多视点碎片知识封装式游戏化教学结构设计——以汽车课程教学为例

李小平，张 洁，赵丰年，王正宏，史 彦

（北京理工大学 教育技术研究所，北京 100081）

游戏化即使用基于游戏的机制、美学和游戏思想来吸引用户、激励行为、促进学习和解决问题[1]。学习者不是通过玩游戏学习，而是像玩游戏一样学习教学内容。游戏化设计的目的是服务于学习者，让学习者获得更好的学习体验，有更好的学习效果[2]。

汽车游戏化教学是在多学科（包括汽车专业学、网络影视课程理论、课程编导理论、自我决定理论、沉浸理论和情境学习理论等）和现代信息技术整合的基础上，完成了学习环境设计，构建出一种新型的教学设计模式，让学习者对汽车自动变速器及发动机的基本概念、基本理论和基本方法有比较系统的认识和正确的理解。在自动变速器及发动机原理与维修课程的各个教学环节中，注重培养学习者的工程实践能力和解决现场实际问题的能力。该设计适用于发展学习者的高阶思维和实践能力，为教学设计研究提供一种新颖的思维框架，为工科专业的教学奠定“游戏化”方面的理论基础。

汽车游戏化教学设计是将游戏的元素和基本原理与汽车教育教学巧妙融合的过程，整个设计过程从工科的设计角度出发，用叙事编导方法实现了工科问题文科化、文科问题戏剧化、戏剧问题空间化的设计理念，对教学思维转换、多视点设计、封装结构叙事设计、多视点下的游戏空间设计以及封装式导航设计、工科下的叙事结构多视点问题设计以及各种漫游导航等问题进行了研究，并在此基础上实现了以多视点下的碎片知识和实验的封装组合为基础架构的设计。

一、汽车游戏化教学思维转换问题的研究

汽车课程教学属于工科范畴教学课程，工科课程具有系统化、体系化非常强的特点，如果要把工科性质的课程进行游戏化教学设计，首先就要考虑到该课程既要体现工科的特性，又要体现自由的、公平的、有趣味性的游戏特性，这就要求设计者必须要找到一个行之有效的教学转换方法和表现体系来完成汽车课程向漫游式的、随时可以获得体验和理解的、带有主观判断分析的、实操能力体验的游戏化教学体验课程的转换设计。从关系上来看，传统教学是一个母体形式，汽车游戏教学是一个新的体系，它通过采用新技术来改造传统方式，对知识点进行重新构造，实现形态转换，是一个脱基因的过程，更换了传统的表现形式，承载了一种全新的表现形态。

汽车游戏化教学是让学习者在空间体验中完成知识获得的过程和建构自己知识体系的过程，是一种新的教学意识形态在专业课程问题的体现，为此本文提出了在新的维度基础上思维转换研究和相应的汽车游戏教学特有的思维体系的研究，为后续结构化设计问题奠定思维基础。

1.教学形态转换

汽车游戏教学的目标集中在以学习者为核心，并在此基础上把所有相关的教学问题设计融入到空间元素和关系中，以实现让学习者在漫游体验过程中产生思想激辩。汽车游戏教学设计中，学习者作为知识的体验者在知识本体中存在，学习者在知识漫游中产生动态转变，从而引发了教学形态的转换。教师的意志和学习者的体验进行融合性转换，把传统学习告诉你什么是知识转换成让学习者通过交互体验感受出知识，使其在自己知识技能的基础上构建自己的知识体系[3]。

2.教学方法转换

汽车游戏化教学设计采用以问题为导向，以碎片知识点的封装进行教学，实现了教学方法的转换。在汽车游戏教学中，允许学习者在虚拟环境中进行各种破坏和建构，让学习者能够开阔眼界、体验失败与成功和探索各种可能性，在这一过程中，学习者能够得到认知启发。将一个复杂的文字机械表述转换为具有可视化、可交互和多任务形式的空间转化。教学的叙事方法转换成游戏的叙事，叙事充满戏剧性的对抗、戏剧性的冲突、矛盾体的凸显和问题的约束，带有强烈的戏剧性冲突和信息不平衡所带来的填空的满足。将知识的记忆转换为知识游戏反复动作的过程，将知识的理解过程转换为实验观测和动手实验的过程。

3.教学评价分析转换

学习者在汽车游戏化学习空间内留下了丰富的学习痕迹，如学习者在该过程中的选择路径、每个问题停留的时间、学习的动作及对错等，事后系统将采用大数据技术挖掘他们的轨迹和记录，总结出更适合学习者的空间和导航，找出与能力提升有关的内在关系。

4.工程到教学的思维转换

完成从工程到游戏教学思维的转换，将工程师的系统思维进行分解，转向为碎片化的独立教学最小单元和故障基础单元。通过游戏教学策略设计组成不同视点的逻辑学习子网络系统，从工程系统、技术改进和车型改造工程师的技术视点转向为学习者体验的视点，实现工程问题文科化、文科问题戏剧化、戏剧问题空间化的转换型设计。

5.线索思维的转换

汽车游戏学习系统设计的最大特点是探究、揭秘、查找问题根源和寻求解决问题的路径。毫无疑问，线索思维引发的问题设计就成为系统设计的思想核心。本研究推出了汽车游戏故事叙事和知识阐述之间的转换，即将汽车的知识单元与技能单元相结合，通过路径规划，构成相应的故事空间，构成富有动作内容讲解与技能动作组合空间，构成悬念填空等知识叙事空间。提出故障知识系列讲解转换为线索表述，提出单、双向逻辑推理线路，例如：变速器故障树，从问题现象找故障的设计和根据问题部件找现象的搜索树的设计。

二、多视点下游戏化结构设计的研究

自我决定理论认为，内部动机的产生来源于个体内部心理需要[4]，人们一般更倾向于追求满足内部需要的行为和活动，尤其是自主的需求[5]，而自主需要的满足很大一部分原因是学习者在游戏中有充分的选择权，所以对我们游戏化结构设计的启示就是设计中要满足不同人群的需要，提供多种选择，设计多个视点，给出多条路径，学习者可以依据个人喜好或需求进行学习，从而激发学习者的学习动机，这也是学习者体验汽车游戏化的核心动机。

图1 不同视点方向逻辑学习子网络图

汽车游戏化教学设计是以需求为导向，设计目标包含了多种人群，比如4S 店的排故人员、课程专业学习人员、感兴趣的考证人员以及驾驶人员等，不同人群的学习动机是不同的，这样的需求多方向的结果就是教学设计的视点多方面，本系统设计的不同视点方向逻辑学习子网络包含能力视点、扩展视点、线索视点、单故障点视点、单知识点视点、系统学习视点和排故视点。不同视点利用碎片知识和碎片实验的组合封装完成了各种逻辑学习子网络的设计，将系统知识拆装成最小的教学单元，满足不同人群具体的学习需求（如图1 所示）。

为了满足不同人群的需求，激发其学习动机，我们设计不同视点方向的逻辑学习子网络，为了实现这一设计，有效的方法就是碎片知识和碎片实验的组合，即最小教学单元封装设计。碎片知识的组合构成了多问题的可能性，一个很小知识点的学习过程，学习者同时能够实现知识的记忆和运用，知识点经过不断的组合，学习者兴趣点不断获得扩展。汽车游戏实验不同于其他专业实验，该课程设计的目的是能够满足专业人员以及非专业人员的学习需求，以此建立的教学系统既有专业关注度，又有修车视点度，此外还包括考证系统。最小教学单元封装设计包含了故障导航、知识导航、游戏漫游导航、二次碎片知识组合升华、兴奋转折点的设计等类别的学习和组合学习。由于碎片知识点有不同的组合和路径的分配，整个知识布局充满了悬念、填空和陷阱，体现了对课程编导理论的应用（如图2 所示）。

图2 最小教学单元封装设计图

根据最小单元封装结构设计的提出，我们给出了以下设计思路：整个设计思路从获取课程知识点、系统案例开始，之后对获取的内容进行分解，从中提取出最小知识单元、故障单元，然后对碎片知识体和故障体进行封装和组合，以构造兴奋点、转折点为目标，以最近取得的成绩为最小鼓励单元进行最小游戏单元的设计，根据教学策略，以最小游戏单元为叶节点组建各个分类学习子网络，以需求为目标在分类学习子网络的基础上，以线索为主线进行导航设计，以沉浸理论为设计目标、根据能力提升需求和学习轨迹成绩数据统计进行游戏空间的课程编导设计，之后进行游戏空间与游戏组合元素的设计，最后完成能力提升与游戏的再设计。整个过程反映了系统化的工科课程如何转换为游戏化的设计思想，其封装的最小单元也是游戏化教学中具有揭秘、惊奇的重要游戏元素（如图3 所示）。

图3 多视点封装设计路线图

三、封装结构下叙事设计问题的研究

沉浸理论指的是体验者完全沉浸在某一活动时获得的满足和享受状态[6]，是游戏设计中非常重要的理论基础，应用沉浸理论到汽车游戏化结构设计中，应该考虑的问题是如何让学习者在学习过程中产生沉浸体验，多维、非线性的交叉组合叙事化设计就显得尤为重要，学习者可以构造个性化的游戏情节，掌控属于自己的节拍，从而获得沉浸体验，增加学习者的忠诚度[7]。

游戏化叙事设计是在专业语言模块和空间推理模块的结合下产生的，具有戏剧化的效应，不管是虚构的还是真实的，都包含了情感、神秘、紧张和高潮。游戏化叙事设计形成了一种逻辑架构，有助于将内容联系起来，因而有助于自然记忆。游戏化叙事的本质要素包括健壮的结构、人物、冲突、陷阱、选择和场面[8]。游戏化教学从故事的角度可以看作是一种互动叙事：一种发生在多个活跃主体之间的循环过程，各方在此过程中交替倾听、思考和发言，形成某种形式的对话。以特定的方式具备了某种参与性，不管是直接激发学习者的情感，还是促使学习者进一步解读作品本身，游戏化教学本身的内涵也应随着学习者的反复检视而加深。

游戏化教学中的交互式叙事可以看成以下过程：教师与学习者进行对话，从其提问和反应中推测出学习者的知识网络，辨识出其中有问题的知识节点或权重关系，然后有的放矢，引导学习者修正其知识网络，开始时学习者通常会抵触教师的修正，但最终随着对话的深入，学习者的知识网络得到修正，在彻底领悟的那一刻发出“原来如此”的感叹，达到戏剧化的情感释放效果。

本设计采用了以碎片知识和碎片实验封装式的最小教学单元为设计基础，采用了内容讲解、故事叙事、空间体验相互交互的设计思想，使得每一个教学单元内容在相对独立的基础上叙事、体验效应更为有效，真正实现了理论与实践相结合、内容与操作相结合、理解与观摩相结合、分析与故障判断相结合以及技能与知识相结合，实现了所见即所得的学习体验。在封装结构的叙事设计过程中，其中故事情节设计要注意以下几点：符合客观实际和人的认知规律，满足学习者的学习需要，充满矛盾和冲突，激发学习者学习积极性。

整个叙事化设计从三个视点方向分别设计。游戏视点：拟人设计、蒙太奇设计、特写设计、空间转换设计、空间过程设计等，以此推出了教学视点：以故障判断的叙事、知识或技能的叙事，以第一人称空间操作的构建叙事、事件叙事、扩展性叙事。汽车游戏设计视点含义较为宽泛，从教学观测视点设计、工程视点观测、技师视点操控、综合应用等情景设计、走廊漫游叙事情节设计、汽车展厅情节设计、系列车型故障内容设计、导航系列线索型设计，所有的视点设计都是围绕教学知识体验和能力提升的总目标展开（如图4 所示）。

图4 封装结构下的叙事设计图

课程编导理论继承了影视艺术的元素和特性，同时又将教育的思想有机融合，是一种全新的教学模式和思维[9]。本设计中每个教学单元都充分运用了课程编导论的叙事结构，利用编导技巧中的兴奋点和转折点、冲突、悬念以及陷阱策略技巧，充分发挥艺术的魅力，使叙事设计更加生动有吸引力。

1.兴奋点和转折点设计

为保证学习效果，游戏教学设计需要不断提升学习者的兴奋度，不断通过空间内各元素之间的变化等提高学习者的关注度和新鲜度。汽车游戏学习设计坚持2 分钟一个兴奋点，15 分钟一个转折点，通过多条叙事线来回切换，学习者的注意力不断被吸引，同时不同的叙事分支之间都存在冲突和矛盾设计，每个镜头的切换和空间闯关设计都设计了非常强的转折点。

2.冲突设计

汽车游戏化学习的设计充满了知识和本体之间的矛盾和冲突，本体知识和外体知识的冲突以及技能和现象的冲突等，通过使用冲突手段完成技能和知识的运用过程，将知识疑惑和错误等路径设计转换为游戏路径分支设计和关键元素设计，将冲突强度设计建构为超越自身极限的设计。汽车游戏设计实现了以下冲突思维设计：①知识与空间的冲突设计；②技能水平与实际排故的冲突；③实际环境与虚拟环境的冲突，给出有效的比对方法（给出三维实现原理操作与实际录像实验同步的例子，说明形象思维与逻辑思维同步的教学理念）；④错误操作与正确操作的冲突；⑤主观判断故障与客观直接的冲突；⑥知识学习与故障学习的冲突；⑦传统考核与能力提升的冲突；⑧传统学习、综合体验、就业指导、证书获取、等级提升等多种教学型态的冲突；⑨影视课程编导与游戏空间混合编导冲突等。

3.悬念设计

汽车游戏化设计推动了教学叙事的发展，悬念设计是知识探险和诱导学习者深入学习的有效途径，悬念解惑的过程就是知识掌握和能力提升的过程。汽车游戏悬念的设计体现在问题导向的探索、探究性揭秘、导航分支判断以及逻辑故障点的排除等方面。

4.3W 陷阱策略设计

3W（when、where、why）是制造信息不平衡的教学编导手法，利用施教者和受教者在环境和信息上的不平衡完成心理教学设计，在汽车游戏叙事设计中起到了问题心理诱导的作用。在汽车游戏教学中，无时无刻不体现陷阱的存在和信息的不平衡，如变速器从现象找问题部件的视点设计，就是通过各个节点设计和网络架构设计进行逻辑推理：哪个部件能造成这个现象?在什么情况下发生的？什么样的前期现象和组合现象会导致部件的损坏？等等。在相关知识点处设置陷阱，让学习者通过线索分析确定故障定位，并通过叶节点的讲解得出问题的答案完成学习的过程。

四、多视点下的空间设计问题的研究

情境学习理论认为“知识具有情境性”[10]，人在情境中获得的知识更容易生成真正属于自己的认知建构，“学习是情境性的活动”[10]，知识和技能的获得应当置于一个真实度较高的情境中[11]，换言之，在情境中运用所学知识，概念、原理、能力等内容的学习是不可能脱离真实活动的。空间作为游戏化学习情境，能力与空间的关系、空间类型的划分、专业方向空间设计的对应关系以及承载的基础最小单元设计等构造了系统空间对应设计结构，是汽车游戏化教学结构化设计中一个重要的研究问题。

汽车游戏空间由实际空间、问题构造空间、问题想象空间、虚拟分解空间、虚拟拆装空间、原理型空间、路径空间和路径叶结点课程资源空间等几种类型空间构成。每个空间在设计目标、核心空间及核心元素组合设计上均非常明确。整体设计基础是以最小问题单元进行划分设计的，每个设计都有非常明确的组合元素体、矛盾元素体、约束规则、工序规则和情感规则。

汽车游戏化教学的最终目的是实现学习者的能力提升，因此，空间设计作为游戏教学结构化设计的重要组成部分，要承担起此任务的重任。本文对汽车游戏化教学能力提升结构设计进行了研究，该设计以教学能力提升为设计目标，进行汽车体验模式层设计，包括观察、学习、解析、性能、技能；进行了空间表现层设计，包括仿真实验、虚拟排故实验、课程资源、解析实验、原理实验、拆装实验设计；进行了专业层的设计以及最小教学单元层的设计，将能力提升与设计方向进行了界定（如图5所示）。

图5 汽车游戏教学能力提升结构设计图

1.车辆性能原理实验

空间的内容一定是围绕着中心知识点或技能讲解进行设置的，其中的元素作为问题的组合或分解，按照剧情进行拟人化或者机械动作的展示。空间中每一个性能原理实验都隐含着解决相关原理问题的方法、技能、知识点和故障应对措施。该类型的实验通过使用编导技术展开以故障为主线的叙事设计：以问题为导向的故障回忆镜头特写，以矛盾冲突的问题优先性进行内容移情设计，以探究的教学方法设置问题陷阱和误会陷阱，通过旁白解说引导学习者意识转移，展开逐级陷阱的引入和走出等。学习者在该过程中豁然开朗得到相关问题的解答，产生问题解决的满足感。

2.解析、观察仿真实验

空间是以部件解析、故障解析、工序解析为核心，所以制作的形式可以是视频形式也可以是二维动画形式。制作的关键因素是找好解析切入点，即找出问题讲解的关键点。汽车的解析必须知道各类体验学习人员的需求，是原理性了解、技能上掌握，还是关键部件拆装的熟练把握？这样才能进行有选择的步骤分解和知识的逐级讲解。在本汽车游戏教学中针对不同的对象设置了不同的解析实验，其叙事节拍按照不同受众人员自身的经验知识背景进行设计。

3.技能拆装实验

技能拆装实验是一个交互性的过程，实验中汽车元素与实验者发生交互产生相应的反应和现象，从而产生问题现象的延续、转折和巨变。拆装实验充满着元素之间的排斥和顺应，存在工具与元素的冲突、拆装工序与实际操作顺序的冲突、知识与技能的冲突。学习者在整个拆装实验操作过程中，在无人指导下进行探究性动作，其陷阱包含：这里能否下手，用什么工具下手，拆下来东西放哪儿，没有合适的工具怎么办，等等。工具元素虽然是动作的被施加者，但是它有着自己机械元素的特性、排他性和关联性，有自己的动作规范和约束，学习者无法打破这个规则约束，如什么样的套接工具可以拆装什么样的元素等。

在拆装的过程中，学习者是以第一人称第一视点进行操控，协作方是工具元素，对立方是汽车发动机或者变速器，他的目标是通过特定车型（如丰田系列）拆装更加深刻地掌握发动机变速箱的结构、原理以及工艺流程等，在自己经验知识技能的基础上举一反三，构建自己特有的通用拆装技能知识体系。拆装的反方是问题的聚焦点，随着操作聚焦点的出现，虽然没有视频特写描述细节内容，但整体聚焦度随着工具的贴近进行局部放大，以此取代第一人称的观察视角。整体的操作观测角度设计应该符合发动机或变速器的专业视角和逻辑惯性，符合工程技术人员的惯性思维，但在实验中允许探究性操作和误会操作，系统设计的反应机制和约束机制也会有所提示和警告。

汽车拆装游戏化实验是一个具有触发式剧情场景的设计，是在触发机制约束下的对抗性智能行为现象，是专家系统应用的典范。其范式是：IF 条件THEN 动作，比如IF 工具与元素对接THEN 移动部件动作产生。这个系统是在触发机制场景遍历树下进行设计完成，系统设计架构图如图6 所示。

系统构造如下：①基础层是由行为规范库、条件约束库、场景（动作）库、元素库、工具库构成，是整个拆装动作的素材基础、判别基础和动作基础；②机制层：智能专家推导系统、行为解析系统、条件触发场景（动作）搜索网络，负责分析体验者动作、判断工具与元素的对接位置以及工具型号符不符合拆卸的条件；③操作层：给出拆装的体验者、拆卸对象、协作工具；④动作层：进行条件触发，并激发动作场景。

图6 汽车拆装系统设计架构图

4.虚拟排故实验

该设计主要通过虚拟问题故障场景，依托真实情境仿真故障并展示，从实现的技术和构思上体现出了虚拟现实相结合的概念。本排故实验涉及汽车的全套实验，包含工程环境、原理实验、排故仪器检测、二维仿真环境和操控环境。系统构造与汽车拆装雷同，只是条件触发有所变化，操作动作对象不同，其技能度要求比汽车拆装技能要求低，观察效应比汽车涵盖范围要高，专业知识要求更广，联想度要高，要求一个实验要同时在原理理解上、结构构造上、故障引发上、排除方法上以及检测故障点上都有明确的形象化展现，都有明确的线索和答案。

五、导航路径设计的研究

将系统的工科设计转换为游戏教学设计的难点和重点就是：如何将系统的教学体系按照不同的视点进行分类组合交织，如何在游戏的特性下能让学习者不但能漫游到所有知识点和故障点，而且问题还能以专业或者游戏的思维引出，即在寻找知识或判断故障的路径中就要充满冲突、填空、揭秘、选择等系列的游戏设计方法，而且构造的形式和逻辑要符合专业认知规律和玩家的心理。这样封装式导航路径设计就构造了以大视点为基础的、以路径为问题引出的、以最小教学单元为解惑体验结点的自系统，整个路径的设计体现了问题和问题、知识和知识之间的关系，学习者在整个路径引导的游戏过程中获得漫游、探究、体验、判断、被误会等系列的体验内容。

路径叶结点课程资源设计是汽车游戏化设计的特型化设计，与其他的集中式课程资源有非常大的区别，该设计以问题最小单元为出发点，以解决故障问题为导向，进行知识点和故障排故点的融合教学，学习者在学习空间内边探索边实践，没有固定的学习模式，学习者可以根据故障视点路径进行探究性学习，可以根据某一个知识点进行试验性学习，也可以根据排故实验进行前导性学习。整体资源设计不仅包括录课视频、动画资源等，更包括各种视点的漫游路径和分支判断组合路径，学习者经过问题的判断打开对应叶结点课程资源讲解，完成对知识的学习过程。

封装式导航路径设计充分体现了游戏的本质和专业背景导向，设计包含系统漫游型导航、以知识点为基础的导航、以故障为基础的导航、以实习实训为教学的解析导航、以观察目标的仿真导航、以技能为基础的拆装实验导航和以拓展知识空间的名车导航等。游戏教学中教师要将问题按照主题故事的要素设计空间环境和元素，并根据空间环境和元素设计学习导航。导航的设计要根据学习者的能力水平设置，能够贯彻教师的意志和要求，让学习者根据自身需要，规划自己的学习路径。导航既能体现教学的主体内容和主线活动，又能够让学习者完成对知识的探索，该学习导航具有智能性。

图7 列举了汽车学习中的发动机课程学习视点，该课程的导航设计分为章节导航、知识点导航和故障引发学习导航。其中章节导航是按照传统的学习思路，包含了问题引入、学习指导、内容精讲、实操技能、总结评价和知识能力拓展，该导航是为了课程专业学习人员而设计的；知识点导航设计如图8 所示，按照发动机本身的构造系统以知识点为导航进行设计，比如曲柄连杆机构、配气机、燃料供应系统、冷却系等，适合有一定相关知识和技能经验的学习者或者考证人员使用；故障引发学习导航则是根据汽车各个系统可能引发的故障为索引进行设计的，比如进气系统、点火系统、燃油系统和排放控制系统等，并以此设计了故障树框架，方便排故人员的使用学习。

图7 发动机课程学习视点设计图

图8 发动机知识导航学习设计图

本文提出的结构性设计方法对工科课程游戏化有一定的实用性和普遍性，以最小单元为基础的封装设计结构为系统视点的任意扩展和组合提供了可能性，以路径和叶结点组成的故事叙事更加扩展了空间叙事张力，为学习者构建自己的知识体系提供了良好的学习体验空间。