Python课程数字化游戏教学中培养初中生计算思维的实证探究

文/王怀磊

引 言

计算思维包含分解、模式识别、抽象、算法四个维度的内容。通过分解，学生可以将复杂问题分割为简单的小问题，化繁为简，让问题的处理过程更简便；通过模式识别，学生可以在操作任务中找到相似的模式，发现事物的规律，然后不断地重复执行；通过抽象，学生可以剔除与核心问题无关的模式，抓住问题最本质的部分，创建解决问题的规则；通过算法，学生可以利用编程的方法设计指令，制订计划和步骤，解决核心问题。在初中信息技术教学中，教师首先要对计算思维的各个要素进行剖析，制订教学计划，进而引入数字化游戏，培养学生的计算思维。

一、相关概念界定

（一）计算思维释义

计算思维是一种运用计算机科学的基本概念求解问题、设计系统、理解人类行为的思维。培养学生的计算思维有利于提高学生的创新创造能力，促进学生专业发展，对学生的个人成长有十分重要的价值[1]。教师可以通过信息技术基础课程、数据库课程、程序设计课程培养学生计算思维。

（二）数字化游戏释义

数字化游戏是信息时代的产物，这种游戏具有一

定的娱乐和休闲功能，以应用程序、软件的形式存在，可以通过计算机设备运行。教师可以将数字化游戏引入初中信息技术教学中，融合数字化游戏和教学内容，让学生在游戏中展开人机互动，通过挑战新的游戏内容获得愉悦的体验。

二、Python课程数字化游戏教学中培养初中生计算思维的模型分析以及Python、数字化游戏、计算思维三者间关系的模型分析

（一）Python课程数字化游戏教学中培养初中生计算思维的教学模型分析

针对Python课程而言，教师需要科学布置课堂教学活动，引入数字化游戏，通过数字化游戏优化课堂教学环节，让学生在数字化游戏中练习编程，通过游戏操作体验编程的作用，加深对Python编程的理解。首先，教师需要结合课本教材及学生的编程知识基础，分析课堂教学内容，明确具体的教学目标，设置相应的问题，为学生创设数字化的游戏情境。对于初中生而言，计算思维的发展需要经历一个循序渐进的过程，教师需要在课堂教学过程中认真观察学生的反应，为学生提供个性化的指导，对学生参与数字化游戏的过程、学习Python的效果进行评价，总结学生的阶段化学习成果，鼓励学生在课堂上与他人分享和交流。Python课程数字化游戏教学中培养初中生计算思维的教学模型如图1所示。

图1 Python课程数字化游戏教学中培养初中生计算思维的教学模型

（二）Python、数字化游戏、计算思维三者间关系模型分析

Python课程、数字化游戏和学生的计算思维之间有密切的关联，数字化游戏可以引入Python课程中，增强课程实施的效果，促进学生计算思维的发展[2]。要想充分发挥数字化游戏在编程课程中的作用，使学生的计算思维获得快速发展，教师需要深入分析三者的关系。通过分析、推理，可以得到如图2的结构图。

图2 Python、数字化游戏、计算思维三者间关系的模型

教师首先要考虑“计算思维包含哪些部分？”“Python教学怎样作用于学生的计算思维？”“怎样利用数字化游戏激发学生的兴趣？”等。在关系模型中，“计算思维”居于首要位置，是实践教学的核心，教师需要掌握学生现有的知识基础，确定教学目标，针对Python知识、数字化游戏科学组织课堂教学活动。

编程课程对学生的计算思维要求较高，学生必须熟练掌握计算机的应用知识，熟悉计算机的操作，这样才能完成简单的编程，提高编程能力。从这个角度来说，编程课程是培养学生计算思维的重要方法，教师需要引导学生学习Python语言，在编程的学习过程中紧紧抓住计算思维的四个维度。另外，数字化游戏是Python课程的有效辅助工具，通过引入丰富多彩的数字化游戏，学生能够提高编程学习的动力。计算思维的四个要素为分解、抽象、模式识别、算法。Python中通用的要素可概括为类、对象、属性、方法、事件，计算思维中的四个要素可以通过Python课程体现。数字化游戏包含角色、场景、任务、规则等，这些要素可以和Python课程结合，将Python课程中的要素以游戏的形式体现出来。

三、Python课程数字化游戏教学对培养初中生计算思维的意义

（一）助力学生计算思维能力的提升

数字化游戏教学能够让学生拥有更多机会操作计算机，熟练掌握键盘、鼠标的应用方法，提高打字速度，最终实现计算思维能力的提高。在实践教学中，教师引入“纸牌游戏”“大鱼吃小鱼”“连连看”等数字化游戏，能让学生沉浸于紧张的闯关气氛中，通过不断探索、竞争提高学习质量，熟练掌握鼠标的基本操作，快速、准确发出指令。在键盘的操作方面，教师引入“警察抓小偷”等游戏，能让学生完成相关指法练习。

（二）助力学生计算思维态度的转变

Python课程包含Python基础、数据库、函数模块等内容，很多学生在刚刚接触编程时兴趣盎然，但在真正展开练习时，就会变得不耐烦。针对这种情况，教师引入数字化游戏，能让枯燥乏味的编程教学变得生动有趣，减轻学生的学习压力，转变学生的学习态度。在Python课程的教学中，教师结合课堂教学内容，为学生编一些数字化游戏的程序，能让学生体验编程的功能、用法。

四、Python课程数字化游戏教学培养初中生计算思维的实践研究过程

（一）研究对象

本次实践研究的对象为初二年级的两个班，其中一班共有42名学生，为本次研究的实验组，二班共有40人，为本次研究的对照组。实验组在Python教学中融合数字化游戏，包括“贪吃蛇”“俄罗斯方块”“五子棋”等，不同的教学内容对应不同的数字化游戏。此外，对照组在教学中采用传统的教学方法，为确保实验的对比性和有效性，实验组和对照组的教师相同。

（二）研究工具

本次教学实践研究的工具为陈兴治等人编制的“本土化计算思维评价指标体系”，运用该评价指标测试学生计算思维的变化，验证数字化游戏对促进学生计算思维发展的作用。

（三）研究案例

1.教师设定教学目标

在实践研究过程中，教师应首先明确教学目标，包含学生的计算思维目标、游戏目标、Python知识目标。在确定教学目标后，教师要对学生进行全面分析。在本次实证研究中，学生有一定的Python编程基础，但是游戏编程能力较弱，学习积极性不高。在教学中，教师将“俄罗斯方块”作为游戏教学的主要内容，设计课堂教学问题：“怎样通过五大核心概念实现‘俄罗斯方块’的游戏？”然后引导学生思考，鼓励学生制订具体方案。之后，教师结合教学目标、Python课程的知识、“俄罗斯”方块游戏，创建了课堂教学活动。

2.实施教学方案

在确定教学目标后，教师要在实验组完成教学实践工作，为学生设置游戏任务，提出学习问题，指导学生通过交流讨论、自主探究完成编程任务和游戏任务，提高学生的计算思维能力。在实验组，教师应用数字化游戏，开展了包括“俄罗斯方块”在内的多个游戏项目，指导学生开展游戏编程，反复思考游戏编程中的问题，利用数字化游戏开展Python编程教学。在对照组，教师运用传统的Python教学方法，在教学进度等方面与实验组保持一致。

（四）研究过程

本次教学实践研究从2022年3月到2022年6月。在实验过程中，实验组的Python课程采用数字化游戏的方式，涉及“俄罗斯方块”“贪吃蛇”“五子棋”等数字化游戏教学项目，在Python知识方面主要涉及函数、算法、数据类型、文件操作等。对照组采用传统的教学方法，涉及的Python知识与实验组一致。在整个研究过程中，实验组共授课28个课时，对照组共授课28个课时。在Python课程教学实践研究中，研究人员对实验组和对照组开展了计算思维前后测试，两次测试的时间分别为2022年3月1日和2022年6月30日。

（五）研究结果

如前测数据显示（见表1），实验组学生和对照组学生的计算思维基本处于同一水平，两组学生的分解、抽象、概括、算法、评估等能力差别较小。后测数据显示，实验组学生和对照组学生在计算思维上出现了较大差异。通过分析实验组和对照组前测和后测中计算思维各个维度的均值，可以发现实验组学生的计算思维能力有了大幅度提升，对照组学生的计算思维能力虽然也在原有基础上获得了提升，但总体上的进步情况与实验组学生有一定差距。

表1 实验组和对照组前测和后测中计算思维各维度的均值对比

通过实验组学生和对照组学生Python编程作品中计算思维四维度计数统计结果（见表2），可以发现实验组学生在编程作品中体现的计算思维能力更高，这充分说明了实验组学生的编程实践能力和计算思维能力的提高，同时也体现了数字化游戏在编程教学中的作用。在今后的Python编程教学中，教师可以适当应用数字化游戏，通过数字化游戏调动学生的编程学习积极性，推动学生计算思维能力的全面发展。

表2 实验组和对照组Python编程作品中计算思维四维度计数统计结果

结 语

在初中信息技术教学中，教师要高度重视对学生计算思维的培养，充分利用Python编程，把握计算思维的四个维度要素，促进学生计算思维态度的转变和计算思维技能的提高。在实践教学中，教师可以引入数字化游戏，将数字化游戏的各要素与Python课程的要素紧密结合起来，促进学生计算思维的发展。