科學桌面游戲設計框架的構建

章佳敏 吳鑫 潘宇宸

上?？萍拣^

0 引言

游戲在科學教育中是有應用潛力的?？茖W和科學教育是高度社會性、協作性和腳手架化的活動，具有文化地位，并依賴于文化工具的使用。已有研究表明，游戲可以被視為一種文化工具，支持科學素養的三個關鍵要素：內容知識、過程技能和理解科學的本質[1]。

在現實中，游戲應用于科學教育，往往會受到一些阻礙。比如，教師很難快速判斷哪些游戲適合教學使用；由于游戲中存在大量與學習不相關的內容，因此會浪費課堂時間等[2]。面對這樣的阻礙，相較于電子游戲，在形式與內容上更接近于教具的桌面游戲（簡稱“桌游”）或許有著更天然的教育屬性。

但是，開發一款游戲性與教育性巧妙融合的科學桌游*在本文中，我們更傾向于稱呼那些可用于科學教育的桌游為科學桌游，而不是科學教育桌游。因為如果一款桌游在設計上是在“科學”的范圍內，那么它的教育屬性是內嵌在其中的。并非易事。如果只是借用成功的游戲機制，將學習內容插入到已有的游戲結構和規則中，那么學習內容往往是唯一的新輸入，而學習也往往局限在知識的記憶上。而結構良好的科學桌游應該有著除了記憶之外更復雜的學習目標，需要將學習內容內化到游戲結構中去[3]。本研究嘗試基于已有的理論與實踐，提出一種科學桌游設計框架，希望理清科學桌游的開發思路，促進科學學習與游戲玩法之間內在整合。

1 科學桌游開發框架相關的研究現狀

近些年，科學桌游已被眾多研究驗證為一種有效的科學學習工具[4-8]。桌游允許“做中學”，玩家在游戲中代入科學情境；桌游特有的暫停時間（比如等待對手行動的時間）加上與同伴聚在一起的氣氛，能夠促進玩家的反思與科學討論[4]；游戲流程的“非電子化”要求玩家對游戲規則和內容有更深的了解，并促進積極思考。不少教育者甚至將科學桌游應用于課堂教學。通過閱讀桌游規則書，教育者就在短時間內判斷一款桌游是否適用于教學；桌游的規則易于修改，教育者能夠根據需要進行調整，甚至與學習者共創規則[9]。

在科學桌游中，《物種起源》系列、《瘟疫危機》系列、《展翅翱翔》等都是“出圈”的作品。在全球最權威的桌游網站Board Game Geek（簡稱BGG）[10]上，這幾款桌游都有著較高的評價與排名。桌游《物種起源》還曾登上權威科學雜志《自然》（Nature），稱其“進化的主題不是單純地拼湊在游戲上，而是改變了游戲玩法”[11]。

與如火如荼的桌游設計實踐相比，科學桌游設計的理論研究相對來說要薄弱許多，其設計框架的研究更是零星。因此，本文將研究領域延伸至游戲、教育游戲、桌游、教育桌游，并將科學教育游戲和科學桌游并入后兩者進行論述（其相互關系如圖1 所示）。

圖1 游戲、教育游戲、科學教育游戲、桌游、教育桌游、科學桌游的相互關系

從搜索到的文獻來看，除了設計框架（framework）外，相近的研究還包括設計方法（methodology）、模型（model）等，也同樣納入綜述范圍。

1.1 游戲設計框架

在現有的游戲設計框架中，最為經典的游戲設計框架之一就是MDA 框架，即機制-動態-體驗框架(Mechanics-Dynamics-Aesthetics framework）。機制、動態、體驗是理解和設計游戲的三個視角，它們彼此獨立又因果相連（如圖2 所示）。簡單理解，機制是游戲系統的規則；動態指的是玩家與游戲系統的動態交互系統；體驗指的是玩家與游戲系統交互時所產生的情感體驗。以游戲大富翁為例，設計師設計了擲骰子并移動、所有權、淘汰等機制。在游戲過程中，有玩家因為擲骰子運氣好，獲得了許多土地的所有權，并因此大量收租；也有玩家不停上交罰款，遭遇破產出局。這些玩家與游戲系統的動態交互，都屬于動態的范疇。運氣好的玩家因大量收租，資金進一步積累，可以買更多的地產，收更多的租金，這是一個正反饋系統，也屬于動態的范疇。這些動態系統作用于玩家情感上，導致玩家產生了不同的游戲體驗：運氣好的玩家滿足了成為“壟斷大王”的幻想；而運氣差的玩家可能會氣餒到中途退出游戲[12]。

圖2 MDA框架：游戲設計師和玩家的不同視角

因此，從游戲設計師的角度看，設計師直接控制游戲的機制，機制產生了動態系統行為，動態促成了特定的體驗。從玩家的角度來看，玩家最容易感受到的是玩一款游戲的體驗，其背后由可觀察的動態行為所支撐，最終又體現出機制。當開發一款游戲時，從設計師和玩家的不同角度來思考問題，是非常有幫助的[12]。

因為MDA 框架的簡明性，導致游戲設計中的許多要素沒有包含在內，比如“技術”“故事”等等。因此由MDA 框架發展而來的框架有不少，比如四元素框架（the Elemental Tetrad）[13]、MTDA+N 概念框架[14]等。前者刪除了MDA 中的動態，增加了技術和故事兩個元素；后者直接增加了技術和敘事。

但無論如何，在游戲開發與評價實踐中，經典的MDA 框架非常實用。它雖然并不明確支持科學桌游中科學、教育等元素的融入，但這一經典框架允許我們在此基礎上進行調整與延伸。經典的嚴肅游戲設計框架DPE 框架（The Design,Play,and Experience Framework，設計-游戲-體驗框架）就是從MDA 框架發展而來的[3]。

1.2 教育游戲設計框架

教育游戲是跨學科的產物，它的成功設計以游戲設計和教學設計這兩個不同學科的融合為前提[15]。教育游戲的關鍵特征是基于教育需求和理論，而不是僅僅關注娛樂[16]。表1 羅列了教育游戲設計方法、框架、模型中的常見教育理論和策略（參考AVILA PESANTEZ D 等人整理內容[17]）。

表1 教育游戲設計方法、框架、模型中的常見教育理論和策略

我們可以根據表1 內容歸納出以下4 點啟示：1）教育游戲的設計，與其說是教育理論與游戲設計理論的融合，不如說是“玩”與“學”的殊途同歸。2）在教育游戲設計時，制定好教育/教學/學習目標尤為重要。3）教育游戲不應強調新內容的輸入，而是創建一個新的情境（通過模擬等途徑），促進新的經驗和已有經驗、新的概念和已有概念之間的聯系。4）以學生（玩家）為中心，激發玩家動機，鼓勵玩家參與。

但是我們也不難發現，與一般的游戲設計理論不同，教育游戲設計理論大多是由學術界開發的，這便導致了許多方法更抽象，顯得不那么實用[31]。因為當教育理論應用于游戲設計中時，它們似乎始終在抽象的界面上，而非像游戲理論一樣可以落在具體的界面上指導游戲設計[32]。

最后，對于科學教育游戲來說，它們的設計框架與一般的教育游戲相比，并不特殊。但有一類框架將游戲機制與科學內容本身相結合，而非教育理論。比如，蔣希娜等人基于安德森的知識劃分理論，將科學內容分為描述性知識、程序性知識和情境性知識，并將三類知識與游戲元素相互映射[33]。

1.3 桌游設計框架

在桌游設計領域，最常被使用的游戲設計框架是前文所提到的經典的MDA 框架[34]。但因為桌游設計仍處于早期階段，相比搭建創新性的、顛覆性的、完全不同于電子游戲的桌游設計框架，桌游設計師和研究人員更傾向于建立起一個更廣泛的桌游設計詞匯庫和知識體系。在這個體系中，機制（mechanics）是最基本的要素——不僅是桌游本身的構建模塊[35]，也是桌游傳達信息的重要載體[36]。在BBG網站上，共有182 個桌游機制[9]，被研究者歸納為動作（Action）、規則集（Ruleset）、目標（Goal）、組件（Component）和資源（Resource）五類[34]。

與“機制”相對應的另一個重要概念是主題（Theme）。正如桌游設計師馬特·弗貝克所說：“沒有游戲機制的游戲不是一個游戲，它只是一個故事，抑或只是一個思想實驗。而沒有主題的游戲也不是游戲，它只是一個數學問題，一個謎題，或是一個簡單玩具?！盵37]

至于先有機制還是先有主題，這體現了兩種不同的設計思路。由機制到主題，是一種數值驅動、自下而上（Bottom-up）的方式來設計桌游；由主題到機制，則是一種概念驅動、自上而下（Top-down）的方式。絕大多數的游戲在設計過程中都會經歷二者的結合：為一個主題尋找更好的簡化和模擬方案，改進換算路徑和比例，再回到主題對參數和資源的種類做增減。[38]

此外，策略與運氣也是桌游游戲設計理論中的一組重要概念[36，37，39，40]。過分依賴運氣會讓玩家感覺與游戲結果脫節。相反，一定程度的運氣可以幫助消除玩家技能上的差異，并允許更廣泛的玩家參與相同的活動，提升游戲可重玩性[36]。在MDA 框架中，策略與運氣的平衡處于“D”(動態)的討論范疇內。

1.4 教育桌游設計框架

與教育桌游相關的研究集中于開發實例和經驗分享，其中涉及的設計框架大多是對設計流程的概括[8，41，42]。對于由經典桌游改編而來的教育桌游，研究者Abbott D.基于LM-GM 理論（學習機制-游戲機制）提出一套科學桌游設計與實施工作流程（如圖3）所示。設計階段的前期和實施階段主要從教育層面考慮，設計階段的中后期主要從游戲設計層面、游戲設計與教育學交叉的層面考量[41]。Savvani S.等人提出的設計流程也與之基本相似[8]。

圖3 為教育目的改編現有桌游的工作流程

對于原創教育桌游，設計師/教育者也是兼顧教育學和游戲設計，幾乎在每個階段都同時考慮兩個層面（如圖4 所示）。教育層面的關注點包括目標受眾、課程、評價、學習結果、限制條件、主題/故事等；游戲設計層面的關注點包括游戲時長、目標受眾、設計者經驗、游戲機制、限制條件、桌游組件、規則、主題/故事、測試材料、玩家反饋等。其中，目標受眾和主題/故事是兩個層面的交叉點[42]。

圖4 教育桌游開發框架的設計的設計原則

在科學桌游的設計框架中，除了普適性的教育學理論，研究者也引入了科學概念等科學教育中特有的元素。鄭秉漢等人建立起科學桌游、科學模型與科學概念三者之間的連結，即科學桌游與科學模型在科學學習上意義相似，科學模型可以表征科學概念之間的相互關系。通過對桌游的解構，桌游的勝利目標、階段機制和實體配件被認為可以轉化為科學模型，進而呈現科學概念之間的相互聯系[43]。Chiarello F.等人認為設計師應根據桌游的主題來選擇一個關鍵概念（key concepts）來促進玩家對主題的理解，并以關鍵概念為中心，建構起桌游的機制、結構和規則。他們還明確區分了“知識”（knowledge）與“概念”（concept）之間的差異，指出科學桌游設計師應該關注“概念”而非“知識”?！爸R”是外部的、說教的，而“概念”是簡潔的、相互有聯系的。因此，要設計出一套相互關聯且必要的機制，基于概念比基于知識更加有效[3]。

2 科學桌游設計的框架構建

基于研究現狀，本研究提出一種基于MDA 框架的科學桌游設計框架OTMDA（Objectives-Theme-Mechanics-Dynamics-Aesthetics framework）（如圖5所示）。該框架包含設計師、教育者和玩家三個主體，由目標、主題、機制、動態、體驗五個要素組成，并以發展科學大概念為主要的教育目標。

圖5 OTMDA科桌游設計框架

2.1 經典MDA框架為桌游設計師提供基本思路

在MDA 框架下，設計師可以從自身視角和玩家視角來構思并調整桌游的內容與結構。設計師選擇、組合、創新游戲機制，通過機器測試或玩家測試來獲知游戲運行的動態，最后從玩家反饋中獲得游戲體驗。在獲得玩家體驗后，設計師可以倒推哪些動態系統是不平衡的（比如隨機性與策略性是否失衡等），哪些是不必要的，哪些是可以增加的，最后再從底層的機制層面重新調整桌游的設計。如此循環迭代。

2.2 由主題驅動機制構建，并使得兩者相互融合

在桌游設計過程中，與機制一樣不可或缺的元素是主題，兩者互相支撐。對于科學桌游這類自帶內容的桌游，主題甚至處于機制的“前置位”，也就是說主題驅動形成機制。在一般的桌游迭代中，設計師可以改變主題和機制中的任意一個來適應另一個，只需保證兩者可以無縫地結合在一起[37]。但是，對于科學桌游來說，為了盡量減少不必要的誤導，設計師會犧牲一部分創作的自由，往往需要更改游戲機制使其適應游戲主題。

2.3 桌游主題由設計師與教育者共同提出，教育者從教育目標出發考慮主題的選擇

MDA 框架原是為商業游戲而開發的，其涉及的主體僅包括設計師和玩家[12]。而科學桌游的教育屬性，使得（科學）教育者的角色不可或缺[11]，他們與設計者一起確定游戲的主題。如果桌游設計團隊或咨詢顧問之中有科技工作者，他們所呈現出的角色狀況也更接近于教育者，而不僅僅是科學內容提供者。

當然，在一些情況下，教育者和設計者可能是同一批人，但作為不同角色時的思維方式不同。這具體體現在他們對于科學桌游要實現的目標有所不同。設計師的目標是希望玩家認為自己的作品是足夠好玩的——玩家能夠在游戲中滿足幻想、直面挑戰、結交伙伴、樂于探索、敢于表達等[12]。這些目標即MDA中的A（體驗）。而科學教育者的目標是希望學習者提升科學知識、培養科學能力和科學態度。游戲設計師與科學教育者在目標上的不同，會使兩者的觀點發生碰撞，讓主題在趣味性和教育性之間取得平衡。

2.4 以發展科學大概念為教育目標，符合科學教育的趨勢與桌游開發的特點

科學桌游體現的是一種復雜科學情境的抽象表達?！翱茖W”不僅要為桌游提供真實的游戲背景，添加血肉，還應該與游戲機制一起融入游戲的骨架。這就意味著，參與科學桌游設計的教育者不僅要為游戲提供一些真實的課題，激發學習和游戲的興趣和動力，還要提出一些重要的概念，建立起游戲機制-現實生活-科學概念的關鍵聯系。

因此，我們將科學桌游的教育目標確定為科學大概念——既不是更具體的“小概念”，也不是更抽象的“頂層概念”。處于交叉學科水平的科學大概念既有普遍的解釋力，又不脫離現實世界，能夠描述世界如何運作的連貫寫照[44]。（見表2）將發展科學大概念作為目標的科學教育，能夠培養學習者即使在缺乏相關細節知識時也能掌握事件或現象本質的能力，解決現實事件中遇到的各種新問題[44]，被認為是素質教育轉型的新抓手[45]。同時，科學大概念是一個錯綜復雜的網絡，既有縱向的層級，也有橫向的關聯，強調的是科學概念的相互關系[45]。這與游戲機制之間的相互關聯性一致。

表2 由溫·哈倫等科學家和教育學家提出的14個科學大概念[44]

3 應用OTMDA 框架來建構一款科學桌游

下面，我們應用OTMDA 框架來建構一款科學桌游的原型（如圖6 所示），以初步驗證框架的可操作性。以下具體展開其設計過程。

圖6 OTMDA框架應用于秦嶺相關科學桌游的設計

一位桌游設計師希望設計一款有關秦嶺主題的桌游，設想通過桌游的主題（主要是美術設計）展現秦嶺壯麗風景和生物多樣性，通過桌游機制鼓勵玩家探索和直面挑戰。同時，教育工作者認為“生物需要能量和物質的供給，為此它們經常需要依賴于其他生物或與其他生物競爭”這一科學大概念與秦嶺的主題比較匹配。圍繞它，教育者將生產者（植物）、消費者（動物）、分解者（細菌、真菌）、光照、溫度、水、礦物質、空間等相互聯系的概念引入主題之中。

綜合游戲設計師和教育工作者的觀點，我們可以確定這款桌游的游戲目標：誰能在秦嶺創造一個成熟的、自給自足的生態系統？這意味著玩家最后“建成”的秦嶺不僅要有豐富的生物多樣性，生態系統中能量的輸入與輸出也要盡可能相等。

我們可以根據游戲主題來逐步構建游戲機制。游戲的核心機制包括板塊抽取系統、輪抽、板塊放置等等。桌游的組件包括植物板塊、指代動物和微生物的游戲指示物、3×3 玩家版圖、卡牌，組件上都標有能量值/能量變化值。

游戲大致是這樣進行的。游戲分為三個階段，植物生長期、動物活躍期和微生物繁殖期，玩家逐步進行植物、動物和微生物的規劃。玩家通過輪抽的方式獲得植物、動物和微生物，且放置時需遵行一些限定規則。比如3×3 玩家板塊上的不同方格光照不同，對光照要求高的植物不能放在光照弱的方格上。放置的生物都會能夠產生或消耗不同的能量值。放置的基本原則是盡可能選擇種類不同的生物，同時使得最后的能量加和為0。除了輪抽、板塊/指示物放置，有時也會因為板塊/指示物放置觸發卡牌抽取的動作，改變一些環境設定。等微生物指示物全部放置完，游戲結束。玩家得分根據生物多樣性和生態系統能量供需平衡兩個方面的指標來計分。

以上僅為這款科學桌游的原型，具體的數值與內容需要大量的科學數據做支撐以及需要大量的測試數據在M-D-A 結構中循環驗證。

4 結語與展望

本研究所提出的OTMDA 框架為科學桌游設計提供了一種思維方式，而非“操作流程圖”。具體的設計流程包括確定游戲目標、游戲人數、游戲時長、游戲結束條件、游戲勝利條件、桌游實體組件的形式、美術設計等都涵蓋在了主題和機制之中，并未在框架中體現。

OTMDA 所傳達的思維方式具體為：科學游戲的游戲性和功能性在游戲成品上表現是融合的，但是在設計之初，兩者的策劃相對獨立且相互影響。這也是為什么我們將MDA 框架置于橫向，教育者和科學教育目標置于縱向排布的原因——橫向是游戲的系統，縱向是科學教育的系統，兩者在“機制”的點上交匯。也正是因為如此，科學桌游中最為重要的“主題”是由教育者所提出的教育目標和設計師所預設的玩家體驗共同決定的。由主題驅動構建機制，互相調整以彼此融合；同時從游戲性的層面迭代設計，由機制到動態到體驗，再由體驗到動態到機制，不斷切換設計師思維和玩家思維。

表1 羅列了許多已有的教育游戲設計方法、框架、模型、方法論等。與它們相比，OTMDA 框架更專注于指向科學教育的桌游設計，而且可以作為科學桌游設計師的入門工具，為初次嘗試科學桌游開發的相關人員提供一種思維方式?？茖W桌游設計團隊中的教育工作者不難理解MDA 游戲設計框架，游戲開發人員也能夠通過科學大概念“提綱挈領”地理解科學內容。

從OTMDA 框架最后呈現的要素來看，該框架應該也能應用于除桌面游戲之外的其他科學游戲的開發之中。但是，對于電子游戲來說，需要考慮的層面更多，其中“技術”會有更大的比重?！靶率钟押谩钡腛TMDA 框架可能需要更多補充與延伸。

另外，上文雖然提及了一款原創科學桌游的設計思路，但仍停留在原型設計階段。后續大量的制作、測試工作還未開展，其游戲的趣味性和科學教育的有效性有待實證的檢驗。因此，本研究是科學桌游設計研究的起點，重點在于基于游戲設計相關研究和科學教育發展趨勢，從理論層面分析科學桌游設計的關鍵思路。關于OTMDA 框架研究有待后續更多的實踐工作來論證框架的有效性，以及更深入的理論研究來拓展框架的適用范圍。