游戲化教學(xué)法在工科信息類課程教學(xué)中的探索與應(yīng)用

閆文君 凌青 劉凱 朱子強

摘? 要：游戲化教學(xué)法是參與式教學(xué)的重要教學(xué)方法之一，文章針對游戲化教學(xué)法在工科信息類課程中使用的實際情況和問題，分析游戲化教學(xué)法的使用現(xiàn)狀，討論其優(yōu)缺點和使用場景，分析游戲化教學(xué)法的課前準備、課程實施和課后活動三個環(huán)節(jié)的實施方法，最后給出基于“搜索技術(shù)”課程教學(xué)的案例，為游戲化教學(xué)在其他工科課程中實施提供參考，也為工科院校參與式教學(xué)法實施提供借鑒。

關(guān)鍵詞：參與式教學(xué);游戲化教學(xué)法;翻轉(zhuǎn)課堂;深度學(xué)習(xí);教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）19-0100-04

Abstract： The game teaching method is one of the important teaching method of participatory teaching. In view of the gaming teaching method in information engineering classes used in the actual situation and problems， this paper analyzes the present situation， the use of gaming teaching method to discuss the advantages and disadvantages and the usage scenario. The study analyses the game teaching method of preparation before class， curriculum implementation and after-school three links of the implementation of the method.? Finally the study gives the case based on "search technology" course teaching， for game teaching implementation provides reference in other engineering courses， also provides a reference for engineering colleges and universities of participatory teaching method.

Keywords： participatory teaching; gamification teaching method; flipped classroom; deep learning; teaching design

關(guān)于在教學(xué)過程中使用傳統(tǒng)講授式的嚴肅教學(xué)還是采用參與式教學(xué)是一直以來在教學(xué)改革中討論的重要問題之一。嚴肅教學(xué)歷史較為悠久，我國儒家教學(xué)方法尊崇的是“學(xué)而不厭，誨人不倦”，要求學(xué)生不能厭煩學(xué)習(xí)，教師講授不能倦怠，幾千年來的教與學(xué)一直遵守著類似的規(guī)則。隨著社會的發(fā)展和人們思想觀念的轉(zhuǎn)變，“以學(xué)生為中心”越來越多出現(xiàn)在教學(xué)改革和教學(xué)實施中。實際上，從孔子時代就提倡過“以學(xué)生為中心”的思想，如“不憤不啟，不悱不發(fā)。舉一隅不以三隅反，則不復(fù)也。”就是啟發(fā)式教學(xué)的思想，類似的還有“溫故而知新”“多聞，擇其善者而從之”“學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆”等[1]。也就是說，參與式教學(xué)是一直存在在教學(xué)環(huán)節(jié)中的，只不過在近現(xiàn)代的教學(xué)過程中，通常采用的是嚴肅教學(xué)。因此，以游戲化教學(xué)法為代表的參與式教學(xué)是自然產(chǎn)生的而不是教學(xué)改革的結(jié)果。

在西方，游戲化教學(xué)早在19世紀80年代就在美國提出，最初并沒有參與式教學(xué)的概念?！皡⑴c式”理念正式進入我國是在20世紀初，先后有北京師范大學(xué)陳向明教授、西北工業(yè)大學(xué)靳健教授等對參與式教學(xué)在國內(nèi)的實踐進行了研究。21世紀以來，以高校為研究主題的參與式學(xué)習(xí)/教學(xué)本土化研究越來越多，隨著教學(xué)理論的不斷深入和發(fā)展，有著更多的新穎形式出現(xiàn)在參與式教學(xué)基礎(chǔ)理論領(lǐng)域。但是無論是啟發(fā)式，還是討論式、探究式、參與式，這些新穎的教學(xué)方式無一不是強調(diào)“以學(xué)生為中心”，注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生積極參與到教學(xué)活動中。

目前參與式教學(xué)大多被用在學(xué)前教學(xué)、小學(xué)教育和成人培訓(xùn)教學(xué)中[2]，學(xué)歷越高的教育采用得越少，究其原因是隨著培訓(xùn)層次的提高，學(xué)生的理解能力和自制力也隨之提高，若想在短時間內(nèi)傳遞更多的知識，采用嚴肅教學(xué)會更加適合。但是由于參與式教學(xué)靈活多變的特點，若與嚴肅教學(xué)結(jié)合，會取得意想不到的效果。

工科教學(xué)中基礎(chǔ)知識多、理論性強，通常意義上被認為不適合采用參與式教學(xué)的方法。本文針對上述問題，在討論參與式教學(xué)、游戲化教學(xué)特點基礎(chǔ)上，以人工智能導(dǎo)論課程中“搜索技術(shù)——盲目搜索與啟發(fā)式搜索”知識點為例，闡述游戲化教學(xué)法在課前、課中和課后實施的方法，分析工科課程實現(xiàn)游戲化教學(xué)的有效性。

一、參與式教學(xué)法

教育改革要從教育觀念入手，最終要落實到教育實踐中[3]。參與式教學(xué)法是以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為前提的，讓學(xué)生參與到教學(xué)環(huán)節(jié)中，大大提高課堂氣氛和教學(xué)效果，使得教學(xué)活動從“要我學(xué)”變成“我要學(xué)”，提高學(xué)生的主體性和創(chuàng)造性，挖掘?qū)W生的潛能，通過師生之間合作、交流、互動等途徑促進課堂教學(xué)效果的提高。其主要有以下幾個特點。

1. 提高了學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)學(xué)生的參與度。參與式教學(xué)在教學(xué)活動中極大地發(fā)揮師生之間、生生之間主觀能動性，在話題有足夠吸引力的前提下，學(xué)生的參與度會極大提高，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)[4]。

2. 強調(diào)教師主導(dǎo)地位。參與式教學(xué)不但要求教師是教學(xué)活動的組織者，而且是學(xué)習(xí)活動的引導(dǎo)者和促進者。在參與式教學(xué)中，教師的主導(dǎo)地位不僅沒有削弱，反而有所加強。教師應(yīng)圍繞教學(xué)內(nèi)容涉及可操作性參與式學(xué)習(xí)方案，備課的內(nèi)容從備教學(xué)內(nèi)容擴展到教學(xué)對象、教學(xué)方法和教學(xué)手段等。

3. 提高了學(xué)習(xí)活動的多樣性。參與式教學(xué)能使學(xué)生在千篇一律的嚴肅教學(xué)中體現(xiàn)新鮮感，特別是工科高等教育課程中，如高等數(shù)學(xué)、自動化原理、信號處理等課程，大多采用嚴肅教學(xué)的方式，適當?shù)貐⑴c教學(xué)能夠極大發(fā)揮學(xué)生主體作用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[5]。

4. 參與式教學(xué)體現(xiàn)教育公平性。在參與式教學(xué)中，師生關(guān)系在教學(xué)環(huán)節(jié)中是平等的，大家關(guān)注點集中到知識上，更容易接受教學(xué)內(nèi)容。

但是，與其他新穎的教學(xué)方法類似，參與式教學(xué)有著以下致命問題。

1. 參與式互動多了，獲取知識的范圍就會受限。嚴肅教學(xué)在一節(jié)課程中可以不停地進行知識講授，但參與式教學(xué)必須建立話題，引發(fā)思考并活躍課堂，這些環(huán)節(jié)在課程教學(xué)中往往會占用大量時間，知識講授的深度和廣度就會受限，這也是目前兩種教學(xué)方式的主要矛盾。

2. 參與式教學(xué)的實質(zhì)是老師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間的互動交流，在參與式教學(xué)中容易出現(xiàn)形式大于內(nèi)容，甚至華而不實的現(xiàn)象。

3. 參與式教學(xué)是將學(xué)生放在教學(xué)活動的主體地位，但容易讓部分教師誤以為老師的講授是多余的，有悖于課堂教學(xué)最初的目的。

因此，這就要求在設(shè)計參與式教學(xué)活動時，充分考慮授課環(huán)節(jié)的設(shè)計，在保證課堂授課效果的同時，使知識傳授的深度和廣度得到保證。同時要充分利用激發(fā)學(xué)生興趣這一優(yōu)勢，通過課上激發(fā)興趣，課下引導(dǎo)自我學(xué)習(xí)的方式，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，使學(xué)生不僅在課上愛學(xué)習(xí)，同時在課下愛擴展，愛深入，回歸學(xué)習(xí)本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，以達到課上課下一體，擴展教學(xué)內(nèi)容深度和廣度的目的。

二、游戲化教學(xué)法在工科教學(xué)中的應(yīng)用困境

游戲化教學(xué)法在工科信息類課程教學(xué)中應(yīng)用不多，主要原因有以下三點。

（一）主流觀點對于課上游戲的不認可

長期以來的儒家文化熏陶導(dǎo)致近現(xiàn)代教學(xué)過程通常采用嚴肅教學(xué)的方式，在開拓教學(xué)方法時，我們通常采用借鑒西方的方式。但是通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)課堂上，教師迫于教學(xué)督導(dǎo)的現(xiàn)實，不敢進行新的教學(xué)方式的嘗試，參與式教學(xué)往往僅停留在少數(shù)課程和教學(xué)比賽中。

（二）工科教學(xué)內(nèi)容過于理論化

工科學(xué)生學(xué)習(xí)的課程一般過于理論化，如高等數(shù)據(jù)、電子技術(shù)、自動控制原理、通信原理等。這些課程理論化較強的現(xiàn)狀導(dǎo)致教師在設(shè)計游戲時無從下手，學(xué)生在沒有足夠的基礎(chǔ)理論支撐的基礎(chǔ)上，無法理解教師設(shè)計游戲的意圖，甚至無法完成游戲，因此在工科教學(xué)時難以實施游戲化教學(xué)。

（三）高等教育中的參與式教學(xué)要求教學(xué)雙方具有

更高的素質(zhì)

對教師而言，游戲化教學(xué)除要求教師具備信息化技術(shù)和本專業(yè)知識外，還需要教師具備游戲設(shè)計能力、課堂駕馭能力和判斷學(xué)生認知水平能力。其中游戲設(shè)計能力要求教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇合適的游戲并將教學(xué)內(nèi)容與游戲結(jié)合以完成教學(xué)目標;課堂駕馭能力要求教師準確把握游戲進程，避免游戲化教學(xué)方法的采用導(dǎo)致課堂內(nèi)容過于發(fā)散，甚至游戲時間過長無法完成教學(xué)目標;判斷學(xué)生認知水平能力要求教師準確把握學(xué)生的認知水平以設(shè)計符合學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的游戲，避免游戲過難或過易。對學(xué)生而言，學(xué)生需要較高的自我管理能力，在課前根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進行預(yù)習(xí)，課下積極查閱資料，完成教師布置的任務(wù)，避免游戲化教學(xué)導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容深度和廣度不深的情況。教師和學(xué)生需要共同努力而達到教學(xué)相長的狀態(tài)。

綜上所述，在教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師要以取得更好的教學(xué)效果為目的，打破傳統(tǒng)思維，大膽嘗試新的教學(xué)方式。利用游戲化教學(xué)有利于幫助學(xué)生理解復(fù)雜問題的特點，在課前對學(xué)生狀態(tài)充分調(diào)研，大膽設(shè)計課程與游戲的結(jié)合方式，成熟一個案例應(yīng)用一個案例，讓游戲化教學(xué)法成為課堂上重要的助力。

三、游戲化教學(xué)法的教學(xué)策略

游戲化教學(xué)法作為參與式教學(xué)法的重要內(nèi)容，在教育培訓(xùn)中使用得比較多，針對參與式教學(xué)的優(yōu)缺點，在工科信息化課程教學(xué)中，游戲化教學(xué)設(shè)計策略如下。

（一）課前、課中和課后一體化教學(xué)

鑒于游戲化教學(xué)課上學(xué)生參與度大，課程內(nèi)容不易展開的問題，要著重對課程授課方式進行設(shè)計，以達到課前、課中和課后一體化教學(xué)的目的。

課前環(huán)節(jié)（互聯(lián)網(wǎng)+項目式學(xué)習(xí)）：在課前環(huán)節(jié)，可通過線上方式，布置預(yù)習(xí)知識點，并舉部分案例性課題讓學(xué)生自由發(fā)揮進行研究。需要注意的是，此時不要進行啟發(fā)式引導(dǎo)，讓學(xué)生帶著案例自行探索，帶著問題或者解決方案進入課堂。教師在此環(huán)節(jié)應(yīng)針對案例設(shè)計游戲。

課中環(huán)節(jié)（游戲化教學(xué)）：針對課前所布置案例，進行游戲式教學(xué)，區(qū)別于幼小教育，游戲時間不易過長，以5～10分鐘為宜，以便有更多時間進行課堂教學(xué)。游戲的主要目的在于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生樂于參與到課程教學(xué)中。剩余35～40分鐘進行課程教學(xué)，針對設(shè)計的游戲進行內(nèi)容講授，并對課前案例進行詳細分析和解決。

課后環(huán)節(jié)（自主學(xué)習(xí)）：課后環(huán)節(jié)應(yīng)布置復(fù)雜案例供學(xué)生探索。學(xué)生探索復(fù)雜案例的自主性完全取決于課中環(huán)節(jié)對學(xué)生興趣的激發(fā)。若課中環(huán)節(jié)設(shè)計得當，學(xué)生全身心投入知識點的探索和研究中，游戲化教學(xué)才達到目的。

（二）教師主導(dǎo)與學(xué)生主體作用統(tǒng)一

教師作用是課程的引導(dǎo)者，作用是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、把握課堂節(jié)奏，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。避免由于發(fā)揮學(xué)生主體作用而忽視了教師的引導(dǎo)作用。

（三）目標分層游戲設(shè)計

游戲化教學(xué)強調(diào)以學(xué)生為主體的理念，在教學(xué)活動中應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生主動參與到教學(xué)活動中。在游戲設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)講授的知識點，按照由易到難的方式根據(jù)教學(xué)內(nèi)容對游戲難易程度進行分層設(shè)計，以便于激發(fā)學(xué)生參與游戲的信息，加快學(xué)生進入角色的速度，引發(fā)學(xué)生好奇心，達到引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的。

（四）獎勵機制和競爭機制

由于工科信息類課程課堂內(nèi)容一般較多，游戲時間設(shè)計較少，為加速學(xué)生參與游戲熱情，在游戲設(shè)計時加入獎勵機制。在課程開始前需要對學(xué)生分組，游戲進行時按照游戲難度和學(xué)生完成程度對學(xué)生進行獎勵，按照過關(guān)、晉級、拿獎勵等方式激發(fā)學(xué)生興趣。同時，對學(xué)生分組的方式有利于引入競爭。競爭存在于課上和課下兩個層面：在課上，學(xué)生通過參與游戲獲取獎勵，組與組之間存在著競爭;在課后，學(xué)生對復(fù)雜案例進行實現(xiàn)，實現(xiàn)的結(jié)果也存在競爭。這樣，借助游戲這一環(huán)節(jié)不僅促進了學(xué)生課上學(xué)習(xí)的熱情，也激發(fā)了學(xué)生課后的競爭，同時加強了學(xué)生之間團隊協(xié)作的精神，提高學(xué)習(xí)效率和自我學(xué)習(xí)動力。

四、典型教學(xué)案例設(shè)計

本文以人工智能導(dǎo)論課程中“搜索技術(shù)——盲目搜索和啟發(fā)式搜索”知識點為例，以“漢諾塔”游戲為互動游戲設(shè)計教學(xué)案例。

案例教學(xué)目標：掌握寬度優(yōu)先搜索和深度優(yōu)先搜索兩種盲目搜索方式，掌握啟發(fā)式搜索中的貪婪算法。

案例時長設(shè)計：45分鐘。

1. 課前任務(wù)。要求對無人機任務(wù)規(guī)劃問題進行討論。題目給定6個航路點以及每個航路點之間的距離，要求無人機經(jīng)過且只能經(jīng)過一次每個航路點，求取無人機任務(wù)規(guī)劃的最短路徑。

2. 課上游戲組織。課上游戲組織方式見表1。

第一步，介紹“漢諾塔”游戲規(guī)則，要求每5個學(xué)生為1組，在其中1只手上分別標記1～5，學(xué)生用手表示漢諾塔的方塊，手按照從小到大排列到桌子上位置A處，每次只能移動1只手，小號的手只能放在大號的手的上方，要求全部手從位置A移動到位置B并按照從小到大依次排列?！皾h諾塔”游戲示意圖如圖1所示。

第二步，在不給定任何信息的情況下要求學(xué)生按照課前分組進行游戲，記錄下最先完成游戲的小組編號和完成時間。

第三步，講授寬度優(yōu)先搜索方式和深度優(yōu)先搜索方式。通常情況下，在不給定任何啟發(fā)信息的情況下，學(xué)生在完成游戲時是盲目的，完成時間也比較長。有的同學(xué)是按照深度優(yōu)先的方式進行游戲，即在游戲中不斷嘗試各種方案，直到游戲無法進行下去才換另一種思路;有的同學(xué)是按照寬度優(yōu)先的方式進行游戲，即每一步列舉所有可能的游戲策略，從中選擇最優(yōu)的方案。這正符合盲目搜索的基本原理，教師授課時可以邊演示游戲邊講理論。

第四步，給定啟發(fā)式信息。奇數(shù)的手一定放在偶數(shù)的手上，最小號的手最重要。然后讓學(xué)生重新完成游戲，記錄最先完成游戲的小組編號和完成時間，可以發(fā)現(xiàn)通過啟發(fā)式信息，學(xué)生完成游戲時間普遍縮短，很多學(xué)生可以不需要思考就完成游戲。

第五步，講授啟發(fā)式搜索的概念，并結(jié)合啟發(fā)式信息帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)盤游戲過程。

第六步，講授貪婪算法的概念，并使用貪婪算法完成課前布置的無人機規(guī)劃的案例，這一步是對學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況的總結(jié)，解決問題的同時也回答了學(xué)生心中存在的疑問。

3. 課后復(fù)雜案例。要求學(xué)生在自主學(xué)習(xí)A*算法的基礎(chǔ)上，解決城市最短路徑規(guī)劃問題，并編程實現(xiàn)搜索過程。學(xué)生在此階段自主設(shè)計啟發(fā)式信息，并要求學(xué)生思考貪婪算法和A*算法能夠得到最優(yōu)路徑，最終可以在線上針對學(xué)生設(shè)計的方案進行講評。

五、結(jié)束語

本文針對工科院校信息化類課程，對游戲化教學(xué)這一教學(xué)模式展開研究，討論了參與式教學(xué)的發(fā)展與現(xiàn)狀、優(yōu)缺點和游戲化教學(xué)的教學(xué)策略，并給出了以“搜索技術(shù)”為知識點的教學(xué)案例設(shè)計方案，能夠為同類課程開展參與式教學(xué)提供借鑒。創(chuàng)新的教學(xué)模式還需要在實踐中進行校驗和提高，以提高課堂教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率?？傊?，使用游戲化教學(xué)的方式，教師的負擔(dān)沒有減輕，除講授者外，教師被賦予了更多的角色，如組織者、引導(dǎo)者、啟發(fā)者。教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生熱愛課程的思政精神，從而增強學(xué)生的主動性，這也是啟發(fā)式、探討式、參與式等教學(xué)方式對教師提出的新要求。

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基金項目：山東省教育廳“泰山學(xué)者專項人才工程”（TS201511020）

作者簡介：閆文君（1986-），男，漢族，山東萊州人，博士，副教授，研究方向為智能信息處理。

*通信作者：凌青（1987-），女，漢族，湖南衡陽人，博士，副教授，研究方向為綜合信號處理。