眼動追蹤技術在現代物理教學中的應用
——以豎直上拋運動為例

田 偉

(上海理工大學 理學院,上海 200093)

眼動追蹤技術在現代物理教學中的應用
——以豎直上拋運動為例

田 偉

(上海理工大學 理學院,上海 200093)

在物理教學情境下,探討了眼動追蹤技術這一源于神經解剖學的發展而產生的獨特技術方法的應用價值,提出了運用作為物理教學新工具和新技術的眼動追蹤技術開展物理教學的幾種應用方向,重點闡述了眼動追蹤技術是如何作為一種現代化可視工具診斷參與者不同思維方式的。此外,還著重解釋了利用眼動追蹤軟件分析眼動追蹤數據是如何作為一種研究方法應用在物理教學中的。

眼動追蹤技術;物理教學;熱點圖;掃描路徑

認知科學是一門跨學科的交叉科學,它可以和許多學科進行締結,比如:認知心理學、神經生物學、精神哲學、人工智能和物理學[1]。眼動追蹤技術的應用屬于認知科學的范疇,它作為一個現代化的試驗工具和研究方法,將會變得越來越流行[2]。它的優點很多,比如:設備成本較低、日益多樣化的趨勢、適用于教育等諸多領域等。此外,利用眼動追蹤技術還可以開展對學習過程的分析研究,Lai等人在這方面就曾做過深入的研究[3]。眼動追蹤技術應用于物理教育方面的研究最為廣泛和頻繁,如Kekule[4],Madsen 等[5-6],Ohno等[7],Smith等[8],Andrzejewska等[9]。

現代化的眼動追蹤技術基于紅外LED和高分辨率攝像傳感器,它們分別用于照射人眼和記錄眼球反射的光線,然后,由圖像處理算法根據這些原始數據計算瞳孔的位置,再由專用軟件利用屏幕等參照物的位置信息確定用戶所注視的具體位置。眼動追蹤技術的軟件控制系統主要用于控制四象限檢測器(檢測被檢眼的相對運動方向)。四象限檢測器的輸出由微處理器在三個軟件子系統的控制下進行。第一軟件子系統控制定位馬達;第二軟件子系統識別瞳孔圖像;第三軟件子系統是眨眼檢測軟件系統。這三個軟件子系統協同工作,確保能對受試者眼球的運動進行準確追蹤。

本文所關注的焦點是參與者眼球運動的特征,需要擷取的參與者眼球運動中最重要的參數是視覺場景路徑分析的測定,這被簡稱為掃描路徑。其中,眼睛所停在特定的視覺場景元素被稱為視點;眼球運動被稱為掃視,即連續視點之間的方向和距離;此外,眼動追蹤研究還包括對瞳孔大小的變化進行分析等。

一、數據可視化的類型

現代眼動追蹤技術提供了許多不同數據可視化的類型。如:測量速度。時下的眼動追蹤技術可以在1 250 Hz的高頻下采樣數據,并能對之進行精確的分析。概括起來,眼動追蹤數據可視化在物理教學上的應用可以表現在如下幾個方面。

(1)熱點圖(Heat map)或其黑白底片:無論是圖片或視頻,屏幕的視點和參與者眼睛的平均注視時間是我們關注的焦點。在熱點圖上,計算機屏幕顯示的幻燈片被覆蓋有不同的顏色,如從白色(無視點)開始依次貫穿藍、綠、黃、橙、紅,相繼表示最長視點時間的短長。它不僅可以用于說明所有參與者觀察的一般趨勢,而且也可用于對群體和個體進行特定分析。

(2)掃描路徑(Scan path):學生觀看圖片或視頻的視覺路徑。掃描路徑圖可以清晰地顯示連續的視點和掃視(連續的視點之間的方向和位移)。

(3)網格AOI(Gridded Area of Interests):呈現平均(或總)停留時間、平均(或總)視點數、平均(或總)次數或其他數據。

(4)定義的AOI(Defined Area of Interests):研究者根據研究目標而確定的幻燈片中的特定區域。它們可以以各種方式成形。它們可能以圖片、視頻、序列圖等形式襯托關鍵性能指標(Key Performance Indicators,KPI)而出現。

二、例證研究:豎直上拋運動

試驗邀請了53名志愿者參加這項研究,2人由于技術問題和語言問題被排除在外,實際參與者為51人,參與者需解決的任務如下:

豎直上拋物體(忽略空氣阻力的影響)的速度v和時間t的函數圖像應該是圖1中的哪一個呢?(此表述為任務文本)

圖1 豎直上拋運動的速度v與時間t圖形選項

豎直上拋運動的速度v和時間t函數為:v=v0-gt,其中g為重力加速度,t為時間,v為瞬時速度,v0為初速度。

這是一個可視化的常識:豎直上拋的物體速度先減小,直到它停止,然后速度值再上升。選項中只有一個圖顯示了這種速度變化的特征。

排除不正確的圖形也可以完成試驗目標。該運動包括上升和下降兩個階段:因為被上拋的物體必須下降(消除A),再根據其他特征,如初始速度的值、函數的單調性、零點的意義等可遴選出正確答案。

三、分析

盡管幻燈片可以較好地展示豎直上拋問題,但熱點圖無疑是更好的選擇,因為它可以用更精確的方式展示平均視點時間(見圖2(a)熱點最大區域是1 600～2 000 ms的范圍),而不是焦點圖(圖2(b))。熱點圖可以顯示出參與者最感興趣的幻燈片區域和統計出哪個區域占據了參與者最長的視點時間,這也就指出了參與者最感興趣的主題或元素。

根據參與者的掃描路徑(見圖3),可以歸納出參與者解決豎直上拋問題的三種不同任務解決策略:

策略1(S1):分析所有圖形并排除那些不正確的選項;

策略2(S2):根據任務的文字描述,先在頭腦中想象出任務中所述的圖形,隨后選出正確答案;

策略3(S3):結合豎直上拋物體在其運動期間的速度與時間的關系,以及掌握的線性函數知識,從而聚焦在分段線性函數圖形(A,B,C選項)上,再遴選出正確的選項,這更傾向于數學思維。

利用眼動追蹤軟件,可以很容易地得出S1,S2,S3三種不同類型參與者在時間上定義的AOI順序,根據AOI順序,可以一目了然地知道這三種不同思維方式的參與者分別花在任務文本及選項A,B,C,D,E上的時間長短。以S1為例,從眼動追蹤軟件提供的數據可以看出,具有S1思維方式的觀察者完成任務所花時間的比例:任務文本為40%,選項C為11.6%,選項B為4.7%,選項D為16.4%,選項E為12.4%。其中,花在選項B,D和E的視點時間比例為33.5%。正確答案應為選項C,這就說明B,D和E占用了太多的寶貴時間,做了不少無用功。這樣,作為教師就可以有的放矢的幫助學生提高解題速度。從軟件分析中可以看出,S2思維方式的參與者花在任務文本及所有選項A,B,C,D,E上的總時間約占S1思維方式參與者花費總時間的1/3,而具有S3思維方式的參與者所花時間更短,約為S2思維方式的5/6。從某種意義上來講,這是對參與者思維方式的追蹤,倘若教師掌握了學生解題的思維方式,這就是知己知彼,故分析眼動追蹤數據作為一種研究方法,對物理教學起著非常重要的作用。

圖2 針對51名參與者的熱點圖和焦點圖

圖3 針對51名參與者的掃描路徑:S1(左),S2(中),S3(右)

上述為時間上定義的AOI順序,它區分了不同思維方式對解題時間的影響。眼動追蹤軟件同樣可以展示出所有不同學科思維方式的KPI,也就是KPI定義的AOI順序,它可以展示所有不同學科思維方式的“平均”KPI。這里分別以空白區域(white space)、文本(wording)、選項C(graph c,正確答案選項)為例進行闡述。所有S1,S2和S3三種不同思維方式的參與者花在空白區域上的時間分別為:進入時間(entry time)6 169 ms,停留時間(dwell time)885.1 ms(2.5%),命中率(hit ratio)47.6/51(93.3%),回視點個數(revisits)2.7,回視者(revistors)35/49,平均視點時間(average fixation)180.6 ms,視點數(fixation count)4.3;花在任務文本上的時間分別為:進入時間505.7 ms,停留時間16 944.3 ms(45.8%),命中率50/51(98%),回視點個數4.8,回視者50/51,平均視點時間205.8 ms,視點數70.5;花在選項C上的時間分別為:進入時間8 424 ms,停留時間3 999.6 ms(10.1%),命中率50/51(98%),回視點個數6.2,回視者50/51,平均視點時間241 ms,視點數14.5。根據軟件還可以簡單地計算出所有S1,S2,S3三種不同思維方式的參與者所花的“平均”視點時間的比例:文本為45.8%,選項C為10.1%,選項B為8.2%,選項D為9.6%,選項E為7.6%,選項A為3.9%,空白區域為2.5%。可見,除了文本外,參與者花在選項C上的注視時間最長,而C恰為正確答案選項,試驗結果與正確結果一致。因為人們一般會在確定答案后而再進行二次及以上的再確認。

四、局限性與適用范圍

(一)局限性

任何教學工具的應用都不可能完美無缺,筆者認為,非常有必要在此討論利用眼動追蹤技術開展物理教學應用的局限性。眼動追蹤技術是一種用來研究學生注意力并提供其眼球運動相關數據的工具,然而,眼動追蹤技術只能告訴教師,學生在看什么,而不是在想什么。可以觀察到學生在目視教師講課,但可能已經走神,說不定內心已經為即將付諸實踐的周末計劃而遐想連篇呢,但學生目視教師講課這個動作卻會被機器貼上專注聽課的標簽。另外,在特定的角度,眼睛的圖像收集數據可能會缺失(盡管機器仍然編碼,除非它不能確定任務的主題是什么,否則機器將視編碼輸入為無數據)。此外,雖然不是非常重要,在視頻和音頻之間因技術問題會存在隨著記錄繼續而逐漸增大的時間延遲。最后需要非常認真地對待霍桑效應(Festinger和Katz,1953)[10]。這是一個影響受試者改變其正常行為的重要效應,受試者會傾向于表現出他們的最好行為,因為他們知道自己就是試驗的一部分。雖然這對科學研究可能會有一定的不利影響,但對教學來說在某種意義上可被視為是對學生的一種正向約束,故其未必是一個壞現象。

(二)適用范圍

在實證研究的基礎上,可以得出眼動追蹤技術在物理教學上適用于如下幾個方面:

(1)可以識別出認真閱讀任務文本的人和答案隨機的人;

(2)可以客觀、準確地記錄參與者從閱讀任務文本開始到選擇出答案的分析任務的各個階段;

(3)可以識別出參與者聚焦的關鍵詞、句子和符號;

(4)可以體現出物理解題方法的個體研究差異;

(5)體現出解決任務和選擇答案的差異化思維方式;

(6)眼動追蹤數據分析方法的應用范圍:閱讀質量和閱讀方式的分析,區分文本和用于信息處理的符號(視點的數量和持續時間、重訪、停留時間),區分解決任務的不同策略,比較解決任務的不同策略,可以單獨比較樣本數據,可以分組比較樣本數據,區分屏幕的特定區域的分析次序,提供精確的數值數據(例如,視點的數量和持續時間、重訪次數和專注區域的停留時間)。

五、總結

拋開豎直上拋問題概括而言,目前眼動追蹤技術是一種唯一可以為我們提供機會以確定在物理課堂上何處、何時、以及確定什么主題是參與者的視覺焦點的可行的工具,而其他教學研究方式僅是在使用外在的方法(觀察、筆記分析、訪談等)進行研究。此外,眼動追蹤技術也是唯一可供研究者使用的可以較客觀地調查學生如何看待所學物理課程的技術。不僅如此,眼動追蹤技術還可以幫助記錄學生閱讀物理問題信息的順序,他們喜歡花多長時間閱讀該信息,他們關注的物理問題信息焦點是什么等問題。筆者認為,將來利用眼動追蹤技術開展更加深入的物理教學應用嘗試,可能將會采取分類、分層的方式進行,如從分解參與者的性別、年齡、民族、在教室中所處的位置、物理是否是高考科目和相關專業課程成績角度進行等。

[1]Varela F J,Thompson E,Rosch E.The Embodied Mind:Cognitive Science and Human Experience[M].Cambridge:MIT Press.1991.

[2]Soluch P,Adam T.Ometodologii badań eyetrackin-gowych[J].Lingwistyka Stosowana,2013(7):115-135.

[3]Lai M L,Tsai M J,Yang F Y,et al.A review of using eye-tracking technology in exploring learning from 2000 to 2012[J].Educational Research Review,2013(10):90-115.

[4]Kekule M.Students’ approaches when dealing with kinematics graphs explored by eye-tracking research method[C]∥Proceedings of the Frontiers in Mathematics and Science Education Research Conference.Famagusta:FISER,2014:108-117.

[5]Madsen A M,Larson A M,Loschky L C,et al.Differences in visual attention between those who correctly and incorrectly answer physics problems[J].Physical Review Special Topics,Physics Education Research,2012,8(1):010122.

[6]Madsen A,Rouinfar A,Larson A M,et al.Can short duration visual cues influence students’ reasoning and eye movements in physics problems?[J].Physical Review Special Topics Physics Education Research.2013,9(2):020104.

[7]Ohno E,Shimojo A,Iwata M.Analysis of problem solving processes in physics based on eye-movement data[C]∥The Conference of International Research Group on Physics Teaching(GIREP)European Physical Society～Physics Education Division(EPS PED).Wroclaw:University of Wroclaw,2015:67.

[8]Smith A D,Mestre J P,Ross B H.Eye-gaze patterns as students study worked-out examples in mechanics[J].Physical Review Special Topics Physics Education Research,2010,6(2):020118.

[9]Andrzejewska M,Stolińska A,Biasiak W P,et al.Edukacja a nowe technologie w kulturze,informacji i komunikacji[M].Warszawa:Wydawnic two Naukowe Uniwersytetu Mikoiaja Kopernika.2015:273-288.

[10]Festinger L,Katz D.Research Methods in the Behavioral Sciences[M].New York:Dryden,1953:137-172.

(編輯: 鞏紅曉)

Application of Eye-tracking Technology in Modern Physics Teaching—Take the Vertical Throwing Motion as an Example

Tian Wei

(CollegeofScience,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

This paper explores a new technique for the study of physics teaching which is derived from the development of neuroanatomy,it is called eye-tracking.This paper presents a few application directions of eye-tracking technology as a new tool and new technology in physics teaching.The article focuses on the analysis and interpretation of how eye tracking data is used as a research method in physics teaching by analyzing the eye-tracking software.

eye-tracking;physicsteaching;heatmap;scanpath

2016-11-08

國家自然科學基金項目(10874118)

田 偉(1977-),男,講師。研究方向： 理論物理。E-mail:tianwei@usst.edu.cn

G 640

A

1009-895X(2017)01-0083-04

10.13256/j.cnki.jusst.sse.2017.01.016