計算思維導向的游戲化教學設計研究

苗曉慶 張秀琦 寧美艷

摘? 要 計算思維是國內外廣為關注的一個研究熱點，也一直都是信息技術課程的教學難點，而游戲化教學對激發學生學習動機有很大的幫助。通過對計算思維和游戲化教學的概念、研究現狀等進行研究，以建構主義學習理論和ARCS動機理論作為理論支撐，借助具體教學案例分析，說明游戲化教學對有效培養計算思維有著積極的促進作用。

關鍵詞 信息素養;計算思維;游戲化教學;信息技術;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生信息素養的培養再次進入人們的視野，疫情時期的“停課不停學”政策讓人們重新將目光放到了在線教學上，而學生信息素養在線上教學中的應用也就顯得尤為重要。突如其來的疫情讓人們意識到，不管是教師還是學生，計算機已經對人們生活的方方面面造成深刻的影響，其中對教學方式、學習方式的影響推進了對教育的變革。疫情期間的線上教學也讓人們意識到基礎教育階段學生信息素養的重要性。在后疫情時代，提高學生的信息素養，發展學生的計算思維，提高他們利用計算思維解決問題的能力，成為基礎教育階段信息技術教育的一項重要內容。同時，將游戲元素融入教學過程中，增強學生學習的內在動機，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者的視線當中。2010年，C9高校聯盟將計算思維作為計算機基礎教學的核心任務。2011年，計算思維被美國納入K-12標準中。經過幾年的發展，國內2017高中信息技術新課標的出現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，而在教學實施應用方面的研究較少。這就需要將計算思維的培養重視起來，將其加入教學設計中，在教學實施過程中探索有效培養計算思維的途徑。

自從《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》發布以來，核心素養的四個核心要素便進入大眾視野，其中計算思維得到中學信息技術教育的廣泛關注，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家所用的思想、方法、技術和工具，甚至是環境，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雜問題的思想方法，從而形成形式化、模塊化、自動化、系統化的問題解決方案[3];計算思維是由三個層次的內容所組成的復合思維，分別是意識、方法和能力[4]。

目前，國內對于高中信息技術教學中的計算思維比較權威的定義是：計算思維是通過計算機領域的學科方法界定問題、歸納特征、建立模型、合理組織數據，判斷、分析、綜合各種信息資源，設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的其他問題解決中的一種學科思維[5]。

綜上可知，計算思維是在計算機的幫助下，采用計算機科學領域的技術、方法等對問題進行分析并對其進行抽象，推測其發展規律和趨勢，從而實現自動化的思維活動。其本質就是抽象和自動化，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

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，將游戲與教學結合起來的研究熱潮開始襲來，大量的研究使得游戲化教學融入各個學科當中，為教學模式的探索開辟了一條全新的路徑。

游戲與教學看起來是兩個相互對立的關系，但將其放到實際教學中又會有意想不到的效果。由于游戲的自發性和自在性使得游戲化教學的定義比較模糊，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大致分為兩種。

一種是將其看成一種教學活動，將游戲元素與教學元素緊密聯系，使學生在輕松愉快的教學環境下進行學習[7]。該教學方式是由教師主導設計的，通過游戲的內在趣味激發學生的學習興趣，從而增加學生學習的內部動機。在這種教學活動中，教師可以更好地掌握教學節奏，合理安排游戲時間，且始終伴隨師生愉悅的情緒;以教學內容為素材設計假想情境;既重過程，又重結果;使玩具與學具一體化。

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

綜上可知，游戲化教學可以是教學活動，也可以是教學模式，是以游戲為手段，并將其貫穿于整個教學活動當中，把教學目標、內容、要求、任務隱藏并融入各種教學游戲當中，讓學習者在愉悅的學習環境中掌握知識、習得技能的一種教學方式。

計算思維是近幾年信息技術課程的研究熱點，也是信息技術教學的難點。將能夠激發學生學習興趣的游戲化教學與計算思維培養結合在一起，可以為之后的計算思維有效培養提供新的研究方向和視角。

2? 理論基礎

2.1? 建構主義學習理論

建構主義學習理論強調學習是學習者主動探究、主動建構自己知識經驗的過程，認為學習不僅僅是知識由內到外遷移和傳遞的過程，學習者也不僅僅是被動的信息接收者，而更應該是知識的主動建構者，對外部信息做主動的選擇和加工，結合已掌握的知識經驗，對新事物、新現象、新問題或新信息進行闡釋，生成個人獨有的意義建構。建構主義學習理論所描述的學習者行為與游戲化教學的核心思想如出一轍，都是需要教師為學生提供建構知識的環境，讓學生運用已有知識經驗去解決遇到的問題，幫助學生主動建構的過程。

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

2.2? ARCS動機理論

ARCS動機模型是美國的心理學教授約翰·凱勒提出的，他認為對學習者學習動機產生影響的因素有四類，分別是注意（Attention）、相關性（Relevance）、自信心（Confidence）和滿意（Satisfaction），簡稱ARCS，且這四個要素在教學設計過程中的應用是一個順次循環的過程，如圖1所示[9]。

因此，在進行教學設計時還應該設計適當的學習動機，能夠保持學習者在課堂中的注意力，產生學習者與教學的相關性，使學習者可以產生對學習的自信心和滿足感，并維持這種狀態，從而激發他們的學習動機。這種理論更有益于學習者的學習，同時順應了時代的潮流，培養了學習者運用信息技術手段解決教學中遇到問題的能力。

3? 研究意義

作為21世紀的“數字原住民”，人們的生活中處處充斥著計算機和網絡的身影，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外計算機界和教育界廣為關注的一個重要概念，中國首屆“九校聯盟計算機基礎課程研討會”提出的聲明指出：必須重視大學計算機基礎教學的重要地位，把培養學生的計算思維視作計算機基礎教學的核心任務[10]。計算思維能力的培養在計算機基礎教學中的重要性已經毋庸置疑，而且會越來越受到重視。而近幾年來我國的高校學者和專家將視角放到游戲化教學上，使之成為教學研究的熱點。通過游戲化教學培養計算思維除了可以激發學生的學習興趣，編程小游戲的模塊化設計也可以激發學生的學習興趣，有效培養計算思維，這很符合計算思維利用分解和抽象的方法來解決復雜的問題的理念。

由此可知，游戲化教學對信息技術的教學有很大的研究意義，可以解決當前信息技術課程教學過程中遇到的許多問題。在信息技術基礎教學階段運用游戲化教學更能提高學習者的注意力，讓學習者在愉快的學習環境中習得知識。因此，游戲化教學還可以培養學習者的計算思維，促進學習者思維水平的提高，從而達到理想的教學效果。

4? 教學設計案例研究：以小學信息技術“Scratch編程中的變量控制程序”為例

4.1? 學情分析

本課的教學對象是五年級學生，他們思維活躍、愛玩游戲，經過之前的學習，對Scratch編程已經有了濃厚的興趣，并且已經對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，但多數想法不切實際，以其自身的知識水平不能獨立完成游戲創作，還需要教師的適時引導。

4.2? 內容分析

小學階段信息技術主要學習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、計算機的基礎操作、網絡的簡單應用、LOGO編程幾個模塊。Scratch編程是2013年在LOGO語言基礎上出現的拼圖模式的程序語句，比較適合小學階段編程語言的教學，其游戲屬性更容易激發小學生的學習興趣和增強課堂注意力，也有利于小學生計算思維的培養。

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。本節課的教學內容是Scratch小游戲編程，是小學階段的編程基礎課，讓學生學會學習教師操作演示的方法，理解并解決學習過程中的問題。本節課Scratch編程中的變量主要應用的語句是設定變量的值和將變量值增加，能根據游戲設計合理利用語句，讓學生嘗試學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? 教學方法

小學階段信息技術課程的教學要有明確的任務，讓學生知道所要學的知識是什么，運用任務驅動式教學方法和以“學生”為中心的自主探究模式來進行教學，使計算思維的培養更有效，同時提高學生的自主探究能力。

4.4? 教學流程

將設計好的課前游戲“飛鳥游戲”展示出來，向學生介紹游戲規則：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性？”學生積極展開想象，創新游戲，比如增加“生命值”“過關分數”等，這樣就引出這節課的新知識——變量。

【設計意圖】根據五年級學生的特點，通過課前游戲激發學生的學習興趣，讓學生對Scratch編程感興趣，從而更好地進行學習。

1）任務分層。導入課程后，學生都有了自己的想法，但是怎么樣將游戲與變量結合起來成為接下來教學的重點，因此提出三個學習任務：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計的游戲當中。通過關系密切且難度逐漸增加的三個學習任務，讓學生在完成任務的過程中逐步提高。每個小組先完成第一個任務，之后領取下一個任務，這樣不僅可以幫助教師了解學生的學習進程，還可以增強小組之間的競爭意識，提高學習效率。

【設計意圖】計算思維是將一個龐大、復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，學生并不知道要從何處下手，因此，教學設計的時候將知識分為認識、理解、運用三個層次，讓學生在學習過程中對知識有深刻的理解，并且能運用到實際教學中去。

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

【設計意圖】學生結合自己設計的游戲嘗試應用“變量”語句，通過討論設計意圖，不僅學會了變量，還在教師的指導下總結出編程中的一些基本方法。這也屬于計算思維，即學生通過分析相似的對象或經驗，找出其中的共同點，從而創造自己的模式。這就是計算思維很重要的內容——模式識別和抽象。通過教學生模式識別和抽象，不僅可以解決學生未來學習中遇到的問題，還可以擴展學生對周圍世界的認識，對世界做出預測。

3）應用梳理。教師直接展示一位學生的游戲腳本，請其他學生來分析他的游戲腳本設計了什么樣的游戲任務，找出其中的變量。在閱讀腳本的過程當中，學生會看到其他學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，完善自己的游戲設計。

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

4）經驗交流。在本節課結束之前，學生共同欣賞各小組提交的優秀作品，討論交流游戲設計的優點和需要改進之處，并對之后的游戲設計提出展望，如增加挑戰環節、比賽倒計時、原地復活等。

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

教師通過運用任務驅動式學習、問題解決式學習和以學生為中心的自主探究模式等教學方法，將游戲化教學和計算思維培養滲透到教學過程中。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融入教學設計中提供了新的思路。

5? 總結

隨著對計算思維認識的不斷深入，計算思維的培養策略也越來越多，但將游戲化教學與計算思維培養結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、算法設計四個部分融入教學設計中，以教學游戲為線索，通過教學設計有效培養計算思維。經過研究，可以總結出計算思維的培養方法：首先，將教學中比較困難、龐大的問題進行分層設計，從認識、理解、運用三個方面進行學習任務設計;其次，在理解知識進程中對教學活動進行設計，從問題中尋找經驗并舉一反三，將其運用到其他問題中，得到一般性規律和趨勢，從而實現計算思維的模式識別;再次，通過教師的引導對問題進行抽象，即總結問題解決過程中的一般思路，形成解決方案;最后，進行學生自評，形成學生自己的算法思維。通過小游戲的編程將四個環節充分應用于教學過程中，從而培養學生的計算思維，也為之后的Scratch編程教學提供了新思路。

參考文獻

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