Опыт разработки и апробации цифровой образовательной игры по криптографии CryptoSpace

Размещено на http://allbest.ru

Национальный исследовательский Томский государственный университет

Опыт разработки и апробации цифровой образовательной игры по криптографии CryptoSpace

С.С. Федорович, Н.Н. Зильберман, Н.С. Смиян

Аннотация

Приход в школу поколения Z, а также новые требования работодателей к навыкам потенциальных сотрудников ставят вызовы системе образования. Одним из ответов на такие вызовы может стать применение цифровых игр в учебном процессе.

В статье описаны разработанная авторами цифровая игра «CryptoSpace» для спецкурса по информатике по теме «Криптография» и опыт ее апробации.

Целевая аудитория - учащиеся 7-8-х классов. Через формат игры учащиеся знакомятся с основными принципами криптографии и пробуют применять известные алгоритмы посредством самостоятельной дешифровки сообщений. информатика цифровой игра криптография

Ключевые слова: поколение Z, школьное образование, цифровые образовательные игры, цифровые технологии в образовании.

Abstract

Experience of developing and approving a digital educational game on cryptography

S.S. Fedorovich, N.N. Zilberman, N.S. Smiyan. National Research Tomsk State University

Generation Z comes to school, employers give new requirements to the skills of potential employees, these are challenges to the education system. One of the answers to such challenges may be the use of digital games in the educational process. This article describes the digital game CryptoSpace developed by the authors for a special course on computer science, on the topic “Cryptography” and the experience of its testing. Target audience: students in grades 7-8. Through the game, students get acquainted with the basic principles of cryptography and try to use well-known algorithms.

Keywords: Generation Z, school education, digital educational games, digital technologies in education.

В научном дискурсе можно встретить немало работ, где авторы актуализируют необходимость изменений школьного образования. Часто это обосновывают приходом нового поколения Z (рожденные после 2000-х гг. [1]), которое не готово обучаться в устоявшихся форматах [2-4].

Можно привести некоторые характеристики данного поколения:

• много времени проводят в виртуальном пространстве. Активно используют контент, связанный с музыкой, технологиями, развлечениями, спортом;

• хотят видеть четкую цель, чтобы проще ее достичь. Любят, когда им ставят конкретные задачи и требования.

• с трудом концентрируют внимание, но легко переключаются между задачами;

• информация часто усваивается отрывками за короткий промежуток времени, поэтому новому поколению сложно дается систематизация и обобщение информации, отсутствует полная картина понимания мира. Некоторые объясняют этот феномен как защитную реакцию организма на информационную перегрузку;

• ценят быструю обратную связь. Поколение Z привыкло, что в интернете в ответ на любое действие мгновенно появляется отзыв, будь то лайк, репост или комментарий [5].

Вторым аргументом для изменений называют новые требования от потенциальных работодателей. Помимо профессиональных навыков все чаще становятся востребованными так называемые soft skills. По прогнозам [6-8] в ближайшем будущем будут востребованы следующие умения:

• системный, целостный подход к решению проблемы;

• критическое мышление;

• креативность;

• умение работать в команде;

• эмоциональный интеллект.

Для тренировки таких навыков необходимо учить детей сотрудничеству, умению аргументировать свою точку зрения, быть креативными, видеть варианты развития событий и принимать верные решения и т.д. Этого можно достичь только при активном вовлечении детей в процесс обучения.

Иными словами, ребенку необходимо дать достаточно времени для такой практики, что в текущих условиях представляется сложным в связи с, например, большим количеством учеников и дефицитом времени. Необходимо изменить образовательную среду, методы обучения и подходы к роли учителя и ученика в учебном процессе.

Одним из ответов на новые вызовы может стать применение цифровых игр в учебном процессе. Образовательный потенциал игр давно находится в поле зрения исследователей [9, 10]. Применение цифровых игр и игровых элементов в образовательных целях также дают положительные эффекты в обучении [9, 11].

Предметом данной статьи стала разработанная авторами цифровая игра «CryptoSpace», созданная в рамках спецкурса по информатике. Далее будут описаны процесс ее создания и опыт апробации на целевой аудитории - учщихся 7-8-х классов, которые имеют дополнительную нагрузку по математике и информатике. Игра задумывалась с ориентировкой на групповую работу, темой игры стал один из содержательных разделов дисциплины - «Криптография».

Фокус-группа через игровые практики знакомилась с основными принципами криптографии и пробовали применять известные алгоритмы посредством самостоятельной дешифровки сообщений.

Для реализации проекта был выбран жанр графическая приключенческая игра (graphic adventure game) - разновидность приключенческих компьютерных игр, в которых игрок осуществляет взаимодействие с игровым миром при помощи курсора (рoint-and-dick).

Такой жанр является достаточно малозатратным в плане технической реализации. Из наиболее популярных сеттингов (мир, в котором разворачивается действие игры) была выбрана научная фантастика. Тематика игры связана с космосом, повествование начинается с борта космического корабля, выполняющего путь до экзопланеты с целью ее колонизации.

Сначала учащиеся регистрируются в игре и распределяются по командам (три человека), после чего программа автоматически распределяет их по ролям внутри команды. Всего три роли: капитан, штурман и программист, у каждого есть «рабочее место» в игре.

На каждом из уровней активно только одно «рабочее место», это зона ответственности одного из членов экипажа за принятие решения. Остальные игроки в это время продолжают участвовать: могут перемещаться по кораблю и брать подсказки и т. д. (рис. 1).

Рис. 1. Вид интерфейса

Игра начинается с того, что члены экипажа получают зашифрованный сигнал о помощи и первое задание, в ходе выполнения заданий они перемещаются по планетам. Конечная цель - найти источник сигнала. Сюжет игры не имеет каких-либо ответвлений, является линейным.

В игре уровни представлены в виде планет; перемещаясь по планетам, игроки получают все более сложные задания: в начале предлагается задание на изучение шифра Цезаря и шифра Древней Спарты (они не требуют предварительных знаний из области защиты информации и являются легкими в понимании и применении), затем игроки переходят к изучению аффинного шифра и частотного анализа.

Изначально у команды 2 000 очков. При вводе ответа у них есть три попытки, если после трех попыток ответ все еще неверный, команде предлагается взять подсказку.

Затем, если они берут первую подсказку, у них списывается 150 очков, за вторую - 200, за третью - 250 очков. И так на каждом уровне. Если после третьей подсказки игроки вводят неправильный ответ, они проходят этот уровень сначала.

Полет от планеты к планете может быть осуществлен двумя способами: по координатам («вводить координаты») и по названию («вводить название планеты»).

Команда путешествует по планетам до тех пор, пока не достигнет конечной цели или у них не кончатся очки. Во время прохождения игры учащиеся могут использовать любые информационные средства, что тренирует их навыки работы с информацией.

По окончании игры выводятся результаты всех команд и определяется команда-победитель. Информационная архитектура игры отображена на рис. 2.

Далее представлено краткое содержание нескольких уровней игры в качестве примера.

Уровень I. Корабль находится в открытом космосе. Бортовой компьютер Ева предлагает приземлиться на ближайшую планету, но для этого необходимо активировать рычаг, который заблокирован паролем. При нажатии на него появляется пуш-уведомление «Введите дату первого полета человека в космос». Подсказок на данном уровне нет. Капитан вводит код «1961», Ева сообщает, что они движутся к планете Йота.

Уровень II. Планета Йота. Корабль приземляется на Йоту, игроки могут исследовать местность и найти несколько предметов - стикер с алфавитом и сверток с посланием: ДЙНРО ЯФРЛ ОВЪКПЭ КЙОЖПКН ЧРЕ КУФРТКК.

Ева сообщает о том, что нужно использовать шифр Цезаря. Далее команда может искать информацию самостоятельно о шифре или воспользоваться подсказками.

Рис. 2 Информационная архитектура игры

Подсказка 1: каждую букву сообщения заменяем буквой, циклически сдвинутой в алфавите на фиксированное число позиций. Для шифрования необходимо иметь перед собой алфавит с пронумерованными буквами.

Подсказка 2: шифр Цезаря с ключом 2.

Подсказка 3: нацистская Германия во время Второй мировой войны использовала электромеханическую шифровальную машину. Взломать ее помогла небольшая неосторожность при отправке сообщений.

Открытый текст: ВЗЛОМ ЭТОЙ МАШИНЫ ИЗМЕНИЛ ХОД ИСТОРИИ.

На рабочем месте капитана есть шестеренки для ввода ответа в виде букв. Капитан вводит кодовое слово «Энигма».

Уровень III. Энигма. На следующей планете игроки находят послание с текстом «ЬЮШЩ ПБДЮЕ ДЮВЮЦ ЕВТ ЪТЬЗЕЧ ЕВТИНБВЩ АЯЕЩ ДКЦЗЬИ» и сверток с системой линейных уравнений. Ева сообщает, что был использован аффинный шифр и без нахождения корней системы уравнений процесс может затянуться надолго.

Подсказка 1: для шифрования текста использовалась формула (a*x+b) ^х mod m = y, где x - номер буквы исходного текста, y - номер буквы зашифрованного текста, m - количество букв в алфавите, а пара а и b - ключ шифра. Для расшифровки проделайте действия в обратном порядке.

Подсказка 2: если номер буквы - четное число, то ее номер разделите на а, иначе к ее номеру прибавьте 33, затем разделите на а.

Подсказка 3: а = 2. b = 0. Для расшифровки «Ь» посмотрим в таблицу, буква стоит на 30-м месте. 30:2 = 15. Следовательно, искомая буква стоит на 15-м месте. Это «Н».

Открытый текст: НОЛЬ ЧАСОВ СОРОК ТРИ МИНУТЫ ТРИДЦАТЬ ПЯТЬ СЕКУНД.

Штурман вводит координаты планеты: 00 43 35.

Аналогично игроки проходят еще два уровня с частотным анализом и шифром Виженера. На последней локации они находят письмо, где говорится, что послания были оставлены первой экспедицией, которая подверглась атаке другой цивилизации и члены экипажа придумали такой способ передать послание человечеству, поскольку только людям известно о методах шифрования.

Для создания аватаров (иллюстраций с героями) использовался сервис Oppa doll, для игры было создано восемь аватаров. Фоны, иконки и кнопки меню отрисовывались в Adobe Illustrator, окна, плашки с текстом верстались на JavaScript.

Сюжетная часть игры была апробирована в виде игры живого действия на Всероссийском конкурсе «Открытое образование в открытой среде» в 2018 г. на базе школы «Артек». Участие приняли 30 человек в возрасте 13-14 лет. Апробация полной цифровой версии игры проведена на базе МАОУ гимназии № 29 г. Томска во время занятия по спецкурсу «Математические основы информатики» у восьмого класса физико-математического направления.

В ходе апробации цифровой версии были отмечены следующие моменты:

• нарратив вызвал приятные эмоции, ребята сразу погрузились в тематику и отметили, что тема космоса им близка и нравится;

• учащиеся были вовлечены в процесс;

• не возникло трудностей с пониманием логики интерфейса (что нажать, чтобы выйти, как ввести код и т. д.);

• одна из загадок оказалась слишком сложной, на ее расшифровку ушло значительное количество времени, и ребята уже не хотели его выполнять, тем не менее игра была пройдена до конца;

• игровая сессия длилась 1 час 50 минут (на 30 минут дольше запланированного времени), что являлось следствием проблем с технической реализацией игры.

При ответе на вопрос последующего анкетирования о впечатлении от занятия учащиеся упомянули о том, что им понравилось работать в команде, «все было сообща», при этом также отметили трудности в понимании работы алгоритмов шифрования. Следует отметить, что при общем успехе апробации ученики отчасти не были готовы к подобной активности, где требовалась большая доля самостоятельности. Учащиеся предпочитали брать подсказки, а не искать информацию в интернете.

Тем не менее, на наш взгляд, включение подобных игр в постоянную практику в обучении школьников может стать ответом новым вызовам, позволит вовлечь учащихся, повысить их мотивацию и интерес к предмету, сформировать навыки работы в команде и принятия решений.

Безусловно, нельзя не сказать о некоторых сложностях внедрения цифровых игр в образовательных организациях:

1) негативное отношение многих педагогов к цифровым играм и незаинтересованность в их использовании вследствие когнитивных установок и часто низкой осведомленности об образовательном потенциале подобных технологий;

2) жесткие рамки учебных планов;

3) отсутствие необходимого материально-технического обеспечения в школах;

В настоящее время в России наблюдается интерес внедрения игровых технологий в образование, но это все пока находится на стадии становления. На практике включение цифровых игр в процесс обучения, особенно в регионах, реализуется лишь единицами педагогов-энтузиастов, системного применения такие технологии не находят.

Образование нуждается в коллаборации с компаниями, разрабатывающими игры, или сотрудничестве с отдельными специалистами: геймдизайнерами, UX/UI-дизайнерами, программистами. Также хотя большинство исследователей согласны с тем, что игры могут успешно «поддерживать обучение», они говорят и о необходимости большего количества эмпирических исследований интеграции цифровых игр в образовательную среду [12]. Определение качества модели игр и деятельности в классе требует баланса между педагогическим и игровым дизайном [13].

Литература

1. Seemiller C., Grace M. Generation Z goes to college. John Wiley & Sons, 2016. URL:https ://heinonline. org/HOL/LandingPage?handle=hein.j ournals/ualr41 &div=6&id=&page=

2. Макарова Т.А. Содержание образования для поколения «Z»: каким ему быть? // Ценности и смыслы. 2015. № 3 (37).

3. Воробьева М.В. Обучаем поколение Z: традиции и современные учебные реалии // Педагогическое образование и наука. 2018. № 2. С. 135-138.

4. Graham L.P. Generation Z Goes to Law School: Teaching and Reaching Law Students in the Post-Millennial Generation // UALR L. Rev. 2018. Vol. 41. Р. 29.

5. Kickmeier-Rust M.D., Hillemann E.C., Albert D. Gamification and smart feedback: Experiences with a primary school level math app // International Journal of Game-Based Learning (IJGBL). 2014. Vol. 4, № 3. Р. 35-46.

6. The Future of Jobs. Employment, Skills and Workforce Strategy for the Fourth Industrial Revolution. URL: http://www3.weforum.org/docs/WEF_Future_of_Jobs.pdf

7. Лошкарева Е. и др. Навыки будущего. Что нужно знать и уметь в новом сложном мире. 2018. URL: https://worldskills.ru/assets/docs/media/WSdoklad_ 12_okt_rus.pdf

8. Allen R., Teodoro N. B., Manley C. Future skills and training: a practical resource to help identify future skills and training. 2017. URL: https://www.aisc.net.au/ sites/aisc/files/documents/Future%20Priority%20Skills%20Resource.pdf

9. Ismail R., Ibrahim R. Teachers' Perception on Digital Game: A Preliminary Investigation towards Educational Game Application for Islamic Religious Primary Schools //2018 International Conference on Information and Communication Technology for the Muslim World (ICT4M). IEEE, 2018. P. 36-41.

10. Connolly T.M. et al. A systematic literature review of empirical evidence on computer games and serious games // Computers & education. 2012. Vol. 59, № 2. P. 661-686.

11. Dicheva D. et al. Gamification in education: A systematic mapping study // Educational Technology & Society. 2015. Vol. 18, № 3. P. 75-88.

12. Landers R.N. Developing a theory of gamified learning: Linking serious games and gamification of learning // Simulation & Gaming. 2014. Vol. 45, № 6. P. 752-768.

13. De Freitas S., Oliver M. How can exploratory learning with games and simulations within the curriculum be most effectively evaluated? // Computers & education. 2006. Vol. 46, № 3. P. 249-264.

Размещено на Allbest.ru