利用游戲化編程培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力

李穎

【摘 要】“計(jì)算思維”是學(xué)生的核心素養(yǎng)之一，它對學(xué)生思維方式和思維習(xí)慣的發(fā)展起著重要作用。本文以高中“算法與程序設(shè)計(jì)”中的VB編程教學(xué)為例，探索游戲化編程對計(jì)算思維能力培養(yǎng)的影響。通過實(shí)踐案例探討游戲化編程對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生計(jì)算思維能力的可行性。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;游戲化;VB編程

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號】1671-7384（2020）011-072-04

編程教學(xué)中存在的問題

在信息化和人工智能的時(shí)代背景下，信息技術(shù)課程不能只是單純地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)解決問題的方案。在高中VB教學(xué)中，雖然大部分學(xué)生能夠熟練地使用VB中的窗體、標(biāo)簽、文本框、命令按鈕等常用控件設(shè)計(jì)界面，進(jìn)行簡單的程序設(shè)計(jì)，卻不知如何更好地應(yīng)用這些控件進(jìn)行軟件開發(fā)，將學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用在解決日常問題中。因此，尋找合適的教學(xué)模式來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，讓學(xué)生在編程解決問題的過程中培養(yǎng)計(jì)算思維顯得尤為重要。

計(jì)算思維及游戲化編程

2017年教育部頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》將計(jì)算思維確定為信息技術(shù)學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)之一，提出“在信息活動(dòng)中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)”的培養(yǎng)目標(biāo)。要讓計(jì)算機(jī)幫助我們解決問題，就需要人們事先設(shè)定好解決問題的算法。因此，設(shè)計(jì)算法和編寫程序是解決問題過程中的重要環(huán)節(jié)。這就要求在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、設(shè)計(jì)問題解決方案的計(jì)算思維能力。

游戲化設(shè)計(jì)就是將游戲或游戲元素、游戲理念應(yīng)用到一些非游戲情境中。“游戲化編程”即設(shè)計(jì)規(guī)則簡單、開發(fā)難度較低的游戲任務(wù)，把抽象的問題變得形象生動(dòng)，讓學(xué)生在探究的過程中掌握程序設(shè)計(jì)語言基本語句的使用方法，并利用這些語句完成現(xiàn)實(shí)任務(wù)，增強(qiáng)學(xué)生編程能力，同時(shí)提升學(xué)生計(jì)算思維能力。

游戲化編程教學(xué)實(shí)施案例

1.猜拳游戲

在生活中，我們常常選擇猜拳游戲來解決爭議。在設(shè)計(jì)猜拳游戲時(shí)，可用隨機(jī)數(shù)來模擬出拳情況，通過邏輯判斷，判斷選手的輸贏。假設(shè)兩個(gè)選手進(jìn)行游戲，當(dāng)點(diǎn)擊“第n回合”按鈕，A、B兩個(gè)選手隨機(jī)出拳，并根據(jù)結(jié)果對其計(jì)分。

（1）分解問題，理清思路

觀察猜拳游戲任務(wù)，我們可以分解出兩個(gè)核心問題。

問題1：A、B選手如何隨機(jī)出現(xiàn)“剪刀”“石頭”“布”等圖片？

問題2：如何根據(jù)猜拳游戲規(guī)則，對A、B對手進(jìn)行計(jì)分？

對問題逐個(gè)進(jìn)行觀察，思考之前是否解決過類似問題，可以用哪些學(xué)過的方法來處理這些問題，讓學(xué)生學(xué)有所用。

（2）抽象特征，設(shè)計(jì)算法

抓住問題的特征：在問題1中，“剪刀”“石頭”“布”以圖片呈現(xiàn)，那么學(xué)生就需要學(xué)會(huì)設(shè)定VB中Image工具控件中用到的屬性值;出拳結(jié)果是隨機(jī)的，可以使用學(xué)過的隨機(jī)函數(shù)Rnd（）來控制隨機(jī)現(xiàn)象;量化圖片，將3張圖片進(jìn)行編碼，即“1”表示“剪刀”，“2”表示“石頭”，“3”表示“布”。

根據(jù)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，選擇并加載相應(yīng)圖片。例如：若隨機(jī)數(shù)為1，則加載剪刀圖片。

在問題2中，如何描述選手間的勝負(fù)情況并進(jìn)行計(jì)分，是本節(jié)課的重點(diǎn)。在問題1中已經(jīng)使用編碼來代替出拳，列舉A選手獲勝的出拳情況，并進(jìn)行邏輯判斷，如表1所示。

同理可得B選手獲勝的情況，當(dāng)兩者出拳相同即編碼相等時(shí)為平局。

（3）編寫程序，解決問題

分別為A、B選手各創(chuàng)建1個(gè)Image控件加載出拳圖片，設(shè)定用變量為x、y存放A、B選手的出拳情況，計(jì)分變量s1、s2。利用隨機(jī)函數(shù)Rnd（）產(chǎn)生1到3的隨機(jī)整數(shù)并賦值給x、y，根據(jù)游戲規(guī)則判斷輸贏，將結(jié)果存入A、B選手的計(jì)分變量中。部分代碼如下：

學(xué)生通過以上步驟，編寫程序代碼，并調(diào)試運(yùn)行，測試游戲效果。

教學(xué)時(shí)，大部分學(xué)生能獨(dú)立完成游戲任務(wù)，并表現(xiàn)出成就感。但同時(shí)也提出了許多想法，希望能繼續(xù)優(yōu)化游戲設(shè)計(jì)。例如，選手出拳時(shí)能否實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)畫面？能否設(shè)置五局三勝？于是我們引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探索定時(shí)器等控件的應(yīng)用，綜合所學(xué)知識(shí)，形成解決問題的方案，增強(qiáng)游戲的趣味性。在游戲任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性有了明顯的提高，能主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)和思考問題，很好地掌握課堂中要求的任務(wù)和知識(shí)，計(jì)算思維能力有一定的提高。

2.打地鼠游戲

打地鼠游戲是眾多游戲中比較簡單且容易實(shí)現(xiàn)的，廣為大眾所喜愛。但是，當(dāng)學(xué)生從玩家的角色轉(zhuǎn)換到游戲設(shè)計(jì)者時(shí)，所帶來的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力和完成游戲制作的成就感是妙不可言的。如何將上例中所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到本游戲的開發(fā)中，引導(dǎo)學(xué)生對游戲的設(shè)計(jì)和編寫進(jìn)行進(jìn)一步的思考和探究，提升學(xué)生計(jì)算思維能力，是本節(jié)課的重點(diǎn)和需要解決的問題。

打地鼠游戲設(shè)計(jì)如下：①游戲難度分為三個(gè)等級，等級越高地鼠出現(xiàn)的時(shí)間越短。②每一次地鼠出現(xiàn)的位置是隨機(jī)的。③每打中地鼠1次加10分;每局15秒，若時(shí)間到，得分未達(dá)到100分闖關(guān)失敗，反之闖關(guān)成功。

（1）界定問題，組織數(shù)據(jù)

在上述“猜拳游戲”的教學(xué)基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察打地鼠游戲的運(yùn)行過程，分析游戲設(shè)計(jì)中需要解決的問題。

問題1：如何每間隔一段時(shí)間隨機(jī)地在畫面上顯示地鼠圖片？

用Image1控件的Left和Top屬性值來確定地鼠圖片坐標(biāo)位置。

問題2：打中地鼠時(shí)如何更換一張地鼠被打中的圖片？

地鼠被打中時(shí)需要將Image1控件的Picture屬性值更換成新圖片名。

問題3：如何更新和顯示游戲倒計(jì)時(shí)？

設(shè)置一個(gè)全局變量t，用來存放游戲的剩余時(shí)間。

（2）抽象特征，建立數(shù)學(xué)模型

地鼠的兩個(gè)狀態(tài)如圖1、圖2，并將其分別命名為“1.gif”和“2.gif”。

基于對問題和數(shù)據(jù)流程的分析，形成游戲的執(zhí)行框架，如圖3所示。

教師讓學(xué)生從計(jì)算機(jī)解決問題的角度分析，列出計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的操作。對應(yīng)的抽象模型，如表2。

（3）設(shè)計(jì)算法，形成實(shí)現(xiàn)方案

在上述數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，形成問題解決方案，將實(shí)現(xiàn)游戲的有序步驟描述出來。

第一步，在Timer1的Timer事件中，利用LoadPicture函數(shù)加載地鼠圖片;用隨機(jī)函數(shù)Int（Rnd（） * N + M）產(chǎn)生兩個(gè)M到N的隨機(jī)整數(shù)作為地鼠圖片的位置坐標(biāo)。第二步，設(shè)置全局變量t作為游戲倒計(jì)時(shí)的時(shí)間數(shù)值，設(shè)置初始值t=15;在Timer2的Timer事件中，使t=t-1，并用條件語句判斷闖關(guān)的成敗。第三步，在Image1的MouseDown事件中，設(shè)置用于記分的全局變量s，每次調(diào)用該事件時(shí)得分增加10分，即s=s+10，用條件語句判斷是否闖關(guān)成功。

Timer1_Timer部分代碼如下：

Image1.Picture = LoadPicture（"1.gif"）

Image1.Left = Int（Rnd（） * 7000 + 300）

Image1.Top = Int（Rnd（） * 3000 + 700）

Image1_MouseDown部分代碼如下：

Image1.Picture = LoadPicture（"2.gif"）

s = s + 10

Label1.Caption = s

If s = 100 Then

Timer1.Enabled = False

Timer2.Enabled = False

MsgBox "Congratulations！"

End If

Timer2_Timer部分代碼如下：

t = t - 1

Label2.Caption = t

If t = 0 And s < 100 Then

Timer1.Enabled = False

Timer2.Enabled = False

MsgBox "Game Over！"

End If

（4）檢驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)遷移

測試游戲運(yùn)行效果，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)游戲設(shè)計(jì)的漏洞并嘗試改進(jìn)增強(qiáng)游戲的功能和趣味性。通過前面的例子可以看出，利用計(jì)算思維解決實(shí)際問題的過程，即界定問題→抽象特征→形成方案→檢驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中再次遇到類似的問題時(shí)，可以嘗試運(yùn)用計(jì)算思維的方法去分析和解決問題。例如，制作旅游攻略時(shí)，可先列出問題，如目的地、時(shí)間安排、預(yù)算等，再根據(jù)所需的資料類型如地圖、景區(qū)信息等選擇合適的檢索方式，最后使用計(jì)算機(jī)獲取信息，形成合理的旅游方案并根據(jù)實(shí)際情況修改和調(diào)整。

這樣的游戲設(shè)計(jì)案例操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)，非常適合課堂教學(xué)，學(xué)生在解決新問題的過程中，不斷挑戰(zhàn)自我，充分體現(xiàn)計(jì)算思維中分析問題等思維活動(dòng)。學(xué)生通過這樣的學(xué)習(xí)過程，更容易理解并掌握VB的各種命令和語法，正確使用VB解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，在一定程度上達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的目的。

結(jié)束語

本文介紹了借助游戲化編程引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算思維方式解決問題的思維活動(dòng)過程。在教學(xué)實(shí)踐過程中，相對于傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生的課堂積極性與渴望解決問題心理有了很大的提高。我們相信，隨著課程實(shí)踐的不斷深入，游戲化編程對學(xué)生計(jì)算思維的提升將會(huì)更加明顯，信息技術(shù)的學(xué)科教學(xué)將會(huì)越來越精彩。

參考文獻(xiàn)

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