AR游戏化学习对基础薄弱学生认知能力和学习态度的影响

摘 要： 采用准实验设计研究增强现实（AR）游戏化学习对初中化学基础薄弱学生认知能力和学习态度的影响。结果表明AR游戏化学习在提升学生理解、应用能力和自我效能感方面优于传统教学，但在记忆、分析能力和学习态度方面差异不显著，大部分学生对AR技术应用持积极态度。研究为AR游戏化学习在化学教学中的应用提供了实证支持。

关键词： 认知能力； 学习态度； AR游戏化学习； 初中化学

文章编号： 1005-6629（2024）11-0013-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

化学反应的描述、解释和预测是化学学习的基本内容，也是物质观念进阶的关键，对提升初中生“化学观念”“科学思维”等核心素养［1］具有重要作用。然而，大量研究表明，学生特别是基础薄弱学生对物质概念认知不够深入［2］，难以理解物质变化［3，4］，认知过程大多停留在记忆维度［5］。布鲁姆认知目标分类将认知过程划分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造六个维度［6］。本研究以初三化学“物质分类与转化”内容为主题，聚焦AR游戏化学习对基础薄弱学生记忆、理解、应用和分析四个维度认知能力的影响。

传统教学通常通过讲授和PPT动画辅助呈现抽象概念，但对于基础薄弱学生而言，传统教学方式的有效性有待提升。增强现实技术（AR）具备虚实结合、实时互动等特点［7］，有助于加深学生的记忆、强化解决问题的能力［8］，提高学习动机［9］。游戏化学习（Game-based Learning， GBL）是将游戏设计元素应用于教学，以提高学习者参与度和积极性的学习方式［10］，对学生特别是学习动机较低的学生的学习成效和学业成绩等方面产生积极影响［11］。将AR技术与游戏化学习相结合，形成AR游戏化学习（ARGBL），可能对基础薄弱学生的化学学习产生更加积极的影响。不过，当前关于ARGBL促进基础薄弱学生学习的实证研究较为匮乏。

使用AR技术在视觉和听觉方面提供的丰富信息，往往有助于学生更好地理解抽象的化学概念，对于可能需要在有限的时间内复习大量知识的复习课中尤为重要，因此本研究选定“物质分类与转化”复习课开展实证研究。研究问题包括：（1）与传统PPT动画教学相比，ARGBL对基础薄弱学生记忆、理解、应用、分析四个维度认知能力的影响是否存在显著差异？（2）与传统PPT动画教学相比，ARGBL对基础薄弱学生学习态度的影响是否存在显著差异？（3）基础薄弱学生对使用AR软件进行游戏化学习持何种应用态度？

2 研究设计

2.1 研究对象

选取广东省Z中学的两个初三走班制复习的班级作为实验组和对照组。这两个班级的学生在市统一组织的期末考试中的平均分明显低于年级平均分，表明他们的化学基础相对薄弱。为了提高研究的可靠性，选定的两个班级在任课教师、教学手段、教材选定、教学进度、教辅和测验等各方面基本相同。最终确定实验组43名、对照组43名，共计86名化学基础薄弱学生作为研究对象。

2.2 AR软件设计

化学学习涉及微观层面的原子和分子相互作用，学生往往难以从微观角度理解宏观变化。合理运用可视化技术有助于提高学生从微观层面理解宏观现象的能力［12］。微观粒子动画能够准确展现反应动态、交互和多粒子性质，为学生提供微观理解模型，有助于描绘化学反应的抽象特性，促进学生认知发展［13］。本研究使用的520ARChem软件，基于钱扬义等人［14］设计的《520化学桌游》扑克牌开发，通过扫描扑克牌展示微观粒子结构和动画。该软件具备多卡识别与互动功能，可同时识别三张化学扑克牌并显示对应物质的3D媒体。学生可通过切换3D媒体的显示方式（宏观实体或微观结构）并移动扑克牌，从多个角度观察物质。当满足反应条件的3D媒体碰撞时，可观看实验视频及微粒动画。动画界面允许暂停和播放，方便学生细致观察化学反应过程。

2.3 教学设计

在“物质分类与转化”复习课中，实验组采用ARGBL教学，对照组采用传统PPT教学，两种教学方式的主要差异在于：（1）ARGBL教学采用AR软件和化学扑克牌作为辅助教学媒体，提供沉浸式的化学微观世界探索体验和实物操作机会；PPT教学主要依赖图文动画展示化学知识。（2）ARGBL教学设计了5个小组合作游戏，将复习内容融入游戏任务中，学生通过完成游戏任务巩固知识技能；PPT教学强化教师讲解，学生以接受式学习为主。（3）ARGBL教学强调学生的主动探索和协作学习，教师主要提供适当引导；PPT教学中，学生自主参与程度较低。两组在教学方式上存在差异（参考表1）。除教学媒体和学生参与方式外，两组在教学内容、教学流程等方面保持一致，具体的异同如表1所示。ARGBL教学中的游戏根据黄碧云等人［15］提出的GAFCC模型开发。

2.4 研究设计

本研究采用准实验设计，包括前测和后测的对照组设计。进行为期2课时的教学干预，同一教师分别为实验组和对照组授课。实验组采用ARGBL复习“物质分类与转化”主题，对照组使用传统PPT动画复习。

本研究采用前测和后测对比方式。首先，使用两份化学认知能力测试卷，即内容不同但相似的两份测试卷。化学认知能力测试参照布鲁姆教学目标编制［16］，用于测量教学干预前后学生记忆（6分）、理解（9分）、应用（20分）、分析（5分）四维认知能力的变化，共40分。在出题过程中，邀请专家和教师对题目的数量、难度、考察内容及试题分布进行多轮评定和修正，确保两份测试卷的难度和指向大体相当。

其次，采用了三份调查问卷：（1）化学学习态度调查问卷：参考Basso［17］和蔡丹菊［18］的问卷编制，共设14题，包含情感态度、自我效能、游戏化学习态度三个维度；（2）AR应用态度调查问卷：改编自Küük［19］的量表，采用五点量表方式收集数据，共15题。由于原问卷为英文，为确保翻译和改编后的问卷效度，预先分发了305份预调查问卷。通过探索性因子分析检验问卷结构效度，运用主成分分析法萃取出三个因子：使用满意度、使用焦虑和使用意愿。各题在维度中的载荷均超过0.6，表明问卷结构良好；（3）半结构化访谈提纲：根据研究目的和文献综述设计，主要探讨学生对ARGBL的体验感受。

以上问卷和访谈提纲均经过专家评审和预调查，以确保其内容效度和结构效度。最后，在数据分析中，采用适当统计方法，如效应量指标Hedges’ g，以0.2、 0.5、 0.8作为小、中、大效应量的分界线，以避免样本量较小可能带来的偏差。实验流程如图1所示。两组在前后测中进行认知能力

测试（45分钟内完成）和学习态度调查（10分钟内完成）。实验组额外进行10分钟AR应用态度调查，并对8名随机抽取的学生进行40～60分钟半结构化访谈。

2.5 数据收集及处理

研究共收集了实验组和对照组学生的前测和后测数据，包括化学认知能力测试卷和化学学习态度调查问卷各86份，共计172份。此外，对实验组的43名学生进行了AR应用态度调查，收集到86份有效问卷。为进一步了解学生的体验感受，随机选取实验组8名学生进行了半结构化访谈，访谈录音经转译为文本以供分析。

在数据处理方面，使用SPSS 28.0进行数据分析。在信度方面，化学学习态度调查问卷的三个维度的Cronbach’s α系数均高于0.9;AR应用态度调查问卷的整体α系数为0.981，三个子维度的α系数均超过0.9，表明两份问卷的信度均较高。

3 研究结果分析与讨论

3.1 学生认知能力的变化

学生认知能力独立样本t检验的结果见表2，前测中实验组和对照组在记忆、理解、应用和分析四个维度上的成绩差异均不显著。这表明两组学生在学习前的认知能力水平基本相当，具有可比性。在记忆维度，实验组的后测成绩显著高于对照组，表明AR游戏化学习在提升记忆效果方面具有一定优势。在理解维度，实验组的后测成绩显著高于对照组，证实了AR游戏化学习对于增进理解有显著优势。应用维度的结果同样显示，实验组显著高于对照组，表明AR游戏化学习更能促进学生应用能力的提高。不过，在分析维度，实验组只是略高于对照组，差异并不显著。

AR游戏化学习在记忆、理解和应用维度上的优势，可能源于其对学生知识构建过程的支持。建构主义理论认为，学习是学习者主动构建内部心理表征的过程。AR游戏化学习提供了丰富的感官体验和交互操作，有助于学生在探索中主动建构知识。例如，学生通过操纵AR模型，观察不同条件下反应物和生成物的变化，从而形成关于化学反应的准确表征。这种亲身体验和主动探索，可能加深了学生对知识的理解和记忆。此外，AR游戏化学习的优势还可以用认知负荷理

论来解释，学习效果取决于学习者的认知负荷水平。AR游戏化学习通过形象生动的3D模型和动画，将抽象的化学概念具体化，降低了学生的内在认知负荷。同时，AR游戏化学习提供的及时反馈和提示，可能起到了引导注意和优化认知负荷的作用，使学生能够更好地投入学习任务。分析维度的差异未达显著性水平，这可能是数据的变异性（即标准差）较大，掩盖了组间平均数的差异，不应忽视AR游戏化学习在这一维度的潜在效果，未来研究可进一步验证。

3.2 学生学习态度的变化

学生学习态度独立样本t检验的结果见表3，前测结果表明，实验组和对照组在学习态度各维度的起点水平基本相当，具有可比性。值得注意的是，实验组在游戏化学习态度维度的得分始终高于对照组。这可能是由于随机分组过程中的个体差异所致，也可能暗示了部分学生对游戏化学习有着更积极的期待。

后测结果显示，AR游戏化学习在提升基础薄弱学生的自我效能感方面表现出显著优势。从自我效能理论视角，AR游戏为学生提供了成就体验和及时反馈，可能促进了学生对自己学习能力的积极评价，从而提高了自我效能感。不过，在学习情感态度和游戏化学习态度维度，实验组和对照组的后测得分差异并不显著。这提示我们，尽管AR游戏化学习可能带来了更具吸引力的学习体验，但在改善整体学习态度方面，其优势并不明显。对照组在化学学习的情感态度和游戏化学习态度维度的前后测得分虽低于实验组，但也出现了一定的提升，这可能是问卷填写效应造成的影响，对照组学生在接触前测量表后，可能对游戏化学习产生了好奇和期待，继而在后测中表现出更积极的态度。

3.3 学生对AR软件的接受度

分析实验组AR应用态度调查问卷各维度得分数据（见表4），发现三个维度得分显著高于4分，这表明基础薄弱学生对AR应用持积极态度，对AR软件的使用体验较为满意，使用意愿较强，焦虑感并不明显。

通过对学生的访谈录音转译为文本并整理，发现Z校学生对AR技术结合游戏化复习方式评价主要是正面且积极的。回答可分为两类：一是“AR游戏化学习在化学学习方面的优势”，包括深化对微观粒子的认识、促进化学反应理解、营造趣味学习氛围等积极影响因素；二是“AR游戏化学习在化学学习方面的局限”，主要涉及软件使用困难等如操作难度高、识别精度不足等问题。

4 研究总结

本研究探讨了AR游戏化学习对基础薄弱学生认知能力和学习态度的影响。结果表明，AR游戏化学习对基础薄弱学生的认知能力发展和学习态度提升具有积极作用，尤其在记忆、理解、应用能力和自我效能感方面表现突出。

首先，AR游戏化学习对基础薄弱学生的记忆、理解、应用和分析四个维度的能力发展具有显著的促进作用。AR游戏化学习方式为学生提供沉浸式体验和趣味学习环境，对认知发展具有积极影响［20］。AR软件提供的直观微粒模型和化学反应微观动画有助于学生从微观角度理解宏观现象，为建构科学认知模型提供参考。此外，基础薄弱学生在AR软件使用意愿和满意度均较强，使用焦虑感不明显，对AR的高认可度更易产生心流体验，促进认知能力发展。值得注意的是，虽然AR游戏化学习在分析维度上的效果与传统教学方式可能并无显著差异，但AR提供的丰富感官体验、实践应用和概念具现化在不同的教学环境下均有助于加强概念的记忆、理解和应用。

其次，AR游戏化学习对基础薄弱学生学习态度的提高优于传统教学方式。这与AR改善学生对科学学习态度的研究结果一致［21，22］。AR软件丰富的媒体内容和交互式学习环境为学生提供多感官刺激，接受AR游戏化教学的学生会有更低的认知负荷［23］，可能有助于增强学习自信心。游戏化学习营造轻松愉悦的班级氛围，降低学习压力，集中学生注意力，产生积极的自我效能［24］。然而，在学习情感态度和游戏化学习态度维度，AR游戏化学习与传统教学的效果差异并不显著，这可能源于学生个体在游戏化学习动机和接受度上的差异［25］。

再者，大部分使用AR软件进行游戏化学习的学生对AR技术引入课堂持积极态度。在访谈中，实验组学生表示“（ARGBL）相比于平时的课堂更加好玩，我喜欢和同学们一边玩一边探索微观粒子的奥秘”“我觉得ARGBL的课堂学习氛围很活跃，我们对立体的微观粒子都很好奇，因为想要了解更多粒子的微观结构，就会很认真去探索”。但教师在设计AR软件时应提高易用性，降低学生使用新型学习工具的难度。

后续研究可根据多媒体学习认知和情感设计标准完善应用程序［26］，扩大样本量，深入研究AR游戏化学习的实际教学效果，探讨学生认知发展和情感态度转变的内在机制，为AR与游戏化教学结合提供理论依据。

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2023年度广东省中小学教师教育科研能力提升计划重点项目课题“手持技术数字化实验发展中学生化学核心素养的教学实践研究——以‘证据推理素养’为例”（课题编号：2023ZQJK097）；2025年度广东省中小学教师教育科研能力提升计划一般项目课题“手持技术与IRS系统支持下中学化学实验‘教、学、评’一体化设计与实践研究”（课题编号：2025YQJK0582）研究成果。

2020年广东省研究生教育创新计划研究生示范课程建设项目“化学实验设计与研究（手持技术）”（课题编号：2020SFKC023）；2023年度广东省中小学教师教育科研能力提升计划重点项目课题“手持技术数字化实验发展中学生化学核心素养的教学实践研究——以‘证据推理素养’为例”（课题编号：2023ZQJK097）研究成果