基于眼動追蹤技術(shù)的化學(xué)師范生自我效能感對問題解決的影響研究

孫靜 李淑萍 東婉瑩 薛亮

摘要： ?以化學(xué)反應(yīng)原理相關(guān)試題作為測試材料，采用眼動追蹤技術(shù)對12名化學(xué)師范生進行2（自我效能感水平）×3（試題難度）兩因素混合實驗，實驗結(jié)束后通過口語報告描述解題思維過程。結(jié)果表明在化學(xué)反應(yīng)原理問題解決過程中，自我效能感水平高的師范生，信息加工速度快、關(guān)鍵信息注視度高、更堅信自己提取信息的正確性，對于信息的提取具有較強針對性;低水平的師范生信息加工速度慢、關(guān)鍵信息注視度較為廣泛，不夠堅信自己所獲取的信息和加工結(jié)果的正確性，需要做反復(fù)檢驗。

關(guān)鍵詞： ?眼動追蹤; 自我效能感; 師范生; 問題解決

文章編號： ?1005 6629（2022）08 0024 06

中圖分類號： ?G633.8

文獻標識碼： ?B

1 問題的提出

科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的當代社會，各國力求培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才，這其中發(fā)現(xiàn)和解決問題能力、批判思維能力處于核心地位[1]?；趯W(xué)科的問題解決是問題解決能力的重要組成，是問題解決發(fā)展的高階階段[2]，上世紀七十年代，“問題解決”的研究就開始展現(xiàn)出認知心理學(xué)理論與學(xué)校教學(xué)實踐密切結(jié)合的特點?；瘜W(xué)是基本科學(xué)科目，對化學(xué)問題解決的研究，就是對自然科學(xué)問題解決的研究。多項研究表明，問題解決能力除了受基礎(chǔ)知識、記憶、思維能力等智力因素影響之外，還受興趣、意志力、信念等非智力因素的影響[3]。其中，班杜拉提出的自我效能感理論是重要的非智力因素，是行為主體對自身能否順利完成某項工作的主觀判斷。國內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生自我效能感和學(xué)業(yè)成績呈顯著正相關(guān)[4]，并對學(xué)生學(xué)習(xí)策略有重要影響[5]。教師是培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力的關(guān)鍵因素，師范生是未來的教師，可塑性強，因此研究自我效能感對師范生的問題解決能力的影響是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵。

整理現(xiàn)有文獻，侯曉莉在探究非智力因素對中學(xué)生數(shù)學(xué)問題解決能力的影響時，用調(diào)查問卷測評非智力因素和問題解決能力[6];李博在探究高中生化學(xué)信息轉(zhuǎn)換能力培養(yǎng)策略時，用問卷調(diào)查法測評高中生信息轉(zhuǎn)換能力[7]。由此可見，目前對于問題解決能力的研究主要是口語報告法，該方法一定程度上能夠反映被試內(nèi)部思維能力，但是受到記憶偏差等各種外部因素影響，會存在擾亂思維的現(xiàn)象，停留在質(zhì)性研究階段，缺乏較為客觀的、科學(xué)的量化研究數(shù)據(jù)[8]。

眼動追蹤技術(shù)是通過紅外技術(shù)在被試不接觸屏幕的情況下收集眼球運動信息，從而得到被試的信息獲取、建模與模擬。眼睛-心理假設(shè)認為： 人的眼睛收集外界80%以上的信息，眼睛活動過程體現(xiàn)大腦處理信息的過程。因此，可以通過眼球運動數(shù)據(jù)分析被試的信息加工和認知過程[9]。對于問題解決研究，問卷調(diào)查和口語報告是常用方法，但該方法缺乏一定的客觀性，容易受外界因素影響。隨著心理研究技術(shù)發(fā)展，眼動追蹤技術(shù)剛好可彌補傳統(tǒng)方法的不足，使問題解決研究過程更科學(xué)、客觀[10]。目前，眼動追蹤技術(shù)廣泛應(yīng)用于心理學(xué)、商業(yè)廣告等，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用較少且對象都為中學(xué)生。 師范生是未來的教師，他們所具備的問題解決能力會對學(xué)生發(fā)展產(chǎn)生舉足輕重的影響，因此對于師范生問題解決思維過程的科學(xué)研究至關(guān)重要。

基于以上特點，本研究采用眼動追蹤技術(shù)，對自我效能感做水平劃分，研究化學(xué)師范生問題解決時的認知加工過程，揭示問題解決思維過程。研究的問題主要是： 不同自我效能感水平的師范生解決相同難度問題的差異;相同自我效能感水平的師范生解決不同難度問題的差異。

2 實驗方法

2.1 實驗設(shè)計

測量50名化學(xué)師范生自我效能感，根據(jù)測試成績的相對高低分為低水平和高水平自我效能感，在兩個水平基礎(chǔ)上分別選擇六名師范生進行眼動技術(shù)追蹤;通過完成化學(xué)反應(yīng)原理試題時的眼動追蹤來了解不同效能感水平師范生化學(xué)問題解決的思維過程，試題難度分為簡單問題、中等難度問題和復(fù)雜問題。

2.2 被試

采用隨機分層抽樣法在陜西某高校選取高水平自我效能感（≥25分，占54%）、低水平自我效能感（<25分，占46%）各6名、共12名化學(xué)師范生，所有被試雙眼矯正視力或裸眼視力均大于1.0，無散光等視力問題。

2.3 實驗材料

本文用一般自我效能感量表（GSES）做水平劃分，該量表由德國心理學(xué)家編制，我國張建新教授翻譯，王才康等人修訂，其內(nèi)部一致性系數(shù)為0.87，表明中文版GSES已經(jīng)具有良好的信度和效度。該量表共有10個題目，采取四級評分制，得分越高水平越高。本研究中，內(nèi)部一致性α系數(shù)為0.844，信度良好。

眼動追蹤測試選取毛彥鴻編制的化學(xué)反應(yīng)原理試題[11]，該試題總體樣本呈正態(tài)分布，正確率大于70%的作為簡單題目，正確率低于30%的為復(fù)雜題目，介于中間的為中等難度題目。

2.4 實驗儀器

Tobii Pro眼動儀和Tobii Pro Lab 1.152.3002軟件。該眼動儀準確度≤0.3°，精確度≤0.1°，采樣率≥60Hz，采用遙測式設(shè)計，被試不需要任何束縛性裝備便可準確采集眼睛運動視線和軌跡，眼睛距離設(shè)備50cm左右，整個實驗過程，視線不能離開屏幕。

2.5 實驗程序

在陜西某高校智慧教室進行實驗，由2名主試共同完成。實驗開始時，一名主試向被試簡短說明實驗過程，引導(dǎo)其進行眼動儀定標和校準，然后進行測試;另一名主試負責記錄所選答案，并在后期對被試進行口語訪談，要求被試簡單口述其思維過程。

2.6 數(shù)據(jù)處理

實驗時，Tobii Pro眼動儀會自動記錄被試解題過程眼動模式。由于各種原因得到的無效數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時將其剔除。完成實驗后，采用眼動儀自帶Statistics功能將所有數(shù)據(jù)以Excel形式輸出，為了增加分析準確度，取同一難度水平的2道題目所有指標的平均值代表該難度的指標指數(shù)，最后采用SPSS26.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理。

3 實驗結(jié)果

3.1 總注視時間

總注視時間指落在解題范圍內(nèi)的所有注視點時間的總和，反映了對信息表征和加工的總時間，能反映被試的認知加工深度[12]。不同自我效能感水平師范生在解決不同難度水平試題的注視時間情況見表1。多因素方差分析結(jié)果表明： 試題難度主效應(yīng)顯著（F=65.368， P<0.01），自我效能感水平主效應(yīng)顯著（F=16.130， P<0.01）。

比較自我效能感水平對注視時間的影響，結(jié)果表明在三種水平的試題難度上，高水平（P<0.01）和低水平（P<0.01）的師范生均有顯著性差異，兩水平間（P<0.01）存在顯著差異。做均值比較分析，高水平自我效能感下的均值和檢驗值（整體均值）間（P<0.01）存在顯著差異，其明顯高于整體水平，低水平自我效能感為省略類別。

比較試題難度水平對注視時間的影響，結(jié)果表明： 兩個水平師范生在解決三種難度試題（P<0.01）時整體差異顯著，其中，中等難度試題與復(fù)雜試題之間（P<0.01）存在顯著差異。做均值比較分析，困難問題下的均值和檢驗值（整體均值）間（P<0.01）存在顯著差異，其所用時間高于整體水平，中等難度試題與整體時間水平之間（P>0.05）不存在顯著性差異，整體平均時間處于中等難度試題所消耗時間左右，簡單問題為省略類別。

3.2 眼動軌跡圖

眼動軌跡清晰記錄了被試觀察實驗材料時的眼球運動軌跡，一定程度上反映了被試的思維活動，體現(xiàn)被試在解決問題時的信息加工過程。研究分析不同自我效能感水平師范生解決不同難度問題時的眼動軌跡圖。

通過自我效能感高水平和低水平師范生解決簡單問題的眼動軌跡圖（圖1）可直觀看出，所有師范生均關(guān)注題干的閱讀與關(guān)鍵信息的提取，從信息加工策略上可以看出根據(jù)題干信息便可加工得出答案，對照選項

直接選出正確選項，其中還可以看到高水平師范生在選項區(qū)的軌跡主要集中在尋找正確答案，選出“A”為正確選項后，僅對“B”進行排除或不排除則直接選擇答案;而低水平師范生在仔細讀完題干后，還會對四個選項依次進行判斷和排除，確定最終答案。

根據(jù)師范生解決中等難度問題時的眼動軌跡圖（圖2）可以看出，低水平師范生的眼動軌跡多于高水平師范生的眼動軌跡，從信息加工策略角度來講低水平師范生對中等難度問題的信息加工略困難于高水平師范生，前者會反復(fù)觀看題干信息、選項區(qū)以及圖中的信息。從軌跡圖可見，低水平師范生在解決中等難度問題時會依次排除四個選項，而高水平師范生則會關(guān)注到關(guān)鍵信息，并且堅信自己所提取的信息，不會反復(fù)觀看。通過觀察師范生解決復(fù)雜問題的眼動軌跡圖（圖3），可以看出，高水平師范生注視點集中在圖像信息和正確選項A上，幾乎不關(guān)注錯誤選項，而低水平學(xué)生注視點集中在題干、圖像信息及A、 B、 C選項。從信息加工策略可以看出高水平師范生主要根據(jù)圖像直接得出答案，觀察A并直接選擇A，對其他選項之間的轉(zhuǎn)化較少，其信息加工效率高，低水平師范生也是主要根據(jù)圖像獲取加工信息，但是從圖中可以明顯看到注視點相

對于高水平師范生較多，圖像與其他選擇之間的轉(zhuǎn)化也較多，信息加工效率低。

3.3 熱點圖

熱點圖可以直觀反映被試者注視試題的頻率和關(guān)注點分布情況，注視頻率越高，該區(qū)域顏色越深，表明該區(qū)域的受關(guān)注程度越高，也說明內(nèi)容的難度大，獲取信息時耗時較長。

解決簡單問題時，低水平和高水平師范生的熱點圖（圖4）在題干部分較相近，深色和淺色面積不相上下，在選項部分可以看到低水平師范生的紅色部分明顯多于高水平師范生。表明兩個水平師范生解決簡單問題時提取信息的過程的關(guān)注點相似，信息加工以題干為主，但在選擇答案時，高水平師范生會根據(jù)所加工信息直接獲取答案，低水平師范生則還會仔細觀察各選項，根據(jù)每個選項檢驗自己獲取和加工的信息。

從縱向角度來看，對關(guān)鍵信息區(qū)域的認知加工，高水平師范生的深色板塊少，低水平師范生的紅色板塊多。說明高水平自我效能感的師范生信息加工速度快、深度淺、難度小，低水平自我效能感的師范生信息加工慢、深度深、難度大。選項區(qū)域低水平師范生的深色點多，說明關(guān)鍵點較分散，所用時間較長，與眼動統(tǒng)計數(shù)據(jù)相吻合。

不同水平師范生解決中等難度問題熱點圖（圖5）與解決簡單問題熱點圖有明顯不同，低水平師范生的關(guān)注點較多，圖中深色區(qū)域分布比較廣泛，題干、圖像以及選項中均有，而高水平師范生的深色區(qū)域則主要分布在其中一個不太熟悉的圖像部分，對于前面熟悉的圖像僅幾眼掃描獲取信息即可。

從縱向來看，對于關(guān)鍵信息區(qū)域的認知加工，高水平師范生的深色區(qū)域最少，顏色最淡，說明高水平師范生能抓住關(guān)鍵點進行信息加工，快速形成問題解決思路;低水平師范生深色區(qū)域較多，顏色對高水平來講較淡，說明低水平師范生對關(guān)鍵信息提取較為模糊，所關(guān)注的信息較為廣泛，思維信息加工不夠精準。在非關(guān)鍵區(qū)域選項部分，很明顯低水平師范生的關(guān)注點較多，猜測可能是對關(guān)鍵信息部分的思維加工進行驗證，通過后面的口語報告驗證了這一觀點。眼動熱點圖反映出，即使眼動軌跡相似、注視時間相近，不同水平下的信息加工策略也不同。

通過師范生解決復(fù)雜問題熱點圖（圖6）可以直觀看到，高水平師范生關(guān)注點更集中、準確，知道該關(guān)注什么;而低水平師范生的關(guān)注點則比較廣泛和混亂，重點區(qū)域多，不太確定自己在解決復(fù)雜問題時需要什么信息，信息加工是否正確。解決復(fù)雜問題的區(qū)別，在選項部分體現(xiàn)最明顯，高水平師范生直接選取正確答案后就不再觀察其他選項，相信自己的判斷，而低水平師范生要先檢驗，排除其他選項，最后確定正確選項。

從縱向來看，對題干關(guān)鍵部分的信息加工同中等難度問題的高、低水平自我效能感的師范生相似;對于選項部分的關(guān)鍵信息，低水平師范生的紅色區(qū)域面積大，顏色深，分布在選項“A、 B、 C”上，高水平師范生的紅色區(qū)域只集中在正確選項“A”上，說明低水平師范生難以抓住關(guān)鍵信息、注意分散，高水平師范生對于選項的信息關(guān)注較少，與眼動數(shù)據(jù)分析相符合。

4 綜合討論與分析

4.1 不同自我效能感水平師范生關(guān)于相同難度問題解決的差異

整體分析發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)反應(yīng)原理簡單問題上，不同自我效能感水平師范生眼動軌跡圖和熱點圖眼動指標差異性不顯著，但注視時間差異顯著，筆者推測可能是低水平自我效能感師范生在關(guān)鍵信息部分注視時間過長導(dǎo)致總時間上與高水平師范生產(chǎn)生顯著性差異，后期采訪也證實了這一猜想。這是因為簡單問題主要考察基本概念，主要是知識的記憶，要求并不高。但在中等難度問題和復(fù)雜問題上，低水平和高水平師范生的各項眼動指標有顯著性差異，低水平師范生注視時間長、關(guān)注信息較廣泛，高水平師范生關(guān)注時間短、關(guān)注信息較集中，并且在做選擇時十分確定自己對信息的提取與加工，會直接選擇正確選項，不會檢驗其他選項。

結(jié)合各項眼動指標，知識儲備和認知能力相同時，自我效能感水平低的師范生會猶豫，尤其在解決復(fù)雜問題時，重點過多，不夠相信自己所做的信息處理，會反復(fù)觀察采取過多無用的解決策略，導(dǎo)致解決時間較長并且會自我懷疑;而高水平師范生會結(jié)合正向加工和逆向排除的高效率解決策略，對于不重要的信息一掃而過，對信息的提取和加工十分堅信，看到正確選項會立即下結(jié)論，因此解決問題的結(jié)構(gòu)明確、重點突出。

4.2 相同自我效能感水平師范生解決不同難度問題的差異

整體分析發(fā)現(xiàn)，無論師范生自我效能感水平如何，解決化學(xué)反應(yīng)原理問題，注視時間會隨問題難度的增加而顯著增加。三種試題難度的眼動軌跡圖和熱點圖具有顯著性差異，在軌跡圖方面，簡單問題的眼動軌跡較為分散，證明簡單問題所考察的知識點少，信息簡單，沒有十分需要關(guān)注的關(guān)鍵信息;中等難度問題和復(fù)雜問題的眼動軌跡較為集中，可以看出主要集中在圖像部分，證明中等難度問題和復(fù)雜問題考察的信息較多，更重要的是對圖像的信息加工能力，因此，師范生便將精力集中在圖像和關(guān)鍵信息部分;在熱點圖方面可以看到，中等難度問題的深色區(qū)域最少，面積最小，簡單問題和復(fù)雜問題的深色區(qū)域較多，且面積較大，由此可以看出中等難度問題的重點以及關(guān)鍵信息較為明顯好觀察，簡單問題和復(fù)雜問題需要關(guān)注的信息則較多。

結(jié)合各項眼動指標，試題難度不同時，由于問題難度增加，考察知識點增多，需要進行的信息提取和采用的解題策略也會變得復(fù)雜多變，這就需要準確且堅定的信息獲取，因此所需時間也會隨試題難度的增加而增長。從軌跡圖和熱點圖來看，對于試題關(guān)鍵信息的提取是消耗時間的關(guān)鍵，因此在解決問題時，要多關(guān)注關(guān)鍵信息，加強試題結(jié)構(gòu)的分析與理解，防止過多關(guān)注無用信息。

5 研究結(jié)論與啟示

基于以上，筆者發(fā)現(xiàn)，自我效能感水平高的師范生，對自己的信息提取能力自信，這類師范生信息加工速度快，信息加工策略完整，很明顯這類特征有利于化學(xué)問題的解決。自我效能感是師范生成長時期的易改變因素，因此，在日常培養(yǎng)師范生的課程中應(yīng)注重自我效能感的培養(yǎng)。

由此可推，自我效能感對中學(xué)生的化學(xué)問題解決也有較大的影響，因此，在日常的教學(xué)中教師也應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮自我效能感，采用教學(xué)策略培養(yǎng)學(xué)生自我效能感。如采取比賽、教學(xué)活動表揚的形式提高學(xué)生自信心，進而提高中學(xué)生自我效能感，以幫助在知識儲備相同的情況下中學(xué)生提高學(xué)習(xí)信念，從而幫助中學(xué)生更加準確快速解決化學(xué)問題。此外，教師在日常教學(xué)中還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生獲取關(guān)鍵信息的能力，在本研究中提取關(guān)鍵信息所耗時間是最主要的，高水平自我效能感的師范生總是能快速找出關(guān)鍵信息進行問題解決，因此，中學(xué)生也要進行關(guān)鍵信息提取能力訓(xùn)練，以便順利解決問題。

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