中学物理教育游戏设计开发框架

文 张蓝月 宋艺华

在中学教育教学中，许多教育游戏无意义、游戏设计简单，无法实现学习目标，导致人们认为教育游戏玩起来不好玩或对支持学习无效。[1]在中学物理教育的背景下，一些特定的限制可能会给教学教育游戏的开发和实施增加新的难度，特别是在物理课堂上学习新的、复杂的材料时可能会令学生畏惧，物理学通常也被描述为具有强烈数学倾向的难以理解的学科。以物理和科学为主题的教育游戏通常包含大量复杂的信息供学生在进行游戏时掌握，所以在游戏设计过程中应考虑目标受众以前的游戏经验，以确保所有玩家都能以相同的方式从教育游戏中获得相同的技能和知识。鉴于游戏方式多元化，在固定的教室环境中执行游戏并非易事。除此之外，教师对教育游戏的熟悉程度、游戏过程中的课堂管理以及与课程的联系，也会影响科学教育游戏开发及作为日常教学实践的可能性。支持中学物理教学和学习的教育游戏的开发需要精心设计，将游戏和学习嵌入有意义的环境中。

一、物理教育游戏

传统中学物理课堂中的教育游戏，常作为课堂导入部分，通过教师与学生之间的互动，将学生新旧知识建立联系，从而为新知识的学习建立桥梁。本文所讨论的教育游戏，定义为能够培养游戏使用者的知识、技能、智力、情感、态度、价值观，并具有一定教育意义的卡牌、棋盘类游戏或计算机游戏类软件。物理教育游戏是专门针对物理教育而开发的游戏，具有教育和娱乐并行的特点。近年来，教育游戏已经不断被开发并且运用到教育中去，在当下教育备受诟病的时代，教育游戏的出现带来了一股新的活力。

二、游戏设计框架

从对中学物理教学实践的反思中可以了解到，不少教师也尝试将一些趣味性教学手段融入物理教学中，但是呈现的效果很难令人满意。在新冠病毒教学背景下，在网络课堂的教学中，许多学生不受家长以及教师的监督管理，一边挂着网课，一边开着小窗口玩游戏，这表明课堂吸引力不够强烈。[2]所以，教师要借助游戏的特点，抓住学生的心理认知发展，为学生创设生动丰富的学习情境。缺乏如何设计教育游戏体验的学术指导，教学实践可能会阻碍“游戏中学习”在中学物理教学中的实施。为了解决这个问题，笔者确定了一个设计框架，以创建有意义和有效的教育游戏，这对支持正式的科学教学至关重要，此框架也可以用于对教育游戏进行分类。拟定的游戏设计框架从确定目标受众开始，目标受众是游戏开发的核心部分。游戏玩法设计应该从一开始就将玩家(即教育者和学生)与游戏联系起来，以支持更好的学习体验。

图1显示了设计框架和指导游戏开发步骤讨论的中心问题的可视化摘要。该框架包括五个主要步骤以及相关的组成，这些组成相互依赖以创建游戏的基本结构，为游戏玩法准备原型。这些步骤本质上很简单，无论设计者以前是否有玩过或设计教育游戏的经验，都可以创建一个教育游戏。

图1 设计框架及指导游戏开发的步骤与组成

(一)共情

这项步骤是指理解目标受众的需求，设计教育游戏不是为了解决教育教学中的问题，它的关键在于用一种最佳策略来解决学生对特定主题学习所存在的问题。游戏不是孤立进行的，因此了解游戏情境可能与了解玩家一样重要。为了准确理解教学情境，须从以下五个方面去讨论每一个教育游戏。

1.游戏时长

设计者应该考虑学生在课堂上参与游戏的时长，即游戏从头到尾的时间长度，从快节奏游戏(10分钟以内)到所有类型的游戏都应该考虑在内，对学生的评估环节也应包含于这段时长内。

2.目标受众需求

确定目标受众的需求，设计最适合学生的游戏难易程度、复杂程度，这对学生积极参与游戏及理解游戏中所嵌入的学习内容至关重要。根据奇拉(Cira)的研究表明[3]，依据不同目标受众的需求调整游戏难易程度、复杂性，可以提高游戏动机、乐趣和努力程度。例如，在初中生和高中生学习磁场时，初中物理的学习更偏向理论，而高中物理的磁场教学更注重物理现象的推理和实验的发现，涉及的范围也更广。[4]这就要求涉及教育游戏时应当根据学生需求的不同，来确定游戏的难易程度及复杂性。

3.明确课程要求

非传统教学法的课程评估需要灵活性，课程中可以通过游戏涵盖潜在领域。研究表明在课堂上采用游戏来进行教学，一个主要的障碍是课程设置以及学生对游戏学习的态度，因此从一开始就确定这些要点是关键。[5]

4.选择评估标准

因为常规测试可能无法评估在游戏过程中学习的知识或技能，这就要求课程中有不同的评估方式。这可能涉及游戏后的阐释、小组讨论、反思性写作、概念图和知识诊断评估。

5.教师游戏经验

确定教师对教学游戏的熟悉程度，可以让教师调整现有机制，并将其应用到学校环境中，缩短教学游戏开发时间。教师根据教学的物理知识，结合学生玩过和喜欢的游戏方式与过程来进行教学，这能在下一阶段的设计中节省时间。

(二)定义

定义也是从设计思维方法学中引入的，但该步骤并不涉及定义要解决的问题或挑战，它关注的是教师在共情步骤中创建和收集信息的指引下，在游戏中所呈现的学习成果。在教学游戏设计中，设计者要以学生为中心，重新组织和定义问题。在定义阶段通常可以用一句话来描述问题：谁(用户User)有什么需要(需求Need)，“我”发现了什么？定义阶段的核心价值是收敛，排定优先顺序，在此我们要分辨出对目标受众来说，什么是真正重要的；什么是我们应该花更多时间去投入的。

在此阶段，教师要考虑游戏的学习目标，即目标受众的预期学习成果或学生在游戏结束时应具备的技能。另外，此步骤还涉及影响学生体验游戏嵌入内容的其他关键元素。复杂性是游戏成功和课堂采用的决定因素之一。然而，选择适当的游戏机制来实现预期学习效果是一项艰巨的任务。尽管教师以前在教育游戏方面拥有经验，但在这个游戏开发框架中，教师应该通过调整现有机制来开始创设教育游戏。研究显示，教师可以“采用商业上可用的现成游戏”实体来交流科学思想，作为创建教育游戏资源的一种简单方式。[6]因此，此步骤涉及三个主要方面：定义游戏的学习结果、选择游戏机制以及确认影响游戏进程和规则的约束与挑战。

1.学习结果

与其他教学一样，游戏的学习成果也应该是具体的、明确的，从设计之初就应考虑在内。在设计游戏时，游戏的学习成果本质是学生在完成游戏时应学到的细节与内容。此外，学习成果还可用于帮助教育工作者评估学生在游戏中的学习情况。然而，定义学习成果并不简单，教师需要在游戏实施前仔细考虑和反思。如果教师设计游戏时不了解如何定义游戏学习成果，也没有指导开发课程的经验，可以参考遵循布卢姆(Bloom)分类法的动作动词列表(见表1)。

2.游戏机制

游戏机制是指玩家在游戏中的行为，即他们如何执行游戏指令并与游戏互动。将流行的商业游戏改编成教育游戏可以显著减少游戏开发时间和成本。表2罗列了部分科学游戏,为不同类型的受众人群提供一份完整的游戏机制列表，以期对教育游戏方面经验不足的人有所帮助。

应该注意的是，机制是每个游戏的一个重要方面，它决定了玩家如何与游戏以及其他玩家进行互动。然而，选择游戏机制只是设计玩家动作的第一步，要与玩家能顺利参与游戏的挑战难度相结合。

3.约束与挑战

约束是指以不同方式开始或结束游戏的规则或动作，确保玩家有继续参与游戏的兴趣和动力。例如，约束可能包括设置玩家在游戏中遇到的障碍或挑战，让游戏过程有趣。利用学生争强好胜的心理特点，促使学生不断提高和突破自我。但是，根据共情步骤中描述的目标受众的需要，设置的“挑战”数量和水平应保持平衡，防止游戏变得无聊或过于复杂。约束也包括游戏时间限制、玩家数量。例如，物理概念牌是一款纸牌游戏，游戏约束在使用新规则卡牌的游戏过程中发生变化，它限制每个玩家可以抽、玩或持有的牌张数量。[8]

(三)构思

构思阶段旨在收集学生在游戏过程中，沉浸于游戏情节的相关元素。这个阶段，教学模式需要构思一个较好的主题，这个主题的三个关键要素为：组成、规则和主题。

1.组成

组成指设计一个物理教学游戏所需要的材料以及各种碎片化部件。游戏设计师需要选择和游戏机制相契合的材料，确保玩家能够最大限度地沉浸在游戏中。物理飞行棋游戏由棋子、棋盘、骰子组成，使用的棋盘的路径类似蛇和梯子，玩家在其中移动完成动作以赢得游戏。[9]因此，物理教育游戏可以借助不同的组成来传达科学信息。

2.规则

规则指玩家在游戏中必须遵循相关的陈述和指令才能进行游戏，这是所有游戏最重要的元素之一。在共情步骤中较早定义的目标受众很重要，在游戏过程中，它会限制玩家与游戏、玩家与玩家之间互动的规则。此外，规则还描述了游戏结束的条件或获胜的方法、游戏设置、游戏的组成部分以及在游戏过程中如何使用它们。图2展示了“超级电工”教育游戏的规则书。

图2 “超级电工”规则书

3.主题

主题是指玩家沉浸在游戏中的场景或故事。主题应提供一个上下文来帮助玩家记忆游戏规则，并在游戏中做出更明智的决定。此外，游戏主题应与教育内容相关。

例如，在“超级电工”中，游戏的角色设定是电工,任务是帮助他人修好电路，点亮电灯。游戏给定电压值和电流值,让学生选择适当的电阻连接,将电压减小到电灯的额定电压；在完成电阻选择后拉下电闸。如果电压达到电灯额定值，灯亮;如果电压小于额定值，灯闪烁;如果电压大于额定值，电灯爆炸。游戏过关可获得金币奖励,如果在限定时间内还没有选好电阻并拉下电闸，游戏人物会生气。[10]

(四)原型

框架阶段基于选择每个游戏组件的信息，快速开发物理游戏原型。设计者应重点测试机制并验证所选组件成分是否与游戏玩法一致，以制作一个“快速版本”的游戏，方便与目标受众进行游戏测试。此阶段，游戏美学(即游戏的美术和图形设计)可以是初步的，在游戏原型经过测试和修改，测试成功后才最终确定游戏美术设计。在教育游戏中，教师和学生要拥有真正的“共同创造过程”，在原型开发时，了解受众对游戏创意的反应，再对设计的游戏原型进行调整。原型最重要的是快速贯穿设计思路并收集反馈来完善游戏。

图3为集成前的游戏元素的游戏原型。原型的设计者包含一名物理专家和一名科学教师，他们确定游戏组件，检查棋盘和扑克牌的文字。在原型设计完成后，设计团队邀请了玩家进行测试并评估。

(五)测试

游戏开发框架的最后一部分是游戏测试。游戏测试是游戏开发过程的一个重要环节。如果不进行测试，无法保证游戏能正常运转。

例如，可以由物理专家对游戏内容进行判断，由游戏开发者分析游戏机制，由科学教师进行调整，最后由玩家整体测评游戏。此外，由同行评估游戏创意对于游戏反馈也非常重要。

在完成游戏原型设计后，设计师要完善游戏的视觉设计。图4所示的设计具有吸引玩家的视觉元素和图形，可以让学生沉浸在天文学中。

图3 游戏原型

图4 棋盘游戏的最终设计

三、结语

在教学实践中，由于设计游戏程序困难、教学中使用游戏较少，教师和研究人员在游戏教学中遇到了许多障碍，本文为游戏开发提供了一个简单的指南，旨在展示教育游戏设计的原则，提高学生在物理教学中的参与度及其成绩。该设计原则从设计师或教师的角度，从新手到更有经验的游戏创建者角度，支持中学物理课堂中物理教学游戏的应用。