眼動儀在設(shè)計性物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

林春丹，李秋真，楊東杰，張萬松，鄭偉博

（1.中國石油大學(xué)（北京） 理學(xué)院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京） 新能源與材料學(xué)院，北京 102249）

1 設(shè)計性物理實驗概述

大學(xué)物理實驗包括基本實驗和設(shè)計性實驗。基本實驗包括物理量的測量、物理公式的驗證、物理變化規(guī)律的觀測總結(jié)等內(nèi)容，屬于繼承和接受前人的知識技能，重復(fù)前人的工作，是科學(xué)實驗入門的基礎(chǔ)訓(xùn)練。此類實驗較為成熟，具有一定的基礎(chǔ)性和典型性[1]。而設(shè)計性實驗是指學(xué)生經(jīng)過一定的基礎(chǔ)訓(xùn)練，掌握了一定的實驗基礎(chǔ)和基本技能之后進(jìn)行的延伸性實驗，具有綜合性、探索性和設(shè)計性等特點(diǎn)。此類實驗的核心是設(shè)計，要求學(xué)生根據(jù)給定的實驗題目、要求和實驗條件，自行制定實驗方案，確定實驗方法，組裝實驗設(shè)備，并在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗步驟[2-3]。設(shè)計性實驗對于學(xué)生的知識運(yùn)用水平和實驗操作能力提出了較高的要求。設(shè)計性物理實驗流程如圖1 所示。

圖1 設(shè)計性物理實驗流程

2 眼動儀的功能特性

眼球運(yùn)動（眼動）可表征人的注意力關(guān)注點(diǎn)，是人腦認(rèn)知的直接反應(yīng)者。借助眼動儀可實現(xiàn)對眼球注視點(diǎn)，即注意力的動態(tài)追蹤[4-5]。通過對眼動數(shù)據(jù)的分析，可以判斷和總結(jié)被試者在實驗中的視覺反應(yīng)和規(guī)律，從而揭示其基本的認(rèn)知過程、理解過程和視覺加工過程[6]。

在記錄眼動數(shù)據(jù)時，眼動儀按采樣率采集眼動原始數(shù)據(jù)（采樣率30、60、120 或300 Hz），每個數(shù)據(jù)點(diǎn)被識別為一個時間標(biāo)簽和“x，y”坐標(biāo)的形式并發(fā)送到與眼動儀連接的分析軟件程序的數(shù)據(jù)庫中。為使數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，這些坐標(biāo)將被進(jìn)一步處理成注視點(diǎn)并疊加到所使用的刺激材料視頻上。

眼動儀可獲取被試者的注視及眼跳情況，并得到注視熱點(diǎn)圖與注視軌跡圖，熱點(diǎn)圖可展示出被試者在刺激材料上的視線分布情況。注視軌跡圖顯示出被試者在刺激材料（實驗臺）上的視線位置、順序以及對某個區(qū)域的觀察時間，能最具體、最直觀、最全面地反映眼動的時空特征[7]。眼動儀的多種特性高度契合教育研究核心點(diǎn)[8]，利用眼動儀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析是一種能夠直觀、有效展示出視覺行為特點(diǎn)的數(shù)據(jù)可視化手段。針對當(dāng)前學(xué)生整體實驗效果不佳、實驗完成度和精確度方面均需提升這一現(xiàn)狀，在實驗中引入眼動儀，可以對不同階段實驗者不同實驗步驟的操作進(jìn)行眼動分析，為教學(xué)提供參考。

3 測試實驗內(nèi)容

選取大學(xué)物理實驗中一個典型且普遍的設(shè)計性實驗——銅絲電阻溫度系數(shù)的測定實驗——作為研究對象。該實驗提供的儀器和器材包括：加熱、控溫、測溫裝置，漆包線繞制的銅線電阻（R=25 Ω），2 個滑線電阻（1 750 Ω、100 Ω），2 個電阻箱（0.1 級、1/4 W），直流電流表（25～100 mA、0.5 級），檢流計，燒杯，導(dǎo)線等[1]。實驗提示包括：任何物質(zhì)的電阻都與溫度有關(guān)，多數(shù)金屬的電阻隨溫度升高而增大，有如下關(guān)系：

其中，Rt、R0分別是t ℃、0 ℃時金屬的電阻值，αR是電阻溫度系數(shù)，其單位是℃-1。αR一般與溫度有關(guān)，但對于實驗用純銅材料來說，在-50～100 ℃的范圍內(nèi)，αR的變化非常小，可當(dāng)作常數(shù)，即Rt與t 呈線性關(guān)系。

學(xué)生需要按實驗?zāi)康?，利用上述實驗儀器并結(jié)合實驗提示，制定合理可行的實驗方案。設(shè)計出測量方法，畫出電路圖，自行連接電路并進(jìn)行測量。

該實驗中，由于銅絲阻值變化較小，難以用伏安法直接測量，因此采用平衡電橋法測量電阻。全電阻值為1 750 Ω 的滑線電阻可用于調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度，以使各個電阻箱的工作功率不超過其額定功率。另一個全電阻值為100 Ω 的滑線電阻可被分成兩個電阻R1和R2，用以組成電橋的比例臂，再用一個電阻箱做比較臂R3，而待測電阻Rx作為測量臂，就構(gòu)成了一個惠斯登電橋。由于有兩個電阻箱，可以先將測量臂用一個電阻箱R4代替，并且使它和比較臂R3的阻值相等，即R3∶R4=1∶1；然后，調(diào)節(jié)滑線電阻使其兩個比例臂的比值R1∶R2=1∶1。最后，再把R4換成Rx，此時兩個比例臂的比值為1∶1，所以當(dāng)電橋平衡，即檢流計示數(shù)為零時，比較臂R3的示值就是待測電阻Rx的阻值。其電路圖如圖2 所示。

圖2 電路圖

上述實驗可基本分為電路連接和銅絲電阻測定兩大實驗?zāi)K。后者又可劃分為干路電流調(diào)節(jié)、滑線電阻比例臂調(diào)至1∶1、室溫下銅絲電阻測定、變溫電阻測定幾大階段。實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生遇到的問題集中于電路連接和第二模塊的前三階段，在連接線路和檢流計調(diào)零等操作中問題頻出，而最后階段的變溫電阻測試由于是重復(fù)性工作，出現(xiàn)的問題較少。因此本文集中對前幾個階段進(jìn)行重點(diǎn)研究。

4 眼動測試方案

本文利用Tobii Glasses2 眼動儀進(jìn)行研究，Tobii Glasses2 是帶有無線實時觀察功能的可穿戴式眼動儀，頭戴模塊僅重45 克，外觀與普通眼鏡相似，支持移動狀態(tài)，頭動范圍不受限制，符合移動學(xué)習(xí)的特性[9]。在確保被試者佩戴的舒適性和行為自由度的同時具備實時觀察分析功能并可適用于任意真實環(huán)境下的眼動研究[10]。其3D 眼球模型專利技術(shù)和滑移補(bǔ)償技術(shù)能夠保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

將Tobii Glasses2 眼動儀分別應(yīng)用于大二本科生、研究生及物理教師的實驗過程中，利用注視熱點(diǎn)圖、注視軌跡圖及眼動數(shù)據(jù)，獲取三者在連接電路、滑線電阻比例臂調(diào)節(jié)等過程的關(guān)注熱點(diǎn)及注視順序等可視化數(shù)據(jù)，對比三者在不同階段實驗中的差異，統(tǒng)計出不同階段實驗者在設(shè)計性物理實驗操作中的差異，以期在之后的物理實驗教學(xué)中起到指導(dǎo)和借鑒作用。

5 眼動數(shù)據(jù)分析

使用Tobii Glasses2 眼動儀配套的Tobii Pro Lab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖3 為大二本科生、研究生、物理教師三者在電路連接過程中的注視熱點(diǎn)圖及注視軌跡圖。熱點(diǎn)圖中的綠色、黃色、紅色代表的時長依次增加，且顏色越深表示注視時間越長。被試者的觀察時間通常被表示為注視點(diǎn)持續(xù)時間，在注視軌跡圖上以不同直徑的圓點(diǎn)來表示。觀察時間越久，圓點(diǎn)就越大。軌跡圖中的數(shù)字代表被試者的觀察順序。

電路連接是本實驗的起始和關(guān)鍵性步驟，是實驗者應(yīng)具備的基本能力。但三者連接電路過程中的注視熱點(diǎn)圖及軌跡圖表現(xiàn)出明顯的差異。大二年級本科生獨(dú)立連接電路用時7 分32 秒，但連接后的電路存在若干問題，后續(xù)教師指導(dǎo)糾正用時3 分58 秒，共計11分30 秒。圖3(a)、(b)為該學(xué)生獨(dú)立操作過程中的熱點(diǎn)圖和軌跡圖，其在線路連接過程中興趣區(qū)域較為分散，注意力不止集中于各儀器的接線柱處，部分注意力分散于儀器其他位置和實驗臺上，說明其對于儀器不熟悉，對未知存有一定程度的新鮮感。同時對于電路圖和連接方式?jīng)]有清晰掌握，不清楚單刀雙擲開關(guān)、檢流計等多接線柱儀器的接線方式，需要尋找接線位置，因此注視軌跡圖中的注視點(diǎn)呈現(xiàn)出各接線點(diǎn)和接線點(diǎn)與指導(dǎo)書中的電路圖之間的多次跳躍。且部分階段注視點(diǎn)軌跡混亂交錯，表明該時段思路不清晰，存在一定程度的猶豫徘徊。而研究生（圖3(c)、(d)）經(jīng)過了本科階段的訓(xùn)練，相比于本科生有了較大幅度的進(jìn)步，完成線路連接用時3 分50 秒，并用59 秒將所連電路與實驗指導(dǎo)書上的電路圖對比檢查。其在線路連接模塊的注視熱點(diǎn)主要集中于各儀器的接線處，表明其已經(jīng)基本掌握了各儀器的連接方式。但對平衡電橋的電路仍不熟悉，在連接過程中關(guān)注指導(dǎo)書中的電路圖若干次。

圖3 被試者連接線路過程中的注視熱點(diǎn)圖及軌跡圖

相比于學(xué)生，物理教師（圖3(e)、(f)）對于實驗內(nèi)容及電路連接方式十分熟悉，其關(guān)注點(diǎn)主要集中于儀器的接線柱處，注意力較集中，注視軌跡路線清晰，且對實驗指導(dǎo)書中的電路圖處注視幾乎為零。此外注視軌跡圖表明，其在固定接線柱的過程中已向下一個接線點(diǎn)投入關(guān)注度，說明其對電路的掌握程度較高。

上述結(jié)果表明學(xué)生在電路連接上仍存在一定的問題。電路連接是大學(xué)生必須具備的基本實驗?zāi)芰?，學(xué)生在高中階段應(yīng)有所掌握，但由于部分學(xué)生有遺忘現(xiàn)象或高中不具備實驗條件，因此，對于本科生的大學(xué)物理實驗課程教學(xué)，實驗前教師應(yīng)向?qū)W生介紹基本的儀器連接方式，包括單刀雙擲開關(guān)的連接方式、檢流計的結(jié)構(gòu)（粗調(diào)、細(xì)調(diào)）和滑線電阻的連接等，使學(xué)生明確線路的連接方式，為實驗設(shè)計及后續(xù)的實驗過程奠定良好的實驗基礎(chǔ)，并節(jié)約一定的實驗時間。

本文進(jìn)一步采集了該大二年級學(xué)生經(jīng)指導(dǎo)后在連接電路過程中的眼動數(shù)據(jù)，圖4 顯示了其經(jīng)過指導(dǎo)后的注視熱點(diǎn)圖，相對于圖3(a)有了顯著進(jìn)步，注視熱點(diǎn)能夠基本集中于儀器連接位置處。對其他位置的關(guān)注明顯減少，注意力明顯集中，且對于電路圖的關(guān)注也有所減少。這證實了實驗前教師進(jìn)行儀器介紹和指導(dǎo)的必要性。另一方面，對于研究生的實驗課程教學(xué)，則可省略儀器說明等基本介紹，將重點(diǎn)放在實驗設(shè)計、方案制訂等深層次內(nèi)容中。

圖4 經(jīng)指導(dǎo)后大二學(xué)生的注視熱點(diǎn)圖

電路連接完成后，進(jìn)入第二大實驗?zāi)K——銅絲電阻測定。此步驟可詳細(xì)劃分為三個測試階段。階段1：調(diào)節(jié)干路電流為30 mA。階段2：滑線電阻比例臂調(diào)節(jié)。階段3：銅絲電阻測定。三個階段的測試時長分別表示為t1、t2和t3，各被試的測試時長如表1 所示。物理教師在三個階段的實驗時長均最短。本科生與研究生相比，在測試階段2 與階段3，研究生耗時少于本科生。而在階段1，研究生耗時比本科生長，結(jié)合眼動熱點(diǎn)圖可知這并不是實驗速度的原因，而是其將大部分時間用于滑線電阻的調(diào)節(jié)中，追求精確的電流值所致。

表1 各被試者的測試時長及平均瞳孔直徑統(tǒng)計表

此外，表1 顯示了第二大實驗?zāi)K中三者的平均瞳孔大小，左、右眼數(shù)據(jù)分別用表示。瞳孔大小可反映材料是否引起測試者的思考和深度加工，瞳孔越大，說明所提取的信息越難[11]。表1 數(shù)據(jù)顯示，物理教師的瞳孔直徑最小，說明本實驗對教師來講難度較低。本科生和研究生的瞳孔直徑近似，說明本實驗對兩者難度相當(dāng)，測試時長差異不是實驗難度導(dǎo)致的，而與熟練程度或注意力集中與否有關(guān)。

進(jìn)入實驗的后續(xù)階段，被試者的注意力集中程度可能會有所下降[12]。因此借助眼動儀統(tǒng)計了在第二大實驗?zāi)K中各被試者的不同眼動類型占比（表2）。注視是指眼睛在一定的時間內(nèi)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，中央窩視野在目標(biāo)上保持一定的時長以便于視覺系統(tǒng)獲得足夠的視覺圖像細(xì)節(jié)。眼跳是一種中央窩視野從一點(diǎn)快速移動到另一點(diǎn)的眼動行為。這種行為具有較高的初始加速度直到眼睛的移動角速度達(dá)到峰值。在達(dá)到峰值后開始減速直到眼睛到達(dá)目標(biāo)位置。由于眼跳發(fā)生時眼球的移動速度極快，這期間幾乎不會獲得任何有效的視覺信息，而多數(shù)的視覺信息是通過注視獲取的。該表中的其他包括其他類型、未定義的及眼動儀未識別到的眼動行為。

表2 各被試者不同眼動類型占比 %

由表2 可知，教師在該步實驗中的注視占比較高，達(dá)到 82.1%，研究生次之。而本科生的注視率僅50.72%。故可推斷本科生在實驗后續(xù)階段的注意力較為分散，實驗興趣下降，難以集中注意力，由此導(dǎo)致其實驗效率下降，如表1 所示，其在階段3 花費(fèi)了大量的時間。其中，物理教師的眼跳占比較高可能與其熟練程度有一定的關(guān)系。

第二大實驗?zāi)K的操作中有若干注意事項。在平衡電橋的構(gòu)建和銅絲電阻測定的過程中需要先后連接檢流計的粗調(diào)和細(xì)調(diào)接線柱，再分別調(diào)零。在粗調(diào)和細(xì)調(diào)轉(zhuǎn)換的過程中，為確保實驗安全，原則上應(yīng)將電路斷開。但實際操作中經(jīng)常有學(xué)生忽視此問題，在電路連通的情況下進(jìn)行接線操作，這是不規(guī)范且不安全的。因此，本文通過眼動儀捕捉的數(shù)據(jù)分析不同被試者的操作規(guī)范性。根據(jù)不同實驗?zāi)K建立感興趣的時間片段（TOI,time of interest），將開關(guān)作為興趣區(qū)域AOI，即可導(dǎo)出實驗中各實驗?zāi)K中不同被試者對開關(guān)的訪問次數(shù)（表3）。

表3 各被試者在不同階段對開關(guān)的訪問次數(shù)

結(jié)果表明，三者中，物理教師的操作較規(guī)范，對開關(guān)的訪問次數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。本科生對開關(guān)的視覺訪問次數(shù)過多，經(jīng)眼動視頻觀察和分析認(rèn)為這與本科生對實驗流程的不熟悉有一定關(guān)系，其對開關(guān)的視線訪問次數(shù)并不對應(yīng)開關(guān)的接通和斷開操作次數(shù)，還包括思考時的眼跳行為及因?qū)嶒灢僮魇д`進(jìn)行的重復(fù)實驗次數(shù)。在一定程度上可以證明，雖然本科生對于實驗和操作并不熟練，但其具有較高的安全意識，較為注重物理實驗操作的規(guī)范性。而研究生雖然對實驗儀器掌握較為熟練，但其幾乎忽視了實驗中的斷電操作，整個過程中對開關(guān)僅有兩次視線訪問，即一次斷電操作，其余皆是在電路通電的狀態(tài)下完成接線柱的轉(zhuǎn)換操作。雖然能在較短的時間內(nèi)較為熟練地完成實驗任務(wù)，但缺乏基本的實驗操作規(guī)范。因此，在研究生的實驗課程中，雖可以省去儀器的介紹，但應(yīng)對操作規(guī)范和實驗注意事項加以強(qiáng)調(diào)。

6 結(jié)語

本文利用眼動儀，通過注視熱點(diǎn)圖、注視軌跡圖等使實驗過程中的視覺認(rèn)識可視化，綜合分析了本科生、研究生、物理教師三者在設(shè)計性物理實驗中的眼動數(shù)據(jù)規(guī)律，為本科生和研究生的實驗教學(xué)提供了生理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并得出如下結(jié)論：

在本科生的設(shè)計性實驗教學(xué)中，教師應(yīng)在課前簡單講解儀器結(jié)構(gòu)和連接方式等基本知識，以促進(jìn)后續(xù)實驗的完成。實驗應(yīng)盡量限時，將核心內(nèi)容前置，以減少注意力分散程度。在研究生的設(shè)計性實驗教學(xué)中，教師應(yīng)側(cè)重物理原理等深層次內(nèi)容并強(qiáng)調(diào)實驗操作規(guī)范。