STEAM教育理念下高中游戲編程設(shè)計與反思

摘要：本文介紹了STEAM教育理念的內(nèi)涵，并探討了如何結(jié)合Python編程和Minecraft游戲環(huán)境設(shè)計融合多學(xué)科知識的高中游戲編程課例，為高中學(xué)校開展編程教育提供了新的途徑。

關(guān)鍵詞：STEAM；基于游戲的學(xué)習(xí)；編程教育；Python

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）13-0052-03

STEAM教育理念與高中游戲編程的聯(lián)系

在高中編程教學(xué)中，Python已經(jīng)成為必學(xué)的內(nèi)容，但是對于Python的學(xué)習(xí)大多以程序填空或抄寫代碼為主，并沒有追根溯源，讓學(xué)生了解代碼背后的原理。而基于Minecraft游戲的Python教學(xué)可以解決這個問題。在Minecraft游戲環(huán)境下，結(jié)合數(shù)學(xué)、美術(shù)、信息技術(shù)、通用技術(shù)等多學(xué)科知識進行課程設(shè)計，可以讓學(xué)生了解代碼背后的原理，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[1]

STEAM教育理念在游戲編程中的體現(xiàn)，就是既有設(shè)計的美，又有理科知識的學(xué)習(xí)。本研究開發(fā)的校本課程同時具備以上特征，課程中的成果展示是具體的建筑，在設(shè)計中注重美觀性和實用性，有利于從藝術(shù)（Arts）角度進行跨學(xué)科學(xué)習(xí)。STEAM是對STEM的發(fā)展和升級，在理工科學(xué)習(xí)中融合人文藝術(shù)的學(xué)習(xí)，與本課例特點高度契合。

基于Minecraft游戲的Python教學(xué)設(shè)計

1.目標(biāo)設(shè)計

結(jié)合STEAM的學(xué)科素養(yǎng)要求，目標(biāo)設(shè)計從五大要素課程目標(biāo)來闡述。其中，要素S（科學(xué)）的目標(biāo)為學(xué)習(xí)計算機編程的知識；要素T（技術(shù)）的目標(biāo)為具備寫代碼的能力、建筑設(shè)計的能力；要素E（工程）的目標(biāo)為具備工程思維，明確一項工程項目完成前所需考慮的問題和歷經(jīng)的程序步驟；要素A（藝術(shù)）的目標(biāo)為在建筑設(shè)計過程中培養(yǎng)欣賞美和創(chuàng)造美的能力，了解建筑歷史培養(yǎng)人文精神；要素M（數(shù)學(xué)）的目標(biāo)為能夠運用數(shù)學(xué)方法解決遇到的問題。也就是說，課程的總體目標(biāo)為初步掌握Python語言基礎(chǔ)，可以獨立編寫代碼和設(shè)計建筑，提高審美能力，培養(yǎng)科學(xué)探究能力和問題解決能力。

2.內(nèi)容設(shè)計

本課程內(nèi)容參考了電子工業(yè)出版社出版的《MINECRAFT編程：使用Python語言玩轉(zhuǎn)我的世界》[2]一書和高中信息技術(shù)、通用技術(shù)、美術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的內(nèi)容，并結(jié)合項目式學(xué)習(xí)理念和任務(wù)驅(qū)動法，設(shè)計了7個項目，根據(jù)任務(wù)難度和數(shù)量，每個項目需要1～3課時。經(jīng)過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生會形成一份完整的作品集，每一幅作品都有設(shè)計圖、Python代碼以及作品效果圖。在前6個課時中，學(xué)生會設(shè)計五座建筑，骰子的平面構(gòu)成圖、由長方體造型組成的建筑體、由重復(fù)結(jié)構(gòu)組成的建筑體、隨著玩家移動自動生成的建筑體、顯示點陣漢字的建筑。在后2個課時中，學(xué)生會設(shè)計火箭和還原當(dāng)?shù)氐貥?biāo)性建筑，在設(shè)計火箭時會對長征系列運載火箭的歷史，以及不同火箭的結(jié)構(gòu)和外觀有全新的認(rèn)識，在還原當(dāng)?shù)氐貥?biāo)性建筑時，會對當(dāng)?shù)赜忻慕ㄖO(shè)計歷史有全新的認(rèn)識。具體課程內(nèi)容如右表所示。

3.流程設(shè)計

基于STEAM教育理念的編程教學(xué)，屬于工程教育范疇，所以本項目實施過程引入CDIO工程教育模式。CDIO工程教育模式是由MIT和瑞典幾所大學(xué)在Wallenburg基金會的資助下，經(jīng)過幾年的研究、探索和實踐，于2004年創(chuàng)立的。[3]根據(jù)該教育模式，筆者將本項目實施過程分為如上頁圖1所示的四步。

基于Minecraft游戲的Python教學(xué)案例——地標(biāo)建筑

1.明確問題，提出想法

教師通過PPT展示蘇州各類地標(biāo)建筑的原始圖和三視圖，學(xué)生在對應(yīng)的過程中體會平面和立體的關(guān)系。接著，教師以東方之門、倫敦塔橋為例，讓學(xué)生查閱且分享該建筑的設(shè)計歷史，隨后提出本項目的任務(wù)——繪制某地標(biāo)建筑的草圖，并通過編程實現(xiàn)搭建。

2.設(shè)計草圖，討論修改

在草圖設(shè)計的過程中，學(xué)生討論將建筑拆成長方體或平面，接著在三維坐標(biāo)系中或Excel中繪制草圖（小組成員進行討論，不斷修改）。東方之門作為蘇州最有名的地標(biāo)建筑，聞名全國，所以有多個小組進行東方之門的設(shè)計，如圖2所示為某小組的東方之門設(shè)計圖，他們將東方之門拆解成長方體，并標(biāo)注出長方體對角的坐標(biāo)和選用的材料。

3.調(diào)試代碼，編程實現(xiàn)

在設(shè)計圖成型后，需要找到適合的編程方法，如二維表、循環(huán)語句、生成函數(shù)等，學(xué)生可以自主討論選用。由于東方之門的設(shè)計圖是由長方體構(gòu)成的，所以可以使用setBlocks（）和setBlock（）兩個生成函數(shù)不斷地賦值和生成一個個方塊和長方體，在小組討論后，學(xué)生編寫出了代碼，并且在觀察效果圖之后對一些細(xì)微之處進行返修。如圖3所示為東方之門代碼截圖以及效果圖。

4.作品評估，小組評價

本項目拓展性較強，地標(biāo)建筑的選擇既考驗學(xué)生的空間想象力，同時也要求學(xué)生對可行性進行分析。小組在完成作品后在班級進行作品展示，教師及其他小組學(xué)生從選材、結(jié)構(gòu)、美觀方面對作品進行打分及分析，隨后小組進行自我反思，從設(shè)計到編程進行再次完善。

反思

首先，本課例在實施過程中激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，拓寬了學(xué)生的知識面。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不是在照葫蘆畫瓢，而是可以進行自主創(chuàng)新。例如，在設(shè)計火箭一課中，課堂任務(wù)要求學(xué)生編程實現(xiàn)搭建立體結(jié)構(gòu)的火箭，但是有學(xué)生通過循環(huán)實現(xiàn)火箭的上升，加入判斷語句實現(xiàn)了火箭尾焰的變化。

其次，本課程具有完整性和適用性。課程中的編程知識來源于普通高中教材，具有充分的理論支撐和完整的課程設(shè)計，具有可推廣性。而且本課程可以在學(xué)生初學(xué)Python時開設(shè)，經(jīng)過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可掌握Python的基本知識，能寫出完整的二三十行代碼的程序。

最后，本課程可以促進學(xué)生綜合能力的發(fā)展。本課程以STEAM的教育理念為源泉，基于Minecraft游戲的學(xué)習(xí)環(huán)境進行Python學(xué)習(xí)，結(jié)合了通用技術(shù)課程中的設(shè)計思維、數(shù)學(xué)學(xué)科中的空間思維，以及美學(xué)素養(yǎng)，共同編程建造建筑。在這個過程中，綜合利用了多學(xué)科知識，促進學(xué)生各學(xué)科素養(yǎng)的落實，有助于培養(yǎng)當(dāng)今社會需要的科技創(chuàng)新人才。

參考文獻：

[1]喬江江.基于設(shè)計思維的高中游戲編程教學(xué)設(shè)計與實踐[D].武漢：華中師范大學(xué)，2022.

[2]Craig Richardson.MINECRAFT編程：使用Python語言玩轉(zhuǎn)我的世界[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.

[3]Crawley E， Malmqvist J， Ostlund S， et al. Rethinking engineering education-the CDIO approach[M].Berlin： Springer，2014.

作者簡介：周波，南京師范大學(xué)蘇州實驗學(xué)校，研究方向為信息技術(shù)教學(xué)。

基金項目：江蘇省教育學(xué)會“十四五”教育科研規(guī)劃2022年度立項課題“基于Minecraft游戲的結(jié)對編程教學(xué)實踐研究”（22A04JSSZ254）。