Laboratorio di tracciamento oculare: la registrazione e l'analisi dei movimenti oculari aiutano a migliorare il comportamento di apprendimento

Professore associato Dr. Pascal Klein (a sinistra) studia il comportamento di apprendimento utilizzando la tecnologia Eye-Tracker. Accanto a lui nell'immagine si vede Sebastian Becker, dottorando del gruppo di Didattica della Fisica. (Foto: Yvonne Müller)

Con la tecnologia Eye-Tracker è possibile catturare e analizzare i movimenti oculari, per trarre conclusioni sul comportamento di apprendimento. (Foto: Yvonne Müller)

Che cosa succede durante la lettura di problemi di testo e la visualizzazione di diagrammi fisici? A questo si occupa il team guidato dal dottor Pascal Klein nel gruppo del professor Jochen Kuhn della Didattica della Fisica presso la Technische Universität Kaiserslautern (TUK). Utilizza l'Eye-Tracker, una tecnologia che registra e analizza i movimenti oculari sugli schermi. Per studiare il comportamento di lettura e apprendimento, recentemente è stato istituito nel dipartimento di Fisica della TUK un proprio laboratorio di Eye-Tracking, chiamato eyePL (eyePhysics Lab). Il team di Klein ha già dimostrato in studi preliminari che il comportamento visivo fornisce indizi sulla comprensione fisica.  

Durante la lettura di un problema di fisica, gli occhi si spostano tra testo e diagramma. Dove si concentra l'attenzione? Sulla didascalia di un asse in un sistema di coordinate o sulla curva mostrata nel diagramma? Gli sguardi saltano anche di nuovo al testo e vi si soffermano per alcuni secondi? È possibile trarre conclusioni sul comportamento di apprendimento da questi movimenti? «Sì, possiamo», afferma il dottor Pascal Klein, che presso la TUK ricerca tecniche digitali per lo studio e l'insegnamento della fisica a scuola. «Prima ciò non era possibile. Con la tecnologia di Eye-Tracking possiamo analizzare con precisione il comportamento visivo durante la lettura di testi e diagrammi.»

Per questa indagine non sono necessarie molte apparecchiature: basta uno schermo e un Eye-Tracker che registra le direzioni dello sguardo in tempo reale. È posizionato direttamente sotto il display e invia i dati a un laptop che si trova accanto allo schermo.

Nel laboratorio di Eye-Tracking, l'eyePL (eyePhysics Lab), presso il campus della TU Kaiserslautern, ci sono attualmente sei postazioni di lavoro. Il team di Klein vuole, ad esempio, studiare come gli studenti di fisica leggono i testi e assimilano i contenuti. «Vediamo dove si soffermano, se saltano tra testo e diagramma o rileggono qualcosa», cita il ricercatore come esempi.

In studi, Klein ha già analizzato quali conclusioni si possano trarre dai cosiddetti percorsi visivi sul comportamento di apprendimento. «Lavorando con i diagrammi, questi percorsi ci rivelano quali strategie gli studenti usano per risolvere i problemi. Possiamo anche verificare se le strategie apprese in precedenza vengono applicate correttamente o meno», prosegue il fisico. Inoltre, con questa tecnologia può trarre altre conclusioni, ad esempio sulla sicurezza con cui gli studenti affrontano i compiti.

In uno studio recentemente pubblicato, a cui hanno partecipato anche colleghi del Deutsches Zentrum für Künstliche Intelligenz, il team di Klein ha esaminato come rappresentare al meglio i contenuti fisici (in questo caso, la cosiddetta divergenza di campi vettoriali) per massimizzare il successo dell'apprendimento. «Abbiamo mostrato agli studenti due diverse rappresentazioni della divergenza, una come calcolo differenziale e l'altra come calcolo integrale», riassume brevemente il metodo sperimentale. «Per illustrare e descrivere le relazioni fisiche, nei libri di testo e nelle lezioni si utilizza spesso una sola forma di rappresentazione. Tuttavia, abbiamo constatato che i contenuti vengono meglio trasmessi quando gli studenti conoscono entrambe le forme. Questo sottolinea l'importanza di diverse prospettive nell'acquisizione della conoscenza fisica.»

Ma Klein non si occupa solo dell'apprendimento universitario, bensì anche dell'insegnamento nelle scuole. «Portiamo la nostra tecnologia nelle scuole per osservare come gli studenti affrontano i problemi di fisica.» Grazie a questa tecnologia, i risultati sono disponibili già dopo poco tempo. È facile capire se gli studenti hanno compreso i contenuti di apprendimento. «In questo modo, ad esempio, è possibile diagnosticare le differenze tra chi risolve con successo i problemi e chi meno, e di conseguenza favorire un apprendimento personalizzato», spiega Klein. Per questi studi, il fisico collabora anche con gruppi di altri paesi, per analizzare le differenze internazionali nell'apprendimento dei concetti fisici.

Anche nella formazione degli insegnanti, la tecnologia viene utilizzata presso la TU Kaiserslautern, ad esempio nel progetto «U.EDU: Unified Education – Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette», finanziato nell'ambito dell'iniziativa congiunta «Qualitätsoffensive Lehrerbildung» dal governo federale e dai Länder, con fondi del Ministero federale dell'istruzione e della ricerca. La creazione del laboratorio di Eye-Tracking è stata finanziata dalla TU attraverso il suo fondo per i giovani ricercatori.

Klein collabora con il didatta di fisica professor Dr. Jochen Kuhn, che da quasi dieci anni studia l'apprendimento con metodi innovativi di insegnamento e apprendimento per università, scuola e formazione degli insegnanti. In questo contesto, utilizza i media digitali di oggi e di domani.

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista specializzata «Physical Review Physics Education Research»: «Instruction-based clinical eye-tracking study on the visual interpretation of divergence: How do students look at vector field plots?» P. Klein, J. Viiri, S. Mozaffari, A. Dengel, and J. Kuhn: DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.14.010116