基于學習投入的AR 教育游戲設計與實例分析

何 玲，徐 鵬，賴林陽

（1.江西科技師范大學，江西南昌 330038；2.南昌VR 感知交互重點實驗室，江西南昌 330038）

引言

在信息化時代，利用新技術(shù)促進學習者學習已經(jīng)成為教育技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。AR 教育游戲是以增強現(xiàn)實技術(shù)進行教學的一種活動形式，這類游戲在提供娛樂體驗的基礎(chǔ)上附載教育教學相關(guān)知識，提供書本不能直觀展示以及學生難以理解的抽象知識，使學生身臨其境，沉浸在知識的海洋，因此受到了用戶和市場的青睞[1]。面對快速增長的社會需求和市場潛力，AR 教育游戲的開發(fā)熱度不減，然而其快速膨脹勢必會帶來一定的隱憂。教育游戲是通過游戲的方式來完成教育過程的，因此要注重游戲的教育性質(zhì)，不能將之變?yōu)閱渭兊挠螒?。再者，在以技術(shù)為導向的新型學習環(huán)境中，要更加注重以學習者的體驗學習為教學目標，所以，對于學習者在技術(shù)參與的學習過程中，研究其獲取學習內(nèi)容時的學習投入就顯得尤為重要。因此，如何將教育性與游戲性有機融合，如何通過游戲吸引學習者的學習投入，是本文研究的主要問題。

一、AR 教育游戲中的學習投入

學習投入包括行為投入、認知投入和情感投入，隨著AR 教育游戲的廣泛使用，關(guān)注學生在教育游戲中的學習投入度是十分重要的。因此，分析學生的學習行為，關(guān)注學生在學習過程中的投入狀態(tài)，探討如何提升學生的學習投入水平顯得尤為重要。AR 技術(shù)以其虛實結(jié)合的交互手段給學習對象提供了新的學習方式，這種學習方式更加注重以貼近真實自然的空間來展現(xiàn)教學中難以理解的抽象事物和因現(xiàn)實局限難以接觸的實在事物，基于AR 技術(shù)的這些內(nèi)在優(yōu)勢，使得它在教學中具有很大的應用潛力。有關(guān)AR 教育游戲中的學習投入我們可以這樣理解：它是學習者在AR 技術(shù)支持的環(huán)境下，在與融合了教育元素的游戲進行交互的過程中對教育內(nèi)容的接受所表現(xiàn)出的積極、持久而有效的行為特性。鑒于此，本文在學習投入理論指導的基礎(chǔ)上，基于學習投入理念構(gòu)建AR 教育游戲設計框架，設計出一款關(guān)于吸入劑濫用的AR 教育游戲“地球拯救者”。

二、基于學習投入的“地球拯救者”AR 教育游戲設計原則

AR 教育游戲的設計要本著以教育為目的的原則，同時要符合游戲的特性，從而吸引玩家的興趣。游戲界面的設計要美觀，符合游戲主題，AR 技術(shù)的運用更能讓玩家有一個好的體驗，游戲的設計原則具體如下。

（一）游戲性：具有明確的目的性和規(guī)則性

教育游戲的開發(fā)要具有明確目的和規(guī)則，游戲目標的設計要簡單直接，符合學習者的知識經(jīng)驗水平。游戲規(guī)則的設計要符合不同年齡段學習者的認知特點，應略高于學習者的能力水平，要求學習者必須在完成一定挑戰(zhàn)之后才能夠完成游戲目標，這樣才能充分激發(fā)學習者的內(nèi)在動力。設計適當?shù)莫剳痛胧?，激發(fā)學習者繼續(xù)參與學習的動機；通過積分獎勵、情節(jié)推動等多種手段來增加游戲的可玩性。游戲目標和規(guī)則設計應注重從趣味性和挑戰(zhàn)性方面吸引學生投入學習。在“地球拯救者”中通過設置關(guān)卡，循序漸進地學習吸入劑的知識，游戲通過掃描獲得拼圖獎勵、每一關(guān)層層遞進游戲情節(jié)升級、最后證書獲得激發(fā)學生的學習動力。

（二）教育性：注重實現(xiàn)教學內(nèi)容與增強現(xiàn)實技術(shù)的完美融合

明確在教學中使用增強現(xiàn)實技術(shù)的目的和意義，對游戲內(nèi)容設計至關(guān)重要。首先，教育游戲中嵌入的教學內(nèi)容要適合用AR 技術(shù)來呈現(xiàn)。其次，要確保知識內(nèi)容的選擇，符合學習者的認知特征。最后，為了幫助學習者更好的利用AR 教育游戲進行學習，要創(chuàng)設情境化的教學環(huán)境，選擇學生較為熟悉的智能手機和平板作為移動終端來呈現(xiàn)。游戲內(nèi)容設計應注重以內(nèi)容有用性來維持學生的學習投入。“地球拯救者”設計的吸入劑因其對人體的危害，無法直接接觸，通過AR 技術(shù)能夠展現(xiàn)吸入劑的危害，具有教育意義，通過智能手機的掃描能夠?qū)崿F(xiàn)教育效果。

（三）藝術(shù)性：游戲畫面設計要吸引學習者的眼球

游戲界面是實現(xiàn)游戲與玩家互動的中介，關(guān)乎玩家對游戲的第一印象，是整個游戲開發(fā)過程中至關(guān)重要的一環(huán)。界面設計要清晰、美觀、適應教學對象的特征；界面中的各UI 按鈕或者導航標識等其它元素應精細逼真、布局合理、設計簡明，避免干擾游戲顯示區(qū)域；游戲中的圖像、聲音、顏色運用得當，符合所要呈現(xiàn)的教學內(nèi)容的性質(zhì)。游戲畫面設計應著重通過外觀的展示來維持學生的學習投入?！暗厍蛘日摺庇螒蛲ㄟ^清晰美觀的游戲界面，學生熟悉的人物形象來吸引玩家玩游戲的興趣。

（四）技術(shù)性：注重實現(xiàn)交互方式的多樣性和趣味性

目前大多的AR 教育游戲都借助于移動設備實現(xiàn)。當然，隨著AR 技術(shù)應用領(lǐng)域的不斷擴大和應用層次的不斷提升，AR 眼鏡、AR 體感互動一體機等也成為AR 游戲的重要交互設備?？紤]到現(xiàn)實條件，本文主要基于移動終端進行教育游戲的開發(fā)，移動設備的操作方式多以手觸為主，主要通過掃描、按鈕點擊等方式實現(xiàn)人機交互。在進行AR 教育游戲過程設計的時候盡量采用多種交互方式，通過交互方式多樣性和趣味性來維持學生的學習投入?！暗厍蛘日摺蓖ㄟ^移動設備掃描，按鈕點擊等方式來實現(xiàn)人機交互，相比于傳統(tǒng)的游戲，掃描出的虛擬形象更能夠吸引玩家興趣。

（五）體驗性：創(chuàng)建精細的三維模型，確保游戲反饋及時

AR 教育游戲區(qū)別于傳統(tǒng)教育游戲的地方在于其能夠創(chuàng)建逼真的增強現(xiàn)實體驗，給學習者一種身臨其境的感覺，從而在一定程度上提升學習者的沉浸感。這種逼真的體驗是靠精細的模型來實現(xiàn)的。另外，虛擬環(huán)境的創(chuàng)設要與現(xiàn)實環(huán)境相融合，虛擬對象的展示要與游戲畫面相契合。游戲資源質(zhì)量的提升應著重通過良好的游戲體驗來維持學生的學習投入，處理逼真的三維模型，完善的激勵反饋機制和語音提示都可以促使學習者更加專注和沉浸于游戲中[2]。

三、游戲設計的理論基礎(chǔ)

（一）動機理論

動機是激發(fā)和維持有機體的行動，并使行動導向某一目標的心理趨向或內(nèi)部驅(qū)力，動機與行為的產(chǎn)生有著密不可分的聯(lián)系。美國心理學家伍德沃斯認為動機是決定行為的內(nèi)在動力[3]。動機理論是關(guān)于動機的產(chǎn)生、機制、動機與需要、行為和目標關(guān)系的理論。學習的發(fā)生和維持需要一定的動機激發(fā)策略，教育游戲的運用可以讓學生在學習的同時感受到游戲的快樂，可以很好地激發(fā)學生的學習動機，維持學生的學習投入。

（二）體驗學習理論

1984 年，大衛(wèi)·庫伯（David Kolb）首次提出了體驗學習這一概念。體驗學習指學習者基于已有經(jīng)驗，通過個體與環(huán)境的交互作用，對各種任務和活動進行模擬體驗獲得新知，重新建構(gòu)知識體系，并對獲得的經(jīng)驗進行反思，從而達到內(nèi)化知識的目標。AR 教育游戲支持下的游戲化教學將課程知識難點和重點嵌入教育游戲中，讓學習者在參與游戲情境和完成任務的過程中學習知識。學生在游戲機制的驅(qū)動下，在教師的指導下，在同伴的競爭和協(xié)作下參與到游戲化教學中來，通過不斷地進行信息交換活動獲得知識與技能。區(qū)別于傳統(tǒng)的教師主導，AR 教育游戲運用于課堂中，讓學生親身體驗其中，以學生為主導，幫助學生投入到學習中。

（三）情境認知理論

情境認知理論（Situated Cognition）的產(chǎn)生是基于修正S-R 刺激-反應和符號學說的錯誤，它反對僅僅依靠有意識推理和思考獲得的認知，而強調(diào)背景和環(huán)境帶來的認知意義[4]。放到課堂教學中來講，情境認知的觀點認為應把知識創(chuàng)設于情境中來以便學生更好地理解，也強調(diào)學習可以直接來源于情境環(huán)境而不只是文字陳述出來的邏輯和規(guī)則。情境認知理論對教育游戲設計的啟示是，如果玩家在玩的過程中可以動一動，比如傾斜平板電腦、觸摸屏幕，或是用手臂和腳的移動來操作游戲，他們會學的更好，課堂投入度會更高。

四、“地球拯救者”AR 教育游戲設計

（一）游戲運行邏輯

AR 教育游戲的設計開發(fā)主要包括三個關(guān)鍵步驟，游戲資源素材開發(fā)、游戲界面場景實現(xiàn)、游戲系統(tǒng)功能實現(xiàn)，其中系統(tǒng)功能實現(xiàn)部分最為關(guān)鍵。“地球拯救者”的游戲資源素材主要包括場景中的家用產(chǎn)品、吸入劑的科普視頻、吸入劑的語音介紹、吸入劑隱藏于生活物品的三維虛擬模型、游戲中的音效、按鈕圖標等。游戲的界面主要由PS,AI 來設計，游戲場景由Unity 3D 設計。游戲的功能是向青少年普及關(guān)于吸入劑的知識，生活中隱藏的吸入劑，吸入劑濫用的危害。游戲分為三關(guān)，第一關(guān)：尋找吸入劑。玩家打開移動設備進入教室，教室中有10 種吸入劑，玩家掃到一種會在屏幕上出現(xiàn)它的三維模型，可點擊按鈕進行語音介紹，查找到一種獲得一張游戲拼圖，集滿10 張拼圖獲得一封介紹信進入下一關(guān)。第二關(guān)：學習吸入劑。玩家首先掃描人物卡片，屏幕出現(xiàn)三維人物模型，再選擇一種吸入劑的拼圖，掃描會看到游戲人物吸入吸入劑出現(xiàn)身體癥狀。第三關(guān)：患者治療。也可以說是鞏固環(huán)節(jié)，玩家通過第二關(guān)學到的知識，認識到吸入某種吸入劑會出現(xiàn)的身體癥狀并用以什么顏色的藥丸進行治療，在第三關(guān)玩家要根據(jù)癥狀給出藥丸，治療完所有病人，游戲通關(guān)。

（二）游戲設計框架圖

游戲在設計之初考慮到學生學習的特點，設計相關(guān)游戲情節(jié)，首先游戲的世界觀創(chuàng)設出精彩的故事情節(jié)，介紹游戲的背景，吸引玩家玩下去的動力。情境認知理論作為游戲設計的指導理論，啟發(fā)游戲關(guān)卡的設計，創(chuàng)設生動形象的游戲情節(jié)。體驗學習理論指導游戲的設計使得學生置身于游戲之中，玩游戲的同時掌握相應的學科知識。AR 教育游戲的設計遵循游戲性、教育性、藝術(shù)性、技術(shù)性和體驗性的原則，維持學生玩游戲的投入度?；趯W習投入的教育游戲設計框架[5]如圖1 所示。

圖1 基于學習投入的AR 教育游戲“設計地球拯救者”框架

五、AR 教育游戲設計實例分析

吸入劑濫用問題是毒品問題中的很重要方面，長期以來其管制和監(jiān)管難度大，往往是青少年人群中的一種濫用物質(zhì)，但家庭和青少年目前對這個問題的認識普遍不足。吸入劑濫用是一個嚴重的世界性毒品濫用問題，特別是在弱勢群體和青少年中。中國人民公安大學廉潔指出：青少年出于好奇心、回避心理困境等原因嘗試濫用藥物時，往往選擇價格低廉、來源合法、使用廣泛的油漆稀釋劑、汽油、油漆、修正液和膠水等吸入劑，作為第一種濫用物質(zhì)[6]。但這類吸入劑的化學結(jié)構(gòu)多種多樣，會產(chǎn)生各種藥理作用，劑量過高可能導致猝死，長期濫用造成不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)損傷和臟器損傷，對處于重要生長發(fā)育期的青少年影響極為嚴重，并可能引發(fā)后續(xù)煙草或其他毒品濫用問題，青少年人群中的吸入劑濫用目前已成為社區(qū)、學校、家庭和醫(yī)療機構(gòu)日益關(guān)注的問題。針對這一問題，本研究基于AR 教育游戲設計框架，自主開發(fā)了一款以“吸入劑濫用”為主題的AR 教育游戲“地球拯救者”[7]。

（一）游戲背景

游戲發(fā)生于未來世界，地球上人類由于忽視吸入劑的危害，人們逐漸發(fā)現(xiàn)身體異常，有些人經(jīng)常惡心，頭暈，茶飯不思，更有些人甚至出現(xiàn)了身體畸形，功能障礙，癡呆的癥狀等等。由于地球上的技術(shù)問題，目前還不能研發(fā)出相關(guān)藥物進行治療，總之地球處于一片灰暗的籠罩之中。在此千鈞一發(fā)之際，未來世界科研機構(gòu)派出特派員進入地球，給人類講解身邊存在的隱形吸入劑，普及吸入劑的危害，并幫助地球上的科研人員研發(fā)相關(guān)藥物。拯救處于水深火熱中的人類……如圖2，游戲開始界面。

圖2 游戲開始界面

（二）第一關(guān)

未來世界特派員進入地球，采用手機移動掃描的形式，搜索空間內(nèi)的物體，尋找生活中的有害吸入劑，掃到一個吸入劑，手機屏幕上會出現(xiàn)該物體的虛擬形狀，并語音進行科普介紹。此環(huán)節(jié)包含的吸入劑一共有10 種，分別為修正液、記號筆墨水、電子設備清潔劑、油漆、汽油、酒精、香水、發(fā)膠、眼鏡清潔劑、殺蟲劑?？破战榻B之后會獲得一張此吸入劑的拼圖，找齊10 種吸入劑后，會獲得一張完整的拼圖。最終拼圖會變成一張介紹信，特派員憑此介紹信與地球上的科研人員取得聯(lián)系。如圖3 所示，掃出眼鏡清潔劑。

圖3 掃出眼鏡清潔劑

（三）第二關(guān)

未來世界特派員與地球上的科研人員取得聯(lián)系后，開始對吸入劑的危害進行研究。手機掃描人物卡，屏幕上會出現(xiàn)虛擬人物，科研人員小明。此時選擇上一關(guān)獲得的一種吸入劑卡片，放入屏幕中，顯示小明吸入此吸入劑后身體出現(xiàn)的癥狀，游戲中在小明的頭上會出現(xiàn)其存血量，由于小明長時間吸入吸入劑，血量會逐漸消耗，直至死亡。拿掉吸入劑卡片，小明的存血量逐漸恢復。之后再選擇其他的吸入劑與小明進行反應，觀察小明的身體癥狀。此環(huán)節(jié)，學習完8 種吸入劑的癥狀，即可進行到下一關(guān)，如果玩家一次學完10 種吸入劑的癥狀，會獎勵一格的存血量用于下一關(guān)。第二關(guān)過關(guān)后，屏幕中出現(xiàn)一張表，表為特派員與地球科研人員共同研制的針對性藥物。例如：吸入油漆，服用紅色藥丸。吸入發(fā)膠，服用黃色藥丸。如圖4 所示，小明吸入吸入劑。如圖5 所示，移開吸入劑開始回血。表1 所示，研制針對性藥丸。

表1 研制針對性藥丸

圖4 小明吸入吸入劑

圖5 移開吸入劑開始回血

行為投入指學生進行的機械的、形式的努力、專注與堅持的學習行為,它是情感投入和認知投入的載體,可以用來預測學習成就、學習成績等情況[8]。傳統(tǒng)教學情境下，學習時長通常被研究者用作學習行為投入的一個評測標準。有研究者認為學習行為投入的衡量指標包括任務投入時間，學習任務持久性、努力性與參與性[9]。學習本就是一個枯燥的過程，在第二關(guān)中，游戲設定是學完8 種吸入劑就可進入下一關(guān)，學習8 種是一個持續(xù)的過程，如果學生表現(xiàn)得沒有耐心，進行不了8 關(guān)的學習，則游戲失敗。但同時游戲有一個激勵機制，玩家若能學習完全部10 種吸入劑，就會以一格血的獲得作為獎勵。這就激發(fā)了學生繼續(xù)玩下去的決心，因此玩家投入任務的持久性增加，投入時間變長，專注度提高，游戲順利過關(guān)，玩家的行為投入度因此提高。

（四）第三關(guān)

此環(huán)節(jié)為治療環(huán)節(jié)，由于地球上的醫(yī)療水平有限，某些嚴重的病人，需要特派員的救治。特派員要根據(jù)病人的癥狀，給予正確的藥丸進行治療。屏幕中出現(xiàn)的虛擬人物的癥狀是隨機的，人物的頭上會顯示病人只有三格存血量（第二關(guān)學完10 關(guān)的玩家，會獎勵一格的血，即多一次試錯的機會），只有通過掃描正確的藥丸，人物的存血量才會增加，癥狀才會逐步消失。掃描錯了藥丸，人物的存血量會減少，血量耗盡，游戲結(jié)束。患者可能同時伴隨多種癥狀，意味著可能吸入了多種吸入劑，這時候玩家就要綜合診斷，因此游戲難度加大。醫(yī)治完所有病人，游戲勝利，屏幕出現(xiàn)“地球拯救者證書”點擊可輸入自己的名字，證書可以下載保存。如圖6 所示，獲得證書。

圖6 證書圖片

認知投入指可能影響自身發(fā)展和心理求知需求的行為,與學習績效相關(guān),換言之是學習者利用認知策略調(diào)節(jié)自我學習的行為[10]，認知投入可以表現(xiàn)在學生的學業(yè)成績、知識掌握情況、學以致用情況等方面[11]。在第三關(guān)中，玩家通過前兩關(guān)的學習，掌握了吸入某種吸入劑會出現(xiàn)何種癥狀，并通過什么顏色的藥丸可以治療的相關(guān)知識，而第三關(guān)就是學以致用的環(huán)節(jié)，玩家要根據(jù)游戲中人物出現(xiàn)的癥狀來給予相關(guān)的藥丸進行治療，測試玩家知識的掌握情況。玩家能順利過關(guān)，說明通過游戲?qū)W到了知識，游戲的過程中，認知投入度比較高。

學習情感投入是存在于師生之間、課堂、學業(yè)或?qū)W?；顒又蟹e極或消極的情緒體驗，指向?qū)W習者的興趣、體驗感、價值感、認同感和歸屬感。Lee 等認為，情感投入關(guān)注的是學習者的滿意度、學習過程中的愉悅感和同伴交互中的價值感[12]。Pekrun 等人將情感投入視作認知投入和行為投入發(fā)生的前提，認為學習情感投入主要由成就情緒、主題情緒、社交情緒和認知情緒四部分構(gòu)成[13]。第三關(guān)游戲設置就是醫(yī)治病人，游戲開始前就能讓玩家體驗一把當醫(yī)生的感覺，能夠吸引玩家的興趣，另外在醫(yī)治的過程中，判斷病情正確可以看到病人開始回血，因此玩家獲得自身的價值感。在游戲結(jié)束后，能夠獲得一張以玩家名字命名的“地球拯救者”證書，給玩家?guī)沓删透?，說明游戲起到了增加學生情感投入的作用。

“地球拯救者”游戲通過AR 掃卡片的方式尋找并認識生活中潛在的吸入劑，游戲的對象為青少年，青少年為吸入劑濫用中的弱勢群體，通過游戲中學習吸入劑的存在及其危害，加深了對吸入劑濫用的印象，避免了對青少年學生身體的危害。游戲運用了AR 技術(shù)，實現(xiàn)了對生活中吸入劑的還原，日常課程中無法直接演示這些吸入劑，因此加深了同學們的印象。與普通教育游戲相比，“地球拯救者”AR 游戲，能夠根據(jù)學生玩游戲時的表現(xiàn)和藥丸匹配癥狀的正確率來判斷學生能夠通過游戲闖關(guān)的學習方式提升學習的效率。

結(jié)語

隨著游戲化教學理念的不斷深入，各類教育游戲被廣泛運用到課堂中，因此關(guān)注教育游戲的教育意義，以及學生在AR 教育游戲教學環(huán)境下的學習水平顯得尤為重要。AR 技術(shù)以其虛實結(jié)合的交互手段給學習對象提供了新的學習方式，這種學習方式更加注重以貼近真實自然的空間來展現(xiàn)教學中難以理解的抽象事物和因現(xiàn)實局限難以接觸的實在事物。本文結(jié)合體驗學習、動機以及情境認知理論和AR 教育游戲的設計原則，構(gòu)建了基于學習投入的AR 教育游戲設計框架，在此基礎(chǔ)上設計并開發(fā)了一款以“吸入劑濫用”為主題的AR 教育游戲“地球拯救者”。游戲利用AR 技術(shù)使我們接觸到生活中隱藏的吸入劑，認識什么是吸入劑并了解吸入劑對人體的危害，游戲關(guān)卡設置幫助學生提高學習投入度，真正做到持續(xù)認真學習的基礎(chǔ)上，游戲才能過關(guān)，使得學生在玩中學的同時又提高了學習效率。目前該游戲通過關(guān)卡的設置可以證明能夠提高學生的學習投入度，該論文下一步工作將著眼于對游戲投入度的測評研究，通過視頻錄制、問卷調(diào)查等方式來測量學生玩此款教育游戲時的學習投入度。同時，利用增強現(xiàn)實技術(shù)給施教者的教學方法上提供更多的自由度也是本文后續(xù)著重考慮的方面。