戲，筆者面向啟蒙階段的學生開發了一款化學密室逃脫教育游戲“揭秘侯氏制堿法”，目的是形成對化學理論知識、實驗操作、人文歷史三大內容的初印象，激發后續學習化學的興趣（游戲流程如圖9所示）。

5.2.1" 模型要素分析：外層

“主題”統攝整個游戲，為了實現密室逃脫教育游戲的本土化，選定“揭秘侯氏制堿法”為知識主題。學生通過游戲了解路布蘭、索爾維、侯德榜等對制堿工業作出杰出貢獻的科學家，認識到“侯氏制堿法”是中國突出的科研成果。

“目標”指學生在進行游戲的過程中需要學習的知識、技能、思維、方法與情感態度、價值觀等，結合課程標準和學生情況來確定。

“謎題”與知識主題密切相關，學生通過解決層層遞進的謎題達成學習目標。根據主題設定主謎題為“揭秘侯氏制堿法”，子謎題共6個（圖9）。

“線索”是解開謎題的重要指示，也是將化學知識與密室逃脫游戲融合的橋梁與關鍵。考慮到學情心理、材料易得、操作簡便、安全環保、學科特色等因素，游戲以密碼隱藏、反應變色、元素隱藏、密度隱藏四種方式提供線索。

“設施”是實體資源（人力、工具、資料等）。人力資源為教師與助教（協助完成實驗操作）、工具為手冊與“指導”主要由教師和助教提供化學知識的教授、游戲玩法的介紹、趣味實驗的操作等內容。

5.2.2" 模型要素分析：內層

“積極投入”指學生能充分發揮自身的主觀能動性，尋找線索，思考并解決謎題，與教師提供指導的方式方法、游戲關卡設置密切關聯。

“自主參與”指學生不受或較少受到來自教師的干擾（得到提示、演示玩法等）。因此除新手關卡中實驗

內容的操作部分教師提供游玩指引和操作指導外，其他關卡的線索與解謎任務由學生自主完成。

“權威共享”指學生充分發表自己的看法，在對知識的學習與謎題的解釋上，與他人享有同等的權威。通過合理分工，學生能根據自身的任務發表看法；在總結階段，以學生為主體，分享心得感悟、總結知識。

5.2.3" 模型要素分析：銜接層

“適應需求”指適應學生當前的心理（如對游戲的興趣）與認知發展需求（如必備品格、關鍵能力），形成正確的世界觀、人生觀和價值觀。

“技能關聯”指學生掌握通關游戲需要的技巧以外，還發展化學核心素養，從化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態度與責任等方面，建立起教育性與游戲性的關聯。以化學用語為基礎，設置謎題的謎面與謎底；以趣味實驗為輔助，提供解謎線索。學生在尋找線索與解答謎題的過程中，達到了解并使用化學用語，操作并感受趣味實驗的目的。

“形成性評價”有兩方面意涵。其一，在游戲設計與試玩的過程中，評估游戲的教育性與游戲性是否達到教學實踐的要求；其二，在實施游戲化教學的過程中，對學生的學習和教師的教學問題進行評價。前者采用問卷調查，從不同維度對游戲設計打分并提出建議與意見；后者采用非正式考試的形式進行，編制包含知識檢測與情感態度反饋的測驗。

5.3" 研究展望：游戲化教學實踐與評價研究

當前，國際上的密室逃脫教育游戲數量豐富。但從情境上，它們具備明顯的文化特征，西方常以神話、流行小說（如哈利波特）為游戲背景；從內容上，以基礎教育學段為例，與國內制訂的義務教育課程標準內容要求和學業要求并不完全相符，不宜簡單地進行文本的漢化便引進使用。后續可依托開發的密室逃脫教育游戲案例，結合具體的教學設計，在一線課堂中教學實踐，輔以更有針對性的評價量規、量表，探究密室逃脫教育游戲化教學過程中學生認知類與非認知類內容的學習效果與心理機制。

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