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Blickbewegungsmessung an Versuchsaufbauten. 

 

Studien zur Wahrnehmung, Verarbeitung und Usability von phy‐

sikbezogenen Experimenten am Bildschirm und in der Realität. 

 

Im Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin eingereichte Dissertation.

Adrian Voßkühler 

2010 

Diese Arbeit ist erschienen im Logos Verlag Berlin in der Reihe „Studien zum Physik- und

Chemielernen“, herausgegeben von Hans Niedderer, Helmut Fischler, Elke Sumfleth (ISSN 1614-8967) als Band 104 unter der ISBN 978-3-8325-2548-4.

Adrian Voßkühler Blickbewegungsmessung an Versuchsaufbauten                                                               Gutachter Prof. Dr. Volkhard Nordmeier Freie Universität Berlin Fachbereich Physik Prof. Dr. Ralf Engbert Universität Potsdam Fachbereich Psychologie Disputation

5. Juli 2010

1. Einführung Inhaltsverzeichnis 1  Einführung _______________________________________ 4  2  Grundlagen ______________________________________ 6 

2.1.  BLICKBEWEGUNGEN 6  2.1.1.  Grundlagen 8  2.1.2.  Messverfahren 11  2.1.3.  Lesen 13  2.1.4.  Szenenwahrnehmung 15  2.1.5.  Pupillendaten 37  2.1.6.  Didaktische Forschung 40 

2.2.  MAUSBEWEGUNGEN 43  2.2.1.  Grundlagen 43  2.2.2.  Empirische Befunde 44  3  Software zur Aufzeichnung und Analyse von Blick- und Mausdaten ______________________________________ 46 

3.1.  ANWENDUNGSDESIGN 47  3.1.1.  Dateien 47  3.1.2.  Aufbau der Präsentationen 47  3.1.3.  Datenbanklayout 48  3.1.4.  Fixationsberechnung 49 

3.2.  MODULE 50  3.2.1.  Erstellen und Aufzeichnen 52  3.2.2.  Visuelle Datenexploration 60  3.2.3.  Statistische Datenauswertung 67 

3.3.  ZUSAMMENFASSUNG 70  4  Wahrn

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1 Einführung Diese Arbeit ist im Fachgebiet Didaktik der Physik entstanden und widmet sich dort dem Teilgebiet des Experimentierens. Die Konzeption und Durchführung von Experimenten ist ein wesentlicher Bestandteil des Physikunterrichts. Ein beachtlicher Anteil der didaktischen Ausbildung von Physiklehrerinnen und -lehrern besteht gerade in der Einübung und Festigung des Aufbaus und der lernförderlichen Einbettung von Experimenten in den Unterricht. In empirischen Lehr-/Lernstudien wurden Merkmale erfolgreichen Unterrichts wie z. B. viel Lernzeit, individuelle Förderung oder Kontextorientierung bestimmt und anhand von Indikatoren nachgewiesen. Auf der anderen Seite wird versucht, auf der Basis solcher Merkmale neue Materialien für den Physikunterricht wie z. B. Interaktive Bildschirmexperimente oder offene Experimentierstationen zu entwickeln, um damit letztlich einen höheren Lernerfolg zu erzielen.

Die Gestaltung dieser neuen Medien erfolgt oftmals ‚aus dem Bauch‘ heraus, und auf Erkenntnisse der Wahrnehmungs-, Kognitions- oder Neuropsychologie wird kaum Bezug genommen. Dabei ist z. B. die visuelle Wahrnehmung einer der wichtigsten Informationskanäle.

Aus dieser Erkenntnis heraus soll im Rahmen der vorliegenden Arbeit versucht werden, mit Hilfe von Blickbewegungsmessungen und Methoden der Usability-Evaluation, einen direkten Zugriff auf die spezifischen Probleme von Lehrenden und Lernenden beim Umgang mit zentralen Objekten des Physikunterrichts − den Experimenten − zu erhalten. Betrachtet man z. B. die physikalischen Versuchsaufbauten zum Thema Elektrizitätslehre, so gibt es nicht nur eine Vielzahl unterschiedlich gestalteter Experimentiersysteme der verschiedenen Lehrmittelfirmen, sondern auch eine Fülle von sehr unterschiedlich konzipierten MultimediaAnwendungen, Schulbüchern, Arbeitsblättern und anderen Lernhilfen. Diese unterschiedlichen Repräsentationen können als Lehr-/Lernmaterialien zu einem Themengebiet eingesetzt werden, und oft entscheidet darüber nur deren Verfügbarkeit bzw. die Vorliebe der Lehrperson.

Diese Arbeit versucht auf der einen Seite, dem grundlagenorientierten Zugang, mit experimentellen, quantitativen Untersuchungen einen Zusammenhang zwischen Parametern der Blickbewegungsmessung und Wahrnehmungs- und Verarbeitungsprozessen an Versuchsaufbauten zu finden. Auf der anderen Seite, dem angewandten Zugang, wird versucht mit Usability-Testing den Schwierigkeiten beim Umgang mit Versuchsaufbauten auf den Grund zu gehen. Usability, damit ist hier die Gebrauchstauglichkeit eines Produkts gemeint, hat viele Facetten. Nicht nur Gebrauchsanweisungen lassen Benutzer mitunter verzweifeln, auch Aussehen, Bedienbarkeit, Zweckerfüllung sind Maßstäbe, nach denen Produkte beurteilt werden.

Letzlich ist das Ziel, Ansätze und Verfahren aufzuzeigen, mit denen konkrete Anforderungen für die Gestaltung der Experimente abgeleitet werden können. Das sind z. B. Empfehlungen für den Einsatz in verschiedenen Ausgangssituationen wie Demonstrations- oder Schülerexperimenten.

Die Methode der Blickbewegungsmessung ist in diesem Zusammenhang von zentraler Bedeutung, da damit sowohl qualitative Aussagen über die Blickpfade als auch quantitative Daten über die visuelle Aufnahme von Stimuli ermittelt werden können. Sie wird bereits erfolgreich in der Forschung zur Messung der kognitiven Beanspruchung beim Bearbeiten von komplexen Aufgaben verwendet und lässt Rückschlüsse auf die Ursachen von dabei aufgetretenen Fehlern zu.

Da dies die erste Arbeit auf dem Gebiet der Physikdidaktik ist, die sich mit Blickbewegungsmessung an Versuchsaufbauten beschäftigt, liegt ein Schwerpunkt auf der Erarbeitung von Verfahren, die eine solche Messung überhaupt erst ermöglichen. Nach einer Einführung in den Stand der Forschung zu Blick- und Mausbewegungen in Kapitel 2 wird zunächst grundlagenorientiert der Schwerpunkt auf das Wahrnehmen und Verarbeiten von Versuchs

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1. Einführung

aufbauten am Bildschirm gelegt. Dazu wird in Kapitel 3 die Software OGAMA beschrieben, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, um die Erfassung von Blick- und Mausdaten an solchen Stimuli zu ermöglichen. Mit ihrer Hilfe widmen sich im zentralen Kapitel 4 zwei experimentelle Studien den Auswirkungen von Repräsentationen und Expertise auf die Wahrnehmung dieser zweidimensionalen Experimente. Kapitel 5 beginnt mit einer Einführung in die Grundlagen der Usability-Forschung. Anschließend werden zwei aufeinander aufbauende Usability-Studien zu einem Multimedia-Produkt − einem sogenannten Interaktiven Bildschirmexperiment (Kirstein & Nordmeier 2007) zur Bestimmung der Gewichtskraft eines Handys − vorgestellt. Den Abschluss bildet mit Kapitel 6 die Entwicklung eines Verfahrens, wie diese Art von Untersuchungen an realen ‚dreidimensionalen‘ Experimenten durchgeführt werden kann.

Mit dieser Arbeit ist die Hoffnung verbunden, gezeigt zu haben, dass hier eine Tür zu einem Bereich der physikdidaktischen Forschung aufgestoßen wurde, den es sich lohnt fortzuführen.

Adrian Voßkühler Blickbewegungsmessung an Versuchsaufbauten

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Das in dieser Arbeit behandelte Thema ist - wie für didaktische Themen die Regel - interdisziplinär. Es lohnt sich daher, einen vertieften Blick auf die Disziplinen zu werfen, deren Arbeitsgebiete sich mit der Aufgabenstellung überschneiden. Das sind vor allem die Blickund Mausbewegungsforschung (Kapitel 2) und die Usabilityforschung (Kapitel 5).

Zunächst wird die Forschung zu Blickbewegungen zusammengefasst, die für sich selbst schon auffallend breit gefächerte Untersuchungsgebiete beinhaltet. Beispielhaft sei hier die Bandbreite der Themen auf der European Conference on Eye Movements 2007 genannt, die von Leseforschung über Szenenwahrnehmung bis hin zu klinischen Aspekten von Blickbewegungen reicht (Kliegl & Engbert 2007). Im folgenden Kapitel 2.1 wird daher ausgehend von den physiologischen Grundlagen und einer Beschreibung der Verfahren zur Messung von Blickbewegungen versucht, die relevanten Forschungsergebnisse aus den einzelnen Teilgebieten darzustellen, wobei der Schwerpunkt auf Erkenntnisse zur Szenenwahrnehmung gelegt wird, da hier die meisten Parallelen zur Situation des Experimentierens vorliegen. Auch die didaktische Forschung hat bereits an einigen Stellen versucht, Blickbewegungen in ihre Untersuchungen mit einzubeziehen (z. B. Gnoyke 1997) und es soll mit dieser Arbeit versucht werden daran anzuknüpfen und diese weiterzuentwickeln.

Der darauffolgende Abschnitt 2.2 widmet sich der Literatur zur Erfassung und Analyse von Mausbewegungen beim Arbeiten am Computer. Diese ist vor allem für die in Kapitel 4 angestellten Untersuchungen zu Experimenten am Bildschirm fruchtbar, da es bereits Hinweise auf die Bedeutung von Mausbewegungen und über Interaktionen zwischen Maus- und Blickdaten gibt (Chen et al. 2001; Rodden & Fu 2007).

Der Forschungsstand zum Experimentieren wird hier nicht explizit aufgearbeitet, sondern es wird auf entsprechende Literatur verwiesen. So finden sich zur Kompetenzentwicklung z. B. bei Hammann 2004 und Hammann 2006 oder Neumann et al. 2007 verschiedene Kompetenzmodelle auch anderer naturwissenschaftlicher Fächer. Dem ‚richtigen‘ Aufbau von Experimenten widmet sich z. B. Leisen 2000; Erkenntnisse zur Bildwahrnehmung finden sich in Ballstaedt 1997. Für den Stellenwert von Experimenten im Physikunterricht und die Bedeutung für das Lernen liefert die IPN-Videostudie zentrale Ergebnisse (Tesch & Duit 2004).

2.1. Blickbewegungen „Eye Movements: A Window on Mind and Brain” Roger van Gompel Folgt man dem Artikel von Rayner 1998, dem wohl meistzitierten Blickbewegungsforscher, so gab es auf diesem Gebiet bisher drei große Phasen. In der ‚Frühzeit‘ von 1879 bis 1920 wurden Basiskenngrößen entdeckt und erforscht.1 Das war vor allem die sogenannte saccadic suppression, also das Unterdrücken visueller Verarbeitung während der Sakkaden Aber schon Hermann von Helmholtz hat sich in seinem „Handbuch der Physiologischen Optik“ ausführlich den Augenbewegungen gewidmet (Von Helmholtz 1867)

2. Grundlagen

(Blickwechsel, siehe 2.1.1). Während wir die Augenbewegung von anderen Menschen problemlos sehen können, können wir unsere eigenen Augenbewegungen nicht sehen, auch wenn wir dies z. B. im Spiegel versuchen. Es werden auch keine verwaschenen Bilder der sehr schnellen sakkadischen Bewegung im Gehirn verarbeitet, der neuronale Input während der Sakkade wird unterdrückt, sodass ein kontinuierlicher Sehprozess entsteht. Eine zweite wichtige Erkenntnis der ersten Jahre war die Entdeckung der saccade latency einer Art Prozessorzeit für die Einleitung von Sakkaden. Bevor das Auge aus einer ruhenden Position eine Sakkade auf ein neues Ziel ausführen kann, vergehen um die 150 ms (Rayner 1998). Diese Zeit wird vom Gehirn benötigt, die Sakkade vorzubereiten, und die Landegenauigkeit ist folgerichtig korreliert mit der Latenzzeit (Jacobs 1987). Die dritte Basiskenngröße von Blickbewegungen der ersten Jahre ist der perceptual span, der Bereich, in dem das Auge Informationen während einer Fixation aufnehmen kann. Beim Lesen ist er z. B. stark asymmetrisch und reicht von drei bis vier Buchstaben links der Fixation bis 14-15 Buchstaben rechts der Fixation2. Beim Betrachten von Szenen kann er das gesamte Bild umfassen (s.u.).

Das ‚Mittelalter‘ der Blickbewegungsforschung fällt nach Rayner in die Zeit von 1920 bis Mitte der 1970er Jahre. In dieser Zeit konzentrierte sich die Forschung auf angewandte Fragestellungen. Die wesentlichen Veröffentlichungen jener Zeit stammen von Tinker 1946 zum Lesen und Buswell 1935 und Yarbus 1967 zur Szenenwahrnehmung. Dabei ist Yarbus 1967 eine der meistzitierten Arbeit der Blickbewegungsforschung überhaupt (van Gompel et al.

2007).

In einer Veröffentlichung von Just & Carpenter 1976 werden die zentralen Annahmen, die Blickbewegungsforschung zu diesem Zeitpunkt legitimieren (und darüber hinaus bis heute

gelten), zusammengefasst:

 Geht man davon aus, dass es im Gehirn so etwas wie eine zentrale Exekutive gibt, so sind Augenbewegungen ein direkter, hochzeitaufgelöster Indikator dafür, mit welchem Prozess das Gehirn gerade beschäftigt ist. „The fixation may reflect what is at the ‘top of the stack’“ (ebd. S. 441). Gibt es für die entsprechende Aufgabe visuelle Repräsentationen der Subprozesse (z. B. Ziffern und Symbole bei Berechnungen), so wird davon ausgegangen, dass die entsprechenden Repräsentationen genau dann angesehen werden, wenn auch der Prozessor damit beschäftigt ist.

 Die Fixationsdauern werden als Verarbeitungszeit gedeutet, die sowohl die Rezeption des angesehenen Symbols, als auch die Zeit, die benötigt wird, das Symbol zu verarbeiten, beinhaltet. Eine lange Fixationsdauer kann aber auch darauf hindeuten, dass neue Fixationen und damit neue Verarbeitungskapazität vermieden werden sollen, weil der Prozessor noch mit anderen Dingen beschäftigt ist. (Die Autoren bringen hier das Beispiel des ‚Augen-Schließens‘ oder ‚nach-oben-Sehens‘ beim Suchen der Antwort auf eine Frage).

In ihrem Editorial zu „Eye tracking and usability research“ gehen Pannasch, Helmert, & Velichkovsky 2008 darüber noch hinaus und ergänzen die Einsatzgebiete des Eyetracking zum einen um Eyetracking als Diagnoseinstrument für kognitive Prozesse, zum anderen als Informationsquelle für zukünftige Assistenzsysteme sowie als Basis für Kommunikationsinteraktion.

Das zentrale Ziel der Blickbewegungsforschung in dieser Phase war es, den Zusammenhang zwischen kognitiven Prozessen und Blickbewegungen zu entschlüsseln.

Eine Liste von Studien, die sich der Messung des perceptual span beim Lesen widmen findet sich bei Rayner

1998. Die Genauigkeit der Größe des perceptual span ist auch erst ein Ergebnis neuerer Studien.

Adrian Voßkühler Blickbewegungsmessung an Versuchsaufbauten Die dritte Phase, hier plakativ ‚Renaissance‘ genannt, fällt in die Zeit bis Ende des

20. Jahrhunderts. Maßgeblichen Einfluss auf diese Phase hat die Entwicklung präziser, stabiler und hochzeitaufgelöster Messmethoden zusammen mit der Weiterentwicklung der Computertechnik. Durch diese Fortschritte wurde eine Bandbreite an Forschungen zu Blickbewegungen möglich, die diese Disziplin nach wie vor prägt und sich in vier große Felder unterteilen lässt, die sich jeweils eigenen Aspekten des Gebiets zuwenden:

A) LESEN Der wohl am ausführlichsten untersuchte Bereich sind Blickbewegungen beim Lesen. Hier geht es darum, sowohl die Steuerung des Augenapparats zu verstehen und zu modellieren, als auch die Rezeption des Gelesenen auf die Blickbewegungen zu beziehen.



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