跨尺度空间推理：以学习为中心的沉浸式学习环境设计框架

理解复杂的科学与工程系统，往往需要学习者将不同空间尺度与组织层级上的结构、过程和行为联系起来。尽管关于空间认知、尺度、多重表征和系统思维的研究已经考察了这一挑战的某些方面，但这些视角并不总能提供明确的指导，用于设计要求学习者整合跨层级信息的学习活动。沉浸式技术为探索原本难以接触的结构、协调表征以及探究系统行为提供了机会，但其教育价值取决于它所支持的推理。本文提出跨尺度空间推理（Cross-Scale Spatial Reasoning, CSSR）作为一个整合性框架，用以理解学习者如何建立并使用跨尺度或跨组织层级的空间与结构关系。我们描述了五个相互关联的过程：尺度导航、跨尺度关系映射、表征协调、动态与因果推理，以及后果导向推理。在这些过程的基础上，我们构建了一个以学习为中心的框架，将推理目标与沉浸式设计机制、教学支架和评估联系起来。生物学、半导体设计、制造业和建筑领域的示例应用展示了该框架如何为特定领域的学习活动提供指导。我们还提出了可检验的研究命题，以及评估跨尺度理解、教学有效性和迁移的方法。CSSR 并不把沉浸本身视为一种教育结果，而是为设计和研究学习环境提供了基础，帮助学习者解释复杂系统如何跨层级运作。

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