不同技能水平学生图形识别能力与策略差异的眼动研究

黄少洁，彭力群，胡克祖

（天津职业技术师范大学职业教育学院，天津 300222）

不同技能水平学生图形识别能力与策略差异的眼动研究

黄少洁，彭力群，胡克祖

（天津职业技术师范大学职业教育学院，天津 300222）

针对图形识别能力与策略问题，采用2（技能水平：高技能水平、低技能水平）×3（图形类型：工件图、一般图、实物图）双因素混合实验设计的方法，进行眼动研究，得出在与专业相关的工件图和实物图上，高技能水平学生的图形识别能力显著高于低技能水平学生；在一般图上，二者差异不显著。识记阶段，在首次注视时间上图形类型的主效应显著，表明学生在图形编码过程中，能根据图形类型启动不同的编码策略，更好地分配注意资源。再认阶段，在总注视时间、注视时间占比、首次注视时间、注视点个数上技能水平的主效应显著，在总注视时间、注视时间占比、注视点个数上图形类型的主效应显著，表明高技能水平学生识图策略优于低技能水平学生，其信息提取能力更强。

图形识别；技能水平；图形类型；眼动指标

多个领域的研究发现，专家与新手的信息加工与提取不同，已有的知识经验可以引导个体的注意分配[1-2]。专家在加工专业领域的信息时，对任务相关的刺激注视次数更多、注视时间更长[3]，对任务无关的刺激其注视次数少、注视时间短[4]；而新手则把更多的注意力放在突显刺激上[5]。汽车驾驶的研究发现，经验驾驶员对驾驶视频的注视持续时间更短、注视的广度更大，驾驶经验影响其对视频中信息的加工和提取策略[6]。经验运动员对足球视频的注视次数更多，但每次的注视时间很短，一般水平运动员则恰恰相反，他们注视次数少但每次的注视时间长[7]。国际象棋比赛的研究中发现，专家注视和加工棋盘场景的模式不同于新手[8]。专家和新手教师对课堂教学场景中学生突显的典型行为和问题行为采取不同的注意资源分配策略[9]。专家型教师在内隐学习能力、知识结构体系、知识运用的灵活性及记忆提取等方面优于新手教师[10-11]。已有研究表明，图形识别受多种因素影响。曹立人等[12-14]发现在不规则几何图形上被试取样的首视点分布与作业的难度有关，图形的显示条件和显示方式对图形的识别有显著影响，不同显示条件和显示方式下扫视路径有很大差别。李瑞芬[15]研究发现时间压力显著影响各种图形取样的眼动策略。丁锦红等[16]发现为更好地识别图形，被试会根据具体情况调整自己的眼动策略。针对在图形识别任务中，专家与新手是否表现出相同模式差异的问题，本研究采用实验的方法探讨了不同技能水平学生在不同类型图形上识别能力与策略的差异。

1 实验方法

1.1 实验装置

采用加拿大SR Research公司的EyelinkⅡ头戴式眼动仪，采样频率为500 Hz，刷新频率为150 Hz。被试机显示器为19英寸，分辨率为1 024×768像素。实验采用瞳孔模式、单眼记录，被试眼睛距显示器70 cm。

1.2 实验被试

实验选取20名不同技能水平数控加工专业大四学生，技能水平以获得的技能证书等级为依据，10名被试取得中级类证书，另外10名被试取得高级类证书。所有被试的视力或矫正视力正常，均为右利手，之前无眼动实验经历。

1.3 实验材料

实验材料分为3类，与专业相关的工件图、用长方体堆成的一般图及依据工件图加工后的实物图。

1.4 实验设计

实验采用2（技能水平：高技能水平、低技能水平）× 3（图形类型：工件图、一般图、实物图）双因素混合实验设计。其中，技能水平为被试间变量，图形类型为被试内变量。

因变量：正确率及眼动指标（总注视时间、注视时间占比、首次注视时间、注视点个数）。总注视时间指在兴趣区内所有注视点驻留的总时间。同等条件下，注视时间越长，表明被试对信息加工越精细。注视时间占比指兴趣区内注视的总时间占在该次实验中所有注视点总注视时间的比例。首次注视时间指兴趣区内首次注视点驻留时间。首次注视时间通常代表对图形的早期识别过程及对图形加工难度的敏感。注视点个数指兴趣区内被试注视的总次数。不同被试对相同的图形，在保持较高正确率的前提下，注视次数越少，表明加工效率越高；注视次数越多，表明加工越精细。

1.5 实验程序

（1）运行程序，被试戴上眼动仪头盔，进行校准。

（2）在屏幕中央出现指导语：下面将呈现一些图形，请你尽快记住它们；如果你认为自己记住了，请按任意键进入下一张图片。

（3）屏幕中央出现需要被试记住的图形，图形最长呈现10 000 ms；如果被试觉得记住了，可以提前按任意键进入下一张图片，按这个模式依次呈现其他识记图形。

（4）呈现任务指导语：请判断下面的图形哪些是出现过的。

（5）同时呈现之前出现过和没有出现过的图形，出现和没有出现的概率各占50%。让被试口头报告哪些图形之前出现过，图形最长呈现10 000 ms，需要被试尽快报告。

（6）报告完毕，实验结束，感谢被试的积极配合。

2 结果分析

2.1 不同技能水平学生图形识别正确率的分析

不同技能水平学生在不同图形类型上的正确率均值（标准差）如表1所示。

表1 不同技能水平学生在不同图形类型上的正确率的均值（标准差）（N=20）

方差分析结果表明，技能水平的主效应极其显著，高技能水平学生的正确率显著高于低技能水平学生[F（1，18）=20.930，p＜0.01]。图形类型的主效应极其显著[F（2，36）=5.390，p＜0.01]，事后多重比较结果显示，工件图和一般图之间的差异显著（p＜0.05）；工件图和实物图之间的差异不显著（p＞0.05）；一般图和实物图之间的差异极其显著（p＜0.01）。技能水平和图形类型的交互作用不显著[F（2，36）=0.994，p＞0.05]。T检验的结果显示，高技能水平学生在工件图上的正确率显著高于低技能水平学生（p＜0.01）；不同技能水平学生在一般图上的正确率差异不显著（p＞0.05）；高技能水平学生在实物图上的正确率显著高于低技能水平学生（p＜0.05）。

2.2 不同类型图形的总体眼动分析

不同类型图形整体眼动指标的平均值（标准差）如表2所示。表2中各眼动指标的分析结果如下。

（1）S-IA总注视时间：多因素方差分析结果表明，技能水平的主效应不显著[F（1，18）=2.401，p＞0.05]；图形类型的主效应不显著[F（2，36）=0.001，p＞0.05]；技能水平与图形类型的交互作用不显著[F（2，36）= 0.137，p＞0.05]。

（2）S-IA注视时间占比：多因素方差分析结果表明，技能水平的主效应不显著[F（1，18）=0.119，p＞0.05]；图形类型的主效应不显著[F（2，36）=3.015，p＞0.05]；技能水平与图形类型的交互作用不显著[F（2，36）=0.880，p＞0.05]。

（3）S-IA首次注视时间：多因素方差分析结果表明，技能水平的主效应不显著[F（1，18）=0.273，p＞0.05]；图形类型的主效应显著[F（2，36）=3.228，p＜0.05]，事后多重比较结果表明工件图和实物图之间的差异显著（p＜0.05）；技能水平与图形类型的交互作用不显著[F（2，36）=0.292，p＞0.05]。

（4）S-IA注视点个数：多因素方差分析结果表明，技能水平的主效应不显著[F（1，18）=1.061，p＞0.05]；图形类型的主效应不显著[F（2，36）=0.518，p＞0.05]；技能水平与图形类型的交互作用不显著[F（2，36）= 0.227，p＞0.05]。

（5）Z-IA总注视时间：多因素方差分析结果表明，技能水平的主效应极其显著 [F（1，18）=32.559，p＜0.01]；图形类型的主效应显著 [F（2，36）=3.364，p＜0.05]，事后多重比较结果表明，一般图和实物图之间的差异显著（p＜0.05）；技能水平与图形类型的交互作用不显著[F（2，36）=2.326，p＞0.05]。

（6）Z-IA注视时间占比：多因素方差分析结果表明，技能水平的主效应极其显著[F（1，18）=191.950，p＜0.01]；图形类型的主效应极其显著 [F（2，36）= 6.912，p＜0.01]，事后多重比较结果表明，一般图和实物图之间的差异极其显著（p＜0.01），工件图和实物图之间的差异显著（p＜0.05）；技能水平与图形类型的交互作用不显著[F（2，36）=2.053，p＞0.05]。

（7）Z-IA首次注视时间：多因素方差分析结果表明，技能水平的主效应显著[F（1，18）=6.398，p＜0.05]；图形类型的主效应不显著[F（2，36）=1.082，p＞0.05]；技能水平与图形类型的交互作用不显著[F（2，36）=2.347，p＞0.05]。

（8）Z-IA注视点个数：多因素方差分析结果表明，技能水平的主效应显著[F（1，18）=4.845，p＜0.05]；图形类型的主效应显著[F（2，36）=4.501，p＜0.05]，事后多重比较结果表明，一般图和实物图的差异极其显著（p＜0.01），工件图和实物图的差异显著（p＜0.05）；技能水平与图形类型的交互作用极其显著 [F（2，36）= 5.327，p＜0.01]，事后多重比较表明高低技能水平学生在工件图与一般图、实物图与一般图上存在交互作用，如图1所示。

表2 不同类型图形整体眼动指标的平均值（标准差）（N=20）

图1 技能水平与图形类型在Z-IA注视点个数上的交互作用

3 讨论

3.1 技能水平与图形识别能力的关系

正确率的结果分析表明，在工件图和实物图上，高技能水平学生的识图能力优于低技能水平学生，在一般图上两者差异不显著，这与罗娇[17]提出的专家在一般领域任务和特殊领域任务上的表现不同相一致。同时，这也符合记忆的专长效应，即回忆信息的数量和专长水平呈直线关系[18]。推测其原因，可能是在专业学习过程中，高技能水平学生比低技能水平学生对工件类图形的学习和分析更多，此类图形的知识结构优于低技能水平学生。

3.2 技能水平与图形识别策略的关系

识记阶段的眼动指标（S-IA总注视时间、S-IA注视时间占比、S-IA首次注视时间和S-IA注视点个数）技能水平的主效应不显著，而再认阶段的眼动指标（Z-IA总注视时间、Z-IA注视时间占比、Z-IA首次注视时间、Z-IA注视点个数）技能水平的主效应显著，说明再认阶段的眼动策略可能与技能水平的高低有直接关系。再认阶段中，高技能水平学生的总注视时间更长，兴趣区注视时间占比更大，首次注视时间更长，这与Gegenfurtner等[4]提出的专家在加工专业领域任务相关信息时注视时间更长相一致，说明高技能水平学生在信息提取阶段采取了更精细的提取策略，能合理分配注意资源，信息提取能力更强。

在首次注视时间上，识记阶段图形类型的主效应显著，主要是工件图和实物图之间的差异；而再认阶段图形类型的主效应不显著，说明学生在图形编码过程中，能根据不同的图形类型，快速判断图形的加工难度，启动不同的眼动策略，重点区分工件图和实物图之间的差异。在总注视时间、注视时间占比和注视点个数上，识记阶段图形类型的主效应不显著，而再认阶段图形类型的主效应显著，主要是一般图与实物图之间的差异，说明学生能快速提取与专业相关的图形，而与专业不相关的图形提取速度相对较慢。实物图与工件图之间的差异没有一般图与实物图之间的差异大，可能是因为在编码阶段学生对工件图和实物图分配了更多的注意力，采取了更精细化的加工策略，记忆更精确，因此在提取过程中速度没有显著差异；而对于一般图没有精细加工，记忆不太精确，需要更长的时间去确认。

在Z-IA注视点个数上，技能水平与图形类型的交互作用显著，高技能水平学生在与专业相关的工件图与实物图上有更多的注视点，在一般图上有更少的注视点，这与Williams等[7]研究认为经验运动员对足球视频的注视次数更多、一般水平运动员注视次数少的结果相一致。另外，在同时呈现专业相关图与专业不相关图时，相对于他们长期学习的过程而言，一般图可能是一种突显刺激，高技能水平的学生把更多的注意放到专业相关的工件图与实物图上，而低技能水平学生则把更多的注意放到一般图上，这与Feil等[5]研究认为新手把更多的注意力放在突显刺激上相一致。

从识记和再认阶段各种差异的讨论来看，高技能水平学生所表现出来的图形识别能力符合Chase和Ericsson[19]的熟练记忆理论，该理论认为专家具备一种基于长时记忆中记忆术编码系统的提取结构，该机制与各种有组织的知识结构或丰富经验联系密切[20]。总之，在专业相关的工件图和实物图上，高技能水平学生的图形识别能力显著高于低技能水平学生；在一般图上，两者没有差异。高技能水平学生能根据图形类型采取不同的眼动策略，合理分配注意资源，信息提取能力更强，其识图策略优于低技能水平学生。

4 结束语

本文借鉴专家新手范式，探讨了数控加工专业中不同技能水平学生图形识别能力与策略的差异，发现高技能水平学生对专业相关图的图形识别能力优于低技能水平学生。专业教师可根据高技能水平学生的识图策略，在教学过程中对低技能水平学生给予一定的指导，有效提高低技能水平学生的识图能力。

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Eye movement research on ability and strategy during graph recognition of different skilled students

HUANG Shao-jie，PENG Li-qun，HU Ke-zu
（School of Vocational Education，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

To research the abilities and strategies on graph recognition of different skilled students，by 2(skill level：high，low)x 3(graphic type：workpiece graphics，general graphics，object graphics)mixed design，an eye movement study is carried out.The results show that the ability on graphics recognition of the students with high skill level is significantly higher than the one of students with low skill level for workpiece graphics and object graphics，which are related to the major of subjects，and that the difference on general graphics is non-significant.In the memorization stage，the main effect of graphic type on IA first fixation duration is significant.That indicated students adopt different recognition-strategies to allocate their attention better according to graphics type during the graphic coding.In the recognition stage，there are significant differences between students of two levels on IA dwell time，IA dwell time%，IA first fixation duration and IA fixation count；the main effects of graphic type on IA dwell time，IA dwell time%and IA fixation count are significant，which indicated that students with high skill levels have better strategies on graphics recognition，higher ability of information extraction.

graph recognition；skill level；graphic type；eye movement indicator

B844.2

A

2095－0926（2016）04－0068－05

2016-10-31

天津职业技术师范大学研究生创新基金项目（YC16-23）.

黄少洁（1993—），女，硕士研究生；胡克祖（1972—），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为技能学习与教学心理、个性发展与咨询.