基于計算思維導向的小學編程游戲化教學設(shè)計研究

摘要" 目前，小學階段利用圖形化編程軟件培養(yǎng)學生的計算思維已成為信息科技課程中的主流趨勢。但在常規(guī)的信息科技課程中教師采用“講授—操作”的教學方法，學生計算思維的培養(yǎng)效果并不理想，如采用游戲化教學法能在一定程度上激發(fā)學生的學習興趣，進而培養(yǎng)學生的計算思維?；诖?，本文以超級馬里奧游戲為例，基于Kitten圖形化編程軟件進行游戲化教學設(shè)計，旨在為教育工作者培養(yǎng)小學生的計算思維提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：計算思維培養(yǎng)；游戲化教學；小學生；Kitten

一、引言

當代小學生作為數(shù)字化時代的原住民，亟需借助計算思維成長為優(yōu)秀的數(shù)字公民，以便適應未來社會的生產(chǎn)生活。利用編程教學培養(yǎng)計算思維已經(jīng)取得共識。我國教育部正在制定專門文件推動和規(guī)范編程教育發(fā)展，包括將編程教育納入中小學相關(guān)課程[1]，提高學生的計算思維能力。目前小學編程的培養(yǎng)主要以Kitten、Scratch、Micro：bit等可視化編程軟件為主，但由于編程本身的復雜性及枯燥性，教師在教學過程中也遇到諸多難題，導致學習者的學習效果并不理想，學習過程中表現(xiàn)出極大的畏難情緒。因此，以“寓教于樂”為核心理念的游戲化教學模式逐漸邁進了少兒編程教育視野中，在培養(yǎng)學生計算思維方面取得了良好的教學效果。

二、計算思維

2006年，卡內(nèi)基梅隆大學的周以真教授提出了計算思維的內(nèi)涵，即：運用計算機學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解的涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動[2]。各國的研究機構(gòu)以及學者均從不同角度對計算思維概念進行了深入研究。我國教育部于2022年頒布的義務教育《信息科技課程標準》對計算思維進行了明確的定義：計算思維是指個體運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計等思維活動[3]。綜上所述，計算思維是人類學習計算機問題求解的一系列思維過程，為人們理解信息化、數(shù)字化、智能化的世界提供的新視角。本文將計算思維定義為基于計算機科學視角進行問題解決的思維方式，不局限于計算機科學領(lǐng)域，而是包括分析、抽象、建模、算法等。

三、kitten軟件

Kitten軟件是由我國編程貓教育科技有限公司自主研發(fā)并向全球免費開放的可視化編程工具，它將復雜的英文代碼編程語言轉(zhuǎn)換成積木圖形，并通過指令化、模塊化方式，以游戲、情景動畫、積木構(gòu)建等多種形式呈現(xiàn)給學習者。學習者只需以鼠標拖拽的方式將色彩豐富的代碼塊像搭積木一樣組合在一起，便可以創(chuàng)建動畫、游戲等作品。目前Kitten已經(jīng)得到NOC（全國中小學信息技術(shù)創(chuàng)新與實踐大賽）與NCT（全國青少年編程能力等級考試）的支持。相比于Scratch軟件的復雜應用，Kitten編程軟件更適合中國兒童的計算思維培養(yǎng)?；诖?，本研究將在教學過程中可以利用Kitten平臺，通過制作游戲進行游戲化教學，進而培養(yǎng)學生的計算思維。

四、利用游戲化教學培養(yǎng)計算思維的可行性分析

游戲化教學是依據(jù)學習者的心理特征，通過開發(fā)或選擇游戲，并將其與教學過程相結(jié)合，使學生在輕松愉悅的氛圍中開展學習的一種教學活動[4]。思維培養(yǎng)需要一個長期的過程，尤其是計算思維的培養(yǎng)本身就具有枯燥性、長期性等特點，因此更加需要融入游戲元素來激發(fā)學生學習動機，助力計算思維的培養(yǎng)。此外，小學階段是培養(yǎng)計算思維的關(guān)鍵時期，低年齡段的學生更傾向于通過游戲化的方式學習課程內(nèi)容，這使得培養(yǎng)計算思維具有可行性及易操作性。目前，借助游戲培養(yǎng)計算思維主要有兩種方式：一種是結(jié)構(gòu)游戲化，即利用游戲元素驅(qū)動學習項目，使整個計算思維培養(yǎng)的流程呈現(xiàn)明顯的游戲特征；另一種是內(nèi)容游戲化，即教師將教學內(nèi)容設(shè)計為游戲的開發(fā)與制作，讓學生在動手操作過程中體會學習的樂趣，并在與游戲交互的過程中發(fā)展計算思維能力。因此，本文借助以上兩種游戲化教學的方式，以計算思維能力培養(yǎng)為導向，以Kitten軟件為依托進行教學設(shè)計研究，以期為研究者和一線教師提供啟發(fā)。

五、面向計算思維培養(yǎng)的游戲化教學設(shè)計

（一）學習內(nèi)容和游戲資源分析

在學習內(nèi)容方面，選用黑龍江省A小學信息科技課程校本教材《超級馬里奧》，其中涉及的知識點包括循環(huán)、判斷、偵測、聲控等基本語句模塊的綜合運用，最終實現(xiàn)通過聲音控制角色人物跳過障礙物的效果。在游戲資源方面，以經(jīng)典游戲《超級馬里奧》為游戲背景，通過角色跳過障礙物進行闖關(guān)，具有可玩性和易操作性。其次，此課學習的知識點為該游戲的制作提供了技術(shù)支持，具有一定的關(guān)聯(lián)性和拓展性。最后，在完成闖關(guān)任務的過程中設(shè)有學習幣、闖關(guān)游戲攻略等環(huán)節(jié)，可以提高學習娛樂性，增加學生游戲的體驗感和愉悅感。

（二）學情分析

從思維發(fā)展的角度看，五年級學生正處于具體運算階段，其認知結(jié)構(gòu)特點表現(xiàn)為邏輯思維能力開始發(fā)展，抽象思維能力正在快速發(fā)展。從知識掌握的程度上來看，學生已經(jīng)具備一定的編程基礎(chǔ)，熟悉編程貓操作平臺，并具備獨立編寫使角色移動的程序的能力，能夠利用循環(huán)、條件判斷編寫程序，但還需要進一步學習偵測和聲控模塊如何控制角色移動。從學習動機的角度看，五年級學生的心理特點為好奇心強，感知覺發(fā)展迅速，對色彩、聲音、動畫非常敏感，對游戲內(nèi)容具有一定的學習興趣。

（三）教學目標

為了更有針對性地培養(yǎng)學生的計算思維，本次教學目標選擇了王旭卿教授提出的計算思維三維框架目標，內(nèi)容包括：計算概念、計算實踐、計算觀念。其中，計算概念指的是在編程中廣泛運用的概念，包括序列、循環(huán)、事件、并行、條件語句、運算符號和數(shù)據(jù)。計算實踐是指作者對一個作品的創(chuàng)作過程，研究中將其分解為四個部分：試驗與迭代、測試與調(diào)試、重用與改編、抽象與模塊化。計算觀念指的是學習者對超出作品本身事物的思考和理解能力，包括表達、聯(lián)系和質(zhì)疑。

1.計算概念：學生能夠理解變量模塊如何控制角色人物的連續(xù)移動，并明確循環(huán)、判斷、偵測、聲控模塊的功能；能深入理解條件語句、判斷語句以及邏輯循環(huán)語句等命令。

2.計算實踐：將整個游戲任務按照角色人物、人物動作分解為具體的游戲項目并完成程序設(shè)計，培養(yǎng)學生的分解問題能力；將抽象語言轉(zhuǎn)化成顯示語言，用思維導圖來表示抽象問題，鍛煉學生將角色功能轉(zhuǎn)化成程序語言的抽象思維能力；對程序進行測試、調(diào)試，并解決程序中出現(xiàn)的問題，培養(yǎng)學生解決問題的實踐操作能力。

3.計算觀念：在游戲的設(shè)計過程中，學生將體會游戲創(chuàng)作和編程的樂趣；通過撰寫思維導圖培養(yǎng)學生邏輯思維能力；通過代碼的調(diào)試和程序漏洞的修改，對程序進行完善，培養(yǎng)學生良好的編程習慣；通過游戲的編寫和完善，培養(yǎng)學生不畏艱難、勇于探索的學習意識，幫助學生樹立強大的自信心。

（四）教學過程

教學過程以培養(yǎng)計算思維為基礎(chǔ)，將游戲化教學思想貫穿課程始終，并具體劃分為四個層面和五大步驟，具體教學設(shè)計過程如下所示。

1.游戲?qū)?，激趣增效：在正式上課之前，教師將馬里奧.exe游戲通過極域電子課堂由教師機發(fā)送至學生機。隨后，組織學生進行游戲競賽，設(shè)定45秒的倒計時，利用倒計時的緊張感調(diào)動學生參與的積極性。在游戲競賽的過程中，馬里奧存活時間最長的學生將獲得學習金幣。與以往教師展示游戲操作、講解游戲規(guī)則的傳統(tǒng)授課方式不同，學生在動手操作中可以體會到游戲的魅力，獲得學習參與感和學習樂趣。在游戲競賽結(jié)束后，由教師引出本節(jié)課學習任務——制作超級馬里奧游戲。

2.角色分析，場景搭建：教師引導學生分析馬里奧和背景的角色功能，目的是幫助學生理清游戲思路，避免學生過度沉迷游戲。學生通過觀察分析、交流討論等活動，明確游戲中不同角色的具體功能，并最終將思考的結(jié)果以思維導圖的形式呈現(xiàn)出來。在繪制思維導圖過程中，思路清晰的同學將獲得學習幣作為獎勵。若在展示思維導圖時存在明顯的邏輯思維漏洞，則會扣除相應的學習幣，并且告知學生可以在后續(xù)任務中繼續(xù)賺取學習幣，以此調(diào)動學生的自我激勵意識和競爭意識。此環(huán)節(jié)的設(shè)計意圖在于利用游戲的價值重塑學生學習方式，引導學生進入心流的學習狀態(tài)。通過游戲，學生能夠?qū)⑺季S過程進行抽象概括，主動聚焦關(guān)鍵信息，有利于發(fā)展學生計算思維中的抽象能力。此外，繪制游戲角色流程圖還有助于促進小學生思維過程具體化和系統(tǒng)化，提高小學生的邏輯表達力和語言組織力。隨后，學生運用教師準備的馬里奧游戲資源，選擇游戲人物、背景等添加到舞臺上。這一環(huán)節(jié)旨在帶領(lǐng)學生復習添加背景角色等的基本模塊操作，為下一步游戲的編寫與制作奠定基礎(chǔ)。

3.闖關(guān)挑戰(zhàn)，游戲編寫：教師與學生共同進行游戲分析，將整個游戲化繁為簡，有利于發(fā)展學生計算思維中的分解能力。本環(huán)節(jié)的具體代碼如表1所示。第一闖關(guān)任務為實現(xiàn)馬里奧角色運動。教師發(fā)布關(guān)于“角色跳躍”的闖關(guān)攻略，為學生搭建腳手架學習，學生通過自主學習以及與同伴合作實現(xiàn)馬里奧跳躍的效果。第二關(guān)任務是實現(xiàn)背景圖向相反方向移動，從而營造出馬里奧前進的視覺效果。由于學生已經(jīng)具備實現(xiàn)角色移動的基礎(chǔ)，在教師的引導下，學生將馬里奧和背景圖進行規(guī)律整合，最終呈現(xiàn)角色運動的效果。在此過程中，學生的模式識別能力得到了鍛煉。第三關(guān)任務是實現(xiàn)拍手跳躍功能。教師講解聲控模塊的模塊功能，學生運用聲音偵測模塊實現(xiàn)該游戲效果。在此過程中，調(diào)動學生眼、手、耳等多重感官，通過游戲元素與知識的深度融合，增強學生游戲的體驗感，增加學習的交互性。在每一關(guān)闖關(guān)成功后，教師應獎勵完成者學習幣，給予學習者及時反饋，提高學生學習愉悅感。

4.游戲內(nèi)測，迭代優(yōu)化：在程序搭建完成后，需要對現(xiàn)有程序進行測試，提升學生開發(fā)測試能力和游戲主體意識。學生基于對游戲的興趣，主動思考馬里奧和背景是否都實現(xiàn)了預設(shè)的角色功能；教師在教室巡場的過程中，給予同學必要的答疑和指導。對于學習者來說，這個過程是一個自我監(jiān)控、反思和調(diào)節(jié)的過程，也是有意識地使用元認知策略的過程，可以有效地提高計算思維中問題解決的能力。

5.課后小結(jié)，創(chuàng)意制作：教師發(fā)布開放式任務，鼓勵學生根據(jù)自己的想象對游戲進行創(chuàng)新，避免作品同質(zhì)化。同時，教師還應以強化素養(yǎng)為導向，對作品進行多元評價，確保評價全面而客觀。在課程結(jié)束后，教師統(tǒng)計學習幣，為學生頒發(fā)學習徽章，給予學生直接反饋，進而提高學生的自我效能感。

六、思考與建議

本文根據(jù)編程教學中遇到的問題和困惑，借助游戲化教學的原則與策略，以培養(yǎng)學生的計算思維為目標設(shè)計出了相關(guān)的教學流程，但在實際教學的過程中，筆者產(chǎn)生了以下幾點思考。

1.基于學情，調(diào)整教學內(nèi)容：Kitten作為一個國產(chǎn)的圖形化編程軟件，便于小學生學習與操作。由于學生正處于思維發(fā)展的階段，因此要控制學生的學習難度，以此保持學生的學習興趣?？紤]到學生編程基礎(chǔ)較弱，計算思維能力不強，在該課的教學中刪除了傳感器相關(guān)內(nèi)容，直接為學生提供搭建好的場景與角色，降低學習難度，使學生通過完成作品獲得學習成就感。

2.利用思維導圖，理清作品思路：教師引導學生利用思維導圖對游戲《超級馬里奧》中的不同角色進行分析，這樣做不僅有助于培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，也是幫助學生理解編程的重點。筆者在《超級馬里奧》游戲教學設(shè)計中，通過思維導圖理清了主角馬里奧和背景的相對運動關(guān)系，將邏輯順序進行層層細化與形象化，使學生能真正地理解整個編程的邏輯順序，從而能快速、高效地搭建腳本。

3.關(guān)注學生個性差異，實現(xiàn)分層教學：由于每個學生接觸計算機的程度不同，在編程的學習中也存在一定的差異，從而導致計算思維水平存在差異。因此，教師在進行教學設(shè)計時需要充分考慮全體學生的情況，讓各個年齡段的學生都學有所得。在《超級馬里奧》這節(jié)課中，筆者最后給學生留了一些思考空間，讓學生通過增加不同的關(guān)卡模式完善其作品，這樣既鍛煉了高水平學生在計算思維中的問題解決能力，又面向了全體學生，充分利用分層教學的教學理念，落實了全員育人的教育思想，提高小學生整體的計算思維水平。

七、結(jié)束語

綜上所述，本文在對計算思維、游戲化教學、Kitten軟件平臺分析和闡述的基礎(chǔ)上，設(shè)計了以《超級馬里奧》為例的Kitten游戲化教學課程，旨在培養(yǎng)小學生計算思維中的抽象能力、分解能力、模式識別能力和問題解決能力。在整個教學過程中，倡導先學后教、以學定教，讓學生在玩中學，在做中悟，從而打造學、教、做、評四位一體的學習閉環(huán)。期望通過這一實踐過程，能夠培養(yǎng)小學生的計算思維能力，幫助學生更好地融入未來的信息社會。

作者單位：趙淼 孫崴 佳木斯大學

參考文獻

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