编译：沐文媛 东南大学脑与学习科学系
研究生导师：柏毅 夏小俊
作者：Friday Joseph Agbo, Solomon Sunday Oyelere, Jarkko Suhonen & Markku Tukiainen
【摘要】：计算思维（CT）已成为当今的一项基本技能。对于年轻的学生来说，需要CT能力来为他们未来的工作做准备。这种能力可以促进学生对编程知识的理解，这对许多追求计算机科学学位的新手来说是一个挑战。这项研究的重点是设计和实施一个基于虚拟现实（VR）的游戏应用（iThinkSmart）来支持CT知识。该研究遵循设计科学的研究方法来设计、实施以及评估VR应用的第一个原型。来自尼日利亚一所大学的47名计算机科学专业的学生自愿参加一项实验来对该原型进行初步评估。为了确定什么是有效的，在iThinkSmart VR游戏化应用中哪些是可行的，哪些是需要改进的，我们随机组成了两组，分别为实验组（n=21）和对照组（n=26）。我们的研究结果表明，VR可以提高学生的积极性，从而提高学生的CT技能，这有助于了解VR在教育中的作用，特别是为利用CT概念的可视化来促进编程教育提供证据。此外，研究还表明，玩过基于iThinkSmart游戏应用的获得了更高的认知收益，并提高了对学习CT概念的兴趣和态度。尽管还需要进一步调查，以便获得对学生学习过程的更多了解，但本研究在高等教育背景下对CT的定位做出了重要贡献，并提供了关于使用教育性VR小游戏能够提高学生学习成绩的实证证据。
【关键词】：计算思维、虚拟现实、沉浸式、智能学习、教育小游戏、尼日利亚。
一、介绍
培养计算思维（CT）技能，如解决问题和递归思维，是高等教育机构计算机科学学生的重要知识。根据欧盟委员会的公民数字能力框架，问题解决的能力是每个公民需要的八个能力水平之一。然而，最大的问题是这是否能够在非洲实现，许多非洲国家仍努力在中学阶段引进和维持计算机学习。教育游戏和基于游戏的学习已被研究并确定为向年轻学习者展示CT和解决问题技能的一种方式。如今，已经探索了由沉浸式虚拟现实（VR）技术支持的教育游戏，来为CS教育提供有用的干预。事实上，最近的一项研究表明，沉浸式VR游戏应用程序如何提高学生的常识、创造性思维和系统推理，这些是CT的要素。学习者和学习对象之间的互动有助于增强学习者的认知益处和反思思维。本研究背景下的认知益处是指从CT活动中获得的计算能力、推理能力、批判性思维和记忆等能力。
此外，专家们声称，当学生参与构思、创造的学习过程时，他们的认知能力会有所提高，并且实施教育干预来支持他们自己的学习，同时通过体验学习来获得知识。因此，本研究旨在演示与学生共同设计完成的第一个教育工具原型-基于iThinkSmart VR游戏的应用程序来帮助理解CT知识。实施基于iThinkSmart VR游戏的应用程序背后的动机是尼日利亚高等教育学院缺乏交互式、互动性和激励性的CT概念教学方法。
1.1目的和研究问题
当学生通过理论方法学习CT概念时，他们可以获得抽象的知识，但这些知识可能无法增强他们的理解力，因此，可视化的CT概念教学方法可能对学生有所帮助。因此，本研究利用体验式学习理论与学生共同设计迷你游戏，随后将这些迷你游戏概念细化为VR应用程序，作为可视化CT概念的一步，可以填补已识别的学习空白。该研究包括基于设计科学研究方法的原型开发。这项研究考察了增加和使用沉浸式VR 3D耳机来玩迷你游戏，如《河内塔》游戏如何影响学生的动机，以及这反过来如何影响学生CT技能。因此，该研究试图为以下研究问题提供答案：
RQ1基于iThinkSmart VR游戏的应用程序在多大程度上提高CS学生的计算思维能力？
RQ2尼日利亚大学的CS学生通过玩基于iThinkSmart虚拟现实游戏的应用程序，与通过非虚拟现实游戏和传统授课方法学习的学生相比，是否获得了更高的计算机思维认知收益？
RQ3通过iThinkSmart VR游戏应用程序学习计算思维概念的CS学生是否比通过非VR游戏和传统授课方法学习的学生有更高的学习兴趣和态度？
二、方法
设计科学研究方法论
DSR是关于“设计和制造人工制品以实现目的，然后测试和验证它们是否确实适合目的”。DSR方法学如今已在以创新和信息系统为中心的研究中流行，以弥合学术研究成果与实际工业实践之间的差距。根据Venable的说法，DSR源于工程和其他应用科学，由赫伯特·西蒙在20世纪90年代中期提出。从那时起，DSR被广泛应用于不同的学科。在CS教育领域，Naidoo等人展示了DSR如何促进计算人工制品的创新和严谨。因此，计算机科学学者一直在进行研究，要么生产人工制品以使用DSR方法学解决实际问题，要么设计支持DSR在该领域使用的理论框架。
在Johannesson和Perjons进行的研究中，DSR方法明确由五个相互关联的活动组成。根据Johannesson和Perjons的说法，DSR为研究人员组织工作提供了机会以便获得优质结果。因此，Johannesson和Perjons提出的五项具体DSR活动包括（i）问题解释，（ii）需求定义，（iii）设计和开发工艺品，（iv）艺术事实演示，（v）艺术品评估。这些活动可以迭代执行，甚至可以线性执行，这取决于如何验证DRS方法产生的干预措施，以解决或满足研究中描述的期望。
三、iThinkSmart虚拟现实游戏应用程序
3.1 解释程序开发背后的问题
DSR的问题解释阶段探索了访谈和问卷调查方法，以吸引利益相关者参与，以检查围绕尼日利亚高等教育中CT和程序设计概念的教与学的具体问题。此外，我们之前的研究还专门调查了尼日利亚高等教育学院学生对实施智能学习环境的准备情况，以支持CT技能和编程教育。
3.2 iThinkSmart VR游戏应用程序的设计和开发
在设计iThink智能原型时，我们利用VR技术和基于游戏的方法作为媒体，促进学习活动。尽管关于使用虚拟现实环境促进具体主题学习的有效性的讨论已经持续了20多年，但最近的研究表明，在各种环境中使用沉浸式虚拟现实进行教学的潜力。
图1 模型视图控制器服务的Unity游戏架构
MVCS是一种高级架构，采用Unity中的工业标准。Unity目前是世界各地业余和专业游戏开发商使用的最流行的游戏引擎之一。此外，iThinkSmart VR游戏通过应用Chaichumba和Temdee的目标距离模型来计算学习者的CT能力。OD模型通过应用等式1中的公式来衡量球员的能力。
其中，ODi=学习对象实例i的目标距离；Si=学习对象实例i的满意分数；Ci=学习对象实例i的当前分数；并且Ti=学习对象的实例i的总得分；i=1,2,3，……
四、演示基于iThinkSmart VR游戏的应用程序
如前所述，在基于iThink Smart VR游戏应用程序中开发的每个迷你游戏都专门针对使用可视化来教授CT概念中的学习对象单元。二十多年来，计算机科学教育工作者一直在追求编程概念的可视化。这项研究加强了可视化在增强学生学习经验以培养他们的问题解决能力方面的应用，这反过来将提高他们的编程技能。iThinkSmart应用程序中包含的迷你游戏包括（i）过河，（ii）帕蒂山寻宝和（iii）河内塔。
图2 渡河小游戏
4.1渡河小游戏
渡河问题是一个已知的难题，教授数学、计算机科学和工程领域的问题解决，主要与人工智能算法有关。根据Ratnadewi等人的说法，河流穿越难题可用于演示解决宽度优先搜索算法的AI方法。此外，CS中的优化概念可以通过使用需要优化操作以获得最佳解决方案的渡河难题来传授。图3所示的基于iThinkSmart VR游戏的应用程序中实现的渡河问题允许学生应用组合、逻辑和逆向工程的数学知识来安排项目以获得最佳解决方案。认知学者证明，在高度互动的环境中玩渡河游戏可以促进学习和认知。
4.2帕蒂山寻宝挑战
帕蒂山猎宝是一个通过与学生共同设计过程概念化的迷你游戏。帕蒂山，海拔超过1500英尺，位于尼日利亚中北部。学生们通过玩由CT问题组成的谜题，将攀登这座山的过程进行游戏化，以解开它的宝藏，如图4所示。玩家只有通过正确及时地回答需要批判性思考的谜题问题，才能在攀登山顶上取得进展。玩家提供正确答案将获得积分奖励。
图3 帕蒂山寻宝游戏
4.3河內塔挑战
通过使用数学函数向CS学生教授递归可能具有挑战性，因为学生可能无法通过这些方法建立概念的心理模型。根据Butgereit的说法，使用《河内塔》、《旅行推销员》或《道路检查员》等游戏可以增强对递归概念的记忆理解。因此，基于iThinkSmart VR游戏的应用程序将图5所示的河内塔整合为一款迷你游戏，在体验VR环境中的游戏时，通过可视化提高学生的CT技能。
表1提供了关于每个迷你游戏的信息，以及它们所针对的CT知识，以支持学生获得。
图4 河內塔挑战
五、基于iThinkSmart VR游戏的应用程序评估
iThinkSmartVR迷你游戏的初始评估是在尼日利亚北部的一所大学进行的。为了评估学生在CT能力方面的学习成绩，进行了前后测试，同时还进行了问卷调查，以收集关于学生使用该工具学习CT的态度和兴趣以及他们从玩迷你游戏中获得的认知益处的定量数据。
图5
六、数据收集工具
本研究从实验的两个主要阶段收集数据。数据收集的第一阶段是测试前数据，而第二阶段是测试后和测试后问卷。后测试包括针对初学者的CT能力测试的十二个选择题。采用BCTt进行后测问题的理由是，它为研究者提供了一个机会，可以开发带有适当任务的多项选择题，客观评估学生的表现。与其他CT评估策略相比，基于性能的测试是一种最近引起学者兴趣的CT评估方法。另一方面，测试后的问题在Kahoot游戏中进行，由控制组的参与者进行。每个测试的总加权分数和两组的满意分数相同。虽然在实验组的游戏过程中实时收集了基于OD模型的玩家CT能力得分数据，但控制组参与者的数据以逗号分隔值文件的形式从Kahoot下载，并使用OD公式手动计算。
七、CT能力
为了评估基于iThinkSmart VR游戏的应用程序在多大程度上提高CS学生的CT能力，我们计算了实验组（n=21，通过iThink智能学习CT概念）和对照组（n=26，通过传统授课方法学习CT概念。分析了他们的得分，并将其列在表2中。根据表2中的独立t检验结果，实验组的平均得分（μ）为8.81，而对照组的平均分（μ）分别为6.96。实验组的21名参与者（μ=8.81，σ=2.70）与对照组的26名参与者（β=6.96，σ=2.36）相比，CT能力得分显著提高，t（45）=2.51，p=0.016。
此外，计算影响大小d（即平均值μ1-μ2除以任一组的标准差σ），以研究t检验结果的强度。科恩定义“d=0.2”表示“小”效应大小；“d=0.5”表示“中等”效果大小，“d=0.8”表示“大”效果大小。在这项研究中，d值为0.74，这表明效果几乎很大，这意味着通过iThinkSmart VR游戏应用程序学习CT概念的人与使用传统讲座方法学习CT概念相比，获得了更多的CT能力。这一发现证明了iThinkSmart VR迷你游戏作为教学CT概念的教育干预的有效性。
八、CT认知益处
第二个研究问题旨在考察玩iThinskSmart VR迷你游戏的学生与使用传统授课方法学习CT概念的学生相比，是否从CT中获得了更高的认知益处。为了解决这个问题，使用了认知益处后问卷的平均得分数据。
表3中的t检验结果表明，实验组的平均得分为4.48，而对照组的平均分为4.00。比较平均值显示出统计学上的显著差异（t=3.96，p<0.05），这意味着通过玩iThinkSmart VR迷你游戏学习CT概念的实验组学生与通过传统授课方法学习CT概念时的对照组学生相比，获得了更高的认知益处。
九、CT学习兴趣和态度
根据实验后学生对学习CT的兴趣和态度，我们使用他们问卷后的平均得分来分析和比较实验组和对照组。该分析结果见表4。在学习兴趣方面，实验组和对照组的平均得分分别为4.46和4.03，而在学习态度方面，实验和对照组分别为4.42和3.92。
根据表4中获得的结果，实验组和对照组在完成问卷后学习CT概念的兴趣方面的平均得分具有统计学意义（t=3.82，p<0.05），表明与不使用教育游戏学习CT概念的学生相比，玩iThinkSmart VR迷你游戏的实验组学生对学习CT概念有更高的兴趣。此外，研究结果还表明，与不玩iThinkSmart迷你游戏的学生相比，玩iThink智能迷你游戏的孩子表现出更高的CT学习态度（t=6.34，p<0.05）。
表4 CT学习兴趣和态度问卷后t检验结果
十、结论
在这项研究中，作者展示了一个基于VR游戏的应用程序是如何设计和实现的，该应用程序旨在通过迷你游戏支持CT技能。该研究遵循DSR方法，分阶段设计、实施、演示和评估应用程序。VR应用程序的评估是通过从尼日利亚一所大学招募自愿参与实验过程的CS学生进行的。为了确定基于iThinkSmart VR游戏的应用程序的有效性，实验由两个随机选择的组组成。该研究调查了学生的CT能力，检查了学生在完成实验后的认知益处、学习CT的兴趣和学习CT概念的态度。
研究结果表明，基于iThinkSmart VR游戏的应用程序提高了学生的CT能力，因为实验组展示了更多的问题解决、算法思维、问题分解、抽象、模式识别和递归思维技能。这些CT概念被整合到通过VR进行CT教学的改编迷你游戏中，并形成了实验过程中使用的传统方法的内容。研究表示，实验组的学生比对照组的学生获得了更高的认知益处，并且对于CT概念的学习也有更大的兴趣。这项研究也有助于了解如何利用VR和基于游戏的学习来调节学习。此外，这项研究还建议，教育VR开发者可以使用低成本的HMD和手动控制器。教育工作者也应考虑在CT课上使用VR迷你游戏，以提供更有效的学习成果。
本文是学者Friday Joseph Agbo, Solomon Sunday Oyelere, Jarkko Suhonen & Markku Tukiainen于2022年10月发表在SPRINGER
Education Tech Research Dev（施普林格·教育技术研究发展）的论文
DOI：https://doi.org/10.1007/s11423-022-10161-5
转自：“百研工坊”微信公众号
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