設計科學有效有趣的教育游戲目錄CONTENTS引言分數游戲的整體設計框架認知內容的設計與理論參考游戲元素的設計與理論參考游戲的應用效果結論與討論引言01教師和研究人員逐漸意識到游戲化學習的潛在優勢，嘗試使用游戲作為教學指導和興趣激發的工具。游戲化學習國內外游戲化學習研究領域高度重視教育游戲的設計與開發，如何設計科學、有效、有趣的教育游戲成為研究的關鍵問題。教育游戲設計隨著基礎教育研究的深入與教育技術的創新，學習科學得以快速發展，跨學科視角揭示學習機制，為教育游戲設計提供新視角。學習科學崛起游戲化學習研究現狀數學教育游戲化分數學習困難是普遍現象，信息技術的發展為分數學習創造了更多的可能，移動設備的普及和游戲技術的進步，使教育游戲成為趨勢。分數學習挑戰教育游戲受關注教育游戲支持下的分數學習成為一種趨勢，備受教育研究者和實踐者的關注，有望為兒童提供新的學習體驗和解決方案。義務教育階段的數學教育一直是游戲化學習的重要應用領域，數學認知研究領域認為分數學習對兒童的數學發展具有關鍵意義。學習科學與教育游戲分數學習理論Siegler教授提出數字發展的整合理論，認為數學發展是數字認知范圍擴大的過程，分數居于核心地位，數值理解是鏈接數字知識的基礎。分數能力發展教育學區分了分數的概念性知識和程序性知識，前者涉及對分數符號含義的理解，后者則關注分數的實際操作和應用能力。分數認知研究心理學研究將分數視為一組相互關聯的子含義，包括“部分與整體”、“比”、“算子”、“商”和“測量”，強調分數表征的重要性。認知神經科學視角認知神經科學揭示了人腦如何認知分數，研究表明，符號比率以抽象的數值概念在人腦中進行表征，為理解分數提供了新視角。數學認知與分數學習分數游戲的整體設計框架02教育價值通過促進知識建構、增強協作能力、激發內在動機，框架為學習者帶來深刻的教育價值，遠不止于單純的知識傳授，更在于能力的培養。理論基礎基于教育理論與游戲設計原則，構建游戲體驗框架，涵蓋情境認知、社會互動與動機激發，為學習者提供沉浸式、互動性強的學習環境。設計范疇框架確定三大設計范疇，即基于情境的認知體驗、基于協作的社會性體驗、基于動機的主體性體驗，全面覆蓋游戲化學習的核心要素。游戲化學習體驗框架分數游戲設計體系教育性認知內容游戲設計需深度融合教育元素，通過精心設計的認知內容、輔助工具與表征方式，有效促進學習者對分數概念的理解與掌握。認知輔助工具設計認知輔助工具，如數軸與交互方式，旨在支持學習者構建心理數軸，強化分數數值理解，同時確保工具使用便捷。分數表征依據三重編碼模型，游戲設計需平衡模擬數量、聽覺言語與視覺阿拉伯數字編碼，確保學習有效性，并符合中國小學數學教材特色。知識模塊框架通過整數知識關卡、圖形與分數對應、分子為1的分數、分子不為1的分數及分數比較大小等模塊，建立完整的知識體系。明確使用目的教育游戲旨在輔助課堂教學，作為練習工具，幫助學生鞏固所學知識，提升實際應用能力，確保學習效果的轉化與提升。補充課堂教學游戲設計注重數學意義的建構，通過趣味性的方式補充課堂教學內容，使學生在輕松愉快的氛圍中深化對數學原理的理解。教育游戲使用定位認知內容的設計與理論參考03分數的知識教育學將分數知識分為概念性和程序性兩類，前者涉及符號含義的理解，后者關注計算和應用。研究強調分數學習對兒童數學發展的重要性及學習困難。分數認知研究游戲設計目標核心認知內容心理學和認知神經科學研究表明，分數理解涉及一系列子含義，包括部分與整體、比、算子等，且分數數值理解與數學成就密切相關。基于學習科學的研究和四年級學生分數學習的調研，研究確定以分數概念性知識中的“測量解釋”為核心教學目標，通過游戲加深兒童對該知識的理解。核心認知工具在確定數學游戲的核心認知內容之后，還需設計教學中的教學支架，即核心認知輔助工具的設計，參考分數認知理論及心理數軸模型，設計游戲。01.核心認知輔助工具數軸設計數軸作為核心認知輔助工具，參考具身認知理論設計交互方式，通過游戲化身與數軸墻的交互，讓學習者掌握數量大小的方向感，確保左右方向一致性。02.鏡像神經元具身認知理論提出，個體雖未直接進行某一行為，但通過“鏡像”其他個體的行為，能激活鏡像神經元。這為設計認知輔助工具提供了理論依據。03.分數表征與知識模塊框架01認知神經科學領域的模型，用于解釋大腦如何編碼數量，包括模擬數量、聽覺言語和視覺阿拉伯數字三種編碼方式，為數字認知提供基礎。基于三重編碼模型，調研發現小學數學教材主要使用模擬數量編碼和視覺阿拉伯數字編碼講授分數概念，同時模擬數量編碼的分數圖形以獨立圖形為主。研究在分數內容前設置4個整數知識關卡，鞏固部分與整體知識，后設置分子為1、不為1的分數關卡及分數比較大小，形成系統的知識模塊。0203三重編碼模型分數編碼調研分數知識模塊游戲元素的設計與理論參考04游戲情境與交互設計依據Malone和Lepper提出的游戲內在動機理論，挑戰、好奇、控制、幻想能夠影響學習者的內在動機；此外，集體動機受到合作、競爭、自尊因素的影響。內在動機理論每一個數軸墻都是一個挑戰任務，學習者需要通過自身的認知努力，撞擊正確的數軸點，瞬間擊碎數軸障礙墻，才能獲得積分繼續前進。數軸挑戰任務為了適度地激發兒童的好奇心，數軸墻的高度高于游戲化身，通過遮擋視線的方式暗示只有完成挑戰才能繼續新空間的探索。好奇心的激發游戲化身控制學習者通過鍵盤的上下左右鍵來完全操縱化身，左右鍵控制方向，上下鍵控制速度，任務的成敗完全取決于學習者的認知努力。故事線元素游戲設置故事線，圍繞“綠光水知識點模塊”展開，含多階段任務如整數估計、比較等，玩家通過闖關獲得寶藏，增強游戲沉浸感。游戲情境與交互設計ARCS動機模型多媒體認知理論聲音設計積分排行榜獎懲機制設計獎懲機制與聲音設計認知內容和游戲情境引發注意和興趣，信心和滿足感的獲得才能支持持續的學習行為；試錯機會和多元教學支架助力兒童在游戲中學習。教育游戲需獎懲機制調動情緒，積極情緒促記憶。隨機獎勵機制基于認知神經科學，激發多巴胺分泌，影響腦區活性，提升學習動力。隨機獎勵與努力積分結合，激發多巴胺分泌，維持學習不確定性，提升情緒投入。設積分排行榜，激發兒童競爭欲，增強學習動機。記憶由語言系統和視覺系統構成，記憶可以通過視覺編碼和言語編碼的聯結實現強化，同時呈現視覺信息和言語信息有助于促進記憶。典型如數軸墻撞擊聲，成功撞擊伴清脆玻璃破碎聲，增強成就感。游戲融合視覺信息與言語信息，助力玩家記憶提升，增添沉浸感與樂趣。游戲的應用效果05研究采用準實驗方法，選取四年級兩個班級共65名學生參與。學生每天在學校機房玩20分鐘《分數跑跑跑》，連續五天，共100分鐘。準實驗設計基于分數游戲的教育目的，研究在連續一周的五天內進行游戲干預，與學生內容模塊設計相匹配，確保教育效果的最大化。實驗周期設計研究方法與過程主體性體驗數據游戲化分數學習干預前后測數據對比顯示，數學焦慮和內在動機量表子維度及整體前后測的均值無顯著差異，表明游戲化學習對降低數學焦慮。認知效果測試采用選擇題和填空題，涵蓋“分數與圖形”、“分數與數軸”、“分數比較大小”三大維度，共47題，每題1分，總分47分。主體性體驗考察采用內在數學焦慮量表（AMAS）和動機量表（IMI）。AMAS評估數學焦慮，IMI則測量學習數學的內在動機，包括勝任力感知。認知效果數據游戲化分數學習干預前后測數據對比顯示，后測總成績及三類題目成績均值均顯著高于前測，表明游戲化學習對分數認知有顯著提升作用。研究工具與應用研究結果結論與討論06趣味性與動機發展教育游戲應借助游戲元素調動學習者情緒，運用動機發展原則進行趣味性設計。在保障科學有效基礎上，增強游戲趣味性，促進學習動力。教育游戲雙重性教育游戲融合教育與娛樂，以教育為根本，娛樂為教育服務。其科學性直接影響使用價值，設計需跨學科認知支持，確保內容科學。內容設計科學性內容設計應基于學習科學研究成果，堅持跨學科視角，確保教育游戲內容科學。同時，以教學實踐為設計導向，確保游戲有效應用于教學。教育游戲設計原則《分數跑跑跑》設計概覽01基于情境的認知體驗設計，參考認知神經科學、教育學、心理學研究成果，確定游戲核心認知內容為分數測量解釋，以數軸為輔助工具。設計分數表征和知識模塊框架，參考三重編碼模型和數字發展整合理論。兼顧國家課標、教材與學生水平，確保游戲內容有效應用。趣味性設計基于動機理論，設計游戲情境與交互，結合情緒研究設計獎懲機制，并設計聲音效果。實驗證明，《分數跑跑跑》顯著提升四年級學生分數知識水平。0203認知體驗與輔助工具知識模塊與表征設計趣味性設計與實驗驗證教育游戲未來發展技術發展為教育創新帶來機遇，游戲技術實現虛擬化認知情境創建，提供即時反饋，促進寓教于樂理念