數字教育游戲對高階思維發展的影響

摘 要：數字教育游戲能夠創造輕松愉快的學習情境，為不同教育水平的學習者提供學習支持與輔助。已有研究表明，數字教育游戲能夠提高學習者的學習表現，但是在促進高階思維發展方面的有效性上仍然存在一些爭議。為此，本研究采用元分析方法，綜合分析了國內外28篇實證研究數據（共含39個有效效應量）進行驗證。結果顯示，數字教育游戲對高階思維發展具有中等偏上程度的促進作用，其合并效應值為0.778；進一步的調節效應檢驗表明，數字教育游戲對高階思維發展的有效性受學段、競爭機制、游戲環境三種調節變量的影響；然而，學科、具身交互方式、故事、反饋內容并沒有顯著影響數字教育游戲干預對高階思維發展的效應。上述發現證明了用心設計數字教育游戲對高階思維發展的重要性。

關鍵詞：數字教育游戲；高階思維；元分析

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2024）03-0028-10

引言

高階思維培養是21世紀新型課堂教學的重要目標，各國均出臺了相關教育政策以落實高階思維的培養。美國《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards， 簡稱NGSS）倡導通過科學實踐達到高階思維的培養目標。我國于2022年發布的各學科新版義務教育課程標準中，為落實義務教育時代新人培養的具體要求，分別提出了指向高階思維的素養目標。比如，初中物理課程目標單設了“科學思維”維度，目的是培養問題解決能力、創新思維等高階思維[1]；初中語文課程目標也設置了“思維能力”維度，以培養辯證創造思維等能力。

然而，在課堂教學中落實高階思維培養，對教師來說是一項具有挑戰性的任務，如果不輔以適切有效的支持，學習者的思維能力也許不會得到更好的發展。數字教育游戲作為一種新型的教學工具，可以為學習者提供真實的問題情境和豐富深入的互動體驗，能夠幫助學習者緩解學習焦慮、提高心理體驗，提高學習者的參與度和學習動機，在一定程度上具備促進高級思維培養的優勢潛能。然而，在現有的研究中，數字教育游戲能否促進高階思維的發展仍存在爭議，并且尚未有研究通過元分析的方法來綜合驗證數字教育游戲對高階思維發展的總體效應，分析數字教育游戲各元素對高階思維發展的影響效果。鑒于此，本研究采用元分析方法驗證數字教育游戲對高階思維發展影響的有效性，探討分析影響高階思維發展的因素，為相關研究提供借鑒。

一、研究問題的提出

數字教育游戲具備娛樂化、強交互、多元反饋等特征，能夠有效減少課堂與實際生活的差距，有利于激發學習動機、喚起學習興趣，促進學習者認知、情感、行為、文化等多方面的參與和投入，為學習者的意義建構與知識遷移提供自然沃土。已有研究證明數字教育游戲能夠促進高階思維發展，如達馬里·梅利安·迪亞斯（Dámari Melián Díaz）等[2]采用前后對照實驗，將視頻游戲“Minecraft”融入“夢想之家”學習活動，結果顯示，學習者的創造性思維得到了顯著提高；也有研究表明應用數字教育游戲能夠顯著促進問題解決能力[3]；批判性思維的發展與提升[4]；亦有研究表明基于數字游戲的學習能夠促進學生的深度學習[5]，增強學生的系統思維能力[6]。

然而，有研究表明應用數字教育游戲對高階思維的發展并不能夠帶來統計學意義上的顯著性差異。例如，克峰峰（Fengfeng Ke）等[7]以四、五年級的學生為研究對象在數學課程中探究數字教育游戲對元認知技能的影響，結果顯示，實驗組的平均值比對照組高0.3，并未形成明顯差異。此外，也有研究表明，相比傳統教學，應用數字教育游戲會產生負效應。例如，扎赫德·西迪克（Zahed Siddique）等[8]將在線賽車游戲應用于汽車性能課程中，結果顯示，應用在線賽車游戲相比傳統教學，在問題解決能力測試中取得的平均值更低。可見，數字教育游戲促進高階思維發展的有效性還需要得到進一步的確認。

鑒于此，本研究聚焦“數字教育游戲對高階思維發展的影響”這一研究主題，依托國內外近年來的相關實證研究成果，采用元分析方法開展量化分析，以期為數字教育游戲促進高階思維發展的有效性提供有力的數據支持。擬探討解決如下研究問題：

（1）數字教育游戲能否促進高階思維發展？

（2）哪些因素會調節數字教育游戲對高階思維發展的作用效果？

二、研究設計

（一）研究方法與工具

元分析是一種系統化文獻綜述的定量方法，相比傳統的質性文獻綜述方法更加科學嚴謹。考慮到所納入的各項實驗采用不同的評價方式去衡量計算結果數據，并且一部分實驗研究屬于小樣本研究，為避免過高估計，保證元分析結果的有效性，本研究選取Hedges’ g作為效應量的估計值。以Comprehensive Meta Analysis Version3.0（簡稱CMA-V3.0）軟件為數據分析工具，以數字教育游戲干預為自變量，以高階思維發展效果為因變量，本研究通過發表偏倚檢驗、異質性檢驗、調節效應檢驗等表征解釋研究效應，分析數字教育游戲對高階思維發展的影響。

（二）文獻檢索與篩選

根據研究目的確定檢索關鍵詞，中文檢索關鍵詞包括“教育游戲”“高階思維”；英文檢索關鍵詞由兩部分組成，一是與教育數字游戲對應的主題詞“Digital Game”，二是高階思維對應的主題詞，包括“higher-order thinking（高階思維）”“critical thinking（批判性思維）”“creativity（創造性思維）”“problem solving（問題解決）”“metacognitive thinking（元認知）”。然后，采用布爾運算符組合成檢索語句，兩組主題詞之間采用AND連接，主題詞與之對應的近義詞用OR連接，在Web of Science、Scopus、EBSCO、ScienceDirect 4個外文數據庫和中國知網中文數據庫中進行首輪檢索。為避免檢索不充分問題造成發表偏倚，隨后采用滾雪球的方式進行了二輪檢索，追蹤所選文獻的參考文獻。

在篩選階段，首先刪除重復的文獻，然后仔細閱讀文獻的標題和摘要，排除與教育數字游戲、高階思維無關的文獻以及非實證性研究文獻；其次進行全文閱讀，根據以下篩選標準納入文獻。（1）實驗干預：研究必須包括數字教育游戲這一干預條件。（2）因變量：研究必須以高階思維為因變量，可通過問卷量表進行自我報告或者基于作品進行評估。（3）研究設計：研究必須采用實驗或準實驗設計，不僅包括簡單隨機對照實驗，還包括沒有對照組的重復測量實驗（必須提供前測、后測數據）和多組對照實驗（必須包括數字教育游戲實驗組和傳統教學對照組）。（4）數據：研究須報告實驗相應的樣本量、平均值、標準差、t值、p值，數據完整清晰，便于效應量的計算或者直接報告樣本量和效應量。最終研究共納入28篇文獻，其中，25篇英文文獻，3篇中文文獻，篩選流程如圖1所示。

（三）數據提取與編碼

本研究旨在驗證數字教育游戲對高階思維發展的影響，并探究何種變量會對該影響產生調節作用。首先，結合數字教育游戲的相關研究，從數字教育游戲應用背景、數字教育游戲設計要素兩個方面選取調節變量。數字教育游戲應用背景包括學段（學齡前、小學、中學、大學及以上）、學科（自然科學、社會科學、工程實踐、數學）兩個調節變量。

為了深入分析數字教育游戲對高階思維發展的作用機制，本研究參照安德烈亞斯·阿萊克西奧（Andreas Alexiou）等[9]構建的用以揭示數字游戲元素、用戶體驗和學習三者之間關系的概念模型，構建了數字教育游戲對高階思維發展的作用框架（如圖2所示）。

概念模型認為敘事、游戲機制、美感是數字游戲的主要設計元素，能夠調節學習者的情感投入與認知投入，激發學習者的內在動機，進而影響學習效果。良好的敘事元素能夠通過激發學習者的同理心和對游戲內角色的身份認同來促進學習者的情感參與，在數字游戲中使用敘事有助于沉浸感的生成，提高交互質量。游戲機制涉及游戲規則、內容等。比如，游戲中競爭機制的設置，能夠調節游戲的挑戰水平，影響內在動機；游戲中反饋內容的設置則能夠不同程度地為學習者提供支持，有助于促進學習者的認知參與。游戲美感則能夠增強人機交互，刺激多維視聽感官，促進臨場感的生成，為思維能力的發展提供有效的環境支撐。基于上述分析，本研究從數字教育游戲設計要素方面選取了競爭機制、游戲環境、具身交互方式、敘事情境、反饋內容五個調節變量，具體的調節變量編碼體系如表1所示。

三、數據分析

（一）發表偏倚檢驗

為避免對效應量的估計偏高現象，在元分析計算之前需要進行偏倚檢驗。首先采用漏斗圖法對偏倚是否存在做定性判斷，如圖3所示，大部分效應值對稱地分布在漏斗圖的中上部，表明發表偏倚存在的可能性較小。由于漏斗圖的對稱僅僅通過目測衡量，具有一定的主觀性，因此本研究又采用了Egger線性回歸進行定量檢驗，結果顯示95%置信區間（—1.862， 2.886）包括0，t = 0.437lt;1.96，p = 0.665gt;0.05，發表偏倚的可能性不顯著。最后采用失安全系數法驗證效應是否偏倚的假象，N = 6097，遠大于5k +10（k = 39），即每項研究都需要有156項研究來否定這種影響。綜上分析，研究結果相對穩健，發表偏倚可以忽略。

（二）整體效應檢驗

本研究采用隨機效應模型將39項研究的獨立效應值進行了合并，如表2所示。在隨機效應模型下，本研究的合并效應值（Hedges’g）為0.778，表明數字教育游戲對高階思維發展具有中等偏上程度的正向影響，并且p值小于0.05，上下限不包括0，說明正向影響是顯著的。隨后，對該合并效果進行敏感性分析，去除任何一項研究后，合并效應值在0.748～0.799之間，表明沒有一項研究對總體結果產生實質性極端影響，具有較強的可靠性。

在數字教育游戲對高階思維發展的有效性得到驗證的前提下，本研究又對創造性思維、問題解決能力、批判性思維、元認知的不同表現形式等高階思維進行了效果分析，結果如表3所示。創造性思維的Hedges’ g

為0.960gt;0.8，且p值lt;0.05，表明數字教育游戲對創造性思維具有較高程度的正向作用；問題解決能力（Hedges’g為0.697）、批判性思維（Hedges’g為0.683）、元認知（Hedges’g為0.653）的合并效應值均大于0.5，且都達到了顯著性水平，表明數字教育游戲對上述三種思維具有顯著的中等程度影響。此分析結果表明，受數字教育游戲影響最大的是創造性思維，最小的是元認知。

（三）調節效應檢驗

進行調節效應分析的充分條件是研究間存在較強的異質性。如表2所示，異質性檢驗統計量Q值為206.515，遠大于自由度（df =38），定性表明不同樣本間存在真實性差異；再由I2統計量（I2=81.599）得出可以由不同樣本間真實性差異解釋的變異占研究總變異的81.60%＞75%。因此，有必要進行調節效應檢驗，追溯異質性形成的原因。本研究結合前文綜述和研究問題，從數字教育游戲應用背景、教育數字游戲設計要素兩方面選取調節變量進行調節效應分析。

1.數字教育游戲應用背景變量對高階思維發展效果的調節效應檢驗

數字教育游戲應用背景方面的調節變量包括學科、學段兩部分，其具體調節效應如下頁表4所示。（1）以學科背景為調節變量：在工程實踐、社會科學、數學、自然科學4類學科中應用數字教育游戲，對高階思維發展的影響不存在顯著的組間差異（QB=6.372，p=0.095gt;0.05）。具體而言，在自然科學（Hedges’g=0.957，plt;0.05）和社會科學類學科（Hedges’g=0.820，plt;0.05）中應用數字教育游戲，對高階思維發展具有較高程度的顯著正向促進作用；在工程實踐（Hedges’g=0.507，plt;0.05）、數學（Hedges’g=0.604，plt;0.05）學科應用數字教育游戲，對高階思維發展均具有中等程度的顯著正向促進作用。（2）以學段為調節變量（學齡前n=1，未納入調節效應檢驗）：在不同學段應用數字教育游戲，對高階思維發展的影響存在顯著差異（QB=7.546，p=0.024）。具體而言，在中學階段（Hedges’g=1.062，plt;0.05）應用數字教育游戲，對高階思維發展的影響最大；在大學（Hedges’g=0.689，plt;0.05）、小學階段（Hedges’g=0.623，plt;0.05）應用數字教育游戲對高階思維發展均具有中等程度的顯著正向促進作用。

2.數字教育游戲設計要素對高階思維發展效果的調節效應檢驗

本研究依次以競爭機制、游戲環境、具身交互、故事、反饋內容為調節變量進行了調節效應分析，結果如下頁表5所示。（1）以競爭機制為調節變量：數字教育游戲中競爭的設置對高階思維發展的調節作用并未達到顯著性水平（QB=6.098，p=0.047lt;0.05），但團隊競爭（Hedges’g=1.022）對高階思維發展具有高程度的促進作用，無競爭機制（Hedges’g=0.852）對高階思維發展具有較高程度的促進作用，設置個人競爭機制的數字教育游戲（Hedges’g=0.577）對高階思維發展僅具有中下等程度的影響。（2）以游戲環境為調節變量：結果表明游戲環境是造成異質性的原因（QB=7.447，p=0.024lt;0.05）。對高階思維發展促進作用效果最好的是虛擬仿真（Hedges’g=1.067），具有高程度的促進作用；其次是簡單圖示（Hedges’g=0.722），具有較高程度的促進作用；最后是卡通動畫（Hedges’g=0.610），具有中下程度的促進作用。（3）以具身交互為調節變量：由于所納入樣本不含具備沉浸交互體驗的游戲，故僅對鼠鍵交互和觸控交互進行分析，結果表明具身交互不是造成異質性的原因，調節作用并未達到顯著性水平（QB=0.293，p=0.588gt;0.05），但觸控交互（Hedges’g=0.823）對高階思維發展的促進作用略高于鼠鍵交互（Hedges’g=0.743）。（4）以敘事情境為調節變量：有無敘事情境對高階思維發展的調節作用沒有明顯不同（QB=0.745，p=0.388gt;0.05）。但有敘事情境的效應值為0.832（plt;0.05），略高于無敘事情境所產生的效應（Hedges’g=0.707，plt;0.05）。（5）以反饋內容為調節變量：反饋內容亦不是產生異質性的原因（QB=1.997，p=0.368gt;0.05），但不同反饋內容所產生的效應不一，按照效應量從大到小的順序依次是教育性反饋（Hedges’g=0.907）、解釋性反饋（Hedges’g=0.817）、證實性反饋（Hedges’g=0.657）。

四、結論與討論

本研究旨在通過綜合國內外28篇定量研究（包括39個效應量）數據，驗證數字教育游戲對高階思維發展的整體影響。結果表明，數字教育游戲能夠顯著促進高階思維的發展，但39項研究之間存在較強的異質性，需要對數字教育游戲促進高階思維發展的潛在影響因素進行討論解釋。

（一）數字教育游戲對高階思維發展具有中等偏上程度的促進作用

元分析發現，數字教育游戲對高階思維及其不同表現形式均存在中等及以上的促進作用。這一發現為應用數字教育游戲促進高階思維發展提供了實證支持。該研究結果與先前調查數字教育游戲對數學問題解決能力影響的研究結果（SMD=0.862，plt;0.05）一致。數字教育游戲對高階思維發展的顯著影響，可通過分析數字教育游戲的優勢潛能來闡明：數字教育游戲實現了嚴肅學習和互動娛樂的融合統一，能夠為學習者提供舒適愉快的學習氛圍，減輕學習者壓力。同時，形象的圖形界面以及適應性的挑戰策略能夠刺激學習者的多感官感受，有助于提高學習動機；適切的敘事情境也會激勵學習者提高學習參與積極性。此外，數字教育游戲能夠提供即時反饋和學習輔助，使學習者獲得良好的沉浸式學習體驗，有利于促進深度學習生成。

（二）學段、競爭機制、游戲環境對高階思維發展具有顯著調節作用

本研究還嘗試驗證了潛在影響因素對數字教育游戲有效性的調節作用。在選取的7個調節變量中，學段、競爭機制、游戲環境3個變量在調節效應檢驗中顯示出顯著的統計學意義；其余4個變量雖然表現出不同程度的變化，但沒有達到統計學意義。后續部分提供了對所獲得結果的詳細解釋。

學段是效應產生異質性的關鍵變量，在不同學段應用數字教育游戲均能促進高階思維的發展，但不同學段間的促進效果存在顯著差異，促進效果從中學、大學、小學依次遞減。究其原因，相比中學生，大學及以上學生心智較為成熟，對直觀形象、敘事情境、獎勵機制的依賴性減少，數字教育游戲中呈現的相對低級無趣視聽信息，可能在某種程度上占用了信息處理通道，進而增添了學習者的外在認知負荷。此外，數字教育游戲在高等教育中未廣泛普及應用，開展基于數字教育游戲的學習存在一定障礙。數字教育游戲促進高階思維發展的積極效果在小學階段的表現最差。根據皮亞杰的認知發展規律，小學生的認知水平正處于具體運算階段，對于數字教育游戲中設置的復雜游戲規則、符號提示等仍存在一定的理解障礙，同時小學生的注意力較為發散，易受游戲畫面設計、背景音樂等無關因素的干擾，數字教育游戲在內容難易度和環境設計方面可能存在缺陷，進而無形地增添了學習者的總體認知負荷，對高階思維的發展產生了負面影響。

競爭機制的設置是本研究中出現的另一個重要的調節變量，研究結果表明，團隊競爭、無競爭、個人競爭對應用數字教育游戲促進高階思維發展的有效性依次遞減，不設置競爭比設置個人競爭對于高階思維的發展更有效。盡管與預期結果之間存在異議，但這些發現與之前探究游戲化對學習成果的元分析結果一致[10]。這也表明競爭并不總是有利的，而是可能會產生一定的副作用。競爭可能使學習者更多地關注競爭結果而忽視了問題解決和知識學習本身，也可能會損害學習者的心理健康，對于學習成就感較低的學習者而言，易引發其焦慮情緒，損傷其學習自信心，分散其學習注意力，進而對其整體學習表現產生消極影響。本研究發現，在數字教育游戲中設置團隊競爭對高階思維發展具有較高程度的促進作用，進一步證實了協作能夠減少競爭帶來的負面影響，小組競爭相比于個人競爭更有利于激發學習者的學習興趣，降低其緊張感[11]。因此，數字教育游戲中競爭機制的設置應綜合考慮多種因素，盡量減少競爭帶來的負面影響。

游戲環境的設置也是效應產生異質性的重要變量，研究結果表明，配置有虛擬仿真環境的數字教育游戲更有利于高階思維的發展，其次是簡單圖示環境，最后是卡通動畫環境。在虛擬現實環境下，培養高階思維的優勢可從具身認知理論的視角進行分析。數字教育游戲借助虛擬現實、擴展現實等技術，能夠創建真實的游戲情境，為學習者提供更為豐富的感官互動體驗，有利于激發學習者的內生動力，促進知識理解和意義建構。值得注意的是，與卡通動畫環境相比，簡單圖示環境對高階思維發展產生了更大的效應。這一研究結果與已有研究結果一致：示意圖環境下產生的整體學習效應略高于卡通動畫環境[12]。這可以從視覺冗余及認知負荷方面來理解。卡通動畫帶來的豐富多樣的視覺信息給予了學習者更多激活思維的觸發器，但同時也是對學習者辨識甄選能力的考驗。復雜的視覺信息可能會分散學習者的注意力，甚至會加重外部認知負荷，干擾認知加工活動。但我們有理由認為，卡通動畫通過合理的設計，會對高階思維發展產生更好的促進效果。

（三）學科、敘事情境等調節變量對高階思維發展不具有顯著調節作用

本研究還檢驗了數字教育游戲干預對高階思維發展的有效性是否因應用學科、具身交互方式、故事及反饋內容的不同而產生實質性的差異，結果表明，上述調節變量并不能顯著調節數字教育游戲對高階思維發展的促進效應。盡管這些差異沒有達到統計學意義，但在一定程度上也為數字教育游戲的后續研究提供了價值參考。從應用學科來看，科學學科顯著高于工程實踐（QB=6.399， p=0.041lt;0.05），表明應用數字教育游戲促進高階思維發展還應考慮學科性質，結合學科特點設計游戲規則；從具身交互方式來看，涉及沉浸交互的數字教育游戲實驗研究尚處于空白狀態，在未來的實證研究中，應加強對該方面的探索；從敘事情境的設置來看，敘事情境對于高階思維的發展也具備一定的優勢，但優勢潛能可能尚未在數字教育游戲中充分發揮；從反饋的內容來看，具備潛在引導、輔助的教育性反饋，相比正誤判斷的證實性反饋和解釋性反饋更具優勢。當然，這些發現缺乏統計學意義的變量。這可能是由于研究所包含的樣本數量有限，樣本中的隨機變化掩蓋了亞組之間的差異。

五、結語

隨著虛擬現實、人機交互等技術的融入，數字教育游戲能夠通過提高認知、情感參與，使其激發內在動機以發展思維能力的優勢潛能漸漸被釋放，但由于數字教育游戲設計與實際應用情境存在差異，其作為教學工具支持高階思維能力發展的效果也不盡相同。對此，本研究采用元分析方法，對國內外有關數字教育游戲對高階思維發展促進效應的實證研究進行綜合客觀分析，驗證了數字教育游戲對高階思維發展的有效性，并從應用背景和設計要素兩方面探索了學科、學段、競爭機制、游戲環境、具身交互方式、敘事情境、反饋內容等在促進高階思維發展方面的調節作用，深入剖析了數字教育游戲何以促進高階思維能力的發展。

未來，數字教育游戲的設計及教學實踐研究應注意以下幾點。（1）充分考慮學習者的學習需求和個體差異，合理設計教育游戲目標。可根據學習者的知識掌握情況，為其提供必要的線索、提示等信息；也可根據學習者的認知水平，在同一單元概念內設置不同層次的游戲任務，以滿足不同學習者的學習需要。（2）充分挖掘學科特色，以實現教學目標的高質量落實為指向，設計良好的游戲環境，將教學與數字教育游戲深度融合，讓抽象學科概念、規律、原理的生成過程能夠在易于理解的情境互動中得以呈現，為學習者提供經歷知識形成過程的條件，促進學習者高階思維的生成。同時，慎重使用媒體技術，避免帶來額外的認知負荷，阻礙學習者的認知思維過程。（3）合理設置競爭機制，競爭機制要與任務目標、問題解決密切關聯，注意暗示學習者競爭不僅僅是為了贏得比賽，更重要的是收獲知識經驗。同時，還應考慮讓學習者嘗試自主控制學習進度，營造松弛有度的學習氛圍，讓學習者的認知活動更具靈活性，主動實施思維活動。可嘗試設置團隊競爭，分散競爭給個人帶來的壓力和緊張感，進而提高小組的學習成效；也可設置虛擬競爭，避免給學習者的人際關系帶來負面影響。

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（責任編輯 李強）

The Effects of Digital Educational Games on the Development of Higher-Order Thinking

—A Meta-Analysis Based on 28 Empirical Research Papers at Home and Abroad

Zhang Shuqi1， Fan Jiarong1， Zhong Shaochun2

（1. School of Information Science and Technology， Northeast Normal University， Changchun， Jilin， China 130117;

2. Engineering amp; Research Center of E-learning， Changchun， Jilin， China 130117）

Abstract： Digital educational games can create relaxing and enjoyable learning contexts and provide learning support and assistance for learners of different educational levels， and studies have shown that digital educational games can improve learners’ academic performance. However， there are still some controversies about their effectiveness in promoting higher-order thinking development. For this reason， this study uses meta-analysis to comprehensively analyze the data of 28 empirical studies at home and abroad （containing a total of 39 effective effect sizes） for validation. It is showed that digital educational games have a moderately high degree of facilitating effect on higher-order thinking development， with a combined effect size of 0.778; further moderating effect tests show that the effectiveness of digital educational games on higher-order thinking development is influenced by three moderating variables， namely， academic level， competition mechanism， and gaming environment; however， subject matter， embodied interaction， story， and feedback do not significantly affect the effectiveness of digital educational games on higher-order thinking development. These findings emphasize the importance of mindfully designing digital educational games for higher-order thinking development.

Key words： Digital educational games; Higher-order thinking; Meta-analysis