《Chemistry Education Research and Practice》：Multiple representations instruction assisted by an augmented reality-integrated textbook: enhancing students’ mental models and learning motivation in chemical bondingOpen Access
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理解化学键需要学生协调不同表征形式，以形成连贯的概念理解。本研究考察由增强现实（AR）整合教材支持的多重表征（MR）教学对学生心理模型（mental models）和学习动机（learning motivation）的影响，并描述学生对MR–AR教材的感知。研
理解化学键需要学生协调不同表征形式，以形成连贯的概念理解。本研究考察由增强现实（AR）整合教材支持的多重表征（MR）教学对学生心理模型（mental models）和学习动机（learning motivation）的影响，并描述学生对MR–AR教材的感知。研究采用混合方法解释性序列设计（mixed-methods explanatory sequential design）。定量数据通过心理模型测验和ARCS（attention, relevance, confidence, satisfaction）学习动机问卷收集。定性数据通过半结构化访谈（semi-structured interviews）和学生学习制品（learning artefacts）获得。结果表明，实验组在后测心理模型得分上显著高于对照组，效应量很大（d = 2.10）。学习动机在注意、信心和满意度指标上存在显著差异，而相关性无显著差异。学生认为MR–AR教材有助于澄清亚微观（submicroscopic）可视化并支持跨表征水平的转换。总体而言，这些发现表明，当MR教学经过教学法设计、系统实施并辅以适当支架（scaffolding）时，由AR支持的MR教学有助于发展学生的心理模型和学习动机。本研究的贡献不仅在于使用AR，还在于将AR整合到基于多重表征的教材中并辅以支架。
研究背景与问题：化学学习要求学生在宏观（macroscopic）、亚微观（submicroscopic）和符号（symbolic）三种表征水平之间建立联系，即化学三角（chemistry triangle，宏观、亚微观、符号三层表征）。心理模型（mental models，个体用于描述、解释和预测现象的内部表征）可反映学生如何整合这三层理解。现有问题在于学生跨表征转换困难，化学键概念抽象、需空间推理且依赖模型理解；教材常偏重符号和静态视觉，亚微观表征不足，易导致误解。多重表征（MR，使用多种表征形式支持意义建构）可澄清不可直接观察的化学方面并支持表征关系，但并非呈现多图即有效，需结构化、序列化呈现和支架（scaffolding，为支持复杂任务提供的渐进性教学支持）；否则认知负荷高。增强现实（AR，将虚拟三维信息叠加到现实学习材料中的技术）可提供三维分子和粒子互动可视化，但其效果不一致，常被当作可视化或动机工具。研究空白是AR如何嵌入结构化MR教学和支架以支持跨表征连接，尤其化学键。因此本研究考察AR整合教材支持的MR教学对学生心理模型、学习动机及感知的影响。
研究人员开展的研究与结论：采用混合方法解释性序列设计（mixed-methods explanatory sequential design，先定量后定性以解释定量结果），准实验前测—后测控制组设计，对象为印度尼西亚Pinrang一所高中两个完整XI年级化学班，随机分配实验组n = 27和对照组n = 28；前测确认心理模型和动机等价。实验组接受基于MR–AR教材的MR教学，围绕Ainsworth的互补、约束和建构三功能设计，含AR三维亚微观可视化、案例学习和支架；对照组使用学校教材但同样案例学习。干预5次课，前后测，访谈10名实验组学生（初始3、合成3、科学4）并分析学习制品（learning artefacts，学生学习过程中形成的作品或记录）。结论：实验组后测心理模型显著高于对照组，d = 2.10；动机注意、信心、满意度显著，相关性不显著；学生感知积极但文本可读性需改进。意义：贡献在于将AR嵌入基于MR的教材并辅以支架，而非仅使用AR；为化学键跨表征教学提供整合设计证据。
关键技术方法：研究采用混合方法解释性序列设计和准实验前测—后测控制组设计；样本为印度尼西亚Pinrang一所高中两个完整XI年级化学班（实验组n = 27、对照组n = 28），另用31名学生进行心理模型工具试点、120名学生进行ARCS动机问卷验证性因子分析（CFA）；心理模型测验为8道结构化问答题，覆盖宏观、亚微观、符号及离子/共价/金属键，按Kurnaz和Eksi标准分为初始、合成、科学；动机用12项ARCS问卷；采用内容效度指数（CVI）、组内相关系数（ICC）、Cronbach's α、独立样本t检验/Mann–Whitney U、效应量及探索性偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）；访谈10名实验组学生并分析学习制品。
研究结果：
定量数据分析：基于教材内容效度分析，平均内容效度指数（S-CVI/Ave）内容0.91、呈现0.88、语言0.90、图形0.91；基于前测独立样本t检验，心理模型实验组M = 8.85，SD = 3.37，对照组M = 8.36，SD = 3.78，t(53) = 0.507，p = 0.614，d = 0.14；基于Mann–Whitney U检验，前测动机各指标无显著差异（p > 0.05，秩二列相关r
rb = 0.095–0.138），说明两组基线等价。
干预后学生化学键心理模型分布：基于心理模型测验分类，实验组初始3（11.11%）、合成21（77.78%）、科学3（11.11%）；对照组初始14（50%）、合成14（50%）、科学0（0%）。按概念，离子键实验组科学35.80% vs 对照5.95%，共价键实验组科学1.23% vs 对照0%，金属键实验组科学22.22% vs 对照1.79%。基于独立样本t检验，后测心理模型实验组M = 49.26，SD = 14.02，对照组M = 22.86，SD = 10.92，t(53) = 7.804，p < 0.001，d = 2.10，说明实验组显著更高且效应量很大。
干预后学生学习动机分布：基于Mann–Whitney U检验，注意（p = 0.032，r
rb = 0.316）、信心（p < 0.001，r
rb = 0.515）、满意度（p < 0.001，r
rb = 0.632）显著，相关性不显著（p = 0.629，r
rb = 0.071）；探索性PLS-SEM中R
2 = 0.353，信心（p = 0.016）和满意度（p = 0.042）与心理模型显著关联，注意和相关性不显著。
定性数据分析：基于访谈和学习制品。
学生心理模型：主题1 AR可视化增强了对亚微观解释的通达：访谈显示AR帮助想象电子转移和粒子结构；主题2 宏观、亚微观与符号表征之间的协调：访谈和制品显示学生能解释盐脆性、金属导热、离子键电子转移和Lewis结构步骤；主题3 理解不稳定性仍然存在：访谈显示部分学生对离子键/共价键仍有错误或不完全理解。
学生学习动机：主题1 注意：访谈显示教材视觉和AR扫描使学习更有吸引力并维持注意；主题2 相关性：访谈显示案例联系日常生活，尽管定量无显著差异；主题3 信心：访谈显示可视化使理解更容易，但并非所有概念一致；主题4 满意度：访谈显示新体验和成功理解带来满意。
学生对教材的感知：主题1 教材通过视觉特征被视为有吸引力并支持学习；主题2 AR帮助学生可视化此前难以想象的形式和过程；主题3 文本可读性：访谈显示部分段落难理解。学习制品分析显示实验组解释更连贯、亚微观更充分，对照组偏宏观和符号；匿名反思支持参与性和理解支持，但部分文本难或冗长。
讨论总结：讨论认为实验组心理模型优势应归因于MR–AR可视化、分阶段MR和支架的共同作用，而非AR单独；AR作为抽象表征与内部理解之间的认知桥梁；科学类别比例有限可能与先备概念（如电子构型）掌握有关；概念间差异与AR内容分布不均衡有关（离子键AR支持更多）。动机方面，注意、信心、满意度显著，相关性不显著因两组均接受案例教学；PLS-SEM显示信心和满意度与心理模型显著关联，注意和相关性不显著。学生感知积极但可读性需改进；教育价值应结合教学条件而非仅归因于AR，与Buchner and Kerres、Czok et al.、Bullock et al.等观点一致。
研究结论翻译：研究结果表明，实验组后测心理模型得分显著高于对照组，效应量很大（d = 2.10）。实验组更多学生被归入合成和科学心理模型类别，而对照组无学生达到科学类别。结合定性发现，这些结果提示实验组在宏观、亚微观和符号表征之间具有更连贯的协调，与结构化多重表征支持跨表征连接的作用一致。就学习动机而言，注意、信心和满意度存在显著组间差异，而相关性无显著差异；相关性的相似性可能部分反映两组均使用情境化学习。PLS-SEM进一步显示，信心和满意度与心理模型显著关联，而注意和相关性不显著。这些发现可与既往基于ARCS的AR支持学习动机研究相比较，同时表明四个动机维度在本研究中与心理模型的关联并不均等；这凸显信心和满意度作为与表征理解并列的重要动机维度。学生对MR–AR教学的感知显示，所开发教材被视为有吸引力并支持理解，特别有助于可视化难以直接观察的亚微观方面并将其与宏观现象和化学符号联系起来；但教材仍需改进可读性以更好支持独立学习。这些感知强化了如下观点：AR的教育价值应结合其嵌入的教学条件来考虑，而不应单独归因于技术（Buchner and Kerres）。总体而言，本研究通过说明AR可视化如何被教学法性地嵌入结构化多重表征教学和支架中，而非主要作为附加视觉元素，回应了研究空白；这将关注点从AR是否支持学习转向其如何在既定教学方法中发挥特定表征功能。理论贡献在于将多重表征功能与AR支持的可视化和支架联系起来，作为支持化学键表征协调的整合方法，与Bullock et al.关于结构化支持表征连接作用的观点一致。实践上，化学键教学应明确支持宏观、亚微观和符号表征的协调；AR可作为抽象概念的表征支持，尤其亚微观水平，并辅以支架、引导性问题和探究活动。然而，由于干预组合了多重表征、AR、支架和案例学习，各成分贡献无法分离；未来研究应检验这些成分对表征协调和心理模型发展的具体贡献，以及观察到的模式是否可扩展到其他化学主题、学习情境和学生群体。
