基于费曼学习法理念的开放式教育游戏平台的设计及在形态学课程教学中的应用

毛瑞雪 林方兴 雷长海△

（海军军医大学，1 卫生勤务学系海军卫生信息中心，2 基础医学院生物物理学教研室，上海 200433）

传统教学模式因课程学时有限，内容繁多等原因，学生常常出现学习动力不足，学习效率低下的情况。孔子在《论语·雍也》中说，“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”兴趣是激励学习的最好老师。在“以教师为主导、以学生为主体”的新型教学模式下，“乐学”的重要形式“游戏化学习”在学科教学和人才培养中受到日益广泛的重视[1-2]。近年来，国内外学者对于游戏化学习在游戏的设计与开发、游戏的教育应用和游戏的教育评估等方面开展了丰富的研究[3]。但是也有学者指出，游戏化学习面临多个问题。首先，教育游戏要将教育性和娱乐性融为一体。这就要求在游戏设计之初，设计者要充分考虑到学习者的年龄、性别、性格、认知等特点，但很难达到预期效果。其次，教育游戏开发与测试的项目周期长，不仅要求有熟练的编程技巧，还要熟练掌握相关学科知识。另外，传统的“玩物丧志”观念也限制了教育游戏的普及。深入分析这些问题背后的原因，主要在于学习者与游戏制作者这两种角色的割裂，这可能是目前影响教育游戏效果的最核心的瓶颈。如果能让学习者成为游戏的制作者，将实现玩与做、教与学的统一，或可成为解决教育游戏所面临的困境的有效手段之一。鉴于此，本研究介绍了一种基于费曼学习法理念进行的自主共享的拼图类教育游戏平台的设计与实现方法，目的是利用该平台学习者可以成为拼图游戏的开发制作者，即学习者可以自主选择内容，方便地制作拼图游戏关卡，通过与同伴共享，从而在游戏的设计、制作与玩耍过程中帮助学习者加深概念学习和知识理解，并丰富线上线下混合式教学的方法体系，为解决游戏化学习所面临的困境提供一种有效的手段，也为教育游戏资源的开发提供一定的参考。

1 平台设计理念

费曼学习法也称费曼技巧，由著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者理查德·费曼提出，是一种以教促学的学习方式，强调学习者通过扮演教育者的角色完成学习，其核心要义是把自己正在学的东西教给其他人，并且要千方百计地让其他人学会。通过“讲授”来验证和巩固自身学习成果的同时，也实现了知识或技能的迁移与应用[4-5]。

同样，如果游戏的使用者（即学习者）可以成为教育游戏的开发制作者，那么他所设计出来的游戏不仅符合学习者的年龄和认知等特点，还会在游戏设计、制作的过程帮助其进一步加深游戏所涉及知识的学习和理解，并可通过在朋辈中分享自制的游戏过程中收获更大的成就感，激发学习和创造的激情。

基于费曼学习法的理论，开放式教育游戏平台的核心要义在于“开放”，其设计理念定位为“自主”和“共享”。其中，“自主”是指通过提供通用制作平台和可复用的元件，降低游戏开发门槛，只需若干步标准化流程即可完成游戏项目的制作；“共享”着眼于所完成的游戏项目可以独立于开发平台，只需要通过简单的操作（如复制文件夹、网站下载、APP推送等方式），就可以让其他人也可以享有该游戏项目。

2 设计与实现

2.1 游戏类型选择

拼图游戏是一种广受欢迎的智力游戏，它变化多端，每一片的单片都有它自己的位置，放对了，局面就慢慢明朗而又丰富起来，而放错了，拼图无法完整。这种游戏形式可以帮助学习者理解系统的组成、整体与个体的关系、记忆空间位置以及相互之间的关联等，对提高学生对知识的理解和掌握起着重要的作用[6]。在数学、地理等初、中等教育学科的教学中得到广泛使用[7-10]。近年来，一些高等院校的教育学者也将拼图游戏引入课堂，在包括断层解剖学[11-12]、机械与电气识图[13]等学科的教学中加以应用，并通过实证研究证明了该游戏方法可以有效激发学生学习的积极性，快速提高学生的学习能力，增强学生对理论知识的记忆力，还能达到自主学习的目的。还有研究者在开放教育领域做了有益的探索，通过设计和实现了将中国古诗歌与排序拼图游戏结合在一起的widget应用，使人们在娱乐的过程中学习中国传统文化[14]。

基于拼图游戏的学科适用性、规则简单性和玩法单一性等特点，本研究以拼图游戏为开发对象，建立了普通学习者可以自己设计游戏关卡的开放式教育游戏平台。

2.2 模式与功能

平台的主要模块包括游戏运行模块、资源管理模块、元素制作模块和评价反馈模块4个部分。系统设计如图1所示，并基于Python3.6 语言环境完成功能开发。

图1 系统设计图

2.2.1 游戏运行模块 游戏运行模块主要实现关卡模式设定及关卡中拼图元素的拖曳和位置判定。该游戏平台设计了两种关卡呈现模式。一是随机关卡模式，该模式主要体现游戏的趣味性。在游戏开始时，将读取所有子文件夹名称（每个子文件夹为一个游戏关卡），形成关卡列表，并使用当前时间作为随机数种子（random seed），生成随机数列，通过对关卡列表元素的赋值，实现关卡随机呈现。第二种模式是设定顺序的关卡模式，这种关卡模式是为了满足某些学习内容循序渐进的教学特色，并以游戏的渐进性加以体现。在该模式下，游戏开始时，将从配置文件夹中读取关卡顺序，并按预先设定的顺序逐一呈现。

当前采取何种模式可在游戏的配置文件中进行修改。每个关卡所使用的拼图元素出现模式也是随机和设定两种形式，实现方法同关卡设定。在具体游戏运行中，某拼图元素是否完成，是通过读取拼图元素的当前位置坐标与配置文件中预先标定的最终完成位置信息进行比对，如果两者的相差范围在设定的误差阈值内，则标志该元素拼图完成，并予以提示，否则为未完成状态。

2.2.2 资源管理模块 资源管理模块是实现该游戏平台开放性的核心。为实现用户自制拼图游戏的“自主”性，设计了文件夹模式的资源管理模式，即将每个文件夹设定为一个拼图游戏关卡。文件夹的名称即为关卡名称，该名称将在游戏运行中读取并作为参数传递，在游戏过程中呈现。基于这种游戏资源管理模式，实现了所制作的游戏关卡独立于开发平台，只需要通过复制文件夹的操作，就可以与他人分享自己设计的拼图游戏。为实现“自主”性，将游戏所必需的通用资源，包括启动界面，过关界面、通关界面、正确拼图及错误拼图提示音等存入公共文件夹中，并以文本格式的配置文件形式对资源进行定义和描述，用户可以通过修改配置文件实现对游戏标题、制作人、背景、音效等游戏通用元素的自主设置。

2.2.3 元素制作模块 元素制作模块是该游戏平台“通用”性的体现，通过交互化手段实现拼图元素的制作，从而降低游戏开发门槛，其核心功能包括拼图元素分割和元素位置标定。

拼图元素分割功能主要实现以交互式手段从用户提供的最终完成的拼图中分割出所需的拼图元素。使用Python语言用于数字图像处理的scikit-image包进行开发，采用随机游走算法进行交互式图像分割。基本分割思想是以图像的像素为图的顶点，相邻像素之间的四邻域或八邻域关系为图的边，并根据像素属性及相邻像素之间特征的相似性定义图中各边的权值，以此构建网络图，然后由通过用户手工指定前景和背景标记，即前景物体和背景物体的种子像素，以边上的权重为转移概率，未标记像素节点为初始点，计算每个未标记节点首次到达各种子像素的概率，根据概率大小，划分未标记节点，得到最终分割结果。然后将分割图像保存至关卡目录中。分割界面如图2所示。另外，该游戏平台也接受用户利用Photoshop等图像处理软件所制作的拼图元素图。

图2 随机游走算法进行交互式图像分割

元素位置标定功能实现对每个拼图元素在最终完成图中的位置信息。具体实现方法是通过在控制台显示鼠标拖曳拼图元素时的实时位置，在到达目标位置后以按键方式确认完成。标定结果以文本格式的配置文件形式保存在关卡目录中，每行为一个元素的标定位置。

具体格式为：“元素文件名[空格]X坐标[空格]Y坐标”。

2.2.4 评价反馈模块 该拼图游戏平台对具体某个游戏关卡的评价是通过记录每个关卡完成时间，以及关卡所包含的拼图元素拖曳到正确位置的时间、尝试次数、查看提示图等情况，结合该元素在该关卡中的权重值进行计分。对整个拼图游戏的最终评价则是基于各个关卡得分情况，并结合各关卡在整个游戏中的权重值进行计分。

反馈功能除单击鼠标右键出现提示图外，还设计了拼图元素在不同状态时显示相应信息的功能。除了可以根据元素实时位置信息显示正确与否的提示外，为增加游戏的知识性，还可以在拼图元素拖曳前、拖曳中和拖曳完成后显示预先设定的补充性文字。补充性文字以文本格式的配置文件形式保存在关卡目录中，每行为一个元素的补充信息。具体格式为“元素文件名[空格]权重值[空格]拖曳前信息[空格]拖曳中信息[空格]拖曳后信息”。

3 实施效果与启示

为验证该拼图游戏平台在形态学课程中的应用效果，笔者进行了实验研究。

3.1 研究对象

本研究选取某医学院校大一年级不同专业的30名学生志愿者作为研究对象，年龄17～20岁，其中临床五年制专业12人，医学影像学专业6人，麻醉学专业6人，预防医学专业3人，护理学专业3人。同时招募了1位非计算机专业的教师作为任课教师参与实验。

3.2 教学内容选择

本研究选取系统解剖学为教学内容。

3.3 实验设计

本研究在传统ppt授课与实习的基础上引入游戏化学习，经过简单培训后让学生利用本平台自主设计、制作拼图游戏的关卡项目，并相互共享完成游戏。最后采用电子问卷调查方式对教学效果评价。

3.4 教学效果评价方法

学习结束后，通过问卷星向研究对象发放电子问卷，从学习认知、学习行为、学习效果3个方面进行调查，问卷采用Likert4级量表。

3.5 实验结果

本研究共收回有效问卷30份，问卷分析结果表明：①86%的学生认为形态学中的很多知识点都可以通过拼图方式进行游戏化学习；②93%的学生认为游戏制作的难度不大，工作量主要取决于拼图元素的数量多少，用时长短不一。但对某些复杂的图像，拼图元素分割的效果有待于进一步提高；③86%的学生认为基于对知识充分理解所设计和制作的拼图游戏更具挑战性、耐玩程度和受欢迎性相对较高；④92%的学生在完成拼图游戏后，都对相关知识点进行了进一步学习，并改进了其所设计制作的拼图游戏，改进后的拼图游戏的科学性和趣味性均得到了提升；⑤93%的学生认为本平台通过文件夹复制即可实现游戏关卡共享的功能简单易用，平台的易于操作性让师生参与热情高，成就感强。

通过观察发现师生基于同一知识点所设计的关卡游戏反映了其对知识的不同理解程度，学生所设计的拼图游戏多局限于位置关系的直观表现，而教师设计的游戏偏向于相互关系和逻辑关联。学生的思维更加发散和活跃，其所设计的拼图游戏反馈信息更加生动，更加生活化，趣味性和吸引性较大。

经过一学期的应用，笔者认为：①拼图游戏适合于培养学习者观察、判断和逻辑思维能力，应用面较为广泛，特别适用于微课这类呈现碎片化学习内容的教学体系，可以推广到更多的学科教学；②让游戏者成为游戏设计者的“建物致知”的模式，是费曼学习法的具体实践形式，也是有效提高学习者STEM（科学、技术、工程和数学）能力的手段；③基于费曼学习法理念设计的自主共享的拼图教育游戏平台，不仅能够有效提升学生的知识理解和表达能力，还有利于丰富游戏学习资源的产生和传播；④只有不断地深入研究学习者的特质与游戏化的核心，做到游戏与学习的深度融合，才能让教育游戏化在人才培养中发挥更大作用；⑤若要推广这种教育游戏设计理念，使之适用于更多的游戏学习类型，还需要考虑到各类问题，特别是在游戏模式、反馈激励方面都需要进一步的研究。