劉立云 沈航冉

“計(jì)算思維”是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)，能給與人思考問題的正確方法，對(duì)構(gòu)建算法有著重要的意義及啟蒙作用。教育游戲是一種針對(duì)特定的教育目的而開發(fā)的嚴(yán)肅的游戲，教育性與娛樂性并重，它以游戲作為教育手段，將所要教授的知識(shí)以游戲的形式呈現(xiàn)，從而達(dá)到“寓教于樂”的效果。當(dāng)前，計(jì)算思維已經(jīng)成為人們生活中解決問題的首選思考模式，也是人們思維能力的主要特征之一。

研究現(xiàn)狀及核心概念界定

現(xiàn)今社會(huì)已步入了高速發(fā)展的人工智能階段，機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等不斷發(fā)展，機(jī)器和人相互協(xié)作、相互影響，最終導(dǎo)致機(jī)器愈發(fā)智能化，人們?cè)谏钪泻退枷肷辖鉀Q問題的思路也愈發(fā)工程化，于是計(jì)算思維應(yīng)運(yùn)而生。在這個(gè)過程中，計(jì)算思維逐漸被確立為繼“3R”——閱讀、寫作和算數(shù)能力之后的“4thR”能力，我們應(yīng)該明確，它并不是專業(yè)人士才能學(xué)會(huì)的技能與本領(lǐng)，而是可以被所有人理解并掌握的能力，即它不局限于計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域，而是可以被所有人掌握的解決問題和認(rèn)識(shí)世界的思維方式。研究發(fā)現(xiàn)，4歲左右的兒童已經(jīng)具備理解基本的計(jì)算機(jī)編程概念的認(rèn)知水平。因此，教育界開始嘗試培養(yǎng)兒童的計(jì)算思維能力，如美國(guó)開設(shè)了在4～7歲年齡段培養(yǎng)計(jì)算思維的相關(guān)課程，國(guó)際計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）也提出了K-5兒童需要掌握模塊化可視化編程語(yǔ)言和測(cè)試方案的能力。與此同時(shí)，APP Store及Steam商店等應(yīng)用程序商店中兒童編程游戲也開始出現(xiàn)，并受到了用戶的持續(xù)關(guān)注和追捧。然而，現(xiàn)有的編程游戲缺乏創(chuàng)新，核心玩法機(jī)制設(shè)計(jì)大同小異，游戲挑戰(zhàn)規(guī)則設(shè)計(jì)老套，游戲質(zhì)量和算法質(zhì)量良莠不齊?；谝陨犀F(xiàn)狀，為了達(dá)到推陳出新的目的，在解構(gòu)計(jì)算思維能力的基礎(chǔ)上，本研究擬以中小學(xué)生為教育游戲?qū)W習(xí)化的主體，依據(jù)現(xiàn)有編程游戲設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，以《小松鼠智闖代碼森林》為實(shí)例分析兒童編程游戲的設(shè)計(jì)框架。

1.計(jì)算思維

計(jì)算思維這一概念于2006年3月被首次提出，提出后便引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，在其概念傳入國(guó)內(nèi)后，相關(guān)學(xué)者就在計(jì)算思維方面進(jìn)行了多種研究，其被搜索率從整體上看呈逐年上漲趨勢(shì)，可見計(jì)算思維已經(jīng)逐步深入到我們生活的方方面面。

計(jì)算思維好比算法，是抽象的一種思維模式。在用算法解決問題的時(shí)候，我們往往需要先從分析問題入手，再進(jìn)行建模，最后用相關(guān)工具或語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)功能。而計(jì)算思維也是如此，但它不僅僅是基于編程語(yǔ)言的再實(shí)現(xiàn)，更是一種如同騎自行車、讀寫本國(guó)語(yǔ)言那般的思維活動(dòng)，這種活動(dòng)受到生活中種種外力影響，進(jìn)一步影響并改善我們的思維能力。所以，不妨認(rèn)為計(jì)算思維是基于計(jì)算機(jī)的一種科學(xué)手段來改善人們的思維方式，是計(jì)算機(jī)時(shí)代的產(chǎn)物，是每個(gè)人都應(yīng)學(xué)會(huì)并理解的一種能力。

2.教育游戲

游戲源起于古代，用于娛樂休息。隨著時(shí)代的發(fā)展，游戲也被賦予了新的使命，游戲不再只是用于休閑娛樂，對(duì)于教育游戲而言，玩家可以在游戲中了解到相關(guān)知識(shí)并對(duì)知識(shí)有初步的學(xué)習(xí)應(yīng)用。

3.編程教育游戲

編程是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言發(fā)展的產(chǎn)物，在計(jì)算機(jī)信息時(shí)代，各種編程語(yǔ)言也隨之發(fā)展。然而，并非所有人都有能力或有條件接觸編程，而編程又是培養(yǎng)計(jì)算思維的絕佳方法，因此專業(yè)人士開始引入了編程教育游戲的概念，所謂的編程教育游戲，就是以編程為游戲主題，結(jié)合傳統(tǒng)教育游戲進(jìn)行開發(fā)的一條游戲分支，旨在培養(yǎng)玩家的編程思維能力。

4.以計(jì)算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲

對(duì)于編程教育游戲而言，最終的目標(biāo)已經(jīng)確認(rèn)，即培養(yǎng)編程思維能力，但如何培養(yǎng)，怎么樣可以更好地進(jìn)行培養(yǎng)，就成了當(dāng)前研究的重點(diǎn)與目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，編程思維能力與計(jì)算思維有著不可分割的關(guān)系，它們相輔相成，因此以計(jì)算思維為導(dǎo)向進(jìn)行編程教育游戲的設(shè)計(jì)，將會(huì)獲得更好的效果。與此同時(shí)，通過游戲最后的目的即編程思維能力的培養(yǎng)，又可以反作用于計(jì)算思維的培養(yǎng)，通過學(xué)習(xí)到的計(jì)算思維能力，可應(yīng)用于生活各處。

現(xiàn)存編程教育游戲的問題剖析

世界上第一款孩童編程教育游戲《LOGO編程語(yǔ)言》通過輸入代碼控制小烏龜進(jìn)行移動(dòng)繪畫。雖然它利用了可視化的方法幫助玩家理解游戲及機(jī)制，但對(duì)于從未接觸過編程甚至從未接觸過計(jì)算機(jī)相關(guān)思維的孩童來說，這種可視化的方法依然較難理解——這更像是為程序員而開發(fā)的游戲。

游戲1的劇情為悟空在花果山中駕著筋斗云，認(rèn)識(shí)游戲場(chǎng)景中出現(xiàn)的所有場(chǎng)景所對(duì)應(yīng)的漢字。例如，花果山對(duì)應(yīng)漢字“山”，在游戲中，只要觸碰到花果山這個(gè)場(chǎng)景，就會(huì)彈出一個(gè)寫字框，告訴玩家如何書寫漢字“山”。這個(gè)“山”在游戲中不會(huì)再出現(xiàn)，即所謂的“學(xué)過了，就過去了”，這種方式只是通過繪本故事來灌輸漢字知識(shí)，缺乏連續(xù)性的設(shè)計(jì)。

游戲2是一款基于Steam平臺(tái)的城市建造沙盒類游戲，在游戲過程中可以學(xué)到建造樓房、布局樓盤、環(huán)境分布等一系列關(guān)于城市建造的知識(shí)。這類游戲的一個(gè)顯著特點(diǎn)是游戲時(shí)間長(zhǎng)，建造過程慢，需要多次游戲才能有階段性成果，所以云存儲(chǔ)成為了必要。在該游戲中，每次游戲結(jié)束前都可以將游戲進(jìn)度保存到云盤中，下次打開游戲后便可以讀取云盤內(nèi)容獲得游戲中已經(jīng)建造的所有信息。然而，這款游戲雖然在Windows平臺(tái)可以流暢運(yùn)行，但在Mac OSX平臺(tái)卻運(yùn)行困難，在產(chǎn)品兼容性方面存在問題。

綜上所述，現(xiàn)有編程教育游戲大都存在缺乏連續(xù)性設(shè)計(jì)、過于高估孩童對(duì)編程的理解能力、產(chǎn)品兼容、游戲玩法核心機(jī)制單一、只注重代碼編寫培養(yǎng)而忽略計(jì)算思維能力的培養(yǎng)等缺點(diǎn)。

以計(jì)算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲《小松鼠智闖代碼森林》的設(shè)計(jì)

1.關(guān)卡1——鍵盤移動(dòng)

在本關(guān)中玩家使用左右方向鍵和Z跳躍鍵進(jìn)行冒險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)并收集隱藏在草叢中的物品然后吃鉆石進(jìn)入下一關(guān)。本關(guān)中，玩家使用鍵盤控制人物進(jìn)行移動(dòng)，玩法與《超級(jí)瑪麗》相似，本關(guān)以委婉的口吻進(jìn)行了額外的提示：玩家應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)并懂得方向的英文說法，但并沒有在游戲中直接體現(xiàn)。

2.關(guān)卡2——鍵盤移動(dòng)續(xù)

在本關(guān)中仍舊保持著關(guān)卡1的風(fēng)格，只是在每關(guān)特有的提示上做了改動(dòng)，進(jìn)一步闡述了英文在計(jì)算機(jī)中的作用，并開始出現(xiàn)了編程的概念，使玩家進(jìn)一步了解所編寫程序在計(jì)算機(jī)中是如何執(zhí)行的。

3.關(guān)卡3——鼠標(biāo)模擬鍵盤移動(dòng)

在本關(guān)中鍵盤已經(jīng)不再可以操作行動(dòng)了，而改為左上角的三個(gè)按鈕。本關(guān)的目的和意義是讓玩家了解并非必須使用方向鍵才能進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)的指令所對(duì)應(yīng)的代碼是固定的，想移動(dòng)的話可以隨時(shí)改變鍵位，甚至不需要鍵盤只使用鼠標(biāo)也可以進(jìn)行移動(dòng)，它們的本質(zhì)是相同的。

4.關(guān)卡4——鼠標(biāo)模擬鍵盤移動(dòng)續(xù)

在本關(guān)中仍舊保持著關(guān)卡3的風(fēng)格，只是加大了游戲的操作難度和趣味性，作為一款編程教育游戲，不能只考慮傳輸知識(shí)，還必須提升游戲的趣味程度，這樣才能增加玩家的興趣以及在游戲中的沉浸感。本關(guān)仍然包含隱藏物品可以收集，至此，所有隱藏物品已經(jīng)全部出現(xiàn)在本游戲中，它們分別是字塊Float、False、True和While。每當(dāng)收集到物品時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提示與解釋，使玩家不知不覺學(xué)習(xí)并了解到這些字塊的作用和意義，即達(dá)到了連續(xù)性設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

5.關(guān)卡5——代碼指令移動(dòng)

在關(guān)卡設(shè)計(jì)方面，本關(guān)卡保持了和前面幾關(guān)相同的游戲背景風(fēng)格，游戲任務(wù)也依舊是尋找隱藏物品并觸碰鉆石以進(jìn)入下一關(guān)卡，即保證了游戲的連續(xù)性與沉浸性。本關(guān)卡需玩家自行寫出代碼完成松鼠的移動(dòng)，游戲頁(yè)面右上角有一個(gè)簡(jiǎn)易的代碼編輯器，玩家可以通過輸入相應(yīng)的指令來移動(dòng)小松鼠。本關(guān)的目的是讓玩家了解到并非必須使用外設(shè)才能進(jìn)行操作，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中外設(shè)所對(duì)應(yīng)的本源也將會(huì)是程序中的代碼，所以這里直接讓玩家書寫代碼來完成任務(wù)。由于前面的關(guān)卡已經(jīng)對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，從簡(jiǎn)至難逐層過渡，因此不會(huì)有突兀的感覺。

6.關(guān)卡6——道具使用實(shí)時(shí)效果

在最后一關(guān)中，玩家將結(jié)合所學(xué)的編程知識(shí)進(jìn)行思考，反作用于計(jì)算思維的提升，右上角的代碼編輯器改為一個(gè)死循環(huán)代碼段，玩家需從背包中選擇正確的道具代碼塊“Float”對(duì)其進(jìn)行覆蓋，將循環(huán)判定條件改為假，方可結(jié)束死循環(huán)。為了使玩家更容易理解，所以結(jié)合了本游戲中的道具“刺兒”實(shí)時(shí)體現(xiàn)出循環(huán)的意義，原本不斷掉落的“刺兒”一旦被修改了循環(huán)條件，將會(huì)停止生成，道路會(huì)被打通，玩家可以通過。

結(jié)論與展望

通過對(duì)教育游戲近年發(fā)展的思考，筆者認(rèn)為將教育游戲與思維培養(yǎng)結(jié)合在一起，利用游戲本身邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以計(jì)算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲，將會(huì)是一個(gè)提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率、增大學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方式。使用教育游戲的形式進(jìn)行思維培養(yǎng)，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下方面：①教學(xué)者化身為游戲角色，使用教學(xué)模型進(jìn)行引導(dǎo)，更具有“代入感”。②玩家使用預(yù)先制訂好的模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，邊學(xué)邊玩達(dá)到“寓教于樂”的效果。③在游戲中興奮時(shí)間更為長(zhǎng)久，并且會(huì)自發(fā)地進(jìn)行思考。④以游戲的形式展現(xiàn)，玩家會(huì)更感興趣。本研究通過《小松鼠智闖代碼森林》教育游戲，論證了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的編程教育游戲?qū)崿F(xiàn)的可能，并分享了設(shè)計(jì)此類游戲的思路。在設(shè)計(jì)時(shí)首先明確了大方向即教育游戲，在此基礎(chǔ)之上以編程教育為主要內(nèi)容，開始制作編程教育游戲，以計(jì)算思維為出發(fā)點(diǎn)，在游戲最后回歸計(jì)算思維的應(yīng)用，二者相輔相成。當(dāng)前，計(jì)算思維已逐步融入人們的生活，培養(yǎng)計(jì)算思維已勢(shì)在必行，尤其是對(duì)于中小學(xué)生而言，他們正處于思維的成長(zhǎng)階段，好的計(jì)算思維可以讓他們更加理性地認(rèn)識(shí)世界、解決問題。

基金項(xiàng)目：本論文為山西大同大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目課題：“設(shè)計(jì)思維支持下的小學(xué)創(chuàng)客教育實(shí)踐探究”（課題編號(hào)：XDC2019210）的階段性成果。