游戲化學習方式對學生學習效果的影響研究
2019-12-03 07:54:49李玉斌宋金玉姚巧紅
電化教育研究 2019年11期
李玉斌 宋金玉 姚巧紅
[摘? ?要] 作為一種獨特的教育資源，數字化教育游戲注重心流體驗和學習沉浸，在改善學生學習效果方面被寄予厚望。基于數字游戲的游戲化學習方式也一直被教育研究者高度關注，并展開了大量的研究。那么，游戲化學習方式在改善學生學習方面到底有沒有作用？如果有，作用有多大？如果沒有，什么原因造成的？這些問題是目前學界十分關心的問題。為此，研究利用元分析法，從總體效果、不同學段、不同知識類型、不同學科等多個方面，對國內外35項游戲化學習實驗報告的結果進行了定量分析，比較客觀地審視和評價了游戲化學習方式對學生學習效果的影響。分析結果顯示：（1）總體來看，游戲化學習對學生學習效果具有較大程度且積極的影響;（2）游戲化學習對學生學習效果的影響不受知識類型、學段等調節變量的影響;（3）游戲化學習方式在不同學科的實驗結果存在差異性。透過這些研究也可以看出，教育游戲若要真正融入學校教育生態還面臨著不小的挑戰，在獲得支持、提供更多選擇、降低制作技術門檻、研究有效的應用模式、改變攸關方的態度和認知等方面還需要做大量工作。
[關鍵詞] 游戲化學習; 學習方式; 元分析; 學習效果; 學習資源
[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A
[作者簡介] 李玉斌（1975—），男，河北承德人。教授，博士，主要從事數字化學習、面向教育信息化的教師專業發展研究。E-mail：lybemail@126.com。姚巧紅為通訊作者，E-mail：lnnuyao@126.com。
一、問題的提出
游戲化是將游戲設計元素應用于非游戲情境中[1]，從而提高用戶的參與深度和投入程度。目前，游戲化已廣泛應用在教育、工業、商業、環境、營銷等領域[2]，其中教育學是較早進行游戲化研究和實踐的領域。早在20世紀80年代，游戲在教學中的應用就引起了學者的關注。多人在線游戲的先驅理查德·巴特爾（Richard Battelle）進行了相關研究并率先提出“游戲化”這一概念。此后，隨著教育研究的不斷深入，游戲化在教學中的應用也先后經歷了基于游戲的學習（Game-Based Learning，GBL）、教育游戲（Education Game）、嚴肅游戲（Serious Game）等階段。當前，伴隨著人工智能、大數據分析、AR、VR技術的不斷成熟，以及移動學習、認知負荷等理論的不斷完善，游戲化學習作為一種新興的學習方式，逐步受到學界的關注。
游戲化學習在教學實踐中以兩種形式存在：一是在學習活動中應用游戲輔助學生學習，這里提到的游戲分為數字化教育游戲和傳統的教育游戲兩大類;另一種是利用游戲化元素（如點數、徽章、排行榜）將傳統的學習活動轉化為一個游戲。本文所關注的游戲化學習是以改善認知和促進學習為目的的數字化教育游戲。
通過查閱文獻發現，目前有關“游戲化學習對學生學習效果影響的研究”已有大量的實證報告，但結論并不一致。主流的觀點是從知識掌握、提高學習動機以及培養高階思維能力[3]等角度證實了游戲化學習對提升學習效果的有效性。例如，趙海蘭通過對比實驗發現，基于數字化游戲的英語教學提高了小學生的學習興趣[4];威斯康星大學的Squire教授讓學生通過玩《文明Ⅲ》來學習地理和歷史知識，加深了學生對文明的理解，同時，培養了其解決問題、自主學習、合作探究的能力。也有研究者通過研究得出了與上述觀點不同的結論，認為游戲化學習在不同調節因素的影響下，會對學生的學業成績產生消極影響。例如，莎拉（Sarah）進行了對照實驗，發現游戲化學習對學生的數學成績產生了消極的影響[5];鐘曉潔將實驗班的學生分為高分、中分、低分組，三組均采用游戲化學習方式進行學習，對比前后測成績發現，游戲化學習運用在課堂中，對高分組并未起到提升成績的作用[6]。
那么，游戲化學習是否可以增強學習者的學習效果、對不同年齡階段學生的學習是否有不同的影響、對不同學科和不同知識類型是否具有普適性的促進作用等一系列問題是大家比較關心的。為了回答這些問題，本研究采用元分析方法，對國內外有關“游戲化學習”的35篇研究文獻進行了系統梳理和量化分析，以探明游戲化學習方式對學生學習效果的影響。
二、研究方法與過程
（一）研究方法
本文采用的是英國教育心理學家Glass提出的元分析（Meta-analysis）方法進行定量研究。元分析的起源可以追溯到1904年，英國統計學家Pearson為了檢驗腸菌類疫苗是否有效，基于樣本大小對估計值進行平均，這被看作是元分析的雛形[7]。后來不斷有學者進行研究，元分析方法逐漸被心理學、教育學、社會科學、醫學等領域接受。
Glass認為，元分析是“分析的分析”，是對大量的個體研究結果進行統計分析，目的就是對研究結果進行整合，從而得出定量的結論[8]。他將元分析過程分為以下五個步驟：提出問題、檢索相關文獻、制定遴選標準、描述基本信息、定量分析。與傳統的文獻綜述相比，元分析方法能夠最大限度地減少偏倚，保證分析結論的科學性和客觀性。
（二）研究過程
1. 文獻檢索
本文選取中國知網、萬方數據庫作為中文文獻的數據來源，Springer、ERIC、Elsevier作為外文文獻來源，檢索類型為期刊論文和碩士論文。為了保證文獻查全率，將中文關鍵詞設置為“游戲化學習or數字化教育游戲”and“學習效果or實驗研究”;英文關鍵詞為“Gamification Learning or Game-based Learning”and“learning performance or learning effectiveness”進行檢索，檢索時間跨度為2007年至2018年。本研究將檢索得到的相關文獻導入Microsoft Excel 2010進行篩查，刪除所有重復的文獻，最終檢索到中文文獻78篇，外文文獻121篇。
2. 樣本篩選標準
由于檢索到的文獻并不完全符合元分析的要求，本文制定了以下文獻篩選標準：
（1）研究的主題是游戲化學習對學生學習效果的影響。
（2）研究方法為實驗研究法，采用實驗或準實驗方法進行研究。
（3）研究包含實驗組和對照組，實驗組采用游戲化學習方式進行學習，對照組采用傳統的學習方式開展學習。
（4）實驗對象為在校學生，而非成人學習者。
（5）研究中提供了足夠的數據用以計算效應量。
樣本篩選完成后，篩選出符合標準的文獻35篇，其中，中文文獻14篇，外文文獻21篇。
3. 特征值編碼
文獻篩選完成后，為了方便統計分析和計算效應量，本文根據原始文獻的各項特征值進行編碼。編碼對象分別為文獻作者、出版年份、樣本量、學科、學科分類、學段和知識類型。學生被劃分為不同的學段，1～6年級為小學，7～12年級、中專和高職為中學，大學生為大學。學科根據其所屬門類被劃分為會計、歷史、語文、數學、外語、計算機、化學、醫學、科學、地理、生物等。參考心理學家安德森的知識分類理論，將知識類型劃分為陳述性知識和程序性知識。陳述性知識是關于事物及其關系的知識，程序性知識是關于完成某項任務的行為或操作步驟的知識[9]。文獻編碼結果見表1。
4. 效應值計算
本研究采用綜合性元分析軟件（Comprehensive Meta Analysis2.0，簡稱CMA 2.0）作為數據分析工具。由于本研究中的實驗數據不大，因而選取Hedgesg[10]值作為標準化的效應值（ES） ，計算公式如式（1）所示：
式（1）（2）中ME、MC分別表示實驗組和控制組的平均數，NE、NC分別表示實驗組和控制組的樣本量，SE2、SC2分別表示實驗組和控制組的標準差，SP表示合并標準差。
三、研究結果
（一）發表偏倚檢驗與異質性檢驗
偏倚（又稱為系統誤差），在科學研究過程中系統性誤差是不可避免的。只有正確地報告系統誤差，才能減小誤差對元分析結果的影響。由于本研究中樣本數量不大，因而采用了Begg[11]提出的回歸檢驗方法進行偏倚檢驗，結果如圖1所示。
從圖1中可以看出，漏斗圖上的點基本圍繞著合并效應值0.917對稱散開，可以初步判定本研究不存在偏倚。Beggs檢驗結果表示Z=1.13<1.96，p=0.26（p>0.05），說明不存在發表偏倚，所得數據是可靠的。
由于在元分析的過程中，不同實驗選取的樣本量、采用的研究方法均存在差異，因而無法進行效應值合并，需要進行異質性檢驗。當異質性較小時，采用固定效應模型;當異質性較大時，采用隨機效應模型。
檢驗異質性常用的方法是Q檢驗、I2檢驗和H檢驗。本文采用的是I2檢驗[12]，當I2=0%時，則認為存在輕度異質性;當25%<=I2<=50%時，則認為存在中度異質性;當p>50%時，則認為存在高度異質性。本研究中，I2=94.538%，說明本研究存在高度異質性，因而選用隨機效應模型進行分析。
（二）游戲化學習對學生學習效果的總體影響
從對35項實驗報告的數據進行元分析結果來看（見表2），游戲化學習對學生學習效果整體的合并效應值為0.917，且p<0.001，達到了統計學顯著水平。根據Cohen提出的效應值標準，當ES<0.2時，為小效應;當0.2
（三）游戲化學習對不同學科學習效果的影響
本文分析的35篇文獻實驗的學科涉及數學、地理、外語、計算機、物理、歷史、醫學等十多個學科，游戲化學習對不同學科學習效果影響的統計結果見表3。統計結果表明，游戲化學習對以數學、物理等為代表的學科，具有顯著的正向影響（p<0.05，ES>0.8）;游戲化學習對以化學、科學等為代表的學科，具有中等程度的積極影響（p<0.05，0.2
（四）游戲化學習對不同學段學習效果的影響
目前，數字化教育游戲已經走進了小學、中學、大學的課堂，一線教師進行了大量的實證研究。從表4的統計結果來看，游戲化學習對小學（p<0.001，ES=0.719）、中學（p<0.05，ES=0.713）學段學生的學習效果具有中等程度的影響，對大學（p<0.05，ES=1.387）學段的學生具有較大程度的影響。不過從組間效應值來看，QB=1.527（p=0.466>0.05），說明雖然游戲化學習方式對不同學段學生學習效果的影響程度不同，但其差異程度在統計上并不顯著。
（五）游戲化學習對不同知識類型學習效果的影響
游戲化學習對不同知識類型學習效果的影響結果見表5。從表5可以看出，游戲化學習對陳述性知識（p<0.001，ES=0.821）、程序性知識（p<0.001，ES=0.986）均具有較大程度的正向積極影響。組間效應值QB=0.258（p=0.612>0.05），說明游戲化學習對陳述性知識和程序性知識的影響效果不存在顯著差異。
四、結論與建議
本文對35篇采用實驗和準實驗研究的相關文獻進行了定量分析，客觀地分析和評價了游戲化學習對學習效果的影響，主要結論和建議如下：
（一）研究結論
1. 游戲化學習對學習效果具有較大程度的積極影響
元分析結果顯示，游戲化學習與學習效果呈顯著相關，合并效應值為0.917，對學生學習效果有較大程度的積極影響。這一結果與已有研究結果[14]基本一致。究其原因，布里斯托大學神經學家Paul認為，游戲能夠加速人類大腦分泌多巴胺物質，多巴胺能夠促進神經元的連接，使學習者集中注意力從而提高學習效果[15]。Chu、馬穎峰等學者認為，教育游戲為學生提供了一個真實和愉快的學習環境，游戲化學習過程能夠帶來愉快、緊張或沉浸的情感體驗，從而激發了學生的學習動機[16-17]。Hwang認為，挑戰是教育游戲吸引學生全身心投入學習活動的重要因素，學生通過參與具有挑戰性的任務從而對他們的學習感知產生積極影響[18]。
2. 學段和知識類型對游戲化學習效果不具有調節效應
游戲化學習不受知識類型、學段等調節變量的影響。首先，游戲化學習不受學段的影響。組間效應值QB=1.527（p=0.466>0.05），說明不同學段之間不存在顯著差異。雖然總體上不存在顯著差異，但游戲化學習方式對不同學段學生學習效果的影響程度卻有所不同，對大學學段學生學習效果的影響更大。其次，游戲化學習不受知識類型的影響。陳述性知識和程序性知識的合并效應值都達到了統計顯著水平（p<0.001）。其中，陳述性知識的效應值ES為0.821，程序性知識的效應值ES為0.986，兩者均大于0.8且組間效應值QB=0.258（p=0.612>0.05），說明游戲化學習對陳述性知識和描述性知識均具有正向促進作用。
3. 游戲化學習方式在不同學科的實驗結果不同
總體來看，游戲化學習具有提高學生的課堂參與度、滿意度和學習效果[19]、激發學習興趣與學習熱情[6]、提升學習沉浸感以及培養創新思維能力[20]等作用。但就具體學科而言，組間效應值QB達到了21.234（p=0.047<0.05），說明游戲化學習方式應用在不同學科的效果是有所差異的。具體來看，游戲化學習對數學（效應值ES=1.188）、地理（效應值ES=1.305）、外語（效應值ES=1.346）、計算機（效應值ES=1.551）、化學外語（效應值ES=0.482）等學科具有顯著的正向影響。而對醫學、歷史、語文、生物等學科促進效果不顯著。有學者對此的解釋是，與當前歷史、生物等學科相關的數字化教育游戲資源匱乏，學生也缺乏游戲化學習的相關經驗有關[21];醫學和生物學需要進行真實的人體或動植物實驗，為了達到最佳的學習體驗，教育游戲需要為學生創設一個逼真的實驗場景，然而開發此類教育游戲的難度較大、技術門檻較高，致使教育游戲質量不高，因而無法達到預期的學習效果。
（二）建議
盡管游戲化學習方式對學習效果具有積極影響，在提升學習者行為投入、認知投入和情感投入方面能發揮獨特的作用，但若要真正有機地融入學校教育生態中還面臨著不小的挑戰。透過這些研究報告對實證結果的解釋可以看出，在獲得支持、提供更多選擇、降低制作技術門檻、研究有效的應用模式、改變攸關方的態度和認知等方面還需要做大量工作。
1. 政策層面適當引導和支持，促進數字化教育游戲快速發展
作為一種獨特的教育資源，目前數字教育游戲無論在應用端還是在供給側都面臨著一定的挑戰。需求、供給、動力不足是現實問題，數字教育游戲的研發與使用也基本處于自發和零散狀態，政策層面給予適當引導和支持非常必要。在我國，盡管在《義務教育小學科學課程標準》中明確了“科學游戲是科學學習的有效方式之一”，2018年“兩會”期間也有委員呼吁發展教育游戲，顯然力度還不夠，主管部門還應給予教育游戲更多的政策支撐。例如，出臺相關政策和行動計劃，鼓勵教師在課堂教學中應用教育游戲;制定行業標準和質量標準，為數字教育游戲的開發和應用提供行動規范;積極引導相關企業和研究機構開發更多的數字化教育游戲產品，逐步培育權威的數字化教育游戲平臺等。
2. 加強數字化教育游戲資源建設，為應用提供更多的選擇
當前，國內有的企業和高校開始重視游戲化學習資源的研發和建設。例如，北京大學于2015年啟動了“游戲進課堂創新研究計劃”，騰訊公司2018年開始研發包括教育類游戲在內的功能游戲。但從總體來看，數字化教育游戲資源研發人員不足、體系不完善、質量不高、教育性不足等問題依然存在，加強數字化教育游戲資源建設，降低教育游戲的技術門檻，為學校、教師提供更豐富的產品和更多選擇，仍將是今后的重點工作。另外，打造“專業教師+游戲開發者”共同體，構建數字化教育游戲資源建設聯盟也十分必要，有助于解決“一線教師缺乏游戲開發技術、企業或游戲開發者缺乏教學經驗”的問題，從而保證產品的教育性與游戲性的平衡。
3. 數字化教育游戲應用模式尚不成熟，需要加強應用研究
盡管大量的實證研究結果表明了游戲化學習方式的有效性，但要想真正把游戲化學習方式整合到日常教學中還是存在不少困難。例如，王陸等人[22]通過實驗發現，在教學過程中運用數字化教育游戲，教師有時不能明確自己在游戲中需要承擔的角色，數字化教育游戲的選擇也是一個難題。Jong等指出，在游戲化教學環節中，教師在教學、反思、總結和評估的環節往往會有“束手無策”的感覺，有些學生之間有趣的互動行為無法記錄，缺少完善的評價機制，導致教師不知道該如何幫助學生[23]。這些問題反映出了數字化教育游戲應用模式的不成熟問題，若要實現數字化游戲與課堂教學深度融合，今后還需要針對不同學科、不同學段、不同課程的特點，對數字化教育游戲應用模式進行更加深入的研究。
4. 設計易于接受的教育游戲名稱，盡量合理規避偏見
在古代，教育與游戲的關系十分密切。著名的思想家、教育家孔子認為，學習的最高境界就是“樂”學，強調了游戲應用于教學中的重要性。然而，隨著班級授課制的推行，人們逐漸將教育與游戲割裂開來，特別是隨著電子娛樂游戲的發展，受到“游戲成癮”等負面現象的影響，游戲之于學習似乎成了“雷區”。正如國際知名學習科學專家David Shaffer指出的，當說到這是個游戲時，它總會讓學生聯想到將要發生的事，也會讓家長和教師聯想到一些情景，而這些事和情景并非都是積極的[24]。因此，在具體教學中有必要設計易于接受的教育游戲活動名稱，做到既發揮了數字游戲的教育價值，又合理規避了偏見。David Shaffer教授為了更清晰地向教師、家長和管理者傳達游戲中學生要做的事，使用了“虛擬實習（Virtual Intership）”的概念。
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Research on Influence of Gamification Learning Method on Students' Learning Effect： Meta-analysis Based on 35 Experiments and Quasi-experimental Studies
LI Yubin，? SONG Jinyu，? YAO Qiaohong
（School of Computer and Information Technology， Liaoning Normal University， Dalian Liaoning? 116081）
[Abstract] As a unique educational resource， digital educational games focus on the experience of flow experience and learning immersion， and are expected to improve students' learning effect. The gamification learning based on digital games has also been highly concerned by educational researchers and a lot of researches have been carried out. So， does gamification learning have any effects on improving students' learning？ If so， how useful is it？ If not， why？ Those issues are of great concern to the academic circle. Therefore， this study uses the meta-analysis method to quantitatively analyze the results of 35 gamification learning experiments at home and abroad from the aspects of the overall effect， different stages ， different knowledge types and different disciplines， and objectively evaluates the influence of gamification learning on students' learning effects. The results show that in general， gamification learning has a great and positive impact on students' learning effects. The impact of gamification learning on students' learning effects is not affected by the regulating variables such as knowledge types and school stages. Moreover， there are differences in the experimental results of gamification learning in different disciplines. Through those studies， it can be seen that educational games are still facing a lot of challenges to integrate into the school education ecosystem. A lot of work needs to be done in terms of gaining support， providing more choices， lowering the threshold of production technologies， studying effective application models， and changing the stakeholders' attitudes and cognition as well.
[Keywords] Gamification Learning; Learning Style; Meta-Analysis; Learning Effect; Learning Resources
