面向高中生計算思維培養(yǎng)的 Python游戲化編程教學設計研究

岳彥龍 袁亞娜 張學軍

摘? ?要：利用編程教學培養(yǎng)計算思維已成為業(yè)界共識，數(shù)字游戲和編程能夠有效結合，因此，游戲化編程教學不僅可以培養(yǎng)計算思維，還能夠有效避免傳統(tǒng)編程教學的局限性。文章在分析計算思維要素、Python五大核心概念及數(shù)字游戲要素的基礎上，構建了三者之間的關系模型，進一步提出了面向高中生計算思維培養(yǎng)的Python游戲化編程教學模型，并基于該教學模型，以“貪吃蛇”游戲為例，介紹了具體教學設計方法。

關鍵詞：計算思維;Python;DGBL;教學設計;高中生

中圖分類號：G434;TP314 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）22-0093-04

一、問題的提出

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱《2017年課標》）將計算思維列為信息技術學科核心素養(yǎng)之一[1]，可見智能時代計算思維對人才創(chuàng)新和科技創(chuàng)新的重要性。

計算思維（Computational Thinking）的提出可以追溯到20世紀50年代[2]，2006年美國卡內(nèi)基·梅隆大學的周以真教授給出了較為公認的界定，她認為計算思維需要通過借鑒計算機科學的基本概念來解決問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為[3]。Shute認為可以通過編程、機器人、游戲以及非數(shù)字干預等手段或方法來培養(yǎng)計算思維[4]。雖然編程技能與計算思維技能是不相同的，但是會編程是能夠進行計算思維的一個前提條件，因此，通過編程教學培養(yǎng)計算思維已成為共識。

然而在傳統(tǒng)的編程教學中利用編程語言教學，容易使學習變得枯燥、乏味，從而導致學習效果不佳，當然也就無法談及計算思維的培養(yǎng)。Kazimoglu通過對自愿參加的25名被試學生的反饋分析，結果證明通過玩數(shù)字游戲在學習編程的過程中培養(yǎng)計算思維是有效的[5]。但人們的關注大多在如何培養(yǎng)計算思維上，是在做實證研究，對于利用游戲化編程教學培養(yǎng)計算思維的教學設計研究寥寥無幾。所以，本研究嘗試在該方面做一些探索。

二、基于數(shù)字游戲的學習

那么，什么是數(shù)字游戲呢？Prensky[6]將數(shù)字游戲等同于電腦游戲，而Deniz[7]認為數(shù)字游戲是一種新媒介，數(shù)字游戲是對現(xiàn)實的一種改造，它是通過符號系統(tǒng)對閱讀系統(tǒng)進行編碼，再加上聲音來創(chuàng)造和傳遞信息。數(shù)字游戲不僅包括電腦游戲，還包括雅達利游戲、手機游戲、游戲機游戲等，因此，本研究贊同Deniz的說法。從某種意義上來說，數(shù)字游戲是一種個人媒體，它包含了新媒體的數(shù)字化、交互性、虛擬性、多樣性、模塊化等特征，并將這些特征融入到游戲的行為中。雖然基于實體的傳統(tǒng)游戲概念被數(shù)字制作的游戲媒介所取代，但是數(shù)字游戲還是保留了傳統(tǒng)游戲的要素，即場景、角色、交互、規(guī)則、挑戰(zhàn)。

基于數(shù)字游戲的學習（Digital Game-Based Learning，簡稱“DGBL”）是由Prensky[6]提出的，是指任何教育內(nèi)容與數(shù)字游戲相結合進而產(chǎn)生學習的一種學習方式。但是該方式是基于一定的假設，即教育內(nèi)容要能夠和數(shù)字游戲進行結合或融合，這樣一來才能實現(xiàn)與傳統(tǒng)學習方法一樣甚至更好的效果。

那么，基于數(shù)字游戲的學習是否真的有效？答案是肯定的?；跀?shù)字游戲的學習有效的三個主要原因如下：①將學習融入游戲環(huán)境能夠增加參與度，這是相當重要的，尤其是對于那類厭惡學習的人來說;②基于數(shù)字游戲的學習是互動的，因為它要求學生自己動手做;③基于數(shù)字游戲的學習是解決問題的過程，能夠激發(fā)學生的創(chuàng)造力。通過對上述原因的分析可以發(fā)現(xiàn)，基于數(shù)字游戲的學習是有效的也是可行的。但是，難點在于如何將數(shù)字游戲和學習結合在一起。Prensky[6]從參與和學習兩個視角進行考慮基于數(shù)字游戲的學習的有效性，如圖1所示。他根據(jù)參與和學習兩個維度，將游戲化學習分為三類：基于數(shù)字游戲的學習（DGBL）、純游戲、基于計算機的訓練（CBT）。當?shù)屯度?低學習（第三象限）時是基于計算機的訓練，而當高參與性/低學習性 （第二象限）時就只是純游戲，只有當參與性和學習性都很高（第一象限）時，基于數(shù)字游戲的學習才會發(fā)生。因此，需要選擇或創(chuàng)造一種能夠吸引玩家的游戲風格和一種能夠教授玩家所需要的內(nèi)容的學習風格，然后以某種方式將兩者融合在一起。此外，還需要考慮環(huán)境、技術和可用資源。

三、Python游戲化編程教學模型

1.計算思維、Python、數(shù)字游戲之間的關系模型

計算思維、Python及數(shù)字游戲之間的關系是構建Python游戲化編程教學模型的基礎。本研究根據(jù)三者要素之間的關聯(lián)建構了如圖2所示的關系模型。該模型主要分為三層，由里到外依次是計算思維、Python和數(shù)字游戲。

最內(nèi)層是計算思維，也是要實現(xiàn)的最終目標。本研究依據(jù)Google公司2018年推出的面向全球教育者的計算思維課程，將計算思維分為分解、模式識別、抽象和算法四個要素[8]。

中間層為近幾年興起的編程語言Python，Python依靠其強大的第三方庫在網(wǎng)絡爬蟲、數(shù)據(jù)分析、文本處理、用戶圖形界面、Web開發(fā)以及游戲開發(fā)等方面展現(xiàn)出強大的功能[9]，也是計算思維培養(yǎng)的有效方式之一。Python作為面向?qū)ο蟮恼Z言，具有類、對象、屬性、方法、事件五大核心概念。

最外層是繼承了傳統(tǒng)游戲要素（即場景、角色、交互、規(guī)則、挑戰(zhàn)）而形成的數(shù)字游戲，作為一種個人媒介，具有數(shù)字化、交互性、虛擬性、多樣性、模塊化等特征，能夠和學習內(nèi)容按照某種方式結合，并通過參與和學習兩個視角形成基于數(shù)字游戲的學習。

三者呈現(xiàn)這種關系的原因是，三者各要素之間存在某種天然的聯(lián)系，即各要素之間能夠直接映射，進而能夠通過游戲化編程教學從四個方面對計算思維進行培養(yǎng)。

2.Python游戲化編程教學模型

在對計算思維、Python及數(shù)字游戲之間關系梳理的基礎上，結合教學設計相關內(nèi)容構建了如圖3所示的面向高中生計算思維培養(yǎng)的Python游戲化編程教學模型。

該教學模型主要分為兩部分：

一是教師活動。在教師活動中，教師首先要確定教學目標（這里的教學目標包括：數(shù)字游戲制作情況的目標、Python編程語言掌握情況的目標以及計算思維培養(yǎng)情況的目標）、分析學習者（高中生）現(xiàn)有的基礎和認知水平以及分析教學內(nèi)容（所教Python知識點與數(shù)字游戲等內(nèi)容），然后要向?qū)W生告知本節(jié)課的學習目標;其次，創(chuàng)設數(shù)字游戲教學情境需要的對話并設置相應的問題;再次，對Python知識點進行講解，并根據(jù)計算思維的要素對數(shù)字游戲進行分析。在課堂上，教師要時刻觀察學生的反應并提供及時的指導;最后，教師針對學生做出的數(shù)字化游戲進行點評并總結本節(jié)課的學習內(nèi)容。

二是學生活動。在學生活動中，首先，正式上課之前學生要明確依據(jù)自己的學習情況制定合理的學習目標，目標能夠給學生學習的動力，接著學生要感知并熟悉本節(jié)課的學習或教學情境，明確所要解決的問題;其次，在教師講解的同時，要將理解轉化為知識，并思考數(shù)字游戲的制作;再次，學生要利用計算思維中分解、模式識別、抽象、算法等要素，并結合所學的Python知識點分析問題、提出解決方案并實施方案;最后，在課堂上對自己的數(shù)字化游戲進行分享并對他人制作的數(shù)字化游戲進行交流。與此同時，學生在分析問題、提出解決方案、實施方案、分享與交流等環(huán)節(jié)，要善于進行反思與總結，并及時調(diào)用教師所講的內(nèi)容進行總結，以達到提升學生計算思維的目的，避免在日后的學習中走彎路。

四、“貪吃蛇”游戲的教學設計

1.教學目標

無論是一節(jié)課的教學或是單元教學，甚至是一門課程，教學目標是必要的，而且教學目標的高低會直接影響到學生的學習效果。按照維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”理論，教學目標的設定不能超過其潛在水平，也不能低于其現(xiàn)有水平，而是要著眼于學生的最近發(fā)展區(qū)設置合適的教學目標，并根據(jù)學生的學習情況及時調(diào)整教學目標，逐步進行下一個發(fā)展區(qū)的發(fā)展，不斷逼近學生的潛在水平。

本研究中“貪吃蛇”游戲案例的教學目標主要有三個方面：計算概念、計算實踐和計算觀念[10]。每一方面又分別對應計算思維的培養(yǎng)目標、Python編程知識目標、數(shù)字游戲的目標。按照三者之間的關系模型設置了以下的教學目標，如表1所示。

2.學習者分析

學習者既是教學對象，也是學習的主體，對于學習者的分析應從學習者的現(xiàn)有基礎、認知水平、學習風格等維度進行。如本研究案例中學習者為高中一年級學生，在第一學期學生已經(jīng)學習過Python編程，對Python中的變量、列表、判斷、循環(huán)、函數(shù)等知識有一定掌握，但是對于Python編程的類、對象、屬性、方法、事件五大核心概念并不了解。高中生的邏輯思維、抽象思維等有了進一步的發(fā)展，有利于計算思維的培養(yǎng)，并且高中生對游戲感興趣，更傾向于基于數(shù)字游戲的學習。

3.教學內(nèi)容分析

教學內(nèi)容是為了實現(xiàn)教學目標，是要求學習者系統(tǒng)學習的知識、技能和思想、行為的總和。教學內(nèi)容分析的目的在于揭示教學目標規(guī)定的且需要學生形成的能力或傾向的構成成分及其層次關系，并據(jù)此確定促使這些能力或傾向習得的有效教學條件[11]。本研究案例中的教學內(nèi)容主要是用Python編程實現(xiàn)“貪吃蛇”游戲，涉及到的Python知識主要是類、對象、事件、屬性、方法五大核心概念，同時根據(jù)圖2所示的三者之間的關系模型，分析計算思維的四要素、Python的五大核心概念、游戲的五要素之間具體的對應關系，分析結果如表2所示。

4.教學流程

教學流程即按照一定的規(guī)則先后展開教學活動的程序。在實際的教學中，教學流程會隨著教學活動發(fā)生改變，因此要設計合理的教學流程，并要根據(jù)教學情況及時調(diào)整或者修改教學流程。

本研究“貪吃蛇”案例中，首先，教師要告知學習者學習目標，在學習者明確學習目標的基礎上，教師提出兩個問題：①Python中的五大核心概念成為解決問題通用概念的原因是什么？②“貪吃蛇”游戲是如何利用這五大核心概念來實現(xiàn)的？然后通過展示“貪吃蛇”游戲的代碼視圖以及調(diào)試游戲創(chuàng)設基于數(shù)字游戲?qū)W習的情境;其次，教師需要對制作該游戲，所需要的Python編程知識（即五大核心概念：類、對象、事件、屬性、方法）進行精講，并根據(jù)表2中的分析結果和計算思維的四要素對“貪吃蛇”游戲進行分析，揭示“貪吃蛇”游戲制作的過程及運行原理;再次，教師指導學生分析前面提出的相關問題，提出相應的解決方案并實施;最后，組織學生進行作品的展示與交流，并針對學生的學習做總結和點評。

五、結語

國內(nèi)外利用編程教學培養(yǎng)計算思維已成為共識。Python作為一門強大的編程語言，能夠和數(shù)字游戲有效結合，由于傳統(tǒng)編程教學存在一定的局限性，因此，通過游戲化編程教學培養(yǎng)計算思維是一種較好的選擇。自《2017年課標》發(fā)布以來，如何利用信息技術各模塊的內(nèi)容培養(yǎng)信息技術學科核心素養(yǎng)，進而促進新課標的落地已成為當下的研究熱點，要實現(xiàn)新課標的落地就要對信息技術教學理論和實踐不斷探索。本研究對通過Python游戲化編程教學培養(yǎng)計算思維的教學設計進行研究，希望能給研究者和一線教師帶來借鑒和啟示。

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（編輯：李曉萍）