随着信息科技的迅猛发展，虚拟仿真实验成为获取信息和知识的新媒体，促进了高等教育实验教学的信息化变革
[1]。但是，国内大多数高校所使用的桌面式虚拟仿真实验仍存在一些不足，如缺乏生动的情景、缺乏动态评价机制与奖励机制等，无法充分激发学习者的学习兴趣。近年来，游戏化学习秉承“寓教于乐”的理念，其相关产品在提高用户的沉浸感、体验感等方面受到了学术界的广泛关注
[2]。有研究表明，游戏化学习与虚拟仿真实验相结合将是1+1>2的全新体验，不仅可以通过游戏化学习加强虚拟仿真实验的体验效果，而且可以促进游戏化学习在实验教学中的应用
[3]。但是，游戏化虚拟实验目前尚处于起步阶段，目前的研究主要集中于理论与模式设计开发上，很少涉及应用研究。
基于此，本研究借助Unity 3D平台，以密室闯关游戏为背景，设计并开发了一套集游戏故事情节、面包制作基础知识教学、答题与实践操作、学习效果评估等多项功能于一体的游戏化虚拟实验系统，有助于提高食品科学与工程专业学生的学习热情，快速理解并掌握“面包制作”实验的原理及流程。
1 游戏化虚拟实验系统设计
1.1 框架设计
为帮助学习者了解并掌握“面包制作”实验的基础知识与操作流程，从“寓教于乐”的理念出发，采用Unity 3D作为本项目的开发软件，使用3Ds Max和Photoshop图像处理软件进行开发与制作，并辅以C#语言开发出游戏化虚拟实验——“小元密室逃脱之旅”。总体框架如
图1所示。
用户登录系统后，将正式开启密室逃脱之旅，并按照要求在指定时间内逐步通过关卡，掌握“面包制作”实验的基本内容。首先，系统中的“开始界面”包括“闯关开始”、“闯关说明”和“闯关退出”三个部分，用来帮助玩家更好地操作系统。其次，“小元的密室逃脱之旅”主要是由三个小型密室构成，分别是“体验式密室”、“演练式密室”与“验证式密室”。其中，体验式密室主要是用来帮助用户学习“面包制作”的安全知识、实验目的和实验原理，并提供了华东某高校关于该实验的实地拍摄视频和基础知识测试部分，进一步帮助用户理解该实验。演练式密室会提供面包制作的实验提示，用户只需在系统的提示下操作练习、完成实验即可。验证式密室则是指在一定时间内，用户在完全没有系统提示的情况下，独立做面包制作的实验，并提交实验报告。
在“小元密室逃脱之旅”中，系统实行“积分制”，每个密室的闯关成绩满分为100分，按照每个密室所包含的模块数量等比例赋分，总分为300分。例如，在体验式密室中，“安全知识”、“实验目的”、“实验原理”与“视频演示”不算分，“基础测试”的分值为100分；在演练式密室中，“操作练习”实验的分值为100分；在验证式密室中，“做实验”和“实验报告”的分值均为50分。整个密室的闯关时间为2 h，如果用户无法在指定时间内闯关成功，则系统宣布闯关失败。
1.2 流程设计
根据“小元密室逃脱之旅”的框架图，本研究以“面包制作”实验为例，设计了“小元密室逃脱之旅”的流程图，如
图2所示。当进入该游戏化虚拟实验环境中，用户需要根据系统设置的顺序，依次闯关通过“体验式密室”、“演练式密室”与“验证式密室”，直至闯关成功，最终成绩由累计积分、勋章数量与闯关时间共同决定。
1.3 场景界面设计
本研究采用Unity 3D等开发工具，搭建了游戏化虚拟实验的场景，可为用户提供沉浸感强、体验感更佳的交互式学习界面，激发学习者的学习兴趣。场景界面是根据“小元密室逃脱之旅”的总体框架所开发的，共包括四个场景模块，分别是开始界面、体验式密室、演练式密室与验证式密室。
1.3.1 开始界面
首先，学习者需要登录系统，输入账号和密码。进入该系统后，用户可以选择“闯关开始”、“闯关说明”与“闯关退出”三个按钮。点击“闯关开始”按钮，用户可以根据性别选择不同的游戏角色，如
图3所示。点击“闯关说明”按钮，系统自动弹出“小元密室逃脱之旅”的故事情节界面，如
图4所示。点击“闯关退出”按钮，则系统自动退出游戏化虚拟实验的闯关活动。
1.3.2 体验式密室
当进入体验式密室后，学习者需要学习面包制作的安全知识、实验目的、实验原理与面包制作的演示视频。演示视频主要是为学习者提供虚拟仿真实验的操作视频，帮助学习者模仿练习实验。当学习者学完相关基础知识后，系统将自动跳出关于面包制作实验的基础测试题目。基础测试题主要是由选择题和填空题组成，便于系统即时给出答案。
如果学习者的正确率达到80%以上，将获得一枚勋章奖励，积分按照测试题的正确比例递增，学习者进入下一关卡；反之，测试不达标，积分不增加，并扣除5分，学习者需要重新学习基础知识并测试。另外，当学习者重新进行一次基础知识测试时，系统就会扣除学习者当前积分5分，且上一次基础测试的积分记录作废。
1.3.3 演练式密室
在演练式密室中，学习者需要根据系统的操作提示，操作、练习面包制作的实验流程。学习者可以反复多次操作、练习该实验，直至熟练掌握。练习完成后，学习者可以点击“确认”按钮，积分增加100分，获得一枚勋章奖励，进入下一关卡（如
图5所示）。另外，当学习者由验证式密室返回演练式密室时，此密室中的积分不增加，积分扣除10分。
1.3.4 验证式密室
在验证式密室中（如
图6所示），学习者需要在没有系统提示的情况下，5 min内独立完成面包制作测试，并提交实验报告（如
图7所示）。实验部分由系统按步骤逐步给分，实验报告则由系统自动打分，二者分值分别为70、30分。如果学习者忘记了操作步骤，需要提示信息帮助学习者完成实验，则系统将给予适当惩罚措施。一旦提示信息超过3次，学习者将失去当前关卡的勋章奖励机会，系统自动扣除30 s的实验时间，并扣除积分5分。
如果学习者闯关成功，积分增加，获得一枚勋章奖励；反之，学习者未能在指定时间内完成实验，则闯关失败，无积分和勋章奖励，学习者将回到登录界面，重新开始“小元密室逃脱之旅”的闯关活动，直至闯关成功。最后，当学习者成功通过所有密室的关卡，系统将显示学习者的闯关时间、积分和勋章数目。
2 游戏化虚拟实验系统的应用
为了检验“小元密室逃脱之旅”的应用效果，将此游戏化虚拟实验系统应用于华东某高校食品科学与工程专业的实验教学。根据研究目的，采用对照试验设计，试验组与对照组学生分别采用“小元密室逃脱之旅”、华东某高校虚拟仿真实验平台学习。其中，以“面包制作”实验为例，华东某高校虚拟仿真实验平台实验课程包括实验指南、预习报告、演示及练习、操作及报告等4个环节，学习者可通过导航栏进行访问和切换（如
图8所示）。
本研究假设有两个：一是，试验组的实验操作成绩与知识测验成绩均高于对照组；二是从学习者对两款教学产品的“内容与设计、感知易用性、感知有用性、满意度、感知互动性与使用意向”六个维度来看，游戏化虚拟实验的应用效果优于现有虚拟仿真实验平台的应用效果。
2.1 研究设计
2.1.1 研究对象
在华东某高校食品科学与工程专业类大二学生中随机抽取了50名学生作为研究对象，将50名大学生分为两个小组，每组为25人。两组学生此前均未接触过本校虚拟仿真实验平台，也均未参加过“面包制作”实验的学习，其线下实验成绩由同一位教师进行评价，教学条件与环境均一致。
2.1.2 研究工具
实验工具包括知识测验试题与调查问卷。
①知识测验试题 知识测验以学生对知识测验问卷成绩与线下实验操作成绩之和为基准，目的是测试学生使用不同的教学产品后，对“面包制作”实验的掌握程度。知识测验问卷围绕知识与技能、过程及方法与情感态度价值观三维教学目标出发，在参照华东某高校“面包制作”实验试题的基础上，结合此次实验的课程特色进行设计，并征求该校食品科学与工程专业教师的意见，最终设计出测验试题，共计70分。
②调查问卷 随着游戏化学习理念、虚拟仿真技术的快速发展，大量国内外专家采用技术接受模型（TAM）对游戏化学习产品、虚拟仿真实验产品的使用效果展开了评估调查，为二者的优化改进提供了方向。因此，为提高问卷的科学性与可信度，在设计的过程中，该问卷的测量量表主要参考了Davis
[4]于1985年提出的TAM3（技术接受模型），Venkatesh等
[5]于2000年修订的TAM2（技术接受模型），以及Berns等
[6]于2016年基于TAM模型，共计6个维度，每一个维度包含3~4个题项，选项采用李克特5级评分，玩家针对问题进行打分，分数范围为1~5分，分数越高则证明学生的接受度越高，问卷共20题。如
表1所示。
其中，针对游戏化学习所具备的情境性、交互性、趣味性等特征，该问卷设置了“内容与设计”、“感知互动性”与“满意度”等维度，以此来测试游戏化学习理念对虚拟仿真实验平台的影响，为未来进一步完善“小元密室逃脱之旅”提供方向。
如果总量表的Cronbach’s
α系数大于0.7，证明该量表的信度良好
[10]。数据分析发现，该问卷量表整体的Cronbach’s
α系数为0.975，且各维度的Cronbach’s
α系数均大于0.80，说明问卷所回收的数据可靠性较高。KMO的值为0.861，数值大于0.80，说明问卷各变量之间的相关性很好。巴特利特球形度检验的近似卡方值为1 322.319，自由度为190，
P<0.001，不服从球形检验，说明各变量间具有相关性，效度较好。从整体上来看，本次调查问卷设计信效度较好，能够反映真实情况。
2.1.3 研究过程
研究设计如
图9所示。首先，将50名食品科学与工程专业的大二学生分为试验组（
n=25）和对照组（
n=25）。试验组采用“小元密室逃脱之旅”学习“面包制作”实验，对照组采用华东某高校现有虚拟仿真实验平台进行学习。其次，选择周末的白天，让两组学生使用各自的学习方式学习120 min的“面包制作”实验的知识，所有学生需经过3次这样的学习过程。之后，让学生在30 min内完成“面包制作”实验知识的测试习题。再次，分别让每一位学生在180 min内完成线下“面包制作”实验，由食品科学与工程专业的一名教师对学生的实验过程与实验结果进行评分。通过征求该校专业教师的意见，将知识测验试题的分值设为70分，线下“面包制作”实验测试的分值设为30分，共计100分。之后，对两组学生进行15 min的问卷调查。最后，分析数据，得出实验结果。
在参照华东某高校“面包制作”实验试题的基础上，结合该实验的课程特色进行设计，并征求学校食品科学与工程专业教师的意见。
2.1.4 统计分析方法
采用IBM SPSS Statistics 26软件对数据进行统计分析，实验操作与知识测验结果以及问卷调查评价结果均采用均数和标准差(±s)表示，组间比较采用两独立样本t检验。以P<0.05为差异具有统计学意义。
2.2 研究结果
2.2.1 实验操作与知识测验结果差异性分析
在“知识测验”与“实验操作”的总分环节，试验组成绩高于对照组的成绩（81.88±8.80 vs. 73.04±10.16,
P=0.002）。其中，在“知识测验”环节，试验组成绩高于对照组的成绩（58.84±6.10 vs. 53.56±8.30，
P=0.014）；在“实验操作”环节，试验组成绩高于对照组的成绩（23.04±3.58 vs. 19.88±2.68，
P=0.001）。因此，研究结果证明试验组的实验操作成绩与知识测验成绩均高于对照组，如
表2所示。
2.2.2 问卷调查结果差异性分析
调查结果显示，在感知易用性与感知互动性这两个维度上，试验组与对照组的差异无统计学意义（
P=0.280，0.878），其余各个维度的试验组分值均高于对照组（
P<0.05）。这表明，在“内容与设计、感知有用性、满意度、使用意向”的维度上，学习者对“小元密室逃脱之旅”的体验效果均优于现有虚拟仿真实验；但是，在“感知易用性与感知互动性”维度上，学习者对“小元密室逃脱之旅”与现有虚拟仿真实验的体验效果差异无统计学意义。如
表3所示。
3 讨论
本研究以“面包制作”实验为例，借助Unity 3D等开发工具，设计并开发了一套集游戏故事情节、面包制作基础知识教学、答题与实践操作学习效果评估等多项功能于一体的游戏化虚拟实验系统，即“小元密室逃脱之旅”，并应用于教学实践。研究结果表明，基于“小元密室逃脱之旅”的教学活动能够解决现有虚拟仿真实验存在的一些问题，在一定程度上提高了学习者的学习积极性与学习效果，满足了当代大学生的学习需求。通过对以上试验组与对照组的调查对比分析，可以得出以下结论：
①游戏化学习情境与奖励机制的叠加有助于提高学生对虚拟实验的兴趣 通过对实验数据的进一步分析，发现相对于现有虚拟仿真实验平台，学习者对“小元密室逃脱之旅”的满意度更高，普遍认为其界面设计美观，内容充实有趣。“小元密室逃脱之旅”与现有虚拟仿真实验平台区别主要在于，前者不仅具有刺激的密室逃脱游戏情境，还具有趣味性的评价机制与奖励机制，如设置积分、徽章等游戏化要素，进一步提高了学习者挑战游戏化虚拟实验关卡的信心。因此，在虚拟仿真实验情境中融入生动的游戏化学习情境、完善的奖励机制，有助于提高学习者对虚拟仿真实验知识的学习兴趣，并进一步提高了学习者对“小元密室逃脱之旅”的使用意向。
②游戏化虚拟实验有助于提高学生的学习成效 在此次测试的过程中，无论是知识测验成绩，还是实验操作成绩，采用“小元密室逃脱之旅”的学生平均成绩均高于采用现有虚拟仿真实验平台的学生成绩。此外，通过问卷调查发现，尽管在“感知易用性、感知互动性”的维度上，学习者采用“小元密室逃脱之旅”与采用现有虚拟仿真实验平台的体验效果并不存在统计学差异，但是在“内容与设计、感知有用性、满意度、使用意向”的维度上，“小元密室逃脱之旅”的教学效果均优于现有虚拟仿真实验平台的教学效果。由此证明，本研究所设计开发出的游戏化虚拟实验成果是可行且有效的，有助于提高学习者的学习效果。
尽管本研究取得了一定的成果，但是仍存在一些不足，如在“小元密室逃脱之旅”的效果验证阶段，实验所招募的学生数量不足，且学生的来源仅限于华东某高校食品科学与工程专业类的大二学生，致使该游戏的普适性研究存在一定的局限性。在后续的研究中，将继续改进该游戏化虚拟实验系统，以更好地辅助学生学习，培养高质量优秀人才。
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