计算思维导向的游戏化教学设计研究

苗晓庆 张秀琦 宁美艳

摘  要 计算思维是国内外广为关注的一个研究热点，也一直都是信息技术课程的教学难点，而游戏化教学对激发学生学习动机有很大的帮助。通过对计算思维和游戏化教学的概念、研究现状等进行研究，以建构主义学习理论和ARCS动机理论作为理论支撑，借助具体教学案例分析，说明游戏化教学对有效培养计算思维有着积极的促进作用。

关键词 信息素养;计算思维;游戏化教学;信息技术;Scratch

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）17-0082-04

0  前言

一场突如其来的疫情使得中小学生信息素养的培养再次进入人们的视野，疫情时期的“停课不停学”政策让人们重新将目光放到了在线教学上，而学生信息素养在线上教学中的应用也就显得尤为重要。突如其来的疫情让人们意识到，不管是教师还是学生，计算机已经对人们生活的方方面面造成深刻的影响，其中对教学方式、学习方式的影响推进了对教育的变革。疫情期间的线上教学也让人们意识到基础教育阶段学生信息素养的重要性。在后疫情时代，提高学生的信息素养，发展学生的计算思维，提高他们利用计算思维解决问题的能力，成为基础教育阶段信息技术教育的一项重要内容。同时，将游戏元素融入教学过程中，增强学生学习的内在动机，也成为研究的方向。

1  概念界定

1.1  计算思维

计算思维源于20世纪50年代。1980年，麻省理工学院的西蒙教授首次明确提出计算思维，1996年再次提及并对其进行了界定。2006年，周以真教授定义了计算思维，把计算思维带入广大研究学者的视线当中。2010年，C9高校联盟将计算思维作为计算机基础教学的核心任务。2011年，计算思维被美国纳入K-12标准中。经过几年的发展，国内2017高中信息技术新课标的出现使得计算思维成为研究者的讨论重点[1]。通过其他文献的阅读可以知道，我国对于计算思维的讨论目前还处于初级阶段，主要还是对计算思维的解读，而在教学实施应用方面的研究较少。这就需要将计算思维的培养重视起来，将其加入教学设计中，在教学实施过程中探索有效培养计算思维的途径。

自从《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》發布以来，核心素养的四个核心要素便进入大众视野，其中计算思维得到中学信息技术教育的广泛关注，大量的课标解读对计算思维有了不同的看法。例如：计算思维是与计算机及其特有的问题求解方式紧密相关的一种思维形式，是在解决各种问题时有意识地运用计算机科学家所用的思想、方法、技术和工具，甚至是环境，不仅包括思考，还包括更一般的活动[2];计算思维是一种解决问题的独特过程，是能帮人们更好地理解和分析复杂问题的思想方法，从而形成形式化、模块化、自动化、系统化的问题解决方案[3];计算思维是由三个层次的内容所组成的复合思维，分别是意识、方法和能力[4]。

目前，国内对于高中信息技术教学中的计算思维比较权威的定义是：计算思维是通过计算机领域的学科方法界定问题、归纳特征、建立模型、合理组织数据，判断、分析、综合各种信息资源，设计算法形成解决问题的方案，概括利用计算机解决问题的过程与方法，并能够迁移到与之相关的其他问题解决中的一种学科思维[5]。

综上可知，计算思维是在计算机的帮助下，采用计算机科学领域的技术、方法等对问题进行分析并对其进行抽象，推测其发展规律和趋势，从而实现自动化的思维活动。其本质就是抽象和自动化，包括问题分解、模式识别、抽象和算法思维四个部分。

1.2  游戏化教学

2003年，英国的Nick Pelling第一次使用游戏化，将其定义为“把不是游戏的东西（或者工作）变成游戏”[6]。2012年开始，将游戏与教学结合起来的研究热潮开始袭来，大量的研究使得游戏化教学融入各个学科当中，为教学模式的探索开辟了一条全新的路径。

游戏与教学看起来是两个相互对立的关系，但将其放到实际教学中又会有意想不到的效果。由于游戏的自发性和自在性使得游戏化教学的定义比较模糊，到目前为止仍没有一个明确的定义。但在近几年的研究文献中将游戏化教学大致分为两种。

一种是将其看成一种教学活动，将游戏元素与教学元素紧密联系，使学生在轻松愉快的教学环境下进行学习[7]。该教学方式是由教师主导设计的，通过游戏的内在趣味激发学生的学习兴趣，从而增加学生学习的内部动机。在这种教学活动中，教师可以更好地掌握教学节奏，合理安排游戏时间，且始终伴随师生愉悦的情绪;以教学内容为素材设计假想情境;既重过程，又重结果;使玩具与学具一体化。

另一种是将游戏化教学看作一种教学模式，是指教师在教学过程中根据学生的心理特征，将游戏的趣味性、参与性和情境性的特点与教学实践结合起来，并将教学策略和评价方法与之相配合的一种教学模式[8]。

综上可知，游戏化教学可以是教学活动，也可以是教学模式，是以游戏为手段，并将其贯穿于整个教学活动当中，把教学目标、内容、要求、任务隐藏并融入各种教学游戏当中，让学习者在愉悦的学习环境中掌握知识、习得技能的一种教学方式。

计算思维是近几年信息技术课程的研究热点，也是信息技术教学的难点。将能够激发学生学习兴趣的游戏化教学与计算思维培养结合在一起，可以为之后的计算思维有效培养提供新的研究方向和视角。

2  理论基础

2.1  建构主义学习理论

建构主义学习理论强调学习是学习者主动探究、主动建构自己知识经验的过程，认为学习不仅仅是知识由内到外迁移和传递的过程，学习者也不仅仅是被动的信息接收者，而更应该是知识的主动建构者，对外部信息做主动的选择和加工，结合已掌握的知识经验，对新事物、新现象、新问题或新信息进行阐释，生成个人独有的意义建构。建构主义学习理论所描述的学习者行为与游戏化教学的核心思想如出一辙，都是需要教师为学生提供建构知识的环境，让学生运用已有知识经验去解决遇到的问题，帮助学生主动建构的过程。

此外，计算思维的基本思想也与建构主义学习理论相吻合，利用计算机分解问题，探索解决问题的方法并建立模型，让学习者解决日常生活中感觉比较困难且无法独立完成的问题，帮助他们培养计算思维。

2.2  ARCS动机理论

ARCS动机模型是美国的心理学教授约翰·凯勒提出的，他认为对学习者学习动机产生影响的因素有四类，分别是注意（Attention）、相关性（Relevance）、自信心（Confidence）和满意（Satisfaction），简称ARCS，且这四个要素在教学设计过程中的应用是一个顺次循环的过程，如图1所示[9]。

因此，在进行教学设计时还应该设计适当的学习动机，能够保持学习者在课堂中的注意力，产生学习者与教学的相关性，使学习者可以产生对学习的自信心和满足感，并维持这种状态，从而激发他们的学习动机。这种理论更有益于学习者的学习，同时顺应了时代的潮流，培养了学习者运用信息技术手段解决教学中遇到问题的能力。

3  研究意义

作为21世纪的“数字原住民”，人们的生活中处处充斥着计算机和网络的身影，计算思维也就显得颇为重要。而且计算思维是近几年来国内外计算机界和教育界广为关注的一个重要概念，中国首届“九校联盟计算机基础课程研讨会”提出的声明指出：必须重视大学计算机基础教学的重要地位，把培养学生的计算思维视作计算机基础教学的核心任务[10]。计算思维能力的培养在计算机基础教学中的重要性已经毋庸置疑，而且会越来越受到重视。而近几年来我国的高校学者和专家将视角放到游戏化教学上，使之成为教学研究的热点。通过游戏化教学培养计算思维除了可以激发学生的学习兴趣，编程小游戏的模块化设计也可以激发学生的学习兴趣，有效培养计算思维，这很符合计算思维利用分解和抽象的方法来解决复杂的问题的理念。

由此可知，游戏化教学对信息技术的教学有很大的研究意义，可以解决当前信息技术课程教学过程中遇到的许多问题。在信息技术基础教学阶段运用游戏化教学更能提高学习者的注意力，让学习者在愉快的学习环境中习得知识。因此，游戏化教学还可以培养学习者的计算思维，促进学习者思维水平的提高，从而达到理想的教学效果。

4  教学设计案例研究：以小学信息技术“Scratch编程中的变量控制程序”为例

4.1  学情分析

本课的教学对象是五年级学生，他们思维活跃、爱玩游戏，经过之前的学习，对Scratch编程已经有了浓厚的兴趣，并且已经对Scratch中模块的操作有一定的了解。他们有开阔的思维，喜欢天马行空地想象，但多数想法不切实际，以其自身的知识水平不能独立完成游戏创作，还需要教师的适时引导。

4.2  内容分析

小学阶段信息技术主要学习计算机基本概念组成、计算机画图、文件和文件夹的基本操作、计算机的基础操作、网络的简单应用、LOGO编程几个模块。Scratch编程是2013年在LOGO语言基础上出现的拼图模式的程序语句，比较适合小学阶段编程语言的教学，其游戏属性更容易激发小学生的学习兴趣和增强课堂注意力，也有利于小学生计算思维的培养。

在Scratch的基本操作中，主要是通过指令的拖拽和脚本的编写，在舞台上让造型按指令行动起来。本节课的教学内容是Scratch小游戏编程，是小学阶段的编程基础课，让学生学会学习教师操作演示的方法，理解并解决学习过程中的问题。本节课Scratch编程中的变量主要应用的语句是设定变量的值和将变量值增加，能根据游戏设计合理利用语句，让学生尝试学会利用阅读脚本程序的方法理解并解决编程过程中的问题，提升编程能力。

4.3  教学方法

小学阶段信息技术课程的教学要有明确的任务，让学生知道所要学的知识是什么，运用任务驱动式教学方法和以“学生”为中心的自主探究模式来进行教学，使计算思维的培养更有效，同时提高学生的自主探究能力。

4.4  教学流程

将设计好的课前游戏“飞鸟游戏”展示出来，向学生介绍游戏规则：按绿色旗帜开始游戏，用空格键控制飞鸟躲避障碍物，顺利通过则游戏成功，碰到障碍物则游戏失败。让学生参与到游戏中去，从而提出问题“怎么样让这个游戏更具挑战性？”学生积极展开想象，创新游戏，比如增加“生命值”“过关分数”等，这样就引出这节课的新知识——变量。

【设计意图】根据五年级学生的特点，通过课前游戏激发学生的学习兴趣，让学生对Scratch编程感兴趣，从而更好地进行学习。

1）任务分层。导入课程后，学生都有了自己的想法，但是怎么样将游戏与变量结合起来成为接下来教学的重点，因此提出三个学习任务：一是新建一个变量;二是理解变量语句;三是将变量插入到之前设计的游戏当中。通过关系密切且难度逐渐增加的三个学习任务，让学生在完成任务的过程中逐步提高。每个小组先完成第一个任务，之后领取下一个任务，这样不仅可以帮助教师了解学生的学习进程，还可以增强小组之间的竞争意识，提高学习效率。

【设计意图】计算思维是将一个庞大、复杂的问题不断分解成简单的、一个一个的小问题，从而解决问题的一种思维方式。而变量是一个比较模糊的概念，学生并不知道要从何处下手，因此，教学设计的时候将知识分为认识、理解、运用三个层次，让学生在学习过程中对知识有深刻的理解，并且能运用到实际教学中去。

2）有效反馈。理解变量语句是本节课的重点，为此让几个学生介绍自己的游戏设计思路及变量设计意图，教师根据学生的讲解，将主要语句和设计思路罗列在白板上，让学生分组讨论，共同探索变量的设计。

【设计意图】学生结合自己设计的游戏尝试应用“變量”语句，通过讨论设计意图，不仅学会了变量，还在教师的指导下总结出编程中的一些基本方法。这也属于计算思维，即学生通过分析相似的对象或经验，找出其中的共同点，从而创造自己的模式。这就是计算思维很重要的内容——模式识别和抽象。通过教学生模式识别和抽象，不仅可以解决学生未来学习中遇到的问题，还可以扩展学生对周围世界的认识，对世界做出预测。

3）应用梳理。教师直接展示一位学生的游戏脚本，请其他学生来分析他的游戏脚本设计了什么样的游戏任务，找出其中的变量。在阅读脚本的过程当中，学生会看到其他学生的游戏脚本与自己的游戏脚本的异同点，在互相交流的过程中提出问题和解决问题，完善自己的游戏设计。

【设计意图】让学生通过对比其他学生的游戏脚本，将自己的游戏脚本设计得更加完善，形成算法思维，这就是计算思维中有关于算法的设计，即创建顺序规则，从而解决问题。虽然学生目前还没有独立设计算法的能力，但在本节课中尝试根据自己的游戏设计，利用多样的算法来实现游戏编写。

4）经验交流。在本节课结束之前，学生共同欣赏各小组提交的优秀作品，讨论交流游戏设计的优点和需要改进之处，并对之后的游戏设计提出展望，如增加挑战环节、比赛倒计时、原地复活等。

【设计意图】学生观赏优秀作品，教师引导学生不断进行思考，通过一次次的交流，不断完善自己的作品，并对之后的游戏设计提出畅想，不仅锻炼学生的计算思维能力，还让学生参与实践，体会学习的快乐。

教师通过运用任务驱动式学习、问题解决式学习和以学生为中心的自主探究模式等教学方法，将游戏化教学和计算思维培养渗透到教学过程中。而计算思维的问题分解、模式识别、抽象、算法思维四个组成部分也为之后将计算思维培养融入教学设计中提供了新的思路。

5  总结

随着对计算思维认识的不断深入，计算思维的培养策略也越来越多，但将游戏化教学与计算思维培养结合起来的研究则比较少。因此，将计算思维的问题分解、模式识别、抽象、算法设计四个部分融入教学设计中，以教学游戏为线索，通过教学设计有效培养计算思维。经过研究，可以总结出计算思维的培养方法：首先，将教学中比较困难、庞大的问题进行分层设计，从认识、理解、运用三个方面进行學习任务设计;其次，在理解知识进程中对教学活动进行设计，从问题中寻找经验并举一反三，将其运用到其他问题中，得到一般性规律和趋势，从而实现计算思维的模式识别;再次，通过教师的引导对问题进行抽象，即总结问题解决过程中的一般思路，形成解决方案;最后，进行学生自评，形成学生自己的算法思维。通过小游戏的编程将四个环节充分应用于教学过程中，从而培养学生的计算思维，也为之后的Scratch编程教学提供了新思路。

参考文献

[1]范文翔，张一春，李艺.国内外计算思维研究与发展综述[J].远程教育杂志，2018，36（2）：3-17.

[2]蒋宗礼.计算思维之我见[J].中国大学教学，2013（9）：5-10.

[3]任友群，隋丰蔚，李锋.数字土著何以可能？：也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016（1）：2-8.

[4]龚沛曾，杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学教学，2012（5）：51-54.

[5]李锋，赵健.高中信息技术课程标准修订：理念与内容[J].中国电化教育，2016（12）：4-9.

[6]顾怡雯，张佳怡，张孔燕，等.近五年国际游戏化学习研究综述[J].开放学习研究，2020，25（4）：10-18.

[7]吴也显.小学游戏教学论[M].南昌：江西教育出版社，1996：14-24.

[8]张晓英.对小学语文游戏化教学的现状分析及对策探讨[J].小学教学参考，2010（30）：74-75.

[9]胡敬爽.ARCS动机设计模式在高职计算机公共课教学中的应用研究[D].广西：广西师范学院，2011.

[10]九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010（9）：4，9.