以計算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲的設(shè)計

1、    以計算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲的設(shè)計    劉立云 沈航冉 “計算思維”是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動，能給與人思考問題的正確方法，對構(gòu)建算法有著重要的意義及啟蒙作用。教育游戲是一種針對特定的教育目的而開發(fā)的嚴(yán)肅的游戲，教育性與娛樂性并重，它以游戲作為教育手段，將所要教授的知識以游戲的形式呈現(xiàn)，從而達到“寓教于樂”的效果。當(dāng)前，計算思維已經(jīng)成為人們生活中解決問題的首選思考模式，也是人們思維能力的主要特征之一。研究現(xiàn)狀及核心概念界定現(xiàn)今社會已步入了高速發(fā)展的人工智能階段，機器學(xué)

2、習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等不斷發(fā)展，機器和人相互協(xié)作、相互影響，最終導(dǎo)致機器愈發(fā)智能化，人們在生活中和思想上解決問題的思路也愈發(fā)工程化，于是計算思維應(yīng)運而生。在這個過程中，計算思維逐漸被確立為繼“3r”閱讀、寫作和算數(shù)能力之后的“4thr”能力，我們應(yīng)該明確，它并不是專業(yè)人士才能學(xué)會的技能與本領(lǐng)，而是可以被所有人理解并掌握的能力，即它不局限于計算機專業(yè)領(lǐng)域，而是可以被所有人掌握的解決問題和認識世界的思維方式。研究發(fā)現(xiàn)，4歲左右的兒童已經(jīng)具備理解基本的計算機編程概念的認知水平。因此，教育界開始嘗試培養(yǎng)兒童的計算思維能力，如美國開設(shè)了在47歲年齡段培養(yǎng)計算思維的相關(guān)課程，國際計算機科學(xué)教師協(xié)會（cs

3、ta）也提出了k-5兒童需要掌握模塊化可視化編程語言和測試方案的能力。與此同時，app store及steam商店等應(yīng)用程序商店中兒童編程游戲也開始出現(xiàn)，并受到了用戶的持續(xù)關(guān)注和追捧。然而，現(xiàn)有的編程游戲缺乏創(chuàng)新，核心玩法機制設(shè)計大同小異，游戲挑戰(zhàn)規(guī)則設(shè)計老套，游戲質(zhì)量和算法質(zhì)量良莠不齊?；谝陨犀F(xiàn)狀，為了達到推陳出新的目的，在解構(gòu)計算思維能力的基礎(chǔ)上，本研究擬以中小學(xué)生為教育游戲?qū)W習(xí)化的主體，依據(jù)現(xiàn)有編程游戲設(shè)計中存在的問題進行創(chuàng)新改進，以小松鼠智闖代碼森林為實例分析兒童編程游戲的設(shè)計框架。1.計算思維計算思維這一概念于2006年3月被首次提出，提出后便引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，在其概念傳

4、入國內(nèi)后，相關(guān)學(xué)者就在計算思維方面進行了多種研究，其被搜索率從整體上看呈逐年上漲趨勢，可見計算思維已經(jīng)逐步深入到我們生活的方方面面。計算思維好比算法，是抽象的一種思維模式。在用算法解決問題的時候，我們往往需要先從分析問題入手，再進行建模，最后用相關(guān)工具或語言實現(xiàn)功能。而計算思維也是如此，但它不僅僅是基于編程語言的再實現(xiàn)，更是一種如同騎自行車、讀寫本國語言那般的思維活動，這種活動受到生活中種種外力影響，進一步影響并改善我們的思維能力。所以，不妨認為計算思維是基于計算機的一種科學(xué)手段來改善人們的思維方式，是計算機時代的產(chǎn)物，是每個人都應(yīng)學(xué)會并理解的一種能力。2.教育游戲游戲源起于古代，用于娛樂休息

5、。隨著時代的發(fā)展，游戲也被賦予了新的使命，游戲不再只是用于休閑娛樂，對于教育游戲而言，玩家可以在游戲中了解到相關(guān)知識并對知識有初步的學(xué)習(xí)應(yīng)用。3.編程教育游戲編程是計算機語言發(fā)展的產(chǎn)物，在計算機信息時代，各種編程語言也隨之發(fā)展。然而，并非所有人都有能力或有條件接觸編程，而編程又是培養(yǎng)計算思維的絕佳方法，因此專業(yè)人士開始引入了編程教育游戲的概念，所謂的編程教育游戲，就是以編程為游戲主題，結(jié)合傳統(tǒng)教育游戲進行開發(fā)的一條游戲分支，旨在培養(yǎng)玩家的編程思維能力。4.以計算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲?qū)τ诰幊探逃螒蚨裕罱K的目標(biāo)已經(jīng)確認，即培養(yǎng)編程思維能力，但如何培養(yǎng)，怎么樣可以更好地進行培養(yǎng)，就成了當(dāng)前

6、研究的重點與目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，編程思維能力與計算思維有著不可分割的關(guān)系，它們相輔相成，因此以計算思維為導(dǎo)向進行編程教育游戲的設(shè)計，將會獲得更好的效果。與此同時，通過游戲最后的目的即編程思維能力的培養(yǎng)，又可以反作用于計算思維的培養(yǎng)，通過學(xué)習(xí)到的計算思維能力，可應(yīng)用于生活各處?，F(xiàn)存編程教育游戲的問題剖析世界上第一款孩童編程教育游戲logo編程語言通過輸入代碼控制小烏龜進行移動繪畫。雖然它利用了可視化的方法幫助玩家理解游戲及機制，但對于從未接觸過編程甚至從未接觸過計算機相關(guān)思維的孩童來說，這種可視化的方法依然較難理解這更像是為程序員而開發(fā)的游戲。游戲1的劇情為悟空在花果山中駕著筋斗云，認識游戲場景中出

7、現(xiàn)的所有場景所對應(yīng)的漢字。例如，花果山對應(yīng)漢字“山”，在游戲中，只要觸碰到花果山這個場景，就會彈出一個寫字框，告訴玩家如何書寫漢字“山”。這個“山”在游戲中不會再出現(xiàn)，即所謂的“學(xué)過了，就過去了”，這種方式只是通過繪本故事來灌輸漢字知識，缺乏連續(xù)性的設(shè)計。游戲2是一款基于steam平臺的城市建造沙盒類游戲，在游戲過程中可以學(xué)到建造樓房、布局樓盤、環(huán)境分布等一系列關(guān)于城市建造的知識。這類游戲的一個顯著特點是游戲時間長，建造過程慢，需要多次游戲才能有階段性成果，所以云存儲成為了必要。在該游戲中，每次游戲結(jié)束前都可以將游戲進度保存到云盤中，下次打開游戲后便可以讀取云盤內(nèi)容獲得游戲中已經(jīng)建造的所有信息

8、。然而，這款游戲雖然在windows平臺可以流暢運行，但在mac osx平臺卻運行困難，在產(chǎn)品兼容性方面存在問題。綜上所述，現(xiàn)有編程教育游戲大都存在缺乏連續(xù)性設(shè)計、過于高估孩童對編程的理解能力、產(chǎn)品兼容、游戲玩法核心機制單一、只注重代碼編寫培養(yǎng)而忽略計算思維能力的培養(yǎng)等缺點。以計算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲小松鼠智闖代碼森林的設(shè)計1.關(guān)卡1鍵盤移動在本關(guān)中玩家使用左右方向鍵和z跳躍鍵進行冒險，發(fā)現(xiàn)并收集隱藏在草叢中的物品然后吃鉆石進入下一關(guān)。本關(guān)中，玩家使用鍵盤控制人物進行移動，玩法與超級瑪麗相似，本關(guān)以委婉的口吻進行了額外的提示：玩家應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)并懂得方向的英文說法，但并沒有在游戲中直接體現(xiàn)。2.

9、關(guān)卡2鍵盤移動續(xù)在本關(guān)中仍舊保持著關(guān)卡1的風(fēng)格，只是在每關(guān)特有的提示上做了改動，進一步闡述了英文在計算機中的作用，并開始出現(xiàn)了編程的概念，使玩家進一步了解所編寫程序在計算機中是如何執(zhí)行的。3.關(guān)卡3鼠標(biāo)模擬鍵盤移動在本關(guān)中鍵盤已經(jīng)不再可以操作行動了，而改為左上角的三個按鈕。本關(guān)的目的和意義是讓玩家了解并非必須使用方向鍵才能進行移動，移動的指令所對應(yīng)的代碼是固定的，想移動的話可以隨時改變鍵位，甚至不需要鍵盤只使用鼠標(biāo)也可以進行移動，它們的本質(zhì)是相同的。4.關(guān)卡4鼠標(biāo)模擬鍵盤移動續(xù)在本關(guān)中仍舊保持著關(guān)卡3的風(fēng)格，只是加大了游戲的操作難度和趣味性，作為一款編程教育游戲，不能只考慮傳輸知識，還必須提升

10、游戲的趣味程度，這樣才能增加玩家的興趣以及在游戲中的沉浸感。本關(guān)仍然包含隱藏物品可以收集，至此，所有隱藏物品已經(jīng)全部出現(xiàn)在本游戲中，它們分別是字塊float、false、true和while。每當(dāng)收集到物品時，會出現(xiàn)相應(yīng)的提示與解釋，使玩家不知不覺學(xué)習(xí)并了解到這些字塊的作用和意義，即達到了連續(xù)性設(shè)計的目標(biāo)。5.關(guān)卡5代碼指令移動在關(guān)卡設(shè)計方面，本關(guān)卡保持了和前面幾關(guān)相同的游戲背景風(fēng)格，游戲任務(wù)也依舊是尋找隱藏物品并觸碰鉆石以進入下一關(guān)卡，即保證了游戲的連續(xù)性與沉浸性。本關(guān)卡需玩家自行寫出代碼完成松鼠的移動，游戲頁面右上角有一個簡易的代碼編輯器，玩家可以通過輸入相應(yīng)的指令來移動小松鼠。本關(guān)的目的

11、是讓玩家了解到并非必須使用外設(shè)才能進行操作，在計算機系統(tǒng)中外設(shè)所對應(yīng)的本源也將會是程序中的代碼，所以這里直接讓玩家書寫代碼來完成任務(wù)。由于前面的關(guān)卡已經(jīng)對這些知識進行了詳細的介紹，從簡至難逐層過渡，因此不會有突兀的感覺。6.關(guān)卡6道具使用實時效果在最后一關(guān)中，玩家將結(jié)合所學(xué)的編程知識進行思考，反作用于計算思維的提升，右上角的代碼編輯器改為一個死循環(huán)代碼段，玩家需從背包中選擇正確的道具代碼塊“float”對其進行覆蓋，將循環(huán)判定條件改為假，方可結(jié)束死循環(huán)。為了使玩家更容易理解，所以結(jié)合了本游戲中的道具“刺兒”實時體現(xiàn)出循環(huán)的意義，原本不斷掉落的“刺兒”一旦被修改了循環(huán)條件，將會停止生成，道路會被

12、打通，玩家可以通過。結(jié)論與展望通過對教育游戲近年發(fā)展的思考，筆者認為將教育游戲與思維培養(yǎng)結(jié)合在一起，利用游戲本身邏輯性強的特點，設(shè)計以計算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲，將會是一個提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率、增大學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方式。使用教育游戲的形式進行思維培養(yǎng)，其優(yōu)點體現(xiàn)在以下方面：教學(xué)者化身為游戲角色，使用教學(xué)模型進行引導(dǎo)，更具有“代入感”。玩家使用預(yù)先制訂好的模型進行學(xué)習(xí)，邊學(xué)邊玩達到“寓教于樂”的效果。在游戲中興奮時間更為長久，并且會自發(fā)地進行思考。以游戲的形式展現(xiàn)，玩家會更感興趣。本研究通過小松鼠智闖代碼森林教育游戲，論證了以計算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲?qū)崿F(xiàn)的可能，并分享了設(shè)計此類游戲的思路。在設(shè)計時首先明確了大方向即教育游戲，在此基礎(chǔ)之上以編程教育為主要內(nèi)容，開始制作編程教育游戲，以計算思維為出發(fā)