Wskazówki poznawcze (eye-tracking)

Badanie "Rola wskazówek poznawczych w rozwiązywaniu problemów matematycznych: badanie okulograficzne zaangażowania i strategii uczniów" analizuje, w jaki sposób cyfrowe wskazówki poznawcze wpływają na strategie rozwiązywania zadań matematycznych przez uczniów klas V szkoły podstawowej. Projekt sprawdza także użyteczność technologii śledzenia wzroku opartej na kamerach internetowych (webcam eye-tracking) w badaniu procesów uczenia się realizowanych w naturalnych warunkach szkolnych.

Badanie zostało zrealizowane przez Instytut Badań Edukacyjnych – Państwowy Instytut Badawczy na zlecenie Ministerstwa Edukacji Narodowej.

Cele projektu

Celem głównym badania była weryfikacja użyteczności technologii webcam-based eye-tracking w analizie procesów uczenia się oraz ocena wpływu cyfrowych wskazówek poznawczych na strategie rozwiązywania problemów matematycznych przez uczniów klas V.

Badanie miało również na celu:

określenie, w jaki sposób uczniowie alokują uwagę podczas pracy z zadaniami matematycznymi,
ocenę relacji pomiędzy korzystaniem ze wskazówek a efektywnością rozwiązywania zadań,
analizę roli czynników psychologicznych, takich jak lęk matematyczny i motywacja, w procesie uczenia się wspieranego cyfrowo.

Opis badania

Badaniem objęto około 140 uczniów klas V szkół podstawowych (12 klas), w wieku od 9 do 11 lat. Projekt miał zasięg ogólnopolski i został zrealizowany w czasie krótszym niż jeden rok.

Interwencja polegała na rozwiązywaniu przez uczniów serii zadań matematycznych na dedykowanej platformie internetowej, zaprojektowanej specjalnie na potrzeby badania. Środowisko to symulowało funkcjonowanie systemów Inteligentnego Nauczania (Intelligent Tutoring Systems – ITS).

Kluczowym elementem badania była manipulacja dostępnością wsparcia poznawczego. W warunku eksperymentalnym uczniowie mieli możliwość korzystania z dwustopniowych, krokowych wskazówek poznawczych opracowanych przez eksperta dydaktyki matematyki. W warunku kontrolnym uczniowie rozwiązywali zadania bez dodatkowego wsparcia.

Cały proces był monitorowany przy użyciu technologii śledzenia wzroku opartej na kamerach internetowych (platforma RealEye). Pozwoliło to na nieinwazyjną i w pełni zanonimizowaną rejestrację alokacji uwagi uczniów w trakcie pracy z zadaniami, realizowaną w szkolnych pracowniach komputerowych.

W badaniu zastosowano wewnątrzobiektowy schemat eksperymentalny z powtarzanymi pomiarami (within-subject repeated-measures design). Każdy uczestnik realizował zadania zarówno w warunku z dostępem do wskazówek, jak i bez nich, co umożliwiło precyzyjną kontrolę różnic indywidualnych.

Procedura badawcza obejmowała cztery zestawy zadań, których kolejność była systematycznie równoważona (randomizacja blokowa na poziomie ucznia), w celu ograniczenia efektów uczenia się i zmęczenia. Badanie przeprowadzono w warunkach wysokiej trafności ekologicznej – w szkołach, podczas standardowych jednostek lekcyjnych.

W badaniu zastosowano wielowymiarowy zestaw wskaźników, obejmujący:

Wskaźniki efektywności i zachowania uczniów:

poprawność udzielanych odpowiedzi,
całkowity czas wykonania zadania,
liczba wykorzystanych wskazówek,
czas do podjęcia pierwszej aktywności.

Wskaźniki okulograficzne (eye-tracking):

czas fiksacji wzroku w zdefiniowanych Obszarach Zainteresowania (AOI),
analiza ścieżek wzroku,
identyfikacja momentów rozproszenia uwagi.

Zmienne psychologiczne i różnice indywidualne:

poziom lęku matematycznego,
motywacja wewnętrzna do nauki matematyki,
kompetencje cyfrowe,
ocena z matematyki z klasy IV jako miara wiedzy bazowej.

Oceny subiektywne uczniów:

postrzegana trudność zadań,
deklarowany wysiłek,
ocena użyteczności wskazówek poznawczych.

Efektywność interwencji analizowana była m.in. z wykorzystaniem miar wielkości efektu.

Rezultaty projektu

Projekt dostarcza unikalnych danych dotyczących tego, w jaki sposób uczniowie faktycznie korzystają z cyfrowych wskazówek poznawczych oraz jak wpływają one na strategie rozwiązywania problemów matematycznych.

Wyniki badania przyczyniają się do rozwoju wiedzy na temat projektowania skutecznych systemów wspierających uczenie się matematyki oraz pokazują potencjał wykorzystania technologii biometrycznych w badaniach edukacyjnych realizowanych w warunkach szkolnych.

Obecnie trwa opracowywanie raportu końcowego z badania.

Grupy docelowe

Rezultaty projektu są istotne dla:

uczniów, którzy mogą korzystać z lepiej zaprojektowanych, wspierających narzędzi edukacyjnych;
nauczycieli matematyki i praktyków edukacyjnych, zainteresowanych skutecznymi formami wsparcia poznawczego uczniów;
twórców narzędzi edukacyjnych i rozwiązań opartych na AI, projektujących systemy Inteligentnego Nauczania;
badaczy edukacji, analizujących procesy uczenia się i strategie poznawcze uczniów.

Aspektyetyczne

Projekt uzyskał pozytywną opinię Komisji ds. Etyki Badań Naukowych IBE. Badanie realizowano z zachowaniem pisemnej zgody rodziców oraz ustnej zgody uczniów. Zastosowano rygorystyczne standardy ochrony danych – obraz z kamer był przetwarzany wyłącznie w czasie rzeczywistym w celu ekstrakcji danych okulograficznych, bez zapisu wizerunku twarzy. Uczniom zapewniono możliwość rezygnacji z udziału na każdym etapie badania.