游戏化学习在植物生理学光呼吸课堂教学中的应用

王磊鹏，王亚坤，滕 云，杨 丽，岳建华，韩坤键，徐函兵

（信阳农林学院园艺学院，河南 信阳 464000）

植物生理学是研究植物生命活动规律的科学，主要包括植物的水分和矿质营养、物质和能量转换、植物的信号转导、植物的生长和发育4 个方面的内容[1]，是植物生产类、生物科学类相关专业本科生的一门重要的专业基础课。其中，光合作用是物质代谢和能量转换中的重点内容，也是教学难点之一。光合作用包含叶绿体及其色素、光合作用过程、光呼吸、影响光合作用的因素、植物对光能的利用等知识点，理论性和应用性较强。针对光合作用相关知识点，教学前期采用课前发布学习任务，课中针对问题精讲，课后阶段测试的传统翻转教学形式进行。但由于该知识点涵盖内容较广，学生往往对某一知识模块记忆较为深刻，但对于知识模块之间的联系则了解较少，不能形成很好的知识体系。为了帮助学生将知识模块进行贯通，形成知识体系，引入游戏化的学习方式。

游戏是人类的基本行为，教育和工作其实就是游戏[2]。当代著名教育心理学家杰罗姆·布鲁纳（Jerome Seymour Bruner）认为，学习最大的原动力在于使得学生主体对知识学习产生浓厚的兴趣，而游戏将是激发学生主体浓厚兴趣的最佳途径[3]。简·麦格尼格尔在《游戏改变世界》中指出，游戏化可以让现实变得更美好，提升人的幸福感，构建更美好的现实社会[4]。游戏化学习就是采用游戏化的方式进行学习，教育者将游戏作为与学习者沟通的互动平台，采用游戏的方式向学习者传递知识信息[5]。游戏化学习实质是一种学习模式，教育者采用游戏的方式，为学习者营造一种相对宽松、自由的氛围，学习者以游戏作为平台开展学习，从而促进学习者创造能力、问题解决能力、合作交流能力等高阶能力的发展[6]。

游戏化学习具有多元化的学习体验，包括基于情境的认知体验、基于协作的社会性体验和基于动机的主体性体验[7]。研究表明，基于学习科学的游戏设计能够帮助学习者获得更加科学、有效的认知体验[8]。

1 游戏化学习的设计与实施

1.1 游戏设计

选择光合作用中光呼吸的过程作为游戏的框架。该知识点涉及叶绿体、过氧化物酶体、线粒体3个细胞器之间的协作，过程繁琐但逻辑简单，与其他知识点联系紧密。根据光呼吸的反应过程，设计相对应的游戏环节，有利于该知识点的巩固并建立知识框架。

1.2 准备工作

①知识准备：前期已学习过叶绿素的光合特性、光合电子传递链、碳同化等知识点，自学光呼吸具体过程；②人员准备：以29人班级为例，将学生分成6组，每组4～5人；③物品准备：教师准备好游戏中所需要的题目、道具、奖励等物品；④规则讲解：教师针对游戏规则进行详细讲解，确保学生在较短时间内熟悉游戏流程及规则。

1.3 实施

1.3.1 游戏背景设计

知识背景：植物细胞叶绿体中的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）是双功能酶，在CO2浓度高的情况下，该酶催化1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）和CO2与H2O 进行羧化反应，生成2分子的3-磷酸甘油酸；在O2浓度高的情况下，该酶催化RuBP 和O2进行反应，生成1 分子的3-磷酸甘油酸和1分子的磷酸乙醇酸。3-磷酸甘油酸可以正常参与卡尔文循环，而磷酸乙醇酸需历经叶绿体、过氧化物酶体、线粒体转换成3-磷酸甘油酸重新参与到卡尔文循环中去。

根据该反应特点，再结合深受学生喜爱的动漫《国王排名》中的波吉形象，将磷酸乙醇酸包装成“波吉”，设置如下游戏背景：Rubisco 王后怀了一对双胞胎，可是由于CO2含量的不足，本该受到CO2的祝福平安出生的一对小王子，却被O2抢先，在这样的情况下他们出生了，弟弟是一个健康可爱的磷酸甘油酸，而哥哥却成了又聋又哑的磷酸乙醇酸。哥哥在王宫受尽了排挤，为了走出自己的路，哥哥化妆成乙醇酸，从叶绿体中离家出走。

根据乙醇酸的冒险之路，设计游戏关卡。

1.3.2 过氧化物酶体

知识背景：在过氧化物酶体中，乙醇酸需要和O2反应生成乙醛酸，乙醛酸和谷氨酸反应生成甘氨酸。

游戏设计：在此关卡中先利用题目抢答并用抽签的方式将6 组同学分成2 队，每队3 组同学。一队为O2队，一队为谷氨酸队。O2队的任务是拿到谷氨酸队的氨基，谷氨酸队的任务则是保护氨基。闯关形式为抽盲盒，盲盒中为光合作用的相关题目和2 个氨基。由谷氨酸组人手1 个盲盒，氧气组每组派1 人选择1 个盲盒开启，开出氨基直接进入下一关，开出题目需进行回答，限时30 s，回答正确继续开盲盒，回答错误由下一组同学开盲盒。抽盲盒方式：灵魂捕手。上场同学戴上蜘蛛侠蛛丝手套“捕捉”拿盲盒的同学，手拿盲盒同学可以躲避，挨到即算捕捉成功。抽到氨基签直接晋级，不需再抽盲盒；若氨基酸被守护成功，成功守护的小组进入下一关。

晋级方式：2个拿到氨基的小组晋级并获得晋级奖励，剩余4个小组利用游戏小道具再次进行PK，最终失败的小队接受秘密任务，3个小队留守下一任务。

奖励方式：个人+团队作战，小组成员谁抽题谁得奖励贴纸，回答完问题后由被抽题同学判断对错，判断正确被抽同学得奖励贴纸，判断失误不得奖励贴纸。奖励贴纸可换取个人奖励。晋级小队可获得晋级奖励。

1.3.3 线粒体

知识背景：甘氨酸进入线粒体后，2分子的甘氨酸反应生成1分子的丝氨酸和1分子的CO2。

游戏设计：魔法阵，进入此阵的同学，会受到镜子的攻击，小组内同学必须做相同的动作，否则会被消除。全组动作，1人做，其他人学，最整齐划一，坚持最久的小组获胜。胜利小组获得晋级奖励，失败小组接受秘密任务。

1.3.4 返回过氧化物酶体

知识背景：丝氨酸和谷氨酸的碳骨架α-酮戊二酸进行反应生成羟基丙酮酸。

游戏设计：由留守的3个小组进行反击，闯关小组需选择一个小组进行挑战，若挑战成功，被挑战组失败并接受秘密任务，闯关小组和剩余2 个留守小组进入下一关；若挑战失败，3个组守关小组进行下一关，挑战小组接受秘密任务。挑战方式：你来比划我来猜。小组成员排成一队，第一个成员抽到题目后用肢体语言描述，传递给下一位成员，队员间依次比划传递，不能发出声音，由最后一名成员猜测题目内容，答案最接近的小组获胜。失败小组接受秘密任务。其余3个组合并为闯关小队。参与挑战并获胜的小队获得晋级奖励。

1.3.5 终极挑战

知识背景：羟基丙酮酸在过氧化物酶体中消耗1 分子NADH 生成甘油酸，甘油酸进入叶绿体，消耗1分子ATP生成3-磷酸甘油酸。

游戏设计：秘密任务：守护NADH 和ATP。NADH 和ATP是回归叶绿体，成为3-磷酸甘油酸的重要能量，缺一不可。接受秘密任务的小组，任务是保护这两个能量不被找到。闯关小组负责找到这两个能量。

1.3.6 终极对决：撕名牌

闯关小队的名牌后空白，秘密小队的名牌后有题目或者是NADH 和ATP 其中之一，撕掉名牌的后面是题目的，负责回答该题目，撕掉名牌后面是NADH 或ATP 的，可直接保留。同1个小组必须同时拿到NADH和ATP才算成功。最终获胜的小组获得终极大奖。若拿到了NADH 或ATP 的小组，但是小组同学全部被淘汰，则淘汰该小组最后1 名同学的小组获得该小组的NADH 或ATP。撕名牌结束后，撕到题目的同学回答题目，回答正确的获得奖励贴纸，回答错误的被撕同学得贴纸。

1.3.7 故事结尾

磷酸乙醇酸从叶绿体出发，途径过氧化物酶体、线粒体，又重新沿着线粒体、过氧化物酶体返回到叶绿体中。历经千辛万苦，终于成为了3-磷酸甘油酸。磷酸乙醇酸经历了痛苦，也收获了成长和友情，它终于找回了自己，成为了自己原本就应该成为的。人生难免会有弯路，且弯路的风景也很美，但心中有路，就不会迷失方向，最后仍能抵达目的地。

1.4 游戏设计思路

游戏化学习过程中，容易出现游戏和学习内容脱节，学生过于投入游戏而忽视学习内容的现象。本次游戏化学习设计用与反应历程相似的虚拟背景进行构建，将生成的两种化学物质比喻成受影响的双胞胎兄弟，游戏背景和学习背景合二为一，学生对知识化的游戏背景接受程度更高。

将游戏根据反应过程中的3 个细胞器设置成相应的四关，每个关卡中的游戏设计都基于相应的知识背景，在游戏中体会反应过程；关卡中盲盒、你比划我猜、撕名牌等环节中的题目均来自于光合作用相关的知识点，考察学习内容的掌握程度和应变能力，促使学生在紧张的游戏竞争环节中唤醒学过的知识点，有助于知识网络的形成；关卡中的题目内容由易到难，充分考虑到不同小组不同知识点掌握情况；每个环节都设置有游戏个人和小组奖励，学生每回答一个问题可获得个人奖励，小组每完成一次晋级可获得小组奖励，学生根据自己的知识掌握情况和小组配合情况，可在不同的游戏关卡中获得相应的奖励，使不同水平层次的学生都能参与并有所得。

游戏最后根据磷酸乙醇酸最终转变为3-磷酸甘油酸的艰难历程，利用科学问题本身进行课程思政融入，学生接受程度高，并对学生三观产生一定的积极影响。

游戏最后评出终极大奖获得小组、最佳个人和最佳配合小组等，对学生的在游戏中的积极表现给予正面激励和评价。游戏结束后针对游戏中的表现和知识点进行复盘和总结，并将错误题目后的知识逻辑重新梳理，帮助学生打通思维症结，形成知识体系。并由获奖小组发言进行反思总结，将知识内化于游戏，又从游戏中提炼而出，锻炼了学生的高阶思维能力。

2 结果评价

游戏结束后发放调查问卷，问卷由考察知识点相关题目、参与度题目、课程思政相关思政点反馈、意见和反馈4 个方面的内容组成。利用问卷星对学生进行教学效果评价的调查，本次调查问卷发放在普本生源招生、对本生源招生2个班级，共回收调查问卷53份，结果显示：知识点相关题目中涉及光呼吸知识的题目共5 道，正确率最高为86.79%、最低为79.25%，从0 分到10 分对“本次游戏化学习对于知识点的掌握有没有帮助？”进行评价题目，平均得分为9.06分，从0分到10 分评价“游戏中的题目你认为难度如何？”题目，平均得分为6.21分。

该部分问卷题目考察学生对知识点的掌握情况和学习迁移的能力，针对光呼吸涉及的知识点，将近80%的同学能够回答出正确答案，说明绝大多数学生都掌握了光呼吸游戏设计中涉及到的知识点，并在对帮助知识点的掌握上给予了较高的分数，说明针对光呼吸知识点，学生可以将游戏情境中的体验较好地迁移到正式的学习中。但在游戏中关于题目难度的问卷调查中，平均得分并不高。此题目为游戏过程中光合作用相关知识点，在游戏过程中，基础较差的对本生源的学生答题正确率并不理想，部分学生积极参与到了游戏中，但对游戏中的题目并不能进行很好的回答。说明在前期光合作用相关知识点的学习过程中，对知识的掌握并不牢固，一些有意设计的“陷阱”题目，更是几乎全军覆没；普本生源的学生基本能够正确回答游戏中所涉及的题目，对于“陷阱”题目的回答，虽不能全部回答正确，但针对题目中的思维“陷阱”能有一定察觉。说明对于前学知识点，学生对新学知识的建构和其基础知识的掌握程度有很大关系。

参与度问卷题目显示，有92.5%的学生积极参与到了游戏中，几乎所有的学生对小组其他同学的贡献表示了肯定，有的充当军师，有的负责查找资料，有的为了团队利益在撕名牌环节牺牲自己，小组成员相互协作，行动敏捷；有77%的学生获得了个人奖励，最高6个，最低1个。

学习是人与人之间交流合作的过程，也是游戏化学习体验的重要内容。本次游戏化学习采用个人表现+团队合作的形式开展，教师进行指导，较好地促进了学生之间的团队合作，并锻炼了自身能力。

对题目“本次乙醇酸转变为3-磷酸甘油酸的艰辛历程对你以后面对困难时有何积极影响？”的作答情况进行观点分析，形成如图1所示词云，说明学生通过此次游戏化学习形成了积极的人生态度，是一次成功的、潜移默化的思政教育。

在意见和反馈中，几乎所有的学生都表示提升了对本门课的兴趣，有33 人表示加深了对知识点的印象和理解，有15人表示提升了团队精神，有10人表示收获了开心和快乐。说明此次游戏化学习较好地激发了学生的学习动机，培养了学习兴趣。

3 结语

光呼吸是光合作用章节讲解中较难的知识点，理论性强，与前学知识结合紧密，学生面对枯燥的理论学习很难提起兴趣。本次游戏化学习设计建立在学生前期对新学的知识点进行一定建构的基础上，拔高学生对新学知识的理解，将知识模块融会贯通，提升学生对较难知识点的学习积极性。结果显示，对于此次游戏化学习设计的知识母版光呼吸知识点，学生在游戏中能进行较好的知识迁移，起到不错的效果，但对于其他的光合作用题目，正确率并不高，这是因为学时安排紧密，且学生未能认真复习。直观的结果能刺激学生及时反思，同时也提醒教师在游戏化学习过程中，要实现高阶知识的建构，需要教师进行一定的认知辅助，以帮助学生真正实现知识模块的连结，实现预期的认知结果。

本次游戏化学习从游戏背景、闯关环节和结语升华等多方面进行了课程思政的尝试，注重显性和隐性课程思政的双线设计，从而真正达到潜移默化的思政育人效果。整个教学设计采用由易到难、层层闯关的方式进行，使不同学习层次的学生都能有所收获，并且在游戏过程中得到的及时奖励可以持续激发学习动机。但本次游戏设计也存在只能适用于小班教学，因为规则不够细化，对于题目答错的同学并未给予适宜惩罚等问题，需要结合实际情况进行调整。

大家对教学中游戏化学习的应用效果期待较高，但相关的实践性研究较少，在中小学课堂教学中应用较多，但在大学课堂中的应用和尝试较少。本次光呼吸课堂教学中对游戏化学习的应用，提升了学生对本门课程的参与度和兴趣，很好的锻炼了学生多方面的能力，也是植物生理学课堂教学创新教学模式和方法的有益尝试。