儿童编程游戏设计模型与效果验证*

2022-12-28蒋希娜陈世红孙云秀仇凤勤

现代教育技术 2022年12期

蒋希娜丁妮陈世红孙云秀仇凤勤

儿童编程游戏设计模型与效果验证*

蒋希娜1丁妮1陈世红2[通讯作者]孙云秀3仇凤勤3

（1．北京师范大学艺术与传媒学院，北京 100875；2．北京联合大学应用文理学院，北京 100083；3．郭猛小学，江苏盐城 224014）

编程游戏作为培养儿童计算思维能力的有效途径已经得到学界和业界的普遍认同，然而，部分游戏的计算思维的培养效果还不理想，亟待科学设计理论的指导。为此，文章首先提出了编程游戏设计框架CPD，然后基于该框架开发了一款游戏软件，最后采用测验、访谈和游戏日志等方法，对游戏实例的学习效果进行评估。文章基于设计原则定制化开发编程游戏，并作为实验干预材料，保证了实验数据能够准确反映设计框架的有效性。实验数据表明，基于“元游戏”“去抽象化”“黑箱化”和“多周目”这四个设计原则开发的编程游戏，能够有效培养玩家的计算思维能力。文章通过研究，期望能够为编程游戏开发实践提供科学理论指导，并为教育游戏设计研究带来方法创新。

计算思维；儿童编程；游戏设计；游戏化学习测评

儿童编程教育行业发展如火如荼，其产品层出不穷，然而这些产品大多数偏向于对代码编写技巧的训练，这不但超出了该年龄段儿童的认知水平，更重要的是忽略了对计算思维能力的培养。研究发现，计算思维是编程教育的核心，也是国际计算机科学教师协会提出的K-2儿童需要掌握的必备能力[1][2]。由此，编程游戏作为培养儿童计算思维能力的有效工具，开始进入人们的视野，相较于代码技巧训练类编程教育产品，编程游戏无须键入脚本语言，在降低认知门槛的同时，可以使儿童聚焦于算法逻辑的思考。可见，如何设计编程游戏以更好地培养儿童的计算思维，值得该领域的实践者和研究者进行深入探讨。为此，本研究首先以编程游戏为学习载体，以K-2儿童为学习主体，构建培养儿童计算思维能力的编程游戏设计框架；然后基于该框架自主开发了编程游戏“小世界”，并作为实验干预材料，来检验设计框架的科学性。文章通过研究，期望为编程游戏开发实践提供科学理论指导，并为教育游戏设计研究带来方法创新。

一培养计算思维能力的编程游戏设计框架构建

2006年，周以真教授在Papert的“算法思维”基础上首次提出“计算思维”，并将其定义为运用计算机科学领域的基础概念来解释问题、设计解决方案的一系列思维动。此后，针对计算思维相继出现了一系列研究，如2010年陈国良[3]提出问题求解是计算思维培养的主要能力之一；2012年希腊技术教育学院荣誉教授Voskoglou[4]认为计算思维是指运用计算机科学的知识、概念和技术解决问题；2016年，Weintrop[5]提出计算思维是关于建构问题和解决方案的思维过程；黄荣怀[6]也指出关注问题解决方案的形成过程是计算思维培养的宗旨。上述所列观点受到学界的广泛认可（被引量在100～1000次不等），通过梳理以上学者对计算思维的概念界定，不难得出：计算机化问题解决（Computational Problem-Solvin，CPS）是计算思维的核心能力。基于此，本研究以CPS能力培养为核心，并基于CPS的三个关键步骤，定制编程游戏的设计原则，形成编程游戏设计框架——计算机化问题设计（Computational Problem Design，CPD）框架，如图1所示。本研究仅对CPD框架进行简要阐述，关于如何将该框架提出的具体设计原则运用、指导设计实践，已经在前置研究《指向计算思维能力培养的儿童编程游戏设计》一文中进行详述[7]。

图1 CPD框架

1 表征问题：元游戏、去抽象化

“元游戏”是指游戏嵌套游戏的设计方式，也就是将原游戏作为一个问题置入新游戏的“问题区”中。这一设定下，玩家不再将自己内化为游戏角色，而是跳出角色所处问题，转而成为帮助游戏角色解决问题的问题解决者，由此确立问题意识，即通过增设问题窗口，增强个体的问题意识，这一点对儿童来说十分重要。“去抽象化”是指为抽象原型创造具体环境的设计技巧，也就是将抽象问题包装成具象的游戏环境。当玩家尝试完成任务时，需要从具体的游戏环境中抽取出问题原型，并将问题原型匹配到特定问题类型，由此完成抽象表征问题能力的训练。

2 构建算法：黑箱化

“黑箱化”是指将代码语句封装成指令卡的设计方法。如此，玩家无须逐句编写脚本，只需将指令卡拖拽到编程区即可编程。这样弱化了儿童对编码技巧的关注，降低了脚本编写难度，减轻了儿童的认知负荷，使其集中于程序方案的逻辑和结构[8]。因此，“黑箱化”原则在简化知识表征复杂度的同时，保证了知识的内涵思维不降维。某种程度上实现了布鲁纳[9]所期盼的“任何学科知识都可以以某种‘巧智’形式有效地传授给任何发展阶段的儿童”。

3 测试调试：多周目

“多周目”源于日本角色扮演类游戏中常见的重玩模式，即游戏设计师常说的NG+（New Game Plus）。本游戏特质辅以“星级评价系统”的重玩模式，也就是当玩家采用更高效的方案（更少的指令卡）完成任务时，将获得更高的星级徽章。通过星星奖励技法、鼓励儿童玩家在初步完成当前关卡任务后，为获得更高的星级选择再次重玩，深入思考更加高效的解决方案。

二 CPD框架的效果验证设计

为验证基于CPD框架设计的编程游戏能否培养儿童玩家的计算思维能力，本研究团队基于该框架，自主开发了游戏案例“小世界”，并将其作为干预材料，从而保证实验数据能够准确反映设计理论的有效性[10]。

1 实验准备

（1）计算思维评测内容

目前，国内学者对计算思维认知评测进行了系统研究[11][12][13]，其中最新的成果包括：马红亮[14]提出了新的问题解决教学方法IGGIA、江波[15]分析了同伴互动学习与CT技能发展的相关性等，这些研究都得到了广泛的认可。而国际上广泛认可的计算思维评价标准有刘晨钟提出的SDARE评价框架（包括语法识别、数据分析、生成算法方案、抽象表征问题和实现高效方案五个部分）和Brennan[16]提出的三维度，即计算概念（如循环、条件、事件等）、计算实践（如抽象、测试、复用等）、计算观念（运用计算机学科的方式表达对象间的关系和理解世界）。本研究将SDARE五步骤凝练为三步骤，并将Brennan三维度抽象为计算概念和问题解决能力，形成针对本研究的策略标准，分为两类概念：①“CPS相关概念”，是指解决各类问题的三个主要步骤的相关概念；②“具体分析概念”，是指为解决具体问题，学生需要掌握的其他分析概念。例如，利用“循环”的概念来解决需要多次重复操作的问题。基于此，本研究提出儿童计算思维测量标准，如表1所示，包括CPS相关概念和具体分析概念[17]。考虑到不同知识类型，需采取不同的数据获取和分析方式，因此将计算思维知识分为程序性和描述性两种类型。

表1 儿童计算思维测量标准

（2）游戏概述

游戏“小世界”基于Code.org教学大纲中K-2教学大纲中的6个知识点开发，具体包括两部分：①陈述性分析概念，包括指令、序列和算法，属于“是什么”的陈述性知识，一般是由概念、命题等组成的具体事实；②程序性分析概念，包括调试（除错）、循环和条件，属于“怎么做”的程序性知识，如解决问题的规则和步骤。游戏包含5种昆虫世界，每个世界都涉及不同的昆虫故事，并侧重于不同的分析概念；每个世界由6个子关卡组成，共30关。

描述性分析概念包括指令、序列和算法，对应“苍蝇”和“蜣螂”两个世界，以“苍蝇”关卡为例的关卡界面如图2所示。通过如下方式介绍给玩家：首先，引导玩家手动拖拽苍蝇移动一格，回到家中，完成任务，手势控制如图2（a）所示；然后，弹窗引入指令卡“↑”，并语音提示玩家“刚刚的操作就是一个指令”，指引弹窗如图2（b）所示；进入下一关，玩家无法直接用手指控制苍蝇，而被要求用指令卡进行编程，以控制苍蝇前进，指令控制界面如图2（c）所示；后续关卡中，引入更为复杂的问题，后续关卡及其方案如图2（d）所示。经过几关后，玩家逐渐意识到自己在向苍蝇发出指令。此时，系统提示玩家“当一次发出多个指令时，就是‘算法’；当多个指令按顺序发出时，便是一个‘序列’”。

程序性分析概念包括调试、循环和条件，分别对应“蚂蚁”“蝴蝶”和“蜜蜂”三个世界。以“条件”为例：首先，将“条件”转译成低龄儿童能够理解的操作，即“根据不同的条件做出决定”；然后，基于此操作，设计一个问题——玩家需要帮助蜜蜂完成“从花中采蜜、在蜂巢中酿蜜”的任务；然而黄色的圆点覆盖了目标位置，玩家无法判断圆点下是花还是蜂巢，所以无法给蜜蜂下指令，任务设定如图3（a）所示；此时，弹窗引入新道具，即指令卡“条件式”，并解释“想在两个以上条件做出决定，试试条件指令卡”，同时向玩家展示如何使用该道具，指引弹窗如图3（b）所示；最后，游戏解决方案如图3（c）所示，玩家使用“条件”指令解决问题，系统语音提示“这就是条件式，即根据不同条件做出相应的决策”。

图2 以“苍蝇”关卡为例的关卡界面

图3 “条件”的关卡界面

（3）实验材料

为了验证CPD框架所包含的4个设计原则的有效性和科学性，本研究团队自主开发了基于不同设计原则的、不同版本的“小世界”作为实验材料。其中，考虑到“去抽象化”确保了玩家习得内容为计算思维知识；“黑箱化”保证了编程训练符合低龄儿童的认知水平，因此，这两个原则是儿童编程游戏设计的必备原则，无须测量。由此，本研究着重评估另外两个设计原则：“元游戏”和“多周目”，为此设计了4个不同版本的“小世界”，差异如下——

G1：初版游戏，仅使用“去抽象化”和“黑箱化”，也就是通过键盘控制角色完成任务。

G2：在G1的基础上，使用“多周目”，增加奖励系统，激励玩家使用较少指令完成任务。

G3：在G1的基础上，使用“元游戏”，与G1控制角色的方式不同，要求玩家创建程序来控制角色完成任务。

G4：在G1的基础上，同时使用“多周目”“元游戏”，即在G3的基础上，增加奖励系统。

值得一提的是，G1和G3虽然没有采用“多周目”，并未向玩家反馈星级，但是系统会将每关获得的星星数量记录到游戏日志中，为后续实验分析提供数据支持。

2 研究假设

明确上述游戏版本差异后，本研究提出如下假设：假设1，“多周目”设计原则有效，G2的学习效果优于G1；假设2，“元游戏”设计原则有效，G3的学习效果优于G1；假设3，“元游戏”和“多周目”的综合作用有效，即G4的学习效果分别优于G1、G2和G3。

3 实验流程

本实验在江苏省A市的一所实验学校开展，被试是来自小学一年级的5个自然班级，每班有40～49名学生参与。其中，前4个班级的干预条件分别为游戏G1、G2、G3和G4；第5个班级在不玩任何游戏的情况下，参加前后测，条件为“无游戏（G0）”，以控制前后测重复测验的干扰因素。被试共224名，其中19名未能全程参与，因此有效数据为205名；男女比例分别为58.32%和41.68%，平均年龄为5.73岁。

正式实验共16天（4个版本，每个版本4天），每天完成相应的分析概念（第一天完成指令、序列、算法；第二天完成调试；第三天完成循环；第四天完成条件），时长为60～90分钟，均完成6个步骤（G0班不进行第4个步骤）：①培训。由于大约一半的学生无法熟练使用计算机，因此在每次实验前，对其简单培训开机、鼠标使用、打开游戏等操作。②游戏前访谈。了解学生对当天学习目标（特定分析概念）的理解程度。③前测。学生运用分析概念回答问题、完成测验。④游戏干预。学生完成分析概念对应的关卡任务，习得分析概念，提高CPS技能。⑤后测。⑥游戏后访谈。该实验流程设计保证了G1～G4各组间的唯一差异是干预材料，即不同的游戏版本，本质上的差异是不同的设计原则。

4 测试方法

本研究针对不同类型的知识，将采取相应的数据搜集和分析方法：①描述性知识，可以通过背诵习得（Learn-as-remembering），其学习效果可以通过测验和访谈数据进行分析；②程序性知识，通过运用这些知识解决问题才能习得（Learn-by-applying），需要收集和分析学习者解决问题的过程行为数据，此类数据将通过在游戏系统中埋点并存储于游戏日志中的方式搜集。

评测内容和方法对照如表2所示，一方面通过测验、访谈，评估具体分析概念的掌握情况，并辅以访谈数据进行补充解释；另一方面游戏埋点，抓取学生的游戏行为和学习过程，检验其是否进行了CPS相关的学习活动。

表2 评测内容与方法对照

（1）游戏日志

为了检测学生的CPS技能是否得到了训练，本研究团队利用游戏日志记录了学生的游戏行为数据。CPS技能、游戏操作与日志数据之间的对照关系，如表3所示。除了抓取与CPS相关的游戏行为数据，游戏日志还收集了每关测试次数、星星数量，以及重置或重玩某个关卡的记录。游戏日志数据获取和分析的具体实施路径为：通过“埋点”获取学生的游戏数据，并以JSON格式存储在日志文件中，然后转化为CSV文件，采用R语言分析被试的游戏化学习行为。

表3 CPS技能、游戏操作与日志数据的对照关系表

（2）测验

具体分析概念的测验，分为六份测验：指令、序列、算法、调试、循环和条件，每份试题由三个问题组成。为降低知识迁移的难度，问题的形式由具体向抽象过渡。以“条件”为例，测验题如图4所示。其中，图4（a）要求玩家帮助蜜蜂完成采蜜或酿蜜的任务，与“小世界”的任务相似，知识迁移难度较低；而图4（b）是一道基于条件判断的数学题，问题更加抽象，对知识迁移的要求较高。

图4 “条件”测验题

（3）访谈

上述测验对学习结果进行了定量评估，但无法评估学生对具体分析概念的定性理解。因此，本研究进行了干预前后的对照访谈，此处需要强调的是，本研究的访谈并非主要测试手段，只是对定量测验结果的一个辅助解释和补充说明。研究助理在游戏前后分别对每一位学生进行单独访谈，首先要求学生解释一个特定的计算思维概念，以“指令”为例，如果学生表示不解，那么访谈者会给出一个学生能够理解的、有助于解释这个概念的术语，如“一个命令”；如果学生能够理解所给概念的涵义，那么就进行运用，例如“请你给我发送一个指令”；如果学生能够成功发送一个“指令”，那么初步判定其掌握了这个概念。

三实验结果与分析

1 具体分析概念

（1）描述性分析概念

本研究以前测总分为协变量，后测总分为因变量，通过协方差分析（单因素ANCOVA）检验不同组别的学习效果是否存在差异。结果表明，在控制前测分数的影响后，各组间的后测成绩呈现显著差异，F(4, 205)=22.02，<.001。本研究还分别对各实验组的指令、序列和算法的平均分进行配对样本t检验，结果如表4所示，可见后测成绩比前测成绩均有显著提升。其中，“算法”的成绩提升最为明显，其对应的Cohen’s d效应量及前后测成绩差值都相对更大。此外，算法（M=3.65，SD=2.32）的前测平均分明显低于指令（M=10.97，SD=2.51）和序列（M=11.13，SD=3.37），这表明被试在实验前已经掌握了指令和序列的含义，但并不了解算法的含义。

表4 描述性分析概念的配对样本t检验结果

（2）程序性分析概念

程序分析概念包括循环、调试和条件。协方差分析结果表明，各组的学生后测成绩存在显著差异，F（4, 197）=92.97，<.001。Bonferroni t检验如表5所示，结果显示：G3和G4（“元游戏”版本）的后测成绩分别优于G1和G2，但G3和G4，以及G1和G2之间的后测成绩并无显著差异。这一结果说明，“元游戏”有利于对程序性概念的掌握，但“多周目”对程序性概念学习无明显影响。事实上，与对照组（G0）相比，G1和G2的玩家也未有更优表现。

表5 程序性分析概念的多重比较结果

2 CPS技能

本研究对照表3提取游戏日志中对应CPS技能的指标数据，并予以测量，结果如表6所示，可以看出：①G3和G4（“元游戏”版本）的玩家进行表征问题的时间更长；②相比G3，G4使用指令卡的数量更多，且测试次数更多，这表明“多周目”促使玩家尝试更多方式设计程序方案和测试方案；③G2相比G1，G4相比G3，在完成任务后的重玩次数更多，其中G2（M=61.03，SD=26.68）的游戏时间大约是G1（M=5.67，SD=6.13）的11倍。据此，可以推测，“元游戏”对CPS中“表征问题”技能有积极影响，“多周目”有利于培养“方案优化”能力，并且“元游戏”和“多周目”的组合会促进“设计程序方案”和“测试”能力的提升。

表6 CPS技能测度指标的描述性统计

为检验上述推测，本研究对每个单项指标进行方差分析，结果显示各版本在0.05水平上呈现显著差异。经Bonferroni校正的t检验证实了上述推测，并明确了与G4相比G3的思考问题时间更长（=.004），使用质量卡的数量也存在显著（=.003）。因此，与具体分析概念结果不同，对于游戏日志的数据分析证实“多周目”对CPS技能的学习起积极影响，且“元游戏+多周目”也对CPS技能有促进作用。本研究以后测成绩为因变量，分别对描述性分析概念和程序性分析概念进行线性回归，结果如表7所示，两个模型均具有显著意义且拟合效果较好（调整后R=0.69），星星数的系数估计值均为正。可见，G4的玩家如预期的那样，可比G3的玩家获得更多星星奖励，预示学生会有更好的测试表现。然而，尽管星星奖励有较强的激励作用，但正如前述分析所呈现的，该作用尚无法直接导致G4和G3在分析概念的得分上表现出显著差异。

表7 分析概念的线性回归结果

四结论与反思

结合研究结果，对应研究假设进行意义讨论和阐述，可知：①“多周目”设计原则有效，G2的实验结果优于G1，该假设验证成功。“多周目”仅仅有利于培养学生优化方案的技能；然而对具体分析概念的习得，以及CPS技能中的表征问题和设计算法方案这两个能力的培养不起作用。②“元游戏”设计原则有效，G2的实验结果优于G1，该假设验证成功。“元游戏”有利于培养学生的程序性分析概念，以及CPS的表征问题、设计算法和测试方案这三项技能；然而实验数据无法证明该原则有利于提高学生的描述性分析概念的学习效果。③“元游戏”和“多周目”的综合作用有效，即G4的实验结果，分别优于G1、G2和G3，该假设验证成功。两者的相互作用能够在“元游戏”的作用之上，进一步提升学生的表征问题、设计算法和测试方案这三项CPS技能。

综上，“元游戏”是儿童编程游戏有效性的关键设计原则，这一结论可以通过访谈数据做进一步解释。以“条件”为例，前期采访中，被试对“条件”的理解，与计算机的“条件语句”风马牛不相及。而在游戏后采访中，G1和G2组的被试认为“条件”是判断，如表述为“猜对还是猜错”“辨别真假”。这与游戏任务相关，如图3所示，玩家需要猜测黄点下面是花朵还是蜂巢。如果猜对了，蜜蜂就完成任务，反之失败。因此，他们错将“条件”理解为“猜测”。反观G3和G4组的访谈结果，被试将“条件”表述为“如果天晴不用带伞，下雨则要带伞”，虽然并未表述为“if-else”的专业句式，但很明显，他们已经将条件理解为“根据不同的条件做出决定”，并能够将其应用于游戏之外的现实问题中，如“根据不同天气情况做出是否带伞的决定”。这是因为在G3和G4版本中，如图3所示，玩家无法通过实时点击右侧指令库判断黄点下的“条件”，而被要求一次性给出整体方案，因此必须使用“条件式”（如果是花，则采集；如果是蜂巢，则酿蜜）来指导游戏角色进行判断。因此，“元游戏”在设计针对程序性分析概念的游戏问题时起着关键作用。

本研究借鉴了基于设计的研究（Design-based Research，DBR）[18]，根据设计理论框架自主开发游戏实例，并将其作为干预材料进行实验验证。这种将设计学科的实践研究法与教育学科t检验相结合的设计思路，能够有效保证教育游戏设计框架的主观艺术性和客观科学性。

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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