孙鑫怡、詹敏、郑余斌、陈迪妹、叶剑强
温州大学化学与材料工程学院
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【摘要】 本研究基于眼动追踪探讨了手持技术对化学教师三重表征的影响。实验组通过观看手持技术实验视频，而对照组观看传统的实验视频。通过比较两组的三重表征测试结果和眼动追踪指标，手持技术对三重表征具有积极影响，并且实验组获取图像信息时表现明显更好。
【关键词】 三重表征、手持技术、眼动追踪
Abstract: This study investigated the effect of microcomputer-based laboratory on the triple representation of chemistry teacher based on eye tracking evidence. The experimental group completed the test by watching the experimental video of the microcomputer-based laboratory, while the control group watched the traditional experimental video. By comparing the triple representation test results and eye tracking indicators of the two groups, the results show that microcomputer-based laboratory has a positive effect on the triple representation, and the experimental group performed significantly better when acquiring image information under the influence of microcomputer-based laboratory.
Keywords: Triple-representation, Microcomputer-based laboratory, Eye tracking
1.前言
化学是对宏观性质、亚微观结构和化学符号的研究。学生能够将知识在这三个方面建立联系和过渡，获得对化学的透彻理解，这被称为三重表征思维，是学生在化学教育中有效学习必须培养的重要思维方式(Lin, Son, & Rudd, 2016)。三重表征的学习使学生能够从宏观、亚微观、符号及其关系的角度理解化学知识，并培养化学思维方式，使他们能够在面对真实和复杂的化学困境时深入灵活地思考。
尽管三重表征思维很重要，但学生在应用化学知识解决亚微观水平的实际问题时存在着困难。此外，他们还缺乏对符号表征的全面理解，这使得他们难以理解和应用通过宏观、亚微观和符号间联系所学到的知识(Ebenezer, 2001)。例如，学生经常难以描述物质水溶液中存在的颗粒，并且对符号和特定水平的水溶液中的溶解过程有误解(Adadan, & Savasci, 2012；Naah, & Sanger, 2013)。其主要原因是难以用肉眼直接观察微观粒子的行为变化。此外，学生拥有的抽象推理技能的程度可能会限制他们表征这些微观粒子的能力。
手持技术实验(microcomputer-based laboratory)在科学教育领域很普遍，特别是在中学化学教学的背景下与传统实验室相比，MBL在数据的采集、测量和呈现方式方面具有明显的优势(Tortosa, 2012)。MBL通过以实时和适应性强的方式显示数据视觉效果，为学生提供用户友好的资源，使学生能够测量粒子行为的变化，并通过将其与宏观现象联系起来来理解微观本质。自1980年代以来，已经对MBL在化学教育中的有效利用进行了大量研究(Nyachwaya, 2016)。MBL有可能促进学生认知框架的转变，并提高他们对图表解释等关键能力的熟练程度。Mokro为高中物理学生提供MBL，探究能否提高他们对距离和速度图的理解，结果显示学生的大部分进步归功于MBL的实时绘图能力(Mokros, & Tinker, 1987)。
MBL在科学教育中的应用引起了极大的关注，并取得了良好的效果。信度和有效性的评估主要通过纸笔测试和口头报告等传统方法进行，这些方法可能无法准确捕捉学生的认知过程。本研究采用眼动追踪技术，根据学生的眼球运动动态监测学生的认知过程，从而阐明视觉任务所涉及的内部认知过程(Margoum, Berrada, & Burgos, 2022)。眼动追踪技术是一种定量研究工具，可以跟踪和记录人们眼睛的自然和流畅运动，为学者提供新的视角。Rodemer采用眼动追踪技术来研究学习者将注意力分配给复杂和数据密集的可视化的方式，以及深入了解学生的视觉解码模式。研究结果表明，视觉表现中的视觉复杂性水平对学生表现出的视觉模式产生了显着影响(Rodemer, Eckhard, & Graulich, 2020)。
大多数关于化学教育的眼动追踪研究都是通过书面材料进行评估的，例如试题。现有的大多数文献通过注视次数和注视时间等指标来评估学生的认知负荷。本研究使用瞳孔直径来反映学生认知负荷的差异，使结果更具说服力。研究问题如下：
(1)手持技术能否有效促进化学职前教师的化学三重表征？
(2)不同学业水平的学生表现出怎样的认知机制？
2.研究方法
2.1.研究样本及设备
该研究的样本是温州大学二年级职前化学教师(N = 35)，在无机化学水平上没有观察到统计学上的显著差异(p>0.05)。随后，他们被分为实验组和对照组。根据每组无机化学的成绩，分为学优生、学中生和学困生。除了排除由于校准问题而未完成实验的三名参与者的数据外，还消除了超过五个标准差的极值。所有被试都有良好的视力。最终，确定27个被试，对照组13人，实验组14人。
这项研究使用Eye-Link 1000 Plus作为眼动追踪工具。该软件可以用作分析眼动追踪数据的工具，并允许定义和分析感兴趣的区域。根据收集的数据，在筛选处理后将其计入Excel，并使用SPSS 26.0进行分析。
2.2.研究设计
每位被试大概需要进行约30分钟的实验。实验组观看以MBL为特色的视频，而对照组则观看常规实验视频。视频内容分别是碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸的反应。实验组不仅可以观察实验现象，还可以分析动态数据和图表，而对照组只是解释实验现象。研究人员为不同的组别设计了不同的学习活动(如图1所示)。随后是三重表征测试和半结构化面试。本研究的眼动追踪测试实验材料由两道选择题和一道简答题组成。
图1.不同分组的学习活动
3.结果与讨论
3.1.MBL能有效提高学生的三重表征能力
对两组被试的成绩进行t检验，结果显示对照组与实验组检验分数差异显著(p<0.01)，实验组表现优于对照组。又对不同学业水平被试之间的差异进行分析。结果显示，实验组中不同学业水平的学生的分数与对照组差异显著(学优生：p=0.003<0.01，学中生：p=0.019<0.05，学困生：p=0.002<0.001)。根据三重表征测试的结果，可以推断实验组三重表征能力要高于对照组。MBL教学从复杂的自然环境中提取反应的本质，并模拟难以在视觉上观察到的现象。MBL通过图像增强学生对学科内容的理解和认知，支持学生在学习过程中的认知建构。
图2.不同学业水平的学生的三重表征测试结果
本研究将测试问题分为三个感兴趣的领域(Area of interest)，题干AOI、图片AOI和选项AOI。AOI注视时间是从参与者第一次进入AOI到切换到下一个AOI的所有注视和扫视时间的总和。AOI注视时间越长，被试处理该区域的难度就越大。结果显示，实验组的总固定时间小于对照组(图3)。在测试过程中，对实验组和对照组每个问题的图像固定注视时间进行筛选。第一个问题的图像注视时间在对照组和实验组之间差异显著(p=0.000<0.001)，第二个问题对照组和实验组之间的图片注视时间差异显著(p=0.042<0.05)，对照组和实验组在第三个问题的图像注视时间同样也存在显著差异(p=0.000<0.001)。根据AOI注视时间分析，实验组学生比对照组学生花在图像AOI上的时间明显更多。图像AOI受到实验组的更多关注，表明被试更倾向于在宏观和亚微观现象之间建立符号关联，而题干和选项AOI受到对照组的更多关注。这意味着被试更专注于解决文本信息的问题。实验组和对照组的AOI固定时间差异有统计学意义(p=0.003<0.01)。热图同样表现出了类似的结果，热图的颜色从绿色变为黄色和红色，红色代表对位置的最高关注程度。图4呈现了学术水平相似的两个学生在解决问题的方法上表现差异。
图3.实验组和对照组测试题中图像AOI注视时间的差异
图4.来自相同学业水平的两组被试的热图
化学学习与化学符号密切相关，学生表达化学符号的能力直接影响他们的推理和解决问题的能力，以及他们的化学学习水平。MBL为学习者提供了增强对科学研究的理解的机会。实验组的学生表现出较好的三重表征思维的倾向，并表现出能够在符号和宏观表征之间顺利过渡。有研究发现，MBL可以对学生的学习成果产生积极影响，支持用传统实验室取代MBL(Mokros, & Tinker, 1987)。因此，化学教师可以根据学科内容的特点探索三重表征教学，以视觉形式呈现潜在的表征过程，并将表征过程外化，帮助学生构建三重内部表征。
3.2.MBL能有效降低学习者的认知负荷
被试的瞳孔直径是认知负荷的指标，在他们观看刺激(例如视频材料)和回答问题时进行测量。直径越大，表示被试解决问题过程中的认知负荷越大。在这项研究中，最初测量了实验组和对照组的瞳孔直径。结果表明，对照组3个阶段的瞳孔直径均明显大于实验组，对照组和实验组瞳孔直径比较差异有统计学意义(p=0.000<0.001)。其次，在解决问题过程中，由于实验组的认知负荷低于对照组，对照组的瞳孔直径大于实验组，表明手持技术提高了被试的三重表征能力。
为了更精确地测量被试的认知负荷，将每个被试的初始瞳孔直径设置为基准值，并分别计算后续视频阶段与测试阶段与初始瞳孔直径之间的差异。在图5中说明了被试在观看实验视频和解决三重表征问题的任务期间，瞳孔直径相对于初始瞳孔直径的变化。由图可以看出，实验组和对照组中学优生瞳孔直径差异显著 (p=0.000<0.001)，实验组和对照组中学中生瞳孔直径差异显著(p=0.006<0.01)，实验组和对照组中学困生差异显著(p=0.000<0.001)。对照组学中生的认知负荷低于学优生和学困生的认知负荷。学优生保持稳定，学中生和学困生瞳孔直径差异逐渐增加。实验组学困生的认知负荷较低，瞳孔直径差异逐渐减小，学优生和学中生的瞳孔直径几乎保持不变。
图5.不同学业水平学生的瞳孔直径的变化
根据瞳孔直径差异结果，实验组的认知负荷小于对照组。由此可见，MBL为学生提供了脚手架，让学习者合理配置认知资源，在一定程度上减轻了他们的认知负荷。对照组在处理多重表征之间关系时彼此相对独立，无法流畅地处理，并且存在学习障碍，因此学生的认知负荷较大。MBL教学的使用促进了信息的有效传输，并为学生提供了更广泛的学习材料，包括真实的实验，动态视觉辅助工具和数据。此外，这种方法鼓励学生在多重表征之间建立联系，最终导致认知负荷降低。
3.3局限性
这项研究也有一些局限性，例如样本选择和教学干预的课时。由于时间限制，研究小组只选择一堂课进行实际研究。在后续研究中，应从更大的群体中随机选择更多的学生，以提高研究结果的说服力。此外，由于教育活动时间短，在教学实践中仅使用一种传感器，可能存在限制。
参考文献
Lin, Y. I., Son, J. Y., & Rudd, J. A. (2016). Asymmetric translation between multiple representations in chemistry. International Journal of Science Education, 38 (4), 644–662.
Ebenezer, J. V. (2001). A hypermedia environment to explore and negotiate students' conceptions: animation of the solution process of table salt. Journal of Science Education and Technology, 10 (1), 73-92.
Adadan, E., & Savasci, F. (2012). An analysis of 16–17-year-old students' understanding of solution chemistry concepts using a two-tier diagnostic instrument. Journal of Science Education & Technology, 34 (4), 513-544.
Naah, B. M., & Sanger, M. J. (2013). Investigating students’ understanding of the dissolving process. Journal of Science Education & Technology, 22 (2), 103-112.
Tortosa, Montserrat. (2012). The use of microcomputer based laboratories in chemistry secondary education: Present state of the art and ideas for research-based practice. Chemistry Education Research and Practice, 13 (3), 161-171.
Nyachwaya, J. M. (2016). General chemistry students' conceptual understanding and language fluency: acid-base neutralization and conductometry. Chemistry Education Research & Practice, 17 (3), 509-522.
Mokros, J. R., & Tinker, R. F. (1987). The impact of Microcomputer Based Labs on children's ability to interpret graphs. Journal of Research in Science Teaching, 24 (4), 369–383.
Rodemer, M., Eckhard, J., & Graulich, N. (2020). Decoding Case Comparisons in Organic Chemistry: Eye-Tracking Students' Visual Behavior. Journal of Chemical Education, 97 (10), 3530-3539.
Margoum, Sofifia., Berrada, K., & Burgos, D. (2022). Microcomputer-Based Laboratory Role in Developing Students’ Conceptual Understanding in Chemistry: Case of Acid−Base Titration.Journal of Chemical Information & Modeling, 99 (7), 2548-2555.
