张学军　岳彦龙　梁屿藩

[摘   要] 如何培养学生的计算思维是学术界和一线教师面对的重要课题。目前利用编程教学培养计算思维已经取得共识，数字化游戏教学培养计算思维解决了单纯的编程教学枯燥乏味、难以激发学生兴趣的难题。文章依据DGBL理论，在分析计算思维、Python、数字化游戏三者关系的基础上，提出了Python课程中数字化游戏教学培养高中生计算思维的教学模型，并以“打飞机”游戏为例进行了数字化游戏教学案例分析。研究采用实验组和对照组的前后测实验，通过四个月的跟踪观察，辅以游戏作品分析、学业成绩分析和访谈来考察Python课程中数字化游戏教学对学生计算思维的影响。研究表明：Python课程数字化游戏教学能非常显著地改善高中生的计算思维态度，显著地提升高中生的计算思维技能，但对高中生考试成绩的影响并不显著。基于研究结果，建议Python课程中数字化游戏教学要以厘清计算思维、Python、数字化游戏之间的关系为前提，数字化游戏教学案例要充分体现上述三者的关系，并以循序渐进原则作为教学保障。

[关键词] Python; DGBL; 高中生; 计算思维; 实证研究

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 张学军（1968—），男，甘肃会宁人。教授，博士，主要从事数字化教育资源设计与开发、人工智能教育研究。[email protected]。

一、研究背景

美国周以真教授2006年首次提出“计算思维”概念[1]，此后国内外大量研究机构和组织从多个角度对计算思维进行了广泛研究，并取得了可喜的成果。新版《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》，将作为该课程学科核心素养之一的计算思维解读为运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动[2]。

培养学生计算思维的方法有很多，主要包括使用编程、机器人教育、游戏、基于设计的学习活动等[3]。Lye等通过对已有27项干预研究的分析，发现可以在K-12年级学生中通过编程来实施面向计算思维的教学，并且指出27项干预研究中的大多数都给出了积极的结果[4];Zhang等通过55个已有综合实证研究的分析，发现可以用Scratch等语言编程为K-9年级学生计算思维的发展提供证据[5];郁晓华等基于可视化编程工具App Inventor的实证研究表明，通过可视化编程教学能够使初中生和小学生的计算思维水平得到显著提升[6]。

随着信息化进程的日益推进，数字化游戏的教育价值越来越受到研究者的广泛关注和认可，并逐渐被引入到课堂教学中来[7]。基于游戏的学习是一种主动学习的形式，游戏提供了一个“有意义的框架”来解决学生要解决的问题。游戏非常吸引人，可以用于编程教学，从而对学生产生“积极影响”，借助游戏来培养计算思维主要有两种方法：通过设计游戏来学习”和“通过玩游戏来学习”[8];熊秋娥等通过Scratch 游戏化编程的实证研究表明，通过游戏化编程可以培养小学生的计算思维，学生在计算概念、计算实践、计算观念等能力维度都有了明显的变化[9]。

近年来浙江、北京、山东等一些发达地区的高中已经开设了Python校本课程[10]，预计将会有更多的地区也开设该课程。综观国内外的研究可以看出，利用编程教学培养计算思维已经取得共识，游戏编程教学培养计算思维解决了单纯的编程枯燥乏味、难以激发学生兴趣的难题。但是从已有的研究成果来看，游戏化编程培养学生计算思维的研究成果大多集中在小学阶段，使用较多的是图形化、积木式的Scratch游戏编程教学，针对高中阶段如何设计并开展Python游戏编程教学来培养计算思维，相关的较有价值的研究成果很少。因此，希望通过本文给研究者和一线教师带来借鉴和启示。

二、理论基础

基于数字游戏的学习（Digital Game Based Learning，简称DGBL）是任何教育内容和数字游戏相结合的学习方式，背后的假设是教育内容和数字游戏相结合的学习可以达到与传统学习方法一样好或更好的结果，基于数字游戏的学习定义为基于计算机或在线的任何游戏的学习[11]。游戏可能是最吸引人的人类历史上的消遣，Prensky给出了游戏吸引人的12条理由[11]。基于数字游戏的学习之所以很有效是基于以下几点：首先，将学习放在游戏环境中，从而增加参与度，这是非常重要的，尤其是对于那些学习者不喜欢的学习内容;其次，采用互动式学习方式，可以选择许多不同的形式，这取决于学习目标;最后，设计教育内容和数字游戏这两者的结合方式。有很多方法可以做到这一点，最好的解决方案是高度情境化的。可以从两个主要方面来考虑基于数字游戏的学习：参与和学习（如图1所示）。基于計算机的训练（CBT）基本上是低参与性/低学习性的（左下象限），游戏以及一些寓教于乐的游戏是高参与性/低学习性的（左上象限），基于数字游戏的学习（DGBL）是高参与性/高学习性的（右上象限），暂时还未发现真正高学习性但低参与性的东西。设计基于数字游戏的学习时，必须始终考虑这两个方面。如果对学习不够重视，就有可能沦为游戏;如果对参与性不够重视，就有滑向CBT的风险。

三、Python课程数字化游戏教学培养

高中生计算思维的教学模型

（一）计算思维、Python、数字化游戏关系模型

要构建Python课程数字化游戏教学培养高中生计算思维的教学模型，首先要厘清计算思维、Python、数字化游戏三者之间的关系。在详细分析了计算思维的要素、Python的要素及数字化游戏的要素后，构建的三者的关系模型如图2所示。

关系模型分为三层，由内向外依次为计算思维、Python、数字化游戏。这样考虑的理由如下：首先，培养计算思维是目标，因此计算思维处于核心地位，属于第一层;其次，要考虑用什么方法来培养计算思维，本文采用的方法是编程，用到的编程语言是Python，因此Python处于实现方法的地位，属于第二层;最后，Python编程培养计算思维的具体方法有很多，由于编程一般而言比较枯燥，为了更好地激发高中生的兴趣，这里选择了比较吸引学生的数字化游戏，因此数字化游戏处于方法具体化的地位，属于第三层。

首先，笼统地培养计算思维有一定的难度，要培养计算思维就要将计算思维细化，分解为若干个要素，最后将分解的这些要素融入教学，从而方便最后的测评。本文依据有较大影响力的Google公司2018年推出的面向全球的计算思维课程，该课程将计算思维分为分解、模式识别、抽象和算法四个要素[12]。其次，需要找到分解、模式识别、抽象、算法四个要素在Python中是如何实现的。Python是面向对象语言，因此可以将面向对象语言通用的要素作为Python的要素。面向对象语言中通用的要素可以概括为五大关键词：类、对象、属性、方法和事件，因此能体现Python最通用的要素也就是这五大关键词。分解主要通过Python中的方法和事件来实现，模式识别也主要通过Python中的方法和事件来实现，抽象则要完整通过Python中的类、对象、属性、方法和事件来实现，算法也要完整通过Python中的类、对象、属性、方法和事件来实现。最后，还需要找到Python中的这五大关键词如何实现数字化游戏中必备的要素，如角色、任务、场景、交互、挑战、规则等。数字化游戏中的交互主要由Python中的方法、事件来实现，数字化游戏中的任务也主要由Python中的方法、事件来实现，数字化游戏中的规则主要由Python中的方法、事件来实现，数字化游戏中的角色、场景、挑战则要由五大关键词联合来实现。

（二）Python课程数字化游戏教学培养高中生计算思维的教学模型

在厘清计算思维、Python、数字化游戏三者关系的基础上，结合教学设计的知识构建的Python课程数字化游戏教学培养高中生计算思维的教学模型如图3所示。

高中生计算思维的教学模型

对教师而言，首先要确定所教Python课程的教学目标，分析高中生的现有基础和认知水平等，分析教学内容;然后设置相应的问题，创设数字化游戏的教学情境;接着讲解具体的数字化游戏中涉及的Python知识;然后在具体的数字化游戏中参考图2详细分析计算思维、Python、数字化游戏三者之间的对应关系;接着观察高中生的反应并提供相应的指导;最后针对高中生的学习进行点评与总结。

对高中生而言，首先要确定所学习的Python课程的目标;然后感知并熟悉数字化游戏学习情境，并明确教师设置的问题;接着需要理解教师所讲授的Python知识并将在相应的数字化游戏中转化知识，观察并思考数字化游戏的设计与实现;然后在具体的数字化游戏的学习中利用分解、模式识别、抽象、算法等计算思维要素分析问题，提出相应的解决方案并实施该方案;最后对自己的学习过程进行反思与总结，并和大家分享和交流。

四、研究设计与结果分析

（一）研究方法

（1）访谈法。数字化游戏教学实施完成后对选定的高一实验班的8名学生进行了访谈，访谈内容主要包括三个方面：学生对Python知识的掌握情况;学生对Python编程学习的新感受、新认识;学生对基于数字游戏学习的体验与感受。

（2）准实验法。对选取的高一两个班级的学生分别采用不同的教学方式（数字化游戏教学和传统教学）进行教学实验，通过四个月的跟踪观察，采用实验组和对照组的前后测实验，辅以游戏作品分析、学业成绩分析等手段来考察数字化游戏教学方式对高中生计算思维水平的影响。实验假设为：采用数字化游戏教学方式比传统教学方式能更好地提升高中生的计算思维水平。

（二）研究对象

研究对象选取杭州市G学校高一年级计算思维前测水平相近的两个班，共90名学生，其中A班46人为实验组，采用数字化游戏教学方式;B班44人为对照组，采用传统教学方式。实验组和对照组的授课教师相同。

（三）研究工具

研究工具包括计算思维评价指标体系。计算思维评价指标体系采用陈兴冶等编制的本土化计算思维评价指标体系[13]，该指标体系共有30个关键指标，一级指标分为计算思维态度和计算思维技能，其中计算思维态度包含情感态度、思维品质、合作学习三个二级指标，计算思维技能包含分解、抽象、概括、算法、评估五个二级指标，该指标体系已被研究证明具有良好的信效度。

（四）“打飞机”游戏教学案例分析

教师首先设定好教学目标（包括计算思维目标、Python知识目标、游戏目标）;其次，进行学习者分析：教学对象是高一年级的学生，对游戏编程很有兴趣，在前面的课程中已经掌握了如何用Python中的变量、列表、判断、循环、函數等知识来实现“打飞机”游戏，具备了游戏编程的基本能力，但并没有学习过Python中类、对象、属性、方法和事件五大核心概念;然后分析教学内容：用类实现“打飞机”游戏，涉及的Python知识点主要包括类、对象、属性、方法和事件五大核心概念，涉及的数字化游戏内容为运用五大核心概念来实现“打飞机”游戏。在教学中教师首先给出两个问题：（1）Python知识问题：为什么Python中面向对象的五大核心概念是解决问题的通用概念？（2）“打飞机”游戏问题：如何运用五大核心概念来实现“打飞机”游戏？然后打开前面的课已经实现了的“打飞机”编程代码视图作为创设的数字化游戏环境;接着教师精讲Python中面向对象编程的五大核心概念;然后在“打飞机”游戏中参考图2详细分析计算思维、Python、数字化游戏三者之间的对应关系;接着学生分析前面教师设置的相关问题，提出相应的解决方案并实施该方案;然后教师观察学生的反应并提供相应的指导;最后教师针对学生的学习进行点评与总结。

学生首先设定好学习目标：（1）计算思维目标：培养分解、模式识别、抽象和算法思维;（2）Python知识目标：掌握Python中类、对象、属性、方法和事件五大核心概念;（3）游戏目标：实现打飞机的任务并顺利过关。其次，需要依据学习目标理解教师所讲授的Python中类、对象、属性、方法和事件五大核心概念，并在“打飞机”游戏中运用这五大核心概念。然后，学生根据教师对“打飞机”游戏中计算思维、Python、数字化游戏三者之间的关系分析建立详细的对应关系（见表1）。

接着在“打飞机”游戏的学习中利用分解、模式识别、抽象、算法等计算思维要素分析教师设置的问题，提出相应的解决方案并实施该方案;然后教师观察学生的反应并提供相应的指导;最后学生对自己的学习过程进行反思与总结，并和大家分享和交流。

（五）研究过程

研究从2019年8月末起至2019年12月末结束，为期四个月。实验组采用数字化游戏教学方式，涉及五个数字化游戏教学项目（猜单词、打飞机、贪吃蛇、俄罗斯方块、五子棋）共授课32课时，每周2个课时;对照组采用传统教学方式，涉及Python中的主要学习内容包括常用数据类型、流程结构、函数、算法、文件操作、面向对象程序设计等，共授课32课时，每周2个课时。为了检测数字化游戏教学对高中生计算思维培养的影响，本研究在课程教学前后分别对实验组、对照组进行了计算思维前后测试，分析了两个组计算思维的变化情况;教学结束后通过Python试题测试了两个组Python知识的掌握情况，对两个组提交的Python编程作品进行了分析，并对实验组通过访谈分析了学生学习态度的变化。

（六）数据分析

1. 学生计算思维水平对比分析

在学期始末以网络问卷的形式分别对两组学生的计算思维水平进行前后测，在分析数据前对问卷的信效度进行了检测，数据见表2，问卷前后测总体的Cronbachs Alpha、KMO以及Bartlett球形检验值都符合正常值，表明该问卷结构优良、具有可信度。

利用SPSS 22.0对测试结果进行了独立样本t检验，对问卷前后测各维度的均值进行了比较，如图4所示。通过前测发现对照组和实验组在计算思维上无显著差异，学生的计算思维水平相当;通过后测发现学生在计算思维各维度上后测均值比前测有较大的提升，表明经过一学期的学习，两组学生的计算思维都得到显著提升，且实验组提升幅度明显高于对照组。此外，对实验组和对照组在计算思维各维度上进行了比较，其中情感态度（p=0.000

2. 学生成绩分析

在学期末测试了两组学生对常用数据类型、流程结构、函数、算法、文件操作等Python知识的掌握情况，见表3。对照组成绩均值为67.91，实验组成绩均值为68.80，从均值来看，实验组稍微好于对照组，两组成绩的p（=0.532）>0.05，两组成绩无显著差异，结合上图4两组后测在情感态度、思维品质、合作学习维度差异的分析，表明虽然两种教学方式在促进学生知识内容掌握方面没有显著差异，但是采用数字化游戏教学方式能够激发并维持学生的兴趣与学习动机，真正实现玩中学。

3. 学生Python编程作品分析

为了研究实验前后两组学生的Python编程作品在计算思维各维度上是否有差异，对两组学生的Python编程作品中所涵盖的计算思维条目进行计数统计，对计数结果用SPSS22.0进行了描述性分析，见表4。

由于使用Shapiro-Wilk Test 检验该组数据不服从正态分布，故采用 Wilcoxon 符号秩检验分析实验组和对照组的Python编程作品对应的计算思维各维度数量是否有差异，见表5。

数据结果显示，实验组和对照组学生的Python编程作品在计算思维中的分解、抽象、算法（p

4. 学生访谈分析

Python课程数字化游戏教学活动完成后，对实验组学生进行了访谈，访谈内容包含以下三个方面：首先是学生对Python知识的掌握情况;其次是学生对Python编程学习的新感受、新认识;最后是学生对基于数字游戏学习的体验与感受。访谈结果如下：

（1）学生对Python的知識的掌握情况。从“可以完全理解，掌握程度达到80%左右”“较好掌握了Python知识，能够用在游戏元素中”等学生的回答中可以发现，大部分学生对Python知识的理解与掌握较透彻。

（2）学生对Python编程学习的新感受、新认识。从“没有想到简单的几行Python代码就能让飞机移动并且发射子弹”“以往对Python学习兴趣不大，尤其是编写代码感觉有点枯燥，但是现在觉得很有意思”等学生的回答中可以看出，Python课程的数字化游戏编程教学能够吸引学生、激发学生的学习兴趣。

（3）学生对基于数字游戏学习的体验与感受。从 “能在玩游戏的过程中学到知识，这是很棒的体验”“编出游戏让我有了很大的满足感”等的回答中可以看出学生对基于数字游戏学习的喜爱，认为游戏让学习更加有趣、形象，提升了学习的成就感。

（七）讨论与分析

1. Python课程数字化游戏教学能非常显著地改善高中学生的计算思维态度

计算思维态度的评价包括情感态度、思维品质和合作学习三个维度，实验组和对照组在这三个维度上的差异极为显著（p=0.000

2. Python课程数字化游戏教学能显著地提升高中学生的计算思维技能

计算思维技能的评价包括分解、抽象、概括、算法、评估五个维度，实验组和对照组在抽象、算法、评估三个维度上的差异极为显著（p=0.000

3. Python课程数字化游戏教学对高中生考试成绩的影响不显著

通过对实验组和对照组在实验后成绩的分析中发现，两个班的Python考试成绩没有显著性差异（p（=0.532）>0.05），但实验组的平均成绩略高于对照组。实验组和对照组的考试成绩相近，原因可能是由于对照组在系统性学习并掌握知识方面占时间优势，而实验组在涉及游戏案例中用到的知识时发挥出色但缺少对知识的系统性学习。实验至少证明数字化游戏教学方式并没有导致学生的学习成绩出现明显的下降。

五、Python课程中数字化游戏教学培养

高中生计算思维的教学启示

（一）厘清计算思维、Python、数字化游戏之间的关系是Python课程中实施数字化游戏教学培养高中生计算思维的前提

一方面，计算思维是培养目标，Python是实现该目标的手段，要将计算思维的分解、抽象、模式识别和算法各要素无缝地融入到Python课程中才有可能落实计算思维的培养。另一方面，在Python课程中通过数字化游戏编程教学就能较好地解决学生的兴趣问题。Python是培养计算思维的手段，而数字化游戏则是从众多Python手段中选择出来的、能解决学生兴趣问题的优选手段。厘清了计算思维、Python和数字化游戏三者之间的关系就为在Python课程中实施数字化游戏教学培养高中生计算思维打下了坚实的基础。

（二）在数字化游戏教学案例中体现计算思维、Python、数字化游戏之间的关系是Python课程中实施数字化游戏教学培养高中生计算思维的关键

从“打飞机”游戏的教学案例可以发现，要真正落实计算思维的培养，就要将计算思维的分解、模式识别、抽象和算法四个要素一一对应到Python中的类、对象、属性、方法和事件这五大关键词上，并且需要在Python编程中体现这五大关键词。在此基础上，要将计算思维的四个要素对应到“打飞机”游戏中，同时体现数字化游戏的各个要素如角色、任务、场景、交互、挑战、规则等。

（三）循序渐进原则是Python课程中实施数字化游戏教学培养高中生计算思维的保障

首先，数字化游戏教学不是只教游戏不讲知识，而是遵循先知识后游戏的原则，一方面，Python知识是用类实现数字化游戏（如“打飞机”游戏）的基础，不掌握Python知识就不可能直接开发出数字化游戏;另一方面，不同于传统的Python课程教学，数字化游戏教学中的Python知识要精讲，不要花费过多的时间，因为数字化游戏是重点，通过数字化游戏也会进一步促进Python知识的掌握。其次，同一个数字化游戏，数字化游戏教学要遵循循序渐进原则。最后，讲授的不同数字化游戏之间，数字化游戏教学也应遵循循序渐进原则。

六、结   语

本文在反思传统Python教学培养计算思维局限性的基础上，构建了计算思维、Python、数字化游戏三者之间的关系模型，依据该模型设计了Python课程中数字化游戏教学培养高中生计算思维的教学模型，并给出了相应的教学案例，实证研究结果表明Python课程中数字化游戏教学能够较好地培养高中生的计算思维。目前还没有形成统一的计算思维的划分标准，如何通过新课标中的一系列课程来培养高中生的计算思维需要通过理论和实践的不断探索才能真正落地，希望通过本文给研究者和一线教师带来借鉴和启示。

[参考文献]

[1] WING J M.Computational thinking[J].Communications of ACM，2006，49（3）： 33-35.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：6.

[3] SHUTE V J，SUN C，ASBELL-CLARKE J.Demystifying computational thinking[J].Educational research review，2017（22）：142-158.

[4] LYE S H， KOH J H L.Review on teaching and learning of computational thinking through programming： what is next for K-12？[J]Computers in human behavior， 2014，41（9）：51-61.

[5] ZHANF L C， NOURI J. A systematic review of learning computational thinking through Scratch in K-9[J]. Computers & education，2019，141（11）：1-25.

[6] 郁晓华，肖敏，王美玲，等.基于可视化编程的计算思维培养模式研究——兼论信息技术课堂中计算思维的培养[J].远程教育杂志，2017（6）：12-20.

[7] 贺宝勋，庄科君，马颖峰.游戏学习分析：教育游戏融入课堂教学的核心要素——国外游戏学习分析发微[J].电化教育研究，2018（9）：96-101.

[8] KAZIMOGLU C.Learning programming at the computational thinking level via digital game-play[J]. Procedia computer science， 2012，（9）：522-531.

[9] 熊秋娥，葛越.Scratch游戏化编程培养小学生计算思维的实证研究[J].基础教育，2019，46（6）：27-35.

[10] 郑兴航.高中Python校本课程的设计与实施[J].中国信息技术教育，2019（10）：43-45.

[11] PRENSKY M.Digital Game-Based Learning[M].St. Paul：Paragon House，2007：159，118，163.

[12] 谷歌计算思维课程[EB/OL].[2020-11-04]. https：//computationalthinkingcourse.withgoogle.com/course.

[13] 陈兴冶，马颖莹.本土化计算思维评价指标体系的构建——1410名高中生的样本分析与验证[J].远程教育杂志，2020（5）：70-80.

电化教育研究2021年7期