游戏升级促学习:初中化学用语启蒙课例研究

温金菊 钱扬义 刘颖彤 周志豪

摘要： 开发了包含九年级需要学习的17种元素、6种根（原子团）与4大类化合物（酸、碱、盐及氧化物36种）的“520化学桌游”的价式卡牌游戏教具，运用“3×N”问题解决教学设计范式，进行游戏化教学设计并实施教学。研究结果表明：通过“520化学桌游”价式卡牌的课堂学习，初学者能够体会到化学学习的乐趣，感受到合作与竞争的愉悦，并在游戏升级的过程中深化“物质由元素组成”的学习。

关键词： 初中化学； 游戏化教学； 化学用语； 520化学桌游； 价式卡牌

文章编号： 10056629（2024）01003708

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

初中化学用语知识主要包括元素符号、化学式、化学方程式等各类化学图式，作为化学学习的重要工具，用以表示物质的组成、结构和化学变化等。在人教版、鲁科版、沪教版的初中化学教材中，化学用语的内容具有一致性，均包含三个方面［1］：（1）化学式的含义、写读规范；（2）化合价的识记与计算；（3）相对分子质量的计算与应用。在实际教学中，该主题内容往往通过编成顺口溜、类比、对比记忆材料的共性与个性等方法，帮助学生记忆元素符号、化学式、化合价等，但由于缺少即时的反馈、互动性较弱等原因，识记的训练往往需要贯穿一个学期反复巩固，效率较低。

卡牌类游戏便于携带、容易上手，在国内外将卡牌的游戏形式融入化学教学的案例较为常见［2］，如利用卡牌进行4人对抗游戏学习阴阳离子组成离子化合物［3］、多人接龙学习“元素符号原子序数化合价”之间的关系［4］、小组卡牌交易识记常见元素名称与符号［5］等。学生通过卡牌游戏学习相应化学用语的效果良好，有利于激发学习化学的兴趣、发展合作沟通的能力，符合义务教育课程标准中“注重启发式、互动式、探究式教学，引导学生自主学习”“倡导‘做中学‘用中学‘创中学”等课程理念［6］。但现有的卡牌教育游戏案例一方面仅聚焦于零散化学用语的学习，知识的连贯性与进阶性较差，另一方面也仅提供了游戏案例，并未阐述如何将游戏与课堂结合实施。

综上所述，本研究主要解决两个问题：（1）如何开发一款具有连贯性、可升级的初中化学用语启蒙教育游戏（包括教具及游戏规则），帮助学生认识常见元素、根（原子团）与不同类别的化合物？（2）如何基于此游戏，设计并实施初中化学用语的启蒙游戏化教学？

2 游戏设计

本研究面向的对象为本省汕尾市某初中的八年级学生，共97名（男生31名，女生66名），均未曾接受化学学科的系统教学，尚未建立微粒观。教学时，需要纳入元素分类与物质分类的教学内容，同时进一步降低化学式与化合价内容的广度与难度，由此归纳相对应的课程标准要求与教学目标如表1所示。

根据钱扬义团队提出的“520CRL”模型（图1）［7］提出如下设计思路：（1）根据教育游戏教具开发的四原则（知识性、科学性、趣味性、美观化），将“化合价”“元素”“物质”等化学概念（concept）融入到游戏教具的设计与开发中；（2）根据“物质由元素组成”“组成物质的各元素化合价代数和为0”等化学规则（rule）以及“复分解反应”的化学规律（law）生成游戏规则，以心流理论与建构主义平衡游戏规则的游戏性与教育性，设计“520化学桌游”的价式卡牌教育游戏；（3）根据“3×N”问题解决教学设计范式进行游戏化教学设计，在游戏化教学课堂的实践应用过程中，评价并改进教育游戏与课堂教学。

2.1 教具设计

梳理人教版九年级《化学》上册教材中“一些常见元素和根的化合价”表格后，根据初高中常见元素及其化合物出现的频率，最终确定了卡牌教具呈现的17种元素、6种根（原子团）与4大类化合物（酸、碱、盐及氧化物36种）如表2、 表3所示，卡牌的数量可根据实际需要来确定［8］。

“520化学桌游”的价式卡牌游戏的含义为：520取“我爱你”的谐音，代表在游戏中学习化学、爱上化学；化学桌游指的是以化学知识学习为主题的桌上游戏；价式卡牌则以学习内容与教具形式命名。卡牌教具分为2副，分别为价态牌与化学式牌，如图2所示。其中，  价态牌包括常见元素的中文名称、英文名称、元素符号、常见价态、核外电子状态图、原子结构示意图以及元素常见原子团和物质应用的科普知识，每张价态牌都采用不同的颜色系列进行搭配。化学式牌主要涉及初中需要掌握的酸、碱、盐、氧化物四类物质，包括其中文名称、化学式、物理性质、游戏中可以进行的反应表达式，以及生活应用科普知识，每张化学式牌的渐变颜色，由对应的各价态牌颜色组合而成，强调“物质由元素组成”。

2.2 规则设计

为体现从“物质由元素组成”到“组成物质的各元素化合价代数和为0”的学习进阶，游戏设置了以基础规则（图3）为核心的“化学火车”游戏规则，只需要价态牌的颜色与化学式牌的颜色一一对应；以进阶规则（图4）为核心的“物质碰撞”游戏规則，价态牌所有元素的化合价相加代数和为0。

2.2.1 “化学火车”规则设计

流程示意如图5所示。

（1） 分类与准备：价态牌堆背面朝上以备抽牌使用，化学式牌正面朝上按照酸、碱、盐、金属氧化物、非金属氧化物分类摆放，以便组成化学式后取用。

（2） 发牌与顺序：每位玩家抽取4张元素牌，由石头剪刀布决出先手与后手的出牌顺序。

（3） 轮次与回合：玩家按照先后顺序，每个轮次先抽取1张价态牌，并可以选择在己方放置1张或不放置价态牌，每个轮次放置的价态牌必须接龙上一轮次的元素牌，直到组合成一个化学式，此时视为完成己方的一个回合。

（4） 合成与收集：组合化学式时，仅需考虑价态牌的颜色与化学式牌的颜色一一对应（物质由相应的元素组成）。而后玩家应当读出与化学式对应的物质名称，确认无误后，方可从物质牌中收集相应的化学式牌。

（5） 得分与胜利：每一张化学式卡牌的右上角星形图标中都标明了分值，收集到化学式牌能够获得相应的分值，最先达到15分的玩家获胜。

2.2.2 “物质碰撞”规则设计

流程示意如图6所示。

（1） 分类与准备：价态牌堆背面朝上以备抽牌使用，化学式牌正面朝上按照酸、碱、盐、金属氧化物、非金属氧化物等分类摆放以便组成化学式后取用。

（2） 发牌与顺序：每位玩家抽取6张价态牌，分别说出自己手上元素的最大序号，决出第一出牌人，而后按顺时针顺序出牌。

（3） 轮次与操作：轮到玩家出牌时，总共有两个操作阶段。

① “阶段1——元素收集”中，可以进行以下任一个操作：

A. 抽牌：在价态牌堆无条件抽一张牌。要保证自己手上的价态牌至少有3张，即：如果只有1张牌，那就抽2张；如果一张牌都没有就抽3张；

B. 换牌：把手上的价态牌全部弃置后，从价态牌堆中抽3张新的价态牌；

C. 卖牌：把一张盐类的化学式牌放回化学式牌堆后，抽取3张价态牌；

D. 攻击（视学情决定是否增加本规则）：化学式牌绿色框内写明可进行的反应，出牌攻击别人已有的化学式牌后，把出的牌放回化学式牌堆，重新抽3张价态牌。对手获得反应后产物的化学式牌。每回合玩家只能攻击一次。

② “阶段2——物质合成”中，根据两条基本准则获得化学式牌：

A. 价态牌的颜色与化学式牌的颜色一一对应（物质由相应的元素组成）;

B. 价态牌所有元素的化合价相加，代数和为0（组成物质的各元素化合价代数和为0）。

若无法合成物质，则轮空，到下一位玩家进行操作。当完成两个阶段的操作后，轮次结束，按顺序由下一位玩家进行操作。

（4） 得分与胜利：每一张化学式牌右上角的星形图标中都标明了分值，收集到化学式牌就能够获得相应的分值，分值先达到15分的玩家获得胜利。

3 教学设计与实施

3.1 教学流程

基于“520化学桌游”的价式卡牌游戏教具与游戏规则，进行“520化学造物工厂”游戏化教学设计，采用“设置情境，提出问题”—“游戏活动，解决问题”—“课堂应用，评价问题”的“3×5”教学流程［9］，如图7所示。本研究在大学生暑期社会实践项目的科普课堂中展开实践，共用3课时（120分钟）。

在教学实施前，以问卷的形式调查学生是否接触过化学教育游戏（表4），其中大部分学生从来没有玩过化学主题的游戏。因此为了提升其学习体验，在课前分组时确保每个小组中都有1～2名曾经玩过化学主题游戏的学生，在课堂介绍游戏规则时关注学生的疑惑，及时解答与演示。

3.2 教学实施片段

3.2.1 环节一：牌面探索

教师：请各小组分发价态牌和化学式牌，观察牌面，你们能发现哪些信息？

学生1：价态牌有2种不同的牌面，一种是只有单个大写字母的，一种是由多个大写字母组成的。

学生2：价态牌牌面还有中文名称、英文名称、带有正负号的数字和不带正负号的数字，还有一些生活中用途的信息等等。

学生3：化学式牌牌面有分值、物质的中文名称和表示它的英文字母组合、该物质的生活用途，还有绿色方框内有一些很长的式子。

教师总结并展示图8，引导学生一同归纳价态牌与化学式牌的牌面信息，介绍元素的读音可以读半边并带领学生一起朗读价态牌的元素名称。

3.2.2 环节二：卡牌分类

教师：你们能够将价态牌分为几类呢？又能够将化学式牌分为几类呢？请同学们在小组内分工合作进行分类，并讨论分类的依据。

学生1：价态牌上元素的中文名称偏旁部首有一定的规律，比如钠和钾都是“钅”旁、氢和氮都是“气”头、碳和硫都是“石”旁，可据此分类。

学生2：化学式牌上物质的中文名称也有規律，比如银盐和铝盐都带“盐”字、硝酸和硫酸都带“酸”字、氧化铁和氢氧化铁都带“氧”字，可据此分类。

教师：归纳能力很强，不过对于物质的分类，还有一些细节需要大家注意，对于氧化铁和氢氧化铁，我们需要根据“化”字进行断句，所以“化”字前是“氧”“几氧”的，比如氧化钙、二氧化锰，都属于氧化物；而“化”字前是“氢氧”的，比如氢氧化钠、氢氧化钙，都属于碱。

教师介绍价态牌可以根据偏旁部首分为金属元素与非金属元素等，化学式牌可以根据物质类别分为酸、碱、盐和氧化物等，补充水、氯化氢、氨气、一水合氨的化学式牌分类细节（学生也有可能会提出根据卡牌的色系、数字的奇偶、科普的用途等进行分类，应鼓励他们细致观察和想象能力）。

3.2.3 环节三：化学火车

教师介绍游戏规则，学生小组内合作进行游戏，教师巡堂并解答学生在游戏过程中产生的疑问。游戏结束后，教师引导学生总结游戏策略与化学知识。

教师：在化学火车游戏中，同学们都有什么获胜的策略呢？

学生1：要先观察好化学式牌的元素组成，再思考手上的价态牌组成哪些化学式得到的分值会最高，比如都是氢元素、氧元素和铁元素，组成氢氧化铁比组成氢氧化亚铁的分值高。

学生2：如果用元素符号对应化学式比较难，还可以将不同价态牌的颜色和化学式牌上面渐变的颜色相匹配，能匹配上，就能够用价态牌组成那个化学式牌。

教师：很好，大家已经注意到了，在这个游戏里面，我们要学习的就是“物质由元素组成”，相同的元素可以组成不同的物质，而这个“不同”体现在了相应元素的原子数量上，下面我们通过物质碰撞游戏进一步学习。

3.2.4 环节四：物质碰撞

教师介绍游戏规则，学生小组内合作进行游戏，教师巡堂并解答学生在游戏过程中产生的疑问。游戏结束后，教师引导学生总结游戏策略与化学知识。

教师：在物质碰撞游戏中，同学们都有什么获胜的策略呢？

学生1：当我手上的价态牌都不能组成化学式的时候，不如全部舍弃，换新的价态牌，这样可能出现转机。

學生2：如果别人快赢了，那我就可以用手上低分值的化学式牌通过一些反应“攻击”对手高分值的化学式牌，这样虽然我失去了一些分值，但是我能够得到新的价态牌，可能组成更高分值的化学式。而对手失去了高分值的化学式牌，只能得到“0分的水”化学式牌和“1分的盐”化学式牌。

学生3：有的时候即使不用看化学式牌，我也能用手上的价态牌组成准确的化学式，比如用1张“+4价的碳”和2张“-2价的氧”就能组成“二氧化碳”，这个时候（黑板板书）：+4+2×（-2）=0。

教师：看来大家收获颇丰，在这个游戏里面，我们要学习的就是“组成物质的各元素化合价代数和为0”。根据这个规则，我们既可以通过已知化合价的元素组成不同的化学式，又可以通过化学式中部分已知化合价的元素推算出其他元素的化合价。

3.2.5 环节五：心得分享

教师带领学生总结元素分类、物质分类、物质由元素组成、组成物质的各元素化合价代数和为0、物质之间可以相互转化等基础知识，并为积分较高的小组颁发游戏奖章。

4 教学效果

对学生实施了“520价式卡牌”的游戏化教学，而后进行学习效果、学习态度的调查研究。

4.1 学习效果

参考已有研究［13］，进行知识学习的前测与后测。测试题的内容如表5所示，共6个项目17小题，题型为单选题、多选题以及数字填空题等，每答对1个空则计1分，不答或错答则计0分。

运用SPSS20.0软件进行测试成绩的正态性检验，样本数据满足正态分布要求，而后进行配对样本t检验，分析结果如表6所示。在前测时，由于呈现在卷面上的卡牌信息浅显易懂，学生凭借常识与简单的推理也能够拿到一定的分数。在课堂结束后，学生的后测成绩总分显著提高，效应量大于0.80，表明通过化学游戏化教学，学生对初中化学用语的掌握有所提升。此外，后测中第1、 2、 4、 5、 6小题的平均分相较于前测有显著性的提升，效应量均大于0.50，说明教学环节一、三、四、五对学生掌握相应化学知识的程度得到提升；而第3小题的后测成绩虽有提高，但不显著，效应量小于0.20，这可能是因为学生通过中文名称或化学式对“氯化氢”“水”等特例物质进行分类能力稍显薄弱，在后续正式教学时应当加强俗称与命名的教学。总体而言，运用“520化学桌游”的价式卡牌进行初中化学用语的启蒙教学是有效的，能够基本达成“元素分类”“物质分类”“物质由元素组成”“组成物质的各元素化合价代数和为0”等教学目标。

4.2 学习态度

参考已有研究［14］，采用李克特7点量表，调查学生对“520价式卡牌”的态度，剔除漏填、前后矛盾等无效问卷后，回收问卷76份，信度检验α值为0.876，表明本调查问卷信度较高，调查结果如表7所示，其中带星号的为反向题。可见学生对“520价式卡牌”的喜爱程度高，运用游戏化教学的方式能够提升学生的化学学习兴趣、吸引学生的课堂注意力。

5 教学反思

在课堂教学中，也存在以下需要改进的方面：

（1） 一个班级里学生的水平不能仅满足于正态分布，为了提升不同层次学生的课堂参与和游戏体验，可在课前根据学情进行小组分配，重点跟进部分对游戏规则理解与化学知识学习上存在困难的学生，同时鼓励学生之间互相学习、互相帮助。

（2） 考虑到实际教学的课时问题，除了利用科普课堂一次性完成本课的教学以外，还可将其作为初三正式课堂教学的补充内容，根据具体的教学进度，将一个游戏的不同难度等级，分环节融合于第二课堂或社团活动中，实现正式课堂与游戏升级的相辅相成。

参考文献：

［1］杨宝权. 基于教材文本解读的单元一体化设计——以“化合价与化学式”教学为例［J］. 化学教学， 2022，（1）： 52～55，60.

［2］李娟， 钱扬义， 彭豪等. 国内外化学扑克牌游戏现状述评［J］. 化学教育， 2012， 33（9）： 126～130.

［3］［13］Nusret K. ChemOkey： A Game To Reinforce Nomenclature ［J］. Journal of Chemical Education， 2012， 89（8）： 1047～1049.

［4］［14］Luis F M， Gina H， María V A. Cheminoes： A Didactic Game To Learn Chemical Relationships between Valence， Atomic Number， and Symbol ［J］. Journal of Chemical Education， 2014， 91（6）： 872～875.

［5］Antonio F M， Jos O M， Serafín B M. An Educational Card Game for Learning Families of Chemical Elements ［J］. Journal of Chemical Education， 2012， 89（8）： 1044～1046.

［6］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［7］温金菊， 钱扬义， 周志豪. 初中化学“520价式卡牌”的游戏开发与初步应用研究［A］；游戏化学习与未来教育学术会议暨中国教育技术协会教育游戏专业委员会2022在线年会论文集［C］. 2022.

［8］王晶， 郑长龙主编. 义务教育教科书·化学（九上）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012.

［9］钱扬义， 林丹萍， 张惠敏等. 玩转520化学桌游： 化学用语启蒙教育游戏学习法［M］. 北京： 科学出版社，2021.