《Journal of Chemical Education》：Development and Application of a Customized Board Game, Block Building Biosensors, To Improve the Assimilation of (Bio)Sensor Concepts: An Active Methodology Approach To Tackle the Device Design Challenge
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生物传感器（biosensor）领域目前被认为是分析化学（analytical chemistry）中最重要的研究领域之一。然而，由于可用选项众多，且各种组件（生物识别元件、换能器和修饰剂）对最终分析特征的影响，设计这些设备面临挑战。学生也常常难以同化与此主题
生物传感器（biosensor）领域目前被认为是分析化学（analytical chemistry）中最重要的研究领域之一。然而，由于可用选项众多，且各种组件（生物识别元件、换能器和修饰剂）对最终分析特征的影响，设计这些设备面临挑战。学生也常常难以同化与此主题相关的概念。为解决这一问题，研究人员提出了一款专门设计用于促进这一学习过程的新型棋盘游戏。本工作提供了游戏设计和制作过程的全面描述。此外，还包括指导未来研究的相关考虑。获得的结果非常积极，无论是学生对游戏设计的反馈，还是随后对所学基础与高级概念的评估，均证明了该游戏在开发和应用中的有效性。
**研究背景与问题**
生物传感器（biosensor）作为分析化学（analytical chemistry）的关键研究方向，其核心优势在于高灵敏度、便携性、低成本和快速响应，尤其因选择性而能精准区分目标分析物。然而，设计生物传感器面临多重挑战：生物识别元件（如酶、抗体、DNA/RNA（脱氧核糖核酸/核糖核酸）等）、换能器（如光学、电化学、压电等）以及修饰剂（如纳米材料）的组合方式直接影响分析性能，且需考虑成本、环境影响和实际应用需求。学生通常难以掌握这些复杂概念，传统被动学习方式效果有限。为此，研究人员旨在通过主动学习方法（如游戏化（gamification）和基于游戏的学习（game-based learning））简化概念同化过程。尽管已有基于问答的互动游戏，但其更侧重竞争而非概念理解。本研究开发了一款名为“积木搭建生物传感器”（Block Building Biosensors）的定制棋盘游戏，通过模拟专业实践、融入真实科学参数（如材料成本、实际分析目标）和叙事背景（后疫情时代的电子健康（e-Health）场景），平衡娱乐与教学维度，提升学生对生物传感器概念的理解与批判性思维。该游戏已发表在《Journal of Chemical Education》。
**主要关键技术与方法**
研究人员采用卡牌游戏格式设计“积木搭建生物传感器”。游戏卡牌分为三类：实验室卡牌（45张，包含生物识别元件、换能器、修饰剂/固定化策略，以及20张“优势/劣势”卡牌用于玩家互动）、合同卡牌（25张，代表需检测的分析物目标，如葡萄糖、HER2（人类表皮生长因子受体2）、microRNA21（微小核糖核酸21）等）和事件卡牌（10张，基于真实科研经历引入随机性）。游戏机制包括资源管理（硬币，代表材料成本）、回合制构建生物传感器，玩家需口头描述所构建的传感器（如“我使用丝网印刷金电极换能器、普鲁士蓝（PB）修饰剂和乳酸氧化酶（LOx）生物识别元件获得乳酸合同”）。游戏测试涵盖三组样本：研究生（n=18）、无背景学生（n=18）和普通公众（n=18），通过在线表单收集反馈优化设计。
**研究结果**
- **游戏设计与测试反馈**：测试组均未发现理解困难，游戏机制简单有效。所有测试玩家均能理解生物传感器基础并命名部分组件。
- **学生评价（学生调查数据）**：课程开始前学生认为主题较简单，理论课后部分学生调整看法。100%学生认可创新元素帮助理解内容。86%认为游戏机制不复杂，86%认为时长适中，100%满意卡牌设计。
- **概念掌握评估（补充问卷）**：基础问题回答良好，学生能列举多种分析物（如葡萄糖、HER2、microRNA21）、换能器（如光学纤维、石英晶体微天平）、修饰剂（如生物素、石墨烯）和生物识别元件（如葡萄糖氧化酶）。部分答案超出游戏范围（如ITO（氧化铟锡）电极），表明基础概念扎实。高级问题（如生物素-亲和素相互作用）回答较差，反映游戏暴露时间不足。
- **前后测试对比（图5）**：对20名学生进行4题测试（总分8分）。问题1（基础组件）平均分从0.29升至2.00，问题4（高级相互作用）从0.86升至1.71，问题3（生物素-亲和素）从2.00降至1.71，因游戏内对应卡牌数量少。总体平均分从4.57升至7.33（提升38%），配对t检验显示显著差异（p=8.24×10
-3），证实游戏提升理解。
- **专家观点与局限性**：开发耗时72小时（概念设计20h、图形设计40h、测试10h、修改2h），成本约27�/套。游戏适用于4-5人小组，耐久性强。但学生接触时间有限（仅课堂1小时），未来需数字化（移动应用或网站）以提升可及性。
**结论讨论与翻译**
研究结论部分（翻译）：
“本文介绍的棋盘游戏显著促进了生物传感器领域的理解，涵盖基础及部分高级概念。科学内容与卡牌设计准确且引人入胜。值得注意的是，该游戏对普通公众具有吸引力，可通过工作坊或推广活动有效传播。商业化也是可行的考虑。学生的反馈非常积极，反映了他们对创新方法以及游戏机制和内容的赞赏。此外，学生对基础概念掌握牢固，对高级主题理解中等。尽管取得了成功，但未来需对游戏进行数字化改造以增强可及性。或者，在预算允许的情况下，可考虑在课程期间向学生提供样本游戏。预计本工作将激励同行将这一游戏纳入其教学环境，或根据所呈现的总体思路开发类似项目。”
