探讨认知心理学实验的AVG游戏设计与开发 *——以空白实验法为例

黄 月，董 艳

(北京师范大学 教育技术学院，北京 100875)

《认知心理学》是一门探索人类如何获取知识和使用知识的学科。对于教育技术学科的大学生来说，学习认知的理论能帮助他们更好地理解学习和教学。《认知心理学》的课程内容包括认知过程理论、认知模型和用于验证这些模型的许多实验，其中一些经典的心理实验，由于实验本身的晦涩、实验条件的缺乏、课程课时的限制，学生对实验的设计原理、机制和意义都难以获得深刻体会和理解性认识。传统纸质教材只是通过文本或图片两种形式表达心理实验部分的相关内容，难以给学习者提供较好的学习体验，对于一些学习困难的学生来说，很有可能产生较大的挫折感和挫败感，这很可能使得学生放弃学习。

随着信息技术的发展，技术为学习者提供了新的学习体验来支持学生的课程学习。在这些技术支持的学习活动中，教育游戏由于其具有的娱乐性、情境性、互动性、参与性等多种特征而受到“数字一代”学习者的青睐[1][2]。已有研究表明，教育游戏是融合了教学内容且具有娱乐性的学习性软件，学习者可以在游戏的过程中学习知识并能保持长久的学习兴趣[3]。为此，在教学中为特定的内容开发适当的教育游戏，将可能促进学生对于特定学习内容的学习和理解。本研究正是基于这样的考虑，针对《认知心理学》中传统教学方式下学生学习效果欠佳的“空白实验法”一节的内容，进行了教育游戏活动的设计，使用Krkr软件和TJS语言进行了开发，并选择相应被试验证了游戏的学习效果。本研究所开发的心理学实验游戏在教育与游戏的融合中取得了一个平衡点，达到了“教游相融”的效果。

一、认知心理学实验的教学需求分析

以北京大学出版社出版的《认知心理学》为例，该书介绍了知觉、注意、表象、概念、言语等认知过程的基本问题，包括理论阐述、认知模型讲解和经典实验演示。其中“概念”属于高级思维过程，概念形成指的是个人掌握概念的过程。人在概念形成的过程中，需要利用现在已有的信息主动提出一些可能的假设，形成一个假设库。在概念形成的实验中，在对任何一个新的刺激反应之前，被试必须从他的假设库中，取出一到几个假设做出反应。如果这个反应被主试告知是正确的，那么该假设将继续使用，否则更换假设。直到获得某个正确的假设，即形成某个概念为止，这就是假设考验说。初期的假设考验实验难以直接判断被试每次是否应用假设或应用了什么假设。空白实验法(Blank Trial Procedure，简称BTP)为了弥补这个缺点，假设如果被试在主试不给予反馈的条件下，能对一系列刺激做出系统的反应，那么就能确定这种反应的基础即假设。

空白实验法于1966年由美国的Levine设计，是认知心理学中一个典型的较难理解的实验，其实验操作过程只有短短几步，但是包含了至少三个学习阶段，每个阶段都有各自特定的基础概念，由一条设计精巧的路径来连接这些阶段，其难度逐步递增。第一阶段学习中被试在刺激下可能产生的8种假设反应，如图1所示。

图1 BTP的8种假设反应[4]

图1中间的部分代表给被试的实例，总共包含了4个类别（颜色、字母、位置、形状），每个类别上各有两个维度，依次是：黑/白、X/T、左/右、大/小，一共有8种假设反应。a代表了b中左列实例的属性（即阴影部分实例的属性），c代表了b中右列实例的属性。a和c中的黑点位置表示实例所代表的属性是否和所标明属性一致。b的第一行“X T”意味着a第一行表示“X”的属性有“黑色、字母X、位置为左、形状是大的”，c第一行表示“T”的属性有“白色、字母T、位置为右、形状是小的”，可以看出，a和c中黑点的位置是对称的。

8种属性代表被试在实验过程中需要做出8个可能的选择。实验开始前，主试预设了一个属性，在实验的基本推理过程中，主试每次给被试一对实例（一行实例），被试从中选择一个认为可能包含了主试预设属性的实例。每轮选择结束后主试将给予被试反馈正确还是错误。被试将继续猜测，直到完成4轮基本实验过程。在这个过程中，主试需从被试的选择结果判断是哪些假设属性引导被试做出选择，以及在这个过程中被试进行了假设推理，还是胡乱猜测。图2是假设考验的基本推理过程。a显示实验第一轮被试在一对实例“T X”中选择了“X”，我们猜测引导被试做出选择的假设属性是“大、白、X、右”中的一个。第二次被试做选择后，我们可以推测被试假设属性为“X、白”中的一个。从被试第三轮和第四轮的选择中我们可以推测被试预测主试的假设是“白”，以及被试确实进行了理性思考。与之相对的b中的被试做的选择，很显然在第三轮和第四轮实验中放弃了理性推理，做了非假设反应。

图2 假设考验的基本推理过程

Levine的实验特点在于将4对实例（刺激）作为一组，对被试进行多组实验。在组内实验过程中，主试对被试的反应不反馈。如果没有外在的反馈，那么实验过程中被试没有其他依据来改变他自身的假设，只能自行完成推导。主试仅在组间对被试反馈，即在第1、6、11和16次实验中给被试，其目的在于既使被试能有足够信息来推理，又能直接推测被试的假设考验行为。BTP的整个实验过程如图3所示。如果被试做了最优推理，那么在得到第一次反馈后，就能从8个可能的假设中排除4个；在第二次反馈后又排除2个；第三次反馈后得到一个正确的假设；第四次反馈则能够对假设进行验证。

图3 BTP的16次实验程序

从图1到图2，学习者很容易理解其机制。但是，从图2到图3，学习者将感觉到理解困难，因为学习者需要同时从主试和被试两种角度来学习实验。而该实验的难点就是在于如何理解为什么要为被试提供刺激但是不给反馈，以及如何从被试的外部反馈推测出其内部的推理过程。由于BTP曲折的机制和复杂的设计过程，教学过程中发现对于上述实验过程只通过文字和图片的解释，相当一部分学习者难以清晰理解。

二、本游戏设计的关键要素

教育游戏应当立足于教育问题的解决和教育的改进，从教育的角度思考游戏的设计和开发。下面主要从情景设计、游戏类型选择、错误指导系统等三个关键要素来讨论。

(一)情景设计

游戏是由复数场景构成，教育游戏学习相对于传统教室学习的一个优点在于可以自行设计场景，为学生提供学习知识的情境，也能让学习者将学到的复杂知识马上投入应用，促进体验式学习的进行。在游戏设计中，需要思考哪种情境下更能促进学生学习。Squire认为设计教育游戏需要思考在什么情况下，学习学科知识才最令人投入[5]。他认为学习工程知识的情景如果设置在一条需要马上逃出以求生的外太空飞船上，学生能激活最大兴趣。

本研究为游戏者设计了位于未知世界的5个场景，学生需要探索街道和目标房屋内的不同楼层，并不断解开场景中的谜题来了解整个世界，寻找回家的道路。如图4所示，左边是游戏中大街的场景，右边是房屋内二楼的场景。

图4 游戏场景图

(二)游戏类型选择

游戏类型选择主要考虑三个因素：游戏者的游戏偏好、游戏者先前经验和学习内容。根据对游戏类型的偏好，游戏者有多种类型。已有研究提出当进行的学习活动与个人特质一致时，学习者会自动产生兴趣体验[6]。“问题解决者”是这样一种的类型：深入思考游戏，依照游戏的普遍规律来寻找一个问题的解决方法，其需求是智力挑战[7]。考虑到我们对游戏者(学习者)的期望，采取适用于“问题解决者”游戏类型的设计。本游戏主要采取探索世界和特定情境下的解谜为主的游戏模式，并根据需要穿插服务于其他游戏者类型的系统设计，比如一些动作操作。

由于游戏者的游戏状态与对游戏的先前经验有关，先前游戏经验丰富的游戏者与很少玩游戏的游戏者在游戏环境中在学习绩效、对任务困难度的感知和学习体验不一样[8]。新手玩家可能在游戏化学习环境中遇到更大的困难，这使得他们的学习绩效和感知都较弱[9]。因此，新手玩家喜欢比自身实际技能更容易的游戏，而有经验的游戏者则喜欢游戏具有更多本身的挑战，并对在游戏中战胜失败有更大的耐心[10]。考虑到本研究面向学习者的游戏经验差异较大，已调查人群中绝大多数使用者仅具有少量游戏经验。因此，游戏在操作上应当尽量简化，并能有丰富的提示。考虑到BTP实验所包含的概念数量多、实验具有可重复性、实验材料以视觉刺激性为主，实验机制本身虽然步骤复杂，但是实验过程的操作是简单的。游戏的动作操作需求小，但内容与情境结合需求大，可以选择重视内容设计的游戏类型进行设计。

因此，本研究在设计教育游戏时选择了对游戏者先前游戏经验的要求最低、具有丰富剧情和情景、弱化操作的AVG游戏类型。AVG游戏具有角色扮演的性质，侧重于文字剧情和谜题的结合，容易将学习的内容和游戏的剧情结合起来，游戏者对文字与剧情的关注度是所有游戏类型中最高；专注问题解决，游戏进程通过解密和问题解决推进；操作要求很低，没有战斗、技能、属性调配等因素的干扰，只需要鼠标点击完成。

(三)错误指导系统

教育的一个目标是帮助学习者在失败时知道为什么，以避免再犯相同的错误。教育游戏需要提供帮助学习者反思的支持体系[11]。那么游戏系统应当为学习者提供失败时的指导系统。如果没有教学指导，游戏者容易在游戏过程中陷入无意义的机械试错中，这个过程不仅可能消耗大量时间，也可能累积起大量的挫折感和无聊感。设计者需要帮助游戏者(学习者)知道为什么他们失败了。因此，本研究附加了错误指导系统，当学习者挑战失败的时候，都能选择是否接受教学指导，得到解密线索(教学指导)再进行挑战。当然，学习者也可以跳过指导，直接重新开始。

三、基于空白实验法的教育游戏设计

教育游戏的根本立足点在于教育，应当将教学设计置于先行位置，先对空白实验法本身的知识结构进行分析，然后针对游戏进行设计和开发。

(一)空白实验法的知识结构分析

在这个实验中，所有的知识点可以被分成三个类型，即陈述性知识、程序性知识和策略性知识。表1呈现了这部分内容的主要知识点和类型，并标注了各知识点的难度等级。

表1 空白实验法实验内容的主要知识点和类型

(二)空白实验法游戏的设计结构要素

游戏命名为“心理迷踪”。考虑心理学常给人的固有印象与本实验的性质，背景为未知架空场景，带有科幻色彩，略为压抑的环境风格。主要游戏模式为探索、交流、解密。游戏故事主线描述如下：

主角在某天醒来时，发现自己处于一个熟悉又陌生的地方，这个地方所有人与物都只有阴影的轮廓，没有倒影。只有主角自己是形象清晰的，但是他没有自己的影子。指导者华生出现说明情况，希望主角能帮助那个世界脱离现状，拯救世界。主角完成一系列任务，解开谜题，最后成功拯救世界，回到自己世界。

游戏中一共有三个角色，分别包括：(1)主角：学习者与冒险者；(2)指导者和助手：华生（使用这个名字考虑两点：这是一位著名的心理学家，也是一部著名侦探小说中的一位主要人物）；(3)对手：Levine.Matine，名字来源于BTP实验的设计者，在这里设定为双重人格者，需要等待主角的拯救。这几种命名法除了希望游戏者能对实验的设计者有一定的印象，也能增加游戏者的参与感与存在感。

游戏中共设置了11个结局，其中有9个失败结局，2个是成功结局。通过抵达不同的结局来对学习者的学习过程给予评价。如果游戏者解决了所有的谜题并且在完成任务中失败次数不超过3次，会进入成功结局1。如果在游戏中失败次数超过3次，会给出鼓励评价，进入成功结局2。如果游戏者选择错误或者挑战关卡失败，游戏者将进入失败结局。

具体游戏流程如图5所示。每个关卡对应一个具体的学习任务，进入关卡前的游戏部分是探索信息（学习基础概念）的时间。关卡与学习内容对应如表2所示。

图5 BTP游戏流程图

表2 空白实验学习与游戏内容对应表

续表2

(三)空白实验法游戏的开发技术路线及游戏情景案例

本研究使用吉里吉里Krkr游戏制作软件进行游戏开发，这是一款由W.Dee所开发的用于制作AVG游戏的制作工具，与NScripter并称为两大同人游戏工具。程序本体采用GPL许可证，使用者可以免费使用其进行开发。底层使用类似JAVA的面向对象开发语言TJS(由开发者本人自定义的程序语言，目前版本为TJS2)，使用者使用该语言定义的一套命令语法KAG3进行编程。缺点是没有图形界面，没有编程基础的初学者不易上手。优点是支持大量格式的图像和音乐，使用最简单的文字编辑器(如记事本)即可以直接编写包含剧本的程序，整个体系架构清晰，文件易于管理。可扩展能力强大，即如果制作者有一定的编程基础，可以利用TJS底层语言自行扩充游戏功能，甚至可以制作RTS游戏。图6为游戏的一些信息提示和解谜的主要界面。

图6 游戏中的部分场景图

四、总结与建议

本研究在游戏开发完成后，先在未选修这一课程的研究生（18人）中进行了试用，并根据反馈意见对游戏进行了程序上的调整。游戏者在游戏之前阅读《认知心理学》课本中的空白实验法部分大多都表示难以理解，在平均经过20-30分钟的游戏操作后，并只需阅读5分钟左右时间即可理解这一复杂的实验。而对选修过这一课程的学习者的访谈调查发现，大多数学习者需要花费1小时到1.5小时才能理解该部分内容。这一点来看，该游戏节约了大家的学习时间，提高了学习效率。在上述的试用过程中，有17人反馈游戏比较有趣，仅有1人先前游戏经验丰富的学习者表示游戏比较简单，他提出应给游戏中的人物加上配音，以增加游戏的沉浸感，在学习上也符合梅耶的多通道理论。总体来看，该游戏比较好地做到了把教育内容、知识学习和游戏娱乐等结合在一起，也即体现了“教游相融”的设计理念，取得了较好的学习效果。

本研究所开发的游戏特色还在于游戏过程中，在游戏者犯错时会提供其即时反馈和指导。但是考虑到嵌入游戏的评估系统[12]的研究成果，在未来将进一步细化与学习内容相关的评估反馈环节，以更细致地追踪学习者的学习路径，判断学习者的学习程度。《认知心理学》课程中还有较多类似的复杂实验，为此我们对于相关心理实验游戏的设计与开发，提出以下建议：

(一)任务设计需要多样化，并要处理好不同关卡的难度分配

要想做到“教游相融”，在游戏任务的设计上需要做到多样化、情景化，减轻认知负荷。本研究也采用了链状任务设计和情境化任务设计[13]。将学习内容知识点设计成多个关卡任务，每个关卡任务不仅在学习内容具有递进关系，在游戏的叙事上也具有递进性。

对于任务设计，还需要注意的是任务（关卡）难度的跨度。根据流体验理论，当游戏者(学习者)面对挑战时，他们总是在三种精神状态中来回跳跃，即沮丧、流、厌倦。如果学习者的能力水平比挑战所要求的高，学习者将会感觉到厌倦；如果学习者的能力水平比挑战所要求的低，他们将感到沮丧；只有当个体的技能与任务的挑战相匹配时，个体才会经历流体验[14]。由于个体的技能会逐步提高，所以任务的挑战难度也必须随之增长。因此，需要合理调节游戏任务的难度，在感觉难度跨度过大的任务情境中，需要增加辅助者的教学和提示。本研究中，由于空白实验法本身的难度，在关卡1和关卡2的挑战前都加入了教师问题解决演示和简单问题重复测验来降低难度。游戏也提供了随时读取先前存档和使用鼠标中键回滚即可读取已经过场景的文本记录两个功能。

(二)通过剧本、谜题、人物设定等来保证游戏的娱乐性

以AVG游戏的类型来说，保证其娱乐性的要点在于剧本的编写、谜题的设计、人物设定有趣。本游戏的开发遵循冒险游戏剧本的常规剧情路线，即主角受到召唤、接受任务、挑战与成长、打倒对手、获得胜利。关卡谜题经过包装，将实验过程改编为启动电梯、与对手的心理战、解开密码锁等情境任务，尽可能保证游戏任务和情境对于游戏本身的叙事也是有意义的，而不是强行嵌入的学习任务。游戏设计也应当尽可能包含情感因素，这也能提供给学习者更好的沉浸感受。学习者不是在与冷冰冰的程序在玩，而是作为一个角色进入到故事中经历一段旅程。因为尽管最后的结局只有两个，但是丰富的路径选项可以尽可能地让游戏者个人感觉到自己的选择是自由的。

(三)分配好每一阶段的游戏时间

关注时间和学习效果之间的关系可以发现：超过一定时间的学习，效率会随着时间的延长而递减。因此，对于教育游戏来说，一口气玩遍整个游戏而没有间断对学习效果来说并不是最优选择。我们需要精心设计每个学习阶段，保证能在适当的时间打断学习者。如果积累了一定的疲劳度，则建议游戏者能暂时中止游戏，休息过后再回来。这样，学习者就能对学习一直维持一个相对较高的关注。

[1][3]安福杰.基于需要层次理论的教育游戏激励机制研究[J].中国电化教育,2013,(3):96-100.

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