基于Web的游戲化編程平臺設計與開發(fā)

緱娟娟 王婧雯 李怡靜 潘以鋒

摘要：隨著教育信息化的不斷推進，利用技術促進學習者有意義的學習逐漸引起教育研究者們的注意。有意義學習旨在讓學習者建構的、深層次的進行學習，可以有效地實現(xiàn)以學生為本的教育，促進學生的良好發(fā)展。研究基于有意義學習理論，從深度學習準備、知識建構遷移、深度評價反思三個階段出發(fā)，以培養(yǎng)學生學習主動性、元認知能力、溝通協(xié)作能力以及問題解決能力為整體目標，構建了基于有意義學習的游戲化編程平臺的基本框架。根據(jù)該框架進行平臺的設計和開發(fā)，并提出了基于此系統(tǒng)的學習途徑。

關鍵詞： 有意義學習；游戲化編程平臺；系統(tǒng)設計開發(fā)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0033-06

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

《教育信息化2.0行動計劃》指出要繼續(xù)推進教育平臺空間等的建設[1]，以便促進教育模式改革以及教育資源的高效利用。特別是在新冠疫情期間，響應“聽課不停學”的號召，線上教學平臺更是得到了蓬勃的發(fā)展。此外，近年來編程教育也不斷地蓬勃發(fā)展，培養(yǎng)學生的計算思維是高校的培養(yǎng)目標之一，編程類課程作為高校培養(yǎng)學生計算思維的主要方式，其良好發(fā)展受多種因素的制約，具體表現(xiàn)在學生學習興趣不高，對知識點的掌握不熟練等[2]，此外，目前編程教學的形式還是以班級為單位開展，對于學生的個性化發(fā)展不夠充分。設計和開發(fā)能夠促進學生積極參與且保證學生個性化發(fā)展的編程平臺成為當前亟待解決的問題之一。可見，信息技術為教育提供了有力的支撐。然而，信息技術在便利了知識的獲取的同時，加速了知識學習的過程，導致學習機械化和表層化。

有意義學習旨在讓學習者建構的、深層次的進行學習，而非機械記憶的、浮于表面的學習[3]。因此為激發(fā)學生學習興趣，優(yōu)化教學效果，學界將游戲化和個性化的理念引入教學，遵循有意義學習的特點，實現(xiàn)以學生為本的教育，促進學生的良好發(fā)展。

2 文獻綜述

2.1 有意義學習

有意義的學習雖然早在20世紀60年代就已經(jīng)被提出[4]，但是至今不存在一個統(tǒng)一的定義。美國認知教育心理學家戴維·保羅·奧蘇貝爾（David Pawl Ausubel）提出了“有意義學習”理論（Meaningful Learning）的概念，他認為：如果學習任務與學習者現(xiàn)有的知識結構有關聯(lián)，且并非一種特定的答案，那么有意義的學習就會發(fā)生[5] 。梅耶（Richard E. Mayer）則認為有意義的學習是符合建構主義理論的[6]，它的表現(xiàn)形式是良好的記憶和良好的遷移能力[7]。

喬納森（David H. Jonassen）的有意義學習理論也是討論得比較廣泛的理論之一。其將有意義的學習視為對于學生十分重要的學習方法。規(guī)定了它的5種屬性：主動的、有意圖的、建構的、真實的和合作的。他認為當學習活動同時具有這5個屬性，那么學習者更容易開始有意義的學習[8]，該5種屬性的如下：

1）主動的：有意義的學習是主動的，即學習者在自然的環(huán)境下進行學習時，需要主動參與學習活動或操作學習工具，在此過程中不斷進行反思以進行知識的建構和內化[8]。主動參與是有意義學習的前提條件。

2）真實的：有意義的學習是真實的[8]，即在實際的問題或情境中進行知識或技能的學習，以防學習者理論與實踐分離，也更加便于知識的遷移。

3）建構的：有意義的學習是建構的，即學習者在學習過程進行觀察和反思，反思使得新的知識與舊的知識得以整合，從而達到知識的建構和內化[8]。

4）合作的：有意義的學習是合作的，即學習者在學習過程中需要互相合作交流，溝通以達成共識，促進知識內化，完成協(xié)同意義建構[8]。

5）有意圖的：有意義的學習是有意圖的，即學習活動應該具有明確的目標，學生應該知道要學什么，學會了什么，并反思學習過程，以便及時進行調整[8]。

2.2 游戲化編程平臺現(xiàn)狀

Venter（2020）[9]分析了2014年到2019年游戲化系統(tǒng)在高等教育編程教學中的使用情況，發(fā)現(xiàn)最受歡迎的游戲化元素依次是排行榜、積分以及徽章。研究表明游戲化對學生動機有積極影響。此外，編程教學中執(zhí)行游戲化最常見的有兩種方法，利用已有的游戲化平臺或開發(fā)新的游戲化平臺。

2.2.1 自主開發(fā)的游戲化編程平臺/系統(tǒng)

游戲化目前已經(jīng)成為一種新的編程概念教學方法[10]，具體是指在非游戲化的環(huán)境中加入游戲設計的理念、元素、方法和機制等[11]，例如勛章、排行榜等，從而幫助學生提升學習動機，促進學生主動參與。

綜上研究可見：1）這些自主研發(fā)的游戲化編程平臺都從解決編程問題開始，很少會進行編程知識的學習。2）對于反思與師生之間的反饋機制還有欠缺。

2.2.2 已有的游戲化編程平臺/系統(tǒng)

隨著教育信息化的不斷推進和游戲化教學的價值被發(fā)掘，許多的國內外游戲化編程平臺應運而生，筆者對目前被廣泛用于研究的游戲化編程平臺進行分析，按照適用對象和適用范圍對平臺進行比較。

從表1可發(fā)現(xiàn)：1）多為編程游戲；2）模塊化的方式使得代碼的編寫很有局限性；3）缺乏交流互動機制和個性化學習機制；4）缺乏對編程知識的系統(tǒng)介紹。

當前大學生的學習主動性越來越強，并且會進行反思性學習，來促進自身進行深度學習[16]。在研究中顯示教學方式方法的效果、學生主動學習、學業(yè)任務以及時間分配會對大學生的學習成果產(chǎn)生顯著的積極影響[17] 。由此可以看出當代大學生是學習目的明確，注重學習效率的學習主體。

通過對上述平臺的分析并結合大學生的學習特點，設計基于有意義學習的游戲化編程平臺應該注意：1）平臺中加入游戲元素，一方面采用加入游戲元素的形式而不是游戲的形式，注重對編程知識的掌握，另一方面游戲元素的加入可以提升學習者的學習興趣。2）提供高互動的對話機制。平臺注意師生、生生之間的相互交流，有利于意義建構。3）自動評分與及時反饋機制。良好的及時反饋有利于學生積極狀態(tài)的保持。4）自我監(jiān)控相關機制。

3 基于有意義學習的游戲化編程平臺功能分析

結合對有意義學習的理解，本文將有意義學習定義為：學生主動參與學習過程，明確整個學習過程以及每個階段的學習目標，在學習過程中能夠積極參與討論進行知識建構，并在課后及時反思以完善知識建構體系，以達到能夠綜合、靈活運用所學知識的一種學習過程。編程學習是非常有必要的[12]，但編程學習的趣味性相對而言并不高，特別是在班級化的教學環(huán)境中，編程學習的遷移應用是一個很大的問題。綜上，本研究將有意義學習編程平臺設計為課前有意義學習準備、課中主動參與建構過程以及反思與評價階段，其針對學生四個方面的培養(yǎng)：學習主動性、元認知能力、溝通合作能力以及問題解決能力。

編程平臺的功能設計需要實現(xiàn)對學生四個方面培養(yǎng)的要求，即根據(jù)學生培養(yǎng)的要求來設計編程平臺的功能，表3是對四個培養(yǎng)要求的具體描述以及功能設計。

3.1 學習主動性

學習主動性也就是促進學習者參與到課堂的學習活動中來，學習者只有參與課堂活動，才能從中學到知識，完成知識的建構與內化。促進學習者參與是有意義學習的前提。在編程課程的學習中，最常見的問題是學生學習動機不高，然而有學者證明游戲化確實可以提升學生的學習動機并促進學生的主動參與[18-19]，因此可以考慮在編程平臺中加入游戲化。穆肅[20]等學者的研究表明大多數(shù)的學習者認同在線協(xié)作同伴會對自己產(chǎn)生積極的影響。據(jù)此，針對學習主動性的培養(yǎng)，系統(tǒng)設計如下：1）加入排行榜、積分、徽章以及關卡等游戲元素，提升學習興趣；2）創(chuàng)設協(xié)同交流學習空間，支持協(xié)同學習；3）對學習過程進行及時的評價與反饋，維持學生主動參與。

3.2 元認知能力

元認知是學習者對自身學習情況的了解，表現(xiàn)為學習進度確定、學習行為調節(jié)以及學習結果反思[21]。有研究分析了54篇國外關于元認知的實驗與準實驗的研究，研究表明元認知對學生的學習存在積極影響，研究還提出學生對學習進程的計劃、監(jiān)督與反思都能夠較好的提升學生的學習[22]。 可見，針對元認知的培養(yǎng)，系統(tǒng)的設計應考慮：1）跟蹤學習行為，學習進程與成就可見；2）學習數(shù)據(jù)可視化，監(jiān)控學習狀態(tài)；按照學習情況個性化推薦題目；教師適當干預，調節(jié)學習過程；3）協(xié)作交流，促進意義建構；實時評分與及時反饋，促進反思。

3.3 溝通協(xié)作能力

21世紀教育的本質已經(jīng)由簡單的知識傳遞轉向多元化能力的培養(yǎng)，“4C能力”（Critical Thinking， Communication， Collaboration， Creativity），即批判性思維、溝通能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力，作為21世紀學生必備的四項能力，為培養(yǎng)未來社會發(fā)展所需人才指明了方向[23]。有效的表達是有意義學習的一個方面，也是學生未來進入社會必不可少的一個能力。系統(tǒng)要培養(yǎng)學生的溝通協(xié)作能力，應該從基于項目的學習方式入手，創(chuàng)建項目小組以及組內、組件交流空間，并建立同伴互評機制。

3.4 問題解決能力

問題解決是指問題解決者與動態(tài)的任務環(huán)境之間成功交互的過程[24]。隨著現(xiàn)代社會對非常規(guī)工作需求的增加，復雜問題解決能力已成為勝任未來工作的關鍵能力之一[24]。PISA結合前人研究，將問題解決分為四個階段[25]，本平臺依據(jù)此四階段來設計：1）探索和理解，即觀察問題情景，理解信息；2）表征，將問題與先驗知識聯(lián)系；3）計劃和執(zhí)行，設計解決方案并執(zhí)行；4）監(jiān)測與反饋，監(jiān)測學習進程，系統(tǒng)跟蹤學習行為，通過數(shù)據(jù)反映學習情況。

4 編程平臺設計與開發(fā)

編程學習平臺的設計與開發(fā)過程包括前期分析、平臺設計與開發(fā)兩個部分，如下所示。

4.1 前期分析

本平臺面向上海某高校Web編程課程的初學者，為提高學生學習興趣、促進編程知識遷移應用以及促進學生交流協(xié)作而設計，通過對任課教師的了解，得出以下結論：學生感覺編程有點無聊，上課注意力難以集中；對所學編程知識難以靈活綜合的運用。希望平臺能夠幫助他們提升學習興趣，提高對知識遷移運用的能力。

4.2 平臺設計與開發(fā)

經(jīng)過對有意義學習以及平臺功能的分析，游戲化編程平臺將按照準備階段、遷移建構階段和反思評價階段三個階段來設計，平臺主要圍繞基礎知識學習、小組項目以及個人中心三個模塊展開，基礎知識模塊主要提供編程知識的學習以及測試，小組項目模塊針對某個項目進行小組合作學習，個人中心主要提供教學監(jiān)控和調整。所有的設計都圍繞學習主動性以及其他三項能力的培養(yǎng)展開，具體如圖1所示。

從圖 1可以看出基于有意義學習過程的游戲化編程平臺面向學生的學習主動性、元認知能力、溝通協(xié)作能力以及解決問題能力的促進和培養(yǎng)。游戲化編程平臺主要包括三個板塊：基礎知識學習、小組項目以及個人中心，以下將分為三個階段進行介紹：

4.2.1準備階段

準備階段，學生需要在基礎知識學習板塊進行視頻學習，并完成游戲化沖關測試，完成測試可以獲得徽章，并且個人戰(zhàn)績會在排行榜中顯示，這也是知識儲備階段；在小組項目方面，學習者在此階段需要進行學習小組劃分，確定小組項目主題，完善小組信息；學習者在此過程中出現(xiàn)疑問可以在平臺上對學生或教師提問，也可回答別人提出的問題，而學習者的這些行為也都會被記錄下來，學習者可以在個人中心進行查看。

4.2.2 遷移建構階段

遷移建構階段，平臺會記錄學習者在基礎知識學習板塊的學習和測試情況并反饋給教師，教師則根據(jù)系統(tǒng)的反饋情況對學生進行重難點的講解和學習，且平臺能夠根據(jù)學習者的測試情況進行個性化題目的推薦，以此保證學習者基礎編程知識的學習；同一小組的學生通過討論確定好項目主題后，需要確定項目計劃和所涉及到的知識點，并在班級內進行項目進度匯報；學習者的學習情況和進度可以在個人中心中查詢，如圖 2所示，知識點學習情況會在知識圖譜中反映出來，紅色代表熟練掌握，黃色代表初步掌握，藍色代表未掌握。

4.2.3 反思評價階段

在最后的反思評價階段，學生可以在平臺提交自己的個人作業(yè)，別的學生可以進行點贊和評論；在小組項目方面，本階段需要學習小組上傳小組項目成果并進行匯報，然后教師進行點評，組間進行互評；此外，在最后的反思評價階段，需要學生上傳關于個人和小組學習情況的反思，教師可基于此進行下一階段教學的調整。

4.3 平臺開發(fā)

根據(jù)上述分析，本研究對平臺進行技術實現(xiàn)。采用關鍵技術是基于Web API標準接口的后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、信息檢索系統(tǒng)和服務接口，以具有跨平臺能力的.Net Core為開發(fā)框架，前端框架采取HTTP、CSS、JavaScript、Require JS技術，此外，本平臺還加入游戲化沖關測試和個性化推薦功能，便于學習者有興趣的、針對性的進行學習。

平臺的主界面有“基礎知識、知識測評、沖關游戲、成就激勵、知識圖譜、習題集、作業(yè)、學習社區(qū)和系統(tǒng)設置”九大板塊，如圖3所示。

沖關游戲是按照課程內容安排游戲關卡如圖4，讓學生完成選擇題、操作題等之后，學生可以立即獲得分數(shù)和反饋，且會按照分數(shù)顯示學習者的排名情況，學習者也可以將沖關的情況展示在學習社區(qū)，其他學生可以進行點贊和評論。

5 思考與結語

本研究希望通過游戲化編程平臺提高學生的學習興趣和編程的遷移能力，基于有意義學習進行了游戲化編程平臺的設計和開發(fā)，當然信息技術手段的使用也應該配合相應的教學設計才能夠發(fā)揮作用、體現(xiàn)最大價值，據(jù)此，筆者認為基于此平臺的學習應該以有意義學習為主要的學習方法、以基于項目的學習為主要的學習方式、以深度學習的三個階段為主要的學習過程、通過行為數(shù)據(jù)監(jiān)控學習行為、以多元評估方式評估學習結果以及利用個性化推薦和及時反饋的方式促進學習者反思。

5.1 以有意義的學習為主要的學習方法

喬納森（David H. Jonassen）認為有意義學習是教育的目標，同時有意義學習也是學習的主要方式[9]；此外綜合有意義學習的觀點，其體現(xiàn)在課程學習中就是明確學習目標、促進學生的參與、基于問題或案例或項目的分析、促進師生或生生交流協(xié)作以及促進學習者的反思這五個方面。本系統(tǒng)采用知識圖譜的方式，幫助學習者明確學習目標和進程；采用游戲化的相關元素來提升學習興趣，從而促進學生的主動參與；采用基于項目的學習方式，培養(yǎng)學生交流協(xié)作、解決問題的能力；創(chuàng)建組內、組件、師生以及生生之間的交流空間和成果分享的展示空間，促進交流；通過系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)反饋、個性化出題以及及時評分機制促進學習者反思，從而及時調整學習狀態(tài)與進程。

5.2 以基于項目的學習為學習方式

基于項目的有意義學習更加易于學習者理解且更加有利于學習者進行遷移[9]，同時也是進行有意義學習較為常見的方式。元認知能力、溝通協(xié)作能力以及解決問題能力都是通過小組項目的學習方式來達成，項目小組也相當于一個學習共同體。本系統(tǒng)在小組項目模塊中，通過創(chuàng)建項目小組，進行組內在線交流與小組分工；通過組內溝通協(xié)作以及聯(lián)系所學知識進行項目主題確定，并制定項目計劃，最終產(chǎn)出小組項目成果，整個過程中組內成員不斷交流協(xié)作，共同完成意義建構；對項目結果進行展示，教師、組間進行評分，及時反饋能夠促進學習的良性循環(huán)[26]，這不僅鍛煉了學習者的表達能力，促進其反思，同時也是對學習者元認知能力的培養(yǎng)；最后，從發(fā)現(xiàn)項目主題到最后項目產(chǎn)出結果的這個過程中，學習者的問題解決能力也得到了培養(yǎng)。

5.3 以深度學習三個階段為學習過程

本研究將有意義學習定位于課前意義學習準備、課中意義建構遷移以及課后評價反思三個階段，并依據(jù)三個階段的具體內涵，設計并實現(xiàn)游戲化編程平臺的功能。

課前有意義學習準備階段主要是完成學習前的準備工作，為后續(xù)知識建構提供基本條件?；A知識模塊的視頻課程可以用于課前預習，以便對課堂內容有所了解，游戲化測試模塊可用于學生課前學習后進行測試，提升對編程的興趣，此模塊也可以在平時的編程練習中使用，提升學習動機；小組項目模塊開始要創(chuàng)建項目小組、考慮項目主題等；個人中心需要錄入個人班級學號等信息，便于之后行為數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

課中意義建構遷移階段主要實現(xiàn)知識的建構和遷移理解，也是有意義學習的核心階段。編程課程學習中需要針對知識點進行學習、挖掘重難點、進行知識點練習以及遷移運用；小組項目中需要聯(lián)系所學的知識點以及遷移運用的啟發(fā)，不斷構思和完善項目方案并制定計劃，最終產(chǎn)出項目成果；個人中心主要負責跟蹤學習行為產(chǎn)出學習數(shù)據(jù)，以便促進學生反思和培養(yǎng)學生的元認知能力。

課后評價反思階段則主要關注于學生與教師之間的評價、點贊、打分等操作以及學生的自我監(jiān)控。

5.4 以數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析監(jiān)控學習行為

游戲化編程平臺跟蹤學生行為，統(tǒng)計其學習數(shù)據(jù)，主要用來實現(xiàn)學習者對自我學習的監(jiān)控、調節(jié)和反思。知識圖譜（反映學生對知識點的掌握情況以及學習進程）、分數(shù)排行（在游戲化測評中的得分情況）、個人行為數(shù)據(jù)查看（評論數(shù)、點贊數(shù)等）以及根據(jù)學習者大體情況個性化出題等相關內容，學習者通過查看并分析自己參與學習的相關歷程，監(jiān)督自我學習行為；教師通過查看班級學生學習情況，對學生合理干預和監(jiān)督。

5.5 以多元評價方式評估學習結果

基于有意義學習的編程平臺是學習共同體一起參與實現(xiàn)問題解決的過程，且元認知能力的培養(yǎng)要求多元的評價方式。因此，游戲化編程平臺的評價方式也采用多元評價的模式，小組項目的評價方式包括同伴之間互評和教師評價，評價內容主要是對學習共同體的學習活動、學習結果評價、點贊、打分等；個人的評價方式綜合學習行為數(shù)據(jù)、同伴互評、積分排行榜徽章等。

5.6 以個性化推薦和及時反饋的方式促進學習反思

在編程學習過程中，每個人對于不同知識點的理解能力和掌握程度都是不同的，因此，個性化推薦與反饋顯得尤為重要。游戲化編程平臺會根據(jù)學習者答題的情況以及知識點的學習情況進行題目的個性化推薦，幫助學習者掌握比較薄弱的知識點；此外平臺會及時對學習者答題情況做出反饋，便于學習者明確知識點，促進學習者反思。

有意義學習的理論為編程教育平臺的設計開發(fā)提供了一個理論基礎，本文通過分析有意義學習的相關理論，總結了有意義學習的教學過程的主要表現(xiàn)：學生主動參與學習過程，明確整個學習過程以及每個階段的學習目標，在學習過程中能夠積極參與討論進行知識建構，并在課后及時反思以完善知識建構體系，以達到能夠綜合、靈活運用所學知識的一種學習過程。并結合學習者中心設計的理念進行了有意義學習的游戲化變成平臺的設計與開發(fā)，面向學習者學習主動性、元認知能力、溝通協(xié)作能力以及解決問題能力的促進和培養(yǎng)。從技術層面上幫助學習者提高學習興趣，從而主動的參與課堂活動和小組交流討論，并通過技術手段為學習小組的構建與學習過程提供支架，注重個人學習和小組學習，從而真正達到有意義學習。此外，本文還基于此平臺就學習方法、學習行為、學習數(shù)據(jù)、學習過程以及學習反思提出了相應的建議：以有意義學習為主要的學習方法、以基于項目的學習為主要的學習方式、以深度學習的三個階段為主要的學習過程、通過行為數(shù)據(jù)監(jiān)控學習行為、以多元評估方式評估學習結果以及利用個性化推薦和及時反饋的方式促進學習者反思。最后，本研究設計和開發(fā)了游戲化編程平臺并基于此提出了一些學習建議，但學習的最終結果如何應該在實際的教學中進行檢驗，因此之后本研究會將此進行實踐，以期能夠對編程學習有所貢獻。

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【通聯(lián)編輯：王力】