計算思維導(dǎo)向的游戲化教學(xué)設(shè)計研究

苗曉慶 張秀琦 寧美艷

摘? 要 計算思維是國內(nèi)外廣為關(guān)注的一個研究熱點，也一直都是信息技術(shù)課程的教學(xué)難點，而游戲化教學(xué)對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機有很大的幫助。通過對計算思維和游戲化教學(xué)的概念、研究現(xiàn)狀等進行研究，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和ARCS動機理論作為理論支撐，借助具體教學(xué)案例分析，說明游戲化教學(xué)對有效培養(yǎng)計算思維有著積極的促進作用。

關(guān)鍵詞 信息素養(yǎng);計算思維;游戲化教學(xué);信息技術(shù);Scratch

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）17-0082-04

0? 前言

一場突如其來的疫情使得中小學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)再次進入人們的視野，疫情時期的“停課不停學(xué)”政策讓人們重新將目光放到了在線教學(xué)上，而學(xué)生信息素養(yǎng)在線上教學(xué)中的應(yīng)用也就顯得尤為重要。突如其來的疫情讓人們意識到，不管是教師還是學(xué)生，計算機已經(jīng)對人們生活的方方面面造成深刻的影響，其中對教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式的影響推進了對教育的變革。疫情期間的線上教學(xué)也讓人們意識到基礎(chǔ)教育階段學(xué)生信息素養(yǎng)的重要性。在后疫情時代，提高學(xué)生的信息素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的計算思維，提高他們利用計算思維解決問題的能力，成為基礎(chǔ)教育階段信息技術(shù)教育的一項重要內(nèi)容。同時，將游戲元素融入教學(xué)過程中，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動機，也成為研究的方向。

1? 概念界定

1.1? 計算思維

計算思維源于20世紀50年代。1980年，麻省理工學(xué)院的西蒙教授首次明確提出計算思維，1996年再次提及并對其進行了界定。2006年，周以真教授定義了計算思維，把計算思維帶入廣大研究學(xué)者的視線當中。2010年，C9高校聯(lián)盟將計算思維作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。2011年，計算思維被美國納入K-12標準中。經(jīng)過幾年的發(fā)展，國內(nèi)2017高中信息技術(shù)新課標的出現(xiàn)使得計算思維成為研究者的討論重點[1]。通過其他文獻的閱讀可以知道，我國對于計算思維的討論目前還處于初級階段，主要還是對計算思維的解讀，而在教學(xué)實施應(yīng)用方面的研究較少。這就需要將計算思維的培養(yǎng)重視起來，將其加入教學(xué)設(shè)計中，在教學(xué)實施過程中探索有效培養(yǎng)計算思維的途徑。

自從《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》發(fā)布以來，核心素養(yǎng)的四個核心要素便進入大眾視野，其中計算思維得到中學(xué)信息技術(shù)教育的廣泛關(guān)注，大量的課標解讀對計算思維有了不同的看法。例如：計算思維是與計算機及其特有的問題求解方式緊密相關(guān)的一種思維形式，是在解決各種問題時有意識地運用計算機科學(xué)家所用的思想、方法、技術(shù)和工具，甚至是環(huán)境，不僅包括思考，還包括更一般的活動[2];計算思維是一種解決問題的獨特過程，是能幫人們更好地理解和分析復(fù)雜問題的思想方法，從而形成形式化、模塊化、自動化、系統(tǒng)化的問題解決方案[3];計算思維是由三個層次的內(nèi)容所組成的復(fù)合思維，分別是意識、方法和能力[4]。

目前，國內(nèi)對于高中信息技術(shù)教學(xué)中的計算思維比較權(quán)威的定義是：計算思維是通過計算機領(lǐng)域的學(xué)科方法界定問題、歸納特征、建立模型、合理組織數(shù)據(jù)，判斷、分析、綜合各種信息資源，設(shè)計算法形成解決問題的方案，概括利用計算機解決問題的過程與方法，并能夠遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中的一種學(xué)科思維[5]。

綜上可知，計算思維是在計算機的幫助下，采用計算機科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)、方法等對問題進行分析并對其進行抽象，推測其發(fā)展規(guī)律和趨勢，從而實現(xiàn)自動化的思維活動。其本質(zhì)就是抽象和自動化，包括問題分解、模式識別、抽象和算法思維四個部分。

1.2? 游戲化教學(xué)

2003年，英國的Nick Pelling第一次使用游戲化，將其定義為“把不是游戲的東西（或者工作）變成游戲”[6]。2012年開始，將游戲與教學(xué)結(jié)合起來的研究熱潮開始襲來，大量的研究使得游戲化教學(xué)融入各個學(xué)科當中，為教學(xué)模式的探索開辟了一條全新的路徑。

游戲與教學(xué)看起來是兩個相互對立的關(guān)系，但將其放到實際教學(xué)中又會有意想不到的效果。由于游戲的自發(fā)性和自在性使得游戲化教學(xué)的定義比較模糊，到目前為止仍沒有一個明確的定義。但在近幾年的研究文獻中將游戲化教學(xué)大致分為兩種。

一種是將其看成一種教學(xué)活動，將游戲元素與教學(xué)元素緊密聯(lián)系，使學(xué)生在輕松愉快的教學(xué)環(huán)境下進行學(xué)習(xí)[7]。該教學(xué)方式是由教師主導(dǎo)設(shè)計的，通過游戲的內(nèi)在趣味激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而增加學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)部動機。在這種教學(xué)活動中，教師可以更好地掌握教學(xué)節(jié)奏，合理安排游戲時間，且始終伴隨師生愉悅的情緒;以教學(xué)內(nèi)容為素材設(shè)計假想情境;既重過程，又重結(jié)果;使玩具與學(xué)具一體化。

另一種是將游戲化教學(xué)看作一種教學(xué)模式，是指教師在教學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生的心理特征，將游戲的趣味性、參與性和情境性的特點與教學(xué)實踐結(jié)合起來，并將教學(xué)策略和評價方法與之相配合的一種教學(xué)模式[8]。

綜上可知，游戲化教學(xué)可以是教學(xué)活動，也可以是教學(xué)模式，是以游戲為手段，并將其貫穿于整個教學(xué)活動當中，把教學(xué)目標、內(nèi)容、要求、任務(wù)隱藏并融入各種教學(xué)游戲當中，讓學(xué)習(xí)者在愉悅的學(xué)習(xí)環(huán)境中掌握知識、習(xí)得技能的一種教學(xué)方式。

計算思維是近幾年信息技術(shù)課程的研究熱點，也是信息技術(shù)教學(xué)的難點。將能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的游戲化教學(xué)與計算思維培養(yǎng)結(jié)合在一起，可以為之后的計算思維有效培養(yǎng)提供新的研究方向和視角。

2? 理論基礎(chǔ)

2.1? 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動探究、主動建構(gòu)自己知識經(jīng)驗的過程，認為學(xué)習(xí)不僅僅是知識由內(nèi)到外遷移和傳遞的過程，學(xué)習(xí)者也不僅僅是被動的信息接收者，而更應(yīng)該是知識的主動建構(gòu)者，對外部信息做主動的選擇和加工，結(jié)合已掌握的知識經(jīng)驗，對新事物、新現(xiàn)象、新問題或新信息進行闡釋，生成個人獨有的意義建構(gòu)。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論所描述的學(xué)習(xí)者行為與游戲化教學(xué)的核心思想如出一轍，都是需要教師為學(xué)生提供建構(gòu)知識的環(huán)境，讓學(xué)生運用已有知識經(jīng)驗去解決遇到的問題，幫助學(xué)生主動建構(gòu)的過程。

此外，計算思維的基本思想也與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論相吻合，利用計算機分解問題，探索解決問題的方法并建立模型，讓學(xué)習(xí)者解決日常生活中感覺比較困難且無法獨立完成的問題，幫助他們培養(yǎng)計算思維。

2.2? ARCS動機理論

ARCS動機模型是美國的心理學(xué)教授約翰·凱勒提出的，他認為對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動機產(chǎn)生影響的因素有四類，分別是注意（Attention）、相關(guān)性（Relevance）、自信心（Confidence）和滿意（Satisfaction），簡稱ARCS，且這四個要素在教學(xué)設(shè)計過程中的應(yīng)用是一個順次循環(huán)的過程，如圖1所示[9]。

因此，在進行教學(xué)設(shè)計時還應(yīng)該設(shè)計適當?shù)膶W(xué)習(xí)動機，能夠保持學(xué)習(xí)者在課堂中的注意力，產(chǎn)生學(xué)習(xí)者與教學(xué)的相關(guān)性，使學(xué)習(xí)者可以產(chǎn)生對學(xué)習(xí)的自信心和滿足感，并維持這種狀態(tài)，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動機。這種理論更有益于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)，同時順應(yīng)了時代的潮流，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)者運用信息技術(shù)手段解決教學(xué)中遇到問題的能力。

3? 研究意義

作為21世紀的“數(shù)字原住民”，人們的生活中處處充斥著計算機和網(wǎng)絡(luò)的身影，計算思維也就顯得頗為重要。而且計算思維是近幾年來國內(nèi)外計算機界和教育界廣為關(guān)注的一個重要概念，中國首屆“九校聯(lián)盟計算機基礎(chǔ)課程研討會”提出的聲明指出：必須重視大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的重要地位，把培養(yǎng)學(xué)生的計算思維視作計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[10]。計算思維能力的培養(yǎng)在計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的重要性已經(jīng)毋庸置疑，而且會越來越受到重視。而近幾年來我國的高校學(xué)者和專家將視角放到游戲化教學(xué)上，使之成為教學(xué)研究的熱點。通過游戲化教學(xué)培養(yǎng)計算思維除了可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，編程小游戲的模塊化設(shè)計也可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效培養(yǎng)計算思維，這很符合計算思維利用分解和抽象的方法來解決復(fù)雜的問題的理念。

由此可知，游戲化教學(xué)對信息技術(shù)的教學(xué)有很大的研究意義，可以解決當前信息技術(shù)課程教學(xué)過程中遇到的許多問題。在信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)階段運用游戲化教學(xué)更能提高學(xué)習(xí)者的注意力，讓學(xué)習(xí)者在愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境中習(xí)得知識。因此，游戲化教學(xué)還可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計算思維，促進學(xué)習(xí)者思維水平的提高，從而達到理想的教學(xué)效果。

4? 教學(xué)設(shè)計案例研究：以小學(xué)信息技術(shù)“Scratch編程中的變量控制程序”為例

4.1? 學(xué)情分析

本課的教學(xué)對象是五年級學(xué)生，他們思維活躍、愛玩游戲，經(jīng)過之前的學(xué)習(xí)，對Scratch編程已經(jīng)有了濃厚的興趣，并且已經(jīng)對Scratch中模塊的操作有一定的了解。他們有開闊的思維，喜歡天馬行空地想象，但多數(shù)想法不切實際，以其自身的知識水平不能獨立完成游戲創(chuàng)作，還需要教師的適時引導(dǎo)。

4.2? 內(nèi)容分析

小學(xué)階段信息技術(shù)主要學(xué)習(xí)計算機基本概念組成、計算機畫圖、文件和文件夾的基本操作、計算機的基礎(chǔ)操作、網(wǎng)絡(luò)的簡單應(yīng)用、LOGO編程幾個模塊。Scratch編程是2013年在LOGO語言基礎(chǔ)上出現(xiàn)的拼圖模式的程序語句，比較適合小學(xué)階段編程語言的教學(xué)，其游戲?qū)傩愿菀准ぐl(fā)小學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和增強課堂注意力，也有利于小學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。

在Scratch的基本操作中，主要是通過指令的拖拽和腳本的編寫，在舞臺上讓造型按指令行動起來。本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容是Scratch小游戲編程，是小學(xué)階段的編程基礎(chǔ)課，讓學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)教師操作演示的方法，理解并解決學(xué)習(xí)過程中的問題。本節(jié)課Scratch編程中的變量主要應(yīng)用的語句是設(shè)定變量的值和將變量值增加，能根據(jù)游戲設(shè)計合理利用語句，讓學(xué)生嘗試學(xué)會利用閱讀腳本程序的方法理解并解決編程過程中的問題，提升編程能力。

4.3? 教學(xué)方法

小學(xué)階段信息技術(shù)課程的教學(xué)要有明確的任務(wù)，讓學(xué)生知道所要學(xué)的知識是什么，運用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法和以“學(xué)生”為中心的自主探究模式來進行教學(xué)，使計算思維的培養(yǎng)更有效，同時提高學(xué)生的自主探究能力。

4.4? 教學(xué)流程

將設(shè)計好的課前游戲“飛鳥游戲”展示出來，向?qū)W生介紹游戲規(guī)則：按綠色旗幟開始游戲，用空格鍵控制飛鳥躲避障礙物，順利通過則游戲成功，碰到障礙物則游戲失敗。讓學(xué)生參與到游戲中去，從而提出問題“怎么樣讓這個游戲更具挑戰(zhàn)性？”學(xué)生積極展開想象，創(chuàng)新游戲，比如增加“生命值”“過關(guān)分數(shù)”等，這樣就引出這節(jié)課的新知識——變量。

【設(shè)計意圖】根據(jù)五年級學(xué)生的特點，通過課前游戲激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生對Scratch編程感興趣，從而更好地進行學(xué)習(xí)。

1）任務(wù)分層。導(dǎo)入課程后，學(xué)生都有了自己的想法，但是怎么樣將游戲與變量結(jié)合起來成為接下來教學(xué)的重點，因此提出三個學(xué)習(xí)任務(wù)：一是新建一個變量;二是理解變量語句;三是將變量插入到之前設(shè)計的游戲當中。通過關(guān)系密切且難度逐漸增加的三個學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生在完成任務(wù)的過程中逐步提高。每個小組先完成第一個任務(wù)，之后領(lǐng)取下一個任務(wù)，這樣不僅可以幫助教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進程，還可以增強小組之間的競爭意識，提高學(xué)習(xí)效率。

【設(shè)計意圖】計算思維是將一個龐大、復(fù)雜的問題不斷分解成簡單的、一個一個的小問題，從而解決問題的一種思維方式。而變量是一個比較模糊的概念，學(xué)生并不知道要從何處下手，因此，教學(xué)設(shè)計的時候?qū)⒅R分為認識、理解、運用三個層次，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對知識有深刻的理解，并且能運用到實際教學(xué)中去。

2）有效反饋。理解變量語句是本節(jié)課的重點，為此讓幾個學(xué)生介紹自己的游戲設(shè)計思路及變量設(shè)計意圖，教師根據(jù)學(xué)生的講解，將主要語句和設(shè)計思路羅列在白板上，讓學(xué)生分組討論，共同探索變量的設(shè)計。

【設(shè)計意圖】學(xué)生結(jié)合自己設(shè)計的游戲嘗試應(yīng)用“變量”語句，通過討論設(shè)計意圖，不僅學(xué)會了變量，還在教師的指導(dǎo)下總結(jié)出編程中的一些基本方法。這也屬于計算思維，即學(xué)生通過分析相似的對象或經(jīng)驗，找出其中的共同點，從而創(chuàng)造自己的模式。這就是計算思維很重要的內(nèi)容——模式識別和抽象。通過教學(xué)生模式識別和抽象，不僅可以解決學(xué)生未來學(xué)習(xí)中遇到的問題，還可以擴展學(xué)生對周圍世界的認識，對世界做出預(yù)測。

3）應(yīng)用梳理。教師直接展示一位學(xué)生的游戲腳本，請其他學(xué)生來分析他的游戲腳本設(shè)計了什么樣的游戲任務(wù)，找出其中的變量。在閱讀腳本的過程當中，學(xué)生會看到其他學(xué)生的游戲腳本與自己的游戲腳本的異同點，在互相交流的過程中提出問題和解決問題，完善自己的游戲設(shè)計。

【設(shè)計意圖】讓學(xué)生通過對比其他學(xué)生的游戲腳本，將自己的游戲腳本設(shè)計得更加完善，形成算法思維，這就是計算思維中有關(guān)于算法的設(shè)計，即創(chuàng)建順序規(guī)則，從而解決問題。雖然學(xué)生目前還沒有獨立設(shè)計算法的能力，但在本節(jié)課中嘗試根據(jù)自己的游戲設(shè)計，利用多樣的算法來實現(xiàn)游戲編寫。

4）經(jīng)驗交流。在本節(jié)課結(jié)束之前，學(xué)生共同欣賞各小組提交的優(yōu)秀作品，討論交流游戲設(shè)計的優(yōu)點和需要改進之處，并對之后的游戲設(shè)計提出展望，如增加挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)、比賽倒計時、原地復(fù)活等。

【設(shè)計意圖】學(xué)生觀賞優(yōu)秀作品，教師引導(dǎo)學(xué)生不斷進行思考，通過一次次的交流，不斷完善自己的作品，并對之后的游戲設(shè)計提出暢想，不僅鍛煉學(xué)生的計算思維能力，還讓學(xué)生參與實踐，體會學(xué)習(xí)的快樂。

教師通過運用任務(wù)驅(qū)動式學(xué)習(xí)、問題解決式學(xué)習(xí)和以學(xué)生為中心的自主探究模式等教學(xué)方法，將游戲化教學(xué)和計算思維培養(yǎng)滲透到教學(xué)過程中。而計算思維的問題分解、模式識別、抽象、算法思維四個組成部分也為之后將計算思維培養(yǎng)融入教學(xué)設(shè)計中提供了新的思路。

5? 總結(jié)

隨著對計算思維認識的不斷深入，計算思維的培養(yǎng)策略也越來越多，但將游戲化教學(xué)與計算思維培養(yǎng)結(jié)合起來的研究則比較少。因此，將計算思維的問題分解、模式識別、抽象、算法設(shè)計四個部分融入教學(xué)設(shè)計中，以教學(xué)游戲為線索，通過教學(xué)設(shè)計有效培養(yǎng)計算思維。經(jīng)過研究，可以總結(jié)出計算思維的培養(yǎng)方法：首先，將教學(xué)中比較困難、龐大的問題進行分層設(shè)計，從認識、理解、運用三個方面進行學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計;其次，在理解知識進程中對教學(xué)活動進行設(shè)計，從問題中尋找經(jīng)驗并舉一反三，將其運用到其他問題中，得到一般性規(guī)律和趨勢，從而實現(xiàn)計算思維的模式識別;再次，通過教師的引導(dǎo)對問題進行抽象，即總結(jié)問題解決過程中的一般思路，形成解決方案;最后，進行學(xué)生自評，形成學(xué)生自己的算法思維。通過小游戲的編程將四個環(huán)節(jié)充分應(yīng)用于教學(xué)過程中，從而培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，也為之后的Scratch編程教學(xué)提供了新思路。

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