完整問題解決的動態認知歷程

周瑞仁、李人平、林志鴻 

 

在目前的教育現場，診斷學生的學習困難很重要，但卻不是一件容易的事。典型的診斷方式通常是透過測驗的方式進行，學生會拿到一份考卷，作答後，教師依據作答結果來判斷學生的學習品質。換言之，教師透過學生的問題解決來診斷學習困難。

問題解決指的是學習過程中常見的任務，其目的是藉由已知訊息來找出未知訊息。已知訊息以文字呈現，通常會附上圖形。假如學生可以正確找出答案，表示問題被學生正確的解決。由於問題解決能夠測驗解題者整合相關知識的能力，並了解他們的學習狀態，因此對於學習診斷來說是相當重要的工具，PISA亦將問題解決能力列為評估青少年素養的關鍵指標之一。

有鑑於問題解決的重要性，研究者試圖探索學習者問題解決的歷程，診斷學習困難，進而有效輔助學生的學習。但如前所述，一般診斷學習困難的方式是透過紙筆測驗，只能觀察到學生問題解決最終呈現的內容，難以紀錄並讓教師觀察到問題解決的完整歷程。因此，為了克服紀錄問題解決歷程並診斷的困難，我們借助眼動追蹤與平板裝置，嘗試紀錄學生完整的解題歷程。研究者可以藉眼動儀準確紀錄學生的視覺注意力(Rayner, 1998)。眼動追蹤的另一個優勢是能夠在不干擾學生的情況下收集資料，有助於研究者客觀觀察學生的問題解決歷程。一些研究納入眼動追蹤技術作為輔助，得到不錯的成果。有研究表明眼動追蹤在檢驗潛在認知過程方面具有潛力(Johnson & Mayer, 2012)，例如，使用眼動追蹤設備評估學生在數學學習中必要的空間能力(Wang, Chen, & Lin, 2014)。眼動追蹤也可以與教學技術整合，如電腦遊戲，以研究學生注意力如何轉變(Alkan & Cagiltay, 2007)。Zheng and Cook (2012)指出眼動追蹤可以揭示解決複雜問題的過程中數個不同結構的認知負荷的改變。具體來說，眼動指標中的凝視持續時間可以被視為解析視覺訊息所需的時間(Rayner, 1998)，此外，在進行眼動分析之前，會將解題畫面中重要的部份畫出興趣區(Area of Interest, AOI)，研究顯示，三種眼動測量有希望能區分成功的解題者與不成功的解題者(John J. H. Lin & Lin, 2014)：(1) 興趣區內總凝視時間(Dwell Time, DT)：興趣區內所有凝視持續時間的總和；(2) 興趣區內凝視次數(Fixation Count, FC)：落入興趣區內的總凝視次數；以及(3)返回次數(Run count, RC)：注視點進入興趣區內再離開的次數。

除了紀錄眼動外，紀錄答題時的手寫歷程也是觀察問題解決的有效方式。因為手寫歷程反映學習者的推理過程，是辨認學習者的解題困難的基礎。典型的幾何問題解決歷程包含閱讀(輸入階段)和書寫(輸出階段)。先前的研究強調”輸入階段”，”輸出階段”被簡化成提供多重選擇的選項，並讓受試者用鍵盤回應(Madsen, Larson, Loschky, & Rebello, 2012)或是採用口頭回答的方式。改進後的實驗設計引入手寫作為輸入裝置，使解題者能夠更直觀的表達所想，且創造觀察完整問題解決(complete problem solving, CPS)歷程的機會。完整問題解決這個名詞由John J. H. Lin and Lin (2014)提出，用於強調問題解決涵蓋輸入與輸出的面向。而此整合性的技術可監測視覺注意力的分配，紀錄手寫/繪圖，並明確捕捉手眼之間的連續訊號轉換，J. J. H. Lin and Lin (2018)使用此設計來分析學生在解決幾何問題(相似三角形)時的困難。