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Eye-Tracking in der
physikdidaktischen Forschung:
Eine systematische Übersichtsarbeit
Pascal Klein und Larissa Hahn
Georg-August-Universität Göttingen
Die virtuelle GDCP Jahrestagung 2021
14.09.2021
Eye-Tracking in der
Motivation physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Begründetes Interesse der physikdidaktischen Forschung an Larissa Hahn
Lehr-Lern-Prozessen: Einführung
• Problemlösen Methodik
Ergebnisse
• Experimentieren
Diskussion und
• Theorie der kognitiven Verarbeitung multimedialer Inhalte Schlussfolgerungen
Literatur
(CTML): Selektions-, Organisations-, und
Integrationsprozesse (Mayer, 2005)
(Smith, Mestre & Ross, 2010)
2 / 25
Eye-Tracking in der
Motivation physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
Methodik
Bisherige Übersichtsarbeiten zu Eye-Tracking behandeln das Ergebnisse
physikdidaktische Forschungsinteresse nur peripher: Diskussion und
Schlussfolgerungen
• Expertise-Forschung (Gegenfurtner, Lehtinen & Säljö, 2011) Literatur
• Lernprozesse (Lai et al., 2013)
• Multimediales Lernen (Alemdag & Cagiltay, 2018)
• Mathematikdidaktik (Strohmaier, MacKay, Obersteiner &
Reiss, 2020)
3 / 25
Eye-Tracking in der
Forschungsfragen physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
FF1 In wie vielen Studien wurde Eye-Tracking in der Methodik
physikdidaktischen Forschung eingesetzt, wann und wo Ergebnisse
wurden sie veröffentlicht und welche didaktischen und Diskussion und
Schlussfolgerungen
physikalischen Themen wurden untersucht? Literatur
FF2 Wie werden Eye-Tracking-Studien in der physikdidaktischen
Forschung methodisch umgesetzt?
FF3 Wie werden die Blickdaten interpretiert, welche Ergebnisse
wurden gewonnen und welche Limitationen werden berichtet?
4 / 25
Eye-Tracking in der
Studiensuche und -auswahl physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Inertiale Suche Zusätzliche
(Datenbank: Web of Publikationen aus Pascal Klein und
Science) den Referenzlisten
1.Identifikation
Larissa Hahn
(k = 406) (Schritt 4; k = 38)
Einführung
Publikationen nach
Ausschluss von N = 0 Methodik
Duplikaten
(k = 444) Ergebnisse
Diskussion und
Schlussfolgerungen
2. Screening
Screening der Ausgeschlossene
Publikationen Publikationen (k = 367) Literatur
(k = 444) Titel und Abstract;
Stimuli wurden in 33
umstrittenen Fällen
untersucht
Prüfung der
vollständigen Artikel Ausgeschlossene
auf Passung Publikationen, anderer
(k = 77) Fokus (k = 21):
3. Passung
• Leseverständnis und
Textverarbeitung
(k = 7)
• Problemlösen
Identifizierung von allgemein (k = 3)
Quelle und • (Digitale)
Überschneidungen Multimedia-
(k = 56) Umgebungen (k = 7)
• Aufmerksamkeit im
4. Inklusion
Unterricht (k = 1)
Kein Zugang (k = 3)
Für FF1 untersuchte
In das gesamte
Studien (k = 23)
Review (FF1 – 3)
Proceedings, Buch-
einbezogene Studien
kapitel, Disserta-
(k = 33 )
tionen (mit Über-
Journal-Artikel
schneidungen)
5 / 25Eye-Tracking in der
Ein- und Ausschlusskriterien physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Einschlusskriterien Ausschlusskriterien Larissa Hahn
Der Artikel wurde in einer peer- Der Artikel war nicht auf Einführung
review Zeitschrift in englischer Englisch verfasst oder es Methodik
Sprache veröffentlicht. handelte sich nicht um eine
Ergebnisse
Zeitschriftenveröffentlichung∗ .
Diskussion und
Der Artikel berichtet originelle em- Bei dem Artikel handelte es sich um Schlussfolgerungen
pirische Forschung. einen Übersichts- oder Kommentar- Literatur
artikel.
Der Artikel behandelt eine physikdi- Der Artikel verwendete zwar visu-
daktische Fragestellung. elle Reize aus der Physik, hatte
aber ansonsten wenig bis gar keinen
Bezug zur physikdidaktischen For-
schung (wie aus dem Hintergrund,
den Forschungsfragen und den Im-
plikationen des Artikels hervorgeht).
Bei der Untersuchung wurde
die Eye-Tracking-Technologie
eingesetzt.
∗ Sekundärquellen auch für FF1
6 / 25Eye-Tracking in der
Ergebnisse physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
Methodik
FF1 FF2 FF3
Ergebnisse
• Publikation • Stimuli und AOIs • Eye-Tracking- Diskussion und
(Jahr, Journal) Metriken Schlussfolgerungen
• Stichprobe
• Lernszenario und • Split-Kriterien der Literatur
• Technische
didaktisches Datenanalyse
Implementierung
Thema • Theorien zur
(u.a. Hersteller,
• Physikalisches Abtastrate, Interpretation der
Thema Kalibrierung) Blickdaten
• Zusätzliche • Limitationen
Datenquellen
7 / 25Eye-Tracking in der
Anzahl der Studien physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
12 60 Übersichtsarbeit
11 55
Accumulated studies
Journal articles Pascal Klein und
∗ until 04/2021
Number of studies
10 50 Larissa Hahn
9 Other 45
8 40 Einführung
7 35
6 30 Methodik
5 25 Ergebnisse
4 20
3 15 Diskussion und
Schlussfolgerungen
2 10
1 5 Literatur
0 0
05
07
09
11
13
15
17
19
21
20
20
20
20
20
20
20
20
20
∗
Year
• Journal-Artikel am häufigsten in Physical Review Physics
Education Research publiziert (16 Studien)
• Proceedings vor allem in PERC Conference Proceedings (5),
AIP Conference Proceedings (5) und ETRA Conference
Proceedings (4) veröffentlicht
• Minimale Überschneidung der Studien zu den 4
Eye-Tracking-Reviews (1 Studie)
8 / 25Eye-Tracking in der
Lernszenarien physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Assessment/ Wissenskonstruktion Laborarbeit Pascal Klein und
Problemlösen Larissa Hahn
• Messung der • Messung der • Messung der
Blickbewegung Blickbewegung Blickbewegung beim Einführung
während der während dem Experimentieren Methodik
Bearbeitung Erwerb von Wissen (virtuell oder real)
Ergebnisse
physikalischer • z.B. Lesen von • Beinhaltet die
Aufgaben (oder Texten, Bedienen Bedienung von Diskussion und
Schlussfolgerungen
Probleme) einer Simulationen, Geräten,
Betrachten von Datenerhebung und Literatur
• z.B. Multiple-
Choice, Offene Animationen Auswertung
Aufgabenstellungen,
Fehlersuche
• Differenzierung
zwischen
einmaligem,
wiederholtem und
adaptiven
Assessment
28 Journal-Artikel, 23 8 Journal-Artikel, 5 1 Journal-Artikel
andere Publikationen; andere Publikationen
Wiederholtes Assessment
selten (6 Journal-Artikel,
3 andere Publikationen)
9 / 25Eye-Tracking in der
Didaktische Themen physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Assessment/Problemlösen Wissenskonstruktion Laborarbeit Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
a. Konzeptuelles a. Lernen mit Text a. Experimentation Methodik
Verständnis: Einsatz und
Ergebnisse
von Konzepttests Repräsentationen:
oder konzeptionelle Textbasiertes Diskussion und
Schlussfolgerungen
Problemstellungen Lernen, Texte
b. Graphenverständnis: können mit Bildern, Literatur
z.B. Graphen Diagrammen oder
interpretieren, Mathematik
Steigungen versehen sein
bestimmen, Graphen b. Computerbasiertes
vergleichen Lernen: z.B. durch
c. Repräsentationen: Simulationen,
Prozeduraler interaktive Elemente
Umgang mit oder Anwendungen
Repräsentationen,
z.B. Vergleich oder
Interpretation von
Repräsentationen
Die Klassifikation basiert auf der Synthesis von Docktor und Mestre (2014).
⇒ Fokus auf Graphenverständnis in der Kinematik und konzeptuellem
Verständnis bezüglich Energie und Arbeit
10 / 25Eye-Tracking in der
Themenfelder der Physik physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
• Fokus auf dem Bereich der Mechanik (Kinematik, Einführung
Bewegungslehre, (Trägheits-)Kräfte, Energie, Arbeit): Methodik
21 Journal-Artikel, 16 Proceedings/Buchkapitel Ergebnisse
Diskussion und
• Weitere Themen: Vektorfelder, Elektrostatik und Schaltkreise, Schlussfolgerungen
Messunsicherheiten, (Wellen-)Optik Literatur
Abbildung: Kinematik (Hejnová & Abbildung: Optik (Chiou, Hsu & Tsai, Abbildung: Schaltkreise
Kekule, 2018). 2019). (Rosengrant, Heuvelen & Etkina,
2009).
11 / 25Eye-Tracking in der
Redundanz der Sekundärliteratur physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Forces Einführung
Journal article
Methodik
Proceedings or book chapter
Vector fields Ergebnisse
Thesis (Klein, Viiri, Kuhn, Mozaffari)
Diskussion und
Schlussfolgerungen
Graphs, motion maps Literatur
(Kekule, Viiri)
conceptual problems with diagrams and cues
(Madsen, Rouinfar, Agra, Wu)
Multiple representations
Graphs
(Mozaffari)
electrical circuits
(Rosengrant)
electrostatics
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021
12 / 25Eye-Tracking in der
Ergebnisse physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
Methodik
FF1 FF2 FF3
Ergebnisse
• Publikation • Stimuli und AOIs • Eye-Tracking- Diskussion und
(Jahr, Journal) Metriken Schlussfolgerungen
• Stichprobe
• Lernszenario und • Split-Kriterien der Literatur
• Technische
didaktisches Datenanalyse
Implementierung
Thema • Theorien zur
(u.a. Hersteller,
• Physikalisches Abtastrate, Interpretation der
Thema Kalibrierung) Blickdaten
• Zusätzliche • Limitationen
Datenquellen
13 / 25Eye-Tracking in der
Definition von Areas of Interest physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
Methodik
Ergebnisse
Diskussion und
Schlussfolgerungen
Abbildung: Globale Analyse (Klein et al., 2020). Literatur
Abbildung: Lokale Analyse (Klein, Küchemann, Brückner,
Zlatkin-Troitschanskaia & Kuhn, 2019).
Globale Analyse Lokale Analyse
• Analyse der Augenbewegungen auf • Definition der AOIs anhand
Basis offensichtlicher bestimmter Merkmale oder
Oberflächenmerkmale des Stimulus visueller Einheiten des Stimulus
• z.B. Aufgabenstamm und Optionen • z.B. relevante Bereiche/
oder Einleitung, Haupttext und Komponenten innerhalb eines
Diagramm einer Lernseite Diagramms
27 Studien 16 Studien
⇒ Global und Lokal: 11 Studien
14 / 25Eye-Tracking in der
Stichprobe physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
• Stichprobe: Einführung
Methodik
• Am häufigsten wurde das Blickverhalten von Studierenden
Ergebnisse
untersucht (17 Studien)
Diskussion und
• SchülerInnen bildeten in 11 Studien die Stichprobe Schlussfolgerungen
• 5 Studien verwendeten gemischte Stichproben (z.B. mit Literatur
Doktorierenden oder LehrerInnen)
• Individuelle Analyse der Blickdaten für jede/n Probanden/in
• Stichprobengröße: N = 54.4 ± 29.9 ProbandInnen
(Nmin = 15 bis Nmax = 119)
• Ausschluss von Datensätzen ...
1. aus technischen Gründen: 7 Studien (2.9% bis 32.4%)
2. anhand von Leistungskriterien: 4 Studien
15 / 25Eye-Tracking in der
Technische Implementierung physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
• Eye-Tracker: 32 Studien verwendeten stationäre Eye- Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Tracking-Systeme, eine Studie nutzt mobile Brillen Larissa Hahn
• Hersteller: Tobii Technology (15), SensoMotoric Instruments Einführung
(SMI; 8), SR Research (6) Methodik
Ergebnisse
• Abtastrate: 30 Hz bis 1000 Hz, am häufigsten 120 Hz oder
Diskussion und
weniger (in 31 Studien genannt) Schlussfolgerungen
• Messgenauigkeit: in 18 Studien berichtet (< 0.5◦ ) Literatur
• Abstand zwischen ProbandIn und Bildschirm: 50 cm bis
70 cm (in 18 Studien angegeben)
• Kalibrierung:
• 5-Punkt- (6 Studien), 9-Punkt- (12 Studien) oder
13-Punkt-Kalibrierung (3 Studien)
• 3 Studien berichteten Grenzwertübereinstimmung
• 8 Studien berichten Überprüfung der Kalibrierungsergebnisse
• Bewegungseinschränkungen:
• in 21 Studien berichtet
• 7 Studien nutzen Kinn- oder Stirnstütze (oder beides) zur
Erhöhung der Messgenauigkeit
16 / 25Eye-Tracking in der
Ergebnisse physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
Methodik
FF1 FF2 FF3
Ergebnisse
• Publikation • Stimuli und AOIs • Eye-Tracking- Diskussion und
(Jahr, Journal) Metriken Schlussfolgerungen
• Stichprobe
• Lernszenario und • Split-Kriterien der Literatur
• Technische
didaktisches Datenanalyse
Implementierung
Thema • Theorien zur
(u.a. Hersteller,
• Physikalisches Abtastrate, Interpretation der
Thema Kalibrierung) Blickdaten
• Zusätzliche • Limitationen
Datenquellen
17 / 25Eye-Tracking in der
Abhängige Variablen: Eye-Tracking-Metriken physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
Methodik
• Qualitative Analyse (2 Studien) Ergebnisse
• Quantitative Analyse (31 Studien): Diskussion und
Schlussfolgerungen
• Gesamtfixationsdauer (Total fixation duration oder viewing Literatur
time): 25 Studien
• Fixationszahl (fixation count): 16 Studien
• Mittlere Fixationsdauer (mean fixation duration): 8 Studien
• Transitionszahl (transition count): 8 Studien
• Sakkadenwinkel (saccadic angle): 4 Studien
• Sakkadenlänge (saccade length): 3 Studien
18 / 25Eye-Tracking in der
Unabhängige Variablen physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
A-priori-Kriterium oder post-hoc Split:
Einführung
23 Studien 19 Studien
Methodik
Ergebnisse
Performanz Stimuli Diskussion und
• Verknüpfung von visueller Aufmerksamkeit • Vergleich der visuellen Aufmerksamkeit für Schlussfolgerungen
mit Antwortkorrektheit, Leistung oder verschiedene Variationen des visuellen Reizes
Fachwissen • Visuelle Verarbeitung unterschiedlicher Literatur
• Erforschung der Wahrnehmungs- Aufgabenanforderungen, z. B. beim
mechanismen, die der Leistung von Experten Hinzufügen oder Hervorheben von
beim Problemlösen zugrunde liegen Informationen
Zeitliche Entwicklung Person
• Untersuchung von Veränderungen der • Vergleich verschiedener Gruppen von
visuellen Aufmerksamkeit im zeitlichen Studierenden, um zu untersuchen, wie
Verlauf unterschiedliche Gruppen von Lernenden mit
• Untersuchung der Auswirkungen von dem Studienmaterial umgehen
Interventionen auf das prozedurale Wissen • Identifizierung von fachspezifischen
(Informationsentnahme, Konzentration auf Merkmalen und Denkweisen
relevante Bereiche)
10 Studien 8 Studien
19 / 25Eye-Tracking in der
Interpretation der Blickdaten physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
• Kognitionspsychologische Theorien unterstützen die Methodik
Verbindung zwischen Blickdaten und kognitiven Prozessen Ergebnisse
Diskussion und
• 14 Studien berichten eine (kognitions-)theoretische Schlussfolgerungen
Einbettung der Eye-Tracking-Methode: Literatur
• Eye-Mind-Hypothese von Just und Carpenter (1980): Ein
Fixationspunkt des Auges entspricht einem Fixationspunkt
der Aufmerksamkeit (13 Studien)
• Unmittelbarkeitshypothese von Just und Carpenter (1980) (2
Studien)
• Gummibandmodell für Augenbewegungen und
Aufmerksamkeit von Henderson (1992, 1993) (1 Studie)
20 / 25Eye-Tracking in der
Limitationen physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Limitation Reaktion Mögliche Schwierigkeiten Einführung
Methodik
... ... ... Ergebnisse
Geringe Stichproben- Parallele Datenerfas- Hohe Kosten, mehr For- Diskussion und
Schlussfolgerungen
größe sung (mehrere Eye- scherInnen erforderlich,
Literatur
Tracker) Zusammenführung proble-
matisch
Verwendung kosten- Reduktion der Messgenau-
günstiger Eye-Tracker igkeit
... ... ...
Weitere limitierende Faktoren:
Ambiguität bzgl. der Dateninterpretation, ökologisch valide Settings, reale
Szenarien, COVID-19 Pandemie
21 / 25Eye-Tracking in der
Zusammenfassung und Ausblick: physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Potential von Eye-Tracking in der Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
physikdidaktischen Forschung Larissa Hahn
Einführung
Methodik
Ergebnisse
• Item- and Test-Validierung (hohe Eignung)
Diskussion und
• Validierung von Lehr-Lern-Materialien und beim Schlussfolgerungen
Literatur
Experimentieren
• Themenfelder der modernen Physik insbesondere im Hinblick
auf zentrale Repräsentationen (van Gog & Scheiter, 2010)
• Prozessbasierte Indikatoren der Leistung
⇒ Adaptives Assessment
• Implementation von Blickdatenanalysen in Lehre und
Ausbildung
• Weiterer technischer Fortschritt: Zugang zu komplizierten
Brillen-Settings
22 / 25Eye-Tracking in der
Empfehlungen physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Theorien Pascal Klein und
Limitationen Larissa Hahn
und Modelle
Einführung
Methodik
Forschungsfragen
Reflektion und Rückkopplung
Ergebnisse
und Hypothesen Diskussion und
Schlussfolgerungen
Literatur
Zusätzliche
Experimentelles Design
Datenquellen
Definition der
AOIs und Wahl
der Metriken
Bewusstsein
Interpretation der Bickdaten
23 / 25Eye-Tracking in der
physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
Pascal Klein und
Larissa Hahn
Einführung
Methodik
Ergebnisse
Diskussion und
Schlussfolgerungen
Literatur
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
www.pheyelab.uni-goettingen.de
24 / 25Eye-Tracking in der
Literatur physikdidaktischen
Forschung: Eine
systematische
Übersichtsarbeit
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