魏利利　朱艳梅

摘 要 学生解决科学问题的能力是其科学素养的一个重要体现。在基于文本和图形的科学问题的解决过程中，眼动追踪在一定层面上反映了科学问题解决过程中的即时认知加工过程。通过眼动的实时测量，研究者可以获得个体对科学问题信息加工的实证数据，从而在一定程度上揭示了个体在问题解决过程中的认知机制。本文主要对近期国内外在科学问题解决方面的一些眼动研究成果进行了总结，以期为国内学者进行此类研究提供一定的借鉴。

关键词 科学问题解决 眼动 认知机制

中图分类号：G842 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.10.017

Eye Movements Research on Scientific Problems Based on Text and Graphics

WEI Lili， ZHU Yanmei

（Key Laboratory of Child Development and Learning Science， Ministry of Education， Center for Learning Science， Southeast University， Nanjing， Jiangsu 210096）

Abstract Students' ability to solve scientific problems is an important manifestation of their scientific literacy. In the process of solving scientific problems based on text and graphics， eye tracking can reflect the process of immediate cognitive processing in scientific problem-solving. Through real-time measurement of eye movements， the researchers can obtain individual empirical data on the processing of scientific problems， thus revealing the cognitive mechanism of individuals in problem solving to a certain extent. This paper mainly summarizes some eye movement research results in recent domestic and international scientific problem solving， in order to provide some reference for domestic scholars to do such research.

Keywords scientific problem solving； eye movement； cognitive mechanism

0 引言

发展学生的科学素养，培养创新型人才是科学教育的目标，也是我国十三五规划的重要战略方向之一。[1]培养与提高学生解决科学问题的能力则是实现这两个宏伟目标的基础。科学问题的解决，更是一个不断探索与反思的过程。在该过程中，学生的问题意识得以加强、解决问题的能力不断提高，逐渐积累的经验与深刻的反思更加有助于学生创造力的发展。[2]在我国，科学课程主要设置在基础教育阶段，根据这一阶段学生身心发展的特征和认知发展的特点，科学问题多以文本和图形的形式呈现。因此，研究解决此类科学问题的认知过程，对于深入理解学生科学思维发展、有效提高学生科学素养、培养创新型人才都具有重要意义。

科学问题解决的经典研究方法以訪谈、报告、考试等形式为主，通过这些方法获得个体解题的正确率、个体解题时的错误概念、个体解决问题的策略等信息。[3]这些经典研究能够在一定程度上反映出个体在解决科学问题时的认知方式与结果，但也存在一定的局限性，从而在一定程度上影响研究结果的客观性。[4]为了弥补这些方面的不足，近年来，研究者开始采用眼动追踪技术记录、分析个体解决科学问题时客观、详细的眼动数据，探索科学问题解决的认知过程。

眼动跟踪（eye tracking）被认为是视觉信息加工研究中最有效的技术手段之一，通过收集个体眼动的实时数据，对视觉信息选择模式进行分析，从而揭示个体的认知过程。本文主要阐述目前解决基于文本和图形的科学问题的眼动研究成果，在此基础上提出此类研究对于科学教育的启示。

1 常用眼动指标

眼动研究中常用的眼动指标是：注视（fixation）、眼跳（saccade）、回视（regressive eye movement）和瞳孔大小（pupil size）。

1.1 注视

注视是指物体的光线落在视觉最敏锐的中央窝上的时间长于100 毫秒。[5]大部分的视觉信息也正是通过注视获得的。与注视相关的具体眼动指标包括：总注视持续时间、总注视持续时间百分比和平均注视持续时间。总注视持续时间表明个体信息加工的总时间，总注视持续时间百分比显示个体视觉或认知注意在各区域的分配方式，平均注视持续时间是指个体信息加工的平均时间。[6]不同个体在上述三类注视指标上的差异反映出他们对视觉材料的认知加工程度、心理努力程度和注意分配的差异，一般来说，较高的注视指标意味着更深入的认知加工、更多的心理努力和更复杂的注意分配，而较低的注视指标则对应着较浅的认知加工、更少的心理努力和更简单的注意分配。

1.2 眼跳endprint

眼跳是指眼睛搜索观察物体时，眼睛从一个位置向另一个位置的突然跳动。[7]所以，眼跳主要实现的是对视野的快速搜索和对视觉信息的选择。具体的眼跳指标为：眼跳路径、眼跳次数和眼跳顺序。注视和眼跳之间产生的一个眼睛运动的过程被称为一个眼跳路径，眼跳次数是指眼睛从一个位置到另一个位置快速运动的数量，眼跳顺序是指眼睛在物体上快速运动的次序。不同个体在上述三类不同眼跳指标上的差异反映了他们对问题信息的不同选择，以及采用不同认知策略。

1.3 回视

回视是对处理过的信息的重新审视和解释。具体眼动指标是回视区域 和回视次数。回视区域是个体对先前处理过的信息重新审视的区域，回视次数是个体对先前处理过的信息重新审视的次数。这两个指标往往与问题的难度水平和个体的工作记忆能力水平密切相关。回视区域一般是问题的关键区域，回视次数越多，意味着问题的难度水平越高，个体的工作记忆能力水平越低。

1.4 瞳孔大小

瞳孔是眼睛内虹膜中心的小圆孔，是光线进入眼睛的通道，瞳孔大小的变化调节进入眼睛的光量。以往研究表明记忆、知觉、语言加工、思维、动机、情绪等高级心理活动与瞳孔大小的变化有关。

2基于文本与图形的科学问题解决的主要眼动研究

2.1 专家与新手在科学问题解决时的眼动差异

专家与新手的比较研究是认知心理学家研究专门领域知识时经常采用的方法。专家是指在某个领域或方面有专长的人，新手是指初涉某个领域或方面的人。专家善于解决本领域的问题，以更深的水平表征问题，以较大的意义单元加工信息，记忆容量大，解决问题的速度快，具有更好的自我监控能力。而新手初涉本领域知识，知识间相对独立，知识呈现方式单一，解决问题时通常存在一定的困难。

眼动研究发现，专家和新手在解决基于文本与图形的科学问题时，在注视、回视和眼跳等眼动指标上存在显著差异。在注视时间上，专家的总注视持续时间一般少于新手。在注视持续时间的具体分配上，专家更多的时间花费在图形和与图形信息有关的文本上，而新手较多的时间花费在阅读整个文本上。[8]在注视点的分布上，专家的注视点集中在问题的文本与图形的关键区上；而新手的注视点分散在科学问题呈现的整个区域上。[9]在回视和眼跳上，专家的回视和眼跳主要集中在文本与图形之间、图形与图形之间，而新手的回视和眼跳主要发生在文本的各部分之間。由于回视有助于个体对文本和图形进行深度加工，专家在文本与图形上反复阅读，表明他们可以更好地协调和整合文本与图形相关信息。专家在解决科学问题时，重点更突出、更善于整合各类信息，因此，可以更好地把握科学问题的关键，进行更深入的加工，高效快速地解决问题。[10]而新手主要通过文本获取信息，知识表征方式单一，难以把握问题的本质，因而解决问题的时间较长，正确率较低。

2.2 不同心理负荷条件下个体在解决科学问题时的眼动差异

心理负荷指单位时间内个体承受的心理活动工作量。[11]有关研究发现，任务特征和学习者特征影响心理负荷的大小。眼动研究发现，学生在解决基于文本和图形的科学问题时，其心理负荷的差异可以通过眼动指标的差异来反映。Lin， J.J.H和Lin， S.S.J通过把问题分成不同难度水平来测试问题解决者的心理负荷水平。当学习者特征一致时，解决高难度问题时的注视持续时间、眼跳和回视次数、瞳孔直径均明显多于解决低难度问题时的情况。[12]当问题特征一致时，不成功的问题解决者在问题上的注视时间、眼跳和回视次数、瞳孔直径均显著多于成功的问题解决者。[13]在该研究中，注视持续时间、眼跳与回视次数、瞳孔直径与个体在问题解决过程中的心理负荷成正相关。[14]

2.3 不同性别个体在解决科学问题时的眼动差异

Po-Sheng Huang、Hsueh-Chih Chen等人曾以正确率为指标，研究在解决基于文本与图形的科学问题中是否存在性别差异，研究结果显示，男、女个体在解决此类科学问题的正确率上不存在显著的差异。[15]然而，眼动研究却表明，男、女个体在解决此类科学问题时，其眼动模式存在显著的差异。当解决问题不受时间限制时，女性的总注视持续时间显著多于男性。在注视时间的分配上，女性在文本和问题上花费较长的时间，而男性在图形和问题上花费较长的时间。女性在文本与问题之间的眼跳和回视显著多于男性，而男性在图形与问题之间的眼跳和回视次数则显著多于女性。[16]

上述眼动指标的差异反映了女性与男性在解决科学问题时采用不同的认知策略。女性表现为特别关注问题解决的精确性，她们花更多的时间阅读文本，频繁地比较文本与图形之间的信息，解决问题更加缓慢、谨慎。而男性往往表现出一个快速的决定性反应，他们花更少的时间阅读文本，重点阅读与图表信息相关的文本，在整合两方面信息的基础上迅速总结他们的答案。[17]

2.4 不同场认知风格的个体在科学问题解决时的眼动差异

场，就是环境，心理学家把外界环境描述为一个场。一般认为判断事物以自己内部参照为主的个体是场独立者；而以所处的周围环境为主要判断标准的个体为场依存者。在注意、记忆、知觉、问题解决等领域，场依存—场独立型的认知风格表现较为明显。[18]

眼动研究发现，具有不同场认知风格的个体在解决科学问题时表现出不同的眼动指标。在解决中等难度试题时，在无关信息的注视次数和时间上，场依存者明显多于场独立者；当解决难度较高的试题时，场独立者对无关信息的注视次数、回视次数和总注视时间显著少于场依存者。[19]上述眼动指标差异表明：场独立者能够高效地抑制干扰信息，打破原有的认知结构，具有较强的认知改组能力。因此，在解决高难度或复杂的科学问题时，场独立者具有明显的优势。而场依存者易受无关信息的影响，在解决新问题、复杂问题时缺乏灵活性，但是他们擅于解决熟悉问题。[20]

3 如何提高基于文本与图形的科学问题的解决效率endprint

基于目前关于文本与图形的科学问题解决的眼动研究，对如何提高此类问题的解决效率提出以下建议：

第一，在设计科学问题时，教师与设计者要意识到学生心理负荷的来源。问题特征和学习者特征是影响心理负荷水平的重要因素。问题中信息因素的数量、信息因素相互作用的水平和心理操作的水平是学生心理负荷的主要来源。因此，教师与设计者在设计科学问题时，要很好地设计问题的信息因素数量、因素相互作用水平和心理操作水平，以减少学生不必要的心理负荷，从而使学生可以更好地理解和解决问题。

第二，教师和课程开发人员应该认真考虑如何使用文本和图形材料来促进学生的学习。在阅读文本和图形信息时，新手型学生主要是从文本中获取信息；而专家型学生是通过整合文本和图形获得信息的。[21] 通过整合文本和图形的方法获取信息，不仅可以促进学生深入地学习，而且可以改善学生的高阶认知技能。因此，在教学活动中，要根据学生掌握相关知识的不同阶段来设计科学问题，层层递进，逐步深入到科学问题中，从而不断地提高不同专业水平学生的问题解决能力。

第三，在基于文本与图形的科学问题的解决过程中，要注意到学习者的性别差异。在问题解决的过程中，眼动指标上存在一定的性别差异，可能是由于时间的限制和对问题的不同反应造成的。因此，在科学问题解决的过程中，尽量减少时间因素对学生解决问题的影响。为了使女生和较慢的学生具有充分的时间去阅读和整合科学问题，教师可以因人而异地设置活动和考试的时间。这样不仅可以使他们更全面地了解内容，而且可以让他们展现最佳的表现水平。同时教师要注意到个体对问题的不同反应，减少问题解决过程中的干扰因素，提高问题解决的效率。为了提高学生的科学学习，教師可以采取不同的教学策略，如提醒男生仔细阅读文本，或教女生如何从文本和图表中整合信息。

综上所述，眼动追踪技术为建立科学学习结果与内在认知过程的联系提供了一个有力的途径，也为探索促进学生科学问题解决能力的可能途径提供了科学依据。

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