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项目负责人：张亮
项目成员：张勇利 顾巧燕 鲁婷婷
指导教师：张进宝
摘要： 随着信息时代，尤其是人工智能时代的到来，计算思维的培养越来越受到重视。因此，笔者开发了一款桌面卡牌游戏，通过寓教于乐，在游戏中有效地提升青少年的计算思维能力。该游戏利用实体棋盘、道具、卡牌等对青少年的计算思维能力进行启蒙。它体现了程序设计中的顺序、循环、过程的声明和调用等核心思想，并且可以在游戏中锻炼问题分析和解决能力、沟通表达能力等。同时在游戏中能够进行科普教育。通过对比相关计算思维问卷的前测、后测发现，该游戏对青少年计算思维水平的提升有显著作用。
进入21世纪，信息技术突飞猛进。全球对具备较高计算思维水平的人才的需求量越来越大。因此，计算思维的培养越来越受到重视：英国教育部规定孩子从5岁起就得学习使用算法公式编程；美国前总统奥巴马宣布投入40亿美元推行“全民电脑科学教育”计划；中国教育学会会长钟秉林表示《高中信息技术课程标准》中已经明确地将计算思维作为信息技术学科的核心素养之一。
然而据调查，很多学生在学习编程时感觉很难。究其原因，是在之前的学习中缺少计算思维的启蒙教育，而计算机编程的学习在很大程度上受学生的计算思维水平的影响。因此，设计本桌面卡牌游戏的主要目的之一就是通过寓教于乐，在游戏中有效地提升青少年的计算思维能力。
本项目希望设计一款有教育意义的、线上线下结合的桌面卡牌游戏，以提升青少年的计算思维能力，同时在游戏过程中普及科学知识。
什么是计算思维呢？计算思维是美国卡内基·梅隆大学（CMU）计算机科学系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授于2006年提出的。她在美国计算机权威刊物
Communications of the ACM
上首次提出了计算思维（Computational Thinking）的概念：“计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为。它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。”
[1]
简言之，计算思维是利用计算机科学解决问题的一种强有力的思维方式。
它包括分析、预判、问题求解等思维能力。计算思维的本质是抽象和自动化。
假如你是一位外卖送餐员，手里已经有一些待送的外卖了，这时又来了几个可以送的新订单，要不要接，接哪些以让自己在最短的时间内送最多的外卖，选择哪条路线送餐，按什么顺序送最合理，这都用到了计算思维。良好的规划能让你在有限的时间内送出更多的快餐，赚更多的送餐费。
在本桌面卡牌游戏中，玩家通过操作游戏角色，力求以最快速度到达目标位置。在此过程中，游戏角色必须避开或清除路径上的障碍，用最少的步数率先到达终点位置。
同时，我们将在游戏中以“机遇牌”“风险牌”“问答牌”等形式加入大量最新的科学知识，渗透科学态度与科学精神，同时使游戏更加有趣、有知识、有价值。
第一，查阅文献资料。全面了解在计算机科学等学科中所能够体现出来的计算思维。
第二，购买、分析类似玩具。购买、分析市面上可以买到的各种能够培养计算思维的棋牌玩具等，典型的如ROBOT Turtles、跑跑龟、Code Master等。通过深入研究其规则并进行试玩，了解它们的长处和不足，为设计一款更完善、有趣的教育性桌游卡牌积累经验和灵感。
第三，设计规则。设计的原则是难度由小到大，复杂性逐步增强，不断在学生的最近发展区中提高其能力，引导其在“不插电”的游戏中感悟计算思维中的核心算法思维。在不断抽象、简化、重用、修正的过程中，让学生理解计算思维并掌握相应能力。
第四，设计卡牌、道具。找专业平面设计人员进行卡牌、道具等的设计并反复讨论修改。
第五，设计课程。设计开发以该卡牌作为教具的课程，包括教学中使用的示例关卡，要培养学生的何种能力等。
第六，开发程序。找专业人士开发服务器端程序，用于随机获取问答题目和机遇风险题目。
第七，形成题库。阅读科技类科普图书、文献资料，收集适合的知识点进行改编，作为问答题目和机遇风险题目题库。
第八，实施课程。开展课程，针对课堂真实发生的教学活动和学生、家长的反馈修改卡牌和课程。本课程已于2017年11月19日、11月26日、12月3日先后开展了三次。
第九，问卷调查。在课程开始前，对学生进行问卷调查，了解其基本信息、知识基础和已有经验等。并利用Bebras国际计算思维挑战赛改编的试题进行前、后测。
第十，数据分析。对前、后测的结果进行分析比较，对课程进行照相、录像、录音，并根据相关量表或量规进行分析。在2017年12月3日开展的课程开始前让每位学生做了Bebras国际计算思维邀请赛中的部分相关测试题，并在课程结束后对学生进行了后测。共有4道题目，前、后测的结果如表1所示。前测平均得分率仅为20.8%，课程结束后得分率提升到58.3%。
表1 前测和后测结果
研究人员试图开发一种提升青少年计算思维能力同时进行科普的游戏。通过深入研究计算思维相关的卡牌类、棋类桌面游戏规则并试玩，取长补短，设计开发了本卡牌游戏。并在课程中进行实践，获取反馈信息，再对卡牌、道具和规则进一步完善。
该游戏可以由2～4位玩家和1位裁判共同完成。最先让自己的游戏角色到达目标的玩家获胜。每局游戏用时15～30分钟。
棋盘由8×8的格子组成。每位玩家顺时针轮流出牌发出行动指令，由裁判按照指令进行操作，每次让对应的游戏角色在棋盘上执行一个操作。玩家（扮演程序员）不得自己动手操作棋盘上的角色，只能通过出牌下达指令，由裁判（扮演计算机）按照玩家的指令操作对应的游戏角色，同时裁判将维护游戏规则。
每局游戏至少有2位玩家。当有4个玩家同时游戏时，可以两两结成盟友进行对抗（当然也可以不结盟而各自为战），同盟的2名玩家只要有一位第一个到达终点，则该同盟获胜。
每局开始前，由裁判参考游戏说明书给出的若干种初始布局来设置，也可由玩家在棋盘上互相设置障碍物，这样每局游戏玩家所面对的障碍可能都是不同的，注意障碍物不得造成对方理论上无法到达终点。障碍物的数量可以自主协商安排，初玩者可适当减少障碍物的种类和数量。
游戏角色可以走到浇灭后的火堆的位置，但不能与其他玩家的游戏角色共占一格。
卡牌道具及其使用规则如下。①坚果道具——游戏的终点。先到达该道具所在位置的玩家获胜。每位玩家距离自己的坚果道具远近相等。②游戏角色道具——小松鼠的立体图片。每个角色的初始位置可以在棋盘各个角或者其他对称位置的格子中。③木箱子道具：不能摧毁，可以向前推着走，但前面不能顶到其他道具或角色，也不能推出棋盘边界。④火堆道具：不能直接走上去，背面是浇灭后的火堆，需用灭火器牌浇灭。⑤石头墙道具：无法移动或摧毁，只能绕行。⑥灭火器牌：用于浇灭“火堆”。⑦前进牌：向游戏角色头部方向前进一格。⑧左转牌：原地左转。⑨右转牌：原地右转。⑩向后转牌：原地向后转。（11）后悔牌：当玩家后悔，撤回前一个下达的指令。（12）循环执行牌：需要结合数字牌确定循环次数。（13）风险机遇位置道具：走到该位置时，玩家要从裁判手里随机抽取已经混合过的风险牌或机遇牌。也可用手机扫码从服务器上随机抽取最新的结合社会热点的科普知识的风险牌或机遇牌。（14）风险牌：在风险机遇位置随机抽取的风险科普知识内容。（15）机遇牌：在风险机遇位置随机抽取的机遇科普知识内容。（16）问答位置道具：走到该位置时，玩家要抽取问答题目牌。也可用手机扫码从服务器上随机抽取最新的结合社会热点的科普知识的问答题目。（17）问答题目牌：在问答题目道具位置随机抽取的科普知识问题及答案。（18）数字牌：包括0～9，培养循环牌使用。
该课程先教给学生基本的规则，例如游戏的目标，如何前进、左转、右转，遇到障碍该怎么办等。然后启发学生在挑战不同的关卡过程中，产生对于新的卡牌、道具或规则的需求，例如怎样计算胜负是公平的，怎样设置初始障碍物的布局对于每个玩家是公平的，重复性的步骤该怎样抽象出来和重用。
2017年11月19日上课时有3位学生，来自小学一至三年级。课程进展非常顺利，学生兴趣盎然、精力集中、思考问题和回答问题十分积极。
学生在学习和游戏中培养了包括计算思维在内的很多思维方法和其他能力，例如表达能力、抽象思维能力、精益求精的意志品质等。
2017年11月26日上课时有6位学生，来自小学一、二年级。其中几个学生是同班同学，比较熟悉。在上课过程中学生之间互动过于兴奋和频繁，注意力不够集中，这在一定程度上影响了上课的效果和质量。这给本课程提供了经验和教训：面向年龄较小的孩子（例如小学一、二年级的孩子）开展课程时，要合理设计课程，例如对学生进行分组，组间开展竞赛，对每局比赛的优胜者和有良好表现的学生予以“小红花”等奖励，根据每人得的“小红花”多少确定最终奖励的分配。如果人数较多，则需要在讲授时撤除所有可能分散学生注意力的事物，待讲解完成后，再下发卡牌、道具等。可利用投影或白板来进行典型关卡和玩法的讲解。
2017年12月3日开展了第三次课程，共有6位一、二年级的小学生参与。这次课程在前几次课程的基础上，由浅入深地培养学生计算思维中的循环等算法思维。
课程的设计由浅入深，已经验证初级课程可以在小学一、二年级开展，学生完全能够理解和接受，后续课程会逐渐提高难度，讲解并在卡牌游戏中运用更复杂和抽象的计算思维要素。
利用Bebras计算思维挑战赛的部分试题，对学生进行前、后测。了解学生学习该课程前后在计算思维方面有没有变化。
本研究设计了一套以该桌游卡牌作为教具的课程方案。共设计了3节课程，每节约2.5小时。以本桌游卡牌作为教具，由浅入深地培养计算思维等多种思维能力。
前进、左转、右转牌的使用；角色道具、目标道具的使用；石头墙道具的作用和应对方式，程序顺序结构、公平布局（轴对称、中心对称图形）后悔牌的使用、调试（debug，试验和修改代码中的问题）；灭火器牌的使用；火堆道具的作用和应对方式；木箱子道具的作用和应对方式；向后转牌的使用；复盘、反思与讨论，程序执行过程重现，bug重现与修正（代码review）。
为对手设置障碍；直线前进情境下如何使用循环代替单步重复执行；未知执行次数的循环；权衡何时使用循环、何时不必使用循环。
在折线路径情境下如何抽象出共性，用复杂的循环来解决共性问题。创造一个确定执行次数的循环关卡、一个未知执行次数的循环关卡，创造性思维、循环。
问答题目服务器地址：http：//115.28.104.95/cardserver/QAServlet
风险＆机遇题目服务器地址：http：//115.28.104.95/cardserver/RiskServlet
根据三次课的教学实践，确立了“计算思维可以从小学一、二年级就开始通过“不插电”的方式培养”的观点是能够得到实践和事实支撑的。
对于计算思维的评测在学术界尚无成熟的做法，可以对Bebras国际计算思维挑战赛试题进行改编，起到一定的辅助测量的效果。另外，可以综合利用访谈法、问卷调查法、观察法、视频内容分析法等研究方法对学生的计算思维发展进行多角度的评价。
在卡牌开发过程中，研究人员越来越深入地认识到，如果将卡牌和课程结合起来，将会在很大程度上提高卡牌的利用价值，卡牌和课程相辅相成。在课程中采用启发的方式引导学生思考，进行问题的分解和抽象，再将抽象的共性东西提炼出来，以便重复使用。很多计算机程序的算法本质上就是对生活中常见问题的抽象、对解决方案的优化和重用。
几次课程的学生数量较少，在样本量较少的情况下用计算思维测试题所测试的结果可能缺少足够的代表性。
本研究针对国内缺乏面向小学一、二年级学生进行“不插电”地培养计算思维能力的现状，借鉴国内外优秀成果，开发出一套有科普价值、有计算思维教育价值的桌游卡牌，并设计了配套课程。
该卡牌可以在科普场馆作为益智游戏玩具出售，也可以作为小学社会综合实践课程中的一部分进行教学。
[1] Jeannette M.Wing，“Computational Thinking，” Communications of the ACM ，March 2006，49（3）：33-35.