1、摘要：AR 技术已用于支持学生学习化学微观结构知识。通过准实验设计，以高一年级化学课程有机物“烃”分子结构知识为例，探究 AR 技术对学生在微观结构知识学习效果、空间旋转可视化能力、AR 技术使用态度的影响。研究发现，AR 技术对学生微观结构知识学习产生显著的教学即时效果和良好的教学保持效果，对学生空间旋转可视化能力发展的影响不显著，使学生产生正面的 AR 技术使用态度。建议加强 AR 技术融入化学微观结构知识学习的教学应用研究、学习资源开发研究和教学成效实证研究。关键词：高中化学；增强现实技术；微观结构；空间旋转可视化能力；有机物；烃中图分类号：G633.8文献标识码：A文章编号：1009-
2、7228（2023）04-0041-07DOI：10.16826/ki.1009-7228.2023.04.008引用格式：朱鹏飞，李林燊，麦裕华.AR 技术对高中生化学有机物微观结构学习的影响J.天津师范大学学报（基础教育版），2023，24（4）：41.AR 技术对高中生化学有机物微观结构学习的影响朱鹏飞，李林燊，麦裕华收稿日期：2023-02-17作者简介：朱鹏飞，江苏省无锡市第一中学化学一级教师；李林燊，广东省佛山市南海区石门高级中学教师；麦裕华（通讯作者），广州市荔湾区教育发展研究院（广东 广州 510375）教研员，博士。基金项目：江苏省教育科学“十四五”规划重点课题“虚实融合：交
3、互式 AR 环境支持的化学核心概念教育学研究”（C-b/2021/02/71）一、问题的提出增强现实（Augmented Reality，简称 AR）是通过 3D 技术在真实物体上叠加虚拟对象，达到一种视觉混合增强效果，具有虚实结合、无缝交互、浸润学习等特点1。“技术赋能学习”强调以学习者为中心，技术为学习者的学习提供充足支持2。与其他教育技术相比，AR 技术能实现知识中复杂空间关系和抽象概念的可视化，填补虚拟和真实世界的认知桥梁，因而近年来受到教育者广泛关注，已在可视化抽象学习内容、创新教学方法、提升学生学习成效和积极性、结合正式学习和非正式学习等方面展现出良好的教育价值345。元分析显示A
4、R 技术能够积极促进学生的学习成效6。（一）在化学微观结构学习的应用待广泛推广由于化学知识具有微观化、抽象性特征，微观结构知识是中学化学课程的重要教学内容之一，高中化学课程为此提出培养学生微观理解的“宏观辨识与微观探析”学科核心素养。在教学实践中，微观结构知识的学习需要学生具备良好的空间可视化能力、想象力和学科知识基础。然而，当前学生相关能力的发展尚不够成熟，较多研究也显示学生对微观结构知识的理解存在大量迷思概念。AR 技术将微观结构知识可视化，成为了支持中学化学课程微观结构知识学习，方便学生直接观看物质微观世界的重要工具。化学教育研究者开发了多种呈现物质微观结构和化学反应微观过程的 AR 技
5、术程序789101112，从宏观上讨论使用 AR 技术的教学实践131415。但囿于 AR 程序开发、中学 AR 技术装备配备和化学教师信息化教学能力等原因，使用 AR 技术支持微观结构知识学习的教学实践仍然较少，有待进一步研制优质教学课例和广泛推广应用。（二）对化学微观结构学习的作用待深入研究化学教育研究者对微观结构的不同主题知识开展了实证研究，以了解 AR 技术的教学具体作用。Maier 等人组织德国八年级学生分别使用AR2023 年 7 月第 24 卷第 4 期天津师范大学学报（基础教育版）Journal of Tianjin Normal University（Elementary E
6、ducation Edition）Jul.2023Vol.24No.441技术、由鼠标和键盘操控的 Jmol 软件，学习化学常见分子的立体结构。在搭建分子实物模型、辨析正确的分子实物模型任务中，使用 AR 技术的实验组均表现优于对照组7。Cai 等人使用单一组前后测设计，了解我国初三年级学生在“物质的构成”复习课使用 AR 技术的学习成效。研究显示学生后测成绩显著高于前测成绩，低分组学生的进步程度显著大于高分组学生，学生对使用 AR 技术具有积极态度8。朱鹏飞在我国高二年级“物质结构与性质”模块教学中使用准实验设计，发现使用AR技术的实验组的知识测验成绩显著高于使用实物模型的对照组，学生的空间
7、旋转可视化能力能够自然发展16，学生对于 AR 技术具有积极态度17。上述研究展现了 AR 技术在不同教学环境的教学成效，但研究设计存在一定不足。一是安排较短时间的教学干预，较难判断教学干预对学生的影响强度。二是未组织了解教学保持效果的延宕测试，难以了解教学干预效果的延续性。三是未了解学生空间视觉和观察能力的发展，无法充分反映教学干预的效益。因此，有必要围绕微观结构知识学习的实际需要，通过完善研究设计，选取学生的微观结构知识、空间旋转可视化能力和使用态度为研究变量，了解 AR 技术的教学成效。烃是有机物最基础的物质种类，烃分子结构知识是高中化学课程微观结构知识的重要部分和学生最先接触的学习内容
8、，具有重要的学习意义。本研究使用准实验设计和增加延宕测试，探究高一年级学生使用 AR 技术学习烃分子结构知识的具体情况，为优化教学实践提供实证研究的支持。二、研究设计本研究探讨 AR 技术对高一年级学生学习烃分子结构知识的影响，以评估 AR 技术的教学成效。主要聚焦三个研究问题：（1）AR 技术对学生微观结构知识学习产生怎样的教学即时效果和保持效果？（2）AR 技术对学生空间旋转可视化能力发展产生怎样的影响？（3）学生对使用 AR 技术具有怎样的态度？（一）研究参与者江苏省无锡市某中学高一年级两个班共 97名学生参与本研究。他们使用江苏教育出版社发行的 化学 2 教科书学习，均由本文第一作者任
9、教，在过往均未曾经历 AR 技术教学活动。在知识和能力前测，两个班在化学基础知识测验成绩的差异（t=-1.152，p=0.253 0.05）、空间旋转可视化测验成绩的差异（t=-0.371，p=0.711 0.05）均不显著。这显示在教学干预前，两个班学生的化学学科知识水平和空间旋转可视化能力基本处于同一水平，他们可以被认为来自同一个总体，适宜分组后参与准实验研究。随机抽取其中 1 个班（49人）作为实验组，采用 AR 技术教学；安排另一个班（48 人）作为对照组，采用传统实物模型教学。（二）研究工具1.化学学业成就测验将学生在参与本研究前的高一年级期中考查测试题，作为化学学业成就测验的前测，
10、以了解学生的化学学科知识水平和判断学生能否被分组参与准实验研究。该测试题考查范围是 化学 2 教科书专题 1 和专题 2 的学习内容。根据复本试题的要求，自编烃的分子结构知识测试题 2 份，随机抽取一份测试题用于后测，另一份测试题用于延宕测试。每份测试题均有 20题，包括有关题 15 题和无关题 5 题，每题 1 分，全卷总分为 20 分。有关题的考查内容包括烃分子中原子共线共面关系的判断（5 题）、烃的取代物同分异构体的判断（6 题）和烃分子二维结构的化学式书写（4 题），以了解 AR 技术是否影响学生发展涉及有机物官能团常见空间结构的烃分子结构判断和表达能力。无关题的考查内容包括烃的命名（
11、2 题）和烃的化学反应方程式书写（3 题），以了解 AR 技术是否影响学生发展不涉及烃分子结构的问题解决能力，从而判断 AR 技术是否具有针对性的教学支持作用。2 份测试题均经多名资深中学化学教师审核，具有专家效度。2 份测试题的Cronbach s a 系数分别为 0.821、0.826，显示具有良好的信度。2.空间旋转可视化测验美国普渡大学 Guay 于 1977 年编制了普渡空间可视化测验（Purdue Spatial Visualization Tests），其中包括了解被试空间旋转可视化（visualizationof rotations）能力的分测验（简称为PSVT：R），Yoon
12、42在 2011 年修订了分测验18。Bodner 等人在PSVT：R 的基础上，改编出诊断学生化学学习中空间旋转可视化能力的新测验（PurdueVisualizationofRo-tations Test，简称为 ROT）19。该测验共 20 道单选题，每题 1 分，全卷总分为 20 分。被试需要在每题判断一个结构特别的立方体按一定方式旋转后的空间形状。PSVT：R 和 ROT 在过往研究中均有良好的效度和信度181920，适合本研究了解 AR 技术对学生空间旋转可视化能力影响的研究目的。在本研究中，ROT 的前后测 Cronbach sa 系数为0.620、0.702，显示具有良好的信度。
13、3.AR 技术使用态度问卷Davis 于 1989 年 提 出 的 技 术 接 受 模 型（Technology Acceptance Model，TAM）认为，对于某种具体的信息技术，人们在外部因素、感知有用性、感知易用性、使用态度、行为意向等变量间存在相互关系，最终作用于实际使用该信息技术的行为21。根据 TAM 和自我效能的内涵，围绕学生使用 AR 技术过程中可能表现的态度变量，自编对应的态度问卷。态度问卷分为感知有用性、感知易用性、行为意向和自我效能 4 个维度，共 19 题，使用李克特 7 点量表计分法。学生对各维度的项目赋分越高，显示对项目内容有越积极的态度。感知有用性、感知易用性
14、维度的项目改编自 Davis编写的问卷22。谨慎翻译 Davis 的问卷，确保翻译稿能够反映各项目原意，并用 AR 技术替换原问卷提到的电子邮件系统。各维度得分和全卷得分有显著的强正相关（r=0.8680.971，p 0.001），具有良好的结构效度。各维度的 Cronbach s a 系数在 0.8510.956 之间，显示具有良好的信度。4.AR 技术和实物模型使用的 AR 技术是国内开发的一种专门针对有机物微观结构的 AR 技术程序。根据教学实践需要，选择了资源库中适用于高一年级 化学 2 教科书，烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃等共 30 个烃分子三维结构模型。任课教师将这些烃分子的二维结构图
15、打印成卡片，学生在平板电脑上运行 AR技术程序，将摄像头对准扫描二维结构卡片，平板电脑中即显示它们对应的三维结构模型。通过操作卡片，学生可以操控烃分子三维结构模型移动和自由旋转，近距离、多角度观察烃分子结构的特点。使用的实物模型是日常使用的有机物分子球棍模型和比例模型。它们由塑料制作，可以自行组装。任课教师根据章节教学内容，自行组装了 10 个烃分子三维结构模型。（三）研究流程本研究分为三个阶段。第一阶段，选择某中学高一年级两个班学生作为研究参与者，将学生的高一年级期中考查测试题作为化学学业成就测验的前测，进行空间旋转可视化测验前测，通过检验学生在前测成绩差异的显著性，随机确定实验组和对照组。
16、第二阶段，同一位任课教师为两组学生进行化学 2 专题 3“有机化合物的获得与应用”第一单元“化石燃料与有机化合物”授课。研究时间为四周，共 13 课时，其中实验组使用 AR 技术共 7课时。实验组在学校智慧教室上课，每 2 人分配使用一台预装好AR 程序的平板电脑。教师在讲述某种烃分子的结构时，展示对应的实物模型，学生通过 AR 程序观察该分子的三维结构模型并进行小组讨论。对照组在学校班级教室上课。教师在讲述某种烃分子结构时，展示对应的实物模型，学生观察实物模型及教师的旋转模型动作，进行小组讨论。其后，对两组学生进行化学学业成就测验和空间旋转可视化测验后测，以了解 AR 技术是否对学生烃分子空间结构判断和表达能力的发展产生教学即时作用。同时，对实验组进行 AR 技术使用态度问卷调查。第三阶段，在教学干预结束后，进行两周其他知识内容的教学活动，对两组学生进行化学学业成就测验延宕测试，以进一步了解学生接受不同教学方式的教学效果在一段时间内的保持情况。其后，对照组进行 2 课时使用 AR 技术的补救教学，完成 AR 技术使用态度问卷调查。三、结果与讨论（一）AR 技术教学显著提高学生烃分子结
