Eye Tracking unterstützt die Lehrforschung auf spannende Weise

Lernen ist bis zu einem gewissen Grad instinktiv. Die Art und Weise, wie wir Informationen aufnehmen, verarbeiten und in unserem Gehirn ablegen, ist seit langem Gegenstand wissenschaftlichen Interesses, und Forscher widmen ihre Karrieren der Entschlüsselung des Innenlebens eines Gehirns, das unterrichtet wird. Mithilfe von EEG und anderen laborgestützten Techniken konnten wir Muster des Gehirns ablesen, aber mit Eye Tracking haben wir Zugang zu zusätzlichen, impliziten Erkenntnissen, ohne auf invasive Methoden angewiesen zu sein. Wir können die kognitive Belastung eines Kindes beobachten, verstehen, wie akademisch begabte Schüler Informationen verarbeiten, und neue Lehrmethoden entwickeln, die mit einem umfassenderen Verständnis des lernenden Gehirns in Einklang stehen. Hier sind einige der wichtigsten Methoden, mit denen Eye Tracking in der Lehrforschung eingesetzt wird, um unser Verständnis des Lernprozesses zu verbessern.

Neue Wege der Erziehung mit gemeinsamer Aufmerksamkeit

Als Sie ein Baby waren, waren Sie sich dessen nicht bewusst, aber wenn Ihre Eltern auf einen Apfel zeigten und das Wort sagten, liefen in Ihrem Gehirn viele Dinge ab. Zunächst nahmen Sie die Geräusche auf, dann zeichneten Sie den Weg zwischen der Bezeichnung und dem betreffenden Objekt auf. Bei jeder Wiederholung des Wortes wurde die Assoziation in deinem Gehirn noch stärker, aber es gab noch etwas anderes, das dir bei diesem Prozess half. Der gemeinsame Fokus von dir und deiner Mutter, der Apfel, bedeutete, dass du wusstest, dass sie nicht über deine Puppe, dein Spielzeugauto oder die Katze sprach, die gerade hereinspaziert war. Die Blicke waren auf den Apfel gerichtet, und so lernten Sie das Wort mit Leichtigkeit. Dieses Phänomen wird als gemeinsame Aufmerksamkeit bezeichnet und ist ein grundlegendes Prinzip dafür, wie wir als Kinder lernen.

In der Lehrforschung ist dieses Konzept schon länger bekannt, aber durch den Einsatz von Eye Tracking hat sich unser Verständnis des kindlichen Lernprozesses erheblich erweitert. Wir sind nicht nur in der Lage zu beurteilen, inwieweit die Idee der gemeinsamen Aufmerksamkeit beim frühen Spracherwerb und beim Verständnis von Kommunikation eine Rolle spielt, sondern wir sind auch in der Lage, Situationen zu steuern, in denen die gemeinsame Aufmerksamkeit notwendigerweise fehlt oder stark eingeschränkt ist.

Die Aufmerksamkeit von 30 Kindern in einem Klassenzimmer lange genug aufrechtzuerhalten, um den Lehrstoff zu vermitteln, ist schon schwierig genug - und das war vor dem weit verbreiteten Fernunterricht. Im Zuge der Covid-19-Pandemie waren Schulen und Bildungseinrichtungen auf der ganzen Welt gezwungen, ihre Fenster zu schließen und über neue digitale Medien zu unterrichten. Wo normalerweise ein Lehrer vor der Klasse steht und die Aufmerksamkeit der Schüler auf die Tafel lenkt, müssen die Schüler stattdessen über Videoanrufe erahnen, wohin der Lehrer schaut und auf welche Materialien er sich bezieht, wenn er spricht. Dies mag wie eine kleine Unannehmlichkeit erscheinen, aber es untergräbt eine entscheidende Grundlage der menschlichen Lernweise.

Mithilfe von Eye Tracking suchen Lehrforscher nach Möglichkeiten, Lernpraktiken und -ressourcen neu zu gestalten, damit sie im Zeitalter des Fernunterrichts und bei der unvermeidlichen Rückkehr ins Klassenzimmer erfolgreich sind. Während Kinder weiterhin von zu Hause aus lernen, könnten angepasste Präsentationstools und Online-Tutorials, die das Blickmuster des Lehrers anzeigen, bei fehlenden gemeinsamen Aufmerksamkeitsszenarien helfen. Es hat sich auch gezeigt, dass in Videokursen die Konzentration auf die Lehrkraft und nicht auf das Material ein gemeinsames Lernmoment auslöst, was die Wirksamkeit der Unterrichtseinheit erhöht. Die Erkenntnisse des Eye Tracking ebnen weiterhin den Weg dafür, dass diese Konzepte in der realen Welt erdacht und getestet werden können.

Lehrern beim Unterrichten helfen

Schon vor der Verbreitung des Fernunterrichts wurde Eye Tracking eingesetzt, um zu ermitteln, wie die Lernumgebung für die Schüler optimiert werden kann. Seit vor fast 20 Jahren mit der Erforschung des "professionellen Sehens" von Lehrern begonnen wurde, haben wir gelernt, wie erfahrene Pädagogen visuelle Hinweise aus authentischen Unterrichtserfahrungen herauslesen und echte Daten über wirksame Unterrichtstechniken gewinnen können.

Seitdem Eye Tracking in die Lehrforschung eingeführt wurde, hat man sich ein genaueres Bild von diesen Unterrichtsmethoden gemacht. Durch die Analyse von Blickmustern bei Lehrern können Forscher erfahren, wie sie nach potenziellen Störungen suchen, schwierige Einzelpersonen ausfindig machen und verfolgen, wie der Inhalt im Klassenzimmer aufgenommen wird. Die Lehrforscherin Halszka Jarodzka erklärt, dass "in dieser interaktiven, dynamischen Umgebung die visuelle Wahrnehmung der Lehrer eine Schlüsselrolle für das Klassenmanagement und den Unterricht spielt" (Jarodzka: 2020). Diese Eye Tracking-Studien über die Aufmerksamkeit erfahrener Lehrkräfte können jüngeren Pädagogen dabei helfen, sicherzustellen, dass die Schüler in ihrer Klasse konzentriert und aufnahmefähig sind, was ihre Chancen auf bestmögliche Leistungen erhöht.

Dieser spezielle Forschungszweig hat noch einen weiten Weg vor sich, und Jarodzka erklärt weiter, wie "eine mobilere Eye Tracking-Forschung es uns ermöglichen würde, zu verstehen, wie die visuelle Wahrnehmung der Lehrer beim Unterrichten selbst zum Tragen kommt" (Jarodzka:2020). Dies ist eine aufregende Perspektive, die es uns ermöglicht, uns ein neues Feld psychologischer Studien vorzustellen, in dem der eigentliche Akt des Lehrens isoliert, untersucht und verstanden werden kann!

Lesen und Verstehen

Lehrerinnen und Lehrer sind keine Entwicklungswissenschaftler, aber seit jeher wird von ihnen erwartet, dass sie komplexe Entscheidungen über die Lese- und Verständnisfähigkeit treffen, die sich nachhaltig auf den Lernprozess eines Kindes auswirken können. Wenn diese Entscheidungen genau und frühzeitig getroffen werden, können Kinder mit maßgeschneiderten Lernprogrammen gefördert werden, die ihnen helfen, die Schule mit dem höchstmöglichen Leseniveau zu verlassen. Andererseits berauben verspätete Festlegungen die Kinder der Chance, einen Vorsprung beim Lernen zu bekommen.

Eine Lösung, um diese Gefahr zu entschärfen, ist der Einsatz von Eye Tracking zur Messung der Lesemuster. Wo man früher ein Kind genau beobachtete, um die Geschwindigkeit und Leichtigkeit seines Lesens zu verstehen, kann man mit Eye Tracking bestimmte Bereiche der kognitiven Belastung, präzises Zögern und besondere Wortschwierigkeiten isolieren. Auf diese Weise ist es nun möglich, genauer zu unterscheiden zwischen einem Kind mit echten und wiederholten Schwierigkeiten beim Lesen ganzer Sätze und einem anderen Kind, das nur bei einem einzelnen Begriff Schwierigkeiten hatte oder während der Untersuchung abgelenkt wurde.

Die Eye Tracking-Technologie unterstützt diese Entwicklungen, und Lösungen wie die neuen lesespezifischen Metriken von Tobii und automatische Analysetools wie Tobii Pro Lab werden in Zukunft unweigerlich eine Rolle in diesem Bereich spielen.

Software für Lesehilfen

Wir alle waren schon einmal in einer Situation, in der ein komplexer Text unsere Fähigkeit, die Informationen zu verinnerlichen, stark beeinträchtigt hat. Jargonistische Wörter, komplexe Phraseologie und Fachsprache tragen alle zu einem ineffizienten Leseprozess bei, der manche Menschen davon abhält, sich wirklich inspirieren zu lassen. Im akademischen Bereich ist dies nur allzu häufig der Fall, aber glücklicherweise gibt es Forscher, die untersuchen, wie wissenschaftliche Arbeiten leichter verständlich gemacht werden können, ohne den Inhalt zu verwässern.

Ein spannendes neues Beispiel ist die Textzusammenfassungserweiterung, ein Verfahren, mit dem der Blick des Lesers verfolgt und auf kognitive Belastung geprüft werden kann. Wenn bei einem bestimmten Wort oder einem wissenschaftlichen Begriff eine höhere Belastung festgestellt wird, wertet eine vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz konzipierte Software dies als einen Moment des Zögerns und führt auf hilfreiche und unaufdringliche Weise eine Definition für den Begriff ein. Ohne den Bildschirm zu verlassen und selbst nach der Bedeutung zu suchen, kann der Leser der Arbeit den Begriff und seinen Kontext im Satz verstehen und weiter lesen, ohne seine Konzentration zu unterbrechen.

Das Team, das hinter dieser Software steht, strebt nach intelligenten Leselösungen, die den Leser von sekundären Aufgaben entlasten, so dass er sich auf die Informationen selbst konzentrieren kann. Ihr Algorithmus ermöglicht es, Phasen "geringen Vertrauens" (Vadiraja, Dengel, Ishimaru: 2021) zu erkennen und die am besten geeignete Hilfestellung zu geben, um sie in die richtige Richtung zu lenken.

Wir brauchen uns nur die möglichen Anwendungen für Software wie diese in einer Vielzahl von Situationen vorzustellen: von Ressourcen für die frühe Leseentwicklung bis hin zu Hilfsmitteln für Menschen mit Lernschwierigkeiten - Algorithmen, die eine Leseschwäche verstehen und in Echtzeit darauf reagieren, haben endlose reale Anwendungen.

Hilfe für Schüler bei chemischen Konzepten

Chemiestudenten stehen vor einem einzigartigen Hindernis, wenn sie das Fach zum ersten Mal im Detail lernen. Im Gegensatz zu einigen anderen wissenschaftlichen Disziplinen ist die Chemie immer ungreifbar. Sie ist schwieriger zu verinnerlichen, weil die Schüler nur begrenzte authentische, reale Erfahrungen mit den untersuchten Phänomenen haben. Um sie zu beherrschen, muss die Chemie auf der submikroskopischen, makroskopischen und symbolischen Ebene verstanden werden; während erfahrene Chemiker diese Ebenen gleichzeitig miteinander verweben können, ist es für Neulinge eine hohe Hürde.

Dies hat natürlich zu einem Boom bei der Verwendung von Visualisierungen in diesem Bereich geführt. Diese Werkzeuge, die aus statischen Bildern und groben Animationen bestehen, haben ihr Bestes getan, um die komplexen Konzepte der Chemie zu vermitteln. Eye Tracking erweitert unser allgemeines Verständnis dafür, wie Experten und Anfänger gleichermaßen visuelle Darstellungen von Chemieveranstaltungen aufnehmen, und ermöglicht es Forschern wie Jessica R. Vandenplas zu verstehen, warum Studienanfänger sie für nutzlos halten, obwohl Experten ihre Verwendung immer wieder empfehlen. In Vandenplas' Forschung zeigten Eye Tracking-Daten eine Diskrepanz zwischen dem, was die Experten bei der Beschäftigung mit dem Material sahen, und dem, was die Anfänger sahen. Diese Diskrepanz konnte durch weitere Erklärungen des Lehrers überbrückt werden, die die Aufmerksamkeit der Schüler auf verschiedene Bereiche der visuellen Ressource lenkten.

Die Animation wurde mit freundlicher Genehmigung des VisChem-Projekts erstellt.

In einer anderen Studie analysierten Herrington und Kollegen (2008) Blickdaten von Schülern, während sie sich mit Simulationen beschäftigten, die es ihnen ermöglichen, mikroskopische Variablen zu manipulieren und die Ergebnisse zu beobachten. Dabei zeigte sich, dass sich Studierende ohne fachliche Anleitung auf ihr eigenes begrenztes Wissen und algorithmisches Denken im Gegensatz zu den ihnen zur Verfügung gestellten Ressourcen verlassen würden. In dieser Situation ermöglichten die Erkenntnisse darüber, wie die Anfänger Informationen aufnehmen, eine Änderung der Unterrichtspraktiken, um das Lerntempo zu beschleunigen. Auch die Lehrkräfte sind in der Lage, ihre Materialien so zu verändern, dass sie optimal auf die Art und Weise abgestimmt sind, in der Chemiestudenten das Fach lernen.

Eye Tracking im Unterrichtscode

Bei modernen Software-Entwicklungstechniken sind Code-Reviews ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses. Die Qualitätssicherung des Codes ist wohl genauso wichtig wie das Schreiben selbst, und das frühzeitige Aufspüren von Fehlern kann später unzählige Kosten und Arbeitsstunden einsparen. Deshalb ist es so wichtig, dass neue Codeschreiber bestmöglich geschult werden.

Regensburger Lehrforscher haben damit begonnen, Eye Trackers zu verwenden, um die Art und Weise zu visualisieren, wie erfahrene Codierer im Vergleich zu relativ neuen Codierern nach Fehlern suchen. Ziel war es, herauszufinden, ob es einen Unterschied in den Überprüfungsmethoden zwischen neuen und erfahrenen Codierern gibt und wie diese Erkenntnisse genutzt werden könnten, um künftigen Generationen von Codierern eine effektivere Überprüfungsstrategie zu vermitteln. Nick Schor, der leitende Forscher dieser Studie, kam zu dem Schluss, dass "fortgeschrittene und erfahrene Programmierer bei der Fehlererkennung deutlich besser abschnitten und die Eye Tracking-Daten auf eine effizientere Überprüfungsstrategie schließen lassen" (Schor et al: 2020).

Auch wenn Code-Reviews heutzutage durch Softwaresysteme unterstützt werden, die einen Großteil der Routinearbeit abnehmen, erfordert der Prozess immer noch einen großen Anteil an manueller Arbeit und menschlichen Entscheidungen in kritischen Momenten. Eye Tracking ermöglicht es, zu verstehen, wie diese Entscheidungen getroffen werden, welche Informationen den Prüfer informieren und wie der Prüfer Theorien aufstellt, wie er den Code selbst vereinfachen kann. In einer zunehmend technologisierten Gesellschaft werden kritische Einblicke in bestehende Codierungspraktiken für Unternehmen, die vorankommen wollen, von unschätzbarem Wert sein.

Schlussfolgerung

Ein umfassenderes Verständnis der Art und Weise, wie verschiedene Personen lernen, bietet Möglichkeiten, die sich die Forscher noch nicht einmal vorstellen können. Derzeit ist Eye Tracking führend bei der Entschlüsselung von Denkprozessen, die von den Probanden selbst nicht erklärt oder rationalisiert werden können, und hilft uns, einige der instinktivsten und natürlichsten Teile des Lernverhaltens zu verstehen. Dies gilt insbesondere für die Analyse des Verhaltens von Kleinkindern, denn Eye Tracking ermöglicht uns einen privilegierten Zugang zu Lerngewohnheiten, die sonst erst in einer späteren Phase der Kommunikationsentwicklung zugänglich wären. Aber egal, ob es sich um kleine Kinder am Anfang oder um Erwachsene am Ende ihrer Lernreise handelt, Eye Tracking bietet uns einen Blick hinter die Kulissen des Gehirns, während es lernt.

Besuchen Sie unsere Forschungsseiten, um mehr darüber zu erfahren, wie Eye Tracking in den Bereichen Bildung und Leseforschung eingesetzt wird.

Referenzen

Vandenplas, J. R. (2008). Animationen im Chemieunterricht: Auswirkungen von Fachwissen und anderen Merkmalen . Die Katholische Universität von Amerika.

Jarodzka, H., Skuballa, I. & Gruber, H. (2021). Eye Tracking in der pädagogischen Praxis: Untersuchung der visuellen Wahrnehmung, die dem Lehren und Lernen im Klassenzimmer zugrunde liegt . Educ Psychol Rev 33, 1-10.

Vadiraja, P. Dengel, A. Ishimaru, S. (2021). Text Summary Augmentation for Intelligent Reading Assistant . In Augmented Humans International Conference (AHs '21), February 22-24, 2021, Rovaniemi, Finland. ACM, New York, NY, USA, 4 Seiten.

Hauser, Florian & Schreistter, Stefan & Reuter, Rebecca & Mottok, Jurgen & Gruber, Hans & Holmqvist, Kenneth & Schorr, Nick. (2020). Code Reviews in C++: Preliminary Results from an Eye Tracking Study . 1-5. 10.1145/3379156.3391980.