基于眼动的程序设计学习行为测量研究

发布时间：2020-08-25 10:29

【摘要】：程序设计课程是信息技术教育的基础和难点。传统的笔试、机考等评测手段可以提供学生在语法知识方面的结果性评价,却难以提供在阅读程序与调试改错等编程技能方面的形成性评价。开展程序设计学习行为的测量,有助于教师掌握学生编程过程的细节、开展个性化的教学辅导,也可以为智能学习诊断工具提供开发依据。本文面向C语言程序设计课程的教学改革需求,以代码阅读找错、上机调试改错等典型测试活动为测量对象,综合运用眼动测量、人机交互测量等技术手段,开展学生认知活动与编程行为的测量与分析研究。本文针对学生在代码阅读和调试开发过程中的视线注视点、人机交互事件的时序数据,提出了一种任务驱动的学生编程学习行为的动作序列描述模型,通过交互决策事件(运行代码等),将学习行为划分为多个子序列,实现了对代码阅读找错和上机调试改错这两种学习行为的解析。以动作序列数据为基础,提出了面向个体和面向群体的分析方法,对学生的编程行为细节及其注意力特征进行了分析。运用上述测量技术与方案,作者所在研究团队在华中科技大学电信学院开展了两批次程序设计行为测量实验,分别测量15个本科一年级学生和13个硕士研究生在代码阅读找错、上机编程改错两种题型情况下的学习行为。测量分析结果表明,本文所提出的测量研究方法有助于解读学生在测试过程中的动作细节,对于评估学生的学习状态、提出学习改进建议提供了数字化的依据。实验测量结果也观察到编程习惯与技能对于学习活动效率的影响,首次浏览试题代码耗时较短的学生在解题后期往往需要投入更多的时间,而首次浏览试题代码较充分的学生的后期解题效率更好一些。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP312.1-4;G642
【图文】：

眼动仪,工作原理

量和程序设计人机交互行为的测量。原理技术能够实时并准确地记录受试者当前时刻视线焦点的眼动跟踪测量方法是基于瞳孔角膜反射角度的估计方法被试能够在仪器测量范围内自由活动，其具体工作原理如置通过摄像机拍摄人类眼球瞳孔的红外图片并获取lection），结合测距结果分析估算瞳孔中心（Pupilcenter）眼球球体的三维模型的投影计算，可以估计出当前眼球视（即凝视点 Gaze Point）。根据注视点的运动，可以将观定区域停留一段时间的注视行为（Fixation），视线跳及视线平滑尾随的动作（Pursuit ）。对场景信息的获取主时间在 80-600 毫秒之间变化，而眼跳则是在两个注视点间几乎不会获取有效的视觉信息。

示意图,示意图,学生阅读,网页

学习行为任务概述考察目标视觉认知测量人机交互代码阅读找错学生阅读网页中呈现的代码，找到其中存在的一个或多个语法错误，点击相应代码行的复选框控件特定语法概念、计算思维能力等学生阅读网页中静态呈现的程序代码的眼动轨迹学生在网页选复选框的上机调试改错学生在 IDE 中打开指定的代码源文件，通过阅读注释了解代码意图，通过编辑、调试运行找到其中的错误并更正特定语法概念、计算思维能力、软件调试技能、综合编程能力等学生阅读 IDE 编辑区中动态呈现的源代码的眼动轨迹学生在 IDE辑代码、编试、运行等标键盘指令屏幕输出结录程序设计考试活动的组织前，无论是高校还是在线程序设计课程，机考都是必不可少的考察方式景如图 3-1 所示，学生在网页或 IDE 中完成任务。通过鼠标和键盘与录学生交互行为数据，而学生的内在认知过程则由眼动仪记录。

代码,网页

华中科技大学硕士学位论文本文对学生在代码阅读找错和上机调试改错中的学习行为进行测量研究。实际测试时，代码阅读找错将在浏览器网页中进行，学生通过阅读显示在单页网页上的静态代码段，找出程序中存在的错误，并勾选错误所在的行号，如图 3-2 代码阅读找错题所示；上机调试改错将在 IDE 中完成，学生在 IDE 中对代码进行阅读和调试，直至得到正确结果，如图 3-3 所示。

【参考文献】