游戲化編程提升學(xué)生計(jì)算思維能力的實(shí)踐路徑研究

紀(jì)鑫琰，李鴻科，趙 瑞

（陜西科技大學(xué) 教育學(xué)院，陜西 西安 710021）

0 引言

計(jì)算思維被認(rèn)為是學(xué)生必備的信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)之一［1］。國(guó)務(wù)院在2017 年印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出，應(yīng)逐步在中小學(xué)日常教學(xué)中推進(jìn)編程教育，開(kāi)設(shè)人工智能相關(guān)課程［2］。當(dāng)前，我國(guó)大部分地區(qū)已經(jīng)開(kāi)設(shè)了少兒編程課程來(lái)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力，但由于編程教育仍處于發(fā)展階段，仍存在諸多問(wèn)題亟待解決。

為此，本文提出游戲化編程的教學(xué)方法提升學(xué)生編程教學(xué)體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。

1 計(jì)算思維培養(yǎng)方法

1.1 編程教學(xué)

現(xiàn)階段，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主要方式為編程教學(xué)。例如，楊文正［3］運(yùn)用Scratch 編程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題界定、特征抽象、算法設(shè)定等計(jì)算思維的核心能力。龔鑫等［4］結(jié)合Flash 編程游戲——Lightbot，在游戲化編程情景下探索培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方法。丁世強(qiáng)等［5］設(shè)定編程項(xiàng)目及游戲化情景培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。孫立會(huì)等［6］以Scratch 編程為媒介，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)探索學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)路徑。

綜上所述，通過(guò)編程教學(xué)培養(yǎng)中小學(xué)生計(jì)算思維的研究大多采用了可視化編程工具，為學(xué)生營(yíng)造游戲化、趣味化的編程環(huán)境。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生自主探究問(wèn)題、編寫(xiě)程序、解決問(wèn)題，以提升自身計(jì)算思維。

1.2 多學(xué)科融合教學(xué)

不少學(xué)者提出通過(guò)多學(xué)科融合教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。例如，孫立會(huì)等［7］發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)、科學(xué)及信息技術(shù)學(xué)科與學(xué)生計(jì)算思維能力的發(fā)展存在正向積極關(guān)系。張屹等［8］通過(guò)STEM 課程案例——會(huì)打招呼的機(jī)器人，實(shí)踐證明該課程可培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。李峰［9］設(shè)計(jì)計(jì)算思維與食物鏈課程案例，結(jié)合計(jì)算思維的學(xué)與用，圍繞項(xiàng)目活動(dòng)探索培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的路徑。

以上研究大多融合數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程及信息技術(shù)學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。在學(xué)科融合教學(xué)中，圍繞項(xiàng)目活動(dòng)開(kāi)展教學(xué)，讓學(xué)生自主操作，在解決實(shí)際問(wèn)題過(guò)程中提升自身計(jì)算思維。然而，編程教學(xué)、多學(xué)科融合教學(xué)的方式僅將計(jì)算思維的核心理念融于教學(xué)環(huán)節(jié)中，未具體落實(shí)到策劃構(gòu)思、模式構(gòu)建、邏輯分析、問(wèn)題解決等思維能力的培養(yǎng)，未能從多方面培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。

為此，本文基于現(xiàn)有游戲化教學(xué)和計(jì)算思維培養(yǎng)的相關(guān)研究，構(gòu)建游戲化教學(xué)情景，以游戲故事情節(jié)的發(fā)展推動(dòng)編程教學(xué)進(jìn)程，通過(guò)分配游戲角色、分析游戲沖突、開(kāi)展游戲活動(dòng)等方式提升學(xué)生問(wèn)題分解、模型建構(gòu)、迭代試誤等方面能力，增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的信心、處理棘手問(wèn)題的恒心、發(fā)生沖突的包容心及團(tuán)隊(duì)溝通能力。

2 游戲化編程可行性分析

2.1 學(xué)生心理認(rèn)知偏好

在中低年齡段，學(xué)生心理認(rèn)知方式正由形象思維向邏輯思維過(guò)渡，但在日常學(xué)習(xí)和生活中仍以感性認(rèn)識(shí)為主。因此，相較于文本編程，學(xué)生對(duì)可視化和圖形化編程的興趣更大。并且，可視化編程只需學(xué)生按要求疊加相應(yīng)的程序指令模塊即可使屏幕顯示的角色完成相應(yīng)動(dòng)作，既符合學(xué)生心理認(rèn)知活動(dòng)的發(fā)展規(guī)律，又鍛煉了學(xué)生的實(shí)際操作能力。

2.2 學(xué)生編程技術(shù)學(xué)習(xí)

可視化編程學(xué)習(xí)不要求學(xué)生掌握復(fù)雜的程序代碼和語(yǔ)法，只需在腳本區(qū)按照一定邏輯順序完成程序指令模塊即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的程序操作，相較于記憶編程方式，能夠使學(xué)生了解編程的內(nèi)在邏輯。在理清編程的思路后，學(xué)生僅需按照劇本要求，在腳本區(qū)對(duì)程序積木進(jìn)行組合即可完成任務(wù)目標(biāo)。

3 游戲化編程特點(diǎn)

3.1 娛樂(lè)性

游戲化編程教學(xué)的本質(zhì)是充分挖掘編程的娛樂(lè)屬性，提升學(xué)生積極性、編程學(xué)習(xí)能力及計(jì)算思維能力。該方式讓學(xué)生推動(dòng)故事情節(jié)發(fā)展來(lái)完成編程項(xiàng)目，使屏幕上的游戲角色完成相應(yīng)動(dòng)作，為編程教學(xué)增添了趣味性和故事性，使低年齡段學(xué)生能夠以輕松愉快的心情學(xué)習(xí)編程，有益于激發(fā)學(xué)生求知欲，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)造力。

3.2 實(shí)用性

由于中小學(xué)學(xué)生接觸編程的機(jī)會(huì)較少，大部分都是第一次進(jìn)行編程學(xué)習(xí)，不具備任何編程經(jīng)驗(yàn)。顯然，英文文本類(lèi)編程并不符合中小學(xué)階段學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，學(xué)習(xí)難度較大。因此，應(yīng)按照實(shí)際情況選擇教學(xué)方式，既要保證編程內(nèi)容的前沿性［10］，又要給學(xué)生營(yíng)造一種良好、愉悅的編程學(xué)習(xí)環(huán)境。

3.3 交融性

游戲化編程教學(xué)是一種貼合學(xué)生生活的編程教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中能聯(lián)系學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)，與數(shù)學(xué)、科學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科相互交融，極大豐富了學(xué)生的知識(shí)面。

以游戲化編程與數(shù)學(xué)學(xué)科交融為例，使用編程繪制一個(gè)正多邊形前，需考慮多邊形的內(nèi)角和、每個(gè)角大小、旋轉(zhuǎn)角度等方面的數(shù)學(xué)知識(shí)。因此，學(xué)生不但要熟練掌握編程操作技能，還應(yīng)具備相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識(shí)。這對(duì)于中小學(xué)生而言，雖然難度較大，但能夠提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

4 游戲化編程策略

4.1 計(jì)算思維意識(shí)引導(dǎo)

4.1.1 游戲選題

學(xué)生對(duì)問(wèn)題的認(rèn)知是掌握編程對(duì)象、確定編程算法、梳理編程框架的基礎(chǔ)。通過(guò)游戲化選題提升學(xué)生自主思考的意識(shí)和能力，需要在游戲化情景導(dǎo)入編程時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)為什么該角色需要完成這樣的任務(wù)？如何才能幫助該角色完成任務(wù)等問(wèn)題進(jìn)行深入思考，提升學(xué)生多角度、深層次認(rèn)識(shí)問(wèn)題的能力。

4.1.2 游戲表述

編程教學(xué)中最重要是將自身想法轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，此時(shí)就需要教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)。因此，教師在課程教學(xué)中應(yīng)有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行語(yǔ)言轉(zhuǎn)換，使學(xué)生在編程環(huán)節(jié)尋找合適的程序指令模塊實(shí)現(xiàn)編程效果。具體的，首先教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)編程問(wèn)題進(jìn)行自然語(yǔ)言描述；然后引導(dǎo)學(xué)生對(duì)描述語(yǔ)言進(jìn)行梳理，并以流程圖形式將問(wèn)題具體化；最后，依據(jù)程序設(shè)計(jì)框架將自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)程序指令。

4.1.3 游戲情境

可視化編程應(yīng)用提供的編程情景更適合中小學(xué)學(xué)生，為建構(gòu)學(xué)生編程知識(shí)提供了新途徑［11］。在游戲化情景學(xué)習(xí)編程，有助于學(xué)生在原有知識(shí)及認(rèn)知上對(duì)編程知識(shí)及編程操作進(jìn)行深入理解，從而完成對(duì)知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)。

4.2 計(jì)算思維技能訓(xùn)練

游戲化編程教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)突出游戲化教學(xué)優(yōu)勢(shì)。例如，通過(guò)游戲化教學(xué)模式鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。教師以游戲故事為教學(xué)主線(xiàn)，拋出問(wèn)題引發(fā)學(xué)生思考，并對(duì)如何使游戲角色完成任務(wù)進(jìn)行假設(shè)，從而制定合適的教學(xué)方案引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)游戲效果。

此外，技能訓(xùn)練應(yīng)包含學(xué)生思維訓(xùn)練，在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)提問(wèn)、思路梳理等方式引導(dǎo)學(xué)生邏輯化地整理自身思維，養(yǎng)成分析問(wèn)題、建立模型、運(yùn)行方案、解決問(wèn)題的習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生逐步將其發(fā)展成一種習(xí)慣化的思維能力。

4.3 教學(xué)案例

為了解游戲化編程教學(xué)對(duì)學(xué)生思維發(fā)展的實(shí)際影響，將游戲化編程教學(xué)案例分為教學(xué)思路設(shè)計(jì)、教學(xué)案例實(shí)施和教學(xué)案例3個(gè)部分進(jìn)行解析。

4.3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

游戲化編程教學(xué)活動(dòng)分為游戲?qū)?、明確問(wèn)題、算法設(shè)計(jì)、迭代實(shí)施、交流展示、課堂總結(jié)6個(gè)環(huán)節(jié)。

具體的，游戲?qū)胫附處煄ьI(lǐng)學(xué)生以特定游戲活動(dòng)展開(kāi)教學(xué)，可分為游戲活動(dòng)導(dǎo)入、游戲視頻、游戲故事導(dǎo)入等；明確問(wèn)題指通過(guò)游戲活動(dòng)切入學(xué)習(xí)主題，明確學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)；算法設(shè)計(jì)指在明確問(wèn)題后，對(duì)程序指令模塊進(jìn)行分析、組合；迭代實(shí)施指對(duì)程序進(jìn)行更迭試錯(cuò)和解決問(wèn)題；交流展示指將學(xué)生完成的作品發(fā)布至終端進(jìn)行保存，以便于教師查看、評(píng)分；課堂總結(jié)指教師進(jìn)行內(nèi)容總結(jié)、步驟回顧、思路梳理。教學(xué)思路設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

Fig.1 Design of teaching ideas圖1 教學(xué)思路設(shè)計(jì)

4.3.2 游戲化編程案例設(shè)計(jì)

以《在編程中學(xué)會(huì)創(chuàng)造學(xué)會(huì)創(chuàng)造》（第一冊(cè)）課本的第十七課決戰(zhàn)超聲蝠——搗亂為例，結(jié)合學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)游戲化教學(xué)。

本次教學(xué)采用線(xiàn)下課堂授課方式，學(xué)習(xí)對(duì)象為小學(xué)4年級(jí)學(xué)生，教學(xué)內(nèi)容主要講述編程元素的基本操作、嵌套循環(huán)、分裂積木塊等。教學(xué)目標(biāo)為：①掌握積木庫(kù)中重復(fù)執(zhí)行積木塊應(yīng)用，學(xué)會(huì)分裂積木塊；②引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展交流合作，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作和人際交往能力；③提升學(xué)生編程興趣；④培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。

（1）游戲?qū)?。教師展示源碼世界的故事動(dòng)畫(huà)片段，導(dǎo)出教學(xué)內(nèi)容——如何通過(guò)編程貓制作游戲動(dòng)畫(huà)。

（2）明確問(wèn)題。明確編程對(duì)象，只對(duì)超聲蝠的動(dòng)作及動(dòng)畫(huà)效果進(jìn)行編程。教師采用小組討論方式對(duì)超聲蝠動(dòng)作和動(dòng)畫(huà)效果進(jìn)行規(guī)范化梳理，引導(dǎo)學(xué)生在課堂中進(jìn)行討論并畫(huà)出思維導(dǎo)圖，如圖2所示。

（3）算法設(shè)計(jì)。教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)編程對(duì)象動(dòng)作、大小設(shè)定及超聲蝠在屏幕中的角度進(jìn)行分析，從而明確所需算法。具體流程如圖3所示。

Fig.2 Problem sorting圖2 問(wèn)題思路梳理

Fig.3 Algorithm design圖3 算法設(shè)計(jì)

（4）迭代實(shí)施。首先，教師向?qū)W生講述循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的原理及應(yīng)用，并安排活動(dòng)任務(wù)。然后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)程序指令模塊進(jìn)行拼接、組合，當(dāng)出現(xiàn)嵌套位置錯(cuò)誤情況時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行編程糾錯(cuò)。最后，講述分裂積木塊的操作原理，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)分裂積木塊進(jìn)行操作，在試錯(cuò)中學(xué)會(huì)分裂積木塊的正確使用方法。

（5）交流展示。作品完成后，學(xué)生小組內(nèi)部推薦一人展示作品，供全班同學(xué)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

（6）課堂總結(jié)。教師進(jìn)行課堂總結(jié)，回顧循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的原理、分裂積木塊的使用方式及注意事項(xiàng)。

4.3.3 游戲化編程案例分析

（1）游戲選題—嵌入問(wèn)題—思維啟發(fā)。為了讓編程問(wèn)題通俗易懂，本文采用游戲故事導(dǎo)入方式嵌入編程問(wèn)題，設(shè)置故事情節(jié)導(dǎo)出編程教學(xué)問(wèn)題，為學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

（2）游戲角色—分配問(wèn)題—思維發(fā)散。在教學(xué)案例設(shè)計(jì)中，將編程問(wèn)題分配給游戲故事中的具體角色，使問(wèn)題更容易被理解，學(xué)生在設(shè)計(jì)解決方案時(shí)動(dòng)力更大，在梳理思路、建構(gòu)編程模型時(shí)邏輯性更強(qiáng)。

（3）游戲沖突—分析問(wèn)題—思維聚焦。引導(dǎo)學(xué)生分析游戲角色間的活動(dòng)及沖突，嘗試?yán)镁幊谭椒ń鉀Q問(wèn)題。例如，將設(shè)置變量參數(shù)、執(zhí)行嵌套模式、設(shè)置造性切換、設(shè)置運(yùn)動(dòng)軌跡具象為游戲角色間的活動(dòng)，以便于學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行梳理。

（4）游戲過(guò)程—解決問(wèn)題—思維轉(zhuǎn)換。編程教學(xué)以游戲故事發(fā)展脈絡(luò)為線(xiàn)索，推動(dòng)編程教學(xué)。在解決問(wèn)題過(guò)程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生編程初步完成程序作品，后續(xù)再進(jìn)行調(diào)試和完善。以此提升學(xué)生的迭代思維和解決問(wèn)題的能力。一旦遇見(jiàn)難度較大問(wèn)題時(shí)，教師則應(yīng)及時(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分解、指導(dǎo)。

（5）游戲結(jié)果—反省問(wèn)題—思維總結(jié)。在教學(xué)中通過(guò)游戲活動(dòng)、自主交流、角色扮演等方式，使學(xué)生親身感知、動(dòng)手操作、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，提升學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和邏輯思維。此外，游戲化編程為師生提供輕松愉快的編程環(huán)境，減少學(xué)生排斥心理，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，以問(wèn)題為導(dǎo)向嵌入、分配、分析和解決編程問(wèn)題來(lái)發(fā)展學(xué)生的抽象化概括能力、問(wèn)題分解能力、算法思維及歸納能力。同時(shí)，積極引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)問(wèn)題發(fā)生的規(guī)律，提升學(xué)生解決問(wèn)題的邏輯思維能力。

5 結(jié)語(yǔ)

游戲化編程教學(xué)對(duì)發(fā)展中小學(xué)學(xué)生計(jì)算思維具有建設(shè)性的意義，符合學(xué)生學(xué)習(xí)編程的心理認(rèn)知和操作應(yīng)用發(fā)展水平，能顯著提升學(xué)生計(jì)算思維。本文在游戲化編程教學(xué)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析可視化編程培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐表明，該方法能顯著提升中小學(xué)學(xué)生的計(jì)算思維能力和學(xué)習(xí)積極性。后續(xù)，將從其他角度探索學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展路徑。