解決基于文本和圖形的科學(xué)問題的眼動研究

魏利利　朱艷梅

摘 要 學(xué)生解決科學(xué)問題的能力是其科學(xué)素養(yǎng)的一個重要體現(xiàn)。在基于文本和圖形的科學(xué)問題的解決過程中，眼動追蹤在一定層面上反映了科學(xué)問題解決過程中的即時認(rèn)知加工過程。通過眼動的實時測量，研究者可以獲得個體對科學(xué)問題信息加工的實證數(shù)據(jù)，從而在一定程度上揭示了個體在問題解決過程中的認(rèn)知機制。本文主要對近期國內(nèi)外在科學(xué)問題解決方面的一些眼動研究成果進行了總結(jié)，以期為國內(nèi)學(xué)者進行此類研究提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞 科學(xué)問題解決 眼動 認(rèn)知機制

中圖分類號：G842 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.10.017

Eye Movements Research on Scientific Problems Based on Text and Graphics

WEI Lili， ZHU Yanmei

（Key Laboratory of Child Development and Learning Science， Ministry of Education， Center for Learning Science， Southeast University， Nanjing， Jiangsu 210096）

Abstract Students' ability to solve scientific problems is an important manifestation of their scientific literacy. In the process of solving scientific problems based on text and graphics， eye tracking can reflect the process of immediate cognitive processing in scientific problem-solving. Through real-time measurement of eye movements， the researchers can obtain individual empirical data on the processing of scientific problems， thus revealing the cognitive mechanism of individuals in problem solving to a certain extent. This paper mainly summarizes some eye movement research results in recent domestic and international scientific problem solving， in order to provide some reference for domestic scholars to do such research.

Keywords scientific problem solving； eye movement； cognitive mechanism

0 引言

發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是科學(xué)教育的目標(biāo)，也是我國十三五規(guī)劃的重要戰(zhàn)略方向之一。[1]培養(yǎng)與提高學(xué)生解決科學(xué)問題的能力則是實現(xiàn)這兩個宏偉目標(biāo)的基礎(chǔ)?？茖W(xué)問題的解決，更是一個不斷探索與反思的過程。在該過程中，學(xué)生的問題意識得以加強、解決問題的能力不斷提高，逐漸積累的經(jīng)驗與深刻的反思更加有助于學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)展。[2]在我國，科學(xué)課程主要設(shè)置在基礎(chǔ)教育階段，根據(jù)這一階段學(xué)生身心發(fā)展的特征和認(rèn)知發(fā)展的特點，科學(xué)問題多以文本和圖形的形式呈現(xiàn)。因此，研究解決此類科學(xué)問題的認(rèn)知過程，對于深入理解學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展、有效提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才都具有重要意義。

科學(xué)問題解決的經(jīng)典研究方法以訪談、報告、考試等形式為主，通過這些方法獲得個體解題的正確率、個體解題時的錯誤概念、個體解決問題的策略等信息。[3]這些經(jīng)典研究能夠在一定程度上反映出個體在解決科學(xué)問題時的認(rèn)知方式與結(jié)果，但也存在一定的局限性，從而在一定程度上影響研究結(jié)果的客觀性。[4]為了彌補這些方面的不足，近年來，研究者開始采用眼動追蹤技術(shù)記錄、分析個體解決科學(xué)問題時客觀、詳細(xì)的眼動數(shù)據(jù)，探索科學(xué)問題解決的認(rèn)知過程。

眼動跟蹤（eye tracking）被認(rèn)為是視覺信息加工研究中最有效的技術(shù)手段之一，通過收集個體眼動的實時數(shù)據(jù)，對視覺信息選擇模式進行分析，從而揭示個體的認(rèn)知過程。本文主要闡述目前解決基于文本和圖形的科學(xué)問題的眼動研究成果，在此基礎(chǔ)上提出此類研究對于科學(xué)教育的啟示。

1 常用眼動指標(biāo)

眼動研究中常用的眼動指標(biāo)是：注視（fixation）、眼跳（saccade）、回視（regressive eye movement）和瞳孔大小（pupil size）。

1.1 注視

注視是指物體的光線落在視覺最敏銳的中央窩上的時間長于100 毫秒。[5]大部分的視覺信息也正是通過注視獲得的。與注視相關(guān)的具體眼動指標(biāo)包括：總注視持續(xù)時間、總注視持續(xù)時間百分比和平均注視持續(xù)時間?？傋⒁暢掷m(xù)時間表明個體信息加工的總時間，總注視持續(xù)時間百分比顯示個體視覺或認(rèn)知注意在各區(qū)域的分配方式，平均注視持續(xù)時間是指個體信息加工的平均時間。[6]不同個體在上述三類注視指標(biāo)上的差異反映出他們對視覺材料的認(rèn)知加工程度、心理努力程度和注意分配的差異，一般來說，較高的注視指標(biāo)意味著更深入的認(rèn)知加工、更多的心理努力和更復(fù)雜的注意分配，而較低的注視指標(biāo)則對應(yīng)著較淺的認(rèn)知加工、更少的心理努力和更簡單的注意分配。

1.2 眼跳endprint

眼跳是指眼睛搜索觀察物體時，眼睛從一個位置向另一個位置的突然跳動。[7]所以，眼跳主要實現(xiàn)的是對視野的快速搜索和對視覺信息的選擇。具體的眼跳指標(biāo)為：眼跳路徑、眼跳次數(shù)和眼跳順序。注視和眼跳之間產(chǎn)生的一個眼睛運動的過程被稱為一個眼跳路徑，眼跳次數(shù)是指眼睛從一個位置到另一個位置快速運動的數(shù)量，眼跳順序是指眼睛在物體上快速運動的次序。不同個體在上述三類不同眼跳指標(biāo)上的差異反映了他們對問題信息的不同選擇，以及采用不同認(rèn)知策略。

1.3 回視

回視是對處理過的信息的重新審視和解釋。具體眼動指標(biāo)是回視區(qū)域 和回視次數(shù)?；匾晠^(qū)域是個體對先前處理過的信息重新審視的區(qū)域，回視次數(shù)是個體對先前處理過的信息重新審視的次數(shù)。這兩個指標(biāo)往往與問題的難度水平和個體的工作記憶能力水平密切相關(guān)。回視區(qū)域一般是問題的關(guān)鍵區(qū)域，回視次數(shù)越多，意味著問題的難度水平越高，個體的工作記憶能力水平越低。

1.4 瞳孔大小

瞳孔是眼睛內(nèi)虹膜中心的小圓孔，是光線進入眼睛的通道，瞳孔大小的變化調(diào)節(jié)進入眼睛的光量。以往研究表明記憶、知覺、語言加工、思維、動機、情緒等高級心理活動與瞳孔大小的變化有關(guān)。

2基于文本與圖形的科學(xué)問題解決的主要眼動研究

2.1 專家與新手在科學(xué)問題解決時的眼動差異

專家與新手的比較研究是認(rèn)知心理學(xué)家研究專門領(lǐng)域知識時經(jīng)常采用的方法。專家是指在某個領(lǐng)域或方面有專長的人，新手是指初涉某個領(lǐng)域或方面的人。專家善于解決本領(lǐng)域的問題，以更深的水平表征問題，以較大的意義單元加工信息，記憶容量大，解決問題的速度快，具有更好的自我監(jiān)控能力。而新手初涉本領(lǐng)域知識，知識間相對獨立，知識呈現(xiàn)方式單一，解決問題時通常存在一定的困難。

眼動研究發(fā)現(xiàn)，專家和新手在解決基于文本與圖形的科學(xué)問題時，在注視、回視和眼跳等眼動指標(biāo)上存在顯著差異。在注視時間上，專家的總注視持續(xù)時間一般少于新手。在注視持續(xù)時間的具體分配上，專家更多的時間花費在圖形和與圖形信息有關(guān)的文本上，而新手較多的時間花費在閱讀整個文本上。[8]在注視點的分布上，專家的注視點集中在問題的文本與圖形的關(guān)鍵區(qū)上；而新手的注視點分散在科學(xué)問題呈現(xiàn)的整個區(qū)域上。[9]在回視和眼跳上，專家的回視和眼跳主要集中在文本與圖形之間、圖形與圖形之間，而新手的回視和眼跳主要發(fā)生在文本的各部分之間。由于回視有助于個體對文本和圖形進行深度加工，專家在文本與圖形上反復(fù)閱讀，表明他們可以更好地協(xié)調(diào)和整合文本與圖形相關(guān)信息。專家在解決科學(xué)問題時，重點更突出、更善于整合各類信息，因此，可以更好地把握科學(xué)問題的關(guān)鍵，進行更深入的加工，高效快速地解決問題。[10]而新手主要通過文本獲取信息，知識表征方式單一，難以把握問題的本質(zhì)，因而解決問題的時間較長，正確率較低。

2.2 不同心理負(fù)荷條件下個體在解決科學(xué)問題時的眼動差異

心理負(fù)荷指單位時間內(nèi)個體承受的心理活動工作量。[11]有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，任務(wù)特征和學(xué)習(xí)者特征影響心理負(fù)荷的大小。眼動研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在解決基于文本和圖形的科學(xué)問題時，其心理負(fù)荷的差異可以通過眼動指標(biāo)的差異來反映。Lin， J.J.H和Lin， S.S.J通過把問題分成不同難度水平來測試問題解決者的心理負(fù)荷水平。當(dāng)學(xué)習(xí)者特征一致時，解決高難度問題時的注視持續(xù)時間、眼跳和回視次數(shù)、瞳孔直徑均明顯多于解決低難度問題時的情況。[12]當(dāng)問題特征一致時，不成功的問題解決者在問題上的注視時間、眼跳和回視次數(shù)、瞳孔直徑均顯著多于成功的問題解決者。[13]在該研究中，注視持續(xù)時間、眼跳與回視次數(shù)、瞳孔直徑與個體在問題解決過程中的心理負(fù)荷成正相關(guān)。[14]

2.3 不同性別個體在解決科學(xué)問題時的眼動差異

Po-Sheng Huang、Hsueh-Chih Chen等人曾以正確率為指標(biāo)，研究在解決基于文本與圖形的科學(xué)問題中是否存在性別差異，研究結(jié)果顯示，男、女個體在解決此類科學(xué)問題的正確率上不存在顯著的差異。[15]然而，眼動研究卻表明，男、女個體在解決此類科學(xué)問題時，其眼動模式存在顯著的差異。當(dāng)解決問題不受時間限制時，女性的總注視持續(xù)時間顯著多于男性。在注視時間的分配上，女性在文本和問題上花費較長的時間，而男性在圖形和問題上花費較長的時間。女性在文本與問題之間的眼跳和回視顯著多于男性，而男性在圖形與問題之間的眼跳和回視次數(shù)則顯著多于女性。[16]

上述眼動指標(biāo)的差異反映了女性與男性在解決科學(xué)問題時采用不同的認(rèn)知策略。女性表現(xiàn)為特別關(guān)注問題解決的精確性，她們花更多的時間閱讀文本，頻繁地比較文本與圖形之間的信息，解決問題更加緩慢、謹(jǐn)慎。而男性往往表現(xiàn)出一個快速的決定性反應(yīng)，他們花更少的時間閱讀文本，重點閱讀與圖表信息相關(guān)的文本，在整合兩方面信息的基礎(chǔ)上迅速總結(jié)他們的答案。[17]

2.4 不同場認(rèn)知風(fēng)格的個體在科學(xué)問題解決時的眼動差異

場，就是環(huán)境，心理學(xué)家把外界環(huán)境描述為一個場。一般認(rèn)為判斷事物以自己內(nèi)部參照為主的個體是場獨立者；而以所處的周圍環(huán)境為主要判斷標(biāo)準(zhǔn)的個體為場依存者。在注意、記憶、知覺、問題解決等領(lǐng)域，場依存—場獨立型的認(rèn)知風(fēng)格表現(xiàn)較為明顯。[18]

眼動研究發(fā)現(xiàn)，具有不同場認(rèn)知風(fēng)格的個體在解決科學(xué)問題時表現(xiàn)出不同的眼動指標(biāo)。在解決中等難度試題時，在無關(guān)信息的注視次數(shù)和時間上，場依存者明顯多于場獨立者；當(dāng)解決難度較高的試題時，場獨立者對無關(guān)信息的注視次數(shù)、回視次數(shù)和總注視時間顯著少于場依存者。[19]上述眼動指標(biāo)差異表明：場獨立者能夠高效地抑制干擾信息，打破原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，具有較強的認(rèn)知改組能力。因此，在解決高難度或復(fù)雜的科學(xué)問題時，場獨立者具有明顯的優(yōu)勢。而場依存者易受無關(guān)信息的影響，在解決新問題、復(fù)雜問題時缺乏靈活性，但是他們擅于解決熟悉問題。[20]

3 如何提高基于文本與圖形的科學(xué)問題的解決效率endprint

基于目前關(guān)于文本與圖形的科學(xué)問題解決的眼動研究，對如何提高此類問題的解決效率提出以下建議：

第一，在設(shè)計科學(xué)問題時，教師與設(shè)計者要意識到學(xué)生心理負(fù)荷的來源。問題特征和學(xué)習(xí)者特征是影響心理負(fù)荷水平的重要因素。問題中信息因素的數(shù)量、信息因素相互作用的水平和心理操作的水平是學(xué)生心理負(fù)荷的主要來源。因此，教師與設(shè)計者在設(shè)計科學(xué)問題時，要很好地設(shè)計問題的信息因素數(shù)量、因素相互作用水平和心理操作水平，以減少學(xué)生不必要的心理負(fù)荷，從而使學(xué)生可以更好地理解和解決問題。

第二，教師和課程開發(fā)人員應(yīng)該認(rèn)真考慮如何使用文本和圖形材料來促進學(xué)生的學(xué)習(xí)。在閱讀文本和圖形信息時，新手型學(xué)生主要是從文本中獲取信息；而專家型學(xué)生是通過整合文本和圖形獲得信息的。[21] 通過整合文本和圖形的方法獲取信息，不僅可以促進學(xué)生深入地學(xué)習(xí)，而且可以改善學(xué)生的高階認(rèn)知技能。因此，在教學(xué)活動中，要根據(jù)學(xué)生掌握相關(guān)知識的不同階段來設(shè)計科學(xué)問題，層層遞進，逐步深入到科學(xué)問題中，從而不斷地提高不同專業(yè)水平學(xué)生的問題解決能力。

第三，在基于文本與圖形的科學(xué)問題的解決過程中，要注意到學(xué)習(xí)者的性別差異。在問題解決的過程中，眼動指標(biāo)上存在一定的性別差異，可能是由于時間的限制和對問題的不同反應(yīng)造成的。因此，在科學(xué)問題解決的過程中，盡量減少時間因素對學(xué)生解決問題的影響。為了使女生和較慢的學(xué)生具有充分的時間去閱讀和整合科學(xué)問題，教師可以因人而異地設(shè)置活動和考試的時間。這樣不僅可以使他們更全面地了解內(nèi)容，而且可以讓他們展現(xiàn)最佳的表現(xiàn)水平。同時教師要注意到個體對問題的不同反應(yīng)，減少問題解決過程中的干擾因素，提高問題解決的效率。為了提高學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)，教師可以采取不同的教學(xué)策略，如提醒男生仔細(xì)閱讀文本，或教女生如何從文本和圖表中整合信息。

綜上所述，眼動追蹤技術(shù)為建立科學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)果與內(nèi)在認(rèn)知過程的聯(lián)系提供了一個有力的途徑，也為探索促進學(xué)生科學(xué)問題解決能力的可能途徑提供了科學(xué)依據(jù)。

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