大规模STEM教育的有效方法——视频游戏.doc

大规模STEM教育的有效方法视频游戏Merrilea J. Mayo视频游戏有巨大的群众感染力，其观众达数十万至数百万。它们同样包含了很多教学方式，并且这些教学方式在其他环境中也被证明是有利于学习的。本文综述了在科学、技术、工程学和数学（STEM）中利用视频游戏学习的学习效果，这些有关学习效果的资料和数据虽然稀少，但却鼓舞人心。另外，本文还综述了广泛采用这种新媒介的基础性障碍。（文章摘要）Ewing Marion Kauffman Foundation, 4801 Rockhill Road, Kansas City, MO 64110 USA. E-mail: （作者联系方式）在2000年至2005年期间，美国每年大约有450,000位学生取得STEM(自然科学、技术、工程学、数学)类的学士学位1。但是这个数字仅仅在一款计算机视频游戏的玩家总数面前都显得苍白无力2。例如，作为一款幻想游戏，魔兽世界当前拥有上千万的玩家，仅仅在北美就有250万的玩家3。粮食力量4是由联合国制作的一款有关粮食援助和分配的游戏，其推出后的最初6个星期内就已经拥有一百万玩家，一年后玩家人数就增至四百万5。此外，在K12科学和数学教育领域中，虚拟世界Whyville6以其基于游戏的活动性质，吸引了四百万用户（90%是北美人），其中占绝大多数的是814岁的女孩78。尽管传统的教育机构以教育公民为荣，他们同样在某中程度上以现在可供利用的媒体为荣。有可能利用视频游戏媒介大大扩展STEM教育吗？在什么水平上可以达到多大效果呢？Fig. 1. Comparison of online game subscriptions (3, 7) to U.S. bachelors degrees awarded across all STEM disciplines (1) as well as in just the engineering disciplines (1). Games having more than 1 million subscribers are shown. View Larger Version of this Image (52K GIF file) Fig. 1. Comparison of online game subscriptions (3, 7) to U.S. bachelors degrees awarded across all STEM disciplines (1) as well as in just the engineering disciplines (1). Games having more than 1 million subscribers are shown. View Larger Version of this Image (52K GIF file) 起初，利用视频游戏进行科学和工程学的教学的想法显得荒唐可笑。但是，目前从免疫学【9】【Fig. 3】到数值计算【10】【11】等诸多主题已经成为许多复杂尖端的视频游戏的内容。表1中的例子说明在一个课程计划中利用视频游戏能够提高7-40%的学习效果。更重要的是，这可能为差生带来额外的好处：一种River City生态学游戏【12】减少了D等级和B等级学生的学习代沟，因为几乎所有的学生都在执行B等级学生的水平【13】。Fig. 3. Protein-sized drone flying over macrophage surface in Immune Attack (9). The player is required to call neutrophils by using the drones ray gun to activate CXCL8 release. View Larger Version of this Image (114K GIF file) View this table:in this windowin a new window Table 1. Learning outcomes of several games compared to lecture on same material. 学习结果绝对不是一律积极的。综述研究结果【14】【15】表明，有精心设计的游戏也有设计不良的游戏。精心设计的游戏有利于学习，主要是由于游戏设计中嵌入了有效教学方法【14】【15】【16】【17】 。当然，其中许多同样的做法也可以应用于课堂，网络或其他形式的教学并带来同样的优势，例如游戏知情学习【18】。与课堂讲授不同的是，游戏能够适应用户的步调。游戏也可以用多种视觉和听觉模式同时呈现信息，从而充分利用不同的学习风格。【19】的综述中提到J. P. Gee在其著作基于视频游戏的学习【16】中定义“同时呈现信息”为“及时性原则”，“多种视觉和听觉模式”为“多方式原则”。尤其是游戏还可以应用在给药资讯传递当中。复杂的任务最初都是以小型关键任务的形式呈现，当该任务被利用各种方式实践过很多次后，逐步发展为更长、更复杂的任务序列。 在20中，作者已经把这种方法（并行链）的优越性同完整任务学习方法进行了比较。Gee16用“渐进原则”、“集中抽样原则”和“自下而上的基本技能原则”描述了这种任务结构。游戏还有助于加强信息采集。游戏环境内丰富的对象和活动赋予信息以“情境意义”：其他的上下文意义支持要传递的信息。社会环境同样可以增强内容。社会环境中还可以加强的内容。游戏中围绕社交目标的结构良好的社会交互将激发学生的参与感和成就感。S. Barab等人已经在他们的Quest Atlantis项目2122中对这一点做了深入的研究。通过持续、即时的反馈，内容得到进一步强化：几乎每一次击键游戏都会产生相应的反应。与此相反，在传统的课堂内学生每小时只能询问0.11个问题23。最后，游戏的快速反馈也伴随着源源不断的积极奖励。在可视化过程中，即使完成最小的任务，玩家也可以积累分值、等级、头衔或者魔法剑等。这些奖励有利于提高自信和自我效能感。很高的自我效能感反过来又有利于保持该活动（持续性），这样就形成了高水平的成就。24学生通过任务和活动控制导航是有效的学习型游戏的重要特征。J. J. Vogel等人15的元研究发现学习者自治是提高学习成效的少数方法之一，R. M. Ryan等人25的研究也发现，学习者自治对于快乐和动机至关重要。在游戏当中，可以通过多条路线达到目标（Gee的“多路线原则”16）。但是，在这些分支决策结构当中，学习者必须对各种选择的可能结果进行深思熟虑然后作出最终决定。也就是说，学习者必须基于布鲁姆的教育目标分类26的高层“评估”进行决策。游戏当中互动参与式的学习方式也与传统的被动传授相违背Gees 互动关键的学习原则 (16)。基于游戏的任务往往需要形成假设，试验，并发现采取的行动所造成的后果；换句话说，基于游戏的任务于科学教育工作者所推崇的探究式学习类似27。越来越多的多玩家游戏活动的设计意味着需要组建小组来解决问题。往往是几个人甚至多达40个人一起通过文本或者声音进行交互，他们为了共同的游戏目标而分享策略和方法，同时在参与活动的过程中互相学习。在这种环境下，教师以“明智的引导者”的身份与学生一起游戏。尽管暂无可得到的基于游戏的资料，课堂研究表明合作学习相对单独学习而言，平均可以提高50%的学习效果28。最后，在其他因素都相同的条件下，游戏需要在完成任务上消耗更多时间。青少年通常每个星期需要花58个小时玩游戏，这个时间量大于或等于其每周花费在家庭作业上的时间【29】。B. D. Coller的赛车游戏，旨在教授数值方法，玩这种赛车游戏所需要的时间是传统课堂模式中学生完成家庭作业所需时间的两倍。但是，这种赛车游戏却有助于学生更加深入地理解概念之间的联系，并极大地唤起学生学习后续课程需要和兴趣1011。与游戏的教育因素和动机因素相反的是，某些研究表明课堂教学形式极其欠缺。E. Seymour and N. Hewitt30记录了人们对本科课堂学习经历的普遍反感。他们的研究显示放弃学习自然科学和工程学的学生中有98%的人认为“教师的教学缺乏趣味性”是一个主要原因，即使继续学习自然科学和工程学的学生中也有86%的人持相同观点。R. R. Hake对62节介绍性物理课中6542名学生进行的元研究显示整个基于讲授的课中，仅仅只有17%的学习效果31。相反，同样的研究表明，在任何一种互动教学模式中，介绍性物理学的学习效果可以提高108%。也许有人会说，游戏是当今表达内容的最具互动性的方式。如果视频游戏是有效的教学工具并且他们比起课堂讲授来能够吸引更多人，为什么我们没有采用视频游戏作为学习工具呢？Cultural adoption lag exists，但是我们也面临数量、质量以及可持续性的问题。数量人们经常认为含有学术内容的游戏其本质上是乏趣的。但是，却有4百万的儿童自愿地在W网站上玩基于数学和自然科学的探索型游戏7。在我看来，大多数已经开发的学术性质的游戏都存在不适宜大众采用的基础设施问题而不是内容问题。例如，缺乏产品分配机制、缺乏发现产品的能力、内容创作的高昂代价、缺乏有意义的评估（因此也消费者对产品也没有信心）、缺乏可持续的商业模式。第一个基础设施的挑战是缺乏任何分配、销售或者营销的机制。人们将不会给这些基本业务功能捐赠，但是往往这些基本业务功能是吸引数以百万计的玩家的必备条件。相反，一旦捐赠结束，教育游戏就经常被搁置在办公室货架上或者重新放在其创造者的个人网站上。解决这一难题的一个方法是采取商业活动从而为第三方实体，例如，一个非盈利性组织从内容创造者哪里获得知识产权。至于发现能力，教育游戏产品经常使用网络作为其分配机制。但是，搜索引擎只能检索文本和基于文本的标记，而不能检索3D内容。例如，如果某人对电容器感兴趣，谷歌却不能在一个有关电子的游戏当中检索一个虚拟的3D电容器。因此，在3D沉浸式游戏当中急需解决的问题是创建一个标准化的元数据标记系统，该系统能够帮助用户通过使用一般的搜索引擎找到合适的3D内容。尤其是那些仅能通过声音表意系统感受3D内容的视障人群更需要这种标记系统。目前，在一些专门社区当中确实存在多种不一致的标记系统，但是大多数游戏当中还是欠缺这方面的标记。费用也是一个重要因素。用户创建的2D内容在网络上泛滥。我们可以想像未来3D内容的情况也是如此，而这些丰富的内容可以刺激并行，扩大各种类型的3D游戏的用户群。而这丰富的内容，可能刺激并行，扩大用户群的3D游戏，大型和小型。不过，2D内容如此廉价且易于生成，几乎所有的2D内容都能够被重新利用：复制，粘贴，从一个应用程序、一个文件、一个剪辑艺术银行或者网址移动到另一个地方。与此相反，3D内容没有标准文件格式，从而很难在各应用程序之间实现重新利用。把三维物体，例如Collada和/或X3D（32，33）转化为普通文件格式，将大大减少图形开发成本，从而使高质量的电脑游戏创作在教育界用户或家庭用户可承受的价格范围之内。质量区分产品的质量高低对基于游戏学习领域的增长和信誉至关重要。但是，提供高质量的产品的第一步是能够衡量其质量。众所周知，获取评估数据也很昂贵，通常要花费和开发游戏同样多的经费。很少有人愿意资助这种双倍成本的产品。为了解决这个问题，the Ewing Marion Kauffman基金会34已开始调查是否可以开发一款自动完成某些评估任务的软件基础设施，从而使各种不同的游戏的评估标准化，进而降低每个游戏的评估成本，并且尽可能让研究人员和投资商能够参与评估。令人吃惊的是，自动化评估在某些领域是非常先进的：例如，目前自动论文评级系统已经和人工论文评级的水平相差无几了3536。游戏也可以从新的领域进行评估。因为我们很重视问题解决、小组协作、人际交往、领导能力等21世纪的技能，而这些重要的特征几乎无法在现代文本里面找到。基于游戏的评估的一个极具吸引力的特点是其可以追踪用户的操作和交流，然后它们详细计划为更高阶的技能和能力。例如，以问题解决为例，游戏可以轻易的测量用户尝试某一给定问题的次数，尝试的频率（尤其是如果每次尝试都不相同）和问题解决的能力提高密切相关。同样的，通过监测用户在浏览搜索结果时的击键次数，我们能够区分假设驱动下的检索和随机检索，这又是一项高级问题解决技能的重要指标。可持续性最后一个普及基于游戏学习的主要障碍在于达成可持续的商业模式。教育游戏的开发取决于一项又一项的资助，其本身就是不可持续的。但是，如果资助者可以投资足够的初始资金，同样的学习材料则可以过渡到盈利模式，这种模式在小规模的教学开发完成之后可用于扩大材料的接触面。这些模式可以包括企业赞助，双重付费（部分产品免费，其他部分产品收费）或滑动规模收费模式，订阅式，网站许可以及出售虚拟物品（例如，玩家在游戏中扮演的角色所需要穿的虚拟衣服，可下载的壁纸，给出游戏提示的电子书籍）。其他的商业模式可以包括领导人销售给具备国有教育系统的国家，从而集中购买力，加强和商业游戏分销商的伙伴关系以及微观知识（一种未来的经济概念，在这个概念当中，某用户将通过一个小型教育模块学习勾股定理，该用户需为这次学