楊振清，呂鈺卓，林春丹，周廣剛，邵長金

(中國石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249)

分光計可以準(zhǔn)確測量光線的偏折角度，是重要的光學(xué)測量儀器。光柵或棱鏡等元件將混合光分成不同波長的光后，分光計通過精確測量光線的方向，直接或間接的表示出波長、折射率等物理量。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，“單色光波長的測量”、“固體折射率的測定”和“超聲光柵測聲速”等實(shí)驗(yàn)均需要用到分光計，分光計的部件也可應(yīng)用到光譜儀、單色儀等儀器中，用途十分廣泛[1]。分光計的調(diào)節(jié)是進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，同時調(diào)節(jié)過程也非常復(fù)雜，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在分光計調(diào)節(jié)這部分所花費(fèi)的時間參差不齊，調(diào)節(jié)過慢會嚴(yán)重影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。分光計調(diào)節(jié)的困難主要在于可調(diào)節(jié)旋鈕多、精度要求高、儀器結(jié)構(gòu)精密[2]，由此會出現(xiàn)找不到清晰的“十”字像，調(diào)節(jié)好一面“十”字像后另一面找不到清晰的像，在“各半調(diào)節(jié)”法中螺絲擰到極限仍無法使像到達(dá)正確位置等問題[3]。很多研究者已經(jīng)提出了分光計的快速調(diào)節(jié)方法，比如將載物臺回歸初始位置法、優(yōu)先調(diào)節(jié)載物臺、調(diào)節(jié)離自己最近的螺釘、一看二調(diào)法等[4-6]。眼球運(yùn)動是自發(fā)產(chǎn)生的，能真實(shí)反映個體的認(rèn)知加工特征[7,8]。在研究中借助全自然狀態(tài)下的眼動追蹤技術(shù)，獲取量化、適用的眼動數(shù)據(jù)[9]，更有力的挖掘出學(xué)生在分光計調(diào)節(jié)中的遇到的問題，客觀指出實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)所在及產(chǎn)生問題的原因，進(jìn)而為改進(jìn)教學(xué)方法和調(diào)節(jié)方法提供指導(dǎo)。

1 “分光計調(diào)節(jié)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)中所用分光計為浙江光學(xué)儀器制造有限公司生產(chǎn)的JJY-1型分光計，儀器側(cè)面圖如圖1所示，主要由望遠(yuǎn)鏡、載物臺、讀數(shù)裝置、平行光管、底座五部分組成。其中平行光管作用是產(chǎn)生平行光，望遠(yuǎn)鏡用來接收平行光，由物鏡和阿貝爾目鏡組成，載物臺是放置光學(xué)元件或待測樣品的平臺。此外還有望遠(yuǎn)鏡左右角度調(diào)節(jié)螺釘、載物臺調(diào)平螺釘、平行光管水平度調(diào)節(jié)螺釘?shù)?3處螺釘，用來調(diào)節(jié)分光計各部分的整體高度和水平度。

圖1 分光計的結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計

分光計調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)要求為望遠(yuǎn)鏡能夠接受平行光，且光軸垂直于分光計主軸；平行光管出射平行光，且光軸垂直于分光計主軸[10]。

在本文的研究中，將分光計調(diào)節(jié)的過程分為三個階段，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行眼動數(shù)據(jù)的分析。階段一目鏡調(diào)節(jié)，要求分劃板叉絲刻線和亮十字像同時達(dá)到清晰；階段二望遠(yuǎn)鏡光軸方向的調(diào)節(jié)，該階段需要雙面鏡兩個面朝向望遠(yuǎn)鏡時，均能在望遠(yuǎn)鏡分劃板平面上看到反射的亮十字像，且反射像的水平線均應(yīng)與叉絲的上方水平刻線重合；階段三平行光管調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成的標(biāo)準(zhǔn)是在望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的、與分劃板刻線無視差的狹縫像，且與望遠(yuǎn)鏡分劃板中央的豎刻線平行[11]。

2 眼動儀測試內(nèi)容

2.1 眼動儀功能

本實(shí)驗(yàn)采用的是Tobii Pro Glasses 2可穿戴式眼動儀，頭戴裝置重量僅有45g、外形與眼鏡相似，通過HDMI線與插入SD存儲卡的記錄裝置連接。在實(shí)驗(yàn)開始前利用Tobii Pro Glasses Controller軟件完成校準(zhǔn)程序，之后佩戴者可以自由行動，實(shí)現(xiàn)無線實(shí)時觀察功能，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的眼動狀態(tài)[12]。實(shí)驗(yàn)過程中眼動儀追蹤眼球運(yùn)動，按照一定的采樣率采集注視、眼跳在時間、空間維度上的指標(biāo)，在刺激材料視頻中記錄為數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在眼動數(shù)據(jù)分析中，利用可視化工具，在靜態(tài)底圖上將佩戴者的關(guān)注點(diǎn)處理成熱點(diǎn)圖和軌跡圖。同時自行選擇導(dǎo)出數(shù)據(jù)的格式和種類，其中包括注視時間、注視次數(shù)、平均注視時間、凝視時間、眼跳距離、訪問次數(shù)、瞳孔直徑等反映佩戴者眼動特征的指標(biāo)[13]。此外，利用AOI模塊可以劃分興趣區(qū)域，得到在不同興趣區(qū)域的眼動數(shù)據(jù)，分析佩戴者在各區(qū)域分配的認(rèn)知資源[9]。

2.2 眼動測試方案

在本科生、研究生、物理教師三種身份的被試者做實(shí)驗(yàn)過程中，借助眼動儀進(jìn)行眼動測試。為保證眼動數(shù)據(jù)的可參考性，隨機(jī)選擇修習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課且適合佩戴眼動儀的本科生男生、女生各一名，分別編號為本科生1、本科生2，適合佩戴眼動儀的物理學(xué)專業(yè)研究生男生、女生各一名，分別編號為研究生1、研究生2，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師一名。

物理教師進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)得到眼動數(shù)據(jù)，四名學(xué)生分別進(jìn)行“預(yù)做實(shí)驗(yàn)”、“正式實(shí)驗(yàn)”和“教師指導(dǎo)后實(shí)驗(yàn)”。預(yù)做實(shí)驗(yàn)是正式實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，只對照教材，實(shí)驗(yàn)時間不超過30分鐘。之后進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)，研讀教材后學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)。最后在教師規(guī)范實(shí)驗(yàn)步驟，講解操作技巧后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過對比被試者在三個階段的注視熱點(diǎn)圖、軌跡圖、眼動數(shù)據(jù)，確定分光計調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，以及各個階段的調(diào)節(jié)特點(diǎn)。比較不同身份被試者操作時的眼動特征，得出學(xué)生在進(jìn)行分光計調(diào)節(jié)時存在的問題，對本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供指導(dǎo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

鑒于大學(xué)物理教師對分光計的調(diào)節(jié)已經(jīng)具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成近標(biāo)準(zhǔn)化的操作步驟，遂以大學(xué)物理教師的操作為例，對三個階段的用時和操作特點(diǎn)進(jìn)行比較，確定分光計調(diào)節(jié)的難點(diǎn)所在。根據(jù)調(diào)節(jié)步驟和實(shí)驗(yàn)要求，確定望遠(yuǎn)鏡、載物臺、平行光管三個位置為分光計調(diào)節(jié)的重點(diǎn)區(qū)域。為探究學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中對教材的關(guān)注度，將教材放置在實(shí)驗(yàn)儀器一側(cè)供學(xué)生參考，并作為另一個可能的重點(diǎn)區(qū)域，利用AOI模塊在底圖上繪制的四個興趣區(qū)域如圖2所示。經(jīng)過可視化處理，得到物理教師在實(shí)驗(yàn)全程中的注視熱點(diǎn)圖如圖3所示，紅色表示那里的注視數(shù)量最多、注視時間最長，黃色次之，綠色表示注視數(shù)量最少、注視時間最短。

圖2 興趣區(qū)域劃分圖

圖3 物理教師操作的注視熱點(diǎn)圖

將完整實(shí)驗(yàn)過程的刺激材料視頻分割為三個部分，圖4是進(jìn)行可視化處理得到的三個階段注視熱點(diǎn)圖、軌跡圖。

(a)第一階段熱點(diǎn)圖

從熱點(diǎn)圖中可以看出，物理教師在第一階段的主要關(guān)注點(diǎn)是望遠(yuǎn)鏡和載物臺區(qū)域，第一階段需要重點(diǎn)調(diào)節(jié)目鏡調(diào)焦手輪、載物臺和望遠(yuǎn)鏡底腳螺釘，這與物理教師的關(guān)注焦點(diǎn)基本吻合。根據(jù)軌跡圖也可以看出物理教師先進(jìn)行目鏡調(diào)焦，而后調(diào)節(jié)載物臺和望遠(yuǎn)鏡。第二階段與第一階段相比，望遠(yuǎn)鏡的注視時間較少，調(diào)節(jié)載物臺的用時更長，其他區(qū)域也有分布。完成第二階段的調(diào)節(jié)目標(biāo)往往要進(jìn)行粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩個步驟，在熱點(diǎn)圖中部分關(guān)注點(diǎn)落在平行光管上，這是在粗調(diào)時進(jìn)行的目測所導(dǎo)致。注視軌跡圖中，物理教師的視線軌跡在載物臺附近錯綜復(fù)雜，說明在細(xì)調(diào)時對載物臺的底腳螺釘進(jìn)行了反復(fù)調(diào)節(jié)。從第三階段的熱點(diǎn)圖和軌跡圖來看，該階段關(guān)注點(diǎn)主要集中在平行光管，教師注意力集中，能夠迅速完成調(diào)節(jié)。

導(dǎo)出物理教師實(shí)驗(yàn)操作的眼動原始數(shù)據(jù)和眼動統(tǒng)計指標(biāo)，并以三個階段為單位進(jìn)行分析，更加明顯的得到三個階段的注視特點(diǎn)。物理教師完成分光計調(diào)節(jié)的用時為4 min 56 s，其中三個階段的操作時長分別為91.00 s、172.00 s、33.18 s(如表1)所示，第一階段的用時占30.7%、第二階段的用時占比58.1%、第三階段占比11.2%。第二階段的用時明顯長于其他兩個階段，客觀說明望遠(yuǎn)鏡光軸方向的調(diào)節(jié)最為復(fù)雜，在分光計調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注，其次為第一階段，第三階段調(diào)節(jié)較為容易。利用AOI模塊進(jìn)行基于四個興趣對象數(shù)值和統(tǒng)計分析，得到物理教師在望遠(yuǎn)鏡、載物臺、平行光管和教材的注視時間。興趣占比表示在某一階段，物理教師注視該區(qū)域的時間與注視四個興趣區(qū)域時間總和的比值(由于在某些時刻被試者的操作視角不能完全呈現(xiàn)在底圖上，而呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在興趣區(qū)域和其他區(qū)域，因此實(shí)驗(yàn)用時>有效注視時間>興趣區(qū)域注視時間)。通過表1中四個興趣區(qū)域的數(shù)據(jù)可以看出，第一和第二階段的主要關(guān)注點(diǎn)在載物臺和望遠(yuǎn)鏡，用時比例稍有不同，第三階段的關(guān)注點(diǎn)大多在平行光管，與注視熱點(diǎn)圖、軌跡圖所得結(jié)論一致，這也作為分析學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作中存在問題的參照。

表1 三個階段用時及興趣時間比較

四名學(xué)生使用一臺分光計，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前均由同一位實(shí)驗(yàn)助手將儀器打亂，完成實(shí)驗(yàn)后經(jīng)過可視化處理得到注視熱點(diǎn)圖。將四名同學(xué)的熱點(diǎn)圖與物理教師的完整熱點(diǎn)圖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)本科生和研究生在分光計調(diào)節(jié)中存在的問題，并對比分析本科生和研究生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的不同。本科生兩位同學(xué)的三次實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)圖如圖5所示，研究生兩位同學(xué)的三次實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)圖如圖6所示。

(a) 本科生1的操作熱點(diǎn)圖(預(yù)作實(shí)驗(yàn))

(a) 研究生1的操作熱點(diǎn)圖(預(yù)作實(shí)驗(yàn))

從圖5(a)、(d)中可以看出，本科生在進(jìn)行預(yù)做實(shí)驗(yàn)時，注視教材的時間較長，關(guān)注點(diǎn)分布雜亂，本科生1相較于本科生2來說能夠?qū)⒆⒁饬性趯d物臺的調(diào)節(jié)上。在正式實(shí)驗(yàn)時，兩位同學(xué)經(jīng)過預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，關(guān)注點(diǎn)稍有集中，但仍然需要翻閱教材，尤其本科生2的視線還是較為分散，難以獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。教師指導(dǎo)后，兩位同學(xué)的注視熱點(diǎn)圖有了明顯改觀，如圖5(c)所示，本科生1的注意力能夠大部分集中在儀器的調(diào)節(jié)上，已初步抓住實(shí)驗(yàn)操作的重點(diǎn)，有了充足的信心。本科生2的熱點(diǎn)圖雖不如本科生1清晰，也已經(jīng)有重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，對教材的依賴性減弱，操作更加熟練，說明教師指導(dǎo)對實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)有極大幫助。

因此在分光計調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和預(yù)習(xí)不能使學(xué)生完全掌握實(shí)驗(yàn)操作，須輔以教師的講解和答疑解惑。目前部分高校在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中開始采用自學(xué)模式，雖然能一定程度提升學(xué)生的探索精神和實(shí)驗(yàn)思維，但對本科生來說，像“分光計調(diào)節(jié)”這樣的實(shí)驗(yàn)存在一定困難，教師的指導(dǎo)將更有利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握。

研究生在本科階段已經(jīng)進(jìn)行過分光計調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，但在圖6(d)研究生2預(yù)做實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)圖中看出，仍然需要閱讀教材，說明隨著時間推移已經(jīng)對操作生疏。而圖6(a)中研究生1的注視熱點(diǎn)圖與教師的熱點(diǎn)圖接近，該研究生在本科期間多次參加物理實(shí)驗(yàn)競賽，對分光計調(diào)節(jié)進(jìn)行多次練習(xí)，積累了豐富的操作經(jīng)驗(yàn)和技巧，記憶也更加牢固。在正式實(shí)驗(yàn)時，有了對儀器的熟悉，能夠快速調(diào)節(jié)完成。研究生2在正式實(shí)驗(yàn)時整體操作有了非常大的提升，原因是在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時，對照教材反復(fù)嘗試調(diào)節(jié)，對整個分光計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。而在教師指導(dǎo)后，兩名研究生的實(shí)驗(yàn)用時與正式實(shí)驗(yàn)時基本相同，說明他們預(yù)做實(shí)驗(yàn)結(jié)束后就已經(jīng)掌握了實(shí)驗(yàn)操作的基本步驟和技巧，自主學(xué)習(xí)的效果比教師指導(dǎo)的效果更明顯。在圖6(c)、(f)中，研究生1注意力非常集中，能迅速找到調(diào)節(jié)方案進(jìn)行操作，且能利用粗調(diào)進(jìn)行高效調(diào)節(jié)，研究生2的注視熱點(diǎn)圖可以看出，她的優(yōu)點(diǎn)是視線集中在載物臺的調(diào)節(jié)，望遠(yuǎn)鏡和平行光管浪費(fèi)時間較少。兩名研究生的調(diào)節(jié)速度已經(jīng)基本能與物理教師相當(dāng)，而物理教師的視線更加穩(wěn)定，操作更加連貫，這與其多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和無數(shù)次調(diào)節(jié)有關(guān)。

綜上說明本科階段在實(shí)驗(yàn)課上對分光計調(diào)節(jié)的短暫學(xué)習(xí)不能形成持續(xù)記憶，只有多試多做多練，積累經(jīng)驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)技能的提高。而在經(jīng)過本科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的積累后，研究式的自主學(xué)習(xí)可以幫助研究生快速掌握實(shí)驗(yàn)技巧，更有利于實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。

4 結(jié) 語

本文在分光計調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)中，利用眼動儀追蹤物理教師、本科生、研究生三類身份的被試者的關(guān)注點(diǎn)，通過注視時間、興趣占比等數(shù)值反映被試者的眼動特征，通過熱點(diǎn)圖、軌跡圖將被試者的眼動數(shù)據(jù)可視化，從而得到教師、本科生、研究生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，為分光計調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供建議。本文的結(jié)論如下：1)在分光計調(diào)節(jié)的三個階段中，望遠(yuǎn)鏡光軸方向的調(diào)節(jié)難度最大、用時最長，普遍存在的問題是忽略的粗調(diào)重要性[14]；2)在分光計調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)中，多次練習(xí)、積累經(jīng)驗(yàn)是提高調(diào)節(jié)速度的重要方式；3)對于本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有所不同，本科生需要老師的講解和技巧的學(xué)習(xí)，對于研究生，足夠的空間和時間進(jìn)行摸索，對提高實(shí)驗(yàn)速度更為有利。

借助眼動儀進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的研究，可以通過量化眼球運(yùn)動數(shù)據(jù)，客觀評價學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作中的問題。在眼動實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在以下幾點(diǎn)問題：一是第一次隨機(jī)抽取的部分學(xué)生無法對焦，選取測試者時應(yīng)選擇眼睛沒有散光的人員。二是分光計調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中需要盯著望遠(yuǎn)鏡視野，使得有效注視時間縮短。三是在分光計儀器窄且長，老師的學(xué)生的視角不能時刻與底圖貼合，導(dǎo)致部分關(guān)注點(diǎn)沒有呈現(xiàn)在底圖上。因此，利用眼動儀得到的結(jié)果并不能完全反映被試者的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，以及進(jìn)一步分析其心理狀態(tài)。所以在探究中對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行定性分析，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。建議其他團(tuán)隊在利用眼動儀進(jìn)行研究時，選擇佩戴眼動儀后，能夠全程注視儀器的實(shí)驗(yàn)，提高有效注視時間，還原被試者的真實(shí)狀態(tài)。

致謝：感謝楊東杰副教授提供眼動儀全套設(shè)備并在使用過程中給予的指導(dǎo)；感謝張萬松教授，呂志清老師，王強(qiáng)老師在眼動儀校準(zhǔn)及試做過程中給予的幫助；感謝研究生鄭偉博，史艷艷，崔洋，項(xiàng)文麗和于月寧等實(shí)驗(yàn)過程的參與。