面向計算思維培養的信息技術課程游戲化教學研究

摘" 要" 當前的中小學信息課多沿用傳統的教學方式進行教學，在有效發展學生計算思維方面嘗試不多。從計算思維與游戲化教學內涵入手，認為計算思維能力的發展離不開“創設情境、抽象概括、問題解決、遷移運用”四方面的核心能力。構建以游戲化教學為基礎的計算思維培養模型，將此模型應用于以“盼盼奇妙旅行記”為主題的教學活動中，并將其教學實施過程和教學成效詳細分析。以游戲化教學為基礎的計算思維培養模型的提出，為實現游戲化教學環節與計算思維核心能力培養的有效結合提供路徑。

關鍵詞" 計算思維；信息技術課程；游戲化教學

中圖分類號：G633.67" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）09-0-04

0" 引言

計算思維作為人工智能的基礎思維，對于未來社會的發展具有重要意義和價值[1]，它也是我國中小學信息技術學科核心素養中的重要構成部分。目前，我國中小學信息技術教育的發展，呈現出由重視操作技能培養轉向注重計算思維培養的趨勢[1]。例如，《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》早已明確將“計算思維”列入高中信息技術學科的核心素養，課程標準中提出學生要“學會運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設計系統性解決方案”[2]。2022年，教育部公布了《義務教育信息科技課程標準》（以下簡稱新課標），新課標提出了4個方面的核心素養，其中計算思維正是核心素養的重要組成部分。如何在信息技術日常教學中落實計算思維，已是我國中小學信息技術課堂教學中亟須重視的問題。在中小學階段，由于信息技術的課程內容本身難度并不高，適當開展游戲化教學可以增加學生參與程度，使學生在感受學習樂趣的同時放松身心，為開展高效的課堂教學活動提供保障。

1" 計算思維與游戲化學習

1.1" 計算思維內涵與發展要素

美國卡內基·梅隆大學的周以真教授[3-4]2006年首次在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》上提出“計算思維”（Computational Thinking），她認為：“計算思維就是運用計算機科學的思維方式和基礎概念進行問題解答、系統設計，像計算機科學家一樣思考問題、理解問題、解決問題等一系列涵蓋計算機科學的思維活動”?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準（2017年版）》把計算思維定義為算法（Algorithmic）、評估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalisation），它的本質是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動[5]。本研究對已有研究成果進行梳理總結，基于已有研究理論，認為培養學生的計算思維能力離不開四大要素。

1.1.1" 創設情境：計算思維的培養需要創設情境

與傳統的教學方式相比，創設“游戲化”的激趣問題情境能迅速抓住學生的興趣點，激發學生達到興奮點，讓學生不由自主投入學習中。因此，情境創設階段，教師需要為學生創建交流與共享的積極化環境，組織學生開展頭腦風暴與思維碰撞；制定合適的指導方案，促進學生深度思考；對學生的表現予以及時反饋，以便學生能夠正確地調整認知，完成知識的學習與遷移運用。

1.1.2" 抽象概括：計算思維著重于分析、分解與概括（或歸納）的能力

抽象與模式概括在于過濾以及忽略掉不必要的特征，讓學生可以集中在重要的特征上，這樣有助于將問題抽象化。

1.1.3" 問題解決：計算思維是一種使用工具高效解決問題的思路方法，它不是知識和工具本身，是一個問題解決的過程

采用計算機領域內的思維方法，分析可能的解決方案，找到最有效的行動方案，計算思維是為了解決問題而提倡的一種思維方式。

1.1.4" 遷移運用：遷移運用是指調整優化現有模型以解決新的問題或一類問題

在計算思維領域，模型的遷移迭代能力往往決定這個模型在實際應用中的真正優劣。而對于學生學習，遷移主要是學生能夠歸納問題、能針對性地去解決一個領域或者更廣泛的另一個領域問題。

1.2" 游戲化學習內涵與啟示

游戲化一詞最初由英國一位咨詢師Nick Pelling于2002年提出，他強調：“游戲化”是指在某些非游戲情境中使用游戲、游戲元素、游戲設計以及游戲理念[6]。隨后，高德納咨詢公司把游戲化定義為“使用游戲機制和游戲化體驗設計，數字化地鼓舞和激勵人們實現自己的目標[7]。因此，本文基于以上定義把游戲化教學確立為四個環節：確立目標、建立規則、及時反饋、積極參與。本文構建面向計算思維能力發展的游戲化教學模式，并把它應用于中小學信息技術編程課的實踐中，以期能夠探索出一條編程游戲化的教學模式與培養計算思維的核心能力充分融合的實踐路徑。

2" 基于游戲化教學的計算思維培養模型構建

要探究游戲化教學中培養學生計算思維能力的具體措施，就需要結合發展計算思維能力的四大核心能力來設計教學模式。游戲化教學包含四個環節：確立目標、建立規則、及時反饋、積極參與。本研究結合游戲化教學環節和發展計算思維的四大核心能力，設計了培養計算思維能力的游戲化教學雙融合模式，如圖1所示。

2.1" 定義主題，創設情境

定義相應主題后，創設游戲情境，要綜合考慮學生現階段的愛好和興趣，緊密聯系學生實際生活場景，讓學生在游戲中有真切感受，激發想象力，在身心愉悅中參與游戲化編程。

2.2" 抽象概括，優選算法

教師引導學生學會用流程圖的方式抽象出腳本程序的執行過程，將復雜的程序設計轉換成易于理解的通俗語言。在這個過程中，教師要合理引導與啟發學生，讓學生能根據不同的模塊構建合適的算法。學生在不斷實踐過程中調試與改進算法，在解決同一問題上經過多次比較，選擇最優的算法和策略。

2.3" 思維碰撞，問題解決

以學生為中心，是培養計算思維課堂的構建基點。在學生找到最優算法后，教師鼓勵學生以小組討論或其他方式進行思維碰撞，分析編程作品。本環節教師根據教學主要問題，衍生出次要問題，學生通過小組探究學習，有計劃、分層次、遞進式地解決問題。營造一種每位學生都參與合作、每位學生都參與展示、每位學生都得到課堂指引的學習氛圍。

2.4" 總結回顧，遷移運用

在問題被解決后，教師要一鼓作氣地對學生進行快速的反饋，鼓勵學生將算法及解決問題的思維能力應用到實際生活中去，從而為以后同類型問題積累寶貴的經驗。算法的有效遷移和運用使學生一方面更好地了解程序算法，另一方面提高了計算思維發展能力。

3" 基于游戲化教學的計算思維培養模型在教學中的應用

3.1" 教學活動設計

為了驗證本文提出的模型在實際教學中是否有應用價值，本研究基于上述模型，設計了具體的教學活動流程，如圖2所示。

3.1.1" 定義主題，創設情境

游戲式學習利用游戲的競爭和學生的榮譽心，提高學生在編程設計課程中的學習動機，以此延長學習時間和興趣。在上課開始的時候，教師根據學生的興趣點，從生活實際情境引入，讓學生圍繞著中心主題暢所欲言，任意發揮，也就是以頭腦風暴形式集思廣益，讓學生共同確定游戲設計的規則和方案。學生處于真實的情境中能夠迅速明確學習任務，發現和界定問題，迅速進入編程所需狀態。

3.1.2" 抽象概括，優選算法

在情境導入后，學生的求知欲和好勝意識得到提升，接著教師可以讓學生分析每個角色需要使用哪些模塊的功能實現，分析完整的游戲程序是如何實現，學生分組進行具體的操作，并對如何完成該游戲的功能進行探討。依據“組間同質，組內異質”的分組方法，組內成員之間取長補短，互助合作，合理分工，小組之間合理公平競爭。在整堂課中，教師給學生搭建腳手架，向學生提供學習輔助工具，教會學生使用自然語言及流程圖方法，引導學生構建和選擇合適的算法，以實現程序各模塊的功能。

3.1.3" 思維碰撞，問題解決

學生在經歷情境體驗和優選算法學習階段之后，教師可以趁機以小組討論的方式，引導學生進行思維碰撞，目的是明確游戲中的角色和規則，確定游戲腳本，讓學生知道需要有哪些程序指令才能完成游戲的設計。在此過程中，教師要對各小組的學習狀態進行監控和評價并對學生參與過程中出現的各種難點問題進行指導。

3.1.4" 總結回顧，遷移運用

教師指導學生創作游戲編程作品，在學生完成作品后，進行作品分享環節。教師請優秀學生代表分享自己小組游戲是如何策劃、素材如何收集、在制作過程中遇到了哪些困難，小組團隊成員如何共同解決問題的。隨后，教師引導學生一輪又一輪地對程序進行優化與設計，可以有效培養學生遷移運用能力。

以上培養學生計算思維的方法既能調動學生的積極性，又能在無形中激發學生的創造性思維，從而達到提高學生原創力的目的。

3.2" 教學實施過程

為了驗證上述模型是否真實有效，此次研究在小學信息技術編程社團課“盼盼奇妙旅行記”項目化教學活動中開展實踐，研究對象定為W市某小學四年級30名社團學生。此次主題活動是在學生沒有編程基本知識的前提下進行的，共16課時。此活動以“盼盼奇妙旅行記”為主題，學生變成了游戲中的一員，親身經歷幫助盼盼克服障礙的過程，使得他們更容易掌握編程語言，與此同時，他們的問題分析能力、抽象概括能力及遷移運用能力也同步得到了提高。下面以主題活動中“走出迷宮”游戲化教學為例，其教學實施過程具體如下。

3.2.1" 定義主題，創設情境

這是主題活動中的第8次課，學生都已經有了一定的編程基礎，教師課前播放盼盼求救的微視頻，激發學生的拯救意識?！白叱雒詫m”這一課，教師在課前請學生進行一次“迷宮之旅”并鼓勵學生分組嘗試“穿越迷宮”的挑戰，挑戰獲勝的學生，將為本組積累榮譽之分。接著在課上，教師讓學生討論平時玩過的迷宮類型，如何能讓迷宮中的角色戰勝困難，以此歸納出迷宮的基本規則。

3.2.2" 抽象概況，優選算法

經過故事情節的引入和回顧，學生的好奇心和好勝心得到了激發和鼓舞，此時正是鼓勵學生進行腳本編輯的好時機。教師在教學過程中帶領學生進行知識點的梳理，幫助學生明確游戲任務和規則，并分析游戲角色腳本應該使用編程軟件中的哪個模塊，最后讓學生親自動手編輯游戲腳本。在具體的實施過程中，學生通過第一個環節，了解了什么是迷宮，也親身體驗了一把迷宮游戲。在這一環節，教師帶領學生進行腦洞大開的迷宮圖設計，并嘗試引導學生用自然的語言描述迷宮程序的流程。學生在經歷頭腦風暴后，開始對最優化的算法展開討論，經過一系列探究，學生確立最終的算法結果。

3.2.3" 思維碰撞，問題解決

整個作品創作環節中，學生既是游戲的開發設計者，也是游戲的玩家。學生把編程的邏輯思維理解與掌握之后，需要通過運用智慧完成作品的創作。只要學生基本能夠完成游戲程序的編輯，教師就可以嘗試讓學生組內之間、小組之間互玩制作好的游戲，進行游戲測試，以尋找他們的作品在邏輯和程序上存在的錯誤，并立即引導修改和完善，直到符合預期要求，幫助游戲角色盼盼成功逃脫。具體實施時候，教師可以按如下步驟開展教學。

1）頭腦風暴，如何才能順利走出迷宮，走出迷宮需要哪些指令？

2）盼盼如何初始化，站在迷宮入口處？如果盼盼角色在闖迷宮過程中有失誤導致游戲闖關失敗，如何通過程序讓盼盼回到迷宮入口？

3）如何在設定的時間內，讓盼盼角色順利闖關，完成迷宮游戲的挑戰？

4）讓學生對于存在的問題積極開展討論與思考，直至問題解決。

3.2.4" 總結回顧，遷移運用

學生在最后的環節進行自評和互評。教師把全班中優秀的作品進行展示，邀請學生分享創作過程，如程序的腳步策劃、素材的收集、算法的最優確定以及結合游戲創作思路，本游戲的創新點等環節。學生在討論交流、分享知識的環節，信息素養得到了極大提升。教師在最后活動總結中，引領學生舉一反三，遷移運用，使學生能順利完成游戲化編程的開發。

3.3" 教學成效

培養學生計算思維的游戲化學習途徑，教師通過創設循環往復的螺旋式遞進學習，學生在經歷程序的分析與設計、開發和實踐、反思和遷移一系列的步驟后，他們在建構知識的過程中，計算思維也會得到同步培養。本研究根據學生實際年齡特征，使用Mblock慧編程軟件，將主題課程“盼盼奇妙旅行記”以游戲化形式進行教學實踐，來提升學生計算思維能力。

在進行游戲化教學行動之前，要對學生計算思維能力進行前測，本文采用計算思維能力測試卷測評，問卷題目來自Bebras國際計算思維挑戰賽題庫。本文根據社團學生的年齡，從挑戰賽題庫中挑選15道適合“10～12”歲學生年齡段的測試題，組成測算計算思維水平的問卷。通過測算，游戲化教學前學生計算思維前測平均分為65.46，而在游戲化教學之后學生計算思維后測平均分為84.67，由此可以看出，此次融入游戲化的教學模式，學生的計算思維能力和學習效果都有顯著的提升。在游戲化教學實施之后，本研究還輔以學生調查、課堂觀察、訪談等多種計算思維評價體系，可以初步證明參與教學實踐的30位學生的計算思維有明顯提升，可見學生對于“盼盼奇妙旅行記”主題游戲的喜愛源于課程的趣味性。

借助游戲化教學，在原本教學模式的基礎上優化課程模式，不僅能讓教學內容和活動更加豐富多樣，更能引領學生深層次融入課堂，進行深度學習，大幅度提升學生計算思維。因為學生具有愛玩、好勝心強的天性，把傳統教學方式與游戲化教學有效結合，不僅能讓學生運用自己所學的知識創造性地解決編程中的問題，更能感受到課堂與往日的不同，學生的注意力和興趣度都在提高，知識點掌握程度也在加深，游戲教學法正散發著神奇的魅力。游戲化教學能使學生發自內心喜歡學習，所以學生能在學習中明確計算思維不同維度的屬性和應用場景，提高學習能力，對他們未來發展有一定現實意義。

4" 結束語

計算思維不是算法和編程知識的簡單傳授，而是一個復雜的、綜合的、連續迭代的問題解決過程[8]。在信息技術教學中，教師通過確立目標、建立規則、及時反饋、積極參與等多個教學環節，培養學生的思維碰撞能力、抽象特征能力、優選算法能力、糾錯迭代能力、遷移運用能力，把游戲化教學方式和培養學生的計算思維有效結合。通過具有深度性和趣味性的游戲化學習，學生可以在信息技術課堂體會到不一樣的樂趣，思維能力也由低階狀態向高階計算思維和創新思維階段提升。

5" 參考文獻

[1]曹曉明，安娜.培養計算思維的高中信息技術校本課程研究[J].現代教育技術，2018（7）：106-112.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3] Wing J M.Computational thinking[J]. Communica-tions of the ACM， 2006（3）：33-35.

[4] SELBYC， WOOLLARD J. Computational thinking：the developing definition [EB/OL].（2014-06-23）[2020-12-20].http：//eprints. soton.ac.uk/356481.

[5]中華人民共和國教育部. 普通高中信息技術課程標準[S].北京：人民教育出版社，2018.

[6]鄭月珍.核心素養理念下小學Scratch課程游戲化教學研究[D].福建：閩南師范大學，2021.

[7]張立國，王國華.計算思維：信息技術學科核心素養培養的核心議題[J].電化教育研究，2018，39（5）：115-121.

[8]單俊豪，閆寒冰.美國 CSTA 計算思維教學案例的教學活動分析及啟示[J].現代教育技術，2019（4）：120-126.

作者簡介：榮榮，中學一級教師。