不同技能水平學生圖形識別能力與策略差異的眼動研究

黃少潔，彭力群，胡克祖

（天津職業技術師范大學職業教育學院，天津 300222）

不同技能水平學生圖形識別能力與策略差異的眼動研究

黃少潔，彭力群，胡克祖

（天津職業技術師范大學職業教育學院，天津 300222）

針對圖形識別能力與策略問題，采用2（技能水平：高技能水平、低技能水平）×3（圖形類型：工件圖、一般圖、實物圖）雙因素混合實驗設計的方法，進行眼動研究，得出在與專業相關的工件圖和實物圖上，高技能水平學生的圖形識別能力顯著高于低技能水平學生；在一般圖上，二者差異不顯著。識記階段，在首次注視時間上圖形類型的主效應顯著，表明學生在圖形編碼過程中，能根據圖形類型啟動不同的編碼策略，更好地分配注意資源。再認階段，在總注視時間、注視時間占比、首次注視時間、注視點個數上技能水平的主效應顯著，在總注視時間、注視時間占比、注視點個數上圖形類型的主效應顯著，表明高技能水平學生識圖策略優于低技能水平學生，其信息提取能力更強。

圖形識別；技能水平；圖形類型；眼動指標

多個領域的研究發現，專家與新手的信息加工與提取不同，已有的知識經驗可以引導個體的注意分配[1-2]。專家在加工專業領域的信息時，對任務相關的刺激注視次數更多、注視時間更長[3]，對任務無關的刺激其注視次數少、注視時間短[4]；而新手則把更多的注意力放在突顯刺激上[5]。汽車駕駛的研究發現，經驗駕駛員對駕駛視頻的注視持續時間更短、注視的廣度更大，駕駛經驗影響其對視頻中信息的加工和提取策略[6]。經驗運動員對足球視頻的注視次數更多，但每次的注視時間很短，一般水平運動員則恰恰相反，他們注視次數少但每次的注視時間長[7]。國際象棋比賽的研究中發現，專家注視和加工棋盤場景的模式不同于新手[8]。專家和新手教師對課堂教學場景中學生突顯的典型行為和問題行為采取不同的注意資源分配策略[9]。專家型教師在內隱學習能力、知識結構體系、知識運用的靈活性及記憶提取等方面優于新手教師[10-11]。已有研究表明，圖形識別受多種因素影響。曹立人等[12-14]發現在不規則幾何圖形上被試取樣的首視點分布與作業的難度有關，圖形的顯示條件和顯示方式對圖形的識別有顯著影響，不同顯示條件和顯示方式下掃視路徑有很大差別。李瑞芬[15]研究發現時間壓力顯著影響各種圖形取樣的眼動策略。丁錦紅等[16]發現為更好地識別圖形，被試會根據具體情況調整自己的眼動策略。針對在圖形識別任務中，專家與新手是否表現出相同模式差異的問題，本研究采用實驗的方法探討了不同技能水平學生在不同類型圖形上識別能力與策略的差異。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

采用加拿大SR Research公司的EyelinkⅡ頭戴式眼動儀，采樣頻率為500 Hz，刷新頻率為150 Hz。被試機顯示器為19英寸，分辨率為1 024×768像素。實驗采用瞳孔模式、單眼記錄，被試眼睛距顯示器70 cm。

1.2 實驗被試

實驗選取20名不同技能水平數控加工專業大四學生，技能水平以獲得的技能證書等級為依據，10名被試取得中級類證書，另外10名被試取得高級類證書。所有被試的視力或矯正視力正常，均為右利手，之前無眼動實驗經歷。

1.3 實驗材料

實驗材料分為3類，與專業相關的工件圖、用長方體堆成的一般圖及依據工件圖加工后的實物圖。

1.4 實驗設計

實驗采用2（技能水平：高技能水平、低技能水平）× 3（圖形類型：工件圖、一般圖、實物圖）雙因素混合實驗設計。其中，技能水平為被試間變量，圖形類型為被試內變量。

因變量：正確率及眼動指標（總注視時間、注視時間占比、首次注視時間、注視點個數）?？傋⒁晻r間指在興趣區內所有注視點駐留的總時間。同等條件下，注視時間越長，表明被試對信息加工越精細。注視時間占比指興趣區內注視的總時間占在該次實驗中所有注視點總注視時間的比例。首次注視時間指興趣區內首次注視點駐留時間。首次注視時間通常代表對圖形的早期識別過程及對圖形加工難度的敏感。注視點個數指興趣區內被試注視的總次數。不同被試對相同的圖形，在保持較高正確率的前提下，注視次數越少，表明加工效率越高；注視次數越多，表明加工越精細。

1.5 實驗程序

（1）運行程序，被試戴上眼動儀頭盔，進行校準。

（2）在屏幕中央出現指導語：下面將呈現一些圖形，請你盡快記住它們；如果你認為自己記住了，請按任意鍵進入下一張圖片。

（3）屏幕中央出現需要被試記住的圖形，圖形最長呈現10 000 ms；如果被試覺得記住了，可以提前按任意鍵進入下一張圖片，按這個模式依次呈現其他識記圖形。

（4）呈現任務指導語：請判斷下面的圖形哪些是出現過的。

（5）同時呈現之前出現過和沒有出現過的圖形，出現和沒有出現的概率各占50%。讓被試口頭報告哪些圖形之前出現過，圖形最長呈現10 000 ms，需要被試盡快報告。

（6）報告完畢，實驗結束，感謝被試的積極配合。

2 結果分析

2.1 不同技能水平學生圖形識別正確率的分析

不同技能水平學生在不同圖形類型上的正確率均值（標準差）如表1所示。

表1 不同技能水平學生在不同圖形類型上的正確率的均值（標準差）（N=20）

方差分析結果表明，技能水平的主效應極其顯著，高技能水平學生的正確率顯著高于低技能水平學生[F（1，18）=20.930，p＜0.01]。圖形類型的主效應極其顯著[F（2，36）=5.390，p＜0.01]，事后多重比較結果顯示，工件圖和一般圖之間的差異顯著（p＜0.05）；工件圖和實物圖之間的差異不顯著（p＞0.05）；一般圖和實物圖之間的差異極其顯著（p＜0.01）。技能水平和圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=0.994，p＞0.05]。T檢驗的結果顯示，高技能水平學生在工件圖上的正確率顯著高于低技能水平學生（p＜0.01）；不同技能水平學生在一般圖上的正確率差異不顯著（p＞0.05）；高技能水平學生在實物圖上的正確率顯著高于低技能水平學生（p＜0.05）。

2.2 不同類型圖形的總體眼動分析

不同類型圖形整體眼動指標的平均值（標準差）如表2所示。表2中各眼動指標的分析結果如下。

（1）S-IA總注視時間：多因素方差分析結果表明，技能水平的主效應不顯著[F（1，18）=2.401，p＞0.05]；圖形類型的主效應不顯著[F（2，36）=0.001，p＞0.05]；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）= 0.137，p＞0.05]。

（2）S-IA注視時間占比：多因素方差分析結果表明，技能水平的主效應不顯著[F（1，18）=0.119，p＞0.05]；圖形類型的主效應不顯著[F（2，36）=3.015，p＞0.05]；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=0.880，p＞0.05]。

（3）S-IA首次注視時間：多因素方差分析結果表明，技能水平的主效應不顯著[F（1，18）=0.273，p＞0.05]；圖形類型的主效應顯著[F（2，36）=3.228，p＜0.05]，事后多重比較結果表明工件圖和實物圖之間的差異顯著（p＜0.05）；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=0.292，p＞0.05]。

（4）S-IA注視點個數：多因素方差分析結果表明，技能水平的主效應不顯著[F（1，18）=1.061，p＞0.05]；圖形類型的主效應不顯著[F（2，36）=0.518，p＞0.05]；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）= 0.227，p＞0.05]。

（5）Z-IA總注視時間：多因素方差分析結果表明，技能水平的主效應極其顯著 [F（1，18）=32.559，p＜0.01]；圖形類型的主效應顯著 [F（2，36）=3.364，p＜0.05]，事后多重比較結果表明，一般圖和實物圖之間的差異顯著（p＜0.05）；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=2.326，p＞0.05]。

（6）Z-IA注視時間占比：多因素方差分析結果表明，技能水平的主效應極其顯著[F（1，18）=191.950，p＜0.01]；圖形類型的主效應極其顯著 [F（2，36）= 6.912，p＜0.01]，事后多重比較結果表明，一般圖和實物圖之間的差異極其顯著（p＜0.01），工件圖和實物圖之間的差異顯著（p＜0.05）；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=2.053，p＞0.05]。

（7）Z-IA首次注視時間：多因素方差分析結果表明，技能水平的主效應顯著[F（1，18）=6.398，p＜0.05]；圖形類型的主效應不顯著[F（2，36）=1.082，p＞0.05]；技能水平與圖形類型的交互作用不顯著[F（2，36）=2.347，p＞0.05]。

（8）Z-IA注視點個數：多因素方差分析結果表明，技能水平的主效應顯著[F（1，18）=4.845，p＜0.05]；圖形類型的主效應顯著[F（2，36）=4.501，p＜0.05]，事后多重比較結果表明，一般圖和實物圖的差異極其顯著（p＜0.01），工件圖和實物圖的差異顯著（p＜0.05）；技能水平與圖形類型的交互作用極其顯著 [F（2，36）= 5.327，p＜0.01]，事后多重比較表明高低技能水平學生在工件圖與一般圖、實物圖與一般圖上存在交互作用，如圖1所示。

表2 不同類型圖形整體眼動指標的平均值（標準差）（N=20）

圖1 技能水平與圖形類型在Z-IA注視點個數上的交互作用

3 討論

3.1 技能水平與圖形識別能力的關系

正確率的結果分析表明，在工件圖和實物圖上，高技能水平學生的識圖能力優于低技能水平學生，在一般圖上兩者差異不顯著，這與羅嬌[17]提出的專家在一般領域任務和特殊領域任務上的表現不同相一致。同時，這也符合記憶的專長效應，即回憶信息的數量和專長水平呈直線關系[18]。推測其原因，可能是在專業學習過程中，高技能水平學生比低技能水平學生對工件類圖形的學習和分析更多，此類圖形的知識結構優于低技能水平學生。

3.2 技能水平與圖形識別策略的關系

識記階段的眼動指標（S-IA總注視時間、S-IA注視時間占比、S-IA首次注視時間和S-IA注視點個數）技能水平的主效應不顯著，而再認階段的眼動指標（Z-IA總注視時間、Z-IA注視時間占比、Z-IA首次注視時間、Z-IA注視點個數）技能水平的主效應顯著，說明再認階段的眼動策略可能與技能水平的高低有直接關系。再認階段中，高技能水平學生的總注視時間更長，興趣區注視時間占比更大，首次注視時間更長，這與Gegenfurtner等[4]提出的專家在加工專業領域任務相關信息時注視時間更長相一致，說明高技能水平學生在信息提取階段采取了更精細的提取策略，能合理分配注意資源，信息提取能力更強。

在首次注視時間上，識記階段圖形類型的主效應顯著，主要是工件圖和實物圖之間的差異；而再認階段圖形類型的主效應不顯著，說明學生在圖形編碼過程中，能根據不同的圖形類型，快速判斷圖形的加工難度，啟動不同的眼動策略，重點區分工件圖和實物圖之間的差異。在總注視時間、注視時間占比和注視點個數上，識記階段圖形類型的主效應不顯著，而再認階段圖形類型的主效應顯著，主要是一般圖與實物圖之間的差異，說明學生能快速提取與專業相關的圖形，而與專業不相關的圖形提取速度相對較慢。實物圖與工件圖之間的差異沒有一般圖與實物圖之間的差異大，可能是因為在編碼階段學生對工件圖和實物圖分配了更多的注意力，采取了更精細化的加工策略，記憶更精確，因此在提取過程中速度沒有顯著差異；而對于一般圖沒有精細加工，記憶不太精確，需要更長的時間去確認。

在Z-IA注視點個數上，技能水平與圖形類型的交互作用顯著，高技能水平學生在與專業相關的工件圖與實物圖上有更多的注視點，在一般圖上有更少的注視點，這與Williams等[7]研究認為經驗運動員對足球視頻的注視次數更多、一般水平運動員注視次數少的結果相一致。另外，在同時呈現專業相關圖與專業不相關圖時，相對于他們長期學習的過程而言，一般圖可能是一種突顯刺激，高技能水平的學生把更多的注意放到專業相關的工件圖與實物圖上，而低技能水平學生則把更多的注意放到一般圖上，這與Feil等[5]研究認為新手把更多的注意力放在突顯刺激上相一致。

從識記和再認階段各種差異的討論來看，高技能水平學生所表現出來的圖形識別能力符合Chase和Ericsson[19]的熟練記憶理論，該理論認為專家具備一種基于長時記憶中記憶術編碼系統的提取結構，該機制與各種有組織的知識結構或豐富經驗聯系密切[20]?？傊?，在專業相關的工件圖和實物圖上，高技能水平學生的圖形識別能力顯著高于低技能水平學生；在一般圖上，兩者沒有差異。高技能水平學生能根據圖形類型采取不同的眼動策略，合理分配注意資源，信息提取能力更強，其識圖策略優于低技能水平學生。

4 結束語

本文借鑒專家新手范式，探討了數控加工專業中不同技能水平學生圖形識別能力與策略的差異，發現高技能水平學生對專業相關圖的圖形識別能力優于低技能水平學生。專業教師可根據高技能水平學生的識圖策略，在教學過程中對低技能水平學生給予一定的指導，有效提高低技能水平學生的識圖能力。

參考文獻：

［1］ GOG T V，JARODZKA H，SCHEITER K，et al.Attention guidance during example study via the model’s eye movements［J］.Computers in Human Behavior，2009，25（3）：785-791.

［2］ CARMICHAEL A，LARSON A，GIRE E，et al.How does visual attention differ between experts and novices on physics problems［C］//2010 Physics Education Research Conference. New York：AIP Publishing，2010：93-96.

［3］ CHARNESS N，REINGOLD E M，POMPLUN M，et al.The perceptual aspect of skilled performance in chess：Evidence from eye movements［J］.Memory and Cognition，2001，29（8）：1146-1152.

［4］ GEGENFURTNER A，LEHTINEN E，SALJO R.Expertise differences in the comprehension of visualizations：a metaanalysis of eye-tracking research in professional domains［J］. Educational Psychology Review，2011，23（4）：523-552.

［5］ FEIL A，MESTRE J.Expert-novice differences on a recognition memory test of physics diagrams［C］//Physics Education Research Conference.AIP Conference Proceeding.New York：AIP Publishing，2007：100-103.

［6］ CRUNDALL D，CHAPMAN P.Eye movements and hazard perception in police pursuit and emergency response driving［J］.Journal of Experimental Psychology Applied，2003，9（3）：163-174.

［7］ WILLIAMS A M，JANELLE C M，DAVIDES K.Constraints on the search for visual information in sport［J］.International Journal of Sport and Exercise Psychology，2011（2）：301-318.

［8］ BILALIC M，LANGNER R，ERB M，et al.Mechanisms and neural basis of object and pattern recognition：A study with chess experts［J］.Journal of Experimental Psychology General，2010，139（4）：728-742.

［9］ 王福興，蘆詠莉，段朝暉，等.不同經驗教師對學生課堂行為加工的眼動研究［J］.心理發展與教育，2013，29（4）：391-399.

［10］石文典，李宇龍，李秀君.專家與新手教師內隱與外顯學習的比較［J］.心理科學，2014，37（4）：912-919.

［11］連榕.專場發展與職業發展視域下的教師心理［J］.心理發展與教育，2015，31（4）：92-99.

［12］曹立人.不規則幾何圖形識別的取樣首視點［J］.研究心理科學，2000，23（6）：690-693.

［13］曹立人，李永梅.不規則幾何圖形識別中的信息取樣優先序［J］.心理學報，2003，35（1）：44-49.

［14］曹曉華，曹立人.不規則幾何圖形識別取樣特征的眼動研究［J］.心理學報，2005，37（6）：748-758.

［15］李瑞芬.時間壓力下圖形識別眼動策略研究［D］.金華：浙江師范大學，2012.

［16］丁錦紅，王麗燕，郭春彥.時—空整合影響圖形識別的眼動研究［J］.心理科學，2004，27（2）：477-479.

［17］羅嬌.對同聲傳譯活動中記憶專長的實驗研究［D］.上海：華東師范大學，2009.

［18］李同吉，吳慶麟.心理咨詢師回憶臨床信息和知識表征的專家新手比較研究［C］//中國心理學會.第十屆全國心理學大會論文集.上海：華東師范大學，2005：116-117.

［19］ERICSSON K A，CHASE W G.Exceptional memory［J］. American Scientist，1982，70（6）：607-615.

［20］楊丹.數字記憶專長的實驗性研究［D］.上海：華東師范大學，2009.

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

天津職業技術師范大學研究生創新基金項目（YC16-23）.

黃少潔（1993—），女，碩士研究生；胡克祖（1972—），男，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為技能學習與教學心理、個性發展與咨詢.