劉桂英　李佳

摘要：眼動追蹤技術(shù)能夠獲取大數(shù)量、全樣本、實時性、微觀指向性的學習數(shù)據(jù)，可以深入評估學生的學習效果和閱讀過程，量化注意力、認知過程和學習結(jié)果之間的關(guān)系，可以實時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，揭示被試者在整個學習過程中所采取的策略，反映被試者的心理特征及內(nèi)在認知情況。眼動研究可以在多個方面突破傳統(tǒng)研究方法的局限，更直觀地測試被試者在化學知識學習、化學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過程的真實感受與體驗數(shù)據(jù)，更細致而又準確地捕捉到被試者的興趣區(qū)域，文章主要從適用性研究、化學場景知覺、化學圖像識別和化學問題解決四個方面來闡述眼動追蹤技術(shù)在化學教育領(lǐng)域的應(yīng)用，從而為化學教學診斷與評價開辟新的研究路徑。

關(guān)鍵詞：眼動追蹤技術(shù)；化學教育；應(yīng)用

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.001

一、引言

眼動研究最早可追溯到古希臘心理實驗研究，經(jīng)過幾十個世紀的發(fā)展，已經(jīng)從直接觀察法、機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、實驗操作過程等）通過眼動儀即時記錄被試者在視覺加工過程中的眼動軌跡，記錄重要的眼動指標如注視位置、注視時間、注視次數(shù)、回視、瞳孔大小、眼跳等，來分析人的心理認知加工過程，將認知活動（對語句的加工、圖像識別、問題解決等）用外顯的眼動數(shù)據(jù)反映出來，揭示人類心理活動的內(nèi)部加工機制。幾十年來，眼動追蹤技術(shù)除廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、網(wǎng)頁評估、圖文設(shè)計評價、航天航空、多媒體應(yīng)用、產(chǎn)品測試、人機交互等多個領(lǐng)域外，還廣泛運用于閱讀、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研究領(lǐng)域。

在化學教育領(lǐng)域，新時期的化學教育要求發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)為目標，注重引導(dǎo)學生從宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知等化學學科特質(zhì)的思想和方法上開展實踐探究活動，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，形成基本的科學探究素養(yǎng)與創(chuàng)造思維，最終使學生樹立更高層面的價值追求與社會責任感。因此，基于眼動技術(shù)得到的數(shù)據(jù)來分析化學學習過程中個體的思維，通過眼動指標特別是注視時間與注視次數(shù)這些顯性的注意指標能清楚反映學生注意資源的分配、加工策略的選取、關(guān)鍵信息的編碼與表征、化學問題的抽象、化學問題的解決等具體認知過程和情感體驗，從而達到探索學習過程的目的，并間接地為我們的化學教育機制做出相應(yīng)的分析與評判。

二、眼動指標

很多學者根據(jù)不同的研究對眼動追蹤測量指標進行了深入探討，Chen等探索了眼動指標與不同呈現(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)眼動指標可預(yù)測考試成績。該研究進一步探究發(fā)現(xiàn)眼動注視順序、注視時間、重復(fù)注視點的頻次對學生的答題準確性有顯著的影響。Goldberg和Kotval在計算機接口的研究中揭示了基于眼動定位的空間測量。隨后，Jacob和Karn總結(jié)了21個包含了眼動追蹤技術(shù)的研究，指明了六個常用的眼動追蹤測量指標：注視次數(shù)，每個興趣區(qū)花費的時間比例，平均注視時間，每個興趣區(qū)的注視次數(shù)，每個興趣區(qū)的平均凝視時間，固定速率等。鄭玉瑋等通過對近年來眼動研究的考查發(fā)現(xiàn)眼動指標主要分為時間、空間和數(shù)三種類型。一項研究中的眼動指標不能太多，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指標進行相互補充、相互支持。表1中所列出的一些常見眼動指標可以為化學教育的眼動研究提供參考。

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

三、眼動追蹤技術(shù)在化學教育領(lǐng)域的應(yīng)用

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

1.適用性研究

適用性研究聚焦于產(chǎn)品設(shè)計（如電腦界面或者印刷材料）中各元素的設(shè)計如何影響觀察者的視覺注意。它是眼動追蹤法研究應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。通常涉及到“人體工學”研究，這些研究可以用眼動儀配合其他研究技術(shù)（比如訪談法）來識別視覺模式。如研究眼動指標與注意力、信息加工能力、學習表現(xiàn)的關(guān)系，通過分析技術(shù)挖掘?qū)W習者的個性特征（學習策略、學習風格、學習偏好等）。而這些研究結(jié)果則可以有效地引導(dǎo)化學教科書、化學教育網(wǎng)站、化學軟件等的外觀設(shè)計，提高學生化學學科能力的同時關(guān)注學生的情感發(fā)展，從而提高用戶體驗。當然也可用于采集學生與化學實驗儀器等的交互行為，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)展學生科學素養(yǎng)的目標提供參考與指導(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世界的描述（靜景、圖畫、動景等）。目前，場景知覺主要應(yīng)用于活動表現(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。在化學學科領(lǐng)域，高度抽象的化學概念原理，抽象化、概念化、符號化、微觀化、嚴謹?shù)倪壿嬻w系等決定了化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，實驗技能成了化學學習者的必備能力之一，因此我們可以應(yīng)用眼動追蹤技術(shù)實時監(jiān)控學生在自然環(huán)境下進行化學實驗活動的眼動情況，分析學生在化學實驗過程中關(guān)于實驗設(shè)計、實驗操作、儀器設(shè)備使用、實驗現(xiàn)象觀察及實驗數(shù)據(jù)處理等認知情況，從而為化學實驗教學的改進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的自然環(huán)境中獲取學生認知的眼動數(shù)據(jù)，具有一定的真實性和參考價值，因此，還可以用眼動儀監(jiān)測學生化學課堂學習、聽化學講座或者是進行化學小組合作活動等方面的眼動數(shù)據(jù)，進行實時分析，關(guān)注學生的實際發(fā)展，從而改進相關(guān)教學機制，著力促進學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展和學生化學關(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)的大量項目中去辨別目標項目，比如，在一張班級照片中定位一個具體的人。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)項目編成不同號（如按尺寸大?。┎⒂涗洷辉囌叽_定目標物存在與否所花費的時間（反應(yīng)時間）。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，學生對化學微觀圖像的理解與識別能力就成為學生化學學習必備的素養(yǎng)與品質(zhì)。目前，模擬化學微觀抽象概念的眼動研究主要有：描述學生核磁共振儀的使用情況；用多表現(xiàn)性顯示器呈現(xiàn)有機化學機理；形象展示有機化學球棍模型；采用能級圖來表示電子密度、電荷分布機制等。在分子可視化背景下，未來圖像識別的眼動研究則主要包括：對化合物鍵活性及鍵結(jié)合部位的確認，復(fù)雜分析光譜的解讀，復(fù)雜問題情境中關(guān)鍵信息的辨別等進行探索，探尋信息技術(shù)與課堂融合的情況下學生的認知過程，為高效課堂教學提供指導(dǎo)策略。因此，圖像識別的眼動研究有利于探索學生對化學圖像的認知情況，促進微觀圖像模型的完善與創(chuàng)新，優(yōu)化教學資源，著力促進學生化學宏觀辨識與微觀探析能力的發(fā)展。

4.問題解決研究

化學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完整動態(tài)變化的過程，整個過程要達到的目標不僅是學生技能的形成，還囊括了對學生陳述性知識與程序性知識、知識的遷移、認知策略與元認知策略、信息加工策略等的要求。目前關(guān)于化學問題解決的眼動研究主要包括數(shù)字運算和有機化學方程式的書寫等，旨在探討影響學生在解決化學計算和有機化學方程式問題方面的理解力因素。

眼動研究在化學學科教育中探討學生對知識提取加工過程的表征方式時，即使打斷解題者的思路，他們也能報告出那些沒有達到意識水平的推理，同時通過眼動軌跡的實時記錄，可以探討人的認知活動從發(fā)生到結(jié)束的加工過程，從而為探究學生學習過程中內(nèi)部表征的認知加工情況提供了更可靠的數(shù)據(jù)。有助于化學教師在化學教學的過程中，針對學生的認知加工特點進行教學策略的選擇與改進，提升學生化學現(xiàn)象分析、化學知識運用、化學情景表征和化學問題解決的能力，以發(fā)展學生的核心素養(yǎng)和基本能力為目標，更好地提高化學學科教育的科學性和有效性。

四、結(jié)論

隨著計算機和成像技術(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學生學習方式的多樣化發(fā)展。眼動追蹤技術(shù)作為一種探究學生認知過程的手段，在化學教育研究領(lǐng)域是一種很有力的研究工具，它可以深入評估學生的化學學習效果和化學學習過程，量化注意力、認知過程和學習結(jié)果之間的關(guān)系，豐富的眼動指標使得描述學習行為更具有時空的立體性。雖然在用眼動儀設(shè)計和實施研究時還存在一些問題，但是該方法能解釋個體對化學學科學習的體驗，這一點是非常重要的。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）收集到更為真實的學習行為與認知數(shù)據(jù)，就能夠更深入地理解個體在化學學習、化學教學、化學問題解決中的認知情況，探究其認知規(guī)律與學習特點，從而有效地促進學科知識結(jié)構(gòu)、內(nèi)容體系與學生的認知發(fā)展相適應(yīng)，優(yōu)化教育資源環(huán)境，提升學生的綜合素質(zhì)，促進學生關(guān)鍵品質(zhì)和基本能力的發(fā)展。endprint