何 玲，徐 鹏，赖林阳
（1.江西科技师范大学，江西南昌 330038；
2.南昌VR 感知交互重点实验室，江西南昌 330038）
在信息化时代，利用新技术促进学习者学习已经成为教育技术发展的重要趋势之一。AR 教育游戏是以增强现实技术进行教学的一种活动形式，这类游戏在提供娱乐体验的基础上附载教育教学相关知识，提供书本不能直观展示以及学生难以理解的抽象知识，使学生身临其境，沉浸在知识的海洋，因此受到了用户和市场的青睐[1]。面对快速增长的社会需求和市场潜力，AR 教育游戏的开发热度不减，然而其快速膨胀势必会带来一定的隐忧。教育游戏是通过游戏的方式来完成教育过程的，因此要注重游戏的教育性质，不能将之变为单纯的游戏。再者，在以技术为导向的新型学习环境中，要更加注重以学习者的体验学习为教学目标，所以，对于学习者在技术参与的学习过程中，研究其获取学习内容时的学习投入就显得尤为重要。因此，如何将教育性与游戏性有机融合，如何通过游戏吸引学习者的学习投入，是本文研究的主要问题。
学习投入包括行为投入、认知投入和情感投入，随着AR 教育游戏的广泛使用，关注学生在教育游戏中的学习投入度是十分重要的。因此，分析学生的学习行为，关注学生在学习过程中的投入状态，探讨如何提升学生的学习投入水平显得尤为重要。AR 技术以其虚实结合的交互手段给学习对象提供了新的学习方式，这种学习方式更加注重以贴近真实自然的空间来展现教学中难以理解的抽象事物和因现实局限难以接触的实在事物，基于AR 技术的这些内在优势，使得它在教学中具有很大的应用潜力。有关AR 教育游戏中的学习投入我们可以这样理解：它是学习者在AR 技术支持的环境下，在与融合了教育元素的游戏进行交互的过程中对教育内容的接受所表现出的积极、持久而有效的行为特性。鉴于此，本文在学习投入理论指导的基础上，基于学习投入理念构建AR 教育游戏设计框架，设计出一款关于吸入剂滥用的AR 教育游戏“地球拯救者”。
AR 教育游戏的设计要本着以教育为目的的原则，同时要符合游戏的特性，从而吸引玩家的兴趣。游戏界面的设计要美观，符合游戏主题，AR 技术的运用更能让玩家有一个好的体验，游戏的设计原则具体如下。
（一）游戏性：具有明确的目的性和规则性
教育游戏的开发要具有明确目的和规则，游戏目标的设计要简单直接，符合学习者的知识经验水平。游戏规则的设计要符合不同年龄段学习者的认知特点，应略高于学习者的能力水平，要求学习者必须在完成一定挑战之后才能够完成游戏目标，这样才能充分激发学习者的内在动力。设计适当的奖惩措施，激发学习者继续参与学习的动机；
通过积分奖励、情节推动等多种手段来增加游戏的可玩性。游戏目标和规则设计应注重从趣味性和挑战性方面吸引学生投入学习。在“地球拯救者”中通过设置关卡，循序渐进地学习吸入剂的知识，游戏通过扫描获得拼图奖励、每一关层层递进游戏情节升级、最后证书获得激发学生的学习动力。
（二）教育性：注重实现教学内容与增强现实技术的完美融合
明确在教学中使用增强现实技术的目的和意义，对游戏内容设计至关重要。首先，教育游戏中嵌入的教学内容要适合用AR 技术来呈现。其次，要确保知识内容的选择，符合学习者的认知特征。最后，为了帮助学习者更好的利用AR 教育游戏进行学习，要创设情境化的教学环境，选择学生较为熟悉的智能手机和平板作为移动终端来呈现。游戏内容设计应注重以内容有用性来维持学生的学习投入。“地球拯救者”设计的吸入剂因其对人体的危害，无法直接接触，通过AR 技术能够展现吸入剂的危害，具有教育意义，通过智能手机的扫描能够实现教育效果。
（三）艺术性：游戏画面设计要吸引学习者的眼球
游戏界面是实现游戏与玩家互动的中介，关乎玩家对游戏的第一印象，是整个游戏开发过程中至关重要的一环。界面设计要清晰、美观、适应教学对象的特征；
界面中的各UI 按钮或者导航标识等其它元素应精细逼真、布局合理、设计简明，避免干扰游戏显示区域；
游戏中的图像、声音、颜色运用得当，符合所要呈现的教学内容的性质。游戏画面设计应着重通过外观的展示来维持学生的学习投入。“地球拯救者”游戏通过清晰美观的游戏界面，学生熟悉的人物形象来吸引玩家玩游戏的兴趣。
（四）技术性：注重实现交互方式的多样性和趣味性
目前大多的AR 教育游戏都借助于移动设备实现。当然，随着AR 技术应用领域的不断扩大和应用层次的不断提升，AR 眼镜、AR 体感互动一体机等也成为AR 游戏的重要交互设备。考虑到现实条件，本文主要基于移动终端进行教育游戏的开发，移动设备的操作方式多以手触为主，主要通过扫描、按钮点击等方式实现人机交互。在进行AR 教育游戏过程设计的时候尽量采用多种交互方式，通过交互方式多样性和趣味性来维持学生的学习投入。“地球拯救者”通过移动设备扫描，按钮点击等方式来实现人机交互，相比于传统的游戏，扫描出的虚拟形象更能够吸引玩家兴趣。
（五）体验性：创建精细的三维模型，确保游戏反馈及时
AR 教育游戏区别于传统教育游戏的地方在于其能够创建逼真的增强现实体验，给学习者一种身临其境的感觉，从而在一定程度上提升学习者的沉浸感。这种逼真的体验是靠精细的模型来实现的。另外，虚拟环境的创设要与现实环境相融合，虚拟对象的展示要与游戏画面相契合。游戏资源质量的提升应着重通过良好的游戏体验来维持学生的学习投入，处理逼真的三维模型，完善的激励反馈机制和语音提示都可以促使学习者更加专注和沉浸于游戏中[2]。
（一）动机理论
动机是激发和维持有机体的行动，并使行动导向某一目标的心理趋向或内部驱力，动机与行为的产生有着密不可分的联系。美国心理学家伍德沃斯认为动机是决定行为的内在动力[3]。动机理论是关于动机的产生、机制、动机与需要、行为和目标关系的理论。学习的发生和维持需要一定的动机激发策略，教育游戏的运用可以让学生在学习的同时感受到游戏的快乐，可以很好地激发学生的学习动机，维持学生的学习投入。
（二）体验学习理论
1984 年，大卫·库伯（David Kolb）首次提出了体验学习这一概念。体验学习指学习者基于已有经验，通过个体与环境的交互作用，对各种任务和活动进行模拟体验获得新知，重新建构知识体系，并对获得的经验进行反思，从而达到内化知识的目标。AR 教育游戏支持下的游戏化教学将课程知识难点和重点嵌入教育游戏中，让学习者在参与游戏情境和完成任务的过程中学习知识。学生在游戏机制的驱动下，在教师的指导下，在同伴的竞争和协作下参与到游戏化教学中来，通过不断地进行信息交换活动获得知识与技能。区别于传统的教师主导，AR 教育游戏运用于课堂中，让学生亲身体验其中，以学生为主导，帮助学生投入到学习中。
（三）情境认知理论
情境认知理论（Situated Cognition）的产生是基于修正S-R 刺激-反应和符号学说的错误，它反对仅仅依靠有意识推理和思考获得的认知，而强调背景和环境带来的认知意义[4]。放到课堂教学中来讲，情境认知的观点认为应把知识创设于情境中来以便学生更好地理解，也强调学习可以直接来源于情境环境而不只是文字陈述出来的逻辑和规则。情境认知理论对教育游戏设计的启示是，如果玩家在玩的过程中可以动一动，比如倾斜平板电脑、触摸屏幕，或是用手臂和脚的移动来操作游戏，他们会学的更好，课堂投入度会更高。
（一）游戏运行逻辑
AR 教育游戏的设计开发主要包括三个关键步骤，游戏资源素材开发、游戏界面场景实现、游戏系统功能实现，其中系统功能实现部分最为关键。“地球拯救者”的游戏资源素材主要包括场景中的家用产品、吸入剂的科普视频、吸入剂的语音介绍、吸入剂隐藏于生活物品的三维虚拟模型、游戏中的音效、按钮图标等。游戏的界面主要由PS,AI 来设计，游戏场景由Unity 3D 设计。游戏的功能是向青少年普及关于吸入剂的知识，生活中隐藏的吸入剂，吸入剂滥用的危害。游戏分为三关，第一关：寻找吸入剂。玩家打开移动设备进入教室，教室中有10 种吸入剂，玩家扫到一种会在屏幕上出现它的三维模型，可点击按钮进行语音介绍，查找到一种获得一张游戏拼图，集满10 张拼图获得一封介绍信进入下一关。第二关：学习吸入剂。玩家首先扫描人物卡片，屏幕出现三维人物模型，再选择一种吸入剂的拼图，扫描会看到游戏人物吸入吸入剂出现身体症状。第三关：患者治疗。也可以说是巩固环节，玩家通过第二关学到的知识，认识到吸入某种吸入剂会出现的身体症状并用以什么颜色的药丸进行治疗，在第三关玩家要根据症状给出药丸，治疗完所有病人，游戏通关。
（二）游戏设计框架图
游戏在设计之初考虑到学生学习的特点，设计相关游戏情节，首先游戏的世界观创设出精彩的故事情节，介绍游戏的背景，吸引玩家玩下去的动力。情境认知理论作为游戏设计的指导理论，启发游戏关卡的设计，创设生动形象的游戏情节。体验学习理论指导游戏的设计使得学生置身于游戏之中，玩游戏的同时掌握相应的学科知识。AR 教育游戏的设计遵循游戏性、教育性、艺术性、技术性和体验性的原则，维持学生玩游戏的投入度。基于学习投入的教育游戏设计框架[5]如图1 所示。
图1 基于学习投入的AR 教育游戏“设计地球拯救者”框架
吸入剂滥用问题是毒品问题中的很重要方面，长期以来其管制和监管难度大，往往是青少年人群中的一种滥用物质，但家庭和青少年目前对这个问题的认识普遍不足。吸入剂滥用是一个严重的世界性毒品滥用问题，特别是在弱势群体和青少年中。中国人民公安大学廉洁指出：青少年出于好奇心、回避心理困境等原因尝试滥用药物时，往往选择价格低廉、来源合法、使用广泛的油漆稀释剂、汽油、油漆、修正液和胶水等吸入剂，作为第一种滥用物质[6]。但这类吸入剂的化学结构多种多样，会产生各种药理作用，剂量过高可能导致猝死，长期滥用造成不可逆转的神经损伤和脏器损伤，对处于重要生长发育期的青少年影响极为严重，并可能引发后续烟草或其他毒品滥用问题，青少年人群中的吸入剂滥用目前已成为社区、学校、家庭和医疗机构日益关注的问题。针对这一问题，本研究基于AR 教育游戏设计框架，自主开发了一款以“吸入剂滥用”为主题的AR 教育游戏“地球拯救者”[7]。
（一）游戏背景
游戏发生于未来世界，地球上人类由于忽视吸入剂的危害，人们逐渐发现身体异常，有些人经常恶心，头晕，茶饭不思，更有些人甚至出现了身体畸形，功能障碍，痴呆的症状等等。由于地球上的技术问题，目前还不能研发出相关药物进行治疗，总之地球处于一片灰暗的笼罩之中。在此千钧一发之际，未来世界科研机构派出特派员进入地球，给人类讲解身边存在的隐形吸入剂，普及吸入剂的危害，并帮助地球上的科研人员研发相关药物。拯救处于水深火热中的人类……如图2，游戏开始界面。
图2 游戏开始界面
（二）第一关
未来世界特派员进入地球，采用手机移动扫描的形式，搜索空间内的物体，寻找生活中的有害吸入剂，扫到一个吸入剂，手机屏幕上会出现该物体的虚拟形状，并语音进行科普介绍。此环节包含的吸入剂一共有10 种，分别为修正液、记号笔墨水、电子设备清洁剂、油漆、汽油、酒精、香水、发胶、眼镜清洁剂、杀虫剂。科普介绍之后会获得一张此吸入剂的拼图，找齐10 种吸入剂后，会获得一张完整的拼图。最终拼图会变成一张介绍信，特派员凭此介绍信与地球上的科研人员取得联系。如图3 所示，扫出眼镜清洁剂。
图3 扫出眼镜清洁剂
（三）第二关
未来世界特派员与地球上的科研人员取得联系后，开始对吸入剂的危害进行研究。手机扫描人物卡，屏幕上会出现虚拟人物，科研人员小明。此时选择上一关获得的一种吸入剂卡片，放入屏幕中，显示小明吸入此吸入剂后身体出现的症状，游戏中在小明的头上会出现其存血量，由于小明长时间吸入吸入剂，血量会逐渐消耗，直至死亡。拿掉吸入剂卡片，小明的存血量逐渐恢复。之后再选择其他的吸入剂与小明进行反应，观察小明的身体症状。此环节，学习完8 种吸入剂的症状，即可进行到下一关，如果玩家一次学完10 种吸入剂的症状，会奖励一格的存血量用于下一关。第二关过关后，屏幕中出现一张表，表为特派员与地球科研人员共同研制的针对性药物。例如：吸入油漆，服用红色药丸。吸入发胶，服用黄色药丸。如图4 所示，小明吸入吸入剂。如图5 所示，移开吸入剂开始回血。表1 所示，研制针对性药丸。
表1 研制针对性药丸
图4 小明吸入吸入剂
图5 移开吸入剂开始回血
行为投入指学生进行的机械的、形式的努力、专注与坚持的学习行为,它是情感投入和认知投入的载体,可以用来预测学习成就、学习成绩等情况[8]。传统教学情境下，学习时长通常被研究者用作学习行为投入的一个评测标准。有研究者认为学习行为投入的衡量指标包括任务投入时间，学习任务持久性、努力性与参与性[9]。学习本就是一个枯燥的过程，在第二关中，游戏设定是学完8 种吸入剂就可进入下一关，学习8 种是一个持续的过程，如果学生表现得没有耐心，进行不了8 关的学习，则游戏失败。但同时游戏有一个激励机制，玩家若能学习完全部10 种吸入剂，就会以一格血的获得作为奖励。这就激发了学生继续玩下去的决心，因此玩家投入任务的持久性增加，投入时间变长，专注度提高，游戏顺利过关，玩家的行为投入度因此提高。
（四）第三关
此环节为治疗环节，由于地球上的医疗水平有限，某些严重的病人，需要特派员的救治。特派员要根据病人的症状，给予正确的药丸进行治疗。屏幕中出现的虚拟人物的症状是随机的，人物的头上会显示病人只有三格存血量（第二关学完10 关的玩家，会奖励一格的血，即多一次试错的机会），只有通过扫描正确的药丸，人物的存血量才会增加，症状才会逐步消失。扫描错了药丸，人物的存血量会减少，血量耗尽，游戏结束。患者可能同时伴随多种症状，意味着可能吸入了多种吸入剂，这时候玩家就要综合诊断，因此游戏难度加大。医治完所有病人，游戏胜利，屏幕出现“地球拯救者证书”点击可输入自己的名字，证书可以下载保存。如图6 所示，获得证书。
图6 证书图片
认知投入指可能影响自身发展和心理求知需求的行为,与学习绩效相关,换言之是学习者利用认知策略调节自我学习的行为[10]，认知投入可以表现在学生的学业成绩、知识掌握情况、学以致用情况等方面[11]。在第三关中，玩家通过前两关的学习，掌握了吸入某种吸入剂会出现何种症状，并通过什么颜色的药丸可以治疗的相关知识，而第三关就是学以致用的环节，玩家要根据游戏中人物出现的症状来给予相关的药丸进行治疗，测试玩家知识的掌握情况。玩家能顺利过关，说明通过游戏学到了知识，游戏的过程中，认知投入度比较高。
学习情感投入是存在于师生之间、课堂、学业或学校活动中积极或消极的情绪体验，指向学习者的兴趣、体验感、价值感、认同感和归属感。Lee 等认为，情感投入关注的是学习者的满意度、学习过程中的愉悦感和同伴交互中的价值感[12]。Pekrun 等人将情感投入视作认知投入和行为投入发生的前提，认为学习情感投入主要由成就情绪、主题情绪、社交情绪和认知情绪四部分构成[13]。第三关游戏设置就是医治病人，游戏开始前就能让玩家体验一把当医生的感觉，能够吸引玩家的兴趣，另外在医治的过程中，判断病情正确可以看到病人开始回血，因此玩家获得自身的价值感。在游戏结束后，能够获得一张以玩家名字命名的“地球拯救者”证书，给玩家带来成就感，说明游戏起到了增加学生情感投入的作用。
“地球拯救者”游戏通过AR 扫卡片的方式寻找并认识生活中潜在的吸入剂，游戏的对象为青少年，青少年为吸入剂滥用中的弱势群体，通过游戏中学习吸入剂的存在及其危害，加深了对吸入剂滥用的印象，避免了对青少年学生身体的危害。游戏运用了AR 技术，实现了对生活中吸入剂的还原，日常课程中无法直接演示这些吸入剂，因此加深了同学们的印象。与普通教育游戏相比，“地球拯救者”AR 游戏，能够根据学生玩游戏时的表现和药丸匹配症状的正确率来判断学生能够通过游戏闯关的学习方式提升学习的效率。
随着游戏化教学理念的不断深入，各类教育游戏被广泛运用到课堂中，因此关注教育游戏的教育意义，以及学生在AR 教育游戏教学环境下的学习水平显得尤为重要。AR 技术以其虚实结合的交互手段给学习对象提供了新的学习方式，这种学习方式更加注重以贴近真实自然的空间来展现教学中难以理解的抽象事物和因现实局限难以接触的实在事物。本文结合体验学习、动机以及情境认知理论和AR 教育游戏的设计原则，构建了基于学习投入的AR 教育游戏设计框架，在此基础上设计并开发了一款以“吸入剂滥用”为主题的AR 教育游戏“地球拯救者”。游戏利用AR 技术使我们接触到生活中隐藏的吸入剂，认识什么是吸入剂并了解吸入剂对人体的危害，游戏关卡设置帮助学生提高学习投入度，真正做到持续认真学习的基础上，游戏才能过关，使得学生在玩中学的同时又提高了学习效率。目前该游戏通过关卡的设置可以证明能够提高学生的学习投入度，该论文下一步工作将着眼于对游戏投入度的测评研究，通过视频录制、问卷调查等方式来测量学生玩此款教育游戏时的学习投入度。同时，利用增强现实技术给施教者的教学方法上提供更多的自由度也是本文后续着重考虑的方面。
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