促进学生空间观念发展的小学数学游戏化

本研究通过查阅和梳理游戏化探究学习和空间观念的相关文献，提出了研究问题，并借鉴以往相关研究，在建构主义学习理论、体验学习理论和情境认知理论的指导下进行游戏化探究学习模式的构建。通过对相关要素的分析形成了应用游戏化探究学习模式的教学设计，以五年级下册“观察物体（三）”为例实施了教学实验，研究了游戏化探究学习对培养小学生空间观念的应用效果。本研究的成果总结如下：
第一章 绪论

1.1 研究背景

1. 空间观念是发展数学能力的重要因素

  空间是物体存在的表现形式，物体的大小、形状、位置关系等特征在人的脑海中留下的表象形成了空间观念。人类的生活与空间密切相关，对空间的探索离不开空间想象能力，许多的发明创造也与空间观念密切相关，因此空间观念是培养创新能力的重要因素。空间观念作为数学课程学习中的一个核心概念，在数学学习中占据着重要地位。空间观念在 1988 年的义务教育数学教学大纲中第一次出现，大纲将能力培养的任务变为了“培养运算能力，发展逻辑思维能力和空间观念”。《义务教育数学课程标准（2011 年版）》中对空间观念的主要表现进行了描述：能够将实物的形状抽象出几何图形，由几何图形想象出物体实物的形状，进行几何体与其三视图、展开图之间的转化。课程标准中明确提出了：空间观念是学生学习数学所要形成的核心素养之一。[1]促进学生空间观念的发展是数学教学中的一项重要任务，教师要真正做到“以生为本、为生而教”，积极调整教学策略，重视学生的数学活动经验，使学生空间观念得以发展。由此可见，空间观念的建立对于小学数学学习有着极其重要的意义。[2]空间观念是建立在观察、感知、探索、思考的基础上的，是一个由低级到高级，循序见到过程。小学阶段是空间几何知识学习的启蒙阶段，学生的空间观念在此阶段迅速发展，因此应重视小学生空间观念的培养。在小学阶段，学生空间观念的建立主要来源于生活经验，学生通过观察、触摸等方式认识图形，形成一种表象感知。由于缺乏教师的引导，学生的知识学习不够系统，没有形成科学的空间观念。随着知识难度的逐渐增加，部分学生对“空间与图形”的理解感到困难，导致学习难度增加，学习负担加重。因此，小学生空间观念的培养需要教师进行科学的引导。

1.2 研究意义

1. 理论意义

首先，本研究对空间观念的基础内容进行了详细的分析，包括空间观念的理论研究、培养空间观念的策略、培养空间观念的教学模式，进一步丰富了空间观念的理论研究。其次，本研究结合空间观念的培养方式特点构建了游戏化探究学习模式，丰富了游戏化探究学习的理论研究。再次，搭建了基于该模式的教学设计框架，将空间观念和教育游戏、探究学习结合在一起，为小学生空间观念的培养提供了新思路。

2. 实践意义

为了解决小学数学课堂空间观念的教学中存在学生学习积极性不高、学生空间观念水平不佳等问题，从激发学习兴趣除法，以提升探究能力为突破口，构建基于游戏化探究学习模式，并结合教学案例进行教育实验研究，促使学生结合原有经验，在具体的情境中引发对问题的思考，在游戏中进行学习探究，在探究中完成知识的构建，从而促进学生的空间观念的发展。为发展小学生空间观念提供了一种新的教学模式。通过教学实验的实施验证了这一模式对提升小学生空间观念水平的效果，丰富了空间观念的教学研究，期望为广大一线教师的教学实践提供借鉴和参考。

第二章 相关概念界定与理论基础

本章界定了空间观念和游戏化、探究式学习等相关概念，梳理了游戏化探究学习的相关理论基础，为游戏化探究学习模式的构建及应用提供了理论支撑，以期为本研究提供更好的指导。

2.1 相关概念界定

2.1.1 空间观念

在汉语字典中“空间”解释为：物质存在的一种客观形式，由长度、宽度、高度表现出来，与“时间”相对。[59]在中小学的数学学科中，“空间”主要是指：学生通过对物体立体状态的感受，来形成物体在空间中存在的形式（如形状、大小、远近、深浅等表象），形成空间知觉，发展空间概念。[60]任子朝等人也提出空间观念有三层含义：（1）空间感，主要指在头脑中建立有关物体的表现，包括大小、形状、位置关系等；（2）实物几何化，指能够将实物抽象为几何图形，对其性质概括应用。（3）几何图形实物化，由实物的二维几何图形想象出其基本元素的空间结构关系。[61]这个层次属于纯几何范畴的空间观念内容，相比来说难度较大。王林全认为空间观念主要包括图形的识别与理解；图形的分解与组合；图形的构建与探索；图形的运动与变化；借助几何解决现实问题的能力这五种成分。[62]综合以上观点，本研究认为空间观念包括空间感知力和空间思维力。对事物空间属性的直接感知能力属于比较浅层的空间观念，利用对实物空间属性的感知来进行思维加工是比较高层的空间观念。

2.2 研究的理论基础

2.2.1 建构主义理论

建构主义强调学习主动性，即学习者积极主动地对信息进行处理和加工，在原有知识的基础上构建新知识的过程，这个过程通常与周围环境相互作用。 [72]建构主义认为知识不是通过教师讲授获得的，而是在社会环境中通过他人的请教、自己查阅资料等方式意义建构来的。其中“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素。学习过程一方面是对原有知识的改组和改造，另一方面是对新信息的加工。[73]所谓意义建构不是单纯地对知识的灌输，而是结合相关背景和原有经验对知识有进一步的理解，进而完成对知识的意义建构。建构主义提倡以学生为中心，学生是对信息加工进行意义建构的主体，教师是学生学习的指导者，帮助学生进行意义建构。 [74]小学生的空间观念是通过先前操作活动积累形成的，这些操作活动可以通过游戏来实现，学生在游戏中巩固认知结构并进一步发展。而游戏化探究学习是学生在游戏情境中主动的进行探究，在原有认知的基础上，通过信息收集、提出假设并验证的过程形成新的概念和方法，并运用新的知识去解决问题，从而获得新的经验，实现知识的意义建构的过程。因此建构主义理论是游戏化探究学习过程中的重要理论支撑。

第三章 促进空间观念发展的游戏化探究学习模式的构建..................................................... 21

3.1 小学数学空间观念的研究................................................................................................ 21

3.1.1 小学生空间观念发展的阶段.................................................................................... 21

3.1.2 小学生空间观念形成的心理特征............................................................................ 22

3.1.3 小学生空间观念的培养方式.................................................................................... 23

3.2 游戏化探究学习培养空间观念的适切性分析................................................................ 23

3.3 促进空间观念的游戏化探究学习模式构建.................................................................... 25

3.3.1 游戏化探究学习过程分析........................................................................................ 25

3.3.2 游戏化探究学习模式的构建原则............................................................................ 28

3.3.3 促进空间观念发展的游戏化探究学习模式构建.................................................... 29

第四章 应用游戏化探究学习模式的教学设计......................................................................... 31

4.1 前期分析............................................................................................................................ 31

4.1.1 教学分析.................................................................................................................... 31

4.1.2 游戏分析.................................................................................................................... 34

4.2 游戏化探究学习活动过程设计........................................................................................ 37

4.3 学习任务单的设计............................................................................................................ 39

4.4 学习评价设计.................................................................................................................... 40

第五章 促进空间观念发展的游戏化探究学习应用与效果分析.............................................41

5.1 教学实验设计.................................................................................................................... 42

5.1.1 实验目的.................................................................................................................... 42

5.1.2 实验方法.................................................................................................................... 42

5.1.3 实验对象.................................................................................................................... 42

5.1.4 实验变量.................................................................................................................... 43

5.1.5 实验假设.................................................................................................................... 43

5.1.6 实验工具.................................................................................................................... 43

5.2 促进空间观念的游戏化探究学习的应用研究.................................................................44

5.2.1 教学实验流程............................................................................................................ 44

5.2.2 应用过程.................................................................................................................... 45

5.2.3 数据收集与处理........................................................................................................ 47

5.3 应用效果分析.................................................................................................................... 48

5.3.1 游戏化探究学习对学生空间观念的影响分析........................................................ 48

5.3.2 游戏化探究学习过程中学生表现分析.................................................................... 50

5.3.3 游戏化探究学习过程反馈调查问卷分析................................................................ 51

5.4 应用结果分析与结论........................................................................................................ 52

第五章 促进空间观念发展的游戏化探究学习应用与效果分析

为了验证游戏化探究学习模式的应用效果，本研究将游戏化探究学习模式应用“观察物体”单元学习中，以准实验研究方法开展了教育实验，收集了学生“观察物体”学习成就测试、学习任务单和游戏化探究学习过程反馈量表等相关数据分析应用效果，验证游戏化探究学习对学生空间观念的影响。为了提高学生的学习积极性，激发学习兴趣，更好地发展学生的空间观念，组织学生进行了空间想象力的比赛。该比赛是利用 Minecraft 中的“空间想象力”地图作为游戏情境，以闯关的形式进行。每个学生在了解了规则后积极参与其中，取得了不错的游戏绩效。有些任务自己的游戏绩效不理想的同学，通过自我反思总结经验并向其他同学请教，重复游戏直至游戏通关。游戏界面如图 5-1 所示，游戏通关界面如图 5-2 所示。

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

本研究通过查阅和梳理游戏化探究学习和空间观念的相关文献，提出了研究问题，并借鉴以往相关研究，在建构主义学习理论、体验学习理论和情境认知理论的指导下进行游戏化探究学习模式的构建。通过对相关要素的分析形成了应用游戏化探究学习模式的教学设计，以五年级下册“观察物体（三）”为例实施了教学实验，研究了游戏化探究学习对培养小学生空间观念的应用效果。本研究的成果总结如下：

（1）本研究通过阅读和分析大量文献，深入了解了前人在游戏化探究学习领域和空间观念方面的研究，提出了研究问题，并进行了空间观念、游戏化探究学习等相关概念的界定，详细地阐述了指导游戏化探究学习的相关理论。

（2）在研究综述和理论的指导下，本研究结合培养空间观念的方式特点，构建了与之相切合的游戏化探究学习模式。第一，进行了与空间观念有关的研究，包括小学生空间观念的发展阶段、空间观念形成的心理特征、培养方式等，结合前人已有的研究分析了游戏化探究学习的构建原则。第二，本研究通过分析已有研究的游戏化探究学习相关模式构建了适合小学生空间观念培养的游戏化探究学习模式，并对学习者特征、教学内容以及游戏要素等相关内容进行了教学设计分析。第三，本研究对应用游戏化探究学习模式的主题教学进行了教学设计，通过对学习者、主题教学内容、教学目标、游戏的分析进行了学习任务单和教学评价的设计。

（3）实施教学实验研究游戏化探究学习模式对小学生空间观念的影响。通过分析实验数据得出游戏化探究学习能够促进小学生空间观念的发展，尤其是对空间观念水平较低的学生效果更加明显。同时游戏化探究学习在激发学生学习兴趣、提升探究能力方面都有良好的促进作用。