兒童編程游戲設(shè)計(jì)模型與效果驗(yàn)證*

蔣希娜 丁 妮 陳世紅 孫云秀 仇鳳勤

兒童編程游戲設(shè)計(jì)模型與效果驗(yàn)證*

蔣希娜1丁 妮1陳世紅2[通訊作者]孫云秀3仇鳳勤3

（1．北京師范大學(xué) 藝術(shù)與傳媒學(xué)院，北京 100875；2．北京聯(lián)合大學(xué) 應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083；3．郭猛小學(xué)，江蘇鹽城 224014）

編程游戲作為培養(yǎng)兒童計(jì)算思維能力的有效途徑已經(jīng)得到學(xué)界和業(yè)界的普遍認(rèn)同，然而，部分游戲的計(jì)算思維的培養(yǎng)效果還不理想，亟待科學(xué)設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)。為此，文章首先提出了編程游戲設(shè)計(jì)框架CPD，然后基于該框架開發(fā)了一款游戲軟件，最后采用測(cè)驗(yàn)、訪談和游戲日志等方法，對(duì)游戲?qū)嵗膶W(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)估。文章基于設(shè)計(jì)原則定制化開發(fā)編程游戲，并作為實(shí)驗(yàn)干預(yù)材料，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)框架的有效性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于“元游戲”“去抽象化”“黑箱化”和“多周目”這四個(gè)設(shè)計(jì)原則開發(fā)的編程游戲，能夠有效培養(yǎng)玩家的計(jì)算思維能力。文章通過研究，期望能夠?yàn)榫幊逃螒蜷_發(fā)實(shí)踐提供科學(xué)理論指導(dǎo)，并為教育游戲設(shè)計(jì)研究帶來方法創(chuàng)新。

計(jì)算思維；兒童編程；游戲設(shè)計(jì)；游戲化學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)

兒童編程教育行業(yè)發(fā)展如火如荼，其產(chǎn)品層出不窮，然而這些產(chǎn)品大多數(shù)偏向于對(duì)代碼編寫技巧的訓(xùn)練，這不但超出了該年齡段兒童的認(rèn)知水平，更重要的是忽略了對(duì)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算思維是編程教育的核心，也是國(guó)際計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)提出的K-2兒童需要掌握的必備能力[1][2]。由此，編程游戲作為培養(yǎng)兒童計(jì)算思維能力的有效工具，開始進(jìn)入人們的視野，相較于代碼技巧訓(xùn)練類編程教育產(chǎn)品，編程游戲無須鍵入腳本語言，在降低認(rèn)知門檻的同時(shí)，可以使兒童聚焦于算法邏輯的思考。可見，如何設(shè)計(jì)編程游戲以更好地培養(yǎng)兒童的計(jì)算思維，值得該領(lǐng)域的實(shí)踐者和研究者進(jìn)行深入探討。為此，本研究首先以編程游戲?yàn)閷W(xué)習(xí)載體，以K-2兒童為學(xué)習(xí)主體，構(gòu)建培養(yǎng)兒童計(jì)算思維能力的編程游戲設(shè)計(jì)框架；然后基于該框架自主開發(fā)了編程游戲“小世界”，并作為實(shí)驗(yàn)干預(yù)材料，來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)框架的科學(xué)性。文章通過研究，期望為編程游戲開發(fā)實(shí)踐提供科學(xué)理論指導(dǎo)，并為教育游戲設(shè)計(jì)研究帶來方法創(chuàng)新。

一 培養(yǎng)計(jì)算思維能力的編程游戲設(shè)計(jì)框架構(gòu)建

2006年，周以真教授在Papert的“算法思維”基礎(chǔ)上首次提出“計(jì)算思維”，并將其定義為運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)概念來解釋問題、設(shè)計(jì)解決方案的一系列思維動(dòng)。此后，針對(duì)計(jì)算思維相繼出現(xiàn)了一系列研究，如2010年陳國(guó)良[3]提出問題求解是計(jì)算思維培養(yǎng)的主要能力之一；2012年希臘技術(shù)教育學(xué)院榮譽(yù)教授Voskoglou[4]認(rèn)為計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)、概念和技術(shù)解決問題；2016年，Weintrop[5]提出計(jì)算思維是關(guān)于建構(gòu)問題和解決方案的思維過程；黃榮懷[6]也指出關(guān)注問題解決方案的形成過程是計(jì)算思維培養(yǎng)的宗旨。上述所列觀點(diǎn)受到學(xué)界的廣泛認(rèn)可（被引量在100～1000次不等），通過梳理以上學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的概念界定，不難得出：計(jì)算機(jī)化問題解決（Computational Problem-Solvin，CPS）是計(jì)算思維的核心能力。基于此，本研究以CPS能力培養(yǎng)為核心，并基于CPS的三個(gè)關(guān)鍵步驟，定制編程游戲的設(shè)計(jì)原則，形成編程游戲設(shè)計(jì)框架——計(jì)算機(jī)化問題設(shè)計(jì)（Computational Problem Design，CPD）框架，如圖1所示。本研究?jī)H對(duì)CPD框架進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，關(guān)于如何將該框架提出的具體設(shè)計(jì)原則運(yùn)用、指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐，已經(jīng)在前置研究《指向計(jì)算思維能力培養(yǎng)的兒童編程游戲設(shè)計(jì)》一文中進(jìn)行詳述[7]。

圖1 CPD框架

1 表征問題：元游戲、去抽象化

“元游戲”是指游戲嵌套游戲的設(shè)計(jì)方式，也就是將原游戲作為一個(gè)問題置入新游戲的“問題區(qū)”中。這一設(shè)定下，玩家不再將自己內(nèi)化為游戲角色，而是跳出角色所處問題，轉(zhuǎn)而成為幫助游戲角色解決問題的問題解決者，由此確立問題意識(shí)，即通過增設(shè)問題窗口，增強(qiáng)個(gè)體的問題意識(shí)，這一點(diǎn)對(duì)兒童來說十分重要。“去抽象化”是指為抽象原型創(chuàng)造具體環(huán)境的設(shè)計(jì)技巧，也就是將抽象問題包裝成具象的游戲環(huán)境。當(dāng)玩家嘗試完成任務(wù)時(shí)，需要從具體的游戲環(huán)境中抽取出問題原型，并將問題原型匹配到特定問題類型，由此完成抽象表征問題能力的訓(xùn)練。

2 構(gòu)建算法：黑箱化

“黑箱化”是指將代碼語句封裝成指令卡的設(shè)計(jì)方法。如此，玩家無須逐句編寫腳本，只需將指令卡拖拽到編程區(qū)即可編程。這樣弱化了兒童對(duì)編碼技巧的關(guān)注，降低了腳本編寫難度，減輕了兒童的認(rèn)知負(fù)荷，使其集中于程序方案的邏輯和結(jié)構(gòu)[8]。因此，“黑箱化”原則在簡(jiǎn)化知識(shí)表征復(fù)雜度的同時(shí)，保證了知識(shí)的內(nèi)涵思維不降維。某種程度上實(shí)現(xiàn)了布魯納[9]所期盼的“任何學(xué)科知識(shí)都可以以某種‘巧智’形式有效地傳授給任何發(fā)展階段的兒童”。

3 測(cè)試調(diào)試：多周目

“多周目”源于日本角色扮演類游戲中常見的重玩模式，即游戲設(shè)計(jì)師常說的NG+（New Game Plus）。本游戲特質(zhì)輔以“星級(jí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)”的重玩模式，也就是當(dāng)玩家采用更高效的方案（更少的指令卡）完成任務(wù)時(shí)，將獲得更高的星級(jí)徽章。通過星星獎(jiǎng)勵(lì)技法、鼓勵(lì)兒童玩家在初步完成當(dāng)前關(guān)卡任務(wù)后，為獲得更高的星級(jí)選擇再次重玩，深入思考更加高效的解決方案。

二 CPD框架的效果驗(yàn)證設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證基于CPD框架設(shè)計(jì)的編程游戲能否培養(yǎng)兒童玩家的計(jì)算思維能力，本研究團(tuán)隊(duì)基于該框架，自主開發(fā)了游戲案例“小世界”，并將其作為干預(yù)材料，從而保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)理論的有效性[10]。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）計(jì)算思維評(píng)測(cè)內(nèi)容

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維認(rèn)知評(píng)測(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[11][12][13]，其中最新的成果包括：馬紅亮[14]提出了新的問題解決教學(xué)方法IGGIA、江波[15]分析了同伴互動(dòng)學(xué)習(xí)與CT技能發(fā)展的相關(guān)性等，這些研究都得到了廣泛的認(rèn)可。而國(guó)際上廣泛認(rèn)可的計(jì)算思維評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有劉晨鐘提出的SDARE評(píng)價(jià)框架（包括語法識(shí)別、數(shù)據(jù)分析、生成算法方案、抽象表征問題和實(shí)現(xiàn)高效方案五個(gè)部分）和Brennan[16]提出的三維度，即計(jì)算概念（如循環(huán)、條件、事件等）、計(jì)算實(shí)踐（如抽象、測(cè)試、復(fù)用等）、計(jì)算觀念（運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科的方式表達(dá)對(duì)象間的關(guān)系和理解世界）。本研究將SDARE五步驟凝練為三步驟，并將Brennan三維度抽象為計(jì)算概念和問題解決能力，形成針對(duì)本研究的策略標(biāo)準(zhǔn)，分為兩類概念：①“CPS相關(guān)概念”，是指解決各類問題的三個(gè)主要步驟的相關(guān)概念；②“具體分析概念”，是指為解決具體問題，學(xué)生需要掌握的其他分析概念。例如，利用“循環(huán)”的概念來解決需要多次重復(fù)操作的問題。基于此，本研究提出兒童計(jì)算思維測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，包括CPS相關(guān)概念和具體分析概念[17]。考慮到不同知識(shí)類型，需采取不同的數(shù)據(jù)獲取和分析方式，因此將計(jì)算思維知識(shí)分為程序性和描述性兩種類型。

表1 兒童計(jì)算思維測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

（2）游戲概述

游戲“小世界”基于Code.org教學(xué)大綱中K-2教學(xué)大綱中的6個(gè)知識(shí)點(diǎn)開發(fā)，具體包括兩部分：①陳述性分析概念，包括指令、序列和算法，屬于“是什么”的陳述性知識(shí)，一般是由概念、命題等組成的具體事實(shí)；②程序性分析概念，包括調(diào)試（除錯(cuò)）、循環(huán)和條件，屬于“怎么做”的程序性知識(shí)，如解決問題的規(guī)則和步驟。游戲包含5種昆蟲世界，每個(gè)世界都涉及不同的昆蟲故事，并側(cè)重于不同的分析概念；每個(gè)世界由6個(gè)子關(guān)卡組成，共30關(guān)。

描述性分析概念包括指令、序列和算法，對(duì)應(yīng)“蒼蠅”和“蜣螂”兩個(gè)世界，以“蒼蠅”關(guān)卡為例的關(guān)卡界面如圖2所示。通過如下方式介紹給玩家：首先，引導(dǎo)玩家手動(dòng)拖拽蒼蠅移動(dòng)一格，回到家中，完成任務(wù)，手勢(shì)控制如圖2（a）所示；然后，彈窗引入指令卡“↑”，并語音提示玩家“剛剛的操作就是一個(gè)指令”，指引彈窗如圖2（b）所示；進(jìn)入下一關(guān)，玩家無法直接用手指控制蒼蠅，而被要求用指令卡進(jìn)行編程，以控制蒼蠅前進(jìn)，指令控制界面如圖2（c）所示；后續(xù)關(guān)卡中，引入更為復(fù)雜的問題，后續(xù)關(guān)卡及其方案如圖2（d）所示。經(jīng)過幾關(guān)后，玩家逐漸意識(shí)到自己在向蒼蠅發(fā)出指令。此時(shí)，系統(tǒng)提示玩家“當(dāng)一次發(fā)出多個(gè)指令時(shí)，就是‘算法’；當(dāng)多個(gè)指令按順序發(fā)出時(shí)，便是一個(gè)‘序列’”。

程序性分析概念包括調(diào)試、循環(huán)和條件，分別對(duì)應(yīng)“螞蟻”“蝴蝶”和“蜜蜂”三個(gè)世界。以“條件”為例：首先，將“條件”轉(zhuǎn)譯成低齡兒童能夠理解的操作，即“根據(jù)不同的條件做出決定”；然后，基于此操作，設(shè)計(jì)一個(gè)問題——玩家需要幫助蜜蜂完成“從花中采蜜、在蜂巢中釀蜜”的任務(wù)；然而黃色的圓點(diǎn)覆蓋了目標(biāo)位置，玩家無法判斷圓點(diǎn)下是花還是蜂巢，所以無法給蜜蜂下指令，任務(wù)設(shè)定如圖3（a）所示；此時(shí)，彈窗引入新道具，即指令卡“條件式”，并解釋“想在兩個(gè)以上條件做出決定，試試條件指令卡”，同時(shí)向玩家展示如何使用該道具，指引彈窗如圖3（b）所示；最后，游戲解決方案如圖3（c）所示，玩家使用“條件”指令解決問題，系統(tǒng)語音提示“這就是條件式，即根據(jù)不同條件做出相應(yīng)的決策”。

圖2 以“蒼蠅”關(guān)卡為例的關(guān)卡界面

圖3 “條件”的關(guān)卡界面

（3）實(shí)驗(yàn)材料

為了驗(yàn)證CPD框架所包含的4個(gè)設(shè)計(jì)原則的有效性和科學(xué)性，本研究團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了基于不同設(shè)計(jì)原則的、不同版本的“小世界”作為實(shí)驗(yàn)材料。其中，考慮到“去抽象化”確保了玩家習(xí)得內(nèi)容為計(jì)算思維知識(shí)；“黑箱化”保證了編程訓(xùn)練符合低齡兒童的認(rèn)知水平，因此，這兩個(gè)原則是兒童編程游戲設(shè)計(jì)的必備原則，無須測(cè)量。由此，本研究著重評(píng)估另外兩個(gè)設(shè)計(jì)原則：“元游戲”和“多周目”，為此設(shè)計(jì)了4個(gè)不同版本的“小世界”，差異如下——

G1：初版游戲，僅使用“去抽象化”和“黑箱化”，也就是通過鍵盤控制角色完成任務(wù)。

G2：在G1的基礎(chǔ)上，使用“多周目”，增加獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)，激勵(lì)玩家使用較少指令完成任務(wù)。

G3：在G1的基礎(chǔ)上，使用“元游戲”，與G1控制角色的方式不同，要求玩家創(chuàng)建程序來控制角色完成任務(wù)。

G4：在G1的基礎(chǔ)上，同時(shí)使用“多周目”“元游戲”，即在G3的基礎(chǔ)上，增加獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)。

值得一提的是，G1和G3雖然沒有采用“多周目”，并未向玩家反饋星級(jí)，但是系統(tǒng)會(huì)將每關(guān)獲得的星星數(shù)量記錄到游戲日志中，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析提供數(shù)據(jù)支持。

2 研究假設(shè)

明確上述游戲版本差異后，本研究提出如下假設(shè)：假設(shè)1，“多周目”設(shè)計(jì)原則有效，G2的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于G1；假設(shè)2，“元游戲”設(shè)計(jì)原則有效，G3的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于G1；假設(shè)3，“元游戲”和“多周目”的綜合作用有效，即G4的學(xué)習(xí)效果分別優(yōu)于G1、G2和G3。

3 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)在江蘇省A市的一所實(shí)驗(yàn)學(xué)校開展，被試是來自小學(xué)一年級(jí)的5個(gè)自然班級(jí)，每班有40～49名學(xué)生參與。其中，前4個(gè)班級(jí)的干預(yù)條件分別為游戲G1、G2、G3和G4；第5個(gè)班級(jí)在不玩任何游戲的情況下，參加前后測(cè)，條件為“無游戲（G0）”，以控制前后測(cè)重復(fù)測(cè)驗(yàn)的干擾因素。被試共224名，其中19名未能全程參與，因此有效數(shù)據(jù)為205名；男女比例分別為58.32%和41.68%，平均年齡為5.73歲。

正式實(shí)驗(yàn)共16天（4個(gè)版本，每個(gè)版本4天），每天完成相應(yīng)的分析概念（第一天完成指令、序列、算法；第二天完成調(diào)試；第三天完成循環(huán)；第四天完成條件），時(shí)長(zhǎng)為60～90分鐘，均完成6個(gè)步驟（G0班不進(jìn)行第4個(gè)步驟）：①培訓(xùn)。由于大約一半的學(xué)生無法熟練使用計(jì)算機(jī)，因此在每次實(shí)驗(yàn)前，對(duì)其簡(jiǎn)單培訓(xùn)開機(jī)、鼠標(biāo)使用、打開游戲等操作。②游戲前訪談。了解學(xué)生對(duì)當(dāng)天學(xué)習(xí)目標(biāo)（特定分析概念）的理解程度。③前測(cè)。學(xué)生運(yùn)用分析概念回答問題、完成測(cè)驗(yàn)。④游戲干預(yù)。學(xué)生完成分析概念對(duì)應(yīng)的關(guān)卡任務(wù)，習(xí)得分析概念，提高CPS技能。⑤后測(cè)。⑥游戲后訪談。該實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)保證了G1～G4各組間的唯一差異是干預(yù)材料，即不同的游戲版本，本質(zhì)上的差異是不同的設(shè)計(jì)原則。

4 測(cè)試方法

本研究針對(duì)不同類型的知識(shí)，將采取相應(yīng)的數(shù)據(jù)搜集和分析方法：①描述性知識(shí)，可以通過背誦習(xí)得（Learn-as-remembering），其學(xué)習(xí)效果可以通過測(cè)驗(yàn)和訪談數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；②程序性知識(shí)，通過運(yùn)用這些知識(shí)解決問題才能習(xí)得（Learn-by-applying），需要收集和分析學(xué)習(xí)者解決問題的過程行為數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)將通過在游戲系統(tǒng)中埋點(diǎn)并存儲(chǔ)于游戲日志中的方式搜集。

評(píng)測(cè)內(nèi)容和方法對(duì)照如表2所示，一方面通過測(cè)驗(yàn)、訪談，評(píng)估具體分析概念的掌握情況，并輔以訪談數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充解釋；另一方面游戲埋點(diǎn)，抓取學(xué)生的游戲行為和學(xué)習(xí)過程，檢驗(yàn)其是否進(jìn)行了CPS相關(guān)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

表2 評(píng)測(cè)內(nèi)容與方法對(duì)照

（1）游戲日志

為了檢測(cè)學(xué)生的CPS技能是否得到了訓(xùn)練，本研究團(tuán)隊(duì)利用游戲日志記錄了學(xué)生的游戲行為數(shù)據(jù)。CPS技能、游戲操作與日志數(shù)據(jù)之間的對(duì)照關(guān)系，如表3所示。除了抓取與CPS相關(guān)的游戲行為數(shù)據(jù)，游戲日志還收集了每關(guān)測(cè)試次數(shù)、星星數(shù)量，以及重置或重玩某個(gè)關(guān)卡的記錄。游戲日志數(shù)據(jù)獲取和分析的具體實(shí)施路徑為：通過“埋點(diǎn)”獲取學(xué)生的游戲數(shù)據(jù)，并以JSON格式存儲(chǔ)在日志文件中，然后轉(zhuǎn)化為CSV文件，采用R語言分析被試的游戲化學(xué)習(xí)行為。

表3 CPS技能、游戲操作與日志數(shù)據(jù)的對(duì)照關(guān)系表

（2）測(cè)驗(yàn)

具體分析概念的測(cè)驗(yàn)，分為六份測(cè)驗(yàn)：指令、序列、算法、調(diào)試、循環(huán)和條件，每份試題由三個(gè)問題組成。為降低知識(shí)遷移的難度，問題的形式由具體向抽象過渡。以“條件”為例，測(cè)驗(yàn)題如圖4所示。其中，圖4（a）要求玩家?guī)椭鄯渫瓿刹擅刍蜥劽鄣娜蝿?wù)，與“小世界”的任務(wù)相似，知識(shí)遷移難度較低；而圖4（b）是一道基于條件判斷的數(shù)學(xué)題，問題更加抽象，對(duì)知識(shí)遷移的要求較高。

圖4 “條件”測(cè)驗(yàn)題

（3）訪談

上述測(cè)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行了定量評(píng)估，但無法評(píng)估學(xué)生對(duì)具體分析概念的定性理解。因此，本研究進(jìn)行了干預(yù)前后的對(duì)照訪談，此處需要強(qiáng)調(diào)的是，本研究的訪談并非主要測(cè)試手段，只是對(duì)定量測(cè)驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)輔助解釋和補(bǔ)充說明。研究助理在游戲前后分別對(duì)每一位學(xué)生進(jìn)行單獨(dú)訪談，首先要求學(xué)生解釋一個(gè)特定的計(jì)算思維概念，以“指令”為例，如果學(xué)生表示不解，那么訪談?wù)邥?huì)給出一個(gè)學(xué)生能夠理解的、有助于解釋這個(gè)概念的術(shù)語，如“一個(gè)命令”；如果學(xué)生能夠理解所給概念的涵義，那么就進(jìn)行運(yùn)用，例如“請(qǐng)你給我發(fā)送一個(gè)指令”；如果學(xué)生能夠成功發(fā)送一個(gè)“指令”，那么初步判定其掌握了這個(gè)概念。

三 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1 具體分析概念

（1）描述性分析概念

本研究以前測(cè)總分為協(xié)變量，后測(cè)總分為因變量，通過協(xié)方差分析（單因素ANCOVA）檢驗(yàn)不同組別的學(xué)習(xí)效果是否存在差異。結(jié)果表明，在控制前測(cè)分?jǐn)?shù)的影響后，各組間的后測(cè)成績(jī)呈現(xiàn)顯著差異，F(xiàn)(4, 205)=22.02，<.001。本研究還分別對(duì)各實(shí)驗(yàn)組的指令、序列和算法的平均分進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示，可見后測(cè)成績(jī)比前測(cè)成績(jī)均有顯著提升。其中，“算法”的成績(jī)提升最為明顯，其對(duì)應(yīng)的Cohen’s d效應(yīng)量及前后測(cè)成績(jī)差值都相對(duì)更大。此外，算法（M=3.65，SD=2.32）的前測(cè)平均分明顯低于指令（M=10.97，SD=2.51）和序列（M=11.13，SD=3.37），這表明被試在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)掌握了指令和序列的含義，但并不了解算法的含義。

表4 描述性分析概念的配對(duì)樣本t檢驗(yàn)結(jié)果

（2）程序性分析概念

程序分析概念包括循環(huán)、調(diào)試和條件。協(xié)方差分析結(jié)果表明，各組的學(xué)生后測(cè)成績(jī)存在顯著差異，F(xiàn)（4, 197）=92.97，<.001。Bonferroni t檢驗(yàn)如表5所示，結(jié)果顯示：G3和G4（“元游戲”版本）的后測(cè)成績(jī)分別優(yōu)于G1和G2，但G3和G4，以及G1和G2之間的后測(cè)成績(jī)并無顯著差異。這一結(jié)果說明，“元游戲”有利于對(duì)程序性概念的掌握，但“多周目”對(duì)程序性概念學(xué)習(xí)無明顯影響。事實(shí)上，與對(duì)照組（G0）相比，G1和G2的玩家也未有更優(yōu)表現(xiàn)。

表5 程序性分析概念的多重比較結(jié)果

2 CPS技能

本研究對(duì)照表3提取游戲日志中對(duì)應(yīng)CPS技能的指標(biāo)數(shù)據(jù)，并予以測(cè)量，結(jié)果如表6所示，可以看出：①G3和G4（“元游戲”版本）的玩家進(jìn)行表征問題的時(shí)間更長(zhǎng)；②相比G3，G4使用指令卡的數(shù)量更多，且測(cè)試次數(shù)更多，這表明“多周目”促使玩家嘗試更多方式設(shè)計(jì)程序方案和測(cè)試方案；③G2相比G1，G4相比G3，在完成任務(wù)后的重玩次數(shù)更多，其中G2（M=61.03，SD=26.68）的游戲時(shí)間大約是G1（M=5.67，SD=6.13）的11倍。據(jù)此，可以推測(cè)，“元游戲”對(duì)CPS中“表征問題”技能有積極影響，“多周目”有利于培養(yǎng)“方案優(yōu)化”能力，并且“元游戲”和“多周目”的組合會(huì)促進(jìn)“設(shè)計(jì)程序方案”和“測(cè)試”能力的提升。

表6 CPS技能測(cè)度指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)

為檢驗(yàn)上述推測(cè)，本研究對(duì)每個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示各版本在0.05水平上呈現(xiàn)顯著差異。經(jīng)Bonferroni校正的t檢驗(yàn)證實(shí)了上述推測(cè)，并明確了與G4相比G3的思考問題時(shí)間更長(zhǎng)（=.004），使用質(zhì)量卡的數(shù)量也存在顯著（=.003）。因此，與具體分析概念結(jié)果不同，對(duì)于游戲日志的數(shù)據(jù)分析證實(shí)“多周目”對(duì)CPS技能的學(xué)習(xí)起積極影響，且“元游戲+多周目”也對(duì)CPS技能有促進(jìn)作用。本研究以后測(cè)成績(jī)?yōu)橐蜃兞浚謩e對(duì)描述性分析概念和程序性分析概念進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如表7所示，兩個(gè)模型均具有顯著意義且擬合效果較好（調(diào)整后R=0.69），星星數(shù)的系數(shù)估計(jì)值均為正。可見，G4的玩家如預(yù)期的那樣，可比G3的玩家獲得更多星星獎(jiǎng)勵(lì)，預(yù)示學(xué)生會(huì)有更好的測(cè)試表現(xiàn)。然而，盡管星星獎(jiǎng)勵(lì)有較強(qiáng)的激勵(lì)作用，但正如前述分析所呈現(xiàn)的，該作用尚無法直接導(dǎo)致G4和G3在分析概念的得分上表現(xiàn)出顯著差異。

表7 分析概念的線性回歸結(jié)果

四 結(jié)論與反思

結(jié)合研究結(jié)果，對(duì)應(yīng)研究假設(shè)進(jìn)行意義討論和闡述，可知：①“多周目”設(shè)計(jì)原則有效，G2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于G1，該假設(shè)驗(yàn)證成功。“多周目”僅僅有利于培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)化方案的技能；然而對(duì)具體分析概念的習(xí)得，以及CPS技能中的表征問題和設(shè)計(jì)算法方案這兩個(gè)能力的培養(yǎng)不起作用。②“元游戲”設(shè)計(jì)原則有效，G2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于G1，該假設(shè)驗(yàn)證成功。“元游戲”有利于培養(yǎng)學(xué)生的程序性分析概念，以及CPS的表征問題、設(shè)計(jì)算法和測(cè)試方案這三項(xiàng)技能；然而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法證明該原則有利于提高學(xué)生的描述性分析概念的學(xué)習(xí)效果。③“元游戲”和“多周目”的綜合作用有效，即G4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別優(yōu)于G1、G2和G3，該假設(shè)驗(yàn)證成功。兩者的相互作用能夠在“元游戲”的作用之上，進(jìn)一步提升學(xué)生的表征問題、設(shè)計(jì)算法和測(cè)試方案這三項(xiàng)CPS技能。

綜上，“元游戲”是兒童編程游戲有效性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則，這一結(jié)論可以通過訪談數(shù)據(jù)做進(jìn)一步解釋。以“條件”為例，前期采訪中，被試對(duì)“條件”的理解，與計(jì)算機(jī)的“條件語句”風(fēng)馬牛不相及。而在游戲后采訪中，G1和G2組的被試認(rèn)為“條件”是判斷，如表述為“猜對(duì)還是猜錯(cuò)”“辨別真假”。這與游戲任務(wù)相關(guān)，如圖3所示，玩家需要猜測(cè)黃點(diǎn)下面是花朵還是蜂巢。如果猜對(duì)了，蜜蜂就完成任務(wù)，反之失敗。因此，他們錯(cuò)將“條件”理解為“猜測(cè)”。反觀G3和G4組的訪談結(jié)果，被試將“條件”表述為“如果天晴不用帶傘，下雨則要帶傘”，雖然并未表述為“if-else”的專業(yè)句式，但很明顯，他們已經(jīng)將條件理解為“根據(jù)不同的條件做出決定”，并能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于游戲之外的現(xiàn)實(shí)問題中，如“根據(jù)不同天氣情況做出是否帶傘的決定”。這是因?yàn)樵贕3和G4版本中，如圖3所示，玩家無法通過實(shí)時(shí)點(diǎn)擊右側(cè)指令庫(kù)判斷黃點(diǎn)下的“條件”，而被要求一次性給出整體方案，因此必須使用“條件式”（如果是花，則采集；如果是蜂巢，則釀蜜）來指導(dǎo)游戲角色進(jìn)行判斷。因此，“元游戲”在設(shè)計(jì)針對(duì)程序性分析概念的游戲問題時(shí)起著關(guān)鍵作用。

本研究借鑒了基于設(shè)計(jì)的研究（Design-based Research，DBR）[18]，根據(jù)設(shè)計(jì)理論框架自主開發(fā)游戲?qū)嵗⑵渥鳛楦深A(yù)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這種將設(shè)計(jì)學(xué)科的實(shí)踐研究法與教育學(xué)科t檢驗(yàn)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，能夠有效保證教育游戲設(shè)計(jì)框架的主觀藝術(shù)性和客觀科學(xué)性。

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The Design Model and Effect Verification of Children’s Programming Games

JIANG Xi-na1DING Ni1CHEN Shi-hong2SUN Yun-xiu3CHOU Feng-qin3

As an effective way to cultivate children’s computational thinking ability, programming game has been widely recognized by the academic and the industry. However, the training effect of computational thinking in some games is not ideal, and the guidance of scientific design theory is urgently needed. Therefore, this paper firstly proposed the design framework of programming games, namely, computational problem design (CPD), then developed a game software based on this framework, and finally evaluated the learning effect of game examples using tests, interviews, and game logs. In this paper, customized programming games were developed based on the design principles, and further taken as experimental intervention materials to ensure that the experimental data can accurately reflect the effectiveness of the design framework. The experiment data indicated that programming games based on the four design principles of “meta-game”, “de-abstraction”, “black-box” and “multi-playthrough” could effectively cultivate players’ computational thinking ability. Through the research, this paper was expected to provide scientific theoretical guidance for programming games development practice and bring method innovation for educational game design research.

computational thinking; children’s programming; game design; gamified learning assessment

G40-057

A

1009—8097（2022）12—0058—10

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.12.007

本文為教育部人文社會(huì)科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目“傳承紅色基因的功能游戲設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)研究”和國(guó)家社科基金藝術(shù)學(xué)項(xiàng)目“中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化在數(shù)字游戲中的創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化與創(chuàng)新性發(fā)展研究”的階段性研究成果。

蔣希娜，講師，博士，研究方向?yàn)榻逃螒颉⒔换ピO(shè)計(jì)，郵箱為xenajiang@bnu.edu.cn。

2022年7月21日

編輯：小時(shí)