程序设计实践课程是计算机类专业重要的课程实践环节，不仅肩负着培养计算机类学生实际问题建模分解能力、数据抽象和算法设计能力、程序流程控制和编译调试能力等关键能力，还承担者培养学生初步的设计思维、计算思维和系统思维等专业核心素养。现有的程序设计类课程教学改革和实践中，关注单一课程的教学改革的较多，而有关程序设计实践类课程的研究非常稀少。文献[1]中探讨了围绕系统化思维的六步课程设计法（包括研判需求、定下目标、设计内容、选择策略、配置资源和评估效果）；文献[2]中提出了贯彻CDIO工程教育理念的程序设计项目驱动教学模型；文献[3]中构建了“教学—训练—竞赛一体化”程序设计能力培养体系；文献[4]中从实践课程目标设计、实践环境设计和实践活动设计等方面设计了沉浸式实训课程教学方案；文献[5]中从项目内容设计、探究过程设计、共同体构建和教学评价4方面讨论了基于项目学习共同体的实践课程教学模式。总的来说，经过教育工作者们的探索和努力，实践实训课程取得了一定的改革实践效果，然而实际的教学实践表明，程序设计实践课程的教学效果不太理想，部分学生仍然处在不太会编程的尴尬境地。有的学生把编程看作模仿记忆程序，不会迁移；有的学生惧怕失败，失去了坚持的勇气；有的学生一做编程作业就百度，不愿思考；有的学生自认为不适合编程，抄袭作业，堕落放弃。如何激发学生的学习动机和编程潜能，进而提升学生的编程成就感和编程自信心，成了程序设计实践课程亟待解决的难题。

1、游戏化学习与心流

游戏化是指将游戏设计元素融入非游戏环境的过程，旨在吸引用户积极参与并愉快地完成非游戏任务[6-7]。文献[8]中认为游戏化教学是借鉴游戏的设疑、挑战、自主等理念，把教学目标隐蔽于游戏活动中，根据学习者的特征以及教学内容，采取的游戏化教学策略。文献[9]中指出游戏化学习是运用游戏机制、美学表现、故事设定和实现技术，引导学习者付诸行动，促进学习和解决问题的新型教学方式。文献[10]中建构了游戏化学习体验，包括基于情境的认知体验、基于协作的社会性体验和基于动机的主体性体验三大类。虽然各位学者对游戏化学习的定义意见不一，但是游戏化学习在激发学习兴趣、发展认知能力，引导深度学习和触发心流体验等方面的积极达成效果受到了学者们的广泛认可和推崇。

游戏化的具体应用实践不仅要对游戏元素的深入理解和分类，更要将游戏机制与用户实际需求相融合，才能达到激发用户的参与动机的目的。文献[11]中提出了游戏元素四分类模型，其中，发展路径元素利用挑战、叙事和情感来吸引用户完成任务并持续参与，反馈与奖励元素利用徽章、积分和等级来激励玩家进阶升级，社会联结玩家通过社交图谱、排行榜、回合和团队来创造竞争与合作关系，用户体验元素利用界面、音乐、特效和成就等让参与者体验到乐趣和满足感。总的来说，游戏元素四分类模型为教师开展游戏化教学设计指明了得以实现的路向。

心流理论为游戏化学习促进学生持续参与奠定了坚实的理论基础。心流是一个人全副身心完全沉浸在某种活动中，无视其他事物存在的状态[12]。处于心流状态的人会产生高度的兴奋感、充实感和愉悦感，会伴随着自我意识的丢失、忘记时间的流逝、不知疲倦又富含乐趣[13-15]。相关研究表明，诱发个人心流体验需要设定清晰的目标、产生即时有效反馈和实现任务挑战与个人技能的平衡3个前提条件[16]。如何实现技能和挑战之间的平衡是产生心流体验的核心因素。心流活动模型对技能和挑战之间关系的揭示，为创建促进心流体验的学习环境和学习情境提供了有力的理论依据。只有当学习者的技能和任务挑战达到平衡，才有可能到达心流通道并产生心流体验。处于心流体验状态最有利于学生学习，最有可能产生事半功倍的学习结果。

2、基于游戏化学习的实践课程改革思路

构建提高大学生专注力的沉浸式教学是提升课程教学质量的重要环节。现有的程序设计实践课程普遍采用某个信息管理系统设计开发作为实训任务，学生在实训过程中因为考核标准单一、任务乏味枯燥、代码调试困难和有效反馈缺乏等原因而导致了学习动力不足、借鉴抄袭严重、探究和创新能力缺乏等不良结果。为了达到激发学生兴趣，促进学习专注，提升编程技能的目标，将游戏化元素和实训任务巧妙融合，对实践课程进行全面的游戏化设计，构建基于游戏化学习的实践课程改革思路（如图1所示）。

图1 基于游戏化学习的实践课程改革思路

改革思路包括游戏化准备阶段、游戏化实践阶段和游戏化评价3个阶段。游戏化准备在课前进行，具体包括调查学生学情、设计教学目标、创建游戏化情境、构建游戏化学习策略和开发游戏化学习资源等任务，保证设计的教学目标精准合适、容易实践和易于评价。游戏化实践在课中进行，内容包括利用游戏四分类元素设计游戏预热任务、游戏探索任务和游戏挑战任务，着力达到让学生高度参与、实现知识内化并产生心流体验的教学效果。游戏化评价在课后进行，含有学生任务进展情况和成就展示、游戏项目的汇报答辩和颁奖激励、学生学习反思和教师教学反思等内容，旨在展示学习产出、反思能力不足、持续改进游戏化教学模式。

3、课程游戏化设计的具体实践

实训任务设计是程序设计实践课程中影响教学质量的关键因素。基于游戏化理念的任务设计是将游戏化机制和游戏化体验嵌入课程实训任务中，将情感、情境、竞争、合作、团队、反馈、奖励、分享等游戏化元素融入教学任务的应用过程中，旨在提高学生学习的参与度和积极性并持续提升课程教学质量。考虑到地方高校学生存在的抽象思维、逻辑思维和程序设计能力整体较弱的现状，本着“科学、人性、多样、开放”的教学原则，分阶段、有目标地设计了游戏开发预热任务、游戏化练习探索任务和游戏开发挑战任务3个实践阶段的实训任务，引导学生熟悉、丰富、改造和提升自己的游戏开发经验和技能。

3.1 游戏开发预热任务设计

开源软件的代码阅读可以增强学生的工程意识，提高学生设计高质量软件的综合能力[17]。以游戏源代码的阅读、认识、改错、运行和输出为手段，通过阅读具有一定规模的高质量游戏代码，实现对C语言游戏开发框架的输出式学习。在头哥实践教学平台利用“程序设计实践课程”课程网站推送游戏开发预习任务，内容包括：①阅读教师指定的弹跳小球的PDF源代码文档（不能复制），利用程序流程图或者思维导图画出游戏的实际需求、设计思路和工作流程；②编辑器输入源代码，调试程序，成功运行程序，给出效果图；③查阅资料添加代码注释，录制视频讲解弹跳小球程序；④阅读飞机大战游戏源代码，通过程序调试，找出代码中教师预先设计的代码错误并改正；⑤分析讨论弹跳小球游戏（基于主函数开发思路）和飞机大战游戏（基于函数封装思路）的设计思想和优缺点；⑥利用函数封装的思路和飞机大战游戏框架，对弹跳小球游戏进行改造和函数封装，给出设计思路，改造代码和运行效果。在这一阶段任务中，任课教师不仅要督促和监督学生按照高标准要求完成各个子任务，更要对任务文档撰写中的画图、文档撰写和视频讲解等问题进行有效指导和及时反馈，通过任务点评或录制讲解视频等形式来实现高质量的代码阅读任务的学习。

3.2 游戏化练习探索任务设计

编程练习作业是贯通课堂内外的实践活动，具有发掘个体优势潜能以促进素养生成的育人效力[18]。创建游戏化学习环境，采用竞争、反馈、积分、徽章和排行榜等游戏元素来设计难易适中的真实性游戏编程任务，引导学生对程序设计和算法设计等关键能力的培养进行反复训练，实现灵活应用编程知识来解决问题并逐步培养学生的计算思维能力的目标。课程选用codingame游戏化编程平台作为练习平台，建立了3类玩家角色（编程新手、编程熟练者和编程专家），玩家角色对应着13个游戏关卡，涉及程序设计类课程中的条件、循环、数组、字符串、链表、栈、树、图、排序查找和路径寻优等核心知识点（见表1）。

玩家角色吸引学生深度参与学习，沉浸在游戏编程的学习环境中。关卡不仅可以让学生专注于较小的学习目标，有助于学生编程技能的形成和强化，还可以发挥动力作用，吸引学生“过关斩将”，达成更高的学习目标。教师要运用表1的交流反馈和动机策略，鼓励不同水平的学生力所能及地闯过更多的关卡，去感受自身努力的即时反馈和编程技能的不断进步，去体验闯关成功后“多巴胺”所分泌的满足感，进而加深对知识的透彻理解，促进知识在真实问题中的运用和问题求解能力的提升。

3.3 游戏开发挑战任务设计

文献[19]中指出优势教学应该是知识的建构，是教师引导学生同教科书对话、同他者对话、同自己的内心对话的过程，是合乎学科本质、基于相互倾听关系而展开的挑战性学习的活动。选取一些学生熟悉的、有趣的、实用的、难度适中的游戏项目开发作为挑战任务，项目所需的知识点涵盖抽象和建模、算法设计、程序设计、调试纠错和系统测试等系统能力要素，强调学生综合运用所学知识和经验进行系统编程能力的训练和培养，初步培养学生的解决复杂工程问题和计算思维能力的综合素养。针对地方高校的实际学情，设计了足球点球大战、21点扑克和德州扑克3个游戏组成分阶段、递进式、综合性实训挑战任务，构建了挑战前、挑战中和挑战后的主要工作流程（如图2所示）。

表1 游戏化练习实践

图2 挑战任务的主要工作

在进行挑战任务前，任课教师要检查学生在游戏开发预热阶段和游戏化练习探索阶段的任务完成情况，利用约束、情感、进展、关系、竞争、合作和时间限制等元素设计动机策略和反馈策略。在任务挑战中教师既要演示最终的游戏开发效果来激励学生，也要讲解游戏开发项目对自身能力、未来就业和游戏思维的积极作用，激发学生的学习兴趣和潜能。在实训中引导学生独立完成一个游戏系统的设计和实现，培养学生能够系统地进行游戏规则表述、功能模块设计、游戏工作流程设计、数据结构与算法设计、游戏编码与测试、互评和创新答辩等环节的综合训练。在完成任务后，以创新性、完整性和高效率等为指标评先进荣誉开发小组，为学生颁发奖品奖励，督促学生撰写高质量的游戏工程项目开发报告，并进行调查问卷和教学反思。

构建游戏开发实训中遵循的教学原则为：①坚持“以学生主导，教师引导”为原则，不主动讲解算法方案，鼓励学生独立自己查找资料，组内交流，协同开发；②重视游戏项目开发中的困难和挫败，不主动不直接为项目开发中的难点提供方案，鼓励学生在游戏开发的难点中去挣扎，甚至产生失败的经验，直至产生想法；③重视协作小组内和小组间的思维碰撞，实时就游戏规则、开放核心算法进行全班汇报，发现设计中的思维漏洞，取长补短，共同进步。

针对学生实训中未被发现的错误和思维漏洞，教师要加强设计指导和及时反馈。在实际实训中暴露的3种典型问题：①表述的游戏规则不完整导致系统缺陷，具体表现为足球点球大战中的提前结束模块，点球5球平局后的加时阶段的程序设计，21点扑克中都是21点且存在black Jack的情形，德州扑克游戏中比牌函数要处理同种类型牌或同样大小牌的情形等；②不会设计测试用例，所有的程序功能模块都要详细测试，而学生提供的程序效果图却只有少数几种结果，因此需要把所有的可能情况都考虑全面，要给出各种情形的程序效果图；③学生沟通交流能力不足，典型表现有不太会用VISIO画图或思维导图软件来表达算法的思想，班级汇报游戏项目时纯粹讲代码而不讲设计思想，编程第一而不重视最终文档的写作质量等。

4、课程改革效果

为了综合考查学生在实践教学中体现的自学能力、系统开发能力、沟通交流和团队合作等综合能力，设计2周课程的考核方案见表2。表中给出了各阶段任务的代码行数、所需时间、成绩比例和考核方式，其中，游戏开发预热任务采用教师检查预习实训报告的形式进行，游戏化编程练习任务通过编程平台的记录数据进行核实，游戏开发挑战任务主要采用小组自评（40%）+组间互评（60%）的形式开展，最终的创新答辩和实训报告由教师进行单独评定。

基于游戏化学习的实训课程采用循序渐进的教学原则，设计具有趣味性、实用性和挑战性的教学任务，注重任务与技能的平衡性，注重有效沟通和及时反馈，注重设计思维和系统编程能力的培养，有效激发了学生的学习动机，提升了学生学习的专注力，受到学生的普遍好评。课程期末成绩的优良比例由改革前的26.8%增长到改革后的58.9%，调查问卷显示91.7%的学生非常认可课程的游戏化设计，82.1%的学生认为游戏化学习更有控制感和成就感，85%左右学生认为自己大大增加了学习投入时间，课程的整体满意度也由62.5%增长到89.3%。学生编程兴趣高涨并积极参加蓝桥杯和CAIP编程设计赛道等A类学科竞赛，获得国家级奖项40多项，省级奖项60多项。总的来说，课程的游戏化改革实践，大大提升了学生的软件系统设计能力、编程调试能力、软件测试能力和团队协作与沟通等综合能力，取得了满意的教学成效。

表2 实训考核方案

5、结语

如何转变学习方式并促进学习创新，是高等教育步入高质量发展阶段后的重要议题[20]。通过在高校程序设计实践课程中设计游戏开发预热、游戏化练习探索和游戏开发挑战的3个阶段实训任务，构建面向实践的游戏化教学模式，取得了良好的教学效果，然而无论是游戏化教学理念的认同，还是游戏化学习资源和实践教学平台的支撑，都存在较大的短板，迫切需要更多的主体参与无比奇妙、无限精彩的元宇宙教育生态体系的探究工作中[21]。教学改革是一往无前、永无止境的探索和实践，未来将进一步研究游戏化学习如何与跨学科学习、个性化学习、移动学习和深度学习等新型学习方式整合，旨在更好地发挥各种学习技术和学习方式的综合价值，为将学生培养成服务于国家重大战略需求的“高精尖缺”创新人才而不断努力。

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基金资助:湖北省教育科学规划2022年度重点课题“游戏化学习在程序设计类课程中的实践探索”(2022GA069)

文章来源:康长青,朱丽娟.基于游戏化学习的程序设计实践课程改革[J].计算机教育,2024,(08):127-132.