基于眼动追踪技术的化学师范生自我效能感对问题解决的影响研究

孙静 李淑萍 东婉莹 薛亮

摘要：  以化学反应原理相关试题作为测试材料，采用眼动追踪技术对12名化学师范生进行2（自我效能感水平）×3（试题难度）两因素混合实验，实验结束后通过口语报告描述解题思维过程。结果表明在化学反应原理问题解决过程中，自我效能感水平高的师范生，信息加工速度快、关键信息注视度高、更坚信自己提取信息的正确性，对于信息的提取具有较强针对性;低水平的师范生信息加工速度慢、关键信息注视度较为广泛，不够坚信自己所获取的信息和加工结果的正确性，需要做反复检验。

关键词：  眼动追踪; 自我效能感; 师范生; 问题解决

文章编号：  1005 6629（2022）08 0024 06

中图分类号：  G633.8

文献标识码：  B

1 问题的提出

科学技术迅速发展的当代社会，各国力求培养具有创新能力的人才，这其中发现和解决问题能力、批判思维能力处于核心地位[1]。基于学科的问题解决是问题解决能力的重要组成，是问题解决发展的高阶阶段[2]，上世纪七十年代，“问题解决”的研究就开始展现出认知心理学理论与学校教学实践密切结合的特点。化学是基本科学科目，對化学问题解决的研究，就是对自然科学问题解决的研究。多项研究表明，问题解决能力除了受基础知识、记忆、思维能力等智力因素影响之外，还受兴趣、意志力、信念等非智力因素的影响[3]。其中，班杜拉提出的自我效能感理论是重要的非智力因素，是行为主体对自身能否顺利完成某项工作的主观判断。国内学者发现，学生自我效能感和学业成绩呈显著正相关[4]，并对学生学习策略有重要影响[5]。教师是培养学生问题解决能力的关键因素，师范生是未来的教师，可塑性强，因此研究自我效能感对师范生的问题解决能力的影响是培养创新型人才的关键。

整理现有文献，侯晓莉在探究非智力因素对中学生数学问题解决能力的影响时，用调查问卷测评非智力因素和问题解决能力[6];李博在探究高中生化学信息转换能力培养策略时，用问卷调查法测评高中生信息转换能力[7]。由此可见，目前对于问题解决能力的研究主要是口语报告法，该方法一定程度上能够反映被试内部思维能力，但是受到记忆偏差等各种外部因素影响，会存在扰乱思维的现象，停留在质性研究阶段，缺乏较为客观的、科学的量化研究数据[8]。

眼动追踪技术是通过红外技术在被试不接触屏幕的情况下收集眼球运动信息，从而得到被试的信息获取、建模与模拟。眼睛-心理假设认为： 人的眼睛收集外界80%以上的信息，眼睛活动过程体现大脑处理信息的过程。因此，可以通过眼球运动数据分析被试的信息加工和认知过程[9]。对于问题解决研究，问卷调查和口语报告是常用方法，但该方法缺乏一定的客观性，容易受外界因素影响。随着心理研究技术发展，眼动追踪技术刚好可弥补传统方法的不足，使问题解决研究过程更科学、客观[10]。目前，眼动追踪技术广泛应用于心理学、商业广告等，在教育领域的应用较少且对象都为中学生。 师范生是未来的教师，他们所具备的问题解决能力会对学生发展产生举足轻重的影响，因此对于师范生问题解决思维过程的科学研究至关重要。

基于以上特点，本研究采用眼动追踪技术，对自我效能感做水平划分，研究化学师范生问题解决时的认知加工过程，揭示问题解决思维过程。研究的问题主要是： 不同自我效能感水平的师范生解决相同难度问题的差异;相同自我效能感水平的师范生解决不同难度问题的差异。

2 实验方法

2.1 实验设计

测量50名化学师范生自我效能感，根据测试成绩的相对高低分为低水平和高水平自我效能感，在两个水平基础上分别选择六名师范生进行眼动技术追踪;通过完成化学反应原理试题时的眼动追踪来了解不同效能感水平师范生化学问题解决的思维过程，试题难度分为简单问题、中等难度问题和复杂问题。

2.2 被试

采用随机分层抽样法在陕西某高校选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名化学师范生，所有被试双眼矫正视力或裸眼视力均大于1.0，无散光等视力问题。

2.3 实验材料

本文用一般自我效能感量表（GSES）做水平划分，该量表由德国心理学家编制，我国张建新教授翻译，王才康等人修订，其内部一致性系数为0.87，表明中文版GSES已经具有良好的信度和效度。该量表共有10个题目，采取四级评分制，得分越高水平越高。本研究中，内部一致性α系数为0.844，信度良好。

眼动追踪测试选取毛彦鸿编制的化学反应原理试题[11]，该试题总体样本呈正态分布，正确率大于70%的作为简单题目，正确率低于30%的为复杂题目，介于中间的为中等难度题目。

2.4 实验仪器

Tobii Pro眼动仪和Tobii Pro Lab 1.152.3002软件。该眼动仪准确度≤0.3°，精确度≤0.1°，采样率≥60Hz，采用遥测式设计，被试不需要任何束缚性装备便可准确采集眼睛运动视线和轨迹，眼睛距离设备50cm左右，整个实验过程，视线不能离开屏幕。

2.5 实验程序

在陕西某高校智慧教室进行实验，由2名主试共同完成。实验开始时，一名主试向被试简短说明实验过程，引导其进行眼动仪定标和校准，然后进行测试;另一名主试负责记录所选答案，并在后期对被试进行口语访谈，要求被试简单口述其思维过程。

2.6 数据处理

实验时，Tobii Pro眼动仪会自动记录被试解题过程眼动模式。由于各种原因得到的无效数据，在数据处理时将其剔除。完成实验后，采用眼动仪自带Statistics功能将所有数据以Excel形式输出，为了增加分析准确度，取同一难度水平的2道题目所有指标的平均值代表该难度的指标指数，最后采用SPSS26.0对数据进行统计处理。

3 实验结果

3.1 总注视时间

总注视时间指落在解题范围内的所有注视点时间的总和，反映了对信息表征和加工的总时间，能反映被试的认知加工深度[12]。不同自我效能感水平师范生在解决不同难度水平试题的注视时间情况见表1。多因素方差分析结果表明： 试题难度主效应显著（F=65.368， P<0.01），自我效能感水平主效应显著（F=16.130， P<0.01）。

比较自我效能感水平对注视时间的影响，结果表明在三种水平的试题难度上，高水平（P<0.01）和低水平（P<0.01）的师范生均有显著性差异，两水平间（P<0.01）存在显著差异。做均值比较分析，高水平自我效能感下的均值和检验值（整体均值）间（P<0.01）存在显著差异，其明显高于整体水平，低水平自我效能感为省略类别。

比较试题难度水平对注视时间的影响，结果表明： 两个水平师范生在解决三种难度试题（P<0.01）时整体差异显著，其中，中等难度试题与复杂试题之间（P<0.01）存在显著差异。做均值比较分析，困难问题下的均值和检验值（整体均值）间（P<0.01）存在显著差异，其所用时间高于整体水平，中等难度试题与整体时间水平之间（P>0.05）不存在显著性差异，整体平均时间处于中等难度试题所消耗时间左右，简单问题为省略类别。

3.2 眼动轨迹图

眼动轨迹清晰记录了被试观察实验材料时的眼球运动轨迹，一定程度上反映了被试的思维活动，体现被试在解决问题时的信息加工过程。研究分析不同自我效能感水平师范生解决不同难度问题时的眼动轨迹图。

通过自我效能感高水平和低水平师范生解决简单问题的眼动轨迹图（图1）可直观看出，所有师范生均关注题干的阅读与关键信息的提取，从信息加工策略上可以看出根据题干信息便可加工得出答案，对照选项

直接选出正确选项，其中还可以看到高水平师范生在选项区的轨迹主要集中在寻找正确答案，选出“A”为正确选项后，仅对“B”进行排除或不排除则直接选择答案;而低水平师范生在仔细读完题干后，还会对四个选项依次进行判断和排除，确定最终答案。

根据师范生解决中等难度问题时的眼动轨迹图（图2）可以看出，低水平师范生的眼动轨迹多于高水平师范生的眼动轨迹，从信息加工策略角度来讲低水平师范生对中等难度问题的信息加工略困难于高水平师范生，前者会反复观看题干信息、选项区以及图中的信息。从轨迹图可见，低水平师范生在解决中等难度问题时会依次排除四个选项，而高水平师范生则会关注到关键信息，并且坚信自己所提取的信息，不会反复观看。通过观察师范生解决复杂问题的眼动轨迹图（图3），可以看出，高水平师范生注视点集中在图像信息和正确选项A上，几乎不关注错误选项，而低水平学生注视点集中在题干、图像信息及A、 B、 C选项。从信息加工策略可以看出高水平师范生主要根据图像直接得出答案，观察A并直接选择A，对其他选项之间的转化较少，其信息加工效率高，低水平师范生也是主要根据图像获取加工信息，但是从图中可以明显看到注视点相

对于高水平师范生较多，图像与其他选择之间的转化也较多，信息加工效率低。

3.3 热点图

热点图可以直观反映被试者注视试题的频率和关注点分布情况，注视频率越高，该区域颜色越深，表明该区域的受关注程度越高，也说明内容的难度大，获取信息时耗时较长。

解决简单问题时，低水平和高水平师范生的热点图（图4）在题干部分较相近，深色和浅色面积不相上下，在选项部分可以看到低水平师范生的红色部分明显多于高水平师范生。表明两个水平师范生解决简单问题时提取信息的过程的关注点相似，信息加工以题干为主，但在选择答案时，高水平师范生会根据所加工信息直接获取答案，低水平师范生则还会仔细观察各选项，根据每个选项检验自己获取和加工的信息。

从纵向角度来看，对关键信息区域的认知加工，高水平师范生的深色板块少，低水平师范生的红色板块多。说明高水平自我效能感的师范生信息加工速度快、深度浅、难度小，低水平自我效能感的师范生信息加工慢、深度深、难度大。选项区域低水平师范生的深色点多，说明关键点较分散，所用时间较长，与眼动统计数据相吻合。

不同水平师范生解决中等难度问题热点图（图5）与解决简单问题热点图有明显不同，低水平师范生的关注点较多，图中深色区域分布比较广泛，题干、图像以及选项中均有，而高水平师范生的深色区域则主要分布在其中一个不太熟悉的图像部分，对于前面熟悉的图像仅几眼扫描获取信息即可。

从纵向来看，对于关键信息区域的认知加工，高水平师范生的深色区域最少，颜色最淡，说明高水平师范生能抓住关键点进行信息加工，快速形成问题解决思路;低水平师范生深色区域较多，颜色对高水平来讲较淡，说明低水平师范生对关键信息提取较为模糊，所关注的信息较为广泛，思维信息加工不够精准。在非关键区域选项部分，很明显低水平师范生的关注点较多，猜测可能是对关键信息部分的思维加工进行验证，通过后面的口语报告验证了这一观点。眼动热点图反映出，即使眼动轨迹相似、注视时间相近，不同水平下的信息加工策略也不同。

通過师范生解决复杂问题热点图（图6）可以直观看到，高水平师范生关注点更集中、准确，知道该关注什么;而低水平师范生的关注点则比较广泛和混乱，重点区域多，不太确定自己在解决复杂问题时需要什么信息，信息加工是否正确。解决复杂问题的区别，在选项部分体现最明显，高水平师范生直接选取正确答案后就不再观察其他选项，相信自己的判断，而低水平师范生要先检验，排除其他选项，最后确定正确选项。

从纵向来看，对题干关键部分的信息加工同中等难度问题的高、低水平自我效能感的师范生相似;对于选项部分的关键信息，低水平师范生的红色区域面积大，颜色深，分布在选项“A、 B、 C”上，高水平师范生的红色区域只集中在正确选项“A”上，说明低水平师范生难以抓住关键信息、注意分散，高水平师范生对于选项的信息关注较少，与眼动数据分析相符合。

4 综合讨论与分析

4.1 不同自我效能感水平师范生关于相同难度问题解决的差异

整体分析发现，在化学反应原理简单问题上，不同自我效能感水平师范生眼动轨迹图和热点图眼动指标差异性不显著，但注视时间差异显著，笔者推测可能是低水平自我效能感师范生在关键信息部分注视时间过长导致总时间上与高水平师范生产生显著性差异，后期采访也证实了这一猜想。这是因为简单问题主要考察基本概念，主要是知识的记忆，要求并不高。但在中等难度问题和复杂问题上，低水平和高水平师范生的各项眼动指标有显著性差异，低水平师范生注视时间长、关注信息较广泛，高水平师范生关注时间短、关注信息较集中，并且在做选择时十分确定自己对信息的提取与加工，会直接选择正确选项，不会检验其他选项。

结合各项眼动指标，知识储备和认知能力相同时，自我效能感水平低的师范生会犹豫，尤其在解决复杂问题时，重点过多，不够相信自己所做的信息处理，会反复观察采取过多无用的解决策略，导致解决时间较长并且会自我怀疑;而高水平师范生会结合正向加工和逆向排除的高效率解决策略，对于不重要的信息一扫而过，对信息的提取和加工十分坚信，看到正确选项会立即下结论，因此解决问题的结构明确、重点突出。

4.2 相同自我效能感水平师范生解决不同难度问题的差异

整体分析发现，无论师范生自我效能感水平如何，解决化学反应原理问题，注视时间会随问题难度的增加而显著增加。三种试题难度的眼动轨迹图和热点图具有显著性差异，在轨迹图方面，简单问题的眼动轨迹较为分散，证明简单问题所考察的知识点少，信息简单，没有十分需要关注的关键信息;中等难度问题和复杂问题的眼动轨迹较为集中，可以看出主要集中在图像部分，证明中等难度问题和复杂问题考察的信息较多，更重要的是对图像的信息加工能力，因此，师范生便将精力集中在图像和关键信息部分;在热点图方面可以看到，中等难度问题的深色区域最少，面积最小，简单问题和复杂问题的深色区域较多，且面积较大，由此可以看出中等难度问题的重点以及关键信息较为明显好观察，简单问题和复杂问题需要关注的信息则较多。

结合各项眼动指标，试题难度不同时，由于问题难度增加，考察知识点增多，需要进行的信息提取和采用的解题策略也会变得复杂多变，这就需要准确且坚定的信息获取，因此所需时间也会随试题难度的增加而增长。从轨迹图和热点图来看，对于试题关键信息的提取是消耗时间的关键，因此在解决问题时，要多关注关键信息，加强试题结构的分析与理解，防止过多关注无用信息。

5 研究结论与启示

基于以上，笔者发现，自我效能感水平高的师范生，对自己的信息提取能力自信，这类师范生信息加工速度快，信息加工策略完整，很明显这类特征有利于化学问题的解决。自我效能感是师范生成长时期的易改变因素，因此，在日常培养师范生的课程中应注重自我效能感的培养。

由此可推，自我效能感对中学生的化学问题解决也有较大的影响，因此，在日常的教学中教师也应引导学生发挥自我效能感，采用教学策略培养学生自我效能感。如采取比赛、教学活动表扬的形式提高学生自信心，进而提高中学生自我效能感，以帮助在知识储备相同的情况下中学生提高学习信念，从而帮助中学生更加准确快速解决化学问题。此外，教师在日常教学中还应培养学生获取关键信息的能力，在本研究中提取关键信息所耗时间是最主要的，高水平自我效能感的师范生总是能快速找出关键信息进行问题解决，因此，中学生也要进行关键信息提取能力训练，以便顺利解决问题。

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