基于知识划分理论的科普游戏设计与实例分析

　　摘要：科普游戏将抽象、概括的科学知识融入生动、有趣的玩法操作中，逐渐成为大众接受科普教育的有效途径。然而，大部分科普游戏无法准确传达关键的科学原理和规律，科普认知效果甚微。基于此，文章首先分析了科普游戏现存设计的问题及其成因；然后探析了科普知识的内在机理，建构了基于知识划分理论的科普游戏设计框架；最后基于此框架，开发了一款以“抗生素滥用”为主题的科普游戏——“灭菌挑战”，以验证此框架在指导设计实践中的可行性。

　　关键词：科普游戏；知识划分理论；游戏机制；科普教育；抗生素

　　科普游戏是以电子游戏为载体进行科学普及的活动形式，这类游戏在提供娱乐体验的基础上附载科普认知价值，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，科普游戏的开发热度不减，然而其快速膨胀势必会带来质量隐忧[2]。科学认知和游戏娱乐在有、无目的性上存在的悖论，或将导致科普游戏的教育性和娱乐性失衡：一方面，过分强调科普认知效果，忽略游戏性设计；另一方面，片面追求娱乐性体验，学习内容设定欠缺。因此，如何将教育性与游戏性有机融合，成为科普游戏的设计关键，这也是本研究试图解决的问题。

　　一科普游戏现存设计问题分析

　　游戏设计与科普教育之间的专业跨度，往往造成游戏设计师对认知发展规律和科普知识的理解不够，或是教育者缺乏游戏设计和开发经验——前者导致科普游戏的专业认知度不足；后者导致教育目的浅表化，即学习内容和游戏元素生硬嫁接。

　　1认知专业度不足

　　在长期实践中，大部分游戏设计师形成了“游戏本位”的设计观念，认为“好玩”是一款游戏在市场竞争中取得成功的关键，所谓的科普知识只是锦上添花型的商业噱头。因此，某些游戏虽然自我标榜为科普游戏，但核心机制仍是“三消”、“打怪升级”、“养成”等与科普内容毫无关联的纯娱乐玩法。例如，医学健康领域目前较为关注微生物抗药性问题的解决[3]，泛欧教育机构E-Bug推出的游戏“BodyBusters”[4]，简单移植了经典玩游戏“吃豆人”的对抗玩法，通过“豆人和幽灵的对抗”模拟“抗生素与细菌的关系”，片面强调“抗生素可灭菌”这一作用，并未解释“抗生素滥用导致耐药性”这一关键原理，故造成了受众的认知偏差。这类游戏以传达科学现象和概念等描述性知识为主，对科普原理等程序性知识鲜有涉猎，因此往往避重就轻，仅展示基础的科普概念，而对科学规律和原理等高阶知识避而不谈，导致科普认知专业度不足。

　　2教育目的浅表化

　　不同于游戏设计师，科普教育者通常持“游戏工具化”观点，认为游戏是科普工具，游戏体验应该服从于认知效果。这类游戏存在以下设计问题：①照搬传统课堂的“教师中心主义”授课模式[5]，如“SecretAgent”、“火灾逃生”等游戏以非角色玩家（Non-PlayerCharacter，NPC）为中心，单向灌输科普内容，玩家被动接收信息；②知识表征处理不当，如“纳木”、“不可思议”等游戏以静态图文形式呈现，并未将知识融入游戏玩法和操作，学习内容设计过于浅表化。究其原因，此类游戏忽略了“游戏的过程性和交互性操作更利于表征科学原理和过程等程序性知识”[6]这一重要的功能属性。因此，科普游戏设计不仅需从内容设定上增加科学原理和规律等程序性知识、提升科普认知的专业度，而且要在玩法设定上根据不同类型的知识设定相应的游戏任务，特别是将复杂的科学原理和发展过程内隐到游戏玩法中。

　　二科普游戏设计框架

　　科普游戏涉及认知和游戏两个模块的辅成配合[7]，因此需要在解构科普知识内在机理的基础上建立不同知识类型与游戏元素的映射关系，再分析各元素的设计原则、形成设计框架。

　　1科普知识的内在机理

　　依据安德森知识划分理论，知识可分为两类：①描述性知识，是对客观对象的直接编码，回答“What（是什么）”的问题，多以命题的形式表现；②程序性知识，是对转换过程的编码，回答“How（怎么样）”的问题，一般通过多个生产式的形式表现[8]。以“耐药性形成”为例，是指“错误使用抗生素导致细菌与抗生素长期接触，药物的敏感性将下降甚至消失，从而使药物对耐药菌的疗效降低或无效”。该知识可被分解为三个生产式：人体被细菌感染，使用抗生素；错误使用抗生素，细菌中产生抗生素遗传物质；细菌中的抗生素遗传物质，导致细菌对抗生素的敏感性下降、药物的疗效降低。生产式构成程序性知识，其中包含了“细菌”、“抗生素”和“遗传物质”等描述性知识，可见人的复杂认知源于描述性知识和程序性知识的相互作用[9]——科普学习亦是如此。然而，现有科普游戏擅于展示描述性知识，却拙于解释程序性知识，造成学习者“知其然，而不知其所以然”。因此，“如何将程序性知识转译成游戏任务和交互操作”成为科普游戏设计的关键。

　　2科普游戏设计框架

　　严肃游戏研究的底层设计观的哲学基础，经历了从“本体论”到“工具论”再到“两者融合”的过程，因此其设计研究也经历了从娱乐性到教育性再到平衡性的过渡：MDA（Mechanics、Dynamics和Aesthetics）便是一个经典的游戏设计框架，可从技术实现和内容审美等方面提升娱乐性[10]。之后，Charsky[11]指出严肃游戏的教学设计者有必要了解游戏的构成要素和运行机制，从而实现学习内容与游戏本体的有机融合；此后，为了在游戏设计师与教育者之间建立一套沟通体系，研究者从认知和游戏两个方面，提出了严肃游戏设计六要素，包括认知目标、知识模拟、交互、问题发展、娱乐元素和应用条件[12]。然而，上述研究并未建立认知元素和游戏元素之间的映射关系，因此无从分析如何设计游戏元素以达到相应的认知效果。

　　三科普游戏设计实例分析

　　在我国，抗生素滥用现象普遍、问题严重。2013年，全国抗生素使用量约为162,000吨，其中人类用量约占48%[15]。近年来，一项针对上海地区586名儿童的追踪研究发现，79.6%的儿童尿液中含有至少一种抗生素，而某些抗生素增加了儿童超重风险[16]。公众对“消炎药”的热情依然居高不下，抗生素滥用导致的耐药性已经成为卫生安全和发展的最大威胁之一。为此，卫计委将“细菌耐药性产生原理”确立为公众合理使用抗生素的科普教育关键[17]。正如前文“BodyBusters”游戏的案例分析所示，大部分游戏停留在对抗生素概念和作用的表述层面，鲜有科普游戏对“耐药性产生”这一关键原理做出准确解释。针对这一问题，本研究基于科普游戏设计框架，自主开发了一款以“抗生素滥用”为主题的科普游戏原型“灭菌挑战”（FightBacteria）。

　　1游戏世界观

　　故事发生在未来世界，抗生素滥用导致细菌耐药性增强，抗生素效用日渐衰弱，无法杀灭有害细菌，人类面临灾难与毁灭。在千钧一发之际，未来科技派遣6名AI医疗助理，引导人类养成合理使用抗生素的习惯，如图2（a）所示。游戏以模拟经营为主：玩家释放抗生素消灭细菌、获取金币，再使用金币从商店中购买抗生素消灭细菌；为保持金币收支稳定，玩家必须合理、适量地使用抗生素。游戏分为6个场景，如图2（b）所示，分别对应一种由细菌感染导致的病变器官。玩家治愈所有器官，则游戏胜利。游戏科普目标设定为“细菌耐药性的产生机制”，为解释这一程序性知识，首先通过游戏弹窗介绍“抗生素”和“细菌”等基础的描述性知识。

　　2游戏弹窗

　　基于科普游戏设计框架，描述性知识由弹窗承载，前置于教学关中。“灭菌挑战”通过“引导角色”和“背包系统”，分别向玩家传递抗生素概念和功能属性：①“引导角色”设定为AI医生，以小机器人形象置于界面角落，介绍“抗生素是对抗细菌的好帮手”；提出医疗建议，即游戏规则——“根据细菌的颜色，选择同色系的抗生素进行治疗”；提示玩家点击“药品装备包”，并选择正确的抗生素；如果药剂用完，则引导玩家进入药店购买。②“背包系统”由药店、药箱和药品装备栏共同构成，能够查看、增删道具；药店中显示各种抗生素药物，点击后弹窗显示药品名称、适应症、注意事项等属性；玩家根据患者症状购买药品后，药品被自动加入药箱中；备战时将药箱中的药品加入装备栏，以作为后续灭菌作战的“弹药”。由上可知，“引导角色”与“背包系统”介绍了抗生素、细菌等描述性知识。接下来，本研究将通过“游戏机制”解释本游戏的核心知识“耐药性的形成原理”。

　　3游戏机制

　　游戏机制由核心机制和渐进机制构成：核心机制包含多个关键操作，由“耐药性形成原理”的多个生产式转译而来；而渐进机制规定关卡难度进阶，通过多次不同难度的“灭菌战”来巩固对“耐药性形成”的理解。

　　（1）核心机制上文已将“耐药性形成原理”分解为三个生产式，现将其转译成三个关键操作，具体如下：操作一：“抗生素和细菌对抗”。采用快速反应事件（QuickTimeEvent，QTE）玩法进行模拟。玩家根据感染细菌的类型和数量，派遣相应剂量的抗生素进行作战；作战时，系统实时出现不同颜色的细菌，玩家需及时跟换装备包中的抗生素。由此，通过实时对战玩法，完成对第一个生产式“细菌感染后，使用抗生素治疗”的转译。操作二：“抗生素使用不当，一部分携带抗生素遗传物质的细菌留存，对抗生素敏感度下降，细菌战斗力提升”。此操作通过点数、徽章、排行榜（Points,Badge,Leaderboard，PBL）反馈系统实现。抗生素使用不当，分为三种情况：①选择错误，即抗生素对病毒引发的炎症并无疗效，但现实生活中一些患者却认为“有炎症，就用点抗生素”。如图3（a）所示，肺部感染的是粉红流感病毒，AI医疗助手建议使用“粉色抗病毒衣片”，而玩家却使用了“粉色抗生素胶囊”。如图3（b）所示，PBL反馈“游戏失败”徽章、币点0、班级排行21/25，弹窗和画外音强调“药品选择错误，请对症下药！”以此提醒玩家：并非所有炎症都可使用抗生素治疗。②用量不足，即大多数抗生素疗程为一周左右，但很多患者使用两三天后“症状消退”，便擅自停药。如图3（c）所示，AI医疗助手建议“使用6枚抗生素”，而玩家却只派出了2枚抗生素应战——虽然也使症状有所减轻、细菌量下降，但是已接触抗生素的细菌，携带了耐药性遗传物质，留存在体内。如图3（d）所示，PBL反馈“再接再厉”徽章、币点50、排行17/25，机器人表情痛苦，画外音解释“抗生素剂量不足，看似症状消退，实际上并未彻底清除细菌，极易引发二次感染”，以此提示抗生素用量不足的危害。③过量使用，即不少人认为“感冒就用抗生素”、“注射抗生素比口服效果好”，导致超量使用抗生素。如图3（c）中AI医疗助手建议玩家使用6枚抗生素，如果玩家使用了15枚，此时症状完全消除、细菌量降至痊愈值，但多余的抗生素留在体内与细菌接触，会产生耐药性。此时如图3（e）所示，PBL反馈“再接再厉”徽章、币点70、排行12/25，弹窗提示“抗生素过量，导致菌群失衡，引起诸多不良反应”，以此警示“下猛药、挂吊瓶”等错误认知。只有当玩家遵照AI医疗助手的“医嘱”，选择正确的抗生素，并按照额定量使用，才能获得最佳PBL反馈，即“完美通关”徽章。

　　（2）渐进机制“灭菌挑战”的关卡难度进阶与细菌感染程度有关。包含不同数量级的有害细菌量和多重耐药菌感染。玩家不当使用抗生素，将持续提升后续关卡中的细菌耐药性，导致治疗难度上升，直至出现“超级细菌”，也就是本游戏的终极关卡。超级细菌中包含混合色调的絮状物，玩家需要同时投放多种抗生素或者使用“超级抗生素”。然而，物极必反，“超级抗生素”的战斗力虽强，但毒性也高，操作稍有不当，就易造成“伤敌一千、自损八百”的后果，导致患者体内多处器官受损，游戏失败。以此警醒玩家：抗生素滥用、乱用，将产生耐药性，导致超级细菌横行、药石罔效的恶果。“灭菌挑战”游戏通过“对抗”玩法模拟细菌和抗生素的争夺战，玩家在教学关中掌握了抗生素相关的基本概念，并在互动实战中理解了“耐药性产生”这一关键原理，从而实现“合理使用抗生素”的科普目标。针对描述性、程序性和情境性三类科普知识，本研究分别总结了其游戏化设计的原则：①科普概念，属于描述性知识，可以通过策划NPC对话或背包系统，承载对象属性和特征；②科普原理，属于程序性知识，可以将其转译成游戏玩法机制，从而引导玩家在操作性学习的过程中构建自我认知；③应用场景，属于情境性知识，通过游戏世界观和场景真实模拟知识产生和运用的客观环境，促进游戏化学习的知识迁移。

　　四结语

　　在科普教育和数字游戏的碰撞与融合处，科普游戏应运而生。科普游戏作为知识生产和传播的新兴媒介，在自然科学的抽象思维和少年儿童的形象思维之间架起了一座桥梁，连接科学的理性精神和孩子们的内在思考。本研究从问题出发，提出现有科普游戏对科学原理、规律等程序性知识的表征缺陷；同时，结合知识划分理论，提出对三类科普知识的特定设计方法。在此基础上，本研究构建了科普游戏设计框架，并以“抗生素滥用”为主题设计了一款游戏实例，以验证此框架在指导设计实践中的可行性，并为科普领域的游戏化设计提供学术指引，进而帮助玩家在游戏过程中潜移默化地习得不同元素所承载的各类科普知识。

　　参考文献

　　[1]周荣庭,方可人.关于科普游戏的思考——探寻科学普及与电子游戏的融合[J].科普研究,2013,(6):60-66.

　　[2]科协科普部,科普研究所,百度指数.网民科普需求搜索行为报告(2019第三季度)[OL].

　　[3]世界卫生组织.抗微生物药物耐药性全球行动计划[OL].

　　[4]McNultyCAM,LeckyDM,FarrellD,etal.Overviewofe-Bug:Anantibioticandhygieneeducationalresourceforschools[J].JournalofAntimicrobialChemotherapy,2011,(6):3-12.

　　[5]张丽霞,詹青龙.职技高师数字媒体课程群创新教学模式实证分析[J].职业技术教育,2014,(23):48-51.

　　蒋希娜1李玥1何威1陈世红2

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