基于游戲化思維的少兒編程微信小游戲的研究與開發(fā)

葛文艷，王仁敏，高 雨，路程翔

（河南科技大學(xué) 軟件學(xué)院，河南 洛陽 2021198）

1 研究背景及研究內(nèi)容

隨著社會不斷發(fā)展和人們生活水平逐漸提高，大家對于教育不再局限于傳統(tǒng)教育這一層面，而是開始追求讓孩子綜合全面發(fā)展。伴隨著就業(yè)競爭的加劇，為了緊跟時代變化，獲得更好的生活品質(zhì)，越來越多的家長選擇讓孩子學(xué)習(xí)編程，從事與現(xiàn)代化科技發(fā)展更貼近的IT行業(yè)。緊隨電子科技發(fā)展的步伐，少兒編程熱逐漸興起，眾多少兒編程App不斷出現(xiàn)在教育市場。但它們絕大多數(shù)內(nèi)容較為傳統(tǒng)，語言晦澀難懂，開發(fā)模式更適合青少年及以上群體，對于低齡兒童進(jìn)行編程的學(xué)前教育市場依舊低迷。

基于上述問題，本團(tuán)隊開發(fā)出了一款適合低齡兒童使用的小游戲項目，本項目基于游戲化模式編程，能夠讓孩子在玩游戲的同時學(xué)習(xí)編程，更加符合兒童的思維方式。研究表明，人在少兒時期對于思維方式的培養(yǎng)非常關(guān)鍵。此項目可以讓孩子在學(xué)習(xí)編程的過程中更好的訓(xùn)練孩子的邏輯思維。通過學(xué)習(xí)少兒編程，可以有效提高孩子的編程能力、綜合學(xué)科能力、邏輯思維能力、未來職場競爭力和領(lǐng)導(dǎo)力等這些社會綜合能力。編程能力已經(jīng)成為未來孩子的基本技能?，F(xiàn)如今，中小學(xué)生編程課程正在逐步發(fā)展成為未來教育事業(yè)的一項基本學(xué)科，讓學(xué)生在學(xué)前進(jìn)行編程學(xué)習(xí)，在未來，不論他的工作與計算機(jī)是不是直接相關(guān)，都可以用編程思維來提升效率，找到更好的解決方案。沒有編程技能，孩子可能很難適應(yīng)未來社會的要求。

2 系統(tǒng)總體技術(shù)要求

2.1 系統(tǒng)框架要求

(1）采用C/S架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

(2）開發(fā)環(huán)境：操作系統(tǒng)要求：Windows 10；開發(fā)工具：Intellij IDEA、CocosCreator、微信開發(fā)者工具；數(shù)據(jù)庫：MySQL 5.6。

(3）前端選擇游戲引擎編程語言Cocos2d的升級版CocosCreator＋JavaScript，對游戲進(jìn)行開發(fā)，構(gòu)建成微信小游戲。

(4）采用spring框架，基于SpringBoot進(jìn)行javaWeb開發(fā)，利用maven對其進(jìn)行管理。

(5）設(shè)計出的系統(tǒng)要保持較好的健壯性，為以后對系統(tǒng)的升級優(yōu)化提供良好的基礎(chǔ)。

2.2 硬件需求和軟件環(huán)境

(1）硬件需求。在Web端所需要的硬件配置：CPU：3.0 GHz；內(nèi)存：8 G；硬盤：512 G；在移動端所需的硬件配置：CPU：2.2 GHz；內(nèi)存：6 G；硬盤：64 G。

(2）軟件環(huán)境。運行所需要的支持軟件：微信版本8.0。

3 少兒編程微信小游戲設(shè)計及實現(xiàn)

少兒編程微信小游戲在開發(fā)過程中使用到Cocos游戲引擎、Spring boot后臺、微信小程序平臺、JavaScript等當(dāng)下先進(jìn)成熟的技術(shù)，在技術(shù)上是完全可行的。由于借助了微信平臺，依托于微信小程序進(jìn)行游戲體驗，對用戶的硬件的水平要求較低。游戲的功能模塊有：用戶登錄注冊、游戲關(guān)卡模式、游戲進(jìn)度讀檔存檔、動作控制區(qū)等。

游戲總體設(shè)計主要以少兒編程啟蒙思想為主，用戶在玩游戲過程中，學(xué)習(xí)如何排序指令，編寫程序，并利用循環(huán)、遞歸等思想簡化行進(jìn)步驟。通過由易到難的關(guān)卡設(shè)計以及四部分獨立的模塊功能設(shè)計，幫助少兒培養(yǎng)根據(jù)目標(biāo)編寫方案規(guī)劃路線能力的同時，建立基本的編程思想。

下面通過部分具有代表性的功能模塊進(jìn)行具體詳解，以及介紹所用到的技術(shù)實現(xiàn)。

3.1 用戶登錄注冊

用戶通過在微信小程序中搜索易編程授權(quán)微信個人信息成為游戲用戶。用戶訪問小程序，觸發(fā)微信小游戲中的app.js中的wx.login方法，獲取到微信用戶的code并存儲到app.globalData；當(dāng)用戶點擊登錄按鈕，通過app.globalData獲取微信用戶code，同時發(fā)起request到微信服務(wù)器，微信服務(wù)器通過包裝URL(包含用戶code，appid，secret等信息）獲取用戶的openid，并將其返回給微信小程序；小程序獲取用戶的基本信息，并向微信服務(wù)器發(fā)起查詢，如果該openid已經(jīng)有注冊用戶，則直接登錄。如果查詢結(jié)果為未注冊，則把用戶信息錄入數(shù)據(jù)庫，再登錄；作為唯一標(biāo)識的openid，則存入微信小游戲緩存中。登錄如圖1所示。

圖1 主界面

3.2 游戲關(guān)卡模式

游戲設(shè)計模式主要采用最基本的通關(guān)模式，主要分為四大關(guān)卡：基礎(chǔ)、遞歸、條件、綜合。每個關(guān)卡有設(shè)置6個子關(guān)卡。用戶需要為雪人的行進(jìn)路線進(jìn)行編程，設(shè)定前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、跳躍、點燈等動作。動作完成后，點擊開始按鈕，游戲角色就會按照設(shè)定的動作在生成的地圖上移動。最終點亮所有青色格子就可以進(jìn)入下一關(guān)。關(guān)卡難度逐關(guān)遞增，后期的步驟會越來越多，會出現(xiàn)“動作序列”等操作。部分游戲關(guān)卡有格子限制，因此，用戶必須合理安排機(jī)器人的行進(jìn)步驟，使用編程邏輯來解決問題，并指導(dǎo)雪人“點亮”每一個青色格子，從而在游戲中獲得對基本編碼思想的實際理解。

第一部分為基本的順序結(jié)構(gòu)，主要是為了訓(xùn)練用戶關(guān)于順序執(zhí)行算法思維的理解，用戶需要正確設(shè)計并合理排序如前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、跳躍、點燈等動作指令。

第二部分是遞歸，主要是為了讓用戶初步理解有關(guān)遞歸算法的一些基本特性——自己調(diào)用自己。游戲關(guān)卡設(shè)置了障礙物，用戶可以下達(dá)的指令是有限的，因此用戶必須合理安排機(jī)器人的行進(jìn)路線，并使用遞歸思想減少命令數(shù)量，簡化步驟。

第三部分是條件，主要是循環(huán)判斷條件的實現(xiàn)。主函數(shù)的命令數(shù)有限的情況下，用戶可以將一組指令寫成一個函數(shù)，即對這個函數(shù)進(jìn)行封裝，然后在主函數(shù)main中重復(fù)調(diào)用它。

第四部分是綜合。主要是一些比較復(fù)雜的關(guān)卡，綜合了以上3部分的概念，需要用戶編寫兩段以上程序并靈活運用命令。

3.3 游戲進(jìn)度存讀檔

目前實現(xiàn)游戲存讀檔有3種方式：一是二進(jìn)制方法，通過序列化和反序列化方法把數(shù)據(jù)存入服務(wù)器，簡單但可讀性差；二是使用XML擴(kuò)展標(biāo)記語言，用來標(biāo)記數(shù)據(jù)和定義數(shù)據(jù)類型，可讀性強(qiáng)，但文件龐大，冗余信息多；三是使用JSON數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)比較簡單易于讀寫，但不直觀，可讀性比XML差?；谏鲜鲈颍覀兪褂胘son數(shù)據(jù)格式從而免去了對象序列化所帶來的麻煩。

3.4 動作控制

目前易編程小游戲?qū)崿F(xiàn)了向前(forward）、向右(characterDirection）、向(characterDirection）、跳 躍(jump）、點燈(light）等動作控制功能的實現(xiàn)。根據(jù)生成的地圖坐標(biāo)，在地圖上設(shè)置一個基點，根據(jù)這個基點，來控制游戲人物的移動坐標(biāo)。

3.5 地圖和人物的加載

設(shè)計txt文件，記錄需要點燈的坐標(biāo)、地圖磚塊的高度、人物的坐標(biāo)和方向。在加載地圖的時候，會讀取這些文件進(jìn)行初始化地圖數(shù)據(jù)和人物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)組存儲，然后通過數(shù)組，加載地圖和人物信息。地圖和人物分別如圖2和圖3所示。

圖2 地圖

圖3 人物

4 結(jié)語

本項目是一個基于游戲化思想搭建的少兒編程思維訓(xùn)練平臺。主要使用C/S模式，方便后期功能升級及調(diào)整，并增強(qiáng)了移動端的實用性和響應(yīng)性。前端使用JavaScript為主要開發(fā)語言來實現(xiàn)友好用戶界面，便于前臺頁面維護(hù)；針對頁面圖片及項目logo使用Adobe PhotoShop進(jìn)行美化處理。后端選取Intellij IDEA為主要開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等構(gòu)建良好的后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)整體的健壯性和穩(wěn)定性。除此之外，小游戲與后臺程序使用了Ajax技術(shù)，采用json數(shù)據(jù)格式免去了對象序列化等麻煩。本編程游戲通過簡單清晰的圖形化游戲界面以及游戲闖關(guān)模式的設(shè)置，不僅滿足了受眾群體對于編程的好奇心，而且讓玩家能直觀地了解最基本的編程術(shù)語和編程思維，極大地激發(fā)受眾群體對編程的興趣，寓教于樂。