基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计研究

黄璐　章苏静

[摘要]虚拟实验的开发和应用极大地丰富了实验教学环节。然而，在实践中虚拟实验往往存在枯燥乏味，无法吸引学习者，教学理论陈旧等现象。文章通过对整合情境、沉浸理论等理论研究，提出了基于整合情境的游戏化虚拟实验，探讨了其设计机理、设计模式及特点，并在此模式下设计开发了虚拟实验案例。以期通过此模式的研究使虚拟实验具有一般特点的同时还具有情境性、艺术性、娱乐性，能吸引并使学习者沉浸其中，最终达到增强学习效果的目的。

[关键词]虚拟实验；整合情境；轻游戏；沉浸理论；整合教学法

[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009—8097（2013）11—0109—06

一 引言

虚拟实验注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性，主要是借助于图像/图形、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环节。通过研究发现，现在的虚拟实验普遍存在以下几个问题：第一，虚拟实验缺乏趣味性，枯燥乏味，不能引起学生的兴趣，学生很难主动投入学习并维持学习兴趣。第二，虚拟实验缺乏与学生的互动，基本上虚拟实验是由教师控制界面，学生处于聆听模式。第三，教学理论陈旧无力，学习者缺少自主探宄，合作分享的机会。以上这些问题容易导致学习者对虚拟实验缺乏兴趣，产生厌烦、急躁甚至排斥的情绪，学习效果大打折扣。归根到底，出现这些问题的原因是与现代教育理念相悖，现代教育理论倡导教师应由处于中心位置的知识权威转变为学生学习的指导者和合作伙伴、设计者、教育的研究者，学生应由被动的知识容器和只是受体转变为知识的主宰、学习的主体，学习环境应由简单的背景化信息转变为具有吸引力和复杂情境的功能性教学载体。由此可见，虚拟实验的设计面临着改进需求。

按照2002年麻省理工学院和微软公司提出“现代教学法+艺术化游戏环境=下一代教育媒体”的观点，虚拟实验要实现吸引、促进学习者沉浸其中，使学习者深度体验实验过程，探究实验结果，那么有先进并恰当的教学理论为设计依据，加上具有强烈感官刺激、心理挑战的游戏化环境设计，实现教学、心理、艺术效果的完美结合。据此，我们认为虚拟实验应创设为能吸引并使学习者沉浸其中的虚拟学习环境，这个虚拟环境具有较强的现实感、交互性、艺术性、娱乐性等特点。基于以上考虑，此本文提出创设整合情境，将“轻游戏”元素增设到虚拟实验中，设计了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此设计模式应用到开发的虚拟实验案例中。

二 整合情境及沉浸理论概述

1 整合情境

（1）整合情境的概念。20世纪80年代，比利时、瑞士、法国等欧洲国家提出整合教学法（Integrative Pedagogy），该教学法是训练学生联合调动若干知识和技能，来解决复杂的情境。开始时整合教学法被应用在大学教育、职业培训中，逐渐应用到中小学教育。整合情境（Situation Integration）是整合教学法的核心，学者有些称之为靶向情境（SituationCible）或重新投入的情境（Situation Reinvestissement）。德·克特勒等认为，整合情境是“一个包括主要信息、干扰信息，并运用先前学习的一个复杂情境”，它有三个构成要素：物质支持工具、若干任务和若干命令。在物质支持工具中呈现出来的实物、背景、信息、功能等都可能是复杂、凌乱无序的。

（2）整合情境与问题情境。上述的整合情境与我们常提到教学论中的问题情境（Problem Situation）较为相似，为了更好地理解整合情境，在此有必要对两者做一个比较分析。学者对问题情境的界定不统一，布鲁纳认为“学习者在一定的问题情境中，经历对学习材料的亲身体验和发展过程，才是学习者最有价值的东西。”他指的问题情境可以理解为一种具有特殊意义的教学环境，既是教学背景，也可以是本学科的问题，还可以是其他学科的相关内容等。埃纳尔和尤尼尔认为问题情境是“教育者为了以下目的所设计的情境：为学生们创造一个围绕某个有待解决的问题进行思考和分析的空间；帮助学生们从这一“空间—问题”出发，对关于某个明确主题的新的表现加以概念化。”它包含三个因素：背景、信息和有待完成的任务。从上述概念来看，整合情境与问题情境确实有很大相似之处，都是为了教与学活动，完成某些教学任务的具象化背景，但两者的内涵和侧重点并不相同。两者的比较如表1所示。

从表1不难看出，整合情境和与我们一般所指的问题情境有很大区别，第一，功能性，整合情境更具明确的目标，教师应考虑如何利用支持工具，也就是情境的利用，而不像问题情境更重视的是情境本身。第二，情境的类型，整合情境倾向于自然情境，需要学习者在真实的环境中辨别、分析，适合学习者个体探究学习，而问题情境更多的是建构的情境，是教师为了教学目的而设计出来的情境，使学习者个体或小组获得知识和技能。第三，设计整合情境的初衷是为了整个学业的提升或学习评估，相对问题情境的目标要广泛和深远。按照达蒂夫¨2J的说法，问题情境是“任务来源”，而整合情境是“任务靶向”，可以理解为一个偏重于问题本身，一个偏重于通过问题来探究的目标。一言蔽之，整合情境是“被瞄准”的问题情境，为了更明确的方向和目的所设计的问题情境，整合情境相对于问题情境更具复杂性和真实性，更适合学习者探索和建构知识和技能。

2 沉浸理论

沉浸理论（Flow Theory）于1975年由Csikszentmihalyi首次提出，解释当人们在进行某些日常活动时为何会完全投入情境当中，集中注意力，并且过滤掉所有不相关的知觉，进入一种沉浸的状态，这种状态被描述为“流”（flow）。Wigand和Nilan将沉浸感分为三个阶段：沉浸的先前准备阶段、沉浸体验阶段、沉浸体验的结果。沉浸的先前准备阶段所考虑的要素包括注意力的集中、明确的目标、与玩家技能相平衡的挑战、活动的趣味性、简单快速的上手；沉浸体验阶段的体验包括行动与意识的统一、高度专注、对活动的控制感、时间感的变化、远程监控感；沉浸体验所带来的结果是促进学习、激发学习者的探索行为、信息技术的接受及使用、行为控制的认知。从文献可以看出，国内外游戏的设计和开发基本都与沉浸理论相关，游戏化的学习的设计和开发也当如此。有研究表明，“深度沉浸的学习相对于浅度沉浸的学生而言.在虚拟实验的环境中更容易获得满足”。据此我们认为追求流体验是游戏化虚拟实验设计的重要目标和依据。

三 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计

基于以上的理论讨论和实践研究，本文提出基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，这种虚拟实验模式以创设整合情境为手段，以“轻游戏”元素为设计元素，目的在于增加学习者虚拟实验的沉浸感，激发学习动机，维持学习体验，从而达到提高虚拟实验学习的效果。

1 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计机理

根据心理学研究表明，要真正达到教学效果，必须从吸引学习者，维持学习者注意力着手，实现虚拟实验的沉浸体现。然而内部的心理活动是由外部的刺激，反复强化才能影响。所以外部的教学设计成为虚拟实验的关键，笔者认为可以从创设整合情境入手，给学习者营造一个逼真复杂的情境，这个情境即包括教学情境，还包括现场情境，避免枯燥无味又不具备现实意义的学习环境。本文提出，虚拟实验过程应是一个“三层”体系结构：教学层、行为层、心理层，实现一个由外至内的心理过程，由教学活动至实验过程，再到达到学习者沉浸体验的过程，从而提高学习者学习兴趣，维持注意力。具体见图1。

从图1可见，教学层、行为层和心理层都包括技术和学习两个方面，教学层处在基础的地位，也是最重要的层面，它是引领学习者进行虚拟实验的关键手段和方法，包括创设整合情境，设计实验界面，教学设计等；行为层是学习者完成虚拟实验的过程，探究实验结果；心理层是虚拟实验的最高层面，实现心理沉浸，保持学习注意力，从而完成虚拟实验的体验活动。这三层体系结构是一个从下到上，从外到内，从教学到心理一个完整的过程。

2 基于整合情境的游戏化虚拟实验设计模式

根据上述基于教学层、行为层、心理层的“三层”游戏化虚拟实验的设计机理来设计虚拟实验学习模式。虚拟实验主要分为：演示实验、验证试验和探索实验三种，它们一般的实验流程为激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制。为了体现实验的特点本文称实验操作为行为层，而每一个实验行为都对应着教学层的教学活动以及心理层的沉浸过程，它们的相互关系及内涵是学习模式的核心内容，见图2。

（1）教学层：创设整合情境、设计游戏化元素。为了能吸引学习者全身心地投入到虚拟实验中，首先可以从教学设计层面设计具有整合情境的虚拟实验环境，使学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标直指虚拟实验的核心知识：然后重点设计具有游戏化元素的虚拟实验，包括人物、场景、情节、任务和音效等，以声音、图形、视频等多媒体表现实验内容；最后通过设计的交互活动达到知识巩固、反思和激励的作用。

（2）行为层：操作游戏化虚拟实验。虚拟实验教学设计的目的是使学习者能按既定的设计步骤达到相应的实验目标，虚拟实验一般分为演示实验、验证试验和探究实验，一般都有以下几个步骤：激发兴趣、获取知识和经验、验证实验、实验的应用和控制等。实验过程是学习者在教学设计下完成的是可见、可控制的行为活动。

（3）心理层：实现沉浸体现。为了使学习者达到知识的内化，可以通过设计游戏化虚拟实验吸引并维持学习者达到长时间的心理沉浸感，可以分成沉浸准备阶段（吸引）、沉浸体验阶段（维持）、沉浸反馈阶段（迁移）三个过程，每个过程都需要和相应的教学设计和实验操作阶段配合发生，整合情境的创设就是为了激发学习者的兴趣，达到学习者沉浸体验的准备阶段。游戏化虚拟实验的设计就是为了使学习者在实验过程中获取相应知识和经验，达到学习者沉浸体验阶段。而教学反思和巩固为的是使学习者很好的应用实验知识，达到沉浸反馈阶段，实现知识的迁移。

3 基于整合情境的游戏化虚拟实验的特征

（1）强调自然情境的学习意义。从社会学的视角来看，“情境”指一个人正在进行某种行为时所处的社会环境，是人们社会行为产生的条件；从心理学的视角来看，“情境”指的是事物发生并对机体行为产生影响的环境条件；学习论的视角来看，“情境”则是学生从事学习活动、产生某种学习行为的一种环境和背景。基于整合情境的游戏化虚拟实验所指的“情境”在学习环境中一般并不存在，它是被建构出来的，任务的结果也不是一目了然，信息复杂，表述曲折，难以理解，具有障碍和隐蔽性，更趋向于真实的自然情境，但它的功能明确，即为了服务教学目标。

（2）强调游戏对学习兴趣的激发。布鲁纳等认为学习是学习者内部动机驱动的积极主动的建构过程，激发学习者的学习动机尤为重要。基于整合情境的游戏化虚拟实验强调利用“轻游戏”的设计，给学习者创造“流体验”，使学习者更容易沉浸，达到深层次的参与。虚拟实验的激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制等一般步骤，都可以在游戏化虚拟环境中完成。我们认为，游戏不是虚拟实验的目的和重点，游戏化的环境设计是让学习者能沉浸虚拟实验学习的手段，完成心理层面的沉浸体验的三个阶段，最终实现虚拟实验的知识获得或迁移。

（3）强调教师对学习者或学习小组的支持。建构主义学习理论强调学习者积极主动地建构知识，教师的地位发生了变化，从原来的灌输知识主导教学活动。基于整合情境的游戏化虚拟实验“情境”的设计者一般是教师，当然也可以是其他成员，情境的发起者和解决者之间形成合约的关系，教师可以让学习者选择是否进入学习情境，学习者可以自由选择学习方式，教师可以提供帮助，督促学习者学习，直到评估合格。整个教学过程的设计十分重要，关系到整个学习过程的展开。学生或者学习小组成了主体，而教师的地位退居其后，成为中介者、支持者，负责情境的建议和发起，更多的学习主动权交给了学生。

（4）强调探宄学习对虚拟实验的作用。虚拟实验可充分发挥其优点，根据实验的特点和学习者的特征，控制实验的条件，设计、开发具有较强交互的探究性虚拟实验。基十整合情境的游戏化虚拟实验由于其具有较强的现实性、趣味性，更适合也更容易探究学习。学习者或学习小组从整合情境中的复杂信息或自身具体经验出发，通过观察和反思概念或认知，设计或验证试验方案，这样的学习过程往往不能一次性完美完成，学习者或学习小组得反复探宄，不断完善和修正。如此一来，可以发展学习者的积极主动性和探索精神。

综上，基于整合情境的游戏化虚拟实验实质上是创建了以学习者为中心，教师为支持的整合学习环境，这个学习环境具有一般虚拟实验特点的同时还具有情境性、艺术性、娱乐性，吸引并使学习者沉浸其中，完成虚拟实验的演示、验证或探究活动。

四 基于整合情境的游戏化虚拟实验的应用案例设计

近年来食品卫生和安全成为备受关注的热门话题，为了加强青少年对食品添加剂方面的知识，提高选购安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计理论，设计开发了能进行虚拟实验和检测的食品添加剂虚拟实验室。

1 教学设计。根据“食品安全学”教学大纲和实验要求，为了学习者能融入并沉浸到虚拟实验.达到主动探究学习，获取实验知识和经验的目的，本文设计并开发了“添U加C”游戏化虚拟实验，以下将介绍该虚拟实验的设计和实现研究。

（1）整合情境创设与游戏化学习活动设计，如表2。

（2）游戏化虚拟实验。根据以上游戏化学习活动设计，我们可以将游戏化虚拟游戏过程主要分为三个阶段：整合学习活动、轻游戏化探究学习、反思分享。

①整合学习活动阶段。依照整合教学法的理论，学习是一些展开局部学习2、使用整合情境和评估情境所构成的一个连续体。整合学习活动是本案例的设计重点，主要是从其三要素：物质支持工具、信息、命令来展开设计，该案例将物质支持工具和信息整合在资料中，即物体、背景、信息、功能、信息等。

虚拟实验教学目标：为了了解食品添加剂知识，学习者进入了一个三维虚拟的超市进行选购食品，学习者可以根据以下资料，了解食品中含有哪些添加剂？推断食品添加剂对人身体有哪些影响？以及计算出人一天食品添加剂最高剂量是多少？

资料1：选购商品情境，如图4。

资料2：介绍食品添加剂情境，如图5。

命令1：完成购物报告，如图6。

命令2：完成虚拟实验，如图7。

命令3：完成实验报告，如图8。

命令4：完成添加剂重新选购，如图9。

通过以上整合学习活动后，学习者将传统学习而来或自有的经验知识整合到复杂的情境中，进行自主学习，该虚拟实验提供了物质的支持工具和信息，教师处于支持或辅导的地位，学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标指向虚拟实验的核心知识，完成指定的命令任务。

②“轻游戏”化探究学习阶段

尚俊杰等【22】对“轻游戏”的界定为“轻游戏=教育软件+主流游戏”，认为它首先是一个教育软件，并追求主流游戏的内在特征，如挑战、好奇、控制、目标、竞争、合作等，以此平衡游戏的教育性和游戏性。本虚拟实验的设计遵循“轻游戏”的设计思想，将虚拟实验设计成模拟类游戏。第一，本游戏化虚拟实验具有模拟仿真性，学习者进入的“添u加C”食品超市，其中的人物、货物、货架、标签、背景、音效等完全仿真现实超市。第二，本游戏化虚拟实验具有“轻游戏”元素设计，如情境、系统帮助、导航、虚拟实验关卡逐级递增等。第三，本游戏化虚拟实验具有真实并可完成的任务，学习者在挑选自己喜欢食品时，会出现该商品包括添加剂的情况等信息，这时适时对学习者进行添加剂知识的介绍，而学习者在离开超市前得完成添加剂知识的实验报告和虚拟实验，之后会让学习者重新选择食品的数量和种类。这样的设计是让学习者在知道、了解、掌握、应用食品添加剂的学习过程中，完成探究学习活动，教师或本虚拟实验设计者自始至终处于整合情境的发起地位，学习者主动思考、积极参与、探索食品添加剂知识成为本虚拟实验的重点。

③总结分享阶段

总结分享是一般虚拟实验的应用阶段，本虚拟实验要求学生在完成整合学习活动和“轻游戏”化探究学习后，完成食品添加剂的知识巩固练习，并在退出虚拟实验前在工艺宣传栏中填写自己对食品添加剂的宣传语，分享游戏化虚拟实验的学习心得体会，效果如图10、11所示。

2 模块设计与实现

本虚拟实验仿照了现代超市模式，按照功能进行区分，主要有购物中心、服务中心、支付中心、帮助中心。依次是对食品添加剂的了解、学习、反馈和巩固四个阶段。

（1）购物中心：是对食品添加剂的初步了解阶段。它模拟现代超市购物环境，通过键盘方向键来控制购物车的运动，按照食品的分类主要有五大区域：生鲜蔬果区、休闲食品区、粮油调味区、酒饮冲调区、营养健康区，选购时能显示食品名称、所含添加剂、原料、保质期、生产日期等信息，购物中显示购物清单，结束购物时得出购物报告，告知是否购买的食品添加剂超出国家标准。

（2）服务中心：是以食品添加剂学习和实验阶段，主要分为添加剂原理实验、剂量对比实验、添加剂案例三个部分。通过这样的实验，一方面深刻理解添加剂的功能与副作用，另一方面加强青少年动手能力。离开服务中心时，得出实验报告，告知在该中心做了哪些实验，并得出实验结论。

（3）支付中心：是以对食晶添加剂学习的反馈和巩固阶段。由于之前在服务中心的学习，会对食品添加剂有了一些队识，因此在支付报告中，学习者可以再次决定哪些食品是否要购买，以及购买的数量，还包括有奖测验和公益宣传两个模块。

（4）帮助中心：主要包括课件导航地图和添加剂知以帮助，主要是帮助青少年更好地了解该虚拟实验室的结构及操作及其对各种添加剂的认识。

本虚拟实验经过反复的调试，实现了在整个超市各个中心的数据传递，用Asp连接Access数据库，按照数据结构来组织、存储和管理数据，完善地管理各种数据库对象.实现登录注册页而、购物清单和公益宣传等数据的传递。

五 结束语

本文通过文献调研、设计机理与模式的提炼、案例的设计开发等研究，提出了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此模式进行了初步的应用。实践证明该虚拟实验模式具有很好的艺术性、娱乐性，能很好地将虚拟实验与轻游戏化体验结合起来，能吸引学习者进入虚拟实验过程，有一定的保持吸引的作用，并能保持沉浸效果，对于学习者探究能力和合作能力的培养有一定促进效果。但是，由于研究条件和时间的限制，本研究还存在很多的局限，如案例设计和开发内容有待进一步深入，设计策略不详尽，交互设计何待改进等。我们将在后续研究中，将对该模式进行实验研究，通过数据统计和分析出该模式在维持学习者动机、学习效果、探究认知等方面的情况，为实现吸引学习者并保持沉浸感的虚拟实验进行更深入研究。

参考文献

[1][3]瞿曌.网上虚拟实验教学的必要性及可行性.高教论 坛，2004，（1）：79-80