眼動(dòng)行為能表征科學(xué)知識(shí)建構(gòu)嗎？

【中圖分類號(hào)】G40-057【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【論文編號(hào)】1009—8097（2025）05—0062—09【DOI】10.3969/j.iss.1009-8097.2025.05.007

引言

深入探索真實(shí)多媒體環(huán)境下個(gè)體的認(rèn)知規(guī)律與學(xué)習(xí)本質(zhì)，是智能時(shí)代教育科學(xué)研究的重要議題。借助信息科技方法刻畫教育主體的認(rèn)知過程，需要新研究范式的推動(dòng)。在多學(xué)科交叉視角下，整合各學(xué)科的獨(dú)特方法優(yōu)勢(shì)，可從多維數(shù)據(jù)中揭示內(nèi)隱知識(shí)建構(gòu)的認(rèn)知機(jī)理[1]。其中，眼球運(yùn)動(dòng)行為與信息的識(shí)別和整合高度關(guān)聯(lián)[2：眼動(dòng)研究范式能夠采集具有細(xì)粒度、實(shí)時(shí)性特征的過程性數(shù)據(jù)，有助于彌補(bǔ)傳統(tǒng)評(píng)測(cè)方式捕捉視覺注意力隨時(shí)間變化而出現(xiàn)的證據(jù)不足，因而逐漸成為教育技術(shù)研究的重要方法[3]。

認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，知識(shí)建構(gòu)涉及特征識(shí)別與多特征整合，其前提是學(xué)習(xí)者將注意力集中在所呈現(xiàn)的信息上，并從長(zhǎng)時(shí)記憶中檢索相關(guān)存儲(chǔ)內(nèi)容。盡管學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為基于多媒體認(rèn)知理論設(shè)計(jì)的教學(xué)資源能夠引發(fā)更有效的知識(shí)建構(gòu)，但迄今鮮有直接客觀的證據(jù)揭示上述認(rèn)知過程的具體機(jī)制[4。知識(shí)建構(gòu)與論證緊密相關(guān)，作為個(gè)體的對(duì)話性活動(dòng)，論證通過將所學(xué)事實(shí)或知識(shí)納入基于證據(jù)的解釋框架來支持知識(shí)建構(gòu)。個(gè)體獨(dú)自的思考與表達(dá)本質(zhì)上是自我解釋的過程，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中通過對(duì)知識(shí)的深入理解和整合，借助論證梳理思路，并通過邏輯推理和證據(jù)促進(jìn)知識(shí)建構(gòu)。本研究旨在通過論證框架表征知識(shí)建構(gòu)水平，基于多維數(shù)據(jù)分析刻畫眼動(dòng)行為與知識(shí)建構(gòu)之間的關(guān)系，以豐富多媒體學(xué)習(xí)理論的研究，為開發(fā)有效的多媒體資源設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)分析工具提供借鑒。

一研究現(xiàn)狀

利用眼動(dòng)范式研究多媒體學(xué)習(xí)中的認(rèn)知過程已有一定的生物學(xué)與神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)：中央凹作為視網(wǎng)膜中視覺最敏銳的區(qū)域，集中了絕大部分視錐細(xì)胞，學(xué)習(xí)者需要連續(xù)改變注視點(diǎn)，使注視范圍始終聚焦在學(xué)習(xí)區(qū)域?；诖?，本研究將從三個(gè)維度展開探討： ① 眼動(dòng)指標(biāo)與認(rèn)知加工過程的關(guān)系； ② 科學(xué)教育場(chǎng)景中的眼動(dòng)特征； ③ 基于論證視角的知識(shí)建構(gòu)表征。

1眼動(dòng)指標(biāo)與認(rèn)知加工過程

眼球的“定向-聚焦”機(jī)制決定了眼動(dòng)的基本行為，這是一個(gè)由注視（Fixation）和眼跳（Saccade）組成的動(dòng)態(tài)過程。在心理機(jī)制層面，“眼-腦一致假設(shè)”（Eye-MindHypothesis）和“信息檢索理論”（InformationRetrieval Theory）闡釋了眼動(dòng)與認(rèn)知加工的關(guān)系。眼動(dòng)指標(biāo)可以從時(shí)間、頻次和空間三個(gè)維度觀測(cè)：時(shí)間和頻次指標(biāo)（如注視時(shí)間、轉(zhuǎn)移時(shí)間、注視頻次等）反映信息處理程度與認(rèn)知建構(gòu)深度[5]d]；空間指標(biāo)（如眼跳幅度、回視路徑等）表征多媒體環(huán)境下視覺注意力的焦點(diǎn)變化，可以反映信息處理與整合難度、學(xué)習(xí)效率和信息加工水平。當(dāng)前，眼動(dòng)技術(shù)評(píng)測(cè)知識(shí)建構(gòu)的研究可以分為兩類：一是以多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論等作為數(shù)字材料設(shè)計(jì)的指南，并利用眼動(dòng)技術(shù)評(píng)估設(shè)計(jì)效果；二是通過實(shí)驗(yàn)范式探索眼球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和空間特征、視覺注意行為和內(nèi)隱認(rèn)知過程的關(guān)系。有研究表明，視覺搜索效率與認(rèn)知深度呈正相關(guān)，語(yǔ)言和圖像模型的有效整合是多媒體學(xué)習(xí)的核心，而眼動(dòng)整合指標(biāo)（如轉(zhuǎn)移時(shí)間、速度）與學(xué)習(xí)表現(xiàn)有關(guān)[7]。

部分研究嘗試?yán)脵C(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行建模，以預(yù)測(cè)教育場(chǎng)景中的學(xué)習(xí)能力與認(rèn)知水平。例如，利用回歸分析探討學(xué)習(xí)者的視覺行為與認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)注視時(shí)間與推理信息的比例是預(yù)測(cè)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的最佳指標(biāo)，而視覺注意力轉(zhuǎn)移是最重要的視覺注意特征[8]。有研究基于“雙向長(zhǎng)短期記憶-條件隨機(jī)場(chǎng)”注視點(diǎn)預(yù)測(cè)模型，驗(yàn)證了其閱讀能力預(yù)測(cè)的新穎性與優(yōu)越性[9]。此外，對(duì)注視時(shí)間、注視點(diǎn)分布、眼跳等指標(biāo)的機(jī)器學(xué)習(xí)建模表明，眼動(dòng)特征比面部線索特征具有更強(qiáng)的學(xué)習(xí)專注度識(shí)別能力，能夠表征信息加工機(jī)制，反映學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)材料的心理資源投入程度[10]。

2科學(xué)教育場(chǎng)景的眼動(dòng)研究

科學(xué)教育場(chǎng)景的眼動(dòng)研究聚焦于眼動(dòng)行為與科學(xué)認(rèn)知之間的關(guān)系，通過分析個(gè)體對(duì)科學(xué)圖表特征變化的認(rèn)知敏感性，引導(dǎo)視覺注意力和視線方向，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)者解決問題的洞察力與推理能力。相關(guān)研究表明，學(xué)習(xí)者的眼動(dòng)模式與概念建構(gòu)的程度有關(guān)：視覺注意力（涉及注視頻次、總注視時(shí)間和平均注視時(shí)間）分配越集中，對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解就越全面[]。在科學(xué)學(xué)習(xí)中，文本和圖形呈現(xiàn)的匹配研究表明，更長(zhǎng)的平均注視時(shí)間通常意味著更好的學(xué)習(xí)表現(xiàn)[12]。

3基于論證視角的知識(shí)建構(gòu)表征

知識(shí)建構(gòu)的本質(zhì)在于學(xué)習(xí)者對(duì)證據(jù)進(jìn)行質(zhì)疑和分析、對(duì)因果關(guān)系進(jìn)行考慮和透視，以掌握學(xué)科的核心問題，這要求學(xué)習(xí)者具備“論證”能力。論證是科學(xué)素養(yǎng)的重要內(nèi)容，是表征知識(shí)建構(gòu)與高階思維的重要指標(biāo)[13]。學(xué)習(xí)者在基于論點(diǎn)和數(shù)據(jù)來支持或反駁特定立場(chǎng)的過程中，能夠極大地優(yōu)化和拓展個(gè)體知識(shí)的組織方式，同時(shí)深化個(gè)體對(duì)正確概念的理解。

論證包含判斷問題、列舉事實(shí)描述以及提供理論依據(jù)。認(rèn)知靈活性是有效知識(shí)建構(gòu)的前提，涉及產(chǎn)生想法、執(zhí)行認(rèn)知控制和靈活轉(zhuǎn)換心理表征。論證過程會(huì)激活學(xué)習(xí)者的認(rèn)知和情感系統(tǒng)，與積極參與密切相關(guān)，并需要大腦多個(gè)區(qū)域的協(xié)同作用。學(xué)習(xí)者的情緒狀態(tài)和認(rèn)知能力會(huì)影響論證的表現(xiàn)與質(zhì)量。例如，皮膚電活動(dòng)可作為情緒喚醒水平和交感神經(jīng)興奮性的指標(biāo)，能夠間接反映這類認(rèn)知加工的神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制。

上述分析表明，眼動(dòng)范式在評(píng)估認(rèn)知過程與學(xué)習(xí)績(jī)效中得到了較多應(yīng)用，研究場(chǎng)景包括對(duì)不同媒介環(huán)境中眼球運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，以及按特征、能力等分析不同學(xué)習(xí)群體的眼動(dòng)數(shù)據(jù)差異。然而，當(dāng)前研究還存在一些問題，主要包括： ① 較少?gòu)恼撟C的本質(zhì)出發(fā)，探索學(xué)習(xí)者對(duì)不同觀點(diǎn)的審視與協(xié)調(diào)過程； ② 多數(shù)研究在缺乏與其他生理數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證的情況下直接解讀眼動(dòng)結(jié)論，可能導(dǎo)致解釋偏差； ③ 從建模方法看，監(jiān)督學(xué)習(xí)依賴數(shù)據(jù)特征與預(yù)處理，但自然學(xué)習(xí)情境中眼動(dòng)數(shù)據(jù)受限、樣本不足，導(dǎo)致其預(yù)測(cè)建模研究匱乏。本研究重在探索基于眼動(dòng)行為評(píng)估知識(shí)建構(gòu)的方法，通過系統(tǒng)整合學(xué)習(xí)過程中的任務(wù)績(jī)效表現(xiàn)、眼動(dòng)特征指標(biāo)、皮膚電生理數(shù)據(jù)等，構(gòu)建多維度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的分析框架，以揭示科學(xué)學(xué)習(xí)過程中眼動(dòng)指標(biāo)與知識(shí)建構(gòu)的關(guān)系。

二研究設(shè)計(jì)

本研究應(yīng)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象相關(guān)的科學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)材料，基于廣義估計(jì)方程構(gòu)建以知識(shí)建構(gòu)水平為因變量、眼動(dòng)指標(biāo)為自變量的縱向數(shù)據(jù)分析模型，重點(diǎn)考察眼動(dòng)時(shí)序特征指標(biāo)的預(yù)測(cè)效能，同時(shí)整合皮膚電反應(yīng)的生理喚醒數(shù)據(jù)與空間分布指標(biāo)，系統(tǒng)探究眼動(dòng)模式與知識(shí)建構(gòu)過程的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制。

1實(shí)驗(yàn)材料

本研究主要考查學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象和楞次定律的理解，此內(nèi)容在教科版科學(xué)教材與中學(xué)物理教材均有體現(xiàn)。根據(jù)楞次定律的推論，安培力的效果總是阻礙磁通量的變化，穿過導(dǎo)體橫截面的電量只與磁通量的變化量有關(guān)，據(jù)此本研究設(shè)計(jì)了一道不定項(xiàng)選擇題。在題目評(píng)估階段，由2名科學(xué)教育教師對(duì)問題的有效性和題目的難度進(jìn)行了評(píng)估，確定打分細(xì)則與權(quán)重分配。同時(shí)，本研究招募5名大一學(xué)生評(píng)估題目難度，以確定實(shí)驗(yàn)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)材料的呈現(xiàn)分為文本與配圖兩個(gè)板塊，分別按照不同的選項(xiàng)和線框劃分興趣區(qū)（AreasofInterest，AOI），如圖1所示。

2研究過程

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為安徽省H大學(xué)教育技術(shù)專業(yè)的大一學(xué)生，共計(jì)66名，所有被試的視力或矯正視力正常。選擇這些被試的原因主要在于：大一學(xué)生剛結(jié)束高中系統(tǒng)化的科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)，具備一定的科學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)，大一學(xué)生思維活躍且未受專業(yè)細(xì)分限制，能代表同年齡段個(gè)體的學(xué)習(xí)情況。此外，選擇同一個(gè)專業(yè)的學(xué)生能夠控制個(gè)體的專業(yè)背景、學(xué)習(xí)習(xí)慣等干擾因素，從而提高實(shí)驗(yàn)效度。得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，排除眼動(dòng)數(shù)據(jù)中的極端異常值、校準(zhǔn)誤差較大或存在缺失值的8名學(xué)生，本研究確定了58名有效被試，其中男生21名、女生37名。在實(shí)驗(yàn)開始前，工作人員先向被試介紹實(shí)驗(yàn)要求和注意事項(xiàng)，再使用簡(jiǎn)單的視覺刺激材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)流程模擬，并開展操作預(yù)訓(xùn)練，確保被試在正式實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠保持自然和穩(wěn)定的狀態(tài)。

本研究使用TobiiProX3-120眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)，測(cè)試材料在24寸液晶屏幕上呈現(xiàn)，屏幕分辨率為 1920×1080 像素。座椅放置距屏幕約70厘米，被試無需佩戴頭部設(shè)備，可以自由地小范圍移動(dòng);被試同時(shí)佩戴皮膚電穿戴設(shè)備，經(jīng)過數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后，設(shè)置采樣頻率為1000HZ，以獲取連續(xù)的皮膚電導(dǎo)數(shù)據(jù)。本研究使用小波濾波器、巴特沃斯濾波器去除噪聲干擾，通過時(shí)間對(duì)齊，將眼動(dòng)數(shù)據(jù)和皮膚電數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上精確同步；設(shè)定眼動(dòng)設(shè)備為主時(shí)鐘，啟動(dòng)后在呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料時(shí)同時(shí)觸發(fā)皮膚電設(shè)備采集，采用高精度時(shí)間戳標(biāo)記數(shù)據(jù)；以實(shí)驗(yàn)材料開始呈現(xiàn)為時(shí)間起點(diǎn)，確保每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的眼動(dòng)行為數(shù)據(jù)與相應(yīng)的生理喚醒數(shù)據(jù)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，問題呈現(xiàn)時(shí)間為4分鐘，隨后被試需在2分鐘內(nèi)細(xì)化思路并將其寫在紙上。

鑒于眨眼、頭部快速移動(dòng)等動(dòng)作會(huì)致使部分注視點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，故本研究首先采用基于速度閾值的眼跳檢測(cè)方法，通過計(jì)算相鄰注視點(diǎn)位置的變化來識(shí)別眨眼區(qū)間，并去除相關(guān)異常數(shù)據(jù)；之后，利用移動(dòng)平均法對(duì)皮膚電原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑操作，以降低因運(yùn)動(dòng)偽影、環(huán)境溫度變化等因素造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)；最后，界定實(shí)驗(yàn)的時(shí)間范圍，剔除不穩(wěn)定數(shù)據(jù)段，并進(jìn)行數(shù)據(jù)正態(tài)化和標(biāo)準(zhǔn)化處理。

通過上述操作，本研究采集了三個(gè)眼動(dòng)指標(biāo)，分別為： ① 平均注視時(shí)間（Average FixationDuration，AFD），是指在閱讀材料期間以及退出閱讀之前，所有興趣區(qū)內(nèi)注視時(shí)間的平均值，此指標(biāo)能夠反映學(xué)習(xí)者對(duì)信息的選擇性。 ② 平均眼跳距離（AverageSaccadeDistance，ASD），是指所有注視點(diǎn)眼跳距離的平均值，此指標(biāo)能夠反映學(xué)習(xí)者對(duì)信息的組織和加工程度。 ③ 興趣區(qū)轉(zhuǎn)移次數(shù)（AreaTransferCount，ATC），是指眼球運(yùn)動(dòng)從一個(gè)興趣區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)興趣區(qū)的總次數(shù)，此指標(biāo)能夠反映信息整合能力，即學(xué)習(xí)者嘗試聯(lián)系不同內(nèi)容以生成整合性理解的能力。

3研究方法

本研究使用廣義估計(jì)方程分析眼動(dòng)指標(biāo)與不同應(yīng)答之間的關(guān)系，該建模方法能夠有效處理縱向數(shù)據(jù)的相關(guān)性問題，可以提供無偏標(biāo)準(zhǔn)誤估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的推斷。為保證參與被試間的等同性，同一被試被安排參與兩輪重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)指標(biāo)的差異性分析與生理喚醒數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。兩輪實(shí)驗(yàn)在間隔一周的同一時(shí)刻進(jìn)行，并保證其實(shí)驗(yàn)環(huán)境在光照、溫度、硬件設(shè)置等方面保持一致。為確定知識(shí)建構(gòu)程度，本研究對(duì)學(xué)生作答筆錄進(jìn)行了內(nèi)容分析。依托改進(jìn)的協(xié)調(diào)論證框架[14]，本研究設(shè)計(jì)了知識(shí)建構(gòu)水平編碼體系，如表1所示。其中，斷言是指對(duì)事件結(jié)果的判斷；數(shù)據(jù)可以是某個(gè)客觀事實(shí)，也可以是觀察到的現(xiàn)象、測(cè)量出的數(shù)據(jù)和命題中事件發(fā)生時(shí)的動(dòng)作；支撐則指確保命題為真的理論依據(jù)。

在項(xiàng)目組與新加坡南洋理工大學(xué)的相關(guān)合作中，知識(shí)建構(gòu)水平編碼體系得到了持續(xù)應(yīng)用。知識(shí)建構(gòu)水平的賦值規(guī)則為：選擇題分值2分，編碼體系各維度按無效觀點(diǎn)與有效觀點(diǎn)分別賦值0分、1.5分，加權(quán)分?jǐn)?shù)的滿分為20分，高于14分視為合格（對(duì)應(yīng)高低兩類群體）。在編碼過程中，由兩名研究者進(jìn)行獨(dú)立編碼，其組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（IntraclassCorrelation Coefficient，ICC）為0.78，具有較好的一致性。

三研究結(jié)論

1眼動(dòng)指標(biāo)的差異性分析

（1）整體比較

獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果表明，眼動(dòng)指標(biāo)對(duì)反應(yīng)準(zhǔn)確性的影響達(dá)到了顯著水平。具體而言，回答合格群體的平均注視時(shí)間顯著高于回答不合格群體（ 1=6.920 ， p=0.000. ），且平均眼跳距離顯著低于回答不合格群體（t=-5.746，p=0.000） 。此外，回答合格群體的興趣區(qū)轉(zhuǎn)移次數(shù)顯著高于回答不合格群體 ）

（2）不同區(qū)域比較

進(jìn)一步比較眼動(dòng)指標(biāo)在圖像區(qū)域與文字區(qū)域的差異，結(jié)果顯示：在圖像區(qū)域，回答合格群體的平均注視時(shí)間顯著高于回答不合格群體（ 1=6.920 ， p=0.000） ，回答合格群體興趣區(qū)轉(zhuǎn)移次數(shù)顯著高于回答不合格群體（ ：1=3.425 ， p=0.001 ），但平均眼跳距離顯著低于回答不合格群體（ ?1=-5.746 ， p=0.000） ；在文字區(qū)域，兩類應(yīng)答群體眼動(dòng)指標(biāo)的差異性檢驗(yàn)結(jié)果是平均注視時(shí)間（ 1=0.57 ， p=0.631 ）、平均眼跳距離（ 1=-0.446 p=0.782 ）、興趣區(qū)轉(zhuǎn)移次數(shù)（ 1=0.422 ， p=0.534 ）均無顯著性差異。

2眼動(dòng)指標(biāo)的廣義估計(jì)方程分析

（1）廣義估計(jì)方程建模

利用廣義估計(jì)方程分析眼動(dòng)指標(biāo)對(duì)知識(shí)建構(gòu)水平的預(yù)測(cè)能力，結(jié)果如表2所示，可以看出：平均注視時(shí)間（ B=0.328 ， p=0.000 ）正向預(yù)測(cè)知識(shí)建構(gòu)水平，每增加100毫秒（“系統(tǒng)定義眼動(dòng)注視時(shí)間”的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差），其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率 （e^0.328=1.288） 增加 28.8% ；平均眼跳距離對(duì)知識(shí)建構(gòu)的預(yù)測(cè)效果不顯著（ .B=-0.102 p=0.098 ）；興趣區(qū)轉(zhuǎn)移次數(shù)對(duì)知識(shí)建構(gòu)的預(yù)測(cè)效果不顯著（ .B=0.002 ， p=0.326 ）。

（2）不同注視點(diǎn)的廣義估計(jì)方程模型分析

為進(jìn)一步分析哪一個(gè)注視點(diǎn)（FixationPoint，F(xiàn)P）的持續(xù)時(shí)間最能表征有效的知識(shí)建構(gòu)，本研究以各注視點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間為自變量建立廣義估計(jì)方程模型，結(jié)果如表3所示。表3顯示，與其他注視點(diǎn)相比，第2個(gè)、第3個(gè)、第7個(gè)注視點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間能夠正向預(yù)測(cè)合格回答；第7個(gè)注視點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間對(duì)預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者合格回答的可能性最高（ _B=0.018 ， plt;0.05 ），其次是第2個(gè)注視點(diǎn)（ _B=0.013 ， plt;0.05 ）、第3個(gè)注視點(diǎn)（ ?=0.008 ， plt;0.05 ）；在第7個(gè)注視點(diǎn)上每增加100 毫秒，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率（ e^0.018=1.093 ）增加 9.3% 1同樣，在保持其他注視點(diǎn)不變的情況下，在第2個(gè)（ e^0.013=1.071 ）、第3個(gè)注視點(diǎn)（ e^0.008=1.06 ）上每增加100 毫秒，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率會(huì)分別增加 7.1% ， 6% 。

3關(guān)鍵注視點(diǎn)的多維數(shù)據(jù)分析

（1）注視時(shí)間與頻次分析

為了進(jìn)一步闡明第2個(gè)、第3個(gè)、第7個(gè)注視點(diǎn)的預(yù)測(cè)效能，本研究檢驗(yàn)了這三個(gè)注視點(diǎn)所在位置的總注視頻次和總注視時(shí)間的差異，結(jié)果表明：回答合格群體在第3個(gè)注視點(diǎn)（ （1=2.050 ， p=0.047 ）、第7個(gè)注視點(diǎn)（ _1=2.114 ， p=0.039 ）上的注視時(shí)間顯著高于回答不合格群體；同時(shí)，回答合格群體在第3個(gè)注視點(diǎn)中 _1=2.016 ， p=0.048 ）、第7個(gè)注視點(diǎn)（ _1=2.150 ， p=0.036 ）上的注視頻次也顯著高于回答不合格群體。

（2）喚醒水平分析

生理喚醒值通過皮膚電導(dǎo)獲取。參照生物數(shù)據(jù)基線評(píng)估方案[15]，本研究進(jìn)行了包括閉眼、睜眼、斯特魯普任務(wù)（Stroop 范式）在內(nèi)的基線評(píng)估，所有的任務(wù)均在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中以坐姿進(jìn)行。參照Nourbakhsh 等[16]得出的“皮膚電在時(shí)域上的差異化程度能夠反映喚醒水平波動(dòng)”的研究結(jié)論，本研究采用“差異分?jǐn)?shù)”方法界定學(xué)習(xí)任務(wù)中的喚醒水平，其計(jì)算如公式（1）所示。其中，AS為對(duì)應(yīng)點(diǎn)喚醒分值，SCI為特定注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間（通過眼動(dòng)適配軟件中的“GazeEventDuration”參數(shù)獲得）對(duì)應(yīng)的皮膚電導(dǎo)，SCb為皮膚電導(dǎo)基線值，SCt為任務(wù)期間的皮膚電導(dǎo)。

利用公式（1），本研究計(jì)算了第 1～ 第10個(gè)注視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)者喚醒水平，結(jié)果如圖2所示。10個(gè)注視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的喚醒數(shù)值分別為：注視點(diǎn)1（ ΔM=0.396 ， SD=0.208 ）、注視點(diǎn)2（ ΔM=0.531 ， SD=0.190 ）、注視點(diǎn)3（ M=0.513 ， SD=0.223 ）、注視點(diǎn)4（ ?M=0.458 ， SD=0.215 ）、注視點(diǎn)5（ ?M=0.362 ， SD=0.171 ）、注視點(diǎn)6（ .M=0.420 ， SD=0.172 ）、注視點(diǎn)7（ 1=0.496 ， SD=0.189 ）、注視點(diǎn)8（ ?M=0.473 ， SD=0.241 ）、注視點(diǎn)9（ M=0.373 ， SD=0.149 ）、注視點(diǎn)10（ ΔM=0.343 ， SD=0.151 ）。對(duì)10個(gè)注視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的喚醒數(shù)值進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示不同注視點(diǎn)的喚醒水平存在顯著性差異（ ?F=6.644 ， plt;0.001 ， η²=0.099 ）。結(jié)合TukeyHSD事后比較結(jié)果和圖2可知，第2、3、7這三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)高喚醒水平，而高喚醒水平會(huì)延續(xù)至下一個(gè)注視點(diǎn)，此后逐漸衰減，因而喚醒值呈“雙倒U形”分布。

（3）眼動(dòng)熱圖分析

上述分析揭示了多媒體學(xué)習(xí)材料中“關(guān)鍵區(qū)域”的價(jià)值。基于TobiiProLab眼動(dòng)分析工具，本研究繪制了回答合格群體、回答不合格群體這兩類應(yīng)答群體的眼動(dòng)熱圖，如圖3所示。其中，回答合格群體傾向于在第7個(gè)注視點(diǎn)附近保持更長(zhǎng)的注視時(shí)間，故“金屬框ab邊”進(jìn)入磁場(chǎng)后的“關(guān)鍵區(qū)域”呈高亮顯示，如圖3（a）所示；相比之下，回答不合格群體在“關(guān)鍵區(qū)域”的注視時(shí)間較短，而在“金屬框ab邊”未進(jìn)入磁場(chǎng)前的注視時(shí)間較長(zhǎng)，如圖3（b）所示。

四分析與討論

1對(duì)結(jié)論的分析

（1）眼動(dòng)行為與知識(shí)建構(gòu)之間存在密切關(guān)聯(lián)

研究證實(shí)了認(rèn)知過程中的眼動(dòng)行為與知識(shí)建構(gòu)之間存在密切關(guān)聯(lián)。鑒于有效注視需要視網(wǎng)膜中央凹對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)并持續(xù)一定時(shí)間，學(xué)習(xí)者若聚焦于界面局部區(qū)域進(jìn)行任務(wù)加工，視覺注意轉(zhuǎn)移速度會(huì)降低，注視時(shí)間會(huì)因此延長(zhǎng)，這表明學(xué)習(xí)者進(jìn)行了更深入的信息處理。高注視時(shí)長(zhǎng)也表明學(xué)習(xí)者有效學(xué)習(xí)時(shí)進(jìn)行了較多的信息整合與加工，即在眼跳前的注視中獲得了相對(duì)豐富的信息。

此外，回答合格群體的平均眼跳距離顯著低于回答不合格群體，表明多次嘗試整合材料內(nèi)容是高知識(shí)建構(gòu)的前提。眼跳幅度是反映眼睛采樣空間稀疏程度的指標(biāo)。在視覺任務(wù)中，眼跳幅度越小，采樣點(diǎn)越密集，視覺行為的精細(xì)程度越高，據(jù)此可以推測(cè)眼跳幅度與視覺行為的精細(xì)程度密切相關(guān)。學(xué)習(xí)者在進(jìn)行全局視覺初加工（如瀏覽狀態(tài)）時(shí)，視覺注意轉(zhuǎn)移跨度大，可能對(duì)應(yīng)較大的眼跳幅度；反之，在進(jìn)行界面局部精跟蹤時(shí)，小幅度的眼跳反映了學(xué)習(xí)者正在關(guān)注掃視點(diǎn)所在的局部區(qū)域。回答合格群體在興趣區(qū)的視覺注意力高頻轉(zhuǎn)移現(xiàn)象為“眼動(dòng)轉(zhuǎn)移是多媒體環(huán)境中信息整合的關(guān)鍵”這一觀點(diǎn)提供了支持，表明文字與圖片的相互參照是知識(shí)建構(gòu)的前提。研究還發(fā)現(xiàn)，眼動(dòng)指標(biāo)因材料呈現(xiàn)形式不同而存在差異：在圖片區(qū)域，回答合格群體和回答不合格群體的注視時(shí)間、眼跳距離、轉(zhuǎn)移次數(shù)之間均存在顯著差異，而文本演示文稿中無此現(xiàn)象。這表明圖片信息密度和吸引力大于文本，學(xué)習(xí)者需要投入更多的視覺行為以有效理解信息。

（2）“關(guān)鍵區(qū)域”的注視時(shí)間反映知識(shí)建構(gòu)水平

廣義估計(jì)方程表明，平均注視時(shí)間是學(xué)習(xí)者能否正確建構(gòu)科學(xué)概念的關(guān)鍵指標(biāo)。回答合格群體在特定注視點(diǎn)（第2個(gè)、第3個(gè)、第7個(gè)）的注視時(shí)間最長(zhǎng)，表明特定注視區(qū)域的停留能反映學(xué)習(xí)者更專注于“問題解決關(guān)鍵區(qū)域”的信息推理，體現(xiàn)對(duì)核心問題的聚焦思考。結(jié)合平均眼跳距離的數(shù)據(jù)可以推測(cè)，知識(shí)建構(gòu)水平與學(xué)習(xí)者將視線投向何處、在關(guān)鍵區(qū)域停留多長(zhǎng)時(shí)間有關(guān)。因此，有效的知識(shí)建構(gòu)不僅需要關(guān)注內(nèi)容“關(guān)鍵區(qū)域”，還需要學(xué)習(xí)者在相關(guān)內(nèi)容上分配更多的時(shí)間，利用較短眼跳增加信息加工的次數(shù)。

（3）喚醒水平能夠表征個(gè)體的心理投入

在動(dòng)機(jī)性媒介化訊息加工的有限容量理論模型（LC4MP[17]）中，喚醒反映了個(gè)體具體的需求和動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的激活強(qiáng)度，有助于其對(duì)周圍事件做出適應(yīng)性反應(yīng)。連續(xù)注視點(diǎn)的喚醒數(shù)值顯示，不同注視點(diǎn)誘導(dǎo)的心理投入存在差異。關(guān)鍵注視點(diǎn)的激活水平先上升后下降，之后恢復(fù)并維持較高水平，這種“恢復(fù)模式”表明個(gè)體通過重新投入精力來完成任務(wù)。從“探索-利用權(quán)衡”視角推測(cè)，高喚醒水平通過釋放神經(jīng)遞質(zhì)維持緊張狀態(tài)，有助于學(xué)習(xí)者處理更多事件并提升認(rèn)知的靈活性。

2研究啟示

上述研究結(jié)論為多媒體信息設(shè)計(jì)帶來了有益啟示： ① 優(yōu)化空間布局。小幅度眼跳與高信息整合、深度認(rèn)知加工有關(guān)，因此應(yīng)關(guān)注相關(guān)元素的空間臨近設(shè)計(jì)和多媒體信息呈現(xiàn)的密度，縮短核心要素的視覺距離，使學(xué)習(xí)者能夠高效檢索相關(guān)信息；同時(shí)減少視線漂移，以提升對(duì)不確定信息的理解效率。 ② 聚焦關(guān)鍵區(qū)域設(shè)計(jì)。本研究驗(yàn)證了選擇性視覺注意對(duì)有效知識(shí)建構(gòu)的作用，據(jù)此需要精細(xì)化設(shè)計(jì)“關(guān)鍵區(qū)域”的表征方式，利用高亮、對(duì)比、標(biāo)注等方式突出重要概念，引導(dǎo)視線在區(qū)域停留，以提升有效知識(shí)建構(gòu)的可能性。同時(shí)，可以將特定區(qū)域的注視變量納入數(shù)據(jù)建模，以便當(dāng)檢測(cè)注視時(shí)長(zhǎng)低于閾值時(shí)能觸發(fā)相應(yīng)的提示或干預(yù)策略。 ③ 關(guān)注喚醒水平。鑒于積極參與是學(xué)習(xí)投入的前置條件，且認(rèn)知投入與認(rèn)知資源、激活記憶過程的方式高度相關(guān)，因此可將喚醒視為學(xué)習(xí)投入尤其是認(rèn)知投入的指標(biāo)之一。這就需要關(guān)注影響喚醒水平的中介要素，以更為有效的敘事方式、視覺信號(hào)與支架創(chuàng)設(shè)，幫助學(xué)習(xí)者調(diào)整視覺行為的速度與指向。

五結(jié)語(yǔ)

在教育科學(xué)場(chǎng)景中如何基于細(xì)粒度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)來表征教育系統(tǒng)的演化數(shù)理邏輯，是一個(gè)亟待突破的關(guān)鍵問題。對(duì)此，后續(xù)研究需要關(guān)注更細(xì)粒度的眼球指標(biāo)維度，如平滑追蹤（Smooth Pursuit）、眼球震顫（Nystagmus）等，進(jìn)一步分析不同樣本的泛化性能，并納入先驗(yàn)知識(shí)、個(gè)性特征等中介變量進(jìn)行分析。另外，后續(xù)研究也需要拓展研究場(chǎng)景，關(guān)注眼動(dòng)數(shù)據(jù)的生理同步性，以及知識(shí)建構(gòu)過程中學(xué)習(xí)者的會(huì)話類別和質(zhì)量分析[18]，以深入探索虛實(shí)融合場(chǎng)景中的學(xué)習(xí)機(jī)理，設(shè)計(jì)更具適應(yīng)性的個(gè)性化學(xué)習(xí)支架與干預(yù)策略。

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Can Eye-movement Behaviors Represent the Scientific Knowledge Construction？

-Multidimensional Data Analysis Based on the Argumentation Perspective

ZHANG Qi1 HUANG Zhi-Nan2[Corresponding Author] PU Qi-Bin1 （1.School ofEducation，HuaibeiNormalUniversity，Huaibei，Anhui，China 23500;

CenterforEducaionalTchnologyndRsourceDevelopment，inistryofEducation，PR.Cina，eijing，hna1

Abstract： Exploring thecognitive mechanism in learning processthrough fine-grained data is anurgent issue to be broken through in educational discipline.Inthis regard，thepaperconstructeda knowledgeconstruction codingsystem，analzedthe relationship betweeneye-movement indicatorsand knowledge construction in the process of science learming through employinggeneralizedestimating equations，andconducted multi-dimensionaldata （including fixationtime，fixationfrequency kin electricalarousal level，and eye movement heatmap）analysisonkey fixation points. Studies found that there was a close correlation between eye-movementbehaviorand knowledgeconstruction.Theaverage fixationtime positivelypredicted the levelof knowledgeconstruction，among whichtheduratiosof thesecond，thirdandseventh fixationpoints exhibitedthe greatest predictiveeffcacyandcorrspondedto hgherarousal level.Theresearchofthispapervalidatedthe feasibilityofeyemovement behaviorrepresenting the knowledgeconstruction，revealed thevalueof‘keyareas”inmultimedia materials，and provided empirical basis for information design and adaptive system development.

Keywords： eye-movement behavior; knowledge construction; arousal level; scientific learning