【芥末翻】系統設計和開發以運動為基礎的體感遊戲，有助於提升學生的思維能力
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，學生們對於製作數字遊戲的興趣日益增強，並藉此增強思維能力。一些研究檢驗了製作數字遊戲的影響，結果十分樂觀，在促進發展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遊戲開發的過程。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遊戲製作中來，也難以在製作高階程式設計指令時運用這些概念。本研究提出了一種創新的遊戲製作方法，該方法提供了一系列步驟，用於系統設計和快速開發以運動為基礎的體感式遊戲，即基於自然的使用者互動的遊戲，如微軟的Kinect感測器。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；基於遊戲的學習；Kinect; 形成性評估；中等教育；思維能力
1. 介紹
過去十年，人們對檢驗數字遊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，系統地理解遊戲開發的週期過程。這主要是因為學生往往只關注遊戲開發過程中的某一階段，比如只關注遊戲設計階段，或者花費大量時間和精力使用專業製作工具，增強自己製作遊戲的能力。因此，學生沒能參與到系統的設計和開發過程中，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遊戲中去，也不能理解程式設計入門諸多公理的使用，如變數、迴圈和布林運算子。
本論文呈現了一種通過遊戲製作，培養多種思維技能的創新方法。更具體地說，本文會要求學生系統地設計並創造出，與互動式Kinect遊戲中度相似的、以運動為基礎的感測器，以提高學生的積極性，促進學生對幾何原理的學習和理解，改善學生的程式設計技能。自從基於運動的體感技術成為人機互動領域（又稱“自然使用者互動”，NUI）的新趨勢，這種型別的互動遊戲似乎激發了學生的參與積極性。研究人員表示，對於這類用手勢和肢體動作代替鍵盤、滑鼠或操縱桿的遊戲，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，並推動他們進行討論和頭腦風暴。促使學生成為體感式遊戲的創造者，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複雜的新資訊。與此同時，學生在設計遊戲時，必須在立體空間中理解，並推理各個物體的空間關係。設計並開發Kinect遊戲，有利於孩子們在身體、空間、角度及幾何概念的抽象表現之間建立強烈的聯絡。
雖然Scratch以及Kinect2Scratch等工具有助於學生和老師在開發體感遊戲時突破技術限制，但據瞭解，很少有研究來檢驗製作此類遊戲的好處。直到最近，人們才開始重視檢測這類遊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，即學生系統設計並開發以運動為基礎的體感遊戲，能夠增強學生的思維技能並提高學生的積極性。
本論文的結構如下：首先，簡要概述文獻中相關的遊戲製作方法，這些方法促進了對創新教學方式的提出。其次，給出了創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遊戲中的自然使用者互動機制。接著，該論文給出了對兩所學校真實環境的評估細節（如參與者、評估框架和資料收集工具）。最後，該論文討論了研究結果和未來的研究方向。
2. 學生是遊戲的設計者和開發者
數字遊戲的創造是個十分龐雜的問題，為了讓學生解決這一問題，並且深入理解遊戲開發的生命週期，學生應該將問題分解為幾個更簡單的小問題。儘管遊戲開發生命週期(GDLC)的指導方針特點不同，優缺點共存，但有三個階段是共通的：“（一）設計和原型：遊戲設計初稿和遊戲概念的創作過程，並製作出可用的原型；（二）生產：製作原始碼，創造硬體，將其融為一體；（三）測試：遊戲測試的過程，無論遊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。
為了讓學生設計出遊戲理念，創造出可用的原型，他們應該系統地作出與遊戲要素有關的決定，這些要素應該如何相互關聯並保持平衡，以便創造出理想的流，產生積極的使用者體驗（可玩性）。根據Gamestar Mechanic teacher pack，遊戲設計的五個核心要素是：空間、目標、機制、規則和元件（例如頭像、敵人和街區）。設計師通過頭腦風暴，與其他團隊成員進行合作，並作出與遊戲系統的設計和分析有關的重要決策，這對於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遊戲流程視覺化，從而僅通過紙筆就可以創作出低相似度的遊戲。在某些情況下，有形卡片可以作為區分遊戲元素的學習工具，或者幫助學生產生創造性的遊戲創意，有助於遊戲設計。
過去十年，研究人員和教育工作者使用了Scratch, Kodu, GameMaker和 AppInventor等專業工具來滿足生產階段的需要，幫助學生快速製作他們的遊戲。麻省理工學院媒體實驗室的Scratch是其中一個受歡迎，並且易於使用的程式語言。它是一種創造故事情節、遊戲和動畫的工具，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體感遊戲設計程式。他手中的操作杆可以控制螢幕中的自行車方向盤。
遊戲開發完成後就進入了測試階段，這一階段不僅對於排錯來說很重要，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（設計檔案、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、音訊/視訊記錄資料、可交付成果收集、訪談、評估表格和準則以及事前/事後調查，用以評估學生的態度、積極性和程式設計理念。此外，還有免費的網路工具可以自動探索學生Scratch檔案中的程式設計理念，如Dr. Scratch和Scrape。
3. 提倡的方法
3.1 提倡的遊戲設計和開發階段
所提倡的教學方法包括6個階段。（圖1）
圖1. 所提倡的遊戲設計和開發階段
階段0（介紹）通過實際的Kinect案例和遊戲測試樣片，向學生介紹課程結構、目標、時間表和自然使用者互動（NUI）。此外，還要為學生提供工作底稿，幫助他們在使用Scratch（例如建立子圖形和服裝）的過程中更新此前的認識，並向其介紹一些程式設計指令（if, if-else, forever, repeat, events and variables），這些對於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。最後，教師需要使用結構化的線上調查問卷，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感測器，設計、創造並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，以便介紹自然使用者互動技術（NUI）。為了提高學生的興趣並幫助他們進一步瞭解NUI，我們創造了四十種手勢，分為四個難度等級（圖2），製作了手勢卡片（圖3），並將其用於教學遊戲活動中，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），然後摸索出正確的演算法。學生在Scratch程式設計中也用到了微軟的Kinect感應器，以便進行真實的遊戲測試。
階段2（設計一款Kinect遊戲）中，學生在決策過程中設計遊戲，他們在遊戲設計檔案中描述他們的理念、目標人群和遊戲的五個核心要素（空間、遊戲目標、化身/敵人的遊戲介面、核心機制和規則）。此外，學生使用故事板畫出了遊戲景圖，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，便於學生對遊戲質量進行思考和自評：
1. 設計手工藝品（故事版和遊戲設計檔案）的評估題目。
2. 遊戲評估表（李克特五點量表）包括13個標準，以通用的遊戲設計啟發式教學和兩個關於遊戲利弊的公開問題為基礎（附錄A）。
階段3（開發）和階段4（遊戲測試和評估）被視為開發、測試、內部評估和排錯的快速迴圈過程。開發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遊戲，(b) 其他組也要進行測試，對製作的Kinect遊戲進行評估。最後，階段5可作為可選階段，也可以作為附加階段，學生可以基於階段4中得到的反饋，對遊戲進行改善。但實際上由於時間限制，遊戲製作過程往往在階段4就結束了。
3.2 時間軸和可交付成果
此方法似乎適用於中學生（12-15歲），他們對專業程式設計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，這取決於學生此前的Scratch經驗和程式設計理念。
學生在習慣了上述四個遊戲製作設計和開發階段之後，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中學展開，為期九周（2017年3月-4月）。兩所學校都把對程式設計和遊戲感興趣的學生組成了俱樂部，以便實施提倡的遊戲製作方法。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後完成任務。學生每週會花費一節課的時間來進行這一專案，課時約為1.5小時（90分鐘）。由於時間限制，選修的階段5沒有實施。
該專案實施前一個月，電腦科學（CS）老師拿到了內容包，包括此方法的學習資源、硬體（Kinect感應器）以及此研究要探索的問題：
該教學方法實施後，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。所有學生均為自願參與該研究。他們表示，開發以運動為基礎的體感遊戲，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。
關於學生的情況，最初的網路調查問卷結果表明：
· 45.45%至68.18%的學生在他們的STEM課程（物理、數學、化學、電腦科學）中取得了優異成績（18-20分/20分）。
· 大多數學生（55.71%）沒有或很少玩Kinect遊戲，沒有或幾乎沒有參與過其它遊戲的設計/開發活動。
· 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程式設計。對於“你參加這一專案的理由有哪些？”這一問題，我們對學生們的回答進行了分類，如表2所示。
最後，電腦科學（CS）教師們執行了這次研究，對學生的任務進行了協調，並在需要時提供幫助。首席研究員參與了幾次研究，並進行了觀察，在必要時也對老師和學生提供了支援。
4.3 資料收集
我們在研究過程中收集了定性和定量資料。每個研究問題（RQ）的評估工具如表3所示。由於該研究的需要，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遊戲和自然使用者互動相關的具體問題）。
關於第一個研究問題（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。
為了瞭解學生的計算思維技能是否有所提高，我們對學生的遊戲（Scratch檔案）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、使用者互動、同步性、並行和邏輯。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，得到每個專案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）確認學生是否能規避程式設計中的常見錯誤，這些錯誤包括指令碼重複（兩個程式由同一個塊形成，只有塊的引數和值發生了變化），子圖形名稱錯誤（新角色預設名稱的遺漏，例如Sprite1, Sprite2），出現無用程式碼（部分程式沒被執行），以及專案屬性沒有得到正確的初始化。
（c）使用各種程式設計指令，避免留下任何“無用程式碼”，確認學生是否深刻理解了計算思維的程式設計概念。
（d）在遊戲中新增複雜的手勢，以便確認學生是否理解了身體互動、空間、角度和幾何概念的抽象表現之間的聯絡。
關於第二個研究問題（RQ2），通過評估學生可交付成果（手工藝品和Kinect遊戲設計）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遊戲）上。各個組的最終成果（Kinect遊戲）由研究人員和學生進行評估，以便解答當前的問題，並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。
關於第三個研究問題（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遊戲），沒有小組退出，學生們最終制作出了11個Kinect遊戲（第一所學校6個，第二所學校5個），其中大多數遊戲（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牆壁障礙），也有一些虛擬特徵。另外三個遊戲（3/11, 27%）以非現實場景為基礎，或主角來自漫畫書（大決戰、冰河時代、海綿寶寶）。每組學生都為遊戲取了名字。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) 關於學生開發遊戲過程中存在的6個計算思維（CT）概念。
如表5所示，所有專案中，獲得較高值的概念為抽象化、使用者互動和並行，有兩個專案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。所有小組的最後得分都被評為“精通”，因為他們在1-18的等級量表中得分均超過15分。
(b) 學生使用了程式設計中常見的最佳操作：如表6所示，學生使用了所提倡的最佳操作，避免了常見的程式設計錯誤，如指令碼重複、錯誤的子圖形名稱、出現無用程式碼和未初始化子圖形的屬性等。
(c) 所製作遊戲的複雜度：Scrape工具的定量分析表明，學生們因為使用了各種各樣的程式設計指令（每場遊戲的平均程式設計指令數：966）、指令碼（每場遊戲的平均指令碼數：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，每組學生平均每場建立了13.09箇舊版本。最後，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，除錯/更新遊戲，並正確選擇了身體關節和手勢的演算法。
(d) 由於使用者互動的需要，我們創造了複雜的手勢，來了解身體互動、空間和角度、幾何概念的抽象表現之間的聯絡：對遊戲中的自然使用者互動手勢的分析表明，7/11的遊戲（63.64％）需要執行2個或3個姿勢，10/11個遊戲（90.91％）的編碼用於追蹤4到9個不同的身體關節。例如，學生通過追蹤7個身體關節來模擬攀爬姿勢，以便提高準確性，同時必須表現2種不同的身體姿勢。另外一組學生在遊戲中使用了9個不同的身體關節。此外，7/11的遊戲（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於製作更好的遊戲，還有助於他們學習如何與人合作、協作，以及如何參與角色扮演展示。老師們表示，學生通過合作來為遊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遊戲設計）的質量來檢驗所提倡方法是否成功實施。我們使用文獻裡的設計評估標準對學生手工藝品設計（故事板和設計檔案）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遊戲質量由學生和參與的研究人員（本研究的發起者）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中的資料顯示，遊戲的可用性得分很高。一些重要標準的得分也很高，例如（i）在遊戲過程中吸引使用者的注意力，（ii）提供的指令（訓練和幫助）和（iii）在遊戲環境中輕鬆導航的能力。此外，因為測試時遊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：學生們最後一個調查問卷的回答表明：(i) 96.56%的學生喜歡這個專案，(ii) 72.41%的學生表示製作Kinect遊戲讓他們受到鼓舞，(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）：儘管學生和老師之前都沒有此類專案的經驗，但大多數學生對以下幾個方面表示滿意：
· 學習資源、專案期限和專案結構（69%）。
· 電腦科學老師和同學給予的指導（75.86%）。
· 首席研究員給予的支援和鼓勵（93%）。
關於遊戲的製作過程，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專案中的原理（跟隨具體的步驟和操作），以便在系統化的程序中製作自己的Kinect遊戲。
兩位老師對於該方法上述的因素/組成部分表示滿意。
3. 他們對於時間管理和難度的看法
老師的回答表明，他們願意延長該專案的期限，主要關注開發階段。此外，學生的回答表明，在為期8周的專案中，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”來升級他們的遊戲，修復軟體故障或通過製作更好的遊戲版本來繼續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新教學方法的必要性，幫助孩子們習得計算思維和程式設計技能。本論文提出了一種新的教學方法，主張系統設計以運動為基礎的體感式Kinect遊戲，以提高學生的思維能力。學生明白設計遊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複雜的程式設計命令/概念，開發出了高質量的遊戲，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，屬於程式設計課程的快速數字遊戲製作，可以挖掘計算思維的潛力。與其他遊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遊戲製作方法，有助於提高學生的社交技能（合作、協作）。最後，以運動為基礎的Kinect遊戲反覆的設計和製作過程，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，通過開發中度精確的遊戲，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互動、空間、角度、幾何概念的抽象表現之間的聯絡。更多關於這一創新方法應用的評估研究正在進行中，這些評估研究將有助於該研究成果的推廣。
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