張露 胡若楠 曾嘉靈 尚俊杰

[摘? ?要] 近年來，教育技術(shù)的發(fā)展為創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式帶來了前所未有的機遇。針對游戲化學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域的核心問題——如何設(shè)計科學(xué)、有效、有趣的教育游戲，以學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科為視角設(shè)計了數(shù)學(xué)游戲《分?jǐn)?shù)跑跑跑》。在認(rèn)知內(nèi)容設(shè)計方面，依據(jù)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)研究成果展開設(shè)計，為學(xué)習(xí)者提供科學(xué)的認(rèn)知支持;同時以實踐需求作為設(shè)計導(dǎo)向，確保游戲使用的有效性。在保障科學(xué)性和有效性的基礎(chǔ)上，借助游戲元素充分調(diào)動學(xué)習(xí)者情緒動機狀態(tài)。經(jīng)檢驗，《分?jǐn)?shù)跑跑跑》能夠顯著提高小學(xué)四年級學(xué)生的分?jǐn)?shù)概念性知識水平。

[關(guān)鍵詞] 教育游戲; 游戲化學(xué)習(xí); 學(xué)習(xí)科學(xué); 數(shù)學(xué)認(rèn)知; 設(shè)計研究

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 張露（1992—），女，黑龍江鶴崗人。講師，博士，主要從事游戲化學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)認(rèn)知、學(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)設(shè)計研究。E-mail：zhanglu1176@163.com。尚俊杰為通訊作者，E-mail：jjshang@pku.edu.cn。

一、引? ?言

近年來，教師和研究人員逐漸意識到游戲化學(xué)習(xí)的潛在優(yōu)勢，嘗試使用游戲作為教學(xué)指導(dǎo)和興趣激發(fā)的工具[1-3]。國內(nèi)外游戲化學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域高度重視教育游戲的設(shè)計與開發(fā)[4]，如何設(shè)計科學(xué)、有效、有趣的教育游戲成為教育游戲研究的關(guān)鍵問題。隨著教育領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的深入、教育技術(shù)的不斷創(chuàng)新，學(xué)習(xí)科學(xué)這一跨學(xué)科領(lǐng)域得以快速發(fā)展。學(xué)習(xí)科學(xué)立足教學(xué)實踐，在探索“人是如何學(xué)習(xí)的”這一問題的過程中，以跨學(xué)科的視角致力于闡釋學(xué)習(xí)的發(fā)生機制，分析過程中的學(xué)習(xí)行為，并借助教育技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計。學(xué)習(xí)科學(xué)的研究成果和理論發(fā)現(xiàn)也為教育游戲的設(shè)計提供了嶄新的視角。義務(wù)教育階段的數(shù)學(xué)教育一直是游戲化學(xué)習(xí)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在數(shù)學(xué)認(rèn)知研究領(lǐng)域，分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)在兒童的數(shù)學(xué)發(fā)展過程中具有重要意義，分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)困難也是普遍存在的現(xiàn)象。信息技術(shù)的發(fā)展為分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)創(chuàng)造了更多的可能。隨著移動設(shè)備的普及和游戲技術(shù)的進(jìn)步，教育游戲支持下的分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)成為一種趨勢，備受教育研究者和實踐者的關(guān)注。

二、分?jǐn)?shù)游戲的整體設(shè)計框架

為了實現(xiàn)科學(xué)、有效、有趣的游戲設(shè)計，游戲化學(xué)習(xí)的理論框架是產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)。在游戲設(shè)計之前，筆者已通過相關(guān)理論要素的推演和歸納，提出了游戲化學(xué)習(xí)體驗的理論框架，歸納了游戲化學(xué)習(xí)體驗的三大范疇，即基于情境的認(rèn)知體驗、基于協(xié)作的社會性體驗、基于動機的主體性體驗。在基于情境的認(rèn)知體驗范疇內(nèi)，游戲化學(xué)習(xí)環(huán)境可以為學(xué)習(xí)者提供認(rèn)知真實性的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，借助與學(xué)習(xí)環(huán)境的互動與反饋，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行知識建構(gòu)[5]?；趨f(xié)作的社會性體驗主要包含學(xué)習(xí)者在游戲化學(xué)習(xí)過程中收獲的協(xié)作體驗和學(xué)習(xí)指導(dǎo)。基于動機的主體性體驗是在社會認(rèn)知理論的主體性視角（Agentic Perspective）的啟發(fā)下[6]，主要關(guān)注學(xué)習(xí)者個體的動機、情緒、意愿狀態(tài)的主體性體驗。依據(jù)游戲化學(xué)習(xí)體驗框架，本研究在基于情境的認(rèn)知體驗和基于動機的主體性體驗兩個維度確定了分?jǐn)?shù)游戲的設(shè)計體系。

基于情境的認(rèn)知體驗主要涉及分?jǐn)?shù)游戲的教育性認(rèn)知內(nèi)容，以實現(xiàn)教育游戲的教育功能為目標(biāo)。在該范疇內(nèi)，游戲設(shè)計模塊包含游戲的核心認(rèn)知內(nèi)容、認(rèn)知輔助工具、表征方式以及難度梯度的設(shè)計，內(nèi)含邏輯線索為“學(xué)什么—怎么學(xué)—如何呈現(xiàn)—怎樣進(jìn)階”?；趧訖C的主體性體驗主要涉及游戲化元素為學(xué)習(xí)者帶來的愉悅體驗，關(guān)注教育游戲的娛樂功能。在該范疇內(nèi)，游戲設(shè)計模塊包含游戲情境與交互設(shè)計、獎懲機制和聲音的設(shè)計。游戲的整體設(shè)計框架如圖1所示。由于教育功能是教育游戲的首要功能，因此，游戲元素的設(shè)計服務(wù)于認(rèn)知內(nèi)容的呈現(xiàn)。

教育游戲在設(shè)計之初，需要明確使用目的，這有助于實現(xiàn)教育游戲的有效性。在游戲使用定位方面，本研究的游戲設(shè)計旨在輔助教育教學(xué)，作為一款注重數(shù)學(xué)意義建構(gòu)的練習(xí)游戲，將會成為課堂教學(xué)之外的補充。

三、認(rèn)知內(nèi)容的設(shè)計與理論參考

（一）核心認(rèn)知內(nèi)容

為理解兒童的分?jǐn)?shù)能力發(fā)展，教育學(xué)從數(shù)學(xué)知識發(fā)展的角度區(qū)分了分?jǐn)?shù)的概念性知識和程序性知識。分?jǐn)?shù)的概念性知識是指對分?jǐn)?shù)符號含義的理解，教育學(xué)領(lǐng)域主要聚焦于分?jǐn)?shù)的兩大基本含義：“部分與整體”（Part and Whole）以及“測量解釋”（Measurement Interpretation）?！安糠峙c整體”是指分?jǐn)?shù)符號呈現(xiàn)了部分與整體的關(guān)系，這是理解分?jǐn)?shù)其他含義的基礎(chǔ)。兒童在幼兒園階段已經(jīng)有了“平分”的生活體驗，因此，能夠很容易地掌握這部分內(nèi)容。“測量解釋”是指對分?jǐn)?shù)數(shù)值大小的理解[7-8]，主要強調(diào)數(shù)字的表達(dá)、比較、排序以及將分?jǐn)?shù)放在數(shù)軸對應(yīng)的點[9]，其中，數(shù)軸在建構(gòu)分?jǐn)?shù)的數(shù)值知識方面有廣泛的應(yīng)用[10]。在心理學(xué)研究領(lǐng)域，分?jǐn)?shù)通常被界定為一組相互關(guān)聯(lián)的子含義，包括“部分與整體”“比”“算子”“商”“測量”[11-12]。學(xué)生需要非常熟悉分?jǐn)?shù)的表征含義，才能對有理數(shù)進(jìn)行有效認(rèn)知。

作為神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)的交叉學(xué)科，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是學(xué)習(xí)科學(xué)研究的重要領(lǐng)域[13]，促進(jìn)了人類對腦學(xué)習(xí)機制的探索研究。為研究人腦如何認(rèn)知分?jǐn)?shù)，Jacob和Nieder通過功能磁共振成像技術(shù)開展了針對分?jǐn)?shù)表征的適應(yīng)性實驗（Adaptation Experiment），這項研究表明，符號比率是以抽象的數(shù)值概念在人腦中進(jìn)行表征[14]。同時，教育學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，分?jǐn)?shù)數(shù)值表達(dá)的準(zhǔn)確性與分?jǐn)?shù)計算和數(shù)學(xué)成就密切相關(guān)[15]，理解分?jǐn)?shù)數(shù)值含義的學(xué)生能夠更好地記憶分?jǐn)?shù)的計算步驟[16]?？突仿〈髮W(xué)分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)研究中心的Siegler教授曾提出數(shù)字發(fā)展的整合理論。該理論認(rèn)為，數(shù)學(xué)發(fā)展是數(shù)字認(rèn)知范圍不斷擴大的過程，分?jǐn)?shù)在此過程中居于核心地位，而對數(shù)值的理解是鏈接各類數(shù)字知識的基礎(chǔ)[17]。

以學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科為視角，基于教育學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)Ψ謹(jǐn)?shù)數(shù)值理解知識的強調(diào)，結(jié)合筆者在前期調(diào)研中所發(fā)現(xiàn)的四年級學(xué)生在“測量解釋”知識方面較差的成績表現(xiàn)，本研究確定以分?jǐn)?shù)概念性知識中的“測量解釋”知識作為游戲的核心目標(biāo)教學(xué)內(nèi)容，以加深兒童分?jǐn)?shù)概念性知識理解的深度。

（二）核心認(rèn)知輔助工具

在確定數(shù)學(xué)游戲的核心認(rèn)知內(nèi)容之后，還需進(jìn)一步設(shè)計游戲中的教學(xué)支架，即核心認(rèn)知輔助工具的設(shè)計。依據(jù)分?jǐn)?shù)概念性知識的相關(guān)理論，“測量解釋”的核心是理解分?jǐn)?shù)在數(shù)軸上的數(shù)值含義。這與認(rèn)知心理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的心理數(shù)軸（Mental Number Line，MNL）認(rèn)知模型相吻合。心理數(shù)軸是為學(xué)習(xí)初等算數(shù)知識提供的認(rèn)知模型，兒童需要意識到阿拉伯?dāng)?shù)字和數(shù)詞從左到右依次增長，每一個數(shù)字都比前一個數(shù)字多一個數(shù)量。此外，在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，Ischebeck等人采用功能磁共振成像方法探究了距離效應(yīng)與大腦頂內(nèi)溝激活的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)數(shù)字的整體距離與右側(cè)頂內(nèi)溝和枕中回（Middle Occipital Gyrus）的激活水平呈顯著負(fù)相關(guān)，只有整體距離能夠調(diào)節(jié)頂內(nèi)溝的激活[18]，這進(jìn)一步支持了數(shù)軸對于分?jǐn)?shù)數(shù)值理解的重要性。

參考分?jǐn)?shù)認(rèn)知理論關(guān)于數(shù)軸的相關(guān)研究，本研究確定以數(shù)軸作為分?jǐn)?shù)游戲的核心認(rèn)知輔助工具。與此同時，參考具身認(rèn)知理論設(shè)計認(rèn)知輔助工具的交互方式。20世紀(jì)80年代以來，“具身”得到了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)等諸多領(lǐng)域?qū)W科的關(guān)注，對于人腦“鏡像神經(jīng)元”的發(fā)現(xiàn)也為具身認(rèn)知提供了重要依據(jù)。雖然個體自己沒有進(jìn)行某一行為，但“鏡像”其他個體的行為就能夠引發(fā)鏡像神經(jīng)元的激活。那么如何利用具身認(rèn)知方式來進(jìn)行認(rèn)知輔助工具的設(shè)計？

在游戲中，設(shè)置數(shù)軸的核心目的是讓學(xué)生掌握數(shù)量大小的方向感，左邊的數(shù)比右邊的數(shù)小，越往右數(shù)字越大。本研究設(shè)定數(shù)軸的呈現(xiàn)方式是“數(shù)軸墻”，讓數(shù)軸顯示在一堵障礙墻上，游戲化身能夠直接面對數(shù)軸墻，形成三個平行平面，即學(xué)習(xí)者平面、游戲化身平面和數(shù)軸墻平面，以此確保學(xué)習(xí)者、化身、數(shù)軸墻的左右方向的一致性。學(xué)習(xí)者借助游戲化身進(jìn)行游戲參與，游戲化身的左右手方向與學(xué)習(xí)者左右手方向形成映射;在學(xué)習(xí)者的操控下，游戲化身與數(shù)軸墻進(jìn)行交互，成為學(xué)習(xí)者與數(shù)軸墻交互的中介?；驹O(shè)置內(nèi)容是一根0～1范圍的數(shù)軸，標(biāo)有刻度0和1，其他刻度的標(biāo)注依內(nèi)容設(shè)計而定。

（三）分?jǐn)?shù)表征

三重編碼模型是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域廣為接受的數(shù)字認(rèn)知模型?；跀?shù)學(xué)認(rèn)知在行為和腦神經(jīng)機制方面的相關(guān)研究，該理論認(rèn)為，大腦在進(jìn)行數(shù)量加工任務(wù)時，會使用三種不同功能的編碼對數(shù)量進(jìn)行表征，包括模擬數(shù)量編碼（Analog Magnitude Code）、聽覺言語編碼（Auditory Verbal Code）、視覺阿拉伯?dāng)?shù)字編碼（Visual Arabic Code）。其中，模擬數(shù)量編碼主要是指對代表數(shù)值概念的圖形進(jìn)行加工，如代表分?jǐn)?shù)概念的帶有陰影的圖形;聽覺言語編碼是指對分?jǐn)?shù)文字進(jìn)行加工，如“三分之一”;視覺阿拉伯?dāng)?shù)字編碼是指對阿拉伯?dāng)?shù)字的加工，如“1/3”。

在三重編碼模型的理論基礎(chǔ)上，為確保游戲的有效性，筆者對小學(xué)數(shù)學(xué)教材（人教版、北師大版）進(jìn)行前期調(diào)研，發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)教材的分?jǐn)?shù)概念性講授內(nèi)容主要以模擬數(shù)量編碼和視覺阿拉伯?dāng)?shù)字編碼為主，并且模擬數(shù)量編碼的分?jǐn)?shù)圖形以獨立圖形為主（如帶有陰影的圓形或方形），集合圖形為輔（如5片葉子中的2片）。為了兼顧編碼的平衡以及中國小學(xué)數(shù)學(xué)教材的內(nèi)容特點，游戲兩類編碼的比例設(shè)計盡可能匹配教材。

（四）知識模塊框架

依據(jù)前文所述的數(shù)字發(fā)展的整合理論，數(shù)值理解是整合整數(shù)、分?jǐn)?shù)、小數(shù)認(rèn)知的關(guān)鍵。以數(shù)值理解的視角看，整數(shù)與分?jǐn)?shù)一脈相承，都是數(shù)值的符號表達(dá)，分?jǐn)?shù)表達(dá)了整數(shù)的可分割性。為了讓兒童在學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)之前，借助已有的整數(shù)知識，理解數(shù)值大小的方向性，本研究在分?jǐn)?shù)內(nèi)容之前設(shè)置了4個整數(shù)知識關(guān)卡。不僅可以讓兒童盡快建立新舊知識的聯(lián)系，也可以幫助兒童掌握游戲的玩法。小學(xué)數(shù)學(xué)教材的分?jǐn)?shù)概念性知識的主要講授方式是“數(shù)形結(jié)合”，因此，設(shè)置了圖形與分?jǐn)?shù)對應(yīng)的關(guān)卡，此部分的主要目的是鞏固“部分與整體”知識的學(xué)習(xí)。接下來，依據(jù)教材的知識點安排，設(shè)置了“分子為1的分?jǐn)?shù)”“分子不為1的分?jǐn)?shù)”“分?jǐn)?shù)比較大小”的模塊，具體內(nèi)容見表1。

四、游戲元素的設(shè)計與理論參考

在科學(xué)性和有效性的基礎(chǔ)上，游戲元素是實現(xiàn)教育游戲趣味性的關(guān)鍵。游戲元素的設(shè)計秉承認(rèn)知中心的原則，圍繞認(rèn)知內(nèi)容的設(shè)計展開，主要涉及游戲情境與交互方式、獎懲機制、聲音設(shè)計、故事線設(shè)計等，下文主要介紹核心游戲元素的設(shè)計。

（一）游戲情境與交互設(shè)計

游戲情境與交互設(shè)計是教育游戲激發(fā)兒童學(xué)習(xí)動機的基礎(chǔ)，也是游戲元素設(shè)計的核心。內(nèi)在動機理論是游戲情境設(shè)計的主要參考。依據(jù)Malone和Lepper提出的游戲內(nèi)在動機理論，挑戰(zhàn)、好奇、控制、幻想能夠影響學(xué)習(xí)者的內(nèi)在動機;此外，集體動機受到合作、競爭、自尊因素的影響[19]。每一個數(shù)軸墻都是一個挑戰(zhàn)任務(wù)，學(xué)習(xí)者需要通過自身的認(rèn)知努力，撞擊正確的數(shù)軸點，瞬間擊碎數(shù)軸障礙墻，才能獲得積分繼續(xù)前進(jìn)。如未能正確撞擊，化身將受到猛烈反彈，并接受相應(yīng)懲罰。為了適度地激發(fā)兒童的好奇心，數(shù)軸墻的高度高于游戲化身，通過遮擋視線的方式暗示只有完成挑戰(zhàn)才能繼續(xù)新空間的探索。在游戲化身的控制方面，學(xué)習(xí)者通過鍵盤的上下左右鍵來完全操縱化身，左右鍵控制方向，上下鍵控制速度，任務(wù)的成敗完全取決于學(xué)習(xí)者的認(rèn)知努力。同時，為了增加游戲的沉浸感，適當(dāng)激發(fā)兒童對虛擬世界的幻想，游戲還設(shè)置了故事線元素，基于數(shù)軸墻的設(shè)計，圍繞“綠光水晶墻”“科技水晶墻”“紫色玻璃墻”“森林墻”等展開，通過闖關(guān)獲得寶藏。

（二）獎懲機制

在通過情境與交互激發(fā)學(xué)習(xí)動機的基礎(chǔ)上，教育游戲需要一套完善的獎懲機制以維持動機水平，增加學(xué)習(xí)者的情感投入。ARCS動機模型是教育游戲獎懲機制設(shè)計的重要理論參考，該理論認(rèn)為，人的行為取決于感知到的目標(biāo)的可能性以及主觀價值[20]，影響學(xué)生學(xué)習(xí)動機的因素主要包括“注意”“相關(guān)”“信心”“滿足感”四個方面。在初始階段，認(rèn)知內(nèi)容和游戲情境能夠引發(fā)兒童的注意和興趣，而信心和滿足感的獲得才能支持持續(xù)的學(xué)習(xí)行為。不斷試錯有助于獲得信心和滿足感，為了給兒童充足的試錯機會，游戲的每一個關(guān)卡設(shè)置了10個數(shù)軸墻，即10個數(shù)軸任務(wù)。游戲場景左上角有7顆能量星，為7次試錯機會，每錯一次減少1顆能量星，以此確保每一個關(guān)卡的通關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為正確率高于60%。與此同時，游戲為兒童提供多元的教學(xué)支架性質(zhì)的方向提示。

學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者已達(dá)成共識，學(xué)習(xí)是認(rèn)知、情緒與生理層面進(jìn)行多層次交流的過程。積極的情緒有助于學(xué)習(xí)，消極情緒將會對學(xué)習(xí)帶來消極影響。在逐步建立信心與滿足感的過程中，教育游戲還需要通過一定的獎懲機制來調(diào)動學(xué)習(xí)者的情緒狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，積極的情緒有助于促進(jìn)記憶，例如，讓實驗參與者對照片呈現(xiàn)的愉悅程度進(jìn)行評價，然后再進(jìn)行照片內(nèi)容的回憶，研究發(fā)現(xiàn)被試對帶有明顯情緒狀態(tài)的圖像有更加清晰的回憶[21]。

為了能夠最大限度調(diào)動學(xué)習(xí)者的情緒投入，本研究參考認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)﹄S機獎勵的最新研究，在基礎(chǔ)數(shù)軸任務(wù)積分的基礎(chǔ)上，設(shè)計了“與運氣相關(guān)”的隨機獎勵機制。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，中腦區(qū)域的神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺與獎勵活動有關(guān)，當(dāng)靈長目動物意識到獎勵出現(xiàn)的不確定性，腦中的多巴胺能的釋放會達(dá)到峰值[22]。而多巴胺對整個大腦前額葉等腦區(qū)神經(jīng)元的活性有重要影響[23]。因此，游戲設(shè)計將隨機獎勵納入積分體系中，隨機加分以隨機金幣形式出現(xiàn)，游戲化身在路上行走的過程中獲得隨機加分，每關(guān)隨機獎勵出現(xiàn)2～4次，獎勵數(shù)值隨機。其他積分要素還包括基礎(chǔ)數(shù)軸任務(wù)積分以及剩余能量星。努力相關(guān)積分和運氣相關(guān)積分的綜合獎勵設(shè)計旨在激發(fā)大腦多巴胺的分泌，保持游戲的不確定性，充分調(diào)動游戲化學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)。為了更好地激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)動機，游戲中還設(shè)置了積分排行榜的游戲元素，以此激發(fā)兒童的競爭欲望。

（三）聲音設(shè)計

聲音是多媒體傳遞信息、創(chuàng)造良好視聽體驗的重要元素。依據(jù)梅耶的多媒體認(rèn)知理論，記憶由語言系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)構(gòu)成，記憶可以通過視覺編碼和言語編碼的聯(lián)結(jié)實現(xiàn)強化，同時呈現(xiàn)視覺信息和言語信息有助于促進(jìn)記憶。本研究決定對聲音與游戲交互進(jìn)行融合設(shè)計。具體聲音與游戲交互的搭配設(shè)計，見表2。比較典型的聲音設(shè)計是數(shù)軸墻的撞擊聲音，為了激發(fā)學(xué)習(xí)者的成就感，當(dāng)游戲化身成功撞擊數(shù)軸墻，游戲會出現(xiàn)響亮、清脆的玻璃破碎聲。

五、游戲的應(yīng)用效果

為檢驗分?jǐn)?shù)游戲的應(yīng)用成效，筆者在北京市順義區(qū)的一所公立小學(xué)開展了為期一周的準(zhǔn)實驗研究，具體情況如下：

（一）研究方法與過程

本研究采用準(zhǔn)實驗方法，四年級的兩個班共65名學(xué)生參加。參與學(xué)生每天在學(xué)校機房玩20分鐘《分?jǐn)?shù)跑跑跑》，玩五天，共100分鐘。在實驗周期的設(shè)計方面，基于分?jǐn)?shù)游戲的教育目的，在連續(xù)一周的五天內(nèi)進(jìn)行游戲干預(yù)，與游戲的內(nèi)容模塊設(shè)計相匹配。

（二）研究工具

游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果測量包含兩個維度，其一是圍繞認(rèn)知效果的分?jǐn)?shù)概念性知識水平測試，其二是檢驗主體性體驗的動機等問卷量表。為測量學(xué)生的分?jǐn)?shù)概念性知識水平，參考國外相關(guān)研究的測評方法，本研究的測試題目主要來自三大權(quán)威題庫，包括美國國家教育進(jìn)展測評、國際數(shù)學(xué)與科學(xué)趨勢評估、美國加州標(biāo)準(zhǔn)測試。試題共有47道，每題1分，共47分。其中，第一類題目考察的知識是“分?jǐn)?shù)與圖形”，共15道題;第二類題目考察的知識是“分?jǐn)?shù)與數(shù)軸”，共15道;第三類題目考察的知識是“分?jǐn)?shù)比較大小”，共17道。前測、后測所用題目相同。題目類型主要包括選擇題和填空題，代表性測試題目如圖2所示。

為全面考察分?jǐn)?shù)游戲的應(yīng)用效果，本研究使用相關(guān)量表以考察主體性體驗，包括內(nèi)在數(shù)學(xué)焦慮量表（The Modified Abbreviated Math Anxiety Scale）和動機量表（Intrinsic Motivation Inventory）。數(shù)學(xué)焦慮量表修正版是數(shù)學(xué)焦慮量表（AMAS）的縮略版。原量表共9個題目，在對問卷進(jìn)行信效度分析之后，保留包含“測評焦慮”和“學(xué)習(xí)焦慮”兩個維度的8個題目（Cronbach's alpha=0.868），采用5點李克特量表的自我報告方式。內(nèi)在動機量表旨在測量學(xué)習(xí)者的興趣（Interest）、勝任力感知（Perceived Competence）、努力程度（Effort）等主觀感受。原始量表共涉及7個維度，本研究選取了和游戲化學(xué)習(xí)關(guān)系密切的兩個維度，“勝任力感知”和“興趣”（Cronbach's alpha=0.893）。該問卷采用5點李克特量表自我報告的方式。本研究所用問卷見表3。

（三）應(yīng)用研究結(jié)果

在認(rèn)知效果方面，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之前，前測總成績均值為23.83，標(biāo)準(zhǔn)差為7.8;第一類題目的前測成績均值為11.65，標(biāo)準(zhǔn)差為2.48;第二類題目的前測成績均值為7.23，標(biāo)準(zhǔn)差為3.59;第三類題目的前測成績均值為5.70，標(biāo)準(zhǔn)差為3.62。在一周的游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之后，后測總成績均值為30.44，標(biāo)準(zhǔn)差為7.68;第一類題目的后測成績均值為12.45.標(biāo)準(zhǔn)差為2.36;第二類題目的后測成績均值為8.53，標(biāo)準(zhǔn)差為3.36;第三類題目的后測成績均值為9.46，標(biāo)準(zhǔn)差為4.03。配對樣本T檢驗結(jié)果顯示，后測總成績均值顯著高于前測[t（64）=9.593，p=0.00]，第一類題目的后測成績均值顯著高于前測[t（64）=3.793，p=0.00]，第二類題目的后測成績均值顯著高于前測[t（64）=3.323，p=0.001]，第三類題目的后測成績均值顯著高于前測[t（64）=8.86，p=0.00]。

在主體性體驗方面，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之前，數(shù)學(xué)焦慮量表的測評維度的前測均值為2.3，標(biāo)準(zhǔn)差為1.09;學(xué)習(xí)維度的前測均值為2.09，標(biāo)準(zhǔn)差為1.07;數(shù)學(xué)焦慮量表整體前測均值為2.19，標(biāo)準(zhǔn)差為0.99。在一周的游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之后，數(shù)學(xué)焦慮量表的測評維度的后測均值為2.29，標(biāo)準(zhǔn)差為0.95;學(xué)習(xí)維度的后測均值為2.05，標(biāo)準(zhǔn)差為0.81;數(shù)學(xué)焦慮量表整體后測均值為2.17，標(biāo)準(zhǔn)差為0.8。配對樣本T檢驗顯示，數(shù)學(xué)焦慮量表子維度及整體前后測的均值無顯著差異（p>0.05）。在游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之前，數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)在動機量表的勝任維度的前測均值為4.02，標(biāo)準(zhǔn)差為0.72;興趣維度的前測均值為4.1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.82;量表整體前測均值為4.05，標(biāo)準(zhǔn)差為0.67。在一周的游戲化分?jǐn)?shù)學(xué)習(xí)干預(yù)之后，內(nèi)在動機量表的勝任維度的后測均值為3.89，標(biāo)準(zhǔn)差為0.82;興趣維度的后測均值為4.2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.86;數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)在動機量表整體后測均值為4.03，標(biāo)準(zhǔn)差為0.71。配對樣本T檢驗顯示，內(nèi)在動機量表子維度及整體前后測的均值無顯著差異（p>0.05）。

總體而言，《分?jǐn)?shù)跑跑跑》能夠顯著提高四年級學(xué)生的分?jǐn)?shù)概念性知識水平。學(xué)生在考察分?jǐn)?shù)概念理解程度的“部分與整體”（第一類測試題目）與“測量解釋”（第二類、第三類測試題目）后測中都有良好的表現(xiàn)。但與此同時，為期一周的游戲化學(xué)習(xí)體驗未能顯著降低四年級學(xué)生的數(shù)學(xué)焦慮水平，未能顯著提升學(xué)習(xí)動機水平。

六、結(jié)論與討論

本研究針對游戲化學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域的核心問題——如何設(shè)計科學(xué)、有效、有趣的教育游戲，圍繞基礎(chǔ)教育階段的分?jǐn)?shù)認(rèn)知，以學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科視角進(jìn)行數(shù)學(xué)游戲《分?jǐn)?shù)跑跑跑》的設(shè)計開發(fā)。由于教育游戲兼具教育目的和娛樂目的，教育目的是教育游戲的根本目標(biāo)，“娛樂”以服務(wù)“教育”為核心宗旨，因此，教育游戲在認(rèn)知內(nèi)容上的科學(xué)性直接決定了教育游戲的使用價值。在教育游戲的科學(xué)性設(shè)計方面，應(yīng)當(dāng)堅持“立足跨學(xué)科視角的認(rèn)知支持”原則，依據(jù)學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究成果進(jìn)行認(rèn)知內(nèi)容的設(shè)計。在科學(xué)性的基礎(chǔ)上，教育游戲需要著眼于實際問題，秉承“著眼教學(xué)實踐的設(shè)計驅(qū)動”原則，以實踐需求作為設(shè)計導(dǎo)向，確保教育游戲能夠有效地應(yīng)用于教育教學(xué)。在保障科學(xué)性和有效性的基礎(chǔ)上，教育游戲可以借助游戲元素，充分調(diào)動學(xué)習(xí)者情緒，運用“借助情緒調(diào)動的動機發(fā)展”原則進(jìn)行趣味性的設(shè)計?？茖W(xué)性、有效性與趣味性的層級關(guān)系與設(shè)計原則如圖3所示。

在教育游戲的科學(xué)性方面，依據(jù)游戲化學(xué)習(xí)體驗框架，基于情境的認(rèn)知體驗設(shè)計主要參考認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)在分?jǐn)?shù)認(rèn)知方面的研究成果，確定游戲的核心認(rèn)知內(nèi)容為分?jǐn)?shù)概念性知識的測量解釋，以數(shù)軸作為核心認(rèn)知輔助工具，參考三重編碼模型和數(shù)字發(fā)展的整合理論，分別設(shè)計了游戲中的分?jǐn)?shù)表征和知識模塊框架。與此同時，為了保證教育游戲應(yīng)用的有效性，在內(nèi)容設(shè)計的過程中，統(tǒng)籌考慮國家課程標(biāo)準(zhǔn)要求、教材元素、學(xué)生水平進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計。趣味性主要涉及基于動機的主體性體驗，基于動機理論設(shè)計了游戲情境和交互方式，結(jié)合關(guān)于情緒的相關(guān)研究設(shè)計了兼顧“努力”和“幸運”的獎懲機制，并且圍繞游戲元素設(shè)計了不同的聲音效果。基于65名四年級學(xué)生的準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)《分?jǐn)?shù)跑跑跑》能夠顯著提高四年級學(xué)生的分?jǐn)?shù)概念性知識水平。

回顧教育游戲在過去幾十年間的發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)，技術(shù)發(fā)展確實為教育創(chuàng)新帶來了前所未有的機遇。游戲技術(shù)成功實現(xiàn)了虛擬化的認(rèn)知情境創(chuàng)建，為學(xué)習(xí)者提供了即時、有效的信息反饋，也讓寓教于樂的理念得到了更加廣泛的認(rèn)可，虛擬現(xiàn)實等新興技術(shù)也似乎展示了未來游戲化學(xué)習(xí)的無限可能。然而，機遇與挑戰(zhàn)并存，雖然游戲化學(xué)習(xí)是當(dāng)前的研究熱點之一，教育游戲研究者終究需要回答“如何設(shè)計科學(xué)、有效、有趣的教育游戲”這一問題。以學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科視角進(jìn)行教育游戲的設(shè)計開發(fā)具有巨大優(yōu)勢。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)等關(guān)于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)機制的研究成果為教育游戲的認(rèn)知內(nèi)容和游戲元素的設(shè)計提供了參考。通過技術(shù)設(shè)計的方式，架起溝通基礎(chǔ)研究與教學(xué)實踐的橋梁，為解決教學(xué)實踐中的實際問題提供優(yōu)質(zhì)的游戲化學(xué)習(xí)資源。

[參考文獻(xiàn)]

[1] LIAO C Y， CHANG W， CHAN T. The effects of participation， performance， and interest in a game-based writing environment[J]. Journal of computer-assisted learning， 2018， 34（3）： 211-222.

[2] 陳博殷，錢揚義，李言萍.游戲化學(xué)習(xí)的應(yīng)用與研究述評——基于國內(nèi)外課堂中的“化學(xué)游戲化學(xué)習(xí)”[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2017，35（5）：93-104.

[3] 李秀晗，曲茜美.游戲化學(xué)習(xí)在兒童數(shù)字化閱讀中的設(shè)計研究[J].電化教育研究，2018，39（12）：116-122.

[4] 徐杰，楊文正，李美林，等.國際游戲化學(xué)習(xí)研究熱點透視及對我國的啟示與借鑒——基于Computers & Education （2013—2017）載文分析[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2018，36（6）：73-83.

[5] 張露，尚俊杰.基于學(xué)習(xí)體驗視角的游戲化學(xué)習(xí)理論研究[J].電化教育研究，2018，39（6）：11-20.

[6] BANDURA A. Social cognitive theory： an agentic perspective[J]. Annual review of psychology， 2001， 52（1）： 1-26.

[7] HECH S A. Toward an information-processing account of individual differences in fraction skills[J]. Journal of educational psychology， 1998， 90（3）： 545-559.

[8] HECHT S A， VAGI K J. Sources of group and individual differences in emerging fraction skills.[J]. Journal of educational psychology， 2010， 102（4）： 843-859.

[9] FUCHS L S， SCHUMACHER R F， STERBA S K， et al. Does working memory moderate the effects of fraction intervention？ An aptitude-treatment interaction.[J]. Journal of educational psychology， 2014， 106（2）： 499-514.

[10] BOOTH J L， SIEGLER R S. Developmental and individual differences in pure numerical estimation.[J]. Developmental psychology， 2006， 42（1）： 189-201.

[11] CHARALAMBOUS C Y， PITTA-PANTAZI D. Drawing on a theoretical model to study students' understandings of fractions[J]. Educational studies in mathematics， 2007， 64（3）： 293-316.

[12] 辛自強，張睆.兒童的分?jǐn)?shù)概念理解的結(jié)構(gòu)及其測量[J].心理研究，2012，5（1）：13-20.

[13] 尚俊杰，張露.基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的游戲化學(xué)習(xí)研究綜述[J].電化教育研究，2017（2）：104-111.

[14] JACOB S N， NIEDER A. Notation-independent representation of fractions in the human parietal cortex[J]. Journal of neuroscience， 2009， 29（14）： 4652-4657.

[15] LORTIE-FORGUES H， TIAN J， SIEGLER R S. Why is learning fraction and decimal arithmetic so difficult？[J]. Developmental review， 2015， 38： 201-221.

[16] SIEGLER R S， FAZIO L K， BAILEY D H， et al. Fractions： the new frontier for theories of numerical development[J]. Trends in cognitive sciences， 2013， 17（1）： 13-19.

[17] SIEGLER R S， THOMPSON C A， SCHNEIDER M. An integrated theory of whole number and fractions development[J]. Cognitive psychology， 2011， 62（4）： 273-296.

[18] ISCHEBECK A， SCHOCKE M， DELAZER M. The processing and representation of fractions within the brain an fMRI investigation[J]. NeuroImage， 2009， 47（1）： 403-413.

[19] MALONE T W， LEPPER M R. Making learning fun：a taxonomy of intrinsic motivations for learning[M]//SNOW R E， FARR M J. Authentic learning environments. London： Routledge， 1987：223-253.

[20] 柴亞軍.ARCS動機模型在課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（23）：6-8.

[21] ANTONENKO P D， VANGOG T， PAAS F. Implications of neuroimaging for educational research[M]//SPECTOR J M， MERRILL M D， ELEN J， et al. Handbook of research on educational communications and technology. New York： Springer， 2014：51-63.

[22] 周加仙.教育神經(jīng)科學(xué)與信息技術(shù)的跨學(xué)科整合研究——訪英國著名教育神經(jīng)科學(xué)家保羅·霍華德·瓊斯教授[J].開放教育研究，2016（6）：4-10.

[23] 李澄宇，楊天明，顧勇，等.腦認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)[J].中國科學(xué)院院刊，2016，31（7）：755-764.