不同技能水平學(xué)生圖形識別能力與策略差異的眼動研究

黃少潔，彭力群，胡克祖

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)職業(yè)教育學(xué)院，天津 300222）

不同技能水平學(xué)生圖形識別能力與策略差異的眼動研究

黃少潔，彭力群，胡克祖

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)職業(yè)教育學(xué)院，天津 300222）

針對圖形識別能力與策略問題，采用2（技能水平：高技能水平、低技能水平）×3（圖形類型：工件圖、一般圖、實物圖）雙因素混合實驗設(shè)計的方法，進(jìn)行眼動研究，得出在與專業(yè)相關(guān)的工件圖和實物圖上，高技能水平學(xué)生的圖形識別能力顯著高于低技能水平學(xué)生；在一般圖上，二者差異不顯著。識記階段，在首次注視時間上圖形類型的主效應(yīng)顯著，表明學(xué)生在圖形編碼過程中，能根據(jù)圖形類型啟動不同的編碼策略，更好地分配注意資源。再認(rèn)階段，在總注視時間、注視時間占比、首次注視時間、注視點個數(shù)上技能水平的主效應(yīng)顯著，在總注視時間、注視時間占比、注視點個數(shù)上圖形類型的主效應(yīng)顯著，表明高技能水平學(xué)生識圖策略優(yōu)于低技能水平學(xué)生，其信息提取能力更強(qiáng)。

圖形識別；技能水平；圖形類型；眼動指標(biāo)

多個領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，專家與新手的信息加工與提取不同，已有的知識經(jīng)驗可以引導(dǎo)個體的注意分配[1-2]。專家在加工專業(yè)領(lǐng)域的信息時，對任務(wù)相關(guān)的刺激注視次數(shù)更多、注視時間更長[3]，對任務(wù)無關(guān)的刺激其注視次數(shù)少、注視時間短[4]；而新手則把更多的注意力放在突顯刺激上[5]。汽車駕駛的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗駕駛員對駕駛視頻的注視持續(xù)時間更短、注視的廣度更大，駕駛經(jīng)驗影響其對視頻中信息的加工和提取策略[6]。經(jīng)驗運動員對足球視頻的注視次數(shù)更多，但每次的注視時間很短，一般水平運動員則恰恰相反，他們注視次數(shù)少但每次的注視時間長[7]。國際象棋比賽的研究中發(fā)現(xiàn)，專家注視和加工棋盤場景的模式不同于新手[8]。專家和新手教師對課堂教學(xué)場景中學(xué)生突顯的典型行為和問題行為采取不同的注意資源分配策略[9]。專家型教師在內(nèi)隱學(xué)習(xí)能力、知識結(jié)構(gòu)體系、知識運用的靈活性及記憶提取等方面優(yōu)于新手教師[10-11]。已有研究表明，圖形識別受多種因素影響。曹立人等[12-14]發(fā)現(xiàn)在不規(guī)則幾何圖形上被試取樣的首視點分布與作業(yè)的難度有關(guān)，圖形的顯示條件和顯示方式對圖形的識別有顯著影響，不同顯示條件和顯示方式下掃視路徑有很大差別。李瑞芬[15]研究發(fā)現(xiàn)時間壓力顯著影響各種圖形取樣的眼動策略。丁錦紅等[16]發(fā)現(xiàn)為更好地識別圖形，被試會根據(jù)具體情況調(diào)整自己的眼動策略。針對在圖形識別任務(wù)中，專家與新手是否表現(xiàn)出相同模式差異的問題，本研究采用實驗的方法探討了不同技能水平學(xué)生在不同類型圖形上識別能力與策略的差異。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

采用加拿大SR Research公司的EyelinkⅡ頭戴式眼動儀，采樣頻率為500 Hz，刷新頻率為150 Hz。被試機(jī)顯示器為19英寸，分辨率為1 024×768像素。實驗采用瞳孔模式、單眼記錄，被試眼睛距顯示器70 cm。

1.2 實驗被試

實驗選取20名不同技能水平數(shù)控加工專業(yè)大四學(xué)生，技能水平以獲得的技能證書等級為依據(jù)，10名被試取得中級類證書，另外10名被試取得高級類證書。所有被試的視力或矯正視力正常，均為右利手，之前無眼動實驗經(jīng)歷。

1.3 實驗材料

實驗材料分為3類，與專業(yè)相關(guān)的工件圖、用長方體堆成的一般圖及依據(jù)工件圖加工后的實物圖。

1.4 實驗設(shè)計

實驗采用2（技能水平：高技能水平、低技能水平）× 3（圖形類型：工件圖、一般圖、實物圖）雙因素混合實驗設(shè)計。其中，技能水平為被試間變量，圖形類型為被試內(nèi)變量。

因變量：正確率及眼動指標(biāo)（總注視時間、注視時間占比、首次注視時間、注視點個數(shù)）。總注視時間指在興趣區(qū)內(nèi)所有注視點駐留的總時間。同等條件下，注視時間越長，表明被試對信息加工越精細(xì)。注視時間占比指興趣區(qū)內(nèi)注視的總時間占在該次實驗中所有注視點總注視時間的比例。首次注視時間指興趣區(qū)內(nèi)首次注視點駐留時間。首次注視時間通常代表對圖形的早期識別過程及對圖形加工難度的敏感。注視點個數(shù)指興趣區(qū)內(nèi)被試注視的總次數(shù)。不同被試對相同的圖形，在保持較高正確率的前提下，注視次數(shù)越少，表明加工效率越高；注視次數(shù)越多，表明加工越精細(xì)。

1.5 實驗程序

（1）運行程序，被試戴上眼動儀頭盔，進(jìn)行校準(zhǔn)。

（2）在屏幕中央出現(xiàn)指導(dǎo)語：下面將呈現(xiàn)一些圖形，請你盡快記住它們；如果你認(rèn)為自己記住了，請按任意鍵進(jìn)入下一張圖片。

（3）屏幕中央出現(xiàn)需要被試記住的圖形，圖形最長呈現(xiàn)10 000 ms；如果被試覺得記住了，可以提前按任意鍵進(jìn)入下一張圖片，按這個模式依次呈現(xiàn)其他識記圖形。

（4）呈現(xiàn)任務(wù)指導(dǎo)語：請判斷下面的圖形哪些是出現(xiàn)過的。

（5）同時呈現(xiàn)之前出現(xiàn)過和沒有出現(xiàn)過的圖形，出現(xiàn)和沒有出現(xiàn)的概率各占50%。讓被試口頭報告哪些圖形之前出現(xiàn)過，圖形最長呈現(xiàn)10 000 ms，需要被試盡快報告。

（6）報告完畢，實驗結(jié)束，感謝被試的積極配合。

2 結(jié)果分析

2.1 不同技能水平學(xué)生圖形識別正確率的分析

不同技能水平學(xué)生在不同圖形類型上的正確率均值（標(biāo)準(zhǔn)差）如表1所示。

表1 不同技能水平學(xué)生在不同圖形類型上的正確率的均值（標(biāo)準(zhǔn)差）（N=20）

方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)極其顯著，高技能水平學(xué)生的正確率顯著高于低技能水平學(xué)生[F（1，18）=20.930，p＜0.01]。圖形類型的主效應(yīng)極其顯著[F（2，36）=5.390，p＜0.01]，事后多重比較結(jié)果顯示，工件圖和一般圖之間的差異顯著（p＜0.05）；工件圖和實物圖之間的差異不顯著（p＞0.05）；一般圖和實物圖之間的差異極其顯著（p＜0.01）。技能水平和圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=0.994，p＞0.05]。T檢驗的結(jié)果顯示，高技能水平學(xué)生在工件圖上的正確率顯著高于低技能水平學(xué)生（p＜0.01）；不同技能水平學(xué)生在一般圖上的正確率差異不顯著（p＞0.05）；高技能水平學(xué)生在實物圖上的正確率顯著高于低技能水平學(xué)生（p＜0.05）。

2.2 不同類型圖形的總體眼動分析

不同類型圖形整體眼動指標(biāo)的平均值（標(biāo)準(zhǔn)差）如表2所示。表2中各眼動指標(biāo)的分析結(jié)果如下。

（1）S-IA總注視時間：多因素方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)不顯著[F（1，18）=2.401，p＞0.05]；圖形類型的主效應(yīng)不顯著[F（2，36）=0.001，p＞0.05]；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）= 0.137，p＞0.05]。

（2）S-IA注視時間占比：多因素方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)不顯著[F（1，18）=0.119，p＞0.05]；圖形類型的主效應(yīng)不顯著[F（2，36）=3.015，p＞0.05]；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=0.880，p＞0.05]。

（3）S-IA首次注視時間：多因素方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)不顯著[F（1，18）=0.273，p＞0.05]；圖形類型的主效應(yīng)顯著[F（2，36）=3.228，p＜0.05]，事后多重比較結(jié)果表明工件圖和實物圖之間的差異顯著（p＜0.05）；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=0.292，p＞0.05]。

（4）S-IA注視點個數(shù)：多因素方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)不顯著[F（1，18）=1.061，p＞0.05]；圖形類型的主效應(yīng)不顯著[F（2，36）=0.518，p＞0.05]；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）= 0.227，p＞0.05]。

（5）Z-IA總注視時間：多因素方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)極其顯著 [F（1，18）=32.559，p＜0.01]；圖形類型的主效應(yīng)顯著 [F（2，36）=3.364，p＜0.05]，事后多重比較結(jié)果表明，一般圖和實物圖之間的差異顯著（p＜0.05）；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=2.326，p＞0.05]。

（6）Z-IA注視時間占比：多因素方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)極其顯著[F（1，18）=191.950，p＜0.01]；圖形類型的主效應(yīng)極其顯著 [F（2，36）= 6.912，p＜0.01]，事后多重比較結(jié)果表明，一般圖和實物圖之間的差異極其顯著（p＜0.01），工件圖和實物圖之間的差異顯著（p＜0.05）；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=2.053，p＞0.05]。

（7）Z-IA首次注視時間：多因素方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)顯著[F（1，18）=6.398，p＜0.05]；圖形類型的主效應(yīng)不顯著[F（2，36）=1.082，p＞0.05]；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=2.347，p＞0.05]。

（8）Z-IA注視點個數(shù)：多因素方差分析結(jié)果表明，技能水平的主效應(yīng)顯著[F（1，18）=4.845，p＜0.05]；圖形類型的主效應(yīng)顯著[F（2，36）=4.501，p＜0.05]，事后多重比較結(jié)果表明，一般圖和實物圖的差異極其顯著（p＜0.01），工件圖和實物圖的差異顯著（p＜0.05）；技能水平與圖形類型的交互作用極其顯著 [F（2，36）= 5.327，p＜0.01]，事后多重比較表明高低技能水平學(xué)生在工件圖與一般圖、實物圖與一般圖上存在交互作用，如圖1所示。

表2 不同類型圖形整體眼動指標(biāo)的平均值（標(biāo)準(zhǔn)差）（N=20）

圖1 技能水平與圖形類型在Z-IA注視點個數(shù)上的交互作用

3 討論

3.1 技能水平與圖形識別能力的關(guān)系

正確率的結(jié)果分析表明，在工件圖和實物圖上，高技能水平學(xué)生的識圖能力優(yōu)于低技能水平學(xué)生，在一般圖上兩者差異不顯著，這與羅嬌[17]提出的專家在一般領(lǐng)域任務(wù)和特殊領(lǐng)域任務(wù)上的表現(xiàn)不同相一致。同時，這也符合記憶的專長效應(yīng)，即回憶信息的數(shù)量和專長水平呈直線關(guān)系[18]。推測其原因，可能是在專業(yè)學(xué)習(xí)過程中，高技能水平學(xué)生比低技能水平學(xué)生對工件類圖形的學(xué)習(xí)和分析更多，此類圖形的知識結(jié)構(gòu)優(yōu)于低技能水平學(xué)生。

3.2 技能水平與圖形識別策略的關(guān)系

識記階段的眼動指標(biāo)（S-IA總注視時間、S-IA注視時間占比、S-IA首次注視時間和S-IA注視點個數(shù)）技能水平的主效應(yīng)不顯著，而再認(rèn)階段的眼動指標(biāo)（Z-IA總注視時間、Z-IA注視時間占比、Z-IA首次注視時間、Z-IA注視點個數(shù)）技能水平的主效應(yīng)顯著，說明再認(rèn)階段的眼動策略可能與技能水平的高低有直接關(guān)系。再認(rèn)階段中，高技能水平學(xué)生的總注視時間更長，興趣區(qū)注視時間占比更大，首次注視時間更長，這與Gegenfurtner等[4]提出的專家在加工專業(yè)領(lǐng)域任務(wù)相關(guān)信息時注視時間更長相一致，說明高技能水平學(xué)生在信息提取階段采取了更精細(xì)的提取策略，能合理分配注意資源，信息提取能力更強(qiáng)。

在首次注視時間上，識記階段圖形類型的主效應(yīng)顯著，主要是工件圖和實物圖之間的差異；而再認(rèn)階段圖形類型的主效應(yīng)不顯著，說明學(xué)生在圖形編碼過程中，能根據(jù)不同的圖形類型，快速判斷圖形的加工難度，啟動不同的眼動策略，重點區(qū)分工件圖和實物圖之間的差異。在總注視時間、注視時間占比和注視點個數(shù)上，識記階段圖形類型的主效應(yīng)不顯著，而再認(rèn)階段圖形類型的主效應(yīng)顯著，主要是一般圖與實物圖之間的差異，說明學(xué)生能快速提取與專業(yè)相關(guān)的圖形，而與專業(yè)不相關(guān)的圖形提取速度相對較慢。實物圖與工件圖之間的差異沒有一般圖與實物圖之間的差異大，可能是因為在編碼階段學(xué)生對工件圖和實物圖分配了更多的注意力，采取了更精細(xì)化的加工策略，記憶更精確，因此在提取過程中速度沒有顯著差異；而對于一般圖沒有精細(xì)加工，記憶不太精確，需要更長的時間去確認(rèn)。

在Z-IA注視點個數(shù)上，技能水平與圖形類型的交互作用顯著，高技能水平學(xué)生在與專業(yè)相關(guān)的工件圖與實物圖上有更多的注視點，在一般圖上有更少的注視點，這與Williams等[7]研究認(rèn)為經(jīng)驗運動員對足球視頻的注視次數(shù)更多、一般水平運動員注視次數(shù)少的結(jié)果相一致。另外，在同時呈現(xiàn)專業(yè)相關(guān)圖與專業(yè)不相關(guān)圖時，相對于他們長期學(xué)習(xí)的過程而言，一般圖可能是一種突顯刺激，高技能水平的學(xué)生把更多的注意放到專業(yè)相關(guān)的工件圖與實物圖上，而低技能水平學(xué)生則把更多的注意放到一般圖上，這與Feil等[5]研究認(rèn)為新手把更多的注意力放在突顯刺激上相一致。

從識記和再認(rèn)階段各種差異的討論來看，高技能水平學(xué)生所表現(xiàn)出來的圖形識別能力符合Chase和Ericsson[19]的熟練記憶理論，該理論認(rèn)為專家具備一種基于長時記憶中記憶術(shù)編碼系統(tǒng)的提取結(jié)構(gòu)，該機(jī)制與各種有組織的知識結(jié)構(gòu)或豐富經(jīng)驗聯(lián)系密切[20]。總之，在專業(yè)相關(guān)的工件圖和實物圖上，高技能水平學(xué)生的圖形識別能力顯著高于低技能水平學(xué)生；在一般圖上，兩者沒有差異。高技能水平學(xué)生能根據(jù)圖形類型采取不同的眼動策略，合理分配注意資源，信息提取能力更強(qiáng)，其識圖策略優(yōu)于低技能水平學(xué)生。

4 結(jié)束語

本文借鑒專家新手范式，探討了數(shù)控加工專業(yè)中不同技能水平學(xué)生圖形識別能力與策略的差異，發(fā)現(xiàn)高技能水平學(xué)生對專業(yè)相關(guān)圖的圖形識別能力優(yōu)于低技能水平學(xué)生。專業(yè)教師可根據(jù)高技能水平學(xué)生的識圖策略，在教學(xué)過程中對低技能水平學(xué)生給予一定的指導(dǎo)，有效提高低技能水平學(xué)生的識圖能力。

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Eye movement research on ability and strategy during graph recognition of different skilled students

HUANG Shao-jie，PENG Li-qun，HU Ke-zu
（School of Vocational Education，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

To research the abilities and strategies on graph recognition of different skilled students，by 2(skill level：high，low)x 3(graphic type：workpiece graphics，general graphics，object graphics)mixed design，an eye movement study is carried out.The results show that the ability on graphics recognition of the students with high skill level is significantly higher than the one of students with low skill level for workpiece graphics and object graphics，which are related to the major of subjects，and that the difference on general graphics is non-significant.In the memorization stage，the main effect of graphic type on IA first fixation duration is significant.That indicated students adopt different recognition-strategies to allocate their attention better according to graphics type during the graphic coding.In the recognition stage，there are significant differences between students of two levels on IA dwell time，IA dwell time%，IA first fixation duration and IA fixation count；the main effects of graphic type on IA dwell time，IA dwell time%and IA fixation count are significant，which indicated that students with high skill levels have better strategies on graphics recognition，higher ability of information extraction.

graph recognition；skill level；graphic type；eye movement indicator

B844.2

A

2095－0926（2016）04－0068－05

2016-10-31

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（YC16-23）.

黃少潔（1993—），女，碩士研究生；胡克祖（1972—），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為技能學(xué)習(xí)與教學(xué)心理、個性發(fā)展與咨詢.