Laboratorium do śledzenia ruchu gałek ocznych: rejestrowanie i analiza ruchów wzroku pomagają w poprawie zachowań uczenia się

Juniorprofessor Dr. Pascal Klein (po lewej) bada zachowania uczenia się za pomocą techniki Eye-Tracker. Obok niego na zdjęciu widać Sebastiana Beckera, doktoranta z grupy dydaktyki fizyki. (Zdjęcie: Yvonne Müller)

Dzięki technice Eye-Tracker możliwe jest rejestrowanie i analizowanie ruchów oczu, co pozwala wyciągać wnioski na temat zachowań podczas nauki. (Zdjęcie: Yvonne Müller)

Co się dzieje podczas czytania zadań tekstowych i oglądania wykresów fizycznych? Zajmuje się tym zespół pod kierownictwem młodszego profesora Dr. Pascala Kleina w grupie profesora Jochena Kuhna z Katedry Dydaktyki Fizyki na Politechnice w Kaiserslautern (TUK). Wykorzystuje on technikę Eye-Tracker, która rejestruje i analizuje ruchy wzroku na ekranach. Aby zbadać zachowania podczas czytania i uczenia się, od niedawna w Wydziale Fizyki na TUK działa własne laboratorium Eye-Tracking, zwane eyePL (eyePhysics Lab). Zespół pod kierownictwem Kleina wstępnie wykazał, że zachowania wzrokowe dostarczają wskazówek na temat zrozumienia fizyki.  

Podczas czytania zadania z fizyki oczy przemieszczają się między tekstem a wykresem. Gdzie skupia się uwaga? Na przykład na opisie osi w układzie współrzędnych lub na krzywej widocznej na wykresie? Czy spojrzenia przeskakują też między tekstem a wykresem i zatrzymują się na kilka sekund? Czy można z tego wyciągnąć wnioski na temat zachowań podczas uczenia się? „Tak, możemy”, mówi młodszy profesor Dr. Pascal Klein, który w TUK bada techniki cyfrowe dla nauki fizyki i nauczania fizyki w szkole. „Wcześniej coś takiego nie było możliwe. Dzięki technice Eye-Tracking możemy dokładnie analizować zachowania wzrokowe podczas pracy z tekstami i wykresami.”

Do tych badań nie jest potrzebna zaawansowana technologia: wystarczy ekran i Eye-Tracker, który w czasie rzeczywistym rejestruje kierunek spojrzenia. Jest zamontowany bezpośrednio pod ekranem i przesyła dane do laptopa stojącego obok ekranu.

W laboratorium Eye-Tracking, czyli eyePL (eyePhysics Lab), na kampusie TU Kaiserslautern obecnie znajduje się sześć takich stanowisk pracy. Zespół pod kierownictwem Kleina chce na przykład zbadać, jak studenci fizyki czytają teksty i przyswajają ich treści. „Widzę, na których miejscach zatrzymują się, czy przeskakują między tekstem a wykresem, czy też czytają coś jeszcze raz”, wymienia badacz jako przykłady.

W badaniach Klein już sprawdzał, jakie wnioski można wyciągnąć z tzw. ścieżek wzroku na temat zachowań podczas uczenia się. „Przy pracy z wykresami takie ścieżki zdradzają, jakie strategie stosują studenci podczas rozwiązywania problemów. Możemy też ustalić, czy stosowane strategie są poprawne czy błędne”, kontynuuje fizyk. Za pomocą tej techniki można też wyciągać inne wnioski, na przykład jak pewni siebie czują się studenci podczas rozwiązywania zadań.

Niedawno opublikowane badanie, w którym brały udział także koleżanki i koledzy z Niemieckiego Centrum Sztucznej Inteligencji, zbadało na przykład, jak najlepiej wizualizować fizyczne treści (w tym przypadku dywergencję wektorowych pól), aby osiągnąć jak największy sukces nauki. „Pokazaliśmy studentom dwie różne formy przedstawienia dywergencji, jedną jako rachunek różniczkowy, a drugą jako rachunek całkowy”, krótko podsumowuje konstrukcję eksperymentu. „Aby pokazać i opisać związki fizyczne, w podręcznikach i na zajęciach często używa się tylko jednej formy przedstawienia. Ustaliliśmy jednak, że treści najlepiej przekazuje się, gdy studenci znają obie formy. Podkreśla to ważną rolę różnych spojrzeń przy zdobywaniu wiedzy fizycznej.”

Klein nie skupia się tylko na nauce na studiach, ale także na nauczaniu w szkołach. „Naszą technikę wprowadzamy do szkół, aby sprawdzić, jak uczniowie radzą sobie z fizycznymi problemami.” Dzięki tej technologii już po krótkim czasie można uzyskać wyniki. Szybko widać, czy uczniowie zrozumieli treści nauczania. „W ten sposób można na przykład zdiagnozować różnice między skutecznymi i mniej skutecznymi rozwiązywaczami problemów, a tym samym indywidualnie wspierać ich naukę”, mówi Klein. Fizyk współpracuje także z grupami z innych krajów, aby analizować międzynarodowe różnice w nauce koncepcji fizycznych.

Technologia ta jest także wykorzystywana w szkoleniach nauczycieli na TU Kaiserslautern, na przykład w ramach projektu „U.EDU: Unified Education – Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette”, finansowanego w ramach wspólnej „Kampanii na rzecz jakości kształcenia nauczycieli” przez rząd federalny i landy, ze środków Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań. Utworzenie laboratorium Eye-Tracking wsparł finansowo młodzieżowy fundusz TU.

Klein prowadzi badania u profesora dydaktyki fizyki Dr. Jochena Kuhna, który od prawie dziesięciu lat bada naukę z użyciem innowacyjnych form nauczania dla studiów, nauczania i kształcenia nauczycieli. W tym korzysta z cyfrowych mediów dzisiaj i w przyszłości.

Badanie zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie naukowym „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 i J. Kuhn: DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.14.010116