圖片來源：Unsplash

近年來，游戲化學習備受關注，眾多研究從不同視角證實了游戲的教育功能。作為學習科學的重要研究領域，認知神經(jīng)科學促進了人類對腦學習機制的探索研究，為游戲化學習的研究與設計提供了重要支持。本文梳理了認知神經(jīng)科學領域對學習過程的理解，介紹了可應用于教育研究的腦科學研究工具，以及認知神經(jīng)科學在閱讀與數(shù)學領域的研究成果；在此基礎上，調研了利用腦科學研究方法證實的游戲化學習對認知、情緒以及學科學習的相關研究，分析了認知神經(jīng)科學對于游戲化學習重要價值，并展望了基于認知神經(jīng)科學的游戲化學習研究的未來發(fā)展前景。

一、引言

當前游戲化學習備受關注，教育游戲對于激發(fā)學習動機 [1,2]、發(fā)展認知能力 [3]、促進學生參與 [4, 5]，以及培養(yǎng)學生 21 世紀所需的高階能力 [6] 等功能得到了眾多研究的證明。寓教于樂的教學理念也逐漸得到認可，游戲化學習與學校教育進行整合成為其發(fā)展趨勢。國內外一些學校已經(jīng)進行了游戲化學習模式的探索。例如，美國紐約公立學校 Quest to Learn 以游戲化學習的方式開展教學活動，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力和系統(tǒng)性思維，其游戲化教學機制的成果吸引了廣泛的關注。近年來，也出現(xiàn)了聲稱能夠促進認知能力發(fā)展的大腦游戲，較為有代表性的是商業(yè)游戲 Lumosity，并有研究者通過腦成像技術來評估游戲化學習的成效 [7]。

有關教育游戲功能的實證研究來源于多學科研究領域，如心理學、社會學等，其中認知神經(jīng)科學是一個重要的研究領域 [8, 9]。作為神經(jīng)科學和認知心理學的交叉學科，認知神經(jīng)科學是學習科學研究的重要領域。認知神經(jīng)科學對人腦以及認知能力的研究可為教育游戲的開發(fā)提供科學依據(jù)與理論支撐，也為驗證教育游戲功能提供了科學的研究方法。

本文對基于認知神經(jīng)科學的游戲化學習的研究文獻進行了全面調研，首先分析了大腦的核心特征——可塑性，大腦在時刻發(fā)生變化，這是證明教育能夠促進人的認知能力發(fā)展的前提；介紹了非侵入性腦研究技術的發(fā)展，闡述了腦科學與教育研究相結合在語言和算術領域的研究成果。其次分析了游戲在促進人的工作記憶、視覺能力、注意力等認知能力方面的作用，介紹了利用游戲進行數(shù)學與閱讀學習的研究案例，同時探討了游戲化學習對學習過程中積極情緒的塑造作用。

二、認知神經(jīng)科學與教育

1、教育與人腦的可塑性：經(jīng)驗決定的發(fā)展過程

認知發(fā)展與腦發(fā)展同步的這一假設是將心理、腦和教育整合在一起的動力 [10]。腦能夠學習是因為其具有可塑性，能夠根據(jù)環(huán)境刺激產(chǎn)生改變，適應環(huán)境的能力是腦與生俱來的固有屬性以及核心特征——即可塑性 [11]。在出生時，所有的神經(jīng)元都已經(jīng)具備，然而腦皮層中的大部分神經(jīng)元都還沒有充分建立連接，在出生之后經(jīng)過幾年的發(fā)展，腦才最終形成復雜的功能結構 [12]。一篇發(fā)表在Science期刊上的研究通過比較受教育程度不同的成人的大腦結構，發(fā)現(xiàn)讀寫方面的教育改變了大腦相應的腦結構功能 [13]。

對大腦可塑性的研究豐富了對教育的理解。Dehaene 基于在算術和閱讀領域的研究發(fā)現(xiàn)，將教育定義為一種神經(jīng)元的再利用過程 [14]。神經(jīng)科學家將學習看作腦加工的過程，是腦對刺激產(chǎn)生的反應，它包括腦對信息的感知、處理和整合 [15]。將腦的生長周期與學習模式直接聯(lián)系起來的研究將會提供對學習過程的有效說明，將認知發(fā)展周期與教育評價量表結合起來的研究是認知神經(jīng)科學對教育研究與實踐的一項杰出貢獻 [16]。教育者可以從對腦變化的最初狀態(tài)、發(fā)展軌跡及最終狀態(tài)的理解中獲益 [17]。

基于腦的可塑性，認知神經(jīng)領域的科學家發(fā)現(xiàn)腦在特定時期的發(fā)展極易受經(jīng)驗的影響 [18]，在此期間，應給予學習者適當?shù)膶W習體驗以促進認知能力的發(fā)展。在這些適合特定技能學習的“敏感期”或“機遇期”內，腦需要特定類型的刺激，以實現(xiàn)并保持相關腦結構的發(fā)展，科學家已經(jīng)提出了某些特定的學習敏感期，如語音敏感期、視覺敏感期以及一些特定的情緒敏感期等。例如，如果在 1 至 3 歲就接觸一門外語，語法是由大腦左半球來處理，說母語的人也是如此，但是當這個過程被延遲時，大腦成像結果顯示出一種異常的活動模式，即接觸第二語言太晚導致學習語法非常困難 [19]。對敏感期的學習過程的研究有助于開發(fā)與敏感期相適應的教育方法，促進更加有效的學習。

2、認知神經(jīng)科學的技術發(fā)展

認知神經(jīng)科學的研究進展也得益于技術設備的快速發(fā)展，EEG、fNIRS 以及 fMRI 等技術已經(jīng)應用于針對兒童的實驗研究，這些方法有助于人們更加清楚地了解大腦的功能。采用這些技術進行的神經(jīng)科學研究的基本假設是任務對腦提出特別需求，這些需求導致化學的、電的神經(jīng)活動的變化 [20]，這些變化引發(fā)了心律、肌肉活動、血壓等大量生理反應 [21]，可以通過技術設備捕捉到相關數(shù)據(jù)。

>>功能磁共振成像

功能磁共振成像技術（fMRI）可以使我們得到關于血氧的一系列全腦影像，血氧與神經(jīng)元互動緊密相連 [22]。這項技術可以讓神經(jīng)科學家觀測到在執(zhí)行任務時腦活動的變化。其原理是任務會激活特定的腦區(qū)，更多的血液流向這些細胞，這些區(qū)域的含氧量增加。而這項技術的巨大的筒狀磁體掃描器會形成由腦細胞中水分子產(chǎn)生的磁共振信號圖像；該技術的空間分辨率較高，但同時也存在一定的缺陷，如噪音較大、參與者需要保持靜止、設備成本巨大等 [23]。

>>功能近紅外光譜

與 fMRI 原理類似，fNIRS 信號也能夠反應腦中血流量的動態(tài)狀況，這種技術能夠監(jiān)測顱骨下幾毫米的地方，與學習有關的高級認知功能都位于大腦組織的表層；其限制在于不能監(jiān)測深層的腦組織活動，頭發(fā)對光學信號有干擾，時間分辨率較低，因此目前 fNIRS 大多是作為驗證工具使用，是其他腦成像技術（如EEG）的補充 [24]。

>>腦電圖和事件相關誘發(fā)電位

EEG 是一種測量腦電活動的非侵入性方法，它能夠反應腦電的變化。EEG 和 ERPs 包括能夠套在頭皮上記錄顱骨表面低振幅腦電活動的電極，對大腦自發(fā)的自然節(jié)律的記錄被稱為腦電圖（EEG）；EEG 和 ERPs 在追蹤腦電活動方面具有毫秒級的電位活動差異敏感度，能夠為神經(jīng)處理的時間進程提供依據(jù)，這項技術使研究者能夠根據(jù)腦電波節(jié)律中神經(jīng)震動的幅度、頻率和強度分析人類認知任務過程中的認知結構 [25]。

Antonenko 等人關于應用于教育研究的神經(jīng)影像學的綜述介紹了 fMRI 等測量腦血流的方法具有較高的空間分辨率，EEG 和 ERPs 可以直接測量腦電活動，時間分辨率較高，但其共同的局限性是生態(tài)效度較低，因為神經(jīng)科學研究中所使用的任務大部分都是短期的、脫離情境的，而教育研究所使用的任務是嵌入在復雜的社會環(huán)境中，涉及到“真實”學習境脈的教育神經(jīng)科學研究尚處于起步階段 [26]。同時，部分方法對實驗環(huán)境有高度的依賴，如 fMRI 在掃描的過程中會產(chǎn)生很大的噪聲，因此廣泛地針對兒童開展研究是較為困難的。

3、認知神經(jīng)科學研究在語言、算術領域的發(fā)現(xiàn)

將腦科學研究成果與教育行為相聯(lián)系的領域已經(jīng)碩果累累，并具有一定的科學嚴謹性，尤其是語言和算術領域 [27]。神經(jīng)科學在診斷和確定有效的干預中，在閱讀障礙、計算障礙和老年癡呆方面的貢獻是最明確的：雖然閱讀障礙的原因依然不清楚，但研究者認為閱讀障礙主要源于聽覺皮層（有時可能是視覺皮層）的非典型性特征；而關于計算能力，正規(guī)的數(shù)學教育應當建立在已有的非正式數(shù)學的理解基礎上，因為人類出生就具有以數(shù)字的方式理解世界的生物本能；基于數(shù)字運算與空間認知所涉及的腦區(qū)研究，將數(shù)字與空間聯(lián)系起來的教學方法是非常有效的 [28]。

>>語言

腦中確實有專門負責語言功能的結構，研究已確定了左側額下回以及左側顳中回后部的功能：布洛卡區(qū)位于額下回，與語言的產(chǎn)生、言語加工和言語理解有關；威爾尼克區(qū)位于左半球顳葉與頂葉的交匯處，與言語識別功能有關，如詞匯理解 [29]。嬰幼兒在出生幾個月內就能辨別相似輔音和相似元音之間的細小區(qū)別，無論是母語還是外語都是如此 [30]。兒童和成人用于讀取字母文字的主要系統(tǒng)偏向左腦 [31]。當處理視覺特性、字母形狀及拼字法時，大腦的枕顳區(qū)最活躍 [32]，隨著閱讀技能的提升，發(fā)生在這些區(qū)域中的激活會增加 [33]；而對那些有發(fā)展性閱讀障礙的兒童來說，發(fā)生在這些區(qū)域的激活則會消失 [34]。

閱讀需要掌握一系列的復雜技能，對腦的閱讀加工進程了解得越多，教師和學生就能更好地應對閱讀障礙 [35]。目前為止，對閱讀理解最透徹、受到最廣泛認同的閱讀模型“雙通道理論”也得到了神經(jīng)科學的研究支持 [36]，相關研究也證明了通過有聲方法以及全語言的方法開展閱讀教學的重要性 [37]。

語言發(fā)展存在著敏感期，第二語言學習涉及語法加工和語義加工這兩個過程，它們依賴于腦的不同的神經(jīng)系統(tǒng)，語言學習越早，腦就能越有效地學習這門語言：如果將 1-3 歲的小孩兒放在外語的環(huán)境中，腦就會以加工母語的方式運用左半球加工語法信息；但如果 4-6 歲時開始學習外語，腦就需要通過兩個半球來加工語法信息；在 11-13 歲的時候開始接觸外語，腦成像研究發(fā)現(xiàn)其激活模式已經(jīng)發(fā)生異常；同時語音知識在 12 歲前學習更有效 [38]。

>>算術

雖然神經(jīng)科學在計算能力方面的研究尚處于起步階段，但該領域已在過去十年中取得了顯著進展，部分腦結構被認為從基因上就是分配給數(shù)感的 [39]。耶魯大學的 McCrink 和 Wynn 教授的研究結果證明嬰兒有基于數(shù)量的估算能力，1 個月大的嬰兒就能注意到周圍物體的數(shù)量 [40]。在原始數(shù)感的基礎上，通過與環(huán)境的不斷聯(lián)系，兒童就能發(fā)展自己的數(shù)學能力。

目前已經(jīng)知道數(shù)感系統(tǒng)由兩側的內溝區(qū)支撐，頂葉在各種數(shù)學運算中發(fā)揮了根本性的作用，幾乎所有的算術與數(shù)量運算都要應用頂葉，尤其是頂內溝 [41]。頂內溝可能還是數(shù)學神經(jīng)網(wǎng)絡的核心，近來的神經(jīng)成像研究揭示了計算障礙兒童頂內溝的特殊結構和功能特征，頂內溝受損會引起嚴重的加法和減法運算缺陷，而且基本的數(shù)字理解如近似、數(shù)量估計和比較能力也會受到嚴重影響 [42]。

一系列固定的腦區(qū)在算術過程中會有系統(tǒng)性的激活，其中左、右頂內溝及左、右前中溝激活最顯著 [43]。簡單的數(shù)量運算都需要多個腦區(qū)的協(xié)作，僅就數(shù)量表征而言，認知神經(jīng)科學的研究成果支持了“三重編碼模型”的三個層面的數(shù)量加工方式（數(shù)量、視覺和文字）：例如“threeness”的抽象數(shù)量表征依賴于下頂葉回路；視覺表征涉及下枕-顳葉皮層，如阿拉伯數(shù)字“3”的數(shù)字表征；而“three”的語言表征則只依賴于左半球的下枕-顳葉 [44]。

也有研究基于腦成像實驗，考察了數(shù)學學習依賴于語言能力與視空間表征（visuo-spatial representations）[45]。一些數(shù)學的計算知識，例如乘法口訣，是作為陳述性知識通過語言系統(tǒng)進行記憶加工的 [46]。而更加復雜的計算則涉及了視空間區(qū)域，這說明了多數(shù)位（multi-digit）運算中視覺心像（visual mental imagery）的重要性 [47]。手指計數(shù)是獲得計算技能的重要發(fā)展策略，手指數(shù)數(shù)所激活的頂葉前運動區(qū)（parietal-premotor）也在計算時被激活 [48]。

三、基于認知神經(jīng)科學的游戲化學習研究

1、電子游戲與認知能力發(fā)展

認知功能是指使信息處理和知識發(fā)展得以進行的一系列過程，不僅包括感知覺、學習與記憶、意識等功能，還包括社會行為、決策、推理等方面 [49]。近年來，游戲對于促進認知能力發(fā)展的功能也被基于腦科學方法的一系列研究證實。

電子游戲可以改善工作記憶。有研究表明玩超級瑪麗游戲（Super Mario）可以增加與工作記憶能力對應腦區(qū)的大腦灰質。在這項研究中，實驗組的參與者每天玩 30 分鐘游戲，總共持續(xù)兩個月，研究發(fā)現(xiàn)右側海馬結構（HC）、右側背側前額葉皮質（DLPFC）以及雙側小腦結構的灰質都有顯著的增加，這些區(qū)域與工作能力工作記憶相關 [50]。也有研究證明，采用自適應性軟件進行訓練可以引發(fā)前額葉和頂葉皮層激活程度的提高，而前額葉和頂葉皮層的激活程度與工作記憶容量呈正相關 [51]。

新一代三維游戲對玩家的注意力提出了較高的要求，玩游戲促進了注意力的發(fā)展。一項利用 ERPs 方法的研究證明玩第一人稱射擊游戲能夠改變支持注意力的神經(jīng)過程：在研究中，25 個參與者需要完成一個視覺區(qū)域注意任務（an attentional visual field task），總共時間是 10 小時，在游戲前和游戲后進行 ERPs 測量；雖然 ERPs 的結果顯示游戲并沒有影響參與者的自下而上（bottom-up）的注意力，但任務成績顯著提高的參與者在后期的視覺 ERPs 的幅度增加；這些電勢被認為能夠通過對干擾的抑制，促進自上而下（top-down）的空間選擇注意；但學習者的個體差異也讓游戲玩家在游戲中的受益是不同的 [52]。另外一項運用腦成像方法的研究通過比較游戲玩家和非游戲玩家的腦的注意神經(jīng)網(wǎng)絡利用以及干擾信息的處理過程解釋了動作游戲促進視覺選擇注意的神經(jīng)機制：在受到移動物體的干擾時，游戲玩家的視覺敏感區(qū)域的激活程度較非游戲玩家更低，這說明游戲玩家有更好的對早期無關信息進行篩選的能力；而隨著游戲對注意力的要求提高，非游戲玩家的頂葉區(qū)域有更多的利用，與之對比，在相同條件下，游戲玩家很少利用這個區(qū)域，額頂葉區(qū)域的激活被抑制表明動作游戲玩家可以更加輕松地進行注意力的分配，能夠更有效地對早期無關信息進行篩選 [53]。

動作游戲促進了視覺能力的發(fā)展，包括視覺的空間解決、即時處理和敏感性 [54]。在玩電子游戲方面投入較多時間的年輕人的一系列視覺能力比非電子游戲玩家要好，他們能夠關注到更多的物體，并能對變化的視覺信息進行有效加工 [55]。在視力發(fā)展敏感期的非正常視覺體驗會中斷視覺皮層的神經(jīng)回路，進而導致非正常的空間視覺以及弱視，有研究證明玩電子游戲能夠促進患有弱視的成人視覺系統(tǒng)的可塑性，實驗參與者用患有弱視的一側眼睛玩電子游戲（動作游戲或非動作游戲），在短期內（40-80 小時，每天 2 小時）可以引發(fā)多重視覺功能的改善，包括視覺準確性（visual acuity）、位置視力（positional acuity）、空間注意力（spatial attention）以及立體視覺（stereopsis）[56]。

Spence 和 Feng 對電子游戲促進空間認知的相關文獻進行綜述。該研究認為密集的電腦游戲也有可能帶來大腦和行為的改變；其綜述的實驗表明玩動作游戲能夠促進支持空間認知能力的許多基礎能力的發(fā)展，如感覺能力、知覺能力、以及注意能力。這些基礎的能力涉及空間解析、注意力、列舉計算、多重物體追蹤、視覺動作協(xié)調等。除了改善較為基礎的任務表現(xiàn)，玩動作游戲對完成復雜的空間任務也有好處，例如“心像旋轉”，同時也能實現(xiàn)學習遷移 [57]。

電子游戲有助于對抗由年齡增加造成的神經(jīng)認知功能的下降?；谌四X的認知能力發(fā)展，也有商業(yè)公司開發(fā)了腦訓練游戲。Lumosity 網(wǎng)站提供了一系列游戲，并聲稱能夠改善各種核心認知技能，包括記憶、注意、速度處理、心理靈活性、空間定位、邏輯推理以及問題解決能力 [58]，圖1就是通過安排小火車來培養(yǎng)注意力。有研究證明 Lumosity 游戲對于促進老年人的視覺空間工作記憶和情景記憶的功能效果，19 位老年人接受了總共 15 次，每次 1 小時的電子游戲訓練，區(qū)別于控制組（20 位老人），接受游戲訓練的老人的工作記憶有顯著改善，同時其效果可以保持 3 個月。電子游戲訓練可能是改善老人工作記憶和其他認知功能的有效干預工具 [59]。Nature雜志也曾報道過一項利用腦科學研究方法開展的研究，該研究證明自適應性的三維電子游戲（NeuroRacer）可以促進老年人的認知控制能力的發(fā)展，其效果會保持六個月，訓練也帶來了注意力保持和工作記憶等認知能力的改善 [60]。

圖 1   Lumosity 游戲界面

Bavelier 等人的文章綜述了游戲的復雜訓練環(huán)境（training environments）能夠塑造大腦并促進學習，將游戲促進學習的機制理解為游戲能夠增強人的學習能力，即學會學習的能力（Learning to Learn）。該文章的研究者認為游戲雖然沒有教授新的概念或者事實，但游戲培養(yǎng)了學生的注意力和控制力，這都是學校學習的基礎；動作游戲促進了人的視力發(fā)展，以及視覺短期記憶、多任務處理、執(zhí)行能力等認知能力，還促進了心理旋轉能力，提高了與學校的數(shù)學成就呈正相關的空間認知能力；文章同時綜述了游戲對促進決策能力發(fā)展的作用，動作游戲玩家單位時間的平均信息處理量比非動作玩家的信息處理量多了 20%，動作游戲也加速了反應時間，讓人能夠對環(huán)境變化迅速而準確地做出決定，多重維度的注意力也可以在玩動作游戲的過程中得到改善 [61]。

2、電子游戲與學科學習

近年來，研究者也在逐步應用腦科學的研究成果進行教育游戲的設計，試圖架起認知神經(jīng)科學與教育科學的橋梁。同時，腦科學的研究方法也為游戲化學習研究提供了新的工具。在教育范疇內研究的注意力、工作記憶、社會認知、焦慮、動機和獎勵也可以通過神經(jīng)科學的方法研究 [62]。下面就來分析幾個典型案例。

案例一：分數(shù)游戲：Refraction

Refraction 這款設計精良的分數(shù)游戲吸引了眾多研究者的目光，先后有來自卡耐基梅隆大學、范德堡大學、休斯頓大學、特拉華大學、猶他州立大學等美國高校及研究機構的學者就其提高后進生（at-risk students）的分數(shù)概念性知識學業(yè)成就進行研究。這款游戲描繪的情境是在太空中，有很多小型宇宙飛船需要補給能量，才能繼續(xù)飛行。學生需要以平分（splitting）的方式（如1/2，1/3）切斷能量繩，而能量繩的長度需要與飛船的大小匹配。匹配成功，小飛船則能夠繼續(xù)飛上太空。

圖2 Refraction 游戲界面

Joseph 等人從行為與神經(jīng)反應兩方面探究Refraction游戲的效果，比較了大腦對數(shù)字運算、空間能力以及分數(shù)游戲運算的激活反應的差異 [63]。該研究對比了大腦對空間活動、阿拉伯數(shù)字處理、以及游戲的激活反應，發(fā)現(xiàn)從大腦激活強度上看，游戲與數(shù)學活動有相似的神經(jīng)運行結果。其結果顯示游戲對左頂葉和右頂葉的激活程度大于空間活動，雖然游戲對左頂葉的激活程度與阿拉伯數(shù)字處理的激活程度無顯著差別，但對右頂葉的激活卻更加顯著。同時，游戲對于前額葉區(qū)域的激活程度要明顯高于阿拉伯數(shù)字處理與空間活動。該研究也對 4128 名三年級學生進行了分數(shù)測試，根據(jù)前后測成績的變化，發(fā)現(xiàn)玩分數(shù)游戲可以提高分數(shù)成績。更重要的是在遷移性測試中從玩游戲過程中獲得的分數(shù)理解的影響可以延伸到標準分數(shù)測試。

案例二：數(shù)學游戲 Number Race

Number Race 游戲是全球數(shù)學認知領域著名的科學家、三重編碼理論提出者 Stanislas Dehaene 教授的團隊依據(jù)認知神經(jīng)科學的研究成果開發(fā)的數(shù)感游戲，該游戲的開發(fā)結合了數(shù)感的發(fā)展、數(shù)量表征模型、游戲的動機等理論開發(fā) [64]。玩家在左右兩個寶箱中選擇一個打開，兩個寶箱各彈出若干個豆子，玩家選擇豆子數(shù)量較多的那一邊，把豆子的數(shù)量和已走的步數(shù)相加，點擊下面標尺上和結果相對應的數(shù)字，玩家控制的游戲角色就會前進到這個數(shù)字。若干回合后，角色走到 12 即通過這一關。這款游戲能夠在很大程度上幫助計算障礙兒童進行基本數(shù)學知識的學習 [65]。9 名年齡在 7-9 歲之間有數(shù)學學習困難的兒童曾每周使用該軟件兩小時，總共五周的訓練中，其數(shù)字感知、比較以及簡單的運算方面的能力都有提高 [66]。在法國開展的一項研究中，53 個來自法國社會經(jīng)濟狀況較差家庭的幼兒園兒童從游戲中受益 [67]。在芬蘭開展的一項針對兩種教育游戲的效果比較的研究證明 Number Race 可以促進計算能力較差的幼兒園兒童的簡單的計算能力 [68]。

圖3 Number Race 游戲界面

案例三：字母游戲 Graphogame

語音意識（Phonological awareness）可以預測兒童的閱讀技能 [69]。存在閱讀障礙的兒童建立字母的視覺呈現(xiàn)與聲音表達的腦區(qū)聯(lián)結較為困難，Graphogame 游戲可以幫助兒童將注意力和決策努力聚焦于字母與聲音的對應上 [70]。有研究發(fā)現(xiàn)，在八周的課程中，幼兒園的兒童玩 Graphogame 游戲，總共 3.6 小時的游戲時間會導致與字母觀看有關的視覺系統(tǒng)的神經(jīng)活動的變化，這些變化包括在左側枕顳皮層的血氧水平的增加，以及相關區(qū)域的事件相關電位（ERPs）的變化 [71]。基于認知神經(jīng)科學研究發(fā)現(xiàn)設計的教育游戲有助于滿足特殊兒童的教育需要。

3、教育游戲與學習者情緒

認知神經(jīng)科學與教育領域的研究者達成的共識是學習是認知、情緒與生理層面進行多層次交流的過程 [72]。情緒是影響學習結果的重要因素，積極的情緒有助于學習，而負性情緒會導致失敗的學習，如果學習環(huán)境引起學生的恐懼或壓力，學生的認知能力會受到影響。而學校教育過程經(jīng)常忽略情緒的作用。腦科學的研究不但闡明了負性情緒對學習和記憶的阻礙方式，還提供了對情緒進行測量和調控的方法。利用游戲化教學，教師可以為學生提供一個輕松、積極的學習環(huán)境，進而克服消極情緒對學習的干擾。

當大腦感受到額外的獎勵時，中腦的多巴胺神經(jīng)元會被激活并釋放出多巴胺，這對整個大腦前額葉等腦區(qū)神經(jīng)元的活性有重要影響 [73]。發(fā)表在Nature雜志上的一項研究發(fā)現(xiàn)，在電子游戲中，人腦的紋狀體會釋放內源性多巴胺，多巴胺能性神經(jīng)傳遞與學習、注意、感覺有關 [74]。大量研究表明數(shù)學焦慮對于數(shù)學表現(xiàn)有顯著的消極影響，但可以通過訓練而降低 [75]，針對算術學習的游戲對學生的認知成果和情緒改善都有有益的 [76]。

腦機交互設備（BCI：Brain-Computer Interface）能夠實時地捕捉人的情緒，可以被用于數(shù)學焦慮的訓練，一項采用了短期縱向研究設計的研究證明使用整合了 BCI 技術的數(shù)學教育游戲可以降低學習者的數(shù)學焦慮：該數(shù)學游戲顯示了 BCI 設備（Emotive EPOC）所提供的實時的可視化腦神經(jīng)反饋，提示學習者自身的情緒狀態(tài)，將數(shù)學游戲與 BCI 設備整合可以有效地對監(jiān)控情緒和降低數(shù)學焦慮；先前的研究只關注了教育游戲后的數(shù)學成績而并沒有關注游戲對學習者情感因素的影響（如焦慮、失望、參與）[77]。

四、結論

作為學習科學的重要研究領域，認知神經(jīng)科學的發(fā)展拓展了人們對學習行為的理解，為教育干預手段的設計開發(fā)提供了更多科學證據(jù)支持，未來在學習和教育研究中將發(fā)揮非常重要的基礎性支撐作用 [78]。

基于認知神經(jīng)科學的游戲化學習研究目前還處于起步階段，相關的研究不太多，但也已經(jīng)取得了比較豐富的研究成果?；谡J知神經(jīng)科學研究成果開發(fā)的教育游戲為促進認知能力發(fā)展與學科知識的學習提供了有效的支持工具，同時腦科學研究方法也是驗證教育游戲功能的科學方式。情緒對學習的影響逐漸得到關注，游戲化學習可以激發(fā)學生的學習興趣，讓學生更加快樂的學習。腦科學設備的發(fā)展，如BCI技術在游戲中的應用有助于降低學習者學習過程的焦慮感。

未來，基于認知神經(jīng)科學的游戲化學習有望在早期教育、基礎教育、特殊教育以及終身學習等方面發(fā)揮重要作用。隨著腦科學研究技術與游戲技術的不斷進步，基于認知神經(jīng)科學的游戲化學習有望實現(xiàn)更加快樂、更加科學的學習。

本文轉載自微信公眾號“俊杰在線”，作者尚俊杰、張露，原標題為《基于認知神經(jīng)科學的游戲化學習研究綜述》，發(fā)表于電化教育研究 2017年第2期。

[參考文獻]

• [1] 尚俊杰，肖海明，賈楠.國際教育游戲實證研究綜述:2008年—2012年[J].電化教育研究,2014(01):71-78.

• [2] 尚俊杰，裴蕾絲.重塑學習方式:游戲的核心教育價值及應用前景[J].中國電化教育,2015(05):41-49.

• [3] Spence, I., Feng, J.Video games and spatial cognition.[J]. Review of General Psychology, 2010,14(2):92-104

• [4] Annetta, L. A., Minogue, J., Holmes, S. Y., et al.Investigating the impact of video games on high school students’engagement and learning about genetics[J].Computers & Education,2009,53(1):74-85.

• [5] Islas Sedano, C., Leendertz, V., Vinni, M., et al.Hypercontextualized Learning Games: Fantasy, Motivation, and Engagement in Reality[J].Simulation & Gaming,2014,44(6):821-845.

• [6] Romero, M., Usart, M., Ott, M.Can Serious Games Contribute to Developing and Sustaining 21st Century Skills?[J].Games and Culture,2015,10(2):148-177.

• [7] Kesler, S. R., Sheau, K., Koovakkattu, D., et al.Changes in frontal-parietal activation and math skills performance following adaptive number sense training: Preliminary results from a pilot study [J]. Neuropsychological Rehabilitation, 2011,21(4):433-454

• [8] Steinkuehler, C., Squire, K. Videogames and Learning[M]. The Cambridge Handbook of The Learning Sciences, Sawyer R K, New York:Cambridge University Press, 2014.

• [9][78] 尚俊杰，莊紹勇，陳高偉.學習科學:推動教育的深層變革[J].中國電化教育,2015(01):6-13.

• [10][16] Fischer, K. W. Dynamic cycles of cognitive and brain development: Measuring growth in mind, brain, and education[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, 2008, 127-150.

• [11][15][28][30][38][44][72] OECD, Center for Education Research Innovation.Understanding the Brain: The Birth of a Learning Science[M].2007.

• [12] Singer, W. Epigenesis and brain plasticity in education[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 97-101.

• [13] Dehaene, S., Pegado, F., Braga, L. W., et al.How Learning to Read Changes the Cortical Cerebral constraints in reading and arithmetic: Education as a "neuronal recycling" process Networks for Vision and Language[J].Science,2010,330(6009):1359-1364.

• [14][35] Battro, A. M., Fischer, K. W., Lena, P. J. Introduction: The mind, brain, and education triad[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge: Cambridge University Press, 2008, 3-19.

• [17][22][43]Dehaene, S. Cerebral constraints in reading and arithmetic: Education as a "neuronal recycling" process[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 232-247.

• [18]Singer, W. Epigenesis and brain plasticity in education[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 95-109.

• [19] Neville, H. J., Bruer, J. T. Language processing: How experience affects brain organization[M]. Critical thinking about critical periods, Jr. Bailey D B, Bruer J T, Symons F J, et al, 2001, 151-172.

• [20][34][47] Goswami, U. Neuroscience and Education[J]. British Journal of Educational Psychology, 2004,31(4):1-14

• [21] Tecce, J. J.Psychophysiology: Human Behavior and Physiological Response[J].International Journal of Psychophysiology,2007,65(2):174-175.

• [23][24][25][26][32][37][39][46] Antonenko, P. D., van Gog, T., Paas, F. Implications of Neuroimaging for Educational Research[M]. Handbook of Research on Educational Communications and Technology, Spector J M, Merrill M D, Elen J, et al, Springer, 2014, 51-63.

• [27] Bruer, J. T. Building bridges in neuroeducation[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 43-58.

• [29] Koizumi, H. Developing the brain: A functional imaging approach to learning and educational sciences[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 166-180.

• [31] Eden, G. F., Flowers, D. L., Gareau, L., et al.Development of neural mechanisms for reading[J].Nature Neuroscience,2003,6(7):767-773.

• [33]Shaywitz, B. A., Shaywitz, S. E., Pugh, K. R., et al.Disruption of Posterior Brain Systems for Reading in Children with Developmental Dyslexia[J].Biological Psychiatry,2002,52(2):101-110.

• [36]Jobard, G., Crivello, F., Tzourio-Mazoyer, N.Evaluation of the dual route theory of reading: a metanalysis of 35 neuroimaging studies[J].NeuroImage,2003,20(2):693-712.

• [40] Mccrink, K., Wynn, K.Large-Number Addition and Subtraction by 9-Month-Old Infants [J].Psychological Science,2004,15(11):776-781.

• [41] Butterworth, B., Varma, S., Laurillard, D.Dyscalculia: From Brain to Education[J].Science,2011,332(6033):1049-1053.

• [42] Lemer, C., Dehaene, S., Spelke, E., et al.Approximate quantities and exact number words: dissociable systems[J].Neuropsychologia,2003,41(14):1942-1958.

• [45]Dehaene, S., Spelke, E., Pinel, P., et al.Sources of Mathematical Thinking: Behavioral and Brain-Imaging Evidence [J].Science,1999,284(5416):970-974.

• [48] Zago, L., Pesenti, M., Mellet, E., et al.Neural Correlates of Simple and Complex Mental Calculation[J].NeuroImage,2001,13(2):314-327.

• [49][73]李澄宇，楊天明，顧勇，等.腦認知的神經(jīng)基礎[J].中國科學院院刊,2016,31(7):755-764.

• [50] Kuhn, S., Gleich, T., Lorenz, R. C., et al.Playing Super Mario induces structural brain plasticity: gray matter changes resulting from training with a commercial video game[J].Mol Psychiatry,2014,19(2):265-271.

• [51] Olesen, P. J., Westerberg, H., Klingberg, T.Increased prefrontal and parietal activity after training of working memory[J].Nature Neuroscience,2003,7(1):75-79.

• [52] Wu, S., Cheng, C. K., Feng, J., et al.Playing a First-person Shooter Video Game Induces Neuroplastic Change[J].Journal of Cognitive Neuroscience,2012,24(6):1286-1293.

• [53] Bavelier, D., Achtman, R. L., Mani, M., et al.Neural bases of selective attention in action video game players[J].Vision Research,2012,61:132-143.

• [54][61] Bavelier, D., Green, C. S., Pouget, A., et al.Brain Plasticity Through the Life Span: Learning to Learn and Action Video Games[J].Annual Review of Neuroscience,2012,35:391-416.

• [55] Green, C. S., Bavelier, D.Action video game modifies visual selective attention[J].Nature,2003,423(6939):534-537.

• [56] Li, R. W., Ngo, C., Nguyen, J., et al.Video-Game Play Induces Plasticity in the Visual System of Adults with Amblyopia[J].Plos Biology,2011,9(8):1-11.

• [57] Spence, I., Feng, J.Video games and spatial cognition.[J].Review of General Psychology,2010,14(2):92-104.

• [58] Shute, V. J., Ventura, M., Ke, F.The power of play: The effects of Portal 2 and Lumosity on cognitive and noncognitiveskills[J].Computers & Education,2015,80:58-67.

• [59] Toril, P., Reales, J. M., Mayas, J., et al.Video Game Training Enhances Visuospatial Working Memory and Episodic Memory in Older Adults[J].Frontiers in Human Neuroscience,2016,10.

• [60] Anguera, J. A., Boccanfuso, J., Rintoul, J. L., et al.Video game training enhances cognitive control in older adults[J].Nature,2013,501(7465):97-101.

• [62][70] Mccandliss, B. D.Educational neuroscience: The early years[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2010,107(18):8049-8050.

• [63] Baker, J. M., Martin, T., Aghababyan, A., et al.Cortical Activations During a Computer-Based Fraction Learning Game: Preliminary Results from a Pilot Study[J].Technology, Knowledge and Learning,2015,20(3):339-355.

• [64] Wilson, A. J., Dehaene, S., Pinel, P., et al.Principles underlying the design of "The Number Race", an adaptive computer game for remediation of dyscalculia[J].Behavioral and Brain Functions,2006,2(1):14.

• [65] Butterworth, B., Laurillard, D.Low numeracy and dyscalculia: identification and intervention[J].Mathematics Education,2010,42(6):527-539.

• [66] Wilson, A. J., Revkin, S. K., Cohen, D., et al.An open trial assessment of "The Number Race", an adaptive computer game for remediation of dyscalculia[J].Behavioral and Brain Functions,2006,2(1):20.

• [67] Wilson, A. J., Dehaene, S., Dubois, O., et al.Effects of an Adaptive Game Intervention on Accessing Number Sense in Low-Socioeconomic-Status Kindergarten Children[J].Ming Brain and Education,2009,3(4):224-234.

• [68] R?s?nen, P., Salminen, J., Wilson, A. J., et al.Computer-assisted intervention for children with low numeracy skills[J].Cognitive Development,2009,24(4):450-472.

• [69] Mourgues, C., Tan, M., Hein, S., et al.Paired associate learning tasks and their contribution to reading skills[J].Learning and Individual Differences,2016,46:54-63.

• [71] Brem, S., Bach, S., Kucian, K., et al.Brain sensitivity to print emerges when children learn letter—speech sound correspondences[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2010,107(17):7939-7944.

• [74] Koepp, M. J., Gunn, R. N., Lawrence, A. D., et al.Evidence for striatal dopamine release during a video game[J].Nature,1998,393(6682):266-268.

• [75]Supekar, K., Iuculano, T., Chen, L., et al.Remediation of Childhood Math Anxiety and Associated Neural Circuits through Cognitive Tutoring[J].Journal of Neuroscience,2015,35(36):12574-12583.

• [76] Nú?ez Castellar, E., Van Looy, J., Szmalec, A., et al.Improving arithmetic skills through gameplay: Assessment of the effectiveness of an educational game in terms of cognitive and affective learning outcomes[J].Information Sciences,2014,264:19-31.

• [77] Verkijika, S. F., De Wet, L.Using a brain-computer interface (BCI) in reducing math anxiety: Evidence from South Africa[J].Computers & Education,2015,81:113-122.