促进潜能释放的小学数学教育游戏设计与开发

王铃木 倪寅坤

【摘 要】教育游戏在提高学生学习兴趣和课堂关注度上有着重要作用，但是目前许多教育游戏开发者和教师之间缺乏有效沟通，导致不能直接用到课堂教学中。教师作为教学的主体，开发设计适合自己课堂使用的游戏也是其教育信息化水平的重要体现。本文从现有教育游戏现状出发，以苏教版小学四年级“观察物体”单元教学为载体，通过游戏开发引擎设计开发出适合课堂使用的数学教育游戏，并且将之应用到实际教学中，帮助该阶段学生形成相应的空间观念。

【关键词】教育游戏；游戏开发；数学；空间观念

【中图分类号】G434   【文献标志码】A

【论文编号】1671-7384（2024）06-080-04

引  言

《中共中央 国务院关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见》指出，到2035年教师的综合业务能力得到快速提高，主要体现在对信息的接收能力、对人工智能等新技术的应用能力等方面[1]。面对这样的革新时代，教育行业对教师能力要求也越来越高，教师教育技术能力已经成为教师职业素质的重要组成部分[2]。资源、服务和环境支持工具等因互联网的发展而面向教师群体，因此，教育与技术是密不可分的，它们使得教育变得更加容易[3]。教育游戏作为教育信息化的重要组成部分，也在悄然改变着教育方式和教学环境。教育游戏已经被证实可以激活学生的心智能力，提高他们学习的积极性，从而加深对所学主题的理解，并将学习效果由游戏迁移到相关教学目标上[4]。空间观念是数学十大核心素养之一，空间想象能力则是小学生必不可少的能力。四年级和五年级的学生处在可逆性思维发展学段，但这个时期学生依旧需要在具体形象中进行逻辑和群集运算。实际上，空间想象能力需要若干细化能力的支撑，可视化能力和几何抽象就是其中重要的一环。教育技术通过可视化虚拟场景，能够帮助学生形成空间观念。但目前市场化的游戏往往很难走进课堂，开发者出于盈利目的也会插入广告等，并且开发者与课堂教学者之间缺乏有效沟通，两者考虑的维度也并不一致。因此，本文以苏教版小学四年级“观察物体”单元教学为载体，设计适合课堂教学的教育游戏，并且将之应用到实际教学中。本文主要目的在于通过Unity3D游戏开发软件，开发适合培养小学生空间观念的数学教育游戏，该款游戏开发后可以真实有效地运用于实际课堂教学中，并对教学提供一定帮助。

数学课堂教育游戏实际应用现状

1.游戏应用偏向低学段

教育游戏可以提高学生的思维、创造力和保留信息的能力，能提高学生课堂参与度和学习效率。目前，学科类教育游戏已经逐渐步入正轨，但针对中小学数学课堂的教育游戏并不多。目前市面上教师能够上手开发的教育游戏软件寥寥无几，一方面是软件开发难易度问题，另一方面大部分游戏开发存在技术壁垒，游戏开发语言需要开发者有一定的C语言基础，入门者学习起来相对困难。类似希沃课件等一些2D游戏又多以图文形式呈现，并不需要开发者掌握开发语言。文字游戏并不适合小学高学段的数学教学，而是需要一些虚拟现实技术的支持，这些往往需要教师掌握开发语言。高学段偏向理性分析，教育游戏需要沉浸式、场景化等方式帮助理解，而现有的游戏公司很难从中获利，虽然教育游戏有着庞大的市场，但游戏公司看不到盈利的模式，也就无心顾及。没有成规模的产学合作也是制约教育游戏发展的一个主要因素。

2.游戏性与学习性平衡度难以控制

当游戏性过重时，教师会因为难以把控课堂秩序而烦恼，而学习性过强时往往就会使得教育游戏变得过于严肃。实际上，现有的教育游戏也都面临着这样的问题，如金山打字游戏已被应用很多年，但也仅限于信息科技课上的练习使用。交互性过强的游戏也很难走进课堂，课堂40分钟的时间，新课知识点的讲授往往就10多分钟，如果有游戏能够走进课堂也仅在引入或课堂练习中使用，可以当作调节课堂气氛的工具。教育游戏是一种有意义的教育活动，它包括教师为了服务于情感和教育认知目标而遵循的某些行为和某些规则，它们旨在帮助学生在寓教于乐的环境中学习一项技能，或达成某些教育目标。教育游戏的主要目的在于激发学生学习兴趣，引发学生对学科问题进行思考，减少课堂中教师的绝对主导，使得课堂中学生自主学习得以实现。课堂中想要学生主动学习，需要做到“让学”与“引思”，两者都需要让学生主动自发地进行学习，注重学生在课堂中的主体地位，并在这个学习过程中掌握真实有效的知识。学生是否真正实现课堂的主体地位是每一个教师都要回答的问题，新课改以来一直强调学生的主体地位，转变以往的教师主导教学形式。但是现实教学过程中，受限于现有的教学与现实压力，许多教师不愿尝试也不敢尝试给与学生过多的课堂自主权，而牢牢掌控着课堂和教学进度。因此，“游戏教学中主体是谁”是游戏开发者不可回避的一个问题，而控制好教育性和娱乐性之间的平衡是开发教育游戏的关键所在。

3.教育游戏评价不一

在游戏设计前，笔者对本单位五名不同教龄的数学教师进行了访谈，通过访谈可以看出目前教师对于教育游戏的教学认知并不一致，教龄越大的教师对于游戏的使用越慎重。4名教师分别是教龄5年内一名，教龄5到10年一名，教龄10年到15年一名，教龄15年以上1名。两名10年教龄以上老教师表示对游戏化教学并没有异议，但对教育游戏有一定的看法；26年教龄的金老师表示家里亲戚有沉迷游戏毁掉学业的情况。当我提出：“在有人开发好游戏基础上，您会在自己课堂上使用教育游戏吗？”金老师表示：“从我师专毕业到现在，工作有26年时间，这一过程也是一个学习的过程，最早我们还是油墨打印，现在技术更新很方便，当然我们这些老教师在技术学习上肯定是不如你们年轻人。但我也会根据课堂的需要去下载和制作一些课件和视频等。对教育游戏我自己本身不是很了解，并且当我看到一些学生和家里亲戚的小孩沉迷于网络游戏毁掉自己的学业时，我对这些电子游戏有点‘偏见。”面对同样的问题，有着4年工作经验的戴老师有着不一样的回答，他硕士毕业于南京师范大学音乐学专业，他表示：“我自己上小学就接触电子游戏，从街机三国到高中时候互联网的普及，我自己会玩一些网游。你提到的沉浸理论在我看来可以很好地解释游戏上瘾这一问题，但实际上类似抖音这些短视频也有着相似的情况。现在市场上游戏有很多，但是打开手机或者电脑的应用市场很难发现可以免费使用的教育游戏，为了上一节课再额外花钱我肯定不愿意。”当问及会不会使用网络课件时，13年教龄的数学教研组组长周老师做了一些补充：“其实我们学校在融入新课改的理念上还是比较靠前，同时对于教师的信息化能力提升工作也有所展开，每年校本培训和地方培训都有所涉及。”

对于在有游戏的前提下您会使用游戏进行授课这一问题，今年工作第八年的杨老师被评为苏州市教学能手，她表示：“在一、二年级使用游戏是一个好的手段，在提高学生课堂关注度上效果会比较明显，实际上小学生的课堂需要教师的指令，而游戏过程中穿插教学任务会使得课堂教学更加容易一些。现在希沃上设计游戏也方便一些，加入一些竞争性的竞猜活动，课堂吸引度明显不一样。在学习‘方位时我就借助了中国象棋这样的传统游戏，也可以是电子象棋游戏。所以无论电子游戏还是传统游戏，游戏化都会吸引学生的目光。但到了高年级一般就不会采用游戏的方式，高年级的数学重在逻辑思维，需要安静地思考，外界太过嘈杂反而不利于课堂开展。”从上述可以看出，不同教龄的教师对教育游戏的看法并不一致，但他们对于免费、可用这样的标签的教育游戏是比较欢迎的，而且教师喜欢当应用者而不是开发者，自身的身份定位也大部分局限于使用者上。

小学数学教育游戏制作

1.游戏制作背景分析

本文游戏开发内容来源于小学四年级苏教版数学第三单元“观察物体”。从苏教版教材内容来看，本单元共四节内容：一是从前面、右面和上面观察物体；二是观察由几个正方体摆成的长方体和正方体；三是观察由几个正方体摆成的组合体；四是观察物体练习。从教学目标和教学重难点来看，本单元教学目标是使学生能辨析从不同位置看到的物体形状，通过观察简单物体组合，学生辨认相应的视图，体会物体的相对位置关系。教学重难点在于体验从不同位置、不同角度观察物体所看到的形状可能是不一样的。重点放在引导学生从不同方位观察物体，初步培养学生的空间观念。从教学目标来看，通过本单元学习后，学生能够通过自己的观察和实践操作认识不同位置。从学生实际学情来看，学生在以前的课程中已经学过相应的内容，但理解物体之间的位置关系和空间想象的能力还不够强，所以在教学这部分内容时教师需要引导学生通过操作活动提高学习兴趣，在活动中认真观察后作出分析判断。本单元是学生第一次接触三视图，也是学生实现二维和三维（平面和立体图形）之间转换的初步开始，通过本单元的学习能够使学生形成一定的空间观念。

2.游戏内容设计

游戏分为仿真实验和操作游戏两个部分。仿真实验是基于教材设计的正方形物体和几个正方形组合物体，通过脚本实现控制方向的转动，通过相机观察不同方向物体的形状。游戏则分为两个模块，一是连连看，二是九宫消消乐。连连看：下面是由7个同样大的正方体摆成的几何体，观察该几何体，从前面、右面、上面分别看到什么样的图形？连连看！此处以人物说话的方式出现，当提示NPC（非玩家控制角色）出现后播放上述文字声音。连连看游戏主要是对学生是否掌握一个组合体与其三个视角的平面图对应关系的考查。消消乐：消消乐游戏首先出现“勇士你好，欢迎来到藏有宝藏的九宫岛，你只有根据要求选出相同的三项才能完成任务，获得宝藏线索哦”。进入游戏画面后出现这样的语音提示。（用人物对话形式展现题目）通过出现NPC对话和对话框，随后进行游戏选项，当正确选择三个选项就会触发闯关成功的信息，跳出一个宝藏钥匙图案。虽然此时出现组合体的形状不一样，但是从不同视角观看下去会有相同平面图，这其实是考察学生的观察能力，并要求在规定时间内完成，这对学生有一定的挑战。游戏实际开发会和游戏设计有一定差别，因为在设计过程中并未考虑实际开发的难度以及开发的时间成本等，本文作为自行开发游戏，开发出来的游戏需要考虑在课堂上的应用情况，简洁易操作是关键，开发实践也是考虑的重要因素。因此在实际开发中更多地会考虑可操作性和时间成本，开发游戏遵照从简、从便原则。

3.游戏实际开发关键技术

正方体组合仿真设置：仿真正方体可以通过软件自带的Cube设立，通过复制操作，组合成自己想要的正方体组合，并且选择自己喜欢的颜色，组成不同颜色的组合体。场景一：界面中添加三个文本框，添加文字前面、右面、上面；添加脚本，当鼠标点击文本框时可以实现转向相应面的操作，在摄像机下视角相应面呈现的是平面视角。添加NPC人物对话，加入对话文本框：从正面可以观察到什么？添加下一关按钮，当点击后会跳到下一个scene（场景）。或者点击观察正面后NPC对话消失，玩家完成相应操作后，点击下一关进入下一个场景。

场景二设置与场景一有些许不同，设置了X轴、Y轴、重置三个文本框按钮代替前面、右面、上面。实现的功能也与场景一不一样。场景二通过点击X轴按钮，实现组合体绕X轴转动，点击Y轴实现组合体绕Y轴转动，转动过程中，并未设置相机跟随，所以能够通过相机观看到转动的情况。场景三则与场景一类似，但是组合体颜色发生了变化，这也是为了课堂教学过程中与学习单相结合的需要，通过不同颜色的正方体组合体，让学生在学习单上画出相应的平面图并涂上颜色。场景四和场景二类似，也是与学习单相结合的方式，只是颜色发生了变化，在实际课堂上就可以结合学习单，让一位学生自行操作后，其他学生在学习单上画出相应的视角平面图。

游戏操作设置：游戏分为连连看游戏和三消游戏两个模块，每个模块游戏规则并不一致，设置的内容上存在差异，难度也不一致，对学生考查侧重点不一样。

连连看设置了40个图片，采取8×5的阵容，每行8个，一共5行。图片当中有组合体也有相应单独面视角的平面图，通过点击两个相同的会使得消掉相应图片，当然规则和普通连连看游戏一样，中间不能有阻碍图片，不能有遮挡物的存在。每消掉一对就可以增加2秒的时间，游戏一开始设置40秒的时长，因此需要玩家眼疾手快。游戏设置了退出游戏和返回游戏按钮（图1），当课堂中有突发情况的时候，可以暂停，点击返回游戏可以重新回到暂停前游戏画面。通过本游戏一方面能够使得课堂教学变得更加有乐趣，另一方面，光靠仿真实验并不能完全调动学生的积极性，而时间设置和小组竞赛机制实际上就增加了难度和竞争机制，这有利于沉浸理论的实现。点击右上角的小手标志就会出现如图1所示的菜单栏，这可以防止突发情况的出现。

三消游戏图片和连连看一致，这样就可以节省开发时间，但游戏规则和连连看并不一致。页面布局上采取8×8形式，图片变得更小，学生需要观察得更加仔细。时间设置上是设置了60秒的时长，因为三消需要调动前后左右位置，观察难度要比连连看更大。增加了时间按钮等，当消掉时间按钮时可以增加5秒时间，每消掉一组（三个）可以增加2秒的时长。时间显示也不再采取进度条，而是采取倒数数字读秒形式，直接显示时间的数字，让学生能够更加直观感受到自己所剩的时间，从而增加游戏的刺激程度。游戏结束后，会跳出成绩，点击“退出”按钮就结束游戏，教师可以根据学生的成绩进行实际奖励，实物的奖励会使得课堂效果更好，沉浸效果更加明显。在实际上课过程中，进行到最后一项的三消游戏时，学生的积极性实际已经被完全调动起来，前一个连连看游戏已经将学生的目光聚集到游戏中，已经能够达到沉浸理论的要求。当游戏的时间为0的时候，游戏就结束了，这时候跳出游戏结束画面，并出示玩家的游戏分数，学生可以点击“关掉”游戏也可以选择点击“退出”按钮，点击“退出”就会回到最初的场景一，点击“关掉”则从新回到连连看和三消游戏的选择画面。具体游戏结束画面如图2所示。

图2  三消游戏结束画面

结  语

本游戏开发过程中因为时间和开发成本问题，采用了比较简洁的方式，游戏仿真并未用其他软件进行渲染。受限于个人技术问题，采取了市面上最常见的连连看和三消游戏。游戏开发与最初设计存在一定的差异，简化了游戏操作并缩短了开发时间。实际使用下来能够实现沉浸理论和寓教于乐理念，与新课标理念不谋而合。数学教师开发数学教育游戏，开发出来的游戏使用在自己的课堂中，也是一件很有意义的事情。在后续实际课堂使用过程中，学生从一开始的兴奋到后续在得知游戏是由自己老师开发出来后产生对老师的佩服，课堂教学效果要比单纯课件教学好很多。一些有编程基础的学生也对游戏开发产生了兴趣，在教学过程中有着意想不到的教育效果。当然本次探索还有许多不足之处，游戏开发也还不够完善，本文主要是为了方便教师上课使用，游戏性方面还有待增强，在后续数学教学过程中，笔者还会继续深耕数学教育游戏的开发与应用。

注：本文系张家港市2023年微课题项目“促进潜能释放的‘数学游戏活动化模式创新设计研究”（项目编号：2023020320）阶段性研究成果

参考文献

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