基于眼动追踪技术的化学师范生教材分析能力现状与策略探讨

东婉莹，杨洋，李海琴，薛亮

陕西师范大学化学化工学院，西安 710000

1 师范生教材分析能力研究现状

2018年1月中共中央国务院发布《关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见》中明确指出，建立以师范院校为主体、高水平非师范院校参与的中国特色师范教育体系，整体提升师范院校和师范专业的办学水平[1]。百年大计，教育为本；教育大计，教师为本。在“新师范”背景下，培养造就一批专业基础扎实、勇于创新教学、善于综合育人的高素质专业化创新型教师对于基础教育的发展来说就显得尤为重要。教材是师生对话的工具，是联系教育者和受教育者的教育中介系统。教材分析能力不仅是师范生应该掌握的教学技能之一，也是一线教师提高教学质量和教师业务素质的保证[2]。目前学界有关师范生教材分析的研究大体上可以分为三类。

第一类是有关师范生教材分析能力现状，并根据现状提出相应提高策略的研究，如王彦峰[3]借助问卷进行了不同年级生物学科师范生教材分析能力的现状调查，并提出根据不同年级师范生的特点进行因材施教、聘请中学优秀教师或高校专家对师范生进行辅导的建议；杜华和廖志刚[4]在任教过程中发现化学师范生教材分析能力薄弱的问题，提出教材分析应重视学生主体分析和建构科学的教材分析模式的建议。这些有关师范生教材分析能力现状研究的文献，大都提到目前师范生教材分析能力从整体上看处于较低水平[5]，具体表现为：① 忽视课标的指导作用，对课标与教材的认识不足[6]；② 对教学重难点的把握不准；③ 不能从整体上把握知识结构等问题。

第二类研究是确定师范生教材分析能力的构成，如聂桐彤等[7]确定了教材分析能力包含教材内容结构分析、教材重难点分析、教材表述结构分析和课标与教材的关系四个一级指标，每个一级指标下面有若干个二级指标，并对各个指标进行权重计算，开发出教材分析能力量表，同时借助量表对地理师范生教材分析能力现状进行调查；王晓宇[8]建立了一个较为合理的数学教材分析能力框架，该框架包含课程定位、学情分析、比较分析、评价分析、教学设计五部分内容，其中每部分内容还有更为详细的分支，借助该框架可以测查数学师范生的教材分析能力。

第三类研究是提出教材分析的方法，为提高师范生和一线教师教材分析能力提供一种新的思路，如皇甫倩和王后雄[9]将系统分析法中的结构解释模型应用到教材分析中，提出“三段式”的教材分析模型。但该模型对其使用者的要求较高，既要精通教材，能够用批判的眼光看待教材，还要准确把握学生的学情。龙剑将能力导向教育理念(OBE理念)与师范生教材分析能力培养相结合，确定了师范生教材分析能力培养目标，并提出了相应的培养策略[2]。

2 眼动追踪技术研究现状

眼睛是心灵的窗户，人类有80%-90%的外界信息是通过眼睛获得的，人们通过注视来获取和加工视觉信息[10]。眼动仪通常是由红外光源和接收眼睛反射的传感器组成，能够有效记录眼睛注视和扫视的位置。注视大多与人们的注意力有关，而注意力又与认知加工过程相联系，因此记录人们的眼球运动状态，能够在一定程度上揭示人们的认知加工过程。近年来，眼动追踪技术在化学教育领域中的应用越来越广泛，它能将学生复杂的认知过程通过眼动数据外显化，进而揭示学生内部心理机制。国外有关眼动追踪技术在化学教育领域中的应用的研究较为深入，可将其分为基础研究和应用研究两个部分。

2.1 基础研究

眼动追踪技术广泛应用于阅读领域。本类研究会借助眼动仪记录学生在阅读时的眼动行为，比较不同的阅读策略，分析学生在句子与句子之间的信息加工策略。如Yu-Cin Jian[11]等让被试参与一篇科学文章的阅读的同时，跟踪他们的眼球运动，并对其进行阅读理解测试。

除了将其运用于阅读领域之外，也有研究者致力于探索眼动数据方法和眼动研究的范式，为后续的眼动研究提供便利。如Tang Hui等[12]介绍了一种处理和分析数据提供强大而灵活的工具软件R，提高了眼动数据提取和操作的效率。Sarah J. R. Hansen等[13]将眼动研究分为以下步骤：选择合适的眼动仪-设置眼动实验室-确定合适的研究问题-选择被试并获得被试同意-收集数据-分析数据等六个步骤。

2.2 应用研究

2.2.1 学生表征能力研究

本类研究大多数将有声思维访谈定性分析和眼动数据定量分析相结合，探究学生对有机化合物的物质结构或化学方程式的表征，并借助眼动数据将学生信息表征外显化，讨论视觉信息如何在头脑中进行表征[14]。如Marc Rodemer等[15]采用眼动法观察初学有机化学和已经学习过一个学年有机化学的本科生在完成反应机理表征时的不同反应，探讨学习者是如何将他们的注意力分散在复杂的信息表征上，理解学生在处理信息时的视觉解码行为。

2.2.2 学生认知负荷研究

本类研究以元认知理论和认知负荷理论为基础，探索学生眼动数据和认知负荷之间的关系，认知负荷是指在指定时间内为完成某项指定任务而施加于个体认知系统的心理活动总量[16]。如Jessica M. Karch等[17]使用凝视和瞳孔直径测量数据来探究认知负荷如何随着智力任务的变化而变化。

2.2.3 问题解决能力研究

问题解决是一种以目标定向的搜寻问题空间的认知过程，正确的问题解决需要有效识别和理解有效信息，并对问题进行表征，之后选择合适的问题解决策略。众多研究者借助眼动追踪技术分析不同学生问题解决的差异和影响学生问题解决的因素。如Tang Hui和Norbert Pienta[10]利用眼球追踪的硬件和软件，探讨了问题难度和认知过程对学生解决气体类应用题的影响。在2014年，他们又通过Logits回归和眼动追踪技术探讨影响立体化学问题解决的重要因素，该研究提供了一种定量评估问题难度和学生问题解决能力[18]。

而在我国，眼动追踪技术在化学教育领域中的应用主要是在学生问题解决和学生认知能力方面。如欧阳雪等利用眼动设备采集学生在解决氧化还原问题时眼动数据，如总注视时间、眼动轨迹图和热点图等，通过眼动数据分析不同学业水平学生和不同性别水平学生在问题解决时的注意力分配差异以及信息加工差异[19]。眼动追踪技术在化学教育领域中有一个灿烂的前景，为我们更深层次地研究学生的内部认知过程提供了可靠的工具。

3 化学师范生教材分析能力现状

本文选用陕西省某重点师范院校的大四年级的48位化学师范生作为研究对象，收集其在“化学教学论”课程中提交的教学设计作业，针对教学设计中的教学理念、课标分析、教材分析、教学目标、教学重难点以及授课过程等模块进行重点分析，并抽选具有代表性的六位学生进行访谈。

通过调查分析发现，这些学生在教材使用上存在以下问题：

1) 教学设计选题较为集中，偏重于必修部分的元素化学内容。

在化学师范生提交的48份教学设计中，如表1所示，大多数师范生倾向于选择必修部分的内容进行教学设计，而且更偏重于必修部分的元素化学内容。在与部分师范生的访谈中了解到，他们选择必修部分的内容进行设计的原因有二：一是对必修部分的教材更熟悉，相对选修部分，对知识点的把握更全面和透彻。二是必修部分内容对高中生的学习尤为重要，这两本书的学习情况直接影响学生对化学这门学科的态度。尤其是在新高考背景下，学生对于所学课程有了更大的选择权，因此必修部分的教学能否让学生易于理解，能否激发学生学习化学的兴趣，变得尤为重要。

表1 师范生教学设计选题频次表

2) 对课标的分析停留在表面，不够深入。

绝大部分师范生在提交的教学设计中均进行了课标分析，但是很多学生仅是把课标基本理念进行复制粘贴，或者找出了课标内容的对应关系，但并未对课标中的内容要求、教学提示、学业要求等进行进一步的解读，在实际教学设计中没有充分考虑本节课具体内容的特点，忽视了课标的指导作用，使得核心素养的落实流于表面，不能有效促进学生化学思维的发展和化学能力的提高。

3) 教材重难点的确立缺乏依据。

在分析师范生提交的教学设计的过程中发现，大部分学生教学重难点的设计均缺乏依据，即使有小部分学生会说明教学重难点的确立依据，但是这些依据均来自于课标、知识点的结构等，并未考虑学生的学习情况和接受程度。在访谈过程中了解到，师范生确定教学重难点的途径有四个，分别是查阅文献、自己的学习经历、家教经验、教辅(较少)。其中主要参考渠道就是文献，他们认为已经刊发出来的论文具有一定的权威性，在借鉴他人设计的教学重难点的基础上，再结合自己以往的学习经验，最终形成自己本节课的教学重难点。

4) 对教材栏目系统的分析能力均较低。

在分析教学设计时发现，这些教学设计均未涉及到教材栏目系统的内容。化学教材中设置的栏目主要有实验活动、练习与应用、整理与提升、研究与实践、复习与提高。在本文中将实验从栏目中分离，成为单独的一项进行分析，本文提到的栏目系统主要指整理与提升中的科学史话、科学∙技术∙社会、资料卡片、化学与职业、信息搜索等。在访谈过程中发现，师范生对教材的栏目系统持有不同意见。一些师范生认为这些栏目的设置是为了丰富学生的视野，应该以学生自学为主，不做硬性要求，也不会在课堂上进行讲解，更不会基于这些栏目去开发和利用更多的教学资源。部分师范生认为栏目的设置有助于落实化学学科核心素养，在时间和精力允许的前提下，会在课上进行讲解，也会利用网络主动开发相关的资源以供学生学习。还有一部分学生认为，栏目的设置有助于激发学生学习化学的兴趣，尤其是对于高一年级的学生来说，仅仅学习化学知识会有些枯燥，应该借助栏目引导学生关注与化学有关的社会问题，培养学生的社会责任感。

4 眼动实验

为进一步探寻师范生在教材分析时的内部心理状态和注意力分布，挑选教学设计主题为“铁及其化合物”的12名学生进行眼动实验。

4.1 实验设计

4.1.1 实验设备

孝长。孝敬长辈是中华民族传统美德之一，但数千年的宗法统治将“忠”“孝”混为一谈，倡导愚忠愚孝，使“孝”具有了一定的消极意义。村官选举中，受传统家长制潜意识影响，大姓长辈往往具有一定优势。但在农村青壮年大量外出务工经商，“空巢老人”已成为较普遍社会问题的背景下，提倡孝敬长辈，具有积极的社会意义，但要剔除传统孝道中的封建糟粕，按照现行法律法规，赋予“孝”最鲜活的现代内核。

本实验采用瑞典公司Tobii Pro Nano眼动仪和Tobii Pro Lab 1.152.3002的软件来收集眼动数据，该眼动仪的准确度≤ 0.3°，精确度≤ 0.1°，采样率≥ 60 Hz，采用遥测式设计，被试不需要任何束缚性装置就可以准确采集人眼在刺激物上的视线位置和轨迹。在实验过程中，被试需要距离设备50 cm左右即可，整个实验过程被试的视线不能离开屏幕。

4.1.2 实验材料

实验材料为新版人教版教材必修一第三章第一节“铁及其化合物”的内容，共8页。根据教材内容特点将本节内容分为三类，分别是正文、实验和栏目。将本章内容按照次序以图片的方式向学生展示，本实验不限制学生阅读教材的时间，由被试自主决定阅读速度，每阅读完一页点击鼠标阅读下一页，眼动仪完整记录下学生阅读本章教材时的眼动数据。

4.2 实验数据

4.2.1 热点图

图1、图2、图3分别为学生在阅读教材不同模块时的眼动热点图，其中图1是在阅读教材正文的热点，图2是在阅读教材实验部分的热点，图3是在阅读教材栏目系统时的热点。眼动热点图可以反映学习者的视觉加工热区或兴趣区，可以通过叠加多位被试的注视点识别被试视线的焦点位置。热点图采用不同的颜色来表示注视点数量或注视时长，红色表示注视点最集中的区域或注视时间最长的区域，黄色其次，绿色最少或最短[20]。

图1 教材正文系统热点图

图2 教材实验系统热点图

图3 教材栏目系统热点图

在正文系统、实验系统和栏目系统的热点(图1-3)比较中可以明显看出，师范生对教材的正文系统关注度>实验系统>栏目系统，在正文系统中，师范生的关注点主要在文字描述上，而对实验系统的关注点主要在化学方程式上，对有关实验现象的图片关注度不高。对栏目系统仅仅是大概了解，并未深入探索和挖掘潜在的教学资源。在与师范生的访谈过程中发现，尚且处于职前教师阶段的师范生，认为在课堂上的首要任务是向学生讲清楚知识点，在有关实验讲解时，会根据所在学校的实验条件，选择演示实验或者播放实验视频，在时间和精力允许的情况下或者在学校的要求下会对实验进行整合，精心设计实验活动。新教材的栏目设置是一个亮点，能够切实地将知识内容转化为学科核心素养[21]，有利于培养学生的能力。师范生对栏目系统的低关注度在一定程度上反映了部分师范生的教学理念仍然是知识本位的。因此，转变师范生的教学理念也成为教育改革的另一切入点。

4.2.2 轨迹图

脑-眼假说认为，只有当学习者对阅读材料进行精细的认知加工时，眼球会随着认知加工的进行而运动[22]。眼动视轨迹图可以显示出被试在刺激物上注视的顺序和位置，精确地反映出眼球的运动。其中圆点的大小表示持续注视时间，圆点半径越大表示注视时间越久，而圆点内的数字则表示注视顺序。眼动轨迹图可以说明被试在整个注视期间或者在较短的时间间隔内的注视模式，能够动态地反映信息加工的顺序和轨迹[23]。

在研究被试的轨迹图时，被试在正文系统的眼动轨迹大都采取顺序阅读方式，但是在带有图片的实验系统部分，眼动轨迹图具有较大差异。如图4所示，将实验材料第四页的实验部分内容划定为兴趣区，将兴趣区分为实验描述、实验现象、实验原理三个部分。

图4 兴趣区划分

典型被试在兴趣区内的眼动轨迹如图5所示。从图中可以看出，被试A的眼动轨迹清晰明确，注意力均匀分布在实验描述、实验现象和实验原理上，注视点在三者之间存在迂回反复，选择性回视较多。回视是指从一个未知区域转向另一个已知区域的眼跳，阅读中的回视是指退到前面一个语句的眼跳[24]。同时借助访谈结果发现，被试A在阅读本部分内容时，头脑中模拟真实的课堂实验教学情境，思索如何借助实验证据推出实验原理。因此可以说明被试在头脑中将这三部分的内容联系起来，并不断地进行认知加工；被试B的注视点主要集中在实验描述和实验原理上，对实验现象的关注较少，呈现顺序阅读模式，回视较少。在访谈过程中，被试B提到仅仅是阅读本部分内容的知识点，以抓住关键知识点作为阅读目的，因此说明被试B能够轻松提取实验描述和实验原理部分的关键信息，但是对实验现象的关注较少；被试C对新版教材不熟悉，在阅读的过程中稍显吃力，其眼动轨迹杂乱无章，毫无规律可循，回视较多，但并非选择性回视，表明被试不能有效提取这三部分的信息，未能在短时间内把握三者之间的关系，因此表现出不断尝试反复阅读的眼跳行为。

图5 不同被试有关实验系统的眼动轨迹图

综上所述，师范生在进行教材分析时，注视模式具有很大的差异。部分学生的视线集中，对核心区域进行充分注视，能够有效提取实验的关键信息，乐于进行实验的设计。部分学生视线循规蹈矩，但是对实验现象的关注度不够。个别学生在阅读本部分内容时，视线杂乱，对重要区域视线没有主次之分，不能有效提取关键信息，更不用说进行教学设计。

5 现状总结与对策

5.1 师范生教材分析能力现状总结

综合师范生提交的教学设计和眼动实验的结果发现，化学师范生在教材分析上存在以下问题：1) 师范生教学设计选题较为集中，偏重于必修部分的元素化学内容；2) 对课标的分析停留在表面，不够深入；3) 教材重难点的确立缺乏依据；4) 师范生对教材实验系统和栏目系统的重视度不够。

5.2 提升师范生教材分析能力对策分析

1) 拓宽师范生视野，着眼于整个化学课程体系。

化学师范生在进行教学设计时选题集中，在一定程度上反映出化学师范生对知识结构掌握不扎实，忽视了选择性必修部分和选修部分内容的学习。化学师范生作为一线化学教师的储备军，承担教书育人的重任，在踏入讲台之前，就应该具有扎实的理论基础和宽厚的文化素养，能够对化学知识体系有科学、准确的把握，达到运用自如的境界。因此化学师范生在校期间就应不断加强训练，着眼于整个化学课程体系，理清知识结构。

2) 强化课标分析，认识到课标分析的重要性。

课程标准是依据培养目标和课程方案编制的国家纲领性文件，对课程的性质与价值、目标与内容、教学实施建议以及课程资源开发等方面有很强的指导作用，是教材的编写依据，准确把握课标才能有效进行教材分析。部分师范生认为课标分析和完成教学设计作业之间没有必然联系，没有进行课标分析仍然可以完成教学设计，因此在进行教学设计时，会直接摘抄文献和教参等辅助资料中的课标分析结果，这导致学生无法形成对课程和教材的整体把握和系统分析，进而缺乏教学设计的创新性。因此要提高师范生对课标分析重要性的认识，强化课标分析能力。

3) 深入一线教学，了解学情。

师范生在进行教材分析时，容易忽略学情，导致教学重难点的设计缺乏依据，使得整篇教学设计很空洞，没有针对性。师范生应该主动加强与一线教学的联系，抓住每一次实践的机会，在教育见习、实习等实践活动中深入考察学生学情，对本节内容“教什么”“为何教”和“怎么教”等问题深度思考，有针对地进行教学设计。这样才能有效突出重点，突破难点，不断提高自己的教育教学技能。

4) 转变教学理念，重视栏目教学资源的利用与开发。

教材的栏目设置很大程度上体现了教材的编写理念，也在一定程度上影响教师教学方式和学生的学习方式。师范生在眼动实验对于教材栏目的低关注度，以及在教学设计中对学生能力的发展和核心素养的落实的忽视，不利于以学生为本教育理念的发展。师范生即将成为教育改革的主力军，教学理念应该由“知识文本”向“观念建构”转换，重视学生的全面发展，重视栏目系统教学资源的利用与开发。如化学与职业栏目、工作内容和知识背景，能够在化学课堂上有效渗透职业生涯，向学生介绍与化学相关职业的特点教育；科学∙技术∙社会栏目主要是有关科学、技术、社会和环境等的拓展性内容，引导学生关注人类与社会面临的化学问题，激发学生的社会责任感。

5) 重视实验教学。

化学是一门实验学科，化学实验有助于培养学生科学探究与创新意识和证据推理等核心素养，在化学教学中占有很大的比重。目前高中教材中的实验方式呈现多样化的发展趋势，不再是单一的验证性实验，增加了探究性实验、分组性实验等。师范生应当认识到化学实验的重要性，不仅要掌握中学课本上的必做实验，对实验操作、实验原理了如指掌，还要尝试对这些实验进行整合改进，使实验现象更明显，对环境更友好，更适合课堂上进行演示。