眼动仪在设计性物理实验教学中的应用研究

2020-09-28林春丹李秋真杨东杰张万松郑伟博

实验技术与管理 2020年5期

林春丹，李秋真，杨东杰，张万松，郑伟博

（1.中国石油大学（北京）理学院，北京 102249；2.中国石油大学（北京）新能源与材料学院，北京 102249）

1 设计性物理实验概述

大学物理实验包括基本实验和设计性实验。基本实验包括物理量的测量、物理公式的验证、物理变化规律的观测总结等内容，属于继承和接受前人的知识技能，重复前人的工作，是科学实验入门的基础训练。此类实验较为成熟，具有一定的基础性和典型性[1]。而设计性实验是指学生经过一定的基础训练，掌握了一定的实验基础和基本技能之后进行的延伸性实验，具有综合性、探索性和设计性等特点。此类实验的核心是设计，要求学生根据给定的实验题目、要求和实验条件，自行制定实验方案，确定实验方法，组装实验设备，并在规定时间内完成实验步骤[2-3]。设计性实验对于学生的知识运用水平和实验操作能力提出了较高的要求。设计性物理实验流程如图1 所示。

图1 设计性物理实验流程

2 眼动仪的功能特性

眼球运动（眼动）可表征人的注意力关注点，是人脑认知的直接反应者。借助眼动仪可实现对眼球注视点，即注意力的动态追踪[4-5]。通过对眼动数据的分析，可以判断和总结被试者在实验中的视觉反应和规律，从而揭示其基本的认知过程、理解过程和视觉加工过程[6]。

在记录眼动数据时，眼动仪按采样率采集眼动原始数据（采样率30、60、120 或300 Hz），每个数据点被识别为一个时间标签和“x，y”坐标的形式并发送到与眼动仪连接的分析软件程序的数据库中。为使数据可视化呈现，这些坐标将被进一步处理成注视点并叠加到所使用的刺激材料视频上。

眼动仪可获取被试者的注视及眼跳情况，并得到注视热点图与注视轨迹图，热点图可展示出被试者在刺激材料上的视线分布情况。注视轨迹图显示出被试者在刺激材料（实验台）上的视线位置、顺序以及对某个区域的观察时间，能最具体、最直观、最全面地反映眼动的时空特征[7]。眼动仪的多种特性高度契合教育研究核心点[8]，利用眼动仪进行数据分析是一种能够直观、有效展示出视觉行为特点的数据可视化手段。针对当前学生整体实验效果不佳、实验完成度和精确度方面均需提升这一现状，在实验中引入眼动仪，可以对不同阶段实验者不同实验步骤的操作进行眼动分析，为教学提供参考。

3 测试实验内容

选取大学物理实验中一个典型且普遍的设计性实验——铜丝电阻温度系数的测定实验——作为研究对象。该实验提供的仪器和器材包括：加热、控温、测温装置，漆包线绕制的铜线电阻（R=25 Ω），2 个滑线电阻（1 750 Ω、100 Ω），2 个电阻箱（0.1 级、1/4 W），直流电流表（25～100 mA、0.5 级），检流计，烧杯，导线等[1]。实验提示包括：任何物质的电阻都与温度有关，多数金属的电阻随温度升高而增大，有如下关系：

其中，Rt、R0分别是t ℃、0 ℃时金属的电阻值，αR是电阻温度系数，其单位是℃-1。αR一般与温度有关，但对于实验用纯铜材料来说，在-50～100 ℃的范围内，αR的变化非常小，可当作常数，即Rt与t 呈线性关系。

学生需要按实验目的，利用上述实验仪器并结合实验提示，制定合理可行的实验方案。设计出测量方法，画出电路图，自行连接电路并进行测量。

该实验中，由于铜丝阻值变化较小，难以用伏安法直接测量，因此采用平衡电桥法测量电阻。全电阻值为1 750 Ω 的滑线电阻可用于调节电流强度，以使各个电阻箱的工作功率不超过其额定功率。另一个全电阻值为100 Ω 的滑线电阻可被分成两个电阻R1和R2，用以组成电桥的比例臂，再用一个电阻箱做比较臂R3，而待测电阻Rx作为测量臂，就构成了一个惠斯登电桥。由于有两个电阻箱，可以先将测量臂用一个电阻箱R4代替，并且使它和比较臂R3的阻值相等，即R3∶R4=1∶1；然后，调节滑线电阻使其两个比例臂的比值R1∶R2=1∶1。最后，再把R4换成Rx，此时两个比例臂的比值为1∶1，所以当电桥平衡，即检流计示数为零时，比较臂R3的示值就是待测电阻Rx的阻值。其电路图如图2 所示。

图2 电路图

上述实验可基本分为电路连接和铜丝电阻测定两大实验模块。后者又可划分为干路电流调节、滑线电阻比例臂调至1∶1、室温下铜丝电阻测定、变温电阻测定几大阶段。实验教学中发现，大部分学生遇到的问题集中于电路连接和第二模块的前三阶段，在连接线路和检流计调零等操作中问题频出，而最后阶段的变温电阻测试由于是重复性工作，出现的问题较少。因此本文集中对前几个阶段进行重点研究。

4 眼动测试方案

本文利用Tobii Glasses2 眼动仪进行研究，Tobii Glasses2 是带有无线实时观察功能的可穿戴式眼动仪，头戴模块仅重45 克，外观与普通眼镜相似，支持移动状态，头动范围不受限制，符合移动学习的特性[9]。在确保被试者佩戴的舒适性和行为自由度的同时具备实时观察分析功能并可适用于任意真实环境下的眼动研究[10]。其3D 眼球模型专利技术和滑移补偿技术能够保证实验数据的准确性。

将Tobii Glasses2 眼动仪分别应用于大二本科生、研究生及物理教师的实验过程中，利用注视热点图、注视轨迹图及眼动数据，获取三者在连接电路、滑线电阻比例臂调节等过程的关注热点及注视顺序等可视化数据，对比三者在不同阶段实验中的差异，统计出不同阶段实验者在设计性物理实验操作中的差异，以期在之后的物理实验教学中起到指导和借鉴作用。

5 眼动数据分析

使用Tobii Glasses2 眼动仪配套的Tobii Pro Lab软件进行数据处理。图3 为大二本科生、研究生、物理教师三者在电路连接过程中的注视热点图及注视轨迹图。热点图中的绿色、黄色、红色代表的时长依次增加，且颜色越深表示注视时间越长。被试者的观察时间通常被表示为注视点持续时间，在注视轨迹图上以不同直径的圆点来表示。观察时间越久，圆点就越大。轨迹图中的数字代表被试者的观察顺序。

电路连接是本实验的起始和关键性步骤，是实验者应具备的基本能力。但三者连接电路过程中的注视热点图及轨迹图表现出明显的差异。大二年级本科生独立连接电路用时7 分32 秒，但连接后的电路存在若干问题，后续教师指导纠正用时3 分58 秒，共计11分30 秒。图3(a)、(b)为该学生独立操作过程中的热点图和轨迹图，其在线路连接过程中兴趣区域较为分散，注意力不止集中于各仪器的接线柱处，部分注意力分散于仪器其他位置和实验台上，说明其对于仪器不熟悉，对未知存有一定程度的新鲜感。同时对于电路图和连接方式没有清晰掌握，不清楚单刀双掷开关、检流计等多接线柱仪器的接线方式，需要寻找接线位置，因此注视轨迹图中的注视点呈现出各接线点和接线点与指导书中的电路图之间的多次跳跃。且部分阶段注视点轨迹混乱交错，表明该时段思路不清晰，存在一定程度的犹豫徘徊。而研究生（图3(c)、(d)）经过了本科阶段的训练，相比于本科生有了较大幅度的进步，完成线路连接用时3 分50 秒，并用59 秒将所连电路与实验指导书上的电路图对比检查。其在线路连接模块的注视热点主要集中于各仪器的接线处，表明其已经基本掌握了各仪器的连接方式。但对平衡电桥的电路仍不熟悉，在连接过程中关注指导书中的电路图若干次。

图3 被试者连接线路过程中的注视热点图及轨迹图

相比于学生，物理教师（图3(e)、(f)）对于实验内容及电路连接方式十分熟悉，其关注点主要集中于仪器的接线柱处，注意力较集中，注视轨迹路线清晰，且对实验指导书中的电路图处注视几乎为零。此外注视轨迹图表明，其在固定接线柱的过程中已向下一个接线点投入关注度，说明其对电路的掌握程度较高。

上述结果表明学生在电路连接上仍存在一定的问题。电路连接是大学生必须具备的基本实验能力，学生在高中阶段应有所掌握，但由于部分学生有遗忘现象或高中不具备实验条件，因此，对于本科生的大学物理实验课程教学，实验前教师应向学生介绍基本的仪器连接方式，包括单刀双掷开关的连接方式、检流计的结构（粗调、细调）和滑线电阻的连接等，使学生明确线路的连接方式，为实验设计及后续的实验过程奠定良好的实验基础，并节约一定的实验时间。

本文进一步采集了该大二年级学生经指导后在连接电路过程中的眼动数据，图4 显示了其经过指导后的注视热点图，相对于图3(a)有了显著进步，注视热点能够基本集中于仪器连接位置处。对其他位置的关注明显减少，注意力明显集中，且对于电路图的关注也有所减少。这证实了实验前教师进行仪器介绍和指导的必要性。另一方面，对于研究生的实验课程教学，则可省略仪器说明等基本介绍，将重点放在实验设计、方案制订等深层次内容中。

图4 经指导后大二学生的注视热点图

电路连接完成后，进入第二大实验模块——铜丝电阻测定。此步骤可详细划分为三个测试阶段。阶段1：调节干路电流为30 mA。阶段2：滑线电阻比例臂调节。阶段3：铜丝电阻测定。三个阶段的测试时长分别表示为t1、t2和t3，各被试的测试时长如表1 所示。物理教师在三个阶段的实验时长均最短。本科生与研究生相比，在测试阶段2 与阶段3，研究生耗时少于本科生。而在阶段1，研究生耗时比本科生长，结合眼动热点图可知这并不是实验速度的原因，而是其将大部分时间用于滑线电阻的调节中，追求精确的电流值所致。

表1 各被试者的测试时长及平均瞳孔直径统计表

此外，表1 显示了第二大实验模块中三者的平均瞳孔大小，左、右眼数据分别用表示。瞳孔大小可反映材料是否引起测试者的思考和深度加工，瞳孔越大，说明所提取的信息越难[11]。表1 数据显示，物理教师的瞳孔直径最小，说明本实验对教师来讲难度较低。本科生和研究生的瞳孔直径近似，说明本实验对两者难度相当，测试时长差异不是实验难度导致的，而与熟练程度或注意力集中与否有关。

进入实验的后续阶段，被试者的注意力集中程度可能会有所下降[12]。因此借助眼动仪统计了在第二大实验模块中各被试者的不同眼动类型占比（表2）。注视是指眼睛在一定的时间内保持相对静止状态，中央窝视野在目标上保持一定的时长以便于视觉系统获得足够的视觉图像细节。眼跳是一种中央窝视野从一点快速移动到另一点的眼动行为。这种行为具有较高的初始加速度直到眼睛的移动角速度达到峰值。在达到峰值后开始减速直到眼睛到达目标位置。由于眼跳发生时眼球的移动速度极快，这期间几乎不会获得任何有效的视觉信息，而多数的视觉信息是通过注视获取的。该表中的其他包括其他类型、未定义的及眼动仪未识别到的眼动行为。

表2 各被试者不同眼动类型占比 %

由表2 可知，教师在该步实验中的注视占比较高，达到 82.1%，研究生次之。而本科生的注视率仅50.72%。故可推断本科生在实验后续阶段的注意力较为分散，实验兴趣下降，难以集中注意力，由此导致其实验效率下降，如表1 所示，其在阶段3 花费了大量的时间。其中，物理教师的眼跳占比较高可能与其熟练程度有一定的关系。

第二大实验模块的操作中有若干注意事项。在平衡电桥的构建和铜丝电阻测定的过程中需要先后连接检流计的粗调和细调接线柱，再分别调零。在粗调和细调转换的过程中，为确保实验安全，原则上应将电路断开。但实际操作中经常有学生忽视此问题，在电路连通的情况下进行接线操作，这是不规范且不安全的。因此，本文通过眼动仪捕捉的数据分析不同被试者的操作规范性。根据不同实验模块建立感兴趣的时间片段（TOI,time of interest），将开关作为兴趣区域AOI，即可导出实验中各实验模块中不同被试者对开关的访问次数（表3）。

表3 各被试者在不同阶段对开关的访问次数

结果表明，三者中，物理教师的操作较规范，对开关的访问次数符合标准。本科生对开关的视觉访问次数过多，经眼动视频观察和分析认为这与本科生对实验流程的不熟悉有一定关系，其对开关的视线访问次数并不对应开关的接通和断开操作次数，还包括思考时的眼跳行为及因实验操作失误进行的重复实验次数。在一定程度上可以证明，虽然本科生对于实验和操作并不熟练，但其具有较高的安全意识，较为注重物理实验操作的规范性。而研究生虽然对实验仪器掌握较为熟练，但其几乎忽视了实验中的断电操作，整个过程中对开关仅有两次视线访问，即一次断电操作，其余皆是在电路通电的状态下完成接线柱的转换操作。虽然能在较短的时间内较为熟练地完成实验任务，但缺乏基本的实验操作规范。因此，在研究生的实验课程中，虽可以省去仪器的介绍，但应对操作规范和实验注意事项加以强调。