基于嚴(yán)肅游戲的計(jì)算思維培養(yǎng)

摘要：在分析嚴(yán)肅游戲這一新興的教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，提出基于嚴(yán)肅游戲培養(yǎng)計(jì)算思維能力的觀點(diǎn)，以案例的形式討論嚴(yán)肅游戲與計(jì)算思維能力培養(yǎng)的幾種結(jié)合方式。介紹以各門專業(yè)知識為目的跨學(xué)科的嚴(yán)肅游戲文案設(shè)計(jì)訓(xùn)練、以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為目標(biāo)的嚴(yán)肅游戲設(shè)計(jì)以及貫穿多課程的嚴(yán)肅游戲。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；嚴(yán)肅游戲；面向?qū)ο?/p>

文章編號：1672-5913（2013）18-0006-03

中圖分類號：G642

0 引言

計(jì)算思維是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授2007年在ACM會(huì)刊Communications of ACM上提出的。她將計(jì)算思維提高到與“3R（讀、寫、算）”同等的高度，作為每個(gè)人的基本技能，得到了美國、歐洲及中國等計(jì)算機(jī)教育界的廣泛支持。2008年，美國NSF啟動(dòng)涉及自然科學(xué)與工程以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的，以計(jì)算思維為核心的重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃：“計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”（cyber-Enable Discovery andInnovation，CDI），使得計(jì)算思維的培養(yǎng)擴(kuò)展到各個(gè)學(xué)科與領(lǐng)域，在計(jì)算機(jī)科學(xué)、自然科學(xué)、數(shù)學(xué)、社會(huì)學(xué)科、語言藝術(shù)、美術(shù)、生命科學(xué)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。

為培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念和方法去求解各種問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解各種現(xiàn)象，筆者對以嚴(yán)肅游戲的形式針對跨學(xué)科的學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)進(jìn)行探討。

1 嚴(yán)肅游戲

嚴(yán)肅游戲不以娛樂為主要目的，而是將嚴(yán)肅的目的融合在具有個(gè)性化體驗(yàn)以及較強(qiáng)的娛樂性、互動(dòng)性和藝術(shù)性的游戲中，使得玩家在玩游戲的過程中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的目的。

嚴(yán)肅游戲的術(shù)語最初出現(xiàn)于1970年美國著名學(xué)者Clark C.Abt的《嚴(yán)肅游戲》一書，而其興起則是自2002年伍德羅威爾遜國際學(xué)者中心（Woodrow Wilson Intemational Center for Scholars）在華盛頓發(fā)起的“嚴(yán)肅游戲倡議”（Serious GamesInitiative）。隨后嚴(yán)肅游戲逐步在教育、醫(yī)療、軍事、企業(yè)培訓(xùn)、公共事務(wù)、工程、農(nóng)業(yè)、政治和宗教等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。2009年召開的第一屆嚴(yán)肅游戲（北京）創(chuàng)新峰會(huì)中提出了“嚴(yán)肅游戲”的概念，促進(jìn)了嚴(yán)肅游戲在國內(nèi)的推廣和產(chǎn)業(yè)化。

作為一種新興的教學(xué)形式，嚴(yán)肅游戲在國內(nèi)外教育界各個(gè)專業(yè)得到了大量研究與應(yīng)用。如俄亥俄州立大學(xué)開發(fā)了GeoGame，利用真實(shí)的地理信息數(shù)據(jù)，讓學(xué)生在游戲中理解人與地球的復(fù)雜的交互關(guān)系，學(xué)會(huì)從地理空間的視角來分析問題和解決問題，這種視角對經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境變化、交通、救濟(jì)、城市規(guī)劃和應(yīng)急服務(wù)等社會(huì)問題非常重要。

2 嚴(yán)肅游戲與計(jì)算思維的結(jié)合方式

以課程為載體，筆者所在團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了基于嚴(yán)肅游戲培養(yǎng)計(jì)算思維能力的嘗試，探討將計(jì)算思維的培養(yǎng)與嚴(yán)肅游戲創(chuàng)新性地結(jié)合起來的多種方式，如圖1所示。

2.1 通過嚴(yán)肅游戲設(shè)計(jì)活動(dòng)，培養(yǎng)不同學(xué)科學(xué)生的計(jì)算思維能力

筆者所在團(tuán)隊(duì)開設(shè)了通識教育選修課嚴(yán)肅游戲應(yīng)用與設(shè)計(jì)，以游戲?yàn)榧~帶，將計(jì)算機(jī)游戲作為計(jì)算思維工具，將各學(xué)科的學(xué)生聚集在同一課堂，在分析大量案例的基礎(chǔ)上，分析如何設(shè)計(jì)游戲來解決各個(gè)專業(yè)所面臨的問題，要求學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維針對各自學(xué)科設(shè)計(jì)教育類的嚴(yán)肅游戲。

針對跨學(xué)科的學(xué)生特點(diǎn)，課程不要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)際開發(fā)，而是通過編寫游戲設(shè)計(jì)文案的形式針對各自學(xué)科的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)游戲的場景。該課程介紹其創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，以及在軍事、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、教育、科研和培訓(xùn)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

學(xué)生所面臨的挑戰(zhàn)是如何將不同學(xué)科的知識技能融合在游戲場景中。為解決該問題，學(xué)生需要運(yùn)用計(jì)算思維的方法，將龐雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行層層抽象和分解，轉(zhuǎn)化為合適的學(xué)習(xí)活動(dòng)，當(dāng)學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)活動(dòng)分解到適合作為計(jì)算機(jī)游戲場景時(shí)，再有針對性地設(shè)計(jì)出合適的游戲場景。

經(jīng)過課堂引導(dǎo)，學(xué)生設(shè)計(jì)出了具有新意的嚴(yán)肅游戲，如日語系學(xué)生設(shè)計(jì)角色扮演游戲“極限生存”，游戲場景包括各種生存訓(xùn)練，在其中穿插豐富多樣的任務(wù)和生動(dòng)活潑的日常生活場景，通過游戲中的關(guān)卡實(shí)現(xiàn)對玩家日語學(xué)習(xí)能力的培訓(xùn)，對玩家聽、說、讀、寫4個(gè)方面進(jìn)行訓(xùn)練。

醫(yī)學(xué)系學(xué)生設(shè)計(jì)文字冒險(xiǎn)類游戲“醫(yī)魂”，針對即將進(jìn)入醫(yī)院工作的醫(yī)科生理論知識豐富，但病例見識不夠的問題，通過在游戲中植入大量的病例，訓(xùn)練學(xué)習(xí)者對于病理的熟悉和情況的判斷。

物理系學(xué)生設(shè)計(jì)核安全教育游戲，玩家通過在游戲中即時(shí)與環(huán)境互動(dòng)，學(xué)習(xí)科普性質(zhì)的核安全知識以及應(yīng)急情況下的自我防護(hù)知識。

課堂教學(xué)證明，嚴(yán)肅游戲設(shè)計(jì)訓(xùn)練對于跨學(xué)科的計(jì)算思維培養(yǎng)是優(yōu)秀的手段。其優(yōu)點(diǎn)是入門容易，文理科各個(gè)專業(yè)的學(xué)生都可以快速入門。借助嚴(yán)肅游戲設(shè)計(jì)這一手段，自然地將學(xué)生各自的專業(yè)知識與計(jì)算思維的培養(yǎng)結(jié)合起來。跨專業(yè)的學(xué)生可以找到共同語言就相同的主題和相似的難題展開討論、相互啟發(fā)，如如何將事實(shí)性知識的記憶、判斷性技能的訓(xùn)練、推理能力的培養(yǎng)融合在學(xué)習(xí)任務(wù)及游戲場景中，如何將反復(fù)練習(xí)性的學(xué)習(xí)活動(dòng)、模仿性的學(xué)習(xí)活動(dòng)、觀察類的學(xué)習(xí)活動(dòng)與游戲場景相結(jié)合。

2.2 通過嚴(yán)肅游戲培養(yǎng)計(jì)算思維能力

將計(jì)算思維的培養(yǎng)作為嚴(yán)肅游戲的設(shè)計(jì)目的，可以設(shè)計(jì)出有助于培養(yǎng)計(jì)算思維能力的嚴(yán)肅游戲，使學(xué)生在游戲中掌握計(jì)算思維的基本方法。

比如，模擬武松打虎的場景，在游戲中設(shè)計(jì)某個(gè)策略。游戲中有武松和小二2個(gè)角色，武松身材魁梧，小二精明能干。游戲中有造酒和習(xí)武2件任務(wù)，武松練武需要消耗金幣20，釀酒需要消耗金幣40，小二練武需要消耗金幣40，釀酒需要消耗金幣20。更加復(fù)雜的規(guī)則中，有多個(gè)和習(xí)武及釀酒有關(guān)的任務(wù)，隨著任務(wù)的進(jìn)展，同一個(gè)人完成同類任務(wù)成本逐級下降。為了降低成本，玩家自然會(huì)采用武松習(xí)武、小二釀酒的策略，而這也體現(xiàn)了“高內(nèi)聚”的原則，避免單個(gè)對象的職責(zé)跨多個(gè)領(lǐng)域。

根據(jù)《水滸傳》中武松打虎的一段文字，“主人家，快把酒來吃”設(shè)計(jì)游戲場景，武松在打虎之前要先喝酒。武松可以自己去學(xué)造酒的本領(lǐng)，也可以直接找店家要酒。在這個(gè)場景中，造酒的流程很復(fù)雜，經(jīng)過成本核算，玩家（武松）自然會(huì)選擇向店家發(fā)送消息要酒而不是自己造酒。通過游戲玩家可以掌握對象思維的能力，不是一個(gè)對象完成所有任務(wù)，而是對象間相互交互完成復(fù)雜任務(wù)。

游戲中規(guī)定了打虎之前需要喝酒，店小二可以根據(jù)天氣的情況向武松提供不同的酒，米酒、黃酒和高粱酒等，武松對店小二發(fā)送消息：“主人家，快把酒來吃”后，不管哪種酒，只需要執(zhí)行喝酒的動(dòng)作。通過在游戲場景中加入分析，玩家可以體驗(yàn)到對各種類型的酒進(jìn)行抽象思維，并了解簡單工廠模式：需要一個(gè)對象（酒）時(shí)找工廠（店小二）要就行了。

根據(jù)《水滸傳》中接下來的場景，“只見店主人把三只碗、一雙箸、一碟熱菜，放在武松面前。滿滿篩一碗酒來”設(shè)計(jì)情景模擬游戲。碗、筷子、熱菜都作為抽象的概念，玩家被要求給出具體的碗、筷子和熱菜，配出各種具體組合，比如木碗、竹筷加炒青菜，或青瓷碗、象牙筷加炒肉絲。在這過程中進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)計(jì)算思維中的抽象思維方式，并掌握工廠模式原理。

這個(gè)案例說明，通過對計(jì)算思維培養(yǎng)的內(nèi)涵進(jìn)行分析，可以將計(jì)算思維培養(yǎng)的具體內(nèi)容和各種常見的場景結(jié)合在一起，進(jìn)而以游戲的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，這樣學(xué)生可以在游戲中經(jīng)歷各種熟悉的場景，在游戲的過程中掌握各種計(jì)算思維能力。

2.3 以嚴(yán)肅游戲促進(jìn)多課程協(xié)作，培養(yǎng)計(jì)算思維能力

嚴(yán)肅游戲可以作為很好的媒介，打通多個(gè)課程。教師在Web應(yīng)用基礎(chǔ)課程中向?qū)W生講解嚴(yán)肅游戲應(yīng)用與設(shè)計(jì)課程中各學(xué)科學(xué)生設(shè)計(jì)的案例，一方面拓寬了學(xué)生知識面，同時(shí)又可將文案提供給有興趣的同學(xué)，鼓勵(lì)其進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在Web應(yīng)用基礎(chǔ)課程的Project中，鼓勵(lì)學(xué)生組成3人一組的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)開發(fā)基于Web的嚴(yán)肅游戲，通過游戲達(dá)到訓(xùn)練面向?qū)ο蟮母拍钆c原理的目的，同時(shí)促使學(xué)生與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的老師進(jìn)行討論，將相關(guān)知識貫穿。這些課程又可以進(jìn)一步與通識教育核心課程網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境與計(jì)算機(jī)應(yīng)用以及選修課網(wǎng)絡(luò)游戲設(shè)計(jì)與開發(fā)相結(jié)合。

有的團(tuán)隊(duì)貫穿Web、ICS和嚴(yán)肅游戲，設(shè)計(jì)游戲通過模擬計(jì)算機(jī)處理匯編代碼時(shí)處理器的狀態(tài)、內(nèi)存狀態(tài)等，讓學(xué)生通過人工反編譯等方式來實(shí)現(xiàn)拆除計(jì)算機(jī)內(nèi)存中某段代碼。

有的團(tuán)隊(duì)貫穿Web和嚴(yán)肅游戲，給出一個(gè)web頁面，游戲者需要根據(jù)頁面的后臺代碼找到特定操作的線索對頁面進(jìn)行操作；或是給出某頁面的簡短代碼，并將該頁面的各個(gè)模塊打亂順利隨機(jī)顯示，游戲者需要根據(jù)代碼將頁面的各個(gè)模塊安放在正確的位置。

有的團(tuán)隊(duì)貫穿Web、面向?qū)ο蠛蛧?yán)肅游戲課程，設(shè)計(jì)機(jī)械解密型游戲，模仿某個(gè)機(jī)械世界，將教學(xué)內(nèi)容依次設(shè)計(jì)為關(guān)卡，共9關(guān)。在游戲中，物件內(nèi)部以代碼的形式呈現(xiàn)，學(xué)生通過觀察代碼內(nèi)容，拖動(dòng)具體物件，采用拼接的方式學(xué)習(xí)OOP基本概念與方法。教學(xué)內(nèi)容分別為創(chuàng)建對象、訪問對象、對象數(shù)組與對象組合、父類與子類、覆蓋與重載、對象轉(zhuǎn)換、抽象類、接口以及綜合應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)對象數(shù)組和對象組合關(guān)卡時(shí)，學(xué)生需要根據(jù)圖紙拼出魔法武器，圖紙的內(nèi)容為該魔法武器的代碼，學(xué)生解讀代碼可發(fā)現(xiàn)：MaggicWeapon類是由Bow類和MaggicArrow類組合而成的，而MaggicArrow類由Arrow類和一個(gè)Fire數(shù)組組合而成。學(xué)生需要在地圖中找到這些物品并按照正確的方式拼裝在一起制作出魔法武器。在解讀代碼和拼裝的過程中，學(xué)生能夠更加了解對象組合和對象數(shù)組的概念。

3 結(jié)語

嚴(yán)肅游戲作為一種新興的教學(xué)方式能有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)各個(gè)專業(yè)的興趣，將其應(yīng)用于計(jì)算思維的培養(yǎng)，可以通過嚴(yán)肅游戲設(shè)計(jì)活動(dòng)及玩嚴(yán)肅游戲本身，在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時(shí)提高計(jì)算思維能力，同時(shí)促進(jìn)課程之間的融合。

未來的工作將基于嚴(yán)肅游戲和虛擬空間技術(shù)開發(fā)跨學(xué)科的、支持計(jì)算思維培養(yǎng)的虛擬與互動(dòng)空間。在虛擬空間內(nèi)，不同專業(yè)的學(xué)生可以在相似的環(huán)境中學(xué)習(xí)不同的知識及技能，同時(shí)又可以利用虛擬環(huán)境展開創(chuàng)新活動(dòng)，通過協(xié)作討論，共同得出解決方案。

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（編輯：趙廓）