AR游戲化學習對基礎薄弱學生認知能力和學習態度的影響

摘 要： 采用準實驗設計研究增強現實（AR）游戲化學習對初中化學基礎薄弱學生認知能力和學習態度的影響。結果表明AR游戲化學習在提升學生理解、應用能力和自我效能感方面優于傳統教學，但在記憶、分析能力和學習態度方面差異不顯著，大部分學生對AR技術應用持積極態度。研究為AR游戲化學習在化學教學中的應用提供了實證支持。

關鍵詞： 認知能力； 學習態度； AR游戲化學習； 初中化學

文章編號： 1005-6629（2024）11-0013-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

化學反應的描述、解釋和預測是化學學習的基本內容，也是物質觀念進階的關鍵，對提升初中生“化學觀念”“科學思維”等核心素養［1］具有重要作用。然而，大量研究表明，學生特別是基礎薄弱學生對物質概念認知不夠深入［2］，難以理解物質變化［3，4］，認知過程大多停留在記憶維度［5］。布魯姆認知目標分類將認知過程劃分為記憶、理解、應用、分析、評價和創造六個維度［6］。本研究以初三化學“物質分類與轉化”內容為主題，聚焦AR游戲化學習對基礎薄弱學生記憶、理解、應用和分析四個維度認知能力的影響。

傳統教學通常通過講授和PPT動畫輔助呈現抽象概念，但對于基礎薄弱學生而言，傳統教學方式的有效性有待提升。增強現實技術（AR）具備虛實結合、實時互動等特點［7］，有助于加深學生的記憶、強化解決問題的能力［8］，提高學習動機［9］。游戲化學習（Game-based Learning， GBL）是將游戲設計元素應用于教學，以提高學習者參與度和積極性的學習方式［10］，對學生特別是學習動機較低的學生的學習成效和學業成績等方面產生積極影響［11］。將AR技術與游戲化學習相結合，形成AR游戲化學習（ARGBL），可能對基礎薄弱學生的化學學習產生更加積極的影響。不過，當前關于ARGBL促進基礎薄弱學生學習的實證研究較為匱乏。

使用AR技術在視覺和聽覺方面提供的豐富信息，往往有助于學生更好地理解抽象的化學概念，對于可能需要在有限的時間內復習大量知識的復習課中尤為重要，因此本研究選定“物質分類與轉化”復習課開展實證研究。研究問題包括：（1）與傳統PPT動畫教學相比，ARGBL對基礎薄弱學生記憶、理解、應用、分析四個維度認知能力的影響是否存在顯著差異？（2）與傳統PPT動畫教學相比，ARGBL對基礎薄弱學生學習態度的影響是否存在顯著差異？（3）基礎薄弱學生對使用AR軟件進行游戲化學習持何種應用態度？

2 研究設計

2.1 研究對象

選取廣東省Z中學的兩個初三走班制復習的班級作為實驗組和對照組。這兩個班級的學生在市統一組織的期末考試中的平均分明顯低于年級平均分，表明他們的化學基礎相對薄弱。為了提高研究的可靠性，選定的兩個班級在任課教師、教學手段、教材選定、教學進度、教輔和測驗等各方面基本相同。最終確定實驗組43名、對照組43名，共計86名化學基礎薄弱學生作為研究對象。

2.2 AR軟件設計

化學學習涉及微觀層面的原子和分子相互作用，學生往往難以從微觀角度理解宏觀變化。合理運用可視化技術有助于提高學生從微觀層面理解宏觀現象的能力［12］。微觀粒子動畫能夠準確展現反應動態、交互和多粒子性質，為學生提供微觀理解模型，有助于描繪化學反應的抽象特性，促進學生認知發展［13］。本研究使用的520ARChem軟件，基于錢揚義等人［14］設計的《520化學桌游》撲克牌開發，通過掃描撲克牌展示微觀粒子結構和動畫。該軟件具備多卡識別與互動功能，可同時識別三張化學撲克牌并顯示對應物質的3D媒體。學生可通過切換3D媒體的顯示方式（宏觀實體或微觀結構）并移動撲克牌，從多個角度觀察物質。當滿足反應條件的3D媒體碰撞時，可觀看實驗視頻及微粒動畫。動畫界面允許暫停和播放，方便學生細致觀察化學反應過程。

2.3 教學設計

在“物質分類與轉化”復習課中，實驗組采用ARGBL教學，對照組采用傳統PPT教學，兩種教學方式的主要差異在于：（1）ARGBL教學采用AR軟件和化學撲克牌作為輔助教學媒體，提供沉浸式的化學微觀世界探索體驗和實物操作機會；PPT教學主要依賴圖文動畫展示化學知識。（2）ARGBL教學設計了5個小組合作游戲，將復習內容融入游戲任務中，學生通過完成游戲任務鞏固知識技能；PPT教學強化教師講解，學生以接受式學習為主。（3）ARGBL教學強調學生的主動探索和協作學習，教師主要提供適當引導；PPT教學中，學生自主參與程度較低。兩組在教學方式上存在差異（參考表1）。除教學媒體和學生參與方式外，兩組在教學內容、教學流程等方面保持一致，具體的異同如表1所示。ARGBL教學中的游戲根據黃碧云等人［15］提出的GAFCC模型開發。

2.4 研究設計

本研究采用準實驗設計，包括前測和后測的對照組設計。進行為期2課時的教學干預，同一教師分別為實驗組和對照組授課。實驗組采用ARGBL復習“物質分類與轉化”主題，對照組使用傳統PPT動畫復習。

本研究采用前測和后測對比方式。首先，使用兩份化學認知能力測試卷，即內容不同但相似的兩份測試卷。化學認知能力測試參照布魯姆教學目標編制［16］，用于測量教學干預前后學生記憶（6分）、理解（9分）、應用（20分）、分析（5分）四維認知能力的變化，共40分。在出題過程中，邀請專家和教師對題目的數量、難度、考察內容及試題分布進行多輪評定和修正，確保兩份測試卷的難度和指向大體相當。

其次，采用了三份調查問卷：（1）化學學習態度調查問卷：參考Basso［17］和蔡丹菊［18］的問卷編制，共設14題，包含情感態度、自我效能、游戲化學習態度三個維度；（2）AR應用態度調查問卷：改編自Küük［19］的量表，采用五點量表方式收集數據，共15題。由于原問卷為英文，為確保翻譯和改編后的問卷效度，預先分發了305份預調查問卷。通過探索性因子分析檢驗問卷結構效度，運用主成分分析法萃取出三個因子：使用滿意度、使用焦慮和使用意愿。各題在維度中的載荷均超過0.6，表明問卷結構良好；（3）半結構化訪談提綱：根據研究目的和文獻綜述設計，主要探討學生對ARGBL的體驗感受。

以上問卷和訪談提綱均經過專家評審和預調查，以確保其內容效度和結構效度。最后，在數據分析中，采用適當統計方法，如效應量指標Hedges’ g，以0.2、 0.5、 0.8作為小、中、大效應量的分界線，以避免樣本量較小可能帶來的偏差。實驗流程如圖1所示。兩組在前后測中進行認知能力

測試（45分鐘內完成）和學習態度調查（10分鐘內完成）。實驗組額外進行10分鐘AR應用態度調查，并對8名隨機抽取的學生進行40～60分鐘半結構化訪談。

2.5 數據收集及處理

研究共收集了實驗組和對照組學生的前測和后測數據，包括化學認知能力測試卷和化學學習態度調查問卷各86份，共計172份。此外，對實驗組的43名學生進行了AR應用態度調查，收集到86份有效問卷。為進一步了解學生的體驗感受，隨機選取實驗組8名學生進行了半結構化訪談，訪談錄音經轉譯為文本以供分析。

在數據處理方面，使用SPSS 28.0進行數據分析。在信度方面，化學學習態度調查問卷的三個維度的Cronbach’s α系數均高于0.9;AR應用態度調查問卷的整體α系數為0.981，三個子維度的α系數均超過0.9，表明兩份問卷的信度均較高。

3 研究結果分析與討論

3.1 學生認知能力的變化

學生認知能力獨立樣本t檢驗的結果見表2，前測中實驗組和對照組在記憶、理解、應用和分析四個維度上的成績差異均不顯著。這表明兩組學生在學習前的認知能力水平基本相當，具有可比性。在記憶維度，實驗組的后測成績顯著高于對照組，表明AR游戲化學習在提升記憶效果方面具有一定優勢。在理解維度，實驗組的后測成績顯著高于對照組，證實了AR游戲化學習對于增進理解有顯著優勢。應用維度的結果同樣顯示，實驗組顯著高于對照組，表明AR游戲化學習更能促進學生應用能力的提高。不過，在分析維度，實驗組只是略高于對照組，差異并不顯著。

AR游戲化學習在記憶、理解和應用維度上的優勢，可能源于其對學生知識構建過程的支持。建構主義理論認為，學習是學習者主動構建內部心理表征的過程。AR游戲化學習提供了豐富的感官體驗和交互操作，有助于學生在探索中主動建構知識。例如，學生通過操縱AR模型，觀察不同條件下反應物和生成物的變化，從而形成關于化學反應的準確表征。這種親身體驗和主動探索，可能加深了學生對知識的理解和記憶。此外，AR游戲化學習的優勢還可以用認知負荷理

論來解釋，學習效果取決于學習者的認知負荷水平。AR游戲化學習通過形象生動的3D模型和動畫，將抽象的化學概念具體化，降低了學生的內在認知負荷。同時，AR游戲化學習提供的及時反饋和提示，可能起到了引導注意和優化認知負荷的作用，使學生能夠更好地投入學習任務。分析維度的差異未達顯著性水平，這可能是數據的變異性（即標準差）較大，掩蓋了組間平均數的差異，不應忽視AR游戲化學習在這一維度的潛在效果，未來研究可進一步驗證。

3.2 學生學習態度的變化

學生學習態度獨立樣本t檢驗的結果見表3，前測結果表明，實驗組和對照組在學習態度各維度的起點水平基本相當，具有可比性。值得注意的是，實驗組在游戲化學習態度維度的得分始終高于對照組。這可能是由于隨機分組過程中的個體差異所致，也可能暗示了部分學生對游戲化學習有著更積極的期待。

后測結果顯示，AR游戲化學習在提升基礎薄弱學生的自我效能感方面表現出顯著優勢。從自我效能理論視角，AR游戲為學生提供了成就體驗和及時反饋，可能促進了學生對自己學習能力的積極評價，從而提高了自我效能感。不過，在學習情感態度和游戲化學習態度維度，實驗組和對照組的后測得分差異并不顯著。這提示我們，盡管AR游戲化學習可能帶來了更具吸引力的學習體驗，但在改善整體學習態度方面，其優勢并不明顯。對照組在化學學習的情感態度和游戲化學習態度維度的前后測得分雖低于實驗組，但也出現了一定的提升，這可能是問卷填寫效應造成的影響，對照組學生在接觸前測量表后，可能對游戲化學習產生了好奇和期待，繼而在后測中表現出更積極的態度。

3.3 學生對AR軟件的接受度

分析實驗組AR應用態度調查問卷各維度得分數據（見表4），發現三個維度得分顯著高于4分，這表明基礎薄弱學生對AR應用持積極態度，對AR軟件的使用體驗較為滿意，使用意愿較強，焦慮感并不明顯。

通過對學生的訪談錄音轉譯為文本并整理，發現Z校學生對AR技術結合游戲化復習方式評價主要是正面且積極的。回答可分為兩類：一是“AR游戲化學習在化學學習方面的優勢”，包括深化對微觀粒子的認識、促進化學反應理解、營造趣味學習氛圍等積極影響因素；二是“AR游戲化學習在化學學習方面的局限”，主要涉及軟件使用困難等如操作難度高、識別精度不足等問題。

4 研究總結

本研究探討了AR游戲化學習對基礎薄弱學生認知能力和學習態度的影響。結果表明，AR游戲化學習對基礎薄弱學生的認知能力發展和學習態度提升具有積極作用，尤其在記憶、理解、應用能力和自我效能感方面表現突出。

首先，AR游戲化學習對基礎薄弱學生的記憶、理解、應用和分析四個維度的能力發展具有顯著的促進作用。AR游戲化學習方式為學生提供沉浸式體驗和趣味學習環境，對認知發展具有積極影響［20］。AR軟件提供的直觀微粒模型和化學反應微觀動畫有助于學生從微觀角度理解宏觀現象，為建構科學認知模型提供參考。此外，基礎薄弱學生在AR軟件使用意愿和滿意度均較強，使用焦慮感不明顯，對AR的高認可度更易產生心流體驗，促進認知能力發展。值得注意的是，雖然AR游戲化學習在分析維度上的效果與傳統教學方式可能并無顯著差異，但AR提供的豐富感官體驗、實踐應用和概念具現化在不同的教學環境下均有助于加強概念的記憶、理解和應用。

其次，AR游戲化學習對基礎薄弱學生學習態度的提高優于傳統教學方式。這與AR改善學生對科學學習態度的研究結果一致［21，22］。AR軟件豐富的媒體內容和交互式學習環境為學生提供多感官刺激，接受AR游戲化教學的學生會有更低的認知負荷［23］，可能有助于增強學習自信心。游戲化學習營造輕松愉悅的班級氛圍，降低學習壓力，集中學生注意力，產生積極的自我效能［24］。然而，在學習情感態度和游戲化學習態度維度，AR游戲化學習與傳統教學的效果差異并不顯著，這可能源于學生個體在游戲化學習動機和接受度上的差異［25］。

再者，大部分使用AR軟件進行游戲化學習的學生對AR技術引入課堂持積極態度。在訪談中，實驗組學生表示“（ARGBL）相比于平時的課堂更加好玩，我喜歡和同學們一邊玩一邊探索微觀粒子的奧秘”“我覺得ARGBL的課堂學習氛圍很活躍，我們對立體的微觀粒子都很好奇，因為想要了解更多粒子的微觀結構，就會很認真去探索”。但教師在設計AR軟件時應提高易用性，降低學生使用新型學習工具的難度。

后續研究可根據多媒體學習認知和情感設計標準完善應用程序［26］，擴大樣本量，深入研究AR游戲化學習的實際教學效果，探討學生認知發展和情感態度轉變的內在機制，為AR與游戲化教學結合提供理論依據。

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