《Journal of Biomedical Materials Research Part A》：Matter of Scale: A Card Game for Size and Scale Reasoning in Biomaterials Science
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生物材料科学与纳米技术涵盖跨越多个数量级（orders of magnitude）的现象，然而尺寸与尺度（size and scale）对学习者与公众而言始终是难以把握的概念。通过游戏与同伴讨论使这些概念易于理解的非正式科学学习工具，为在正式教育环境之外拓展生
生物材料科学与纳米技术涵盖跨越多个数量级（orders of magnitude）的现象，然而尺寸与尺度（size and scale）对学习者与公众而言始终是难以把握的概念。通过游戏与同伴讨论使这些概念易于理解的非正式科学学习工具，为在正式教育环境之外拓展生物材料领域的参与度提供了有前景的途径。本研究呈现 Matter of Scale（MOS），一款基于卡牌的学习游戏，其通过刻意的卡牌设计与模块化玩法支持尺寸与尺度推理。该牌组由 52 张物体卡与 34 张挑战卡构成，覆盖纳米（nano）、微米（micro）、宏观（macro）与兆米（mega）尺度。物体卡整合了尺度的多种表征形式：10 的幂次（powers of 10）、国际单位制（SI）单位、比例尺（scale bar）、插图与描述性短文，将物体与其尺度相关属性相联系。挑战卡与三种游戏模式对比例推理（proportional reasoning）、可视化（visualization）与情境驱动的讨论提供支架。来自以本科生为主的 STEM 参与者（n = 84）在自愿参与的游戏环节中的证据表明，提供直接数值锚定（numerical anchors）的特征，尤其是科学记数法（scientific notation）与物体图像，被评为最有用，而需要连续谱（continuum）解读的特征则表现出更大的变异性。参与度始终较高：96% 的参与者认同卡牌支持其对数量级的推理，94% 的参与者会向其他学生推荐 MOS。质性反思揭示了八个主题；理解相对大小与比较（52.9%）、跨纳米—微米—宏观—兆米连续谱连接尺度（30.7%）以及认知挑战与元认知（metacognition）（23.5%）出现最为频繁。参与者还自发描述了尺度依赖的材料属性与跨尺度可视化，这些结果与生物材料科学及纳米技术直接相关。综上，这些发现表明 MOS 提供了一种灵活、低成本的工具，可用于拓展公众对生物材料科学与纳米技术核心的尺寸与尺度概念的参与。
一、研究背景与问题
尺寸与尺度推理是生物材料科学与纳米技术的基础性技能，材料属性与生物学响应在根本上受尺度支配。驱动纳米颗粒（nanoparticle）反应性的表面积与体积比、决定组织工程支架（tissue engineering scaffold）中细胞浸润的孔隙尺寸、支配光子生物材料光学行为的特征尺寸，以及随物体尺寸减小至纳米尺度而由引力转向电磁力的主导作用力，均依赖于对相对量级与比例差异的准确心智模型（mental model）。已有数十年研究表明，各教育阶段学生均存在尺度推理困难，且延续至高年级本科课程。这些困难并非仅限于数值计算，而反映学习者在解释与应用尺度信息方面的深层概念困难：对超出日常人类经验的实体进行排序、判断物体间相对大小、以有意义的方式解读 10 的幂次；学习者还常将尺度理解为纳米、微米、宏观等碎片化类别而非连续谱，限制了推理的跨情境迁移；此外还包括解读科学记数法与跨数量级可视化物体的困难。在生物材料与纳米科学教育中，尺度常通过讲授、教材图示或数值习题呈现，往往强调计算或符号操作而非意义建构（sense-making），学生可能以程序化方式得出正确答案却未形成直觉理解，比较性推理、假设表述与同伴讨论修正理解的机会有限，在大规模课程中尤为明显。基于游戏的学习被认为可支持抽象或反直觉概念的参与与意义建构，而熟悉游戏机制（如排序、分类、比较）可降低学习新规则的认知负荷。MOS 的设计直接依据上述已记录的困难，通过结构化玩法突出反复比较、同伴讨论与相对判断的论证。
二、研究开展与结论
研究人员介绍了 MOS 的设计、组件与玩法结构，并报告 84 名 STEM 参与者在自愿、校园游戏环节中的参与度、卡牌设计特征感知有用性与游戏中推理的质性模式。研究结论为：MOS 提供了一种低成本、便携、模块化的工具，使学习者参与迭代的、同伴中介的尺寸与尺度推理；证据支持其设计在非正式学习情境中的有效性，并推动其在生物材料教育领域更广泛的部署。研究意义在于：MOS 可作为自由选择的非正式科学学习工具补充而非替代正式教学，适用于补充教学研讨、本科实验课程、外展活动与公众科学传播等多种场景，其模块化设计便于不同约束条件下的教师、外展从业者与引导者使用；卡组的学科广度横跨生物、物理、化学与材料科学对象，可服务于生物材料项目典型的跨学科背景学生。
三、主要技术方法（不超过250字）
研究采用设计型开发与混合方法评估。牌组由 52 张物体卡与 34 张挑战卡（Instrument、Magnitude、Scenario 三类）构成，采用跨越纳米至吉米（gigameter）的连续对数尺度框架与四色编码。开发经多轮试玩迭代，参与者包括教育专家、本科生与大学年龄公众，并与 Ruben H. Fleet 科学中心及 UC San Diego MRSEC 合作开展；另设午餐学习反馈环节（n = 16）及结构化前后测调查。评估采用 84 名 STEM 参与者的自愿校园游戏环节（每组 3—5 人，约 1 小时），事后施测六点 Likert 参与度与感知学习调查；开放式反思采用归纳主题编码，由两名设计团队成员共识编码形成八个主题，再由三名独立编码者应用编码手册，以 Fleiss' κ 评估一致性。数据分析为描述性统计与主题编码，未使用推断统计。数据采集经机构审查（IRB #813300）并获知情同意。
四、研究结果
3.1 卡牌设计特征的感知有用性：通过事后调查得出，科学记数法与物体图像感知有用性最高（分别 83.3% 与 75.9% 评为有用或非常有用），单位为 64.7%；类别颜色编码与比例尺分别为 54.2% 与 45.2%，近半数受访者评分处于较低区间；情境挑战卡支架为 52.4%。结论是提供直接数值或视觉锚定的特征比需要跨完整尺度连续谱解读的特征更易被接受。
3.2 参与度与感知学习：通过参与度调查得出，96% 参与者认同卡牌帮助其推理数量级（42.9% 选“非常同意”），91.7% 认同游戏使其在学习中保持投入（47.6% 选“非常同意”），超过 90% 认同游戏帮助其更好理解尺寸与尺度，94% 表示会向其他 STEM 学生推荐 MOS；挑战提示帮助向同伴解释推理一项分布最广（86.9% 认同）。结论是参与者对游戏的认可具有实质性而非冷淡。
3.3 参与者反思的质性主题：通过开放式反思的归纳主题编码得出八个主题，其中理解相对大小与比较（52.9%）、跨纳米—微米—宏观—兆米连续谱连接尺度（30.7%）、认知挑战与元认知（23.5%）出现最频繁；其余为词汇与概念发现（22.2%）、情绪或情感反应（14.4%）、概念或数值精确性（12.9%）、尺度依赖属性（10.6%）、跨尺度可视化（9.4%）。情境挑战卡中“pirates”“apocalypse”“beach day”“mad scientist”等提示被频繁提及为跨尺度推理与同伴讨论的切入点。
五、讨论部分总结
讨论指出，跨调查条目报告的高参与度表明 MOS 的比较性机制与模块化玩法结构支持了游戏全程的持续参与，而参与是游戏化学习工具所引发的迭代、同伴中介推理的必要前提。感知有用性模式与设计逻辑一致：使尺度信息即时且持续可见的表征（科学记数法、物体图像、单位）评分最高，提示参与者将其作为排序与比较任务中的主要参照点，这与协调的视觉与数值表征支持科学学习概念推理的既有研究一致；颜色编码与比例尺的较大变异性可能反映参与者对数量级先验熟悉度的差异，卡牌位置与引导者强调程度亦可能有所贡献。情境挑战卡提示相对较低的有用性符合设计意图：表征锚定推理，提示将其延伸至讨论与应用。按游戏模式组合比较，包含 Sort It Out 的环节参与者认同卡牌帮助其推理数量级的程度显著高于包含 Measure Up 者（M = 5.50 vs. 4.94，p = 0.005），其他指标无显著差异；因模式组合按环节而非个体分配，研究人员将其视为初步的环节层面观察，并指出受控比较为未来方向。两个最频繁主题直接反映 MOS 的主要设计目标，并对应既有文献中的尺寸排序与比例推理挑战；超过半数参与者在未被明确提示的情况下自发描述关系性比较与连续谱推理，与玩法机制引发预期推理动作相一致。认知挑战与元认知主题涵盖遇到非直觉尺寸关系时的有效挣扎与所发展的新策略（以熟悉参照物锚定、基于组分的推理、更注意单位与记数法），提示游戏并非仅确认既有知识，而是促使参与者修正与扩展推理框架。尺度依赖属性主题虽频率较小但对生物材料受众尤为重要：参与者自发描述材料行为、物理力与功能属性随尺度变化，如纳米颗粒行为不同于块体材料、小物体可有巨大影响、纳米尺度作用力不同于宏观尺度；这些观察非由特定材料属性问题提示，而是从游戏中自然浮现，研究人员将其解释为提示性而非结论性证据。可视化主题反映参与者对尺度与观察工具联系的参与。词汇与概念发现主题反映 MOS 超出尺度推理本身的功能，即通过牌组接触与生物材料科学及纳米技术相关的陌生对象与术语，构成拓展领域认知的潜在路径。情绪与情感反应主题虽与推理结果关联较间接，但情感参与已被确认为科学兴趣与动机的驱动因素。讨论还指出，尺度依赖属性主题直接促成目前在 introductory biology 课程必修讨论课中开展的课程整合实施（150 名到场学生），该设计降低了自愿参与的自选择；MOS 亦于 2026 年夏季在大学新生 Summer Success Program 的三个学科轨道（生物、化学、物理）中使用，面向数学与工程讨论课的单位换算实施处于早期设计阶段，并在专业会议、科学博览会与博物馆外展活动中非正式使用，牌组亦被研究人员索取用于团队内部非正式使用。例如，展示 DNA 缠绕纳米载体的图形摘要常以近 1:1 视觉比例呈现，而实际尺寸关系接近 1:20；纳米工程师描述小体积测定时倾向以纳克或微克思考，化学家则将“小量”理解为毫克。这些对话因在非结构化随意游戏中难以施测标准化工具而未正式评估，研究人员将其作为观察到的模式而非测量结果。局限性包括：自愿报名导致自我选择，可能系统性地排除面临时间或资源限制的学生（包括部分第一代与低收入学生）；研究人员指出该局限是自由选择非正式科学学习研究的结构性特征，难以在本研究设计内完全解决，正通过必修讨论课实施直接应对；研究未设对照条件，与旨在刻画单一非正式干预内参与度与推理模式而非确立因果效应的目标一致；会议与公众活动的采用亦未正式评估。结论翻译：MOS 提供了一种低成本、便携、模块化的工具，使学习者参与迭代的、同伴中介的尺寸与尺度推理，此类推理是传统教学方法鲜能提供的，且是生物材料科学与纳米技术的基础。研究结果支持其设计在非正式学习情境中的有效性，并推动其在生物材料教育领域更广泛的部署。来自 STEM 参与者（n = 84）在自愿校园游戏环节中的证据表明，MOS 成功吸引学习者并支持非正式学习情境中基于讨论的尺寸与尺度推理。高水平的参与度与卡牌设计特征感知有用性报告，结合强调关系性比较、连续谱思维、元认知策略发展、对尺度依赖材料属性的自发推理以及跨尺度观察工具参与的质性反思，提示卡牌与游戏模式的整合设计支持了其预期功能，即促使参与者通过讨论与比较进行尺度推理。由于本研究设计未纳入对照条件，研究人员未将其结果直接与基于计算或记忆的教学相比较。MOS 灵活且模块化的设计支持其在生物材料教育相关多种场景中的部署，从补充教学研讨与本科实验课程到外展活动与公众科学传播；各游戏模式可依可用时间与引导目标独立或组合使用，使该工具可为约束各异的教师、外展从业者与引导者所用。作为自由选择的非正式科学学习工具，MOS 补充而非替代正式教学，适用于科学、教育与公众参与场景。未来工作将考察 MOS 嵌入生物材料科学、纳米技术与生物工程正式本科课程时的功能，其中结构化学习目标与评估可补充非正式游戏所引发的比较性推理；其他方向包括扩展牌组以纳入更多生物材料特异的对象与情境。
