北京大学尚俊杰主持完成了国家社科基金教育学一般课题“基于学习科学的游戏化学习研究”（课题批准号：BCA170072)，课题组主要成员：陈高伟、朱秋庭、庄绍勇、裴蕾丝、张露、曾嘉灵、胡若楠、马斯婕、夏琪。
    一、内容与方法
    （一）研究内容
    1.学习科学的系统研究
    学习科学（Learning Sciences）是国际上近三十年来发展起来的关于教和学的跨学科研究领域，主要研究：“人究竟是怎么学习的，怎样才能促进有效地学习？”本项目对学习科学的起源与发展、脑科学视角下的学习研究、高级认知过程与学习理论、群体与社会性学习、技术影响下的认知与学习、学习空间与环境设计、教与学的实践等内容进行系统全面分析，对于教育学各学科学生开展教学研究都具有重要的参考意义。
    2.游戏化学习的系统研究
    2019年1月，英国开放大学教育技术研究所联合挪威学习科学与技术中心发布了《创新教学法 2019》，该报告认为游戏化学习是10种创新教学法之一。
    2012 年开始，美国新媒体联盟曾连续三年在《地平线报告》中将“游戏化学习和基于游戏的学习”列为未来可能在教育领域中广泛应用的新技术之一。为推进游戏化学习的实践和深度研究，课题组提出游戏化教学法，强调从教师的角度分析如何将游戏或游戏元素、理念或设计应用到教学过程中。从课堂教学准备阶段到不同教学环节中的应用，从与不同模式整合到评价游戏化教学，完整地为教师提供了结合案例的实践指南。
    教育游戏是游戏化学习的下位概念，为游戏化学习提供资源和环境。追溯历史，展望未来。课题对教育游戏在经历不同社会发展阶段时的不同表现特点，分析总结提出教育游戏思想经历了三个阶段，并将最终回归教育。课题对 2013-2017年的教育游戏实证研究成果进行文献分析，发现教育游戏将更聚焦于优质学习体验创造，更关注个性化学习，不断探索游戏化评价方式。
    3.基于学习科学的游戏化学习研究
    将学习科学的研究与游戏化学习的研究进行整合，实现科学性和快乐性的融合，激发学生内在学习动机，促进学生发展，推进教育教学创新改革，也是本课题的立足点和根本点。课题以数学和编程教育为突破口，开展基于学习科学的游戏化学习研究。
    （1）理论层面
    理论层面，对大量数学学习相关的教育神经科学研究进行梳理，对经典脑科学成果转化的游戏设计产品进行深入分析，提出教育游戏设计思路。对强调学习体验的三种学习实践理论系统梳理，推演和归纳，构建了游戏化学习体验理论框架。
    细化和深入研究问题，在具体学科知识点层面，对“20 以内加减法”学习的脑机制成果分析，发现，人类的数学认知至少包含两个子系统：一个是建立在进化基础上的概念表征系统，一个是建立在长期学习经验基础上的精确表征系统，在正式数学学习中，尤其是最开始的数感和运算学习过程中，最重要的就是让学生在原始数量感、数量的言语表征和符号表征系统这三者之间建立相互的联结。
    三重编码模型（Triple-code Model，简称 TCM）解决的就是原始数量感、数量的言语表征和符号表征系统三者之间的连接问题。对“分数”认知机制从认知神经科学视角进行分析发现，大脑可能是以分数的数值进行分数加工的，在此过程中，数感产生的核心区域——顶内沟，发挥了重要作用，而三种编码模型在复杂分数计算过程中有所体现。分数计算对认知能力提出了更高的要求。“分数”的教与学相关理论发现将分数知识划分为概念性知识和程序性知识，在概念性知识范畴内，分数的“部分与整体”的概念是儿童分数学习的基础，而强调分数数值理解的“测量解释”知识则是分数概念性知识学习的关键，概念性知识是程序性知识学习的基础。心理学更加专注于从认知的视角研究分数的表征加工过程，发现分数的符号表征受到整数表征的影响，分数具有丰富的含义，并探究了不同的分数表征加工模式。
   编程教育的领域，总结梳理了适用于使用可编程教育机器人套件培养计算思维的框架，包括五个要素：抽象、流程控制、问题分解、条件逻辑、调试。并基于该框架和游戏化理念设计了适用于小学阶段的可编程机器人课程。
    （2）设计开发层面
    基于学习科学的数学游戏化设计开发上。从教育学、心理学、认知神经科学获得研究和理论支撑，对小学生数学学习现状和教学现状进行调研，构建教材分析编码体系，选取主流小学教材，针对目标知识点进行逐一编码分析，设计配套知识点教学的教育游戏，并采用开发工具予以开发。
    具体来说，以小学一年级“20 以内数的认识和加减法”为例，在充分调研了数学认知、数学教育和游戏设计的相关研究后，基于三重编码模型、建构主义学习理论、心流理论和游戏内在动机理论，使用 Cocos2d-x 引擎设计并开发了一款移动终端电子游戏。使学生采用更加科学合理的数学学习方法，循序渐进地完成“20 以内数的认识和加减法”的学习。以小学分数学习为例，建构了游戏化学习体验框架基础上，从学习科学的跨学科视角，对分数学习的相关研究进行综述，从教育学的宏观视角解读了儿童分数能力的发展，从心理学的符号表征角度分析了分数学习困难的成因，从认知神经科学角度探索了大脑的分数认知模式。基于以上，进行小学分数学习和教学现状调研，对教材中分数内容涉及的 202 个分数表征编码分析，确定“部分与整体”是分数概念性教学的主体。选用 Unity3D 平台开发了游戏，内容架构与教材匹配，可以作为课内教学或课外学习的练习型游戏使用。
    （3） 应用与实验层面
    将课题研发产品在学校教育中开展应用和准实验研究，对学习效果和学习体验进行评估分析。为弥补研究与教学实践的鸿沟，所设计的教育游戏均与教材知识点对应，便于教师在课堂中应用。“20 以内加减法”的游戏选用一年级两个随机班作为实验班和对照班，持续两周，对学生基本数学能力进行前后测试。分数游戏应用于课堂教学整合和课外学习两大场景，选用三年级 209 名学生进行游戏化学习与常规练习学习方式的对比实验，选用 200 名四五年级学生进行课外游戏化学习方式与常规练习方式的对比。另外，将课题设计开发的计算思维培训教材应用于全国约 20 所中小学。
    （二）研究方法
    1.文献研究法
    以学习科学视角下的数学认知研究为核心，对学习科学在具体数学领域的成果进行文献梳理和分析。尤其对数学认知的脑神经机制研究成果进行梳理，获得研究借鉴和理论依据。结合教育学、心理学多方面研究文献，丰富理论基础。在此基础上，将国家课程标准和教材作为核心编码来源，进行内容分析，为设计开发提供核心内容。
    2.设计研究法
设计研究法是教育技术领域的重要研究方法，是本课题使用的主要研究方法。从现实教育情境中发现需求，发现学习现状，确定设计开发的定位。基于理论研究和需求分析，设计开发产品，并将所设计产品应用于正式学校教育和课外学习情境，使用常规评价工具和计算机视觉领域图像识别分析工具，收集过程性数据和学习结果数据，评价效果，迭代设计。
    3.准实验研究
    为了评估课题设计开发成果对于儿童数学认知能力、动机和情绪等方面的效果，采用游戏化学习与常规学习方式的准试验对照研究。依据理论设计评价维度。
    主要测评方式采取问卷调查法。主要工具来源于PsycTESTS数据库等权威量表、TIMSS 等权威测试题、《中国小学生数学基本能力测试量表》。
    4.人人工智能表情识别
    本课题研究使用电脑摄像头，对儿童在游戏化学习过程中的面部表情进行全程记录，之后使用基于实时卷积神经网络的人工智能表情识别的方法，对儿童的表情状态进行全程化、自动化、客观化识别。并运用 K-means 聚类方法，对儿童在游戏化学习过程中的情绪状态进行分类。表情识别算法主要基于Python语言，聚类分析、数据可视化通过 R studio实现。
    二、结论与对策
    1.游戏在教育实践中的教育性和趣味性
    对游戏在教育实践中的教育性和趣味性进行评估。为保证教育性，从数学教学的角度梳理提出了理论支撑和内容框架。为保证趣味性，基于内在动机理论和学习体验理论框架增强产品的趣味性。
    （1）教育性效果评估
    在学习成果方面，运用准实验研究方法将游戏化学习与练习等常规学习方式进行对比。针对 209 名三年级儿童的准实验研究，发现在数学课堂教学的练习环节使用分数游戏，学生的分数概念性知识水平显著提高，同时数学焦虑感显著下降，数学学习的内在动机以及自我效能感显著提高。在与教具班和练习班的对比中，发现在课时相同的情况下，游戏班不但在“部分与整体”的测试中实现了与教具班和练习班一致的认知成果，数值理解能力也得到充分发展。针对 200 名四、五年级小学生的准实验研究，发现在课外学习中，相较于常规做练习题的方式，分数游戏能够有效提高儿童的分数概念性知识水平，并且保持学生的动机水平。
    通过准实验研究和半结构化访谈，发现 20 以内加减法游戏的教育性较高，学生反馈个人在游戏中学习到了知识，并且一些能力在游戏过程中获得了提升。
    （2）情绪性体验评估
    运用人工智能表情识别方法，对游戏化学习过程中的学习投入状态进行分析，以检验游戏的过程性应用效果。首先使用人工智能图像识别技术对 570 万帧表情图像进行全程化、自动化、客观化分析。基于面部表情数据和 K-means 聚类方法，发现学习者在游戏中主要呈现了三种不同类型的表情状态，即快乐学习型、愤怒紧张型和小心谨慎型。通过综合分析游戏过程中的表情数据、游戏后台数据与结果性的成绩问卷数据，识别三类情绪表达类型儿童在学习投入、学习成果等方面的差异。此外，为探究游戏形式对学习投入的促进作用，将游戏化学习与视频学习进行对比，发现游戏化学习更能促进儿童的认知投入和情感投入。而 20以内加减法游戏中学生对游戏的评价和讨论结果均表明学生对游戏产生了极大的兴趣和好奇，表现积极能够主动讨论和交流游戏经验并乐在其中。
    2.基于学习科学的教育游戏设计
    课题为设计科学、有效、有趣的教育游戏提供了一整套解决方案。从寻求理论支撑到需求分析现状剖析，从内容设计到游戏结构设计和开发，从应用到测评都给出了一系列具有借鉴意义的策略。
    （1）基于学习科学的游戏化学习理论架构
    首先根据理论推演归纳出学习体验的三种类型，即基于情境的认知体验、基于协作的社会性体验和基于动机的主体性体验。基于情境的认知体验强调了游戏化环境为学习者提供了认知真实性的学习情境。基于动机的主体性体验主要强调了动机和情绪在学习过程中的重要性。基于协作的社会性体验主要关注了游戏化学习过程中的指导性体验和学习者之间的协作互动。其次，着实到学科教学目标上，教育神经科学的证据可以支撑游戏化学习设计。三重编码模型获得了越来越多的实验研究支持，成为目前被广泛认同的理论模型，大脑在完成数量加工任务时，涉及三种不同的编码来表征数量，分别是模拟数量编码、听觉言语编码、视觉阿拉伯数字编码。这也指导我们开展设计。
    （2）基于学习科学的教育游戏设计流程和原则
    教育游戏设计的前期工作是理论分析和需求分析，这是教育游戏设计的基础。理论分析包含游戏化学习相关理论研究和目标知识领域的相关理论研究；需求分析包括学习现状分析和教学现状分析，以便更好地确定游戏内容的切入点。结合理论分析和需求分析，最终确定了游戏的内容定位和使用定位。在确定游戏定位后，首先应当确定游戏的认知内容和核心的认知辅助方式。认知内容的设计主要来源于目标知识领域的相关理论，学习现状和教学现状的分析为内容设计提供参考。教育游戏的游戏化元素应当服务于游戏的认知内容设计，即游戏的娱乐性服务于游戏的教育性。游戏化元素的设计可以依据游戏化学习领域的相关理论进行，如动机理论、心流理论等。
    整体设计原则上，扎根游戏化学习相关理论，游戏设计才能“有据可依”，明确学科体系和目标知识体系，才能“有的放矢”，对认知内容和认知辅助工具进行深入理解是进行游戏化元素设计的前提，情境设计、交互方式、奖励方式都应当围绕游戏核心的认知内容展开，因此应该符合“认知中心”。在认知内容设计方面，应当宏观考虑目标知识所属的学科体系，在新知识认知的过程中，注重新旧知识的关联， “瞻前顾后”。为学习者提供进行意义理解、知识建构的学习情境，帮助学生实现“意义建构”。教育游戏在内容模块安排上应尽量保持与教材一致，同时，在认知理解深度方面，应当适当超越教材。教育游戏应当为不同认知水平的学习者，提供不同层次的认知辅助，比如分数游戏中提供了交互式支架，实现“差异辅助”，保障个性化学习质量。借鉴学习科学的研究成果，将这些成果应用在学科的教学和产品设计中，势必会大幅提高产品的科学性。