设计学习型计算机游戏的实证研究

[美]西格蒙斯·托比亚斯 J. D. 弗莱彻/著乜勇 宋艳茹/译（.陕西师范大学 教育学院，陕西 西安 7006；.西安市第一中学，陕西 西安 7006）

设计学习型计算机游戏的实证研究

[美]西格蒙斯·托比亚斯 J. D. 弗莱彻/著
乜勇1宋艳茹2/译
（1.陕西师范大学 教育学院，陕西 西安 710062；2.西安市第一中学，陕西 西安 710062）

随着计算机游戏的日益流行，社会各界对此给予了较高的关注。在教育游戏软件不断涌现的同时，我们不得不深思：怎样才能更好地设计学习型计算机游戏？本文采用实证研究的方法在对1992年以来的研究进行广泛的文献调研的基础上，首先对模拟和游戏进行区分，然后提出13项建议，以指导游戏设计者和开发者提高教学游戏的教学效能。

计算机游戏；模拟；学习型计算机游戏

从美国娱乐软件协会（ESA）公布的数据中可看出计算机游戏的普及性，这象征着美国计算机和视频游戏业的结合。考虑到日益盛行的活动，培训和教育社区对激发动机和游戏的参与及使用它们来教学越来越感兴趣。我们回顾了大量的研究，探究出一些实证的、基于资料的发现，设计者和开发者可以利用这些发现来提高教学游戏的教学效能。我们同意克拉克（Clark）（2007）和海斯（Hays）（2005）的观点——游戏较之其他方式在教学上的优越性并未得到证实，但是我们的焦点不同于他们。计算机游戏的流行证明了它们能被学生和其他人群使用。本研究的目的是向设计者提出一些建议从而使得游戏更好地服务于教学。本研究的13项建议以1992年后的研究为基础。为了研究得更全面，兰德尔（Randel）（1992）等人的评论也在其中。

一、游戏和模拟

在教学游戏使用的评估方面的一个难点是区分游戏和模拟。对模拟用于教学的研究在绝对性和相对性上比起基于计算机的游戏的调查文献都是相当多的。我们的重点和兴趣在于游戏本身作为一种新兴的、潜在的教学模拟形式。

表1 计算机模拟和计算机游戏的一些区别

游戏和模拟之间并没有标准化的、广为接受的区别。从表1得知，这种交互的、基于计算机的游戏以及它们所创设的学习环境只是模拟的一个子集。表1中的区分关键在于侧重点的不同。当然，有些划分有待商榷。比如，流行的猜字游戏（Hangman）算模拟吗？还有棋盘游戏、西洋双陆棋等。这些游戏都被计算机化了。问题的双方都有可能被质疑。但是，我们所讨论的游戏特指的是没有计算机技术就不能有效地实施的游戏。我们希望这种区分有助于阐明将要讨论的学习体验的类型。

二、以（实证）研究为基础的建议

（一）分析认知任务以确认体验游戏的、任务导向的认知过程

对计算机游戏的研究已证实了它们能够影响认知过程。比如，它们可以增强个体有效利用或分散视觉注意的能力。进一步说，西姆斯（Sims）和梅耶（Mayer）（2002）发现认知过程的改善可能属于某个特定领域，他们并没有归纳出不同于游戏中的刺激和过程。所以，为了评估计算机游戏的影响，认知过程需要通过认知任务的分析来得到证实。克兰德尔（Crandall）、克莱因（Klein）等人描述了指导上述分析的原则和步骤。

计算机游戏要想达到提高工作或学习的绩效的目的，即迁移到“真实（世界）的任务”，确认完成此任务所需的认知过程相当重要。已有证据表明可以将游戏迁移到有针对性的任务绩效中。而且，玩游戏的程度也很关键。比如，格林菲尔德（Greefield）等人发现带有视频游戏的长期训练可以提高人的空间表现力，但是短期训练则达不到这种效果。有证据表明，在由操纵杆控制微型摄像机和外科器械的腹腔镜手术领域，使用特定设计的腹腔镜模拟装置能够提高外科手术的技能。因而，期望通过在计算机游戏中使用操纵杆或相似物控制行动和器械进而提高腹腔镜手术的技能，似乎合情合理。最近，罗塞尔（Rosser）（2007）等人也证实如此。他们认为，这种提高应归因于“流行的（off the shelf）”的视频游戏。这些资料有待考证，但其隐义却值得深思。其他研究也表明可从游戏迁移到“真实”的任务。费里（Fery）和蓬塞罗（Ponserre）专门设计了一个再现真实高尔夫推杆的电脑游戏，发现该游戏可以迁移到现实的推杆中。布朗等（Brown et al.）（1997）发现糖尿病患者的自我治疗和自我汇报的能力在玩过与此有关的游戏后得到提升。在这两个例子中，对目标任务的认真分析有利于游戏的设计。

目前的研究表明，不能仅仅因为计算机游戏和现实生活的任务看起来相似就认定这两者的认知过程存在着相似性。马内（Mane）和唐钦（Donchin）按照实际飞行的复杂性、注意力、认知负荷需求等设计出一个太空城堡游戏，戈弗（Gopher）发现可以从该游戏迁移到真正飞机的驾驶上。但是，哈特（Hart）等人安排练习生参与一个与飞行有关的“off the shelf”游戏，却没有起到迁移的作用。

这些结果揭示了游戏和任务的认知过程在某种程度的重叠导致了迁移，而非两者简单的表面的相似性。我们可以从这些研究得出结论，为将游戏可靠地、成功地迁移到提高“现实世界”的绩效，在游戏设计过程中对游戏和针对性的任务进行认知任务分析是非常必要的。

（二）提供指导

斯旺克（Swank）和德・琼恩（De Jung）提出了不同类型的教学支持，这些支持可以用来促进游戏过程中的学习。研究结果证实了这些支持的重要性，而且也表明通过解释正确答案的原因来提供指导和促进反思可能比依赖单独的游戏经历更为有用。类似地，Greenfield、卡米翁（Camion）发现以解释的形式提供指导会提高绩效。研究结果的分析证实了这些建议——使用包含教学内容和教学指导的模拟装置的学生比不用这种形式的教学支持进行模拟操作的学生学到的更多。所以我们期望从教学游戏中得到类似的结果也合乎情理。勒纳尔（Renal）和阿特金森（Atkinson）发现了另一种教学支持，渐渐移去已被学生解决的例题中的步骤，能促进近迁移和远迁移。提供指导和不同形式的教学支持对于促进计算机游戏中的学习是重要的。下面举一些具体的例子。

1．提供图示支持

梅耶（Mayer）、毛托尼（Mantone）和普罗瑟罗（Prothero）审查了指导的类型——解决策略的语言模式或有图片说明的教学支持——这对于通过多媒体模拟游戏来解决问题的学生可能是最有益的。口头语言指导的效果不佳，然而带有图片说明的教学支持确实能提高游戏和迁移任务的绩效。多媒体研究表明，比起单独使用言语信息，有图片说明的支持更容易减少任务的认知需求。这种支持利用了“多媒体原则”——由图画和言语信息组合呈现比只有言语信息的呈现学习效果好。以导航图形式呈现的图片支持似乎对学习有帮助，但也有研究者指出，它们也可能加重认知负荷，对这个问题还有待进一步研究。

2．鼓励对正确的答案进行反思

莫雷诺（Moreno）和梅耶（Mayer）发现对答案的反思促进了近迁移和远迁移，而交互活动（选择一个正确答案）仅仅促进了远迁移。他们也发现，即使没有交互活动反思也能引起回忆和远迁移，但是当不需要交互活动时，很可能是因为交互已经促进了参与者的反思。在第三个实验中，反思增强了回忆和远迁移；那些对程序（正确的）算法进行反思的人比起那些对自己的程序（可能是错误的）算法反思的人，有更高的正确率和较低的错误率。缺乏反思的指导对回忆的影响甚微，但对迁移的影响较大。这些结果表明计算机游戏设计者应该建议学生反思正确答案，增加与程序的交互或给予他们指导来促使学生思考他们的答案。所有这些措施都可能促进学习和迁移。

3．为发现学习提供指导/支持

对指导的研究再次强调了Mayer的结论——任何人应该对无支持的运用推理发现学习的好处产生怀疑。克席斯（Kirsches）等人把这个结论推广到最低程度指导教学的所有形式（包括建构主义的、基于问题的、经验的、探究的教学方法等）。他们用具有说服力的和明确的证据表明了专门设计的指导比起教学中最低程度的指导更能有效支持学习必需的认知加工。

先前的知识和将要提供的指导的价值和类型之间存在着相互作用。卡柳加（Kalyuga）、艾尔斯（Ayres）、钱德勒（Chandler）等对不同领域的研究进行概括，论证了一个“专家逆效应”，即高层次的教学支持对新手来说是必要的，但对专家不怎么起作用甚至干扰他们的学习。Moreno也发现当学习者变得越来越有见识并且有能力研究某个主题时，指导有可能阻碍他们的进步甚至令人恼火。

这种相互作用回应了预言——所有种类的教学支持对于在某一领域拥有有限的先前知识的学生来说都是最重要的。当为成年人设计教学游戏时，先前学习和提供的指导之间的影响显得尤为重要。成年人比孩子拥有更多种类和更加广泛的阅历，所以许多成年学习者会把更加宽泛的学习背景带入任何学习情境中，包括教学游戏。

总而言之，依赖于发现学习的游戏应该包含上述提到的教学指导和支持，特别是对某一领域感兴趣的新手。按理说，应该把这些支持建构进游戏中，而非“强加上去”。随着学习者知识的增长和对主题的日益精通，教学支持会渐渐消失。下面将要讨论其他形式的支持。

（三）在对话中使用第一人称

Moreno和Mayer发现当游戏中包含向参与者提供个人介绍的环节，比起中性的第三人称的交流更有助于学习和迁移。他们的迁移测量包含一些没有在材料中明确体现的问题。随着第一人称的引入，参与者对材料的态度也改进了。尽管参与者对待言语式游戏和文本式游戏的态度是不同的，但与这两种游戏交流的结果是相似的。因而，设计者应该尽可能把参与者融入到第一人称的对话中，而不是引用更加客观的第三人称。

（四）使用动画代理与玩家交互

在基于计算机教学的发展中动画教学代理的使用是一个活跃的领域，这点可以从与这个主题相关的杂志中发现。大量文章描述了在不同的基于计算机的教学程序中代理的积极作用，这些都超出了本论文的研究范围。马尔多纳多（Maldonado）和纳斯（Nass）描绘了屏幕上的一个合作学习者，通过它来测定社会动画角色对学生的绩效和态度产生的影响。他们发现学习者在“有感情的”合作学习者的陪同下比没有合作学习者或在“缺乏表情”的合作学习者的陪同下学到得更多。这点用到游戏中也是一个有趣的想法。

Moreno、Mayer等人发现使用动画教学代理与学生交互可以促进迁移和激发兴趣，但不能够提高记忆力。开发这种代理（虚拟角色或卡通人物）与计算机游戏玩家交互比起以文本格式呈现教学或其他材料相对容易些。即使大量研究表明由代理提供的言语指导是有效的，我们仍不能肯定是否有必要视觉呈现其代理。贝勒（Baylor）发现教学代理（遵循建构主义或教学系统设计原则）影响学生不同阶段的自我汇报，但对教学计划任务的影响甚微。Baylor注意到教学计划相对于相似研究中用到的其他任务来说属于非良构领域，会出现更复杂的结果。德恩（Dehn）和木肯（Mulken）回顾了动画教学代理对学生的态度和学习产生的效能的相关文献，发现尽管学生的一些态度变量（喜好、感知的智力、舒适等）存在着较少的一致性，但是他们发现，在学生眼里，带有代理的系统比其他系统更加有趣。他们也认为，当呈现代理时，学生的注意力会提高。但是他们担心投入到代理的精力过多可能会减少学生对任务的注意力。最后，他们得出结论，学习提高的结果取决于呈现代理是不确定的。关于代理的使用仍旧众说纷纭，没有研究能够表明代理的视觉呈现会干扰学习。而且，最近的证据表明，代理在制作更有趣的材料和提高学习方面是有效的。所以，如果可能的话使用代理看起来是合理的。

（五）使用人类的原音代替合成的语音

阿特金森（Atkinson）、梅耶（Mayer）和梅里尔（Merrill）发现用人类声音代替合成的声音能够提高学习和促进迁移。寻找一个好的播音员录制教学内容，并给予提示，提供反馈和与游戏有关的材料是相对容易的。在计算机教学游戏中，对于什么时候及如何使用人类声音以提供更多的指导，需要更多研究加以考证。但要在人类和合成的语音之间做出选择，前者看起来更有优势。

（六）最大化学习者参与（程度）

威沙特（Wishart）对300个儿童（平均年龄小于9岁）的挑战程度、控制程度、复杂程度进行了测验。发现当玩家掌握有更多的游戏控制权时，学习者的参与程度更高。仅仅把复杂性或挑战性单个添加到控制中并不能提高学习者的参与程度，但同时添加到控制中时，就能达到预期的效果。随着学习者参与程度的提高，后测分数也随之增加。类似地，弗莱彻（Fletcher）回顾了大量的基于计算机教学的研究，发现其成功应用的一个主要因素是计算机技术产生的用于教学环境中的强烈的频繁的交互活动。这种交互活动提高了学习者的参与，它以计算机游戏为特征，因此在设计计算机教学的游戏中应该被重视。

在基于计算机的教学领域中，存在许多关于学习者控制的研究，在教学研究的领域更普遍。Clark概括了这些研究的结果，总结出“随着对学习者控制程度的增加，学习随之减少，而最高级的专家除外”的结论。伦茨（Lunts）也对教学中的学习者控制的文献给予了评论，认为其对学习产生的影响存在极大的不一致性和对立性，并且建议这种控制应谨慎实施。尽管他们两人都建议对这些影响的警惕是适当的，但还不能肯定这些发现是否也适用于计算机游戏中的学习者控制。

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（七）减少认知负荷

计算机游戏对参与者的认知能力的要求可能非常苛刻。Mayer、Mautone和Prothero通过使用地理学家完成的任务，特别是解释以视觉资料为基础的地理学问题模拟了一个认知学徒。发现如上所述，图示指导提高了参与者的绩效，大概是因为认知需求降低了。并且，这项发现看起来是由多媒体原则指导的额外的平行的加工。导航图在降低认知负荷方面存在着潜力，但如奥尼尔（O’Neil）指出的那样，导航图也可能增加认知负荷。同样，这个问题的解决有待于进一步的实证研究。

游戏玩家经常要从许多事件中做出选择，回忆游戏规则和先前的动作，并且权衡不同的可供选择的策略。这些活动可能超出了他们的认知能力，特别是工作记忆。设计者在游戏开发中应把这些考虑进去。当游戏对玩家提出特别高的要求时，教学指导和支持——如上所述应被用来减小认知负荷。

（八）最大化动机

在文献中我们普遍发现学生喜爱计算机游戏。莱珀（Lepper）、马隆（Malone）等人描述了提高玩家动机的几项游戏特征。例如，游戏应该包括能引起挑战的适当水平，它们应该激起学生的好奇心，给予学生适当的控制（响应、选择、影响），且包括吸引用户的幻想因素。所以，设计者在设计计算机教学游戏中应着重考虑这些因素。而且，引起动机的这些特征应该被整合进游戏中。韦德（Wade）、亚当斯（Adams）等对文本学习的研究表明：增加一些与任务目标无关的非常有趣的元素降低了对材料的掌握程度，并且还很容易回想起那些有趣的细节。

（九）增加亲社会性的内容，减少攻击性的内容

在许多计算机游戏中存在着相当多的攻击性的内容。元分析表明，玩侵略性游戏的玩家表现出更多的侵略性和攻击性，考虑到游戏的普及性，有必要关注这一点。安德森（Anderson）等人也证实了这个结论。在全面回顾了关于游戏的攻击性的影响的文献之后，金泰尔（Gentile）得出结论：“假设从各种类型的研究（实证研究、横断研究、纵向研究和元分析法）得出的证据存在优势的话（尽管有些研究在主要设计上存在缺陷），那么认为暴力性的视频游戏确实对攻击产生影响是有道理的。”比如，它们增强了攻击性。Gentile做的实验中实验对象从小学生到大学毕业生，表明上述结论不受年龄的限制。

这些结果表明计算机游戏的设计者应尽力减少攻击性的内容。丰塔纳（Fontana）和贝克曼（Beckerman）发现游戏中包含亲社会性的内容是有效的。很可能因为这些内容能够增加亲社会行为并且减少攻击性的行为，所以，游戏设计者应尝试把亲社会内容包含在他们的产品中。

（十）修订游戏和任务分析

如果计算机游戏和学习目标这两者的任务分析之间没有重叠，则其中一个或两个都需要修改。Hays认为，审视完学习目标和游戏过程后，为了达到学习目标，通过变化游戏的设计或提供不同类型的教学支持来设计或修改游戏就很有必要。但像斯夸尔（Squire）指出的那样，几乎没有一个游戏开发团队具有教学设计的专长。在缺乏这种设计的情况下，尽管游戏玩家可能掌握了大量的与游戏有关的知识和能力，却不能够完成学习目标。如果没有专门设计“off the shelf”计算机游戏用以迁移到真实生活的任务，那么由这种游戏培养出来的能力也不会迁移到那种任务中。如上所述，一个人不能够假定迁移的发生仅仅来源于任务和游戏之间表面上的相似性。而且，如果从游戏获得的初步的结果表明存在着较少的学习，那么修订本就应像上面建议的那样一步步设计。设计应被看作是一个过程而不单单是一个对话事件。

（十一）将游戏与教学目标和教学活动整合

游戏应该被整合进现有的教学程序或培训程序中，这点很重要。洛伊特纳（Leutner）发现学生学会了游戏中有用的方法，但并没有获得更加综合的能力。因而把学生的注意力转向游戏的课程目标或任务目标是重要的。这点看起来既适用于成年人，也适用于儿童。

（十二）及时了解新出现的研究成果

对计算机游戏中的教学使用的研究不是静止的，而是快速演变的。随着不断涌现的研究，上面提到的一些建议可能需要被修改。像O’Neil 所言，我们建议教学游戏设计者应该及时了解研究成果确保他们的产品持续有用。

强调计算机游戏和日常任务中的潜在表现的加工过程与大量领域的研究相符合。例如，Clark认为教学呈现中的变化的媒体对学习产生极小的影响，只有不同媒体的使用才影响到控制学习的可选择的认知加工。这个立场建立在一个高级的结论之上——只有当可供选择的方法涉及不同的认知过程，或一种方法比其他方法产生更加强烈的加工时，不同的教学方法才会导致不同的结果。强调加工与认知心理学中的大量研究是一致的。

（十三）利用团队来开发教学游戏

以上建议暗示了设计计算机教学游戏应该是一个团队合作开发的过程。很明显，在设计游戏、认知任务分析和教学系统设计方面有专长的个人应该成为这个团队的一部分。但是，像刚才建议的那样，这个团队的成员熟悉新出现的游戏对学习产生的影响的研究成果也是 很重要的。这些不同的专长一般不会体现在一个人身上。在游戏开发过程中向精通不同领域的专家（这个团队之外的）咨询能够最大化计算机游戏的学习成果，这也可能提高他们的收益。

三、结 论

为了方便参阅，我们针对十三条建议作了图表，见表2。作为研究者，没有关注过多的研究就下结论是不合适的。我们不是想要打破传统。其中一个研究领域看起来对我们很重要。我们注意到比起更多直接的非游戏的教学方法，获得与游戏相关的能力来完成教学目标可以增加游戏的学习时间和精力。对游戏中的故事情节、竞争甚至是幻想的强调也可以降低学习者对教学目标的追求。教学游戏的开发和应用的一个潜在假设是学习者愿意花费更多的时间和精力来玩游戏而不是投入更多的时间和精力到直接学习中。学习者被推动用于（游戏或非游戏的）学习环境中的时间和此学习环境达到的效率（完成学习目标需一定的时间）之间的权衡还未通过研究被系统地估量。在游戏学习这个领域，它仍然是一个有趣的和可能起决定作用的话题，对这个问题有待于进一步研究。

表2 设计游戏和模拟的一些建议的汇总

Sigmund Tobias,J. D. Fletcher（2007）.What Research Has to Say about Designing Computer Games for Learning[J].

Educational Technology Sec./Oct.：20-27.

(责任编辑 杜丹丹)

An Empirical Study Involved in Designing Learning-Oriented Computer Games

Written by Sigmund Tobias,J.D.Fletcher Translated by NIE Yong1,SONG Yanru2
(1.School of Education,Shaanxi Normal University,Xi’an,Shaanxi,China 710062; 2.First Middle School of Xi’an,Shaanxi,China 710062)

Along with the computer game has become more and more popular,it attracts a great attention in all sectors of society.With continual emergence of the educational game software,we have to take a deep consideration about how to make a better design of learning-oriented computer games. This paper conducts extensively literature investigation and survey on the studies since 1992 using empirical research method.Firstly,it distinguishes simulation and game and then puts forward 13 proposals that can guide the game designers and developers to improve games’ teaching effectiveness in instructional functions.

computer games;simulation;learning-oriented computer games

G434

B

2096-0069（2015）02-0012-06

2015-01-05

作者、译者简介：西格蒙斯·托比亚斯是美国纽约哥伦比亚大学师范学院城市和少数民族教育研究院的一位著名的研究科学家；J. D. 弗莱彻是维吉尼亚州亚历山大市军事分析研究所的研究员。乜勇（1970— ），男，青海贵德人，陕西师范大学教育学院教育技术系教师，课程与教学论博士、教授，主要研究方向是信息技术教育应用、网络远程教育、信息技术课程教学论；宋艳茹（1982— ），女，陕西西安市第一中学信息技术教师，主要研究方向为信息技术教育应用、网络远程教育。