數字教育游戲對學生數學學習效果的影響——基于國內外43項實驗和準實驗研究的元分析

朱 莉 鄭富興 鄧 凡

數字教育游戲對學生數學學習效果的影響——基于國內外43項實驗和準實驗研究的元分析

朱 莉1,2鄭富興1[通訊作者]鄧 凡2

（1．四川師范大學 教育科學學院，四川成都 610066；2．中共成都市委黨校 社會建設教研部/教務處，四川成都 610066）

隨著信息技術在教育領域的應用，數字教育游戲成為教育領域的關注熱點。目前，已有大量教育實證研究探討了數字教育游戲對學生數學學習效果的影響，但所得結論大不相同。為此，文章采用元分析方法，對國內外43項實驗和準實驗研究進行梳理與分析，發現數字教育游戲對學生數學學習效果有中等影響。具體來說，數字教育游戲對學生數學問題解決和情感態度有高度影響，對學生數學學習成績有中等影響。與此同時，文章分別進行了學段、實驗周期、知識類型、教師干預、游戲類型這五個調節變量對學生數學學習效果的調節效應分析。依據元分析結果，文章從游戲設計、游戲選擇、教師引導、教育研究四個方面，針對數字教育游戲在數學學習中的實踐應用和理論研究提出建議，以期為發揮數字教育游戲的教育價值、增強游戲教學的針對性、提升學生學習的有效性提供參考。

數字教育游戲；數學學習；元分析；學習效果

一 問題的提出

“數字教育游戲”是指通過數字設備制作的、用于教育教學的游戲[1]。隨著大數據、人工智能等信息技術在教育領域的應用，數字教育游戲成為教育領域的關注熱點。如何以高質量的數字教育游戲為媒介，在正式或非正式學習環境中創設體驗良好的游戲化學習，逐漸進入了國際數字教育游戲研究共同體的視野[2]。而從21世紀以來舉辦的6屆國際數學教育大會關注的主題來看，數字教育游戲在數學學科中的應用問題受到的關注度很高[3]。

目前，研究者針對“數字教育游戲能否提升學生的數學學習效果”這一問題紛紛進行了研究，但所得結論大不相同：一種觀點是數字教育游戲對學生數學學習具有積極的促進作用，如Noah[4]發現用數字教育游戲進行數學學習的效果更好，能對學生的數學認知、動機和成就產生積極影響[5]，發展出更積極的數學學習態度[6]；Siew[7]發現將數字教育游戲整合到課堂中，能對學生的數學學習產生積極影響；而Van Den Heuvel-Panhuizen等[8]、Aparício等[9]發現，在家玩在線游戲也有助于提升學生的代數成績。此外，數字教育游戲對于學習困難學生和特殊學生同樣有積極的效果[10][11]。另一種觀點是數字教育游戲對學生數學學習的促進作用不明顯，如Abdelhafez[12]的實驗表明，在數學教學中應用數字教育游戲對學生成績提升的效果不明顯；Ferguson[13]發現，基于數字教育游戲的教學方法學習代數還不如傳統方法有效；Cooper[14]發現，使用數字教育游戲學習對天才學生數學成績的促進作用不大。還有一種觀點是數字教育游戲對學生的數學學習具有消極作用，如Neimeyer[15]發現，玩計算機游戲會對學生的數學成績產生負面影響；Watson-Huggins[16]的一項實驗結果表明，數字教育游戲對學生的數學成績產生了消極影響。

考慮到研究者對于數字教育游戲能否促進學生的數學學習效果存在爭議，本研究認為有必要對此問題進行系統的實證研究，以期為了解數字教育游戲在數學學科中的實際效用提供有力證據。基于此，本研究采用元分析方法對國內外相關文獻進行分析，旨在探究以下問題：①數字教育游戲能否促進學生的數學學習效果？具體對哪些方面的學習效果產生影響？②數字教育游戲對學生數學學習效果的影響受哪些變量的調節作用？

二 研究設計

1 文獻檢索與整理

本研究按照元分析的文獻篩選四階段流程[17]，進行了文獻檢索與整理，具體如圖1所示。

圖1 文獻篩選流程

圖2 效應值分布漏斗圖

①識別。本研究通過CNKI、ERIC、Springer Nature、Web of Science等數據庫進行文獻檢索，檢索的起止時間設為2006年1月至2022年6月。其中，中文檢索以“數字游戲”“游戲”“數學”“學習效果”“學習成績”“學習成效”“學業成就”為主題，而英文檢索以“digital game”“video game”“electronic game”“serious game”“online game”“math”“achievement”“assessment”“quality”為主題；同時，采用布爾運算“OR”進行模糊檢索，并采用引文索引和滾雪球法追蹤參考文獻的策略。最終，共檢索到6374條相關文獻。

②篩選。對6374條文獻進行初次閱讀，剔除非實證研究、非數學學科、會議紀要與新聞方面的文獻，得到299篇文獻。對這些文獻進行再次閱讀，剔除非實證研究、非數字教育游戲、非數學學習效果方面的文獻，得到186篇文獻進入下一環節。

③納入。對186篇文獻進行全文閱讀，根據納入標準選擇樣本文獻。文獻納入標準包括：研究主題為數字教育游戲對學生數學學習效果（包括學習成績、問題解決、數學思維、情感態度）的影響；采用實驗或準實驗研究方法；研究對象為中小學生；研究匯報了可用于計算效應量的值，如樣本量、均值、標準差或t值、F值。兩名研究人員各自按照文獻納入標準進行篩選，之后就分歧問題進行討論，以確保篩選結果的一致性和科學性。

④計入。經過上述三個環節，共計入43項符合標準的實驗和準實驗研究樣本。

2 文獻編碼

根據元分析的編碼指南[18]，本研究對43篇樣本文獻進行編碼，編碼內容包括作者、年份、實驗人數、學段、實驗周期、知識類型、教師干預、游戲類型，結果如表1所示。文獻編碼分析發現，數字教育游戲對學生數學學習效果的影響是多方面的，因此本研究依據《義務教育數學課程標準（2022年版）》和數學核心素養評價框架[19]，將學生的數學學習效果分為學習成績、問題解決、數學思維、情感態度四個維度，以分析數字教育游戲對學生數學學習效果各維度的影響。此外，通過參考已有研究的編碼框架[20]，結合本研究的文獻編碼信息，本研究將學段、實驗周期、知識類型、教師干預、游戲類型作為調節變量，并檢驗調節變量對研究結果的影響。其中，知識類型的編碼參考了莫雷[21]提出的學習雙機制理論，“聯結—陳述性知識”是指某些客觀存在的事實類知識，如數學中的概念、定理；“聯結—程序性知識”是指不需要經過復雜認知活動獲得的操作性知識，如計算器的使用；“運算—陳述性知識”是指體現事物普遍規律的事實類知識，如乘法交換律；而“運算—程序性知識”是指需要經過復雜的認知操作活動獲得的操作性知識，如解方程。游戲類型編碼中的“策略”是指有明確的問題導向與任務目標的游戲，而“故事”是指有故事情節的游戲，“練習”是指題海戰術式的操作訓練。編碼后，本研究共獲得55條元分析數據。

表1 文獻編碼信息表（部分）

三 研究分析

元分析是指通過回顧文獻，以定量的統計方法分析、評估已有研究的結果，總結出研究結論[22]。本研究采用Comprehensive Meta Analysis Version 3.0軟件，對數據進行元分析。

1 發表偏倚檢驗

發表偏倚檢驗主要檢驗樣本是否存在發表偏倚現象。首先進行效應值分布漏斗圖檢驗，結果如圖2所示，可以看出：大部分樣本的效應值都集中在中上部，且對稱分布在中軸線兩側，說明存在發表偏倚的可能性較小；其次進行Begg和Egger’s檢驗，Begg檢驗結果顯示=0.586，Egger’s檢驗結果顯示=0.423＞0.05，說明不存在發表偏倚；最后進行失安全系數（Fail-safe Number，Nfs）檢驗，得到Nfs值=1379＞檢驗標準5×55+10，說明未發表研究的效應值對已發表研究的總效應值影響不大。綜上可知，本研究不存在發表偏倚現象，樣本有效可靠。

2 異質性檢驗

異質性檢驗的結果用于判斷采用哪種模型進行分析。本研究通過I2統計量和Q檢驗進行異質性檢驗，檢驗標準分別為：低度異質性0%＜I2＜50%，中度異質性50%＜I2＜75%，高度異質性I2＞75%；Q值的顯著性＜0.05，說明各樣本之間存在異質性。而本研究的I2=88.77%＞75%，Q值為480.867，其顯著性＜0.05，如表2所示。據此，本研究采用隨機效應模型消除異質性，以保證研究的可靠性。

3 數字教育游戲對學生數學學習效果的影響分析

（1）數字教育游戲對學生數學學習效果的整體影響分析

本研究采用標準化均值差（SMD）作為效應值，來評估數字教育游戲對學生數學學習效果的影響。按照Cohen[23]的分類標準，當效應值SMD＜0.2時，表示有較小影響；當0.2≤SMD＜0.5時，表示有中等影響；當0.5≤SMD＜0.8，表示有中上程度影響；當SMD≥0.8時，表示有高度影響。采用元分析軟件進行計算，本研究得到數字教育游戲對學生數學學習效果的整體影響如表2所示，可以看出：數字教育游戲對學生數學學習效果的效應值為0.32，且達到統計顯著水平（＜0.05），說明數字教育游戲對學生數學學習效果有中等影響。

表2 數字教育游戲對學生數學學習效果的整體影響

（2）數字教育游戲對學生數學學習效果各維度的影響分析

為了解數字教育游戲對學生數學學習效果各維度的影響，本研究從四個維度進行了分析，結果如表3所示，可以看出：問題解決的效應值（SMD=0.867）和情感態度的效應值（SMD=0.862）都大于0.8，且都達到了統計顯著水平（0.05），說明數字教育游戲對學生數學問題解決和情感態度有高度影響；學習成績的效應值（SMD=0.203）在0.2～0.5之間，且達到了統計顯著水平（0.05），說明數字教育游戲對學生數學學習成績有中等影響；由于數學思維的效應值未達到統計顯著水平（＞0.05），因此無法說明數字教育游戲對學生數學思維有顯著作用。

表3 數字教育游戲對學生數學學習效果各維度的影響

4 調節效應分析

為了解數字教育游戲對學生數學學習效果產生影響的因素，本研究分析了數字教育游戲在以下五個調節變量作用下對學生數學學習效果的影響。

（1）學段對學生數學學習效果的調節效應分析

學段對學生數學學習效果的影響如表4所示，可以看出：小學階段的效應值（SMD=0.324）在0.2～0.5之間，且達到了統計顯著水平（0.05），說明數字教育游戲對小學生數學學習效果有中等影響；由于對初中生、高中生數學學習效果的調節作用未達到統計顯著水平（＞0.05），因此無法說明數字教育游戲對初中生、高中生數學學習效果有顯著作用。

表4 學段對學生數學學習效果的影響

（2）實驗周期對學生數學學習效果的調節效應分析

實驗周期對學生數學學習效果的影響如表5所示，可以看出：1～12周的效應值（SMD= 0.524）在0.5～0.8之間，且達到了統計顯著水平（0.05），說明應用數字教育游戲實驗1～12周對學生數學學習效果有中上程度影響；由于應用數字教育游戲實驗1周以下、12周及以上對學生數學學習效果的調節作用未達到統計顯著水平（＞0.05），因此無法說明數字教育游戲對實驗1周以下、12周及以上學生數學學習效果有顯著作用。

表5 實驗周期對學生數學學習效果的影響

（3）知識類型對學生數學學習效果的調節效應分析

知識類型對學生數學學習效果的影響如表6所示，可以看出：運算—陳述性知識的效應值（SMD=0.278）與運算—程序性知識的效應值（SMD=0.382）都在0.2～0.5之間，且都達到了統計顯著水平（0.05），說明在運算—陳述性知識與運算—程序性知識學習過程中使用數字教育游戲都對學生數學學習效果有中等影響；由于在聯結—陳述性知識與聯結—程序性知識學習過程中使用數字教育游戲對學生數學學習效果的調節作用未達到統計顯著水平（＞0.05），因此無法說明在這兩種知識學習過程中使用數字教育游戲對學生數學學習效果有顯著作用。

表6 知識類型對學生數學學習效果的影響

（4）教師干預對學生數學學習效果的調節效應分析

教師干預對學生數學學習效果的影響如表7所示，可以看出：有教師干預的效應值（SMD=0.393）在0.2～0.5之間，且達到了統計顯著水平（0.05），說明在數字教育游戲中有教師干預對學生數學學習效果有中等影響；由于無教師干預的調節作用未達到統計顯著水平（＞0.05），因此無法說明在數字教育游戲中無教師干預對學生數學學習效果有顯著作用。

（5）游戲類型對學生數學學習效果的調節效應分析

游戲類型對學生數學學習效果的影響如表8所示，可以看出：策略型游戲的效應值（SMD= 0.406）和故事型游戲的效應值（SMD=0.386）都在0.2～0.5之間，且都達到了統計顯著水平（0.05），說明策略型游戲和故事型游戲都對學生數學學習效果有中等影響。具體來說，策略型游戲的效應值大于故事型游戲的效應值，說明策略型游戲對學生數學學習效果的影響更大；由于練習型游戲對學生數學學習效果的調節作用未達到統計顯著水平（＞0.05），因此無法說明練習型游戲對學生的數學學習效果有顯著作用。

表8 游戲類型對學生數學學習效果的影響

四 研究結論與討論

1 數字教育游戲對學生數學學習效果有中等影響

上述研究分析結果顯示，數字教育游戲對學生數學學習效果的合并效應值為0.32，其對學生數學學習效果有中等影響。具體來說，數字教育游戲對學生數學問題解決和情感態度有高度影響，對數學學習成績有中等影響。對此結果的解釋有：①對學生數學問題解決和情感態度有高度影響，可能是因為數字教育游戲為學生提供了更豐富的多元、動態情境，激發了學生的學習熱情，引發了學生的好奇與質疑，有助于學生形成問題意識、積極思維的習慣并提升問題解決的能力。②受知識遷移的影響，學生將游戲中獲得的知識技能轉換為數學標準化測試的能力有限[24]，因此在游戲情境下的學習成效可能未發生遷移并在紙質測試成績中體現出來。

2 調節變量對學生數學學習效果的影響

①從不同學段來看，數字教育游戲對小學生數學學習效果有中等影響。究其原因，可能與小學生的思維發展水平有關——小學生的思維以形象思維為主，游戲能幫助小學生通過具體的事物理解抽象知識，從而促進學習效果。

②從實驗周期來看，使用數字教育游戲實驗1～12周對學生數學學習效果有中上程度影響。原因可能在于經過前期適應，學生對游戲本身的新奇感逐漸減少，轉而開始關注數學知識學習。

③從不同知識類型來看，在運算—陳述性知識與運算—程序性知識學習過程中使用數字教育游戲都對學生數學學習效果有中等影響。究其原因，可能是學生通過數字教育游戲進行了分析、綜合、推理等思維活動，這些復雜的認知活動促進了學生的運算類知識學習。

④從教師有無干預來看，在數字教育游戲中有教師干預對學生數學學習效果有中等影響。這是因為，教師引導有助于學生理解游戲中蘊含的數學知識，從而提升學習效果。

⑤從游戲類型來看，策略型游戲和故事型游戲都對學生數學學習效果有中等影響，其中策略型游戲對學生數學學習效果的影響更大。原因主要在于策略型游戲更多地將游戲與內容相結合，幫助學生通過假設、推理、證明等思維方式獲得知識；而故事型游戲中大量的無關活動可能會吸引學生的注意力，讓學生產生超載的認知負荷[25]，從而影響其學習效果的提升。

五 研究建議

根據上述研究結論，本研究從游戲設計、游戲選擇、教師引導、教育研究四個方面，針對數字教育游戲在數學學習中的實踐應用和理論研究提出建議：

1 遵循人本化的游戲設計，發揮游戲的教育價值

根據游戲類型、實驗周期對學生數學學習效果的影響結論，本研究建議數字教育游戲開發設計遵循人本化原則，兼顧數字教育游戲對學生的“促進”與“激勵”功能：一方面，在數字教育游戲中設計與學習目標相關的元素，促進學生的認知發展，引導學生從關注游戲有趣的游戲情境到參與更高層次的數學思維活動，發揮游戲的教育價值；另一方面，設計有趣的游戲形式，持續保持數字教育游戲對學生的吸引力，充分發揮數字教育游戲寓教于樂的價值。

2 根據知識類型選擇應用，增強游戲教學的針對性

根據不同知識類型對學生數學學習效果的影響結論，本研究建議在教學中根據知識類型選擇游戲。有研究顯示，針對不同類型數學知識設計開發的認知工具有助于提高學生的成績[26]。因此，教師在進行教學設計時，需要先判斷數學知識類型，再根據知識類型選擇游戲教學，增強游戲應用的針對性。例如，學習運算—程序性知識就選擇策略型游戲，讓學生通過游戲進行猜想、推理、驗證、遷移等思維活動，獲得操作性知識；而學習運算—陳述性知識就選擇故事型游戲，幫助學生通過故事情境發現規律，獲得陳述性知識。

3 加強教師的引導作用，提升學生學習的有效性

根據教師干預對學生數學學習效果的影響結論，本研究建議加強教師引導，提升學生學習的有效性，具體可從以下方面入手：①教師要引導學生選擇合適的學習內容與方案，加強精準導學，彌補游戲本身導學的不足；②教師要引導學生與同伴、教師進行深層次的互動對話，通過不同層次的問題引導學生參與交流討論，讓學生從感知具體的游戲情境轉為參與抽象的數學推理；③教師要引導學生對游戲內容進行反思，學習游戲中蘊含的數字知識與數學思想。

4 深入開展實證研究，促進成果的轉化應用

根據對本研究結論的反思，本研究建議從以下方面入手深入開展相關的實證研究：一是拓寬研究對象范圍，即針對學困生、特殊學生開展實證研究，為不同學習水平的學生應用數字教育游戲的效果提供經驗或依據；二是深入探討影響學生數學學習效果的因素，如對師生交互方式、教學策略、學習者特征等變量進行效果檢驗，以利于教師更有針對性地改進教學實踐；三是拓寬研究的視角，即結合腦科學、教育神經科學等學科的相關研究成果，將數學能力的培養與發展建立在對數學認知發展和腦機制研究的基礎之上[27]，并根據人類大腦學習數學的機制，研究如何將其應用于游戲教學設計，不斷提升游戲教學的科學性。

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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

G40-057

A

1009—8097（2022）11—0050—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.11.006

朱莉，中共成都市委黨校講師，四川師范大學在讀博士，研究方向為教育基本理論、數字化學習，郵箱為zhuz5461@163.com。

2022年3月12日

編輯：小米