肖海明 尚俊杰
【摘 要】本文提出学习科学视角下的游戏化学习研究，一是创新研究手段，从外在行为表现和内在神经机制两个层面探讨教育游戏对学生发展的积极效果；二是研究证据数量化，开展基于大数据的横向比较和纵向跟踪研究，探究游戏化学习对学生能力提升、思维转变和态度培养的意义。
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关键词 游戏化学习；教育游戏；学习科学；脑科学
【中图分类号】G424 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2014）05-0033-04
游戏化学习是将教育游戏融入课程教学和自主学习活动，让学生在愉悦的学习体验中获得知识、技能，并培养正确态度的过程。教育游戏包括电子游戏和游戏活动两种形式。广义上，教育游戏泛指一切具有教育价值的游戏；狭义上，教育游戏指为特定教育目的设计开发的符合特定课程体系的游戏。教育游戏作为一种新的教育和学习支持工具，逐渐受到政府与社会各界的广泛关注。为增进美国学生对于科学、技术、工程和数学的学习兴趣，提高学生的团队协作能力和创新能力，2010年9月，美国总统奥巴马在白宫启动了全国STEM游戏设计大赛（National STEM Game Design Challenge）。[1]国内越来越多的游戏企业看到了教育游戏的巨大市场价值，纷纷投身于教育游戏的设计开发。例如，启点教育开发的儿童启蒙教育游戏——《悟空识字》受到众多家长追捧，根据该公司公布的数据显示，截至2013年11月，其注册用户已突破2100万。[2]
在中小学教学实践中，游戏化学习已经成为一种重要的学习方式，教育游戏开始走进课堂。教育游戏为学生营造了可自主探究的开放空间，有效支持学生的情境学习活动。游戏中的学生可以即时将所学知识应用于“改造游戏世界”，增强了学生的存在感和自我价值实现的愉悦感，促进了有意义学习的发生。
任何关于学习的研究都无法回避“学习是如何发生的”和“如何促进学习”两个问题[3]。学习科学源于早期认知科学对人类学习问题的研究[4]，1990年，《学习科学》（The Journal of the Learning science ）杂志的出版发行，标志着学习科学的诞生。学习科学是融合神经生物学、心理学、计算科学和教育学等学科的交叉学科，是连接脑科学研究和课堂教学实践的桥梁。
学习科学的研究内容和研究方法为游戏化学习研究提供了新的研究视角，对开展基于脑机制的游戏化学习研究具有重要的启发意义。学习科学视角下的游戏化学习研究指：（1）创新研究手段，开展基于脑机制的游戏化学习研究，从外在行为表现和内在神经机制两个层面探讨教育游戏对学生发展的积极效果，将脑科学研究成果应用于游戏化学习活动设计，并使用脑科学研究技术研究教育游戏对学生大脑的影响；（2）研究证据数量化，开展基于大数据的横向比较和纵向跟踪研究，探究游戏化学习对学生能力提升、思维转变和态度培养的意义。
基于脑机制的游戏化学习研究
学习科学依据学习发生的神经生物学基础定义学习为“新的突触的建立，和已有突触的强化、弱化和消失”[5]，强调学习行为将引起脑结构和脑活动模式的改变。我国的游戏化学习研究目前还停留在学习的行为表现层面，缺乏在神经机制层面的深入探讨。但国际上已出现一系列的基于脑机制的游戏化学习研究案例，在神经机制层面证实了游戏化学习对学习者的积极效果。
2011年，斯坦福大学Kesler教授等应用Lumos实验室开发的网页游戏[6]，从行为表现和神经机制两个层面评估了游戏化学习对提升特纳综合症（特纳综合症，Turner syndrome，一种先天性染色体异常疾病，患者常存在视觉空间、数学和记忆困难等认知缺陷）患者的数学能力的积极效果[7]。
在行为表现层面，试卷测试结果显示患者的计算能力、数字常识、计算速度、认知灵活性、视觉空间处理能力都有显著提高。在神经机制层面，使用功能性磁共振成像技术（fMRI，functional magnetic resonanceimaging）测试显示，实验后患者的脑活动模式发生了较大改变。患者进行数学运算时，大脑的激活区域和不同脑区的激活程度有显著变化，表现出双侧顶叶的活动水平增强，额纹状体和内侧颞叶活动水平降低（如图1）。
研究者认为，“我们的研究提供了初步的证据证明，采用这种计算机辅助的游戏化学习方式不仅能够提升儿童的数学能力，还能够改变与数学能力相关的额顶叶脑回路（frontal-parietal brain networks）。”[9]研究还获得了一项意外的发现，虽然研究者使用的游戏并未涉及视觉空间能力，但经测试发现，被试的视觉空间能力也有显著提高。研究者认为，视觉空间能力的提升得益于数学游戏增强了额顶叶脑区的活动水平，而该脑区的活动水平与人的视觉空间能力相关。由此，在神经生物学水平上说明了能力发展的相关性。Kesler等人的研究对象是患有脑损伤的儿童，因此不能简单地将结论推广到健康儿童，但其研究成果和研究方法对游戏化学习研究却有较大的启发意义，说明了运用脑科学研究手段和研究技术评估游戏提升学习效果的可能性，以及根据人脑的活动模式设计有针对性的思维训练游戏的可行性。
牛津大学Roi Cohen Kadosh教授发现儿童的数学能力和大脑额下回的抑制、激活比例呈负相关关系，在大脑的右顶内沟却没有发现该相关关系，而成人的数学能力和右顶内沟处的抑制、激活比例呈负相关关系，但在额下回却没有发现该相关关系。对被研究对象的大脑额下回和右顶内沟处的神经递质浓度进行磁共振波谱分析发现，伽马氨基丁酸（GABA）和谷氨酸（在动物体内，GABA几乎只存在于神经组织中，其浓度最高的区域为大脑中黑质，是一种重要的抑制性神经递质，参与多种代谢活动，具有很高的生理活性。谷氨酸对神经中枢有兴奋作用）的浓度与年龄相关。[10]研究说明，在分子生物学水平上测试高阶思维能力的可行性以及通过操纵脑内神经递质浓度，来调节人的学习能力和认知障碍的可能性。
此外，麻省理工学院Subramaniam 等人利用脑成像技术研究了积极情绪对顿悟的影响。研究证明，积极情绪能够调节同顿悟相关的脑区的活跃程度[11]，从而提升人的创造力。格拉茨大学和苏黎世理工学院的研究者利用脑成像技术研究发现，认知刺激能够提高与创造性思维相关的脑区的活跃程度，[12]在神经生物学水平上证实了认知刺激对提升创造力的积极作用。
以上研究说明，高阶思维和脑结构、脑活动模式之间存在一定的相关关系，从脑机制层面，运用脑成像技术探讨游戏化学习促进学习者高阶思维发展的研究具有可行性。基于脑机制的游戏化学习研究在揭示游戏对于人脑的功能性和结构性影响的基础上，通过发现不同类型游戏、游戏中的不同组成要素与人脑变化的相关关系，对设计更有效和更有针对性的教育游戏具有十分重要的指导意义。或许未来教育游戏便可成为一把精准的“无创手术刀”，用来重塑人的大脑，定向提高人的某些能力。未来的数学能力培养不仅可以通过“做题”完成，基于数学学习的脑机制所设计的游戏或许能够帮助学习者达到更好的学习效果。
基于大数据的横向比较和纵向跟踪研究
“大数据”已经对包括商业、医疗、金融在内的诸多领域产生了极大冲击，在不久的将来，也必将对教育产生重要影响。学习者特征分析是设计和实施有效教学，支持个性化学习的前提。包含学生背景信息和学习过程记录的“大数据”是实现学习者特征分析的必要条件，是开展大规模游戏化学习研究的资料基础。
基于大数据的游戏化学习研究包括两个维度：一是同一时间段内不同个体或群体采用游戏化学习方式和传统学习方式的横向比较研究；二是对同一个体或群体的持续性跟踪研究，以发展的眼光看教育游戏对学习者的长期影响。
1. 横向比较研究
游戏化学习研究在国内起步较晚，没有大规模的应用实践，缺乏横向比较的数据基础。美国的游戏化学习实践发展较快，对其提升学习效果的横向比较研究已经取得了一系列的成果。
美国心理研究学会（Mind Research Institute） STMath项目致力于通过可视化、游戏化学习方式改变美国的数学教育。ST Math项目组对2011~2012学年，2012~2013学年参与该项目的全美11州市县的学生的统计数据进行分析后发现，可视化、游戏化学习比传统学习方式能更加有效地提升学生的数学学习效果（如图2）。
以亚利桑那州（Arizona）为例，研究分析了该州在2011~2012学年和2012~2013学年参与ST Math项目的3~5年级学生的数学能力测试成绩。实验组样本包括来自33所学校的2785名学生。研究者使用倾向评分匹配法（Propensity Score Matching，简称PSM，是一种统计学方法，用于处理观察研究的数据），确定来自33所学校的未参与ST Math项目的2944名学生作为对照组。数据分析结果发现，实验组学生中数学成绩为优秀和良好的比例提高了3.4%，而对照组仅提高了1.4%，两组学生之间存在显著性差异。
该研究以11个州市县的学生数据为基础，分析证明了基于ST Math的可视化、游戏化学习方式比传统的学习方式能够更加有效地提高学生的数学能力。2000多名学生的大数据分析，增强了游戏化学习效果研究的说服力。同时，倾向评分匹配法的使用，降低了数据偏差和混杂变量对于观察数据的影响，解决了非实验条件下无法进行随机分组的问题，增强了研究结果的可信度。
2. 纵向跟踪研究
教育游戏对促进知识、技能获得的有效性可以通过即时测验进行评估，但能力提升和态度培养则是一个长期的过程，需要持续地跟踪研究。我国研究者对教育游戏影响效果的纵向研究尚未开展，但国际上已经出现相关的研究成果。
2013年6月，加拿大维多利亚大学Sanford博士报告了自己历时5年的研究成果，称健康游戏有利于培养13~17 岁青少年的情感态度与价值观，并且他们能够将游戏中学习到的问题解决策略迁移到实际生活中去。据研究显示，游戏玩家们表现出一些十分让人震惊的特点：首先，他们十分重视伦理道德的决定，重视他们在游戏里面的行为本质；玩家们还有着强烈的“因果效应”的考虑，遇到问题会积极解决。Sanford 博士表示，这可能是由于游戏中的“协作”让青少年们养成习惯。“他们需要和队友沟通，并且一起制定战略，分析敌人的弱势，因此他们很习惯于团队合作。”另外，玩电子游戏还能培养儿童的领导能力和决断能力。
虽然，Sanford的研究也遭到人们的质疑，但此历时5年的纵向跟踪研究，启发我们以发展的眼光看待游戏对于青少年在情感态度与价值观、协作能力、问题解决能力方面的影响。教育游戏提供了开放的、非结构化的问题解决情境，“情境化”的实践性参与能够有效促进有意义学习的发生，有利于学生的长期发展。
总 结
在游戏化学习的学术研究中，把握研究方向，找准研究角度是推动我国游戏化学习研究向前发展并逐渐应用于课程教学实践的关键。在世界各国普遍重视脑科学研究，学习科学研究取得一系列重大突破，并已有诸多证据证明游戏能够改变人脑的今天，游戏化学习研究者应该更加开放，从学习科学的视角出发，通过与脑科学或学习科学研究者开展深入广泛的合作，建立“脑”与“教学”之间的紧密连接。在建立更加完善的学术研究共同体的基础上，在微观层面，运用脑科学研究手段，设计符合学习发生的脑活动规律的教育游戏，在神经机制层面探究教育游戏对学习效果提升和人的全面发展的积极影响；在宏观层面，开展基于大数据的游戏化学习效果研究，通过横向比较和纵向追踪，研究教育游戏对学生的能力提升、思维转变和态度培养的积极意义。
在游戏化学习的具体实践中，教育游戏是否适用于所有的学科学习值得探讨，教育游戏在传递知识上效率低下的先天不足，促使我们坚持认为游戏化学习应该着眼于弥补现有教育体制下，学校教育在促进学生高阶思维发展和培养情感态度与价值观方面的不足。教育游戏应该走进科学、思品等为促进学生协调发展的课程，支持学生的正式、非正式的探究学习，使他们更好地成长为“知识人”和“社会人”。同时，游戏化学习研究需要社会的广泛参与，借助社会各界的力量积极推动教育游戏的开发和应用，实现“在脑中学”、“在游戏中学”。
基金项目：2013年北京市哲学社会科学规划项目《基于游戏化学习的创造性思维的培育策略研究》（项目编号：13JYB011）
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参考文献
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（作者单位：北京大学教育学院教育技术系）