作者：裴蕾絲，尚俊杰① ，周新林
* 本文系國(guó)家社科基金“十三五”規(guī)劃2017年度教育學(xué)一般課題“基于學(xué)習(xí)科學(xué)視角的游戲化學(xué)習(xí)研究”(編號(hào)：BCA170072)研究成果。
① 尚俊杰為本文通訊作者。
一 引言
20世紀(jì)五六十年代，一場(chǎng)席卷全世界的“認(rèn)知革命”催生了以“心智及其產(chǎn)生過(guò)程”為研究核心，以心智哲學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、認(rèn)知語(yǔ)言學(xué)、認(rèn)知人類學(xué)、人工智能和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)為六大研究方向的認(rèn)知科學(xué)(Cognitive Science)。在這個(gè)具有劃時(shí)代意義的事件影響下，學(xué)習(xí)科學(xué)(Learning Sciences)，這一與心智研究密切相關(guān)的領(lǐng)域，也同樣經(jīng)歷著巨大的顛覆與重塑——從第一代符號(hào)加工范式到第二代具身認(rèn)知范式，人們對(duì)學(xué)習(xí)的理解不再局限于個(gè)體的內(nèi)部，而是將學(xué)習(xí)的過(guò)程作為個(gè)體與情境共同作用的結(jié)果 [1] 。隨后，教育神經(jīng)科學(xué)(Educational Neuroscience)的出現(xiàn)將學(xué)習(xí)科學(xué)推進(jìn)到了一個(gè)新階段。通過(guò)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的技術(shù)方法，尤其是將各類腦成像技術(shù)與行為研究相結(jié)合，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了將人類行為、認(rèn)知功能和腦結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來(lái)研究的夢(mèng)想 [2][3] ，也讓人們對(duì)教與學(xué)過(guò)程有了重新認(rèn)識(shí) [4] 。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，教育神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)在語(yǔ)言學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)、情緒發(fā)展等方面積累了豐碩的研究成果 [5] ，未來(lái)也必將會(huì)成為變革教育的重要力量。
教育游戲(Educational Game)，這一以“寓教于樂(lè)”為核心理念的新興教學(xué)形式，近些年來(lái)逐漸受到了社會(huì)各界的關(guān)注與認(rèn)可。截至目前，已經(jīng)有大量的教育實(shí)證研究，證明了教育游戲?qū)μ岣邔W(xué)業(yè)成績(jī)的有效性，認(rèn)為教育游戲可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)并促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的發(fā)展 [6] 。然而，由于學(xué)科壁壘的存在，教育神經(jīng)科學(xué)中與學(xué)習(xí)相關(guān)的前沿知識(shí)，還未在教育游戲設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用 [7] ，教育游戲市場(chǎng)也因此良莠不齊，令人擔(dān)憂。面對(duì)這一窘境，本文試圖從教育游戲設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)出發(fā)，以《The Number Race》游戲?yàn)槔?，探討如何?/span>效地將教育神經(jīng)科學(xué)的研究成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)踐中游戲設(shè)計(jì)方案，并以對(duì)教育游戲設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展提出了一些建議。
二 教育游戲的定義及現(xiàn)狀
(一)概念辨析
教育游戲最早起源于20世紀(jì)80年代美國(guó)一些學(xué)者對(duì)電視游戲教育價(jià)值的研究。之后，隨著電腦游戲的普及，教育游戲才逐漸為人所熟知 [8] ，直到90年代后期，教育游戲的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用才受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。最近十年，隨著“寓教于樂(lè)”觀念的不斷深入，教育游戲已經(jīng)成為教育技術(shù)領(lǐng)域重要的研究方向 [9] ——在新媒體聯(lián)盟2011至2015年發(fā)布的《地平線報(bào)告》中，“基于游戲的學(xué)習(xí)”“游戲和游戲化”和“數(shù)字徽章”等一直被列為“未來(lái)會(huì)影響教育的新技術(shù)” [10] ，由此可見教育游戲的學(xué)術(shù)和市場(chǎng)價(jià)值。
在不同歷史時(shí)期，一些與教育游戲概念類似的術(shù)語(yǔ)也同時(shí)存在著，如嚴(yán)肅游戲(Serious Games)、寓教于樂(lè)(Edutainment)和輕游戲(Light Games)。嚴(yán)肅游戲 [11] 是視頻和電腦游戲的一種，雖然具有游戲的外觀與設(shè)計(jì)元素，但其目的并不是純粹的娛樂(lè)，而是在為使用者提供一種游戲體驗(yàn)的同時(shí)，訓(xùn)練并教育使用者。寓教于樂(lè) [12] 有廣義和狹義兩種理解方式：在廣義上是指“任何與教育相結(jié)合的娛樂(lè)形式”；在狹義上是指“面向幼兒和低年級(jí)兒童，依賴于多媒體視覺(jué)材料和敘事方式，以較少的說(shuō)教形式，提供更多非正式學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)”。輕游戲 [13] 是針對(duì)教育游戲在課堂教學(xué)應(yīng)用中遇到的諸多問(wèn)題而提出的一種解決方案——游戲既要與課堂教學(xué)內(nèi)容保持高度一致，又要具備游戲的一些核心特征，還要能很容易地應(yīng)用在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中。與教育游戲關(guān)系密切的另一個(gè)關(guān)鍵詞是游戲化學(xué)習(xí)(Game-based Learning)，在教學(xué)實(shí)踐中主要以兩種形式存在：一種是在學(xué)習(xí)活動(dòng)中應(yīng)用游戲，即借助各類游戲輔助學(xué)生學(xué)習(xí)；另一種是將學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)為游戲，即利用游戲化的元素將傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛螒蚧?/span>動(dòng)。相比而言，游戲化學(xué)習(xí)重在強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)方式，教育游戲重在強(qiáng)調(diào)游戲本身，是實(shí)現(xiàn)游戲化學(xué)習(xí)第一種形式的關(guān)鍵 [14] 。
基于此，本文認(rèn)為，教育游戲是指專門針對(duì)特定的教育教學(xué)目標(biāo)而設(shè)計(jì)開發(fā)的游戲，它通過(guò)將教育性和游戲性結(jié)合在一起的方式來(lái)激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高學(xué)習(xí)的參與程度，從而實(shí)現(xiàn)讓學(xué)習(xí)者在心流(Flow)的愉悅體驗(yàn)中達(dá)成既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。根據(jù)游戲?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的不同，教育游戲大致可分為非電子的傳統(tǒng)教育游戲和電子教育游戲兩大類。本文關(guān)注的主要是電子教育游戲。
(二)現(xiàn)狀與問(wèn)題
事實(shí)上，教育游戲的實(shí)證研究已經(jīng)十分普遍，其教育價(jià)值已經(jīng)受到越來(lái)越多教師和家長(zhǎng)的認(rèn)可，也有越來(lái)越多的游戲公司開始關(guān)注教育游戲設(shè)計(jì)，如啟點(diǎn)教育的《悟空識(shí)字》系列、葡萄科技的“葡萄探索號(hào)”系列，以及完美世界的《洪恩識(shí)字》系列等。研究表明，設(shè)計(jì)精良的教育游戲不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，還能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和協(xié)作能力 [15] 。根據(jù)內(nèi)容和形式不同，教育游戲大致可分為三類(如下表所示)。
由于規(guī)則簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，操練式的輕游戲已經(jīng)成為課堂游戲的主流，但仍存在諸多問(wèn)題，比如教育性和游戲性結(jié)合不緊密、與國(guó)家課程有些脫節(jié) [21]等。此外，絕大多數(shù)操練式的輕游戲還存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，那就是其“反復(fù)練習(xí)、以量取勝”的變相應(yīng)試屬性，這一現(xiàn)象在數(shù)學(xué)游戲中更加普遍。使用這類數(shù)學(xué)游戲，不僅不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，還可能使學(xué)生采用錯(cuò)誤的方法學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)(如死記硬背)，長(zhǎng)此以往，將會(huì)阻礙學(xué)生真正數(shù)學(xué)能力的形成。因此，如何從根本上改變操練式輕游戲的應(yīng)試屬性，讓學(xué)生更科學(xué)地學(xué)習(xí)和練習(xí)，值得深思。
三 教育神經(jīng)科學(xué)的定義與內(nèi)涵
(一)概念辨析
教育神經(jīng)科學(xué)是將神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、教育學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)整合起來(lái)，研究人類教育現(xiàn)象及其一般規(guī)律的新興交叉學(xué)科 [22] ，是一門新的學(xué)習(xí)科學(xué)(the New Science of Learning) [23] 。由于學(xué)科內(nèi)涵的復(fù)雜性，世界上很多研究組織也使用其他術(shù)語(yǔ)來(lái)代指該學(xué)科，如“心智、腦與教育”(Mind, Brain and Education)、“神經(jīng)教育學(xué)”(Neuroeducation)、“腦與學(xué)習(xí)”(Brain and Learning)等 [24-26] ，但“教育神經(jīng)科學(xué)”和“神經(jīng)教育科學(xué)”在國(guó)際上具有更高的認(rèn)可程度 [27] 。
“教育神經(jīng)科學(xué)”一詞最早由美國(guó)哈佛大學(xué)Jeanne S. Chall和Allan F. Mirsky教授于1978年提出 [28] ，目前已經(jīng)被經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)、聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)、美國(guó)國(guó)家教育研究學(xué)會(huì)(National Society for the Study of Education)、美國(guó)教育研究協(xié)會(huì)(AERA)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)等權(quán)威機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在學(xué)術(shù)期刊、國(guó)際會(huì)議和專業(yè)課程名稱中?！吧窠?jīng)教育學(xué)”一詞在學(xué)界也頗具影響力——2017年4月27日，中國(guó)認(rèn)知科學(xué)學(xué)會(huì)神經(jīng)教育學(xué)分會(huì)成立大會(huì)暨首屆學(xué)術(shù)研討會(huì)在江蘇南京舉行 [29] ，來(lái)自教育學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)及人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的近百位專家學(xué)者參加了大會(huì)，會(huì)議選舉中國(guó)工程院院士、前教育部副部長(zhǎng)韋鈺任咨詢委員會(huì)主任，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程院院長(zhǎng)顧忠澤教授任理事長(zhǎng)，足見其重要性。相比而言，“教育神經(jīng)科學(xué)”強(qiáng)調(diào)整合教育學(xué)的神經(jīng)科學(xué)，更重視新的教育規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，而“神經(jīng)教育學(xué)”則更側(cè)重將基礎(chǔ)研究中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律應(yīng)用于解決教育的實(shí)際問(wèn)題中 [30][31] 。
雖然側(cè)重點(diǎn)有所不同，但作為研究領(lǐng)域來(lái)看，兩者的研究?jī)?nèi)容和方法并無(wú)本質(zhì)差異，目前的學(xué)術(shù)刊物也經(jīng)常將兩者作為同義詞使用 [32] ，因此本文對(duì)二者不作區(qū)分。
(二)內(nèi)涵與發(fā)展
教育神經(jīng)科學(xué)的興起，離不開20世紀(jì)90年代的“腦的十年”計(jì)劃(Decade of the Brain)，腦成像技術(shù)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的快速發(fā)展，使得從腦水平上研究學(xué)習(xí)過(guò)程成為可能。1999年OECD啟動(dòng)了“學(xué)習(xí)科學(xué)與腦科學(xué)研究”項(xiàng)目，為教育研究人員、教育決策專家和腦科學(xué)研究人員之間密切的跨學(xué)科合作架設(shè)起了橋梁；2003年11月“國(guó)際心智、腦與教育協(xié)會(huì)”(International Mind, Brain and Education Society)成立，成為促進(jìn)認(rèn)知科學(xué)與教育實(shí)踐跨界合作的重要一步 [33] ，由該協(xié)會(huì)主辦的《Mind，Brain and Education》也于2007年正式創(chuàng)刊，成為該專業(yè)領(lǐng)域第一個(gè)SSCI學(xué)術(shù)刊物。之后，隨著世界各國(guó)政府的重視和大力支持，教育神經(jīng)科學(xué)相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)紛紛成立，如美國(guó)NSF斥巨資建立的6個(gè) ① 學(xué)習(xí)科學(xué)中心(Science of Learning Center) [34] ；與此同時(shí)，國(guó)際知名大學(xué)也開始籌建教育神經(jīng)科學(xué)相關(guān)的專業(yè)與實(shí)驗(yàn)室，如美國(guó)哈佛大學(xué)教育研究院的教育神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)的腦科學(xué)跨學(xué)科研究中心、英國(guó)牛津大學(xué)的心智的未來(lái)研究所、加拿大西蒙·弗雷澤大學(xué)的數(shù)學(xué)教育神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等，我國(guó)也成立了包括北京師范大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院、東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華東師范大學(xué)教育神經(jīng)科學(xué)研究中心等在內(nèi)的研究機(jī)構(gòu) [35] 。
作為連接心智、腦與行為的橋梁 [36][37] ，教育神經(jīng)科學(xué)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，其研究?jī)?nèi)容和方法體系逐漸成形。截至目前，教育神經(jīng)科學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容可以歸納為以下四類 [38] ：(1)腦的功能結(jié)構(gòu)與發(fā)展研究，包括腦的主要結(jié)構(gòu)和功能分區(qū)、腦的關(guān)鍵期和敏感期、腦的可塑性等；(2)語(yǔ)言學(xué)習(xí)研究，主要涉及語(yǔ)言功能的腦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、語(yǔ)言發(fā)展的敏感期、腦的讀寫能力與發(fā)展性讀寫障礙等；(3)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)研究，主要包括數(shù)學(xué)能力的腦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、嬰兒計(jì)算和計(jì)算障礙等；(4)情緒發(fā)展研究，著重研究情緒對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的作用，如情緒對(duì)注意力和問(wèn)題解決能力的影響。在研究方法上，教育神經(jīng)科學(xué)采用腦成像技術(shù)(如功能性磁共振技術(shù)fMRI、功能性近紅外光譜技術(shù)fNIRS等)與行為研究相結(jié)合的方法，既使用認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的方法，在實(shí)驗(yàn)室里研究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)機(jī)制、挖掘新的學(xué)習(xí)規(guī)律與知識(shí)，同時(shí)也注重使用行為測(cè)量的方法，在實(shí)際教學(xué)問(wèn)題中開展轉(zhuǎn)化和實(shí)踐研究 [39] ，為制定更有效的教育政策和實(shí)踐方案提供科學(xué)依據(jù)。在未來(lái)，隨著教育神經(jīng)科學(xué)的研究成果在學(xué)校教育中更加深入地應(yīng)用，與該領(lǐng)域相關(guān)的腦成像儀器和裝備的研制也將會(huì)成為一個(gè)重要的研究內(nèi)容，促使傳統(tǒng)的教育測(cè)量與評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)科學(xué)化與個(gè)性化的轉(zhuǎn)變。
綜上，脫胎于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的教育神經(jīng)科學(xué)，已經(jīng)成為推動(dòng)學(xué)習(xí)科學(xué)邁向發(fā)展新階段的動(dòng)力源泉。在超學(xué)科特征體系下，匯聚多方智慧的教育神經(jīng)科學(xué)，勢(shì)必會(huì)成為變革傳統(tǒng)教育教學(xué)觀念和方法的中堅(jiān)力量，需要特別引起教育各從業(yè)者的關(guān)注。
① 原來(lái)是7個(gè)，但是其中一個(gè)中心由于資質(zhì)審核不通過(guò)，因此目前全美的學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心為6個(gè)。
四 數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的認(rèn)知與腦研究
數(shù)學(xué)是研究數(shù)量關(guān)系和空間形式的科學(xué) [40] ，是人們參與現(xiàn)代生活的基本能力，也是教育神經(jīng)科學(xué)的研究重點(diǎn)。在《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)中，我國(guó)明確提出了學(xué)生應(yīng)該具備的10個(gè)數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)，分別是數(shù)感、符號(hào)意識(shí)、空間觀念、幾何直觀、數(shù)據(jù)分析觀念、運(yùn)算能力、推理能力、模型思想、應(yīng)用意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí) [41] 。在《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的四部分課程內(nèi)容中，“數(shù)與代數(shù)”是學(xué)生最先學(xué)習(xí)的模塊，也是學(xué)生日常生活中應(yīng)用最多的內(nèi)容，涉及的核心數(shù)學(xué)素養(yǎng)主要有三個(gè)，即數(shù)感、符號(hào)意識(shí)和運(yùn)算能力，這三個(gè)核心素養(yǎng)在數(shù)學(xué)認(rèn)知與腦研究中對(duì)應(yīng)的概念主要集中在數(shù)量加工能力。那么，大腦究竟是通過(guò)怎樣的工作機(jī)制，來(lái)完成“數(shù)與代數(shù)”學(xué)習(xí)的呢？
(一)腦機(jī)制研究
與其他認(rèn)知加工不同，數(shù)量加工能力是先天就有的，不具備語(yǔ)言能力的動(dòng)物和人類嬰兒在剛出生時(shí)便具有識(shí)別數(shù)量的能力(不超過(guò)4) [42] 。研究表明，老鼠、猴子等動(dòng)物，在經(jīng)過(guò)一系列有獎(jiǎng)勵(lì)的訓(xùn)練后，也能區(qū)分出數(shù)量的不同，甚至可以把阿拉伯?dāng)?shù)字與具體的物品數(shù)量聯(lián)系在一起，而6個(gè)月大的人類嬰兒也已經(jīng)具有了基本的數(shù)量辨別能力 [43] 。這些研究駁斥了以瑞士心理學(xué)家讓·皮亞杰(Jean Piaget)為代表的經(jīng)驗(yàn)學(xué)派的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，即認(rèn)為人類的數(shù)量概念并非天生就有的，而是建立在感覺(jué)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的 [44] 。
人類的數(shù)量加工能力主要來(lái)自于大腦的頂葉(Parietal Lobe)，尤其是雙側(cè)頂內(nèi)溝(Bilateral Intra-Parietal Sulcus)區(qū)域，這里是產(chǎn)生數(shù)感、進(jìn)行符號(hào)(阿拉伯?dāng)?shù)字、言語(yǔ)數(shù)詞)或非符號(hào)(如，點(diǎn)陣、實(shí)物集合)數(shù)量比較、完成計(jì)算等“數(shù)與代數(shù)”任務(wù)的核心區(qū)域 [45-47] 。研究表明，正常人在數(shù)字識(shí)別 [48] 、數(shù)量估計(jì) [49] 等數(shù)學(xué)任務(wù)中，大腦的頂內(nèi)溝區(qū)域都出現(xiàn)了明顯激活；計(jì)算障礙(Dyscalculia)患者，一般都會(huì)伴有頂葉的損傷、頂內(nèi)溝灰質(zhì)密度減少以及激活水平低于常人等問(wèn)題 [50][51] ，再次證明了雙側(cè)頂內(nèi)溝區(qū)域是執(zhí)行數(shù)量加工的關(guān)鍵。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，左右頂葉在數(shù)量加工任務(wù)中所起的功能并不一樣——右頂葉與理解基本數(shù)量概念的任務(wù)密切相關(guān)，如非符號(hào)的數(shù)量比較任務(wù)，以及只需要區(qū)分?jǐn)?shù)量大小和關(guān)系的任務(wù)；當(dāng)任務(wù)需要精確數(shù)量表征和更多操作步驟時(shí)，如數(shù)字比較和計(jì)算，左頂葉就會(huì)與右頂葉一起完成任務(wù) [52] 。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，由于頂葉與空間認(rèn)知能力也密切相關(guān)，人類對(duì)數(shù)量的表征和加工其實(shí)會(huì)受到心理數(shù)軸的影響 [53] ——不同的數(shù)量在心理數(shù)軸上從左到右按照從小到大的順序依次排開，這種數(shù)量與空間映射關(guān)系對(duì)人們的近似數(shù)量估計(jì)和比較會(huì)起到重要作用。
雖然，雙側(cè)頂內(nèi)溝對(duì)數(shù)量加工能力起著至關(guān)重要的作用，但完成數(shù)量加工的相關(guān)任務(wù)并不是僅依靠頂葉。在要求更高復(fù)雜度和精確度的任務(wù)中，頂內(nèi)溝還需要與其他腦區(qū)結(jié)構(gòu)相互配合 [54] 。在精確數(shù)量任務(wù)中，負(fù)責(zé)語(yǔ)言功能的腦區(qū)會(huì)顯著激活，比如左外側(cè)裂語(yǔ)言區(qū)(Left Perisylvian Language Areas，包括Broca區(qū)和Wernickes區(qū))和左側(cè)角回(Left Angular Gyrus)，它們?cè)谛枰Z(yǔ)言參與的數(shù)學(xué)任務(wù)中 [55] ，如數(shù)量命名、四則運(yùn)算、計(jì)算知識(shí)的記憶和提取等，發(fā)揮著重要作用。額頂葉神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Fronto-parietal Network)連接度的強(qiáng)弱和連接方式也會(huì)顯著影響學(xué)生采用的數(shù)量加工的方法，比如母語(yǔ)是英文的人更多依賴語(yǔ)言功能，而母語(yǔ)是中文的人在完成同樣任務(wù)時(shí)則會(huì)更多使用視覺(jué)空間能力(Visuo-spatial Processing) [56] 。此外，大腦邊緣系統(tǒng)中的海馬體(Hippocampus)在數(shù)量加工中也扮演重要角色，通過(guò)將常用的數(shù)學(xué)知識(shí)編碼在長(zhǎng)時(shí)記憶里，可以極大地減少執(zhí)行任務(wù)時(shí)前額葉的工作量，從而優(yōu)化解題策略、提升任務(wù)準(zhǔn)確度。
可以說(shuō)，數(shù)量加工的腦機(jī)制是由雙側(cè)頂內(nèi)溝與其他相關(guān)腦區(qū)共同完成的 [57] 。其中，雙側(cè)頂內(nèi)溝是核心，是形成先天初始數(shù)量加工能力的基礎(chǔ)；其他相關(guān)腦區(qū)是后天進(jìn)一步學(xué)習(xí)和發(fā)展數(shù)量加工能力的關(guān)鍵。兩者在“數(shù)與代數(shù)”學(xué)習(xí)中都十分重要，任何一個(gè)結(jié)構(gòu)或連接出現(xiàn)損傷，都可能影響學(xué)生整體的數(shù)量加工能力。
(二)數(shù)量認(rèn)知加工模型
構(gòu)建數(shù)量認(rèn)知加工過(guò)程的理論體系，是科學(xué)家們幾十年來(lái)孜孜不倦的追求，期間曾提出了多種理論模型，如圖表搜索理論模型(Table Search Theory)、網(wǎng)絡(luò)提取理論模型(Network Retrieval Theory)、聯(lián)結(jié)分布理論模型(Distribution of Association Theory)和McCloskey的抽象表征模型等 [58] 。這些早期的理論模型雖然能解釋數(shù)量認(rèn)知加工中的某些問(wèn)題，但卻不能完全解釋個(gè)體數(shù)量加工的腦機(jī)制特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代腦成像技術(shù)的發(fā)展，由Stanislas Dehaene教授 [59-61] 提出的三重編碼模型(Triple-code Model，簡(jiǎn)稱TCM)，取得了越來(lái)越多實(shí)驗(yàn)研究的支持，成為目前被廣泛接受的理論模型。
三重編碼模型(如下頁(yè)圖1所示)認(rèn)為，數(shù)量認(rèn)知加工能力的核心由三部分構(gòu)成，每部分又分別與不同的編碼類型對(duì)應(yīng)。也就是說(shuō)，大腦在完成數(shù)量加工任務(wù)時(shí)，會(huì)涉及三種不同的編碼來(lái)表征數(shù)量，分別是模擬數(shù)量編碼(Quantity System，數(shù)量的非言語(yǔ)符號(hào)編碼，用以表征數(shù)量之間的大小和距離)、聽覺(jué)言語(yǔ)編碼(Verbal System，數(shù)量的言語(yǔ)編碼，用數(shù)量詞匯的發(fā)音和語(yǔ)義來(lái)表征數(shù)量，如中文里的“一、二、三”和英文里的“One、Two、Three”等)和視覺(jué)阿拉伯?dāng)?shù)字編碼(Visual System，數(shù)量的數(shù)字符號(hào)編碼，將數(shù)量按規(guī)則表征為一系列阿拉伯?dāng)?shù)字串)。
這三種數(shù)量編碼需要不同的腦區(qū)功能參與 [62] ：模擬數(shù)量編碼主要由位于頂葉的雙側(cè)頂內(nèi)溝參與完成，這里是產(chǎn)生數(shù)感的核心區(qū)域，是理解數(shù)量意義、執(zhí)行數(shù)量比較和估算的關(guān)鍵；聽覺(jué)言語(yǔ)編碼需要外側(cè)裂以及左側(cè)角回的參與，左側(cè)角回位于頂葉、枕葉和顳葉的聯(lián)接區(qū)，在大腦語(yǔ)言加工中起著重要作用 [63] ，可將數(shù)量以可聽、可讀和可寫的文字形式表現(xiàn)出來(lái)，是執(zhí)行精算、數(shù)數(shù)以及數(shù)學(xué)知識(shí)記憶和提取的重要結(jié)構(gòu)，比如記憶乘法表等；視覺(jué)阿拉伯?dāng)?shù)字編碼則依靠下頂——顳葉區(qū)和后上頂葉區(qū)，前者是感知和傳達(dá)數(shù)字符號(hào)的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)數(shù)字操作、奇偶判斷等認(rèn)知功能，后者是大腦完成視覺(jué)空間任務(wù)的核心區(qū)域，當(dāng)進(jìn)行數(shù)字的進(jìn)退位加減法時(shí)，下頂葉會(huì)顯著激活 [64] 。
如前所述，數(shù)量加工任務(wù)的執(zhí)行需要多個(gè)腦區(qū)協(xié)同參與。同樣，這三種編碼之間也是相互關(guān)聯(lián)而非獨(dú)立存在的，這一點(diǎn)在對(duì)計(jì)算障礙兒童展開大量研究后得以基本證實(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)量加工障礙的形成可能是由數(shù)字模塊缺陷(The Defective Number Module Hypothesis)和數(shù)量通達(dá)缺陷(The Access Deficit Hypothesis)這兩個(gè)主要原因引起：數(shù)字模塊缺陷是指先天用來(lái)識(shí)別和加工基本數(shù)量的能力發(fā)展異常，導(dǎo)致理解數(shù)字概念和問(wèn)題產(chǎn)生困難 [65] ，即由雙側(cè)頂內(nèi)溝發(fā)育缺陷導(dǎo)致的模擬數(shù)量編碼出現(xiàn)異常；數(shù)量通達(dá)缺陷則是在數(shù)字符號(hào)與數(shù)量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中出現(xiàn)通達(dá)問(wèn)題，即聽覺(jué)言語(yǔ)編碼和視覺(jué)阿拉伯數(shù)字編碼在轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)量編碼時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，而非數(shù)字模塊自身缺陷導(dǎo)致 [66] 。
以上結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，數(shù)量認(rèn)知加工是一種十分綜合的能力。要想提高這一能力，不僅要熟練掌握每一種數(shù)量表征編碼，還要能流暢地在不同編碼之間實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。
五 基于教育神經(jīng)科學(xué)的數(shù)學(xué)游戲案例分析
The Number Race 游戲 ① 是Stanislas Dehaene教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)基于Java環(huán)境設(shè)計(jì)和開發(fā)的一款支持多平臺(tái)運(yùn)行的數(shù)學(xué)電子游戲，游戲第一以玩家和電腦之間的角色競(jìng)爭(zhēng)為故事藍(lán)本，不僅可以幫助計(jì)算障礙兒童，還可以促進(jìn)早期正常兒童的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí) [67] 。該游戲經(jīng)過(guò)一年籌備，于2006年完成開發(fā)并實(shí)施了第一次教育實(shí)驗(yàn)研究，啟動(dòng)界面如圖2所示。
該游戲的核心設(shè)計(jì)者Stanislas Dehaene教授是享譽(yù)全球的腦科學(xué)家。目前，他不僅是法國(guó)科學(xué)院院士、比利時(shí)皇家科學(xué)和藝術(shù)學(xué)院院士、美國(guó)科學(xué)院外籍院士、法蘭西公學(xué)院(Collège de France)教授、法國(guó)國(guó)家健康與醫(yī)學(xué)研究院(INSERM)認(rèn)知神經(jīng)影像組主任，還擔(dān)任了歐洲腦計(jì)劃(EU Human Brain Project)中認(rèn)知結(jié)構(gòu)(Cognitive Architecture)大項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。早在1999年，Stanislas Dehaene教授就因在數(shù)學(xué)認(rèn)知領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，成為最早被授予杰姆斯·S·麥克唐奈基金會(huì)(James S. McDonnell Foundation)百年紀(jì)念獎(jiǎng)的十名科學(xué)家之一。到了2014年，他又與另外兩名教授一起被授予了有“神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)”之稱的Brain Prize獎(jiǎng)。Stanislas Dehaene教授的研究領(lǐng)域包括知覺(jué)、數(shù)學(xué)和閱讀的腦認(rèn)知機(jī)制，幾十年來(lái)積累了眾多高質(zhì)量的學(xué)術(shù)成果，三重編碼模型就是由他提出的。
根據(jù)三重編碼模型，數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的核心是數(shù)量加工，數(shù)量加工障礙的形成主要由數(shù)字模塊缺陷和數(shù)量通達(dá)缺陷兩個(gè)原因引起。因此， The Number Race游戲的設(shè)計(jì)思路就沿著這兩條線展開，一是針對(duì)數(shù)字模塊缺陷，通過(guò)相關(guān)游戲任務(wù)設(shè)計(jì)，刺激學(xué)生雙側(cè)頂內(nèi)溝的激活，從而提高學(xué)生的數(shù)感能力，即非符號(hào)的近似數(shù)量加工能力；二是針對(duì)數(shù)量通達(dá)缺陷，在數(shù)字模塊缺陷游戲任務(wù)之后，刺激言語(yǔ)和視覺(jué)的相關(guān)腦區(qū)，幫助學(xué)生建立和鞏固不同數(shù)量編碼表征之間的聯(lián)系。此外，該游戲還考慮了其他可以提高學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)策略和動(dòng)機(jī)問(wèn)題 [68] 。下面，本文將從以上三個(gè)方面出發(fā)，對(duì) The Number Race 的游戲設(shè)計(jì)進(jìn)行剖析。
(一)針對(duì)數(shù)字模塊缺陷的游戲任務(wù)設(shè)計(jì)
數(shù)字模塊缺陷是引發(fā)數(shù)量加工障礙的首要因素， The Number Race 也因此將提升兒童的數(shù)量表征能力或數(shù)感作為游戲設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)三重編碼模型，人類最基礎(chǔ)的數(shù)量加工能力就是非言語(yǔ)符號(hào)的近似數(shù)量加工能力，即便是后天學(xué)習(xí)言語(yǔ)符號(hào)的數(shù)量加工，也是以先天非言語(yǔ)符號(hào)為基礎(chǔ)。在此理論的指導(dǎo)下，該游戲設(shè)計(jì)了兩類游戲任務(wù)，以幫助學(xué)生彌補(bǔ)數(shù)感方面的不足，分別是數(shù)量比較任務(wù)和數(shù)量與空間的映射任務(wù)。
在數(shù)量比較的任務(wù)中，玩家需要做的是比較兩堆寶藏的個(gè)數(shù)，并從中選擇數(shù)量最多的一堆寶藏，而未選擇的一堆則自動(dòng)派給電腦玩家。這個(gè)任務(wù)主要是訓(xùn)練學(xué)生對(duì)非符號(hào)數(shù)量的加工能力，游戲中學(xué)生將主要根據(jù)呈現(xiàn)圓點(diǎn)的多少，來(lái)判斷兩堆寶藏?cái)?shù)量的多與少(如圖3所示)。為了讓學(xué)生清楚地理解數(shù)量的多少與圖形的大小并沒(méi)有必然關(guān)系，因此在不同的數(shù)量比較任務(wù)里，游戲設(shè)計(jì)者既考慮到了圓點(diǎn)大小相同條件下的數(shù)量比較(如圖3左所示)，也考慮到了圓點(diǎn)大小不同條件下的數(shù)量比較(如圖3右所示)。通過(guò)學(xué)生的反復(fù)練習(xí)，來(lái)提高他們的數(shù)感，同時(shí)消除之前對(duì)數(shù)量這一抽象概念可能有的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。
在數(shù)量與空間的映射任務(wù)中，玩家需要做的是將獲得的寶藏個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化成相等數(shù)量的行動(dòng)步數(shù)，并在一條從左向右的數(shù)軸賽道上，依次將玩家和電腦角色的行動(dòng)步數(shù)映射到數(shù)軸賽道正確的格子里。如圖4所示，玩家將獲得的兩個(gè)寶藏轉(zhuǎn)化為兩格行動(dòng)步數(shù)，并從當(dāng)前數(shù)軸賽道所在的位置開始向前移動(dòng)兩格到達(dá)本輪應(yīng)到的位置。為了讓學(xué)生在移動(dòng)過(guò)程中更加明確每一步移動(dòng)的數(shù)量意義，游戲設(shè)計(jì)者在呈現(xiàn)方式上采用了數(shù)量和空間數(shù)軸一一對(duì)應(yīng)的方式(如圖4左所示)，而且還用醒目的紅色在數(shù)軸賽道的下方標(biāo)出在數(shù)軸賽道上移動(dòng)的數(shù)量操作意義，即向前移動(dòng)為加法，向后移動(dòng)為減法(如圖4右所示)。在這種不斷的數(shù)量與空間數(shù)軸的映射訓(xùn)練中，非符號(hào)的數(shù)量操作的本質(zhì)含義便會(huì)被學(xué)生逐漸理解和掌握。
(二)針對(duì)數(shù)量通達(dá)缺陷的游戲任務(wù)設(shè)計(jì)
接著，是對(duì)數(shù)量通達(dá)缺陷展開的游戲任務(wù)干預(yù)。同樣根據(jù)三重編碼模型，數(shù)量的不同編碼間轉(zhuǎn)換也會(huì)對(duì)數(shù)量加工能力產(chǎn)生重要影響，因此要強(qiáng)化學(xué)生對(duì)數(shù)量不同編碼表征之間的聯(lián)系。在 The Number Race 里，游戲設(shè)計(jì)者主要是通過(guò)兩種方法，來(lái)幫助學(xué)生完成數(shù)量編碼間的有效聯(lián)結(jié)的：一個(gè)是在任務(wù)過(guò)程中，讓學(xué)生漸漸地過(guò)渡到只根據(jù)數(shù)字符號(hào)來(lái)完成任務(wù)；另一個(gè)是在任務(wù)完成后，會(huì)同時(shí)呈現(xiàn)三種編碼，來(lái)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)同一數(shù)量不同編碼的聯(lián)系強(qiáng)度。
同樣是數(shù)量比較任務(wù)(如圖5所示)，在游戲剛開始時(shí)，除了數(shù)字符號(hào)之外還會(huì)同時(shí)呈現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的圓點(diǎn)來(lái)輔助玩家理解(如圖5左所示)。隨著游戲的推進(jìn)，輔助玩家直觀理解數(shù)量概念的圓點(diǎn)將會(huì)逐漸消失，只呈現(xiàn)數(shù)字符號(hào)讓學(xué)生完成數(shù)量比較任務(wù)(如圖5右所示)。這種漸進(jìn)式的游戲任務(wù)設(shè)計(jì)，即符合人類數(shù)量加工能力的發(fā)展規(guī)律，同時(shí)也強(qiáng)化了非符號(hào)和符號(hào)數(shù)量表征之間的聯(lián)結(jié)。
除了任務(wù)中的過(guò)渡設(shè)計(jì)，在玩家完成兩類游戲任務(wù)后，也適時(shí)增加了強(qiáng)化數(shù)量不同編碼方式間聯(lián)結(jié)的機(jī)會(huì)。如圖6所示，左邊呈現(xiàn)是完成數(shù)量比較任務(wù)后的情形，這時(shí)游戲屏幕的上半部分不僅會(huì)顯示由圓點(diǎn)代表的模擬數(shù)量編碼和阿拉伯?dāng)?shù)字代表的視覺(jué)數(shù)字編碼，而且玩家還能聽到不同數(shù)量的單詞發(fā)音，即聽覺(jué)言語(yǔ)編碼；同理，右邊呈現(xiàn)的是數(shù)字與空間映射任務(wù)完成后的情景，在玩家和電腦角色在數(shù)軸賽道上移動(dòng)的過(guò)程中，不僅有圓點(diǎn)與數(shù)軸賽道上數(shù)字的對(duì)應(yīng)，而且每次移動(dòng)格子的數(shù)量也會(huì)被玩家聽到。這樣就十分容易地在游戲任務(wù)中為玩家創(chuàng)造了多次編碼間聯(lián)結(jié)的練習(xí)機(jī)會(huì)。
(三)提高數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)策略和動(dòng)機(jī)的其他設(shè)計(jì)
除了三重編碼模型外，該游戲也同時(shí)考慮了其他可以提高數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)，最為突出的兩點(diǎn)是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的策略與動(dòng)機(jī)。
在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)策略方面，主要是讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)基本計(jì)算知識(shí)的概念化和自動(dòng)化。對(duì)于基本的加減運(yùn)算結(jié)果，學(xué)生除了要能完全理解計(jì)算的原理外，還要能漸漸熟練地記憶和提取常用的計(jì)算結(jié)果，從而用更高級(jí)的計(jì)算策略來(lái)替代低級(jí)的計(jì)算策略，如數(shù)手指。因此，游戲會(huì)在后期反復(fù)出現(xiàn)一些常用的加減法，并且增加時(shí)間指標(biāo)，來(lái)幫助學(xué)生強(qiáng)化對(duì)這些計(jì)算結(jié)果的記憶精度和提取速度。如圖7所示，左邊表示在數(shù)量比較任務(wù)中，輔助玩家理解數(shù)量的圓點(diǎn)會(huì)逐漸消失；右邊的頂部增加了倒計(jì)時(shí)進(jìn)度條，表示玩家需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)做出數(shù)量比較的選擇，不然將由電腦角色先選。這些游戲元素的加入，迫使玩家在更短的時(shí)間內(nèi)做出更準(zhǔn)確的判斷，因而有助于促進(jìn)學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算知識(shí)的概念化和自動(dòng)化。
在強(qiáng)化數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面，主要是為了讓學(xué)生能持續(xù)地在游戲中學(xué)習(xí)，這不僅對(duì)于普通學(xué)生很重要，對(duì)于計(jì)算障礙兒童更為重要。該游戲采用的是創(chuàng)造高頻率的正向獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，來(lái)增加學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，這也同時(shí)減輕了學(xué)生在游戲過(guò)程中的數(shù)學(xué)焦慮。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，游戲?qū)ｉT設(shè)計(jì)了自適應(yīng)算法，確保每個(gè)學(xué)生在面對(duì)游戲中的每一個(gè)任務(wù)時(shí)，正確解答的概率均保持在75%左右。該算法的核心是構(gòu)建一個(gè)n維的問(wèn)題空間模型，先根據(jù)每個(gè)游戲任務(wù)的難度將其與問(wèn)題空間中的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，再根據(jù)之前的游戲表現(xiàn)，確定玩家當(dāng)前能力水平在問(wèn)題空間中的位置，最后將兩者比較以確定下一個(gè)游戲任務(wù)的具體難度和內(nèi)容。
① The Number Race下載地址：http://thenumberrace.com/nr/nr_download.php?lang=en
六 總結(jié)與建議
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，日新月異的技術(shù)進(jìn)步不僅沖擊著人們傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，也為人們深度思考與探索學(xué)習(xí)本質(zhì)創(chuàng)造了新契機(jī)——伴隨著教育神經(jīng)科學(xué)的出現(xiàn)，教育科學(xué)化進(jìn)程也將會(huì)邁入一個(gè)嶄新的歷史階段。在新的教育研究理論和方法體系下，當(dāng)前的教育游戲研究也應(yīng)及時(shí)更新思路，從更高的站位設(shè)計(jì)教育性與游戲性，讓學(xué)習(xí)真正變得科學(xué)又有趣。
The Number Race 游戲在一開始就突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)對(duì)教育游戲設(shè)計(jì)的束縛，真正從“人是如何學(xué)習(xí)的”這一根本問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)科學(xué)合理且層層遞進(jìn)的游戲任務(wù)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生在正確且適合自己的學(xué)習(xí)路徑上，實(shí)現(xiàn)自身能力的提升。這種扎根于教育神經(jīng)科學(xué)研究成果的教育游戲設(shè)計(jì)理念，是當(dāng)前教育游戲設(shè)計(jì)中特別稀缺的要素，同時(shí)這也是教育游戲教育性的根本保障，必須引起相關(guān)研究者和從業(yè)人員的重視。從這方面看來(lái)， The Number Race這款游戲確實(shí)為新時(shí)代教育游戲的科學(xué)設(shè)計(jì)，提供了很多新的思路?；蛟S，這將成為社會(huì)各界真正接受并認(rèn)可教育游戲教育價(jià)值和效果的關(guān)鍵，因此本文提出以下建議：
(一)積極借鑒教育神經(jīng)科學(xué)的相關(guān)研究成果
理論和方法的重大創(chuàng)新，往往都預(yù)示著新一輪領(lǐng)域變革的發(fā)生，對(duì)于教育也不例外。隨著教育神經(jīng)科學(xué)的興起和不斷滲透，基于腦科學(xué)的教育研究成果，將會(huì)成為決定未來(lái)教育發(fā)展方向的重要力量。在這種趨勢(shì)下，教育游戲設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)也必將受到前所未有的沖擊——人們不再會(huì)因?yàn)槊浇樾?/span>式的新穎而盲目追捧教育游戲，而會(huì)越來(lái)越多地關(guān)注教育游戲設(shè)計(jì)的科學(xué)性，比如，是否符合大腦的學(xué)習(xí)規(guī)律，是否真能激發(fā)大腦的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)等。就如 The Number Race ，游戲內(nèi)容不再是傳統(tǒng)題海戰(zhàn)術(shù)式的隨機(jī)計(jì)算練習(xí)，而是真的根據(jù)大腦學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的機(jī)制，通過(guò)科學(xué)設(shè)置的游戲任務(wù)，逐步引導(dǎo)學(xué)生有效地跨越學(xué)習(xí)障礙；再如，北京師范大學(xué)腦與數(shù)學(xué)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開發(fā)的《小豬收蘋果》游戲，也是通過(guò)訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)感來(lái)提高數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)的 [69] 。目前，教育神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)在閱讀和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)上取得了諸多研究成果，如果能將這些成果合理地應(yīng)用在語(yǔ)數(shù)外這三個(gè)傳統(tǒng)重點(diǎn)學(xué)科的教育游戲設(shè)計(jì)中，勢(shì)必會(huì)大幅提高當(dāng)前教育游戲的科學(xué)性，并逐漸增強(qiáng)社會(huì)對(duì)教育游戲的信心，從而讓教育游戲真正入駐教育實(shí)踐，成為未來(lái)常規(guī)的學(xué)習(xí)與教學(xué)方式。
(二)大力推廣教育游戲自適應(yīng)關(guān)卡設(shè)計(jì)原則
隨著社會(huì)物質(zhì)財(cái)富的不斷積累，整齊劃一的學(xué)校教育體系越來(lái)越受到社會(huì)的詬病——以知識(shí)灌輸為特征的教學(xué)形式逐漸被世人所摒棄，取而代之的，是以人為本的核心素養(yǎng)教育新理念，強(qiáng)調(diào)賦予每個(gè)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的權(quán)力。相比之下，教育游戲設(shè)計(jì)的主流理念依然是相對(duì)滯后的，絕大多數(shù)教育游戲的關(guān)卡設(shè)置是固定不變的。也就是說(shuō)，雖然不同學(xué)生玩家通過(guò)每個(gè)關(guān)卡所使用的方法可能不盡相同，但他們所經(jīng)歷的關(guān)卡任務(wù)卻是完全相同的，這顯然無(wú)法滿足不同能力水平的學(xué)生需要。在這一問(wèn)題上， The Number Race 為未來(lái)教育游戲的關(guān)卡設(shè)置提供了很好的設(shè)計(jì)思路，那就是采用彈性的自適應(yīng)關(guān)卡設(shè)計(jì)。借助計(jì)算機(jī)的超級(jí)運(yùn)算特性，擁有自適應(yīng)關(guān)卡設(shè)計(jì)功能的教育游戲，可以迅速為不同能力起點(diǎn)的學(xué)生自動(dòng)生成恰到好處的關(guān)卡任務(wù)，從而讓不同能力起點(diǎn)的學(xué)生在游戲中都能獲得最適合自己的游戲闖關(guān)路徑，并最終實(shí)現(xiàn)更加平等的游戲教育結(jié)果。如果這種教育游戲形式得到普及，相信會(huì)惠及更多掙扎在學(xué)習(xí)困難邊緣的孩子們。
(三)重視采集教育游戲中的學(xué)生行為大數(shù)據(jù)
精準(zhǔn)的自適應(yīng)關(guān)卡設(shè)計(jì)，離不開新一代人工智能技術(shù)對(duì)教育大數(shù)據(jù)的充分挖掘和學(xué)習(xí)。在軟硬件技術(shù)飛速發(fā)展的年代，教育大數(shù)據(jù)的收集將不再局限于有限次數(shù)的紙筆測(cè)驗(yàn)，并且隨著可穿戴設(shè)備的普及，數(shù)據(jù)的采集過(guò)程也將變得更加可信與多元。教育游戲，尤其是電子教育游戲，很好地繼承了信息技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和處理上的便捷，學(xué)生在游戲中的每一步操作都能被客觀詳實(shí)地記錄下來(lái)，從而形成一個(gè)龐大的有關(guān)某個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)的學(xué)生行為數(shù)據(jù)庫(kù)。并且，隨著學(xué)生玩家的不斷涌入，該數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)不斷得到更新。從某種程度上講，這一數(shù)據(jù)持續(xù)積累的過(guò)程意義更大：一方面，相比于傳統(tǒng)教育或心理學(xué)測(cè)試，學(xué)生在教育游戲中的行為數(shù)據(jù)可能更接近自身的真實(shí)水平；另一方面，教育游戲可以同步進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄與分析，這將大大提高數(shù)據(jù)應(yīng)用的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。 The Number Race 游戲不僅涉及針對(duì)每個(gè)習(xí)題的難度系數(shù)計(jì)算，還會(huì)自動(dòng)記錄每個(gè)玩家的在全部游戲任務(wù)中的實(shí)際表現(xiàn)情況，使得更科學(xué)地為玩家呈現(xiàn)游戲任務(wù)成為了可能。因此，教育游戲要十分重視游戲過(guò)程中的行為數(shù)據(jù)采集，這將會(huì)成為未來(lái)教育個(gè)性化實(shí)施和過(guò)程性評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)。
(四)把握好教育游戲教育性和游戲性的平衡
教育游戲是兼具教育性和游戲性的一類特殊游戲，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要分別考慮兩種特性，還要做好兩者間的融合與平衡。但是，當(dāng)前市面上的大部分教育游戲都很難達(dá)到這一要求。在教育性上，很多教育游戲僅僅是將課本習(xí)題進(jìn)行重新的美術(shù)包裝，既沒(méi)有重視將學(xué)習(xí)科學(xué)相關(guān)的理論融入到教育內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，也沒(méi)有較清楚地定義教育游戲的使用場(chǎng)景，這就導(dǎo)致其在科學(xué)性和易用性上都比不上傳統(tǒng)的教輔資料；在游戲性上，很多教育游戲僅是簡(jiǎn)單套用現(xiàn)成的游戲機(jī)制，并沒(méi)有根據(jù)其游戲的教育內(nèi)容對(duì)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，導(dǎo)致游戲的趣味性無(wú)法像制作精良的商業(yè)游戲那樣，能讓學(xué)生玩家持續(xù)投入。從這兩方面看， The Number Race 在教育性上和游戲性上都有著更好地表現(xiàn)：第一，它突破了習(xí)題式的重復(fù)練習(xí)，學(xué)習(xí)科學(xué)中教育神經(jīng)科學(xué)和大數(shù)據(jù)的加入，為游戲的科學(xué)性和有效性提供了保障；第二，游戲機(jī)制與學(xué)生的學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)進(jìn)行了深度融合，通過(guò)自適應(yīng)關(guān)卡的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了學(xué)生玩家對(duì)游戲的控制感和興奮感。但稍顯遺憾的是， The Number Race 游戲沒(méi)有考慮課堂教學(xué)的使用情境，因此游戲內(nèi)容更適合學(xué)生的課后學(xué)習(xí)。如果未來(lái)能與課堂教學(xué)計(jì)劃一起通盤考慮，或?qū)⑦M(jìn)一步拓展該教育游戲的適用范圍，畢竟教師在教育游戲的應(yīng)用閉環(huán)中扮演著重要的角色。
在國(guó)家全面深化教育綜合改革的背景下，教育信息化已經(jīng)成為解決教育改革“深水區(qū)”難題的重要途徑和方法。教育游戲作為教育信息化時(shí)代下的一種新型教育資源，其科學(xué)性、趣味性和有效性的實(shí)現(xiàn)，不僅需要傳統(tǒng)教育工作者和游戲設(shè)計(jì)師的合作，還需要借助其他新興學(xué)科的智慧和力量，尤其是教育神經(jīng)科學(xué)和人工智能、大數(shù)據(jù)的理論與技術(shù)成果。相信，在不斷實(shí)現(xiàn)教育性和游戲性平衡的未來(lái)，教育游戲必將成為變革教育生態(tài)的重要力量。
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