基于体验式学习的游戏化虚拟实验模式设计研究

Design of the game-based virtual experiment mode based on experiential learning

摘要

随着现代信息技术的快速发展和教学应用，虚拟仿真实验教学以其能够适应高等教育实验教学的变革要求、为学习者开展探究性自主实验提供数字化学习资源的优势，受到了国内外学术界的广泛关注。然而，现有的虚拟仿真实验教学存在一些不足，如缺乏生动的教学情境，缺乏动态评价机制和奖励机制等。基于此，本研究探索从体验式学习的角度出发，结合情境学习理论与建构主义学习理论，分析虚拟仿真实验类型与游戏化学习的一般化设计模式，在参考前人的游戏化虚拟实验设计模式的基础上，构建基于体验式学习的游戏化虚拟实验设计模式，以期为游戏化虚拟实验教学和研究提供借鉴与参考。

Abstract

With the rapid development of modern information technology and its application in teaching, virtual simulation experiment teaching has attracted broad concern in academic circles at home and abroad because of its advantages in adapting to the reform requirements of experimental teaching in higher education and providing digital learning resources for learners to carry out exploratory independent experiments. However, the current virtual simulation experiment teaching has some shortcomings, such as lack of vivid teaching situations, lack of dynamic evaluation mechanism and reward mechanism. In view of these issues, this study explored the types of virtual simulation experiments and the general design mode of game-based learning from the perspective of experiential learning, combining the theoretical research of situational learning theory and constructivist learning theory. We constructed a game-based virtual experiment design mode based on experiential learning by referring to the previous design modes of game-based virtual experiments, with a view to providing reference for the teaching and research of game-based virtual experiments teaching.

Graphical abstract

关键词

体验式学习 / 游戏化学习 / 桌面式虚拟仿真实验 / 游戏化虚拟实验

Key words

experiential learning / game-based learning / desktop virtual simulation experiment / game-based virtual experiment

2013年“中国在线教育元年”的提出，以及2019年新冠疫情的暴发，加速推动了高校教育信息化变革。在MOOC等在线教育课堂对传统理论课堂影响日益增强的情况下，实践教学环节显得尤为重要，它在提高学生的实践创新能力方面具有不可替代性^[1]。虚拟仿真实验教学正是顺应教育信息化技术不断发展起来的一种在线实验教学模式。近年来，虚拟仿真实验资源的建设与应用已经取得了显著的创新和突破，并广泛应用于各大高校的实验教学^[2]，如工程^[3]、医学^[4]、化工^[5]等领域。目前，增强型虚拟仿真实验和沉浸式虚拟仿真实验单次可容纳的人数少，且实施技术难度大，故国内大部分高校使用桌面式虚拟仿真实验进行教学。桌面式虚拟仿真实验是指利用计算机生成的虚拟系统模仿另一个真实系统，主要通过拖动鼠标，结合键盘来完成实验过程^[6]。因此，本研究所指的虚拟仿真实验均为桌面式虚拟仿真实验。

研究发现，目前的虚拟仿真实验存在缺乏生动的情景和动态评价机制与奖励机制等问题。相关研究表明，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^[7]。另外，体验式学习注重学习的情景性，强调学习者通过具体体验学习情境，并通过观察、反思，形成抽象化概念，在新情境中检验知识，为游戏化学习理念与虚拟仿真实验的融合搭建了桥梁。

基于此，此次研究试图从体验式学习的角度出发，结合情境学习理论与建构主义学习理论，针对目前应用最为广泛的桌面式虚拟仿真实验，探索将游戏化学习与虚拟仿真实验相融合，形成基于体验式学习的游戏化虚拟实验模式。

1 虚拟仿真实验的类型划分

为改善虚拟仿真实验的现状，本研究需要划分虚拟仿真实验的类型，便于从体验式学习理论的视角出发，将游戏化学习与虚拟仿真实验进行融合研究设计。本研究在参考单美贤^[8]对虚拟仿真实验类型进行划分的基础上进行适当修改，发现虚拟仿真实验可分为“体验实验”“演练实验”“验证实验”三种实验形式。其中，“体验实验”主要是让学习者学习虚拟仿真实验中的相关实验指南、预习报告与演示部分；“演练实验”主要是学习者在系统提示的前提下，逐步完成实验的操作练习部分；“验证实验”主要是让学习者在没有系统提示的情况下完成实验的操作步骤，并提交实验报告。

2 游戏化学习一般化设计模式

游戏化学习设计是一个系统化工程，各元素之间相互联系、相互交叉，形成一个统一的系统。游戏化学习的设计一般包括前期分析、整体架构设计、学习环境原型确定等几个方面。本研究在参考范良辰^[9]所总结的教育游戏设计模式的基础上进行修改，并结合游戏化学习元素，总结归纳出游戏化学习的一般化设计模式，如图1所示。

通过对游戏化学习的一般化设计模式进行分析可知，游戏化学习架构设计中的游戏场景设计、评价机制设计与奖励机制设计，恰恰可以解决虚拟仿真实验目前所存在的问题。因此，游戏化学习与虚拟仿真实验具有天然的契合性，二者结合可形成游戏化虚拟实验模式。基于此，本研究针对其他研究者的游戏化虚拟实验设计模式进行分析，总结其优势与不足，并基于体验式学习理论进行改进。

3 游戏化虚拟实验的设计分析

目前，中国对游戏化虚拟实验的研究尚处于起步阶段，相关的研究成果较少。反观国外相关研究成果可以发现，国外关于游戏化虚拟实验的研究成果相对成熟，所涉及的领域也相当广泛，主要分为游戏化虚拟实验的设计与开发、应用与评价研究，但是框架模式设计相对较少。毋庸置疑，国内外的研究成果为游戏化虚拟实验模式的构建提供了理论与实践方面的借鉴意义。基于此，文章将从国内外研究成果中选择两个具有代表性的游戏化虚拟实验的模式设计案例，以期为此次研究提供借鉴与参考。

3.1 游戏化虚拟化学实验模式

SU等^[10]参考Garris等所开发的游戏化学习模式，设计了一个游戏化虚拟化学实验模式（如图2所示），以探讨认知负荷对学业成绩的影响、自我效能感对学习动机的影响，以及学习动机对学习成绩的影响。

在该模式中，包括三个过程与一个反馈系统。第一部分是外部过程（输入），是结合虚拟现实与体验式学习的游戏化学习材料设计，通过3D虚拟游戏界面设计，使玩家能够更加轻松地控制其学习认知负荷，减轻玩家的学习焦虑；第二部分是内部过程（加工），以游戏化为核心设计，整合了学习动机理论与认知负荷理论，将学习动机作为心理循环学习模式以强化学习；第三部分是输出过程（输出），主要处理学习评价与反馈机制。

该模式具有诸多优点：首先，该模式是一个可持续创新学习模式，可通过完整的反馈循环与纠错机制对虚拟化学实验室系统进行升级，以进一步完善游戏化虚拟化学实验的教学设计方案；其次，该模式融入了体验式学习的理念，试图提高学习者对化学实验的学习动机，并提高学习者的学习成绩。当然，该模式也存在一些不足亟须解决。首先，该模式虽然引进了体验式学习的核心理论思想，但是该模式直接将“库伯的体验式学习圈”放入其中，并没有和系统中其他元素紧密结合，导致理论与游戏化虚拟化学实验室模式设计产生割裂感；其次，该模式虽然提到了游戏化虚拟化学实验室，但是并未将游戏化学习元素细化并充分融入其中，致使其“寓教于乐”的理念定位不清晰。

3.2 基于整合情境的游戏化虚拟实验模式

黄璐等^[11]从整合情境理论、沉浸理论的角度出发，将游戏化学习与虚拟仿真实验相结合，构建了整合情境的游戏化虚拟实验模式，如图3所示。

在该模式中，研究者通过整合情境、沉浸理论等理论研究，从“教学层、行为层、心理层”出发，探讨基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计机理，由此构建出基于整合情境的游戏化虚拟实验的学习设计模式。该研究将虚拟仿真实验主要分为体验实验、验证实验与探索实验三种，对应于一般实验流程的“激发学习兴趣、获取知识与经验、应用与控制”过程。为了体现游戏化虚拟实验的特点，该研究将“实验操作”作为行为层，学习者的每一个实验步骤分别对应于心理层中的沉浸过程、教学层中的教学活动。

该模式具有诸多优点。例如，该模式强调创设情境的学习意义、强调游戏对学习兴趣的激发、强调教师对学生主体地位的支持、强调探究学习对虚拟实验的作用、强调对巩固学习者知识的激励、反思活动等优势。通过深入剖析基于整合情境的游戏化虚拟实验的学习设计模式，发现该模式也存在一些不足亟须解决。例如，该模式在教学层对于“创设整合情境”、“设计游戏化虚拟实验”和“知识的巩固、反思与激励”的描述过于笼统，并没有充分地融入游戏化学习元素。虽然它强调反思与激励部分，却没有提到具体的实现路径，在游戏化虚拟实验的实例开发中不易于创设与使用。因此，本研究尝试从体验式学习的视角探索游戏化虚拟实验模式。

4 体验式学习对游戏化虚拟实验的启示

体验式学习是以学习者为中心，通过真实地或虚拟地经历某一件事情或过程，并经过反思来获得知识、发展能力、生成情感的学习方式^[12]。体验式学习具有代表意义理论是David Kolb于1984年所提出的“体验式学习圈”四阶段模型^[13]。“体验式学习圈”包括四个阶段，学习者可以按照“具体体验—观察、反思—形成抽象概念—在新情境中检验”的顺序学习，也可以随机进入某个阶段开展学习。

为了改进现有游戏化虚拟实验设计模式，本研究从体验式学习的角度出发，结合情境学习理论与建构主义学习理论，整合情境，使游戏化虚拟实验过程更加具体化，强调学习者的主动参与、持续探究与情感体验，为游戏化虚拟实验模式的优化设计提供理论借鉴。因此，本研究将重点分析体验式学习对游戏化虚拟实验的启示。

4.1 创设学习情境

情境性是体验式学习的一大特色，体验式学习理论认为，经验的获得来自真实或仿真的学习情境，学习者作为场景中的感知角色，通过观察与反思，形成抽象化概念并在新情境中进行验证，以解决其中存在的难题。同时，情境学习理论也强调知识与情境之间相互作用的动态过程，知识与活动是不可分离的, 活动不是学习与认知的辅助手段, 它是学习整体中的一个有机组成部分^[14]。也就是说，学生需要与情境性的学习环境进行互动，从而对知识进行意义加工。因此，从根本上来说，学生的知识和认知就是情境性的。情境学习理论包括内容、情境、共同体和参与^[15]四个元素，这些元素也正是游戏化虚拟实验所需要强调的内容。此外，建构主义学习理论作为一种新型认知主义学习理论，认为知识是认知主体与学习情境互动过程中主动进行意义建构的结果。基于此，本研究拟在虚拟实验学习环境中嵌入游戏化学习元素，以创设丰富多彩的游戏化虚拟实验学习情境，提高学习者的沉浸感与体验感，激发学习者的学习兴趣。

4.2 提供角色扮演机会

体验式学习强调学习者的主体性，主张学习者在学习情境中主动参与、持续探究，获得相应的情感体验。建构主义对学习存在以下共识：①以学习者为中心；②学习是学习者主动建构内部心理表征的过程，强调学习过程中要充分发挥学习者的主动性；③学习既是个别化行为，又是社会化行为，学习需要交流与合作等^[16]。在现实情境中，学习者的角色相对固定，可以利用的资源非常有限。角色扮演可充分发挥学习者的主体作用，使学习者在遵循游戏规则的条件下开展实验活动，以完成知识的意义建构，并获得相应的情感体验。基于此，本研究在游戏化虚拟实验模式的设计中，围绕学习者的特征进行分析，为学习者分配重要的游戏角色，鼓励学习者通过闯关的方式获得虚拟仿真实验知识，以发挥学习者的主体性。

4.3 关注学习过程

体验式学习重视学习过程，远远胜于学习结果。体验式学习理论认为，学习者的认知观念并非一成不变，而是通过体验而形成、发展的。基于此，本研究应关注学习者的学习过程，通过设置层层关卡，逐步引导学习者主动建构知识体系，并在学习过程中给予及时的反馈，增强学习者在游戏化虚拟实验环境中的情感体验。

4.4 强调学习者对知识的巩固

体验式学习认为学习者通过体验学习情境，并进行观察、反思，形成对知识的抽象化概念后，需要在新情境中检验所获得的经验，即该理论强调学习者对知识、经验的逐渐巩固与加深。基于此，本研究应注重培养学习者对虚拟仿真实验知识的具体体验，鼓励学习者通过逐步闯关的方式，获得虚拟仿真实验经验，并在新的情境中利用已有经验解决实验难题，以巩固学习者所获得的经验。

4.5 引导学习反思

总结、反思是体验式学习的升华阶段。体验式学习所强调的反思，是指学习者直接经验的转换，既包括学习者对知识经验的抽象概括、归纳与提升，也包括对整个学习过程与学习结果的评价。基于此，本研究拟在游戏化虚拟实验环境中，设置“体验实验、演练实验与验证实验”三层关卡，学习者通过对虚拟仿真实验的观察、反思，形成抽象概念，并在新的仿真情境中验证已有知识经验。

5 基于体验式学习的游戏化虚拟实验设计模式

基于上述分析，本研究在参考现有游戏化虚拟实验设计模式的基础上，从体验式学习的视角出发，探索将游戏化学习与虚拟仿真实验相融合，并结合David Kolb提出的“体验式学习圈”，构建基于体验式学习的游戏化虚拟实验设计模式，如图4所示。

基于体验式学习的游戏化虚拟实验设计模式包括四个部分，其中，第一部分的“教学分析”主要是参考游戏化学习的一般化设计模式中的“前期分析”，后面三部分主要参考基于整合情境的游戏化虚拟实验设计模式中教学层的“创设整合情境”“设计游戏化虚拟实验”“知识巩固、反思与激励”环节。其中，“设计游戏化虚拟实验”环节的设计主要参考了游戏化虚拟化学实验模式中的体验式学习理论。同时，该模式的左侧借鉴了基于整合情境的游戏化虚拟实验设计模式中的“行为层”部分，包括“激发学习兴趣、获取知识和经验、验证以及应用、控制”等环节。另外，本研究所设计的模式右侧包括“创设学习情境、提供角色扮演机会、关注学习过程、引导学习反思以及对知识的巩固”，源于体验式学习对游戏化虚拟实验的启示。

5.1 教学分析

教学分析包括学习目标分析、学习内容分析和学习者特征分析，必要的教学分析有助于确定研究的游戏目标、游戏主题、游戏类型与难易程度等。

①学习目标分析 学习目标对应于游戏目标，它是由一系列不同层次的子目标构成的，对学习目标进行分析，就是确定最终需要取得的学习成果。在基于游戏化虚拟实验模式的设计中，设计者需要将学习目标分解为任务关卡中的每一个目标，让学习者利用所学知识逐步闯关，完成学习目标。

②学习内容分析 学习内容对应于游戏主题，它是指学习者按照特定的学习目标，系统地学习知识、技能以及行为经验的总和。在进行游戏化虚拟实验的实例设计与开发时，设计者需要结合学习者特征，对学习内容进行系统性分析，使学习目标符合游戏场景，并采取一定的奖励措施，鼓励学习者通过体验式学习情境中的闯关活动，完成虚拟仿真实验内容的学习。

③学习者的特征分析 学习者的特征分析对应于游戏类型与难易程度，即设计者需要对学习者进行特征分析，以匹配适宜的游戏类型与难易程度。学习者的特征主要包括学习者的学习风格、认知技能、年龄、学习兴趣和学习动机等，是前期分析的重要组成部分，同时也是衡量学习者是否达到学习目标的重要依据。因此，在设计学习活动时，应综合考虑学习者的各个方面，以期设计出符合学习者当前认知范围内的游戏化虚拟实验。

5.2 创设虚拟情境

体验式学习非常注重学习情境的建设，主张设计一种真实的或者仿真的学习情境，通过引导学习者在学习情境中具体体验、观察反思，形成抽象化概念，并应用于新的学习情境中。基于此，本研究将游戏化学习一般化设计模式中的部分游戏化学习元素融入该情境，创设生动的、引人入胜的游戏化虚拟实验场景，以激发学习者的学习兴趣，提高学习者的学习成效。该学习情境中的游戏化学习元素包括故事情节、场景设计、学科知识、游戏说明与游戏角色等。

①故事情节 “故事情节”是整个游戏化虚拟实验的大背景，学习者在这个大背景下，接受系统分配的任务，利用已有的经验解决难题，顺利进入下一关卡，开展游戏化虚拟实验的整体剧情。一个优秀的故事情节，可以激发学习者探究实验的好奇心和想象力，帮助他们对整个游戏化虚拟实验的学习任务进行意义建构。

②场景设计 场景设计是游戏化虚拟实验设计的重要组成之一，也是学习者与教学产品交互的载体。为使场景更具有吸引力，本研究将游戏化学习元素融入现有的虚拟仿真实验中，重新设计实验场景。近年来，“密室逃脱游戏”以紧张、刺激与情景体验性强等优势，深受世界各地网友的喜爱。基于此，本研究将游戏化虚拟实验场景设计成“密室逃脱游戏”的形式，并合理设计整个场景的外观、配乐、工具和角色等，引导学习者解决密室中的实验难题，逐步闯关，以掌握虚拟仿真实验的相关知识。

③学科知识 设计者需要在游戏化虚拟实验的环境中嵌入相关的学科知识，即虚拟仿真实验内容。学科知识点的选择需要符合学习者的认知结构，且具有一定的相关性，让学习者在游戏化虚拟实验情境中能够利用已有的知识经验解决现有难题。

④游戏说明与游戏角色 游戏说明指的是学习者在密室情境中闯关时系统给予学习者的提示信息，以引导学习者顺利闯关。游戏角色恰恰契合了体验式学习的启示，即“提供角色扮演机会”，它主要分为学习者可操控的玩家角色（PC）与非玩家角色（NPC），学习者可以选择、操控不同的玩家角色进行闯关，而非玩家角色可以作为不同密室情境中的触发开关。

5.3 设置游戏化虚拟实验关卡

游戏化虚拟实验关卡是依据David Kolb所提出的“体验式学习圈”进行设计的，共包括三个部分，分别是“体验实验关卡”“演练实验关卡”与“验证实验关卡”。同时，为增强学习者解锁游戏化虚拟实验任务关卡的体验感，融入了游戏化学习元素，包括游戏规则、评价机制与奖励机制。

①体验实验关卡 体验实验关卡源于体验式学习圈中的“具体体验”阶段，即让学习者采用模拟、演示、实地考察等方式产生相应的情感体验，并获得具体的经验。该关卡以基础知识内容为主，需要学习者了解安全知识、实验目的、实验原理与演示视频，并进行实验的基础知识测试。

②演练实验关卡 演练实验关卡源于体验式学习圈中的“观察、反思”与“形成抽象化概念”阶段，体验式学习理论认为学习者在学习的过程中，基于自身对体验活动的“观察、反思”，促使其认识从感性升华至理性，进而全面、深刻地归纳、总结新知识，形成抽象化概念。因此，“观察、反思”阶段是“形成抽象化概念”阶段的基础，“形成抽象化概念”阶段又是“观察、反思”阶段的理论升华，在理论上，二者是相互联系、相互独立的模块，但是在游戏化虚拟实验任务关卡的设计中，本研究将这两个阶段融合起来，形成了演练实验关卡。该关卡主要是引导学习者对虚拟仿真实验流程进行观察、反思，即玩家需要根据提示，逐步完成虚拟仿真实验的操作流程，形成对该实验的抽象化理解。

③验证实验关卡 验证实验关卡源于体验式学习圈中的“在新情境中检验”阶段，即让学习者在新的学习情境中测试所获得的抽象化概念，是检验学习者学习成果的重要阶段。在验证实验关卡，学习者需要在没有任何提示的情况下独立闯关，完成实验流程，并提交实验报告，以验证学习者的学习效果。最后，系统会根据学习者的表现给予积分、勋章奖励。

5.4 知识巩固、反思与激励

为了进一步激励学习者，引导学习者进行反思，巩固学习者所学知识，此部分内容融入了游戏化学习一般化设计模式中的游戏化学习元素——游戏规则、评价机制与奖励机制，以帮助学习者更好地应用、控制游戏化虚拟实验。同时，这一部分的设计也体现了体验式学习的理念，包括“关注学习过程、引导学习反思以及对知识的巩固”等启示。

①游戏规则 设计者需要制定一系列的游戏规则，以控制不同游戏化虚拟实验场景的转接。游戏规则不仅起到了组织与约束整个游戏化虚拟实验的作用，而且规定了游戏化虚拟实验的评价机制和奖励机制，强化了其运行机制。例如，在某个密室场景中，学习者需要在五分钟内利用所学知识，完成实验内容，进入下一环节；否则，学习者挑战任务失败。同样，在验证式实验关卡中，如果学习者点击提示按钮的次数越多，系统会扣除学习者相应的积分。

②评价机制与奖励机制 首先，游戏化虚拟实验环境中的评价机制属于形成性评价的范畴，而形成性评价主要是根据学习者在游戏化虚拟实验关卡中的具体表现进行动态评价，系统可以根据动态评价结果，实时给予学习者一些奖励。其次，奖励机制是一种启发和驱动的行为，它规定了奖励的规则，不仅可以使学习者获得虚拟积分、勋章和升级道具等外部奖励，而且可以满足学习者的获胜心理。例如，系统会根据学习者的积分、闯关时间长短进行评价，决定学习者在最终排行榜中的位置。

6 结束语

文章通过对虚拟仿真实验类型、游戏化学习一般化设计模式与游戏化虚拟实验模式等研究进行分析，从体验式学习的角度出发，设计出基于体验式学习的游戏化虚拟实验设计模式。相较于前人所设计的游戏化虚拟实验模式，本研究所设计的模式不仅提供了具体的情境化学习环境、游戏化虚拟仿真实验关卡，而且增加了游戏规则、评价机制与奖励机制等游戏化学习元素，使得游戏化虚拟实验的各个环节更加具体，解决了目前虚拟仿真实验情境中存在的问题。但是仍存在一些不足，如游戏化虚拟实验的交互设计仍有待改进。笔者将在后续的研究中，利用该模式进行更深入的实验研究，继续改进该模式。

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基金资助

中央高校基本科研业务费专项资金资助课题“互联网+环境下的理解性学习与认知研究”(2017JDZD07)