智能平板对中小学教学效果的影响——基于国内46项课堂教学研究的元分析

谢和平,陈慧然,白炫烨,黄甫全

(华南师范大学基础教育学院,广东汕尾,516625)

一、问题提出

当前,我国教育信息化建设已进入构建高质量教育支撑体系阶段。检验数字技术对课堂教学的真实作用,是技术赋能教育背景下构建高质量教育、顺利实现教育数字化转型的重要课题。[1]智能平板作为教学活动中的重要工具性支架,被广泛应用于我国中小学课堂教学主阵地[2],旨在探索技术赋能教育的新型课堂教学模式。智能平板是否具备赋能中小学课堂教学的潜力仍存在争议。因此,在将智能平板规模化、常态化应用于课堂教学之前,须进一步探明其是否具备促进教育活动发展的效果。

有研究发现,智能平板的运用有助于提升教学效果。例如,Al-Huneini等人认为平板设备对学习具有促进作用,鼓励在教育情境中使用智能平板。[3]Lee发现,相比使用计算机,学生使用iPad学习后的再认测验得分更高。[4]Cordero等人证实,智能平板能为小学生完成书写任务起到数字脚手架的作用。[5]此外,还有研究者从具身认知理论的角度,提议数字时代学习环境与任务的设计应考虑赋予其具身特性。[6]

智能平板为创建这种具身环境提供了虚拟平台,触屏交互是智能平板的重要特点之一。在触屏过程中,学生不仅能通过一系列手指运动或手势组合运动在平板环境中亲身操纵屏幕上的材料元素,而且能获得智能平板的即时感觉反馈(如触觉反馈)。例如,国外研究者要求儿童分别通过纸笔和触控平板完成字母书写任务发现,用手指在平板上书写要比纸笔书写更有助于儿童的字母学习。[7]有研究者认为,在智能平板上用手指操作所引起的感觉运动体验更强,对感觉运动编码和认知加工起重要作用。[7]

智能平板提升教学效果的论点并未达成共识。也有研究者对智能平板对教学的促进作用持怀疑态度。例如,Walczak等人比较了平板教学与面对面教学在学习地理知识上的区别,发现二者在教学效果上没有显著差别。[8]智能平板对国内中小学真实的课堂教学效果是否具有提升作用,相关准实验研究也未有定论。张屹等人对基于平板构建的数字化教学模型进行应用性评估,发现平板能够有效提高小学生的学习成绩和学习兴趣。[9]而徐晖等人的一项调查发现,当被要求完成汉字学习任务时,小学生使用智能平板学习不利于其对汉字笔画的认知与正确笔顺习惯的养成。[10]为分析以往研究结果的非稳健性,数项系统综述或元分析对智能平板在特定群体中的教学效果进行了整合性评估,发现智能平板在整体上有助于提高学生的学习成绩。[11-12]需要指出的是,这些研究均关注学龄前儿童,虽然为了解智能平板在学前教育中的作用提供了参考价值,但其研究结果是否适用于中小学仍未可知。

为了更好地引导智能平板常态化应用于国内课堂教学,本研究拟聚焦我国中小学生群体在真实课堂教学环境中使用智能平板的教学效果。综合以往文献基础,本研究提出以下问题:智能平板整体上能否提高国内中小学课堂的教学效果,尚待研究验证;哪些因素影响智能平板对我国中小学课堂的教学效果,仍需调节效应检验,并深入分析智能平板课堂教学的边界条件。

二、研究方法

本研究采用三水平元分析技术,以智能平板为自变量,以课堂教学效果为因变量,并借鉴以往研究[13-14],以学段、学科、教学周期以及实验对照类别、教学效果类别为待检验的调节变量,对2010—2022年的课堂教学实验进行综合评估和量化分析,以期为智能平板赋能国内中小学高质量教育体系的构建提供数据参考和科学依据。变量关系如图1所示。

图1 研究变量间的关系

(一)文献搜索与筛选

本研究采用主题词联合检索中、英文献。对中文文献的检索式为“(平板 + 触屏 + 触摸屏 + PAD + iPad + Tablet) AND (教学 + 学习 + 教育)”,数据库为中国知网。对英文文献的检索式为“(touchscreen OR PAD OR iPad OR tablet) AND (teach* OR learn* OR education) AND (Chinese OR China)”,数据库为Web of Science、EBSCOhost和Elsevier Science Direct。为全面获取文献,对初次常规搜索后符合筛选标准的论文的参考文献进行二次逆向搜索,搜索时间为2010年1月至2022年12月,共搜索到文献4265篇。

为保证分析的科学性,将搜索到的文献按如下标准进行筛选:被试为我国中小学生,且不存在精神、语言等层面的特殊症状;研究类型须为高生态效度的课堂教学准实验研究;设计类型为包含平板教学班的前后测设计,或为包含平板教学班和传统教学班(如面对面或计算机辅助教学)的平行对照设计;以教学效果为因变量指标,测查学生的学习成绩、学习能力或学习动机等;数据未重复发表(数据重复文献仅择其一);提供充足数据以计算效应量。最终,筛选出46项符合标准的文献。

(二)文献编码

编码内容包括文献基本信息(作者、年份、样本量)、研究数据(可供计算效果量的数据)和调节变量(学段、学科、教学周期、实验对照类别、教学效果类别)三类。其中,学段被编码为小学、初中或高中。学科被编码为语文、数学等应属学科,若涉及多学科,则编为“综合”。教学周期以实际月数编码,4周计为1个月,1学期计为5个月,因极少数研究周期不足1周,以1/4个月计。对于实验对照类别,若对比的是平板教学班的前测与后测数据,则编码为“前后测对照”;若对比的是平板教学班和传统教学班的数据,则编码为“平行对照”。对于教学效果类别,若测查的是学习成绩得分,则编码为“学习成绩”;若测查的是学习活动中所需具备的各种能力(如批判思维、创新等),则编码为“学习能力”;若测查的是学习动机、兴趣等,则统一编码为“学习动机”。文献编码由两名编码者独立完成,编码时须在原文献中对编码内容做高亮笔记以备查验。编码不一致处由两名编码者根据高亮笔记协商确定。对比发现,两名编码者的编码结果具有较高的一致性。

(三)数据计算与评估

传统元分析将误差来源分为抽样误差(Level 1)和研究间误差。本研究选用三水平元分析,进一步将研究间误差分为簇内误差(Level 2)和簇间误差(Level 3)。其优点在于,数据分析时能将同一原始研究中效应量间的非独立情况考虑在内,最大限度地避免因强迫效应量相互独立而导致的原始数据缺失。[15]根据Comprehensive Meta-analysis 3.0软件内置的公式算出每个效应量及其方差。以Cohen’sd作为效应量指标,该指标通过计算平板教学班与传统教学班或者平板教学班后测与前测在教学效果上的标准化均值差而获得,以d±0.20、d±0.50、d±0.80为效应量小、中、大的界限值。选取常用的Q检验法和I2检验法评估异质性,失安全系数法和p曲线分析法评估发表偏倚。采用基于R 4.2.2的metafor包进行三水平元分析。

三、研究结果

(一)主效应分析

所筛选出的46项研究均开展了一项课堂教学实验,共获取46项实验,涉及5099名被试。因多数研究含多个因变量,故从46项实验中初步得到235个效应量。对所有效应量进行影响力分析(influence analysis),去除影响力异常的效应量,最终得到231个效应量:其取值范围处于-0.97—2.27之间,中位数为0.46,大部分效应量(90%)为正值。效应量分布如图2a所示。通过主效应检验发现:总体上智能平板在我国中小学课堂教学效果上的效应量dpooled= 0.638,介于0.5—0.8之间,达到中等偏高水平;95% CI = [0.536, 0.740],不包含0,表明该效应量不是由偶然因素引起;该效应量为正值,双尾检验p值小于0.001,表明整体上,使用智能平板能显著提高我国中小学课堂的教学效果。

(二)异质性分析

(三)调节效应分析

1.智能平板对各学段教学效果的影响

智能平板在各学段教学效果起中等促进作用。小学、初中、高中各学段亚组的研究数量分别为20项、15项、11项,中小学智能平板课堂教学实验主要集中于偏低学段。具体如表1所示。不同学段的合并效应量由大到小依次为小学、高中、初中,均介于0.5和0.8之间,都达到统计显著水平,表明智能平板对各学段学生的教学效果都起到中等程度的促进作用,且对小学生与高中生的促进作用相差不大,但对初中生的促进作用在数值上略低于其他两个学段。调节效应检验的数据显示,各学段的调节作用总体上未达到显著水平,说明智能平板的教学效果与不同学段的差异不大。

图2 效应量分布(a)与p曲线图(b)

表1 学段的调节效应分析

2.智能平板对多学科教学效果的影响

智能平板对多数学科教学效果起中等促进作用。我国智能平板教学研究目前已涉及中小学阶段的多个科目,但主要集中于语文(6项)、数学(12项)、英语(10项)三大主科上。各学科的合并效应量为语文(d=0.710,p<0.001),数学(d=0.585,p<0.001),英语(d=0.694,p<0.001),生物(d=0.547,p=0.003),物理(d=0.333,p=0.200),化学(d=0.675,p=0.017),信息技术(d=0.873,p<0.001),地理(d=0.793,p=0.042),科学(d=0.663,p=0.175),音乐(d=0.758,p=0.007),综合(d=0.575,p=0.002)。大部分学科的效应量在0.5以上,并达到显著水平,说明智能平板对多种学科教学起到中等程度的促进作用。个别学科的效应量未达到显著水平,甚至效应量较小(科学、物理)。调节效应检验的数据显示,总体上,学科的调节作用未达到显著水平[F(10,220)=0.384,p=0.953],但不同学科对智能平板教学效果的影响仍然值得重视。

3.智能平板教学效果与教学周期的关系

智能平板的教学效果几乎不受教学周期的影响。智能平板课堂教学的周期长短不一,短至1个标准课时,长则2个学期。由于教学周期为连续型数据,因而需进行元回归分析以检验其是否对智能平板教学效果起调节作用。结果显示,教学周期的斜率几乎为0,95%CI=[-0.041,0.041],p=0.989,表明教学周期对智能平板教学效果不起调节作用,即随着教学周期的增长,智能平板的教学效果几乎一样。

4.智能平板教学效果与实验对照类别的关系

智能平板的教学效果因实验对照类别的不同而产生差异。研究者往往采用前后测对照、平行对照或者二者相结合的方式开展实验。其中,采用前后测对照的研究共33项,采用平行对照的研究共34项。具体如表2所示。不同实验对照类别的合并效应量由大到小依次为前后测对照、平行对照,均介于0.5和0.8之间,都达到统计显著水平,表明智能平板在各对照类别情况下的教学效果都起到中等程度的促进作用。调节效应检验的数据显示,实验对照类别的调节作用达到显著水平,前后测对照的效应量高于平行对照。

表2 实验对照类别的调节效应分析

5.智能平板教学效果与效果类别的关系

本研究发现,智能平板对学生的学习成绩、学习能力、学习动机三种指标作用效果相近。学习成绩、学习能力、学习动机各教学效果亚组涉及的研究数量分别为39项、13项、13项。因此,中小学智能平板课堂教学实验以学生的学习成绩为最受青睐的教学效果指标,辅以测量学生的学习能力和学习动机。不同教学效果类别的合并效应量依次为学习动机(d=0.684,p<0.001),学习成绩(d=0.643,p<0.001),学习能力(d=0.603,p<0.001),均介于0.5—0.8之间,都达到统计显著水平,表明智能平板对三种类别的教学效果都起到中等程度的促进作用。从效应量数值上看,三者接近,说明智能平板在三类教学效果上的作用差别不明显。调节效应检验的数据[F(2,228)=0.242,p=0.785]验证了这一现象。

(四)发表偏倚分析

通过采用Rosenthal失安全系数法分析发现,Nfs值为182998,远大于5k+10(k为效应量总数),说明逆转本元分析结果的统计显著性所需的额外研究数量过大,提示发表偏倚对元分析结果的影响很小。p曲线分析(图2b)发现,共有176个p<0.05的效应量,其中含141个p<0.025的效应量。本研究元分析统计功效达96%(95%CI=[93.9%,96.8%]),证据价值存在且没有缺失或不足,p曲线呈右偏态,这说明元分析结果为真实的非零效应,而非p-hacking导致。总之,发表偏倚对本研究的影响可忽略。

四、结论与建议

(一)结论

本研究证实,使用智能平板在总体上能显著提高我国中小学课堂的教学效果。具体而言,主效应分析的结果显示,国内中小学智能平板课堂教学的综合效应量达0.638,处于中等偏高的水平,说明使用智能平板整体上对我国中小学课堂教学效果具有正向作用。这与以往一些研究结果相一致。[4]教育的高质量发展离不开数据支撑,本研究为智能平板教学领域提供了针对我国中小学生群体的数据参考。

本研究还发现了智能平板教学中一些不应忽视的潜在边界条件。第一,学段对智能平板教学效果的影响应予以关注。尽管调节效应分析没有发现学段在统计上显著影响智能平板教学效果,但从效应量数值上看,智能平板教学对初中生的促进作用略低于小学生和高中生。可见,初中学段的智能平板教学效果仍存在提升空间。第二,学科对智能平板教学效果的影响不宜被忽视。智能平板对许多学科的教学效果具有显著的提升作用,但对科学、物理等学科的教学效果不明显。这表明智能平板并非对所有的学科教学都有效。第三,分析证实智能平板在前后测对照条件下的效应量明显高于平行对照。前后测对照的结果反映教学方式本身是否起作用,平行对照的结果则反映其是否具有相对优势。换言之,智能平板自身的作用要比它相对于传统课堂的作用更大。这些发现有助于研究者更客观地认识智能平板在课堂教学中的应用。

通过元回归分析发现,教学周期对智能平板教学效果的调节作用不明显,说明随着教学周期的延长,即使学生对智能平板越来越熟悉和适应,但智能平板教学效果依然未减弱。这与以往教育数字化领域的元分析结果不太一致。[14]原因可能在于智能平板的具身特性为中小学生提供了持续动力。智能平板的使用要求学生主动进行人机触屏交互。对此,学生通常需要采用指示性手势,即一种伸出食指、其余手指自然弯曲的手势形态对屏幕中的材料进行触摸操纵。眼动研究表明,基于身体的指示性手势能引导学习者将注意力持续有效地分配到学习材料中的任务相关区域[16],从而保证稳定持久的学习动机和认知资源投入。这不仅使教学周期对智能平板教学效果没有产生明显影响,而且促使智能平板在各个教学效果类别上的效应量趋于一致。这些结果说明智能平板教学效果能得到良好的维持。

综上,本研究得出如下结论:使用智能平板整体上能有效提高国内中小学课堂教学效果;在应用智能平板教学或开展相应研究时应重视学段、学科、实验对照类别的潜在影响;智能平板的积极作用具有跨教学周期和教学效果类别上的稳健性。

(二)建议

在技术赋能背景下,本研究能够为构建高质量的中小学智能平板教学提供理论和应用依据。但真正实现智能平板在中小学教育生态中的有机融入,仍需多方协同探索。

第一,政府应统筹完善数字资源与平台建设,稳步推进数字技术与教育深度融合。当下,人工智能领域正探索智能技术赋能教育高质量发展路径。[17]作为智能教育资源重要的共享与依托平台之一,智能平板设备转向常态化应用有助于智能技术效能的发挥。鉴于智能平板能促进中小学课堂教学,有关部门可对智能平板进课堂给予适当引导和支持,例如:出台政策鼓励学校配备智能平板并适度应用智能平板教学;引导数字企业针对不同学科、学段、学情生产教学专用的高性能智能平板,提升智能平板的课堂普及率;完善地域间智能平板课堂教学基础设施。

第二,学校应发挥好教育数字化的主阵地作用,构建智能平板入课堂的坚实堡垒。学校是智能平板运用于教学实践的主阵地,教师应积极探索技术赋能型课堂教学模式。在监管制度上,学校应规范智能平板在日常教学中的使用,引导学生合理使用数字化工具。在软件开发上,学校应加强校企合作,针对不同学校课堂教学的实际需求设计以学习者为中心、以学习内容为导向的专属软硬件。在数字素养上,学校应培养师生的人机协同意识和能力:一方面利用信息技术课程向学生传授智能平板的基础知识和操作技能,引导学生开展人机协同活动;另一方面调动教师学习信息技术的积极性,在不干扰正常教学进度的情况下,对教师进行智能平板教学实操和多模态数据收集分析技能培训。

第三,研究者应加强对智能平板课堂教学应用型的研究力度,重视过程性与结果性数据。本研究一些学科亚组(科学、地理、化学)的效应量数量较少,未来研究应适当加大针对这些亚组的准实验研究力度。此外,本研究仅分析了教学效果等结果性数据,缺乏过程性数据。以往少数研究关注了智能平板对教学过程的影响,如针对中小学英语课堂所录制的视频,计算智能平板各功能的应用时长和次数等过程性数据[18],有助于描述智能平板教学过程的基本规律。但由于缺乏前后测或平行对照的完备数据,此类研究暂未能纳入本元分析。正如现阶段对结果性数据的高度重视,未来研究应加大对过程性数据的实验对照,为我国中小学智能平板课堂教学提供更充足的数据支持。