面向培養高校學生編程能力的游戲化學習應用模型構建

楊文陽 孟青青

摘 要：當前，高校以學習者為中心大力推進教育教學改革，傳統的教學方法難以滿足學習者對編程課程學習的個性化需求。傳統課程實踐環節中的編程練習較為單調乏味，很難激發學習者學習編程的興趣，學習者甚至會對編程學習產生負面的情緒。本研究面向培養計算機編程能力提出一個基于計算機游戲的學習模型，該游戲模型以“面向對象程序設計”課程為例面向在校本科生創設游戲化學習環境，強調游戲級別、故事情境和玩家體驗。本研究提出的游戲重點關注玩家體驗，即玩家可以在游戲中學習計算機編程類課程，而不需要專門的編程練習。基于計算機的游戲化學習關注學習者需求和玩家體驗，通過游戲化學習完成學習目標，提升學習者的學習注意力和計算思維力，也可以潛移默化地使學生從游戲故事中升華思想和精神。

關鍵詞：故事情境;編程能力;學習注意力;游戲體驗

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2022）01-0040-08

一、研究背景

當前計算機游戲已作為一種教學和學習工具應用于教育和培訓領域。計算機教育游戲作為教學工具，為學習者創設學習情境，充分利用游戲中的各類元素激發學習者的學習興趣，提高學習參與度，可以極大激發其學習動機和學習興趣，學習者更容易接受應該掌握的學習技能和知識，最終促進個體的發展。因此，計算機游戲在教育領域中具有巨大的發展潛力，它可以以一種新穎而具有挑戰性的方式來吸引學習者深度學習。計算機游戲非常受青少年歡迎，許多相關研究人員正在幫助游戲開發者探索使用游戲作為學習和教學工具的可能性[1]。教育游戲中最常見的游戲類型是模擬和角色扮演游戲，模擬游戲適合在教學情境中使用，因為游戲參與者或學習者可以完全控制游戲玩法，并且根據自身的興趣自由選擇成為游戲中的英雄角色，學習者在模擬環境中練習特定的技能或技巧。目前教育游戲設計與開發研究從個性化學習過渡到實踐應用，教育游戲在學習過程中被作為主要認知工具[2]。

二、研究現狀分析

（一）計算機教育游戲

所有計算機游戲都必須向游戲玩家提供必要的互動和交流，為了將計算機游戲用作學習和教學工具，在游戲設計中應讓游戲玩家回答一些問題，例如游戲界面如何給學習者提供導航、游戲故事情境和游戲規則等。游戲化學習環境能夠為學習者提供真實的學習情境，使學習者在探究學習過程中獲得更多的隱性知識和認知體驗[3]。但由于沒有易于理解的用戶界面，學習者在游戲環境中易感覺無聊和沮喪，最終會導致用戶離開游戲。朱鵬等將信息系統期望價值理論與游戲化學習相結合構建了在線課程期望確認模型，認為游戲化學習情境需要不斷為用戶設置挑戰性情境，讓用戶在學習過程的愉悅體驗持續增強[4]。但目前教育游戲的應用模式研究不夠成熟，若要實現計算機游戲與課堂教學深度融合，還需要針對不同課程和學習對象的特點設計教育游戲[5]。

（二）學習者學習程序設計的主要影響因素

有一些因素會影響學習者在學習程序設計時的認知參與度，這些影響因素既包括學習者自身的內在因素，也包括學習環境和教師等外在因素。具體來說，影響學習者程序設計認知參與度的因素可分為個人、環境和學習任務[6]。對于學習者個人來說，學習者在學習程序設計時需要擁有較高的學習動機和學習能力。有經驗的教師會激發學習者的學習動機并引導學習者認真思考所學內容，學習者對學習材料會有更深刻的理解。但學習者會將自身的學習特征帶入具體的學習情境中，這會影響自身的認知參與度，這包括學習技能、知識、性格、理想、期望、看法、需求、價值和目標等。許多學習者在程序設計入門課程結束時不知道如何編程，難以讀懂程序并進行簡單的開發實踐。本研究側重于設計一種無須進行計算機編程練習的計算機游戲，供學習者自主學習面向對象的程序設計。在這種情況下，學習者的自我動機非常重要。學習者需要建立自己對程序設計課程的學習興趣并消除學習程序設計的障礙，以便掌握必要的程序設計概念。

（三）學習者在程序設計課程學習過程中存在的主要問題

學習者在數字化學習環境的驅動下呈現多樣化的學習風格，雖然高校教師已經采取了各種教學方法來滿足學習者的個性化學習需求，努力減輕學習者的學習壓力，但是收效甚微。傳統的教學方法并不能產生與玩計算機游戲相同的學習效果，因為游戲化學習環境可以提高學習者的思維能力、注意力和想象力[7]。目前國內游戲教育創設的情境都比較初級和簡單，難以調動和激發學習者的學習熱情[8]。計算機游戲在虛擬世界中給用戶一種引人入勝的沉浸式體驗，在虛擬世界中，大多數游戲參與者愿意花數小時沉浸在游戲情境中，享受游戲帶來的無限樂趣。這種行為是游戲玩家積極參與游戲過程和與虛擬情境互動的結果，這些動機會不斷激勵游戲玩家參與游戲世界中的活動。開發教育類益智游戲需要體現識別挑戰、幻想和好奇心等基本特征。益智類教育游戲設計的六個步驟是確定教學方法、在虛擬世界中定位學習任務、游戲詳細說明、游戲學習支持、將學習活動映射到游戲界面以及將學習概念映射到界面對象等[9]。

當前，我國高校很多計算機相關專業本科生在進入學位課程學習之前缺少計算機編程經驗。這種狀況容易使學習者形成比較消極的計算機編程學習習慣，一定程度上會影響學習者進一步積極學習其他高級編程語言。因此，部分在校本科生會認為計算機編程課程較難學習和深入應用，對自己的計算機編程能力缺乏信心。本科生在學習編程課程中面臨的主要困難是自主設計一個程序來解決某些社會生活實際問題。計算機編程課程學習過程主要包括理解程序設計的基本概念、程序語言語法基礎、編寫程序、執行程序、測試并發現錯誤以及修改錯誤等。現行的計算機程序設計課程在教學方法上較為單一，以課堂講授為主，授課內容沒有及時關注社會熱點和職業精神。而案例學習、練習和交互式可視化是計算機程序設計課程最有效的教學方法，在當前的高校編程課程學習中需要大力推廣。為了解決上述問題，本研究提出一個基于游戲化學習的方法模型，該模型可以開發出適合學生在游戲化學習環境下有效學習“面向對象程序設計”課程。

三、研究框架與模型構建

（一）研究框架

本研究采用行動研究法構建游戲化學習模型，具體來說，針對“面向對象程序設計”課程學習中的特定問題（學習者對編程課程學習興趣不高以及編程能力不強等）進行研究設計，在實驗中選取6個班的大一本科生共180人，這3個班的學習者同步使用與課程同步的游戲軟件學習“面向對象程序設計”課程，在實驗中積極解決這些問題并對課程學習環境的干預和改進情況進行仔細的跟蹤記錄和監控，保證實驗研究的信度和效度。基于游戲化學習理論提出“面向對象程序設計”課程游戲化學習框架，如表1所示。

該研究框架提供了詳細的教學設計方案，并對游戲化學習模型進行設計，基于課程學習內容構建游戲主題、游戲交互、游戲世界、正向故事情節及游戲機制等，基于布魯姆學習目標分類法、思維型教學理論、馬斯洛需要層次理論、建構主義學習理論及信息加工學習理論設計課程游戲化學習。

為了驗證所提出的框架是否適用于“面向對象程序設計”課程游戲化學習，本研究采用結構化訪談法對具有開發教育游戲經驗的學科專家和游戲設計者進行調查。本次訪談由10個問題組成，1～4題為游戲學習目標相關的問題，5～7題為游戲玩法設計相關的問題，8～10題為游戲情境創設相關的問題。被試者在接受正式訪談前都建議了解與體驗計算機編程類課程學習游戲，調查結果如圖1、圖2所示。

（二） 游戲化學習流程

該研究提出的“面向對象程序設計”課程游戲化學習流程基于游戲化學習理論進行設計與開發，如圖3（見下頁）所示。該方法重點關注教學設計風格，在游戲化學習開始階段，游戲介紹應激發學習者的興趣并吸引學習者的關注，除此之外，還應提供游戲教程幫助玩家熟悉游戲玩法。在游戲指導階段，需要向游戲玩家呈現刺激性材料（人物及場景）并提供必要的指導，游戲場景可以包括抽象化概念、主動探索性實驗、反思性觀察和具體經驗，以形成一個包括情境創設、認知沖突和反饋的游戲挑戰周期。游戲玩家的下一階段是挑戰高一級別的游戲以進一步進行學習，這種挑戰性游戲設計方法適用于開發教育類游戲。但要設計與開發適合本科生學習“面向對象程序設計”課程的計算機游戲，需要結合一些相關的教與學的理論。

（三）游戲化學習理論基礎與模型構建

游戲化學習相關教與學的理論包括布魯姆學習目標分類法理論、思維型教學理論、馬斯洛需要層次理論、建構主義學習理論及信息加工學習理論，基于本研究框架、游戲化學習設計流程和學習理論，本研究提出了“面向對象程序設計”課程基于故事情境的游戲化學習模型，如圖4（見下頁）所示。

布魯姆學習目標分類法理論提出了認知領域內學習目標分類的六個層次：知識、理解、應用、分析、綜合和評價，從最低認知層次的簡單回憶或認識事物，到越來越復雜和抽象的精神層次，這個層次被歸類為學習目標評價的最高層次[10]。這六個層次充分考慮了學習過程以及從簡單到困難的學習目標，可以將游戲級別與相關學習目標進行搭配，因此本研究模型在構建過程中體現了該理論。而游戲級別在保持學習者學習興趣方面起著重要作用，因此，在設計游戲學習環境時需要充分考慮這個要素。學習“面向對象程序設計”課程需要從基礎知識點的學習過渡到全面系統的學習，游戲化學習設計框架要求游戲設計者在設計關卡時充分考慮不同難度的學習路徑，要保證每一個游戲級別都與不同難度級別的連續學習路徑相關聯，這就可以構建一個幫助學習者從游戲中有效學習的數字化學習環境。

思維型教學理論認為，思維是學習的核心，學習具有訓練思維模式的功能，思維的發生是學習者對學習環境中發生的某些事件做出個體反應的結果[11]。“面向對象程序設計”課程主要培養學習者的計算思維能力，這一理論將用于提高學習者計算思維能力。學習者學習動機的激發主要依賴于引入問題和創設情境，學習動機和興趣在計算思維中發揮著重要作用，因為計算思維需要努力，沒有主動積極的動機和興趣驅動，難以獲取有效的計算思維，而提出問題和創設情境就是動機激發的關鍵。因此，在設計游戲世界環境時，需要游戲設計者充分考慮這一理論的價值，游戲世界應在游戲情境創設中提供適當的變化，以持續獲得玩家的關注，并刷新玩家思維以繼續有效學習后續的學習內容，該游戲化學習設計框架提出為每個游戲級別創設不同的游戲情境，幫助學習者在課程游戲學習中逐漸養成良好的計算思維習慣。

馬斯洛需要層次理論認為，當人類滿足基本需求時，他們將繼續尋找更高的需求來滿足自己[12]。這一理論提出人類有五個層次的需要：生理、安全、愛或歸屬、地位和自我實現。四個較低層次的需要被歸類為與生理需求相關的缺陷性需求，而最高層次的需要被稱為與心理需求相關的生長需求。該理論認為，當較低層次的需求得到滿足時，就會出現較高層次的需求。在設計與開發計算機游戲時有必要應用該理論進行指導：當需求成為游戲玩家責任的一部分時，它可以使模擬感覺變得更加逼真;當利用人工智能表現出這些需求時，就會使這種感覺更加人性化;當大量的低層次需求受到威脅時，游戲玩家在心理層面會感到更加恐懼;當游戲玩家面對需求和緊張之間的關系時，他們必須恰當處理復雜的認知沖突并選擇合適的學習情境。此外，該理論在游戲角色開發中也發揮著重要作用。為了激發學習者學習課程的積極性，有必要使學習者具有自主學習和完成游戲任務的愿望，從而獲得游戲角色的所有權。因此，可以根據學習者的實際學習需求進行游戲級別設計，以幫助學習者完成相應的學習目標。如果學習者通過游戲化學習能夠達到一定的目標水平，將會極大增強他們的自信心，促使他們主動對自己提出更高的學習需求，并激發他們主動學習更復雜的技能。因此，每個學習任務都應該根據游戲角色的不同需求水平進行設計。

建構主義學習理論認為學習是一個積極建構的過程，在該過程中學習者基于他們當前或過去的知識構建新的想法或概念。學習者可以選擇和轉換信息，提出假設并根據認知結構做出決策。認知結構是一種學習心理模型，旨在為學習者產生有意義的學習經驗和共同體，并允許學習者獲取未來信息。基于該理論設計與開發計算機游戲，可以使學習者能夠自由地思考從游戲世界中獲取的信息，這將幫助學習者輕松獲得知識或技能。如游戲環境中的信息對話確保學習者在閱讀充足的信息知識之后繼續玩游戲。該理論還指出，教學過程應主要包含四個方面：學習傾向性、知識體系的構造方式、最有效呈現學習材料的順序以及獎懲機制。學習者通過游戲英雄和非玩家角色之間的對話學習“面向對象程序設計”課程的基本概念，在整個對話過程中，游戲情境將建議的學習內容呈現給學習者，學習者之間的對話信息和學習內容可以共享。

有學者提出信息加工學習理論，認為不同類型的學習需要不同類型的教學[13]。他認為學習有五大類：語言信息、智力技能、認知策略、運動技能和態度，智力技能的學習任務可以根據刺激識別、反應生成、過程跟蹤、專業名詞使用、概念形成、規則應用和問題解決等幾個方面的復雜性進行分層組織。在“面向對象程序設計”課程游戲設計中，可以基于課程學習任務的復雜性設計游戲級別，如專業名詞使用（1級：關鍵字識別）、刺激識別（2級：關系與表達式識別）、概念形成（3級：循環結構）、過程跟蹤（4級：選擇結構）、響應生成（5級：數組操作）和問題解決（6級：方法）。

四、“面向對象程序設計”課程游戲開發過程分析

基于情境故事的游戲化模型可以基于學習目標適當加入多個體驗元素，讓學習者可以決定情境故事中角色的行動和結局，增加其沉浸感[14]。本研究提出的游戲化學習設計開發模型是基于“面向對象程序設計”課程游戲化學習框架進行構建的。該模型在開發過程中基于馬斯洛需要層次理論設計游戲級別，因此，有必要對游戲用戶和學習任務進行分析，了解游戲用戶的學習需求是游戲開發的重要任務。為了及時獲取游戲用戶的學習需求，本研究采用在線問卷調查的方法進行搜集數據，參與在線問卷調查的被試者是本校180名計算機科學與技術本科專業的大一學生。在線調查獲取游戲用戶的學習需求之后，接下來的任務是基于“面向對象程序設計”課程教學大綱中的學習內容定義每個游戲級別相應的游戲目標任務，最后階段是開發游戲人物角色及場景，并測試游戲以評估游戲的整體功能。如果在測試過程中發現任何問題，運用迭代方法對前一階段的游戲開發工作進行修訂直到解決問題為止。“面向對象程序設計”課程游戲開發模型重點關注故事情節在游戲開發過程中的應用，該開發模型包括游戲目標模塊、角色塑造模塊以及游戲成績模塊，見圖5。

游戲目標模塊是幫助游戲設計者定義游戲學習目標和故事情節所需的游戲組件。目標和組件的正確識別會促進游戲設計進程，尤其是整個游戲設計架構。同時，角色塑造模塊有助于游戲設計者塑造游戲中的人物以及在游戲故事中所扮演的角色。游戲角色的選擇過程對教育游戲非常重要，因為游戲角色會直接與游戲玩家或學習者進行互動的虛擬對象，因此，課程學習期望和學習要求對游戲設計者來說至關重要。本研究選取學科專家和計算機科學與技術專業的本科在校學生作為參與者，課程游戲根據參與者的輸入和反饋信息來相應地進行設計。游戲成績模塊是該游戲設計模型架構的最后一層，該模塊定義了游戲界面和故事情節。游戲故事情節在游戲情境創設中非常重要，因為它可以吸引游戲玩家或學習者在游戲學習中持續玩下去，也就是說，讓游戲玩家或學習者的注意力聚焦于下一步的學習任務。一個好的故事情節或背景故事能夠幫助設計者快速識別游戲學習中涉及的角色。游戲故事情節中的角色需要解決所有不同游戲級別中的難題，并收集所需的組件完成游戲學習任務。

（一）角色扮演類游戲設計

角色扮演類游戲允許游戲玩家或學習者自由選擇自己感興趣的游戲角色和情境，這有助于其快速適應游戲世界。因此，在“面向對象程序設計”課程游戲設計中很有必要嵌入角色扮演類游戲。游戲玩家或學習者將在課程游戲情境中扮演游戲中的機器人工程師，這個角色是該游戲中IT行業代表性人物的核心角色，機器人工程師的任務是構建一個功能齊全的三維模型機器人，該機器人可以對游戲世界的不同環境做出及時反應。

（二）故事情節

“面向對象程序設計”課程游戲是一款引導游戲玩家或學習者在輕松自由的環境中學習面向對象編程的計算機游戲，游戲玩家或學習者將隨著游戲程序的指引逐步學習如何成功完成他們的角色任務。優秀的教育游戲可以通過劇情和獎勵機制激發人的自我意識，讓學習者自主設定學習目標和學習計劃，結合游戲的反饋不斷進行自我反思，從而順利達成目標[15]。該游戲在故事情節上設計引入計算機發展歷程中的代表性人物或里程碑事件的介紹，音效和角色設計符合學習任務的表達需求，在提升學生學習興趣的同時，潛移默化地使學生從故事中升華思想。當游戲開始時，角色將具有允許其在游戲地圖上旅行的導航系統，為了使自己的能量變得更強大，它必須與游戲場景中的敵人進行戰斗消滅敵人以增強自己的實力，有些游戲場景會通過提供具體的挑戰任務來幫助角色獲取能量。當角色完成任務后，可以通過增加經驗或獲得新裝備來提高可玩能力而獲得獎勵。當游戲玩家或學習者在游戲中獲得愉悅時，他們實際上是在學習“面向對象程序設計”課程的相關知識。該課程游戲是一個獨立運行的APP游戲，每個游戲玩家或學習者都可以在自己的應用程序中進行自主游戲和學習。游戲平臺在正式進入游戲界面前會給游戲玩家或學習者理解面向對象編程基本概念提供可視化幫助，如封裝、繼承和多態性等，游戲情境旨在提高和培養游戲玩家或學習者學習計算機編程的興趣。此外，該游戲還為游戲玩家和學習者提供基本的程序設計思想與實施流程，這有助于提升游戲玩家或學習者利用程序設計解決實際問題的能力。

該課程游戲還包括迷你型益智游戲，這些游戲通過五個級別的快速挑戰來強化游戲玩家或學習者的碎片化編程知識。首先，將“面向對象程序設計”的基礎知識介紹給游戲玩家或學習者，游戲玩家或學習者通過對象和類測試之后即第一級游戲過關。在第二級游戲挑戰中，引導游戲玩家或學習者學習控制語句，如if else、switch case以及方法聲明的結構。在第三級游戲挑戰中，引導游戲玩家學習數組和三種循環語句類型，具體學習任務被分配給游戲玩家或學習者，以確保他們真正理解知識背后相關的概念。游戲玩家或學習者通關完成學習任務后可以進入下一級別的游戲。在第四級游戲中，游戲玩家或學習者開始學習“面向對象程序設計”的主要原理，主要是學習封裝和繼承原理，游戲情境會提供相關示例以幫助游戲玩家或學習者深入理解和應用這些原理。在最后一級游戲中，游戲情境主要引導游戲玩家或學習者學習多態原則。當玩家或學習者消滅最后一個稱為病毒的敵人時，該游戲結束。游戲玩家或學習者會因其持續參與游戲學習的熱情得到及時獎勵，在這種正向學習動機的促使下，課程游戲會鼓勵游戲玩家或學習者繼續學習新的編程知識和技能。

五、結論

“面向對象程序設計”課程游戲依據課程教學大綱規定的教學目標和核心內容設計游戲模型，參與游戲體驗與測試實驗的對象為計算機專業本科生。對于選定的課程內容和參與對象來說，比較適合于基于編程能力培養的計算機游戲化學習研究，因為該游戲涉及的內容和主題涵蓋了面向對象編程的基礎知識，如變量聲明、內存分配、對象、類、封裝、繼承和多態性等。基于計算機游戲的學習設計方法模型可以作為開發計算機編程類課程游戲的指南，以提供給學習者學習計算機編程知識的有效學習資源。該課程游戲基于課程教學大綱將學習內容分為不同的游戲級別和游戲任務，在學習過程中要求學習者與非游戲玩家角色進行互動交流，完成當前游戲任務后可以選擇升入下一級別的游戲任務。在游戲化學習中應關注學習者認知過程的每個認知環節，并且給予學習者差異化引導，以確保其順利完成學習任務[16]。因此，游戲化學習是學習者獲取課程所需知識的最有效的學習方法之一，計算機游戲可以成為教學過程中一種極具吸引力的學習媒體，教師可以根據學習者的學習技能差異和個性偏好逐步引導其完成課程學習目標。計算機游戲在提升學習者計算機編程能力的學習行為追蹤、效果評價以及有效支持課程學習的策略，將會是今后值得深入研究的課題。

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（責任編輯 孫興麗）

The Construction of Game Learning Application Model for Cultivating College Students’ Programming Capability

YANG Wenyang，MENG Qingqing

（School of Computer，Xi’an Shiyou University，Xi’an，Shaanxi，China 710065）

Abstract： At present，colleges，centered on learners，promote vigorously the education and teaching reform， and traditional teaching methods cannot satisfy learners’ personalized needs of programming course learning.The programming exercises in the traditional course practice are relatively tedious，which is hard to motivate learners’ interest in learning programming and even produces negative mood to programming learning.This research，facing the cultivation of computational programming capability，has put forward a learning model based on computational games.This game model，taking the course of? “Object-oriented Programming” as an example，creates game learning environment facing undergraduate students in school，and emphasizes game level，story situations，and player experience.The game focuses this research puts forward pays close attention to player experience，namely，player can learn the course of computational programming in the game without specialized programming exercises.The game learning based on computer focuses on learners’ needs and player experience，completes learning objectives and improves learners’ learning attention and computational thinking through game learning，makes students sublimate the thought and spirit from game stories unconsciously.

Key words： story situation;programming capability;learning attention;game experience

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