汪 枫， 熊永红， 曾中良， 王 琛， 许明耀

（1.武汉纺织大学数理科学学院，武汉 430200；2.文华学院基础学部，武汉 430074）

0 引 言

翻转课堂作为如今信息技术支持下的一种新型教学模式，体现了“以学生发展为中心”的重要教学改革理念，是扭转“学生被动学习”和“教师单纯讲授”状况的有力手段，对于提升学生学习能力和创新能力都有着积极促进作用，是建设国家一流本科课程的有效路径［1］。然而，高校实验教学条件虽然越来越优异，智慧教学工具也确实丰富了教师的教学手段，但实验教学的课堂交互方式还并未发生本质改变。一方面是实验课程的数字化资源开发相对于其他理论课程来说更加困难，“翻转”任务艰巨。更重要的是，在混合式教学改革浪潮下，大量课程仅仅是通过微视频将需要讲授的内容进行时空上的前移，师生间以及学生间的交流研讨依然缺乏深度和层次性，学生并未摆脱机械学习、被动接受的状况，学习动力堪忧［2］。特别是一直处于被动学习、缺乏提问环境和机会的学生，在翻转课堂过程中易成为交流研讨过程的“旁观者”，不善于发现问题、提出问题，或畏惧提出问题［3］。因此，如何充分调动主观能动性，使学生更加积极主动且愉快地进行知识构建，实现学生主体、教师主导的真转变，让翻转课堂真正走进实验教学，这些问题仍然需要开展深入探讨和实践。为推进大学物理实验教学改革，贯彻以学生为中心的教改理念，提高教学质量，本文从游戏化理念出发，探索游戏化教学设计在大学物理实验翻转课堂中的应用。

1 游戏化教学意义

1.1 关于游戏化

21 世纪以来，我国已成为全球第一游戏市场［4］，特别是随着移动互联技术的普及，使人们在有意或无意间都会接触到游戏或参与到游戏过程中，游戏与生活的联系愈发紧密。美国著名教育家和哲学家杜威认为，“教育即生活”，教学法的应用最好从学生的经验与能力出发［5］。2003 年，英国游戏开发人员Nick Pelling第一次明确提出游戏化（gamification）的概念，并将其定义为“把不是游戏的东西（或者工作）变成游戏”［6］。游戏化既是将游戏思维、游戏机制以及游戏元素整合应用于非游戏环境中，赋予其游戏特征，以帮助引导和促进使用者的参与和互动。近年来，游戏化在教育领域的应用正在逐渐兴起，无论是教育游戏还是基于游戏的教学模式，都在茁壮成长［7］，游戏化学习目前已成为十大创新教学法之一［8］，同时也成了培养学生“科学精神”的新途径［9］。其中，关于游戏化教育软件的开发和研究尤为突出，在中国知网仅搜索2017 ～2021 年关于“教育游戏”的中文核心期刊就多达105 篇，游戏教育价值也得到了充分地探讨和深化［10］。随着信息技术的飞速发展，游戏化理念还被应用于MOOC 学习中，有效提升MOOC 学习的沉浸感，改善学习者的学习行为、学习效果、课程评价和辍学率等问题［11］。游戏化翻转课堂也开始崭露头角，对学习者的学习动力有持续促进作用［12-13］。目前游戏化在学前教育和基础教育中的应用已经非常普及，但在高等教育中的应用仍显不足。实际上，相较于中小学学段的学生，游戏化学习对于提升大学生学习成绩具有更积极的作用，特别是对于如数学、物理等系统性和逻辑性更强的学科，具有显著的正向影响［14］。

1.2 实验教学游戏化

学习动机是学习的原动力，Malone等［15］致力于研究人们为什么喜欢玩游戏，并认为游戏让人乐此不疲的原因是游戏能够激发人们的深层内在动机，并提出一套内在动机理论。该理论认为内在动机可分为个人动机和集体动机两类。个人动机包括挑战、好奇、控制和幻想，集体动机包括合作、竞争和尊重。实验教学是一个观察、理解、判断、操作、反馈的过程，包含自主性、探究性、试误性、交互性等特征，与游戏特性具有极强的相似性，特别是实验设备与学习者之间的交互性也是其他课程无法取代的。因此，实验教学的先天条件不仅有利于激发学生的深层内在动机，而且为开展游戏化教学提供了良好的动态交互机制。实际上，测验、问答、讨论等基本教学互动方式都具有交互特性，教师只需通过设计积分、排名、段位等各类游戏元素就可以趣味性地开展教学活动。实验教学的游戏化设计将从游戏动机、游戏机制和游戏元素3 个方面出发，设置学习任务、教学活动和课程评价，如图1 所示。

图1 游戏化教学设计框架

2 游戏化翻转课堂设计

实验教学的游戏化翻转课堂设计以学生为主体、教师为主导，将学习任务分为个人任务与团队任务，并贯穿课前、课中、课后全过程，如图2 所示。

图2 游戏化翻转课堂流程

其中，团队任务是游戏化教学的核心机制，通过比拼竞技的形式，促进自主学习和协作式学习，充分激发学生的深层内在动机。团队人数不宜过多，避免惰化现象，教师可以根据实验条件进行合理分配，通常3 ～5 人即可。每次实验都会安排小组之间以游戏竞赛的方式两两进行交流研讨，并要求做好提出问题、分析问题、解决问题的相关工作，不断总结完善，持续改进。赛制可根据实验项目数和学生组数采用单循环（每支队伍之间均进行一场比赛）或双循环（每支队伍之间共进行两场比赛）的方式，教师在比赛中通过引入积分、徽章、荣誉、头衔、排行榜等游戏激励系统，让学生获得成就感、仪式感和沉浸感，营造良好的学习氛围。对于比赛中操作准确熟练、问答表述清晰无误的学生，会设立MVP（Most valuable player），获得额外的课堂积分。最终，学习任务达成情况将由学生课前课中课后的综合评分决定，使评价方式由单一化、标准化向多元化、个性化转变。

2.1 课前

教师通过MOOC或SPOC 发布学习任务，如观看原理视频、操作视频、完成章节测验、撰写实验预习报告等，并要求团队提出5 道思考题和答案；学生围绕学习任务开展线上自学自测，明确实验目的及课程重难点，完成实验预习报告，并通过小组协作研讨，提出思考题；教师根据教学管理平台的学习行为统计数据进行前端分析，并对每个小组进行督学助学，探讨知识薄弱环节以及思考题，完善和更换掉不合理的问题。教师还可以引导学生主动去了解相关学科前沿发展、科学人物事迹。

2.2 课中

教师首先回顾课前预习情况，介绍实验目的和注意事项，随后结合实验特点组织学生开展游戏化教学。活动通常分为两大部分：

（1）头脑风暴。安排本轮对战的小组分别开展研讨，根据课前准备的思考题，彼此相互提问，交替回答，最终以正确率判定胜负。每个回合结束，教师都会总结和点评，并根据实验特点进行拓展延伸，例如光的干涉实验中将知识延伸到激光干涉引力波探测器的工作原理，在霍尔效应实验中引领学生理解量子反常霍尔效应，在弹性模量实验中探讨弹性模量的测定对研究光纤、半导体、航天器件等各类材料力学性质的意义等。同时结合一些典型案例，在潜移默化中厚植爱国主情怀、文化自信、科学精神等思政元素。在时间充裕的情况下，教师也可以自行补充问题进行附加赛，让小组之间进行抢分，或者采用学生互讲互问、生讲师评等多种比赛形式。

（2）操作比拼。教师根据实验项目特点设置不同形式的操作竞赛，在寓教于乐中完成仪器调试、数据测量等教学任务。例如在示波器的原理及使用实验中，需要学生学会使用示波器的扫描应用和X－Y方式应用，课堂上以单循环的竞赛方式组织学生进行操作比拼，积分规则采用胜3 分，平1 分，负0 分的常用比赛记分方式。每回合比赛时间为2 min，赛前组间彼此交换仪器，打乱对方仪器，随后回到各自位置。在规定时间内把示波器调节至指定状态并正确记录数据（如正弦波、利萨如图形等），成功人数多的一方获胜，人数一样则平分。随着学生熟练度的提升，再逐步缩短时间，增加难度。在条件允许的情况下，还可以通过播放背景音乐，设定一些游戏技能机制，如减少对方时间、增加己方时间、减少对方人数或增加对方仪器等多种方式增加过程的紧张感和激烈性，促进师生和学生之间互动，为课堂教学提供强大的情绪支持，不断刺激和维持内在学习动机，图3 所示为课中游戏化教学场景。

图3 游戏化实验教学场景

2.3 课后

教师对整个教学活动、课程内容以及学生表现进行归纳总结，随后通过教学管理平台发布随堂考试，帮助学生巩固课程重难点，促进知识的内化和吸收。学生根据实验测量结果完成实验报告，教师进行批阅反馈。每周还会通过战报的形式向班级发布通知，对比赛进行回顾并预告下一轮教学活动安排。

3 实践效果

3.1 学习数据分析

分析选取了同一专业的两个班级进行对比，实验班31 人，对照班30 人，课程内容、教学进度基本一致，使用的SPOC资源也相同，且所有学生在参与物理实验教学之前均学过同样的基础课程，学习起点、教育背景、认知能力基本相同。实验班与对照班均采用了“线上＋线下”的混合式教学模式，但实验班融入了游戏化翻转课堂的教学设计。利用SPSS23.0 软件对两个班2021 年上半学期的章节测验、随堂考试以及平时作业成绩进行差异显著性分析，结果如表1 所示。章节测验和随堂考试的显著性为0.000，均小于0.01，说明两个班在这两项成绩上存在极显著地差异。其中，章节测验属于课前SPOC 的自测习题，而随堂考试则是课中教学活动结束后发布的测试，为进阶型考题，检验学生是否融会贯通。从分析结果可见，实验班的章节测验和随堂考试均值分别为79.745 和82.332，相较于对照班（章节测验61.983，随堂考试69.093），分别提高了约18 分和13 分，说明游戏化教学更能提升学生的课前自学效果，课中也进一步促进了学生对知识点的吸收和内化。不过，两个班的平时作业均值相差仅2 分，并无明显差异。这是由于SPOC 和教材已经为撰写实验报告提供了足够多的资料，相关内容也进行了详尽研讨，所以没有表现出显著差异。

表1 实验班与对照班混合式教学差异性分析

研究还追踪两个班的学习次数统计数据，如图4所示。实验班的月平均学习次数普遍高于对照班，且呈现持续走高的趋势，而对照班的学习次数在学期中段则开始出现滑坡，这不仅进一步解释了实验班章节测验成绩更加出色的原因，而且也反映出游戏化翻转课堂确实持续促进了学生的自主学习，激发了内在学习动机。

图4 实验班与对照班的学习次数统计数据对比

3.2 问卷调查分析

研究采用5 点李克特量表设计了包含14 道题的“游戏化教学效果问卷调查量表”，从学习氛围、学习动机、学习过程、学习效果、满意度5 个维度对实验班31 位同学进行问卷调查，回收有效问卷31 份，调查结果如表2 所示。同时，采用SPSS23.0 对问卷数据进行了统计分析，用“Cronbach’s α”系数进行内在信度检验，量表信度系数Alpha ＝0.984（＞0.9），说明本问卷具有良好的问卷结构，数据可信度高。

表2 学生对游戏化混合式教学的态度调查

问卷统计结果表明，学生整体呈现出非常认可的态度。学生认为，游戏化教学能够营造良好的学习氛围，有利于激发学习兴趣，维持学习动机。在整个学习过程中，也更有参与感，并且拥有更多探索、思考和交流协作的机会。无论是在知识掌握方面还是能力发展方面也都得到了学生肯定。在满意度的调查统计中，41.94%的学生表示非常满意，48.39%的学生表示比较满意。在游戏化教学建议版块中，学生纷纷表示教学方式“挺好”，特别是“小组对抗很好”“对抗性当中更容易提升自己”“环节设置得挺好的，比赛的回合很多，不会纠结于一两场的失败，反而会继续努力完成下一场比赛”等，说明该模式易于诱发“挑战”“合作”“竞争”等深层内在动机。

4 结 语

随着教育技术的发展，教学过程更具交互性和感染力，也使游戏化教学更具生命力。但相较于学前教育和基础教育，游戏化教学在高等教育中的应用则发展相对缓慢。实际上，游戏化教学并非要依托于教育游戏或者游戏本身，而是将游戏设计元素和机制融入教学活动中，通过趣味性、个性化呈现，唤醒学生的内在学习动机，让学生在教学过程中充分“玩起来”“活起来”，改善学习氛围提升学习效果。本研究探讨了实验教学与游戏化的关系，构建了游戏化翻转课堂模式。通过对比实验、定量分析和问卷调查发现，学生学习效果有显著提升，对学习动机也起到了持续性促进作用。后续计划根据相关游戏设计理论研发更系统性且多样化的游戏化教学方案，扩大研究范围和分析维度，不断完善和深化游戏设计理念在实验教学创新中的研究和应用。