基于游戲編程的計算機實踐教學(xué)模式應(yīng)用

1、    基于游戲編程的計算機實踐教學(xué)模式應(yīng)用    屈微+姚琳+武航星+張敏+萬亞東摘 要：通過分析高校計算機教育的培養(yǎng)目標，提出基于游戲編程的計算機實踐教學(xué)模式，具體說明在新的實踐教學(xué)中如何實現(xiàn)計算思維和工程能力的培養(yǎng)，結(jié)合開設(shè)的具體項目設(shè)計及實現(xiàn)過程，說明新實踐教學(xué)模式實施的效果并總結(jié)課程反饋情況。關(guān)鍵詞：實踐教學(xué)；程序設(shè)計；計算思維；工程能力；量規(guī)0 引 言傳統(tǒng)的程序設(shè)計實踐課程教學(xué)目標通常設(shè)定為綜合已學(xué)習(xí)的理論知識，提高編程解決實際應(yīng)用問題的能力，初步掌握計算機應(yīng)用程序設(shè)計的一般方法?；诖四繕说慕虒W(xué)設(shè)計存在以下問題：學(xué)生對教師給定的題目進行驗證

2、性編程，題目只是加大了平時上機實驗難度和程序代碼量，缺乏思維性訓(xùn)練；課堂理論教學(xué)加上機實驗的傳統(tǒng)教學(xué)形式使得知識點僵化，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足；教師根據(jù)學(xué)生出勤和實踐報告給出評分，無法實現(xiàn)過程表現(xiàn)性評價和有效激勵。1 高校計算機教育培養(yǎng)目標隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，高等學(xué)校計算機教育不再是計算機普及教育和單一技能傳授，需要轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰Α⑺刭|(zhì)、思維和文化的綜合培養(yǎng)，特別要著眼于以下兩個方面。一是計算思維的培養(yǎng)。計算機技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到“復(fù)雜信息系統(tǒng)時代”，計算機教育的目標不再是傳播計算機技術(shù)，而是傳播計算思維，即“通過計算機教育，學(xué)生學(xué)會如何像計算機科學(xué)家那樣思考”1。教育部制定的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)基本

3、要求（2015）提出大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的總體目標是“大學(xué)生通過學(xué)習(xí)應(yīng)能夠理解計算學(xué)科的基本知識和方法，掌握基本的計算機應(yīng)用能力，同時具備一定的計算思維能力和信息素養(yǎng)?！庇嬎銠C程序設(shè)計課程不再局限于對程序執(zhí)行性能、代碼復(fù)用性等編程技術(shù)的訓(xùn)練，而要關(guān)注問題的計算機建模，引導(dǎo)并訓(xùn)練學(xué)生利用計算思維提高解決專業(yè)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科范圍的“計算”意識，自主地將計算思維應(yīng)用到本專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)研究中，提高專業(yè)相關(guān)知識發(fā)現(xiàn)、問題處理和科學(xué)創(chuàng)新能力。二是工程能力的培養(yǎng)。2016年教育部中國工程教育質(zhì)量報告要求“高等教育回歸工程，把學(xué)生能力培養(yǎng)當(dāng)做工程教育質(zhì)量之本，指出學(xué)生工程實踐能力薄弱是當(dāng)前工程教育的顯

4、性短板。工程教育應(yīng)切實扭轉(zhuǎn)科學(xué)化傾向，把學(xué)生能力培養(yǎng)當(dāng)做質(zhì)量之本?！备叩冉逃鳛榕囵B(yǎng)創(chuàng)新型工程科技人才的重要平合，其模式正在轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ谭妒较碌墓こ探逃Ｊ?。此外，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革對高等工程教育提出了新的、更高的要求，需要加強“知識結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新素質(zhì)和創(chuàng)新精神” 4個方面素質(zhì)的培養(yǎng)，尤其需要具備跨界創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才，這類人才需要跨學(xué)科、跨專業(yè)和跨文化的“跨界培養(yǎng)”2。2 基于游戲編程的計算機實踐教學(xué)模式建立近年來，國內(nèi)計算機教育界對計算機游戲形式教學(xué)展開研究，一些學(xué)者探討了這種形式對程序設(shè)計課程教學(xué)的影響3。2013年開始，我們對計算機實踐課程開展全面教學(xué)改革，探索一種基于游

5、戲編程、突出計算思維和工程能力一體化培養(yǎng)的計算機實踐新教學(xué)模式。新教學(xué)模式基本思路是訓(xùn)練學(xué)生運用計算機思維，遵循軟件開發(fā)流程，借助程序設(shè)計語言將計算問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C程序，實現(xiàn)解決各學(xué)科領(lǐng)域的計算問題。基于游戲編程的計算機實踐，設(shè)定的待解決問題為編寫一個可運行的游戲，即基于游戲和動畫界面的c、c+和java語言綜合實驗教學(xué)平臺，開發(fā)互動式游戲或應(yīng)用系統(tǒng)。教學(xué)改革包括設(shè)立計算思維和工程能力一體化培養(yǎng)的教學(xué)目標，確定以計算思維模式為主的教學(xué)內(nèi)容，采用基于教學(xué)游戲開發(fā)流程的教學(xué)形式和配套包含表現(xiàn)性評價的考核體系。新教學(xué)模式建立思路和過程如圖1所示。3 新實踐教學(xué)模式中計算思維和工程能力的培養(yǎng)3.1 教

6、學(xué)目標新實踐教學(xué)模式的總體教學(xué)目標是突出計算思維和工程能力培養(yǎng)，使學(xué)生了解計算思維的概念，建立運用計算思維解決問題的思想，掌握游戲編程中典型計算思維模式的內(nèi)涵及實現(xiàn)算法，并能夠?qū)⒂螒蛑械挠嬎闼季S模式擴展應(yīng)用到專業(yè)問題的解決和建模仿真中；使學(xué)生建立初步的工程意識，了解工程技術(shù)人才應(yīng)具備的基本素質(zhì)，掌握工程項目控制流程、團隊合作和協(xié)調(diào)分工的工程實施方法。3.2 教學(xué)內(nèi)容和形式新實踐教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容包括計算思維模式和軟件工程基礎(chǔ)理論兩個方面。國際教育技術(shù)協(xié)會（iste）和計算機科學(xué)教師聯(lián)合會（csta）提出了建立計算思維的可操作定義，即在解決問題的過程中，如果包含下述特征，即體現(xiàn)出計算思維的建立4

7、：以使用計算機解決問題為目的，對待解決問題進行規(guī)劃；通過算法思維，即一系列有序步驟，自動求解問題；對一個問題求解的計算思維過程可以推廣和轉(zhuǎn)化到更多問題求解。計算思維模式可以進行具體分類，包括碰撞、吸收、產(chǎn)生、拉、推、查找、輪詢檢測、協(xié)同擴散、認知/行為同步等5，其中，前5種是基本計算思維模式，作為課程重點內(nèi)容。將計算思維模式實例化融入每個項目編程中作為可實施的具體教學(xué)內(nèi)容，見表1。各專業(yè)對計算思維模式的要求不同，還需要進一步確定具體教學(xué)內(nèi)容。我們在實際應(yīng)用中初步實現(xiàn)了與自動化專業(yè)過程控制建模仿真軟件matlab的結(jié)合，與材料科學(xué)專業(yè)材料分析建模軟件ansys的結(jié)合。新教學(xué)模式中游戲項目的設(shè)計和

8、實現(xiàn)過程是完整的軟件開發(fā)及運行過程，將軟件工程的基本知識納入教學(xué)內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)工程的概念和工程意識的建立并保證教學(xué)進度的正常推進。具體教學(xué)內(nèi)容側(cè)重開發(fā)流程和文檔編輯兩個方面，包括項目開發(fā)流程，即項目開發(fā)背景、需求分析、總體設(shè)計、詳細設(shè)計、代碼實現(xiàn)及測試、打包部署等相關(guān)內(nèi)容以及經(jīng)典的瀑布模型6。商業(yè)游戲生產(chǎn)基于軟件工程流程，屬于軟件開發(fā)范疇，但教學(xué)與商業(yè)開發(fā)不同，學(xué)生缺少開發(fā)經(jīng)驗，投入的時間精力不足，因此教學(xué)中應(yīng)精簡開發(fā)流程，建立一套以學(xué)生執(zhí)行為主、教師指導(dǎo)監(jiān)督的教學(xué)游戲開發(fā)流程，作為教學(xué)實施方法和推進方式。教學(xué)游戲開發(fā)流程包括項目啟動、項目運行管理、項目質(zhì)量管理、項目驗收評審4個環(huán)節(jié)，在各個環(huán)

9、節(jié)中教師和學(xué)生分擔(dān)不同的角色和任務(wù)，兩者結(jié)合構(gòu)成完整的工程實施過程。學(xué)生處于主體地位，擔(dān)任項目開發(fā)的主要任務(wù)，包括啟動階段的部分任務(wù)以及運行管理和質(zhì)量管理的全部任務(wù)；教師承擔(dān)輔助角色，任務(wù)是題目審查和驗收方案制訂。教學(xué)游戲開發(fā)流程及角色分配如圖2所示。endprint為保證教學(xué)實施的有效性，適時增加中期檢查、預(yù)答辯等環(huán)節(jié)，增進組間的交流討論，有助于調(diào)整工程進度和項目順利完成，同時可以提高學(xué)生對工程的控制意識和能力，幫助學(xué)生了解工業(yè)生產(chǎn)過程管理方式。3.3 考核評價及激勵機制教師應(yīng)建立與教學(xué)內(nèi)容相對應(yīng)的考核評價和激勵機制，包括以下幾方面。（1）評價計算思維模式的使用：制訂項目中計算思維模式使用種

10、類、次數(shù)、質(zhì)量和效果4個方面的量化指標，給出分級評分。（2）評價項目最終成果：根據(jù)學(xué)生提交的游戲項目文檔，結(jié)合ppt答辯和成果展示，給出評分。（3）評價課程中學(xué)生表現(xiàn)：設(shè)計表現(xiàn)性評價方法，建立評價量規(guī)7。（4）實施有效的激勵機制：采用組織競賽評獎和作品展示方式，促進學(xué)生相互競爭，激發(fā)學(xué)生的主動性和積極性。4 新實踐教學(xué)模式實施和效果4.1 新教學(xué)模式實施自動化專業(yè)是工程性、實踐性和綜合性較強的工科專業(yè)。2016年暑期，我們選擇自動化專業(yè)試點實施新教學(xué)模式。課程共3周，60學(xué)時，授課對象是已修c語言程序設(shè)計的自動化專業(yè)學(xué)生，具體實施過程如下。（1）選擇結(jié)合自動化專業(yè)的計算思維模式。將自動化過程建

11、模軟件matlab與游戲編程中一致的計算思維模式實例化到實踐教學(xué)過程中，培養(yǎng)建立專業(yè)性計算思維。例如，matlab編程中的矩陣處理與游戲編程中的二維和三維地圖建立具有一致性計算思維模式；自動化過程控制仿真中消息傳遞和處理與游戲編程的碰撞計算思維模式具有一致性等。（2）分組選題。按自愿原則建立合作式小組，自定組長，組長分配任務(wù)并帶領(lǐng)組員執(zhí)行各個階段的任務(wù)。教師對各組實行目標管理，只檢查各組最終運行結(jié)果。組內(nèi)具體運作則由內(nèi)部自行協(xié)調(diào)，教師只在必要時提出建議，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神及協(xié)調(diào)工作能力。各組根據(jù)教師給定的范圍和建議，在規(guī)定時間內(nèi)選定題目，經(jīng)教師認可啟動項目。（3）工程化項目管理。教師在實施

12、選題、中期、預(yù)答辯、驗收等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生遵循軟件工程思想，關(guān)注和控制工程進度，分階段進入開發(fā)的各環(huán)節(jié)，在游戲開發(fā)過程中采用經(jīng)典軟件開發(fā)瀑布模型；從實體設(shè)計包括場景建立、地圖形成、精靈控制和效果添加，到代碼建立、修改運行測試的軟件設(shè)計，從無到有，最終形成一個分階段控制的工程。（4）考核評價。強調(diào)工程意識的項目驗收，教師對學(xué)生提交的項目文檔、ppt答辯和計算思維模式的量化應(yīng)用給出評分；對項目中的個人表現(xiàn)實施表現(xiàn)性評價，綜合教師和同組成員之間兩方面評分，量規(guī)包括團隊合作分、組員完成所承擔(dān)任務(wù)情況及質(zhì)量、是否盡了最大的努力、組員間合作時的表現(xiàn)、參與會議的出勤情況及發(fā)言情況等。（5）通過各種形式展示優(yōu)秀

13、作品，實現(xiàn)激勵機制并為課程實施的良性循環(huán)提供準備。游戲平臺提供商評定優(yōu)秀作品并給予獎金激勵；將優(yōu)秀作品實踐報告整理修改，作為下一屆學(xué)生的項目參考案例文檔，并在課程網(wǎng)站宣傳和在微信公眾號推廣。4.2 教學(xué)效果反饋對參與課程的5個班150人實施全樣本問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)認為參加實踐課程對培養(yǎng)團隊合作精神十分有效的占62.75%，一般有效的占29.41%，僅僅了解的占7.84%；對游戲編程中計算思維模式的體驗，認為十分顯著的占64.71%，效果一般的占31.37%，不深刻的占3.92%；對使用c程序設(shè)計語言開發(fā)項目方面的成就感，認為十分顯著的占66.67%，效果一般的占25.49%，不深刻的占7.84%。

14、另外，要求每個學(xué)生項目驗收報告中包括不少于800字的感受。粒子闖關(guān)游戲的設(shè)計者這樣描述其對計算思維模式學(xué)習(xí)和使用過程的感受：“而粒子的跳躍更是超出了預(yù)計，本以為設(shè)置碰撞就行，因為各個粒子之間存在的作用，所以粒子在木板上不是簡單的碰撞，而是在不停地上下抖動，顯然碰撞已經(jīng)不能適用。后來解決方案只能改變成與木板的距離，當(dāng)二者的距離足夠近時給予粒子跳躍的屬性”。磚塊大作戰(zhàn)小組學(xué)生的感受體現(xiàn)出其對工程概念的初步認識：“制訂目標不能好高騖遠，一開始我們沒有按照一個固定的程序套路編寫，而是選擇設(shè)計自己的游戲，這使得我們在后來的工作中，在程序邏輯和實際編寫上都遇到不小的麻煩，帶來需要學(xué)習(xí)新東西的挑戰(zhàn)”。以訪談

15、形式收集教師對課程的反饋。參與實踐教學(xué)的教師認為“與以往參與的學(xué)生相比，學(xué)生為了實現(xiàn)游戲編程中的功能，會主動學(xué)習(xí)涉及的科學(xué)仿真建模和編程知識”。自動化現(xiàn)代控制理論課程教師談到“本屆學(xué)生更容易理解自動控制流程建立的思想，掌握過程模型的抽離方法，較往屆學(xué)生更快進入控制理論學(xué)習(xí)”。5 結(jié) 語北京科技大學(xué)每年約有3 300名學(xué)生參加暑期實踐，參加計算機實踐的學(xué)生約為1 600名，占比約50%。計算機實踐分為程序設(shè)計類：vb程序設(shè)計（約120人）、c+和c程序設(shè)計（約1 200人）以及辦公軟件類：office高級應(yīng)用（約280人）；在教學(xué)開展過程中，探索建立基于游戲編程的計算機實踐教學(xué)模式，并在自動化專

16、業(yè)本科開展試點實施。通過教學(xué)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計和學(xué)生教師反饋表明，與以往枯燥抽象的實踐課程感受相比，新教學(xué)模式能夠提高參與者的興趣和主動性，同時將計算思維向?qū)I(yè)領(lǐng)域擴展，對專業(yè)課學(xué)習(xí)起到助力作用，達到計算思維和工程能力一體化培養(yǎng)的教學(xué)目標。計算思維模式的細化、分類及量化評價是下一階段的研究內(nèi)容。參考文獻：1 wing j m. computational thinkingc/visual languages and human-centric computing. washington d c： ieee， 2011： 3.2 周緒紅. 中國工程教育人才培養(yǎng)模式改革創(chuàng)新的現(xiàn)狀與展望： 在2015國際

17、工程教育論壇上的專題報告j. 高等工程教育研究， 2016（1）： 1-4.3 牟琴.“輕游戲”對計算思維能力的培養(yǎng)： 教育游戲?qū)Τ绦蛟O(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)的影響j. 遠程教育， 2011， 29（6）： 94-101.4 repenning a， webb d c， koh k h， et al. scalable game design： a strategy to bring systemic computer science education to schools through game design and simulation creationj. acm transactions on computing education， 2015， 15（2）：11-29.5 koh k h， basawapatna a， n