科学桌面游戏设计框架的构建

章佳敏 吴鑫 潘宇宸

上海科技馆

0 引言

游戏在科学教育中是有应用潜力的。科学和科学教育是高度社会性、协作性和脚手架化的活动，具有文化地位，并依赖于文化工具的使用。已有研究表明，游戏可以被视为一种文化工具，支持科学素养的三个关键要素：内容知识、过程技能和理解科学的本质[1]。

在现实中，游戏应用于科学教育，往往会受到一些阻碍。比如，教师很难快速判断哪些游戏适合教学使用；由于游戏中存在大量与学习不相关的内容，因此会浪费课堂时间等[2]。面对这样的阻碍，相较于电子游戏，在形式与内容上更接近于教具的桌面游戏（简称“桌游”）或许有着更天然的教育属性。

但是，开发一款游戏性与教育性巧妙融合的科学桌游*在本文中，我们更倾向于称呼那些可用于科学教育的桌游为科学桌游，而不是科学教育桌游。因为如果一款桌游在设计上是在“科学”的范围内，那么它的教育属性是内嵌在其中的。并非易事。如果只是借用成功的游戏机制，将学习内容插入到已有的游戏结构和规则中，那么学习内容往往是唯一的新输入，而学习也往往局限在知识的记忆上。而结构良好的科学桌游应该有着除了记忆之外更复杂的学习目标，需要将学习内容内化到游戏结构中去[3]。本研究尝试基于已有的理论与实践，提出一种科学桌游设计框架，希望理清科学桌游的开发思路，促进科学学习与游戏玩法之间内在整合。

1 科学桌游开发框架相关的研究现状

近些年，科学桌游已被众多研究验证为一种有效的科学学习工具[4-8]。桌游允许“做中学”，玩家在游戏中代入科学情境；桌游特有的暂停时间（比如等待对手行动的时间）加上与同伴聚在一起的气氛，能够促进玩家的反思与科学讨论[4]；游戏流程的“非电子化”要求玩家对游戏规则和内容有更深的了解，并促进积极思考。不少教育者甚至将科学桌游应用于课堂教学。通过阅读桌游规则书，教育者就在短时间内判断一款桌游是否适用于教学；桌游的规则易于修改，教育者能够根据需要进行调整，甚至与学习者共创规则[9]。

在科学桌游中，《物种起源》系列、《瘟疫危机》系列、《展翅翱翔》等都是“出圈”的作品。在全球最权威的桌游网站Board Game Geek（简称BGG）[10]上，这几款桌游都有着较高的评价与排名。桌游《物种起源》还曾登上权威科学杂志《自然》（Nature），称其“进化的主题不是单纯地拼凑在游戏上，而是改变了游戏玩法”[11]。

与如火如荼的桌游设计实践相比，科学桌游设计的理论研究相对来说要薄弱许多，其设计框架的研究更是零星。因此，本文将研究领域延伸至游戏、教育游戏、桌游、教育桌游，并将科学教育游戏和科学桌游并入后两者进行论述（其相互关系如图1 所示）。

图1 游戏、教育游戏、科学教育游戏、桌游、教育桌游、科学桌游的相互关系

从搜索到的文献来看，除了设计框架（framework）外，相近的研究还包括设计方法（methodology）、模型（model）等，也同样纳入综述范围。

1.1 游戏设计框架

在现有的游戏设计框架中，最为经典的游戏设计框架之一就是MDA 框架，即机制-动态-体验框架(Mechanics-Dynamics-Aesthetics framework）。机制、动态、体验是理解和设计游戏的三个视角，它们彼此独立又因果相连（如图2 所示）。简单理解，机制是游戏系统的规则；动态指的是玩家与游戏系统的动态交互系统；体验指的是玩家与游戏系统交互时所产生的情感体验。以游戏大富翁为例，设计师设计了掷骰子并移动、所有权、淘汰等机制。在游戏过程中，有玩家因为掷骰子运气好，获得了许多土地的所有权，并因此大量收租；也有玩家不停上交罚款，遭遇破产出局。这些玩家与游戏系统的动态交互，都属于动态的范畴。运气好的玩家因大量收租，资金进一步积累，可以买更多的地产，收更多的租金，这是一个正反馈系统，也属于动态的范畴。这些动态系统作用于玩家情感上，导致玩家产生了不同的游戏体验：运气好的玩家满足了成为“垄断大王”的幻想；而运气差的玩家可能会气馁到中途退出游戏[12]。

图2 MDA框架：游戏设计师和玩家的不同视角

因此，从游戏设计师的角度看，设计师直接控制游戏的机制，机制产生了动态系统行为，动态促成了特定的体验。从玩家的角度来看，玩家最容易感受到的是玩一款游戏的体验，其背后由可观察的动态行为所支撑，最终又体现出机制。当开发一款游戏时，从设计师和玩家的不同角度来思考问题，是非常有帮助的[12]。

因为MDA 框架的简明性，导致游戏设计中的许多要素没有包含在内，比如“技术”“故事”等等。因此由MDA 框架发展而来的框架有不少，比如四元素框架（the Elemental Tetrad）[13]、MTDA+N 概念框架[14]等。前者删除了MDA 中的动态，增加了技术和故事两个元素；后者直接增加了技术和叙事。

但无论如何，在游戏开发与评价实践中，经典的MDA 框架非常实用。它虽然并不明确支持科学桌游中科学、教育等元素的融入，但这一经典框架允许我们在此基础上进行调整与延伸。经典的严肃游戏设计框架DPE 框架（The Design,Play,and Experience Framework，设计-游戏-体验框架）就是从MDA 框架发展而来的[3]。

1.2 教育游戏设计框架

教育游戏是跨学科的产物，它的成功设计以游戏设计和教学设计这两个不同学科的融合为前提[15]。教育游戏的关键特征是基于教育需求和理论，而不是仅仅关注娱乐[16]。表1 罗列了教育游戏设计方法、框架、模型中的常见教育理论和策略（参考AVILA PESANTEZ D 等人整理内容[17]）。

表1 教育游戏设计方法、框架、模型中的常见教育理论和策略

我们可以根据表1 内容归纳出以下4 点启示：1）教育游戏的设计，与其说是教育理论与游戏设计理论的融合，不如说是“玩”与“学”的殊途同归。2）在教育游戏设计时，制定好教育/教学/学习目标尤为重要。3）教育游戏不应强调新内容的输入，而是创建一个新的情境（通过模拟等途径），促进新的经验和已有经验、新的概念和已有概念之间的联系。4）以学生（玩家）为中心，激发玩家动机，鼓励玩家参与。

但是我们也不难发现，与一般的游戏设计理论不同，教育游戏设计理论大多是由学术界开发的，这便导致了许多方法更抽象，显得不那么实用[31]。因为当教育理论应用于游戏设计中时，它们似乎始终在抽象的界面上，而非像游戏理论一样可以落在具体的界面上指导游戏设计[32]。

最后，对于科学教育游戏来说，它们的设计框架与一般的教育游戏相比，并不特殊。但有一类框架将游戏机制与科学内容本身相结合，而非教育理论。比如，蒋希娜等人基于安德森的知识划分理论，将科学内容分为描述性知识、程序性知识和情境性知识，并将三类知识与游戏元素相互映射[33]。

1.3 桌游设计框架

在桌游设计领域，最常被使用的游戏设计框架是前文所提到的经典的MDA 框架[34]。但因为桌游设计仍处于早期阶段，相比搭建创新性的、颠覆性的、完全不同于电子游戏的桌游设计框架，桌游设计师和研究人员更倾向于建立起一个更广泛的桌游设计词汇库和知识体系。在这个体系中，机制（mechanics）是最基本的要素——不仅是桌游本身的构建模块[35]，也是桌游传达信息的重要载体[36]。在BBG网站上，共有182 个桌游机制[9]，被研究者归纳为动作（Action）、规则集（Ruleset）、目标（Goal）、组件（Component）和资源（Resource）五类[34]。

与“机制”相对应的另一个重要概念是主题（Theme）。正如桌游设计师马特·弗贝克所说：“没有游戏机制的游戏不是一个游戏，它只是一个故事，抑或只是一个思想实验。而没有主题的游戏也不是游戏，它只是一个数学问题，一个谜题，或是一个简单玩具。”[37]

至于先有机制还是先有主题，这体现了两种不同的设计思路。由机制到主题，是一种数值驱动、自下而上（Bottom-up）的方式来设计桌游；由主题到机制，则是一种概念驱动、自上而下（Top-down）的方式。绝大多数的游戏在设计过程中都会经历二者的结合：为一个主题寻找更好的简化和模拟方案，改进换算路径和比例，再回到主题对参数和资源的种类做增减。[38]

此外，策略与运气也是桌游游戏设计理论中的一组重要概念[36，37，39，40]。过分依赖运气会让玩家感觉与游戏结果脱节。相反，一定程度的运气可以帮助消除玩家技能上的差异，并允许更广泛的玩家参与相同的活动，提升游戏可重玩性[36]。在MDA 框架中，策略与运气的平衡处于“D”(动态)的讨论范畴内。

1.4 教育桌游设计框架

与教育桌游相关的研究集中于开发实例和经验分享，其中涉及的设计框架大多是对设计流程的概括[8，41，42]。对于由经典桌游改编而来的教育桌游，研究者Abbott D.基于LM-GM 理论（学习机制-游戏机制）提出一套科学桌游设计与实施工作流程（如图3）所示。设计阶段的前期和实施阶段主要从教育层面考虑，设计阶段的中后期主要从游戏设计层面、游戏设计与教育学交叉的层面考量[41]。Savvani S.等人提出的设计流程也与之基本相似[8]。

图3 为教育目的改编现有桌游的工作流程

对于原创教育桌游，设计师/教育者也是兼顾教育学和游戏设计，几乎在每个阶段都同时考虑两个层面（如图4 所示）。教育层面的关注点包括目标受众、课程、评价、学习结果、限制条件、主题/故事等；游戏设计层面的关注点包括游戏时长、目标受众、设计者经验、游戏机制、限制条件、桌游组件、规则、主题/故事、测试材料、玩家反馈等。其中，目标受众和主题/故事是两个层面的交叉点[42]。

图4 教育桌游开发框架的设计的设计原则

在科学桌游的设计框架中，除了普适性的教育学理论，研究者也引入了科学概念等科学教育中特有的元素。郑秉汉等人建立起科学桌游、科学模型与科学概念三者之间的连结，即科学桌游与科学模型在科学学习上意义相似，科学模型可以表征科学概念之间的相互关系。通过对桌游的解构，桌游的胜利目标、阶段机制和实体配件被认为可以转化为科学模型，进而呈现科学概念之间的相互联系[43]。Chiarello F.等人认为设计师应根据桌游的主题来选择一个关键概念（key concepts）来促进玩家对主题的理解，并以关键概念为中心，建构起桌游的机制、结构和规则。他们还明确区分了“知识”（knowledge）与“概念”（concept）之间的差异，指出科学桌游设计师应该关注“概念”而非“知识”。“知识”是外部的、说教的，而“概念”是简洁的、相互有联系的。因此，要设计出一套相互关联且必要的机制，基于概念比基于知识更加有效[3]。

2 科学桌游设计的框架构建

基于研究现状，本研究提出一种基于MDA 框架的科学桌游设计框架OTMDA（Objectives-Theme-Mechanics-Dynamics-Aesthetics framework）（如图5所示）。该框架包含设计师、教育者和玩家三个主体，由目标、主题、机制、动态、体验五个要素组成，并以发展科学大概念为主要的教育目标。

图5 OTMDA科桌游设计框架

2.1 经典MDA框架为桌游设计师提供基本思路

在MDA 框架下，设计师可以从自身视角和玩家视角来构思并调整桌游的内容与结构。设计师选择、组合、创新游戏机制，通过机器测试或玩家测试来获知游戏运行的动态，最后从玩家反馈中获得游戏体验。在获得玩家体验后，设计师可以倒推哪些动态系统是不平衡的（比如随机性与策略性是否失衡等），哪些是不必要的，哪些是可以增加的，最后再从底层的机制层面重新调整桌游的设计。如此循环迭代。

2.2 由主题驱动机制构建，并使得两者相互融合

在桌游设计过程中，与机制一样不可或缺的元素是主题，两者互相支撑。对于科学桌游这类自带内容的桌游，主题甚至处于机制的“前置位”，也就是说主题驱动形成机制。在一般的桌游迭代中，设计师可以改变主题和机制中的任意一个来适应另一个，只需保证两者可以无缝地结合在一起[37]。但是，对于科学桌游来说，为了尽量减少不必要的误导，设计师会牺牲一部分创作的自由，往往需要更改游戏机制使其适应游戏主题。

2.3 桌游主题由设计师与教育者共同提出，教育者从教育目标出发考虑主题的选择

MDA 框架原是为商业游戏而开发的，其涉及的主体仅包括设计师和玩家[12]。而科学桌游的教育属性，使得（科学）教育者的角色不可或缺[11]，他们与设计者一起确定游戏的主题。如果桌游设计团队或咨询顾问之中有科技工作者，他们所呈现出的角色状况也更接近于教育者，而不仅仅是科学内容提供者。

当然，在一些情况下，教育者和设计者可能是同一批人，但作为不同角色时的思维方式不同。这具体体现在他们对于科学桌游要实现的目标有所不同。设计师的目标是希望玩家认为自己的作品是足够好玩的——玩家能够在游戏中满足幻想、直面挑战、结交伙伴、乐于探索、敢于表达等[12]。这些目标即MDA中的A（体验）。而科学教育者的目标是希望学习者提升科学知识、培养科学能力和科学态度。游戏设计师与科学教育者在目标上的不同，会使两者的观点发生碰撞，让主题在趣味性和教育性之间取得平衡。

2.4 以发展科学大概念为教育目标，符合科学教育的趋势与桌游开发的特点

科学桌游体现的是一种复杂科学情境的抽象表达。“科学”不仅要为桌游提供真实的游戏背景，添加血肉，还应该与游戏机制一起融入游戏的骨架。这就意味着，参与科学桌游设计的教育者不仅要为游戏提供一些真实的课题，激发学习和游戏的兴趣和动力，还要提出一些重要的概念，建立起游戏机制-现实生活-科学概念的关键联系。

因此，我们将科学桌游的教育目标确定为科学大概念——既不是更具体的“小概念”，也不是更抽象的“顶层概念”。处于交叉学科水平的科学大概念既有普遍的解释力，又不脱离现实世界，能够描述世界如何运作的连贯写照[44]。（见表2）将发展科学大概念作为目标的科学教育，能够培养学习者即使在缺乏相关细节知识时也能掌握事件或现象本质的能力，解决现实事件中遇到的各种新问题[44]，被认为是素质教育转型的新抓手[45]。同时，科学大概念是一个错综复杂的网络，既有纵向的层级，也有横向的关联，强调的是科学概念的相互关系[45]。这与游戏机制之间的相互关联性一致。

表2 由温·哈伦等科学家和教育学家提出的14个科学大概念[44]

3 应用OTMDA 框架来建构一款科学桌游

下面，我们应用OTMDA 框架来建构一款科学桌游的原型（如图6 所示），以初步验证框架的可操作性。以下具体展开其设计过程。

图6 OTMDA框架应用于秦岭相关科学桌游的设计

一位桌游设计师希望设计一款有关秦岭主题的桌游，设想通过桌游的主题（主要是美术设计）展现秦岭壮丽风景和生物多样性，通过桌游机制鼓励玩家探索和直面挑战。同时，教育工作者认为“生物需要能量和物质的供给，为此它们经常需要依赖于其他生物或与其他生物竞争”这一科学大概念与秦岭的主题比较匹配。围绕它，教育者将生产者（植物）、消费者（动物）、分解者（细菌、真菌）、光照、温度、水、矿物质、空间等相互联系的概念引入主题之中。

综合游戏设计师和教育工作者的观点，我们可以确定这款桌游的游戏目标：谁能在秦岭创造一个成熟的、自给自足的生态系统？这意味着玩家最后“建成”的秦岭不仅要有丰富的生物多样性，生态系统中能量的输入与输出也要尽可能相等。

我们可以根据游戏主题来逐步构建游戏机制。游戏的核心机制包括板块抽取系统、轮抽、板块放置等等。桌游的组件包括植物板块、指代动物和微生物的游戏指示物、3×3 玩家版图、卡牌，组件上都标有能量值/能量变化值。

游戏大致是这样进行的。游戏分为三个阶段，植物生长期、动物活跃期和微生物繁殖期，玩家逐步进行植物、动物和微生物的规划。玩家通过轮抽的方式获得植物、动物和微生物，且放置时需遵行一些限定规则。比如3×3 玩家板块上的不同方格光照不同，对光照要求高的植物不能放在光照弱的方格上。放置的生物都会能够产生或消耗不同的能量值。放置的基本原则是尽可能选择种类不同的生物，同时使得最后的能量加和为0。除了轮抽、板块/指示物放置，有时也会因为板块/指示物放置触发卡牌抽取的动作，改变一些环境设定。等微生物指示物全部放置完，游戏结束。玩家得分根据生物多样性和生态系统能量供需平衡两个方面的指标来计分。

以上仅为这款科学桌游的原型，具体的数值与内容需要大量的科学数据做支撑以及需要大量的测试数据在M-D-A 结构中循环验证。

4 结语与展望

本研究所提出的OTMDA 框架为科学桌游设计提供了一种思维方式，而非“操作流程图”。具体的设计流程包括确定游戏目标、游戏人数、游戏时长、游戏结束条件、游戏胜利条件、桌游实体组件的形式、美术设计等都涵盖在了主题和机制之中，并未在框架中体现。

OTMDA 所传达的思维方式具体为：科学游戏的游戏性和功能性在游戏成品上表现是融合的，但是在设计之初，两者的策划相对独立且相互影响。这也是为什么我们将MDA 框架置于横向，教育者和科学教育目标置于纵向排布的原因——横向是游戏的系统，纵向是科学教育的系统，两者在“机制”的点上交汇。也正是因为如此，科学桌游中最为重要的“主题”是由教育者所提出的教育目标和设计师所预设的玩家体验共同决定的。由主题驱动构建机制，互相调整以彼此融合；同时从游戏性的层面迭代设计，由机制到动态到体验，再由体验到动态到机制，不断切换设计师思维和玩家思维。

表1 罗列了许多已有的教育游戏设计方法、框架、模型、方法论等。与它们相比，OTMDA 框架更专注于指向科学教育的桌游设计，而且可以作为科学桌游设计师的入门工具，为初次尝试科学桌游开发的相关人员提供一种思维方式。科学桌游设计团队中的教育工作者不难理解MDA 游戏设计框架，游戏开发人员也能够通过科学大概念“提纲挈领”地理解科学内容。

从OTMDA 框架最后呈现的要素来看，该框架应该也能应用于除桌面游戏之外的其他科学游戏的开发之中。但是，对于电子游戏来说，需要考虑的层面更多，其中“技术”会有更大的比重。“新手友好”的OTMDA 框架可能需要更多补充与延伸。

另外，上文虽然提及了一款原创科学桌游的设计思路，但仍停留在原型设计阶段。后续大量的制作、测试工作还未开展，其游戏的趣味性和科学教育的有效性有待实证的检验。因此，本研究是科学桌游设计研究的起点，重点在于基于游戏设计相关研究和科学教育发展趋势，从理论层面分析科学桌游设计的关键思路。关于OTMDA 框架研究有待后续更多的实践工作来论证框架的有效性，以及更深入的理论研究来拓展框架的适用范围。