學(xué)習(xí)科學(xué)視角下的游戲化學(xué)習(xí)研究

肖海明 尚俊杰

【摘 要】本文提出學(xué)習(xí)科學(xué)視角下的游戲化學(xué)習(xí)研究，一是創(chuàng)新研究手段，從外在行為表現(xiàn)和內(nèi)在神經(jīng)機(jī)制兩個層面探討教育游戲?qū)W(xué)生發(fā)展的積極效果；二是研究證據(jù)數(shù)量化，開展基于大數(shù)據(jù)的橫向比較和縱向跟蹤研究，探究游戲化學(xué)習(xí)對學(xué)生能力提升、思維轉(zhuǎn)變和態(tài)度培養(yǎng)的意義。

【關(guān)鍵詞】游戲化學(xué)習(xí)；教育游戲；學(xué)習(xí)科學(xué)；腦科學(xué)

【中圖分類號】G424 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2014）05-0033-04

游戲化學(xué)習(xí)是將教育游戲融入課程教學(xué)和自主學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生在愉悅的學(xué)習(xí)體驗中獲得知識、技能，并培養(yǎng)正確態(tài)度的過程。教育游戲包括電子游戲和游戲活動兩種形式。廣義上，教育游戲泛指一切具有教育價值的游戲；狹義上，教育游戲指為特定教育目的設(shè)計開發(fā)的符合特定課程體系的游戲。教育游戲作為一種新的教育和學(xué)習(xí)支持工具，逐漸受到政府與社會各界的廣泛關(guān)注。為增進(jìn)美國學(xué)生對于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，2010年9月，美國總統(tǒng)奧巴馬在白宮啟動了全國STEM游戲設(shè)計大賽（National STEM Game Design Challenge）。[1]國內(nèi)越來越多的游戲企業(yè)看到了教育游戲的巨大市場價值，紛紛投身于教育游戲的設(shè)計開發(fā)。例如，啟點教育開發(fā)的兒童啟蒙教育游戲——《悟空識字》受到眾多家長追捧，根據(jù)該公司公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2013年11月，其注冊用戶已突破2100萬。[2]

在中小學(xué)教學(xué)實踐中，游戲化學(xué)習(xí)已經(jīng)成為一種重要的學(xué)習(xí)方式，教育游戲開始走進(jìn)課堂。教育游戲為學(xué)生營造了可自主探究的開放空間，有效支持學(xué)生的情境學(xué)習(xí)活動。游戲中的學(xué)生可以即時將所學(xué)知識應(yīng)用于“改造游戲世界”，增強(qiáng)了學(xué)生的存在感和自我價值實現(xiàn)的愉悅感，促進(jìn)了有意義學(xué)習(xí)的發(fā)生。

任何關(guān)于學(xué)習(xí)的研究都無法回避“學(xué)習(xí)是如何發(fā)生的”和“如何促進(jìn)學(xué)習(xí)”兩個問題[3]。學(xué)習(xí)科學(xué)源于早期認(rèn)知科學(xué)對人類學(xué)習(xí)問題的研究[4]，1990年，《學(xué)習(xí)科學(xué)》（The Journal of the Learning Science）雜志的出版發(fā)行，標(biāo)志著學(xué)習(xí)科學(xué)的誕生。學(xué)習(xí)科學(xué)是融合神經(jīng)生物學(xué)、心理學(xué)、計算科學(xué)和教育學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科，是連接腦科學(xué)研究和課堂教學(xué)實踐的橋梁。

學(xué)習(xí)科學(xué)的研究內(nèi)容和研究方法為游戲化學(xué)習(xí)研究提供了新的研究視角，對開展基于腦機(jī)制的游戲化學(xué)習(xí)研究具有重要的啟發(fā)意義。學(xué)習(xí)科學(xué)視角下的游戲化學(xué)習(xí)研究指：（1）創(chuàng)新研究手段，開展基于腦機(jī)制的游戲化學(xué)習(xí)研究，從外在行為表現(xiàn)和內(nèi)在神經(jīng)機(jī)制兩個層面探討教育游戲?qū)W(xué)生發(fā)展的積極效果，將腦科學(xué)研究成果應(yīng)用于游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計，并使用腦科學(xué)研究技術(shù)研究教育游戲?qū)W(xué)生大腦的影響；（2）研究證據(jù)數(shù)量化，開展基于大數(shù)據(jù)的橫向比較和縱向跟蹤研究，探究游戲化學(xué)習(xí)對學(xué)生能力提升、思維轉(zhuǎn)變和態(tài)度培養(yǎng)的意義。

基于腦機(jī)制的游戲化學(xué)習(xí)研究

學(xué)習(xí)科學(xué)依據(jù)學(xué)習(xí)發(fā)生的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)定義學(xué)習(xí)為“新的突觸的建立，和已有突觸的強(qiáng)化、弱化和消失”[5]，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)行為將引起腦結(jié)構(gòu)和腦活動模式的改變。我國的游戲化學(xué)習(xí)研究目前還停留在學(xué)習(xí)的行為表現(xiàn)層面，缺乏在神經(jīng)機(jī)制層面的深入探討。但國際上已出現(xiàn)一系列的基于腦機(jī)制的游戲化學(xué)習(xí)研究案例，在神經(jīng)機(jī)制層面證實了游戲化學(xué)習(xí)對學(xué)習(xí)者的積極效果。

2011年，斯坦福大學(xué)Kesler教授等應(yīng)用Lumos實驗室開發(fā)的網(wǎng)頁游戲[6]，從行為表現(xiàn)和神經(jīng)機(jī)制兩個層面評估了游戲化學(xué)習(xí)對提升特納綜合癥（特納綜合癥，Turner syndrome，一種先天性染色體異常疾病，患者常存在視覺空間、數(shù)學(xué)和記憶困難等認(rèn)知缺陷）患者的數(shù)學(xué)能力的積極效果[7]。

在行為表現(xiàn)層面，試卷測試結(jié)果顯示患者的計算能力、數(shù)字常識、計算速度、認(rèn)知靈活性、視覺空間處理能力都有顯著提高。在神經(jīng)機(jī)制層面，使用功能性磁共振成像技術(shù)（fMRI，functional magnetic resonance imaging）測試顯示，實驗后患者的腦活動模式發(fā)生了較大改變?；颊哌M(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算時，大腦的激活區(qū)域和不同腦區(qū)的激活程度有顯著變化，表現(xiàn)出雙側(cè)頂葉的活動水平增強(qiáng)，額紋狀體和內(nèi)側(cè)顳葉活動水平降低（如圖1）。

圖1 用fMRI獲得的患者的腦活動模式圖[8]

研究者認(rèn)為，“我們的研究提供了初步的證據(jù)證明，采用這種計算機(jī)輔助的游戲化學(xué)習(xí)方式不僅能夠提升兒童的數(shù)學(xué)能力，還能夠改變與數(shù)學(xué)能力相關(guān)的額頂葉腦回路（frontal-parietal brain networks）。”[9]研究還獲得了一項意外的發(fā)現(xiàn)，雖然研究者使用的游戲并未涉及視覺空間能力，但經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，被試的視覺空間能力也有顯著提高。研究者認(rèn)為，視覺空間能力的提升得益于數(shù)學(xué)游戲增強(qiáng)了額頂葉腦區(qū)的活動水平，而該腦區(qū)的活動水平與人的視覺空間能力相關(guān)。由此，在神經(jīng)生物學(xué)水平上說明了能力發(fā)展的相關(guān)性。Kesler等人的研究對象是患有腦損傷的兒童，因此不能簡單地將結(jié)論推廣到健康兒童，但其研究成果和研究方法對游戲化學(xué)習(xí)研究卻有較大的啟發(fā)意義，說明了運(yùn)用腦科學(xué)研究手段和研究技術(shù)評估游戲提升學(xué)習(xí)效果的可能性，以及根據(jù)人腦的活動模式設(shè)計有針對性的思維訓(xùn)練游戲的可行性。

牛津大學(xué)Roi Cohen Kadosh教授發(fā)現(xiàn)兒童的數(shù)學(xué)能力和大腦額下回的抑制、激活比例呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在大腦的右頂內(nèi)溝卻沒有發(fā)現(xiàn)該相關(guān)關(guān)系，而成人的數(shù)學(xué)能力和右頂內(nèi)溝處的抑制、激活比例呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在額下回卻沒有發(fā)現(xiàn)該相關(guān)關(guān)系。對被研究對象的大腦額下回和右頂內(nèi)溝處的神經(jīng)遞質(zhì)濃度進(jìn)行磁共振波譜分析發(fā)現(xiàn)，伽馬氨基丁酸（GABA）和谷氨酸（在動物體內(nèi)，GABA幾乎只存在于神經(jīng)組織中，其濃度最高的區(qū)域為大腦中黑質(zhì)，是一種重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，參與多種代謝活動，具有很高的生理活性。谷氨酸對神經(jīng)中樞有興奮作用）的濃度與年齡相關(guān)。[10]研究說明，在分子生物學(xué)水平上測試高階思維能力的可行性以及通過操縱腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)濃度，來調(diào)節(jié)人的學(xué)習(xí)能力和認(rèn)知障礙的可能性。

此外，麻省理工學(xué)院Subramaniam 等人利用腦成像技術(shù)研究了積極情緒對頓悟的影響。研究證明，積極情緒能夠調(diào)節(jié)同頓悟相關(guān)的腦區(qū)的活躍程度[11]，從而提升人的創(chuàng)造力。格拉茨大學(xué)和蘇黎世理工學(xué)院的研究者利用腦成像技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知刺激能夠提高與創(chuàng)造性思維相關(guān)的腦區(qū)的活躍程度，[12]在神經(jīng)生物學(xué)水平上證實了認(rèn)知刺激對提升創(chuàng)造力的積極作用。

以上研究說明，高階思維和腦結(jié)構(gòu)、腦活動模式之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，從腦機(jī)制層面，運(yùn)用腦成像技術(shù)探討游戲化學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)習(xí)者高階思維發(fā)展的研究具有可行性?；谀X機(jī)制的游戲化學(xué)習(xí)研究在揭示游戲?qū)τ谌四X的功能性和結(jié)構(gòu)性影響的基礎(chǔ)上，通過發(fā)現(xiàn)不同類型游戲、游戲中的不同組成要素與人腦變化的相關(guān)關(guān)系，對設(shè)計更有效和更有針對性的教育游戲具有十分重要的指導(dǎo)意義。或許未來教育游戲便可成為一把精準(zhǔn)的“無創(chuàng)手術(shù)刀”，用來重塑人的大腦，定向提高人的某些能力。未來的數(shù)學(xué)能力培養(yǎng)不僅可以通過“做題”完成，基于數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的腦機(jī)制所設(shè)計的游戲或許能夠幫助學(xué)習(xí)者達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

基于大數(shù)據(jù)的橫向比較和縱向跟蹤研究

“大數(shù)據(jù)”已經(jīng)對包括商業(yè)、醫(yī)療、金融在內(nèi)的諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了極大沖擊，在不久的將來，也必將對教育產(chǎn)生重要影響。學(xué)習(xí)者特征分析是設(shè)計和實施有效教學(xué)，支持個性化學(xué)習(xí)的前提。包含學(xué)生背景信息和學(xué)習(xí)過程記錄的“大數(shù)據(jù)”是實現(xiàn)學(xué)習(xí)者特征分析的必要條件，是開展大規(guī)模游戲化學(xué)習(xí)研究的資料基礎(chǔ)。

基于大數(shù)據(jù)的游戲化學(xué)習(xí)研究包括兩個維度：一是同一時間段內(nèi)不同個體或群體采用游戲化學(xué)習(xí)方式和傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的橫向比較研究；二是對同一個體或群體的持續(xù)性跟蹤研究，以發(fā)展的眼光看教育游戲?qū)W(xué)習(xí)者的長期影響。

1. 橫向比較研究

游戲化學(xué)習(xí)研究在國內(nèi)起步較晚，沒有大規(guī)模的應(yīng)用實踐，缺乏橫向比較的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。美國的游戲化學(xué)習(xí)實踐發(fā)展較快，對其提升學(xué)習(xí)效果的橫向比較研究已經(jīng)取得了一系列的成果。

美國心理研究學(xué)會（Mind Research Institute） ST Math項目致力于通過可視化、游戲化學(xué)習(xí)方式改變美國的數(shù)學(xué)教育。ST Math項目組對2011～2012學(xué)年，2012～2013學(xué)年參與該項目的全美11州市縣的學(xué)生的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，可視化、游戲化學(xué)習(xí)比傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式能更加有效地提升學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)效果（如圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果[13]

以亞利桑那州（Arizona）為例，研究分析了該州在2011～2012學(xué)年和2012～2013學(xué)年參與ST Math項目的3～5年級學(xué)生的數(shù)學(xué)能力測試成績。實驗組樣本包括來自33所學(xué)校的2785名學(xué)生。研究者使用傾向評分匹配法（Propensity Score Matching，簡稱PSM，是一種統(tǒng)計學(xué)方法，用于處理觀察研究的數(shù)據(jù)），確定來自33所學(xué)校的未參與ST Math項目的2944名學(xué)生作為對照組。數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實驗組學(xué)生中數(shù)學(xué)成績?yōu)閮?yōu)秀和良好的比例提高了3.4%，而對照組僅提高了1.4%，兩組學(xué)生之間存在顯著性差異。

該研究以11個州市縣的學(xué)生數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析證明了基于ST Math的可視化、游戲化學(xué)習(xí)方式比傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式能夠更加有效地提高學(xué)生的數(shù)學(xué)能力。2000多名學(xué)生的大數(shù)據(jù)分析，增強(qiáng)了游戲化學(xué)習(xí)效果研究的說服力。同時，傾向評分匹配法的使用，降低了數(shù)據(jù)偏差和混雜變量對于觀察數(shù)據(jù)的影響，解決了非實驗條件下無法進(jìn)行隨機(jī)分組的問題，增強(qiáng)了研究結(jié)果的可信度。

2. 縱向跟蹤研究

教育游戲?qū)Υ龠M(jìn)知識、技能獲得的有效性可以通過即時測驗進(jìn)行評估，但能力提升和態(tài)度培養(yǎng)則是一個長期的過程，需要持續(xù)地跟蹤研究。我國研究者對教育游戲影響效果的縱向研究尚未開展，但國際上已經(jīng)出現(xiàn)相關(guān)的研究成果。

2013年6月，加拿大維多利亞大學(xué)Sanford博士報告了自己歷時5年的研究成果，稱健康游戲有利于培養(yǎng)13～17 歲青少年的情感態(tài)度與價值觀，并且他們能夠?qū)⒂螒蛑袑W(xué)習(xí)到的問題解決策略遷移到實際生活中去。據(jù)研究顯示，游戲玩家們表現(xiàn)出一些十分讓人震驚的特點：首先，他們十分重視倫理道德的決定，重視他們在游戲里面的行為本質(zhì)；玩家們還有著強(qiáng)烈的“因果效應(yīng)”的考慮，遇到問題會積極解決。Sanford 博士表示，這可能是由于游戲中的“協(xié)作”讓青少年們養(yǎng)成習(xí)慣。“他們需要和隊友溝通，并且一起制定戰(zhàn)略，分析敵人的弱勢，因此他們很習(xí)慣于團(tuán)隊合作?！绷硗猓骐娮佑螒蜻€能培養(yǎng)兒童的領(lǐng)導(dǎo)能力和決斷能力。

雖然，Sanford的研究也遭到人們的質(zhì)疑，但此歷時5年的縱向跟蹤研究，啟發(fā)我們以發(fā)展的眼光看待游戲?qū)τ谇嗌倌暝谇楦袘B(tài)度與價值觀、協(xié)作能力、問題解決能力方面的影響。教育游戲提供了開放的、非結(jié)構(gòu)化的問題解決情境，“情境化”的實踐性參與能夠有效促進(jìn)有意義學(xué)習(xí)的發(fā)生，有利于學(xué)生的長期發(fā)展。

總 結(jié)

在游戲化學(xué)習(xí)的學(xué)術(shù)研究中，把握研究方向，找準(zhǔn)研究角度是推動我國游戲化學(xué)習(xí)研究向前發(fā)展并逐漸應(yīng)用于課程教學(xué)實踐的關(guān)鍵。在世界各國普遍重視腦科學(xué)研究，學(xué)習(xí)科學(xué)研究取得一系列重大突破，并已有諸多證據(jù)證明游戲能夠改變?nèi)四X的今天，游戲化學(xué)習(xí)研究者應(yīng)該更加開放，從學(xué)習(xí)科學(xué)的視角出發(fā)，通過與腦科學(xué)或?qū)W習(xí)科學(xué)研究者開展深入廣泛的合作，建立“腦”與“教學(xué)”之間的緊密連接。在建立更加完善的學(xué)術(shù)研究共同體的基礎(chǔ)上，在微觀層面，運(yùn)用腦科學(xué)研究手段，設(shè)計符合學(xué)習(xí)發(fā)生的腦活動規(guī)律的教育游戲，在神經(jīng)機(jī)制層面探究教育游戲?qū)W(xué)習(xí)效果提升和人的全面發(fā)展的積極影響；在宏觀層面，開展基于大數(shù)據(jù)的游戲化學(xué)習(xí)效果研究，通過橫向比較和縱向追蹤，研究教育游戲?qū)W(xué)生的能力提升、思維轉(zhuǎn)變和態(tài)度培養(yǎng)的積極意義。

在游戲化學(xué)習(xí)的具體實踐中，教育游戲是否適用于所有的學(xué)科學(xué)習(xí)值得探討，教育游戲在傳遞知識上效率低下的先天不足，促使我們堅持認(rèn)為游戲化學(xué)習(xí)應(yīng)該著眼于彌補(bǔ)現(xiàn)有教育體制下，學(xué)校教育在促進(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展和培養(yǎng)情感態(tài)度與價值觀方面的不足。教育游戲應(yīng)該走進(jìn)科學(xué)、思品等為促進(jìn)學(xué)生協(xié)調(diào)發(fā)展的課程，支持學(xué)生的正式、非正式的探究學(xué)習(xí)，使他們更好地成長為“知識人”和“社會人”。同時，游戲化學(xué)習(xí)研究需要社會的廣泛參與，借助社會各界的力量積極推動教育游戲的開發(fā)和應(yīng)用，實現(xiàn)“在腦中學(xué)”、“在游戲中學(xué)”。

基金項目：2013年北京市哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目《基于游戲化學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性思維的培育策略研究》（項目編號：13JYB011）

（作者單位：北京大學(xué)教育學(xué)院教育技術(shù)系）

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