基于嚴肅游戲的計算思維培養

摘要：在分析嚴肅游戲這一新興的教學方式的基礎上，提出基于嚴肅游戲培養計算思維能力的觀點，以案例的形式討論嚴肅游戲與計算思維能力培養的幾種結合方式。介紹以各門專業知識為目的跨學科的嚴肅游戲文案設計訓練、以培養計算思維能力為目標的嚴肅游戲設計以及貫穿多課程的嚴肅游戲。

關鍵詞：計算思維；嚴肅游戲；面向對象

文章編號：1672-5913（2013）18-0006-03

中圖分類號：G642

0 引言

計算思維是美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授2007年在ACM會刊Communications of ACM上提出的。她將計算思維提高到與“3R（讀、寫、算）”同等的高度，作為每個人的基本技能，得到了美國、歐洲及中國等計算機教育界的廣泛支持。2008年，美國NSF啟動涉及自然科學與工程以及社會經濟與技術等各個學科領域的，以計算思維為核心的重大基礎研究計劃：“計算使能的科學發現與技術創新”（cyber-Enable Discovery andInnovation，CDI），使得計算思維的培養擴展到各個學科與領域，在計算機科學、自然科學、數學、社會學科、語言藝術、美術、生命科學等眾多領域得到了廣泛運用。

為培養學生運用計算機科學的基礎概念和方法去求解各種問題、設計系統和理解各種現象，筆者對以嚴肅游戲的形式針對跨學科的學生進行計算思維的培養進行探討。

1 嚴肅游戲

嚴肅游戲不以娛樂為主要目的，而是將嚴肅的目的融合在具有個性化體驗以及較強的娛樂性、互動性和藝術性的游戲中，使得玩家在玩游戲的過程中實現設計者的目的。

嚴肅游戲的術語最初出現于1970年美國著名學者Clark C.Abt的《嚴肅游戲》一書，而其興起則是自2002年伍德羅威爾遜國際學者中心（Woodrow Wilson Intemational Center for Scholars）在華盛頓發起的“嚴肅游戲倡議”（Serious GamesInitiative）。隨后嚴肅游戲逐步在教育、醫療、軍事、企業培訓、公共事務、工程、農業、政治和宗教等領域得到大量應用。2009年召開的第一屆嚴肅游戲（北京）創新峰會中提出了“嚴肅游戲”的概念，促進了嚴肅游戲在國內的推廣和產業化。

作為一種新興的教學形式，嚴肅游戲在國內外教育界各個專業得到了大量研究與應用。如俄亥俄州立大學開發了GeoGame，利用真實的地理信息數據，讓學生在游戲中理解人與地球的復雜的交互關系，學會從地理空間的視角來分析問題和解決問題，這種視角對經濟、農業、環境變化、交通、救濟、城市規劃和應急服務等社會問題非常重要。

2 嚴肅游戲與計算思維的結合方式

以課程為載體，筆者所在團隊進行了基于嚴肅游戲培養計算思維能力的嘗試，探討將計算思維的培養與嚴肅游戲創新性地結合起來的多種方式，如圖1所示。

2.1 通過嚴肅游戲設計活動，培養不同學科學生的計算思維能力

筆者所在團隊開設了通識教育選修課嚴肅游戲應用與設計，以游戲為紐帶，將計算機游戲作為計算思維工具，將各學科的學生聚集在同一課堂，在分析大量案例的基礎上，分析如何設計游戲來解決各個專業所面臨的問題，要求學生運用計算思維針對各自學科設計教育類的嚴肅游戲。

針對跨學科的學生特點，課程不要求學生進行實際開發，而是通過編寫游戲設計文案的形式針對各自學科的學習設計游戲的場景。該課程介紹其創新設計方法，以及在軍事、醫學、工業、教育、科研和培訓等各個領域的應用。

學生所面臨的挑戰是如何將不同學科的知識技能融合在游戲場景中。為解決該問題，學生需要運用計算思維的方法，將龐雜的學習內容進行層層抽象和分解，轉化為合適的學習活動，當學習內容與學習活動分解到適合作為計算機游戲場景時，再有針對性地設計出合適的游戲場景。

經過課堂引導，學生設計出了具有新意的嚴肅游戲，如日語系學生設計角色扮演游戲“極限生存”，游戲場景包括各種生存訓練，在其中穿插豐富多樣的任務和生動活潑的日常生活場景，通過游戲中的關卡實現對玩家日語學習能力的培訓，對玩家聽、說、讀、寫4個方面進行訓練。

醫學系學生設計文字冒險類游戲“醫魂”，針對即將進入醫院工作的醫科生理論知識豐富，但病例見識不夠的問題，通過在游戲中植入大量的病例，訓練學習者對于病理的熟悉和情況的判斷。

物理系學生設計核安全教育游戲，玩家通過在游戲中即時與環境互動，學習科普性質的核安全知識以及應急情況下的自我防護知識。

課堂教學證明，嚴肅游戲設計訓練對于跨學科的計算思維培養是優秀的手段。其優點是入門容易，文理科各個專業的學生都可以快速入門。借助嚴肅游戲設計這一手段，自然地將學生各自的專業知識與計算思維的培養結合起來。跨專業的學生可以找到共同語言就相同的主題和相似的難題展開討論、相互啟發，如如何將事實性知識的記憶、判斷性技能的訓練、推理能力的培養融合在學習任務及游戲場景中，如何將反復練習性的學習活動、模仿性的學習活動、觀察類的學習活動與游戲場景相結合。

2.2 通過嚴肅游戲培養計算思維能力

將計算思維的培養作為嚴肅游戲的設計目的，可以設計出有助于培養計算思維能力的嚴肅游戲，使學生在游戲中掌握計算思維的基本方法。

比如，模擬武松打虎的場景，在游戲中設計某個策略。游戲中有武松和小二2個角色，武松身材魁梧，小二精明能干。游戲中有造酒和習武2件任務，武松練武需要消耗金幣20，釀酒需要消耗金幣40，小二練武需要消耗金幣40，釀酒需要消耗金幣20。更加復雜的規則中，有多個和習武及釀酒有關的任務，隨著任務的進展，同一個人完成同類任務成本逐級下降。為了降低成本，玩家自然會采用武松習武、小二釀酒的策略，而這也體現了“高內聚”的原則，避免單個對象的職責跨多個領域。

根據《水滸傳》中武松打虎的一段文字，“主人家，快把酒來吃”設計游戲場景，武松在打虎之前要先喝酒。武松可以自己去學造酒的本領，也可以直接找店家要酒。在這個場景中，造酒的流程很復雜，經過成本核算，玩家（武松）自然會選擇向店家發送消息要酒而不是自己造酒。通過游戲玩家可以掌握對象思維的能力，不是一個對象完成所有任務，而是對象間相互交互完成復雜任務。

游戲中規定了打虎之前需要喝酒，店小二可以根據天氣的情況向武松提供不同的酒，米酒、黃酒和高粱酒等，武松對店小二發送消息：“主人家，快把酒來吃”后，不管哪種酒，只需要執行喝酒的動作。通過在游戲場景中加入分析，玩家可以體驗到對各種類型的酒進行抽象思維，并了解簡單工廠模式：需要一個對象（酒）時找工廠（店小二）要就行了。

根據《水滸傳》中接下來的場景，“只見店主人把三只碗、一雙箸、一碟熱菜，放在武松面前。滿滿篩一碗酒來”設計情景模擬游戲。碗、筷子、熱菜都作為抽象的概念，玩家被要求給出具體的碗、筷子和熱菜，配出各種具體組合，比如木碗、竹筷加炒青菜，或青瓷碗、象牙筷加炒肉絲。在這過程中進一步領會計算思維中的抽象思維方式，并掌握工廠模式原理。

這個案例說明，通過對計算思維培養的內涵進行分析，可以將計算思維培養的具體內容和各種常見的場景結合在一起，進而以游戲的形式呈現給學生，這樣學生可以在游戲中經歷各種熟悉的場景，在游戲的過程中掌握各種計算思維能力。

2.3 以嚴肅游戲促進多課程協作，培養計算思維能力

嚴肅游戲可以作為很好的媒介，打通多個課程。教師在Web應用基礎課程中向學生講解嚴肅游戲應用與設計課程中各學科學生設計的案例，一方面拓寬了學生知識面，同時又可將文案提供給有興趣的同學，鼓勵其進行技術實現。同時在Web應用基礎課程的Project中，鼓勵學生組成3人一組的開發團隊，設計開發基于Web的嚴肅游戲，通過游戲達到訓練面向對象的概念與原理的目的，同時促使學生與面向對象程序設計課程的老師進行討論，將相關知識貫穿。這些課程又可以進一步與通識教育核心課程網絡虛擬環境與計算機應用以及選修課網絡游戲設計與開發相結合。

有的團隊貫穿Web、ICS和嚴肅游戲，設計游戲通過模擬計算機處理匯編代碼時處理器的狀態、內存狀態等，讓學生通過人工反編譯等方式來實現拆除計算機內存中某段代碼。

有的團隊貫穿Web和嚴肅游戲，給出一個web頁面，游戲者需要根據頁面的后臺代碼找到特定操作的線索對頁面進行操作；或是給出某頁面的簡短代碼，并將該頁面的各個模塊打亂順利隨機顯示，游戲者需要根據代碼將頁面的各個模塊安放在正確的位置。

有的團隊貫穿Web、面向對象和嚴肅游戲課程，設計機械解密型游戲，模仿某個機械世界，將教學內容依次設計為關卡，共9關。在游戲中，物件內部以代碼的形式呈現，學生通過觀察代碼內容，拖動具體物件，采用拼接的方式學習OOP基本概念與方法。教學內容分別為創建對象、訪問對象、對象數組與對象組合、父類與子類、覆蓋與重載、對象轉換、抽象類、接口以及綜合應用。

在設計對象數組和對象組合關卡時，學生需要根據圖紙拼出魔法武器，圖紙的內容為該魔法武器的代碼，學生解讀代碼可發現：MaggicWeapon類是由Bow類和MaggicArrow類組合而成的，而MaggicArrow類由Arrow類和一個Fire數組組合而成。學生需要在地圖中找到這些物品并按照正確的方式拼裝在一起制作出魔法武器。在解讀代碼和拼裝的過程中，學生能夠更加了解對象組合和對象數組的概念。

3 結語

嚴肅游戲作為一種新興的教學方式能有效地提高學生學習各個專業的興趣，將其應用于計算思維的培養，可以通過嚴肅游戲設計活動及玩嚴肅游戲本身，在學習專業知識的同時提高計算思維能力，同時促進課程之間的融合。

未來的工作將基于嚴肅游戲和虛擬空間技術開發跨學科的、支持計算思維培養的虛擬與互動空間。在虛擬空間內，不同專業的學生可以在相似的環境中學習不同的知識及技能，同時又可以利用虛擬環境展開創新活動，通過協作討論，共同得出解決方案。

參考文獻：

[l]Wing J M.Communications ofthe ACM[J]，2006，49（3）：33-35

[2]朱亞宗，論計算思維：計算思維的科學定位、基本原理及創新路徑[J]，計算機科學，2009，36（4）：53-55

[3]陳杰華，程序設計課程中強化計算思維訓練的實踐探索[J]，計算機教育，2009（20）：84-85

[4]李瑩，計算思維在計算機課程教學中的貫穿[J]，計算機教育，2013（4）：36-39

[5]程元元，基于Thinking Worlds的嚴肅游戲設計與實現[D]，上海：上海師范大學，2012

（編輯：趙廓）