Oogbewegingslabor: Het vastleggen en analyseren van blikbewegingen helpt bij het verbeteren van leergedrag

Juniorprofessor Dr. Pascal Klein (links) onderzoekt het leer gedrag met behulp van de Eye-Tracker-techniek. Naast hem op de foto is Sebastian Becker te zien, promovenda bij de Didactiek van de Natuurkunde groep. (Foto: Yvonne Müller)

Met de eye-tracker-techniek is het mogelijk om oogbewegingen vast te leggen en te analyseren, zodat conclusies getrokken kunnen worden over het leer gedrag. (Foto: Yvonne Müller)

Wat gebeurt er bij het lezen van tekstvragen en het bekijken van fysieke diagrammen? Daar houdt het team rond juniorprofessor Dr. Pascal Klein zich mee bezig in de groep van professor Jochen Kuhn van de Didactiek van de Natuurkunde aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK). Ze gebruiken daarbij eye-tracking, een techniek die oogbewegingen op schermen vastlegt en analyseert. Om het lees- en leer gedrag te onderzoeken, is er sinds kort een eigen eye-tracking-laboratorium binnen de vakgroep natuurkunde aan de TUK, het eyePL (eyePhysics Lab). Het team rond Klein heeft in eerste studies al aangetoond dat het kijkgedrag conclusies kan geven over het fysisch begrip.  

Bij het lezen van een natuurkundevraag bewegen de ogen tussen tekst en diagram heen en weer. Waar ligt daarbij de aandacht? Bijvoorbeeld bij de label van de as in een coördinatensysteem of bij de curve die in het diagram te zien is? Springen de blikken af en toe ook weer terug naar de tekst en blijven daar enkele seconden hangen? Kunnen daaruit conclusies worden getrokken over het leer gedrag? "Ja, dat kunnen we," zegt juniorprofessor Dr. Pascal Klein, die aan de TUK onderzoek doet naar digitale technieken voor het natuurkundestudie en het natuurkundeleraarschap op school. "Vroeger was zoiets niet mogelijk. Met de eye-tracking-techniek kunnen we het kijkgedrag bij het werken met teksten en diagrammen precies analyseren."

Voor dit onderzoek is niet veel techniek nodig: een scherm en een eye-tracker die richtingen van de blik in real-time vastlegt. Hij is direct onder het scherm geplaatst en stuurt zijn gegevens naar een laptop die naast het scherm staat.

In het eye-tracking-laboratorium, het eyePL (eyePhysics Lab), op de campus van de TU Kaiserslautern zijn momenteel zes van dergelijke werkplekken. Het team rond Klein wil hiermee bijvoorbeeld onderzoeken hoe natuurkundestudenten teksten lezen en de inhoud ervan verwerken. "We zien waar ze blijven hangen, of ze tussen tekst en diagram heen en weer springen of opnieuw iets lezen," noemt de onderzoeker als voorbeelden.

In studies heeft Klein al onderzocht welke conclusies getrokken kunnen worden uit de zogenaamde blikpaden over het leer gedrag. "Bij het werken met diagrammen verraden zulke paden welke strategieën studenten gebruiken om problemen op te lossen. We kunnen ook vaststellen of strategieën die ze eerder hebben geleerd, correct of incorrect worden toegepast," vervolgt de natuurkundige. Ook andere conclusies kan hij met behulp van de techniek trekken, bijvoorbeeld hoe zeker studenten zijn bij het maken van opdrachten.

In een recent gepubliceerde studie, waaraan ook collega-onderzoekers van het Duitse Centrum voor Kunstmatige Intelligentie deelnamen, heeft het team rond Klein bijvoorbeeld onderzocht hoe fysieke inhoud (in dit geval de zogenaamde divergentie van vectorvelden) het beste kan worden geïllustreerd, zodat het leerresultaat het grootst is. "We hebben de studenten twee verschillende weergaven van divergentie getoond, één als differentiaalrekening en de andere als integraalrekening," vat hij de opzet kort samen. "Om fysische verbanden aan te tonen en te beschrijven, wordt in leerboeken en -lessen vaak slechts één vorm van weergave gebruikt. We hebben echter vastgesteld dat de inhoud het beste wordt overgebracht wanneer studenten beide vormen kennen. Dit onderstreept de belangrijke rol van verschillende perspectieven bij het verwerven van fysiek inzicht."

Klein richt zich niet alleen op het leren tijdens de studie, maar ook op het onderwijs op scholen. "We gaan met onze techniek naar scholen om te kijken hoe leerlingen omgaan met fysische problemen." Dankzij de techniek zijn al na korte tijd resultaten beschikbaar. Het wordt snel duidelijk of leerlingen de leerinhouden hebben begrepen. "Op deze manier is het bijvoorbeeld mogelijk om verschillen te diagnosticeren tussen succesvolle probleemoplossers en minder succesvolle, en daardoor het leer gedrag individueel te stimuleren," zegt Klein. Voor deze studies werkt de natuurkundige ook samen met groepen uit andere landen om internationale verschillen in het leren van fysische concepten te analyseren.

Ook in de lerarenopleiding en nascholing wordt de techniek aan de TU Kaiserslautern ingezet, bijvoorbeeld binnen het project "U.EDU: Unified Education – Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette," dat wordt gefinancierd via de gezamenlijke "Qualitätsoffensive Lehrerbildung" van Bund en Länder, met middelen van het Bundesministerium für Bildung und Forschung. De instelling van het eye-tracking-laboratorium heeft de TU financieel ondersteund.

Klein doet onderzoek bij de natuurkundedidacticus professor Dr. Jochen Kuhn, die met zijn groep bijna tien jaar lang onderzoek doet naar leren met innovatieve onderwijs- en leerformats voor studie, onderwijs en lerarenopleiding. Daarbij gebruikt hij digitale media van nu en morgen.

De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "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 en J. Kuhn: DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.14.010116