在游戏中培养计算思维

【摘 要】计算思维是21世纪人才培养的重要目标，面向计算思维培养的教育游戏具有广阔的应用前景。本文以数字教育游戏《Zoombinis》为研究对象，详尽介绍了该款游戏的基本信息，剖析了游戏的设计特点，并阐述了该款游戏在学生动机激发、能力培养和情感塑造方面的教育应用价值，得出了该款游戏可被用作中小学课内外计算思维训练工具的结论。

【关键词】Zoombinis；教育游戏；计算思维；游戏设计；教育应用

【中图分类号】G434 【文献标志码】B

【论文编号】1671-7384（2024）011-090-03

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》明确提出，计算思维是信息科技课程培养的核心素养之一，是学生适应信息化社会的重要能力。已有研究表明，教育游戏在提升学习动机、促进知识掌握、培养高阶能力等方面具有重要价值[1]。鉴于此，本文以2015年发行的数字教育游戏《Zoombinis》为例，对该游戏进行系统且全面的剖析。

游戏介绍

1.基本信息

《Zoombinis》（又称《祖比尼》/《卓姆比尼人》），是一款经典的逻辑卡通2D游戏。面向8岁以上的儿童和成人开发。2015年，《Zoombinis》正式发布了现代设备翻版，使得该游戏可以在现代主流操作系统和电子设备下运行。《Zoombinis》是一款策略类益智游戏，玩家在叙述性的剧情引导下进行关卡挑战。

2.游戏背景

Zoombini是一类蓝色的毛茸茸的可爱小生物，他们的家园被邪恶的怪物占领，为了摆脱怪物的奴役，他们踏上了前往新家园Zoombiniville的旅程。在旅程的开始，玩家需要创造属于自己的一队（16个）Zoombini，通过组合不同的发型、眼睛、鼻子和鞋子，使得小队中的每个Zoombini都是独一无二的存在。在“旅程”模式下，玩家的目标是解救400个Zoombini，将他们从西南部的小岛带往东北部的新家园。Zoombiniville的路线地图上共设有12个关卡，每个关卡对应一个逻辑谜题，且分别设有四个难度级别，每当Zoombini通过一条支路后，该支路的难度将会升级，且不可逆转。每个关卡仅提供有限的试错机会，每当试错次数耗尽后，玩家便会损失一定数量的Zoombini。由于16个Zoombini是下一条支路开启的条件，因此玩家应该尽量保证16个Zoombini全部通过，否则需要重新选择小队再次出发。

3.游戏内容

（1）过敏的峭壁。在该关卡中，Zoombini的任务是通过悬崖上的桥抵达对岸。桥下的两个峭壁面可能对一个或多个Zoombini特征过敏，为了实现关卡目标，玩家需要决策每一个Zoombini从哪座桥通过。而当决策失误次数超过六次时，两座桥就会倒塌，剩余的Zoombini将被困住无法通过。

（2）泥球墙。Zoombini被一堵大墙挡住了前进的道路，必须使用泥球打中墙上具有标志的方格才能越过墙体，格子的点数代表一次能越过的Zoombini个数。不同特征的泥球会打在墙体的不同位置，泥球的特征组合与墙上格子的位置之间存在一一对应关系。对于玩家而言，则需要推理得出这一对应关系，确定能够击打到目标墙体的泥球特征，从而构造下一个待发射的泥球（形状和颜色）。同样，泥球的数量是有限的，因此玩家的试错机会也是有限的。随着难度的升级，泥球的特征会从二维变为三维，与之对应的墙上的格子数量从25（5×5）个格子变为125（5×5×5）个格子，对应规则也随之变得更加复杂。

该关卡对应的数学概念是多维组合与映射。泥球击打到墙体格子可被视作一个映射，其中泥球的颜色、形状等特征是映射的定义域，所有格子的位置是映射的值域，泥球的特征维度则对应映射空间的维度。由于难度升级之后，墙体将三维的映射空间展示在二维平面上，因此游戏对学生的空间想象与抽象能力（降维）也提出了一定的要求。

游戏设计

1.基于证据的推理和学习

在教育变革和发展的浪潮中，基于证据的学习作为一种新的学习范式受到越来越多的关注。培养学生的证据意识至关重要，学生通过证据收集、应用、分析与反思，能够“有理有据”地思考，不断提升个人的论证能力[2]。该游戏是一款基于证据进行推理的策略游戏，根据游戏的任务设计，关卡不会给玩家提供规则的详细说明，因此玩家需要自主探索，结合游戏反馈和触发反馈的特征（如是否触发峭壁面的过敏反应、泥球打在墙体的位置等）来推理谜题背后的计算逻辑。

2.随机性与可重复性

该游戏采用基于算法的动态关卡生成机制，确保每一次生成的关卡内容具有随机性，从而要求玩家对每一次的新情境重新应用逻辑推理和演算策略。

3.反馈机制

《Zoombinis》中的大部分反馈都是即时反馈，包括视觉、听觉和情感反馈，是游戏乐趣的主要来源，能够增加玩家的游戏沉浸感。即时的反馈有助于玩家保持专注[3]，同时积极的反馈能够有效维持玩家的动机[4]。游戏中的视觉反馈主要体现在“Zoombini”的角色行为和环境反应的动画之中。对于较低龄的玩家而言，生动形象的视觉反馈有助于增加玩家的参与感，让玩家切身体会到个人的决策将会影响角色的命运。

游戏通过听觉反馈创造了极具叙事感的游戏环境，并为玩家提供信息提示。配合视觉反馈，游戏会提供每一关卡的故事情境和操作的音效引导提示，以及关于玩家决策正误的实时反馈，一方面帮助玩家熟悉和理解故事背景，另一方面也有效地推动游戏的进程。除此之外，游戏还设计了丰富的情感反馈机制，如提供鼓励型的话语“You did it！ You saved them all！（你做到了！你拯救了他们所有人）”等。

4.学习支架设置

学习支架是基于维果茨基的最近发展区（Zone of Proximal Development， ZPD）理论提出的，在学习活动的合适位置设置学习支架，有助于学习者跨越最近发展区，从而独立完成学习任务[5]。游戏中的学习支架通常可以辅助学习者简化游戏任务，制定游戏策略。已有研究表明，设计良好的支架能为学习提供必要的支持，在基于问题的学习环境中能够增强学生的探究和学习效果[6]。

游戏的教育应用

1.教育应用价值

（1）激发学习动机，促进自主学习。该游戏在以下几方面激发学生的学习动机：首先，游戏基于一个完整的故事框架展开，具有较强的趣味性，生动形象地将知识和思维训练融入游戏机制之中；其次，游戏的奖惩机制、即时反馈和学习支架，能够增加学习者的自信心；第三，已有研究表明，大部分学生都非常关注游戏关卡的晋级，解锁更多的关卡能够获得更强烈的成就感[7]。

（2）培养高阶思维与能力。《Zoombinis》在锻炼学生的计算思维和问题解决能力方面展现了独特的优势，具有较强的教育应用价值。目前，不同研究者对计算思维的理解不同，大多强调计算思维是一种问题解决的思维过程[8]。运用计算思维解决实际问题可以分为四个阶段：问题分解、模式识别、抽象、算法设计[9]。《Zoombinis》中的谜题需要学生综合运用以上四种能力，以“泥球墙”关卡为例，如图1所示。

（3）培养情感和价值观。该游戏培养了学生面对困难的正确态度、责任感和团队精神。在旅程中，开启一条支路的条件是具有16个Zoombini，因此玩家在每个关卡中应当最大限度地确保不损失Zoombini，这一机制增强了玩家的责任意识。

2.教育应用途径

鉴于该游戏操作简易、各关卡独立等特点，教师可将其适当整合至课堂教学活动中，如根据授课需求有针对性地选取某一关卡，应用于课堂导入环节，使学生对该关卡蕴含的逻辑知识有直观的体会和了解。此外，游戏也可以作为课堂练习工具帮助学生将所学知识迁移至游戏情境中，或作为计算思维的评估工具增进教师对学生计算思维水平的洞察。目前，许多实证研究证明了该游戏应用的有效性，例如，Asbell-Clarke等人[10]在3—8年级学生中使用该游戏，并对游戏数据进行挖掘，结果表明《Zoombinis》是有效面向中小学生计算思维培养的学习工具和评估工具；Moss等人[11]发现《Zoombinis》能够改善学生对数学学习的态度；Rowe等人[12]则使用该游戏创建了有效评估学生计算思维的检测工具。

本文介绍了一款面向中小学生的教育游戏——《Zoombinis》，其通过有趣的谜题内容设置和精良的游戏设计，在游戏过程中培养了学生的计算思维等高阶能力。此外，本文还分析了该游戏的教育应用价值和应用途径，展示了其在教育领域应用的可能性。

注：本文系中国教育学会2021年度教育科研重点规划课题“以计算思维培养为核心的中小学人工智能教育研究”（课题编号：202103002301A）的研究成果之一

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