形式差异的外部概念支架对学生游戏化学习心流和效果的影响

乔爱玲 龚鑫 韩涵

[摘   要] 游戏化学习作为一种新型学习模式，能有效发挥游戏的教育价值并兼顾教学的知识传递性与学习趣味性的特点，提高学习者的积极性和参与度。文章基于概念支架理论，针对“装机模拟器（PC Building Simulator）”游戏设计了图文和视频两种外部概念支架，采用准实验研究法研讨不同支架条件下的学习者在游戏化学习过程中的心流体验和学习效果。结果表明：在游戏化学习环境中，外部概念支架能够帮助学习者在游戏内容和学科知识之间建立联系;同时，外部概念支架与无支架相比，学习者在游戏化学习过程中的学习效果存在显著差异;图文版外部概念支架使学习者在游戏化学习过程中的心流体验显著提高，并且学习者的心流体验与学习效果之間存在正相关性。

[关键词] 游戏化学习; 概念支架; 心流体验; 学习效果

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 乔爱玲（1978—），女，吉林吉林人。教授，博士，主要从事信息技术教育、信息技术与课程整合的相关研究。E-mail：qiaoal@126.com。

一、引   言

近年来，学者们深入游戏化学习研究领域，致力于设计一种教育与娱乐共存的游戏学习模式。但将教育游戏整合到正式学习环境的主要挑战是如何帮助师生将游戏概念与课堂知识顺利建立联系的同时，并保持对游戏叙事的参与度。已有研究发现，运用外部概念支架补充游戏，能有效构建游戏内容和学科知识之间的链接[1]。

从表现形式上看，概念支架可分为范例、问题、建议、指南和图表等[2]。然而概念支架也不局限于上述分类，现有研究中所设置的概念支架多为图文形式，鲜有研究视频型概念支架在游戏化学习中的作用。本研究根据“装机模拟器”游戏的内容及特点设计图文、视频两种形式的外部概念支架，并通过学习者的游戏心流体验与学习效果的表现检验不同形式的概念支架对游戏化学习的影响，以期为教育游戏设置适宜的学习支架，有效提升学习者学习体验和效果。

二、概念界定与研究综述

（一）模拟游戏

游戏化学习（Game-based Learning）狭义上理解为将游戏类活动，特别是电子游戏应用于学习中[3]。根据游戏特点，分为冒险类游戏、模拟类游戏、竞争类游戏、合作类游戏以及商业管理类游戏等[4]。当前，模拟类游戏被广泛应用于教育领域。Adevemi等人表示，模拟游戏是一种桌面游戏或其他类型的游戏[5]。它与现实相似系统契合，为学习者提供应用知识技能的实践机会。模拟游戏辅助的教学活动，是在教学规则和程序的指导下，使用有形的用户界面，以互动的方式模拟真实世界中的环境与事件[6]。因此，基于模拟游戏的学习是一种安全性高、效率高且成本低的学习方式[7]，有助于提升课程创新性，培养学习者高阶技能，如数据分析、战略规划和解决问题等技能[8]。

（二）心流体验与学习效果

游戏通过为学习者提供激励兴趣和愉快的学习体验以展现其独特的教学潜力。美国芝加哥大学Csikszentmihalyi于1990年首次提出“心流体验（Flow Experience）”，简称“心流”。心流，是指在全身心投入某项事务时，伴随而生的一种心理活动或状态[9]。当知识技能与游戏难度互相匹配的条件下，学习者更易被游戏吸引并在通过努力赢取积分的过程中进入忘我学习状态，从而可能产生心流[10]。Rieber认为，游戏组件与使“心流”成为可能的活动有关[11]。Kiili同样表示，当学习者在游戏化学习中产生心流体验，可认为在此过程中游戏会对学习者产生一定的积极影响[12]。

本研究以李丹对学习效果的定义为基础，将游戏化学习效果定义为学习者在游戏中知识技能、实践操作以及价值观念方面所提升的能力[13]。Hursen等人探究模拟游戏对学习者物理学业成绩的影响，发现模拟游戏提高了学习者的学业成绩[14]。Iwuanyanwu通过对中学生的准实验研究，确定了模拟游戏对生物学习成绩产生积极影响[15]。Vlachopoulos等人的研究结果显示，游戏和模拟对学习既定目标有积极效果[16]。众多学者研究表明，采用模拟游戏辅助教学可以有效促进学习者的学习效果。但游戏学习中的知识通常隐含表示于游戏视觉、控制和反馈机制，不会自发地转化为与学校知识相关的显性理解。相较于在学校教育中，学习者将自身直观理解映射到学科概念以参与涉及正式语言和符号等明确知识的表示，游戏化学习效果不易显现[17]。因此，有必要在学习者进行游戏化学习时添加一定的策略，以促进学校教育中游戏化学习的应用，提升学习者的学习效果。

（三）游戏化学习中的概念支架

1976年，Wood最早提出“支架”理念，用以形容类似同行、成人或已取得某些成就的人所提供的有效支持[18]。20世纪70年代末，布鲁纳基于维果斯基“最近发展区”理论，将建筑行业的“脚手架（Scaffolding）”比作给予学习者的学习支持。支架式教学将提示内容、理解材料、学习任务以及教师和同伴支持等进行系统排序，为学习者搭建阶梯以优化学习过程和体验。支架式教学中所采用的各种支架，按照功用，可大致划分为四类：概念性支架、策略型支架、元认知支架和动机支架[19]。其中，“概念性支架（Conceptual Framework）”是在学习者构建知识时提供的一种概念性支持框架[20]。

Hogan等人认为，支架通过直接暗示或间接提示、问题提问、建构模型、主题讲述或讨论等形式提供帮助[21]。因此，为学习者提供与游戏有关的辅助方法可以促进对游戏内部内容的使用。Charsky等人以概念图的形式的概念支架作为内部元素来补充设计游戏，却降低了学习者的学习动机[22]。这是因为游戏内部支架强化了学习者游戏时的外部动机，将其注意力集中在学习概念的难度上，从而降低了“心流”状态。

游戏化学习中的心流体验与学习效果间的关系的实证研究也相当有限，有待进一步加以验证。Broza等人提出，游戏兼顾学习者的学习效果和体验的解决办法是在游戏中提供外部概念支架，帮助学习者关注所需知识，并有意识地与已有学科知识逐步建立联系[1]。Mayer等人在游戏之前，向学习者提供游戏中使用的概念图形，结果显示这种方法帮助学习者在模拟游戏中表现优异[23]。此外，在游戏前提供脚手架策略来促进掌握目标内容，可以避免在游戏期间频繁搜索概念支架。

总之，需更好地理解基于支架的游戏化学习的现实意义和情感效果，才能设计出一种在促进学习的同时保持心情愉悦和游戏流畅的支架。嵌入游戏化学习的支架可使用文本或音视频等形式增加多元性[24]。外部概念支架作为一种学习支架形式，预先将知识加以组织和排列以帮助学习者有序掌握学习内容、完成游戏任务。而提前阅读支架则可以帮助学习者形成宏观结构，存储学习过程中的信息[25]。因此，本研究基于Broza等人的研究，并选择在游戏化学习开始前为学习者呈现外部概念支架，探讨图文和视频两种形式的概念支架对学习者心流体验和学习效果的影响。

三、研究设计

根据前面对外部概念支架的分析，借鉴Sweetser和Hong的相关量表编制心流体验量表，并以游戏化学习为核心设计计算机硬件知识测试卷，为测量形式差异外部概念支架对学习者游戏化学习心流和效果的影响奠定基础。

（一）实验情境与研究问题

本研究选用的是由Claudiu Kiss，The Irregular Corporation制作，The Irregular Corporation發行的一款教育类模拟装机游戏——“装机模拟器（PC Building Simulator）”。该模拟游戏以第一视角引导计算机初学者了解计算机配件的功能和装配过程，学习者从最简单的问题诊断做起，按照自己的意图装配理想的计算机。

CPU、内存、主板、硬盘、显卡等硬件设备作为计算机核心部件，集中于主机箱内部，这阻碍了学习者掌握其基本概念。本研究基于“装机模拟器（PC Building Simulator）”设计外部概念支架，致力于帮助学习者理解、获取和应用计算机硬件的相关知识。同时，该外部概念支架建立在学习者智力的“最近发展区”上，包含了广义知识观下的陈述性知识、程序性知识和策略性知识[26]，旨在逐步将学习者的智力和思维提升到更高水平。支架所包含的详细知识点见表1。

陈述性知识、程序性知识和策略性知识遵循不同的设计原则[27]。其中，基于陈述性知识的视频版外部概念支架在于为学习者构建总体框架，因此，设计应遵从界面简单、图例清晰、语言简洁的原则。基于程序性知识的视频版外部概念支架在于为学习者提供操作指引，因此，设计应遵从画面易懂、步骤完整的原则。基于策略性知识的视频版外部概念支架则主要应用图文等形式来表征相关信息，营造教学情境。

为保障实验的科学性，依据上述设计原则，研究者首先编写完成视频版外部概念支架的脚本，再制作完成视频形式，而图文版外部概念支架则是视频脚本的简化图片和语言，保证在形式上的差异外，两种外部概念支架的内容知识点一致。此外，研究目的是检验添加外部概念支架（以图文或视频形式，引入正式的知识表示）是否有助于学习者在游戏化学习中提升心流体验和学习效果。同时，为了解无外部概念支架、外部概念支架（图文版）和外部概念支架（视频版）这三种不同支架条件的异同，研究以下问题：

（1）不同形式外部概念支架条件下学习者游戏化学习心流体验有何差异？

（2）不同形式外部概念支架条件下学习者游戏化学习效果有何差异？

（3）不同形式外部概念支架条件下学习者游戏化学习心流体验是否与其效果相关？

（二）研究工具选择与修订

1. 心流体验量表

“心流体验”是指在进行某项难度适中的活动时产生的最优体验。研究者结合本研究的游戏情境改编郝晓禹所编制的游戏心流体验量表[28]，并主要参考Sweetser提出的游戏心流（GameFlow）标准，其包含控制感、反馈、沉浸、注意力、清晰的目标、挑战、社会交互、游戏者的技能等八个要素[29]，以及Hong等人研究时编制的心流量表，包括专注、控制感和乐趣三个维度[30]。基于以上标准量表，建构了适用于本研究游戏情境心流体验量表，包括反馈、乐趣、沉浸感、控制感四个维度，共14题，采用七点计分李克特量表，总分为各个维度总分之和，满分98分。其中，得分与心流体验指数成正比。

本问卷的信度为0.925，具有良好的信效度。本研究旨在通过了解形式差异外部概念支架在游戏化学习中的应用情况，验证支架对游戏心流的效果，以期为游戏中添加支架提供新的设计方向和思路。

2. 计算机硬件知识测试卷

本研究依据游戏化学习效果的定义，从知识与技能、过程与方法以及情感态度价值观三维目标的要求设计测试卷：认识计算机各硬件（知识与技能）;掌握计算机硬件组装技能，掌握计算机各硬件常见故障排除方法（过程与方法）;形成学生自主探究和独立解决问题的能力（情感态度价值观）。实验前后，被试需完成计算机硬件知识的测验，并以测验成绩作为学习效果的评价指标。具体知识点同“‘装机模拟器（PC Building Simulator）外部概念支架知识点”（见表1）。

（三）研究对象与实施过程

本研究随机选取河北省S中学初一年级的111名学习者作为研究对象，平均年龄13岁。学习者曾学习过有关计算机硬件的基础知识，拥有操作计算机游戏软件的能力，能在教师的指导下成功下载相关资源且解压缩，并独立完成试卷作答。在此基础上，研究者把学习者平均分配到合适的情境中开展实验探究，分为三种实验条件，A组：无外部概念支架;B组：外部概念支架（图文版）;C组：外部概念支架（视频版）。

在正式实验前，所有实验对象需填写计算机相关硬件知识前测试卷，根据单因素方差分析（见表2），显示三组学习者的学习效果前测成绩没有显著性差异（t=0.972>0.05），并提供给B组和C组10分钟用于阅读和熟悉外部概念支架;实验中，每组的正式实验时间为40分钟，在实验过程中不可以查阅先前提供的外部概念支架;实验后，所有实验对象填写计算机硬件知识后测问卷并完成心流体验测量量表。数据的录入管理和统计分析采用SPSS 25统计软件。

四、数据处理与结果分析

（一）不同形式外部概念支架条件下学习者心流体验的差异分析

本研究对游戏化学习实验中使用支架的情况进行了调查，以分析不同类型的支架策略如何影响学习者的心流体验。对不同形式外部概念支架条件下学习者心流体验进行单因素方差分析，结果发现，实验条件对心流体验有显著影响（F=8.109，Sig=0.001<0.005），表明A、B、C组对心流体验的影响差距具有统计学意义。在无支架条件、图文版外部概念支架条件和视频版外部概念支架条件下的平均值和标准差分别为M=62.00，SD=15.33;M=75.87，SD=11.48;M=66.95，SD=17.5。“图文版”的表现明显优于其他两组在游戏后进行的心流体验评估。

事后LSD（最小显著差异方法）多重比较测试结果进一步表明（见表3），“图文版”条件下的参与者的心流体验显著高于“无支架”和“视频版”条件下的参与者，“无支架”和“视频版”两种情况之间差异无统计学意义（Sig=0.159>0.05）。也就是说，虽然提供支架策略对游戏产生的效果优于在游戏中不提供支架策略，但相较于图文版条件，在游戏前添加视频版外部概念支架会降低学习者在玩游戏时的心流体验。

（二）不同形式外部概念支架条件下学习者学习效果差异分析

计算机硬件知识测试卷评价了外部概念支架差异条件下学习者游戏化学习效果。在正式实验前，测得不同支架条件下学习者成绩的平均值和标准差分别为M=36.32，SD=20.05;M=35.78，SD=18.35;M=36.81，SD=17.21（见表2）。单因素方差分析显示三组计算机硬件知识前测成绩没有显著性差异（t=0.972>0.05）。由此可知，在开展实验前，三组学习者的计算机硬件知识水平并不具有差异性。

为确认学习者的学习效果是否随时间推移而出现显著性差异，我们对两组学习者的后测学习效果进行了方差同质性检验，回归齐性检验显示，三组回归齐性无差异（F=1.341，Sig=0.266>0.05）。

在此基础上，采用单因素协方差分析（ANCOVA），以前测学习效果作为协变量，后测学习效果作为因变量，检验三组后测学习效果的差异，由此比较三种支架条件在游戏内容中学习效果的差异。调查发现（见表2），在控制了协变量的影响后，后测学习效果的修正均值和标准误差分别为A=47.29，S=1.281;A=63.74，S=1.281;A=55.46，S=1.281。不同组别之间后测学习效果存在显著性差异（Sig=0.000<0.05）。在使用LSD方法进行事后比较后，“图文版”的学习效果后测得分显著优于“无支架”和“视频版”（Sig=0.000<0.001）。结果表明，“图文版”辅助比“无支架”和“视频版”对学习者的学习效果有更好的影响。此外，“视频版”的测试后得分也显著高于“无支架”（Sig=0.000<0.001）。这一发现表明，在游戏过程中提供图文和视频支架对学习者的学习有更好的影响。

进一步对前后测學习效果差值进行对比：图文版外部概念支架的前后测平均学习效果差值的绝对值最大（27.72），视频版次之（18.87），无支架差值的绝对值最小（10.98）。这说明三种外部概念支架条件下图文版学习效果最好，视频版次之，无支架的学习效果最差。

（三）游戏化学习心流体验与学习效果的相关分析

从统计结果看出，在无支架条件下，学习者的心流体验与学习效果之间并没有相关关系（r=0.049，p=0.772>0.05）。这可能是本实验中游戏的认知难度较高所导致。在图文版外部概念支架条件下，学习者的心流体验与学习效果存在明显的正相关关系（r=0.536，p=0.001<0.05）。笔者将心流体验作为自变量，后测学习效果作为因变量进行线性回归分析，结果可以看出，心流体验进入回归模型，调整后的R2为0.287，标准误差为8.838，说明自变量心流体验和因变量后测学习效果之间存在线性相关关系;F为14.086，其相伴概率为0.001，说明回归效果显著。由此可得一元回归方程为：后测学习效果=30.705+0.432×心流体验，这表明学习者在游戏中的心流体验变为一个单位时，其学习效果的结果变为0.432个单位。在视频版外部概念支架条件下，学习者的心流体验与学习效果之间并没有相关性（r=0.238，p=0.156>0.05）。

五、研究结论与建议

（一）研究结论

本研究在模拟游戏中添加外部概念支架对学习者在游戏后解决正式计算机硬件知识能力以及对学习者心流的影响，并研究了心流体验和学习效果之间的关系，得出以下结论：

1. 图文版外部概念支架的提供能显著提高学习者的心流体验

研究结果显示：“图文版”条件下的学习者的心流体验显著高于“无支架”和“视频版”条件下的学习者的心流体验。在游戏前明确呈现图文版外部概念支架——计算机硬件的概念及其关系，会促使学习者在游戏过程中形成这些概念与游戏行动和反馈之间的联系。由此得出，图文版外部概念支架可提升学习者在科学知识学习过程中的心流体验。这一结果与Broza等学者关于外部概念支架的研究结果是一致的[1]。

2. 外部概念支架的提供能显著提高学习者的学习效果

本研究发现，两种形式的外部概念支架都能够有效提高游戏化学习的学习效果。外部概念支架帮助学习者将模拟游戏中的内容与已有的知识结构联系起来，起到提前组织的作用。这与以往对游戏化学习的研究文献结论相似，认为在教育游戏中设置合适的支架，可以对游戏化学习产生积极的影响[31]。尽管学习者在游戏化学习后学习效果有了一定的提升，但整体得分水平相对较低。这可能是因为学习者在玩游戏时，没有形成概括和对潜在知识的整体理解。并且，学习者可能不会自发地在游戏概念和学科概念之间建立联系。

此外，“图文版”的效果要优于“视频版”。本研究认为，存在这种现象的主要原因是两者呈现方式有异。图文呈现可以更好地让学习者理解概念;视频呈现对学习者的视听水平要求较高，需要学习者视听觉同时参与信息加工，会降低学习者对概念性知识学习的注意力，从而影响学习效果。

3. 图文版外部概念支架条件下游戏化学习的心流体验与学习效果成正相关

研究发现，在不提供外部概念支架条件下，心流体验通常与游戏后的实际学习效果无关。这与大多数研究结论相反，李建生关于教育游戏研究提出心流体验与学习成效之间存在显著正相关关系[32]。造成脱节的一个关键原因，可归咎于学习本身（即学习计算机硬件及如何组装计算机），因为，游戏中的“学习”有多种含义：非正式学习与正式学习的比较、感知学习与实际学习的比较。在本研究中，心流体验预测了学习者对游戏中非正式学习的认知，但并未显著影响他们的正式学习成绩。也许更高水平的心流体验会增加学习者继续有意义地参与支架和随后的学习效果评估的可能性，但无法显著提升他们的学习效果。

只有为游戏添加支架后，心流才会对学习效果起到促进作用。图文版外部概念支架条件下，心流体验与学习效果成正相关性，根据这一现象，证明了心流可能通过激励学习者为之后的学习作准备而起到促进正式学习效果的作用。但在视频版外部概念支架条件下，心流体验通常与游戏后的学习效果无关，这也许是因为更高的认知努力降低了学习者对概念的理解，并增加了学习者对从支架中所了解到的有效知识的评估难度，从而影响了他们的学习效果。

（二）建议

1. 创建游戏难度调整系统以提高心流体验

在教育游戏中，心流体验不仅与游戏难度有关，也与教育内容的难度有关[33]。游戏难度是指游戏机制设置的复杂性，而教育内容的难易程度与学习者先前的知识储备有关。如果游戏难度远高于或远低于学习者目前的能力水平，学习者则会因遭受挫折或感到无趣而降低心流体验和学习效果。除此之外，由于学习者对游戏内容和技巧认知逐渐积累，能力不断提升，在游戏中的心流体验会呈现渐升的动态过程。因此，需要加强游戏本身的阶梯式难度以自适应学习者能力的改变。

建议教师提供适应性反馈和弹性协助，创建面向学习者的动态调整系统，能够以学习者个人步调进行游戏，以营造一种“主动式”环境：通过潜意识选择找到适合自己的游戏体验，进而获得最大的乐趣。

2. 明确游戏支架设置原则以改善学习效果

研究结果表明，为加强游戏隐性知识和学校正式知识间的关联，外部概念支架需促进单元教学内容融合，形成结构化知识，以帮助学习者从游戏中获得更深层次的知识。

基于计算机的支架设计原则与数字游戏中的支架设计高度相关，然而，为游戏设计支架会因游戏媒介的特殊特性需要额外的设计原则[22]。本文深入分析研究结果，提出以下设计原则：首先，可通过改变相关学科概念的表现方式来实现与游戏叙述间的关联。例如：将学科概念与游戏内容进行联系，让学习者在游戏情境中习得并应用知识。也可由游戏角色引入，学习者应用学科知识帮助游戏角色解决游戏问题。其次，为了使支架在视觉上与游戏世界相关联，可将游戏视觉效果和互动元素整合到脚手架中。支架被设计成围绕游戏的一部分，将其对游戏的理解与课程概念相联系，成为指导学习者提高学习效果的方法框架。

3. 积极采用模拟仿真技术以满足学习者需求

模拟游戏提供了在传统教学环境中不容易捕捉到的高水平互动性。实践证明，该模拟游戏能够有效缓解计算机硬件装配实验教学资源不足、设备损耗和安全等难题。沉浸式拟真环境可轻易获取和收集多维度的反馈信息，对学习者的不当操作进行即时响应，引导学习者进行刻意练习，有效提高技能熟练度以及对各种突发状况的应急能力。

仿真模拟游戏作为一种模拟仿真技术弥补传统教学的步骤，支持体验式学习，将理论知识与实践相结合，丰富了教育教学的辅助手段。在过程中，学习者能够通过一种积极、关键的学习方法进行问题解决，获得知识;同时，仿真模拟游戏在保持学习兴趣的前提下，激发学习者的创造性思维和实践能力，是一种非常成功的新型教学方式。

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