眼动追踪技术在化学教育领域的应用

刘桂英　李佳

摘要：眼动追踪技术能够获取大数量、全样本、实时性、微观指向性的学习数据，可以深入评估学生的学习效果和阅读过程，量化注意力、认知过程和学习结果之间的关系，可以实时记录被试者视线停留的空间位置、浏览路径和视觉转移过程，揭示被试者在整个学习过程中所采取的策略，反映被试者的心理特征及内在认知情况。眼动研究可以在多个方面突破传统研究方法的局限，更直观地测试被试者在化学知识学习、化学问题解决等过程中的具体表现，更客观、全面地记录被试者体验过程的真实感受与体验数据，更细致而又准确地捕捉到被试者的兴趣区域，文章主要从适用性研究、化学场景知觉、化学图像识别和化学问题解决四个方面来阐述眼动追踪技术在化学教育领域的应用，从而为化学教学诊断与评价开辟新的研究路径。

关键词：眼动追踪技术；化学教育；应用

文章编号：1008-0546（2017）12-0002-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.001

一、引言

眼动研究最早可追溯到古希腊心理实验研究，经过几十个世纪的发展，已经从直接观察法、机械记录法到光电记录法逐渐发展成为一门成熟的技术手段。目前最常用的研究范式是眼动记录法，这种方法就是在最自然的视觉情境中（阅读过程、解题过程、实验操作过程等）通过眼动仪即时记录被试者在视觉加工过程中的眼动轨迹，记录重要的眼动指标如注视位置、注视时间、注视次数、回视、瞳孔大小、眼跳等，来分析人的心理认知加工过程，将认知活动（对语句的加工、图像识别、问题解决等）用外显的眼动数据反映出来，揭示人类心理活动的内部加工机制。几十年来，眼动追踪技术除广泛应用于工业设计、网页评估、图文设计评价、航天航空、多媒体应用、产品测试、人机交互等多个领域外，还广泛运用于阅读、场景知觉、视觉图像搜索、英语阅读和分类等涉及信息加工的心理学研究领域。

在化学教育领域，新时期的化学教育要求发展学生的化学学科核心素养为目标，注重引导学生从宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知等化学学科特质的思想和方法上开展实践探究活动，能以宏微结合的思维方式探寻“物质及其转化”的基本规律，形成基本的科学探究素养与创造思维，最终使学生树立更高层面的价值追求与社会责任感。因此，基于眼动技术得到的数据来分析化学学习过程中个体的思维，通过眼动指标特别是注视时间与注视次数这些显性的注意指标能清楚反映学生注意资源的分配、加工策略的选取、关键信息的编码与表征、化学问题的抽象、化学问题的解决等具体认知过程和情感体验，从而达到探索学习过程的目的，并间接地为我们的化学教育机制做出相应的分析与评判。

二、眼动指标

很多学者根据不同的研究对眼动追踪测量指标进行了深入探讨，Chen等探索了眼动指标与不同呈现形式多媒体（文本、图像）的考试成绩之间的关系，发现眼动指标可预测考试成绩。该研究进一步探究发现眼动注视顺序、注视时间、重复注视点的频次对学生的答题准确性有显著的影响。Goldberg和Kotval在计算机接口的研究中揭示了基于眼动定位的空间测量。随后，Jacob和Karn总结了21个包含了眼动追踪技术的研究，指明了六个常用的眼动追踪测量指标：注视次数，每个兴趣区花费的时间比例，平均注视时间，每个兴趣区的注视次数，每个兴趣区的平均凝视时间，固定速率等。郑玉玮等通过对近年来眼动研究的考查发现眼动指标主要分为时间、空间和数三种类型。一项研究中的眼动指标不能太多，也不宜过少，应根据研究需要综合选择不同类型的眼动指标进行相互补充、相互支持。表1中所列出的一些常见眼动指标可以为化学教育的眼动研究提供参考。

总的来说，上述眼动测量的概念框架为理解各种类型包括化学教育研究的眼动指标提供了基本指导原则。然而，我们应该注意到，眼动追踪技术在不同研究中会以不同的方式被运用，在不同领域的研究中可能关注不同类型的眼动指标。例如，阅读研究可能更关注时间测量，视知觉加工研究可能更关注空间测量。因此，在化学教育研究领域，我们应结合化学学科本身的特殊性，以学生为主体，积极探寻科学合理的眼动指标，探寻学生化学认知过程中的眼动模式，为化学教学改革提供新的参考视觉，着力促进学生化学学科核心素养的发展。

三、眼动追踪技术在化学教育领域的应用

随着技术的优化与发展，眼动研究已大量应用于教育研究领域，比如英语阅读、词汇记忆、数学问题解决、特殊教育、信息技術教育等，然而在化学教育领域的眼动研究则屈指可数。丰富多样的化学知识使学生在学习不同模块时会产生不同的认知水平，而眼睛的转动与学生的认知情况息息相关，眼动指标（眨眼、眼跳、注视、瞳孔直径）可用于辨别学生的学习行为，包括浏览文本、在文本中寻找信息、对信息进行三重表征等，进而从学习者的注视行为中抽取学习风格和认知风格，综合整合学生的学习管理和知识管理系统，从而为学习者提供个性化的自适应解决方案。因此，我们通过眼动仪搜集学生化学学习过程中产生的眼动数据，探究合适的分析模型以便于改善学生化学学习过程及环境，开拓出新的教育测量与评估手段，从而达到诊断化学教学效果的目的。

1.适用性研究

适用性研究聚焦于产品设计（如电脑界面或者印刷材料）中各元素的设计如何影响观察者的视觉注意。它是眼动追踪法研究应用最为广泛的领域。通常涉及到“人体工学”研究，这些研究可以用眼动仪配合其他研究技术（比如访谈法）来识别视觉模式。如研究眼动指标与注意力、信息加工能力、学习表现的关系，通过分析技术挖掘学习者的个性特征（学习策略、学习风格、学习偏好等）。而这些研究结果则可以有效地引导化学教科书、化学教育网站、化学软件等的外观设计，提高学生化学学科能力的同时关注学生的情感发展，从而提高用户体验。当然也可用于采集学生与化学实验仪器等的交互行为，获得基础教育中的行为数据，从而为基础教育着力发展学生科学素养的目标提供参考与指导。endprint

2.场景知觉研究

场景知觉包括鉴别物体和确定物体在一个环境中的相对位置，研究中的刺激物是被试者看到的自然环境或者是被试对真实世界的描述（静景、图画、动景等）。目前，场景知觉主要应用于活动表现中的视觉模式研究，包括驾驶、艺术鉴赏和自然观察、面部识别等活动。在化学学科领域，高度抽象的化学概念原理，抽象化、概念化、符号化、微观化、严谨的逻辑体系等决定了化学是一门以实验为基础的学科，实验技能成了化学学习者的必备能力之一，因此我们可以應用眼动追踪技术实时监控学生在自然环境下进行化学实验活动的眼动情况，分析学生在化学实验过程中关于实验设计、实验操作、仪器设备使用、实验现象观察及实验数据处理等认知情况，从而为化学实验教学的改进与完善提供一定的指导意见。另外，由于场景知觉是在真实的自然环境中获取学生认知的眼动数据，具有一定的真实性和参考价值，因此，还可以用眼动仪监测学生化学课堂学习、听化学讲座或者是进行化学小组合作活动等方面的眼动数据，进行实时分析，关注学生的实际发展，从而改进相关教学机制，着力促进学生化学学科核心素养的发展和学生化学关键能力、必备品质的形成。

3.图像识别研究

图像识别即要求被试者从呈现的大量项目中去辨别目标项目，比如，在一张班级照片中定位一个具体的人。这种研究的刺激物包括文本、图表、表格、数组对象、形状或者字母数字特征等，研究者把呈现项目编成不同号（如按尺寸大小）并记录被试者确定目标物存在与否所花费的时间（反应时间）。关于图像识别研究广泛应用于阅读、图表呈现、医学测试、面部识别、图表理解力模型的部分要素等领域。

在化学教育研究领域，随着信息技术的发展，对微观分子、原子、离子间结构和作用的可视化呈现越来越普遍化，学生对化学微观图像的理解与识别能力就成为学生化学学习必备的素养与品质。目前，模拟化学微观抽象概念的眼动研究主要有：描述学生核磁共振仪的使用情况；用多表现性显示器呈现有机化学机理；形象展示有机化学球棍模型；采用能级图来表示电子密度、电荷分布机制等。在分子可视化背景下，未来图像识别的眼动研究则主要包括：对化合物键活性及键结合部位的确认，复杂分析光谱的解读，复杂问题情境中关键信息的辨别等进行探索，探寻信息技术与课堂融合的情况下学生的认知过程，为高效课堂教学提供指导策略。因此，图像识别的眼动研究有利于探索学生对化学图像的认知情况，促进微观图像模型的完善与创新，优化教学资源，着力促进学生化学宏观辨识与微观探析能力的发展。

4.问题解决研究

化学问题解决涉及信息的识别、理解信息的含义、信息的提取与表征、模式的识别、策略的选取、问题的解决、问题的反思与评估等一个完整动态变化的过程，整个过程要达到的目标不仅是学生技能的形成，还囊括了对学生陈述性知识与程序性知识、知识的迁移、认知策略与元认知策略、信息加工策略等的要求。目前关于化学问题解决的眼动研究主要包括数字运算和有机化学方程式的书写等，旨在探讨影响学生在解决化学计算和有机化学方程式问题方面的理解力因素。

眼动研究在化学学科教育中探讨学生对知识提取加工过程的表征方式时，即使打断解题者的思路，他们也能报告出那些没有达到意识水平的推理，同时通过眼动轨迹的实时记录，可以探讨人的认知活动从发生到结束的加工过程，从而为探究学生学习过程中内部表征的认知加工情况提供了更可靠的数据。有助于化学教师在化学教学的过程中，针对学生的认知加工特点进行教学策略的选择与改进，提升学生化学现象分析、化学知识运用、化学情景表征和化学问题解决的能力，以发展学生的核心素养和基本能力为目标，更好地提高化学学科教育的科学性和有效性。

四、结论

随着计算机和成像技术的高速发展，人类与图文信息交流越来越频繁，信息技术与课堂的融合必将促进学生学习方式的多样化发展。眼动追踪技术作为一种探究学生认知过程的手段，在化学教育研究领域是一种很有力的研究工具，它可以深入评估学生的化学学习效果和化学学习过程，量化注意力、认知过程和学习结果之间的关系，丰富的眼动指标使得描述学习行为更具有时空的立体性。虽然在用眼动仪设计和实施研究时还存在一些问题，但是该方法能解释个体对化学学科学习的体验，这一点是非常重要的。从适用性、阅读、场景知觉、图像搜索和瞳孔测量法等研究领域来看，这种多用途的工具可以用来研究各种各样的话题，并且通过联合其它方式（访谈、观察、调查）收集到更为真实的学习行为与认知数据，就能够更深入地理解个体在化学学习、化学教学、化学问题解决中的认知情况，探究其认知规律与学习特点，从而有效地促进学科知识结构、内容体系与学生的认知发展相适应，优化教育资源环境，提升学生的综合素质，促进学生关键品质和基本能力的发展。endprint