眼動(dòng)追蹤技術(shù)在化學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用

劉桂英　李佳

摘要：眼動(dòng)追蹤技術(shù)能夠獲取大數(shù)量、全樣本、實(shí)時(shí)性、微觀指向性的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，可以深入評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和閱讀過程，量化注意力、認(rèn)知過程和學(xué)習(xí)結(jié)果之間的關(guān)系，可以實(shí)時(shí)記錄被試者視線停留的空間位置、瀏覽路徑和視覺轉(zhuǎn)移過程，揭示被試者在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中所采取的策略，反映被試者的心理特征及內(nèi)在認(rèn)知情況。眼動(dòng)研究可以在多個(gè)方面突破傳統(tǒng)研究方法的局限，更直觀地測試被試者在化學(xué)知識學(xué)習(xí)、化學(xué)問題解決等過程中的具體表現(xiàn)，更客觀、全面地記錄被試者體驗(yàn)過程的真實(shí)感受與體驗(yàn)數(shù)據(jù)，更細(xì)致而又準(zhǔn)確地捕捉到被試者的興趣區(qū)域，文章主要從適用性研究、化學(xué)場景知覺、化學(xué)圖像識別和化學(xué)問題解決四個(gè)方面來闡述眼動(dòng)追蹤技術(shù)在化學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用，從而為化學(xué)教學(xué)診斷與評價(jià)開辟新的研究路徑。

關(guān)鍵詞：眼動(dòng)追蹤技術(shù)；化學(xué)教育；應(yīng)用

文章編號：1008-0546（2017）12-0002-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.001

一、引言

眼動(dòng)研究最早可追溯到古希臘心理實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過幾十個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)從直接觀察法、機(jī)械記錄法到光電記錄法逐漸發(fā)展成為一門成熟的技術(shù)手段。目前最常用的研究范式是眼動(dòng)記錄法，這種方法就是在最自然的視覺情境中（閱讀過程、解題過程、實(shí)驗(yàn)操作過程等）通過眼動(dòng)儀即時(shí)記錄被試者在視覺加工過程中的眼動(dòng)軌跡，記錄重要的眼動(dòng)指標(biāo)如注視位置、注視時(shí)間、注視次數(shù)、回視、瞳孔大小、眼跳等，來分析人的心理認(rèn)知加工過程，將認(rèn)知活動(dòng)（對語句的加工、圖像識別、問題解決等）用外顯的眼動(dòng)數(shù)據(jù)反映出來，揭示人類心理活動(dòng)的內(nèi)部加工機(jī)制。幾十年來，眼動(dòng)追蹤技術(shù)除廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、網(wǎng)頁評估、圖文設(shè)計(jì)評價(jià)、航天航空、多媒體應(yīng)用、產(chǎn)品測試、人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域外，還廣泛運(yùn)用于閱讀、場景知覺、視覺圖像搜索、英語閱讀和分類等涉及信息加工的心理學(xué)研究領(lǐng)域。

在化學(xué)教育領(lǐng)域，新時(shí)期的化學(xué)教育要求發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，注重引導(dǎo)學(xué)生從宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思想和方法上開展實(shí)踐探究活動(dòng)，能以宏微結(jié)合的思維方式探尋“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”的基本規(guī)律，形成基本的科學(xué)探究素養(yǎng)與創(chuàng)造思維，最終使學(xué)生樹立更高層面的價(jià)值追求與社會責(zé)任感。因此，基于眼動(dòng)技術(shù)得到的數(shù)據(jù)來分析化學(xué)學(xué)習(xí)過程中個(gè)體的思維，通過眼動(dòng)指標(biāo)特別是注視時(shí)間與注視次數(shù)這些顯性的注意指標(biāo)能清楚反映學(xué)生注意資源的分配、加工策略的選取、關(guān)鍵信息的編碼與表征、化學(xué)問題的抽象、化學(xué)問題的解決等具體認(rèn)知過程和情感體驗(yàn)，從而達(dá)到探索學(xué)習(xí)過程的目的，并間接地為我們的化學(xué)教育機(jī)制做出相應(yīng)的分析與評判。

二、眼動(dòng)指標(biāo)

很多學(xué)者根據(jù)不同的研究對眼動(dòng)追蹤測量指標(biāo)進(jìn)行了深入探討，Chen等探索了眼動(dòng)指標(biāo)與不同呈現(xiàn)形式多媒體（文本、圖像）的考試成績之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)眼動(dòng)指標(biāo)可預(yù)測考試成績。該研究進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)眼動(dòng)注視順序、注視時(shí)間、重復(fù)注視點(diǎn)的頻次對學(xué)生的答題準(zhǔn)確性有顯著的影響。Goldberg和Kotval在計(jì)算機(jī)接口的研究中揭示了基于眼動(dòng)定位的空間測量。隨后，Jacob和Karn總結(jié)了21個(gè)包含了眼動(dòng)追蹤技術(shù)的研究，指明了六個(gè)常用的眼動(dòng)追蹤測量指標(biāo)：注視次數(shù)，每個(gè)興趣區(qū)花費(fèi)的時(shí)間比例，平均注視時(shí)間，每個(gè)興趣區(qū)的注視次數(shù)，每個(gè)興趣區(qū)的平均凝視時(shí)間，固定速率等。鄭玉瑋等通過對近年來眼動(dòng)研究的考查發(fā)現(xiàn)眼動(dòng)指標(biāo)主要分為時(shí)間、空間和數(shù)三種類型。一項(xiàng)研究中的眼動(dòng)指標(biāo)不能太多，也不宜過少，應(yīng)根據(jù)研究需要綜合選擇不同類型的眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行相互補(bǔ)充、相互支持。表1中所列出的一些常見眼動(dòng)指標(biāo)可以為化學(xué)教育的眼動(dòng)研究提供參考。

總的來說，上述眼動(dòng)測量的概念框架為理解各種類型包括化學(xué)教育研究的眼動(dòng)指標(biāo)提供了基本指導(dǎo)原則。然而，我們應(yīng)該注意到，眼動(dòng)追蹤技術(shù)在不同研究中會以不同的方式被運(yùn)用，在不同領(lǐng)域的研究中可能關(guān)注不同類型的眼動(dòng)指標(biāo)。例如，閱讀研究可能更關(guān)注時(shí)間測量，視知覺加工研究可能更關(guān)注空間測量。因此，在化學(xué)教育研究領(lǐng)域，我們應(yīng)結(jié)合化學(xué)學(xué)科本身的特殊性，以學(xué)生為主體，積極探尋科學(xué)合理的眼動(dòng)指標(biāo)，探尋學(xué)生化學(xué)認(rèn)知過程中的眼動(dòng)模式，為化學(xué)教學(xué)改革提供新的參考視覺，著力促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

三、眼動(dòng)追蹤技術(shù)在化學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著技術(shù)的優(yōu)化與發(fā)展，眼動(dòng)研究已大量應(yīng)用于教育研究領(lǐng)域，比如英語閱讀、詞匯記憶、數(shù)學(xué)問題解決、特殊教育、信息技術(shù)教育等，然而在化學(xué)教育領(lǐng)域的眼動(dòng)研究則屈指可數(shù)。豐富多樣的化學(xué)知識使學(xué)生在學(xué)習(xí)不同模塊時(shí)會產(chǎn)生不同的認(rèn)知水平，而眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)與學(xué)生的認(rèn)知情況息息相關(guān)，眼動(dòng)指標(biāo)（眨眼、眼跳、注視、瞳孔直徑）可用于辨別學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，包括瀏覽文本、在文本中尋找信息、對信息進(jìn)行三重表征等，進(jìn)而從學(xué)習(xí)者的注視行為中抽取學(xué)習(xí)風(fēng)格和認(rèn)知風(fēng)格，綜合整合學(xué)生的學(xué)習(xí)管理和知識管理系統(tǒng)，從而為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的自適應(yīng)解決方案。因此，我們通過眼動(dòng)儀搜集學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，探究合適的分析模型以便于改善學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)過程及環(huán)境，開拓出新的教育測量與評估手段，從而達(dá)到診斷化學(xué)教學(xué)效果的目的。

1.適用性研究

適用性研究聚焦于產(chǎn)品設(shè)計(jì)（如電腦界面或者印刷材料）中各元素的設(shè)計(jì)如何影響觀察者的視覺注意。它是眼動(dòng)追蹤法研究應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。通常涉及到“人體工學(xué)”研究，這些研究可以用眼動(dòng)儀配合其他研究技術(shù)（比如訪談法）來識別視覺模式。如研究眼動(dòng)指標(biāo)與注意力、信息加工能力、學(xué)習(xí)表現(xiàn)的關(guān)系，通過分析技術(shù)挖掘?qū)W習(xí)者的個(gè)性特征（學(xué)習(xí)策略、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)偏好等）。而這些研究結(jié)果則可以有效地引導(dǎo)化學(xué)教科書、化學(xué)教育網(wǎng)站、化學(xué)軟件等的外觀設(shè)計(jì)，提高學(xué)生化學(xué)學(xué)科能力的同時(shí)關(guān)注學(xué)生的情感發(fā)展，從而提高用戶體驗(yàn)。當(dāng)然也可用于采集學(xué)生與化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器等的交互行為，獲得基礎(chǔ)教育中的行為數(shù)據(jù)，從而為基礎(chǔ)教育著力發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)提供參考與指導(dǎo)。endprint

2.場景知覺研究

場景知覺包括鑒別物體和確定物體在一個(gè)環(huán)境中的相對位置，研究中的刺激物是被試者看到的自然環(huán)境或者是被試對真實(shí)世界的描述（靜景、圖畫、動(dòng)景等）。目前，場景知覺主要應(yīng)用于活動(dòng)表現(xiàn)中的視覺模式研究，包括駕駛、藝術(shù)鑒賞和自然觀察、面部識別等活動(dòng)。在化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域，高度抽象的化學(xué)概念原理，抽象化、概念化、符號化、微觀化、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬻w系等決定了化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)技能成了化學(xué)學(xué)習(xí)者的必備能力之一，因此我們可以應(yīng)用眼動(dòng)追蹤技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生在自然環(huán)境下進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的眼動(dòng)情況，分析學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、儀器設(shè)備使用、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等認(rèn)知情況，從而為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)與完善提供一定的指導(dǎo)意見。另外，由于場景知覺是在真實(shí)的自然環(huán)境中獲取學(xué)生認(rèn)知的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，具有一定的真實(shí)性和參考價(jià)值，因此，還可以用眼動(dòng)儀監(jiān)測學(xué)生化學(xué)課堂學(xué)習(xí)、聽化學(xué)講座或者是進(jìn)行化學(xué)小組合作活動(dòng)等方面的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，關(guān)注學(xué)生的實(shí)際發(fā)展，從而改進(jìn)相關(guān)教學(xué)機(jī)制，著力促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展和學(xué)生化學(xué)關(guān)鍵能力、必備品質(zhì)的形成。

3.圖像識別研究

圖像識別即要求被試者從呈現(xiàn)的大量項(xiàng)目中去辨別目標(biāo)項(xiàng)目，比如，在一張班級照片中定位一個(gè)具體的人。這種研究的刺激物包括文本、圖表、表格、數(shù)組對象、形狀或者字母數(shù)字特征等，研究者把呈現(xiàn)項(xiàng)目編成不同號（如按尺寸大?。┎⒂涗洷辉囌叽_定目標(biāo)物存在與否所花費(fèi)的時(shí)間（反應(yīng)時(shí)間）。關(guān)于圖像識別研究廣泛應(yīng)用于閱讀、圖表呈現(xiàn)、醫(yī)學(xué)測試、面部識別、圖表理解力模型的部分要素等領(lǐng)域。

在化學(xué)教育研究領(lǐng)域，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對微觀分子、原子、離子間結(jié)構(gòu)和作用的可視化呈現(xiàn)越來越普遍化，學(xué)生對化學(xué)微觀圖像的理解與識別能力就成為學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)必備的素養(yǎng)與品質(zhì)。目前，模擬化學(xué)微觀抽象概念的眼動(dòng)研究主要有：描述學(xué)生核磁共振儀的使用情況；用多表現(xiàn)性顯示器呈現(xiàn)有機(jī)化學(xué)機(jī)理；形象展示有機(jī)化學(xué)球棍模型；采用能級圖來表示電子密度、電荷分布機(jī)制等。在分子可視化背景下，未來圖像識別的眼動(dòng)研究則主要包括：對化合物鍵活性及鍵結(jié)合部位的確認(rèn)，復(fù)雜分析光譜的解讀，復(fù)雜問題情境中關(guān)鍵信息的辨別等進(jìn)行探索，探尋信息技術(shù)與課堂融合的情況下學(xué)生的認(rèn)知過程，為高效課堂教學(xué)提供指導(dǎo)策略。因此，圖像識別的眼動(dòng)研究有利于探索學(xué)生對化學(xué)圖像的認(rèn)知情況，促進(jìn)微觀圖像模型的完善與創(chuàng)新，優(yōu)化教學(xué)資源，著力促進(jìn)學(xué)生化學(xué)宏觀辨識與微觀探析能力的發(fā)展。

4.問題解決研究

化學(xué)問題解決涉及信息的識別、理解信息的含義、信息的提取與表征、模式的識別、策略的選取、問題的解決、問題的反思與評估等一個(gè)完整動(dòng)態(tài)變化的過程，整個(gè)過程要達(dá)到的目標(biāo)不僅是學(xué)生技能的形成，還囊括了對學(xué)生陳述性知識與程序性知識、知識的遷移、認(rèn)知策略與元認(rèn)知策略、信息加工策略等的要求。目前關(guān)于化學(xué)問題解決的眼動(dòng)研究主要包括數(shù)字運(yùn)算和有機(jī)化學(xué)方程式的書寫等，旨在探討影響學(xué)生在解決化學(xué)計(jì)算和有機(jī)化學(xué)方程式問題方面的理解力因素。

眼動(dòng)研究在化學(xué)學(xué)科教育中探討學(xué)生對知識提取加工過程的表征方式時(shí)，即使打斷解題者的思路，他們也能報(bào)告出那些沒有達(dá)到意識水平的推理，同時(shí)通過眼動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)記錄，可以探討人的認(rèn)知活動(dòng)從發(fā)生到結(jié)束的加工過程，從而為探究學(xué)生學(xué)習(xí)過程中內(nèi)部表征的認(rèn)知加工情況提供了更可靠的數(shù)據(jù)。有助于化學(xué)教師在化學(xué)教學(xué)的過程中，針對學(xué)生的認(rèn)知加工特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)策略的選擇與改進(jìn)，提升學(xué)生化學(xué)現(xiàn)象分析、化學(xué)知識運(yùn)用、化學(xué)情景表征和化學(xué)問題解決的能力，以發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)和基本能力為目標(biāo)，更好地提高化學(xué)學(xué)科教育的科學(xué)性和有效性。

四、結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)和成像技術(shù)的高速發(fā)展，人類與圖文信息交流越來越頻繁，信息技術(shù)與課堂的融合必將促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的多樣化發(fā)展。眼動(dòng)追蹤技術(shù)作為一種探究學(xué)生認(rèn)知過程的手段，在化學(xué)教育研究領(lǐng)域是一種很有力的研究工具，它可以深入評估學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)效果和化學(xué)學(xué)習(xí)過程，量化注意力、認(rèn)知過程和學(xué)習(xí)結(jié)果之間的關(guān)系，豐富的眼動(dòng)指標(biāo)使得描述學(xué)習(xí)行為更具有時(shí)空的立體性。雖然在用眼動(dòng)儀設(shè)計(jì)和實(shí)施研究時(shí)還存在一些問題，但是該方法能解釋個(gè)體對化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)的體驗(yàn)，這一點(diǎn)是非常重要的。從適用性、閱讀、場景知覺、圖像搜索和瞳孔測量法等研究領(lǐng)域來看，這種多用途的工具可以用來研究各種各樣的話題，并且通過聯(lián)合其它方式（訪談、觀察、調(diào)查）收集到更為真實(shí)的學(xué)習(xí)行為與認(rèn)知數(shù)據(jù)，就能夠更深入地理解個(gè)體在化學(xué)學(xué)習(xí)、化學(xué)教學(xué)、化學(xué)問題解決中的認(rèn)知情況，探究其認(rèn)知規(guī)律與學(xué)習(xí)特點(diǎn)，從而有效地促進(jìn)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)、內(nèi)容體系與學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展相適應(yīng)，優(yōu)化教育資源環(huán)境，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生關(guān)鍵品質(zhì)和基本能力的發(fā)展。endprint