“不插電”的計(jì)算思維教育桌游

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：張亮

項(xiàng)目成員：張勇利 顧巧燕 魯婷婷

指導(dǎo)教師：張進(jìn)寶

摘要：隨著信息時代，尤其是人工智能時代的到來，計(jì)算思維的培養(yǎng)越來越受到重視。因此，筆者開發(fā)了一款桌面卡牌游戲，通過寓教于樂，在游戲中有效地提升青少年的計(jì)算思維能力。該游戲利用實(shí)體棋盤、道具、卡牌等對青少年的計(jì)算思維能力進(jìn)行啟蒙。它體現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)中的順序、循環(huán)、過程的聲明和調(diào)用等核心思想，并且可以在游戲中鍛煉問題分析和解決能力、溝通表達(dá)能力等。同時在游戲中能夠進(jìn)行科普教育。通過對比相關(guān)計(jì)算思維問卷的前測、后測發(fā)現(xiàn)，該游戲?qū)η嗌倌暧?jì)算思維水平的提升有顯著作用。

一 項(xiàng)目概述

（一）研究緣起

進(jìn)入21世紀(jì)，信息技術(shù)突飛猛進(jìn)。全球?qū)邆漭^高計(jì)算思維水平的人才的需求量越來越大。因此，計(jì)算思維的培養(yǎng)越來越受到重視：英國教育部規(guī)定孩子從5歲起就得學(xué)習(xí)使用算法公式編程；美國前總統(tǒng)奧巴馬宣布投入40億美元推行“全民電腦科學(xué)教育”計(jì)劃；中國教育學(xué)會會長鐘秉林表示《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中已經(jīng)明確地將計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。

然而據(jù)調(diào)查，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)編程時感覺很難。究其原因，是在之前的學(xué)習(xí)中缺少計(jì)算思維的啟蒙教育，而計(jì)算機(jī)編程的學(xué)習(xí)在很大程度上受學(xué)生的計(jì)算思維水平的影響。因此，設(shè)計(jì)本桌面卡牌游戲的主要目的之一就是通過寓教于樂，在游戲中有效地提升青少年的計(jì)算思維能力。

本項(xiàng)目希望設(shè)計(jì)一款有教育意義的、線上線下結(jié)合的桌面卡牌游戲，以提升青少年的計(jì)算思維能力，同時在游戲過程中普及科學(xué)知識。

什么是計(jì)算思維呢？計(jì)算思維是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授于2006年提出的。她在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威刊物Communications of the ACM上首次提出了計(jì)算思維（Computational Thinking）的概念：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。”[1]簡言之，計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)解決問題的一種強(qiáng)有力的思維方式。[2]它包括分析、預(yù)判、問題求解等思維能力。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動化。[3]

假如你是一位外賣送餐員，手里已經(jīng)有一些待送的外賣了，這時又來了幾個可以送的新訂單，要不要接，接哪些以讓自己在最短的時間內(nèi)送最多的外賣，選擇哪條路線送餐，按什么順序送最合理，這都用到了計(jì)算思維。良好的規(guī)劃能讓你在有限的時間內(nèi)送出更多的快餐，賺更多的送餐費(fèi)。

在本桌面卡牌游戲中，玩家通過操作游戲角色，力求以最快速度到達(dá)目標(biāo)位置。在此過程中，游戲角色必須避開或清除路徑上的障礙，用最少的步數(shù)率先到達(dá)終點(diǎn)位置。

同時，我們將在游戲中以“機(jī)遇牌”“風(fēng)險牌”“問答牌”等形式加入大量最新的科學(xué)知識，滲透科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，同時使游戲更加有趣、有知識、有價值。

（二）研究過程

第一，查閱文獻(xiàn)資料。全面了解在計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科中所能夠體現(xiàn)出來的計(jì)算思維。

第二，購買、分析類似玩具。購買、分析市面上可以買到的各種能夠培養(yǎng)計(jì)算思維的棋牌玩具等，典型的如ROBOT Turtles、跑跑龜、Code Master等。通過深入研究其規(guī)則并進(jìn)行試玩，了解它們的長處和不足，為設(shè)計(jì)一款更完善、有趣的教育性桌游卡牌積累經(jīng)驗(yàn)和靈感。

第三，設(shè)計(jì)規(guī)則。設(shè)計(jì)的原則是難度由小到大，復(fù)雜性逐步增強(qiáng)，不斷在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)中提高其能力，引導(dǎo)其在“不插電”的游戲中感悟計(jì)算思維中的核心算法思維。在不斷抽象、簡化、重用、修正的過程中，讓學(xué)生理解計(jì)算思維并掌握相應(yīng)能力。

第四，設(shè)計(jì)卡牌、道具。找專業(yè)平面設(shè)計(jì)人員進(jìn)行卡牌、道具等的設(shè)計(jì)并反復(fù)討論修改。

第五，設(shè)計(jì)課程。設(shè)計(jì)開發(fā)以該卡牌作為教具的課程，包括教學(xué)中使用的示例關(guān)卡，要培養(yǎng)學(xué)生的何種能力等。

第六，開發(fā)程序。找專業(yè)人士開發(fā)服務(wù)器端程序，用于隨機(jī)獲取問答題目和機(jī)遇風(fēng)險題目。

第七，形成題庫。閱讀科技類科普圖書、文獻(xiàn)資料，收集適合的知識點(diǎn)進(jìn)行改編，作為問答題目和機(jī)遇風(fēng)險題目題庫。

第八，實(shí)施課程。開展課程，針對課堂真實(shí)發(fā)生的教學(xué)活動和學(xué)生、家長的反饋修改卡牌和課程。本課程已于2017年11月19日、11月26日、12月3日先后開展了三次。

第九，問卷調(diào)查。在課程開始前，對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，了解其基本信息、知識基礎(chǔ)和已有經(jīng)驗(yàn)等。并利用Bebras國際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽改編的試題進(jìn)行前、后測。

第十，數(shù)據(jù)分析。對前、后測的結(jié)果進(jìn)行分析比較，對課程進(jìn)行照相、錄像、錄音，并根據(jù)相關(guān)量表或量規(guī)進(jìn)行分析。在2017年12月3日開展的課程開始前讓每位學(xué)生做了Bebras國際計(jì)算思維邀請賽中的部分相關(guān)測試題，并在課程結(jié)束后對學(xué)生進(jìn)行了后測。共有4道題目，前、后測的結(jié)果如表1所示。前測平均得分率僅為20.8%，課程結(jié)束后得分率提升到58.3%。

表1 前測和后測結(jié)果

（三）主要內(nèi)容

1.確定卡牌和道具的種類、數(shù)量，以及游戲規(guī)則

研究人員試圖開發(fā)一種提升青少年計(jì)算思維能力同時進(jìn)行科普的游戲。通過深入研究計(jì)算思維相關(guān)的卡牌類、棋類桌面游戲規(guī)則并試玩，取長補(bǔ)短，設(shè)計(jì)開發(fā)了本卡牌游戲。并在課程中進(jìn)行實(shí)踐，獲取反饋信息，再對卡牌、道具和規(guī)則進(jìn)一步完善。

該游戲可以由2～4位玩家和1位裁判共同完成。最先讓自己的游戲角色到達(dá)目標(biāo)的玩家獲勝。每局游戲用時15～30分鐘。

棋盤由8×8的格子組成。每位玩家順時針輪流出牌發(fā)出行動指令，由裁判按照指令進(jìn)行操作，每次讓對應(yīng)的游戲角色在棋盤上執(zhí)行一個操作。玩家（扮演程序員）不得自己動手操作棋盤上的角色，只能通過出牌下達(dá)指令，由裁判（扮演計(jì)算機(jī)）按照玩家的指令操作對應(yīng)的游戲角色，同時裁判將維護(hù)游戲規(guī)則。

每局游戲至少有2位玩家。當(dāng)有4個玩家同時游戲時，可以兩兩結(jié)成盟友進(jìn)行對抗（當(dāng)然也可以不結(jié)盟而各自為戰(zhàn)），同盟的2名玩家只要有一位第一個到達(dá)終點(diǎn)，則該同盟獲勝。

每局開始前，由裁判參考游戲說明書給出的若干種初始布局來設(shè)置，也可由玩家在棋盤上互相設(shè)置障礙物，這樣每局游戲玩家所面對的障礙可能都是不同的，注意障礙物不得造成對方理論上無法到達(dá)終點(diǎn)。障礙物的數(shù)量可以自主協(xié)商安排，初玩者可適當(dāng)減少障礙物的種類和數(shù)量。

游戲角色可以走到澆滅后的火堆的位置，但不能與其他玩家的游戲角色共占一格。

卡牌道具及其使用規(guī)則如下。①堅(jiān)果道具——游戲的終點(diǎn)。先到達(dá)該道具所在位置的玩家獲勝。每位玩家距離自己的堅(jiān)果道具遠(yuǎn)近相等。②游戲角色道具——小松鼠的立體圖片。每個角色的初始位置可以在棋盤各個角或者其他對稱位置的格子中。③木箱子道具：不能摧毀，可以向前推著走，但前面不能頂?shù)狡渌谰呋蚪巧膊荒芡瞥銎灞P邊界。④火堆道具：不能直接走上去，背面是澆滅后的火堆，需用滅火器牌澆滅。⑤石頭墻道具：無法移動或摧毀，只能繞行。⑥滅火器牌：用于澆滅“火堆”。⑦前進(jìn)牌：向游戲角色頭部方向前進(jìn)一格。⑧左轉(zhuǎn)牌：原地左轉(zhuǎn)。⑨右轉(zhuǎn)牌：原地右轉(zhuǎn)。⑩向后轉(zhuǎn)牌：原地向后轉(zhuǎn)。(11)后悔牌：當(dāng)玩家后悔，撤回前一個下達(dá)的指令。(12)循環(huán)執(zhí)行牌：需要結(jié)合數(shù)字牌確定循環(huán)次數(shù)。(13)風(fēng)險機(jī)遇位置道具：走到該位置時，玩家要從裁判手里隨機(jī)抽取已經(jīng)混合過的風(fēng)險牌或機(jī)遇牌。也可用手機(jī)掃碼從服務(wù)器上隨機(jī)抽取最新的結(jié)合社會熱點(diǎn)的科普知識的風(fēng)險牌或機(jī)遇牌。(14)風(fēng)險牌：在風(fēng)險機(jī)遇位置隨機(jī)抽取的風(fēng)險科普知識內(nèi)容。(15)機(jī)遇牌：在風(fēng)險機(jī)遇位置隨機(jī)抽取的機(jī)遇科普知識內(nèi)容。(16)問答位置道具：走到該位置時，玩家要抽取問答題目牌。也可用手機(jī)掃碼從服務(wù)器上隨機(jī)抽取最新的結(jié)合社會熱點(diǎn)的科普知識的問答題目。(17)問答題目牌：在問答題目道具位置隨機(jī)抽取的科普知識問題及答案。(18)數(shù)字牌：包括0～9，培養(yǎng)循環(huán)牌使用。

2.設(shè)計(jì)開發(fā)一套以該卡牌為教具的、由淺入深的、既有趣又有挑戰(zhàn)性的課程

該課程先教給學(xué)生基本的規(guī)則，例如游戲的目標(biāo)，如何前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，遇到障礙該怎么辦等。然后啟發(fā)學(xué)生在挑戰(zhàn)不同的關(guān)卡過程中，產(chǎn)生對于新的卡牌、道具或規(guī)則的需求，例如怎樣計(jì)算勝負(fù)是公平的，怎樣設(shè)置初始障礙物的布局對于每個玩家是公平的，重復(fù)性的步驟該怎樣抽象出來和重用。

3.設(shè)置課程中學(xué)生數(shù)量

2017年11月19日上課時有3位學(xué)生，來自小學(xué)一至三年級。課程進(jìn)展非常順利，學(xué)生興趣盎然、精力集中、思考問題和回答問題十分積極。

學(xué)生在學(xué)習(xí)和游戲中培養(yǎng)了包括計(jì)算思維在內(nèi)的很多思維方法和其他能力，例如表達(dá)能力、抽象思維能力、精益求精的意志品質(zhì)等。

2017年11月26日上課時有6位學(xué)生，來自小學(xué)一、二年級。其中幾個學(xué)生是同班同學(xué)，比較熟悉。在上課過程中學(xué)生之間互動過于興奮和頻繁，注意力不夠集中，這在一定程度上影響了上課的效果和質(zhì)量。這給本課程提供了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)：面向年齡較小的孩子（例如小學(xué)一、二年級的孩子）開展課程時，要合理設(shè)計(jì)課程，例如對學(xué)生進(jìn)行分組，組間開展競賽，對每局比賽的優(yōu)勝者和有良好表現(xiàn)的學(xué)生予以“小紅花”等獎勵，根據(jù)每人得的“小紅花”多少確定最終獎勵的分配。如果人數(shù)較多，則需要在講授時撤除所有可能分散學(xué)生注意力的事物，待講解完成后，再下發(fā)卡牌、道具等。可利用投影或白板來進(jìn)行典型關(guān)卡和玩法的講解。

2017年12月3日開展了第三次課程，共有6位一、二年級的小學(xué)生參與。這次課程在前幾次課程的基礎(chǔ)上，由淺入深地培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維中的循環(huán)等算法思維。

4.確定課程對象的年齡階段

課程的設(shè)計(jì)由淺入深，已經(jīng)驗(yàn)證初級課程可以在小學(xué)一、二年級開展，學(xué)生完全能夠理解和接受，后續(xù)課程會逐漸提高難度，講解并在卡牌游戲中運(yùn)用更復(fù)雜和抽象的計(jì)算思維要素。

5.檢測課程效果

利用Bebras計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽的部分試題，對學(xué)生進(jìn)行前、后測。了解學(xué)生學(xué)習(xí)該課程前后在計(jì)算思維方面有沒有變化。

二 研究成果

（一）課程方案

本研究設(shè)計(jì)了一套以該桌游卡牌作為教具的課程方案。共設(shè)計(jì)了3節(jié)課程，每節(jié)約2.5小時。以本桌游卡牌作為教具，由淺入深地培養(yǎng)計(jì)算思維等多種思維能力。

1.基本規(guī)則的學(xué)習(xí)

前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)牌的使用；角色道具、目標(biāo)道具的使用；石頭墻道具的作用和應(yīng)對方式，程序順序結(jié)構(gòu)、公平布局（軸對稱、中心對稱圖形）后悔牌的使用、調(diào)試（debug，試驗(yàn)和修改代碼中的問題）；滅火器牌的使用；火堆道具的作用和應(yīng)對方式；木箱子道具的作用和應(yīng)對方式；向后轉(zhuǎn)牌的使用；復(fù)盤、反思與討論，程序執(zhí)行過程重現(xiàn)，bug重現(xiàn)與修正（代碼review）。

2.進(jìn)階規(guī)則的學(xué)習(xí)

為對手設(shè)置障礙；直線前進(jìn)情境下如何使用循環(huán)代替單步重復(fù)執(zhí)行；未知執(zhí)行次數(shù)的循環(huán)；權(quán)衡何時使用循環(huán)、何時不必使用循環(huán)。

3.高級規(guī)則和復(fù)雜局面

在折線路徑情境下如何抽象出共性，用復(fù)雜的循環(huán)來解決共性問題。創(chuàng)造一個確定執(zhí)行次數(shù)的循環(huán)關(guān)卡、一個未知執(zhí)行次數(shù)的循環(huán)關(guān)卡，創(chuàng)造性思維、循環(huán)。

（二）作品

1.可正常游戲的實(shí)體棋盤、卡牌、說明書一套。

2.成功部署服務(wù)器端程序

問答題目服務(wù)器地址：http：//115.28.104.95/cardserver/QAServlet

風(fēng)險＆機(jī)遇題目服務(wù)器地址：http：//115.28.104.95/cardserver/RiskServlet

（三）觀點(diǎn)

根據(jù)三次課的教學(xué)實(shí)踐，確立了“計(jì)算思維可以從小學(xué)一、二年級就開始通過“不插電”的方式培養(yǎng)”的觀點(diǎn)是能夠得到實(shí)踐和事實(shí)支撐的。

（四）結(jié)論與建議

對于計(jì)算思維的評測在學(xué)術(shù)界尚無成熟的做法，可以對Bebras國際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽試題進(jìn)行改編，起到一定的輔助測量的效果。另外，可以綜合利用訪談法、問卷調(diào)查法、觀察法、視頻內(nèi)容分析法等研究方法對學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展進(jìn)行多角度的評價。

在卡牌開發(fā)過程中，研究人員越來越深入地認(rèn)識到，如果將卡牌和課程結(jié)合起來，將會在很大程度上提高卡牌的利用價值，卡牌和課程相輔相成。在課程中采用啟發(fā)的方式引導(dǎo)學(xué)生思考，進(jìn)行問題的分解和抽象，再將抽象的共性東西提煉出來，以便重復(fù)使用。很多計(jì)算機(jī)程序的算法本質(zhì)上就是對生活中常見問題的抽象、對解決方案的優(yōu)化和重用。

幾次課程的學(xué)生數(shù)量較少，在樣本量較少的情況下用計(jì)算思維測試題所測試的結(jié)果可能缺少足夠的代表性。

三 創(chuàng)新點(diǎn)

本研究針對國內(nèi)缺乏面向小學(xué)一、二年級學(xué)生進(jìn)行“不插電”地培養(yǎng)計(jì)算思維能力的現(xiàn)狀，借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀成果，開發(fā)出一套有科普價值、有計(jì)算思維教育價值的桌游卡牌，并設(shè)計(jì)了配套課程。

四 應(yīng)用價值

該卡牌可以在科普場館作為益智游戲玩具出售，也可以作為小學(xué)社會綜合實(shí)踐課程中的一部分進(jìn)行教學(xué)。

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[1]Jeannette M.Wing，“Computational Thinking，”Communications of the ACM，March 2006，49（3）：33-35.

[2]孔德宇：《基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)MOOC課程模式研究》，河南師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015。

[3] 董榮勝：《計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》，《計(jì)算機(jī)科學(xué)》2009年第36期，第50～52頁。