結(jié)合FunCode游戲編程平臺的計算思維培養(yǎng)模式研究
——以Java語言教學實踐為例

宋 晏，姚 琳，張 敏，李 莉

（北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京100081）

0 引 言

計算思維于2006年由美國卡內(nèi)基·梅隆大學的周以真教授系統(tǒng)地提出，一經(jīng)問世就引領(lǐng)了世界范圍內(nèi)計算機科學界尤其是計算機教育界的發(fā)展方向。她認為：計算思維是運用計算機科學的基本概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等一系列思維活動[1]。計算思維將計算機作為一種不可或缺的工具，將各行各業(yè)的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)通過計算機平臺予以表述、處理。

計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化，計算思維能力的構(gòu)建在程序設(shè)計類課程的學習中可以得到很好的詮釋。從分析現(xiàn)實世界中的問題開始，在計算機世界中為其建模（抽象），最終用計算機語言予以實現(xiàn)（自動化），一系列活動都充分地展示了計算思維過程。

從計算思維的概念被提出到現(xiàn)在，如何系統(tǒng)地培養(yǎng)計算思維能力仍處于探索階段，還沒有一個系統(tǒng)性的特定教學設(shè)計和教學模式，但毋庸置疑的是，程序設(shè)計類課程的教學主線應按照抽象思維和邏輯思維的培養(yǎng)目標搭建，教學設(shè)計輕語法、重思維。

計算思維中的“抽象”解決的是連通現(xiàn)實世界和計算機世界的問題，即將現(xiàn)實世界中的信息用計算機世界的符號描述，也就是將形象思維中的事物映像為計算機世界的概念。

近年來，一些學者提出了“輕游戲”的教學理念，用寓教于樂的方式將教育的外在和游戲的內(nèi)涵融為一體，通過互動的方式更好地參與、理解一些經(jīng)典問題的解決過程。“輕游戲”利用學習者的成長環(huán)境和思維習慣的特點，通過游戲提高學習的趣味性，將形象上升為抽象，將經(jīng)典問題中的信息映像到計算機世界[2]。

如果游戲過程可以激發(fā)學習興趣并輔助抽象化思維的建立過程，那么身臨其境地參與游戲的設(shè)計將是一件富有樂趣、挑戰(zhàn)性和成就感的事情。設(shè)計游戲可以更好地實踐計算思維中的抽象過程，并遞進式地通過游戲的各個環(huán)節(jié)建立對自動化的理解，形成學習知識的心理，積極主動地學習知識和內(nèi)化知識，更充分地挖掘程序設(shè)計課程中的算法思維。

1 結(jié)合游戲編程平臺的教學難點問題及對策

FunCode是一款基于可視化界面設(shè)計、編寫游戲程序的C、C++和Java語言綜合實驗教學平臺。學生可以在可視化的環(huán)境中輕松設(shè)計游戲界面，添加各種被稱為“精靈”的游戲元素，在Visual C++、Eclipse等集成開發(fā)環(huán)境中編寫代碼。

FunCode平臺作為小型游戲引擎，對游戲所涉及的各處理流程的細節(jié)都進行了封裝，它將用戶與游戲交互的鼠標事件、鍵盤事件以及精靈與精靈碰撞事件、精靈與邊界碰撞事件都抽象為回調(diào)函數(shù)，事件發(fā)生時自動調(diào)用，事件處理過程只需要在這6個事件函數(shù)中編寫。基于平臺的游戲開發(fā)更為簡潔。

任何事物都具有兩面性，結(jié)合游戲編程平臺進行教學組織時必須揚長避短，發(fā)揮游戲及平臺的優(yōu)勢，避免產(chǎn)生負面效應。

1.1 明確游戲編程在教學過程中的作用

結(jié)合游戲編程平臺的教學，利用學習者熟悉的場景和游戲過程，幫其掌握對現(xiàn)實世界進行抽象和算法設(shè)計的方法。游戲本身不是目標，而是在設(shè)計游戲的過程中完成對計算思維能力的訓練，提高程序?qū)嵺`能力，潛移默化地引導學習者內(nèi)化計算思維方法。

游戲利用圖形用戶界面生動形象地展現(xiàn)事物和事物的運動，通過點擊鼠標、鍵盤按鍵控制事物的運動完成交互，但是教學不能忽視傳統(tǒng)的控制臺文本交互，并應努力將二者相結(jié)合。

在結(jié)合游戲編程平臺的教學設(shè)計中，可以把游戲作為載體和教學手段，讓游戲在其所屬的學習階段起到思維訓練的引領(lǐng)和整合作用，如將其安排在某個知識的起點或終點，在起點更直觀地建立體驗，由表象理解到本質(zhì)，激發(fā)學習興趣；在終點用一種大部頭的方式對所學進行綜合實踐，將計算思維轉(zhuǎn)換為看得見的形象成果，如圖1所示的3步走方式。

1.2 合理化設(shè)計游戲案例教學接口

游戲案例服務(wù)于教學，案例選擇既要考慮游戲與知識的相關(guān)度，又要難度適中，真正起到帶動學習的效果。在FunCode平臺下進行游戲編程的基本步驟包括：①在可視化的圖形環(huán)境下建立游戲場景及精靈對象；②在游戲主函數(shù)中利用狀態(tài)變量控制游戲的流程；③在初始化函數(shù)中對游戲進行初始化；④在游戲函數(shù)中按游戲規(guī)則編寫代碼；⑤在各種事件函數(shù)中進行鼠標、鍵盤或碰撞等事件處理。

顯然，構(gòu)建完整游戲所需的環(huán)節(jié)很多，復雜游戲中每個環(huán)節(jié)的代碼量也會很大。為了防止游戲編程平臺對當前教學內(nèi)容造成干擾，增加教學難度，游戲案例在設(shè)計時采用統(tǒng)一的接口（play()函數(shù)）方式，每個案例都搭建好游戲框架，只將服務(wù)于當前教學、借力游戲的部分留給學習者在該接口中完成設(shè)計。

在為多分支結(jié)構(gòu)設(shè)計的游戲案例“蔬菜園”中，用戶用鼠標點擊菜園中的植物，負責將植物的名稱顯示出來的功能在函數(shù)void play(int i)中完成，i表示被點中蔬菜的序號。

在為一維數(shù)組設(shè)計的游戲案例“猴子選大王”中，選大王的過程在函數(shù)void play(int array[], int n)中完成，array[]數(shù)組用來存放n只猴子的狀態(tài)，可以通過該案例學習使用一維數(shù)組元素為事物做標記的用法。

游戲案例統(tǒng)一設(shè)計play()函數(shù)作為教學接口（它的參數(shù)部分隨案例的需要作相應調(diào)整），從而規(guī)避游戲平臺架構(gòu)本身的復雜度，使案例有的放矢地服務(wù)于當前的教學內(nèi)容。

1.3 調(diào)整函數(shù)教學

縱觀各類編程語言書籍的結(jié)構(gòu)安排，自定義函數(shù)通常位于選擇、循環(huán)、數(shù)組之后，用來實現(xiàn)“模塊化”的設(shè)計思想，并在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中體現(xiàn)實體的行為。

圖1 游戲案例的分布和作用

結(jié)合游戲平臺的編程必然離不開函數(shù)的調(diào)用和定義。一方面是游戲程序的架構(gòu)由若干函數(shù)組成，平臺提供了諸多API函數(shù)供使用；另一方面教學將main()函數(shù)的定義轉(zhuǎn)移為教學接口play()函數(shù)的定義，因此教學設(shè)計中的函數(shù)部分需要調(diào)整。

與main( )函數(shù)不同，play( )函數(shù)中的參數(shù)問題在學習伊始就不能回避，需要在使用游戲平臺進行教學的起點位置即擴充自定義函數(shù)的概念，但不必深入到思維的層次，尚不需要建立模塊化的設(shè)計思想，而只作為模塊化思維的使用者。當進入“函數(shù)”這個知識的正式學習階段時，再進行模塊化的抽象思維訓練，再涉及參數(shù)的值傳遞、地址傳遞、重載、重寫等復雜概念。學習過程如圖2所示。

圖2 結(jié)合游戲編程平臺的函數(shù)教學過程

圖3 自動化思維訓練的Java教學設(shè)計

2 結(jié)合游戲編程平臺的Java語言教學實踐方案

根據(jù)IEEE發(fā)布的2017年編程語言排行榜數(shù)據(jù)，Java語言是企業(yè)招聘中最受歡迎的語言，在用戶群體上僅位于Python和C語言之后。Java語言以其完全面向?qū)ο蟆⒑唵巍⒔选踩⒖梢浦残院玫忍匦砸恢眰涫軞g迎，非常適合以計算思維培養(yǎng)為目標的教學。

圖3所示為教學設(shè)計包含F(xiàn)unCode游戲平臺計算思維培養(yǎng)的案例（表示），以及控制臺模式下的具有游戲基因或?qū)嶋H應用場景的一些題目[3]（表示）。★至★★★的案例在教學過程中難度適中，★★★★的可以作為擴展性學習使用。

教學設(shè)計秉承趣味性加實用性的風格，將問題求解提升到計算思維的高度，探索將傳統(tǒng)教學與游戲編程相結(jié)合的計算思維培養(yǎng)模式。以自動化思維訓練的教學設(shè)計為例，設(shè)計如下。

計算思維中的自動化是對于機器而言的，即機器可以機械、一步步地按照指令執(zhí)行計算步驟。實現(xiàn)機械自動化運行的前提條件是在問題抽象的過程中，進行精確和嚴格的符號標記和建模，并明確各個抽象層次間的聯(lián)系；而實現(xiàn)機械的自動化控制過程則體現(xiàn)在利用計算機語言進行算法的設(shè)計上。因此，自動化思維訓練的主體是順序、選擇、循環(huán)3種控制結(jié)構(gòu)的邏輯組建。

以上FunCode平臺游戲中，“用開關(guān)控制燈泡”案例非常簡單，根據(jù)變量的兩個取值，令燈泡呈現(xiàn)“亮”或者“滅”的狀態(tài)，直接展示控制的效果。“用按鍵控制小魚游動”案例是典型ifelse 的if結(jié)構(gòu)或switch結(jié)構(gòu)的應用，用小魚的不同游動方向呈現(xiàn)選擇結(jié)構(gòu)的意義和效果。“查看蔬菜園”案例是典型的switch結(jié)構(gòu)的應用。“打靶計分”是連續(xù)區(qū)間離散化處理的switch應用。“逆置撲克牌”的游戲展示了使用for循環(huán)實現(xiàn)遍歷的思想。“超級瑪麗頂蘑菇的計分”游戲是使用for循環(huán)進行累加計算的效果展示。這些小游戲都賦予了抽象的順序、選擇、循環(huán)結(jié)構(gòu)以形象的表現(xiàn)。

循環(huán)嵌套的兩個游戲略為復雜，它們體現(xiàn)的是多維空間中的遍歷思想。“穿越火線”游戲中設(shè)計了一個棋盤地圖，精靈從（0, 0）處方格出發(fā)，點擊精靈相鄰的某個方格，精靈跳入，遍歷該方格的周邊是否存在怪物，如果存在則精靈被怪物吃掉。教學設(shè)計中用play()函數(shù)檢測鼠標點擊精靈周邊某個方格時的響應。“打地鼠”游戲在樹林里設(shè)有4×4個坑，每個坑有一只地鼠，每次會有一只地鼠隨機地從某個坑里冒出頭來，用戶用木槌敲打它們，每擊中一只地鼠，屏幕頂部會顯示擊中的數(shù)量。教學設(shè)計中用play()函數(shù)遍歷4×4個坑，判斷木槌是否擊中地鼠。

3 結(jié) 語

以思維訓練為主線，結(jié)合FunCode游戲開發(fā)平臺，將游戲融入傳統(tǒng)教學過程的Java語言教學模式、教學設(shè)計，從賦予編程應用場景出發(fā)，對游戲進行合理化的設(shè)計，按照為教學所需的原則抽取一部分游戲環(huán)節(jié)服務(wù)于教學，用游戲的趣味性驅(qū)動學習的熱情，并自然而然地將形象思維內(nèi)化為抽象思維，按照抽象、自動化的路徑達到了計算思維的培養(yǎng)目標。新模式與傳統(tǒng)模式的更好結(jié)合將在未來的教學中進一步改進、完善。