Sequential Multivariate Linear Regression Analysis of the Impact of Teacher Information Technology Application on Mathematics Classroom Learning Atmosphere: Based on Different Levels of Information Technology Engagement
- 宣申奥1*, 虞增艺2, 景玉慧3, 徐刘杰4
- 1234浙江工业大学 教育科学与技术学院
- *联系邮箱: 850205877@qq.com
信息技术（ICT）是21世纪经济和社会发展的重要驱动力。教师的信息技术应用水平对我国教育的发展至关重要。本研究基于PISA2022测试数据，探究教师使用信息技术的相关变量对数学学习氛围的影响。结果显示，教师对于信息技术应用教学水平越高，数学课堂学习氛围越好；教师在数学课堂信息技术参与度越高，教学氛围越好，且无关使用信息技术作为何种教学技术手段，当然在信息技术的使用频次上对数学学习氛围亦有不同程度的影响。
关键词: PISA2022；信息技术；数学学习氛围
Information and Communication Technology (ICT) is a crucial driver for 21st-century economic and social development. This study, based on PISA 2022 data, explores the impact of teachers' ICT use on the mathematics learning atmosphere. Results reveal that higher ICT proficiency among teachers enhances the overall learning environment. Increased teacher involvement in ICT correlates with a positive teaching atmosphere, while the specific technological means used show no clear influence. The frequency of ICT usage varies in its impact on the mathematics learning atmosphere. This research highlights the intricate link between teachers' ICT utilization and a conducive mathematics learning environment, emphasizing the need to enhance educators' ICT proficiency for an enriched classroom setting.
Keywords: PISA 2022, Information and Communication Technology, Disciplinary climate in mathematics
***在教育文化卫生体育领域专家代表座谈会上指出，要抓好《深化新时代教育评价改革总体方案》出台和落实落地，构建符合**实际、具有世界水平的评价体系。要总结应对新冠肺炎疫情以来大规模在线教育的经验，利用信息技术更新教育理念、变革教育模式。这一政策体现了信息技术在教育中的应用，能够优化教育资源配置、创新教学方式和提高教育效率，有助于实现更加公平、优质、高效的教育。对于我国的教育事业来说，加快信息技术赋能未来教育，提升教育现代化水平，巩固“普九”成果，提高“普九”质量尤为重要。数学作为核心学科，对学生的学业质量评价起着至关重要的作用。然而，由于数学具有较强的逻辑性，因此数学学学习氛围对于学生数学学习成绩有着重要影响。信息技术在数学教学中的应用，为解决这一问题提供了新的思路。通过运用信息技术，教师可以更直观、生动地呈现数学知识，降低学习难度，激发学生的学习兴趣。此外，信息技术还可以为学生提供更多实践操作的机会，有助于培养学生的创新思维和实践能力。因此，教师在数学教学中合理运用信息技术至关重要，它不仅能够提高教学质量，帮助学生克服数学学习中的困难，还有助于培养学生的信息素养和适应未来社会发展的能力。本研究将基于教师在数学课堂上信息技术的参与度探究其对数学课堂学习氛围的影响。
21世纪以来，教育信息技术发展如火如荼，在数学教育领域，信息技术一步一步地走进了中心舞台——课堂教学。但数学课堂上信息技术(简称ICT)的实际使用效果究竟如何，又是怎样影响着课堂的数学学习氛围，需要利用科学的研究方法予以客观的分析和探讨。关于信息技术对数学教学的研究，Fuchs(2005)基于PISA数据中“青少年学校使用信息技术情况”等变量的研究得出，ICT使用机会与学业成绩之间均存在相关，且学生的成绩与学校课堂计算机和互联网使用的程度呈倒U形关系。然而Bielefeldt(2005)的研究结果却截然不同。研究表明，使用ICT的机会与学习氛围之间没有显著相关。Aypay(2010)基于土耳其的PISA数据分析发现，学生使用ICT的机会与数学学习氛围无显著相关性。赵宁宁等人(2020)，在探究信息技术对学生学业成绩的影响研究表明，校内信息技术的使用对学生的学业成绩无预测作用；课外使用信息技术对学生的学业成绩有积极作用。由此可见，关于ICT对数学学习氛围影响的已有研究并未产生一致结果。因此，本文将基于PISA2022数据集，采用多元线性回归与K-means聚类模型，从港澳教师使用数字资源以及信息技术赋能数学课堂教学以及利用认知的角度入手，分析二者与数学学习氛围的相关关系。
本研究实验数据来源于PISA2022数据集。PISA是OECD发起的国际性教育评估项目，旨在了解15周岁的中学生的学科素养以及可能影响中学生表现的家庭、学生、教师和学校层面的诸多因素。作为一项具有较大影响力的国际大规模教育评价项目，PISA测试结果为各参与国家和地区提供了评估其基础教育发展水平和主要问题的依据，也为广大研究者提供了理论和实践研究的资料。数学是PISA项目在2022年的重点测评领域，相较于以往PISA项目以及其他国际教育评估项目的内容中将数字素养与学科素养单独考察的做法，该框架以数学学科教育、计算思维教育为落脚点，提供了在学生数学学习中发展数字素养教育及其评估的新范式(崔志翔,徐斌艳,2022)。因此，此数据集对研究分析具有重要参考价值。我国参与2022年PISA测试的地区包括**、香港和澳门等。不同地区采用的问卷不尽相同。例如，**地区仅采用了学生、教师和学校问卷，而香港和澳门地区则同时采用了学生、家长、教师和学校问卷。由于教师ICT使用情况主要由教师问卷测量，且**地区相关数据较少，因此，只有**香港（HKG）及澳门（MAC）地区的调查和测试数据能够为本研究提供数据支持。
针对研究问题，需要对PISA大数据集进行数据筛选，以获取与研究主题相关的变量和测量量表。对数据集进行分析，可以看到使用教师在数学课上使用“数字资源”的教学频率的测量量表提供各类信息，包括教师使用数字资源进行简单计算，教师使用数字资源解方程等。信息技术的应用相关的测量量表提供教学ICT意识、使用ICT的情况、重视ICT能力、使用特定ICT应用的情况等信息。此外，获取港澳地区基本信息进行初步筛选后，最终获得9个变量字段，680条数据。
表1 字段解释
| 字段分类 | 字段名称 | 字段解释 |
|---|---|---|
| 使用频率 | Cnt | 国家 |
| CalcFr | 教学频率：使用[数字资源]进行简单计算 | |
| EqSolv | 教学频率：使用[数字资源]解方程 | |
| SimMod | 教学频率：使用[数字资源]进行模拟和建模 | |
| CodAlg | 教学频率：使用[数字资源]进行编程或算法活动 | |
| 使用情况与能力 | ICTApp | 教师使用特定ICT应用的情况 |
| ICTUse | 教师使用ICT的情况 | |
| ICTCmp | 重视ICT能力 | |
| DigMat | 使用数字资源进行数学教学 | |
| 因变量 | y | 数学的课堂氛围 |
在数据清洗阶段，利用Spss Modeler的“选择”节点筛选出需要的两个地区的数据字段，对于问卷中存在个别问题未作答的学生进行删除。由于这两个地区在Teaching ICT awareness (WLE)教学ICT意识列出现缺失，故删除此列。由于pisa中原始数据中使用频率分为年、月、日的数据非成倍关系，为方便回归分析，采用组中值的方式对数据进行预处理(张婷,徐丹,刘声涛,2015)。我们将其转换成：0表示“从未使用”、1.5表示“一年使用一到两次”、18表示“一个月使用一到两次”、72表示“一星期使用一到两次”、180表示“几乎每天使用”。这样能够提供一个简单的呈倍指标来衡量教师在特定数学教学上ICT使用的表现，得到一个更全面的数学学习氛围评估，以更好地了解ICT赋能数学课堂的情况。
采用Excel和python处理数据，对香港和澳门地区数学学习氛围进行描述性统计。如图1所示，在同样的样本数量下，数学学习氛围在地区上的差异较小，且二者均满足正态分布。相较而言，澳门地区教师在较好的数学氛围营造上会更为积极，但总体差异较小。因此，可以将去除地区差异进行聚类分析。
图1 港澳地区数学学习氛围样本特征分布的描述性统计
本文选取SPSS快速聚类K-means方法(任楚岚,乔天宇,张阳,2020)该方法可快速处理大样本数据，适合本研究样本量大的特点，以区分不同教师在ICT使用上的不同模式。要实现K-means聚类，首先要选取合适聚类中心，根据距离进行动态规划，然后确定函数来评价聚类的效果，选取效果较好，且数据不大的聚类中心的方案。
因为从“ICTApp”、“ ICTUse”、“ ICTCmp”三个维度进行聚类，因此要选取3个聚类中心，将离取值空间中心最近的样本为第一个聚类中心，为了避免聚类中心的集中，本文利用已经确定的聚类中心搜索下一聚类中心，直至搜索到3个聚类中心为止，这样可以保障聚类的有效性。
聚类分析的目的在于识别出可区别的类型并对其赋予相应的标识，因此本研究针对每个变量进行了图例分类（Cluster），并通过对不同组别在各变量上的比较，归纳各组别的特点。总体而言，经过上述三维度ICT变量分析，港澳教师使用ICT、数字资源参与教学可分为三组：低度ICT参与组（Cluster0）、中度ICT参与组（Cluster1）、广泛ICT参与组（Cluster3）。由图可知，教师对于数字资源ICT的使用大部分处于中度参与组。换言之，教师对于ICT的使用仍处于较为基础的使用层面（从本文前面描述性统计正态分布也可以看出），对于ICT使用频率不高但并非完全不使用。表2和图3分别以表格和图形的形式展示了模型中三组ICT参与组不同教师在使用数字资源ICT进行数学教学问题项上填答“有”的概率。
由表2和图3可知，低度ICT参与组的教师仅有16.9%的教师在选择使用数字资源ICT进行数学教学中选择了有使用，中度ICT参与组也仅仅只有28.9%，因此我们不难发现，港澳地区数学教师对于数字资源、ICT的使用有超过半数多认为自己几乎没有ICT的使用。在广泛ICT参与组中，有60.2%的教师认为自己有运用到数字资源ICT进行数学课堂教学，对三组归类分析可知，仅仅只有15%的教师明确自己有在数学教学中运用ICT数字资源。由此可见，港澳地区数学教师的ICT使用意识仍亟待提高。
表2 三类组教师在使用数字资源ICT进行数学教学问题项上填答“有”的概率
| 题项 | 低度ICT参与组 | 中度ICT参与组 | 广泛ICT参与组 |
|---|---|---|---|
| 使用数字资源ICT进行数学教学 | 0.169 | 0.289 | 0.602 |
图3 三类组教师在使用数字资源ICT进行数学教学问题项上填答“有”的概率
回归分析能够通过检验回归系数是否显著，来判断自变量能否显著预测因变量；本文采用回归分析以数学学习素养为因变量，以表1中列出的 ICT 相关变量为自变量进行统计分析来验证各个 ICT相关变量对数学学习氛围的影响。由于已经根据ICT三维度变量对样本进行参与教学度分组，因此我们采取三组对比分析，表3中的数据为ICT相关变量对学习成绩的影响，模型1是在三组ICT参与组中ICT三维度变量对数学学习氛围的回归模型，模型2在模型1的基础上增加了数字资源的使用频率作为控制变量。首先，横向比较所有模型2和模型1发现，均有所增加，说明ICT三维度变量和教师数字资源使用频率都能解释氛围的部分变异，而且数字资源的多元化运用所能解释的变异高于仅仅是教师ICT特征所能解释的变异。各个变量在两个模型中的标准系数及显著性水平均发生了变化，说明在解释ICT赋能数学教学时确实要教师ICT使用情况及教师数字资源使用频率来解释。
在低度ICT参与组的两个模型中，教师在重视ICT能力方便对数学学习氛围没有显著性影响，甚至呈现负相关，可能与该组教师对ICT使用极少有关。而显而易见的是，在三组中教师ICT的使用情况均达到显著性效果，且普遍在列入数字资源的使用频率字段后更为显著，由此可见，信息技术的使用确实有利于数学课堂学习氛围的良好营造。而在中度ICT参与组中，相较于低度组我们可以看到教师使用数字资源进行授课对于数学课堂氛围的影响显著上升，同时教师使用数字资源进行编程和算法教学的显著性也较为明显，这说明在教师有在使用ICT进行授课时，学生对于抽象算法的理会因为ICT的使用而加深，并且也会带来更好的算法与编程学习氛围，而不会觉得算法与编程枯燥乏味。在广泛ICT参与组中，我们不难发现除了前两组的共性外，教师对于ICT能力的重视程度也对于数学氛围有很显著的影响，这或许是教师灵活使用ICT后进一步加强了学生使用ICT进行数学学习的能力，本文不做进一步阐述。而三组其实在数字资源使用频率方面系数值均不是很高，且鲜有达到显著性效果的变量，因此可知只要教师利用ICT进行授课，不管以何种方式，都会激起学生数学学习兴趣，且营造更为浓厚的学习氛围。
表3 不同参与度教师组信息技术的使用对数学课堂学习氛围的序贯影响
| 低度ICT参与组 | 中度ICT参与组 | 广泛ICT参与组 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 模型1 | 模型2 | 模型1 | 模型2 | 模型1 | 模型2 | |
| 常量 | 0.234 | 0.177 | 0.558 | 0.543 | 0.719 | 0.765 |
| 教师使用特定ICT应用情况 | 0.186* | 0.193* | 0.017* | 0.006* | 0.137* | 0.142* |
| 教师使用ICT的情况 | 0.191* | 0.197** | 0.217* | 0.241** | 0.335* | 0.329** |
| 重视ICT能力 | -0.176 | -0.171 | 0.151 | 0.134 | 0.146* | 0.124** |
| 教学频率：使用[数字资源]进行简单计算 | -0.011 | 0.011 | 0.011 | |||
| 教学频率：使用[数字资源]解方程 | 0.016 | 0.011 | 0.010 | |||
| 教学频率：使用[数字资源]进行模拟和建模 | 0.018 | 0.010 | 0.011* | |||
| 教学频率：使用[数字资源]进行编程或算法活动 | -0.019 | 0.015* | 0.011* | |||
| 使用数字资源进行数学教学 | 0.258 | 0.062** | 0.135** | |||
| R-Squared | 0.082 | 0.156 | 0.089 | 0.228 | 0.092 | 0.326 |
| N | 165 | 359 | 156 |
注：*P<0.05 **P<0.01
本研究显示：对港澳地区而言，教师使用ICT资源对数学学习氛围有积极影响；由此，我们要进一步加强信息技术的课程化，促进信息技术与课程、教学的全面融合，将信息技术作为教育教学的重要辅助手段。
在本研究分析的模型中，ICT的三维度变量（即教师使用ICT的情况）对数学学习氛围有显著影响。特别是当考虑到教师数字资源使用频率作为控制变量时，这种影响更加显著。研究表明，ICT的使用不仅提升了数学学习氛围，而且有助于学生更好地理解抽象的算法和编程概念，减少学习这些主题的枯燥感。由此，我们首先要提升学校环境下信息技术融合课程的质量，可以在课堂上设置真实情境，让学科知识与学生的实际相联系，允许教师基于信息技术引领学生探索现实生活中的问题。其次，要提升学校环境外的信息技术使用效果。如基于真实的情境和任务布置有关的家庭作业，同时通过成果反馈互动，使学生获得自我价值的肯定，从而进一步提升授课效率，营造良好学习氛围。
本研究显示，教师使用数字资源的频率与数学学习氛围正相关。这表明，不仅仅是教师ICT特征本身，教师如何使用数字资源也对学习氛围的营造有重要影响。虽然教师数字资源使用频率对学习氛围有正面影响，但这一影响并不总是显著，这表明单纯频繁使用数字资源并不足以显著提升学习氛围。
在不同ICT参与度的教师群体中，对ICT能力的重视和使用情况对数学学习氛围的影响有所不同。在低度ICT参与组中，ICT能力对学习氛围的影响不显著甚至呈负相关；而在中度和广泛ICT参与组中，ICT使用情况对学习氛围的正面影响更加明显。总体来看，港澳地区数学教师ICT使用仅有15%的教师明确表示在数学教学中运用了ICT数字资源。这说明港澳地区的数学教师中，有超过半数认为自己几乎没有使用ICT。大多数教师的ICT使用水平处于中度参与组。这表明虽然教师们并不是完全不使用ICT，但他们的使用程度仍然相对较低。港澳地区数学教师的ICT使用意识还需要进一步提高，对于信息技术课堂使用的推广与应用仍需加强。