《Journal of Chemical Education》：Nondigital Game Creation as a Teaching Method for Sustainability of Nanomaterials: Student View to Learning and the Role of Emotions
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兴趣导向的游戏学习已逐渐增长，因为游戏被发现能提高学生的参与度并改善学习成果。这种方法在处理日益数字化世界中被动学习所面临的挑战时可能尤为有用。本研究介绍了一种非数字游戏创建教学方法，该方法在一门面向化学和材料科学学生的高等教育课程中实施，专注于纳米材料化学及
兴趣导向的游戏学习已逐渐增长，因为游戏被发现能提高学生的参与度并改善学习成果。这种方法在处理日益数字化世界中被动学习所面临的挑战时可能尤为有用。本研究介绍了一种非数字游戏创建教学方法，该方法在一门面向化学和材料科学学生的高等教育课程中实施，专注于纳米材料化学及其可持续性。这项定性研究探讨了学生在创建游戏过程中如何感知自己的学习，以及协作学习的哪些方面影响了他们的学习体验。学生创建的游戏展示了他们如何将材料化学主题（例如，所选纳米材料的合成、化学与物理性质、毒性、应用）与可持续性（环境、经济和社会影响）的更广泛背景联系起来。基于半结构化访谈（N=10）和补充性问卷数据（N=22），学生自己的观点是，游戏创建增强了纳米材料化学的学习，许多人在学习活动中体验到了积极情绪。该研究的关键发现是，游戏创建方法激活了学生的学习，不仅涉及核心化学主题，还培养了更多样化的能力，如创造力、协作能力和研究能力，这些都是帮助解决世界重大可持续性挑战所必需的基本技能。该教学方法的主要问题出现在活动初始阶段和小组工作中，尤其是在小组沟通时的语言问题。总体而言，本研究介绍了一种将可持续性融入化学和材料科学教育的新颖方式，同时支持主动学习和未来基本能力与技能的发展。
### 论文解读：非数字游戏创建作为纳米材料可持续性教学方法的有效性及情绪作用分析
#### 研究背景与问题提出
近年来，游戏化学习（game-based learning）在化学教育领域备受关注，其通过提升学生参与度和学习动机而改善学习效果。然而，在日益数字化的学习环境中，被动学习（passive learning）问题愈发突出，尤其随着人工智能辅助工具（AI-tools）的广泛应用，化学与材料科学学生可能趋向于被动接收信息，抑制了创造力与主动探究能力的发展。与此同时，纳米材料（nanomaterials）作为化学、材料科学与可持续性交叉的跨学科主题，其教学需要迭代、创造性与协作性的学习方法，以使学生深刻理解纳米材料合成、性质、应用与环境、经济和社会影响之间的复杂关联。因此，如何设计一种兼顾主动学习（active learning）与可持续性能力（sustainability competencies）培养的新型教学方法，成为亟待解决的问题。本研究发表于《Journal of Chemical Education》，旨在引入并评估一种非数字游戏创建（nondigital game creation）教学方法，探索学生对这一方法的感知及其在学习过程中的情绪作用。
#### 研究内容与结论概述
研究人员在一门面向化学与材料科学专业学生的纳米材料化学与可持续性课程中，设计并实施了协作式非数字游戏创建任务。学生以小组为单位（每组4-6人），在6周时间内（约占总课程工作量的40小时/学生）自主选择一个纳米材料及其1-2个应用场景，设计并制作一款物理游戏（如棋盘游戏、卡牌游戏等），游戏需至少包含一个可持续性相关反馈环路（feedback loop，体现系统思维）和一个规范性决策（normative decision making，体现权衡与价值判断）组件。任务完成后，学生还需参与其他小组的游戏并撰写一份5-10页的联合报告，总结游戏理念并阐述所选纳米材料的可持续性。研究采用定性方法，以半结构化访谈（semistructured interviews, N=10）为主要数据源，辅以匿名问卷（pseudonymous questionnaire, N=22）。访谈数据由两名研究人员独立进行编码与分析，采用主题分析（thematic analysis）与共现分析（co-occurrence analysis），基于主动学习理论（active learning theory）和可持续性能力框架（sustainability competencies framework）进行分析。
研究得出以下主要结论：（1）学生对游戏创建教学方法的整体感知为积极正面，多数学生认为该方法增强了学习效果（Enhanced learning，共46次提及），尤其提升了转移性技能（transferable skills），如协作能力（collaboration skills）、创造力（creativity skills）和研究技能（researching skills）；（2）积极情绪（positive emotions, 65次提及）与学习体验紧密相关，尤其在游戏最终完成和展示时，学生体验到乐趣、自豪与成就感；（3）消极情绪（negative emotions, 33次提及）主要源于小组工作初期的困惑、语言障碍（language issues）及工作分配不均，这些因素在一定程度上阻碍了学习效果；（4）学习挑战（learning challenge）分析表明，可持续性反馈环路和规范性设计的难度并未必然阻碍学习，反而与增强学习相关联，即任务难度本身是学习过程的内在组成部分；（5）协作学习（collaborative learning）中的学生-学生关系（student–student relationship）对学习体验的影响远大于学生-学科内容关系（student-subject matter relationship），积极的团队动态促进学习，而消极的团队动态带来负面情绪。
研究的重要意义在于：证明了非数字游戏创建作为一种新颖的教学方法，不仅能有效传授纳米材料与可持续性的核心知识，还能系统培养学生的可持续性关键能力（key sustainability competencies），包括系统思维（systems thinking）、规范性决策（normative decision making）和协作学习（collaborative learning）。研究同时指出了语言障碍和初始阶段指导不足等实施问题，为未来课程设计提供了具体改进方向。
#### 关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：（1）**定性内容分析（qualitative content analysis）**：基于半结构化访谈（N=10）和匿名问卷（N=22）数据，使用ATLAS.ti软件（版本24）进行编码与主题提取；（2）**共现分析（co-occurrence analysis）**：量化不同编码类别（如情绪、学习效果、学习挑战）之间的关联频率，以揭示学生体验的内在结构；（3）**迭代分析框架（iterative analytical framework）**：研究者基于主动学习理论和可持续性能力框架预先设定分析类别，同时结合数据中浮现的新主题（如“学习挑战”）动态调整分析框架；（4）**双研究者独立编码与验证**：两位研究人员独立完成编码，通过对比一致性和交叉验证确保分析的信度和稳定性。样本来源为芬兰阿尔托大学（Aalto University）化学与材料科学课程的学生，数据经伦理委员会审查并遵守GDPR规定。
#### 研究结果
**1. 学生创建游戏描述（Description of the Games Created by Students）**
通过分析学生创建的游戏类型（包括棋盘游戏、卡牌游戏、资源收集游戏等），研究发现学生成功将纳米材料化学知识（合成方法、化学与物理性质、毒性、应用）与可持续性主题（环境、经济和社会影响）创造性融合。多数游戏采用了熟悉的经典游戏结构（如“蛇与梯子”、“知识问答”），并融入了反馈环路和规范性决策组件，体现了系统思维和规范性决策能力的培养。研究识别出游戏创建过程的三个阶段：初始选择阶段（选择纳米材料、应用和游戏类型）、迭代学习阶段（深入阅读科学文献，整合知识）和最终呈现阶段（游戏展示与报告撰写）。
**2. 学生对游戏创建与学习的整体感知（Students’ Overall Perception of Game Creation and Learning）**
基于访谈和问卷数据，学生整体对游戏创建任务持积极态度。访谈中共识别出111次积极体验表述、60次消极体验表述和10次中性体验表述。问卷数据进一步支持：超过半数的学生表示因其游戏创建任务而享受课程学习，多数学生报告了高度的生产力和热情。
**3. 积极学习体验（Positive Learning Experience）**
积极体验突出体现在技能发展、理解提升和积极情绪方面。学生认为游戏创建任务增强了学习效果（46次提及），尤其提升了协作能力、创造力、研究文献阅读能力和写作能力。部分学生还提到游戏创建促进了系统思维和规范性决策能力的理解。学生形容此方法为“刷新性的替代方式”和“有趣的学习途径”，强调游戏创建的视觉制作和动手环节带来了积极情绪（如乐趣、自豪、创造力）。
**4. 消极学习体验（Negative Learning Experience）**
部分学生对游戏创建的学习效率提出质疑，认为手工制作和游戏设计环节浪费时间，不如传统教学方法直接高效。约半数学生认为游戏创建过程并未大幅提升其对纳米材料可持续性的理解。消极体验与初始阶段的困惑、指导信息不足、语言障碍及小组工作分配不公相关。消极情绪（如沮丧、疲惫、失望）共出现33次，主要集中于小组合作初期和成果完成阶段。
**5. 学习挑战（Learning Challenge）**
共现分析显示，学生认为设计可持续性反馈环路和规范性决策是任务中最困难的部分，但这类挑战性元素更多与增强学习而非阻碍学习相关联。困难主要体现在初始阶段，如理解科学文献、确定游戏主题边界等。然而，通过小组讨论和教师反馈，学生能成功应对挑战，并从中提升项目管理和协作能力。
**6. 学习中的情绪（Emotions in Learning）**
积极情绪（65次提及）与游戏制作、最终展示等环节紧密关联，学生体验到乐趣、兴奋和成就感。消极情绪（33次提及）则与小组合作挫折、语言障碍和任务不确定性相关。值得注意的是，同一任务元素（如初始阶段）既引发积极情绪也引发消极情绪，表明情绪反应高度依赖于具体小组的动态。学生-学生关系在情绪产生中起主导作用，而非学生-学科内容关系。
**7. 协作学习（Collaborative Learning）**
协作学习分析揭示了影响学习体验的关键因素：积极的团队动态（如充分讨论、平等分工）与积极学习体验高度相关；而消极的团队动态（如语言沟通障碍、工作分配不公、自由骑行等）则导致消极学习体验。研究特别强调了语言问题：由于课程以英语授课，而几乎所有学生英语均为外语，小组内语言能力差异显著影响沟通质量和学习效果。少数学生认为若小组分工过细且缺乏互动，会导致成员间学习收获不均。
#### 讨论与结论
**讨论总结**
研究表明，游戏创建教学法通过其协作性和迭代性特征，有效促进了学生对纳米材料及其可持续性知识的深度理解，并培养了系统思维、规范性决策和协作能力等关键可持续性能力。然而，教师在设计此类任务时需特别关注小组动态，尤其是语言障碍和工作分配问题。研究建议在任务开始前引入心理安全（psychological safety）和团队角色（group roles）的讨论，以缓解文化差异和语言障碍带来的负面影响。此外，教师应意识到游戏创建包含耗时的手工制作阶段，需为课程学习进度预留充足时间。本研究作为探索性定性研究，为未来将游戏创建法应用于包含复杂系统、权衡优化主题的化学课程提供了实证基础。
**研究结论翻译**
本研究介绍了一种游戏创建教学方法，用于向化学和材料科学专业学生教授可持续性与纳米材料。学生创建的游戏以创造性的方式将化学与材料科学知识（例如，所选纳米材料的合成、化学与物理性质、毒性、应用）与更广泛的可持续性背景（例如，环境、经济和社会影响）联系起来。对学生关于游戏创建的感知以及游戏创建过程中情绪作用的定性分析显示，大多数学生认为游戏创建是一种积极体验。基于这些结果，主要益处包括：提升了学生对纳米材料科学背景及其与可持续性关联的理解，并发展了系统思维、规范性决策和协作等能力。从情绪角度来看，关键关系——如Quinlan（32）所述——学生-学生关系被发现比学生-学科内容关系更具影响力。积极情绪和学习体验与功能良好的小组相关联，而反之，消极情绪和学习体验则与小组动态中的挑战相关联。从学生-学科内容关系中观察到，主题难度并未转化为消极情绪，反而在少数案例中与增强学习相关联——尽管本研究样本量较小，限制了得出强结论的能力。由于本研究集中于学生对游戏创建的自我评价，并缺乏对游戏内容的详细分析，应将其视为一项探索性焦点研究，提供了有关学生对这一较新教学方法的感知和情绪的见解。未来需进一步研究学生-学生关系如何影响小组动态，以及这些动态与其他关系（如学生-学科、学生-自身和学生-教师互动）的差异。游戏创建可推广至涉及复杂系统、权衡或优化的多种化学相关主题，但在将游戏创建方法引入课程时，应注意其适用性。由于该方法包含潜在耗时的游戏设计和制作阶段，这必然减少了核心内容学习的时间。此外，本研究鼓励未来对游戏化学习中的情绪动态及其如何针对不同学习环境进行优化的研究。总体而言，本研究表明游戏创建可与积极学习成果相关联，并促进主动学习。
