安徽省級發(fā)表論文學習科學視角下的游戲化學習研究
游戲化學習是將教育游戲融入課程教學和自主學習活動，讓學生在愉悅的學習體驗中獲得知識、技能，并培養(yǎng)正確態(tài)度的過程。教育游戲包括電子游戲和游戲活動兩種形式。廣義上，教育游戲泛指一切具有教育價值的游戲;狹義上，教育游戲指為特定教育目的設計開發(fā)的符合特定課程體系的游戲。
【摘 要】本文提出學習科學視角下的游戲化學習研究，一是創(chuàng)新研究手段，從外在行為表現(xiàn)和內在神經機制兩個層面探討教育游戲對學生發(fā)展的積極效果;二是研究證據數(shù)量化，開展基于大數(shù)據的橫向比較和縱向跟蹤研究，探究游戲化學習對學生能力提升、思維轉變和態(tài)度培養(yǎng)的意義。
【關鍵詞】安徽省級發(fā)表論文,游戲化學習,教育游戲,學習科學,腦科學
教育游戲作為一種新的教育和學習支持工具，逐漸受到政府與社會各界的廣泛關注。為增進美國學生對于科學、技術、工程和數(shù)學的學習興趣，提高學生的團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，2010 年9月，美國總統(tǒng)奧巴馬在白宮啟動了全國STEM游戲設計大賽(National STEM Game Design Challenge)。[1]國內越來越多的游戲企業(yè)看到了教育游戲的巨大市場價值，紛紛投身于教育游戲的設計開發(fā)。例如，啟點教育開發(fā)的兒童啟蒙教育游戲――《悟空識字》受到眾多家長追捧，根據該公司公布的數(shù)據顯示，截至2013年11月，其注冊用戶已突破2100萬。[2]
在中小學教學實踐中，游戲化學習已經成為一種重要的學習方式，教育游戲開始走進課堂。教育游戲為學生營造了可自主探究的開放空間，有效支持學生的情境學習活動。游戲中的學生可以即時將所學知識應用于“改造游戲世界”，增強了學生的存在感和自我價值實現(xiàn)的愉悅感，促進了有意義學習的發(fā)生。
任何關于學習的研究都無法回避“學習是如何發(fā)生的”和“如何促進學習”兩個問題[3]。學習科學源于早期認知科學對人類學習問題的研究[4]，1990年，《學習科學》(The Journal of the Learning Science)雜志的出版發(fā)行，標志著學習科學的誕生。學習科學是融合神經生物學、心理學、計算科學和教育學等學科的交叉學科，是連接腦科學研究和課堂教學實踐的橋梁。
學習科學的研究內容和研究方法為游戲化學習研究提供了新的研究視角，對開展基于腦機制的游戲化學習研究具有重要的啟發(fā)意義。學習科學視角下的游戲化學習研究指：(1)創(chuàng)新研究手段，開展基于腦機制的游戲化學習研究，從外在行為表現(xiàn)和內在神經機制兩個層面探討教育游戲對學生發(fā)展的積極效果，將腦科學研究成果應用于游戲化學習活動設計，并使用腦科學研究技術研究教育游戲對學生大腦的影響;(2)研究證據數(shù)量化，開展基于大數(shù)據的橫向比較和縱向跟蹤研究，探究游戲化學習對學生能力提升、思維轉變和態(tài)度培養(yǎng)的意義。
基于腦機制的游戲化學習研究
學習科學依據學習發(fā)生的神經生物學基礎定義學習為“新的突觸的建立，和已有突觸的強化、弱化和消失”[5]，強調學習行為將引起腦結構和腦活動模式的改變。我國的游戲化學習研究目前還停留在學習的行為表現(xiàn)層面，缺乏在神經機制層面的深入探討。但國際上已出現(xiàn)一系列的基于腦機制的游戲化學習研究案例，在神經機制層面證實了游戲化學習對學習者的積極效果。
2011年，斯坦福大學Kesler教授等應用Lumos實驗室開發(fā)的網頁游戲[6]，從行為表現(xiàn)和神經機制兩個層面評估了游戲化學習對提升特納綜合癥(特納綜合癥，Turner syndrome，一種先天性染色體異常疾病，患者常存在視覺空間、數(shù)學和記憶困難等認知缺陷)患者的數(shù)學能力的積極效果[7]。
在行為表現(xiàn)層面，試卷測試結果顯示患者的計算能力、數(shù)字常識、計算速度、認知靈活性、視覺空間處理能力都有顯著提高。在神經機制層面，使用功能性磁共振成像技術(fMRI，functional magnetic resonance imaging)測試顯示，實驗后患者的腦活動模式發(fā)生了較大改變�；颊哌M行數(shù)學運算時，大腦的激活區(qū)域和不同腦區(qū)的激活程度有顯著變化，表現(xiàn)出雙側頂葉的活動水平增強，額紋狀體和內側顳葉活動水平降低(如圖1)。
圖1 用fMRI獲得的患者的腦活動模式圖[8]
研究者認為， “我們的研究提供了初步的證據證明，采用這種計算機輔助的游戲化學習方式不僅能夠提升兒童的數(shù)學能力，還能夠改變與數(shù)學能力相關的額頂葉腦回路(frontal-parietal brain networks)。”[9]研究還獲得了一項意外的發(fā)現(xiàn)，雖然研究者使用的游戲并未涉及視覺空間能力，但經測試發(fā)現(xiàn)，被試的視覺空間能力也有顯著提高。研究者認為，視覺空間能力的提升得益于數(shù)學游戲增強了額頂葉腦區(qū)的活動水平，而該腦區(qū)的活動水平與人的視覺空間能力相關。由此，在神經生物學水平上說明了能力發(fā)展的相關性。Kesler等人的研究對象是患有腦損傷的兒童，因此不能簡單地將結論推廣到健康兒童，但其研究成果和研究方法對游戲化學習研究卻有較大的啟發(fā)意義，說明了運用腦科學研究手段和研究技術評估游戲提升學習效果的可能性，以及根據人腦的活動模式設計有針對性的思維訓練游戲的可行性。
牛津大學Roi Cohen Kadosh教授發(fā)現(xiàn)兒童的數(shù)學能力和大腦額下回的抑制、激活比例呈負相關關系，在大腦的右頂內溝卻沒有發(fā)現(xiàn)該相關關系，而成人的數(shù)學能力和右頂內溝處的抑制、激活比例呈負相關關系，但在額下回卻沒有發(fā)現(xiàn)該相關關系。對被研究對象的大腦額下回和右頂內溝處的神經遞質濃度進行磁共振波譜分析發(fā)現(xiàn)，伽馬氨基丁酸(GABA)和谷氨酸(在動物體內，GABA幾乎只存在于神經組織中，其濃度最高的區(qū)域為大腦中黑質，是一種重要的抑制性神經遞質，參與多種代謝活動，具有很高的生理活性。谷氨酸對神經中樞有興奮作用)的濃度與年齡相關。[10]研究說明，在分子生物學水平上測試高階思維能力的可行性以及通過操縱腦內神經遞質濃度，來調節(jié)人的學習能力和認知障礙的可能性。 此外，麻省理工學院Subramaniam 等人利用腦成像技術研究了積極情緒對頓悟的影響。研究證明，積極情緒能夠調節(jié)同頓悟相關的腦區(qū)的活躍程度[11]，從而提升人的創(chuàng)造力。格拉茨大學和蘇黎世理工學院的研究者利用腦成像技術研究發(fā)現(xiàn)，認知刺激能夠提高與創(chuàng)造性思維相關的腦區(qū)的活躍程度，[12]在神經生物學水平上證實了認知刺激對提升創(chuàng)造力的積極作用。
以上研究說明，高階思維和腦結構、腦活動模式之間存在一定的相關關系，從腦機制層面，運用腦成像技術探討游戲化學習促進學習者高階思維發(fā)展的研究具有可行性�；谀X機制的游戲化學習研究在揭示游戲對于人腦的功能性和結構性影響的基礎上，通過發(fā)現(xiàn)不同類型游戲、游戲中的不同組成要素與人腦變化的相關關系，對設計更有效和更有針對性的教育游戲具有十分重要的指導意義。或許未來教育游戲便可成為一把精準的“無創(chuàng)手術刀”，用來重塑人的大腦，定向提高人的某些能力。未來的數(shù)學能力培養(yǎng)不僅可以通過“做題”完成，基于數(shù)學學習的腦機制所設計的游戲或許能夠幫助學習者達到更好的學習效果。
基于大數(shù)據的橫向比較和縱向跟蹤研究
“大數(shù)據”已經對包括商業(yè)、醫(yī)療、金融在內的諸多領域產生了極大沖擊，在不久的將來，也必將對教育產生重要影響。學習者特征分析是設計和實施有效教學，支持個性化學習的前提。包含學生背景信息和學習過程記錄的“大數(shù)據”是實現(xiàn)學習者特征分析的必要條件，是開展大規(guī)模游戲化學習研究的資料基礎。
基于大數(shù)據的游戲化學習研究包括兩個維度：一是同一時間段內不同個體或群體采用游戲化學習方式和傳統(tǒng)學習方式的橫向比較研究;二是對同一個體或群體的持續(xù)性跟蹤研究，以發(fā)展的眼光看教育游戲對學習者的長期影響。
1. 橫向比較研究
游戲化學習研究在國內起步較晚，沒有大規(guī)模的應用實踐，缺乏橫向比較的數(shù)據基礎。美國的游戲化學習實踐發(fā)展較快，對其提升學習效果的橫向比較研究已經取得了一系列的成果。
美國心理研究學會(Mind Research Institute) ST Math項目致力于通過可視化、游戲化學習方式改變美國的數(shù)學教育。ST Math項目組對2011～2012學年，2012～2013學年參與該項目的全美11州市縣的學生的統(tǒng)計數(shù)據進行分析后發(fā)現(xiàn)，可視化、游戲化學習比傳統(tǒng)學習方式能更加有效地提升學生的數(shù)學學習效果(如圖2)。
圖2 數(shù)據分析結果[13]
以亞利桑那州(Arizona)為例，研究分析了該州在2011～2012學年和2012～2013學年參與ST Math項目的3～5年級學生的數(shù)學能力測試成績。實驗組樣本包括來自33所學校的2785名學生。研究者使用傾向評分匹配法(Propensity Score Matching，簡稱PSM，是一種統(tǒng)計學方法，用于處理觀察研究的數(shù)據)，確定來自33所學校的未參與ST Math項目的2944名學生作為對照組。數(shù)據分析結果發(fā)現(xiàn)，實驗組學生中數(shù)學成績?yōu)閮?yōu)秀和良好的比例提高了3.4%，而對照組僅提高了1.4%，兩組學生之間存在顯著性差異。
該研究以11個州市縣的學生數(shù)據為基礎，分析證明了基于ST Math的可視化、游戲化學習方式比傳統(tǒng)的學習方式能夠更加有效地提高學生的數(shù)學能力。2000多名學生的大數(shù)據分析，增強了游戲化學習效果研究的說服力。同時，傾向評分匹配法的使用，降低了數(shù)據偏差和混雜變量對于觀察數(shù)據的影響，解決了非實驗條件下無法進行隨機分組的問題，增強了研究結果的可信度。
2. 縱向跟蹤研究
教育游戲對促進知識、技能獲得的有效性可以通過即時測驗進行評估，但能力提升和態(tài)度培養(yǎng)則是一個長期的過程，需要持續(xù)地跟蹤研究。我國研究者對教育游戲影響效果的縱向研究尚未開展，但國際上已經出現(xiàn)相關的研究成果。
2013年6月，加拿大維多利亞大學Sanford博士報告了自己歷時5年的研究成果，稱健康游戲有利于培養(yǎng)13～17 歲青少年的情感態(tài)度與價值觀，并且他們能夠將游戲中學習到的問題解決策略遷移到實際生活中去。據研究顯示，游戲玩家們表現(xiàn)出一些十分讓人震驚的特點：首先，他們十分重視倫理道德的決定，重視他們在游戲里面的行為本質;玩家們還有著強烈的“因果效應”的考慮，遇到問題會積極解決。Sanford 博士表示，這可能是由于游戲中的“協(xié)作”讓青少年們養(yǎng)成習慣。“他們需要和隊友溝通，并且一起制定戰(zhàn)略，分析敵人的弱勢，因此他們很習慣于團隊合作。”另外，玩電子游戲還能培養(yǎng)兒童的領導能力和決斷能力。
雖然，Sanford的研究也遭到人們的質疑，但此歷時5年的縱向跟蹤研究，啟發(fā)我們以發(fā)展的眼光看待游戲對于青少年在情感態(tài)度與價值觀、協(xié)作能力、問題解決能力方面的影響。教育游戲提供了開放的、非結構化的問題解決情境，“情境化”的實踐性參與能夠有效促進有意義學習的發(fā)生，有利于學生的長期發(fā)展。
總 結
在游戲化學習的學術研究中，把握研究方向，找準研究角度是推動我國游戲化學習研究向前發(fā)展并逐漸應用于課程教學實踐的關鍵。在世界各國普遍重視腦科學研究，學習科學研究取得一系列重大突破，并已有諸多證據證明游戲能夠改變人腦的今天，游戲化學習研究者應該更加開放，從學習科學的視角出發(fā)，通過與腦科學或學習科學研究者開展深入廣泛的合作，建立“腦”與“教學” 之間的緊密連接。在建立更加完善的學術研究共同體的基礎上，在微觀層面，運用腦科學研究手段，設計符合學習發(fā)生的腦活動規(guī)律的教育游戲，在神經機制層面探究教育游戲對學習效果提升和人的全面發(fā)展的積極影響;在宏觀層面，開展基于大數(shù)據的游戲化學習效果研究，通過橫向比較和縱向追蹤，研究教育游戲對學生的能力提升、思維轉變和態(tài)度培養(yǎng)的積極意義。
在游戲化學習的具體實踐中，教育游戲是否適用于所有的學科學習值得探討，教育游戲在傳遞知識上效率低下的先天不足，促使我們堅持認為游戲化學習應該著眼于彌補現(xiàn)有教育體制下，學校教育在促進學生高階思維發(fā)展和培養(yǎng)情感態(tài)度與價值觀方面的不足。教育游戲應該走進科學、思品等為促進學生協(xié)調發(fā)展的課程，支持學生的正式、非正式的探究學習，使他們更好地成長為“知識人”和“社會人”。同時，游戲化學習研究需要社會的廣泛參與，借助社會各界的力量積極推動教育游戲的開發(fā)和應用，實現(xiàn)“在腦中學”、“在游戲中學”。 基金項目：2013年北京市哲學社會科學規(guī)劃項目《基于游戲化學習的創(chuàng)造性思維的培育策略研究》(項目編號：13JYB011)
(作者單位：北京大學教育學院教育技術系)
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