在游戲中培養(yǎng)計算思維

【摘 要】計算思維是21世紀(jì)人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)，面向計算思維培養(yǎng)的教育游戲具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以數(shù)字教育游戲《Zoombinis》為研究對象，詳盡介紹了該款游戲的基本信息，剖析了游戲的設(shè)計特點(diǎn)，并闡述了該款游戲在學(xué)生動機(jī)激發(fā)、能力培養(yǎng)和情感塑造方面的教育應(yīng)用價值，得出了該款游戲可被用作中小學(xué)課內(nèi)外計算思維訓(xùn)練工具的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】Zoombinis；教育游戲；計算思維；游戲設(shè)計；教育應(yīng)用

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）011-090-03

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出，計算思維是信息科技課程培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一，是學(xué)生適應(yīng)信息化社會的重要能力。已有研究表明，教育游戲在提升學(xué)習(xí)動機(jī)、促進(jìn)知識掌握、培養(yǎng)高階能力等方面具有重要價值[1]。鑒于此，本文以2015年發(fā)行的數(shù)字教育游戲《Zoombinis》為例，對該游戲進(jìn)行系統(tǒng)且全面的剖析。

游戲介紹

1.基本信息

《Zoombinis》（又稱《祖比尼》/《卓姆比尼人》），是一款經(jīng)典的邏輯卡通2D游戲。面向8歲以上的兒童和成人開發(fā)。2015年，《Zoombinis》正式發(fā)布了現(xiàn)代設(shè)備翻版，使得該游戲可以在現(xiàn)代主流操作系統(tǒng)和電子設(shè)備下運(yùn)行。《Zoombinis》是一款策略類益智游戲，玩家在敘述性的劇情引導(dǎo)下進(jìn)行關(guān)卡挑戰(zhàn)。

2.游戲背景

Zoombini是一類藍(lán)色的毛茸茸的可愛小生物，他們的家園被邪惡的怪物占領(lǐng)，為了擺脫怪物的奴役，他們踏上了前往新家園Zoombiniville的旅程。在旅程的開始，玩家需要創(chuàng)造屬于自己的一隊（16個）Zoombini，通過組合不同的發(fā)型、眼睛、鼻子和鞋子，使得小隊中的每個Zoombini都是獨(dú)一無二的存在。在“旅程”模式下，玩家的目標(biāo)是解救400個Zoombini，將他們從西南部的小島帶往東北部的新家園。Zoombiniville的路線地圖上共設(shè)有12個關(guān)卡，每個關(guān)卡對應(yīng)一個邏輯謎題，且分別設(shè)有四個難度級別，每當(dāng)Zoombini通過一條支路后，該支路的難度將會升級，且不可逆轉(zhuǎn)。每個關(guān)卡僅提供有限的試錯機(jī)會，每當(dāng)試錯次數(shù)耗盡后，玩家便會損失一定數(shù)量的Zoombini。由于16個Zoombini是下一條支路開啟的條件，因此玩家應(yīng)該盡量保證16個Zoombini全部通過，否則需要重新選擇小隊再次出發(fā)。

3.游戲內(nèi)容

（1）過敏的峭壁。在該關(guān)卡中，Zoombini的任務(wù)是通過懸崖上的橋抵達(dá)對岸。橋下的兩個峭壁面可能對一個或多個Zoombini特征過敏，為了實(shí)現(xiàn)關(guān)卡目標(biāo)，玩家需要決策每一個Zoombini從哪座橋通過。而當(dāng)決策失誤次數(shù)超過六次時，兩座橋就會倒塌，剩余的Zoombini將被困住無法通過。

（2）泥球墻。Zoombini被一堵大墻擋住了前進(jìn)的道路，必須使用泥球打中墻上具有標(biāo)志的方格才能越過墻體，格子的點(diǎn)數(shù)代表一次能越過的Zoombini個數(shù)。不同特征的泥球會打在墻體的不同位置，泥球的特征組合與墻上格子的位置之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。對于玩家而言，則需要推理得出這一對應(yīng)關(guān)系，確定能夠擊打到目標(biāo)墻體的泥球特征，從而構(gòu)造下一個待發(fā)射的泥球（形狀和顏色）。同樣，泥球的數(shù)量是有限的，因此玩家的試錯機(jī)會也是有限的。隨著難度的升級，泥球的特征會從二維變?yōu)槿S，與之對應(yīng)的墻上的格子數(shù)量從25（5×5）個格子變?yōu)?25（5×5×5）個格子，對應(yīng)規(guī)則也隨之變得更加復(fù)雜。

該關(guān)卡對應(yīng)的數(shù)學(xué)概念是多維組合與映射。泥球擊打到墻體格子可被視作一個映射，其中泥球的顏色、形狀等特征是映射的定義域，所有格子的位置是映射的值域，泥球的特征維度則對應(yīng)映射空間的維度。由于難度升級之后，墻體將三維的映射空間展示在二維平面上，因此游戲?qū)W(xué)生的空間想象與抽象能力（降維）也提出了一定的要求。

游戲設(shè)計

1.基于證據(jù)的推理和學(xué)習(xí)

在教育變革和發(fā)展的浪潮中，基于證據(jù)的學(xué)習(xí)作為一種新的學(xué)習(xí)范式受到越來越多的關(guān)注。培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識至關(guān)重要，學(xué)生通過證據(jù)收集、應(yīng)用、分析與反思，能夠“有理有據(jù)”地思考，不斷提升個人的論證能力[2]。該游戲是一款基于證據(jù)進(jìn)行推理的策略游戲，根據(jù)游戲的任務(wù)設(shè)計，關(guān)卡不會給玩家提供規(guī)則的詳細(xì)說明，因此玩家需要自主探索，結(jié)合游戲反饋和觸發(fā)反饋的特征（如是否觸發(fā)峭壁面的過敏反應(yīng)、泥球打在墻體的位置等）來推理謎題背后的計算邏輯。

2.隨機(jī)性與可重復(fù)性

該游戲采用基于算法的動態(tài)關(guān)卡生成機(jī)制，確保每一次生成的關(guān)卡內(nèi)容具有隨機(jī)性，從而要求玩家對每一次的新情境重新應(yīng)用邏輯推理和演算策略。

3.反饋機(jī)制

《Zoombinis》中的大部分反饋都是即時反饋，包括視覺、聽覺和情感反饋，是游戲樂趣的主要來源，能夠增加玩家的游戲沉浸感。即時的反饋有助于玩家保持專注[3]，同時積極的反饋能夠有效維持玩家的動機(jī)[4]。游戲中的視覺反饋主要體現(xiàn)在“Zoombini”的角色行為和環(huán)境反應(yīng)的動畫之中。對于較低齡的玩家而言，生動形象的視覺反饋有助于增加玩家的參與感，讓玩家切身體會到個人的決策將會影響角色的命運(yùn)。

游戲通過聽覺反饋創(chuàng)造了極具敘事感的游戲環(huán)境，并為玩家提供信息提示。配合視覺反饋，游戲會提供每一關(guān)卡的故事情境和操作的音效引導(dǎo)提示，以及關(guān)于玩家決策正誤的實(shí)時反饋，一方面幫助玩家熟悉和理解故事背景，另一方面也有效地推動游戲的進(jìn)程。除此之外，游戲還設(shè)計了豐富的情感反饋機(jī)制，如提供鼓勵型的話語“You did it！ You saved them all！（你做到了！你拯救了他們所有人）”等。

4.學(xué)習(xí)支架設(shè)置

學(xué)習(xí)支架是基于維果茨基的最近發(fā)展區(qū)（Zone of Proximal Development， ZPD）理論提出的，在學(xué)習(xí)活動的合適位置設(shè)置學(xué)習(xí)支架，有助于學(xué)習(xí)者跨越最近發(fā)展區(qū)，從而獨(dú)立完成學(xué)習(xí)任務(wù)[5]。游戲中的學(xué)習(xí)支架通?？梢暂o助學(xué)習(xí)者簡化游戲任務(wù)，制定游戲策略。已有研究表明，設(shè)計良好的支架能為學(xué)習(xí)提供必要的支持，在基于問題的學(xué)習(xí)環(huán)境中能夠增強(qiáng)學(xué)生的探究和學(xué)習(xí)效果[6]。

游戲的教育應(yīng)用

1.教育應(yīng)用價值

（1）激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)。該游戲在以下幾方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)：首先，游戲基于一個完整的故事框架展開，具有較強(qiáng)的趣味性，生動形象地將知識和思維訓(xùn)練融入游戲機(jī)制之中；其次，游戲的獎懲機(jī)制、即時反饋和學(xué)習(xí)支架，能夠增加學(xué)習(xí)者的自信心；第三，已有研究表明，大部分學(xué)生都非常關(guān)注游戲關(guān)卡的晉級，解鎖更多的關(guān)卡能夠獲得更強(qiáng)烈的成就感[7]。

（2）培養(yǎng)高階思維與能力。《Zoombinis》在鍛煉學(xué)生的計算思維和問題解決能力方面展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的教育應(yīng)用價值。目前，不同研究者對計算思維的理解不同，大多強(qiáng)調(diào)計算思維是一種問題解決的思維過程[8]。運(yùn)用計算思維解決實(shí)際問題可以分為四個階段：問題分解、模式識別、抽象、算法設(shè)計[9]?！禯oombinis》中的謎題需要學(xué)生綜合運(yùn)用以上四種能力，以“泥球墻”關(guān)卡為例，如圖1所示。

（3）培養(yǎng)情感和價值觀。該游戲培養(yǎng)了學(xué)生面對困難的正確態(tài)度、責(zé)任感和團(tuán)隊精神。在旅程中，開啟一條支路的條件是具有16個Zoombini，因此玩家在每個關(guān)卡中應(yīng)當(dāng)最大限度地確保不損失Zoombini，這一機(jī)制增強(qiáng)了玩家的責(zé)任意識。

2.教育應(yīng)用途徑

鑒于該游戲操作簡易、各關(guān)卡獨(dú)立等特點(diǎn)，教師可將其適當(dāng)整合至課堂教學(xué)活動中，如根據(jù)授課需求有針對性地選取某一關(guān)卡，應(yīng)用于課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，使學(xué)生對該關(guān)卡蘊(yùn)含的邏輯知識有直觀的體會和了解。此外，游戲也可以作為課堂練習(xí)工具幫助學(xué)生將所學(xué)知識遷移至游戲情境中，或作為計算思維的評估工具增進(jìn)教師對學(xué)生計算思維水平的洞察。目前，許多實(shí)證研究證明了該游戲應(yīng)用的有效性，例如，Asbell-Clarke等人[10]在3—8年級學(xué)生中使用該游戲，并對游戲數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，結(jié)果表明《Zoombinis》是有效面向中小學(xué)生計算思維培養(yǎng)的學(xué)習(xí)工具和評估工具；Moss等人[11]發(fā)現(xiàn)《Zoombinis》能夠改善學(xué)生對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的態(tài)度；Rowe等人[12]則使用該游戲創(chuàng)建了有效評估學(xué)生計算思維的檢測工具。

本文介紹了一款面向中小學(xué)生的教育游戲——《Zoombinis》，其通過有趣的謎題內(nèi)容設(shè)置和精良的游戲設(shè)計，在游戲過程中培養(yǎng)了學(xué)生的計算思維等高階能力。此外，本文還分析了該游戲的教育應(yīng)用價值和應(yīng)用途徑，展示了其在教育領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。

注：本文系中國教育學(xué)會2021年度教育科研重點(diǎn)規(guī)劃課題“以計算思維培養(yǎng)為核心的中小學(xué)人工智能教育研究”（課題編號：202103002301A）的研究成果之一

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