尚俊杰 曾嘉靈 周均奕

[摘? ?要] 空間能力是信息時(shí)代下人才培養(yǎng)的關(guān)鍵之一，與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)聯(lián)系緊密，而立體圖形的折疊與展開(kāi)是中國(guó)小學(xué)數(shù)學(xué)圖形與幾何教學(xué)的重難點(diǎn)。教育游戲環(huán)境能夠促進(jìn)數(shù)學(xué)認(rèn)知和空間能力發(fā)展。研究采用設(shè)計(jì)研究法，基于學(xué)習(xí)科學(xué)視角下教育學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)在折疊與展開(kāi)領(lǐng)域的相關(guān)研究成果，分析教育游戲相關(guān)理論構(gòu)建認(rèn)知、動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)的三維度游戲設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款折疊與展開(kāi)教育游戲《方塊消消樂(lè)》，并開(kāi)展應(yīng)用研究對(duì)游戲的實(shí)際效果進(jìn)行了評(píng)估。研究分析了32名學(xué)生的成績(jī)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在每天40分鐘共三天的基于游戲教學(xué)干預(yù)后，學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力顯著提升，對(duì)于知識(shí)學(xué)習(xí)先驗(yàn)?zāi)芰Φ偷膶W(xué)生提升效果尤為明顯。

[關(guān)鍵詞] 學(xué)習(xí)科學(xué); 教育游戲; 游戲化學(xué)習(xí); 數(shù)學(xué)認(rèn)知; 圖形與幾何; 空間能力; 折疊與展開(kāi); 心理折疊

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

一、引? ?言

空間能力是人類的重要能力之一[1]，包含大量非語(yǔ)言認(rèn)知能力，對(duì)于數(shù)學(xué)、工程、科學(xué)、技術(shù)能力等領(lǐng)域的成功至關(guān)重要[2-3]，尤其與數(shù)學(xué)能力聯(lián)系緊密[4-6]。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，人們?cè)诩庸た臻g任務(wù)和數(shù)學(xué)任務(wù)時(shí)會(huì)激活相似的神經(jīng)通路[7-9]，表明空間能力和數(shù)學(xué)能力的緊密聯(lián)結(jié)可能基于更底層的共享過(guò)程。我國(guó)十分重視數(shù)學(xué)教育中空間與圖形知識(shí)的培養(yǎng)，在《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（新課標(biāo)）中將“圖形與幾何”作為數(shù)學(xué)課程內(nèi)容的四大領(lǐng)域之一，強(qiáng)調(diào)“幫助學(xué)生建立空間觀念”具有舉足輕重的地位。

然而，圖形與幾何部分也是小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中比較薄弱的環(huán)節(jié)，一方面小學(xué)生的抽象思維和空間思維能力尚未發(fā)展完全，空間想象能力較弱，對(duì)平面圖形和立體圖形的正確表征難以建立;另一方面教師在進(jìn)行相關(guān)知識(shí)教學(xué)時(shí)也難以表述，使其成了教學(xué)難點(diǎn)之一。其中，立體圖形的折疊與展開(kāi)更是難度排序第一的知識(shí)點(diǎn)[10]。研究發(fā)現(xiàn)，在折疊與展開(kāi)的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生存在對(duì)于折疊與展開(kāi)問(wèn)題的想象困難;課堂教學(xué)中的動(dòng)手操作只是流于形式;學(xué)生往往因課后練習(xí)出錯(cuò)率高，逐漸失去對(duì)幾何的學(xué)習(xí)興趣等[11]。

近年來(lái)，游戲化學(xué)習(xí)備受關(guān)注，“寓教于樂(lè)”的教育游戲不僅可以激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，還能夠發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知能力[12]。此外，已有許多研究證實(shí)了游戲環(huán)境對(duì)空間能力的提升效果[12-15]。鑒于此，本研究以學(xué)習(xí)科學(xué)的多學(xué)科視角，基于教育學(xué)、心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究成果，對(duì)立體圖形折疊與展開(kāi)的教學(xué)內(nèi)容、認(rèn)知機(jī)制進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款適合小學(xué)五年級(jí)“立體圖形折疊與展開(kāi)”內(nèi)容學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)空間教育游戲《方塊消消樂(lè)》（曾用名：《方塊消消消》），并將該教育游戲應(yīng)用于教育教學(xué)實(shí)踐，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)估。

二、理論基礎(chǔ)

（一）基于學(xué)習(xí)科學(xué)視角的折疊與展開(kāi)學(xué)習(xí)

本研究從學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科視角出發(fā)，綜述了教育學(xué)、心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)理論和研究成果，深入系統(tǒng)地分析了折疊與展開(kāi)的學(xué)習(xí)過(guò)程，為折疊與展開(kāi)教育游戲科學(xué)、有效的認(rèn)知活動(dòng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1. 教育學(xué)視角

幾何學(xué)習(xí)和空間能力發(fā)展是小學(xué)數(shù)學(xué)課程的重要內(nèi)容之一。對(duì)于立體圖形的折疊與展開(kāi)這一學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)習(xí)者需要掌握立體圖形（如長(zhǎng)方體、正方體）的特征、認(rèn)識(shí)立體圖形展開(kāi)圖、在展開(kāi)圖中找到各組相對(duì)的面等知識(shí)點(diǎn)[16]。在教學(xué)的過(guò)程中，教師需要重點(diǎn)關(guān)注學(xué)習(xí)者感受和想象將立體圖形表面展開(kāi)的過(guò)程，幫助學(xué)生感受圖形在二維平面和三維立體之間展開(kāi)和折疊的運(yùn)動(dòng)變化[17]。整個(gè)運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生深入了解立體圖形的特征，培養(yǎng)學(xué)生的空間能力。

為了達(dá)到以上的教學(xué)目標(biāo)，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了剪紙盒、磁力片等多種教學(xué)方式[18-21]。已有研究也探討了學(xué)生在學(xué)習(xí)折疊與展開(kāi)內(nèi)容時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題及可能成因，如高曉旭認(rèn)為，由于學(xué)生缺乏獨(dú)立自主的操作訓(xùn)練、教師缺乏對(duì)學(xué)生想象過(guò)程的確切指導(dǎo)等原因，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)難以想象立體圖形變化過(guò)程、難以理解展開(kāi)圖與立體圖面關(guān)系、難以描述折疊與展開(kāi)動(dòng)態(tài)過(guò)程等問(wèn)題[11]。

因此，了解學(xué)生空間想象的認(rèn)知過(guò)程是促進(jìn)有效的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和空間訓(xùn)練的關(guān)鍵步驟。學(xué)生對(duì)立體圖形進(jìn)行折疊與展開(kāi)的過(guò)程，實(shí)際上是在進(jìn)行心理折疊的過(guò)程，與心理折疊能力息息相關(guān)。

2. 心理學(xué)視角

心理折疊（Mental Folding）是一種復(fù)雜的空間可視化能力，是將二維的空間圖形和對(duì)象通過(guò)心理操作，轉(zhuǎn)換成三維的空間圖形和對(duì)象的信息加工過(guò)程[22]。心理學(xué)相關(guān)研究從心理折疊能力的發(fā)展和認(rèn)知層面分析了學(xué)生在心理折疊任務(wù)時(shí)的表現(xiàn)，關(guān)注學(xué)生對(duì)二維圖形和三維物體的表征過(guò)程和加工模式。

心理折疊能力作為一種復(fù)雜的空間能力，會(huì)隨著年齡的增大而逐漸提高，其中8至9歲是學(xué)生從二維圖形認(rèn)知向三維物體認(rèn)知發(fā)展的重要階段。有許多因素可能會(huì)影響學(xué)生的心理折疊表現(xiàn)，比如折疊與展開(kāi)的方向。根據(jù)Tversky提出的功能空間模型[23]，物體附著在三個(gè)身體軸上，包括頭/腳（head/feet）、前/后（front/back）和左/右（left/right）[24]。與左/右軸相比，有關(guān)頭/腳軸或前/后軸上物體的信息可以更快地被檢索到[25-26]。因此，學(xué)生較好處理前/后軸上的折疊，也比較好處理頭/腳軸的折疊，較難處理左/右軸的折疊[27]。折疊過(guò)程中涉及的正方形數(shù)目也會(huì)對(duì)心理折疊任務(wù)難度產(chǎn)生影響，每次動(dòng)作所涉及的正方形數(shù)目越大，其難度越大[28-29]。此外，立體圖形的不同類型也會(huì)影響心理折疊的難度，其中立方體難度較小[30]，是學(xué)生認(rèn)識(shí)立體圖形展開(kāi)圖較好的切入點(diǎn)。

研究表明，空間能力可以通過(guò)與環(huán)境的交互得到發(fā)展[31]，同樣心理折疊能力也可以通過(guò)訓(xùn)練提升，桌面游戲和計(jì)算機(jī)環(huán)境均對(duì)心理折疊能力的發(fā)展有促進(jìn)效果[32]，如Yun等[33]發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，VGLS（虛擬幾何學(xué)習(xí)系統(tǒng)）在提升中學(xué)生心理折疊能力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。此外，教育游戲也是提升學(xué)生心理折疊能力的有效途徑之一。從感知重組和學(xué)習(xí)的視角理解空間概念的發(fā)展[34]，技術(shù)可以通過(guò)約束、反饋和目標(biāo)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)幫助學(xué)生從非正式的感知特征轉(zhuǎn)變?yōu)楦咭?guī)范性的特征[35]。而教育游戲可以為學(xué)生提供基于感知的體驗(yàn)，能夠促進(jìn)學(xué)生與概念本身的交互，有助于發(fā)展心理折疊能力[36]。

3. 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)視角

教育學(xué)和心理學(xué)分別從行為層面和認(rèn)知層面分析了折疊與展開(kāi)學(xué)習(xí)的過(guò)程，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究則從生理層面探究了折疊與展開(kāi)學(xué)習(xí)的神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)。眾多研究者應(yīng)用腦成像技術(shù)研究學(xué)習(xí)者的大腦活動(dòng)，探索心理折疊任務(wù)的基礎(chǔ)神經(jīng)結(jié)構(gòu)。腦電研究證明，心理折疊與大腦的頂葉區(qū)域有著密切的關(guān)系[37-39]。此外，Dan和Reiner應(yīng)用腦電圖測(cè)量了學(xué)生在觀看2D或3D折紙演示視頻時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷指數(shù)，結(jié)果表明3D的演示視頻能夠顯著降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷指數(shù)[40]，同時(shí)提升心理折疊能力。據(jù)此，本研究在教育游戲中設(shè)計(jì)了3D腳手架以促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知，輔助學(xué)生想象二維圖形和三維物體運(yùn)動(dòng)變化的過(guò)程，并減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。

（二）教育游戲支持的折疊與展開(kāi)學(xué)習(xí)

本研究立足于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)視閾，對(duì)教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理論研究進(jìn)行梳理。從教育游戲中的學(xué)習(xí)者信息加工模式、有效教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)激發(fā)和教師的促進(jìn)引導(dǎo)作用四個(gè)方面討論教育游戲設(shè)計(jì)原則，以認(rèn)知、動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)三個(gè)維度建構(gòu)教育游戲設(shè)計(jì)理論框架（見(jiàn)表1），為折疊與展開(kāi)教育游戲的有效設(shè)計(jì)提供參考和支持。

1. 認(rèn)知設(shè)計(jì)

多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論（Cognitive Model of Multimedia Learning）總結(jié)了多媒體學(xué)習(xí)中的認(rèn)知過(guò)程和心理表征，根據(jù)學(xué)習(xí)科學(xué)的三項(xiàng)基本原則，包括雙通道原則、有限容量原則和主動(dòng)加工原則，描述了多媒體環(huán)境學(xué)習(xí)是如何發(fā)生的[41-42]。當(dāng)人們玩教育游戲時(shí)，可以在三種認(rèn)知加工中分配有限的加工能力，包括無(wú)關(guān)加工、必要加工和生成加工。教育游戲在促進(jìn)生成加工過(guò)程時(shí)起著重要作用，但容易產(chǎn)生無(wú)關(guān)加工過(guò)程。因此，教育游戲設(shè)計(jì)的目標(biāo)是最大程度地減少無(wú)關(guān)加工，引發(fā)必要加工并促進(jìn)生成加工。

由于教育游戲具有豐富的三維空間，教學(xué)內(nèi)容主要通過(guò)視覺(jué)信息呈現(xiàn)，往往占據(jù)著學(xué)習(xí)者的視覺(jué)通道，因此在學(xué)習(xí)者與教育游戲進(jìn)行交互時(shí)，同時(shí)進(jìn)行有意義的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)輸入可能對(duì)學(xué)習(xí)者的注意力造成破壞[43]。好的教育游戲會(huì)使用環(huán)境音樂(lè)來(lái)調(diào)節(jié)聽(tīng)覺(jué)通道，但需要注意環(huán)境音樂(lè)和音效的有效設(shè)計(jì)，以減少無(wú)關(guān)加工。另外，由于學(xué)習(xí)者每次在一個(gè)通道內(nèi)只能處理少量信息，應(yīng)注意避免同時(shí)呈現(xiàn)過(guò)多的學(xué)習(xí)材料，增加學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，以保證必要加工過(guò)程的順利進(jìn)行。

本研究基于多媒體認(rèn)知理論，分析學(xué)習(xí)者在教育游戲中的信息加工模式，提出了教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的認(rèn)知設(shè)計(jì)原則，見(jiàn)表1中1-1、1-2。

2. 動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

情境認(rèn)知理論認(rèn)為，將學(xué)習(xí)置于知識(shí)產(chǎn)生和運(yùn)用的特定物理或社會(huì)情境中，才可能發(fā)生有意義的學(xué)習(xí)。受情境認(rèn)知理論的影響，教育游戲的設(shè)計(jì)主張將知識(shí)與情境融合，模擬真實(shí)的應(yīng)用情境，設(shè)計(jì)虛擬的仿真場(chǎng)景，使學(xué)習(xí)者在與學(xué)習(xí)情境的交互中進(jìn)行有意義學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與技能的有效遷移。在教育游戲的設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)給予玩家身份（Identity）吸引其思維，使其相信自己在游戲情境中是一個(gè)獨(dú)特的個(gè)體[43]，促進(jìn)學(xué)生在教育游戲中的投入。

心流理論（Flow Theory）指出，當(dāng)人們?cè)谶M(jìn)行某些日?；顒?dòng)時(shí)會(huì)完全投入到情境當(dāng)中，注意力高度集中，并且過(guò)濾掉所有與活動(dòng)不相關(guān)的知覺(jué)，進(jìn)入到一種心流狀態(tài)[44-45]。心流是學(xué)習(xí)的最佳狀態(tài)，可以通過(guò)內(nèi)在滿足感使學(xué)習(xí)者在從事任務(wù)時(shí)不停探索，不斷達(dá)到新的目標(biāo)，最大化提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)深度[46]?；谛牧骼碚?，在教育游戲的設(shè)計(jì)中應(yīng)該遵循以下規(guī)律：（1）概念和內(nèi)容的復(fù)雜性是逐漸增加的，隨著個(gè)人技能水平的提高，挑戰(zhàn)水平也隨之提高，從而在無(wú)聊和沮喪狀態(tài)之間產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的張力;（2）游戲的規(guī)則必須明確，使學(xué)習(xí)具有可復(fù)制性，幫助學(xué)生探索環(huán)境和物體;（3）向?qū)W生提供明確的目標(biāo);（4）向?qū)W生提供快速、清晰的反饋，使學(xué)生知道自身目前的進(jìn)度，以及成功完成任務(wù)還需要做什么努力;（5）游戲界面設(shè)計(jì)（即用于操縱游戲的控件）盡可能清晰和用戶友好，以減少無(wú)關(guān)加工[47-48]。

本研究基于情境認(rèn)知理論和心流理論，分析內(nèi)在動(dòng)機(jī)的激發(fā)方式，提出了教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原則，見(jiàn)表1中的2-1至2-6。

3. 調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

Kolb提出了體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論，用學(xué)習(xí)循環(huán)模型來(lái)表示體驗(yàn)學(xué)習(xí)的過(guò)程，主要包含四個(gè)步驟：具體體驗(yàn)、觀察反思、形成抽象概念和在新情境中檢驗(yàn)[49]。其中，反思是體驗(yàn)學(xué)習(xí)的核心，在教育游戲中鼓勵(lì)批判性思維會(huì)影響更多長(zhǎng)期記憶通道。當(dāng)學(xué)習(xí)者利用現(xiàn)有知識(shí)庫(kù)（模式）在教育游戲中學(xué)習(xí)時(shí)，將獲得新的體驗(yàn)，并將其與他們先驗(yàn)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行有效組織，從而吸收游戲中嵌入的學(xué)習(xí)內(nèi)容，這就是學(xué)習(xí)者在教育游戲中的自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)過(guò)程。在基于教育游戲的學(xué)習(xí)中，教師扮演著指導(dǎo)者的角色，負(fù)責(zé)促進(jìn)和引導(dǎo)學(xué)習(xí)[50]。根據(jù)對(duì)教育游戲自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)過(guò)程的分析，教師在課堂上應(yīng)負(fù)責(zé)：（1）根據(jù)學(xué)習(xí)者獨(dú)立完成任務(wù)的情況，創(chuàng)建知識(shí)腳手架;（2）設(shè)計(jì)小步子教學(xué)指導(dǎo)，為學(xué)習(xí)者提供表達(dá)和反思的機(jī)會(huì);（3）在學(xué)習(xí)者完成所有任務(wù)前，提供學(xué)習(xí)支持，答疑引導(dǎo)。另外，為了及時(shí)給學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)支持與反饋、指導(dǎo)教學(xué)和評(píng)估學(xué)習(xí)，應(yīng)根據(jù)教學(xué)需求，在教育游戲中設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)收集點(diǎn)，以收集到需要的反饋、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

本研究基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論，分析教師的促進(jìn)引導(dǎo)作用，提出了教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)原則，見(jiàn)表1中的3-1至3-4。

三、教育游戲設(shè)計(jì)研究

基于學(xué)習(xí)科學(xué)和教育游戲的理論基礎(chǔ)，本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了這款促進(jìn)小學(xué)五年級(jí)學(xué)生折疊與展開(kāi)學(xué)習(xí)的教育游戲《方塊消消樂(lè)》。該游戲的設(shè)計(jì)圍繞內(nèi)容設(shè)計(jì)和游戲設(shè)計(jì)兩個(gè)方面展開(kāi)，其中內(nèi)容設(shè)計(jì)是游戲整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。游戲的設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

首先，在游戲的內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，本研究基于《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的學(xué)習(xí)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)段學(xué)習(xí)要求，開(kāi)展了對(duì)人教版和北師大版教材的教學(xué)內(nèi)容分析。經(jīng)過(guò)整合分析結(jié)果，進(jìn)一步總結(jié)與拓展，得到折疊與展開(kāi)教育游戲的教學(xué)內(nèi)容與組織順序，基于此構(gòu)建知識(shí)模塊與框架，設(shè)計(jì)每個(gè)知識(shí)模塊的認(rèn)知活動(dòng)，開(kāi)發(fā)認(rèn)知活動(dòng)相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，并針對(duì)學(xué)生認(rèn)知困難的點(diǎn)設(shè)計(jì)腳手架，以支持學(xué)習(xí)。

其次，圍繞著游戲的內(nèi)容，貼合著目標(biāo)概念學(xué)習(xí)，本研究開(kāi)展了游戲總體元素的設(shè)計(jì)，包括故事背景的創(chuàng)設(shè)，搭建學(xué)習(xí)情境;設(shè)計(jì)游戲形式與規(guī)則玩法;體現(xiàn)游戲核心的功能模塊設(shè)計(jì);具體化游戲設(shè)計(jì)表現(xiàn)的場(chǎng)景交互設(shè)計(jì)。功能模塊設(shè)計(jì)是教育游戲?qū)崿F(xiàn)教育目標(biāo)的重要部分，本游戲的功能包括任務(wù)功能、腳手架功能、反饋評(píng)價(jià)功能、成就收集功能和行為數(shù)據(jù)收集功能。游戲整體設(shè)計(jì)旨在使學(xué)習(xí)內(nèi)容與游戲元素相互呼應(yīng)，實(shí)現(xiàn)教育游戲內(nèi)容概念與游戲的有效整合。相比于平衡游戲的教育性與游戲性，本研究旨在促進(jìn)教育性與游戲性的融合發(fā)展。

（一）游戲內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)折疊與展開(kāi)內(nèi)容學(xué)習(xí)要求，本研究從目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)序列和空間對(duì)象表征方面對(duì)兩版教科書(shū)進(jìn)行對(duì)比分析，確定采用正方體作為空間概念的表征方式，及以逐層遞進(jìn)、逐漸抽象的方式組織的三個(gè)教育游戲知識(shí)模塊：展開(kāi)圖相對(duì)面的辨認(rèn)、展開(kāi)圖前面與上面/下面的辨認(rèn)、立體圖形與展開(kāi)圖的對(duì)應(yīng)。通過(guò)不同類型的任務(wù)對(duì)同一空間概念進(jìn)行表征，為學(xué)生提供豐富的認(rèn)知機(jī)會(huì)，促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展。

參考基于學(xué)習(xí)科學(xué)視角的折疊與展開(kāi)學(xué)習(xí)研究，針對(duì)每個(gè)知識(shí)模塊開(kāi)展認(rèn)知活動(dòng)設(shè)計(jì)。為了給予學(xué)生想象圖形運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的最大空間，所有學(xué)習(xí)活動(dòng)均呈現(xiàn)靜態(tài)平面圖形與可觀察的立體圖形，將圖形動(dòng)態(tài)變化過(guò)程保留給學(xué)生進(jìn)行想象。在認(rèn)知活動(dòng)設(shè)計(jì)中，綜合考慮了學(xué)生的年齡特征與任務(wù)難度的影響因素。遵循學(xué)生的年齡發(fā)展規(guī)律，在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸增加難度，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維從具體到抽象的過(guò)渡;考慮到折疊與展開(kāi)方向和每次操作所涉及的正方形數(shù)目是影響任務(wù)難度的兩個(gè)因素，對(duì)任務(wù)難度進(jìn)行排序，并根據(jù)難度排序進(jìn)行關(guān)卡設(shè)計(jì)。具體的認(rèn)知活動(dòng)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

學(xué)生在教育游戲環(huán)境中通過(guò)學(xué)習(xí)資源直接與學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行交互，構(gòu)建空間概念表征，因此游戲的學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)在內(nèi)容框架和認(rèn)知活動(dòng)的基礎(chǔ)上開(kāi)展，主要為正方體平面展開(kāi)圖、可旋轉(zhuǎn)觀察的正方體及正方形行列陣，見(jiàn)表2。

為了幫助學(xué)生解決認(rèn)知困難、促進(jìn)學(xué)生對(duì)二維圖形和三維物體運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的理解和表征，本研究設(shè)計(jì)了兩種認(rèn)知腳手架，分別為可旋轉(zhuǎn)觀察的正方體和二維圖形與三維物體運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的演示動(dòng)畫(huà)。例如，在展開(kāi)圖相對(duì)面的辨認(rèn)模塊中，游戲提供了可通過(guò)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行全方位觀察的正方體，幫助學(xué)生建立對(duì)平面圖形和立體圖形的表征，輔助進(jìn)行二維圖形和三維物體表征的轉(zhuǎn)換;以及展開(kāi)圖從目前位置折疊成正方體，后又展開(kāi)的動(dòng)畫(huà)，幫助學(xué)生進(jìn)行平面圖形和立體圖形轉(zhuǎn)換的想象，突破認(rèn)知困難。

（二）游戲整體設(shè)計(jì)

1. 故事背景創(chuàng)設(shè)

故事背景創(chuàng)設(shè)能夠?yàn)閷W(xué)生提供在教育游戲世界中獨(dú)特的個(gè)體身份，增強(qiáng)代入感，提升學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，是保證游戲其他設(shè)計(jì)效果的基礎(chǔ)。《方塊消消樂(lè)》將學(xué)生設(shè)定為勇闖混沌的庫(kù)布（Cube）世界的勇士，并提供八款游戲化身選擇，學(xué)生可以選擇其一開(kāi)始游戲，與邪惡勢(shì)力斗爭(zhēng)，找尋被封印的12神獸，守護(hù)庫(kù)布世界。

2. 規(guī)則玩法設(shè)計(jì)

基于對(duì)學(xué)習(xí)者的分析，《方塊消消樂(lè)》目標(biāo)對(duì)象為小學(xué)五年級(jí)學(xué)生，為了在游戲過(guò)程中，盡量減少學(xué)生在操作和規(guī)則理解上的困難，應(yīng)設(shè)定清晰明確的游戲規(guī)則，保持學(xué)生的注意力和興趣，并將主要玩法設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單且易于操作。因此，本游戲采用消除游戲的形式，學(xué)生在游戲中會(huì)遇到基于每一關(guān)卡圖形庫(kù)隨機(jī)生成的圖形，玩家需要在限定的步數(shù)內(nèi)消除足夠多的正方形。根據(jù)每一個(gè)知識(shí)模塊的任務(wù)要求，學(xué)生需在圖形中找出、消除對(duì)應(yīng)的面，如果選擇正確，相應(yīng)的面被消除，玩家累積得分，步數(shù)減少，進(jìn)行下一個(gè)任務(wù)或圖形挑戰(zhàn);反之，玩家的機(jī)會(huì)步數(shù)減少，進(jìn)行同一個(gè)任務(wù)挑戰(zhàn)。游戲結(jié)束，根據(jù)玩家得分進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)反饋，評(píng)判星級(jí)，并進(jìn)行關(guān)卡物品獎(jiǎng)勵(lì)。

3. 功能模塊設(shè)計(jì)

游戲的功能模塊設(shè)計(jì)是支持教育游戲有效運(yùn)作、達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵，《方塊消消樂(lè)》游戲主要包括任務(wù)功能、腳手架功能、反饋評(píng)價(jià)功能、成就收集功能和學(xué)生行為數(shù)據(jù)收集功能。

其中，任務(wù)功能是教育游戲的核心功能，也是學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知活動(dòng)的功能。如前文所述，本游戲中包括三種任務(wù)：展開(kāi)圖相對(duì)面辨認(rèn)任務(wù)、展開(kāi)圖前面與上面/下面辨認(rèn)任務(wù)和立體圖形與展開(kāi)圖對(duì)應(yīng)任務(wù)，以闖關(guān)模式作為其具體表現(xiàn)形式，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的三個(gè)地圖：火焰山、冰川島和水晶巖洞。

腳手架功能是支持學(xué)生進(jìn)行折疊與展開(kāi)學(xué)習(xí)，幫助突破認(rèn)知困難的功能。如前所述，本游戲設(shè)計(jì)了兩種腳手架支持：可觀察的正方體和平面圖形與立體圖形變化過(guò)程動(dòng)畫(huà)，旨在幫助學(xué)生建立對(duì)平面圖形和立體圖形的表征，建構(gòu)表征相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。根據(jù)三種任務(wù)要求，設(shè)計(jì)漸進(jìn)的腳手架，表現(xiàn)在游戲中為不同難易程度的提示，見(jiàn)表2。需要注意的是，當(dāng)學(xué)生使用了正方體腳手架提示時(shí)，本次操作得分減半;當(dāng)學(xué)生使用了折疊與展開(kāi)動(dòng)畫(huà)腳手架提示時(shí)，本次操作不得分。

反饋評(píng)價(jià)功能是學(xué)生獲得學(xué)習(xí)反饋以調(diào)整學(xué)習(xí)過(guò)程的功能，包括闖關(guān)過(guò)程中的實(shí)時(shí)反饋和闖關(guān)結(jié)束后的總結(jié)性評(píng)價(jià)反饋。闖關(guān)過(guò)程中的實(shí)時(shí)反饋表現(xiàn)在學(xué)生進(jìn)行圖形選擇后，如果選擇正確則圖形消除、出現(xiàn)選擇正確游戲音效、得到積分獎(jiǎng)勵(lì)，如圖2（a）所示;如果選擇錯(cuò)誤則圖形不消除、出現(xiàn)選擇錯(cuò)誤游戲音效、不積分，并顯示錯(cuò)誤提示，以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)認(rèn)知錯(cuò)誤，及時(shí)構(gòu)建正確概念，如圖2（b）所示?？偨Y(jié)性評(píng)價(jià)反饋發(fā)生在學(xué)生闖關(guān)結(jié)束后，對(duì)學(xué)生在這一關(guān)的學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)星打分，提供學(xué)習(xí)結(jié)果反饋。

成就收集功能是為學(xué)生設(shè)置的隨機(jī)通關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。每個(gè)關(guān)卡都設(shè)有通關(guān)物品獎(jiǎng)勵(lì)，如地圖碎片、護(hù)身符、神獸等，學(xué)生可以在背包處查看已獲得的通關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)。學(xué)生行為數(shù)據(jù)收集功能則是教師獲得教學(xué)反饋、調(diào)整教學(xué)的重要參考，也是教育游戲評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之一，能夠提供客觀有效的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)。本游戲設(shè)計(jì)了學(xué)生行為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，一方面記錄關(guān)卡內(nèi)學(xué)生的任務(wù)完成情況，包括學(xué)生每次操作的時(shí)間、圖形、正誤情況、選擇情況等;另一方面記錄學(xué)生關(guān)卡任務(wù)完成外的行為情況，包括提示、暫停、重新開(kāi)始、背包等。

4. 場(chǎng)景交互設(shè)計(jì)

基于理論基礎(chǔ)中確定的教育游戲設(shè)計(jì)理論框架，開(kāi)展場(chǎng)景交互設(shè)計(jì)。《方塊消消樂(lè)》共設(shè)計(jì)了9種場(chǎng)景界面，如游戲入口界面、關(guān)卡選擇界面、游戲主界面、游戲結(jié)果界面等，每一種界面都承載著游戲的不同功能，共同組成了完整的游戲架構(gòu)。

四、教育游戲應(yīng)用研究

為了檢驗(yàn)《方塊消消樂(lè)》折疊與展開(kāi)學(xué)習(xí)的效果，本研究將此游戲應(yīng)用于小學(xué)五年級(jí)課堂教學(xué)，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，以評(píng)估《方塊消消樂(lè)》對(duì)提升學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力的效果。并嘗試探究《方塊消消樂(lè)》對(duì)具有不同先驗(yàn)?zāi)芰Φ膶W(xué)生，是否會(huì)產(chǎn)生不同的影響效果。根據(jù)研究目的，本研究采用前后測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并提出兩個(gè)研究假設(shè)。假設(shè)一：學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力后測(cè)成績(jī)都顯著高于前測(cè)成績(jī);假設(shè)二：對(duì)于先驗(yàn)?zāi)芰Φ偷膶W(xué)生，其知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力的提升效果都顯著高于先驗(yàn)?zāi)芰Ω叩膶W(xué)生。

（一）研究設(shè)計(jì)

1. 研究對(duì)象

本研究在北京市一所公立小學(xué)的五年級(jí)開(kāi)展，隨機(jī)選取了一個(gè)班級(jí)共37名學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，其中女生20名，男生17名。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期（包括前測(cè)、干預(yù)和后測(cè)）持續(xù)11天，存在一些學(xué)生無(wú)法完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的情況，所收集到的數(shù)據(jù)反饋不完全，無(wú)法納入分析過(guò)程，作剔除處理。完整參與研究的總?cè)藬?shù)為32人，其中女生15名，男生17名。該所小學(xué)使用北京版教材，尚未完成“立體圖形的折疊與展開(kāi)”內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

2. 研究工具

為測(cè)量學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)成績(jī)，研究參考小學(xué)五年級(jí)折疊與展開(kāi)內(nèi)容的習(xí)題和試題，在小學(xué)數(shù)學(xué)教育專家的指導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)了學(xué)習(xí)成效測(cè)試，共包含11道題目，分別為6道選擇題和5道填空題。每道題目計(jì)1分，測(cè)試總分為11分，學(xué)生的測(cè)試成績(jī)?yōu)檎_回答題目的累計(jì)分?jǐn)?shù)。針對(duì)前測(cè)和后測(cè)開(kāi)發(fā)了兩版學(xué)習(xí)成效測(cè)試，保持試題數(shù)目、類型、測(cè)試內(nèi)容和難度相同，題目中具體圖形和答案不同。

為評(píng)估學(xué)生的心理折疊能力，研究選取了應(yīng)用最為廣泛的紙張折疊測(cè)試（Paper Folding Test）[51]作為測(cè)量工具，共包含20道題目。測(cè)試總分為20分，學(xué)生的測(cè)試成績(jī)?yōu)檎_回答題目的累計(jì)數(shù)目減去錯(cuò)誤回答數(shù)目的五分之一。測(cè)試題目被分為兩部分，每部分有10道題目，呈現(xiàn)在同一頁(yè)上，計(jì)時(shí)3分鐘完成。每道題目給出一張正方形紙的折疊和打孔方式，學(xué)生需要想象打孔后的紙張展開(kāi)過(guò)程，并在五個(gè)答案中選擇展開(kāi)后的正方形紙。

3. 研究過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前測(cè)在實(shí)驗(yàn)干預(yù)的前一周進(jìn)行，即第一天，學(xué)生進(jìn)行了知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力的前測(cè)，分別用時(shí)為14分鐘和6分鐘。在第八天至第十天，開(kāi)展三天的實(shí)驗(yàn)干預(yù)，學(xué)生每天進(jìn)行1課時(shí)的基于《方塊消消樂(lè)》的學(xué)習(xí)，持續(xù)時(shí)間40分鐘。第八天為新授課，由教師開(kāi)展基于《方塊消消樂(lè)》的折疊與展開(kāi)內(nèi)容教學(xué);第九天和第十天為練習(xí)課，學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行基于《方塊消消樂(lè)》的學(xué)習(xí)，教師作為引導(dǎo)者的角色，為學(xué)生答疑解惑，提供學(xué)習(xí)支持。干預(yù)結(jié)束后，第十一天，學(xué)生進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力的后測(cè)，用時(shí)與前測(cè)一致。

（二）研究結(jié)果

1. 教育游戲應(yīng)用效果

本研究采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)對(duì)學(xué)生前后測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以探究教育游戲的應(yīng)用效果。結(jié)果見(jiàn)表3，學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的后測(cè)總分均值（M=9.63，SD=1.29）顯著高于前測(cè)（M=6.00，SD=2.78），t（31）=-8.618，p=0.000，d=1.524;心理折疊能力的后測(cè)總分均值（M=10.85，SD=4.23）顯著高于前測(cè)（M=8.38，SD=4.33），t（31）=-5.075，p=0.000，d=0.897。研究結(jié)果證明了研究假設(shè)一，學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力后測(cè)成績(jī)都顯著高于前測(cè)成績(jī)，說(shuō)明教育游戲《方塊消消樂(lè)》的應(yīng)用能夠提升學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力。

2. 不同能力學(xué)生對(duì)比

本研究采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，對(duì)高先驗(yàn)?zāi)芰W(xué)生和低先驗(yàn)?zāi)芰W(xué)生的前后測(cè)分?jǐn)?shù)差（后測(cè)—前測(cè)）進(jìn)行分析，以探究教育游戲?qū)哂胁煌闰?yàn)?zāi)芰W(xué)生的影響效果。由于樣本量未達(dá)100人，本研究分別按照前測(cè)知識(shí)學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)和心理折疊能力分?jǐn)?shù)，以50%為界將學(xué)生分為高能力組（16名）和低能力組（16名）[52]。結(jié)果見(jiàn)表4，知識(shí)學(xué)習(xí)先驗(yàn)?zāi)芰Φ偷膶W(xué)生分?jǐn)?shù)提升均值（M=5.31，SD=1.92）顯著高于先驗(yàn)?zāi)芰Ω叩膶W(xué)生（M=1.94，SD=1.39），t（30）=-5.69，p=0.000，d=2.01;心理折疊先驗(yàn)?zāi)芰Φ偷膶W(xué)生分?jǐn)?shù)提升均值（M=3.00，SD=2.84）與先驗(yàn)?zāi)芰Ω叩膶W(xué)生（M=1.95，SD=2.66）無(wú)顯著差異，t（30）=-1.08，p=0.289。研究結(jié)果部分證明了研究假設(shè)二，對(duì)于知識(shí)學(xué)習(xí)先驗(yàn)?zāi)芰Φ偷膶W(xué)生，《方塊消消樂(lè)》應(yīng)用的提升效果顯著高于知識(shí)學(xué)習(xí)先驗(yàn)?zāi)芰Ω叩膶W(xué)生;不過(guò)《方塊消消樂(lè)》的應(yīng)用對(duì)于心理折疊先驗(yàn)?zāi)芰Σ煌膶W(xué)生，提升效果無(wú)顯著差異。

五、結(jié)論與討論

（一）研究總結(jié)

本研究基于學(xué)習(xí)科學(xué)視角設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款科學(xué)、有效、有趣的教育游戲《方塊消消樂(lè)》。在學(xué)習(xí)方式上，游戲結(jié)合了學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域?qū)φ郫B與展開(kāi)學(xué)習(xí)過(guò)程的研究結(jié)果，以遵循學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的方式有效建構(gòu)空間概念;在學(xué)習(xí)內(nèi)容上，游戲基于我國(guó)設(shè)定的課程標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)威教材進(jìn)行了詳細(xì)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)分析，以保證內(nèi)容基礎(chǔ)的適切性;在游戲設(shè)計(jì)上，本研究分析提出了教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的認(rèn)知設(shè)計(jì)原則、動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原則和調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)原則，以實(shí)現(xiàn)教育性與游戲性的融合。在此基礎(chǔ)上，本研究將游戲與課堂教學(xué)整合，開(kāi)展了教育游戲的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，《方塊消消樂(lè)》可以有效地提升學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力。在知識(shí)學(xué)習(xí)上，相比于先驗(yàn)?zāi)芰Ω叩膶W(xué)生，《方塊消消樂(lè)》對(duì)先驗(yàn)?zāi)芰Φ偷膶W(xué)生提升效果更佳，而對(duì)于心理折疊能力來(lái)說(shuō)，《方塊消消樂(lè)》對(duì)于先驗(yàn)?zāi)芰Σ煌膶W(xué)生具有相同的提升效果。

學(xué)習(xí)科學(xué)作為一個(gè)研究教與學(xué)的跨學(xué)科研究領(lǐng)域，整合了教育學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、腦科學(xué)等眾多領(lǐng)域研究成果。如何將學(xué)習(xí)科學(xué)理論落實(shí)在具體的教育游戲設(shè)計(jì)中，以學(xué)習(xí)科學(xué)理論指導(dǎo)學(xué)生在教育游戲中學(xué)習(xí)，是每一個(gè)教育游戲?qū)嵺`者都必須要思考的問(wèn)題。在教育游戲的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，實(shí)踐者需要梳理學(xué)習(xí)內(nèi)容，總結(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題與困境，然后以問(wèn)題為錨點(diǎn)，分析學(xué)生認(rèn)知規(guī)律與認(rèn)知水平。以學(xué)習(xí)科學(xué)相關(guān)理論為基礎(chǔ)建構(gòu)教育游戲的整體邏輯框架，從而搭建理論與實(shí)踐之間的橋梁。

（二）研究啟發(fā)

回顧本研究可以發(fā)現(xiàn)，教育游戲設(shè)計(jì)是從理論到實(shí)踐不斷落地的過(guò)程。從理論研究開(kāi)始，結(jié)合需求分析，最終完成游戲的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有效、有趣的教育游戲。據(jù)此，本研究得出以下教育游戲設(shè)計(jì)的啟發(fā)：

1. 理論研究是教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)

教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的理論基礎(chǔ)包括學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)理論和教育游戲設(shè)計(jì)理論。學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)理論能夠幫助研究者了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和認(rèn)知方式，從而設(shè)計(jì)科學(xué)的認(rèn)知活動(dòng)支持學(xué)生的概念建構(gòu)，保證教育游戲的科學(xué)性。本研究中《方塊消消樂(lè)》的設(shè)計(jì)基于學(xué)習(xí)科學(xué)的跨學(xué)科研究成果，探究學(xué)生二維、三維圖形表征建構(gòu)和心理折疊能力認(rèn)知過(guò)程，以及折疊與展開(kāi)教育教學(xué)問(wèn)題及成因，總結(jié)出設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)教育游戲認(rèn)知活動(dòng)的理論基礎(chǔ)。教育游戲設(shè)計(jì)理論是游戲總體設(shè)計(jì)的參考，為教育游戲的有趣性提供支持。本研究立足于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)視域，基于多媒體認(rèn)知理論分析學(xué)習(xí)者在教育游戲中的信息加工模式，基于情境認(rèn)知理論和心流理論分析內(nèi)在動(dòng)機(jī)的激發(fā)方式，基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論分析教師的促進(jìn)引導(dǎo)作用，從認(rèn)知設(shè)計(jì)、動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)三個(gè)方面提出教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的原則，為營(yíng)造科學(xué)有效的學(xué)習(xí)環(huán)境提供支持。

2. 需求分析是教育游戲有效應(yīng)用的保障

在研究目標(biāo)內(nèi)容相關(guān)理論的同時(shí)，應(yīng)開(kāi)展對(duì)目標(biāo)知識(shí)內(nèi)容的教學(xué)和學(xué)習(xí)的需求分析。通過(guò)需求分析，建構(gòu)教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的內(nèi)容基礎(chǔ)，貼合目標(biāo)需求進(jìn)行教育游戲的認(rèn)知活動(dòng)設(shè)計(jì)，從而保證教育游戲的有效性和實(shí)用性。本研究從中國(guó)數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，分析人教版和北師大版小學(xué)五年級(jí)數(shù)學(xué)教科書(shū)，梳理“立體圖形折疊與展開(kāi)”相關(guān)部分的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，明確教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)深度范圍，為構(gòu)建教育游戲的學(xué)習(xí)內(nèi)容框架、設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的認(rèn)知活動(dòng)與相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源和腳手架提供參考。

3. 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)教育性和游戲性的融合

相比于將教育游戲的教育性和游戲性作為兩個(gè)排他的因素進(jìn)行平衡，本研究旨在推動(dòng)教育性和游戲性的融合，從而實(shí)現(xiàn)兩方面的交互發(fā)展。理論研究與需求分析為教育游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和內(nèi)容基礎(chǔ)，指導(dǎo)游戲的內(nèi)容設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)。教育游戲的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)以目標(biāo)知識(shí)的內(nèi)容設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，貼合教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)開(kāi)展游戲總體設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)知識(shí)本身的樂(lè)趣，從而激發(fā)內(nèi)部動(dòng)機(jī)。本研究立足于游戲的內(nèi)容設(shè)計(jì)，開(kāi)展貼合學(xué)習(xí)內(nèi)容的游戲總體設(shè)計(jì)，融合發(fā)展教育性與游戲性。

（三）研究不足與反思

由于時(shí)間限制，本研究設(shè)計(jì)的游戲并沒(méi)有得到大范圍的測(cè)試，尚未開(kāi)展后續(xù)教學(xué)工作;另外，游戲內(nèi)容和規(guī)則還需要結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行適應(yīng)性的修改。因此，本研究設(shè)計(jì)的折疊與展開(kāi)游戲還需要進(jìn)一步的迭代優(yōu)化和改進(jìn)，如在游戲設(shè)計(jì)上，可以豐富游戲規(guī)則，探索漸進(jìn)性玩法，以增強(qiáng)游戲趣味性;在內(nèi)容設(shè)計(jì)上，可以利用游戲后臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理論分析進(jìn)行補(bǔ)充和完善，提升內(nèi)容設(shè)計(jì)的科學(xué)性和有效性。在未來(lái)研究中，研究者可以通過(guò)迭代的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)螺旋上升的游戲設(shè)計(jì)，最終落實(shí)到一線教育教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)一步助力學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和空間能力的培養(yǎng)。

致謝：在研究過(guò)程中，感謝北京市順義區(qū)西辛小學(xué)朱秋庭校長(zhǎng)、劉學(xué)紅校長(zhǎng)、李云龍主任、付秀芳老師、張麗麗老師、趙海平老師、趙麗老師提供的指導(dǎo)、支持和幫助;感謝北京市順義教育研究考試中心教研員周愛(ài)東老師、深圳市福田區(qū)教育科學(xué)研究院小學(xué)數(shù)學(xué)教研員姚鐵龍老師提供的建議和指導(dǎo);此外，還要感謝胡若楠、夏琪、石長(zhǎng)征、張媛媛等北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的老師、同學(xué)們給予的支持和幫助！

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Research on Design and Application of Mathematical Spatial Games from Learning Sciences Perspective

SHANG Junjie，? ZENG Jialing，? ZHOU Junyi

（Lab of Learning Sciences， Graduate School of Education， Peking University， Beijing 100871）

[Abstract] Spatial ability is one of the keys to talent training in the information age and is closely linked to mathematics learning. However， it is found that folding and unfolding of three-dimensional figures is an important and difficult point in the teaching of graphics and geometry in Chinese elementary school. Educational game environments can promote the development of mathematical cognition and spatial ability. As a result， this study adopts the design-based research method， based on the relevant research results of pedagogy， psychology， and cognitive neuroscience research on folding and unfolding from the perspective of learning sciences， analyzes the theories related to educational games to construct the three-dimensional game design principles of cognition， motivation and regulation， and designs and develops a folding and unfolding educational game "Cube Elimination". An applied study is also conducted to evaluate the actual effect of the game. The study analyzes the performance data of 32 students and finds that the students' mathematical knowledge learning and mental folding abilities have been improved significantly after a 40-minute daily game-based instructional intervention for a total of three days， especially for students with lower initial knowledge proficiency.

[Keywords] Learning Sciences; Educational Games; Gamified Learning; Mathematical Cognition; Graphics and Geometry; Spatial Ability; Folding and Unfolding; Mental Folding

[作者簡(jiǎn)介] 尚俊杰（1972—），男，河南林州人。研究員，主要從事學(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)設(shè)計(jì)、游戲化學(xué)習(xí)、教育技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)政策等研究。E-mail：jjshang@pku.edu.cn。

基金項(xiàng)目：北京市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度延續(xù)課題“基于學(xué)習(xí)科學(xué)和游戲化學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)研究"（課題編號(hào)： CEFA21067）