虚拟仿真实验与真实实验学习效果的眼动研究

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“物理虚拟仿真实验在教育筑梦结对计划培训中的应用”（220506071041042）。

*通信作者：陈廷芳（1987-），女， 博士研究生，工程师，主要从事物理实验教学研究。

【专家介绍】

刘金梅，华东师范大学物理与电子科学学院副教授，物理师范教育教学中心副主任。硕士毕业于华东师范大学物理课程与教学论专业，博士毕业于上海交通大学，美国加州大学欧文分校访问学者。主要研究方向为物理课程与教学论、科学教育等。高等物理教育研究会理事、中国青少年科技教育工作者协会物理教育与普及专业委员会委员、中国高等教育学会学习科学研究分会理事会会员。

在IEEE Transactions on Education、IEEE Photonics Technology Letter、Physical Review Letters、《物理教学》《物理教学探讨》《物理与工程》等国内外学术期刊上发表论文40余篇，著有《物理教育研究方法》，编著《<义务教育物理课程标准（2022年版）>解析与课例》，参译《学习与教学——理论研究与实践意蕴》，参编《中学物理课程与教学》等。主讲“大学物理”“中学物理课程标准与教材分析”“学习科学与物理学习”等课程。

摘   要：采用眼动追踪技术，结合测试、问卷以及访谈的方式，通过真实实验以及虚拟仿真实验两种不同实验形式的对比，探究两种实验形式下的学习效果是否存在差异。再依据眼心假说解释其背后存在的内部认知规律。结果显示，真实实验与虚拟仿真实验间存在注重点不同的差异，真实实验下学习者更加注意实验过程，而虚拟仿真实验下学习者更加注意实验原理与实验结果，该现象源于实验形式本身的差别，或是实验教学的侧重不同。该研究表明，在实验教学中，应综合实际情况选择合适的实验形式。

关键词：眼动；虚拟仿真；眼心假说

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）3-0001-5

物理实验是一种通过观察、测量数据和分析物理现象以验证理论模型的方法。在物理学领域中，物理实验在培养实验技能和科学思维方面发挥着极其重要的作用［１］。

真实实验和虚拟仿真实验是两种常见的实验方法，在科学研究、工程设计和教育培训等领域有广泛应用。真实实验是在实际的物理环境中进行的实验，它是通过操纵和测量真实世界中的实验系统、观察实验现象来获得数据和观察结果的。真实实验通常需要创建一个实验室或场地，收集必要的设备和材料，并按照特定的实验步骤进行操作。真实实验的优点在于能够直接地观察和测量现象，亲身体会实验过程。虚拟仿真实验则是在计算机模拟环境中进行的实验。它使用计算机建模和仿真技术来模拟真实世界中的物理过程和现象。虚拟仿真实验可以在计算机上重现各种场景，并通过调整参数和条件来观察和分析结果。虚拟仿真实验的优点在于可以减少实验成本，并且可以模拟一些在真实实验中难以观察的现象或操作［２］。在教育界，随着相关技术的完备，虚拟仿真实验以其便捷性和准确性受到广大教师青睐［2-3］。但同样，也有教师认为虚拟仿真实验在实际教学中不可取。一场关于虚拟仿真实验与真实实验孰优孰劣的讨论就此展开。基于此，本研究以眼动追踪技术为核心和主要研究方法，以密立根油滴实验为例，结合问卷以及访谈研究虚拟仿真实验与真实实验在学习效果上的关联性。

密立根油滴实验（Ｍｉｌｌｉｋａｎ ｏｉｌ ｄｒｏｐ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）在近代物理学发展史上是一个十分重要的实验，是物理学家罗伯特·Ａ·密立根（Ｒｏｂｅｒｔ Ａ．Ｍｉｌｌｉｋａｎ）在２０世纪初进行的一项重要实验，用于精确测量电子的电荷量。实验过程中，密立根利用油滴可以悬浮在气体中的特性，通过观察和测量油滴在电场中的运动来研究电荷的性质。它证明了任何带电体所带的电荷都是元电荷的整倍数，并精确测定了元电荷的数值，证明了电荷的不连续性。

眼心假说（ｔｈｅ ｅｙｅ ｍｉｎｄ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ）［4］认为，人眼视觉的目光变化可以体现人的内部认知规律，目光注视到的事物表明大脑正在处理，而目光的转移表明注意力的转移［5］。眼心假说在阅读、数学几何等领域的研究均有一定的可靠性［6］。本研究利用眼心假说，通过眼动追踪技术对学生在密立根油滴实验学习中的眼动轨迹情况进行研究，并进一步探讨虚拟仿真实验与真实实验对学生认知的影响，探讨学生的学习机制，并对实验教学提出建设性意见。

１    实   验

实验研究的整体流程包括被试选择、实验操作、数据测量三部分。

１．１    被试对象

本研究选择了３２名在校大学生（均为物理专业，且在实验前未进行过密立根油滴实验）参加实验。他们拥有物理学实验基础知识与能力，视力或矫正视力正常。

１．２    实验仪器

本研究使用Tｏｂｉｉ公司Ｔｏｂｉｉ Ｅｙｅ Ｔｒａｃｋｅｒ ４Ｃ眼动仪来记录眼动数据，采样率为９０ Ｈｚ，分辨率为１９８０×１０８０，显示器与被试者眼睛之间距离约为６０ ｃｍ。

１．３    研究方法与设计

对被试者进行统一的密立根油滴实验课程讲解（包括实验原理、实验操作、实验结果处理等），其间可以自由提问，保证每位被试者获得足以进行密立根油滴实验的能力。将被试分为两组，每组１６人。一组被试者进行虚拟仿真密立根油滴实验（以下简称“虚拟组”），另一组被试者进行真实密立根油滴实验（以下简称“实物组”），整个实验过程保证两组有且仅有实验方式上的不同。

为了探究在两种不同实验形式下学习效果的差异，实验结束后，每位被试者以眼动测试为基础，同时进行实验过程性评价问卷和学习效果的访谈，用以验证眼动数据分析出的结论。

１．４    实验数据分析方法

实验后，将测量出的数据进行转化，并保留为能较好处理的形式。

１．４．１    眼动数据采集

真实实验与虚拟仿真实验眼动实验兴趣区划分以及坐标如图１所示。利用Pｙｔｈｏｎ编写程序，并用Eｘｃｅｌ软件将眼动仪得到的数据转化为以下４个方面内容：（１）眼动坐标信息，将测试题目左上角Ｏ点设置为坐标原点，向右为ｘ轴，总长度为１，向下为ｙ轴，总长度为１，得到被试者注视的位置坐标。（２）不同兴趣区注视时长，即被试者注视每个兴趣区的总时间。（３）跳转次数，被试者目光从其他兴趣区跳转到当前兴趣区的次数。（４）眼动热点图，即被试者眼动轨迹的直观体现。

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图１  眼动兴趣区划分以及坐标

１．４．２    问卷数据

眼动实验后，被试者进行实验过程性评价的问卷调查。十个问题均参考李克特五级量表（Ｌｉｋｅｒｔ ｓｃａｌｅ），设置非常满意、比较满意、一般、较为不满意、非常不满意五个回答，分别记为５，４，

３，２，１分。得分越高，体现出学习态度越好或者是对实验越满意。后续处理数据时采用ＳＰＳＳ分析软件进行Ｍａｎｎ－Ｗｈｉｔｎｅｙ Ｕ检验，若P＜０．０５则表明差异具有统计学意义，即两组数据之间因为变量而具有显著差异。问卷分析的结果可以进一步验证眼动实验结果的可靠性。

１．４．３    访谈数据

对实物组与虚拟组分别进行关于实验内容的访谈，用于对学习效果的探究以及证实眼动数据分析的可靠性。

２    实验结果与分析

剔除眼动数据未被识别以及眼动数据仅在一个兴趣区的错误试次。共剔除虚拟组２５％数据（即４名被试），实物组０％数据。下面为剔除后的实验结果与分析。

２．１    眼动数据分析

通过眼动数据以及编程程序得到坐标信息，并将坐标信息导入Eｘｃｅｌ进行处理，可以得到眼动轨迹图（图２、图３）。从图中可以看到，实物组与虚拟组被试者的眼动轨迹存在着一定的差异。实物组被试者在测试时对实验仪器的注视时长多于虚拟组被试者，表明实物组被试者相比虚拟组更关注实验仪器。

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图２  实物组被试者眼动轨迹图例

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图３  虚拟组被试者眼动轨迹图例

（１）总的注视时长如表１所示，结果表明实物组被试者总的注视时长高于虚拟组。

表１  不同实验形式下被试者总注视时长均值

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（２）不同兴趣区注视时长如图４所示。兴趣区划分如图５所示。不难看出，实物组被试者在兴趣区1，3中的注视时间高于虚拟组，在兴趣区2中的注视时间低于虚拟组，在兴趣区4，5中两组被试者注视时间相差不大。

（３）跳转次数如图６所示。结果表明兴趣区１，２，３中实物组被试者的跳转次数均显著高于虚拟组；兴趣区４，５差别较小。表明相较于虚拟组，实物组更多地关注兴趣区１，２，３。

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图４  不同实验形式下被试者兴趣区注视时长均值

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图５  眼动兴趣区划分

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图６  不同实验形式下被试者眼跳转次数均值

综合上述结果可以得出结论：实物组被试者注意实验操作区的比例更高，在实验中更加关注实验的操作过程。而虚拟组被试者在实验过程中更加注意实验的结果。

２．２    问卷结果

问卷分析结果如表２和表３所示，进行Ｍａｎｎ－Ｗｈｉｔｎｅｙ Ｕ检验，发现第七问“对实验效率是否满意”Ｚ＝－３．０９５，渐进显著性与精确显著性均小于０．００５，即P＜０．００５，表明两组实验数据在统计学上存在显著差异，实物组与虚拟组在对实验效率是否满意上存在显著差异。虚拟组秩平均值和秩的总和得分均值显著高于实物组，这表明虚拟组被试者对实验效率的满意度显著高于实物组被试者。

表２  “对实验效率是否满意”曼-惠特尼Ｕ检验

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ａ．分组变量：实验形式

ｂ．未针对绑定值进行修正

表３  “对实验效率是否满意”均分

■ ２．３    访谈结果

如图７所示，在访谈第四题“请你谈一下密立根油滴实验静态法的原理”中，实物组１６名被试者中仅有４名被试者基本清楚实验原理，而虚拟组１２名被试者中有６名。在第五题“请你谈一下密立根油滴实验动态法测量了哪些数据”中，实物组１６名被试者均可清晰回答，而虚拟组１２名被试者中有７名。在第六题“请你谈一种本实验的数据处理方法”中，实物组１６名被试者中６名被试者可以回答，虚拟组１２名被试者中９名被试者可以顺利回答。

表明在进行同一个实验时，实物组被试者对实验操作更加重视，而对实验原理不够重视；虚拟组被试者则相反。

在第七题“请问实验中哪些地方可能造成实验误差”中，实物组的回答包含“计时的人为误差，油滴的选择，电压的平衡，水平仪的调节，空气阻力，显微镜对焦的调节”；虚拟组的回答包含“计时的人为误差，油滴的选择，水平仪的调节”。本题中，实物组的回答相较于虚拟组更加广泛，表明实物组对实验误差的理解优于虚拟组。

综合上述结果：实物组被试者对实验操作更加重视，在实验学习中更加关注实验的操作过程。而虚拟组被试者注意实验结果以及原理，在实验过程中更加注意实验的数据处理以及结果。

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