基于眼動追蹤技術的化學師范生教材分析能力現狀與策略探討

東婉瑩，楊洋，李海琴，薛亮

陜西師范大學化學化工學院，西安 710000

1 師范生教材分析能力研究現狀

2018年1月中共中央國務院發布《關于全面深化新時代教師隊伍建設改革的意見》中明確指出，建立以師范院校為主體、高水平非師范院校參與的中國特色師范教育體系，整體提升師范院校和師范專業的辦學水平[1]。百年大計，教育為本；教育大計，教師為本。在“新師范”背景下，培養造就一批專業基礎扎實、勇于創新教學、善于綜合育人的高素質專業化創新型教師對于基礎教育的發展來說就顯得尤為重要。教材是師生對話的工具，是聯系教育者和受教育者的教育中介系統。教材分析能力不僅是師范生應該掌握的教學技能之一，也是一線教師提高教學質量和教師業務素質的保證[2]。目前學界有關師范生教材分析的研究大體上可以分為三類。

第一類是有關師范生教材分析能力現狀，并根據現狀提出相應提高策略的研究，如王彥峰[3]借助問卷進行了不同年級生物學科師范生教材分析能力的現狀調查，并提出根據不同年級師范生的特點進行因材施教、聘請中學優秀教師或高校專家對師范生進行輔導的建議；杜華和廖志剛[4]在任教過程中發現化學師范生教材分析能力薄弱的問題，提出教材分析應重視學生主體分析和建構科學的教材分析模式的建議。這些有關師范生教材分析能力現狀研究的文獻，大都提到目前師范生教材分析能力從整體上看處于較低水平[5]，具體表現為：① 忽視課標的指導作用，對課標與教材的認識不足[6]；② 對教學重難點的把握不準；③ 不能從整體上把握知識結構等問題。

第二類研究是確定師范生教材分析能力的構成，如聶桐彤等[7]確定了教材分析能力包含教材內容結構分析、教材重難點分析、教材表述結構分析和課標與教材的關系四個一級指標，每個一級指標下面有若干個二級指標，并對各個指標進行權重計算，開發出教材分析能力量表，同時借助量表對地理師范生教材分析能力現狀進行調查；王曉宇[8]建立了一個較為合理的數學教材分析能力框架，該框架包含課程定位、學情分析、比較分析、評價分析、教學設計五部分內容，其中每部分內容還有更為詳細的分支，借助該框架可以測查數學師范生的教材分析能力。

第三類研究是提出教材分析的方法，為提高師范生和一線教師教材分析能力提供一種新的思路，如皇甫倩和王后雄[9]將系統分析法中的結構解釋模型應用到教材分析中，提出“三段式”的教材分析模型。但該模型對其使用者的要求較高，既要精通教材，能夠用批判的眼光看待教材，還要準確把握學生的學情。龍劍將能力導向教育理念(OBE理念)與師范生教材分析能力培養相結合，確定了師范生教材分析能力培養目標，并提出了相應的培養策略[2]。

2 眼動追蹤技術研究現狀

眼睛是心靈的窗戶，人類有80%-90%的外界信息是通過眼睛獲得的，人們通過注視來獲取和加工視覺信息[10]。眼動儀通常是由紅外光源和接收眼睛反射的傳感器組成，能夠有效記錄眼睛注視和掃視的位置。注視大多與人們的注意力有關，而注意力又與認知加工過程相聯系，因此記錄人們的眼球運動狀態，能夠在一定程度上揭示人們的認知加工過程。近年來，眼動追蹤技術在化學教育領域中的應用越來越廣泛，它能將學生復雜的認知過程通過眼動數據外顯化，進而揭示學生內部心理機制。國外有關眼動追蹤技術在化學教育領域中的應用的研究較為深入，可將其分為基礎研究和應用研究兩個部分。

2.1 基礎研究

眼動追蹤技術廣泛應用于閱讀領域。本類研究會借助眼動儀記錄學生在閱讀時的眼動行為，比較不同的閱讀策略，分析學生在句子與句子之間的信息加工策略。如Yu-Cin Jian[11]等讓被試參與一篇科學文章的閱讀的同時，跟蹤他們的眼球運動，并對其進行閱讀理解測試。

除了將其運用于閱讀領域之外，也有研究者致力于探索眼動數據方法和眼動研究的范式，為后續的眼動研究提供便利。如Tang Hui等[12]介紹了一種處理和分析數據提供強大而靈活的工具軟件R，提高了眼動數據提取和操作的效率。Sarah J. R. Hansen等[13]將眼動研究分為以下步驟：選擇合適的眼動儀-設置眼動實驗室-確定合適的研究問題-選擇被試并獲得被試同意-收集數據-分析數據等六個步驟。

2.2 應用研究

2.2.1 學生表征能力研究

本類研究大多數將有聲思維訪談定性分析和眼動數據定量分析相結合，探究學生對有機化合物的物質結構或化學方程式的表征，并借助眼動數據將學生信息表征外顯化，討論視覺信息如何在頭腦中進行表征[14]。如Marc Rodemer等[15]采用眼動法觀察初學有機化學和已經學習過一個學年有機化學的本科生在完成反應機理表征時的不同反應，探討學習者是如何將他們的注意力分散在復雜的信息表征上，理解學生在處理信息時的視覺解碼行為。

2.2.2 學生認知負荷研究

本類研究以元認知理論和認知負荷理論為基礎，探索學生眼動數據和認知負荷之間的關系，認知負荷是指在指定時間內為完成某項指定任務而施加于個體認知系統的心理活動總量[16]。如Jessica M. Karch等[17]使用凝視和瞳孔直徑測量數據來探究認知負荷如何隨著智力任務的變化而變化。

2.2.3 問題解決能力研究

問題解決是一種以目標定向的搜尋問題空間的認知過程，正確的問題解決需要有效識別和理解有效信息，并對問題進行表征，之后選擇合適的問題解決策略。眾多研究者借助眼動追蹤技術分析不同學生問題解決的差異和影響學生問題解決的因素。如Tang Hui和Norbert Pienta[10]利用眼球追蹤的硬件和軟件，探討了問題難度和認知過程對學生解決氣體類應用題的影響。在2014年，他們又通過Logits回歸和眼動追蹤技術探討影響立體化學問題解決的重要因素，該研究提供了一種定量評估問題難度和學生問題解決能力[18]。

而在我國，眼動追蹤技術在化學教育領域中的應用主要是在學生問題解決和學生認知能力方面。如歐陽雪等利用眼動設備采集學生在解決氧化還原問題時眼動數據，如總注視時間、眼動軌跡圖和熱點圖等，通過眼動數據分析不同學業水平學生和不同性別水平學生在問題解決時的注意力分配差異以及信息加工差異[19]。眼動追蹤技術在化學教育領域中有一個燦爛的前景，為我們更深層次地研究學生的內部認知過程提供了可靠的工具。

3 化學師范生教材分析能力現狀

本文選用陜西省某重點師范院校的大四年級的48位化學師范生作為研究對象，收集其在“化學教學論”課程中提交的教學設計作業，針對教學設計中的教學理念、課標分析、教材分析、教學目標、教學重難點以及授課過程等模塊進行重點分析，并抽選具有代表性的六位學生進行訪談。

通過調查分析發現，這些學生在教材使用上存在以下問題：

1) 教學設計選題較為集中，偏重于必修部分的元素化學內容。

在化學師范生提交的48份教學設計中，如表1所示，大多數師范生傾向于選擇必修部分的內容進行教學設計，而且更偏重于必修部分的元素化學內容。在與部分師范生的訪談中了解到，他們選擇必修部分的內容進行設計的原因有二：一是對必修部分的教材更熟悉，相對選修部分，對知識點的把握更全面和透徹。二是必修部分內容對高中生的學習尤為重要，這兩本書的學習情況直接影響學生對化學這門學科的態度。尤其是在新高考背景下，學生對于所學課程有了更大的選擇權，因此必修部分的教學能否讓學生易于理解，能否激發學生學習化學的興趣，變得尤為重要。

表1 師范生教學設計選題頻次表

2) 對課標的分析停留在表面，不夠深入。

絕大部分師范生在提交的教學設計中均進行了課標分析，但是很多學生僅是把課標基本理念進行復制粘貼，或者找出了課標內容的對應關系，但并未對課標中的內容要求、教學提示、學業要求等進行進一步的解讀，在實際教學設計中沒有充分考慮本節課具體內容的特點，忽視了課標的指導作用，使得核心素養的落實流于表面，不能有效促進學生化學思維的發展和化學能力的提高。

3) 教材重難點的確立缺乏依據。

在分析師范生提交的教學設計的過程中發現，大部分學生教學重難點的設計均缺乏依據，即使有小部分學生會說明教學重難點的確立依據，但是這些依據均來自于課標、知識點的結構等，并未考慮學生的學習情況和接受程度。在訪談過程中了解到，師范生確定教學重難點的途徑有四個，分別是查閱文獻、自己的學習經歷、家教經驗、教輔(較少)。其中主要參考渠道就是文獻，他們認為已經刊發出來的論文具有一定的權威性，在借鑒他人設計的教學重難點的基礎上，再結合自己以往的學習經驗，最終形成自己本節課的教學重難點。

4) 對教材欄目系統的分析能力均較低。

在分析教學設計時發現，這些教學設計均未涉及到教材欄目系統的內容?；瘜W教材中設置的欄目主要有實驗活動、練習與應用、整理與提升、研究與實踐、復習與提高。在本文中將實驗從欄目中分離，成為單獨的一項進行分析，本文提到的欄目系統主要指整理與提升中的科學史話、科學?技術?社會、資料卡片、化學與職業、信息搜索等。在訪談過程中發現，師范生對教材的欄目系統持有不同意見。一些師范生認為這些欄目的設置是為了豐富學生的視野，應該以學生自學為主，不做硬性要求，也不會在課堂上進行講解，更不會基于這些欄目去開發和利用更多的教學資源。部分師范生認為欄目的設置有助于落實化學學科核心素養，在時間和精力允許的前提下，會在課上進行講解，也會利用網絡主動開發相關的資源以供學生學習。還有一部分學生認為，欄目的設置有助于激發學生學習化學的興趣，尤其是對于高一年級的學生來說，僅僅學習化學知識會有些枯燥，應該借助欄目引導學生關注與化學有關的社會問題，培養學生的社會責任感。

4 眼動實驗

為進一步探尋師范生在教材分析時的內部心理狀態和注意力分布，挑選教學設計主題為“鐵及其化合物”的12名學生進行眼動實驗。

4.1 實驗設計

4.1.1 實驗設備

孝長。孝敬長輩是中華民族傳統美德之一，但數千年的宗法統治將“忠”“孝”混為一談，倡導愚忠愚孝，使“孝”具有了一定的消極意義。村官選舉中，受傳統家長制潛意識影響，大姓長輩往往具有一定優勢。但在農村青壯年大量外出務工經商，“空巢老人”已成為較普遍社會問題的背景下，提倡孝敬長輩，具有積極的社會意義，但要剔除傳統孝道中的封建糟粕，按照現行法律法規，賦予“孝”最鮮活的現代內核。

本實驗采用瑞典公司Tobii Pro Nano眼動儀和Tobii Pro Lab 1.152.3002的軟件來收集眼動數據，該眼動儀的準確度≤ 0.3°，精確度≤ 0.1°，采樣率≥ 60 Hz，采用遙測式設計，被試不需要任何束縛性裝置就可以準確采集人眼在刺激物上的視線位置和軌跡。在實驗過程中，被試需要距離設備50 cm左右即可，整個實驗過程被試的視線不能離開屏幕。

4.1.2 實驗材料

實驗材料為新版人教版教材必修一第三章第一節“鐵及其化合物”的內容，共8頁。根據教材內容特點將本節內容分為三類，分別是正文、實驗和欄目。將本章內容按照次序以圖片的方式向學生展示，本實驗不限制學生閱讀教材的時間，由被試自主決定閱讀速度，每閱讀完一頁點擊鼠標閱讀下一頁，眼動儀完整記錄下學生閱讀本章教材時的眼動數據。

4.2 實驗數據

4.2.1 熱點圖

圖1、圖2、圖3分別為學生在閱讀教材不同模塊時的眼動熱點圖，其中圖1是在閱讀教材正文的熱點，圖2是在閱讀教材實驗部分的熱點，圖3是在閱讀教材欄目系統時的熱點。眼動熱點圖可以反映學習者的視覺加工熱區或興趣區，可以通過疊加多位被試的注視點識別被試視線的焦點位置。熱點圖采用不同的顏色來表示注視點數量或注視時長，紅色表示注視點最集中的區域或注視時間最長的區域，黃色其次，綠色最少或最短[20]。

圖1 教材正文系統熱點圖

圖2 教材實驗系統熱點圖

圖3 教材欄目系統熱點圖

在正文系統、實驗系統和欄目系統的熱點(圖1-3)比較中可以明顯看出，師范生對教材的正文系統關注度>實驗系統>欄目系統，在正文系統中，師范生的關注點主要在文字描述上，而對實驗系統的關注點主要在化學方程式上，對有關實驗現象的圖片關注度不高。對欄目系統僅僅是大概了解，并未深入探索和挖掘潛在的教學資源。在與師范生的訪談過程中發現，尚且處于職前教師階段的師范生，認為在課堂上的首要任務是向學生講清楚知識點，在有關實驗講解時，會根據所在學校的實驗條件，選擇演示實驗或者播放實驗視頻，在時間和精力允許的情況下或者在學校的要求下會對實驗進行整合，精心設計實驗活動。新教材的欄目設置是一個亮點，能夠切實地將知識內容轉化為學科核心素養[21]，有利于培養學生的能力。師范生對欄目系統的低關注度在一定程度上反映了部分師范生的教學理念仍然是知識本位的。因此，轉變師范生的教學理念也成為教育改革的另一切入點。

4.2.2 軌跡圖

腦-眼假說認為，只有當學習者對閱讀材料進行精細的認知加工時，眼球會隨著認知加工的進行而運動[22]。眼動視軌跡圖可以顯示出被試在刺激物上注視的順序和位置，精確地反映出眼球的運動。其中圓點的大小表示持續注視時間，圓點半徑越大表示注視時間越久，而圓點內的數字則表示注視順序。眼動軌跡圖可以說明被試在整個注視期間或者在較短的時間間隔內的注視模式，能夠動態地反映信息加工的順序和軌跡[23]。

在研究被試的軌跡圖時，被試在正文系統的眼動軌跡大都采取順序閱讀方式，但是在帶有圖片的實驗系統部分，眼動軌跡圖具有較大差異。如圖4所示，將實驗材料第四頁的實驗部分內容劃定為興趣區，將興趣區分為實驗描述、實驗現象、實驗原理三個部分。

圖4 興趣區劃分

典型被試在興趣區內的眼動軌跡如圖5所示。從圖中可以看出，被試A的眼動軌跡清晰明確，注意力均勻分布在實驗描述、實驗現象和實驗原理上，注視點在三者之間存在迂回反復，選擇性回視較多。回視是指從一個未知區域轉向另一個已知區域的眼跳，閱讀中的回視是指退到前面一個語句的眼跳[24]。同時借助訪談結果發現，被試A在閱讀本部分內容時，頭腦中模擬真實的課堂實驗教學情境，思索如何借助實驗證據推出實驗原理。因此可以說明被試在頭腦中將這三部分的內容聯系起來，并不斷地進行認知加工；被試B的注視點主要集中在實驗描述和實驗原理上，對實驗現象的關注較少，呈現順序閱讀模式，回視較少。在訪談過程中，被試B提到僅僅是閱讀本部分內容的知識點，以抓住關鍵知識點作為閱讀目的，因此說明被試B能夠輕松提取實驗描述和實驗原理部分的關鍵信息，但是對實驗現象的關注較少；被試C對新版教材不熟悉，在閱讀的過程中稍顯吃力，其眼動軌跡雜亂無章，毫無規律可循，回視較多，但并非選擇性回視，表明被試不能有效提取這三部分的信息，未能在短時間內把握三者之間的關系，因此表現出不斷嘗試反復閱讀的眼跳行為。

圖5 不同被試有關實驗系統的眼動軌跡圖

綜上所述，師范生在進行教材分析時，注視模式具有很大的差異。部分學生的視線集中，對核心區域進行充分注視，能夠有效提取實驗的關鍵信息，樂于進行實驗的設計。部分學生視線循規蹈矩，但是對實驗現象的關注度不夠。個別學生在閱讀本部分內容時，視線雜亂，對重要區域視線沒有主次之分，不能有效提取關鍵信息，更不用說進行教學設計。

5 現狀總結與對策

5.1 師范生教材分析能力現狀總結

綜合師范生提交的教學設計和眼動實驗的結果發現，化學師范生在教材分析上存在以下問題：1) 師范生教學設計選題較為集中，偏重于必修部分的元素化學內容；2) 對課標的分析停留在表面，不夠深入；3) 教材重難點的確立缺乏依據；4) 師范生對教材實驗系統和欄目系統的重視度不夠。

5.2 提升師范生教材分析能力對策分析

1) 拓寬師范生視野，著眼于整個化學課程體系。

化學師范生在進行教學設計時選題集中，在一定程度上反映出化學師范生對知識結構掌握不扎實，忽視了選擇性必修部分和選修部分內容的學習?；瘜W師范生作為一線化學教師的儲備軍，承擔教書育人的重任，在踏入講臺之前，就應該具有扎實的理論基礎和寬厚的文化素養，能夠對化學知識體系有科學、準確的把握，達到運用自如的境界。因此化學師范生在校期間就應不斷加強訓練，著眼于整個化學課程體系，理清知識結構。

2) 強化課標分析，認識到課標分析的重要性。

課程標準是依據培養目標和課程方案編制的國家綱領性文件，對課程的性質與價值、目標與內容、教學實施建議以及課程資源開發等方面有很強的指導作用，是教材的編寫依據，準確把握課標才能有效進行教材分析。部分師范生認為課標分析和完成教學設計作業之間沒有必然聯系，沒有進行課標分析仍然可以完成教學設計，因此在進行教學設計時，會直接摘抄文獻和教參等輔助資料中的課標分析結果，這導致學生無法形成對課程和教材的整體把握和系統分析，進而缺乏教學設計的創新性。因此要提高師范生對課標分析重要性的認識，強化課標分析能力。

3) 深入一線教學，了解學情。

師范生在進行教材分析時，容易忽略學情，導致教學重難點的設計缺乏依據，使得整篇教學設計很空洞，沒有針對性。師范生應該主動加強與一線教學的聯系，抓住每一次實踐的機會，在教育見習、實習等實踐活動中深入考察學生學情，對本節內容“教什么”“為何教”和“怎么教”等問題深度思考，有針對地進行教學設計。這樣才能有效突出重點，突破難點，不斷提高自己的教育教學技能。

4) 轉變教學理念，重視欄目教學資源的利用與開發。

教材的欄目設置很大程度上體現了教材的編寫理念，也在一定程度上影響教師教學方式和學生的學習方式。師范生在眼動實驗對于教材欄目的低關注度，以及在教學設計中對學生能力的發展和核心素養的落實的忽視，不利于以學生為本教育理念的發展。師范生即將成為教育改革的主力軍，教學理念應該由“知識文本”向“觀念建構”轉換，重視學生的全面發展，重視欄目系統教學資源的利用與開發。如化學與職業欄目、工作內容和知識背景，能夠在化學課堂上有效滲透職業生涯，向學生介紹與化學相關職業的特點教育；科學?技術?社會欄目主要是有關科學、技術、社會和環境等的拓展性內容，引導學生關注人類與社會面臨的化學問題，激發學生的社會責任感。

5) 重視實驗教學。

化學是一門實驗學科，化學實驗有助于培養學生科學探究與創新意識和證據推理等核心素養，在化學教學中占有很大的比重。目前高中教材中的實驗方式呈現多樣化的發展趨勢，不再是單一的驗證性實驗，增加了探究性實驗、分組性實驗等。師范生應當認識到化學實驗的重要性，不僅要掌握中學課本上的必做實驗，對實驗操作、實驗原理了如指掌，還要嘗試對這些實驗進行整合改進，使實驗現象更明顯，對環境更友好，更適合課堂上進行演示。