基于設(shè)計(jì)的研究與教育游戲設(shè)計(jì)應(yīng)用 *

曾嘉靈，張 鵬，尚俊杰①

(1.哥倫比亞大學(xué) 教育學(xué)院，紐約 10027；2.北京大學(xué) 教育學(xué)院 學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

一、引言

教育游戲自21世紀(jì)以來(lái)進(jìn)入繁榮發(fā)展時(shí)期[1]，研究者已圍繞教育游戲及其價(jià)值開展了廣泛研究，證實(shí)教育游戲在一定程度上能夠促進(jìn)大腦發(fā)展[2]、改善學(xué)習(xí)成績(jī)、提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)等[3]?，F(xiàn)階段教育游戲研究的關(guān)鍵問(wèn)題也已轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭绾卧O(shè)計(jì)科學(xué)、有效、有趣的教育游戲”[4]。這一轉(zhuǎn)變體現(xiàn)在教育研究者不僅僅要對(duì)教育游戲的研究結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)[5][6]，還要使其真正地貼合課堂教學(xué)的實(shí)際需求，能夠應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決[7]，并明確地體現(xiàn)問(wèn)題聚焦、意見反饋等循環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程[8]?；谠O(shè)計(jì)的研究恰能從明確每一步研究過(guò)程入手，通過(guò)不斷地循環(huán)迭代，助力教育游戲研究這一關(guān)鍵問(wèn)題的突破與解決。

基于設(shè)計(jì)的研究(Design-Based Research，簡(jiǎn)稱DBR)，也稱設(shè)計(jì)研究方法，是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新研究范式，旨在通過(guò)設(shè)計(jì)解決方案、構(gòu)建人工制品等方式來(lái)解決教學(xué)和學(xué)習(xí)中復(fù)雜的真實(shí)問(wèn)題，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的聯(lián)系[9]。自1992年Brown提出“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”[10]、Collins提出“設(shè)計(jì)科學(xué)”[11]，到2003年設(shè)計(jì)研究聯(lián)盟(Design-Based Research Collective)正式提出“基于設(shè)計(jì)的研究”[12]以來(lái)，DBR不斷發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于教育技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)開發(fā)[13][14]。對(duì)于專門為教育目的而開發(fā)的教育游戲而言[15]，DBR能夠通過(guò)多次反饋迭代使教育游戲的設(shè)計(jì)更貼合實(shí)際需求、保證教育游戲的有效性和趣味性，并且可以在過(guò)程中優(yōu)化理論框架使得教育游戲的設(shè)計(jì)開發(fā)更加科學(xué)，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐與理論的雙重提升。如Lyons等[16]基于DBR通過(guò)兩次循環(huán)迭代，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款促進(jìn)協(xié)作學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)工具，并生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則；Wang等[17]設(shè)計(jì)了一款旨在教授高中生物學(xué)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲，聚焦于用戶專家反饋，在游戲設(shè)計(jì)完成后收集了四輪專家意見，對(duì)游戲進(jìn)行迭代完善。

然而，已有研究表明，目前國(guó)內(nèi)包括教育游戲設(shè)計(jì)在內(nèi)的DBR研究多為一次迭代設(shè)計(jì)[18][19]，很少有研究通過(guò)多次迭代設(shè)計(jì)以真正發(fā)揮DBR的優(yōu)勢(shì)。因此，本研究從實(shí)踐應(yīng)用的角度梳理總結(jié)了DBR的特征和研究階段模型，而后聚焦到教育游戲?qū)嶋H的設(shè)計(jì)應(yīng)用，以教育游戲《方塊消消樂(lè)》(曾用名：《方塊消消消》)的設(shè)計(jì)研究為例，完整釋義DBR的多次迭代設(shè)計(jì)過(guò)程，為教育研究者和實(shí)踐者更好地“設(shè)計(jì)科學(xué)、有效、有趣的教育游戲”提供參考。

二、基于設(shè)計(jì)的研究

(一)定義與特征

基于設(shè)計(jì)的研究是一種教育研究范式，該范式能夠?qū)⑵渌目茖W(xué)設(shè)計(jì)方法納入設(shè)計(jì)過(guò)程，使研究者以遞歸、嵌套的方式產(chǎn)出有用的產(chǎn)品、有效的理論來(lái)解決個(gè)人和團(tuán)體真實(shí)的教育問(wèn)題[20]。如表1所示，DBR具有以下五個(gè)特征[21]。

表1 DBR的五個(gè)特征

(二)階段模型

厘清設(shè)計(jì)研究階段流程是開展DBR實(shí)踐的關(guān)鍵所在，為賦予DBR每一階段以實(shí)際意義，本研究采用Easterday等[22][23]總結(jié)的6階段模型：聚焦(Focus)、理解(Understand)、定義(Define)、構(gòu)思(Conceive)、構(gòu)建(Build)、測(cè)試(Test)。如圖1所示，DBR設(shè)計(jì)者聚焦問(wèn)題、理解問(wèn)題、定義目標(biāo)、構(gòu)思解決方案、構(gòu)建解決方案，并測(cè)試解決方案。

圖1 DBR的研究模型

聚焦(Focus)階段，主要有確定目標(biāo)受眾、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、問(wèn)題主題和項(xiàng)目范圍四層任務(wù)。理解(Understand)階段，設(shè)計(jì)者基于聚焦階段明確的主題，通過(guò)直接的經(jīng)驗(yàn)調(diào)查和間接的資料來(lái)調(diào)查問(wèn)題，以快速確定學(xué)習(xí)者及其問(wèn)題所處的領(lǐng)域、問(wèn)題背景和現(xiàn)有的解決方案及設(shè)計(jì)原則。定義(Define)階段，設(shè)計(jì)者需設(shè)定目標(biāo)和評(píng)估，將一個(gè)沒(méi)有解決辦法的、不確定的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以解決的、確定的問(wèn)題[24]。構(gòu)思(Conceive)階段，設(shè)計(jì)者通過(guò)繪圖等形式制定解決方案，生成不同難度的設(shè)計(jì)原則[25]、開發(fā)原則[26]等理論產(chǎn)品[27]。構(gòu)建(Build)階段，設(shè)計(jì)者實(shí)施設(shè)計(jì)方案，生成一個(gè)至少有部分功能、依賴于媒介的具體原型。測(cè)試(Test)階段，設(shè)計(jì)者評(píng)估設(shè)計(jì)方案的有效性，通過(guò)專家評(píng)審、模擬的方式來(lái)解決構(gòu)思計(jì)劃與用戶意愿、解決問(wèn)題的相關(guān)性和一致性問(wèn)題，通過(guò)一對(duì)一測(cè)試、小組測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方式來(lái)解決實(shí)際實(shí)用性和有效性問(wèn)題[28]。一般而言，DBR研究的迭代設(shè)計(jì)階段并不是純粹線性的，而是可以相互嵌套、依據(jù)實(shí)際需求靈活返回任一階段。

三、教育游戲設(shè)計(jì)研究：方塊消消樂(lè)

(一)案例概述

為培養(yǎng)小學(xué)生數(shù)學(xué)幾何學(xué)習(xí)和空間能力，本研究采用基于設(shè)計(jì)的研究，圍繞著小學(xué)幾何“立體圖形折疊與展開”內(nèi)容研發(fā)了教育游戲《方塊消消樂(lè)》。在該教育游戲的設(shè)計(jì)研究過(guò)程中，通過(guò)聚焦、理解、定義、構(gòu)思、構(gòu)建、測(cè)試六大階段共三個(gè)周期的迭代設(shè)計(jì)，持續(xù)時(shí)間三年，為折疊與展開教學(xué)問(wèn)題提供解決方案的同時(shí)，生成了教育游戲設(shè)計(jì)的理論原則，實(shí)現(xiàn)了理論和設(shè)計(jì)之間的調(diào)整完善[29]。

(二)設(shè)計(jì)背景與需求分析

20世紀(jì)初以來(lái)，我國(guó)小學(xué)數(shù)學(xué)課程目標(biāo)經(jīng)歷了非常大的變化，對(duì)空間與幾何部分知識(shí)要求的表述經(jīng)歷了從薄弱到豐富的過(guò)程。如今，《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011)》(新課標(biāo))明確提出圖形與幾何學(xué)習(xí)和空間能力培養(yǎng)是小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的主要任務(wù)之一，在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的直觀想象、數(shù)學(xué)抽象、幾何推理等數(shù)學(xué)素養(yǎng)中起著重要作用。

然而，空間圖形的折疊、展開和三視圖等是“圖形與幾何”領(lǐng)域疑難問(wèn)題；并且?guī)缀谓虒W(xué)情況實(shí)際調(diào)查顯示[30]，立體圖形的折疊與展開是難度排名第一的知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生在折疊與展開的學(xué)習(xí)中存在想象困難的問(wèn)題，課堂教學(xué)中的動(dòng)手操作只是流于形式，學(xué)生靠記憶和操作來(lái)完成題目，課后練習(xí)出錯(cuò)率高，甚至?xí)饾u失去對(duì)幾何的學(xué)習(xí)興趣[31]；教師們也反饋在教學(xué)過(guò)程中存在“學(xué)生空間想象力不足”“學(xué)生抽象建構(gòu)慢”“脫離直觀后無(wú)法正確判斷展開圖是否正確”“缺乏相關(guān)教具”等問(wèn)題[32]。

(三)研究設(shè)計(jì)

本研究圍繞“折疊與展開”這一實(shí)際的教學(xué)問(wèn)題，采用基于設(shè)計(jì)的研究，依據(jù)Easterday等[33][34]提出的六階段模型，開展了三次迭代設(shè)計(jì)。在第一次迭代設(shè)計(jì)中，本研究首先基于設(shè)計(jì)背景，聚焦設(shè)計(jì)目的；通過(guò)文獻(xiàn)與市場(chǎng)調(diào)研的方式，進(jìn)一步理解聚焦的問(wèn)題，并生成問(wèn)題解決思路與理論指導(dǎo)；在充分理解問(wèn)題后，具體化研究目標(biāo)，以指導(dǎo)教育產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)；而后通過(guò)初步構(gòu)思，生成教育游戲設(shè)計(jì)的概念要素；基于要素框架，構(gòu)建并開發(fā)第一版教育游戲《方塊消消樂(lè)1.0》；最后通過(guò)小范圍測(cè)試檢驗(yàn)游戲的合理性和可用性，并反思游戲修改。第一輪迭代循環(huán)重在理解與明確目標(biāo)，基于理論提煉出教育游戲的設(shè)計(jì)原則，并依據(jù)該原則設(shè)計(jì)開發(fā)游戲；第二次和第三次迭代設(shè)計(jì)中，研究依然通過(guò)這六個(gè)階段步驟開展，重在測(cè)試優(yōu)化教育游戲，檢驗(yàn)其對(duì)問(wèn)題解決的有效性，同步完善教育游戲產(chǎn)品及教育游戲的設(shè)計(jì)原則。

四、第一輪迭代設(shè)計(jì)

(一)聚焦階段

研究聚焦于小學(xué)幾何學(xué)習(xí)中的折疊與展開教學(xué)問(wèn)題，“折疊與展開”涉及頭腦中對(duì)信息的識(shí)別、存儲(chǔ)、與提取等復(fù)雜的信息加工過(guò)程，是最復(fù)雜的空間問(wèn)題之一。

(二)理解階段

在理解階段，本研究主要通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研與市場(chǎng)調(diào)研的方式，調(diào)查已有的解決方案，以充分理解問(wèn)題并初步生成設(shè)計(jì)原則。

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)在于如何輔助學(xué)生想象圖形的變化過(guò)程[35]，學(xué)習(xí)過(guò)程涉及的重點(diǎn)能力在于心理折疊能力——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)象的復(fù)雜空間能力[36]。但心理折疊能力的訓(xùn)練和發(fā)展需要足夠的空間和時(shí)間，很難在一般課堂中進(jìn)行[37]。

已有許多研究證實(shí)了游戲?qū)臻g能力的提升效果[38-40]，并且開發(fā)了立體圖形折疊與展開的相關(guān)游戲。如表2所示，本研究開展了市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)已有的六款游戲均未按照一定的課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在所涉及的教學(xué)內(nèi)容上呈現(xiàn)單一性和差異性。其中，益智休閑類應(yīng)用較多，符合國(guó)家數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的很少，還有一些與學(xué)習(xí)目標(biāo)無(wú)關(guān)的因素可能對(duì)學(xué)生形成干擾，不能直接應(yīng)用到立體圖形折疊與展開的教育教學(xué)中。調(diào)研結(jié)果也為本研究設(shè)計(jì)開發(fā)小學(xué)數(shù)學(xué)空間教育游戲提供了三條啟發(fā)：(1)促進(jìn)表征：設(shè)計(jì)可旋轉(zhuǎn)觀察的立體圖形；(2)輔助表征：呈現(xiàn)二維圖形和三維物體動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程；(3)避免影響表征：減少與學(xué)習(xí)目標(biāo)無(wú)關(guān)的因素。

表2 “折疊與展開”教育游戲

除上述啟發(fā)之外，為了能夠更好地促進(jìn)游戲與學(xué)習(xí)內(nèi)容的有機(jī)整合，本研究基于學(xué)習(xí)科學(xué)視角，對(duì)教育游戲設(shè)計(jì)相關(guān)理論進(jìn)行梳理，探索“人在教育游戲中是如何學(xué)習(xí)的”，以及“如何促進(jìn)教育游戲中的學(xué)習(xí)”。如圖2所示，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[41]，提出教育游戲設(shè)計(jì)開發(fā)的認(rèn)知設(shè)計(jì)原則；基于情境認(rèn)知理論和心流理論[42]分析內(nèi)在動(dòng)機(jī)的激發(fā)方式，提出動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原則；基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論[43]分析教師的促進(jìn)引導(dǎo)作用，提出調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)原則。

圖2 教育游戲的設(shè)計(jì)原則

(三)定義階段

理解分析之后，研究通過(guò)以下問(wèn)題表述來(lái)定義目標(biāo)和方法：在小學(xué)“圖形與幾何領(lǐng)域”中“立體圖形折疊與展開”存在學(xué)習(xí)困難的問(wèn)題，尤其是學(xué)生難以實(shí)現(xiàn)對(duì)平面圖形和立體圖形的心理表征，更難以進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化關(guān)聯(lián)，即二維與三維的相互轉(zhuǎn)化。本研究可以通過(guò)設(shè)計(jì)開發(fā)一款立體圖形折疊與展開教育游戲來(lái)嘗試解決該問(wèn)題。

(四)構(gòu)思階段

在構(gòu)思階段，本研究形成了教育游戲主要的概念設(shè)計(jì)要素。首先，基于國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)折疊與展開學(xué)習(xí)的內(nèi)容要求，研究分析了廣泛使用的北師大版和人教版教科書。通過(guò)對(duì)目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)序列的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)“折疊與展開”部分的主要內(nèi)容是認(rèn)識(shí)正方體和長(zhǎng)方體的展開圖，強(qiáng)調(diào)觀察和操作立體圖形與展開圖；具體教學(xué)內(nèi)容包括展開正方體、折疊正方體展開圖、探索向?qū)γ?、?biāo)注展開圖的六個(gè)面等。

其次，本研究編碼對(duì)比教科書相關(guān)的課后習(xí)題，發(fā)現(xiàn)兩版教科書都以正方體為主要圖形對(duì)象進(jìn)行練習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)。因此，研究確定采用正方體作為立體圖形代表，涉及的變化過(guò)程包括正方體展開圖的折疊過(guò)程、立體圖形與平面圖形相互對(duì)應(yīng)的過(guò)程。將具體內(nèi)容按照逐層遞進(jìn)、逐漸抽象的方式進(jìn)行組織，形成的教學(xué)順序?yàn)椋赫归_圖折疊后相對(duì)面的辨認(rèn)、前面與上面/下面的辨認(rèn)，以及立體圖形與展開圖的對(duì)應(yīng)。

最后，圍繞著三條設(shè)計(jì)啟發(fā)，教育游戲設(shè)計(jì)還應(yīng)發(fā)揮信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)二維圖形和三維物體動(dòng)態(tài)變化過(guò)程：(1)設(shè)計(jì)可旋轉(zhuǎn)觀察的立體圖形成為首要選項(xiàng)，以促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建心理表征；(2)二維圖形和三維物體動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程需要在游戲中呈現(xiàn)，以幫助學(xué)生克服表征和學(xué)習(xí)困難；(3)減少與學(xué)習(xí)目標(biāo)無(wú)關(guān)的要素設(shè)計(jì)，避免影響學(xué)生的心理表征。

(五)構(gòu)建階段

在構(gòu)思概念設(shè)計(jì)要素后，研究構(gòu)建并開發(fā)了第一版教育游戲《方塊消消樂(lè)》，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)思要素和內(nèi)容功能。首先，如表3所示，依據(jù)概念設(shè)計(jì)要素構(gòu)建了《方塊消消樂(lè)》具體的認(rèn)知活動(dòng)、學(xué)習(xí)資源和腳手架構(gòu)建：所有學(xué)習(xí)活動(dòng)均以呈現(xiàn)靜態(tài)平面圖形或可觀察的立體圖形為主，將圖形動(dòng)態(tài)變化過(guò)程最大程度地留給學(xué)生，讓其進(jìn)行想象；依據(jù)教育游戲提供的豐富的三維認(rèn)知環(huán)境，設(shè)計(jì)有效的認(rèn)知腳手架，即展現(xiàn)二維圖形和三維物體運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的演示動(dòng)畫，幫助學(xué)生構(gòu)建心理表征。其次，如圖3所示，基于梳理的教育游戲設(shè)計(jì)原則構(gòu)建了《方塊消消樂(lè)》的游戲功能。

圖3 《方塊消消樂(lè)》教育游戲設(shè)計(jì)v1.0

表3 《方塊消消樂(lè)》內(nèi)容組織、認(rèn)知活動(dòng)、學(xué)習(xí)資源和腳手架

(六)測(cè)試階段

本輪測(cè)試于2019年秋季學(xué)期開展，由6名五年級(jí)小學(xué)生共同參加，隨機(jī)分為兩組、每組3名，研究人員在40分鐘的小組測(cè)試中觀察、記錄學(xué)生使用教育游戲的過(guò)程，并收集學(xué)生的反饋和建議，以檢驗(yàn)教育游戲的合理性和可用性。六名小學(xué)生涵蓋了能力超過(guò)平均水平的、處于平均水平的、低于平均水平的不同層次，以及對(duì)所學(xué)內(nèi)容態(tài)度積極、態(tài)度一般和態(tài)度消極的不同情況。

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們對(duì)基于游戲的折疊與展開學(xué)習(xí)持有積極的態(tài)度。如學(xué)生提到在之前的課堂學(xué)習(xí)中沒(méi)有接觸過(guò)基于教育游戲的學(xué)習(xí)，因此在使用《方塊消消樂(lè)》時(shí)感到新奇和開心，表示“希望回家也可以玩這個(gè)游戲”。另外，學(xué)生們提到消除游戲中的方塊時(shí)能夠帶來(lái)成就感，在測(cè)試結(jié)束時(shí)還希望能多玩一會(huì)兒來(lái)消除更多的正方形，說(shuō)明消除游戲的形式能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。本輪測(cè)試也發(fā)現(xiàn)了一些游戲設(shè)計(jì)上需要修正和提升的地方，具體如表4所示。

表4 測(cè)試反饋結(jié)果

五、第二輪迭代設(shè)計(jì)

(一)聚焦與理解階段

依據(jù)第一周期測(cè)試階段的結(jié)果與反饋，第二周期迭代設(shè)計(jì)將問(wèn)題聚焦于《方塊消消樂(lè)》對(duì)應(yīng)內(nèi)容功能與構(gòu)思要素的設(shè)計(jì)修改上，基于教育游戲設(shè)計(jì)原則進(jìn)行逐條修正與完善，以使教育游戲能夠更好地促進(jìn)小學(xué)生折疊與展開學(xué)習(xí)和心理折疊能力的提升。

(二)定義階段

理解研究問(wèn)題后，本研究通過(guò)以下問(wèn)題表述來(lái)定義目標(biāo)和方法：《方塊消消樂(lè)》在動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建構(gòu)方面存在問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是依據(jù)第一周期測(cè)試反饋與反思，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行逐一修改與完善，使得學(xué)生在教育游戲的引導(dǎo)和反饋下，能夠順利使用游戲，并在此過(guò)程中構(gòu)建圖形表征，提升數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和空間能力。

(三)構(gòu)思階段

在第二周期的構(gòu)思階段，研究對(duì)存在問(wèn)題的設(shè)計(jì)元素進(jìn)行了修正和豐富。在動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面，對(duì)于學(xué)生忽視和不理解的學(xué)習(xí)目標(biāo)與游戲規(guī)則進(jìn)行強(qiáng)調(diào)和清晰，包括突出強(qiáng)調(diào)步數(shù)限制，以及明確關(guān)卡和地圖的解鎖方式；對(duì)界面設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)化，修改闖關(guān)后的界面跳轉(zhuǎn)方式，添加學(xué)生建議的功能。在調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)方面，重新設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)支持以促進(jìn)學(xué)生對(duì)空間概念的理解。在系統(tǒng)運(yùn)行方面，修正目前存在的系統(tǒng)漏洞以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(四)構(gòu)建階段

在構(gòu)建階段，研究實(shí)現(xiàn)了教育游戲的設(shè)計(jì)提升和開發(fā)迭代。首先，完善和強(qiáng)調(diào)了游戲引言中對(duì)關(guān)卡和地圖解鎖方式的描述，以文字配合圖片的形式對(duì)相關(guān)規(guī)則進(jìn)行了詳細(xì)講解。第二，在關(guān)卡結(jié)束界面設(shè)計(jì)了三個(gè)按鈕，使其分別能夠鏈接到本關(guān)界面、下一關(guān)界面和關(guān)卡選擇界面。第三，在每一關(guān)卡的“關(guān)卡密語(yǔ)”處強(qiáng)調(diào)游戲規(guī)則和步數(shù)限制，并且使用圖片展示圖形變化過(guò)程，將靜態(tài)示范轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)示范，輔助學(xué)生進(jìn)行空間想象、理解游戲玩法。最后，修正游戲目前存在的系統(tǒng)漏洞。

(五)測(cè)試階段

第二周期測(cè)試于2019年秋季學(xué)期開展，本研究將《方塊消消樂(lè)》應(yīng)用于小學(xué)五年級(jí)的數(shù)學(xué)課堂教學(xué)，于北京市順義區(qū)一所公立小學(xué)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以檢驗(yàn)其實(shí)用性和有效性，并通過(guò)焦點(diǎn)小組訪談與專家評(píng)審以評(píng)估其與目標(biāo)問(wèn)題的相關(guān)性與一致性。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共有32名學(xué)生完成整個(gè)教學(xué)與測(cè)試過(guò)程，包括前測(cè)、基于游戲的教學(xué)、后測(cè)和時(shí)隔一周后的延后測(cè)四個(gè)環(huán)節(jié)?；谟螒虻慕虒W(xué)環(huán)節(jié)一共持續(xù)3天(新知識(shí)學(xué)習(xí)1天、練習(xí)2天)，每天40分鐘。在三輪測(cè)試環(huán)節(jié)中，采用學(xué)習(xí)成效測(cè)試(總分為11分)和紙張折疊測(cè)試(總分為20分)[44]來(lái)收集學(xué)生的知識(shí)水平和心理折疊能力數(shù)據(jù)；學(xué)習(xí)成效測(cè)試工具由研究者在小學(xué)數(shù)學(xué)教育專家指導(dǎo)下設(shè)計(jì)開發(fā)。除此之外，研究人員在后測(cè)環(huán)節(jié)中開展焦點(diǎn)小組訪談與專家訪談：焦點(diǎn)小組訪談中共計(jì)2組共10名參與者，每一組的訪談過(guò)程持續(xù)20至25分鐘；專家訪談則分別訪談了參與聽課的1名數(shù)學(xué)教學(xué)專家和1名教育游戲?qū)＜?。具體而言，本周期測(cè)試的目的是：(1)檢驗(yàn)《方塊消消樂(lè)》對(duì)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力的提升效果和保持效果；(2)收集學(xué)生對(duì)《方塊消消樂(lè)》的體驗(yàn)反饋和修改建議；(3)收集專家對(duì)《方塊消消樂(lè)》的設(shè)計(jì)建議。

1.應(yīng)用效果

為了檢驗(yàn)《方塊消消樂(lè)》對(duì)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力的提升和保持效果，采用統(tǒng)計(jì)分析處理測(cè)試數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，學(xué)生的知識(shí)測(cè)試后測(cè)結(jié)果(9.63)相比前測(cè)(6.00)提升了60.5%，并且學(xué)生的后測(cè)分?jǐn)?shù)基本分布在9—11之間的較高分?jǐn)?shù)段，說(shuō)明《方塊消消樂(lè)》能夠有效提升整體學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)。在知識(shí)保持方面，一周后的延后測(cè)結(jié)果(8.84)相比后測(cè)(9.63)下降了8.2%，雖然表現(xiàn)出較小幅度的下降，但是基本上保持在相同水平。

不同測(cè)試階段學(xué)生的心理折疊能力結(jié)果如下：學(xué)生的后測(cè)結(jié)果(10.85)相比前測(cè)(8.38)提升了29.5%，表現(xiàn)出小幅度提升；延后測(cè)結(jié)果(10.78)與后測(cè)結(jié)果(10.85)幾乎一致，說(shuō)明《方塊消消樂(lè)》能夠?qū)W(xué)生的心理折疊能力起到提升作用，同時(shí)由于心理能力的相對(duì)穩(wěn)定性，表現(xiàn)出較好的保持效果。

2.學(xué)生焦點(diǎn)小組訪談結(jié)果

焦點(diǎn)小組訪談主要從學(xué)生的直觀感受出發(fā)，請(qǐng)學(xué)生回顧學(xué)習(xí)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)、趣事和疑惑，以及對(duì)教育游戲的設(shè)計(jì)提出建議等。訪談結(jié)果顯示，《方塊消消樂(lè)》中教育性與游戲性的融合為學(xué)生提供了優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，紛紛表示“我喜歡用游戲來(lái)學(xué)習(xí)”(學(xué)生9)，并形容基于游戲的學(xué)習(xí)體驗(yàn)非常“好玩”和“有趣”(學(xué)生5、學(xué)生7)，能夠帶給他們一種“玩中學(xué)”的感受。學(xué)生們還普遍表示了對(duì)游戲設(shè)計(jì)的認(rèn)可，如符合學(xué)生認(rèn)知的漸進(jìn)式挑戰(zhàn)任務(wù)能夠有效激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)反思，“題越難，我就會(huì)越思考，越思考就越吸引我”(學(xué)生2、學(xué)生8)；認(rèn)知腳手架能夠輔助學(xué)生進(jìn)行空間想象，克服認(rèn)知困難，“不會(huì)的時(shí)候就會(huì)看提示過(guò)關(guān)”(學(xué)生3、學(xué)生10)。

學(xué)生們也為《方塊消消樂(lè)》的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)提供了修改建議。雖然學(xué)生們提到認(rèn)知腳手架能夠有效幫助他們克服認(rèn)知困難，不過(guò)紛紛表示“因?yàn)榭刺崾?腳手架)會(huì)扣分，所以盡量不去用它”“實(shí)在是沒(méi)辦法了才看提示”(學(xué)生5、學(xué)生8)，說(shuō)明腳手架使用機(jī)制設(shè)計(jì)亟待改進(jìn)。

3.專家訪談結(jié)果

專家訪談中主要收集數(shù)學(xué)教育和教育游戲?qū)＜覍?duì)《方塊消消樂(lè)》的教學(xué)評(píng)估和設(shè)計(jì)建議。結(jié)果顯示，專家們肯定了教育游戲的設(shè)計(jì)效果以及與課堂教學(xué)整合的必要性，如數(shù)學(xué)教育專家提到“學(xué)生的學(xué)具和老師的教具不能代替電子的，電子產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)在于可以動(dòng)起來(lái)。兒童的空間觀念就是這樣產(chǎn)生的，就是在腦子里面產(chǎn)生”。

同時(shí)，專家們也為教育游戲的設(shè)計(jì)迭代提出了建議，包括：(1)游戲中所設(shè)計(jì)的元素，應(yīng)保證清晰明了，例如學(xué)生所選擇的人物、鉆石和護(hù)身符等，需要說(shuō)明其是否有特定作用；(2)考慮為提示限定次數(shù)，或規(guī)定使用積分購(gòu)買等，而不是讓學(xué)生隨意使用提示；(3)可以考慮如何設(shè)計(jì)游戲以進(jìn)一步激發(fā)合作學(xué)習(xí)；(4)將來(lái)可以進(jìn)行教學(xué)研究，探究到底課堂上如何使用《方塊消消樂(lè)》，將教育游戲與課堂教學(xué)整合的效用發(fā)揮到最大。

六、第三輪迭代設(shè)計(jì)

(一)聚焦與理解階段

依據(jù)第二周期測(cè)試階段的結(jié)果與反饋，第三周期迭代設(shè)計(jì)仍將問(wèn)題聚焦于《方塊消消樂(lè)》的設(shè)計(jì)修改以及教育游戲設(shè)計(jì)原則的迭代改進(jìn)上，以提升教育游戲的實(shí)用性和有效性。

(二)定義階段

本研究通過(guò)以下問(wèn)題表述來(lái)定義第三周期迭代的目標(biāo)和方法：依據(jù)第二周期測(cè)試結(jié)果與反饋，對(duì)《方塊消消樂(lè)》的認(rèn)知設(shè)計(jì)、動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行逐一修改，使得教育游戲能夠更有效地促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和空間能力的提升；并基于實(shí)踐反饋，完善教育游戲的設(shè)計(jì)原則。

(三)構(gòu)思階段

在構(gòu)思階段，研究基于學(xué)生和專家反饋的設(shè)計(jì)建議，對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)元素進(jìn)行了修改。在動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面，游戲化身的設(shè)計(jì)本是為了給予學(xué)生在游戲世界中的獨(dú)特個(gè)體身份，不過(guò)由于游戲化身與故事背景聯(lián)系不夠緊密、在游戲的其他功能中也并未涉及到，化身的含義和作用對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)存在不清晰的情況?？紤]教育游戲應(yīng)最大程度減少無(wú)關(guān)加工的認(rèn)知設(shè)計(jì)原則，應(yīng)對(duì)游戲化身進(jìn)行修改或重新設(shè)計(jì)[45]。在調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)方面，修改腳手架的使用機(jī)制，促進(jìn)學(xué)生在一定規(guī)則條件下有效地利用腳手架克服認(rèn)知困難。

此外在認(rèn)知設(shè)計(jì)方面，學(xué)生對(duì)動(dòng)畫腳手架的使用比較被動(dòng)，只能觀看動(dòng)畫播放的過(guò)程。具身認(rèn)知理論提出有意義的身體互動(dòng)可以讓學(xué)生用更多的通道和方式參與到課堂的學(xué)習(xí)中，有利于學(xué)生理解立體幾何等抽象知識(shí)[46]。因此，應(yīng)修改腳手架的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)動(dòng)畫的控制感，讓學(xué)生能夠與游戲進(jìn)行更多有意義的互動(dòng)，從而促進(jìn)學(xué)生與空間概念的交互、增強(qiáng)心理表征的建構(gòu)。同時(shí)，基于以上實(shí)踐迭代，在認(rèn)知設(shè)計(jì)原則方面，增加兩條原則：避免無(wú)任何意義或作用的元素設(shè)計(jì)；運(yùn)用具身學(xué)習(xí)活動(dòng)促進(jìn)認(rèn)知加工。

(四)構(gòu)建階段

在構(gòu)建階段，實(shí)現(xiàn)了教育游戲的設(shè)計(jì)開發(fā)迭代。首先，由于游戲化身只出現(xiàn)在游戲的化身選擇界面，并未在其他界面有涉及，因此對(duì)游戲中的化身選擇界面做刪除處理，避免對(duì)學(xué)生的認(rèn)知產(chǎn)生干擾因素。其次，如圖4所示，將腳手架的使用機(jī)制修改為“使用不扣分，但使用次數(shù)有限”；并且為動(dòng)畫腳手架添加控制功能，包括播放、暫停、倍速和進(jìn)度條，以增強(qiáng)學(xué)生的控制感。

(五)測(cè)試階段

第三周期測(cè)試于2021年春季學(xué)期開展，本研究將《方塊消消樂(lè)》應(yīng)用于數(shù)學(xué)課堂教學(xué)，在四川省達(dá)州市一所公立小學(xué)開展了更大規(guī)模的測(cè)試，以更深入檢驗(yàn)該游戲的實(shí)用性與有效性。由于在測(cè)試開展的時(shí)段，該校五年級(jí)學(xué)生已經(jīng)完成了“立體圖形的折疊與展開”內(nèi)容學(xué)習(xí)，而四年級(jí)學(xué)生正處于即將升入五年級(jí)的階段，因此隨機(jī)選取了四年級(jí)的兩個(gè)班級(jí)參加，共131名學(xué)生，平均年齡為10.15。整個(gè)測(cè)試過(guò)程包括干預(yù)一周前的前測(cè)、基于游戲的教學(xué)和后測(cè)，教學(xué)安排與第二周期測(cè)試階段一致。

本輪測(cè)試中，研究不僅希望評(píng)估《方塊消消樂(lè)》對(duì)學(xué)生目標(biāo)知識(shí)和心理折疊能力的應(yīng)用效果，還希望檢驗(yàn)《方塊消消樂(lè)》對(duì)學(xué)生遷移知識(shí)和遷移能力的提升效果。因此，在測(cè)試工具方面，分別采用研究者在小學(xué)數(shù)學(xué)教育專家指導(dǎo)下設(shè)計(jì)開發(fā)的目標(biāo)知識(shí)測(cè)試(總分為10分)、遷移知識(shí)測(cè)試(總分為10分)、紙張折疊測(cè)試(總分為20分)[47]和心理旋轉(zhuǎn)測(cè)試(總分為24分)[48]，收集學(xué)生的目標(biāo)知識(shí)、遷移知識(shí)、心理折疊能力和心理旋轉(zhuǎn)能力測(cè)試數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析方面，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，結(jié)果如表5所示。

表5 配對(duì)樣本t檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于目標(biāo)知識(shí)學(xué)習(xí)和目標(biāo)能力提升效果，學(xué)生目標(biāo)知識(shí)學(xué)習(xí)的后測(cè)總分均值(M=6.85，SD=2.24)顯著高于前測(cè)(M=3.57，SD=2.04)，t(130)=-16.25，p=0.000，d=1.42；心理折疊能力的后測(cè)總分均值(M=7.18，SD=4.51)顯著高于前測(cè)(M=4.80，SD=4.13)，t(130)=-6.92，p=0.000，d=0.605。研究結(jié)果進(jìn)一步證明了教育游戲的有效性，即《方塊消消樂(lè)》的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能夠顯著提升學(xué)生的目標(biāo)知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力。

對(duì)于遷移知識(shí)學(xué)習(xí)和遷移能力提升效果，學(xué)生遷移知識(shí)學(xué)習(xí)的后測(cè)總分均值(M=5.66，SD=2.18)顯著高于前測(cè)(M=4.60，SD=1.99)，t(130)=-5.34，p=0.000，d=0.467；心理旋轉(zhuǎn)能力的后測(cè)總分均值(M=8.18，SD=3.56)顯著高于前測(cè)(M=6.73，SD=3.03)，t(130)=-4.76，p=0.000，d=0.416，不過(guò)效應(yīng)量偏小，說(shuō)明差異幅度較小。研究結(jié)果證明了教育游戲?qū)W(xué)生遷移知識(shí)和遷移能力的促進(jìn)作用，不過(guò)相比目標(biāo)知識(shí)和目標(biāo)能力來(lái)說(shuō)，《方塊消消樂(lè)》的應(yīng)用效果比較有限。

七、結(jié)論與討論

游戲化學(xué)習(xí)與教育游戲發(fā)展至今，業(yè)已因其在創(chuàng)設(shè)情境、激發(fā)動(dòng)機(jī)和寓教于樂(lè)等方面的優(yōu)勢(shì)，掀起了研究的熱潮。隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，也將為游戲化學(xué)習(xí)與教育游戲研究帶來(lái)無(wú)限的機(jī)遇。教育游戲的設(shè)計(jì)開發(fā)研究是游戲化學(xué)習(xí)的主要研究領(lǐng)域之一[49]，而設(shè)計(jì)過(guò)程中教育性與游戲性的平衡一直是研究者們的困擾與探尋的方向[50]，現(xiàn)階段教育游戲設(shè)計(jì)開發(fā)研究的關(guān)鍵問(wèn)題也已不再是成效的驗(yàn)證，而是如何設(shè)計(jì)科學(xué)、有效、有趣的教育游戲，使其更好地服務(wù)于學(xué)生的學(xué)習(xí)，能夠真正滿足課堂教學(xué)的實(shí)際需求。已有研究者從設(shè)計(jì)理論和結(jié)合學(xué)習(xí)科學(xué)視角等進(jìn)行了相關(guān)探討[51]，而本研究則提出研究范式上的參考。

本研究系統(tǒng)梳理了DBR的特征及階段模型，基于DBR模型的聚焦、理解、定義、構(gòu)思、構(gòu)建、測(cè)試六個(gè)階段框架，詳細(xì)闡釋了教育游戲《方塊消消樂(lè)》中應(yīng)用DBR開展研究的三次迭代循環(huán)過(guò)程。在三次迭代設(shè)計(jì)過(guò)程中，教育游戲的設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)了教育游戲的設(shè)計(jì)開發(fā)，教育游戲的應(yīng)用實(shí)踐又指導(dǎo)了理論原則的完善，兩者相互提升。隨著第三次迭代設(shè)計(jì)的完成，本研究實(shí)現(xiàn)并完善了教育游戲《方塊消消樂(lè)3.0》，通過(guò)測(cè)試證實(shí)了其提升學(xué)生幾何知識(shí)學(xué)習(xí)和心理折疊能力的有效性，也依據(jù)實(shí)踐反饋補(bǔ)充和修改了教育游戲設(shè)計(jì)開發(fā)原則，迭代后獲得的原則框架如圖5所示，著重體現(xiàn)了“理論與實(shí)踐相互提升”這一DBR的優(yōu)勢(shì)所在。

圖5 教育游戲的設(shè)計(jì)原則

基于設(shè)計(jì)的研究過(guò)程中，在教育游戲的有效性方面，從一開始的問(wèn)題聚焦到每個(gè)迭代循環(huán)的測(cè)試評(píng)估，都強(qiáng)調(diào)了教育游戲進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題解決的需求，整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)始終圍繞這一訴求，保證了后續(xù)在課堂中開展實(shí)際應(yīng)用的可能性。此外，在游戲設(shè)計(jì)的科學(xué)性方面，設(shè)計(jì)研究過(guò)程有助于實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有效交互，設(shè)計(jì)研究階段模型體現(xiàn)了教育游戲設(shè)計(jì)過(guò)程由實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，到理論框架、再到設(shè)計(jì)構(gòu)思與產(chǎn)品開發(fā)的不斷進(jìn)階，其中游戲的具體設(shè)計(jì)都是基于對(duì)問(wèn)題的理解和相關(guān)理論原則的指導(dǎo)完成的，體現(xiàn)了基于理論的實(shí)踐搭建，同時(shí)又借鑒實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)幫助提升理論，在實(shí)現(xiàn)雙重進(jìn)步的同時(shí)，架起理論研究與實(shí)踐應(yīng)用的橋梁。最后，在游戲的趣味性方面，設(shè)計(jì)研究的迭代循環(huán)過(guò)程有助于教育游戲趣味性和教育性的平衡把握，研究者通過(guò)循環(huán)過(guò)程不斷吸收目標(biāo)用戶反饋和專家反饋等，在實(shí)踐中獲得深切體會(huì)，有助于逐步調(diào)整游戲設(shè)計(jì)，在一次次修改中接近完善。

但不得不說(shuō)，這一不斷發(fā)展的教育研究范式，在教育游戲設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用仍面臨著諸多挑戰(zhàn)[52]。比如，不清晰的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在實(shí)施時(shí)給研究者造成困擾，可能讓研究者不能很好地確定當(dāng)下的迭代過(guò)程應(yīng)該繼續(xù)還是放棄。另外，DBR采用綜合性的方法進(jìn)行不斷的迭代，每個(gè)階段所需要的方法不盡相同，對(duì)于研究者和參與者有著一定的要求等。這些都是在教育游戲研究中應(yīng)用DBR需要面對(duì)和考慮的問(wèn)題。不過(guò)基于設(shè)計(jì)的研究對(duì)教育游戲設(shè)計(jì)開發(fā)研究的巨大價(jià)值和潛能是不可忽視的，相信其能夠從研究范式的角度，在解決教育游戲研究關(guān)鍵問(wèn)題上起到重要作用，助力游戲化學(xué)習(xí)與教育游戲研究的長(zhǎng)足發(fā)展。