作者：秦银霞 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
【摘要】：本研究旨在探讨在天文学内容教学中，通过基于AR的论证活动，学生的批判性思维技能和论证能力的变化。参与者是来自一所私立学校的79名七年级学生。在本案例研究中，对学生口头论证的审查表明，所有小组都参与了论证，并产生了高质量的论点。学生的批判性思维技能一直发展到干预中期，在干预中期后批判性思维技能的使用频率有所变化。研究结果强调了基于AR的论证活动在学生批判性思维技能和科学教育论证中的作用。
【关键词】：科学论证；批判性思维；基于AR的论证教学
一、引言
随着技术的快速发展，使用移动手持设备的儿童数量急剧增加。互联网和数字技术的使用已经成为学龄儿童日常生活的一部分，教育也随着技术的变化而发展。快速变化的创新技术改变了学习者在对社会有价值的知识、技能和专业知识领域的特征，教师和学生的环境也随着时间的推移而改变。几乎每个学校学科都不同程度地将技术设备融入到教学中，因为他们所教内容的性质，科学教师最渴望在科学课堂上使用技术设备。
新冠肺炎疫情对全球教育系统产生了重要影响。由于这种疾病的快速传播，教育工作者不得不紧急调整他们的课程以适应技术和远程学习，学校不得不付出更多努力使新技术适应教学。引导学生对课程内容的兴趣具有挑战性，而他们的兴趣已经随着这种技术的发展而改变。解决这一挑战的方法是通过创造性的教学法，这些教学法将教学方法与新的引人注目的技术相结合。作为许多教学方法的一部分，AR等增强现实的教学法已经显示出很高的潜力。
二、文献综述
2.1 AR、教育和科学教育
AR应用在许多需要快速信息传输的领域具有重要的潜力，这对教育尤其有效。科学教育是信息快速传递非常重要的学科之一。Taylor指出，“向儿童和一般公众传递科学和技术信息与寻找信息同样重要。”随着科学技术的快速变化和知识的过时，学习需要信息传递的快速变化。技术为科学教育提供了新的创新方法，可以成为促进学生学习的有效媒体。增强现实的技术可能是一种很有前途的科学教学工具，其中AR技术特别适用。
研究表明，AR在学习和教学方面具有巨大的潜力和益处。由于现实世界中的不可能，用于教学和学习的AR应用程序呈现了许多学生无法从第一手经验中获得的物体、实践和实验，以及许多不同的维度，这种方法可以应用于许多无法到达、不显眼和无法旅行的科学内容。例如，通过AR，学习者可以接触到物理上无法到达的现象，如太阳系、月相和磁场。
研究表明，使用AR技术作为学科教学的一部分，具有建构主义、以解决问题为基础、以学生为中心、具有真实性、参与性、创造性、个性化、有意义、挑战性、协作性、互动性、娱乐性、认知丰富、情境性和激励性的特点（Dunleavy，2009）。尽管AR具有优势，尽管AR在科学教育中的使用越来越多，但将AR整合到科学课程仍然是天真的，教师仍然认为自己还没有准备好在课堂上使用AR（Oleksiuk & Oleksiuk，2020），并选择不使用AR技术，因为他们中的大多数人没有能力或动力来设计AR学习实践（Romano，2020）。据认为，目前的研究将有助于在科学课程中使用AR，以及科学教师将如何将AR技术纳入他们的课程。
2.2论证、批判性思维和增强现实
信息技术的新趋势促进了新技能的发展，在这些技能中，人们必须与一系列信息作斗争并评估这些信息。这些技能的一个重要点是与证据争论的能力（Jimenez-Aleixandre &Erduran，2007），其中年轻人从给他们的信息和证据中创造适当的结果，以批评他人在证据方向上的主张，并将一个想法与基于证据的情况区分开来。
思考不同的主题，评估科学主张的有效性，以及解释和评估证据是科学课程的重要元素，在科学知识的构建中发挥着重要作用（Driver，2000）。在日常生活中使用科学知识可以确保批判性思维技能走在前列。Ennis将批判性思维定义为“批判性思维是理性和反思性思维，专注于决定相信什么”。Jimenez-Aleixandr和Puig（2012）认为这个定义非常广泛，他们提出了一个结合了社会解放和证据评估组成部分的批判性思维的全面定义。它包含形成自主思想的能力，以及参与和反思我们周围世界的能力。图1总结了这个全面的定义。
图1 按组划分的论证水平
学习者大多在论证过程中只提出主张，难以产生充分证明的高质量论点。为了提高论点的质量，应该给学生提供支持性元素，以便在论点期间产生更一致的论点。这些支持性元素之一是现象的视觉表现。研究表明，天文学的许多主题都很难学习，学生有不正确和天真的概念。通过促进与真实和虚拟环境的互动以及支持对象操作，AR可以增强教育效益。在使用AR技术时，学生不是被动的参与者。例如，动画3D太阳和地球模型在手持平台上移动，该平台根据Shelton研究中学生的观点调整其方向。他们发现，学生管理“如何”和“何时”操作虚拟3D物体的能力对学习复杂的空间现象有直接影响。实验结果表明，与传统视频教学相比，AR多媒体视频教学方法显著提高了学生的学习（Chen，2022）。
这项研究将论证与天文学教育中引人注目的新技术“AR”相结合，澄清了它们之间的关系，并研究了在我们生活的时代至关重要的批判性思维技能和论证能力等变量，使这项研究变得重要。
2.3研究问题
RQ1：在学习期间，参与增强现实和天文学论证活动的学生的批判性思维能力如何变化？
RQ2：在研究期间，参与增强现实和天文学论证活动的学生的论证能力如何变化？
三、研究结果
表1说明了试点研究期间遇到的问题以及消除这些问题的预防措施。
表1 试点研究中问题的解决方案
在主要干预期间，通过观察和录音收集定性数据，以确定参与增强现实和天文学论证活动的学生的批判性思维能力和论证能力的变化。
3.1背景和参与者
参与者包括来自土耳其南部一所私立学校的79名12至13岁的第7名中学生。参与者被确定为私立学校的学生，那里为每个学生和愿意参与研究的学校提供平板电脑。26名学生参加了这项研究，其中包括17名女性和9名男性。学生的父母签署了同意书（无论是参与还是拒绝参与研究）。
3.2教学活动
根据准备好的课程计划，进行了为期3周的19小时的干预过程。学生们参与了学习过程，包括关于天文学的增强现实和论证活动。
3.2.1 增强现实活动
在增强现实说明中，Star Chart、Sky View Free、Aurasma、Junaio、Augment和i Solar System等免费应用程序与学生的平板电脑一起使用。平板电脑是由学校管理部门从其库存中提供的。应用程序生成的视频、模拟和3D视觉效果被用作“叠加”。此外，
、照片、工作表中的彩色区域和学生的教科书被用作“触发图像”。学生在使用应用程序时有机会与这些视频、模拟和3D视觉效果进行互动和操作。通过Sky View Free和Star Chart等应用程序，学生获得了进行天空观测的资源。原文附录表8详细描述了增强现实中使用的活动。
3.2.2 论证活动
在授课之前，老师将学生分为六组，注意性别和学业成绩方面的异质性。在小组讨论后，学生们参加了全班讨论。相互竞争的理论漫画、陈述表、构建论点和论点驱动探究（ADI）框架被用来支持学习过程中的论证。论证驱动的调查包括八个步骤，包括以下八个步骤：确定任务，数据的生成和分析，产生试探性论证，论证会议，调查报告，双盲同行评审，修订报告，以及明确和反思性的讨论（Sampson & Gleim，2009；Sampson，2011）。原文附录表9详细描述了论证中使用的活动。
四、数据收集
数据是通过非结构化和参与者观察收集的。用摄像机记录了教学干预，用录音机记录了学生的论证过程。由于所有学生在小组讨论中同时发言，观察记录不足以理解学生的谈话。为了确定小组中的每个学生在辩论过程中说了什么，在小组表的中间放置了一台录音机，并在整个课程中录制了一段录音。六组共录制了2653.99分钟的录音。
4.1数据分析
数据分析采用归纳和演绎方法进行。在编码之前，数据是安排好的。通过考虑Toulmin开发的论点模型，Erduran等人创建了一个五级框架，用于评估论证质量，假设包括反驳在内的论点质量很高。该框架见表2。
表2论证质量评估框架
4.2信度和效度
为了确认分析的准确性和有效性，使用了方法三角测量、数据源三角测量和分析师三角测量。
对于分析师三角测量，一位研究批判性思维和论证领域的研究人员也对定性结果进行了独立分析，然后对研究人员所做的这些评估进行了比较。
干预的视频和录音以及活动文件用于数据源的三角测量。此外，这些数据在没有解释的情况下进行了详细描述。此外，在可靠性和有效性范围内，在调查结果中给出了直接引用。从这个意义上说，对于学生，使用了S1、S2和S3等代码，并在引文末尾包含数据来源、组号和相关对话日期。
此外，在批判性思维和论证领域研究的专家被要求核实所有数据和发现。经过与专家的反思和讨论，对代码、子类别和类别进行了修订。
为了可靠性，从学生录音的书面成绩单中随机选择的一些数据也由第二个编码器编码，由Cohen的kappa确定的两个编码器之间的κ = 0.86，这被认为是高效度。
五、发现
5.1批判性思维能力的发展
表3列出了第一天（日期为11.05）出现的批判性思维技能的代码、子类别和类别。
表3第一天出现的批判性思维技能的代码、子类别和类别
表4第九天出现的批判性思维技能的代码、子类别和类别
当整体检查学生批判性思维技能的定性结果时，确定在前5天（11.05至18.05之间）的课程中，学生的批判性思维技能维度有所提高。在干预过程中，批判性思维技能维度的数量有所减少（21.05）。然而，在这一天之后，批判性思维技能维度的数量再次增加；在干预的最后一天，学生使用了所有批判性思维技能维度。此外，确定在这些维度下发现的技能在这一天表现出了巨大的多样性。只有在干预的中间（18.05）和最后一天（28.05），学生才使用了批判性思维的六个维度的技能。
经确定，学生主要使用决策/支持、推理和澄清技能。根据这些日子，确定学生在这些技能中大多使用推理技能（12.05、15.05、18.05和21.05）。
5.2学生的论证能力
5.2.1 学生口头辩论活动中的辩论结构
由于在Toulmin参数模型中包括基本和辅助项目，所以只提供了一个组的示例，而不是所有组的参数结构。
当检查六个小组的口头论证过程中的论点结构时，发现所有小组都参与了论证并产生了论证。在活动中，学生大多提出索赔。其次是数据和保证项目。在“月相”活动中，确定只有第二组和第四组使用反驳，而其他组没有。
在“行星陈述表”活动中，这些团体使用的反驳数量低于其他活动。使用的反驳也很弱。驳回的用法不同之处在于“谁是对的？”和“空间污染的紧急解决方案”活动。这些活动中使用的反驳学生人数高于其他活动。质量反驳也更高。
当审查逮捕令的结构时，在“空间污染的紧急解决方案”和“谁是正确的”活动中存在更不科学的逮捕令，而正确的科学和部分正确的科学逮捕令在“月相”和“行星声明表”活动中更频繁地使用。
当一般检查与论证结构相关的模型时，发现在“月相”和“行星声明表”活动中使用的项目类型和使用量有所减少，而不是“紧急解决空间污染”和“谁是对的”活动。
当按组分析结果时，确定第二组和第四组的论证结构比其他组的论证结构更加多样化。
5.2.2 论证水平的变化
在“谁是对的”、“行星陈述表”、“月球相位”和“紧急解决空间污染”活动中创建的六个小组所达到的论证水平如图所示。
图2 批判性思维组成部分的特征
在第一次口头论证活动中，“谁是对的？”六组中的五组达成的论点处于5级。此外，一个小组（即第6组）达成的论点处于4级。
在第二次口头论证活动“陈述表”中，除第1组和第3组外，其他组的论证水平确定了下降。在“月球相位”活动中，除第2组和第4组外，其他组的论证水平有所下降。在上一次论证活动“空间污染的紧急解决方案”中，发现所有群体的论点都处于5级。
六、结论与讨论
学生的批判性思维技能一直发展到干预中期，在干预中期后使用批判性思维技能的频率各不相同。当检查课程中的活动时，在经常使用批判性思维技能的日子里，会进行包括论证方法在内的活动。根据这种情况，可以揭示，学生使用批判性思维技能的频率因论证方法的使用而异。
论证被定义为对科学主体提出主张，用数据支持他们，提供证明理由，以及批评、反驳和评估一个想法的过程。根据论证的定义，这些过程也是批判性思维技能的子维度。在决策/支持技能中为批判性思维技能提供理由的能力相当于在Toulmin论证模型中使用授权在论证过程中提供证明理由。推理技能下的不同类型的索赔与在论证过程中提出索赔有关，而拒绝判决与在论证过程中反驳一个想法有关。在这种情况下，论证方法被认为有助于AR内部批判性思维技能的发展。
研究中得出的另一个定性发现是，子维度中最常用的技能因日期而异。这可以通过每节课中执行的不同类型的活动来解释。例如，在解释观测数据的能力被使用最多的一天，学生使用星图或天空视图应用程序观察天空、星座和星系，或使用i-太阳系应用程序观察行星，他们展示了他们在这些观测中获得的数据。
丰富的表示使人们更容易看到论点的结构，帮助学生提高他们的意识，增加他们使用的单词数量和发表的评论，并提供有关该主题的重要信息。通过观察丰富的陈述，学生收集论证证据，并探索不同的观点来支持他们的主张。AR技术，包括丰富的表示，可能增加了丰富数据的可访问性，以支持学生的论点；使用这些数据帮助他们支持他们的论点，并使他们能够发现不同的观点。例如，S4解释说，表中的陈述是不正确的，因为她在作为天王星的“I-太阳系”应用程序中观察到天王星、木星和海王星周围有环。她使用AR应用程序中获得的数据来支持她的主张。
在许多研究中，人们强调，影响知识选择和过程的最重要的事情是先前的信息。为了更好地了解先前的信息如何影响天文学教育的论证质量，调查中学生的内容知识和论证质量之间的关系可能是未来研究的方向。
查阅原文：Tuba Demircioglu, Memet Karakus & Sedat Ucar Science & Education
DOI:10.1007/s11191-022-00369-5
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