在游戲中培養計算思維

【摘 要】計算思維是21世紀人才培養的重要目標，面向計算思維培養的教育游戲具有廣闊的應用前景。本文以數字教育游戲《Zoombinis》為研究對象，詳盡介紹了該款游戲的基本信息，剖析了游戲的設計特點，并闡述了該款游戲在學生動機激發、能力培養和情感塑造方面的教育應用價值，得出了該款游戲可被用作中小學課內外計算思維訓練工具的結論。

【關鍵詞】Zoombinis；教育游戲；計算思維；游戲設計；教育應用

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）011-090-03

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》明確提出，計算思維是信息科技課程培養的核心素養之一，是學生適應信息化社會的重要能力。已有研究表明，教育游戲在提升學習動機、促進知識掌握、培養高階能力等方面具有重要價值[1]。鑒于此，本文以2015年發行的數字教育游戲《Zoombinis》為例，對該游戲進行系統且全面的剖析。

游戲介紹

1.基本信息

《Zoombinis》（又稱《祖比尼》/《卓姆比尼人》），是一款經典的邏輯卡通2D游戲。面向8歲以上的兒童和成人開發。2015年，《Zoombinis》正式發布了現代設備翻版，使得該游戲可以在現代主流操作系統和電子設備下運行。《Zoombinis》是一款策略類益智游戲，玩家在敘述性的劇情引導下進行關卡挑戰。

2.游戲背景

Zoombini是一類藍色的毛茸茸的可愛小生物，他們的家園被邪惡的怪物占領，為了擺脫怪物的奴役，他們踏上了前往新家園Zoombiniville的旅程。在旅程的開始，玩家需要創造屬于自己的一隊（16個）Zoombini，通過組合不同的發型、眼睛、鼻子和鞋子，使得小隊中的每個Zoombini都是獨一無二的存在。在“旅程”模式下，玩家的目標是解救400個Zoombini，將他們從西南部的小島帶往東北部的新家園。Zoombiniville的路線地圖上共設有12個關卡，每個關卡對應一個邏輯謎題，且分別設有四個難度級別，每當Zoombini通過一條支路后，該支路的難度將會升級，且不可逆轉。每個關卡僅提供有限的試錯機會，每當試錯次數耗盡后，玩家便會損失一定數量的Zoombini。由于16個Zoombini是下一條支路開啟的條件，因此玩家應該盡量保證16個Zoombini全部通過，否則需要重新選擇小隊再次出發。

3.游戲內容

（1）過敏的峭壁。在該關卡中，Zoombini的任務是通過懸崖上的橋抵達對岸。橋下的兩個峭壁面可能對一個或多個Zoombini特征過敏，為了實現關卡目標，玩家需要決策每一個Zoombini從哪座橋通過。而當決策失誤次數超過六次時，兩座橋就會倒塌，剩余的Zoombini將被困住無法通過。

（2）泥球墻。Zoombini被一堵大墻擋住了前進的道路，必須使用泥球打中墻上具有標志的方格才能越過墻體，格子的點數代表一次能越過的Zoombini個數。不同特征的泥球會打在墻體的不同位置，泥球的特征組合與墻上格子的位置之間存在一一對應關系。對于玩家而言，則需要推理得出這一對應關系，確定能夠擊打到目標墻體的泥球特征，從而構造下一個待發射的泥球（形狀和顏色）。同樣，泥球的數量是有限的，因此玩家的試錯機會也是有限的。隨著難度的升級，泥球的特征會從二維變為三維，與之對應的墻上的格子數量從25（5×5）個格子變為125（5×5×5）個格子，對應規則也隨之變得更加復雜。

該關卡對應的數學概念是多維組合與映射。泥球擊打到墻體格子可被視作一個映射，其中泥球的顏色、形狀等特征是映射的定義域，所有格子的位置是映射的值域，泥球的特征維度則對應映射空間的維度。由于難度升級之后，墻體將三維的映射空間展示在二維平面上，因此游戲對學生的空間想象與抽象能力（降維）也提出了一定的要求。

游戲設計

1.基于證據的推理和學習

在教育變革和發展的浪潮中，基于證據的學習作為一種新的學習范式受到越來越多的關注。培養學生的證據意識至關重要，學生通過證據收集、應用、分析與反思，能夠“有理有據”地思考，不斷提升個人的論證能力[2]。該游戲是一款基于證據進行推理的策略游戲，根據游戲的任務設計，關卡不會給玩家提供規則的詳細說明，因此玩家需要自主探索，結合游戲反饋和觸發反饋的特征（如是否觸發峭壁面的過敏反應、泥球打在墻體的位置等）來推理謎題背后的計算邏輯。

2.隨機性與可重復性

該游戲采用基于算法的動態關卡生成機制，確保每一次生成的關卡內容具有隨機性，從而要求玩家對每一次的新情境重新應用邏輯推理和演算策略。

3.反饋機制

《Zoombinis》中的大部分反饋都是即時反饋，包括視覺、聽覺和情感反饋，是游戲樂趣的主要來源，能夠增加玩家的游戲沉浸感。即時的反饋有助于玩家保持專注[3]，同時積極的反饋能夠有效維持玩家的動機[4]。游戲中的視覺反饋主要體現在“Zoombini”的角色行為和環境反應的動畫之中。對于較低齡的玩家而言，生動形象的視覺反饋有助于增加玩家的參與感，讓玩家切身體會到個人的決策將會影響角色的命運。

游戲通過聽覺反饋創造了極具敘事感的游戲環境，并為玩家提供信息提示。配合視覺反饋，游戲會提供每一關卡的故事情境和操作的音效引導提示，以及關于玩家決策正誤的實時反饋，一方面幫助玩家熟悉和理解故事背景，另一方面也有效地推動游戲的進程。除此之外，游戲還設計了豐富的情感反饋機制，如提供鼓勵型的話語“You did it！ You saved them all！（你做到了！你拯救了他們所有人）”等。

4.學習支架設置

學習支架是基于維果茨基的最近發展區（Zone of Proximal Development， ZPD）理論提出的，在學習活動的合適位置設置學習支架，有助于學習者跨越最近發展區，從而獨立完成學習任務[5]。游戲中的學習支架通常可以輔助學習者簡化游戲任務，制定游戲策略。已有研究表明，設計良好的支架能為學習提供必要的支持，在基于問題的學習環境中能夠增強學生的探究和學習效果[6]。

游戲的教育應用

1.教育應用價值

（1）激發學習動機，促進自主學習。該游戲在以下幾方面激發學生的學習動機：首先，游戲基于一個完整的故事框架展開，具有較強的趣味性，生動形象地將知識和思維訓練融入游戲機制之中；其次，游戲的獎懲機制、即時反饋和學習支架，能夠增加學習者的自信心；第三，已有研究表明，大部分學生都非常關注游戲關卡的晉級，解鎖更多的關卡能夠獲得更強烈的成就感[7]。

（2）培養高階思維與能力。《Zoombinis》在鍛煉學生的計算思維和問題解決能力方面展現了獨特的優勢，具有較強的教育應用價值。目前，不同研究者對計算思維的理解不同，大多強調計算思維是一種問題解決的思維過程[8]。運用計算思維解決實際問題可以分為四個階段：問題分解、模式識別、抽象、算法設計[9]。《Zoombinis》中的謎題需要學生綜合運用以上四種能力，以“泥球墻”關卡為例，如圖1所示。

（3）培養情感和價值觀。該游戲培養了學生面對困難的正確態度、責任感和團隊精神。在旅程中，開啟一條支路的條件是具有16個Zoombini，因此玩家在每個關卡中應當最大限度地確保不損失Zoombini，這一機制增強了玩家的責任意識。

2.教育應用途徑

鑒于該游戲操作簡易、各關卡獨立等特點，教師可將其適當整合至課堂教學活動中，如根據授課需求有針對性地選取某一關卡，應用于課堂導入環節，使學生對該關卡蘊含的邏輯知識有直觀的體會和了解。此外，游戲也可以作為課堂練習工具幫助學生將所學知識遷移至游戲情境中，或作為計算思維的評估工具增進教師對學生計算思維水平的洞察。目前，許多實證研究證明了該游戲應用的有效性，例如，Asbell-Clarke等人[10]在3—8年級學生中使用該游戲，并對游戲數據進行挖掘，結果表明《Zoombinis》是有效面向中小學生計算思維培養的學習工具和評估工具；Moss等人[11]發現《Zoombinis》能夠改善學生對數學學習的態度；Rowe等人[12]則使用該游戲創建了有效評估學生計算思維的檢測工具。

本文介紹了一款面向中小學生的教育游戲——《Zoombinis》，其通過有趣的謎題內容設置和精良的游戲設計，在游戲過程中培養了學生的計算思維等高階能力。此外，本文還分析了該游戲的教育應用價值和應用途徑，展示了其在教育領域應用的可能性。

注：本文系中國教育學會2021年度教育科研重點規劃課題“以計算思維培養為核心的中小學人工智能教育研究”（課題編號：202103002301A）的研究成果之一

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