眼动仪在分光计调节实验教学中的应用研究

杨振清，吕钰卓，林春丹，周广刚，邵长金

(中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249)

分光计可以准确测量光线的偏折角度，是重要的光学测量仪器。光栅或棱镜等元件将混合光分成不同波长的光后，分光计通过精确测量光线的方向，直接或间接的表示出波长、折射率等物理量。在大学物理实验中，“单色光波长的测量”、“固体折射率的测定”和“超声光栅测声速”等实验均需要用到分光计，分光计的部件也可应用到光谱仪、单色仪等仪器中，用途十分广泛[1]。分光计的调节是进行这些实验的基础，同时调节过程也非常复杂，在物理实验教学中发现，学生在分光计调节这部分所花费的时间参差不齐，调节过慢会严重影响后续实验的进度。分光计调节的困难主要在于可调节旋钮多、精度要求高、仪器结构精密[2]，由此会出现找不到清晰的“十”字像，调节好一面“十”字像后另一面找不到清晰的像，在“各半调节”法中螺丝拧到极限仍无法使像到达正确位置等问题[3]。很多研究者已经提出了分光计的快速调节方法，比如将载物台回归初始位置法、优先调节载物台、调节离自己最近的螺钉、一看二调法等[4-6]。眼球运动是自发产生的，能真实反映个体的认知加工特征[7,8]。在研究中借助全自然状态下的眼动追踪技术，获取量化、适用的眼动数据[9]，更有力的挖掘出学生在分光计调节中的遇到的问题，客观指出实验难点所在及产生问题的原因，进而为改进教学方法和调节方法提供指导。

1 “分光计调节”实验设计

1.1 实验仪器

本实验中所用分光计为浙江光学仪器制造有限公司生产的JJY-1型分光计，仪器侧面图如图1所示，主要由望远镜、载物台、读数装置、平行光管、底座五部分组成。其中平行光管作用是产生平行光，望远镜用来接收平行光，由物镜和阿贝尔目镜组成，载物台是放置光学元件或待测样品的平台。此外还有望远镜左右角度调节螺钉、载物台调平螺钉、平行光管水平度调节螺钉等13处螺钉，用来调节分光计各部分的整体高度和水平度。

图1 分光计的结构

1.2 实验内容设计

分光计调节的实验要求为望远镜能够接受平行光，且光轴垂直于分光计主轴；平行光管出射平行光，且光轴垂直于分光计主轴[10]。

在本文的研究中，将分光计调节的过程分为三个阶段，以此为基础进行眼动数据的分析。阶段一目镜调节，要求分划板叉丝刻线和亮十字像同时达到清晰；阶段二望远镜光轴方向的调节，该阶段需要双面镜两个面朝向望远镜时，均能在望远镜分划板平面上看到反射的亮十字像，且反射像的水平线均应与叉丝的上方水平刻线重合；阶段三平行光管调节，调节完成的标准是在望远镜中看到清晰的、与分划板刻线无视差的狭缝像，且与望远镜分划板中央的竖刻线平行[11]。

2 眼动仪测试内容

2.1 眼动仪功能

本实验采用的是Tobii Pro Glasses 2可穿戴式眼动仪，头戴装置重量仅有45g、外形与眼镜相似，通过HDMI线与插入SD存储卡的记录装置连接。在实验开始前利用Tobii Pro Glasses Controller软件完成校准程序，之后佩戴者可以自由行动，实现无线实时观察功能，模拟真实实验环境下的眼动状态[12]。实验过程中眼动仪追踪眼球运动，按照一定的采样率采集注视、眼跳在时间、空间维度上的指标，在刺激材料视频中记录为数据点。

在眼动数据分析中，利用可视化工具，在静态底图上将佩戴者的关注点处理成热点图和轨迹图。同时自行选择导出数据的格式和种类，其中包括注视时间、注视次数、平均注视时间、凝视时间、眼跳距离、访问次数、瞳孔直径等反映佩戴者眼动特征的指标[13]。此外，利用AOI模块可以划分兴趣区域，得到在不同兴趣区域的眼动数据，分析佩戴者在各区域分配的认知资源[9]。

2.2 眼动测试方案

在本科生、研究生、物理教师三种身份的被试者做实验过程中，借助眼动仪进行眼动测试。为保证眼动数据的可参考性，随机选择修习大学物理实验课且适合佩戴眼动仪的本科生男生、女生各一名，分别编号为本科生1、本科生2，适合佩戴眼动仪的物理学专业研究生男生、女生各一名，分别编号为研究生1、研究生2，大学物理实验教师一名。

物理教师进行一次实验得到眼动数据，四名学生分别进行“预做实验”、“正式实验”和“教师指导后实验”。预做实验是正式实验前的预习实验，只对照教材，实验时间不超过30分钟。之后进行正式实验，研读教材后学生自主完成实验。最后在教师规范实验步骤，讲解操作技巧后进行实验。通过对比被试者在三个阶段的注视热点图、轨迹图、眼动数据，确定分光计调节实验的难点，以及各个阶段的调节特点。比较不同身份被试者操作时的眼动特征，得出学生在进行分光计调节时存在的问题，对本科生和研究生的实验教学提供指导。

3 实验结果与讨论

鉴于大学物理教师对分光计的调节已经具有丰富的经验，形成近标准化的操作步骤，遂以大学物理教师的操作为例，对三个阶段的用时和操作特点进行比较，确定分光计调节的难点所在。根据调节步骤和实验要求，确定望远镜、载物台、平行光管三个位置为分光计调节的重点区域。为探究学生在自主学习中对教材的关注度，将教材放置在实验仪器一侧供学生参考，并作为另一个可能的重点区域，利用AOI模块在底图上绘制的四个兴趣区域如图2所示。经过可视化处理，得到物理教师在实验全程中的注视热点图如图3所示，红色表示那里的注视数量最多、注视时间最长，黄色次之，绿色表示注视数量最少、注视时间最短。

图2 兴趣区域划分图

图3 物理教师操作的注视热点图

将完整实验过程的刺激材料视频分割为三个部分，图4是进行可视化处理得到的三个阶段注视热点图、轨迹图。

(a)第一阶段热点图

从热点图中可以看出，物理教师在第一阶段的主要关注点是望远镜和载物台区域，第一阶段需要重点调节目镜调焦手轮、载物台和望远镜底脚螺钉，这与物理教师的关注焦点基本吻合。根据轨迹图也可以看出物理教师先进行目镜调焦，而后调节载物台和望远镜。第二阶段与第一阶段相比，望远镜的注视时间较少，调节载物台的用时更长，其他区域也有分布。完成第二阶段的调节目标往往要进行粗调和细调两个步骤，在热点图中部分关注点落在平行光管上，这是在粗调时进行的目测所导致。注视轨迹图中，物理教师的视线轨迹在载物台附近错综复杂，说明在细调时对载物台的底脚螺钉进行了反复调节。从第三阶段的热点图和轨迹图来看，该阶段关注点主要集中在平行光管，教师注意力集中，能够迅速完成调节。

导出物理教师实验操作的眼动原始数据和眼动统计指标，并以三个阶段为单位进行分析，更加明显的得到三个阶段的注视特点。物理教师完成分光计调节的用时为4 min 56 s，其中三个阶段的操作时长分别为91.00 s、172.00 s、33.18 s(如表1)所示，第一阶段的用时占30.7%、第二阶段的用时占比58.1%、第三阶段占比11.2%。第二阶段的用时明显长于其他两个阶段，客观说明望远镜光轴方向的调节最为复杂，在分光计调节的实验教学中应该重点关注，其次为第一阶段，第三阶段调节较为容易。利用AOI模块进行基于四个兴趣对象数值和统计分析，得到物理教师在望远镜、载物台、平行光管和教材的注视时间。兴趣占比表示在某一阶段，物理教师注视该区域的时间与注视四个兴趣区域时间总和的比值(由于在某些时刻被试者的操作视角不能完全呈现在底图上，而呈现的数据点分布在兴趣区域和其他区域，因此实验用时>有效注视时间>兴趣区域注视时间)。通过表1中四个兴趣区域的数据可以看出，第一和第二阶段的主要关注点在载物台和望远镜，用时比例稍有不同，第三阶段的关注点大多在平行光管，与注视热点图、轨迹图所得结论一致，这也作为分析学生进行实验操作中存在问题的参照。

表1 三个阶段用时及兴趣时间比较

四名学生使用一台分光计，在进行实验之前均由同一位实验助手将仪器打乱，完成实验后经过可视化处理得到注视热点图。将四名同学的热点图与物理教师的完整热点图进行对比，发现本科生和研究生在分光计调节中存在的问题，并对比分析本科生和研究生在实验学习中的不同。本科生两位同学的三次实验热点图如图5所示，研究生两位同学的三次实验热点图如图6所示。

(a) 本科生1的操作热点图(预作实验)

(a) 研究生1的操作热点图(预作实验)

从图5(a)、(d)中可以看出，本科生在进行预做实验时，注视教材的时间较长，关注点分布杂乱，本科生1相较于本科生2来说能够将注意力集中在对载物台的调节上。在正式实验时，两位同学经过预习实验，关注点稍有集中，但仍然需要翻阅教材，尤其本科生2的视线还是较为分散，难以独立完成实验。教师指导后，两位同学的注视热点图有了明显改观，如图5(c)所示，本科生1的注意力能够大部分集中在仪器的调节上，已初步抓住实验操作的重点，有了充足的信心。本科生2的热点图虽不如本科生1清晰，也已经有重点关注区域，对教材的依赖性减弱，操作更加熟练，说明教师指导对实验学习有极大帮助。

因此在分光计调节实验中，学生的自主学习和预习不能使学生完全掌握实验操作，须辅以教师的讲解和答疑解惑。目前部分高校在大学物理实验课中开始采用自学模式，虽然能一定程度提升学生的探索精神和实验思维，但对本科生来说，像“分光计调节”这样的实验存在一定困难，教师的指导将更有利于学生对实验的掌握。

研究生在本科阶段已经进行过分光计调节的实验，但在图6(d)研究生2预做实验的热点图中看出，仍然需要阅读教材，说明随着时间推移已经对操作生疏。而图6(a)中研究生1的注视热点图与教师的热点图接近，该研究生在本科期间多次参加物理实验竞赛，对分光计调节进行多次练习，积累了丰富的操作经验和技巧，记忆也更加牢固。在正式实验时，有了对仪器的熟悉，能够快速调节完成。研究生2在正式实验时整体操作有了非常大的提升，原因是在预习实验时，对照教材反复尝试调节，对整个分光计的结构进行了研究。而在教师指导后，两名研究生的实验用时与正式实验时基本相同，说明他们预做实验结束后就已经掌握了实验操作的基本步骤和技巧，自主学习的效果比教师指导的效果更明显。在图6(c)、(f)中，研究生1注意力非常集中，能迅速找到调节方案进行操作，且能利用粗调进行高效调节，研究生2的注视热点图可以看出，她的优点是视线集中在载物台的调节，望远镜和平行光管浪费时间较少。两名研究生的调节速度已经基本能与物理教师相当，而物理教师的视线更加稳定，操作更加连贯，这与其多年的教学经验和无数次调节有关。

综上说明本科阶段在实验课上对分光计调节的短暂学习不能形成持续记忆，只有多试多做多练，积累经验才能实现实验技能的提高。而在经过本科大学物理实验的积累后，研究式的自主学习可以帮助研究生快速掌握实验技巧，更有利于实验的学习。

4 结 语

本文在分光计调节的实验中，利用眼动仪追踪物理教师、本科生、研究生三类身份的被试者的关注点，通过注视时间、兴趣占比等数值反映被试者的眼动特征，通过热点图、轨迹图将被试者的眼动数据可视化，从而得到教师、本科生、研究生在实验过程中遇到的问题，为分光计调节的实验教学提供建议。本文的结论如下：1)在分光计调节的三个阶段中，望远镜光轴方向的调节难度最大、用时最长，普遍存在的问题是忽略的粗调重要性[14]；2)在分光计调节的实验中，多次练习、积累经验是提高调节速度的重要方式；3)对于本科生和研究生的实验教学方法有所不同，本科生需要老师的讲解和技巧的学习，对于研究生，足够的空间和时间进行摸索，对提高实验速度更为有利。

借助眼动仪进行物理实验的研究，可以通过量化眼球运动数据，客观评价学生实验操作中的问题。在眼动实验中发现存在以下几点问题：一是第一次随机抽取的部分学生无法对焦，选取测试者时应选择眼睛没有散光的人员。二是分光计调节实验中需要盯着望远镜视野，使得有效注视时间缩短。三是在分光计仪器窄且长，老师的学生的视角不能时刻与底图贴合，导致部分关注点没有呈现在底图上。因此，利用眼动仪得到的结果并不能完全反映被试者的实验状态，以及进一步分析其心理状态。所以在探究中对实验过程进行定性分析，保证实验结果的准确性。建议其他团队在利用眼动仪进行研究时，选择佩戴眼动仪后，能够全程注视仪器的实验，提高有效注视时间，还原被试者的真实状态。

致谢：感谢杨东杰副教授提供眼动仪全套设备并在使用过程中给予的指导；感谢张万松教授，吕志清老师，王强老师在眼动仪校准及试做过程中给予的帮助；感谢研究生郑伟博，史艳艳，崔洋，项文丽和于月宁等实验过程的参与。