数字教育游戏对学生数学学习效果的影响——基于国内外43项实验和准实验研究的元分析

2022-11-26郑富兴

现代教育技术 2022年11期

朱莉郑富兴邓凡

朱莉1,2郑富兴1[通讯作者]邓凡2

（1．四川师范大学教育科学学院，四川成都 610066；2．中共成都市委党校社会建设教研部/教务处，四川成都 610066）

随着信息技术在教育领域的应用，数字教育游戏成为教育领域的关注热点。目前，已有大量教育实证研究探讨了数字教育游戏对学生数学学习效果的影响，但所得结论大不相同。为此，文章采用元分析方法，对国内外43项实验和准实验研究进行梳理与分析，发现数字教育游戏对学生数学学习效果有中等影响。具体来说，数字教育游戏对学生数学问题解决和情感态度有高度影响，对学生数学学习成绩有中等影响。与此同时，文章分别进行了学段、实验周期、知识类型、教师干预、游戏类型这五个调节变量对学生数学学习效果的调节效应分析。依据元分析结果，文章从游戏设计、游戏选择、教师引导、教育研究四个方面，针对数字教育游戏在数学学习中的实践应用和理论研究提出建议，以期为发挥数字教育游戏的教育价值、增强游戏教学的针对性、提升学生学习的有效性提供参考。

数字教育游戏；数学学习；元分析；学习效果

一问题的提出

“数字教育游戏”是指通过数字设备制作的、用于教育教学的游戏[1]。随着大数据、人工智能等信息技术在教育领域的应用，数字教育游戏成为教育领域的关注热点。如何以高质量的数字教育游戏为媒介，在正式或非正式学习环境中创设体验良好的游戏化学习，逐渐进入了国际数字教育游戏研究共同体的视野[2]。而从21世纪以来举办的6届国际数学教育大会关注的主题来看，数字教育游戏在数学学科中的应用问题受到的关注度很高[3]。

目前，研究者针对“数字教育游戏能否提升学生的数学学习效果”这一问题纷纷进行了研究，但所得结论大不相同：一种观点是数字教育游戏对学生数学学习具有积极的促进作用，如Noah[4]发现用数字教育游戏进行数学学习的效果更好，能对学生的数学认知、动机和成就产生积极影响[5]，发展出更积极的数学学习态度[6]；Siew[7]发现将数字教育游戏整合到课堂中，能对学生的数学学习产生积极影响；而Van Den Heuvel-Panhuizen等[8]、Aparício等[9]发现，在家玩在线游戏也有助于提升学生的代数成绩。此外，数字教育游戏对于学习困难学生和特殊学生同样有积极的效果[10][11]。另一种观点是数字教育游戏对学生数学学习的促进作用不明显，如Abdelhafez[12]的实验表明，在数学教学中应用数字教育游戏对学生成绩提升的效果不明显；Ferguson[13]发现，基于数字教育游戏的教学方法学习代数还不如传统方法有效；Cooper[14]发现，使用数字教育游戏学习对天才学生数学成绩的促进作用不大。还有一种观点是数字教育游戏对学生的数学学习具有消极作用，如Neimeyer[15]发现，玩计算机游戏会对学生的数学成绩产生负面影响；Watson-Huggins[16]的一项实验结果表明，数字教育游戏对学生的数学成绩产生了消极影响。

考虑到研究者对于数字教育游戏能否促进学生的数学学习效果存在争议，本研究认为有必要对此问题进行系统的实证研究，以期为了解数字教育游戏在数学学科中的实际效用提供有力证据。基于此，本研究采用元分析方法对国内外相关文献进行分析，旨在探究以下问题：①数字教育游戏能否促进学生的数学学习效果？具体对哪些方面的学习效果产生影响？②数字教育游戏对学生数学学习效果的影响受哪些变量的调节作用？

二研究设计

1 文献检索与整理

本研究按照元分析的文献筛选四阶段流程[17]，进行了文献检索与整理，具体如图1所示。

图1 文献筛选流程

图2 效应值分布漏斗图

①识别。本研究通过CNKI、ERIC、Springer Nature、Web of Science等数据库进行文献检索，检索的起止时间设为2006年1月至2022年6月。其中，中文检索以“数字游戏”“游戏”“数学”“学习效果”“学习成绩”“学习成效”“学业成就”为主题，而英文检索以“digital game”“video game”“electronic game”“serious game”“online game”“math”“achievement”“assessment”“quality”为主题；同时，采用布尔运算“OR”进行模糊检索，并采用引文索引和滚雪球法追踪参考文献的策略。最终，共检索到6374条相关文献。

②筛选。对6374条文献进行初次阅读，剔除非实证研究、非数学学科、会议纪要与新闻方面的文献，得到299篇文献。对这些文献进行再次阅读，剔除非实证研究、非数字教育游戏、非数学学习效果方面的文献，得到186篇文献进入下一环节。

③纳入。对186篇文献进行全文阅读，根据纳入标准选择样本文献。文献纳入标准包括：研究主题为数字教育游戏对学生数学学习效果（包括学习成绩、问题解决、数学思维、情感态度）的影响；采用实验或准实验研究方法；研究对象为中小学生；研究汇报了可用于计算效应量的值，如样本量、均值、标准差或t值、F值。两名研究人员各自按照文献纳入标准进行筛选，之后就分歧问题进行讨论，以确保筛选结果的一致性和科学性。

④计入。经过上述三个环节，共计入43项符合标准的实验和准实验研究样本。

2 文献编码

根据元分析的编码指南[18]，本研究对43篇样本文献进行编码，编码内容包括作者、年份、实验人数、学段、实验周期、知识类型、教师干预、游戏类型，结果如表1所示。文献编码分析发现，数字教育游戏对学生数学学习效果的影响是多方面的，因此本研究依据《义务教育数学课程标准（2022年版）》和数学核心素养评价框架[19]，将学生的数学学习效果分为学习成绩、问题解决、数学思维、情感态度四个维度，以分析数字教育游戏对学生数学学习效果各维度的影响。此外，通过参考已有研究的编码框架[20]，结合本研究的文献编码信息，本研究将学段、实验周期、知识类型、教师干预、游戏类型作为调节变量，并检验调节变量对研究结果的影响。其中，知识类型的编码参考了莫雷[21]提出的学习双机制理论，“联结—陈述性知识”是指某些客观存在的事实类知识，如数学中的概念、定理；“联结—程序性知识”是指不需要经过复杂认知活动获得的操作性知识，如计算器的使用；“运算—陈述性知识”是指体现事物普遍规律的事实类知识，如乘法交换律；而“运算—程序性知识”是指需要经过复杂的认知操作活动获得的操作性知识，如解方程。游戏类型编码中的“策略”是指有明确的问题导向与任务目标的游戏，而“故事”是指有故事情节的游戏，“练习”是指题海战术式的操作训练。编码后，本研究共获得55条元分析数据。

表1 文献编码信息表（部分）

三研究分析

元分析是指通过回顾文献，以定量的统计方法分析、评估已有研究的结果，总结出研究结论[22]。本研究采用Comprehensive Meta Analysis Version 3.0软件，对数据进行元分析。

1 发表偏倚检验

发表偏倚检验主要检验样本是否存在发表偏倚现象。首先进行效应值分布漏斗图检验，结果如图2所示，可以看出：大部分样本的效应值都集中在中上部，且对称分布在中轴线两侧，说明存在发表偏倚的可能性较小；其次进行Begg和Egger’s检验，Begg检验结果显示=0.586，Egger’s检验结果显示=0.423＞0.05，说明不存在发表偏倚；最后进行失安全系数（Fail-safe Number，Nfs）检验，得到Nfs值=1379＞检验标准5×55+10，说明未发表研究的效应值对已发表研究的总效应值影响不大。综上可知，本研究不存在发表偏倚现象，样本有效可靠。

2 异质性检验

异质性检验的结果用于判断采用哪种模型进行分析。本研究通过I2统计量和Q检验进行异质性检验，检验标准分别为：低度异质性0%＜I2＜50%，中度异质性50%＜I2＜75%，高度异质性I2＞75%；Q值的显著性＜0.05，说明各样本之间存在异质性。而本研究的I2=88.77%＞75%，Q值为480.867，其显著性＜0.05，如表2所示。据此，本研究采用随机效应模型消除异质性，以保证研究的可靠性。

3 数字教育游戏对学生数学学习效果的影响分析

（1）数字教育游戏对学生数学学习效果的整体影响分析

本研究采用标准化均值差（SMD）作为效应值，来评估数字教育游戏对学生数学学习效果的影响。按照Cohen[23]的分类标准，当效应值SMD＜0.2时，表示有较小影响；当0.2≤SMD＜0.5时，表示有中等影响；当0.5≤SMD＜0.8，表示有中上程度影响；当SMD≥0.8时，表示有高度影响。采用元分析软件进行计算，本研究得到数字教育游戏对学生数学学习效果的整体影响如表2所示，可以看出：数字教育游戏对学生数学学习效果的效应值为0.32，且达到统计显著水平（＜0.05），说明数字教育游戏对学生数学学习效果有中等影响。

表2 数字教育游戏对学生数学学习效果的整体影响

（2）数字教育游戏对学生数学学习效果各维度的影响分析

为了解数字教育游戏对学生数学学习效果各维度的影响，本研究从四个维度进行了分析，结果如表3所示，可以看出：问题解决的效应值（SMD=0.867）和情感态度的效应值（SMD=0.862）都大于0.8，且都达到了统计显著水平（0.05），说明数字教育游戏对学生数学问题解决和情感态度有高度影响；学习成绩的效应值（SMD=0.203）在0.2～0.5之间，且达到了统计显著水平（0.05），说明数字教育游戏对学生数学学习成绩有中等影响；由于数学思维的效应值未达到统计显著水平（＞0.05），因此无法说明数字教育游戏对学生数学思维有显著作用。

表3 数字教育游戏对学生数学学习效果各维度的影响

4 调节效应分析

为了解数字教育游戏对学生数学学习效果产生影响的因素，本研究分析了数字教育游戏在以下五个调节变量作用下对学生数学学习效果的影响。

（1）学段对学生数学学习效果的调节效应分析

学段对学生数学学习效果的影响如表4所示，可以看出：小学阶段的效应值（SMD=0.324）在0.2～0.5之间，且达到了统计显著水平（0.05），说明数字教育游戏对小学生数学学习效果有中等影响；由于对初中生、高中生数学学习效果的调节作用未达到统计显著水平（＞0.05），因此无法说明数字教育游戏对初中生、高中生数学学习效果有显著作用。

表4 学段对学生数学学习效果的影响

（2）实验周期对学生数学学习效果的调节效应分析

实验周期对学生数学学习效果的影响如表5所示，可以看出：1～12周的效应值（SMD= 0.524）在0.5～0.8之间，且达到了统计显著水平（0.05），说明应用数字教育游戏实验1～12周对学生数学学习效果有中上程度影响；由于应用数字教育游戏实验1周以下、12周及以上对学生数学学习效果的调节作用未达到统计显著水平（＞0.05），因此无法说明数字教育游戏对实验1周以下、12周及以上学生数学学习效果有显著作用。

表5 实验周期对学生数学学习效果的影响

（3）知识类型对学生数学学习效果的调节效应分析

知识类型对学生数学学习效果的影响如表6所示，可以看出：运算—陈述性知识的效应值（SMD=0.278）与运算—程序性知识的效应值（SMD=0.382）都在0.2～0.5之间，且都达到了统计显著水平（0.05），说明在运算—陈述性知识与运算—程序性知识学习过程中使用数字教育游戏都对学生数学学习效果有中等影响；由于在联结—陈述性知识与联结—程序性知识学习过程中使用数字教育游戏对学生数学学习效果的调节作用未达到统计显著水平（＞0.05），因此无法说明在这两种知识学习过程中使用数字教育游戏对学生数学学习效果有显著作用。

表6 知识类型对学生数学学习效果的影响

（4）教师干预对学生数学学习效果的调节效应分析

教师干预对学生数学学习效果的影响如表7所示，可以看出：有教师干预的效应值（SMD=0.393）在0.2～0.5之间，且达到了统计显著水平（0.05），说明在数字教育游戏中有教师干预对学生数学学习效果有中等影响；由于无教师干预的调节作用未达到统计显著水平（＞0.05），因此无法说明在数字教育游戏中无教师干预对学生数学学习效果有显著作用。

（5）游戏类型对学生数学学习效果的调节效应分析

游戏类型对学生数学学习效果的影响如表8所示，可以看出：策略型游戏的效应值（SMD= 0.406）和故事型游戏的效应值（SMD=0.386）都在0.2～0.5之间，且都达到了统计显著水平（0.05），说明策略型游戏和故事型游戏都对学生数学学习效果有中等影响。具体来说，策略型游戏的效应值大于故事型游戏的效应值，说明策略型游戏对学生数学学习效果的影响更大；由于练习型游戏对学生数学学习效果的调节作用未达到统计显著水平（＞0.05），因此无法说明练习型游戏对学生的数学学习效果有显著作用。

表8 游戏类型对学生数学学习效果的影响

四研究结论与讨论

1 数字教育游戏对学生数学学习效果有中等影响

上述研究分析结果显示，数字教育游戏对学生数学学习效果的合并效应值为0.32，其对学生数学学习效果有中等影响。具体来说，数字教育游戏对学生数学问题解决和情感态度有高度影响，对数学学习成绩有中等影响。对此结果的解释有：①对学生数学问题解决和情感态度有高度影响，可能是因为数字教育游戏为学生提供了更丰富的多元、动态情境，激发了学生的学习热情，引发了学生的好奇与质疑，有助于学生形成问题意识、积极思维的习惯并提升问题解决的能力。②受知识迁移的影响，学生将游戏中获得的知识技能转换为数学标准化测试的能力有限[24]，因此在游戏情境下的学习成效可能未发生迁移并在纸质测试成绩中体现出来。

2 调节变量对学生数学学习效果的影响

①从不同学段来看，数字教育游戏对小学生数学学习效果有中等影响。究其原因，可能与小学生的思维发展水平有关——小学生的思维以形象思维为主，游戏能帮助小学生通过具体的事物理解抽象知识，从而促进学习效果。

②从实验周期来看，使用数字教育游戏实验1～12周对学生数学学习效果有中上程度影响。原因可能在于经过前期适应，学生对游戏本身的新奇感逐渐减少，转而开始关注数学知识学习。

③从不同知识类型来看，在运算—陈述性知识与运算—程序性知识学习过程中使用数字教育游戏都对学生数学学习效果有中等影响。究其原因，可能是学生通过数字教育游戏进行了分析、综合、推理等思维活动，这些复杂的认知活动促进了学生的运算类知识学习。

④从教师有无干预来看，在数字教育游戏中有教师干预对学生数学学习效果有中等影响。这是因为，教师引导有助于学生理解游戏中蕴含的数学知识，从而提升学习效果。

⑤从游戏类型来看，策略型游戏和故事型游戏都对学生数学学习效果有中等影响，其中策略型游戏对学生数学学习效果的影响更大。原因主要在于策略型游戏更多地将游戏与内容相结合，帮助学生通过假设、推理、证明等思维方式获得知识；而故事型游戏中大量的无关活动可能会吸引学生的注意力，让学生产生超载的认知负荷[25]，从而影响其学习效果的提升。

五研究建议

根据上述研究结论，本研究从游戏设计、游戏选择、教师引导、教育研究四个方面，针对数字教育游戏在数学学习中的实践应用和理论研究提出建议：

1 遵循人本化的游戏设计，发挥游戏的教育价值

根据游戏类型、实验周期对学生数学学习效果的影响结论，本研究建议数字教育游戏开发设计遵循人本化原则，兼顾数字教育游戏对学生的“促进”与“激励”功能：一方面，在数字教育游戏中设计与学习目标相关的元素，促进学生的认知发展，引导学生从关注游戏有趣的游戏情境到参与更高层次的数学思维活动，发挥游戏的教育价值；另一方面，设计有趣的游戏形式，持续保持数字教育游戏对学生的吸引力，充分发挥数字教育游戏寓教于乐的价值。

2 根据知识类型选择应用，增强游戏教学的针对性

根据不同知识类型对学生数学学习效果的影响结论，本研究建议在教学中根据知识类型选择游戏。有研究显示，针对不同类型数学知识设计开发的认知工具有助于提高学生的成绩[26]。因此，教师在进行教学设计时，需要先判断数学知识类型，再根据知识类型选择游戏教学，增强游戏应用的针对性。例如，学习运算—程序性知识就选择策略型游戏，让学生通过游戏进行猜想、推理、验证、迁移等思维活动，获得操作性知识；而学习运算—陈述性知识就选择故事型游戏，帮助学生通过故事情境发现规律，获得陈述性知识。

3 加强教师的引导作用，提升学生学习的有效性

根据教师干预对学生数学学习效果的影响结论，本研究建议加强教师引导，提升学生学习的有效性，具体可从以下方面入手：①教师要引导学生选择合适的学习内容与方案，加强精准导学，弥补游戏本身导学的不足；②教师要引导学生与同伴、教师进行深层次的互动对话，通过不同层次的问题引导学生参与交流讨论，让学生从感知具体的游戏情境转为参与抽象的数学推理；③教师要引导学生对游戏内容进行反思，学习游戏中蕴含的数字知识与数学思想。

4 深入开展实证研究，促进成果的转化应用

根据对本研究结论的反思，本研究建议从以下方面入手深入开展相关的实证研究：一是拓宽研究对象范围，即针对学困生、特殊学生开展实证研究，为不同学习水平的学生应用数字教育游戏的效果提供经验或依据；二是深入探讨影响学生数学学习效果的因素，如对师生交互方式、教学策略、学习者特征等变量进行效果检验，以利于教师更有针对性地改进教学实践；三是拓宽研究的视角，即结合脑科学、教育神经科学等学科的相关研究成果，将数学能力的培养与发展建立在对数学认知发展和脑机制研究的基础之上[27]，并根据人类大脑学习数学的机制，研究如何将其应用于游戏教学设计，不断提升游戏教学的科学性。

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The Influence of Digital Educational Games on Students’ Mathematics Learning Effect——A Meta-analysis Based on 43 Experimental and Quasi-experimental Studies at Home and Abroad

ZHU Li1,2ZHENG Fu-xing1[Corresponding Author]DENG Fan2

With the application of information technology in the educational field, digital educational games have become the attention focus in the educational field. At present, a large number of educational empirical studies have discussed the influence of digital educational games on students’ mathematics learning effect, but the conclusions are quite different. Therefore, using the meta-analysis method, this paper sorted out and analyzed 43 experimental and quasi-experimental studies at home and abroad. It was found that digital educational games had a moderate impact on students’ mathematics learning effect. Specifically, digital educational games had a high impact on students’ mathematics problem solving and emotional attitude, and a moderate impact on students’ mathematics scores. Meanwhile, the moderating effects of five regulatory variables of learning stage, experimental cycle, knowledge type, teacher intervention and game type were analyzed. According to the meta-analysis results, some suggestions for the practical application and theoretical research of digital educational games in mathematics learning were put forward from the aspects of game design, game selection, teacher guidance, and educational research, in order to provide reference for giving play to the educational value of digital educational games, enhancing the pertinence of game teaching, and improving the effectiveness of students’ learning.

digital educational game; mathematics learning; meta-analysis; learning effect