“不插電”的計算思維教育桌游

項目負責人：張亮

項目成員：張勇利 顧巧燕 魯婷婷

指導教師：張進寶

摘要：隨著信息時代，尤其是人工智能時代的到來，計算思維的培養越來越受到重視。因此，筆者開發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算思維能力。該游戲利用實體棋盤、道具、卡牌等對青少年的計算思維能力進行啟蒙。它體現了程序設計中的順序、循環、過程的聲明和調用等核心思想，并且可以在游戲中鍛煉問題分析和解決能力、溝通表達能力等。同時在游戲中能夠進行科普教育。通過對比相關計算思維問卷的前測、后測發現，該游戲對青少年計算思維水平的提升有顯著作用。

一 項目概述

（一）研究緣起

進入21世紀，信息技術突飛猛進。全球對具備較高計算思維水平的人才的需求量越來越大。因此，計算思維的培養越來越受到重視：英國教育部規定孩子從5歲起就得學習使用算法公式編程；美國前總統奧巴馬宣布投入40億美元推行“全民電腦科學教育”計劃；中國教育學會會長鐘秉林表示《高中信息技術課程標準》中已經明確地將計算思維作為信息技術學科的核心素養之一。

然而據調查，很多學生在學習編程時感覺很難。究其原因，是在之前的學習中缺少計算思維的啟蒙教育，而計算機編程的學習在很大程度上受學生的計算思維水平的影響。因此，設計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算思維能力。

本項目希望設計一款有教育意義的、線上線下結合的桌面卡牌游戲，以提升青少年的計算思維能力，同時在游戲過程中普及科學知識。

什么是計算思維呢？計算思維是美國卡內基·梅隆大學（CMU）計算機科學系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授于2006年提出的。她在美國計算機權威刊物Communications of the ACM上首次提出了計算思維（Computational Thinking）的概念：“計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。”[1]簡言之，計算思維是利用計算機科學解決問題的一種強有力的思維方式。[2]它包括分析、預判、問題求解等思維能力。計算思維的本質是抽象和自動化。[3]

假如你是一位外賣送餐員，手里已經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，這都用到了計算思維。良好的規劃能讓你在有限的時間內送出更多的快餐，賺更多的送餐費。

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目標位置。在此過程中，游戲角色必須避開或清除路徑上的障礙，用最少的步數率先到達終點位置。

同時，我們將在游戲中以“機遇牌”“風險牌”“問答牌”等形式加入大量最新的科學知識，滲透科學態度與科學精神，同時使游戲更加有趣、有知識、有價值。

（二）研究過程

第一，查閱文獻資料。全面了解在計算機科學等學科中所能夠體現出來的計算思維。

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計算思維的棋牌玩具等，典型的如ROBOT Turtles、跑跑龜、Code Master等。通過深入研究其規則并進行試玩，了解它們的長處和不足，為設計一款更完善、有趣的教育性桌游卡牌積累經驗和靈感。

第三，設計規則。設計的原則是難度由小到大，復雜性逐步增強，不斷在學生的最近發展區中提高其能力，引導其在“不插電”的游戲中感悟計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，讓學生理解計算思維并掌握相應能力。

第四，設計卡牌、道具。找專業平面設計人員進行卡牌、道具等的設計并反復討論修改。

第五，設計課程。設計開發以該卡牌作為教具的課程，包括教學中使用的示例關卡，要培養學生的何種能力等。

第六，開發程序。找專業人士開發服務器端程序，用于隨機獲取問答題目和機遇風險題目。

第七，形成題庫。閱讀科技類科普圖書、文獻資料，收集適合的知識點進行改編，作為問答題目和機遇風險題目題庫。

第八，實施課程。開展課程，針對課堂真實發生的教學活動和學生、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，問卷調查。在課程開始前，對學生進行問卷調查，了解其基本信息、知識基礎和已有經驗等。并利用Bebras國際計算思維挑戰賽改編的試題進行前、后測。

第十，數據分析。對前、后測的結果進行分析比較，對課程進行照相、錄像、錄音，并根據相關量表或量規進行分析。在2017年12月3日開展的課程開始前讓每位學生做了Bebras國際計算思維邀請賽中的部分相關測試題，并在課程結束后對學生進行了后測。共有4道題目，前、后測的結果如表1所示。前測平均得分率僅為20.8%，課程結束后得分率提升到58.3%。

表1 前測和后測結果

（三）主要內容

1.確定卡牌和道具的種類、數量，以及游戲規則

研究人員試圖開發一種提升青少年計算思維能力同時進行科普的游戲。通過深入研究計算思維相關的卡牌類、棋類桌面游戲規則并試玩，取長補短，設計開發了本卡牌游戲。并在課程中進行實踐，獲取反饋信息，再對卡牌、道具和規則進一步完善。

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目標的玩家獲勝。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出行動指令，由裁判按照指令進行操作，每次讓對應的游戲角色在棋盤上執行一個操作。玩家（扮演程序員）不得自己動手操作棋盤上的角色，只能通過出牌下達指令，由裁判（扮演計算機）按照玩家的指令操作對應的游戲角色，同時裁判將維護游戲規則。

每局游戲至少有2位玩家。當有4個玩家同時游戲時，可以兩兩結成盟友進行對抗（當然也可以不結盟而各自為戰），同盟的2名玩家只要有一位第一個到達終點，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置，也可由玩家在棋盤上互相設置障礙物，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終點。障礙物的數量可以自主協商安排，初玩者可適當減少障礙物的種類和數量。

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則如下。①堅果道具——游戲的終點。先到達該道具所在位置的玩家獲勝。每位玩家距離自己的堅果道具遠近相等。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，但前面不能頂到其他道具或角色，也不能推出棋盤邊界。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前進牌：向游戲角色頭部方向前進一格。⑧左轉牌：原地左轉。⑨右轉牌：原地右轉。⑩向后轉牌：原地向后轉。(11)后悔牌：當玩家后悔，撤回前一個下達的指令。(12)循環執行牌：需要結合數字牌確定循環次數。(13)風險機遇位置道具：走到該位置時，玩家要從裁判手里隨機抽取已經混合過的風險牌或機遇牌。也可用手機掃碼從服務器上隨機抽取最新的結合社會熱點的科普知識的風險牌或機遇牌。(14)風險牌：在風險機遇位置隨機抽取的風險科普知識內容。(15)機遇牌：在風險機遇位置隨機抽取的機遇科普知識內容。(16)問答位置道具：走到該位置時，玩家要抽取問答題目牌。也可用手機掃碼從服務器上隨機抽取最新的結合社會熱點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抽取的科普知識問題及答案。(18)數字牌：包括0～9，培養循環牌使用。

2.設計開發一套以該卡牌為教具的、由淺入深的、既有趣又有挑戰性的課程

該課程先教給學生基本的規則，例如游戲的目標，如何前進、左轉、右轉，遇到障礙該怎么辦等。然后啟發學生在挑戰不同的關卡過程中，產生對于新的卡牌、道具或規則的需求，例如怎樣計算勝負是公平的，怎樣設置初始障礙物的布局對于每個玩家是公平的，重復性的步驟該怎樣抽象出來和重用。

3.設置課程中學生數量

2017年11月19日上課時有3位學生，來自小學一至三年級。課程進展非常順利，學生興趣盎然、精力集中、思考問題和回答問題十分積極。

學生在學習和游戲中培養了包括計算思維在內的很多思維方法和其他能力，例如表達能力、抽象思維能力、精益求精的意志品質等。

2017年11月26日上課時有6位學生，來自小學一、二年級。其中幾個學生是同班同學，比較熟悉。在上課過程中學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量。這給本課程提供了經驗和教訓：面向年齡較小的孩子（例如小學一、二年級的孩子）開展課程時，要合理設計課程，例如對學生進行分組，組間開展競賽，對每局比賽的優勝者和有良好表現的學生予以“小紅花”等獎勵，根據每人得的“小紅花”多少確定最終獎勵的分配。如果人數較多，則需要在講授時撤除所有可能分散學生注意力的事物，待講解完成后，再下發卡牌、道具等。可利用投影或白板來進行典型關卡和玩法的講解。

2017年12月3日開展了第三次課程，共有6位一、二年級的小學生參與。這次課程在前幾次課程的基礎上，由淺入深地培養學生計算思維中的循環等算法思維。

4.確定課程對象的年齡階段

課程的設計由淺入深，已經驗證初級課程可以在小學一、二年級開展，學生完全能夠理解和接受，后續課程會逐漸提高難度，講解并在卡牌游戲中運用更復雜和抽象的計算思維要素。

5.檢測課程效果

利用Bebras計算思維挑戰賽的部分試題，對學生進行前、后測。了解學生學習該課程前后在計算思維方面有沒有變化。

二 研究成果

（一）課程方案

本研究設計了一套以該桌游卡牌作為教具的課程方案。共設計了3節課程，每節約2.5小時。以本桌游卡牌作為教具，由淺入深地培養計算思維等多種思維能力。

1.基本規則的學習

前進、左轉、右轉牌的使用；角色道具、目標道具的使用；石頭墻道具的作用和應對方式，程序順序結構、公平布局（軸對稱、中心對稱圖形）后悔牌的使用、調試（debug，試驗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對方式；木箱子道具的作用和應對方式；向后轉牌的使用；復盤、反思與討論，程序執行過程重現，bug重現與修正（代碼review）。

2.進階規則的學習

為對手設置障礙；直線前進情境下如何使用循環代替單步重復執行；未知執行次數的循環；權衡何時使用循環、何時不必使用循環。

3.高級規則和復雜局面

在折線路徑情境下如何抽象出共性，用復雜的循環來解決共性問題。創造一個確定執行次數的循環關卡、一個未知執行次數的循環關卡，創造性思維、循環。

（二）作品

1.可正常游戲的實體棋盤、卡牌、說明書一套。

2.成功部署服務器端程序

問答題目服務器地址：http：//115.28.104.95/cardserver/QAServlet

風險＆機遇題目服務器地址：http：//115.28.104.95/cardserver/RiskServlet

（三）觀點

根據三次課的教學實踐，確立了“計算思維可以從小學一、二年級就開始通過“不插電”的方式培養”的觀點是能夠得到實踐和事實支撐的。

（四）結論與建議

對于計算思維的評測在學術界尚無成熟的做法，可以對Bebras國際計算思維挑戰賽試題進行改編，起到一定的輔助測量的效果。另外，可以綜合利用訪談法、問卷調查法、觀察法、視頻內容分析法等研究方法對學生的計算思維發展進行多角度的評價。

在卡牌開發過程中，研究人員越來越深入地認識到，如果將卡牌和課程結合起來，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。在課程中采用啟發的方式引導學生思考，進行問題的分解和抽象，再將抽象的共性東西提煉出來，以便重復使用。很多計算機程序的算法本質上就是對生活中常見問題的抽象、對解決方案的優化和重用。

幾次課程的學生數量較少，在樣本量較少的情況下用計算思維測試題所測試的結果可能缺少足夠的代表性。

三 創新點

本研究針對國內缺乏面向小學一、二年級學生進行“不插電”地培養計算思維能力的現狀，借鑒國內外優秀成果，開發出一套有科普價值、有計算思維教育價值的桌游卡牌，并設計了配套課程。

四 應用價值

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

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

[2]孔德宇：《基于計算思維的大學計算機基礎MOOC課程模式研究》，河南師范大學碩士學位論文，2015。

[3] 董榮勝：《計算思維與計算機導論》，《計算機科學》2009年第36期，第50～52頁。