《Biomedical Engineering Education》：Pac-rophage: Teaching Macrophage Phagocytosis Through Game Play
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为应对细胞功能教学因概念抽象、难以直观呈现而面临的挑战，本文作者开展了一项名为“Pac-rophage”的基于游戏的学习（GBL）研究。他们设计并制作了一款受经典游戏Pac-Man启发的桌面棋盘游戏，旨在通过角色扮演和互动式体验，帮助K-12学生和STEM本科生理解巨噬细胞的吞噬作用（phagocytosis）及其他基础免疫学概念。通过在两个学生队列中的原型测试与评估，研究表明游戏能有效提升学生对免疫学概念的理解和熟悉度，并显示出良好的短期知识保留效果。这项研究为生物学和免疫学教育提供了一种新颖、有趣的主动学习工具，有助于将复杂的生物学过程变得更具参与感和易于掌握。
理解细胞是理解各种生物现象和生命体整体功能的基础。然而，学习细胞功能面临着不小的挑战，因为这些概念通常是肉眼不可见且非常抽象的。随着生物医学发现和工程技术的进步，生物学教育的挑战还包括如何传达单个细胞如何独立执行基本功能，同时又协同工作以支持组织、器官和生物体的整合生理机能，以及如何把握细胞活动如何支撑所有层次的生物组织，功能如何与结构相关联。这些都突显了需要整合一个以细胞功能为中心的视角，超越传统教学法往往侧重于记忆生物结构和过程的局限。
更具吸引力的教学方法有助于使复杂的生物学变得易于接触和关联，特别是对于K-12学生和STEM本科生，同时培养深入和持久的理解。游戏化学习（Game-based learning, GBL）将教学法与互动相结合，将数字或模拟游戏融入学习体验，尤其是在现实世界中难以触及的情境（如亚细胞环境）。游戏因其趣味性和参与度而被普遍认为具有教育潜力。在高等教育中，使用游戏和模拟拥有大量的研究基础，显示出积极的认知、行为和情感学习成果，反映了高等教育机构向主动和学生为中心的教学法发展的广泛趋势。它们可以成为促进参与、激励和深度学习的有力教学策略，特别是在STEM领域。
在这项研究中，研究人员创造性地将经典的Pac-Man游戏机制应用于免疫学教学，开发了一款名为“Pac-rophage”的实体棋盘游戏。这款游戏旨在通过角色扮演和互动式体验，帮助学生学习巨噬细胞的吞噬作用及其他基础免疫学概念。研究的目标是：评估该游戏在帮助学生(1)通过互动游戏接触科学内容，以及(2)反思游戏如何帮助他们理解特定科学概念方面的效果。
研究人员首先将熟悉的Pac-Man组件改编为模拟巨噬细胞所面临挑战的类似物。玩家可以扮演名为“Pac-rophage”的吞噬细胞，或扮演幽灵般的“病原体”。游戏目标是收集抗原（相当于豆子）并消除来自病原体的威胁，模拟巨噬细胞在身体防御中的关键作用。反之，病原体的目标是消灭Pac-rophage并保护自己不被身体清除。游戏组件通过3D打印、平面设计和卡片制作完成，所有设计文件开源提供。
为支持游戏，团队还开发了带插图的说明书和一个讲解视频，用于解释角色、规则和游戏阶段，旨在提升游戏的可及性、学习独立性和课堂实施的便利性。视频通过卡通图画和叙事介绍了巨噬细胞、B细胞、T细胞、抗原呈递细胞和凋亡细胞等概念，并解释了抗原识别、抗体产生、病原体中和、免疫记忆和吞噬作用等基本免疫过程是如何嵌入游戏中的。
游戏原型首先在伊利诺伊大学的一门面向非专业学生的“生物工程导论”研讨课中进行了测试。课程共有70名学生，背景涵盖核心STEM领域、生物学相关STEM领域、生物工程、其他工程学科以及非STEM学科，确保了受众的广泛性。在50分钟的课堂中，五人小组（一名Pac-rophage和四名病原体）进行多轮游戏。评估采用了混合方法，通过游戏前、观看视频后、阅读说明书后以及游戏后的多阶段调查，收集定量和定性反馈，以衡量游戏在达成学习目标方面的成功与否。
主要研究方法与技术：本研究采用了基于游戏的学习（GBL）设计和教育评估的混合方法。关键技术方法包括：1. 游戏设计与原型制作：基于经典Pac-Man机制进行免疫学概念映射，使用3D打印（Ultimaker打印机）制作角色棋子，利用Adobe Illustrator设计游戏棋盘，并通过在线平台制作游戏卡牌和令牌。2. 教学材料开发：制作了包含免疫学概念讲解的动画视频和详细的图文游戏说明书，用于支持自主学习和课堂教学。3. 教育评估与数据分析：在两个本科生队列（生物工程导论课和免疫工程高级选修课）中进行前后测调查，使用李克特量表量化学生对免疫学概念和游戏机制的理解变化，并通过主题分析处理开放式反馈。通过单因素方差分析（ANOVA）和图基事后检验（Tukey’s HSD test）分析游戏时间、回合数等变量，使用学生t检验（Student’s t tests）评估资源获取与获胜率的关系，以衡量游戏的有效性和平衡性。
研究结果
1. 游戏效率与熟练度提升：在50分钟的课堂测试中，每个团队平均进行了2.7轮游戏。随着游戏次数的增加，完成一轮游戏的平均时间显著下降，从第一轮的21.7 ± 12.6分钟降至第三轮的8.9 ± 6.2分钟，表明学生对游戏规则的熟悉度和操作效率在快速提升。
2. 资源获取对游戏胜负的关键影响：游戏数据分析显示，资源获取是决定胜负的关键因素。未能收集疫苗（Vaccine）或积累足够单一抗原令牌以获得头盔（象征转化为抗原呈递细胞APC）的玩家，其获胜几率显著较低，此时游戏统计上对病原体团队有利。相反，任何获得疫苗或头盔的玩家都表现出更高的获胜几率，Pac-rophage团队的胜率提升了400%。这模拟了现实世界中获取疫苗等防护资源对提升个体抵御能力的重要性。然而，旨在强调疫苗重要性的游戏机制也在一定程度上破坏了游戏平衡，影响了部分玩家的体验。
3. 教学材料显著提升概念理解与游戏信心：学生在观看教学视频后，对游戏玩法的理解信心（自评“同意”或“非常同意”的比例）提升了27.9%。对于游戏核心概念清晰度的认同，从“同意”到“非常同意”的比例提升了80%。更重要的是，在抗原、抗体、疫苗、病原体、各类白细胞等免疫学概念上，学生的自评熟悉度在观看视频后均得到显著且持续的提升。这表明教学视频在强化生物学概念和游戏机制理解方面具有双重积极作用。
4. 学生反馈：喜爱的方面与改进建议：学生最喜爱的游戏方面包括其视觉美学与设计、教育价值、趣味性、参与度以及策略与团队合作。学生们认为，一款好的教育游戏应具备策略与战术、视觉元素、友好竞争、清晰说明和快速游戏节奏等特征。关于改进建议，最多的反馈是希望规则说明更清晰，其次是希望平衡游戏玩法、改进游戏机制。也有少数建议希望增强游戏的教育价值。
5. 知识保留与长期效果：在第二个学生队列中进行的延迟评估显示，在初次游戏8周后，学生对游戏相关内容和免疫学概念的整体测验成绩未出现显著下降。然而，细分来看，游戏相关内容的保留保持稳定，而免疫学相关概念的保留率则出现显著降低。一项基于游戏内容但未直接覆盖的拓展问题（关于嗜酸性粒细胞的作用）正确率下降最为明显。这表明游戏对直接覆盖的免疫学内容有初步的短期保留效果，但长期保留和知识迁移能力仍需加强。第二次游戏体验后，学生对改进游戏机制和平衡性的关注度增加，对规则清晰度的关注度相对下降，显示重复游戏影响了他们对游戏整体设计和概念的宏观思考。
6. 游戏在不同学生群体中的适用性：该游戏随后在一门高年级的“免疫工程”技术选修课中再次测试。尽管该课程学生的基础知识起点更高，但游戏时间随回合增加而缩短的趋势与初级课程一致，且学生对免疫学概念的自评熟悉度在接触教学材料后同样呈上升趋势，证明了该游戏在不同知识背景学生中的普适性和有效性。
研究结论与讨论
Pac-rophage通过模拟免疫细胞的功能角色及其对病原体的反应，为课堂或课外环境中的复杂免疫学内容提供了一个易于上手的切入点。它能够在单次50分钟的课堂内进行多轮游戏，辅以可在课外自主观看的教学视频和说明，易于整合并补充现有课程内容。研究表明，游戏能显著提升学生对免疫学过程的自评理解，并显示出积极的短期知识保留趋势。这与医学角色扮演游戏（RPG）的研究结果一致，即游戏能可靠地增加学生的乐趣，并在某些情况下对本科及研究生学习者的知识保留产生积极影响。
尽管研究人员基于生物学功能设计了相应的游戏元素，但这些简化模型在表征复杂的免疫系统时存在固有局限。学生的反馈也指出了游戏未涵盖的免疫学方面，例如免疫反应的时间/动力学、疫苗接种与自然感染免疫学的差异、宿主-病原体相互作用的分子细节等。这些建议为未来开发面向更高年级学生、包含更精细机制（如时效性疫苗效果、“超级细菌”等）的游戏迭代提供了宝贵方向。
教师们认可游戏的趣味性和激励作用在教育中的潜力，但教育项目往往缺乏GBL策略的培训。Pac-rophage游戏及其配套的教学视频、指南和开源材料，为教师和学生提供了一个可直接上手的框架。未来的迭代可以包括修改以更好地契合K-12科学课程标准、进行数字化整合，或开发用于社区教育环境的外展工具。
总之，这项研究展示了如何利用广受欢迎的游戏形式，创造出一个有效的教育工具，将抽象的细胞免疫学知识转化为具体、可操作且令人难忘的体验。Pac-rophage不仅是一款游戏，更是一座桥梁，连接了理论知识与实践感知，激发了学生对生命科学的兴趣，并为创新STEM教育方法提供了可复制的范例。
