教育软件对学习效果的影响

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　　【摘 要】
　　 随着教育信息化的不断推进，教育软件在学与教过程中的应用也越来越广泛。为考察教育软件对学习效果的影响，采用元分析研究方法，对十多年来国内外有关教育软件对学习效果影响的38项研究进行梳理、分析和评价。研究发现教育软件对学习效果的综合效应值为0.996，表明教育软件的应用对学生学习有积极的促进作用，提高了学生的学习效果。具体来说，教育软件的应用对学生认知方面的学业成绩、问题解决能力、认知能力和自我调节能力有显著的正向影响，对非认知方面的学习态度、学习兴趣有显著的正向影响。但教育软件的学习效果促进作用受到学段、学科、知识类型等调节变量的影响。基于研究结果，就增强教育软件对学业成就的促进效应，以及提高在小学阶段、英语教学、游戏化教学中的促进作用进行了思考。
　　【关键词】  教学软件;课件;教育App;教学App;智能环境;智能学习系统;元分析;实验研究;准实验研究
　　【中图分类号】   G434          【文献标识码】  A       【文章编号】  1009-458x（2020）3-0058-07
　　一、问题提出
　　教育软件是信息技术与教育相融合的产物，从广义来看，服务于教育的计算机软件产品都属于教育软件范畴，狭义的教育软件则与特定的教学目标、特定的教学内容和具体的教学策略相关联（黄荣怀， 等， 2006， p.343）。本研究中的教育软件界定类似于狭义的教育软件，指为实现特定教学目标而设计开发的教学程序或系统。20世纪70年代后，教育软件迅速发展，广泛地进入教育教学领域，人们希望凭借其多媒体化、智能化、良好的互动性等特征，有效地辅助教师的教和学生的学，实现激发学生的学习动机、帮助学生理解和建构知识、提高学习效果的目的。因此，教育软件的设计与开发成为教育信息化建设与开发的重点（吕新奎， 2002， p.42; 黄荣怀， 2002， pp.23-24），相关投资也成为教育投资的重要组成部分。近五十年过去了，在面对新时代信息技术与教育深度融合、教育改革持续深化、各类教育软件飞速发展的当下，审视教育软件对学生学习效果到底产生怎样的影响成为我们不得不认真思考的重要课题。
　　对此，大部分相关研究认为教育软件对于学生的学习效果有着积极的促进作用。如Vito等（2017）的研究发现，E-Gibalec的使用能够激发学生的内在潜力，使他们的思维更活跃，引导他们以更加积极的方式生活。Yükseltürk等（2018）的研究发现教育游戏软件可以提高学生学习外语的自我效能，在口语表达和听力方面对学生产生积极影响。Wu等（2017）的研究证明英语教学软件可辅助各种写作策略的应用，帮助学生练习英语词汇。还有些研究（Cameron & Pierce， 1994： Elliott & Dweck， 1988： Duffy & Azevedo， 2015）表明教育软件激发了学生更高层次的学习动机，提高了学生的自我效能，调动了学生的积极情绪，有利于提高学习成绩。
　　但是，也一部分研究表明，教育软件并未起到积极作用甚至会产生消极影响。有研究者（Barney & Andrea， 2009： Cutmore， Hine， Maberly， Langrind， & Hawgood， 2000）发现虚拟实验室的应用效果存在个体差异，并不能满足所有学习者的学习需求。崔羽杭（2018）的研究表明，手机App词汇软件中的简单汉语释意易使学生形成汉语对英语的负迁移和中介语的僵化，不利于词汇在具体语境和情境中的运用，这些词汇软件的应用并没有显著提高学生的产出性词汇量，也没有提高其作文水平。
　　显然，关于教育软件能否促进学习者的学习效果还存在争议。基于此，本研究运用元分析（meta-analysis）方法，从“教育软件是否促进学习者的学习效果”这一视角出发，梳理国内外有关教育软件对学习效果影响的实证研究，并对文献中的研究结果进行整理及分析，以探究教育软件的应用对学习者学习效果的影响。同时，也分析不同学段、不同学科内容、不同教学方法、不同终端类型等调节变量对教育软件促进学生学习效果的影响。
　　二、研究设计
　　（一）文献检索与选取
　　本研究依据研究目的对国内外相关数据库进行文献检索。其中，中文文献主要从CNKI数据库、万方数据库、维普数据库进行检索，检索的关键词包括“教育软件”“教学软件”“课件”“教育App”“教学App”“学习App”“智能环境”“智能学习系统”“虚拟实验室”“虚拟环境”。外文文献检索的数据库包括ScienceDirect、SpringerLink、EBSCO、ERIC，检索关键词包括“education software”“learning software”“education App”“intelligence environments”“smart environments”“virtual environment”“learning system”。基于已获取文献的参考文献进行二次检索，以获得更多的相关研究文献。
　　除去与研究主题不相符的文献及重复文献后，按照如下标准进行第二轮筛选：①文献中要对比有教育软件和无教育软件两种教学条件下学习者学习效果的差异，即应具备实验组和对照组。②文献中应包含足够的数据以计算出实验效应值，具体包括：（a）实验组和对照组的数据应包含平均值m和样本量n，并含有标准差sd、t值、p值中任何一个;（b）实验组和对照组均包含均值差difference in means、共同标準差common sd和样本量n。经过筛选后得到39篇文献，发表年份范围是2007年至2018年。其中，中文文献10篇，英文文献29篇。 　　（二）文献编码
　　为进行元分析，本研究对筛选后的文献进行特征编码。编码的内容包括作者信息、发表年份、样本量、研究学段、研究学科、知识类型、教学方法、终端类型及学习效果。其中，研究学段包括小学、中学和大学三个学段。由于中小学和大学中开设的课程不同，导致研究学科较为复杂。根据文献的实际情况，研究中将研究学科划分为医学、英语、文史、理工（特指以大学中理科或工科为教学内容的实证研究）、科学（特指以中小学的科学课程为教学内容的实证研究）和其他六种学科类型。知识类型包括陈述性知识和程序性知识两种。教学方法以文献中自述的方法为主，包括混合式教学、自主学习、协作学习、游戏化教学、任务驱动等类型。另外，有三个样本所涉及的教育软件是教育测评类软件，通过对学生进行学业测试（或评估）来促进学生的学习，不属于上述教學方法，在研究中将之概括为测试/评估。终端分为手机、手机/平板、电脑三种类型。学习效果则从认知层面和非认知层面分为学业成就、问题解决、认知能力、自我调节、学习动机、学习态度、学习兴趣、学习参与八个维度。
　　（三）分析方法和工具
　　本研究采用元分析方法，提取选中文献的实验数据，通过元分析及相关计算公式得出平均效应值（effective size），并借此评价教育软件对学生学习效果的影响及影响程度。研究中使用的分析工具为Comprehensive Meta Analysis 2.0（CMA 2.0）。
　　三、研究结果分析
　　（一）发表偏倚与异质性检验
　　从图1所示的样本效应值分布漏斗图可以看出，大部分效应值都落在漏斗图的上部有效区域里，且相对较均匀地分布在平均效应值的两侧，说明本研究所选样本存在发表偏倚的可能性较小。
　　本研究样本的异质性检验结果显示Q值为126.785（p<0.001），这说明研究样本之间存在显著的异质性（Larry & Ingram， 1984）：I2的值为70.028，说明约有70%的变异是由于效应量的真实差异造成的。出现异质性可能是由于本次遴选文献的来源国家、发表时间、研究对象、实验方法等因素不同造成的。研究中借鉴已有解决方式（Larry， 1981），采取随机模型对效应值进行分析，并将偏差非常大的11号文献排除，以确保研究的有效性。
　　（二）教育软件对学习效果影响的效应值分析
　　1. 单个样本效应及整体效应分析
　　采用Hedges’g的数据分析方式计算单个样本的效应值，发现研究样本中有5个样本的研究结果表明教育软件对学习效果有消极影响。其中，2个样本的效应值小于0.2，表明该样本中教育软件对学生学习效果的负面影响较小，负面效应不明显;1个样本中教育软件对学习效果有一定的负面影响，但影响不大（效应值在0.2～0.5）;1个样本中教育软件对学习效果有中等程度的负面影响（效应值在0.5～0.8）;1个样本的效应值大于0.8，表明该样本中教育软件对学生学习效果有较大的负面影响。33个样本的研究结果表明教育软件对学习效果有积极影响。其中，3个样本中教育软件对学习效果的积极影响不明显（效应值小于0.2）;4个样本中教育软件对学习效果有一定的积极影响，但影响不大（效应值在0.2～0.5）;11个样本中教育软件对学习效果有中等程度的积极影响（效应值在0.5～0.8）;15个样本中教育软件对学习效果有很大程度的积极影响，促进效果明显（效应值大于0.8）。
　　教育软件对学习作用效果的整体效应结果如表1所示，38个研究样本（共58个效应值）的随机模型最后计算得出的合并效应值d为0.996，依据Cohen的效应值理论（Cohen， 1988， pp.19-74），教育软件对学习效果有正向影响，该影响程度很大且达到统计意义上的显著水平（p<0.001），表明教育软件的应用对学生的学习有积极的促进作用，在很大程度上提高了学生的学习效果。
　　2. 教育软件对学习效果不同维度影响的效应值分析
　　教育软件对学习效果不同维度的影响如表2所示。可以看出，在认知层面和非认知层面教育软件都有很大程度的正向影响。具体来说，在认知层面的四个维度中，教育软件对学生的学业成就有中等偏上的正向影响，对学生的问题解决能力、认知能力和自我调节能力有很大程度的正向影响，且这些影响达到统计学上的显著水平。在非认知层面，教育软件对学生的学习动机有中等偏上的正向影响，对学习态度、学习兴趣有很大程度的正向影响，且这些影响达到统计学上的显著水平。教育软件对学生的学习参与有很大程度的正向影响，但这种影响未达到统计学上的显著水平（p为0.064，大于0.05）。教育软件对学习效果不同维度影响的组间效应值QB为17.157（p=0.016），表明在不同维度上教育软件的影响具有显著差异。
　　（三）调节变量检验结果
　　1. 学段对教育软件促进学习效果的影响
　　如表3所示，从不同学习阶段来看教育软件对学习效果都有显著的正向影响，且不同学段影响的组间效应值QB为6.166（p=0.046），表明在不同学段教育软件对学习效果的影响在0.05水平上具有显著差异。具体来说，教育软件对中学生学习效果的正向影响最大，对大学生学习效果的正向影响次之，这两个阶段学生学习效果的促进效应值都大于0.8，表明教育软件对这两个阶段学生的学习效果的促进效应均非常显著。教育软件对小学生学习效果的正向影响相对较小，接近中等效应，表明教育软件对小学生学习效果的促进作用还有较大的提升空间。
　　2. 学科对教育软件促进学习效果的影响
　　为探究不同学科对教育软件促进学习效果有无影响，研究中按学科计算教育软件对学习效果影响的效应值，结果如表4所示。不同学科对教育软件促进学习效果影响的组间效应值QB为15.623（p=0.001），表明不同学科教育软件对学习效果的影响具有显著差异。具体来说，教育软件对理工学科的学习效果具有中等偏上的正向影响，对科学、文史、医学等学科的学习效果具有很大程度的正向影响，且这些影响达到统计学上的显著水平。教育软件对英语和其他学科的学习效果也具有正向影响，但并未达到统计学上的显著水平。 　　3. 知识类型对教育软件促进学习效果的影响
　　如表5所示，教育软件对陈述性知识的学习效果有中等偏上的正向影响，对程序性知识的学习效果有很大程度的正向影响。不管是陈述性知识还是程序性知识，教育软件的促进作用均在0.001水平上显著，且教育软件对不同类型知识学习效果的促进作用没有显著差异（组间效应值QB为1.208，p为0.272，大于0.05）。
　　4. 教学方法对教育软件促进学习效果的影响
　　为探究不同教学方法的运用是否影响到教育软件的促进作用，本研究按运用的教学方法分组进行效应值的比较分析，分析结果如表6所示。从表中可以看出，在运用各种教学方法的教学过程中，教育软件均可以促进学生的学习效果，且这种促进作用在不同教学方法之间没有显著差异（组间效应值QB为6.800，p为0.147，大于0.05）。从各种教学方法的效应值来看，混合式教学、自主学习、任务驱动教学中教育软件对学习效果有很大程度的促进作用，合作学习中教育软件对学习效果有中等偏上的促进作用，测试/评估教学中教育软件对学习效果有中等程度的促进作用，游戏教学中教育软件对学习效果有中等偏下的促进作用，其他教学方法中教育软件对学习效果有较小的促进作用，但教育软件对合作学习、其他教学方法中的促进效果未达到统计学上的显著水平。
　　5. 终端类型对教育软件促进学习效果的影响
　　终端类型对教育软件促进学习效果的影响如表7所示，可以看出教育软件在各种终端上的应用都能够显著促进学生的学习效果，且这种促进作用在不同终端设备之间没有显著差异（组间效应值QB为1.192，p为0.551，大于0.05）。
　　四、研究结论与讨论
　　（一）研究结论
　　本研究旨在利用元分析的研究方法，分析国内外相关研究中教育软件对学习效果的影响，以及这种影响在不同学习阶段、学科、知识类型、教学方法以及不同终端上是否有所不同。研究结果表明教育软件对学习效果有显著的正向影响，综合效应值为0.996，即：教育软件的应用对学生的学习过程有积极的促进作用，在很大程度上提高了学生的学习效果。
　　1. 教育软件对学生认知层面的学习效果有显著的正向影响。在认知层面学习效果的问题解决能力、认知能力、自我调节能力、学业成就四个维度中，教育软件的正向影响均具有统计学意义，且对不同维度的影响之间具有显著差异。
　　2. 在非认知层面教育软件对学生的学习态度、学习兴趣、学习动机维度有显著的正向影响，且对不同维度的影响之间具有显著差异。另外，教育软件对学生学习参与有很大程度的正向影响，但这种影响不具有统计学意义。
　　3. 教育软件对不同学段学生的学习效果都有显著的正向影响，且对不同学段学生的影响水平之间存在显著差异。具体来说，教育软件对中学生学习效果的正向影响最大，对大学生学习效果的正向影响次之，对小学生学习效果的正向影响相对较小。
　　4. 教育软件对理工、文史、医学、科学课程的学习效果均具有显著的正向影响，且对不同学科的影响作用之间存在显著差异。教育软件对于英语、其他学科的学习效果具有正向影响，但这种影响并没有统计学意义。
　　5. 教育软件对陈述性知识和程序性知识的学习效果都有较大程度的正向影响，这种正向影响具有统计学意义，且对不同类型知识的学习效果的影响之间不存在显著差异。
　　6. 在运用各种教学方法的教学过程中，教育软件均可以促进学生的学习效果。这种促进作用具有统计学意义，且在不同教学方法之间没有显著差异。
　　7. 教育软件在不同终端设备上应用都能促进学生的学习效果。这种促进作用具有统计学意义，且在不同终端设备之间不存在显著差异。
　　（二）讨论
　　1. 小学阶段教育软件对学习效果的促进作用有待增强
　　小学阶段教育软件对学习效果具有低于中等程度的促进效应，远低于教育软件对学习效果的整体促进效应，表明小学阶段教育软件对学习的促进作用还需要加强。小学生有其特有的认知和非认知特征，以具体形象思维为主，抽象逻辑思维不发达，自主学习能力和自制力较弱。因此，从教育软件的设计与开发角度来说，以小学生为目标用户的教育软件应该注重创设有趣的学习情境，运用具体形象辅助学生理解和建构，同时要发挥思维支架的引领作用，在提高小学生知识建构和能力的同时，促使他们学会学习。从教师教学方面来说，教师在应用教育软件开展教学的过程中，要结合小学生的实际情况进行有效的启发和引导，帮助学生掌握教育软件的使用方法，使教育软件真正成为辅助学生学习的有力工具和开展学习活动的支持性资源。
　　2. 教育软件对学业成就的促进作用还有较大提升空间
　　教育软件对学生的学业成就具有中等程度的促进效应，低于教育软件对其他各认知層面学习效果的促进效应，也低于教育软件对认知层面的整体促进效应。究其原因主要在于教育软件对学生学业成就的促进作用，不仅需要从技术角度来看待，更需要从人的需求和发展、社会、认知以及人体工程学等方面来看待（Zhu， Marquez， & Yoo， 2015）。Mayer认为学习是主体基于已有知识积极参与的过程，需要选择、组织和整合信息（Mayer， 2010）。技术本身并不能帮助学生产生高水平的思维（Ismail， Harun， Zakaria， & Salleu， 2018），仅仅让学生使用教育软件也不足以产生有意义的学习。提升教育软件对学业成就的促进作用，需要付出更多的努力。首先，教育软件的设计和知识呈现要结合学习者的视听心理，符合学习者的注意和认知规律。学习者总是按特定顺序进行观察，当主体知识处于三分法构图的画面中心时更容易吸引学习者的注意力，学习者的加工水平也更深入（曹卫真， 2013）。其次，教学中教师需要更具有创造性，将教育软件融入实际的学习情境，使之与课堂教学更好地整合，激活学习者的高级认知过程，促使学习者积极思考，完成知识建构和问题解决。最后，教师要根据教育软件应用的实际情况进行有效引导。已有研究表明教师的有效引导行为能够提高学习者对学习内容的有意识注意，减少学习过程中的认知负荷，提高学生的学业成绩（王红艳， 等， 2018）。 　　3. 英语教学软件应该为学习者创造有效的互动环境
　　从研究结果可以看出，教育软件对英语学习具有中等程度的促进效应，远低于教育软件对其他学科的促进效应。英语教学的最终目标既包括使学生具有接受性语言技能（听和读），也要使学生具有产出性语言技能（说和写）（Yükseltürk， Alt?ok， & Ba er， 2018）。要提升教育软件对英语学习的促进效应，应注重以下几个方面：首先，教育软件的教学应用应该基于真正的（authentic）和真实的（real）交流，而不是有限的和非自然的交互（Cook， 1977），为学习者提供持续练习和复习的语言环境，培养学习者学习英语的意愿和积极态度。其次，英语教学软件创设的互动环境应该具备可成功、竞争性和富于挑战等特征，使学习者沉浸在学习过程中，产生适度的焦虑以增强学习动机，提升学习者获取知识和解决问题的主动性。最后，英语教学软件应该立足于培养学习者综合应用英语的能力，促进学习者英语学习的可持续发展，避免孤立学习元素造成汉语对英语的负迁移，撕裂英语听、说、读、写的关系。
　　4. 游戏教学应为学习者提供适当的支持工具，注重学习策略培养
　　游戏教学是将游戏的元素和机制用于非游戏的场景中，如运用来自游戏的设计理念、忠诚度方案以及行为经济学原理，推动互动和参与，以此发挥游戏在动机、机制、精神方面的价值（蒋宇， 等， 2019）。本研究结果显示教育软件对游戏教学效果具有中等偏下的促进效应，低于教育软件在其他教学方法中的促进效应。这一结果表明，教育软件的应用激发了学习者的兴趣，提高了他们参与学习的动机水平，在一定程度上促进了学习者的学习成就和高阶思维能力的培养。同时，也意味着教育软件在游戏教学中对学习者学习效果的促进作用还有较大的提升空间。在游戏教学中应用教育软件要适应学习者学习的实际需求，将教育软件与寓教于乐的游戏情境、具体教学目标、教学内容有机融合，为学习者提供适切的支持工具，注重学习者策略意识和策略能力的培养，从而大幅度地提升学习者的学习效果。
　　5.教育软件与其他教育要素之间关系的反思
　　教育软件在教育活动中是以物化形态存在的重要中介要素，与教育活动中的主体要素（教师与学生）、客体要素（教育内容）以及其他中介要素共同构成具体教育情境的特定结构，实现教育功能。在现代教育中，教育软件既可能作为一种教与学的资源存在，又可能作为教与学的特定环境存在（如智能学习系统），其意义已远远超越“客体的载体”和“客体的教学呈现”，而是被纳入主体间的教育交往活动，其作用体现在如下三个方面：首先，体现了作为教育主体的教师（或教师团队）与作为客体的教学内容之间的相互作用，是教师（或教师团队）将自己对客体和学生主体的理解、对教育活动的预设进行客体化的产物。同时，也是教育客体依据特定教育目的被某种程度主体化的产物。所以教育软件具有鲜明的教育属性和社会属性。其次，体现了作为教育主体的学生与教育客体之间的相互作用。学生以教育软件为中介与教育客体结合，使教育软件中所蕴含的教育客体的特定思想与价值观、知识与技能、方法与策略等向自身显现，实现学生主体在学习过程中的对象化。同时，随着教育信息化的不断推进，教育软件越来越注重交互性、个性化和开放性。学生以教育软件为中介的学习过程，也是学生同教育软件进行交互的过程。这一过程在使学生主体对象化的同时，也进一步丰富和发展了教育软件的内容和功能，使之进一步主体化。最后，教育軟件往往成为师生教学交互的重要中介。学生以教育软件为中介，在与教师的交互过程中实现持续的有效建构，被教师所影响和同化。同时，教师作为教育软件的创造者或者将教育软件引入教育活动的设计者，也在某种意义上转化为教育软件的消费者，在以教育软件为中介的师生交往活动中发生反身性建构。
　　上述以教育软件为中介的复杂互动过程意味着教育软件不是与人无涉的存在物或单纯的技术产品。从某种程度上来说，现代教学中的师生关系正是借由以教育软件为中介的教师与学生之间的教学交往活动得以形成的，教育的本质就存在于以教育软件为中介的交往活动所构成的复杂关系之中。因此，在设计、开发以及应用教育软件的全过程中，都必须以满足学生的持续发展需求为价值取向，把教育软件当作体现着生命意义、生存价值的教育交往活动的重要要素。
　　五、结语
　　从20世纪初的视听教育运动开始，技术逐渐进入教育领域，成为促进教育变革和创新的重要因素。作为教育中技术应用的重要组成部分，本研究的结果显示教育软件对于认知层面和非认知层面的多个维度的学习效果表现出显著的促进作用。在当前教育发展更加注重信息技术对教育现代化的引领和促进作用的时代背景下，教育软件的教学应用也必须由外生变量转化为内生变量，作为内在因素与具体教学情境、目标、内容、方法、策略等相互作用，适应教育与人的发展的特殊性，促进教与学过程的深刻变革，从而进一步提升学习者的学习效果。
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　　收稿日期：2019-06-28
　　定稿日期：2019-12-13
　　作者簡介：刘洋，助理研究员，中央电化教育馆（100031）。
　　赵东伟，助理研究员，国家开放大学（100039）。
　　责任编辑 单 玲
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