基于游戲驅(qū)動的Java程序設(shè)計課程教學(xué)改革研究

張思 向華

摘 ?要： 游戲作為一種功能強(qiáng)大的教學(xué)工具，在軍事訓(xùn)練以及企業(yè)培訓(xùn)方面都已經(jīng)取得了顯著成效。針對Java編程課程教學(xué)中遇到的一些實際問題，探討了游戲驅(qū)動的教學(xué)模式，對于不同專業(yè)，不同基礎(chǔ)的學(xué)生使用不同的游戲工具激發(fā)其自主學(xué)習(xí)的興趣，最終實現(xiàn)了學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)和編程技巧的掌握。

關(guān)鍵詞： Java編程; 游戲驅(qū)動模式; 自主學(xué)習(xí); 計算思維

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號：1006-8228（2015）01-72-03

Research on teaching reform of Java program design course based on game-driven mode

Zhang Si， Xiang Hua

（Department of Mathematics and Computer Science， Jianghan University， Wuhan， Hubei 430056， China）

Abstract： Games， as powerful teaching tools， have achieved remark able result sinmilitary training and corporate training. Aiming at some practical problems in Java programming course teaching， how to inspire students who has different majors and basic knowledgeby using the game-driven teaching mode are discussed to teach students to understand computational thinking and master the programming skills.

Key words： Java programming; game-driven mode; self learning; computational thinking

0 引言

世界上第一個計算機(jī)游戲是由英國劍橋大學(xué)A.S. Douglas博士于1952年開發(fā)的，他的研究方向是人機(jī)交互。計算機(jī)游戲隨后發(fā)展涉及計算機(jī)科學(xué)研究的許多領(lǐng)域。例如：模擬仿真，人工智能，圖形圖像，嵌入式開發(fā)，人機(jī)交互，網(wǎng)絡(luò)通信以及云計算等。杜克大學(xué)人體仿真和病人安全中心主任 Jeffrey Taekman指出：“游戲和虛擬環(huán)境是教育的未來?！苯?jīng)常可以看到關(guān)于學(xué)生廢寢忘食地沉迷于游戲世界的報道。學(xué)生對于游戲是沒有免疫力的，古語有云：“水能載舟，亦能覆舟。”如果教師在教學(xué)中能利用游戲的這種吸引力，現(xiàn)有的很多程序設(shè)計類課程課堂教學(xué)中存在的問題將迎刃而解。

1 現(xiàn)狀及問題

1.1 學(xué)生水平參差不齊，學(xué)習(xí)興趣不高

Java程序設(shè)計課程在大學(xué)里開設(shè)一般作為選修課。課程面向不同專業(yè)的學(xué)生，這些學(xué)生的計算機(jī)基礎(chǔ)不同，數(shù)學(xué)底子，抽象思維以及邏輯分析能力也各不相同，關(guān)鍵的是學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)也各不相同。對于以后不從事程序設(shè)計相關(guān)工作的學(xué)生，其學(xué)習(xí)興趣自然不會高。例如非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生一般都是以通過等級考試，拿學(xué)分為目的。以通過考試為目標(biāo)的學(xué)生，機(jī)械式地學(xué)習(xí)程序語法，當(dāng)然會覺得課程教學(xué)內(nèi)容枯燥。有相當(dāng)一部分學(xué)生認(rèn)為大學(xué)專業(yè)課是重點，程序設(shè)計課與專業(yè)不相關(guān)，學(xué)不學(xué)都可以。國家教育部對高等學(xué)校非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是有程序閱讀基礎(chǔ)，有理解程序的能力，完成相關(guān)課程后學(xué)生應(yīng)該能夠?qū)⒊绦蛟O(shè)計方法應(yīng)用到自己相關(guān)的領(lǐng)域中去。

1.2 學(xué)生多，教師少，互動效果差

Java程序設(shè)計課程，在大學(xué)里一般采用大班授課形式，而從事非計算機(jī)專業(yè)公共課教學(xué)的教師人數(shù)很少。以筆者所在學(xué)校（江漢大學(xué)）為例，選修課人數(shù)一般在40人至80人之間，人數(shù)多的班達(dá)到110人以上，而負(fù)責(zé)公共課教學(xué)任務(wù)的計算中心教師只有15人。課程教學(xué)一般采取多媒體上機(jī)教學(xué)。教師通過教學(xué)平臺軟件控制學(xué)生機(jī)，演示教學(xué)內(nèi)容;學(xué)生通過提問的方式與教師交流互動。實驗教學(xué)一般是學(xué)生在機(jī)房獨(dú)立完成實驗計劃上統(tǒng)一的項目方案，實驗課沒有實驗員，只有一名教師。對于這么懸殊的師生比例，很難做到因材施教。

采用傳統(tǒng)課程講授與實驗上機(jī)輔導(dǎo)相結(jié)合的方式，一個班的學(xué)生多時，授課教師無法保證每個學(xué)生都能及時消化課堂上的知識。有些比較內(nèi)向的學(xué)生即使不懂也不好意思向教師提問，長期積累，這些學(xué)生會越掉越遠(yuǎn)，出現(xiàn)厭學(xué)情緒。上課時間學(xué)生心不在焉，看手機(jī)，微信聊天，玩掃雷，玩紙牌游戲等情況屢見不鮮。

1.3 教學(xué)內(nèi)容多實驗課時少，與實際應(yīng)用脫節(jié)

Java程序設(shè)計課程基礎(chǔ)內(nèi)容是學(xué)習(xí)簡單數(shù)學(xué)算法，數(shù)據(jù)類型，程序結(jié)構(gòu)，函數(shù)方法調(diào)用，輸入輸出處理等;高級內(nèi)容涵蓋面向?qū)ο笤O(shè)計，GUI界面設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)功能開發(fā)，多線程等內(nèi)容。以江漢大學(xué)為例：Java程序設(shè)計課程只有48個學(xué)時，其中實驗為16個學(xué)時。教師在規(guī)定學(xué)時內(nèi)要讓學(xué)生掌握以上的全部知識點，每節(jié)課的信息量很大。教師上課時只能以講授理論知識為主而無暇顧及具體實踐。除計算機(jī)專業(yè)學(xué)生外，大多數(shù)學(xué)生都不知道學(xué)完以后能做什么，很迷茫，找不到方向。教師單純講這些課程內(nèi)容難免會讓學(xué)生覺得枯燥無味，同時學(xué)生也只能管中窺豹，無法感受程序設(shè)計開發(fā)的整體過程。學(xué)生所學(xué)理論知識無法貫穿于實踐，更加無法在實際中應(yīng)用。

如果說算法設(shè)計的是計算機(jī)科學(xué)的內(nèi)家功夫，那么程序設(shè)計語言就是外家功夫。程序設(shè)計這門外家功夫講究的是無招勝有招，而填鴨式的學(xué)習(xí)語法，無法在真實項目中做到見招拆招。只有學(xué)生具備了計算思維[1]，那么無論使用何種編程語言，都將輕松入門。

2 游戲教學(xué)法

游戲教學(xué)法意味著打破傳統(tǒng)按章節(jié)知識點授課的方式，從實際游戲項目出發(fā)，在游戲設(shè)計開發(fā)的過程中，讓學(xué)生從親身經(jīng)歷的案例中分析原理，從實際現(xiàn)象中看出本質(zhì)，最后將自己抽象領(lǐng)悟出來的概念與通書本上的理論知識相對應(yīng)。圖1是游戲教學(xué)模式示意圖。

[綜合運(yùn)用][基礎(chǔ)功能][創(chuàng)意功能][理論][實踐] [課程

知識點] [專業(yè)][生活]

圖1 ?游戲教學(xué)模式

通過游戲驅(qū)動學(xué)習(xí)[2]，有很多優(yōu)點。首先，游戲很容易抓住學(xué)生的注意力，引起學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)。其次，游戲世界里GameOver并不代表要受到懲罰，學(xué)生可以StartOver，把失敗當(dāng)成一次學(xué)習(xí)的機(jī)會。最后，游戲讓學(xué)習(xí)者自己發(fā)現(xiàn)探索規(guī)律，而不是有老師闡述告知結(jié)果。

對于非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，通過學(xué)習(xí)程序設(shè)計課程，能夠掌握按照計算機(jī)方式分析和解決問題的能力，這是基本要求，而學(xué)會理性的、合乎邏輯的處事方式才是最終理想效果。游戲教學(xué)法不僅讓學(xué)生學(xué)到書本上有的知識，還可以從自己的專業(yè)出發(fā)，結(jié)合實際生活中的一些奇思妙想，在原有經(jīng)典游戲的基礎(chǔ)上開發(fā)出一些有創(chuàng)意的功能。

3 實施方法

3.1 課程組織

在傳統(tǒng)的教室上課模式基礎(chǔ)上改進(jìn)為“大學(xué)計算機(jī)公共課全機(jī)房教學(xué)模式[3]”。教學(xué)中，把授課同上機(jī)相結(jié)合，統(tǒng)一機(jī)房教學(xué)，通過經(jīng)典游戲案例教學(xué)方式，精講多練，將學(xué)生吸引到教學(xué)活動中來，使學(xué)生成為課堂教學(xué)主體。在多媒體機(jī)房，一人一機(jī)，即講即練。

3.2 教學(xué)安排

從傳統(tǒng)的按知識結(jié)構(gòu)體系的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變成以游戲項目為中心的教學(xué)模式是切實可行的教學(xué)方案[4]。在課程教學(xué)實踐進(jìn)程中，以游戲案例為導(dǎo)向，以教師的演示和講解為輔助，學(xué)生為主體合作、討論，教師對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行組織優(yōu)化，構(gòu)建培養(yǎng)以自主學(xué)習(xí)[5]為核心的課程知識體系，選擇典型的游戲案例作為教學(xué)內(nèi)容，形成切實可行的游戲開發(fā)的教學(xué)方案。例如：Java程序設(shè)計課程重點難點一般包括：常用系統(tǒng)類的使用，數(shù)組的運(yùn)用，OOP設(shè)計及實現(xiàn)，Java多線程，Java圖形用戶界面設(shè)計等。以下用一個游戲為例，闡述如何將游戲從小做大，將知識點隱形地傳達(dá)給學(xué)生。

整個游戲項目開發(fā)周期中有三個關(guān)鍵版本：首先是CLI文字顯示游戲版本，其次是GUI界面顯示游戲版本，最后是基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)游戲版本。教師可以根據(jù)學(xué)生掌握情況調(diào)節(jié)項目開發(fā)難度。圖2是整個游戲的UML設(shè)計圖。

圖2 ?游戲設(shè)計UML圖

在第一個版本中，主要是對學(xué)生面向?qū)ο缶幊碳寄艿腻憻?。知識點涵蓋Java泛型數(shù)據(jù)類型，函數(shù)方法的使用，類的定義，對數(shù)據(jù)的抽象以及封裝，對象的使用，一維和二維數(shù)組的使用，文件數(shù)據(jù)讀取生成對象，對象序列化輸出以保存游戲狀態(tài)，游戲事件處理機(jī)制，使用繼承和多態(tài)機(jī)制實現(xiàn)地形，以及卡牌的多樣性。

圖3 ?游戲GUI界面截圖

第二個版本是讓學(xué)生練習(xí)如何使用Java自帶的Swing，以及AWT庫設(shè)計和實現(xiàn)GUI界面。主要工作是設(shè)計并實現(xiàn)組成用戶界面的各個組件，通過布局管理器合理排布管理它們在容器中的位置。針對各個組件產(chǎn)生的事件編程，處理并響應(yīng)不同的事件。通過使用雙緩沖原理，實現(xiàn)游戲動畫的流程效果。圖3為演示游戲的GUI界面截圖。

第三個版本是在前面單機(jī)游戲基礎(chǔ)上考察學(xué)生對于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識的理解和掌握情況。其中涉及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的C/S結(jié)構(gòu)，IP地址和端口的概念理解，TCP協(xié)議的使用和Java編程實現(xiàn)方式。

3.3 實驗教學(xué)

游戲有不同的類型題材，學(xué)生也有不同的專業(yè)背景。對于非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，程序設(shè)計是一個全新的領(lǐng)域，計算思維是一種新的思維方式。當(dāng)人初次接觸一個新事物時，抵觸和恐懼往往大于好奇和興奮。

對非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生，需要采用投其所好的教學(xué)策略。首先從他們熟悉的方向著手，再慢慢地使其解除抵觸心理，最后引導(dǎo)其學(xué)習(xí)并掌握新知識。表1中列舉了一些案例。

表1 ?學(xué)生專業(yè)與游戲類型對應(yīng)表

[學(xué)生專業(yè)＼&游戲類型＼&例子＼&文史專業(yè)＼&文字類游戲＼&“王”字加一筆，變成哪些字＼&藝術(shù)專業(yè)＼&圖形或音樂類游戲＼&“你畫我猜”，“聽曲識歌”＼&外語專業(yè)＼&單詞類游戲＼&“Crossword” 線索填單詞＼&理工專業(yè)＼&復(fù)寫經(jīng)典類型＼&“俄羅斯方塊”，“掃雷”＼&]

學(xué)生能力有差異，為了避免一刀切的現(xiàn)象，在實施教學(xué)方案時，教師可以根據(jù)學(xué)生情況調(diào)整難度系數(shù)。根據(jù)學(xué)生能力的不同，將游戲劃分成不同模塊分步完成。

對于基礎(chǔ)好的學(xué)生，可以直接提出需求，具體實現(xiàn)上留空間讓其創(chuàng)造發(fā)揮。下面以俄羅斯方塊游戲為例：復(fù)刻經(jīng)典游戲-俄羅斯方塊，要求使用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想，至少用三個以上的類實現(xiàn)功能，為游戲添加一個有趣的新功能。

對于基礎(chǔ)一般的學(xué)生，可以在給出需求的同時，提供一定的接口，將功能細(xì)化，把大任務(wù)分解成多個小任務(wù)。例如：在素材中有Tetris.java，Shape.java，Board.java三個文件，獨(dú)立實現(xiàn)源代碼中留空的方法函數(shù)。

對于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，可以提供一個主體功能缺失，輔助功能完備的程序模板，讓其實現(xiàn)主要功能函數(shù)方法。例如：編譯運(yùn)行素材中的俄羅斯方塊游戲，游戲中消除滿行方塊功能未實現(xiàn)，請在代碼指定函數(shù)方法處實現(xiàn)該的功能。

3.4 考核評級

平時成績和期末考試成績占比分別為40%和60%。平時成績中又分為兩塊內(nèi)容：課堂活躍度和實驗完成度，如圖4所示。期末考試實行教考分離，計算機(jī)上機(jī)考試，機(jī)器閱卷的形式。

圖4 ?學(xué)生成績考核評級占比

4 結(jié)束語

游戲教學(xué)模式改變了知識傳授方式，通過解決實際問題，把相對獨(dú)立的知識點融會貫通，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生計算思維。游戲教學(xué)模式對提升程序設(shè)計類課程實用性，培養(yǎng)學(xué)生實際應(yīng)用能力也起到了一定效果。盡管如此，這種教學(xué)模式相對于傳統(tǒng)教學(xué)模式來說有其復(fù)雜性，如大大增加了教師的工作量;需要教師投入更大的精力和時間，更加全面，合理地制定教學(xué)策略。僅靠一兩門課就要求學(xué)會不同思維模式之間的轉(zhuǎn)換是不切實際的，下一步游戲教學(xué)研究重心會放在如何通過移動平臺游戲整合零碎學(xué)習(xí)時間，大幅提升學(xué)生在課堂之外的自主學(xué)習(xí)時間。

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