教育游戏应用于《数据结构》非专业课程研究

摘要：该文首先分析《数据结构》非专业课程的教学现状及存在问题，再对教育游戏的发展及应用现状进行阐述，尝试将两者结合，视教育游戏为一种新型的辅助教学多媒体形式，优化《数据结构》学习过程，提高学习主动性，开发抽象思维能力。同时举例进行说明。

关键词：数据结构；教育游戏；栈；迷宫问题

中图分类号：TP40文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)10-2289-03

Educational Games used in“Data Structure”of Non-professional Courses

ZHOU Xu, WEI Liang, SUN Yu, LI Yong-shan

(School of Information Science and Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650092, China)

Abstract：This paper analyzed the non-professional teaching present situation and problems of the course of "data structure", and then elaborated on the development and application of educational games. Combination of the both was attempted and regards educational games as a new type of auxiliary teaching multimedia format, optimizing the data structures the learning process, learning initiative, the development of abstract thinking ability. And at the same time, explained with example.

Key word：data structure；educational games；stack；maze

作为计算机专业的必修课程《数据结构》，市面上已有相当成熟的多媒体辅助教学软件用于辅助学习。软件通过各种多媒体演示系统制作出具有生动的视觉效果的演示信息，帮助学习者理解算法中数据逻辑结构或存储结构的变化。然而，由于社会综合人才的需求，《数据结构》作为非专业课或是选修课开放给更多的学习者。这类学生计算机语言基础相对较差，编程能力弱，同时学习数据结构的时间有限，并不能接受或是完整而严格的接受前序的程序设计的学习。据调查这部分学习者占《数据结构》课程总学习者数量的的绝大部分，然而却少有专门针对这类学习者开发的辅助教学软件。

该文基于现代教学中提倡的建构主义思想，认为将辅助教学软件定位在“演示”作用上是远远不够的，又基于这类学习者最终不需要实现繁杂的程序编写，达到“知其然”程度即可。所以该文将教育游戏应用于《数据结构》非专业课程教学中，分析教育游戏作为一种新型计算机辅助学习媒体所具有的独特效果，以及应用于《数据结构》教学中的优势。即：通过“游戏”的特性激发学习者自己探究、分析问题的兴趣。倡导以学生为主导，老师起引导作用。在“游戏”的过程中，不知不觉领悟数据的结构、算法等的奥妙。

1《数据结构》非专业课教学现状及存在问题

《数据结构》是计算机专业的核心课程，它涉及线性表、树、图等逻辑结构和排序与检索算法等复杂内容。课程的内容以理论教学为主，大多为抽象的概念，为了使学生更好的掌握常用的数据结构，一般都会结合具体的实例[1]。计算机专业学生在学习数据结构时，往往是基于一种计算机语言（如：VB语言、C语言、JAVA语言）去学习和理解。“高级语言程序设计基础”也是作为数据结构的前导课程之一来设置。近些年，由于社会综合人才的需求，《数据结构》课程不仅仅成为其它理工专业学习者的热门选修课程，更有一些其它专业学生也开始尝试自学数据结构课程。这类学生的计算机语言基础较差，编程能力弱，同时学习数据结构的时间有限，并不能接受或是完整而严格的接受程序设计的学习。特别是对于指针、结构体和函数等知识点概念模糊，很难灵活运用于数据结构课程的学习中。

具体体现在：

1）学时较短且教学侧重点不同。

近些年，由于社会综合人才的需求，高职、高专及部分非计算机专业也开设了数据结构课程，也有许多非计算机专业学生也开始尝试自学数据结构。这类学生听课时间、学习时间、实验时间相对少；学生基础知识不扎实，理性思维相对薄弱。同时，他们学习 “数据结构”的侧重点也不同，在学习内容上“知其然”即可，不需“知其所以然”，在实践上能够应用简单编程即可。

2）目前教学模式并没有更大的突破。

有关“数据结构”课程的研究，大多集中于引进各式教学模式来改进教学，如：互动教学模式、实验教学模式的应用等等。然而使用多媒体辅助教学反而没有更多的创新。教学模式的不断更新，为“数据结构”教学注入了活力，却难以有更大的突破。其中环境受限是难以避免的问题。教学课堂往往集中在教室或实验室，提供辅助学习的信息往往集中于语言、数据及图示。然而，人生来就有一种对自身环境了解和控制的需要，具有强烈的想知道或了解更多事物的好奇心，在好奇心和求知欲的驱使下，个体主动地去体验新异的刺激，并从自身的体验中理解事物的意义。仅仅是老师讲授或上机编程，是无难以将问题形象化的呈现，及提供体验的环境。

3）逻辑抽象思维不足。

在理工科学习过程中，许多学生在解决复杂问题时，遇到的最大困难不是缺乏数学技巧、而是逻辑能力不足。逻辑思维是以抽象为基础的，但最初的抽象是对感性形象的抽象，即从一种感性具体走向抽象，它是抽去某类现象的具体性、非本质性、次要的方面，引出其固有的本质特征[2]。反而言之，当遇到复杂的、难以理解的抽象问题，通过增加一些具体性、非本质性、次要性的信息，是否可以帮助还原到日常生活中的初始形态，进而帮助理解和记忆呢？故笔者认为，要提高抽象思维能力，首先需要提高想象问题的能力――即：赋予问题与现实一个明确的映像，通过形象思维来理解概念、推理等抽象，进而提高自己抽象思维能力。

如何在不涉及或极少涉及语言基础之上学习数据结构中的复杂概念，是该文想解决的关键问题之一。通过将问题形象化呈现出，由学生实施参与互动整个问题发展、解决流程，最终解决问题，在形象思维的营造下，帮助学习者更快、更直接的学会抽象思维，理解概念，熟练应用。不仅仅可以帮助专业课学习者深度巩固、理解、运用数据结构概念，也能辅助、专业课学习者熟悉数据结构，了解算法流程，掌握数据结构概念。

2教育游戏的发展及应用现状

将游戏运用在教育中，始于20世纪70年代，自诞生以来就引起了广泛关注，近些年来更是得到飞速发展。教育游戏，顾名思义――是教育与游戏的结合,以游戏作为载体实现教育目的。不得不说，这是一个非常美妙的想法，当你在愉快的游戏过程中，不知不觉活动知识及运用知识的能力。然而，游戏和学习两者，从外在特性看来，是两个互相冲突的领域。因此，如何将两者融合、以合适的比例有效的融合，是最为核心的问题。

国内教育游戏开发以游戏公司为主。例如：盛大公司开发的“学雷锋”思想道德教育游戏。珠海奥卓尔软件有限公司的“奥卓尔游戏化学习世界”。香港意成资讯科技有限公司开发的“一课一练之旅”。新加坡创新未来电脑有限公司的“wawayaya”。在2004年，国内第一个教育技术学博士后科研工作站“华东师范大学―苏州工业园区教育技术博士后科研工作站”成立，该站将“游戏与学习”定为科研工作站的主要研究目标之一。2005年，三辰卡通集团联合K12教育网合作开发“K12play教育网络游戏平台”。2007年，广州通宝软件科技有限公司推出了网络教育游戏“智通竞答”。2009年，无锡智为科技有限公司推出面向中小学生、家长和教师的游戏化学习社区。

国外的公司和研究机构进行联合开发，如：Microsoft和MIT的合作Game-to-Teach项目，致力于下一代交互式教育媒体概念模型的开发。迪斯尼互动游戏开发部门开发了一系列卡通人物陪伴学习的游戏，如：米奇和米妮教英文，跳跳虎陪伴进行几何拼图。1999年，MIT工学院Henry Jenkins带领团队开发一款用于历史学习的教育游戏软件“Civilization”（文明），为学习者提供历史相关信息，帮助玩家理解过去的一个选择对现今甚至将来的影响。IBM公司也推出3D网络教育游戏“Power Up”,在游戏中玩家要拯救一个叫“Helios”的星球，游戏中包含大量工程师职业的工作信息，会接触到一些机械原理、能源储存方式等。

总的看来，目前教育游戏开发内容大多针对中小学生，一方面介于中小学生对游戏性和教育性的平衡性需求度并不高，另一方面游戏逻辑安排也不需要特别精妙，更注重界面与美工方面。在国外教育游戏开发已经成为教学研究里的重要研究领域。其中教育游戏已经被用来数学、物理、历史、地理、文学、自然科学、社会学等方面的知识。同时教育游戏也应用于计算机课程教学中，大多应用于教授编程方法[3]。比如一款叫做“Lightbot”的游戏要求玩家通过简单的汇编程设计来控制小机器人解决游戏中的事件[4]。相比而言，将游戏视为一种可视化、可参与的虚拟环境来设计教育游戏的研究较少。

图1图例讲解堆栈

3教育游戏在《数据结构》教学中的应用

在课堂教学信息收集中，我们发现，大部分老师在讲“栈”定义及操作时，会用类似图例（图1），或是通过Flash电子课件(图2)进行讲解。

图2 Flash电子课件讲解堆栈（截图）

在一个抽象概念教学过程中，通过图示或是Flash动态演示，能够在一定的程度上帮助学习者理解，但本质上，学习者还是处于“旁听”的状态，并没有主动的去思考、分析、理解与记忆，也很难联系到实际产生联想和迁移。那么，如何帮助学习者通过联想形象思维来建构自己的抽象思维呢，通过教育游戏的形式，可以让学习者亲自参与进去，根据游戏过程中遇到的困难，自己想出解决方案。教育游戏做的不仅仅是一个动态的画面让学习者产生联想，若是如此，则和一些精美的多媒体课件没有什么区别区别。教育游戏更突出的是互动性：学习者亲手操作整个流程，通过参与整个过程，来理解、强化“栈”的概念，并在完成游戏任务的过程中学习到“栈”的应用。

关于“栈”的应用，其中最著名的是“迷宫问题”。通过“栈”结构与“深度优先”算法的结合可以很快的解决该问题。“深度优先”是指在挑选道路中，选择一条路，如果可以走就尽可能的走下去。

我们选用参与感最强的RPG（Role-playing game,角色扮演游戏）游戏模式来设定。首先是游戏情节的设定，游戏情节在这里扮演的类似于“老师”的职能，通过制定整个故事发生的情境，学习者在情境中担当的“角色”，需要遵守的规则，逐步来引导学习者发现问题、思考问题、分析问题、解决问题并记忆问题。在这里我们假设：玩家（学习者）扮演的是一个探险家，需要通过一个茂密的树林。然而阴森森、黑黝黝的幽深树林满是岔路，宛若一个巨大的迷宫。树林里潮湿而炎热，大树参天，茂密的树冠难以透过丝丝阳光。这里毒虫遍野，四处悄然闪烁着野兽幽绿的眼睛。玩家必须安全逃脱，并找到一条最快、最安全的逃生路线。

游戏提供给玩家探险者背包，背包里装不同颜色的标志旗、不同颜色的糖果及糖果罐子。糖果罐被设定为按压式，每次只能按压进或弹出一颗糖果。（图1：迷宫平面图及道具）。在游戏过程中，引导玩家模拟计算机思维，以“穷举法”的思想探索。

在这里的糖果罐类似于一个足够大的堆栈。而同色的糖果可以记录同色标志旗标识的路线信息。此时，游戏已经创造了一个类似于迷宫算法的环境。最终目标：利用现有的道具逃出迷宫，即寻找迷宫的出口。在游戏的开始，玩家将从入口出发，遇到一个两岔路口，此时系统提示:请放下标志旗，将和标志旗同色的糖果压入糖罐内。任选取一个方向（A1）继续前进。若为通路，则继续前行，直至遇到第二个路口继续提示。若是死路，则系统提示：弹出最顶上的糖果，并回到相同颜色标志旗的所在位置，重新选取方向（A2）继续前行。通过初始教程，教给玩家游戏的规则及使用道具的方法。引导玩家逐步融入计算机求解迷宫问题的方法中。（图3）

图3简易的树林迷宫平面图及道具使用图解

当然在最基本游戏模式的支持下，我们为提高游戏的“可玩性”，可以增加一些小“插曲”。例如：将游戏人物所在的画面做成拼图，要求完成拼图后才能插上标志旗等等。当然，增加“小插曲”的前提是不能影响基本游戏模式的整体性和连贯性。为了更加强调游戏的教育目的，在游戏最后可以增加一段小动画：以快进的方式将玩家走过的路线连贯起来，并在旁边以文字简单描述玩家寻找迷宫出口的过程就是实现了栈的数据结构及深度优先的搜索算法。

4总结

大多数教育游戏往往用于展现一些三维的、动态的过程，而非一维的、静态的概念。例如《计算机组成原理》课程中关于计算机硬件组成这部分更易于做教育游戏开发。将计算机各个硬件放在旁边由玩家进行组装，并且在旁边标上名字、功能等。类似于营造一个仿真的装机的环境，学习者通过“亲身体验”来理解和记忆。实际上，帮助学习者理解和记忆具体概念，大部分的CAI已经做的很好，教育游戏其中只能做到“锦上添花”。然而，帮助学习者理解、记忆抽象概念却是CAI不容易实现的。教育游戏作为一种新型的教学媒体，一方面不需要投入连续的时间，另一方面不需要特定的教学环境，具有高度的灵活性。由于游戏本身的特性，相比课堂教学，学生主动参与互动的积极性更高。教育游戏中规则设定及情节安排实现老师的职能，在游戏过程中引导学生分析问题、解决问题、记忆问题。该文案例以游戏的形式营造一个可体验、可探索，基于现实且又高于现实的互动虚拟环境，实现在“玩”中“学”。再者，非计算机专业学习者较于计算机专业学习者是一个更加庞大的族群，他们有自己特点：学习时间零碎、编程语言及思维不足、对知识点“知其然”即可，他们需要的是更有针对性的教学。对于这种庞大的需求，更应引起我们的重视。

参考文献：

[1]严蔚敏,吴伟民.数据结构(C语言版) [M].北京:清华大学出版,1997.

[2]尹鑫等.逻辑抽象思维与创造性思维――兼谈逻辑抽象思维能力的培养[J].广西师范大学学报：哲学社会科学版,2000(03).

[3] Jeffrey Michael Edgington. Toward using games to teach fundamental computer science concepts [D]. Rocky Mountain :University of Denver, August 2010.

[4] Lightbot game. www.省略.

[5]魏婷,李艺.教育游戏的国内外研究综述[j].远程教育杂志,2009,17(3).