游戏化教学法在工科信息类课程教学中的探索与应用

闫文君 凌青 刘凯 朱子强

摘  要：游戏化教学法是参与式教学的重要教学方法之一，文章针对游戏化教学法在工科信息类课程中使用的实际情况和问题，分析游戏化教学法的使用现状，讨论其优缺点和使用场景，分析游戏化教学法的课前准备、课程实施和课后活动三个环节的实施方法，最后给出基于“搜索技术”课程教学的案例，为游戏化教学在其他工科课程中实施提供参考，也为工科院校参与式教学法实施提供借鉴。

关键词：参与式教学;游戏化教学法;翻转课堂;深度学习;教学设计

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）19-0100-04

Abstract： The game teaching method is one of the important teaching method of participatory teaching. In view of the gaming teaching method in information engineering classes used in the actual situation and problems， this paper analyzes the present situation， the use of gaming teaching method to discuss the advantages and disadvantages and the usage scenario. The study analyses the game teaching method of preparation before class， curriculum implementation and after-school three links of the implementation of the method.  Finally the study gives the case based on "search technology" course teaching， for game teaching implementation provides reference in other engineering courses， also provides a reference for engineering colleges and universities of participatory teaching method.

Keywords： participatory teaching; gamification teaching method; flipped classroom; deep learning; teaching design

關于在教学过程中使用传统讲授式的严肃教学还是采用参与式教学是一直以来在教学改革中讨论的重要问题之一。严肃教学历史较为悠久，我国儒家教学方法尊崇的是“学而不厌，诲人不倦”，要求学生不能厌烦学习，教师讲授不能倦怠，几千年来的教与学一直遵守着类似的规则。随着社会的发展和人们思想观念的转变，“以学生为中心”越来越多出现在教学改革和教学实施中。实际上，从孔子时代就提倡过“以学生为中心”的思想，如“不愤不启，不悱不发。举一隅不以三隅反，则不复也。”就是启发式教学的思想，类似的还有“温故而知新”“多闻，择其善者而从之”“学而不思则罔，思而不学则殆”等[1]。也就是说，参与式教学是一直存在在教学环节中的，只不过在近现代的教学过程中，通常采用的是严肃教学。因此，以游戏化教学法为代表的参与式教学是自然产生的而不是教学改革的结果。

在西方，游戏化教学早在19世纪80年代就在美国提出，最初并没有参与式教学的概念。“参与式”理念正式进入我国是在20世纪初，先后有北京师范大学陈向明教授、西北工业大学靳健教授等对参与式教学在国内的实践进行了研究。21世纪以来，以高校为研究主题的参与式学习/教学本土化研究越来越多，随着教学理论的不断深入和发展，有着更多的新颖形式出现在参与式教学基础理论领域。但是无论是启发式，还是讨论式、探究式、参与式，这些新颖的教学方式无一不是强调“以学生为中心”，注重激发学生学习热情，让学生积极参与到教学活动中。

目前参与式教学大多被用在学前教学、小学教育和成人培训教学中[2]，学历越高的教育采用得越少，究其原因是随着培训层次的提高，学生的理解能力和自制力也随之提高，若想在短时间内传递更多的知识，采用严肃教学会更加适合。但是由于参与式教学灵活多变的特点，若与严肃教学结合，会取得意想不到的效果。

工科教学中基础知识多、理论性强，通常意义上被认为不适合采用参与式教学的方法。本文针对上述问题，在讨论参与式教学、游戏化教学特点基础上，以人工智能导论课程中“搜索技术——盲目搜索与启发式搜索”知识点为例，阐述游戏化教学法在课前、课中和课后实施的方法，分析工科课程实现游戏化教学的有效性。

一、参与式教学法

教育改革要从教育观念入手，最终要落实到教育实践中[3]。参与式教学法是以激发学生学习兴趣为前提的，让学生参与到教学环节中，大大提高课堂气氛和教学效果，使得教学活动从“要我学”变成“我要学”，提高学生的主体性和创造性，挖掘学生的潜能，通过师生之间合作、交流、互动等途径促进课堂教学效果的提高。其主要有以下几个特点。

1. 提高了学习环节学生的参与度。参与式教学在教学活动中极大地发挥师生之间、生生之间主观能动性，在话题有足够吸引力的前提下，学生的参与度会极大提高，变被动学习为主动学习[4]。

2. 强调教师主导地位。参与式教学不但要求教师是教学活动的组织者，而且是学习活动的引导者和促进者。在参与式教学中，教师的主导地位不仅没有削弱，反而有所加强。教师应围绕教学内容涉及可操作性参与式学习方案，备课的内容从备教学内容扩展到教学对象、教学方法和教学手段等。

3. 提高了学习活动的多样性。参与式教学能使学生在千篇一律的严肃教学中体现新鲜感，特别是工科高等教育课程中，如高等数学、自动化原理、信号处理等课程，大多采用严肃教学的方式，适当地参与教学能够极大发挥学生主体作用，激发学生学习兴趣[5]。

4. 参与式教学体现教育公平性。在参与式教学中，师生关系在教学环节中是平等的，大家关注点集中到知识上，更容易接受教学内容。

但是，与其他新颖的教学方法类似，参与式教学有着以下致命问题。

1. 参与式互动多了，获取知识的范围就会受限。严肃教学在一节课程中可以不停地进行知识讲授，但参与式教学必须建立话题，引发思考并活跃课堂，这些环节在课程教学中往往会占用大量时间，知识讲授的深度和广度就会受限，这也是目前两种教学方式的主要矛盾。

2. 参与式教学的实质是老师和学生之间、学生和学生之间的互动交流，在参与式教学中容易出现形式大于内容，甚至华而不实的现象。

3. 参与式教学是将学生放在教学活动的主体地位，但容易让部分教师误以为老师的讲授是多余的，有悖于课堂教学最初的目的。

因此，这就要求在设计参与式教学活动时，充分考虑授课环节的设计，在保证课堂授课效果的同时，使知识传授的深度和广度得到保证。同时要充分利用激发学生兴趣这一优势，通过课上激发兴趣，课下引导自我学习的方式，发挥学生主观能动性，使学生不仅在课上爱学习，同时在课下爱扩展，爱深入，回归学习本质，引导学生自主学习，以达到课上课下一体，扩展教学内容深度和广度的目的。

二、游戏化教学法在工科教学中的应用困境

游戏化教学法在工科信息类课程教学中应用不多，主要原因有以下三点。

（一）主流观点对于课上游戏的不认可

长期以来的儒家文化熏陶导致近现代教学过程通常采用严肃教学的方式，在开拓教学方法时，我们通常采用借鉴西方的方式。但是通过调查发现，在大多数课堂上，教师迫于教学督导的现实，不敢进行新的教学方式的尝试，参与式教学往往仅停留在少数课程和教学比赛中。

（二）工科教学内容过于理论化

工科学生学习的课程一般过于理论化，如高等数据、电子技术、自动控制原理、通信原理等。这些课程理论化较强的现状导致教师在设计游戏时无从下手，学生在没有足够的基础理论支撑的基础上，无法理解教师设计游戏的意图，甚至无法完成游戏，因此在工科教学时难以实施游戏化教学。

（三）高等教育中的参与式教学要求教学双方具有

更高的素质

对教师而言，游戏化教学除要求教师具备信息化技术和本专业知识外，还需要教师具备游戏设计能力、课堂驾驭能力和判断学生认知水平能力。其中游戏设计能力要求教师根据教学内容选择合适的游戏并将教学内容与游戏结合以完成教学目标;课堂驾驭能力要求教师准确把握游戏进程，避免游戏化教学方法的采用导致课堂内容过于发散，甚至游戏时间过长无法完成教学目标;判断学生认知水平能力要求教师准确把握学生的认知水平以设计符合学生学习内容的游戏，避免游戏过难或过易。对学生而言，学生需要较高的自我管理能力，在课前根据教学内容进行预习，课下积极查阅资料，完成教师布置的任务，避免游戏化教学导致教学内容深度和广度不深的情况。教师和学生需要共同努力而达到教学相长的状态。

综上所述，在教学环节中，教师要以取得更好的教学效果为目的，打破传统思维，大胆尝试新的教学方式。利用游戏化教学有利于帮助学生理解复杂问题的特点，在课前对学生状态充分调研，大胆设计课程与游戏的结合方式，成熟一个案例应用一个案例，让游戏化教学法成为课堂上重要的助力。

三、游戏化教学法的教学策略

游戏化教学法作为参与式教学法的重要内容，在教育培训中使用得比较多，针对参与式教学的优缺点，在工科信息化课程教学中，游戏化教学设计策略如下。

（一）课前、课中和课后一体化教学

鉴于游戏化教学课上学生参与度大，课程内容不易展开的问题，要着重对课程授课方式进行设计，以达到课前、课中和课后一体化教学的目的。

课前环节（互联网+项目式学习）：在课前环节，可通过线上方式，布置预习知识点，并举部分案例性课题让学生自由发挥进行研究。需要注意的是，此时不要进行启发式引导，让学生带着案例自行探索，带着问题或者解决方案进入课堂。教师在此环节应针对案例设计游戏。

课中环节（游戏化教学）：针对课前所布置案例，进行游戏式教学，区别于幼小教育，游戏时间不易过长，以5～10分钟为宜，以便有更多时间进行课堂教学。游戏的主要目的在于激发学生学习兴趣，使学生乐于参与到课程教学中。剩余35～40分钟进行课程教学，针对设计的游戏进行内容讲授，并对课前案例进行详细分析和解决。

课后环节（自主学习）：课后环节应布置复杂案例供学生探索。学生探索复杂案例的自主性完全取决于课中环节对学生兴趣的激发。若课中环节设计得当，学生全身心投入知识点的探索和研究中，游戏化教学才达到目的。

（二）教师主导与学生主体作用统一

教师作用是课程的引导者，作用是激发学生学习兴趣、把握课堂节奏，培养学生发现问题和解决问题的能力。避免由于发挥学生主体作用而忽视了教师的引导作用。

（三）目标分层游戏设计

游戏化教学强调以学生为主体的理念，在教学活动中应注重引导学生主动参与到教学活动中。在游戏设计时，应根据讲授的知识点，按照由易到难的方式根据教学内容对游戏难易程度进行分层设计，以便于激发学生参与游戏的信息，加快学生进入角色的速度，引发学生好奇心，达到引导学生自主学习的目的。

（四）奖励机制和竞争机制

由于工科信息类课程课堂内容一般较多，游戏时间设计较少，为加速学生参与游戏热情，在游戏设计时加入奖励机制。在课程开始前需要对学生分组，游戏进行时按照游戏难度和学生完成程度对学生进行奖励，按照过关、晋级、拿奖励等方式激发学生兴趣。同时，对学生分组的方式有利于引入竞争。竞争存在于课上和课下两个层面：在课上，学生通过参与游戏获取奖励，组与组之间存在着竞争;在课后，学生对复杂案例进行实现，实现的结果也存在竞争。这样，借助游戏这一环节不仅促进了学生课上学习的热情，也激发了学生课后的竞争，同时加强了学生之間团队协作的精神，提高学习效率和自我学习动力。

四、典型教学案例设计

本文以人工智能导论课程中“搜索技术——盲目搜索和启发式搜索”知识点为例，以“汉诺塔”游戏为互动游戏设计教学案例。

案例教学目标：掌握宽度优先搜索和深度优先搜索两种盲目搜索方式，掌握启发式搜索中的贪婪算法。

案例时长设计：45分钟。

1. 课前任务。要求对无人机任务规划问题进行讨论。题目给定6个航路点以及每个航路点之间的距离，要求无人机经过且只能经过一次每个航路点，求取无人机任务规划的最短路径。

2. 课上游戏组织。课上游戏组织方式见表1。

第一步，介绍“汉诺塔”游戏规则，要求每5个学生为1组，在其中1只手上分别标记1～5，学生用手表示汉诺塔的方块，手按照从小到大排列到桌子上位置A处，每次只能移动1只手，小号的手只能放在大号的手的上方，要求全部手从位置A移动到位置B并按照从小到大依次排列。“汉诺塔”游戏示意图如图1所示。

第二步，在不给定任何信息的情况下要求学生按照课前分组进行游戏，记录下最先完成游戏的小组编号和完成时间。

第三步，讲授宽度优先搜索方式和深度优先搜索方式。通常情况下，在不给定任何启发信息的情况下，学生在完成游戏时是盲目的，完成时间也比较长。有的同学是按照深度优先的方式进行游戏，即在游戏中不断尝试各种方案，直到游戏无法进行下去才换另一种思路;有的同学是按照宽度优先的方式进行游戏，即每一步列举所有可能的游戏策略，从中选择最优的方案。这正符合盲目搜索的基本原理，教师授课时可以边演示游戏边讲理论。

第四步，给定启发式信息。奇数的手一定放在偶数的手上，最小号的手最重要。然后让学生重新完成游戏，记录最先完成游戏的小组编号和完成时间，可以发现通过启发式信息，学生完成游戏时间普遍缩短，很多学生可以不需要思考就完成游戏。

第五步，讲授启发式搜索的概念，并结合启发式信息带领学生复盘游戏过程。

第六步，讲授贪婪算法的概念，并使用贪婪算法完成课前布置的无人机规划的案例，这一步是对学生课前预习情况的总结，解决问题的同时也回答了学生心中存在的疑问。

3. 课后复杂案例。要求学生在自主学习A*算法的基础上，解决城市最短路径规划问题，并编程实现搜索过程。学生在此阶段自主设计启发式信息，并要求学生思考贪婪算法和A*算法能够得到最优路径，最终可以在线上针对学生设计的方案进行讲评。

五、结束语

本文针对工科院校信息化类课程，对游戏化教学这一教学模式展开研究，讨论了参与式教学的发展与现状、优缺点和游戏化教学的教学策略，并给出了以“搜索技术”为知识点的教学案例设计方案，能够为同类课程开展参与式教学提供借鉴。创新的教学模式还需要在实践中进行校验和提高，以提高课堂教学效果和学习效率。总之，使用游戏化教学的方式，教师的负担没有减轻，除讲授者外，教师被赋予了更多的角色，如组织者、引导者、启发者。教学中要注重培养学生热爱课程的思政精神，从而增强学生的主动性，这也是启发式、探讨式、参与式等教学方式对教师提出的新要求。

参考文献：

[1]宋鑫.“以学生为中心”视角下的北京大学课堂教学改革的实践与探索[J].中国大学教学，2015（11）：27-30.

[2]张靖，傅钢善，郑新，等.教育技术领域中的游戏化：超越游戏的学习催化剂[J].电化教育研究，2019，40（3）：20-26.

[3]BROOKFIELD S D，PRESKILL S.实用讨论式教学法[M].北京：中国轻工业出版社，2011.

[4]张金磊，张宝辉.游戏化学习理念在翻转课堂教学中的应用研究[J].远程教育杂志，2013，31（1）：73-78.

[5]陈中.基于游戏化学习的翻转课堂教学设计与实践[J].高等教育研究学报，2014，37（4）：80-83.

基金项目：山东省教育厅“泰山学者专项人才工程”（TS201511020）

作者简介：闫文君（1986-），男，汉族，山东莱州人，博士，副教授，研究方向为智能信息处理。

*通信作者：凌青（1987-），女，汉族，湖南衡阳人，博士，副教授，研究方向為综合信号处理。