STEAM教育理念下高中游戲編程設計與反思

摘要：本文介紹了STEAM教育理念的內涵，并探討了如何結合Python編程和Minecraft游戲環境設計融合多學科知識的高中游戲編程課例，為高中學校開展編程教育提供了新的途徑。

關鍵詞：STEAM；基于游戲的學習；編程教育；Python

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）13-0052-03

STEAM教育理念與高中游戲編程的聯系

在高中編程教學中，Python已經成為必學的內容，但是對于Python的學習大多以程序填空或抄寫代碼為主，并沒有追根溯源，讓學生了解代碼背后的原理。而基于Minecraft游戲的Python教學可以解決這個問題。在Minecraft游戲環境下，結合數學、美術、信息技術、通用技術等多學科知識進行課程設計，可以讓學生了解代碼背后的原理，提升學生的學習興趣。[1]

STEAM教育理念在游戲編程中的體現，就是既有設計的美，又有理科知識的學習。本研究開發的校本課程同時具備以上特征，課程中的成果展示是具體的建筑，在設計中注重美觀性和實用性，有利于從藝術（Arts）角度進行跨學科學習。STEAM是對STEM的發展和升級，在理工科學習中融合人文藝術的學習，與本課例特點高度契合。

基于Minecraft游戲的Python教學設計

1.目標設計

結合STEAM的學科素養要求，目標設計從五大要素課程目標來闡述。其中，要素S（科學）的目標為學習計算機編程的知識；要素T（技術）的目標為具備寫代碼的能力、建筑設計的能力；要素E（工程）的目標為具備工程思維，明確一項工程項目完成前所需考慮的問題和歷經的程序步驟；要素A（藝術）的目標為在建筑設計過程中培養欣賞美和創造美的能力，了解建筑歷史培養人文精神；要素M（數學）的目標為能夠運用數學方法解決遇到的問題。也就是說，課程的總體目標為初步掌握Python語言基礎，可以獨立編寫代碼和設計建筑，提高審美能力，培養科學探究能力和問題解決能力。

2.內容設計

本課程內容參考了電子工業出版社出版的《MINECRAFT編程：使用Python語言玩轉我的世界》[2]一書和高中信息技術、通用技術、美術、數學等學科的內容，并結合項目式學習理念和任務驅動法，設計了7個項目，根據任務難度和數量，每個項目需要1～3課時。經過該課程的學習，學生會形成一份完整的作品集，每一幅作品都有設計圖、Python代碼以及作品效果圖。在前6個課時中，學生會設計五座建筑，骰子的平面構成圖、由長方體造型組成的建筑體、由重復結構組成的建筑體、隨著玩家移動自動生成的建筑體、顯示點陣漢字的建筑。在后2個課時中，學生會設計火箭和還原當地地標性建筑，在設計火箭時會對長征系列運載火箭的歷史，以及不同火箭的結構和外觀有全新的認識，在還原當地地標性建筑時，會對當地有名的建筑設計歷史有全新的認識。具體課程內容如右表所示。

3.流程設計

基于STEAM教育理念的編程教學，屬于工程教育范疇，所以本項目實施過程引入CDIO工程教育模式。CDIO工程教育模式是由MIT和瑞典幾所大學在Wallenburg基金會的資助下，經過幾年的研究、探索和實踐，于2004年創立的。[3]根據該教育模式，筆者將本項目實施過程分為如上頁圖1所示的四步。

基于Minecraft游戲的Python教學案例——地標建筑

1.明確問題，提出想法

教師通過PPT展示蘇州各類地標建筑的原始圖和三視圖，學生在對應的過程中體會平面和立體的關系。接著，教師以東方之門、倫敦塔橋為例，讓學生查閱且分享該建筑的設計歷史，隨后提出本項目的任務——繪制某地標建筑的草圖，并通過編程實現搭建。

2.設計草圖，討論修改

在草圖設計的過程中，學生討論將建筑拆成長方體或平面，接著在三維坐標系中或Excel中繪制草圖（小組成員進行討論，不斷修改）。東方之門作為蘇州最有名的地標建筑，聞名全國，所以有多個小組進行東方之門的設計，如圖2所示為某小組的東方之門設計圖，他們將東方之門拆解成長方體，并標注出長方體對角的坐標和選用的材料。

3.調試代碼，編程實現

在設計圖成型后，需要找到適合的編程方法，如二維表、循環語句、生成函數等，學生可以自主討論選用。由于東方之門的設計圖是由長方體構成的，所以可以使用setBlocks（）和setBlock（）兩個生成函數不斷地賦值和生成一個個方塊和長方體，在小組討論后，學生編寫出了代碼，并且在觀察效果圖之后對一些細微之處進行返修。如圖3所示為東方之門代碼截圖以及效果圖。

4.作品評估，小組評價

本項目拓展性較強，地標建筑的選擇既考驗學生的空間想象力，同時也要求學生對可行性進行分析。小組在完成作品后在班級進行作品展示，教師及其他小組學生從選材、結構、美觀方面對作品進行打分及分析，隨后小組進行自我反思，從設計到編程進行再次完善。

反思

首先，本課例在實施過程中激發了學生學習的主動性，拓寬了學生的知識面。在學習過程中，學生不是在照葫蘆畫瓢，而是可以進行自主創新。例如，在設計火箭一課中，課堂任務要求學生編程實現搭建立體結構的火箭，但是有學生通過循環實現火箭的上升，加入判斷語句實現了火箭尾焰的變化。

其次，本課程具有完整性和適用性。課程中的編程知識來源于普通高中教材，具有充分的理論支撐和完整的課程設計，具有可推廣性。而且本課程可以在學生初學Python時開設，經過本課程的學習，學生可掌握Python的基本知識，能寫出完整的二三十行代碼的程序。

最后，本課程可以促進學生綜合能力的發展。本課程以STEAM的教育理念為源泉，基于Minecraft游戲的學習環境進行Python學習，結合了通用技術課程中的設計思維、數學學科中的空間思維，以及美學素養，共同編程建造建筑。在這個過程中，綜合利用了多學科知識，促進學生各學科素養的落實，有助于培養當今社會需要的科技創新人才。

參考文獻：

[1]喬江江.基于設計思維的高中游戲編程教學設計與實踐[D].武漢：華中師范大學，2022.

[2]Craig Richardson.MINECRAFT編程：使用Python語言玩轉我的世界[M].北京：電子工業出版社，2020.

[3]Crawley E， Malmqvist J， Ostlund S， et al. Rethinking engineering education-the CDIO approach[M].Berlin： Springer，2014.

作者簡介：周波，南京師范大學蘇州實驗學校，研究方向為信息技術教學。

基金項目：江蘇省教育學會“十四五”教育科研規劃2022年度立項課題“基于Minecraft游戲的結對編程教學實踐研究”（22A04JSSZ254）。