原文：Systematic Design and Rapid Development of Motion-Based Touchless Games for Enhancing Students’ Thinking Skills. 作者：Ioannis Altanis, Symeon Retalis, Ourania Petropoulou. 譯者：Diana Qi. 編輯：爾瑞. 圖源：百度.

摘要：過去幾年，學生們對于制作數字游戲的興趣日益增強，并借此增強思維能力。一些研究檢驗了制作數字游戲的影響，結果十分樂觀，在促進發(fā)展21世紀所需技能上尤其如此。然而，許多學生似乎難以更加深入地理解游戲開發(fā)的過程。此外，他們往往還難以將各個學科（主要是數學和物理）中的概念有意識地運用到游戲制作中來，也難以在制作高級編程指令時運用這些概念。本研究提出了一種創(chuàng)新的游戲制作方法，該方法提供了一系列步驟，用于系統(tǒng)設計和快速開發(fā)以運動為基礎的體感式游戲，即基于自然的用戶交互的游戲，如微軟的Kinect傳感器。兩所中學的評估研究結果表明，這種方法可以提高學生的學習動力，增強學生的計算思維，促進學生對幾何原理的理解，提升學生的社交技能。

關鍵詞：技術促進學習；基于游戲的學習；Kinect; 形成性評估；中等教育；思維能力

1. 介紹

過去十年，人們對檢驗數字游戲的教育潛力有著濃厚的興趣，以求尋找一種有吸引力的方式來促進學生多種技能的發(fā)展。雖然相關研究的結果非常樂觀，但許多學生難以深入，系統(tǒng)地理解游戲開發(fā)的周期過程。這主要是因為學生往往只關注游戲開發(fā)過程中的某一階段，比如只關注游戲設計階段，或者花費大量時間和精力使用專業(yè)制作工具，增強自己制作游戲的能力。因此，學生沒能參與到系統(tǒng)的設計和開發(fā)過程中，也就不能增強高層次的思維技能，比如問題解決能力、計算思維、交流與合作能力。此外，近期的研究表明，學生往往不能有意識地將數學和物理等學科中的知識原理運用到游戲中去，也不能理解編程入門諸多公理的使用，如變量、循環(huán)和布爾運算符。

本論文呈現了一種通過游戲制作，培養(yǎng)多種思維技能的創(chuàng)新方法。更具體地說，本文會要求學生系統(tǒng)地設計并創(chuàng)造出，與交互式Kinect游戲中度相似的、以運動為基礎的傳感器，以提高學生的積極性，促進學生對幾何原理的學習和理解，改善學生的編程技能。自從基于運動的體感技術成為人機交互領域（又稱“自然用戶交互”，NUI）的新趨勢，這種類型的交互游戲似乎激發(fā)了學生的參與積極性。研究人員表示，對于這類用手勢和肢體動作代替鍵盤、鼠標或操縱桿的游戲，學生表現出了極大的興趣和積極性。此外，學生參與以Kinect為基礎的學習活動，可以增強他們的注意力，調動他們融入課堂的積極性，并推動他們進行討論和頭腦風暴。促使學生成為體感式游戲的創(chuàng)造者，而非僅僅是參與者，非常具有建設性，尤其是對動覺型學習者來說。這些學生需要移動整個身體來處理復雜的新信息。與此同時，學生在設計游戲時，必須在立體空間中理解，并推理各個物體的空間關系。設計并開發(fā)Kinect游戲，有利于孩子們在身體、空間、角度及幾何概念的抽象表現之間建立強烈的聯(lián)系。

雖然Scratch以及Kinect2Scratch等工具有助于學生和老師在開發(fā)體感游戲時突破技術限制，但據了解，很少有研究來檢驗制作此類游戲的好處。直到最近，人們才開始重視檢測這類游戲作為學習工具的學習效果。本文討論了這一開放性研究課題，即學生系統(tǒng)設計并開發(fā)以運動為基礎的體感游戲，能夠增強學生的思維技能并提高學生的積極性。

本論文的結構如下：首先，簡要概述文獻中相關的游戲制作方法，這些方法促進了對創(chuàng)新教學方式的提出。其次，給出了創(chuàng)新型教學方式的要素，即階段/具體步驟、工作表、手勢卡片示例等，可以幫助孩子們理解游戲中的自然用戶交互機制。接著，該論文給出了對兩所學校真實環(huán)境的評估細節(jié)（如參與者、評估框架和數據收集工具）。最后，該論文討論了研究結果和未來的研究方向。

2. 學生是游戲的設計者和開發(fā)者

數字游戲的創(chuàng)造是個十分龐雜的問題，為了讓學生解決這一問題，并且深入理解游戲開發(fā)的生命周期，學生應該將問題分解為幾個更簡單的小問題。盡管游戲開發(fā)生命周期(GDLC)的指導方針特點不同，優(yōu)缺點共存，但有三個階段是共通的：“（一）設計和原型：游戲設計初稿和游戲概念的創(chuàng)作過程，并制作出可用的原型；（二）生產：制作源代碼，創(chuàng)造硬件，將其融為一體；（三）測試：游戲測試的過程，無論游戲的測試人員是內部團隊還是第三方測試人員。學生應該識別出這三個核心階段的必要內容。

為了讓學生設計出游戲理念，創(chuàng)造出可用的原型，他們應該系統(tǒng)地作出與游戲要素有關的決定，這些要素應該如何相互關聯(lián)并保持平衡，以便創(chuàng)造出理想的流，產生積極的用戶體驗（可玩性）。根據Gamestar Mechanic teacher pack，游戲設計的五個核心要素是：空間、目標、機制、規(guī)則和組件（例如頭像、敵人和街區(qū)）。設計師通過頭腦風暴，與其他團隊成員進行合作，并作出與游戲系統(tǒng)的設計和分析有關的重要決策，這對于提高問題解決能力和思考能力至關重要。此外，白板可以幫助學生快速將游戲流程可視化，從而僅通過紙筆就可以創(chuàng)作出低相似度的游戲。在某些情況下，有形卡片可以作為區(qū)分游戲元素的學習工具，或者幫助學生產生創(chuàng)造性的游戲創(chuàng)意，有助于游戲設計。

過去十年，研究人員和教育工作者使用了Scratch, Kodu, GameMaker和 AppInventor等專業(yè)工具來滿足生產階段的需要，幫助學生快速制作他們的游戲。麻省理工學院媒體實驗室的Scratch是其中一個受歡迎，并且易于使用的編程語言。它是一種創(chuàng)造故事情節(jié)、游戲和動畫的工具，主要在中小學得以應用。許多中學生之前已經用過Scratch，這促進了未來更先進研究的快速實施，解決了學生和老師初期的開發(fā)問題。

麻省理工媒體實驗室、Scratch之父米切爾·雷斯尼克演示Scratch體感游戲設計程序。他手中的操作桿可以控制屏幕中的自行車方向盤。

游戲開發(fā)完成后就進入了測試階段，這一階段不僅對于排錯來說很重要，還讓參與者有機會將他們最初的目標和要求與可交付的成果（設計文件、故事版和錄音樣帶）相匹配。因此，可以使用定性分析和定量分析，尤其是通過多種渠道使用，提高研究的可信度。常見的評估工具包括實地觀察記錄、音頻/視頻記錄數據、可交付成果收集、訪談、評估表格和準則以及事前/事后調查，用以評估學生的態(tài)度、積極性和編程理念。此外，還有免費的網絡工具可以自動探索學生Scratch文件中的編程理念，如Dr. Scratch和Scrape。

3. 提倡的方法

3.1 提倡的游戲設計和開發(fā)階段

所提倡的教學方法包括6個階段。（圖1）

圖1. 所提倡的游戲設計和開發(fā)階段

階段0（介紹）通過實際的Kinect案例和游戲測試樣片，向學生介紹課程結構、目標、時間表和自然用戶交互（NUI）。此外，還要為學生提供工作底稿，幫助他們在使用Scratch（例如創(chuàng)建子圖形和服裝）的過程中更新此前的認識，并向其介紹一些編程指令（if, if-else, forever, repeat, events and variables），這些對于教學方式的實施十分有必要。學生需要使用工作底稿，在一個學期內完成八個Scratch教學活動。最后，教師需要使用結構化的在線調查問卷，獲取學生相關學習資料。

階段1（理解NUI）讓學生有機會使用Scratch, Kinect2Scratch和Kinect傳感器，設計、創(chuàng)造并測試肢體動作和手勢。我們會為參與者提供多媒體教學材料，以便介紹自然用戶交互技術（NUI）。為了提高學生的興趣并幫助他們進一步了解NUI，我們創(chuàng)造了四十種手勢，分為四個難度等級（圖2），制作了手勢卡片（圖3），并將其用于教學游戲活動中，以便加深理解。每組學生隨機選擇6張卡片（2張綠色，2張藍色，1張橙色，1張紅色），然后摸索出正確的算法。學生在Scratch編程中也用到了微軟的Kinect感應器，以便進行真實的游戲測試。

階段2（設計一款Kinect游戲）中，學生在決策過程中設計游戲，他們在游戲設計文件中描述他們的理念、目標人群和游戲的五個核心要素（空間、游戲目標、化身/敵人的游戲界面、核心機制和規(guī)則）。此外，學生使用故事板畫出了游戲景圖，為大家展現有邏輯的結構、高效的框架，這也是對他人方案的指導。我們也提供了以下工具，便于學生對游戲質量進行思考和自評：

1. 設計手工藝品（故事版和游戲設計文件）的評估題目。

2. 游戲評估表（李克特五點量表）包括13個標準，以通用的游戲設計啟發(fā)式教學和兩個關于游戲利弊的公開問題為基礎（附錄A）。

階段3（開發(fā)）和階段4（游戲測試和評估）被視為開發(fā)、測試、內部評估和排錯的快速循環(huán)過程。開發(fā)階段的學習資源包括：不完整的樣片、手勢示例庫和工作底稿。在外部評估（階段4）期間：(a) 每組學生在課堂上展示他們的游戲，(b) 其他組也要進行測試，對制作的Kinect游戲進行評估。最后，階段5可作為可選階段，也可以作為附加階段，學生可以基于階段4中得到的反饋，對游戲進行改善。但實際上由于時間限制，游戲制作過程往往在階段4就結束了。

3.2 時間軸和可交付成果

此方法似乎適用于中學生（12-15歲），他們對專業(yè)編程工具的使用經驗有限（所以主要用的是Scratch等工具）。我們要求的時間期限是8至9周，這取決于學生此前的Scratch經驗和編程理念。

學生在習慣了上述四個游戲制作設計和開發(fā)階段之后，必須提交不同的可交付成果，如表1所示。

4．評估研究

4.1 背景

本研究在希臘雅典的兩所市區(qū)中學展開，為期九周（2017年3月-4月）。兩所學校都把對編程和游戲感興趣的學生組成了俱樂部，以便實施提倡的游戲制作方法。第一所學校的學生在校內完成這些任務，而另一所學校的學生則在放學后完成任務。學生每周會花費一節(jié)課的時間來進行這一項目，課時約為1.5小時（90分鐘）。由于時間限制，選修的階段5沒有實施。

該項目實施前一個月，計算機科學（CS）老師拿到了內容包，包括此方法的學習資源、硬件（Kinect感應器）以及此研究要探索的問題：

該教學方法實施后，學生的思維技能是否得到了加強？

推薦的教學方式是否得以成功實施？在學校環(huán)境下得以按計劃進行？

推薦的教學方式是否受參與者歡迎？

4.2 參與者

參與研究的有22名學生（平均年齡15歲），其中12名學生（10名男生，2名女生）來自第一所學校，另外10個學生（6名男生，2名女生）來自第二所學校。所有學生均為自愿參與該研究。他們表示，開發(fā)以運動為基礎的體感游戲，似乎極大地調動了他們的積極性和興趣。每個老師根據參與者的情況（將不同技能水平的參與者混合分組）將其兩兩分組，共分為了11個組。

關于學生的情況，最初的網絡調查問卷結果表明：

· 45.45%至68.18%的學生在他們的STEM課程（物理、數學、化學、計算機科學）中取得了優(yōu)異成績（18-20分/20分）。

· 大多數學生（55.71%）沒有或很少玩Kinect游戲，沒有或幾乎沒有參與過其它游戲的設計/開發(fā)活動。

· 所有參與者都使用過Scratch；然而，僅有17.24%的參與者表明自己有自信（李克特五點量表中為水平4-5）。

· 學生起初的基本目標為編程。對于“你參加這一項目的理由有哪些？”這一問題，我們對學生們的回答進行了分類，如表2所示。

 最后，計算機科學（CS）教師們執(zhí)行了這次研究，對學生的任務進行了協(xié)調，并在需要時提供幫助。首席研究員參與了幾次研究，并進行了觀察，在必要時也對老師和學生提供了支持。

4.3 數據收集

我們在研究過程中收集了定性和定量數據。每個研究問題（RQ）的評估工具如表3所示。由于該研究的需要，我們對這些工具進行了輕微調整（例如，添加了更多與以運動為基礎的游戲和自然用戶交互相關的具體問題）。

關于第一個研究問題（RQ1），這個問題檢測了學生的計算思維技能（CT skills）和社交技能的高層次思維技能是否有所提高。

為了了解學生的計算思維技能是否有所提高，我們對學生的游戲（Scratch文件）進行了深入分析，以便：

（a）檢測學生的計算思維技能（CT）。這些技能可以體現學生在以下六個方面的計算思維競爭水平：流控制、抽象化、用戶交互、同步性、并行和邏輯。有了Scrape工具和Dr. Scratch評估標準，我們將每個計算思維概念的得分相加，得到每個項目的計算思維總體得分。得到6分的為基礎等級，7-12分的為中等，12分以上為精通[26]。

（b）確認學生是否能規(guī)避編程中的常見錯誤，這些錯誤包括腳本重復（兩個程序由同一個塊形成，只有塊的參數和值發(fā)生了變化），子圖形名稱錯誤（新角色默認名稱的遺漏，例如Sprite1, Sprite2），出現無用代碼（部分程序沒被執(zhí)行），以及項目屬性沒有得到正確的初始化。

（c）使用各種編程指令，避免留下任何“無用代碼”，確認學生是否深刻理解了計算思維的編程概念。

（d）在游戲中添加復雜的手勢，以便確認學生是否理解了身體交互、空間、角度和幾何概念的抽象表現之間的聯(lián)系。

關于第二個研究問題（RQ2），通過評估學生可交付成果（手工藝品和Kinect游戲設計）的質量，來檢驗所提出方法的實施是否成功。手工藝品設計僅由參與的研究人員（本研究的發(fā)起者）使用評估量表進行評估。此外，我們將重點放在了學生最終的可交付成果（Kinect游戲）上。各個組的最終成果（Kinect游戲）由研究人員和學生進行評估，以便解答當前的問題，并通過比較參與者的分數（學生和研究員的最終分數）來評估李克特五點量表的完整性和清晰度。

關于第三個研究問題（RQ3），通過現場觀察和問卷調查的形式，我們檢驗了以下幾個方面，從而檢測所提出方法的接受程度：

1. 對所提出方法的正面感受。

2. 對此方法的具體要素/構成的滿意度。

3. 對時間管理和困難度的思考（開放性問題）。

5. 結果

11個小組都按要求及時提交了可交付成果（設計原型和Scratch游戲），沒有小組退出，學生們最終制作出了11個Kinect游戲（第一所學校6個，第二所學校5個），其中大多數游戲（8 / 11，73％）根據現實世界的場景進行改編（如攀爬、拳擊、抓捕、網球模擬賽、目標瞄準、模仿各種奇怪的姿勢以通過墻壁障礙），也有一些虛擬特征。另外三個游戲（3/11, 27%）以非現實場景為基礎，或主角來自漫畫書（大決戰(zhàn)、冰河時代、海綿寶寶）。每組學生都為游戲取了名字。學生成果示例在表4中呈現。 

5.1 此方法的使用是否提高了學生的思維技能？（RQ1）

通過檢測計算思維技能（CT技能）和社交技能，得出學生思維技能有所提高。

(a) 關于學生開發(fā)游戲過程中存在的6個計算思維（CT）概念。

如表5所示，所有項目中，獲得較高值的概念為抽象化、用戶交互和并行，有兩個項目在同步性和邏輯上的值較低。大多數小組的流控制值不高，因為他們沒有使用”repeat-until"指令。所有小組的最后得分都被評為“精通”，因為他們在1-18的等級量表中得分均超過15分。

(b) 學生使用了編程中常見的最佳操作：如表6所示，學生使用了所提倡的最佳操作，避免了常見的編程錯誤，如腳本重復、錯誤的子圖形名稱、出現無用代碼和未初始化子圖形的屬性等。

(c) 所制作游戲的復雜度：Scrape工具的定量分析表明，學生們因為使用了各種各樣的編程指令（每場游戲的平均編程指令數：966）、腳本（每場游戲的平均腳本數：156）、子圖形（每場比賽的平均子圖形數：33）和子圖形服飾costumes（每場比賽的平均服飾數量：43），深刻理解了計算思維概念。此外，每組學生平均每場創(chuàng)建了13.09個舊版本。最后，研究人員的現場筆記顯示，學生們使用邏輯、流控制和抽象技術來表達他們的觀點，調試/更新游戲，并正確選擇了身體關節(jié)和手勢的算法。 

(d) 由于用戶交互的需要，我們創(chuàng)造了復雜的手勢，來了解身體交互、空間和角度、幾何概念的抽象表現之間的聯(lián)系：對游戲中的自然用戶交互手勢的分析表明，7/11的游戲（63.64％）需要執(zhí)行2個或3個姿勢，10/11個游戲（90.91％）的編碼用于追蹤4到9個不同的身體關節(jié)。例如，學生通過追蹤7個身體關節(jié)來模擬攀爬姿勢，以便提高準確性，同時必須表現2種不同的身體姿勢。另外一組學生在游戲中使用了9個不同的身體關節(jié)。此外，7/11的游戲（63.64%）使用了1個以上姿勢（2至4個姿勢）。

圖4中呈現了學生社交技能改善的成果。學生的回答表明小組工作不僅有助于制作更好的游戲，還有助于他們學習如何與人合作、協(xié)作，以及如何參與角色扮演展示。老師們表示，學生通過合作來為游戲產品尋找最佳的解決方案，所以他們在小組中的工作非常出色。老師們還提到，當一個小組成員和其他小組合作時，他們提供的反饋很有用，或者他們的想法會發(fā)生轉變。

5.2 所提倡的教學方法是否成功實施，是否能在學校的環(huán)境下按計劃進行？(RQ2)

通過評估學生可交付成果（作品手工藝品和Kinect游戲設計）的質量來檢驗所提倡方法是否成功實施。我們使用文獻里的設計評估標準對學生手工藝品設計（故事板和設計文件）的最終版本進行了評估，結果見表7。

上述結果顯示，大多數設計原型（9 / 11，82％）滿足了設計要求，不過存在一些缺陷（設計不清晰，一般描述或含糊描述）。另一方面，2/11的手工藝品設計（18％）存在許多操作缺陷（故事板結構不清晰，故事框架或轉折點沒有交代，以及設計不夠清晰，需要修改）。

此外，Kinect游戲質量由學生和參與的研究人員（本研究的發(fā)起者）使用李克特五點量表（附錄A）進行評估，該量表包括十三個標準（文獻中常見的啟發(fā)式教學評估）。評估表格標準的完成結果如圖5所示。

圖5. 評估表格標準的完成結果

圖5中的數據顯示，游戲的可用性得分很高。一些重要標準的得分也很高，例如（i）在游戲過程中吸引用戶的注意力，（ii）提供的指令（訓練和幫助）和（iii）在游戲環(huán)境中輕松導航的能力。此外，因為測試時游戲的功能出現了一些問題，所以有效性和反饋的得分較低。

5.3 所提倡的教學方法是否為參與者所喜歡？（RQ3）

我們檢驗了以下幾個方面，從而檢測所提倡方法的接受程度：

1. 對所提出方法的正面感受。

2. 對此方法的具體要素/構成的滿意度。

3. 對時間管理和困難度的思考（開放性問題）。

1. 對所提倡方法的正面感受：學生們最后一個調查問卷的回答表明：(i) 96.56%的學生喜歡這個項目，(ii) 72.41%的學生表示制作Kinect游戲讓他們受到鼓舞，(iii) 93.10%的學生會鼓勵自己的同學參加類似活動。老師們的回答和學生們的一致（師生一致選擇了“強烈認同”這個選項）。

2. 對此方法的具體要素/構成的滿意度（強烈認同和認同）：盡管學生和老師之前都沒有此類項目的經驗，但大多數學生對以下幾個方面表示滿意：

· 學習資源、項目期限和項目結構（69%）。

· 計算機科學老師和同學給予的指導（75.86%）。

· 首席研究員給予的支持和鼓勵（93%）。

關于游戲的制作過程，75.81%的學生強烈認同和認同：

· 他們很好地理解了這個領域的概念/原理。

· 他們學會了應用這一項目中的原理（跟隨具體的步驟和操作），以便在系統(tǒng)化的進程中制作自己的Kinect游戲。

兩位老師對于該方法上述的因素/組成部分表示滿意。

3. 他們對于時間管理和難度的看法

老師的回答表明，他們愿意延長該項目的期限，主要關注開發(fā)階段。此外，學生的回答表明，在為期8周的項目中，每個學生在家花費的平均額外時間總數為8.36小時（最少2.5小時，最長14小時）。大多數學生（15 / 22，68.18％）提到，他們本可以花費“更多時間”來升級他們的游戲，修復軟件故障或通過制作更好的游戲版本來繼續(xù)這一有趣的學習活動。學生和教師對這一經歷的評論也證實了上述這些積極的成果。表8中列出了部分評論。

6. 討論-結論

文獻充分證明了開發(fā)新教學方法的必要性，幫助孩子們習得計算思維和編程技能。本論文提出了一種新的教學方法，主張系統(tǒng)設計以運動為基礎的體感式Kinect游戲，以提高學生的思維能力。學生明白設計游戲意味著通過多種思維和行為技能，來解決結構有缺陷的問題。這是一個迭代和循序漸進的過程。對兩所初中的研究結果表明，學生通過有效地應用復雜的編程命令/概念，開發(fā)出了高質量的游戲，從而增強了他們的計算思維能力。這些結果與其他研究的結果相當，其他的研究也表明，屬于編程課程的快速數字游戲制作，可以挖掘計算思維的潛力。與其他游戲設計相關的研究類似，本研究表明，所提倡的以小組為基礎的游戲制作方法，有助于提高學生的社交技能（合作、協(xié)作）。最后，以運動為基礎的Kinect游戲反復的設計和制作過程，顯然具有吸引力和極大的激勵性。學生表示他們會推薦給同學。此外，通過開發(fā)中度精確的游戲，學生成功地改善了自身的空間思維。這是STEM課程成績的重要預測因素，同時他們也理解了身體交互、空間、角度、幾何概念的抽象表現之間的聯(lián)系。更多關于這一創(chuàng)新方法應用的評估研究正在進行中，這些評估研究將有助于該研究成果的推廣。  

>>聲明

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