基于学习兴趣培养的认知游戏设计——以中小学生跨学科学习为例

郑富，卢恩泽，郭芦波

（1.河南大学，河南开封 475000；2.河北省保定市前进小学，河北保定 071000；3.天津中德应用技术大学，天津 300000）

近年来，科技与网络的迅速发展推动了网络和游戏的兴趣与发展，学生成了网络和游戏的主体。然而，游戏设计本身的目标是营利，这就造成了各式各样的游戏公司，开始将教育理论转化为可营利的理论，如将沉浸学习转化为沉迷游戏、将小组互动学习转化为多人游戏型式，造成从小学、初中、高中、大学，甚至包含成人，都存在许多人沉溺其中而无法自拔。此外，浙江省疾控中心董晓莲等人研究指出，青少年的游戏成瘾，使青少年将游戏优先于其他生活兴趣和日常活动之前，并且会对个人、家庭、社会、教育产生显著痛苦或严重损害[1]，这说明了游戏会促使青少年的生活单一化，不仅不学习，而且是脑中只有“玩游戏”。此外Wang等对中国中学生的游戏成瘾研究发现，27.6%的青少年玩电子游戏或网络游戏，通过游戏成瘾表，测得其游戏成瘾概率为14%，说明有超过50%的青少年，一旦开始进入“玩游戏”的过程中便会成瘾，可见其严重影响。基于教育目的而设计的教育游戏，如周雪薇针对小学生的科学课学习所开发的教育游戏[2]、张亚芳针对初二学生历史学习所开发的历史剧编演游戏[3]等，都给学生的学习效果带来显著的提升，故游戏并非学生学习的主要影响因素，游戏设计者的目的才是真正影响学生问题核心。本文基于学生学习兴趣培养，从认知游戏设计思想、概念模型构建的视角出发，以中小学跨学科学习为材，进行说明及探讨。

一、认知游戏设计思想

（一）游戏进行须线下可单人可多人

线上游戏，虽然互动较多，但是对于游戏设计的门槛较高，须以程序进行编程，并且只能在手机、平板或电脑进行，除了日后对游戏的修改成本较高外，由于学生在进行游戏时，能有机会“偷懒”干别的事情，长期来说是更容易促使学生沉溺在手机、平板及电脑的“玩瘾”之中。

（二）游戏机制须可闭环

游戏机制的可闭环意指机制的本身是公平的，并且不存在程序上的逻辑问题。学生在进行游戏中，会投入自身大量的时间资源及精力资源，倘若机制本身不公平，有某些人存在非法的游戏特权，会使学生感到自身的权益遭受侵害，进而造成学生所投入的资源损失，最终学生决定不再进行游戏。

（三）游戏进行须围绕学习

虽然认知游戏的组成包含娱乐性设计及学习性设计，但在学生进行游戏的过程中，却存在只玩不学的可能性，而认知游戏的设计目的在促使学生各学科的认知水平及跨学科学习能力皆能得以发展，故在游戏的进行机制中，须有确保学生始终围绕学习的设计。

（四）学习任务难度须符合学生的最近发展区

在学习任务的进行中，任务太难会令学生玩不下去，太简单则会使学生感到没意思，只有让学生感到有一定困难，但又是努力可以达到的任务，才能对学生有持续的推动作用。对于学生而言，最近发展区是一个动态的变化过程，因为学生通过“做任务”提高了自身认知水平，同时扩大了最近发展区，故学习任务的难度设定，必须符合学生实时变化的最近发展区。

（五）游戏参与者可允许多层次参与

一个引人入胜的游戏设计，经常是允许多层次的学生同时参与。学生在游戏过程中，享受着与不同智力水平、不同年纪、不同社会阶层的人们公平较量的快感。故在游戏机制的设计中，应该要能允许让成绩不同、年级不同的学生能够进行竞赛的设计。

（六）游戏过程须激发持续参与兴趣

不同于学校的学科课程所具有的参与强制性，学生不论喜不喜欢都得学、学得好不好都得参与中考，每个游戏的参与者在任何时刻都存在放弃进行游戏的可能。多数学生在一开始仅是因为新奇感而参与游戏，但随着时间的推移，新奇感逐渐消退，开始产生某些学生不愿意继续参与。故在游戏的设计中，须有持续保持其持续参与的机制。

二、认知游戏概念模型

（一）认知游戏要素

1.特权与移动

在认知游戏设计中通过丢掷骰子，依点数进行移动的方式进行游戏，并以停留、前进、倒退三种移动方式定义了“移动”的内容；以盾牌卡的属性防御、魔法卡的移动方式升级、武器卡的属性攻击定义了“特权”的内容。

2.命运与机会

在认知游戏设计当中，因为“非预期”是一个保证学生持续参与的重要设计，故在整个游戏当中，设置了命运与机会两种随机选项。抽到机会大多能得到特权卡、而命运则可能是对所有玩家产生正面或负面的影响，也可能是强制抽取学习任务，也可能是运动项目。

3.活动与任务

在认知游戏中，“活动”指学生不论身体素质好坏，都可徒手进行，并且没有受伤风险的运动及与他人的趣味互动，“任务”专指学生可独立进行的学习任务，“活动”源自命运与机会，“任务”源自游戏进行中的各子内容。

（二）跨学科学习要求

通过搜集1990年至2016年间物理学与化学领域的113位诺贝尔奖获得者个人自传、人物传记和演讲等材料，发现绝大部分获得者都有博士生教育的经历，并且有81%在孩提时代就对科学或数学等智力探索和创造性活动产生兴趣，同时都有基于专业领域的相近性学科的知识学习[4]，可见跨学科学习是顶尖人才们的显著特点。

但是在中小学的学校课程设置中，有九成以上是单学科设置，不论是教师、学生或家长，在这样的学习环境中也习惯了单学科思维。现实世界中的大多数问题，经常是跨学科的存在，而中小学的分科教学，却只能让学生掌握各学科体系内的知识内容，一旦遇到综合性的问题，容易令学生感到手足无措[5]。故在认知游戏中的跨学科学习要求，并非让学生学会跨学科知识，而是产生跨学科学习兴趣，并建立跨学科的问题发现能力、问题解决思维。

（三）学习的认知层级

结合提升认知的四层次68个学习目标[6]，提炼出四级共12种学习任务

1.识别（依据书上的某一个原则找出不同书上的符合原则的问题或例子）

任务依序为：找出一个原则、说明这个原则、找出符合原则的例子、说明这个例子为何符合这个原则。

例如在生物的糖的分类中，淀粉在水中会水解成为麦芽糖，而人在吃馒头时会感到馒头发甜，是因为馒头主要由淀粉构成，淀粉在人的口腔中由于唾液淀粉酶的催化作用，水解成为麦芽糖。

2.说明（说给别人能理解）

任务依序为：找出一个知识点、用通俗的语言讲给别人听、向对方提问。

例如在初三物理分子的热运动中，分子热运动的快慢与温度有关，温度越高，分子运动越快，则分子运动范围增大，这时分子间的平均距离就会增大；同理温度越低，分子运动越慢，则分子运动范围缩小，这时分子间的平均距离就会缩小，这种状况简称热胀冷缩；同体积同质量的水，常温与结冰的情况相比它们的体积大小没有区别吗？

3.改正（把错误的改为正确的）

任务依序为：自己想出或在书中找出一个知识点、用错误的方式告诉别人、将这个错题指出并改正。

例如在初三数学的二次函数中，找出“二次函数的定义”，错误的说法是二次函数y=ax²+bx+c(a、b、c是常数，a≠0）中自变量x的取值范围是所有整数；指出自变量的取值说法是错误的，自变量x的取值范围的正确说法应是所有实数。

4.应用（用一个方法在不同情况下解决问题）

任务依序为：想出或找出一种解决问题的方法、用这个方法去解决一个不同情况下的问题。

例如物理中的控制变量法，控制变量法是在做物理实验时研究物理量之间的关系，同样可以将控制变量法运用到其他学科的实验中，例如在做生物的研究实验时，可以先控制几个因素不变，再集中研究其中一个因素变化所产生的影响。

5.演示（用工具把信息给别人理解）

任务依序为：找出一个知识点、想想身边有什么工具、用身边的工具进行演示、讲出演示内容的知识概念原理。

例如在物理的杠杆原理中，用一把尺子、木棍和橡皮来模拟投石机，木棍支撑尺子的部位是支点，而手作为动力点到支点就是动力臂，橡皮作为阻力点到支点就是阻力臂；概念和原理是杠杆由动力、阻力、动力臂、阻力臂和支点组成，若一根硬棒，在力的作用下能围绕着固定点转动，这根硬棒就叫杠杆。

6.渲染（夸张叙述）

任务依序为：找出一个知识点、想象有什么夸张的表述形式、找出适合的表述形式来叙述这个知识点。

例如找出知识点“食物链”，小吃大的方式可以用动作、用表演、用画漫画的方式进行表述、决定画个漫画（在一个漫画中有草、大象、蛇，其中大象吃草、蛇吃大象、蛇死后被草吃，并将这几个画面以箭头线段连接起来）以表示不同生物间的吃与被吃的关系，并说明这个关系就叫作食物链。

7.分类（按某项共同特征进行归类）

任务依序为：找出三个或三个以上的知识词汇、找出他们的共同特征、找出他们的各自特点、依据共同及不同进行分类。

例如在初二物理的弹力、浮力、摩擦力的分类中，这三种力都存在力的方向、大小及作用点等共同点。弹力的方向与施力物体发生弹性形变的方向相反、弹力的大小仅跟弹性形变程度有关、作用点就是挤压受力物体的接触面；浮力的方向与重力的方向相反，而浮力大小仅与排开水体积所受的重力有关、作用点就是物体在水中的上面及下面；摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反、摩擦力大小与接触面的粗糙程度及压力大小有关、作用点在物体间的接触面上。

8.对比（对矛盾或对立的事做比较）

任务依序为：先列举两个具有矛盾或相反对立的知识点、分别解释这两个知识点、以一个为主另一个为辅的方式进行说明。

例如物理中的熔化与凝固现象是相反的，熔化是物质从固态变成液态的过程、凝固是液态变成固态的过程。固体熔化过程中需要进行吸热，而凝固的物态变化过程与熔化过程相反，相对于熔化过程中的吸热反应，凝固应为放热反应。

9.证明（根据已知证出想证明的事物是对的）

任务依序为：确定好已知的知识，从书中找出想要证明事物，根据已知知识证明出此事物的正确性。

例如数学中等腰三角形中，已知等腰三角形的两底角相等、顶角平分线、底边上的中线及高是同一条件，所以能这个三角形平分成两个全等的三角形。

10.改编课本内容（根据原作进行改写，不论改完后是否正确）

任务依序为：选定课本并找出其中一段知识描述或者课文故事、根据内容进行改写（改变其形式、改变其用途、将内容中的错误和缺点不论对错的并进行改写）。

例如将历史知识“阿拉伯文化的数学成就是阿拉伯人改编古印度人的计数为阿拉伯数字”进行同学科改编为“日本人改编中国的制茶方法形成日本的茶道”、跨学科改编为“生物知识中，把植物体结构的细胞—组织—器官—个体层次改编为动物体结构的细胞—组织—(器官+系统)—个体层次”。

11.创造（将两个以上的概念进行新的联系）

任务依序为：提出两个或两个以上的知识概念并说出来、找到两个概念中的联系、将两个概念结合联系形成新的概念。

例如将物理与数学中的压强计算公式与反比例函数进行联系创造；物理中压强等于压力除以受力面积，当受力面积为常量，压力为因变量，压强为自变量时，那么这个公式就成为了数学中一个反比例函数，故可以将两者概念进行联系创造新概念，每当受力面积为不变时，那么压强和压力就成正比。

12.推荐（从书上找出一个知识并提出一个观点，向他人介绍并且要得到他人的认可）

任务依序为：从书上找出一个知识或提出一个观点、想象或考虑对方的生活背景及需求、结合对于对方的了解而想出一个没有漏洞的逻辑连接观点、以对方能理解认可及接受的语言进行表述。

例如在语文课本的《龟虽寿》中，虽然龟的寿命很长，但仍有一死。推荐的对象是小明，其背景为，家里的老人去世了。结合逻辑以对方能接受的方式表述观点是，龟的寿命虽然比人长那么多，但是却还会死，所以我认为死是不可抗拒的自然规律。

三、认知游戏设计

（一）游戏环境与内容

1.游戏环境

在游戏开始之前，须对每位学生进行游戏定位的严肃说明“这个游戏是要让自己把学习变得快乐，让学习的过程中可以忘记时间”，而并非只是单纯的为了玩游戏。游戏由1～4位学生共同进行游戏（学生过多，等待时间过长，将会促使学生失去耐心），统一由界点（是起点也是终点）向右出发，走完一圈后再重新回到终点。每个人轮流丢掷一颗骰子，所得的点数即为移动点数。每一圈共有76格，在游戏中称为“路段”，在移动过程中，如果学生走到弹簧的限定路段，将会被弹回至指内路段。当学生在不使用任何特权卡时，仅能按路段的顺序进行移动。在游戏的进行开始，每位学生都拥有一格生命值（上限为两格），在游戏过程中，生命值可能会增加或减少，当减少至零后，学生将被强制倒退七格，同时又恢复一个生命值。

2.游戏内容

在游戏地图中，除了界点外，还有普通路段及特殊路段，学生停在普通路段时，不需进行任何活动；停留在特殊路段时，则需要进行相应的活动。活动分为7个机会、6个命运、16个任务、22个陷阱。学生走到“机会”或“命运”时，可能会以随机或对应（有指定获得特定的特权卡）等方式获得特权卡，特权卡有工具卡、武器卡、防御卡、加速卡、梯子卡、香蕉皮卡。走到任务则需做一次任务、走到陷阱则可能会造成损失。

特权卡，通过走到“机会”路段后抽取第一张获得，也可能是走到对应特权而指定获得。特权卡能随时使用，在同一局（指在一圈72格中）内可积累卡片，轮回至界点后若有剩余特权卡，可自行选择保留两张以内的特权卡，其他特权卡需上交；每张特权卡只能使用一次，使用后特权卡将失效。其中包含了（1）工具卡：疾步鞋，前进5步；弹簧鞋，可跳过一次任务或陷阱；音乐筒，选择唱一段歌，唱后可跳过一次陷阱。(2）武器卡：机关枪，选择消灭对手防御卡一张；打炮，选择消灭对手工具卡一张。

命运卡，通过移动至“命运”路段后抽取第一张获得。其中包含了：你路过的地方发生了高压线触电，需单脚站立15秒躲过，否则回到界点位置；体育老师想检查一下你的体能，做10个蹲起，能奖励你一次抽取特权卡的机会；你遇到了火焰攻击，扣除一格血量，并后退3步；世界遇到了陨石坠落，所有玩家降一等级。

陷阱路段，主要集中在靠近地图终点位置，玩家停留在陷阱位置会触发陷阱攻击，每种陷阱攻击都会产生相应的后果，拥有特殊特权卡的玩家可以使用并避免对应攻击。陷阱分为捕兽夹陷阱、火焰陷阱（玩家受到攻击，被扣除1格血量）、硫酸陷阱（玩家受到攻击，被扣除1格血量，并后退一步）。

（二）研究过程与分析

为使认知游戏设计能确实激发学生的学习兴趣、提升学生的认知水平，故在游戏设计过程中采用了二次调研及改动。

第一次改动，学生反映“玩家走了半天，除了任务几乎什么也没遇到，走几步就到终点了”。改动内容为，将原本54格路径增加到76格，增加更多的机会点和命运点，并使其分布均匀。

第二次改动，学生反映“认为是无脑游戏，里面的命运还是用不到，玩一局就不想玩了”。改动内容为游戏难度提升，新增奖励点、梯子装置和陷阱路段，特权卡与命运卡新增更多玩法，玩家新添血量值机制。观察改动后的效果，发现学生对游戏兴趣提升很多，已经可以持续的、顺畅地进行游戏，并完成学习任务。

四、总结

在信息化时代浪潮中，手机及电脑对于中小学生的学习及生活全面渗透。各种游戏的诱惑也无孔不入，游戏与学习并非仅是二元对立，也可以进行整合。在围绕激发学生学习兴趣及提升学习深度的双目标前提下，游戏元素与学习认知理论进行了统一，再通过多次的游戏设计调研及改良，终于形成围绕学生正面发展设计的认知游戏。认知游戏在更大的范围中有效推行及中小学进行过程中能产生多大效果，成为下一阶段的研究中，亟待解决的问题。