支持智慧学习的语境化叙事游戏开发与学习效果验证 摘要：智慧教育的核心是分析学生的各种信息使之产生意义，据此为学生提供个性化的学习服务自适应游戏将是实现智慧教育的重要资源之一本研究认为，以追踪学生知识结构为特点的语境化叙事游戏，比采用动态难度调整的定制化服务游戏更能有效辨别学生的认知特征以互动叙事理论和知识空间为指导开发了语境化叙事游戏的整体模型，并用Unity 3D作为游戏开发平台制作了“拯救牛顿”游戏，以建构的“游戏化发现学习过程模型”把游戏融入初中生的摩擦力概念学习之中实证研究的结果显示，学生对语境化叙事有较高的体验，显著提高了概念的认知细化、理解和迁移回归分析的结果显示，游戏体验的适应性、内容适切度和注意力能显著预测学生对概念的认知细化、理解和迁移关键词：智慧学习，教育游戏，语境化叙事，人工智能，自适应，互动叙事，发现式学习，认知细化一、引言智慧教育是指通过技术融合的生态化学习环境来培植数据智慧、教学智慧和文化智慧，其目的是让学生获得适宜的个性化学习服务和美好的发展体验，培养他们具有较好的思维品质、较深的创造潜能等（祝智庭，等，2012）智慧教育的理念超越了学校信息化建设中关注信息技术基础设施建设、强调媒体的一般教学应用状态，走向反思和探索信息化教育应用的新的教育生态，它的实现必须依靠“人类智慧与机器智慧的结合”（马小强，等，2017）。
所谓用机器智慧构建智能的学习环境，就是用人工智能、大数据等学习分析技术来改善的使学习活动变得更好和更快的学习环境因此，学习环境是否具有适当的适应性是智慧行为的标志，它的最显著特征是“智能化、适应性、个性化、自主性等”（Spector，2014）Koper（2011）认为，许多基于计算机技术的工具和软件（如游戏和测试等）是智慧学习环境最有效的解决方案学者把游戏作为智慧学习环境的有效解决方案，是与他们对智能化游戏开发的积极尝试有关从技术视角来看，这些学者开发的游戏原型能够把学习情境、内容和智能算法进行有效的集成，实现了动态评估学生学习风格、知识和技能的水平等个体特征的目的，可以据此安排和调整游戏叙事，提供个性化的学习策略从学习效果的视角来看，融入自适应技术的智能化游戏提供“做中学”的交互式学习环境，学生在环境中解决问题的同时，系统监控学生解决问题的步骤并根据需要提供指导、提示等反馈，不仅能显著地提高学习效率，同时也促进了个别化学习的实现（张志祯，等，2019）从国内外现有的自适应游戏开发成果来看，学者已从学习心理学、教学设计理论、人工智能技术等方面建立了一些有效的自适应模型，它们是根据测量的学生变量（如学习风格和认知能力等）来调整内部的参数，以适应学生需求和偏好所表现出的教学变量，如内容排序、支架和学习资源呈现方式等，为学生提供个性化的适当干预，如故事情节、学习步调或者难度。
目前，国内外学者已经建立了许多旨在适应学习风格、能力发展水平等个体差异的游戏原型，其实“每个学生个体差异不仅表现在学习风格和能力发展水平上，也体现在学生的知识结构上，这早已被教育学家认可，随着诸如计算机辅助学习系统的流行，相关研究认同了适应学生知识结构为其定制学习内容的好处”（Vandewaetere，Desmet，& Clarebout，2011）国外学者近几年逐步展开了游戏学习情境适应学生知识结构提高学习体验的初步研究，而国内学者对该类游戏则鲜有研究因此，建立该类游戏开发原型对充实我国自适应教育游戏的研究领域有十分重要的参考价值二、研究问题的提出数字化教育游戏产生于计算机技术和网络技术的发展与普及之中，大数据、学习分析以及人工智能等技术的发展使得游戏向智慧化方向发展，游戏化学习越来越适应学生的个性化要求一）教育游戏智慧化的基本发展轨迹与要求智慧教育中描述的个性化特征或原则一直是教学设计领域的核心概念早在20世纪初，传统课堂教学就开始尝试一对一的教学方法，这是早期经典的个性化学习设计，最有代表性的系统是布鲁姆的掌握式学习，它是基于固定的主要的教学组件（如教育目标和经典的知识评价等）来调整教学的宏观适应。
用机器实现个性化学习的尝试始于20世纪60年代的程序教学，它是基于教师的直觉进行设计，而不是完善的学生学习模型或者教育理论，其适应水平是简单的20世纪70年代以后，计算机技术逐步代替程序教学机器而进入智能化时代，开始引入人工智能技术和自适应算法测量学生的绩效，用于精确地优化教学序列，使学习活动的体验更加个性化，因其是对学习系统内部的任务进行测量和干预而被称为微观适应，并因具有智能化特征，也被称为自适应系统教育游戏在追求满足学生个性化学习要求的教学设计中，适应性经历了从被动适应到自适应的渐进发展过程20世纪90年代的游戏是根据学生的喜好和水平等预先设置游戏的适应方式或水平，如提供“简单—普通—困难”选择模式，这是一种让学生来决定游戏运行路径的宏观适应方式，不具有智能化的微观调节功能21世纪初，一些学者尝试把网络学习系统使用人工智能的成果引入到游戏的开发之中，这种自适应机制能对学生的学习过程进行有效的干预，自动引导学生获取知识（Kickmeier-Rust & Albert，2010）人工智能技术融入教育游戏使得它具有自适应的智能化特征，可以自动捕捉学生和游戏之间的相互作用，并对自动调整之前的交互历史进行分析，用智能化的适应来提供学生不可预见的微观策略，或拓展学生表现出的能力，可使学生创建丰富的学习体验，使游戏更具挑战性和乐趣。
Soflano等人（2015）对非适应、适应性（宏观的被动适应模式）、动态的自适应三种教育游戏的研究显示，自适应游戏相比普通教育游戏和适应性教育游戏有更好的学习结果目前，人工智能已成为教育游戏发展的一个重要的技术支撑点，它的目标是以高成本效益的自动方法提供个性化的学习方法二）智能化教育游戏的自适应模式类型与研究取向智慧学习体现着人工智能在学习领域的应用，基本思路都是追踪学生不同的个性特质，为其提供适应个性的学习策略等Charles等人（2005）认为自适应教育游戏的“适应”是用四种方式融入其中的：玩家角色、非玩家角色、游戏环境、反馈/学习支架而综观国内外教育游戏的研究发现，“游戏环境”的自适应是被广泛采用的最能体现智能化的模式Melis等人（2004）根据游戏环境适应学生的特色将其分为三类：人格化设置、定制化服务和语境化叙事人格化设置游戏的自适应机制是根据学生的学习风格、人格特质等调整呈现的内容、叙事等要素，以适应学生的学习偏好有些游戏前端提供学习风格量表直接测量学生的学习风格倾向，或者通过设计特定任务间接评估学生的学习风格倾向，以引导学生进入到定制的游戏进程这种方法主要表现出以下特征：一是它对学生特质的测量粒度比较大，游戏故事情节变化的平滑度表现得较低；二是它关注的是学生本身的特质，自适应提供的结果是表现在内容呈现和组织方式形式的差异方面。
定制化服务游戏的自适应机制思想源自Prensky的“挑战—技能平衡”的观点，它根据量化的学生对特定学习内容的掌握水平最大限度地调整游戏参数，为其匹配适应其能力挑战的学习内容或开启新的权限常见的教育游戏多是采用项目反映理论的评估算法计算学生能力水平值，进行动态难度的调整这种方法主要表现出以下特征：一是许多评估学生技能的算法能精确量化学生能力值，游戏故事情节变化的平滑度是比较高的；二是它只诊断学生能力表现出的“分数”，无法判断学生出现的知识结构缺陷语境化叙事游戏的自适应机制是根据玩家在游戏中的学习绩效和经历，或对特定任务的反应，为其匹配要传递的内容国外的经典案例主要是基于能力的知识空间理论对学生达到某种能力所需掌握知识点结构的评估，利用二分法和决策树法等资源匹配算法定制游戏叙事，逐渐从能力水平的发展路径上分离出学生知识结构的适应方向这种方法主要表现出以下特征：一是使用评价学生的学习绩效和学习内容两个参数来创建自适应教育游戏，为深入和准确诊断学生的能力提供了更好的支持；二是它是针对相同的学习主题为学生推送丰富的游戏故事情节，能有效提高学生的学习动机梳理国内外研究文献的结果发现，学者已经尝试开发了大量人格化设置、定制化服务类型的游戏原型，而对语境化叙事游戏理论建构和游戏原型开发仅见国外学者如Augustin等人（2011）开发的“80Days”游戏等案例，国内学者对语境化叙事游戏鲜有研究。
因此，本研究希望引进知识结构评价技术开发语境化叙事游戏，以优化学生的认知结构评估，使所开发的游戏更加有效地匹配学生的学习需求三、教育游戏互动叙事结构与技术路线的选择本研究选择初中物理教材中摩擦力知识作为游戏化学习内容，设计一个多场景的教育游戏，它用“互动叙事”方式实现对语境叙事游戏的内核构建，达到有效追踪学生摩擦力知识结构的目的一）语境化叙事游戏中互动叙事设计的要求Kiili的流理论提出为学生生成最优学习体验而设计游戏的思想，动机被看作是为达到流体验状态的一个关键因素，而游戏产生动机的主要源泉是它的叙事语境因此，游戏开发中非常重视叙事方式的设计目前的游戏开发常采用互动叙事的方式，这种叙事方式不仅能提高学生的内、外动机，更重要的是增加了探索的机会，促进了知识的迁移（Gbel，et al.，2009）最早尝试理解交互式叙事的历史可以追溯到20世纪70年代Schank的研究项目，以及80年代早期Liebowitz开发的“宇宙”互动系统，直至90年代Crawford才提出了“互动叙事”术语，逐渐被学者引入到数字游戏的开发之中互动叙事是指一种动态的过程，学生能调整和操纵它，从而与它发生交互活动（Crawford，2013，p.38）。
在游戏的开发中，互动叙事是整合游戏学、文化叙事学和游戏设计的思想，发展和形成的互动式娱乐开发方法是一种特殊的叙事艺术表现形式，专注于故事的结构或文学符号的创作互动故事体验的成功取决于戏剧结构和用户代理的平衡（Arinbjarnar，Barber，& Kudenko，2009），也就是说游戏互动叙事设计是否成功与两个要素密切相关：故事叙事和交互技术第一个要素是故事叙事，意味着如何利用数字媒体来产生丰富和沉浸式的故事，并用不同的叙事结构来阐述故事，叙事结构决定着是否能满足学习内容特点的要求；第二个要素是交互技术，它决定是否能为每个学生量身定制游戏的故事情节和故事节奏目前开发的游戏常采用人工智能技术自动使故事适应学生的需求，使学生能够根据个人兴趣、认知特征等影响故事的叙事进程二）游戏故事的叙事结构选择与设计游戏的互动叙事方式主要有三种：嵌入式叙事、应变式叙事和节点式叙事（Gbel，et al.，2009）嵌入式叙事指的是由设计者预先编好的故事，学生没有改变故事情节的权力，这常表现为线性的故事结构；应变式叙事可以理解为学生“掌控”的故事，学生可以在游戏既定的规则内通过与游戏的交互而演绎出故事情节，这种叙事常采用非线性的故事结构；节点式叙事可以被看作是介于嵌入式叙事和应变式叙事之间的叙事类型，是一种学生拥有一定自主选择设计空间的剧情。
本研究的游戏采用节点式叙事，它把线性叙事和非线性叙事结构融合起来，以关卡为基本的组成单位，在每个关卡中学生需合理应用摩擦力解决任务困境才能通关游戏的开端采用线性叙事引导学生融入游戏，用影音模块创设游戏情境，授予学生学习任务；接受任务后进入关卡库，这是学生要学习的内容，它以故事的方式叙述，根据知识点的特征和学生的特点描述成几个故事，游戏的智能化评价技术将根据每个学生学习表现导入一个独特的游戏路径，整体的游戏叙事将呈现出非线性特征，如图1所示拯救牛顿”游戏的核心是采用非线性叙事结构组织和表达知识认知主义理论认为，如果按照学生的认知规律合理地组织知识，它可以有结构、网络、嵌套，由此可以组成层次，形成网络结构或等级结构，向学生呈现合乎逻辑的教学内容，容易理解和记忆，也易于提取这些知。