游戏化教学在“材料热力学”中的应用

［摘 要］ “材料热力学”课程因专业名词数量众多、知识点逻辑联系紧密、抽象公式与计算多、专用符号和图表繁杂等因素，在传统的线下课堂讲授过程中，学生存在明显的畏难情绪，学习态度较为消极。基于翻转课堂设计了卡牌竞赛游戏，在实际课堂中融入游戏化教学，根据知识点合理设置题目，分小组对题目进行解释问答，小组间通过卡牌游戏就题目进行互动，课堂氛围得到有效调动，学生在游戏化教学中更容易掌握知识点。同时构建了完备的激励系统，加强线上线下混合教学模式的应用，极大地提高了学生的学习积极性和学习效果，适合小班教学推广。

［关键词］ 翻转课堂；游戏化教学；教学创新

［基金项目］ 2023年度东莞理工学院校级“质量工程——基于翻转课堂的游戏化教学改革”（221114272）

［作者简介］ 陈 肯（1991—），男，湖南株洲人，博士，东莞理工学院材料科学与工程学院副教授，主要从事高温防护涂层研究；伦沛棋（1994—），男，广东东莞人，硕士，东莞理工学院材料科学与工程学院助理实验师（通信作者），主要从事高温防护涂层研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）33-0140-04 ［收稿日期］ 2023-06-30

引言

当前，高等教育强调提高大学生的创新能力和自主学习能力，传统的线下讲授教学模式越来越难以满足相关要求。造成这种现象的原因一方面在于前期高中的基础课很少涉及该部分专而精的内容；另一方面，理工科专业课程大多逻辑联系多，抽象公式多、计算多，学生天然地存在着畏难情绪。这种情况导致在线下课堂讲授中学生的积极性不高。在教学过程中，通常包括知识传授和知识内化两个阶段。在传统教学模式中，知识传授是通过教师在课堂中的讲授完成，知识内化则需要学生在课后通过作业、操作或者实践完成。为此，开展教学改革，进而转变教师与学生身份，从以教师为中心转变成以学生为中心的教学模式探索迫在眉睫。

翻转课堂是完成这种转变的重要工具之一。翻转课堂有很多种具体形式，包括报告式、讨论式、辩论式、游戏化等，其中游戏化教学是最具实操性的模式之一。游戏化（gamification）是指将游戏的理念与设计方法运用在其他领域上，游戏化教学［1］是以传播知识为目标，以学习者为中心，将游戏元素和游戏机制融合进教与学的过程当中，通过互动有趣的教育游戏激发学生的兴趣和专注力的一种教学活动。在游戏化教学中，师生的角色发生了重大的变化，学生成为学习的中心，教师作为学习的指导者和课程的设计者，需要给学生提供良好的学习环境，满足学生个性化和协作式学习的需求，促使他们完成到“学习中心”的角色转变。因此，如何设计游戏环节开展课堂活动以促进学生知识的内化，成为提高教学质量的关键。

本文通过将游戏化学习的设计理念应用到翻转课堂的教学设计，总结实践经验，进而构建一套适合小班教学的以学生为中心的游戏化教学模式，以期为理工科教学实践提供可供参考借鉴的范式。

一、“材料热力学”课堂特点及调查结果

“材料热力学”课程作为材料学科重要的专业课之一，主要讲授热力学基本定律及相平衡与相变相关的基本原理，也涉及相图的系统阐述。课程的教学目的和任务是使学生能够掌握热力学基本原理，并为学生在后续课程（如“材料科学基础”“金属材料学”“金属凝固原理”等）储备必要的基础知识。

学生在本课程中进入心流的状态较难。所谓“心流”指的就是人将注意力完全投注入某种实践中，会感到高度的兴奋感与充实感的心理状态［2］。一方面，在课程开始前对学生的调查显示，课程中的一些基本专业名词，如熵、吉布斯自由能、相等，学生不了解的占到了70%以上，如图1所示。另一方面，该课程逻辑联系多、计算多、图表多，学生天然地存在着畏难情绪。通过调查，学生反映课程太难，新专有名词出现频率高，稍不注意错过知识点后，后面的课程很难跟上。

二、游戏化教学设计

（一）学习团队（team）建立

通过构建团队，可以使学生快速进入游戏角色。开课前，设计调查问卷判断学生四大学习者类型（成就型、目标型、互动性、探索型），如图2所示。其中，以互动型学习者担任小组长，再随机分配剩余学生，保证每个团队内包含各型学习者，使学生在教学实践过程中都能够积极参与，同步竞争。

（二）卡牌游戏

基于学生喜闻乐见的《三国杀》卡牌游戏，融合中国传统文化与成语故事，如图3所示，教学团队设计了一款适合线下课堂开展的卡牌游戏，卡组分为题目和锦囊两大类，如图4所示。

游戏的规则如下：（1）初始设定，每小组抽5张手牌，基础分通过前期讲课互动获得；（2）游戏流程包括抽卡—出题—判定与指定—答题—结算五部分；（3）游戏结束条件为下课或者题卡答完；（4）分数统计以该堂课所获分数作为当次小组竞赛成绩。

游戏流程具体步骤为：（1）抽卡。组A开始，抽卡一张并出牌。（2）出题。在有题的条件下必须出一题。该题结算完后，组A可选择继续出题或结束自己的回合。（3）判定与指定。教师扔硬币判定题目属性，硬币正面表示该题为加分题（答对加分，答错不加分）；硬币反面表示该题为扣分题（答对不加分，答错扣分）。指定任意组B（也可以是组A自己）进行答题。（4）答题。组B进行答题，教师和其他组就题目细节进行询问。组B可以使用“移花接木”卡牌，将题目转移到指定组X。组B如使用“东山再起”卡牌，组员则拥有再次答题机会。（5）结算。根据组B答题情况，结算分数。组B使用免死金牌可免扣分，并将答题权回到组A（如指定自己组则免除转移）。

（三）点数（point）机制

点数不但包括最终的课程分数，也包括独立于课程分数之外的评价点数，例如对课堂上互动答题的评分，以此激励学生参与课堂活动，或与组内的成员协作换取点数。通过具体的分数可实现教学成果的量化，有利于课程的达成度分析。

（四）排行榜（leaderboards）机制

排行榜的主要作用是让学生了解其对课程知识的掌握情况。在“材料热力学”课程线下教学中，教师以小组为对象，在每次课上都会实时地更新团队排名并展示，以此激发学生的好胜心，并在下次课开始时重置排行榜，避免分差过大导致学生出现消极心态。线上部分的排行榜由优学院直接给出，在设置好各部分的所占比例后，学生通过学习行为积累学习点数，可实时地刷新自己的排名。

三、“材料热力学”课堂实践

（一）课前预热

在优学院上提前公布下节“材料热力学”课的练习题库，如图5所示，使学生了解下节课要讲授的内容，有利于课堂游戏环节的顺利开展。学习内容的设置应该难易适当，且容易的部分应该居多。学生通过预习教材和线上的教学资源，并以小组为单位提前准备好答案。

（二）课堂竞赛

在课堂实践过程中，教师先开展重点难点的讲解，以防止部分学生因自觉性不高，没有提前学习而错过课程的重点。这部分所占时长可根据内容的重要性及题库的多少灵活处理。在讲解完后，学生对本次课的题库进行组内沟通和统一。随后，由教师作为主持者开展卡牌竞赛游戏。

竞赛游戏开始前，班级6个小组各派出代表抽取5张手牌。竞赛开始时，平均对每组设置1道简答题、2道选择题和1道分析题的题量，教师指定队伍进行作答，其间所有队伍可以出卡牌，比如使用“移花接木”卡牌将题目与他组更换，回答完毕后，教师根据扔硬币确定答题属性及学生的回答给出或扣除分数。

简答题一般设置为各种复杂名词的定义与概念，如描述热力学第一定律、偏摩尔体积、熵、热机效率等。在答题的准备阶段时，组内成员可翻阅书本或笔记查找答案，学生对名词进行解释的过程实际上是对知识点的再一次巩固。选择题一般为四个选项，如根据某定义（如热力学定律、热力学关系式、相的概念等）选择对错，在回答期间，其他队伍可就题目的某一错项要求回答组予以修正，此过程更能加深学生对知识点的理解。分析题一般根据课程内容来进行合理设置，如讲授热力学第二定律时，会让学生计算某体系中在某过程中做的功；在讲授相平衡时，会让学生判断相图中相平衡关系及自由度。游戏化教学能够有效地调动课堂气氛，学生的积极性得到提高，学生在出卡牌的过程中会在无意间对题目中涉及的知识点进行了解，这对含有晦涩难懂知识点的“材料热力学”课程的讲授是有益的。相对于单一的教师问、学生答的模式，游戏化教学能够吸引更多学生的注意力，让更多的学生参与到问答当中，保证知识点的有效传播，提高开课效率。

（三）课后巩固

线上课程应该同步更新讲课视频及PPT以便学生复习。通过优学院统计学生课后学习课程视频时长以确认学生复习情况，如图6所示。针对课堂上教师只传授干货的特点，需要学生完成复习讲义，讲义中涉及课程的一些细节内容需要学生认真复习后才能较好地掌握。教师及时评阅课后作业，并给出分数，由优学院统计分数、更新排名。

结语

基于上述游戏化教学开展“材料热力学”的课程教学，经过多学期的线上+线下混合教学实践，学生的积极性明显优于单纯以教师为主的线下课堂讲授，巧妙运用点数—排行榜机制能有效地激励学生学习。然而，基于的游戏化教学过程中还存在诸多难题，如教师评分的公正性、成绩区分度等，仍需要进一步的探索，如能够有效解决这些问题，则游戏化教学模式的质量将更上一层楼。

参考文献

［1］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.

［2］张宝，张迪，胡安国.基于心流理论的短视频APP设计研究［J］.设计，2020，33（7）：144-146.

Application of Gamified Teaching in the Course of Thermodynamics of Material

CHEN Ken， LUN Pei-qi， LI Kang， ZHU Wen

（School of Materials Science and Engineering， Dongguan University of Technology， Dongguan， Guangdong 523808， China）

Abstract： Due to the large number of professional terms， the close logical connection of knowledge points， the numerous abstract formulas and calculations， and the complex special symbols and charts in the course of Thermodynamics of Material， students have obvious fear of difficulties and negative learning attitude in the traditional offline classroom teaching process. Based on the flipped classroom， a card game was designed， a complete incentive system was built， in which questions are set properly and answered by different groups， making students grasp the knowledge prints easily.The application of online and offline mixed teaching mode greatly improved students' learning enthusiasm and learning effect， which is suitable for the promotion of small class teaching.

Key words： flipped classroom; game teaching; teaching innovation