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. 译者：Diana Qi. 编辑：尔瑞. 图源：百度.
摘要：过去几年，学生们对于制作数字游戏的兴趣日益增强，并借此增强思维能力。一些研究检验了制作数字游戏的影响，结果十分乐观，在促进发展21世纪所需技能上尤其如此。然而，许多学生似乎难以更加深入地理解游戏开发的过程。此外，他们往往还难以将各个学科（主要是数学和物理）中的概念有意识地运用到游戏制作中来，也难以在制作高级编程指令时运用这些概念。本研究提出了一种创新的游戏制作方法，该方法提供了一系列步骤，用于系统设计和快速开发以运动为基础的体感式游戏，即基于自然的用户交互的游戏，如微软的Kinect传感器。两所中学的评估研究结果表明，这种方法可以提高学生的学习动力，增强学生的计算思维，促进学生对几何原理的理解，提升学生的社交技能。
1. 介绍
过去十年，人们对检验数字游戏的教育潜力有着浓厚的兴趣，以求寻找一种有吸引力的方式来促进学生多种技能的发展。虽然相关研究的结果非常乐观，但许多学生难以深入，系统地理解游戏开发的周期过程。这主要是因为学生往往只关注游戏开发过程中的某一阶段，比如只关注游戏设计阶段，或者花费大量时间和精力使用专业制作工具，增强自己制作游戏的能力。因此，学生没能参与到系统的设计和开发过程中，也就不能增强高层次的思维技能，比如问题解决能力、计算思维、交流与合作能力。此外，近期的研究表明，学生往往不能有意识地将数学和物理等学科中的知识原理运用到游戏中去，也不能理解编程入门诸多公理的使用，如变量、循环和布尔运算符。
本论文呈现了一种通过游戏制作，培养多种思维技能的创新方法。更具体地说，本文会要求学生系统地设计并创造出，与交互式Kinect游戏中度相似的、以运动为基础的传感器，以提高学生的积极性，促进学生对几何原理的学习和理解，改善学生的编程技能。自从基于运动的体感技术成为人机交互领域（又称“自然用户交互”，NUI）的新趋势，这种类型的交互游戏似乎激发了学生的参与积极性。研究人员表示，对于这类用手势和肢体动作代替键盘、鼠标或操纵杆的游戏，学生表现出了极大的兴趣和积极性。此外，学生参与以Kinect为基础的学习活动，可以增强他们的注意力，调动他们融入课堂的积极性，并推动他们进行讨论和头脑风暴。促使学生成为体感式游戏的创造者，而非仅仅是参与者，非常具有建设性，尤其是对动觉型学习者来说。这些学生需要移动整个身体来处理复杂的新信息。与此同时，学生在设计游戏时，必须在立体空间中理解，并推理各个物体的空间关系。设计并开发Kinect游戏，有利于孩子们在身体、空间、角度及几何概念的抽象表现之间建立强烈的联系。
虽然Scratch以及Kinect2Scratch等工具有助于学生和老师在开发体感游戏时突破技术限制，但据了解，很少有研究来检验制作此类游戏的好处。直到最近，人们才开始重视检测这类游戏作为学习工具的学习效果。本文讨论了这一开放性研究课题，即学生系统设计并开发以运动为基础的体感游戏，能够增强学生的思维技能并提高学生的积极性。
本论文的结构如下：首先，简要概述文献中相关的游戏制作方法，这些方法促进了对创新教学方式的提出。其次，给出了创新型教学方式的要素，即阶段/具体步骤、工作表、手势卡片示例等，可以帮助孩子们理解游戏中的自然用户交互机制。接着，该论文给出了对两所学校真实环境的评估细节（如参与者、评估框架和数据收集工具）。最后，该论文讨论了研究结果和未来的研究方向。
2. 学生是游戏的设计者和开发者
数字游戏的创造是个十分庞杂的问题，为了让学生解决这一问题，并且深入理解游戏开发的生命周期，学生应该将问题分解为几个更简单的小问题。尽管游戏开发生命周期(GDLC)的指导方针特点不同，优缺点共存，但有三个阶段是共通的：“（一）设计和原型：游戏设计初稿和游戏概念的创作过程，并制作出可用的原型；（二）生产：制作源代码，创造硬件，将其融为一体；（三）测试：游戏测试的过程，无论游戏的测试人员是内部团队还是第三方测试人员。学生应该识别出这三个核心阶段的必要内容。
为了让学生设计出游戏理念，创造出可用的原型，他们应该系统地作出与游戏要素有关的决定，这些要素应该如何相互关联并保持平衡，以便创造出理想的流，产生积极的用户体验（可玩性）。根据Gamestar Mechanic teacher pack，游戏设计的五个核心要素是：空间、目标、机制、规则和组件（例如头像、敌人和街区）。设计师通过头脑风暴，与其他团队成员进行合作，并作出与游戏系统的设计和分析有关的重要决策，这对于提高问题解决能力和思考能力至关重要。此外，白板可以帮助学生快速将游戏流程可视化，从而仅通过纸笔就可以创作出低相似度的游戏。在某些情况下，有形卡片可以作为区分游戏元素的学习工具，或者帮助学生产生创造性的游戏创意，有助于游戏设计。
过去十年，研究人员和教育工作者使用了Scratch, Kodu, GameMaker和 AppInventor等专业工具来满足生产阶段的需要，帮助学生快速制作他们的游戏。麻省理工学院媒体实验室的Scratch是其中一个受欢迎，并且易于使用的编程语言。它是一种创造故事情节、游戏和动画的工具，主要在中小学得以应用。许多中学生之前已经用过Scratch，这促进了未来更先进研究的快速实施，解决了学生和老师初期的开发问题。
麻省理工媒体实验室、Scratch之父米切尔·雷斯尼克演示Scratch体感游戏设计程序。他手中的操作杆可以控制屏幕中的自行车方向盘。
游戏开发完成后就进入了测试阶段，这一阶段不仅对于排错来说很重要，还让参与者有机会将他们最初的目标和要求与可交付的成果（设计文件、故事版和录音样带）相匹配。因此，可以使用定性分析和定量分析，尤其是通过多种渠道使用，提高研究的可信度。常见的评估工具包括实地观察记录、音频/视频记录数据、可交付成果收集、访谈、评估表格和准则以及事前/事后调查，用以评估学生的态度、积极性和编程理念。此外，还有免费的网络工具可以自动探索学生Scratch文件中的编程理念，如Dr. Scratch和Scrape。
3. 提倡的方法
3.1 提倡的游戏设计和开发阶段
所提倡的教学方法包括6个阶段。（图1）
图1. 所提倡的游戏设计和开发阶段
阶段0（介绍）通过实际的Kinect案例和游戏测试样片，向学生介绍课程结构、目标、时间表和自然用户交互（NUI）。此外，还要为学生提供工作底稿，帮助他们在使用Scratch（例如创建子图形和服装）的过程中更新此前的认识，并向其介绍一些编程指令（if, if-else, forever, repeat, events and variables），这些对于教学方式的实施十分有必要。学生需要使用工作底稿，在一个学期内完成八个Scratch教学活动。最后，教师需要使用结构化的在线调查问卷，获取学生相关学习资料。
阶段1（理解NUI）让学生有机会使用Scratch, Kinect2Scratch和Kinect传感器，设计、创造并测试肢体动作和手势。我们会为参与者提供多媒体教学材料，以便介绍自然用户交互技术（NUI）。为了提高学生的兴趣并帮助他们进一步了解NUI，我们创造了四十种手势，分为四个难度等级（图2），制作了手势卡片（图3），并将其用于教学游戏活动中，以便加深理解。每组学生随机选择6张卡片（2张绿色，2张蓝色，1张橙色，1张红色），然后摸索出正确的算法。学生在Scratch编程中也用到了微软的Kinect感应器，以便进行真实的游戏测试。
阶段2（设计一款Kinect游戏）中，学生在决策过程中设计游戏，他们在游戏设计文件中描述他们的理念、目标人群和游戏的五个核心要素（空间、游戏目标、化身/敌人的游戏界面、核心机制和规则）。此外，学生使用故事板画出了游戏景图，为大家展现有逻辑的结构、高效的框架，这也是对他人方案的指导。我们也提供了以下工具，便于学生对游戏质量进行思考和自评：
1. 设计手工艺品（故事版和游戏设计文件）的评估题目。
2. 游戏评估表（李克特五点量表）包括13个标准，以通用的游戏设计启发式教学和两个关于游戏利弊的公开问题为基础（附录A）。
阶段3（开发）和阶段4（游戏测试和评估）被视为开发、测试、内部评估和排错的快速循环过程。开发阶段的学习资源包括：不完整的样片、手势示例库和工作底稿。在外部评估（阶段4）期间：(a) 每组学生在课堂上展示他们的游戏，(b) 其他组也要进行测试，对制作的Kinect游戏进行评估。最后，阶段5可作为可选阶段，也可以作为附加阶段，学生可以基于阶段4中得到的反馈，对游戏进行改善。但实际上由于时间限制，游戏制作过程往往在阶段4就结束了。
3.2 时间轴和可交付成果
此方法似乎适用于中学生（12-15岁），他们对专业编程工具的使用经验有限（所以主要用的是Scratch等工具）。我们要求的时间期限是8至9周，这取决于学生此前的Scratch经验和编程理念。
学生在习惯了上述四个游戏制作设计和开发阶段之后，必须提交不同的可交付成果，如表1所示。
4．评估研究
4.1 背景
本研究在希腊雅典的两所市区中学展开，为期九周（2017年3月-4月）。两所学校都把对编程和游戏感兴趣的学生组成了俱乐部，以便实施提倡的游戏制作方法。第一所学校的学生在校内完成这些任务，而另一所学校的学生则在放学后完成任务。学生每周会花费一节课的时间来进行这一项目，课时约为1.5小时（90分钟）。由于时间限制，选修的阶段5没有实施。
该项目实施前一个月，计算机科学（CS）老师拿到了内容包，包括此方法的学习资源、硬件（Kinect感应器）以及此研究要探索的问题：
该教学方法实施后，学生的思维技能是否得到了加强？
推荐的教学方式是否得以成功实施？在学校环境下得以按计划进行？
推荐的教学方式是否受参与者欢迎？
4.2 参与者
参与研究的有22名学生（平均年龄15岁），其中12名学生（10名男生，2名女生）来自第一所学校，另外10个学生（6名男生，2名女生）来自第二所学校。所有学生均为自愿参与该研究。他们表示，开发以运动为基础的体感游戏，似乎极大地调动了他们的积极性和兴趣。每个老师根据参与者的情况（将不同技能水平的参与者混合分组）将其两两分组，共分为了11个组。
关于学生的情况，最初的网络调查问卷结果表明：
· 45.45%至68.18%的学生在他们的STEM课程（物理、数学、化学、计算机科学）中取得了优异成绩（18-20分/20分）。
· 大多数学生（55.71%）没有或很少玩Kinect游戏，没有或几乎没有参与过其它游戏的设计/开发活动。
· 所有参与者都使用过Scratch；然而，仅有17.24%的参与者表明自己有自信（李克特五点量表中为水平4-5）。
· 学生起初的基本目标为编程。对于“你参加这一项目的理由有哪些？”这一问题，我们对学生们的回答进行了分类，如表2所示。
最后，计算机科学（CS）教师们执行了这次研究，对学生的任务进行了协调，并在需要时提供帮助。首席研究员参与了几次研究，并进行了观察，在必要时也对老师和学生提供了支持。
4.3 数据收集
我们在研究过程中收集了定性和定量数据。每个研究问题（RQ）的评估工具如表3所示。由于该研究的需要，我们对这些工具进行了轻微调整（例如，添加了更多与以运动为基础的游戏和自然用户交互相关的具体问题）。
关于第一个研究问题（RQ1），这个问题检测了学生的计算思维技能（CT skills）和社交技能的高层次思维技能是否有所提高。
为了了解学生的计算思维技能是否有所提高，我们对学生的游戏（Scratch文件）进行了深入分析，以便：
（a）检测学生的计算思维技能（CT）。这些技能可以体现学生在以下六个方面的计算思维竞争水平：流控制、抽象化、用户交互、同步性、并行和逻辑。有了Scrape工具和Dr. Scratch评估标准，我们将每个计算思维概念的得分相加，得到每个项目的计算思维总体得分。得到6分的为基础等级，7-12分的为中等，12分以上为精通[26]。
（b）确认学生是否能规避编程中的常见错误，这些错误包括脚本重复（两个程序由同一个块形成，只有块的参数和值发生了变化），子图形名称错误（新角色默认名称的遗漏，例如Sprite1, Sprite2），出现无用代码（部分程序没被执行），以及项目属性没有得到正确的初始化。
（c）使用各种编程指令，避免留下任何“无用代码”，确认学生是否深刻理解了计算思维的编程概念。
（d）在游戏中添加复杂的手势，以便确认学生是否理解了身体交互、空间、角度和几何概念的抽象表现之间的联系。
关于第二个研究问题（RQ2），通过评估学生可交付成果（手工艺品和Kinect游戏设计）的质量，来检验所提出方法的实施是否成功。手工艺品设计仅由参与的研究人员（本研究的发起者）使用评估量表进行评估。此外，我们将重点放在了学生最终的可交付成果（Kinect游戏）上。各个组的最终成果（Kinect游戏）由研究人员和学生进行评估，以便解答当前的问题，并通过比较参与者的分数（学生和研究员的最终分数）来评估李克特五点量表的完整性和清晰度。
关于第三个研究问题（RQ3），通过现场观察和问卷调查的形式，我们检验了以下几个方面，从而检测所提出方法的接受程度：
1. 对所提出方法的正面感受。2. 对此方法的具体要素/构成的满意度。3. 对时间管理和困难度的思考（开放性问题）。
5. 结果
11个小组都按要求及时提交了可交付成果（设计原型和Scratch游戏），没有小组退出，学生们最终制作出了11个Kinect游戏（第一所学校6个，第二所学校5个），其中大多数游戏（8 / 11，73％）根据现实世界的场景进行改编（如攀爬、拳击、抓捕、网球模拟赛、目标瞄准、模仿各种奇怪的姿势以通过墙壁障碍），也有一些虚拟特征。另外三个游戏（3/11, 27%）以非现实场景为基础，或主角来自漫画书（大决战、冰河时代、海绵宝宝）。每组学生都为游戏取了名字。学生成果示例在表4中呈现。
5.1 此方法的使用是否提高了学生的思维技能？（RQ1）
通过检测计算思维技能（CT技能）和社交技能，得出学生思维技能有所提高。
(a) 关于学生开发游戏过程中存在的6个计算思维（CT）概念。
如表5所示，所有项目中，获得较高值的概念为抽象化、用户交互和并行，有两个项目在同步性和逻辑上的值较低。大多数小组的流控制值不高，因为他们没有使用”repeat-until"指令。所有小组的最后得分都被评为“精通”，因为他们在1-18的等级量表中得分均超过15分。
(b) 学生使用了编程中常见的最佳操作：如表6所示，学生使用了所提倡的最佳操作，避免了常见的编程错误，如脚本重复、错误的子图形名称、出现无用代码和未初始化子图形的属性等。
(c) 所制作游戏的复杂度：Scrape工具的定量分析表明，学生们因为使用了各种各样的编程指令（每场游戏的平均编程指令数：966）、脚本（每场游戏的平均脚本数：156）、子图形（每场比赛的平均子图形数：33）和子图形服饰costumes（每场比赛的平均服饰数量：43），深刻理解了计算思维概念。此外，每组学生平均每场创建了13.09个旧版本。最后，研究人员的现场笔记显示，学生们使用逻辑、流控制和抽象技术来表达他们的观点，调试/更新游戏，并正确选择了身体关节和手势的算法。
(d) 由于用户交互的需要，我们创造了复杂的手势，来了解身体交互、空间和角度、几何概念的抽象表现之间的联系：对游戏中的自然用户交互手势的分析表明，7/11的游戏（63.64％）需要执行2个或3个姿势，10/11个游戏（90.91％）的编码用于追踪4到9个不同的身体关节。例如，学生通过追踪7个身体关节来模拟攀爬姿势，以便提高准确性，同时必须表现2种不同的身体姿势。另外一组学生在游戏中使用了9个不同的身体关节。此外，7/11的游戏（63.64%）使用了1个以上姿势（2至4个姿势）。
图4中呈现了学生社交技能改善的成果。学生的回答表明小组工作不仅有助于制作更好的游戏，还有助于他们学习如何与人合作、协作，以及如何参与角色扮演展示。老师们表示，学生通过合作来为游戏产品寻找最佳的解决方案，所以他们在小组中的工作非常出色。老师们还提到，当一个小组成员和其他小组合作时，他们提供的反馈很有用，或者他们的想法会发生转变。
5.2 所提倡的教学方法是否成功实施，是否能在学校的环境下按计划进行？(RQ2)
通过评估学生可交付成果（作品手工艺品和Kinect游戏设计）的质量来检验所提倡方法是否成功实施。我们使用文献里的设计评估标准对学生手工艺品设计（故事板和设计文件）的最终版本进行了评估，结果见表7。
上述结果显示，大多数设计原型（9 / 11，82％）满足了设计要求，不过存在一些缺陷（设计不清晰，一般描述或含糊描述）。另一方面，2/11的手工艺品设计（18％）存在许多操作缺陷（故事板结构不清晰，故事框架或转折点没有交代，以及设计不够清晰，需要修改）。
此外，Kinect游戏质量由学生和参与的研究人员（本研究的发起者）使用李克特五点量表（附录A）进行评估，该量表包括十三个标准（文献中常见的启发式教学评估）。评估表格标准的完成结果如图5所示。
图5. 评估表格标准的完成结果
图5中的数据显示，游戏的可用性得分很高。一些重要标准的得分也很高，例如（i）在游戏过程中吸引用户的注意力，（ii）提供的指令（训练和帮助）和（iii）在游戏环境中轻松导航的能力。此外，因为测试时游戏的功能出现了一些问题，所以有效性和反馈的得分较低。
5.3 所提倡的教学方法是否为参与者所喜欢？（RQ3）
我们检验了以下几个方面，从而检测所提倡方法的接受程度：
1. 对所提出方法的正面感受。
2. 对此方法的具体要素/构成的满意度。
3. 对时间管理和困难度的思考（开放性问题）。
1. 对所提倡方法的正面感受：学生们最后一个调查问卷的回答表明：(i) 96.56%的学生喜欢这个项目，(ii) 72.41%的学生表示制作Kinect游戏让他们受到鼓舞，(iii) 93.10%的学生会鼓励自己的同学参加类似活动。老师们的回答和学生们的一致（师生一致选择了“强烈认同”这个选项）。
2. 对此方法的具体要素/构成的满意度（强烈认同和认同）：尽管学生和老师之前都没有此类项目的经验，但大多数学生对以下几个方面表示满意：
· 学习资源、项目期限和项目结构（69%）。
· 计算机科学老师和同学给予的指导（75.86%）。
· 首席研究员给予的支持和鼓励（93%）。
关于游戏的制作过程，75.81%的学生强烈认同和认同：
· 他们很好地理解了这个领域的概念/原理。
· 他们学会了应用这一项目中的原理（跟随具体的步骤和操作），以便在系统化的进程中制作自己的Kinect游戏。
两位老师对于该方法上述的因素/组成部分表示满意。
3. 他们对于时间管理和难度的看法
老师的回答表明，他们愿意延长该项目的期限，主要关注开发阶段。此外，学生的回答表明，在为期8周的项目中，每个学生在家花费的平均额外时间总数为8.36小时（最少2.5小时，最长14小时）。大多数学生（15 / 22，68.18％）提到，他们本可以花费“更多时间”来升级他们的游戏，修复软件故障或通过制作更好的游戏版本来继续这一有趣的学习活动。学生和教师对这一经历的评论也证实了上述这些积极的成果。表8中列出了部分评论。
6. 讨论-结论
文献充分证明了开发新教学方法的必要性，帮助孩子们习得计算思维和编程技能。本论文提出了一种新的教学方法，主张系统设计以运动为基础的体感式Kinect游戏，以提高学生的思维能力。学生明白设计游戏意味着通过多种思维和行为技能，来解决结构有缺陷的问题。这是一个迭代和循序渐进的过程。对两所初中的研究结果表明，学生通过有效地应用复杂的编程命令/概念，开发出了高质量的游戏，从而增强了他们的计算思维能力。这些结果与其他研究的结果相当，其他的研究也表明，属于编程课程的快速数字游戏制作，可以挖掘计算思维的潜力。与其他游戏设计相关的研究类似，本研究表明，所提倡的以小组为基础的游戏制作方法，有助于提高学生的社交技能（合作、协作）。最后，以运动为基础的Kinect游戏反复的设计和制作过程，显然具有吸引力和极大的激励性。学生表示他们会推荐给同学。此外，通过开发中度精确的游戏，学生成功地改善了自身的空间思维。这是STEM课程成绩的重要预测因素，同时他们也理解了身体交互、空间、角度、几何概念的抽象表现之间的联系。更多关于这一创新方法应用的评估研究正在进行中，这些评估研究将有助于该研究成果的推广。
