基于教育神经科学的数学游戏设计研究

裴蕾丝　尚俊杰等

摘要：教育游戏是指专门针对特定的教育教学目标而设计开发的游戏。关于教育游戏的设计，不仅要重视游戏形式和过程的趣味性，更要强调游戏内容和方式的科学性，当二者实现了有机融合，才能真正达成寓教于乐的最终目标。教育神经科学是学习科学的最新发展阶段，先进的脑成像技术和设备让基于脑的学习研究变为了现实，经过多年的发展，已经积累了大量的研究成果。该文以数学游戏设计为例，先对数学学习相关的教育神经科学研究进行梳理，再对经典数学游戏《The Number Race》如何将脑科学成果转化为游戏设计方案进行深入分析，最后在此基础上提出了四条教育游戏的发展建议，希望未来的教育游戏能在教育性和游戏性的设计上有更进一步的发展。

关键词：学习科学；教育神经科学；教育游戏；游戏设计；数学学习

中图分类号：G434 文献标识码：A

一、引言

20世纪五六十年代，一场席卷全世界的“认知革命”催生了以“心智及其产生过程”为研究核心，以心智哲学、认知心理学、认知语言学、认知人类学、人工智能和认知神经科学为六大研究方向的认知科学（Cognitive Scienee）。在这个具有划时代意义的事件影响下，学习科学（Learning Sciences），这一与心智研究密切相关的领域，也同样经历着巨大的颠覆与重塑——从第一代符号加工范式到第二代具身认知范式，人们对学习的理解不再局限于个体的内部，而是将学习的过程作为个体与情境共同作用的结果。随后，教育神经科学（Educational Neuroscience）的出现将学习科学推进到了一个新阶段。通过认知神经科学的技术方法，尤其是将各类脑成像技术与行为研究相结合，科学家实现了将人类行为、认知功能和脑结构对应起来研究的梦想，也让人们对教与学过程有了重新认识。经过多年发展，教育神经科学已经在语言学习、数学学习、情绪发展等方面积累了丰硕的研究成果，未来也必将会成为变革教育的重要力量。

教育游戏（Educational Game），这一以“寓教于乐”为核心理念的新兴教学形式，近些年来逐渐受到了社会各界的关注与认可。截至目前，已经有大量的教育实证研究，证明了教育游戏对提高学业成绩的有效性，认为教育游戏可以激发学生的学习动机并促进学生高阶思维能力的发展。然而，由于学科壁垒的存在，教育神经科学中与学习相关的前沿知识，还未在教育游戏设计中得到广泛应用，教育游戏市场也因此良莠不齐，令人担忧。面对这一窘境，本文试图从教育游戏设计和数学学习出发，以《The Number Race》游戏为例，探讨如何有效地将教育神经科学的研究成果转化为教学实践中游戏设计方案，并以对教育游戏设计的未来发展提出了一些建议。

二、教育游戏的定义及现状

（一）概念辨析

教育游戏最早起源于20世纪80年代美国一些学者对电视游戏教育价值的研究。之后，随着电脑游戏的普及，教育游戏才逐渐为人所熟知，直到90年代后期，教育游戏的设计、开发和应用才受到社会各界的广泛关注。最近十年，随着“寓教于乐”观念的不断深入，教育游戏已经成为教育技术领域重要的研究方向——在新媒体联盟2011至2015年发布的《地平线报告》中，“基于游戏的学习”“游戏和游戏化”和“数字徽章”等一直被列为“未来会影响教育的新技术”，由此可见教育游戏的学术和市场价值。

在不同历史时期，一些与教育游戏概念类似的术语也同时存在着，如严肃游戏（Serious Games）、寓教于乐（Edutainment）和轻游戏（Light Games）。严肃游戏是视频和电脑游戏的一种，虽然具有游戏的外观与设计元素，但其目的并不是纯粹的娱乐，而是在为使用者提供一种游戏体验的同时，训练并教育使用者。寓教于乐有广义和狭义两种理解方式：在广义上是指“任何与教育相结合的娱乐形式”；在狭义上是指“面向幼儿和低年级儿童，依赖于多媒体视觉材料和叙事方式，以较少的说教形式，提供更多非正式学习机会”。轻游戏是针对教育游戏在课堂教学应用中遇到的诸多问题而提出的一种解决方案——游戏既要与课堂教学内容保持高度一致，又要具备游戏的一些核心特征，还要能很容易地应用在课堂教学环节中。与教育游戏关系密切的另一个关键词是游戏化学习（Game-based Learning），在教学实践中主要以两种形式存在：一种是在学习活动中应用游戏，即借助各类游戏辅助学生学习；另一种是将学习活动设计为游戏，即利用游戏化的元素将传统的学习活动转变为游戏活动。相比而言，游戏化学习重在强调学习方式，教育游戏重在强调游戏本身，是实现游戏化学习第一种形式的关键。

基于此，本文认为，教育游戏是指专门针对特定的教育教学目标而设计开发的游戏，它通过将教育性和游戏性结合在一起的方式来激发学习者的学习动机，提高学习的参与程度，从而实现让学习者在心流（Flow）的愉悦体验中达成既定的学习目标。根据游戏实现技术的不同，教育游戏大致可分为非电子的传统教育游戏和电子教育游戏两大类。本文关注的主要是电子教育游戏。

（二）现状与问题

事实上，教育游戏的实证研究已经十分普遍，其教育价值已经受到越来越多教师和家长的认可，也有越来越多的游戏公司开始关注教育游戏设计，如启点教育的《悟空识字》系列、葡萄科技的“葡萄探索号”系列，以及完美世界的《洪恩识字》系列等。研究表明，设计精良的教育游戏不仅能够激发学生学习的内在动机，还能更有效地培养学生的创造力和协作能力。根据内容和形式不同，教育游戏大致可分为三类（如下表所示）。

由于规则简单等特点，操练式的轻游戏已经成为课堂游戏的主流，但仍存在诸多问题，比如教育性和游戏性结合不紧密、与国家课程有些脱节等。此外，绝大多数操练式的轻游戏还存在一个严重的问题，那就是其“反复练习、以量取胜”的变相应试属性，这一现象在数学游戏中更加普遍。使用这类数学游戏，不仅不能激发学生的学习动机，还可能使学生采用错误的方法学习数学（如死记硬背），长此以往，将会阻碍学生真正数学能力的形成。因此，如何从根本上改变操练式轻游戏的应试属性，让学生更科学地学習和练习，值得深思。

三、教育神经科学的定义与内涵

（一）概念辨析

教育神经科学是将神经科学、心理学、教育学和机器学习整合起来，研究人类教育现象及其一般规律的新兴交叉学科，是一门新的学习科学（the New Science of Learning）。由于学科内涵的复杂性，世界上很多研究组织也使用其他术语来代指该学科，如“心智、脑与教育”（Mind，Brain and Education）、“神经教育学”（Neuroeducation）、“脑与学习”（Brain and Learning）等，但“教育神经科学”和“神经教育科学”在国际上具有更高的认可程度。

“教育神经科学”一词最早由美国哈佛大学Jeanne S.Chall和Allan F.Mirsky教授于1978年提出，目前已经被经济合作与发展组织（OECD）、联合国教科文组织（UNESCO）、美国国家教育研究学会（National Society for the Study of Education）、美国教育研究协会（AERA）、美国国家科学基金会（NSF）等权威机构广泛应用在学术期刊、国际会议和专业课程名称中。“神经教育学”一词在学界也颇具影响力——2017年4月27日，中国认知科学学会神经教育学分会成立大会暨首届学术研讨会在江苏南京举行，来自教育学、心理学、认知科学及人工智能等多个领域的近百位专家学者参加了大会，会议选举中国工程院院士、前教育部副部长韦钰任咨询委员会主任，东南大学生物科学与医学工程院院长顾忠泽教授任理事长，足见其重要性。相比而言，“教育神经科学”强调整合教育学的神经科学，更重视新的教育规律的发现，而“神经教育学”则更侧重将基础研究中发现的规律应用于解决教育的实际问题中。

虽然侧重点有所不同，但作为研究领域来看，两者的研究内容和方法并无本质差异，目前的学术刊物也经常将两者作为同义词使用，因此本文对二者不作区分。

（二）内涵与发展

教育神经科学的兴起，离不开20世纪90年代的“脑的十年”计划（Decade of the Brain），脑成像技术和认知神经科学的快速发展，使得从脑水平上研究学习过程成为可能。1999年OECD启动了“学习科学与脑科学研究”项目，为教育研究人员、教育决策专家和脑科学研究人员之间密切的跨学科合作架设起了桥梁；2003年11月“国际心智、脑与教育协会”（International Mind，Brain and Education Society）成立，成为促进认知科学与教育实践跨界合作的重要一步，由该协会主办的《Mind，Brain and Educmion》也于2007年正式创刊，成为该专业领域第一个SSCI学术刊物。之后，随着世界各国政府的重视和大力支持，教育神经科学相关的研究机构纷纷成立，如美国NSF斥巨资建立的6个学习科学中心（Science of Learning Center）；与此同时，国际知名大学也开始筹建教育神经科学相关的专业与实验室，如美国哈佛大学教育研究院的教育神经科学实验室、斯坦福大学的脑科学跨学科研究中心、英国牛津大学的心智的未来研究所、加拿大西蒙·弗雷泽大学的数学教育神经科学实验室等，我国也成立了包括北京师范大学脑与认知科学研究院、东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室、华东师范大学教育神经科学研究中心等在内的研究机构。

作为连接心智、脑与行为的桥梁，教育神经科学经过多年发展，其研究内容和方法体系逐渐成形。截至目前，教育神经科学的主要研究内容可以归纳为以下四类（1）脑的功能结构与发展研究，包括脑的主要结构和功能分区、脑的关键期和敏感期、脑的可塑性等；（2）语言学习研究，主要涉及语言功能的脑结构基础、语言发展的敏感期、脑的读写能力与发展性读写障碍等；（3）数学学习研究，主要包括数学能力的脑结构基础、婴儿计算和计算障碍等；（4）情绪发展研究，着重研究情绪对学习过程的作用，如情绪对注意力和问题解决能力的影响。在研究方法上，教育神经科学采用脑成像技术（如功能性磁共振技术fMRI、功能性近红外光谱技术（NIRS等）与行为研究相结合的方法，既使用认知神经科学的方法，在实验室里研究学习的基础机制、挖掘新的学习规律与知识，同时也注重使用行为测量的方法，在实际教学问题中开展转化和实践研究，为制定更有效的教育政策和实践方案提供科学依据。在未来，随着教育神经科学的研究成果在学校教育中更加深入地应用，与该领域相关的脑成像仪器和装备的研制也将会成为一个重要的研究内容，促使传统的教育测量与评价方法实现科学化与个性化的转变。

综上，脱胎于认知神经科学的教育神经科学，已经成为推动学习科学迈向发展新阶段的动力源泉。在超学科特征体系下，汇聚多方智慧的教育神经科学，势必会成为变革传统教育教学观念和方法的中坚力量，需要特别引起教育各从业者的关注。

四、数学学习的认知与脑研究

数学是研究数量关系和空间形式的科学，是人们参与现代生活的基本能力，也是教育神经科学的研究重点。在《义务教育数学课程标准（2011年版）》（以下简称《标准》）中，我国明确提出了学生应该具备的10个数学核心素养，分别是数感、符号意识、空间观念、几何直观、数据分析观念、运算能力、推理能力、模型思想、应用意识和创新意识。在《标准》规定的四部分课程内容中，“数与代数”是学生最先学习的模块，也是学生日常生活中应用最多的内容，涉及的核心数学素养主要有三个，即数感、符号意识和运算能力，这三个核心素养在数学认知与脑研究中对应的概念主要集中在数量加工能力。那么，大脑究竟是通过怎样的工作机制，来完成“数与代数”学习的呢？

（一）脑机制研究

与其他认知加工不同，数量加工能力是先天就有的，不具备语言能力的动物和人类婴儿在刚出生时便具有识别数量的能力（不超过4）。研究表明，老鼠、猴子等动物，在经过一系列有奖励的训练后，也能区分出数量的不同，甚至可以把阿拉伯数字与具体的物品数量联系在一起，而6个月大的人类婴儿也已经具有了基本的数量辨别能力。这些研究驳斥了以瑞士心理学家让·皮亚杰（Jean Piaget）为代表的经验学派的错误观点，即认为人类的数量概念并非天生就有的，而是建立在感覺经验基础之上的。

人类的数量加工能力主要来自于大脑的顶叶（Parietal Lobe），尤其是双侧顶内沟（Bilateral Intra-Parietal Sulcus）区域，这里是产生数感、进行符号（阿拉伯数字、言语数词）或非符号（如，点阵、实物集合）数量比较、完成计算等“数与代数”任务的核心区域。研究表明，正常人在数字识别、数量估计等数学任务中，大脑的顶内沟区域都出现了明显激活；计算障碍（Dyscalculia）患者，一般都会伴有顶叶的损伤、顶内沟灰质密度减少以及激活水平低于常人等问题，再次证明了双侧顶内沟区域是执行数量加工的关键。进一步研究还发现，左右顶叶在数量加工任务中所起的功能并不一样——右顶叶与理解基本数量概念的任务密切相关，如非符号的数量比较任务，以及只需要区分数量大小和关系的任务；当任务需要精确数量表征和更多操作步骤时，如数字比较和计算，左顶叶就会与右顶叶一起完成任务。此外，研究还发现，由于顶叶与空间认知能力也密切相关，人类对数量的表征和加工其实会受到心理数轴的影响——不同的数量在心理数轴上从左到右按照从小到大的顺序依次排开，这种数量与空间映射关系对人们的近似数量估计和比较会起到重要作用。

虽然，双侧顶内沟对数量加工能力起着至关重要的作用，但完成数量加工的相关任务并不是仅依靠顶叶。在要求更高复杂度和精确度的任务中，顶内沟还需要与其他脑区结构相互配合。在精确数量任务中，负责语言功能的脑区会显著激活，比如左外侧裂语言区（Left Perisylvian Language Areas，包括Broca区和Werniekes区）和左侧角回（Left Angular Gyrus），它们在需要语言参与的数学任务中，如数量命名、四则运算、计算知识的记忆和提取等，发挥着重要作用。额顶叶神经网络（Fronto-parietal Network）连接度的强弱和连接方式也会显著影响学生采用的数量加工的方法，比如母语是英文的人更多依赖语言功能，而母语是中文的人在完成同样任务时则会更多使用视觉空间能力（Visuo-spatial Processing）。此外，大脑边缘系统中的海马体（Hippocampus）在数量加工中也扮演重要角色，通过将常用的数学知识编码在长时记忆里，可以极大地减少执行任务时前额叶的工作量，从而优化解题策略、提升任务准确度。

可以说，数量加工的脑机制是由双侧顶内沟与其他相关脑区共同完成的。其中，双侧顶内沟是核心，是形成先天初始数量加工能力的基础；其他相关脑区是后天进一步学习和发展数量加工能力的关键。两者在“数与代数”学习中都十分重要，任何一个结构或连接出现损伤，都可能影响学生整体的数量加工能力。

（二）数量认知加工模型

构建数量认知加工过程的理论体系，是科学家们几十年来孜孜不倦的追求，期间曾提出了多种理论模型，如图表搜索理论模型（Table Search Theory）、网络提取理论模型（Network Retrieval Theory）、联结分布理论模型（Distribution of Association Theory）和McCloskey的抽象表征模型等。这些早期的理论模型虽然能解释数量认知加工中的某些问题，但却不能完全解释个体数量加工的脑机制特点。随着现代脑成像技术的发展，由Stanislas Dehaene教授提出的三重编码模型（Triple-code Model，简称TCM），取得了越来越多实验研究的支持，成为目前被广泛接受的理论模型。

三重编码模型（如下页图1所示）认为，数量认知加工能力的核心由三部分构成，每部分又分别与不同的编码类型对应。也就是说，大脑在完成数量加工任务时，会涉及三种不同的编码来表征数量，分别是模拟数量编码（Quantity System，数量的非言语符号编码，用以表征数量之间的大小和距离）、听觉言语编码（Verbal System，数量的言语编码，用数量词汇的发音和语义来表征数量，如中文里的“一、二、三”和英文里的“One、Two、Three”等）和视觉阿拉伯数字编码（Visual System，数量的数字符号编码，将数量按规则表征为一系列阿拉伯数字串）。

这三种数量编码需要不同的脑区功能参与：模拟数量编码主要由位于顶叶的双侧顶内沟参与完成，这里是产生数感的核心区域，是理解数量意义、执行数量比较和估算的关键；听觉言语编码需要外侧裂以及左侧角回的参与，左侧角回位于顶叶、枕叶和颞叶的联接区，在大脑语言加工中起着重要作用，可将数量以可听、可读和可写的文字形式表现出来，是执行精算、数数以及数学知识记忆和提取的重要结构，比如记忆乘法表等；视觉阿拉伯数字编码则依靠下顶——颞叶区和后上顶叶区，前者是感知和传达数字符号的关键，负责数字操作、奇偶判断等认知功能，后者是大脑完成视觉空间任务的核心区域，当进行数字的进退位加减法时，下顶叶会显著激活。

如前所述，数量加工任务的执行需要多个脑区协同参与。同样，这三种编码之间也是相互关联而非独立存在的，这一点在对计算障碍儿童展开大量研究后得以基本证实。研究发现，数量加工障碍的形成可能是由数字模块缺陷（The Defective Number Module Hypothesis）和数量通达缺陷（The Access Deficit Hypothesis）这两个主要原因引起：数字模块缺陷是指先天用来识别和加工基本数量的能力发展异常，导致理解数字概念和问题产生困难，即由双侧顶内沟发育缺陷导致的模拟数量编码出现异常；数量通达缺陷则是在数字符号与数量转化的过程中出现通达问题，即听觉言语编码和视觉阿拉伯数字编码在转化为模拟数量编码时出现问题，而非数字模块自身缺陷导致。

以上结果进一步说明，数量认知加工是一种十分综合的能力。要想提高这一能力，不仅要熟练掌握每一种数量表征编码，还要能流畅地在不同编码之间实现相互转换。

五、基于教育神经科学的數学游戏案例分析

The Number Race游戏是Stanislas Dehaene教授带领团队基于Java环境设计和开发的一款支持多平台运行的数学电子游戏，游戏第一以玩家和电脑之间的角色竞争为故事蓝本，不仅可以帮助计算障碍儿童，还可以促进早期正常儿童的数学学习。该游戏经过一年筹备，于2006年完成开发并实施了第一次教育实验研究，启动界面如图2所示。

该游戏的核心设计者Stanislas Dehaene教授是享誉全球的脑科学家。目前，他不仅是法国科学院院士、比利时皇家科学和艺术学院院士、美国科学院外籍院士、法兰西公学院（Coll e ge de France）教授、法国国家健康与医学研究院fINSERM）认知神经影像组主任，还担任了欧洲脑计划（EU Human Brain Project）中认知结构（Cognitive Architecture）大项目的负责人。早在1999年，Stanislas Dehaene教授就因在数学认知领域的杰出贡献，成为最早被授予杰姆斯·S·麦克唐奈基金会（James S.McDonnell Foundation）百年纪念奖的十名科学家之一。到了2014年，他又与另外两名教授一起被授予了有“神经科学领域的诺贝尔奖”之称的Brain Prize奖。Stanislas Dehaene教授的研究领域包括知觉、数学和阅读的脑认知机制，几十年来积累了众多高质量的学术成果，三重编码模型就是由他提出的。

根据三重编码模型，数学学习的核心是数量加工，数量加工障碍的形成主要由数字模块缺陷和数量通达缺陷两个原因引起。因此，The Number Race游戏的设计思路就沿着这两条线展开，一是针对数字模块缺陷，通过相关游戏任务设计，刺激学生双侧顶内沟的激活，从而提高学生的数感能力，即非符号的近似数量加工能力；二是针对数量通达缺陷，在数字模块缺陷游戏任务之后，刺激言语和视觉的相关脑区，帮助学生建立和巩固不同数量编码表征之间的联系。此外，该游戏还考虑了其他可以提高学生数学学习策略和动机问题。下面，本文将从以上三个方面出发，对The Number Raee的游戏设计进行剖析。

（一）针对数字模块缺陷的游戏任务设计

数字模块缺陷是引发数量加工障碍的首要因素，The Number Race也因此将提升儿童的数量表征能力或数感作为游戏设计的出发点。根据三重编码模型，人类最基础的数量加工能力就是非言语符号的近似数量加工能力，即便是后天学习言语符号的数量加工，也是以先天非言语符号为基础。在此理论的指导下，该游戏设计了两类游戏任务，以帮助学生弥补数感方面的不足，分别是数量比较任务和数量与空间的映射任务。

在数量比较的任务中，玩家需要做的是比较两堆宝藏的个数，并从中选择数量最多的一堆宝藏，而未选择的一堆则自动派给电脑玩家。这个任务主要是训练学生对非符号数量的加工能力，游戏中学生将主要根据呈现圆点的多少，来判断两堆宝藏数量的多与少（如图3所示）。为了让学生清楚地理解数量的多少与图形的大小并没有必然关系，因此在不同的数量比较任务里，游戏设计者既考虑到了圆点大小相同条件下的数量比较（如图3左所示），也考虑到了圆点大小不同条件下的数量比较（如图3右所示）。通过学生的反复练习，来提高他们的数感，同时消除之前对数量这一抽象概念可能有的错误认识。

在数量与空间的映射任务中，玩家需要做的是将获得的宝藏个数转化成相等数量的行动步数，并在一条从左向右的数轴赛道上，依次将玩家和电脑角色的行动步数映射到数轴赛道正确的格子里。如图4所示，玩家将获得的两个宝藏转化为两格行动步数，并从当前数轴赛道所在的位置开始向前移动两格到达本轮应到的位置。为了让学生在移动过程中更加明确每一步移动的数量意义，游戏设计者在呈現方式上采用了数量和空间数轴一一对应的方式（如图4左所示），而且还用醒目的红色在数轴赛道的下方标出在数轴赛道上移动的数量操作意义，即向前移动为加法，向后移动为减法（如图4右所示）。在这种不断的数量与空间数轴的映射训练中，非符号的数量操作的本质含义便会被学生逐渐理解和掌握。

（二）针对数量通达缺陷的游戏任务设计

接着，是对数量通达缺陷展开的游戏任务干预。同样根据三重编码模型，数量的不同编码间转换也会对数量加工能力产生重要影响，因此要强化学生对数量不同编码表征之间的联系。在The Number Race里，游戏设计者主要是通过两种方法，来帮助学生完成数量编码间的有效联结的：一个是在任务过程中，让学生渐渐地过渡到只根据数字符号来完成任务；另一个是在任务完成后，会同时呈现三种编码，来加强学生对同一数量不同编码的联系强度。

同样是数量比较任务（如图5所示），在游戏刚开始时，除了数字符号之外还会同时呈现相应数量的圆点来辅助玩家理解（如图5左所示）。随着游戏的推进，辅助玩家直观理解数量概念的圆点将会逐渐消失，只呈现数字符号让学生完成数量比较任务（如图5右所示）。这种渐进式的游戏任务设计，即符合人类数量加工能力的发展规律，同时也强化了非符号和符号数量表征之间的联结。

除了任务中的过渡设计，在玩家完成两类游戏任务后，也适时增加了强化数量不同编码方式间联结的机会。如图6所示，左边呈现是完成数量比较任务后的情形，这时游戏屏幕的上半部分不仅会显示由圆点代表的模拟数量编码和阿拉伯数字代表的视觉数字编码，而且玩家还能听到不同数量的单词发音，即听觉言语编码；同理，右边呈现的是数字与空间映射任务完成后的情景，在玩家和电脑角色在数轴赛道上移动的过程中，不仅有圆点与数轴赛道上数字的对应，而且每次移动格子的数量也会被玩家听到。这样就十分容易地在游戏任务中为玩家创造了多次编码间联结的练习机会。

（三）提高数学学习策略和动机的其他设计

除了三重编码模型外，该游戏也同时考虑了其他可以提高数学学习的设计，最为突出的两点是数学学习的策略与动机。

在数学学习策略方面，主要是让学生实现基本计算知识的概念化和自动化。对于基本的加减运算结果，学生除了要能完全理解计算的原理外，还要能渐渐熟练地记忆和提取常用的计算结果，从而用更高级的计算策略来替代低级的计算策略，如数手指。因此，游戏会在后期反复出现一些常用的加减法，并且增加时间指标，来帮助学生强化对这些计算结果的记忆精度和提取速度。如图7所示，左边表示在数量比较任务中，辅助玩家理解数量的圆点会逐渐消失；右边的顶部增加了倒计时进度条，表示玩家需要在规定时间内做出数量比较的选择，不然将由电脑角色先选。这些游戏元素的加入，迫使玩家在更短的时间内做出更准确的判断，因而有助于促进学生在理解的基础上，实现计算知识的概念化和自动化。

在强化数学学习动机方面，主要是为了让学生能持续地在游戏中学习，这不仅对于普通学生很重要，对于计算障碍儿童更为重要。该游戏采用的是创造高频率的正向奖励机制，来增加学生的学习动机，这也同时减轻了学生在游戏过程中的数学焦虑。为了实现这一目标，游戏专门设计了自适应算法，确保每个学生在面对游戏中的每一个任务时，正确解答的概率均保持在75%左右。该算法的核心是构建一个n维的问题空间模型，先根据每个游戏任务的难度将其与问题空间中的点相对应，再根据之前的游戏表现，确定玩家当前能力水平在问题空间中的位置，最后将两者比较以确定下一个游戏任务的具体难度和内容。

六、总结与建议

进入21世纪以来，日新月异的技术进步不仅冲击着人们传统的学习方式，也为人们深度思考与探索学习本质创造了新契机——伴随着教育神经科学的出现，教育科学化进程也将会迈入一个崭新的历史阶段。在新的教育研究理论和方法体系下，当前的教育游戏研究也应及时更新思路，从更高的站位设计教育性与游戏性，让学习真正变得科学又有趣。

The Number Race游戏在一开始就突破了传统课堂教学对教育游戏设计的束缚，真正从“人是如何学习的”这一根本问题出发，通过科学合理且层层递进的游戏任务设计，帮助学生在正确且适合自己的学习路径上，实现自身能力的提升。这种扎根于教育神经科学研究成果的教育游戏设计理念，是当前教育游戏设计中特别稀缺的要素，同时这也是教育游戏教育性的根本保障，必须引起相关研究者和从业人员的重视。从这方面看来，The Number Race这款游戏确实为新时代教育游戏的科学设计，提供了很多新的思路。或许，这将成为社会各界真正接受并认可教育游戏教育价值和效果的关键，因此本文提出以下建议：

（一）积极借鉴教育神经科学的相关研究成果

理论和方法的重大创新，往往都预示着新一轮领域变革的发生，对于教育也不例外。随着教育神经科学的兴起和不断渗透，基于脑科学的教育研究成果，将会成为决定未来教育发展方向的重要力量。在这种趋势下，教育游戏设计的理论基础也必将受到前所未有的冲击——人们不再会因为媒介形式的新颖而盲目追捧教育游戏，而会越来越多地关注教育游戏设计的科学性，比如，是否符合大脑的学习规律，是否真能激发大脑的学习动机等。就如The Number Race，游戏内容不再是传统题海战术式的随机计算练习，而是真的根据大脑学习数学的机制，通过科学设置的游戏任务，逐步引导学生有效地跨越学习障碍；再如，北京师范大学脑与数学认知实验室设计开发的《小猪收苹果》游戏，也是通过训练学生的数感来提高数学学业成绩的。目前，教育神经科学已经在阅读和数学学习上取得了诸多研究成果，如果能将这些成果合理地应用在语数外这三个传统重点学科的教育游戏设计中，势必会大幅提高当前教育游戏的科学性，并逐渐增强社会对教育游戏的信心，从而让教育游戏真正入驻教育实践，成为未来常规的学习与教学方式。

（二）大力推广教育游戏自适应关卡设计原则

随着社会物质财富的不断积累，整齐划一的学校教育体系越来越受到社会的诟病——以知识灌输为特征的教学形式逐渐被世人所摒弃，取而代之的，是以人为本的核心素养教育新理念，强调赋予每个学生个性化发展的权力。相比之下，教育游戏设计的主流理念依然是相对滞后的，绝大多数教育游戏的关卡设置是固定不变的。也就是说，虽然不同学生玩家通过每个关卡所使用的方法可能不尽相同，但他们所经历的关卡任务却是完全相同的，这显然无法满足不同能力水平的学生需要。在这一问题上，The Number Race为未来教育游戏的关卡设置提供了很好的设计思路，那就是采用弹性的自适应关卡设计。借助计算机的超级运算特性，拥有自适应关卡设计功能的教育游戏，可以迅速为不同能力起点的学生自动生成恰到好处的关卡任务，从而让不同能力起点的学生在游戏中都能获得最适合自己的游戏闯关路径，并最终实现更加平等的游戏教育结果。如果这种教育游戏形式得到普及，相信会惠及更多挣扎在学习困难边缘的孩子们。

（三）重视采集教育游戏中的学生行为大数据

精准的自适应关卡设计，离不开新一代人工智能技术对教育大数据的充分挖掘和学习。在软硬件技術飞速发展的年代，教育大数据的收集将不再局限于有限次数的纸笔测验，并且随着可穿戴设备的普及，数据的采集过程也将变得更加可信与多元。教育游戏，尤其是电子教育游戏，很好地继承了信息技术在数据采集和处理上的便捷，学生在游戏中的每一步操作都能被客观详实地记录下来，从而形成一个庞大的有关某个学习任务的学生行为数据库。并且，随着学生玩家的不断涌入，该数据库会不断得到更新。从某种程度上讲，这一数据持续积累的过程意义更大：一方面，相比于传统教育或心理学测试，学生在教育游戏中的行为数据可能更接近自身的真实水平；另一方面，教育游戏可以同步进行数据的记录与分析，这将大大提高数据应用的时效性和准确性。The Number Race游戏不仅涉及针对每个习题的难度系数计算，还会自动记录每个玩家的在全部游戏任务中的实际表现情况，使得更科学地为玩家呈现游戏任务成为了可能。因此，教育游戏要十分重视游戏过程中的行为数据采集，这将会成为未来教育个性化实施和过程性评价的重要环节。

（四）把握好教育游戏教育性和游戏性的平衡

教育游戏是兼具教育性和游戏性的一类特殊游戏，在设计过程中，既要分别考虑两种特性，还要做好两者间的融合与平衡。但是，当前市面上的大部分教育游戏都很难达到这一要求。在教育性上，很多教育游戏仅仅是将课本习题进行重新的美术包装，既没有重视将学习科学相关的理论融入到教育内容的设计上，也没有较清楚地定义教育游戏的使用场景，这就导致其在科学性和易用性上都比不上传统的教辅资料；在游戏性上，很多教育游戏仅是简单套用现成的游戏机制，并没有根据其游戏的教育内容对机制进行优化调整，导致游戏的趣味性无法像制作精良的商业游戏那样，能让学生玩家持续投入。从这两方面看，The Number Race在教育性上和游戏性上都有着更好地表现：第一，它突破了习题式的重复练习，学习科学中教育神经科学和大数据的加入，为游戏的科学性和有效性提供了保障；第二，游戏机制与学生的学习行为表现进行了深度融合，通过自适应关卡的设计，增强了学生玩家对游戏的控制感和兴奋感。但稍显遗憾的是，The Number Race游戏没有考虑课堂教学的使用情境，因此游戏内容更适合学生的课后学习。如果未来能与课堂教学计划一起通盘考虑，或将进一步拓展该教育游戏的适用范围，毕竟教师在教育游戏的应用闭环中扮演着重要的角色。

在国家全面深化教育综合改革的背景下，教育信息化已经成为解决教育改革“深水区”难题的重要途径和方法。教育游戏作为教育信息化时代下的一种新型教育资源，其科学性、趣味性和有效性的实现，不仅需要传统教育工作者和游戏设计师的合作，还需要借助其他新兴学科的智慧和力量，尤其是教育神经科学和人工智能、大数据的理论与技术成果。相信，在不断实现教育性和游戏性平衡的未来，教育游戏必将成为变革教育生态的重要力量。