信息可視化技術對化學三重表征轉換學習效果影響的眼動實驗研究

張桂花 李遠蓉 王強

摘要： 信息可視化技術與學科教學的融合能促進學生學科素養的發展。在多媒體課件中引入焦點-背景（F+C）技術能幫助學生建立不同知識點之間的聯系。首次提出“三重外部表征呈現策略”，從三重外部表征角度使表征過程外顯化，幫助學生建構三重內部表征。將12名高一學生分為實驗組和對照組進行研究，結果表明，基于F+C課件的三重外部表征呈現策略，能有效地引導學習者的注意力，幫助學習者合理分配認知資源，對學習效果有顯著的促進作用。

關鍵詞： 焦點-背景技術； 三重表征轉換； 眼動實驗； 學習效果

文章編號： 1005-6629（2022）11-0026-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

在頭腦中形成對化學知識的宏觀、微觀和符號表征并建立三者間的有機聯系，培養學生三重表征及其轉換的化學思維，是發生有效化學學習的關鍵。調查發現學生的三重表征轉換能力較弱［1，2］，如何提高學生的三重表征轉換能力？改善三重表征轉換的學習效果？

國內關于幫助學生建立三重表征轉換思維的教學策略研究很少，關于促進學生三重表征轉換思維培養的呈現策略研究處于空白狀態。雖然已有研究指出化學三重表征的教學策略應側重于三重外部表征過程的外顯化，但尚未明確在教學中以什么為載體、通過何種方式、如何合理地呈現。隨著信息技術的發展，國外研究者開始基于計算機多媒體可視化技術，探索建立三重表征間聯系、促進三重表征轉換的教學策略［3］。

三重表征分為三重外部表征和三重內部表征。外部表征是對化學宏觀、微觀、符號知識的外在呈現形式，內部表征是指三種知識在學習者頭腦中的加工與呈現形式。其中，外部表征直接影響著內部表征。因此，化學教學中需要合理呈現化學知識的外部表征，以幫助學生完成內部表征的建構［4］。

焦點-背景技術，即Focus+Context技術，簡稱F+C技術，是一種通過優化信息空間的配置，合理組合焦點信息和背景信息，實現優化信息體系框架結構的信息可視化技術。研究表明，在PPT課件中引入F+C技術，能幫助學生建立知識點之間的聯系，有助于學生對內容進行全局把握和系統學習［5］。因此，在化學課件中引入信息可視化技術，探討焦點-背景技術在培養學生三重表征轉換化學思維中的特點是研究者亟待解決的課題，這對于深入研究和發展三重表征及轉換理論，并將其應用于指導教學實踐具有重要的理論意義和實踐價值。

基于已有研究成果，從信息可視化和認知心理學的視角出發，將焦點-背景技術引入PPT課件中，提出基于F+C課件的“三重外部表征呈現策略”，即以PPT課件為載體，呈現相關的知識標題，并按照教學材料中三種知識的教學順序，在視覺層面上依次呈現“宏觀”“微觀”“符號”對應的知識，從三重外部表征角度使表征過程外顯化，幫助學習者完成三重內部表征的建構，使學生形成三重表征思維，在三種表征之間靈活轉換。

本研究以測試題、多媒體課件為載體呈現三重外部表征，用眼動研究法探究學生三重內部表征的形成過程。分析三重外部表征呈現策略對三重表征轉換學習效果的影響，并探究三重外部表征呈現策略下學習者的注意分配和認知加工特點，從學習結果和學習過程兩個角度探究三重外部表征呈現策略對學習者學習效果的影響并揭示學習者內部學習機制。

2 研究方法

2.1 實驗目的

探究基于F+C課件的三重外部表征呈現策略對學習者三重表征轉換學習效果、學習者認知加工活動的影響。

2.2 眼動實驗工具

采用GaZe Tech mini眼動儀記錄眼動數據，用錄音筆記錄訪談內容，結合訪談內容深入分析眼動數據。

2.3 被試

進行分層抽樣，選取C市J中學（教學質量為C市中等水平）高一年級12名學生。考慮到學生差異，根據最近兩次化學考試成績，在不同性別和不同學業水平的學生中分別隨機抽取1名，分為對照組、實驗組，被試基本情況見表1。

2.4 實驗材料

2.4.1 兩種類型多媒體課件

學習材料內容選自高中化學人教版必修2第一章第三節“化學鍵”，參照課標和15位在職高中化學教師人教版的課件、教學設計，結合本研究被試情況，制作出兩種類型的課件：傳統課件、F+C課件，并請8位具有高中化學教學經驗的教師進行評價。

F+C課件是三種知識和知識標題均采用焦點-背景技術的課件，即在學習某一種知識（焦點信息）時，頁面左邊的背景區域按照教學順序依次具體呈現三種知識（背景信息A），頁面上方的背景區域呈現與當前所學知識相關的知識標題（背景信息B）。傳統課件，是沒有采用焦點-背景技術的課件，即每頁教學課件中僅呈現該知識標題下的一種知識（焦點信息），如圖1所示。

F+C課件

傳統課件

以微課為形式載體呈現課件內容，將課件錄屏，結合教師講解制成微課，最終形成兩種類型的微課：微課1（F+C課件）、微課2（傳統課件）。微課只是課件的形式載體，兩種微課的本質差異是課件的不同，為便于描述，下文中用“課件類型”來代替“微課類型”。

2.4.2 學習效果測試題

學習遷移是檢驗教學質量的最可靠指標，實質是原有知識在新的情境中的運用。根據遷移方向可以分為順向遷移和逆向遷移，順向遷移為先前的學習對后繼學習的影響，逆向遷移為后繼學習對先前學習的影響［6］。為考察學生將知識運用于新情境的能力，以教學材料的轉換方向（宏觀→微觀→符號）為基礎，結合多維分析系統（MAS系統）［7］的研究方法，改編形成測試題編碼規則，即根據測試題考察的物質在課件中是否講解過以及測試題所呈現的知識轉換的方向與教學材料轉換方向是否一致，設置0、 1、 2、 -2四種水平。編制12道三重表征轉換測試題。其中，1～9題為單項選擇題，10～12題為非選擇題（2-1～2-6）。1-1～2-2考察一種表征到另一種表征的轉換，為兩維轉換；2-3～2-6考察一種表征到另外兩種表征的轉換，為三維轉換。測試題與編碼規則對應見表2，每小題為1分，答對記1分，答錯或不答計為0分，滿分15分。試題經1名大學化學教育專業教授和4名經驗型高中化學教師審核、修改，確保測試題的內容效度。

2.4.3 認知負荷量表

為全面地衡量學習者的認知負荷大小，一方面利用瞳孔面積標準差，另一方面采用了應用廣泛的PAAS量表［8］來綜合衡量學習者的認知負荷。該量表由兩部分組成，采用九點計分，要求被試在完成學習任務后根據自己的感受從1～9中選擇一個合適的數字分別對學習過程中的心理努力和任務難度進行評價。“9”表示非常努力和非常困難，“5”表示一般努力和一般難度，“1”表示最少努力和非常容易。量表得分為兩部分之和，分數越低，被試在學習過程中產生的認知負荷越低。

2.5 實驗設計

采用單因素兩水平（課件類型）被試間實驗設計。自變量為多媒體課件類型（傳統課件、F+C課件），因變量為學習者的學習效果、眼動數據和認知負荷。

2.6 實驗過程

以J中學高一自習室作為眼動實驗室，實驗時間共50分鐘，步驟如下：

（1） 被試進入眼動實驗室，熟悉實驗環境，宣讀指導語。

（2） 助手打開眼動儀，被試坐下，調整坐姿平視屏幕中央，實驗過程中保持不動。

（3） 被試獨立學習，利用眼動儀記錄學生眼動數據。

（4） 被試休息，隨后完成測試題，填寫認知負荷PAAS量表和基本信息問卷。

（5） 主試對被試進行非結構式訪談，實驗結束。

3 數據分析

3.1 學習效果分析

不同課件類型下，被試得分情況如下，見表3。由表可知，實驗組（F+C課件）被試在不同水平、不同維度上平均值均高于對照組（傳統課件），說明基于F+C課件的三重外部表征呈現策略對三重表征轉換學習效果有促進作用。

3.2 認知負荷分析

3.2.1 利用PAAS量表分析認知負荷

由表4可知，實驗組被試認知負荷平均值低于對照組，即F+C課件可以降低學習者的認知負荷。

3.2.2 從眼動數據分析認知負荷

選取眼動數據中瞳孔面積標準差來反映學習者的認知負荷，此值越大認知負荷越高，越小則認知負荷越低（見表5）。分析可知，實驗組被試瞳孔面積標準差平均值小于對照組，結合PAAS量表的分析結果，說明基于F+C課件的三重外部表征呈現策略可以降低學習者的認知負荷。

實驗結束后，對實驗組學生進行非結構式訪談。提問：“你有注意到背景區中的內容嗎？它會幫助還是妨礙你的學習？”一位學生表示：“兩個都注意到了，可以幫助我的學習。當PPT中出現的內容我學會了，我就去看左邊，再看上面，但是這個時候我還是注意聽老師的講解。”另一位學生表示：“都注意到了，我注意左邊的時間更多，上面的知識我也看了，對我的學習也有作用。左邊有本節的知識總結，剛講完一個知識后，看到左邊的方框就可以回想起來，幫助我記憶這節課講了什么。如果我之前走神了，這個可以讓我明確老師講到哪里了。”可見，三重外部表征呈現策略在傳統課件的基礎上適當地添加了提示信息，使學習者合理分配了認知資源，因而在一定程度上降低了學習者的認知負荷。

3.3 眼動數據分析

為更好地理解被試對課件中各區域的注意分配情況，將F+C課件劃分為三個興趣區（AOI）：焦點區、背景區A（三種表征）、背景區B（知識標題），傳統課件只有焦點區。

3.3.1 課件類型對興趣區總注視時間的影響

興趣區總注視時間是指在劃分的興趣區內注視的總時間，用來反映學習者對該內容的加工深度或關注程度。

由表6可知，實驗組在焦點區總注視時間比對照組低，說明被試在學習F+C課件時對焦點區的關注程度有所降低，將部分關注分散到其他區域。由此推測，三重外部表征呈現策略提高學習效果的原因是因為除焦點區信息之外，被試還利用了背景區信息。

由表6可知，實驗組被試在背景區A的總注視時間高于背景區B，說明實驗組被試在學習過程中更多地關注和利用了背景區A中的信息，即背景區A中的三種表征信息對學生三重表征轉換的學習有促進作用。

3.3.2 課件類型對注視熱點圖的影響

注視熱點圖能直觀地反映學習者的感興趣區域，通過顏色深淺變化形象地顯示學習者對不同內容的關注程度。注視點密集的區域為紅色（深色部分），隨著注視點密集程度降低，顏色由紅變黃最后到綠。

由圖2可以發現，實驗組與對照組熱點圖在焦點區主要為紅色，焦點區被紅色、黃色、綠色覆蓋，說明被試的注意主要集中于焦點區。同時，實驗組背景區A、背景區B有黃色、綠色分布，背景區A的顏色較深，以紅色、黃色為主；背景區B顏色較淺，以黃色、綠色為主，說明實驗組被試還將部分注意分配到背景區A、 B，且對背景區A的關注程度比背景區B的關注程度高，說明對背景區A的三種表征信息進行了更深的認知加工。

3.3.3 課件類型對眼跳次數的影響

眼跳次數是注視點之間的轉換次數，體現實驗材料對學習者注意的分配和引導。F+C課件增添了與三種表征和知識標題相關的提示性信息，動態地呈現了知識的轉換過程，在教學過程中給予學習者即時的反饋。由表7可知，實驗組被試眼跳次數高于對照組，這表明：在有背景區信息的情況下，學習者在焦點區和背景區之間進行了更多地組織和加工，有利于學習者在認知加工過程中對表征信息不斷從三重表征角度進行深度整合，形成三重表征思維，并且利用背景區B的知識標題信息對整體的知識范疇進行了更加合理的認知，說明被試在學習時基于F+C課件的三重外部表征呈現策略能對學習者的注意進行合理地分配和引導。

3.3.4 課件類型對眼動軌跡的影響

眼動軌跡是眼睛注視過程中視線所經過的移動路徑，即各個注視點之間按時間順序的連線。圖3、圖4是兩組被試學習時典型頁面的眼動軌跡圖，每個圓點表示一個注視點，注視點越多，表示被試越關注。

3.3.4.1 宏觀向微觀轉換

當學習內容從宏觀知識轉換到微觀知識時（見圖3），實驗組、對照組被試在焦點區微觀知識的注視點密度相當，說明兩組被試對焦點區微觀知識的加工深度相近。同時，實驗組被試的注視點在三種表征信息背景區A也有分布，眼動軌跡反復在焦點區和背景區之間掃視，說明由宏觀向微觀轉換時，實驗組被試借助背景區中相關的宏觀、微觀信息進行認知加工，不僅復習了宏觀知識，還能促進對焦點區（即微觀知識）的學習。同時，學習者開始在頭腦中建構三重表征知識體系。此外，被試還從背景區B獲得了知識標題信息，強化對焦點區知識所屬范疇的認識。

3.3.4.2 微觀（宏觀）向符號轉換

當學習內容從微觀（宏觀）轉換到符號知識時（見圖4），實驗組被試的眼動軌跡先集中于焦點區符號知識，對焦點區符號知識進行深度理解加工。同時，學習者也在焦點區和背景區之間掃視，在頭腦中利用背

景區A的三種表征信息對“NaCl形成”的三種知識進行深度整合與加工，建立關于“NaCl形成”這一知識三種表征之間的有機聯系，使學習者形成三重表征思維方式，達到在三種表征之間靈活、自由地轉換。

4 結論與啟示

4.1 結論

首先，F+C課件的三重外部表征呈現策略對三重表征轉換學習效果有影響，表現為促進作用。

其次，F+C課件的三重外部表征呈現策略對注意分配有影響。當使用三重外部表征呈現策略時，實驗組被試對焦點區的關注程度會有所降低，將部分關注分散到其他區域；同時，實驗組被試眼跳次數顯著增加，將部分注意分配到背景區。其中，背景區A中的三種表征信息更能吸引學習者的注意。可見，三重外部表征呈現策略有效地引導了學習者的注意力，幫助學習者合理地分配認知資源，使學習者在有限時間內將認知加工資源更多地集中于三種表征信息的理解和整合。

再次，F+C課件的三重外部表征呈現策略對認知負荷有影響。PAAS量表和瞳孔面積標準差分析結果表明，三重外部表征呈現策略可以降低學習者的認知負荷。結合訪談資料，本研究認為三重外部表征呈現策略在傳統課件的基礎上適當地添加了提示信息，使學習者合理分配了認知資源，所以在一定程度上降低了學習者的認知負荷。

4.2 啟示

首先，結合教學內容特點，合理使用三重外部表征呈現策略。從視覺可視化層面幫助學生“看到”三種表征間的動態轉換過程和聯系，實現表征過程的可視化，從而幫助學生在頭腦中完成三重內部表征的意義建構。在化學教學過程中，教師要根據教學內容的特點，挖掘知識點的三重表征，合理使用三重外部表征呈現策略把潛在的表征過程用可視化的形式呈現出來，將表征過程外顯化，幫助學生建構三重內部表征。

其次，合理設計多媒體課件，提高多媒體課堂教學效率。研究發現，根據教學重難點，合理規劃課件頁面布局，選擇合適的呈現方式，設計符合學生思維特點、認知規律的課件，能大大促進學生的學習［9］。基于此，在課件結構上，可采用模塊化思想，將傳統的線性結構變為焦點-背景的非線性結構，把課件設計成利于學生學習的導航器，增強課件與學習者的交互性［10］。然后，在課件內容的呈現順序上，要能反映學習內容的層次性。

再次，利用先進的教育研究技術，揭示學生的認知加工過程。在已有的教學實踐研究中，紙筆測驗是研究者驗證教學策略有效性的主要研究方法。然而，該方法僅從學習結果的角度檢驗教學策略有效性，缺乏從學習過程視角探析學生認知加工活動的相關研究。可以結合先進的眼動追蹤技術，全方位地了解學生學習效果和認知加工特點，探究學生學習過程差異，以便對學生進行準確地指導。

參考文獻：

［1］ 元春暉. 朝、漢族高中生化學三重表征轉換能力的比較研究［D］. 延邊：延邊大學碩士學位論文， 2013.

［2］ Dori Y J， Hameiri M. Multidimensional Analysis System for Quantitative Chemistry Problems： Symbol， Macro， Micro， and Process Aspects ［J］. Journal of Research in Science Teaching， 2003， 40（3）： 278～302.

［3］ Wu H K， Krajcik J S， Soloway E. Promoting understanding of chemical representations： Students' use of a visualization tool in the classroom ［J］. Journal of Research in Science Teaching， 2001， 38（7）： 821～842.

［4］ 張丙香， 畢華林. 化學三重表征的含義及其教學策略［J］. 中國教育學刊， 2013，（2）： 73～76.

［5］ 鄭燕， 曾國芬， 余曉雯等. 焦點-背景技術在PPT課件標題制作中的應用［J］. 浙江理工大學學報， 2014， 32（12）： 530～534.

［6］ 皮連生主編. 教育心理學 ［M］. 上海： 上海教育出版社， 2004： 261～262.

［7］ 張怡納. 基于MAS問題編碼的化學三重知識表征研究［D］. 上海：華東師范大學碩士學位論文， 2008.

［8］ Paas F G W C， Van Merrienboer J J G. Instructional control of cognitive load in the training of complex cognitive tasks ［J］. Educational Psychology Review， 1994， 6（4）： 351～371.

［9］ ［美］理查德·E.邁耶著. 牛勇等譯. 多媒體學習［M］. 北京： 商務印書局， 2006： 53～54.

［10］ 耿建民. 基于課堂教學的多媒體課件設計研究［J］. 中國電化教育， 2011，（6）： 85～88.