随着计算机和互联网技术的发展,传统的学习方式正慢慢地发生改变。在线学习因为其克服了时间和地点的局限,受到人们越来越多的关注。但是,在线学习仍然是一个枯燥且缺乏互动性的过程,并不能从本质上提高学习者的积极性和效率。游戏化学习(Game-Based Learning,GBL)作为一种新的学习方式,结合计算机游戏和在线学习的优点,既满足了人们随时随地学习的需求,又增加了学习活动的趣味性。计算思维(Computational Thinking,CT)自2006年提出以来,在国内计算机科学界产生了强烈的反响,计算思维成为一种本质的、所有人都必须具备的思维方式,就像阅读、写作、算术一样。在当前的形势下,具备计算思维能力,能够运用计算机科学的思想和方法去解决各自专业领域的科学问题是高级人才必备的素质。因此,不仅大学的通识教育要承担起培养大学生计算思维能力的重要使命,而且还要充分利用现代技术平台来培养和造就具有计算思维能力的的人才。本文结合游戏化学习的高效率和趣味性,设计并开发出基于计算思维的游戏化学习(CT-GBL)系统。通过对计算机科学经典问题的游戏化设计与实现,在增加学习活动趣味性的同时,使学习者理解计算思维的基本原理和知识体系,培养其计算思维能力。具体来说,本文的主要研究内容包括:1.对计算思维理论进行一定程度的创新。从算法科学发展到算法思维、网络科学发展到网络思维、数据科学发展到数据思维、系统科学发展到系统思维四个维度阐述计算思维的内涵,将计算思维的抽象概念具体到计算机相关学科,使计算思维从思维活动层面发展到技术层面。2.重点研究了计算机科学的三个经典问题:汉诺塔问题、旅行商问题和八皇后问题。分析了经典汉诺塔问题及其推广问题的复杂性,验证了旅行商问题的几种优化方案以及八皇后问题解的特性,最后得出相应问题的游戏化学习指导意义。3.结合能体现递归、迭代、分治、回溯等核心概念的计算机科学基础问题,以及计算机科学经典问题的人物、情境、内容和目的等特点,提出一种模拟体验游戏化学习框架。4.以计算机科学经典问题为背景,设计并开发出基于计算思维的游戏化学习系统。该系统包含汉诺塔游戏软件、旅行商游戏软件和八皇后游戏软件,它们是计算思维和游戏化学习方式相结合的一种新尝试,通过在游戏中体现计算机科学的基础概念和基本算法,让学习者在体验游戏乐趣的同时理解计算思维,培养计算思维能力。